ể hiểu rõ hơn về quá trình oxy hóa sinh học, điều cần thiết là phải có kiến thức cơ bản về nănglượng sinh học và vai trò của các hợp chất năng lượng cao trong các quá trình sinh học.Đ Nă
Trang 1ể hiểu rõ hơn về quá trình oxy hóa sinh học, điều cần thiết là phải có kiến thức cơ bản về nănglượng sinh học và vai trò của các hợp chất năng lượng cao trong các quá trình sinh học.
Đ
Năng lượng sinh học hoặc nhiệt động lực học sinh hóa liên quan đến việc nghiên cứu sự thay
đổi năng lượng (chuyển giao và sử dụng) trong các phản ứng sinh hóa Các phản ứng được phân loại
chung là exergonic (giải phóng năng lượng) và endergonic (tiêu thụ năng lượng) Năng lượng sinh học là
trạng thái ban đầu và cuối cùng của thành phần năng lượng của các chất phản ứng chứ không phải cơchế của các phản ứng hóa học
Năng lượng tự do
Năng lượng thực sự có sẵn để hoạt động (có thể sử dụng) được gọi là năng lượng tự do Những
thay đổi trong năng lượng tự do (∆G) có giá trị trong việc dự đoán tính khả thi của các phản ứng hóa học.Các phản ứng có thể xảy ra một cách tự phát nếu chúng đi kèm với sự giảm năng lượng tự do
Trong một phản ứng hóa học, nhiệt có thể được giải phóng hoặc hấp thụ Entanpi (∆H) là đại
lượng đo sự thay đổi nhiệt lượng của chất phản ứng so với sản phẩm
Entropy (∆S) đại diện cho sự thay đổi tính ngẫu nhiên hoặc rối loạn của chất phản ứng và sản phẩm Entropy đạt cực đại khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng Các phản ứng của hệ thống sinh
học liên quan đến việc giảm tạm thời entropy
Mối quan hệ giữa sự thay đổi của năng lượng tự do (∆G), entanpi (∆H) và entropi (∆S) được biểuthị bằng
Hợp chất năng lượng cao, ATP nói:
“Tôi là đơn vị năng lượng của tế bào!
Tiêu thụ và tái sinh liên tục là điều hứng thú của tôi;
Không có tôi, tất cả các chức năng sinh hóa đi vào bế tắc;
Sự tồn tại của cuộc sống là điều không tưởng khi không có ý chí của tôi”
NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
HHọchhHỌC
Trang 2∆G = ∆H - T∆S
T đại diện cho nhiệt độ tuyệt đối tính bằng Kelvin (K = 273 + °C)
Thuật ngữ năng lượng tự do tiêu chuẩn biểu thị bằng ∆G° (lưu ý chỉ số trên °) thường được sử dụng Nó chỉ ra sự thay đổi năng lượng tự do khi các chất phản ứng hoặc sản phẩm ở nồng độ 1 mol /l,
pH 7,0
∆G âm và dương
Nếu sự thay đổi năng lượng tự do (∆G) âm, thì có sự mất năng lượng tự do Phản ứng này được
cho là exergonic và diễn ra một cách tự phát Mặt khác, ∆G dương cho thấy rằng năng lượng phải được cung cấp cho các chất phản ứng Phản ứng không thể tiến hành một cách tự phát và đó là endergonic
Sự thủy phân ATP là một ví dụ điển hình của phản ứng exergonic
ATP + H2O ADP + Pi (∆G° = –7,3 Cal/mol)
Sự đảo ngược của phản ứng (ADP + Pi ATP) là phản ứng endergonic và chỉ xảy ra khi cónguồn cung cấp năng lượng ít nhất là 7,3 Cal/mol (∆G° dương)
Sự thay đổi năng lượng tự do bằng không (∆G = 0) khi phản ứng ở trạng thái cân bằng
Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, ∆G phụ thuộc vào nồng độ thực tế của chất phản ứng và sảnphẩm Để chuyển chất phản ứng A thành sản phẩm B (A B), công thức toán học sau có thể được suyra
∆G° liên quan đến hằng số cân bằng (Keq)
Khi phản ứng A B ở trạng thái cân bằng (eq), thì sự thay đổi năng lượng tự do bằng không.Phương trình trên có thể được viết dưới dạng
∆G = 0 = ∆G° + RT In
Vì vậy ∆G° = – RT In Keq
∆G là một giá trị cộng cho các con đường
Trang 3Con đường sinh hoá thường bao gồm một loạt các phản ứng Đối với các phản ứng như vậy, sựthay đổi năng lượng tự do là một giá trị cộng Tổng của ∆G rất quan trọng trong việc xác định xem mộtcon đường cụ thể có tiếp tục hay không Miễn là tổng ∆Gs của các phản ứng riêng lẻ là âm, con đường cóthể hoạt động Điều này xảy ra mặc dù thực tế là một số phản ứng riêng lẻ có thể có ∆G dương.
Một số hợp chất trong hệ thống sinh học, khi thủy phân, mang lại năng lượng Thuật ngữ hợp
chất năng lượng cao hoặc hợp chất giàu năng lượng thường được áp dụng cho các chất có đủ năng lượng tự do để giải phóng ít nhất 7 Cal/mol ở pH 7,0 (Bảng 11.1) Một số hợp chất khác giải phóng ít
hơn 7,0 Cal/mol (thấp hơn quá trình thủy phân ATP thành ADP + Pi) được gọi là hợp chất năng lượngthấp
Bảng 11.1 Năng lượng tự do tiêu chuẩn của quá trình thủy phân một số hợp chất quan trọng
Tất cả các hợp chất năng lượng cao - khi bị thủy phân - giải phóng nhiều năng lượng hơn ATP
Chúng bao gồm phosphoenol pyruvate, 1,3-bisphosphoglycerate, phosphocreatine, vv Hầu hết các hợp
chất năng lượng cao đều chứa nhóm phosphate (ngoại trừ acetyl CoA) do đó chúng được gọi là hợp chấtphosphate năng lượng cao
Phân loại các hợp chất năng lượng cao
Có ít nhất 5 nhóm hợp chất năng lượng cao
CÁC HỢP CHẤT NĂNG LƯỢNG CAO
Trang 41 Pyrophosphates Ví dụ: ATP
2 Acyl phosphates Ví dụ: 1,3-bisphosphoglycerate
3 Enol phosphates Ví dụ: phosphoenolpyruvate
4 Thioesters Ví dụ: acetyl CoA
5 Phosphagens Ví dụ: phosphocreatine
Bảng 11.2 cung cấp thêm một số chi tiết về các hợp chất năng lượng cao, bao gồm các liên kết cao
năng có trong mỗi loại
Bảng 11.2 Những hợp chất năng lượng cao
Các liên kết cao năng: Các hợp chất năng lượng cao sở hữu liên kết axit anhydrit (chủ yếu là liên kết
photphoanhydrit) được hình thành do sự kết hợp của hai nhóm axit hoặc các hợp chất liên quan Cácliên kết này được gọi là liên kết năng lượng cao, vì năng lượng tự do được giải phóng khi các liên kết này
bị thủy phân Lipmann đề nghị sử dụng ký hiệu ~ để biểu thị liên kết năng lượng cao Ví dụ, ATP được
viết là AMP ~ P ~ P
ATP - hợp chất cao năng quan trọng nhất
Adenosine triphosphate (ATP) là phân tử cao năng duy nhất và quan trọng nhất trong tế bào
sống Nó bao gồm một adenin, một ribose và một gốc triphosphat (Hình 11.1) ATP là một hợp chất cao năng do sự hiện diện của hai liên kết photphoanhydrit trong đơn vị triphotphat ATP đóng vai trò là đơn
vị năng lượng của tế bào như thể hiện rõ trong chu trình ATP-ADP.
Trang 5Hình 11.1 Cấu trúc ATP
Chu trình ATP-ADP
Quá trình thủy phân ATP liên quan đến việc giải phóng một lượng lớn năng lượng
ATP + H2O ADP + Pi + 7,3 Cal
Năng lượng giải phóng được sử dụng cho các quá trình khác nhau như co cơ, vận chuyển, v.v.ATP cũng có thể hoạt động như một chất cung cấp photphat năng lượng cao cho các hợp chất nănglượng thấp, để làm cho chúng trở nên giàu năng lượng Mặt khác, ADP có thể nhận photphat năng lượngcao từ các hợp chất có hàm lượng năng lượng tự do cao hơn để tạo thành ATP
ATP đóng vai trò như một đơn vị năng lượng có sẵn của tế bào, liên tục được sử dụng và tái tạo.Điều này được thể hiện trong chu trình ATP-ADP, cơ sở cơ bản của các phản ứng trao đổi năng lượng
trong hệ thống sống (Hình 11.2) Năng lượng tạo ra của ATP là rất cao.
Hình 11.2 Chu trình ATP-ADP cùng với các nguồn và việc sử dụng ATP (Lưu ý rằng ~P không tồn
tại ở dạng tự do, mà chỉ được chuyển giao)
Trang 6ATP hoạt động như một liên kết năng lượng giữa quá trình đồng hóa (tổng hợp) và dị hóa
(phân hủy phân tử) trong hệ thống sinh học
Tổng hợp ATP
ATP có thể được tổng hợp theo hai cách
1 Phosphoryl hóa oxy hóa: Đây là con đường chính tạo ra ATP trong các sinh vật hiếu khí Nó
được liên kết với chuỗi chuyền điện tử của ty thể (chi tiết sẽ được mô tả ở phần sau).
2 Phosphoryl hóa mức cơ chất: ATP có thể được tổng hợp trực tiếp thông qua quá trình oxy hóa cơ chất trong trao đổi chất Các hợp chất cao năng như phosphoenolpyruvate và 1,3-
bisphosphoglycerate (chất trung gian của quá trình đường phân) và succinyl CoA (của chutrình axit citric) có thể chuyển photphat cao năng để cuối cùng tạo ra ATP
Các dạng lưu trữ của photphat cao năng
Phosphocreatine (creatine phosphate) được lưu trữ trong cơ và não của động vật có xương
sống, là một hợp chất giàu năng lượng Ở động vật không xương sống, phosphoarginine (argininephosphate) thay thế cho phosphocreatine
Quá trình oxy hóa được định nghĩa là sự mất đi các electron và quá trình khử là sự nhận cácelectron Điều này có thể được minh họa bằng sự chuyển đổi lẫn nhau của ion sắt (Fe2+) thành (Fe3+)
Hiện tượng electron bị mất trong quá trình oxy hóa được nhận bởi một chất nhận được gọi là sựkhử Vì vậy quá trình oxi hóa - khử là một quá trình kết hợp chặt chẽ với nhau
Nguyên tắc chung của quá trình oxy hóa-khử cũng có thể áp dụng cho các hệ thống sinh học.Quá trình oxy hóa NADH thành NAD+ cùng với quá trình khử FMN thành FMNH2 được minh họa
Trong hình minh họa trên, có hai cặp oxi hóa khử NADH/NAD+ và FMN/FMNH2 Các cặp oxi hóakhử khác nhau về khuynh hướng cho hoặc nhận electron
QUÁ TRÌNH OXI HÓA SINH HỌC
Trang 7Thế oxy hóa khử (E0)
Thế oxi hóa - khử là một phép đo định lượng về khuynh hướng cho hoặc nhận electron của một cặp oxi hóa khử Các cặp oxy hóa khử được cho là thế oxy hóa khử tiêu chuẩn (E0 Vôn) ở pH 7,0 và 25°C.
Các thế oxy hóa khử của một số hệ thống oxy hóa khử quan trọng về mặt sinh học được nêu
trong Bảng 11.3 Thế oxy hóa khử càng âm thì cho điện tử càng lớn (của chất khử).
Bảng 11.3 Thế oxy hóa khử tiêu chuẩn (E0) của một số hệ thống oxy hóa-khử
Mặt khác, thế oxy hóa khử càng dương thì nhận electron càng nhiều (của chất oxy hóa) Cácelectron chuyển từ một cặp oxi hóa khử có E0 âm sang một cặp oxi hóa khử khác có E0 dương
Thế oxy hóa khử (E0) liên quan trực tiếp đến sự thay đổi năng lượng tự do (∆G°)
Các carbohydrate giàu năng lượng (đặc biệt là glucose), axit béo và axit amin trải qua một loạtcác phản ứng trao đổi chất và cuối cùng bị oxy hóa thành CO2 và H2O Các đương lượng khử từ các chấttrung gian trao đổi chất khác nhau được chuyển từ coenzyme NAD+ và FAD lần lượt tạo ra NADH vàFADH2 tương ứng Hai coenzyme bị khử sau đó đi qua chuỗi chuyền điện tử (ETC) hoặc chuỗi hô hấp vàcuối cùng, khử oxy thành nước Sự di chuyển của các electron qua ETC có liên quan đến sự mất năng
lượng tự do Một phần năng lượng tự do này được sử dụng để tạo ra ATP từ ADP và Pi (Hình 11.3).
CHUỖI CHUYỀN ĐIỆN TỬ
Trang 8Hình 11.3 Tổng quan về quá trình oxy hóa sinh học (Chuỗi vận chuyển Electron-ETC).
Tổng quan về ETC được mô tả trong Hình 11.4.
Hình 11.4 Tổng quan về chuỗi chuyền điện tử (A – Chất nền; Fp–Flavoprotein; Cyts –
Cytochromes)
Ti thể - bộ máy năng lượng của tế bào
Ti thể là trung tâm của các phản ứng oxy hóa trao đổi chất để tạo ra các coenzyme khử (NADH
và FADH2) và sử dụng trong ETC để giải phóng năng lượng dưới dạng ATP Vì lý do này, ti thể được coi là
bộ máy năng lượng của tế bào.
Cấu tạo ti thể
Ti thể bao gồm năm phần riêng biệt, bao gồm màng ngoài, màng trong, khoảng không gian giữa
hai màng, nếp gấp (hay còn gọi là mào ti thể) và chất nền (Hình 11.5).
Màng trong ti thể: Chuỗi chuyền điện tử và hệ thống tổng hợp ATP nằm trên màng trong ti thể,
là một cấu trúc chuyên biệt, giàu protein Nó không cho các ion (H +, K +, Na +) và các phân tử nhỏ (ADP,
ATP) đi qua Màng có cấu tạo gấp nếp để tạo thành các mào Diện tích bề mặt của màng trong ti thể tăng
lên rất nhiều do các nếp gấp Mặt trong của màng trong ti thể có các hạt chuyên biệt (trông giống như
“lollipop”), các tiểu đơn vị phosphoryl hóa là trung tâm sản xuất ATP.
Trang 9Chất nền ti thể : Các thành phần bao bọc bởi màng trong ti thể tạo thành chất nền ti thể Nó rất
giàu các enzyme chịu trách nhiệm cho chu trình axit xitric, quá trình oxy hóa của axit béo và quá trình oxy hóa axit amin.
Hình 11.5 Cấu trúc của ti thể mô tả chuỗi chuyền điện tử (ETC) (F0, F1 - Tiểu đơn vị protein).
Cấu trúc của chuỗi hô hấp
Màng trong ti thể có thể bị phá vỡ thành năm phức hợp hô hấp hoặc enzyme riêng biệt, được kí
hiệu là phức hợp I, II, III, IV và V (Hình 11.6) Các phức hợp I-IV là chất mang electron trong khi phức
hợp V chịu trách nhiệm tổng hợp ATP Bên cạnh những phức hợp enzyme này, có một số chất mang điện
tử di động trong chuỗi hô hấp Chúng bao gồm NADH, coenzyme Q, cytochrome C và oxy
Hình 11.6 Phức hợp multiprotein trong chuỗi chuyền điện tử.
Trang 10Các phức hợp enzyme (I-IV) và các chất mang di động tham gia chung vào việc vận chuyển cácđiện tử và kết hợp với oxy để tạo ra nước Lượng oxy lớn nhất cung cấp cho cơ thể được ti thể sử dụngcho hoạt động của chuỗi chuyền điện tử.
Các thành phần và phản ứng của chuỗi chuyền điện tử
Có năm chất mang điện tử riêng biệt tham gia vào chuỗi chuyền điện tử (ETC) Các chất này
được sắp xếp theo thứ tự (Hình 11.7) và chịu trách nhiệm chuyển electron từ một chất nền nhất định để
cuối cùng kết hợp với proton và oxy để tạo thành nước
Hình 11.7 Chuỗi vận chuyển electron với các vị trí tổng hợp và ức chế ATP (BAL – British antilewisite)
I Nicotinamide nucleotides
Trong số hai coenzyme NAD+ và NADP+ có nguồn gốc từ vitamin niacin, NAD+ tham gia tích cựchơn vào ETC NAD+ bị khử thành NADH + H + bởi các dehydrogenase với việc loại bỏ hai nguyên tử hydrokhỏi chất nền (AH2) Chất nền bao gồm glyceraldehyde-3 phosphate, pyruvate, isocitrate, D-ketoglutarate
và malate
AH2 + NAD + A + NADH + H +NADPH + H+ được tạo ra bởi NADP+ phụthuộc vào dehydrogenase thường không phải là chất nềncho ETC NADPH được sử dụng hiệu quả hơn cho các phản ứng đồng hóa (ví dụ: tổng hợp axit béo, tổnghợp cholesterol)
II Flavoprotein
NADH Dehydrogenase (NADH - coenzyme Q reductase) là một flavoprotein với FMN là nhóm bổsung Coenzyme FMN nhận hai điện tử và một proton để tạo thành FMNH2 NADH Dehydrogenase làmột enzyme phức hợp liên kết chặt chẽ với protein sắt không heme (NHI) hoặc protein sắt-lưu huỳnh(FeS)
NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2
Succinate dehydrogenase (succinate-coenzyme Q reductase) là một loại enzyme được tìm thấy
trong màng trong ti thể Nó cũng là một flavoprotein với FAD là coenzyme, có thể nhận hai nguyên tửhydro (2H + + 2e–) từ succinat
Succinate + FAD Fumarate + FADH2
Trang 11III Protein sắt-lưu huỳnh
Các protein sắt-lưu huỳnh (FeS) tồn tại ở trạng thái oxy hóa (Fe3+) hoặc khử (Fe2+) Nhiều proteinFeS kết nối với chuỗi hô hấp đã được xác định Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của các protein sắt-lưuhuỳnh trong ETC vẫn chưa được hiểu rõ ràng
Một FeS tham gia chuyển điện tử từ FMN sang coenzyme Q Các protein FeS khác liên kết vớicytochrome b và cytochrome c1 tham gia vào quá trình vận chuyển electron
IV Coenzyme Q
Coenzyme Q còn được gọi là ubiquinone vì nó có mặt ở khắp nơi trong hệ thống sống Nó là một dẫn xuất quinone với chuỗi bên isoprenoid có thể thay đổi Các mô của động vật có vú sở hữu một
quinone với 10 đơn vị isoprenoid được gọi là coenzyme Q10 (CoQ10)
Coenzyme Q là một chất mang điện tử ưa béo Nó có thể nhận các electron từ FMNH2 được tạo
ra trong ETC bởi NADH dehydrogenase hoặc FADH2 được tạo ra bên ngoài ETC (ví dụ: succinatedehydrogenase, acyl CoA dehydrogenase)
Coenzyme Q không được tìm thấy trong mycobacteria Vitamin K thực hiện chức năng tương tựnhư coenzyme Q trong những sinh vật này Coenzyme Q không có tiền chất vitamin nào ở động vật Nó
được tổng hợp trực tiếp trong cơ thể (Tham khảo sinh tổng hợp cholesterol, Chương 14)
V Cytochromes
Các cytochromes là các protein liên hợp có chứa nhóm heme Loại thứ hai bao gồm một vòng
porphyrin với nguyên tử sắt Nhóm heme của cytochromes khác với nhóm được tìm thấy trong cấu trúccủa hemoglobin và myoglobin Sắt của heme trong các cytochromes lần lượt bị oxy hóa (Fe3+) và khử(Fe2+), điều này cần thiết cho sự vận chuyển các electron trong ETC, trái ngược với sắt heme củahemoglobin và myoglobin vẫn ở trạng thái sắt (Fe2+)
Ba cytochromes ban đầu được phát hiện từ ti thể của động vật có vú Chúng được ký hiệu làcytochrome a, b và c tùy thuộc vào loại heme có mặt và quang phổ hấp thụ tương ứng Các cytochrome
bổ sung như c1, b1, b2, a3, v.v được phát hiện sau đó
Các electron được vận chuyển từ coenzyme Q đến các cytochrome (theo thứ tự) b, c1, c, a và a3.
Tính chất oxy hóa thuận nghịch của heme sắt Fe2+ Fe3+ có trong các cytochrome cho phép chúng hoạtđộng như những chất mang điện tử hiệu quả trong ETC
Cytochrome c (mol Wt 13.000) là một protein nhỏ chứa 104 axit amin và một nhóm heme Nó
là thành phần trung tâm của ETC với thế oxy hóa khử trung bình Nó liên kết khá lỏng lẻo với màng trong
ti thể và có thể dễ dàng tách ra
Cytochrome a và a 3: Thuật ngữ cytochrome oxidase thường được sử dụng để đại diện chung
cho cytochrome a và a3 là thành phần cuối của ETC Cytochrome oxidase là chất mang điện tử duy nhất,sắt heme có thể phản ứng trực tiếp với oxy phân tử Ngoài heme (với sắt), oxidase này cũng chứa đồng ,trải qua quá trình oxy hóa khử (Cu2+ Cu+) trong quá trình vận chuyển electron
Trang 12Trong giai đoạn cuối của ETC, các electron được vận chuyển, các proton tự do và oxy phân tử kếthợp với nhau để tạo ra nước.
Sự vận chuyển của các điện tử qua ETC được liên kết với việc giải phóng năng lượng tự do Quá
trình tổng hợp ATP từ ADP và Pi cùng với chuỗi vận chuyền điện tử được gọi là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa Phức hợp V (xem Hình 11.6) của màng trong ti thể là nơi diễn ra quá trình phosphoryl hóa
oxy hóa
Tỷ lệ P : O
Tỷ lệ P: O là số lượng phân tử photphat vô cơ được sử dụng để tạo ATP cho mỗi nguyên tử oxy
được tiêu thụ Một cách thích hợp hơn, tỷ lệ P : O thể hiện số lượng phân tử ATP được tổng hợp trênmỗi cặp điện tử mang qua ETC
Quá trình oxy hóa NADH trong ti thể với tỷ lệ P : O điển hình là 3 có thể được biểu diễn bằngphương trình sau:
NADH + H+ + O2 + 3ADP + 3Pi NAD+ + 3ATP + 4H2OHơn nữa, tỷ lệ P : O là 2 đã được gán cho quá trình oxy hóa FADH2 Hiện có bằng chứng mạnh mẽcho thấy tỷ lệ P : O là 2,5 đối với NADH và 1,5 đối với FADH2, vì mười proton (đối với NADH) và sáuproton (đối với FADH2) được bơm qua màng ti thể Tổng hợp một ATP cần bốn proton
Các vị trí của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa trong ETC
Có ba vị trí trong ETC hoạt động exergonic để tổng hợp 3 phân tử ATP (Xem Hình 11.7).
1 Oxi hóa FMNH2 bằng coenzym Q
2 Quá trình oxy hóa cytochrome b bởi cytochrome c1
3 Phản ứng cytochrome oxidase
Mỗi phản ứng trên đại diện cho một vị trí kết hợp để sản xuất ATP Chỉ có hai vị trí kết hợp cho
quá trình oxy hóa FADH2 (tỷ lệ P : O là 2), vì vị trí đầu tiên bị bỏ qua
Năng lượng của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa
Sự vận chuyển electron từ cặp oxi hóa khử NAD+/NADH (E0 = - 0,32) đến cuối cùng là cặp oxi hóakhử O2/H2O (E0 = + 0,82) có thể được đơn giản hóa và biểu diễn trong phương trình sau
O2 + NADH + H+ H2O + NAD+Hiệu số thế oxi hóa khử giữa hai cặp oxi hóa khử này là 1,14 V, tương đương với năng lượng 52Cal/mol
Ba ATP được tổng hợp trong ETC khi NADH bị oxy hóa, tương đương với 21,9 Cal (mỗi ATP = 7,3Cal)
Hiệu quả của việc bảo toàn năng lượng được tính như sau
PHOSPHORYL HÓA OXY HÓA