Tài liệu PHẦN I: SINH HỌC TẾ BÀO CHƯƠNG IV: NĂNG LƯỢNG VÀ ENZYME pdf

Nguyén Hoai Hwong 2 Các định luật nhiệt động học Định luật 1: Tông năng lượng trước khi chuyển hóa bằng tông năng lượng sau khi chuyên hóa; Năng lượng không thể tự sinh ra hay tự

PHẦN I: SINH HỌC TẾ BÀO

CHUONG IV: NANG LUGNG VA

ENZYME

TS Nguyén Hoai Hwong

2) Các định luật nhiệt động học

Định luật 1: Tông năng lượng trước khi chuyển hóa bằng

tông năng lượng sau khi chuyên hóa;

Năng lượng không thể tự sinh ra hay tự mắt đi

IV.1 Tổng quát về năng lượng

1) Định nghĩa năng lượng Năng lượng = khả năng sinh công

Tế bào = nhà máy chuyền hóa năng lượng

lầy năng lượng từ bên ngoài thực hiện các phản ứng hóa học trong tế bào vận chuyền vật chất

vận động

Các dạng năng lượng theo nguồn gốc: quang năng; hóa năng

Hai trạng thái năng lượng chuyển hóa lẫn nhau:

Động năng: năng lượng của hoạt động

Thế năng: năng lượng dự trữ

Định luật 2: Trong

transformation nang lượng toàn

vô ích = Unusable energy after mol ch uyen hóa

TÁS Trennangrong

Energy transformations ban dau

Free energy => => => Unusable energy after

Cách phát biểu khác của định luật 2:

Trong một hệ kín với nhiều chuyển hóa năng lượng, năng lượng có ích (tự do) giảm và năng lượng vô ích tăng

3) Năng lượng tự do H=G+ TShay G=H—- TS

H = enthalpy =năng lượng chứa trong liên kết hóa học

G = năng lượng tự do = năng lượng dùng dé phá vỡ hoặc

tạo liên kêt hóa học = năng lượng sinh công;

S = entropy đo mức độ hỗn loạn của hệ thống (nhiệt sinh

ra do chuyên động hôn loạn của phân tử)

Trong phản ứng hóa học:

Liên kết hóa học đang tồn tại bị phá vỡ, liên kết hóa học mới được hình

thành, dẫn đến thay đổi năng lượng tự do:

AG = Gein pham — hú phản ứng

AG = AH - TAS

Phản ứng thủy phân = Phản ứng giải phóng năng lượng

Di foe

gg

Năng lượng được giải phóng khi liên

kết hóa học bị phá vỡ

G

Cần cung cấp năng lượng

Phản ứng cần năng lượng Phản ứng tỏa năng lượng

Energy must be supplied

Reactant Reactant

Energy is released

Endergonic (b) Exergonic

Y nghĩa của giá trị năng lượng tự do:

AG- Gry aim P⁄ œ4 A7242 2^_

Phản ứng tổng hợp = Phản ứng cần năng lượng

Ding hoa

® @ @- eee

TT

để tạo liên kết

4€

4) Năng lượng hoạt hóa (activation energy)

Năng lượng dùng để phá vỡ liên kết hóa học đang tôn tại

Activation energy

® Không có xúc tác

eed

S/N Catalyzed

Activation

| @ energy

Reactant

Product (b) rz , z

Có xúc tác Năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Chức năng:

i) Don vi cau tao acid nucleic

ii) Năng lượng của tế bào ATP

Phản ứng tỏa nhiệt:

" Dihoa —

" _ Hô hâp tê bào

Phản ứng thu nhiệt:

" Vận chuyến tích cực G>

5) ATP (adenosine triphosphate)- năng lượng của tế bào

ATP (space-filling model)

905s}

Phosphate groups

> Base: adenine

> Duong: ribose

OH OH

Ad ennai

Vv:

ATP (Adenosine triphosphate)

Phản ứng tỏa nhiệt

ẤP + HạO 1T

Phản ứng thu nhiệt

O O

Bh! + vate Bc

_ NH,

_

AG = -7.3 kcal/mol

AG= +3.4 kcal/mol

AG = -3.9 kcal/mol

Ví dụ về sự sử dụng năng lượng ATP của tế bào

IV.2 Enzyme

1) Enzyme là chất xúc

a) Enzyme là chât xúc 2

tac: Lam giam nang a

ủi enzyme xúc tác

L| | @ " _ N ` - energy

Reactant

3

Š

2

: “0

Product

Vv

(0) Co chat Glucose Fructose

enzyme

gay

Enzyme

E+So[ES]~@E+P

2) Cơ chế xúc tác của enzyme

Các bước của phản ứng enzyme;

Bước 1 Cơ chất liên kết với enzyme tại vị trí tâm hoạt động - Tạo phức hợp

enzyme (E) — co’ chat (S)

Bước 2 Amino acid tại tâm hoạt động tương tác với cơ chất làm bẻ gãy liên

két trong co’ chat

Bước 3 Sản phẩm (P) rời khỏi enzyme Enzyme tự do để liên kết với phân tử

cơ chất kế tiếp

b) Da sé Enzyme là chất xúc tác sinh học

Bản chât hóa học của enzyme: protein (loai trir ribozyme la RNA) Cấu trúc không gian: hình dạng phân tử enzyme, vị trí tâm hoạt động (active site) quyét dinh hoạt động của enzyme

Enzyme có tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme khớp vừa với cơ chất xác

định, tương tác với xúc tác một phản ứng xác định

Tâm hoạt

động

°

(a)

(a) ⁄

a Pact ứng enzyme:

“ “synthase ba cach cach

`

tạo liên kêt mới

Two amino acids at the active site of chymotrypsin become charged

sức căng cho

phân tử cơ chat

để bẻ gãy liên

kết hiện hữu

c) Enzyme làm

hóa học tại tâm hoạt động

3) Tâm hoạt động của

enzyme

Hai yếu tố quyết định tính

chất đặc hiệu của

enzyme:

¡) Hình dạng tâm hoạt động

ii) Nhóm chức tại tâm hoạt

động

Thanh phan tam

hoạt động:

- Amino acid của

protein enzyme

-Thanh phan phi

protein cua enzyme

gọi chung la cofactor

-Phan loai cofactor:

¥ Cofactor: kim loai

v¥ Coenzyme: cac

chất hữu cơ gắn tạm

thời vào enzyme

vNhóm phụ

(prosthetic group):

phân tử riêng biệt

gắn thường trực vào

enzyme

Cơ chất polysaccharide

Enzyme lysozyme (nước bọt, nước mặt) thủy phân polysacchride vách tê bào vi khuân

6 ] A Few Examples of Nonprotein “Partners”

° of Enzymes

Cofactors

Iron (Fe?* or Fe**) Oxidation/ reduction Copper (Cu* or Cu") ƒ Oxidation/ reduction

Zine (Zn?*) fo Helps bind NAD

Coenzymes G t bs

Coenzyme A Carries —CH,—CH, NAD V ị * Carries electrons

ATP Provides / extracts energy

Prosthetic groups

contains iron cofactor

Retinal Converts light energy

Apoenzyme + Cofactor = Holoenzyme

[oR oh potas, Thoah toe

j Hình dang tâm hoạt động và mô hình phức hợp enzyme-

cơ chât

Substrate

Mô hình ống khóa-chìa khóa

(Lock-and-Key Model of Enzyme-Substrate Binding)

ES complex

Emil Fischer 1894 Tâm hoạt động có hình dạng bổ

sung về mặt không gian với cơ

chất đề bắt cặp

Mô hình lắp kín do cảm ứng

(Induced-Fit Model of Enzyme-Substrate Binding)

Substrate

Cơ chất gắn vào tâm hoạt động

làm thay đổi hình dạng tâm hoạt

ES complex động sao cho chúng bắt cặp bổ

sung về mặt không gian

Daniel E Koshland Jr 1958

Enzyme

4) Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng enzyme

tạ; enzyme cơ thể t, enzyme vi

> t< tops! Lién két hydro, tương tác kị nước quá chặt chẽ - hình dạng tam

hoạt động Ít khớp với cơ chât

> tạ: nhiệt độ tối ưu của phản ứng enzyme: hình dạng tâm hoạt động vừa khớp với cơ chât

» t> toni chuyén động ngẫu nhiên của nguyên tử trong enzyme tăng - tháng luên kêt tương tác yêu — tâm hoạt động không còn khớp cơ chât

> t>>typ: enzyme bj bién tinh

b) Ảnh hưởng 5 Optimum pH Optimum pH

của pH p p p p

for pepsin for trypsin

1 2 3 4 5 6 7 8 9

PH of reaction —

Liên kết ion bên trong protein (mạch nhánh Giu và Lys) phụ thuộc va [H*]

trong môi trường

pHopt = [H*] bảo đảm hình dạng tâm hoạt động

5) Điều hòa hoạt động của enzyme trong các quá trình trao đổi

chất của tế bào

a) Các con đường trao đổi chất (metabolic pathways):

> Chuỗi phản ứng sinh hóa trong tế bào

> Xúc tác bằng enzyme

A B C WV -D E

enzyme 1 enzyme2 | enzyme3 enzyme 4

c) Nồng độ của cơ chất

Ở phản ứng enzyme, xảy

ra hiện tượng bão hòa

cơ chât

Ở phản ứng không enzyme,

toc độ phản ứng tỉ lệ - thuận với nông độ cơ chât

enzyme

Nông độ cơ chất [S]

> Lúc đầu, [S] tăng, v tăng

> [S] tiếp tục tăng, tất cả các phân tử enzyme đều đang hoạt động (E liên kết với S tạo phức hợp ES), xảy ra hiện tượng bão hòa cơ chắt,

v không thê tăng nữa

Chu trình trao đổi chất (cyclic metabolic pathway)

= Con đường trao đổi chất khép kín

A

B

F C

BòC=SD

D

) Ức chế cạnh tranh (Competitive Inhibition)

b) Điều hòa enzyme

Điều hòa sinh Điều hòa

oC tổng hợp protein enzyme đang

— enzyme (hoc tồn tại

NUc ché canh

=

e inhibition) > Chiêm chô của S tại tâm hoạt động của E

ii) Ức chế không cạnh tranh (Noncompetitive Inhibition)

enzyme 1, enzyme2 enzyme 3

iif) Uc chế ngược (Feedback Inhibition)

Chất ức chế không cạnh tranh

- gắn vào vị trí lập thể (allosteric site) của enzyme (một vị trí

khác với tâm hoạt động của enzyme)

- làm thay đổi hình dạng của enzyme (cấu trúc không gian),

- gây biến dạng tâm hoạt động

- khiến cơ chất không thể gắn vào đó

Ức chế ngược (Feedback Ức chế ngược (Feedback

khử

cả

dạng H) NAD: + 2H —› NADH + H: (NAD: nhận e/ chất oxi hóa)

= Cặp oxi hóa khử NAD:/ NADH là chát tải điện tử (electron carrier) =

chất tải năng lượng trong tê bào

1)Định nghĩa tổng quát:

_ Oxidation >

Energy-rich

molecule

Enzyme | Hay

a

te: ES NAD:

ee [ESI

NAD+ la coenzyme

gan vao enzyme

Reduction | ae

A + Ht

HH:

+

ca af H

Cơ chế phản ứng oxy hóa khử với sự tham gia cla coenzyme NAD*

NAD: có chức năng kép:

>€Coenzyme

>Chất oxi hóa

NAD* và NADP' bị khử thanh NADH (NADPH)

NADH (NADPH) bi oxy hóa thành NAD*+ (NADP*)

Adenine AL CL

Nie

Z~_N

L KAP LY

2 On

XH Hy

esterified to

P, in NADP”

H

| HH |

| Sy NH» | | NH»

| 2e +H |

Sự khử (+ 2e)

>>

—————

Sựoxy (2®)

hóa

Các coenzyme đóng vai trò chất tải điện tử trong tế bào:

NAD+/ NADH (Nicotinamide Adenine Nucleotide) NADP+/ NADPH (Nicotinamide Adenine Nucleotide Phosphate)

FAD/ FADH2 (Flavin Adenine Dinucleotide)

FAD (Flavin Adenine Dinucleotide)

FADH,

Flavin adenine dinucleotide (FAD)

FAD + 2H <

IV 4 Cơ chế tổng hợp ATP trong tế bào

Phản ứng tổng hợp ATP từ ADP + P, được gọi là phản ứng

phosphoryl hoa

Hai cơ chế phosphoryl hóa: A D> RP N&Q NỊP

| A`»©

[NADH “0 [ Proton pump |

synthase

Phosphoryl hóa mức cơ chất Phosphoryl hóa hóa thảm thấu

2 Phosphoryl hóa hóa thẩm thấu

(Chemiosmotic Phosphorylation)

Ti thé (mitochondrion)- hô hấp té bao — tổng hợp ATP

5 °

(intermembrane space)

1 Phosphoryl hóa mức cơ chất

(Substrate -Level Phosphorylation)

>Enzyme xúc tác phản ứng tổng hợp ATP từ cơ chất chứa nhóm phosphate (PEP — phosphoenol pyruvate) và ADP

>Năng lượng giải phóng từ bẻ gấy liên kết cao năng trong cơ chất PEP được sử dụng đề tông hợp ATP

Intermembrane space (HW) ®

Năng lượng tổng hợp ATP

lây từ sự chuyên động cua dong Ht

[NADH (Hồ

Cơ chế hóa thẩm thấu:

>Bơm H: vận chuyển H* qua màng tạo thang điện hóa (chênh lệch về nông độ H: và điện tích hai bên màng),

>Dòng H: chuyền động trở lại qua phức hợp ATP synthase theo chiều thang điện hóa (thê năng biên đôi thành động năng)

>Phức hợp ATP synthase xúc tác phản ứng tổng hợp ATP

10

Phức hợp ATP synthase gồm

hai phân:

phần nội vi (xuyên màng) là

kênh ion cho dòng H: đi qua,

phần ngoại vi là enzyme xúc

tác phản ứng

ADP + Pi ATP

Kénh ion

ib

NOR

E

MITOCHOI

ì | l\

Vùng

enzyme

MITOCHONDRIAL MATRIX

Phwrc hop ATP synthase

Hai dạng phán ứng phosphoryl hóa hóa thẩm

thấu

Phosphoryl hóa oxi hóa (Oxidative phosphorylation)

= Phản ứng phosphoryl hóa ADP tạo thành ATP xảy ra trong tỉ

thể - hô hấp tế bào (chương V)

Quang phosphoryl hóa (Photophosphorylation)

= Phản ứng phosphoryl hóa ADP tạo thành ATP xảy ra trong lục lạp - quang hợp (chương VI)

11