Quá trình trao đổi chất và trao đổi năng lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM HOÁ SINH HỌC THỰC PHẨM TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG 2.1 Sự trao đổi chất 2.2 Sự trao đổi năng lượng 2.2.1 Khái niệm chung về trao đổi năng lượng và năng lượng sinh học 2.2.1.1 Sự biến đổi năng lượng tự do 2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP 2.2.2 Quá trình oxy hóa khử sinh học 2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa 2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào 2.2.3.2 Sự phosphoryl hóa oxy hóa

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

2.1 Sự trao đổi chất

2.2 Sự trao đổi năng lượng

lượng và năng lượng sinh học

2.2.1.1 Sự biến đổi năng lượng tự do

2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP

2.2.2 Quá trình oxy hóa khử sinh học

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

2.1 Sự trao đổi chất

Cơ thể sống tồn tại nhờ khả năng trao đổi (hấp thu vàđào thải) không ngừng với môi trường xung quanh.Quá trình đó thực hiện được do biến đổi hóa học liêntục xảy ra trong cơ thể→ Sự trao đổi chất

2.1 Sự trao đổi chất

❑ Quá trình đồng hóa: sự hấp thụ các chất mới từ

môi trường bên ngoài, biến đổi chúng thành sinhchất của mình, biến đổi các chất đơn giản thànhchất phức tạp hơn, sự tích lũy năng lượng caohơn

❑ Quá trình dị hóa: ngược lại với quá trình đồng

hóa, là sự biến đổi của chất phức tạp thành cácchất đơn giản và giải phóng năng lượng cần thiếtcho hoạt động sống

2.1 Sự trao đổi chất

2.1 Sự trao đổi chất

2.1 Sự trao đổi chất

Tùy theo kiểu trao đổi chất, sinh vật được chia thành 2 nhóm:

Nhóm sinh vật tự dưỡng Nhóm sinh vật dị dưỡng

Bao gồm tất cả các sinh vật tự tổng

hợp chất dinh dưỡng cần thiết cho

chúng

Chỉ cần H2O và CO2 , muối vô cơ và

nguồn năng lượng

Có 2 hình thức:

➢Tự dưỡng quang hợp : ở cây xanh,

tảo, VK lam và VK lưu huỳnh vốn

dung quang năng để tổng hợp chất

hữu cơ

➢Tự dưỡng hóa hợp : VK oxy hóa

lưu huỳnh, VK oxy hóa hidro, VK

Bao gồm các vi sinh vật không có khả năng tự tổng hợp chất dinh dưỡng từ các chất vô cơ mà phải sống nhờ vào các chất dinh dưỡng của sinh vật tự dưỡng tổng hợp nên

8

2.1 Sự trao đổi chất

Theo kiểu trao đổi chất, sinh vật được chia làm 2nhóm: nhóm hiếu khí (aerobe) và nhóm kị khí(anaerobe)

❖Nhóm hiếu khí : kiểu

trao đổi chất mà các quá

trình oxy hóa có sự tham

gia của oxy khí quyển

❖Nhóm kị khí : kiểu trao

đổi chất mà các quá trình

oxy hóa không có sự

tham gia của oxy khí

Quá trình chuyển hóa trong cơthể sống mang tính thống nhất

và riêng biệt Các con đườngchuyển hóa lớn trong cơ thểđộng vật, thực vật đơn bào, đabào đều theo những giai đoạntương tự nhau Tuy vậy, nếu đisâu và từng mô, cơ quan, cá thểtừng loài thì lại có những nétriêng biệt

2.1 Sự trao đổi chất

2.2 Sự trao đổi năng lượng

- Trao đổi chất luôn gắn liền với trao đổi năng lượng

2.2.1 Khái niệm

- Trao đổi năng lượng là quá trình oxy hóa các chấtdinh dưỡng để tạo ra năng lượng

- Nguồn nănglượng duy nhất

là năng lượnghóa học củacác chất trongthức ăn

- Các chất dinh dưỡng chủ yếu và quan trọng làglucide, lipid và protein đều bị oxy hóa

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1 Khái niệm

CO2

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1 Khái niệm

CO2Protein

2.2 Sự trao đổi năng lượng

Nguồn cung cấp các hợp chấttrung gian làm nguyên liệu chocác phản ứng tổng hợp

Vai trò quan trọng trọng trong liênhợp các quá trình trao đổi chất

- Trong hoạt động sống, cơ thể biến đổi năng lượng từdạng này sáng dạng khác và tuân theo các quy luật vật

lý như sự biến đổi năng lượng ở giới vô cơ

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1 Khái niệm

- Năng lượng tự do là năng lượng mà ở một nhiệt

độ nhất định nào đó có thể biến thành công

- Tế bào nhận năng lượng

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.1 Sự biến đổi năng lượng tự do

(Phenylalanine)

- Những biến đổi năng lượng tự do của hệ thống phảnứng được ký hiệu bằng ∆G có giá trị là kcal/mol.

∆G = G2 – G1 G2: Năng lượng tự do trạng thái sau phản ứng

G1: Năng lượng tự do trạng thái trước phản ứng

Nếu ∆G < 0: Phản ứng tỏa nhiệt (giải phóng năng lượng)

∆G = 0: hệ thống ở trạng thái cân bằng

∆G > 0: Phản ứng thu nhiệt (cần cung cấp năng lượng)

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.1 Sự biến đổi năng lượng tự do

- Các phản ứng thu nhiệt chỉ có thể được thực hiệncùng với các phản ứng tỏa nhiệt.

aA + bB ←

→ cC + dD

∆G = ∆Go + R.T.lnKTrong đó:

∆G o : biến đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn ở 25oC, nồng độ các chất là 1 mol, P = 1 atm (101,3 Kpa) R: hằng số khí lý tưởng

T: nhiệt độ tuyệt đối K: hằng số cân bằng phản ứng (K = [C]c.[D]d /[A]a.[B]b)

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.1 Sự biến đổi năng lượng tự do

a) Liên kết cao năng:

Xét về

năng lượng

Liên kếtthường

Biến đổi nănglượng khoảng 3 kcal/1 phân tử gam

Liên kếtcao năng

Biến đổi nănglượng lớn (7-12

kcal/ mol)

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP

Chất đơn giản Chất phức tạp

Các chất Màng tế bào Quá trình vận động

b) Vai trò của ATP

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP

=> Cần có các chất, các hệ thốngnhận năng lượng tự do từ các quátrình này chuyển đến cho các quátrình khác

Adenosine triphosphat (ATP)

b) Vai trò của ATP

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP

- ATP gồm 3 thành phần:adenin, đường ribose vànhóm photsphate.

- Liên kết ester: phosphate

và đường ribose

- Liên kết anhydric: liênkết giữa các gốc phosphate(liên kết cao năng)

b) Vai trò của ATP

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP

ATP + H2O ←→ ADP + H3PO4 ∆Go = -7 kcal/mol

b) Vai trò của ATP

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP

Ngoài ATP còn có

UTP (uridine triphotsphate)

GTP (guanosine triphotsphate )

b) Vai trò của ATP

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.2 Liên kết cao năng và vai trò của ATP

- Đa số trường hợp thường thấy phosphor hoặcsulphur tham gia tạo thành liên kết cao năng

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.2 Quá trình oxy hóa khử sinh học

2.2.2.1 Định nghĩa

- Bao gồm tất cả các phản ứng hóa học trong đó

các nguyên tử có trạng thái oxy hóa thay đổi, phản ứng oxy hóa khử thường liên quan đến việc chuyển giao điện tử (electron) giữa các đối tượng hóa học

2.2.1 Quá trình oxy hóa khử sinh học

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.1.2 Thế năng oxy hóa khử

- Đại lượng đặc trưng cho khả năng oxy hóa

khử của mỗi chất:

𝐄𝐧′ = 𝐄𝟎′ + 𝐑𝐓

𝐧𝐅 𝐥𝐧

𝐚𝐛

+ 𝐸𝑛′ là thế năng oxy hóa khử của 1 chất nhất định trong những điều kiện nhất định

+𝐸0′ là thế năng oxy hóa khử ở các điều kiện (nồng độ của hai dạng bằng nhau)

+ R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối, F là trị số Faraday,

+ a là dạng oxy hóa, b là dạng khử

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.2 Quá trình oxy hóa khử sinh học

2.2.2.2 Thế năng oxy hóa khử

- Thế năng oxy hóa khử có quan hệ với sự chuyển hóa năng lượng tự do (∆G0) theo công thức sau:

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.2 Quá trình oxy hóa khử sinh học

2.2.2.3 Tiến trình của sự oxy hóa sinh học

Thức ăn Glucide Lipid Protein

Glucose Axit

béo

Amino acid Acetyl CoA

Chu trình

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.2 Quá trình oxy hóa khử sinh học

2.2.2.3 Tiến trình của sự oxy hóa sinh học

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

Chuỗi hô hấp là một tổ chức cấu trúc gắn vào màng trong của ty thể, bảo đảm sắp xếp các enzyme theo một trật tự nhất định để có thể chuyển điện tử từ enzyme này đến enzyme khác

và sau cùng tới oxy, khi hấp thu 1 nguyên tử oxy thì đồng thời có 3 nguyên tử phospho cũng được hấp thu.

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

- Đặc tính của chuỗi hô hấp tế bào:

▪ Cần enzyme xúc tác

▪ Năng lượng được tích lũy trong ATP một phần

tỏa ra dưới dạng nhiệt

▪ Hiệu suất sử dụng năng lượng cao

▪ Phản ứng phức tạp, xảy ra qua nhiều bước

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

- Trong chuỗi hô hấp trên màng ty thể gồm có các

phức hệ:

Phức hệ I (NADH- ubiquinon- reductase)

Phức hệ II (succinate- ubiquinon- reductase)

Phức hệ III (ubiquinon- cytocrom c-reductase)

Phức tạp IV (cytocrom c-cytocrom oxidase)

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

- Quá trình chuyển hydrogen và điện tử ở trong chuỗi hô

hấp được phân thành 4 giai đoạn:

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

Giai đoạn 1: Thông thường hydrogen được tách từ cơ chất bởi dehydrogenase có coenzyme 𝑁𝐴𝐷+(hoặc 𝑁𝐴𝐷𝑃 + ) Hydrogen của cơ chất gắn vào 𝑁𝐴𝐷 + , cơ chất từ dạng khử chuyển thành dạng oxy hóa và 𝑁𝐴𝐷 + từ dạng oxy hóa biến sang dạng khử Mỗi cơ chất có một dehydrogenase đặc hiệu tương ứng:

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự

phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

dehydrogenase Enzyme này là một flavoprotein có coenzyme là FMN hoặc FAD Hai electron được

cho 𝐹𝑀𝑁𝐻2 (hoặc 𝐹𝐴𝐷𝐻2):

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

tới coenzyme Q là một dẫn xuất quinone, còn được gọi là ubiquinon (UQ) Coenzyme Q là một chất tác dụng chuyển vận khá linh hoạt electron giữa flavoprotein và hệ thống cytochrome Ubiquinon có thể nhận 1 hoặc 2e − và tạo ra semiquinone (UQH − ) hoặc ubiquinol (UQH2).

Giai đoạn 4: Các enzyme vận chuyển eletron từ CoQH2đến oxygen Đó là hệ thống cytochrome - trung tâm trong

hô hấp tế bào Mỗi cytochrome là một protein enzyme vận chuyển electron có chứa nhóm ngoại hem Ở các phân tử cytochrome, nguyên tử sắt liên tục đi từ trạng thái (Fe 2+ )- dạng khử tới trạng thái (Fe 3+ )- dạng oxy hóa trong quá trình chuyển vận electron Nhóm hem chuyển vận 1 ele ctron; ngược lại với NADH, flavin và coenzyme Q là những chất chuyển vận 2 electron.

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

Kết quả của chuỗi hô hấp tế bào thông thường là

sự biến chất của cấu trúc màng.

Quá trình vận chuyển hydrogen đếnoxygen tạo ra 𝐻2𝑂, thực chất là một quátrình trao đổi electron (cho và nhận) mộtcách liên tục Bản chất của nó là mộtquá trình oxy hóa khử Vì vậy, người tagọi hô hấp tế bào là oxy hóa khử sinhhọc.

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.1 Chuỗi hô hấp tế bào

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.2 Sự phosphoryl hóa oxy hóa

Sự phosphoryl hóa quang hóa là quá trình

tổng hợp ATP ở lục lạp thể nhờ năng lượng

ánh sáng xảy ra trong quang hợp Sự

phosphoryl hóa oxy hóa là quá trình tổng hợp

ATP ở ty thể nhờ năng lượng thải ra trong

các phản ứng oxy hóa khử

ADP + 𝑯𝟑𝑷𝑶𝟒→ ATP

Trong chuỗi hô hấp có 3 điểm tương hợp giữa sự hô hấp với sự phosphoryl hóa:

1) giữa NADH với flavoprotein;

2) giữa cytochrome b và c1;

3) giữa cytochrome a và cytochrome oxidase

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.2 Sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2 Sự trao đổi năng lượng

2.2.3 Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa

2.2.3.2 Sự phosphoryl hóa oxy hóa

Sự phosphoryl hóa oxy hóa qua hệ thống vận chuyển điện tử của chuỗi enzyme hô hấp là con đường chủ yếu đối với các sinh vật hiếu khí nhằm khai thác năng lượng của các hợp chất hữu cơ một cách hữu hiệu nhất để phục vụ cho các hoạt động sống của mình

Sự phosphoryl hóa oxy hóa còn xảy ra ngay với phân tử cơ chất gọi là sự phosphoryl hóa cơ chất, khi đó năng lượng giải phóng được chuyển trực tiếp cho gốc phosphate vô cơ.