Chương I: Khái niệm về trao đổi chất và năng lượng sinh học ppsx

BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC

Chương 1
KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT

Phần II
TRAO ĐỔI CHẤT

VÀ NĂNG LƯNG SINH HỌC
1.

VÀ NĂNG LƯNG SINH HỌC

ĐẠI CƯƠNGVỀ TĐC & NLSH
1.1. Sự trao đổi chất và chuyển hóa trung gian
1.2. Đồng hóa và dị hóa
1.3. Nguồn gốc của năng lượng sinh học
1.4. Sự chuyển hóa năng lượng
1.5. Các hợp chất cao năng

2. SỰ OXID HÓA-KHỬ SINH HỌC (Sự hô hấp mô bào)
2.1. Khái niệm về hô hấp mô bào

TP.HCM - 2006

2.2. Chuỗi hô hấp mô bào : Mục đích; Đặc điểm; Các enzyme của
1

chuỗi hô hấp; Sơ đồ chuỗi hô hấp

2

1.ĐẠI CƯƠNG
1.1. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN

TĐC (chuyển hóa các chất) bao gồm tất cả các qúa trình
hóa học xẩy ra trong cơ thể từ khi TĂ được đưa vào → đào
thải chất cặn bã ra môi trường. TĐC là một đặc điểm quan
trọng của vật sống (sinh vật), là điều kiện tồn tại và phát
triển của sinh vật.
Các tính chất cơ bản của vật thể sống :
- Luôn gắn với một hệ thống vật chất – protein.
- Tiêu tốn năng lượng – ATP.
- Có nguồn thông tin (có khả năng di truyền và sinh sản)
3

CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN bao gồm
- các phản ứng
- các quá trình hóa học xảy ra trong tế bào. Đây là khâu
quan trọng và phức tạp nhất của sự chuyển hóa các chất.
Gọi là chuyển hóa trung gian vì các qúa trình hóa học
- xẩy ra qua nhiều giai đoạn trung gian,
- thành lập nhiều chất trung gian. Các chất này gọi là
chất chuyển hóa hay sản phẩm chuyển hóa.
4

1


1.2. ĐỒNG HÓA VÀ DỊ HÓA
Đây là hai mặt mâu thuẫn nhưng thống nhất của sự

chuyển hóa các chất.

(D hóa)

Đồng hóa : tiêu hóa – hấp thu – tổng hợp chất.
(gi i phóng NL)

Dị hóa : phân hủy các đại ph/tử của tế bào và mô

i m i;

ào th i ch t c n bã;
oxid hoùa các ch t h u cơ để giải phóng năng lượng
cung cấp cho qúa trình TĐC, cho các hoạt động sống.

(thu NL)

(

ng hóa)

5

7

6

Hình 1.1 : Chu trình chuyển hóa trong thế giới sinh vật

8

2


1.3. NGUỒN GỐC CỦA NĂNG LƯNG SINH HỌC

Nhiệt năng là dạng năng lượng ngõ cụt (không sử
dụng lại) → cần tiêu tốn NL để giữ trạng thái đẳng
nhiệt và đẳng áp.

Từ năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng)
Các dạng năng lượng :
- hóa năng,
- cơ năng,

Cơ thể sử dụng NL để duy trì sự sống :

có thể chuyển hóa
lẫn nhau

- duy trì cấu trúc,
- duy trì trật tự

- nhiệt năng,

- hoạt động.

- điện năng,

Ngưng c/cấp NL → qúa trình phân hủy sẽ xẩy ra.

- năng lượng thẩm thấu ….
9

1.4. SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯNG
Năng lượng tự do (NLTD) : là số NL có thể chuyển
thành công hữu ích khi hợp chất biến đổi :
G = H – Tx S
G : NLtự do của hợp chất
H : Enthapy (toàn bộ NL dự trữ)
T : Nhiệt độ tuyệt đối của môi trường
S : Entropy (hàm trạng thái) → mức độ hoạt động
của hệ thống → Số năng lượng bị ràng buộc không sử
dụng được.
11

10

Sự biến đổi năng lượng tự do :
∆G = ∆H – T. ∆S
- ∆G : Sự thay đổi NLTD của hệ thống
- ∆H : Sự biến đổi enthapy → bằng hiệu ứng nhiệt
của phản ứng
- T : nhiệt độ tuyệt đối của môi trường
- ∆S : Sự biến đổi của entropy
Cơ thể sống hoạt động như một hệ thống mở, các
biến đổi hóa học bảo đảm cân bằng NL cho cơ thể →
∆S ≈ 0 → ∆G ≈ ∆H
→ sự biến đổi NLTD gần bằng với hiệu ứng nhiệt của
phản ứng → nhiệt lượng PƯ → giá trị NL của biến đổi

12
hóa học.

3


Hình 1.2 : Sự kết hợp giữa PƯGPNL và PƯ thu NL

13

15

Hình 1.3 : Sự thành lập các hợp chất cao naêng

14

16

4


1.5. CÁC HP CHẤT CAO NĂNG
- ATP/ADP
- Creatine phosphate/Creatine
- Arginine phosphate/Arginine
- Các nucleotide triphosphate : GTP, UTP

Nối phosphate cao năng

Đơn vị đo năng lượng

- 1j
= 2,388 x 10-4 Kcal
- 1 Kcal = 4,1866 x 108j
17

18

19

20

5


Hình 1.5 : Chu trình ATP/ADP và CP/C

21

Bảng NLTD chuẩn của một số phosphate hữu cơ
Hợp chất phosphate

Kjuole/mol

Kcalo/mol

-61.90
-51.40
-49.30
-43.10
-42.30

-33.50
-30.50
-20.90
-15.90
-13.80
-09.20

-14.00
-12.30
-11.80
-10.30
-10.10
-8.00
-7.30
-5.00
-3.80
-3.30
-2.20

2. SỰ OXID HÓA-KHỬ SINH HỌC
2.1. KHÁI NIỆM VỀ HÔ HẤP MÔ BÀO
- Một chuỗi các phản ứng oxid hóa-khử liên tục,

∆G’o

hữu cơ
-Phosphoenolpyruvate
-Carbamine phosphate
-1,3 diphosphoglycerate
-Creatine phosphate

-Acetyl phosphate
-Arginine phosphate
-ATP → ADP + P
-Glucose-1-phosphate
-Fructose-6-phosphate
-Glucose-6-phosphate
-Glycero-3-phosphate

22

- Giaûi phóng năng lượng trong điện tử cao năng của H
trong hợp chất hữu cơ ,
- Cơ thể động vật sử dụng năng lượng của các phân tử
chất hữu cơ để tổng hợp nên các hợp chất cao năng lượng
như ATP, CP…
- Bản chất của quá trình này là sự oxid hóa từng bước
carbon hữu cơ thành CO2 và vận chuyển H (proton H+ và
điện tử e- ) đến O2 để thành lập phân tử H2O.
23

24

6


2.2. CHUỖI HÔ HẤP MÔ BÀO

TY LAP THỂ

MỤC ĐÍCH

- Giải phóng số năng lượng dự trữ trong các điện tử cao
năng của các hợp chất hữu cơ;
- Thành lập các nối phosphate cao năng (~ P) tích trữ
trong các hợp chất cao năng (ATP, CP …) để cung cấp cho
các hoạt động sống.
ĐẶC ĐIỂM

Hình 1.6 : Ty lạp thể

Điện tử chỉ lấy từ H và lấy kèm với proton H+ →
một chất hữu cơ bị oxid hóa tức là bị mất H
25

26

CÁC ENZYME CỦA CHUỖI HÔ HẤP

CÁC ENZYME CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Các dehydrogenase chứa nhân pyridine (dx vit.PP)
Các dehydrogenase chứa nhân flavine (dx vit.B2)

H

H

H

Coenzymes : NAD+ và NADP+

- CO- NH2

- CO- NH2

+(2H+

Coenzymes : FMN vaø FAD
Coenzyme Q (ubiquinone) : CoQ – CoQ- - CoQH2

N+

Hệ thống cytochromes : b – c1 – c – a&a3

+ 2e-)

(2H+

+ 2e- )

-

R

Dehydrogenase NAD+
27

+ H+
N
R

NADH + H+

28

7


O

O
C

C

NH2
O

O
O

CH3-

NH2

_

_
P

N +

OCH2

P

O

H

O
H

H

H

R

H
OH OH

O

N

N

H

N
N

O

P

P

O

H

H

H

HO

CH 3

C7 8
C
H

N
C
C

10
9

C

N

4

O

H
C

C

C

C=O

O
C

29

R

1
N
H

FMN (FAD)

+2H

NH
C=O

-2H

FMNH2
(FAD.H2)
30

O

O

5

OH

P

NADP+

H
C
CH3 C6

H
OH O

H
OH OH

NAD+

N
10

CH3-

H

H

H

1
N

NH

O

OH

O

OH

CH3-

N

OCH2

N

N
OCH2

O
C

NH2

NH2
N

H

H

H
OH OH

O

CH3-

N +

OCH2

O

N
10

N

C H3

3 NH

C

C

CH 3

C

C

1 2C O

C
H

C

10

NH

C
C

N

C

1

O

N

CH 2

N

HCO H

CH 2

HCO H
HCO H

HCOH

CH 2

HCOH

O
_
O P O

HCOH

O
_
O P

CH 2

HC

FAD

H

N

O

CH2

_
O P O
O

O

O

O

FMN

N H2
N

H

H

OH

OH

C
C

C

N
CH

N

H

31

Hình 1.7 :Cơ chế vận chuyển electron của CoQ

32

8


Tổ hợp 1 (NADH-CoQ reductase)
Vai trò : tách điện tử từ NADH (của các
dehydrogenase khác nhau tương ứng với các cơ
chất khác nhau) chuyển cho CoQ. Đây là tổ hợp
có kích thước lớn nhất (800kD) và gắn một phân
tử FMN cùng với 6 chùm Fe-S giúp chuyển e-.

Hình 1.8 : Heme của cytochrome

33

Tổ hợp III (CoQ – cyt. c reductase)

Tổ hợp II (Succinate - Co Q reductase)

Thành viên của tổ hợp III gồm hai cyt. b, một cyt. c1

Vai trò : chuyển e- từ succinate sang CoQ. Tổ hợp

và một chùm [2Fe–2S]. Tổ hợp này chuyển điện tử từ

bao gồm succinate dehydrogenase của chu trình

CoQ sang cyt.c.

Krebs, có một nhóm FAD gắn qua gốc His với

Tổ hợp IV (cyt.c oxydase)

protein enzyme, một chùm [4Fe–4S], hai chùm

Vai trò của tổ hợp IV là tách lần lượt 4 điện tử từ 4

[2Fe–2S] và một cytochrome b560. Thế hiệu

cyt. c dạng Fe2+ để chuyển cho oxygen phân tử (O2)

redox chuyển e- từ succinate sang CoQ thấp,

tạo ra 2 phân tử nước (nhờ lấy H+ từ phần khuôn ty

không đủ năng lượng tự do để tạo ATP, tuy nhiên

lạp thể).

tổ hợp II vẫn quan trọng vì nó giúp đưa điện tử
cao năng vào chuỗi hô hấp.

34

Tổ hợp V (ATPase)
35

Kênh dẫn proton và thực hiện tổng hợp ATP.

36

9


Tóm tắt thông tin các tổ hợp enzyme của chuỗi hô hấp
kDa

Tổ hợp

Thành phần

Complex I

NADH dehydrogenase (or)
NADH-coenzyme Q reductase

800

25

Complex II

Succinate dehydrogenase (or)
Succinate-coenzyme Q reductase

140

4

Complex III

Cytochrome C - coenzyme Q
oxidoreductase

250

9-10

Complex IV Cytochrome oxidase

170

13

Complex V

380

12-14
37

ATP synthase

Sơ đồ phân bố các tổ hợp enzyme

trong chuỗi hô hấp

Polypeptides

Hình 1.9 : SƠ

CHUỖI HÔ HẤP MÔ BÀO

38

Các phản ứng oxid hóa-khử trong chuỗi hô hấp
39

40

10


Các giai đoạn phosphoryl hóa thành lập ATP
41

43

Hình 1.10 : Sơ đồ vận chuyển điện tử TL ATP

Hình 1-12 : S hoán chuy n ATP và ADP qua màng ty theå

42

44

11