Giáo trình trao đổi vật chất và năng lượng phần 1 mai xuân lương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
F7G

GIÁO TRÌNH

TRAO ĐỔI CHẤT VÀ
NĂNG LƯNG

GS.TS. MAI XUÂN LƯƠNG

2005




Trao đổi chất và năng lượng

-3-

CHƯƠNG I. KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO
ĐỔI NĂNG LƯNG
Các phản ứng enzyme có tính đònh hướng và liên quan mật thiết với nhau xảy
ra trong tế bào mà ta gọi là quá trình trao đổi chất. Sản phẩm trung gian hình thành
trong quá trình này được gọi là chất trao đổi và toàn bộ chuỗi biến hóa đó được gọi
là quá trình trao đổi trung gian.

Sự biến hóa năng lượng đi kèm với mỗi phản ứng enzyme của quá
trình trao đổi trung gian. Ở một số giai đoạn của quá trình dò hóa năng lượng hóa

học của các chất trao đổi được tích lũy (thường ở dạng năng lượng của liên kết
phosphate). Ở những giai đoạn nhất đònh của quá trình đồng hóa năng lượng này

được đem ra sử dụng. Khía cạnh này của trao đổi chất được gọi là sự liên hợp
năng lượng.
Trao đổi trung gian và liên hợp năng lượng là những khái niệm liên quan
nhau và phụ thuộc nhau. Vì vậy, khi nghiên cứu trao đổi chất, cùng với tìm hiểu các
phản ứng dẫn đến sự biến đổi cấu trúc đồng hóa trò của các chất tiền thân để tạo ra
các sản phẩm của phản ứng, chúng ta cần nắm được những biến đổi về mặt năng
lượng đi kèm với các phản ứng đó. Để hiểu được cả hai khía cạnh này của trao đổi
chất, trước hết, cần phải hiểu rõ các khái niệm cơ bản của nhiệt động học.

I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC.

Khi vận dụng quy luật của các phản ứng hóa học để tìm hiểu các tính chất
của hệ thống sinh học chúng ta thường gặp các quy luật sau:
Lực phát sinh năng lượng và trạng thái cân bằng của phản ứng hóa học;
Cơ chế phản ứng, tức các con đường và chiều hướng phản ứng diễn ra qua các
giai đoạn trung gian có tính quy luật và tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các quy luật
này. Do tính chất đặc trưng của các phản ứng sinh học là xúc tác bằng enzyme nên
bên cạnh hai quy luật trên cần phải quan tâm tới các quy luật tác dụng của enzyme.
Nhiệt động học hóa sinh học vì vậy có nhiệm vụ vận dụng các đònh luật của
nhiệt động học của các phản ứng hóa học để giải thích các quá trình trao đổi chất,
đặc biệt là trong việc tìm hiểu và giải thích sự kết hợp các quy luật biến đổi vật
chất trong trao đổi trung gian với các thông số năng lượng, từ đó cho phép dự đoán
về mặt năng lượng tiềm tàng và năng lượng giải phóng cũng như về tính chất cân
bằng của phản ứng hóa học, trong đó đáng chú ý là mức độ biến thiên của các
trạng thái chức năng như thể tích, áp suất và nhiệt độ.

1.Đònh luật thứ nhất của nhiệt động học.

Theo đònh luật thứ nhất của nhiệt động học, tổng số nhiệt và công trong hệ
thống trao đổi với môi trường chung quanh bằng mức độ biến đổi năng lượng bên

trong (nội năng) của hệ thống.
Như vậy có nghóa là trong hệ thống có năng lượng dư trữ bao gồm các dạng
khác nhau như nhiệt, công, công suất, điện năng v.v.... Chúng được tính bằng các
đơn vò tương ứng là calor (nhiệt), kilogam-meter (công), volt (điện thế), wat/giây
(công suất)...

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

-4-

Vì cơ thể sống là một thể thống nhất nên theo đònh luật thứ nhất của nhiệt
động học thì nội năng U là một trạng thái và U phụ thuộc vào các nhân tố thể tích
V, áp suất P và nhiệt độ T.
Trong quá trình biến đổi năng lượng thành nhiệt lượng Q và công A thì nội
năng U sẽ biến đổi từ U1 đến U2. Do đó Q và A tính theo nội năng sẽ là :
U2 – U1 = -∆U = - (Q + A)
Người ta quy đònh năng lượng giải phóng (thải ra, cung cấp) có ký hiệu là dấu
âm (-), còn năng lượng tiêu hao (thu vào) có ký hiệu là dấu dương (+).
Tùy theo con đường xảy ra phản ứng mà có thể biến đổi từ trạng thái U1 đến
trạng thái U2 và ngược lại, cũng có thể biến đổi từ trạng thái U2 đến trạng thái U1.
Vì vậy, đối với các quá trình có tính tuần hoàn thì tổng biến đổi nội năng bằng
không (zero):
∑∆U = 0

Như vậy, nội năng là một trạng thái chức năng, do đó nó không phụ thuộc vào
con đường biến đổi. Ngược lại, Q và A phụ thuộc đáng kể vào con đường hình
thành chúng. Vì tỉ lệ giữa A và Q đối với phản ứng thuận và nghòch có thể khác
nhau nên con đường hình thành nên chúng mang tính quyết đònh.
Như đã nói ở trên, các trạng thái thay đổi của một hệ thống đều dẫn đến các
biến đổi hóa học trong quá trình giải phóng và tiêu hao năng lượng phụ thuộc vào
các nhân tố như áp suất, thể tích và nhiệt độ. Trong các hệ thống sống mối quan hệ
phụ thuộc này đơn giản hơn, vì các phản ứng xảy ra hầu hết trong môi trường nước,
đo đó áp suất được coi là hằng số, còn nhiệt độ và thể tích thay đổi không đáng kể.
Các quá trình khác nhau có mức năng lượng khác nhau; hiệu số nhiệt lượng
giữa hai trạng thái gọi là hiệu ứng nhiệt (∆H), được tính theo công thức sau:
∆H = ∑(∆Hp - ∆Hs)
trong đó p là sản phẩm , s là cơ chất của phản ứng.
Ví dụ tính biến đổi đẳng nhiệt (tính hiệu ứng nhiệt ∆H) khi đốt cháy glucose
trong điều kiện T = 298oK (25oC) và p = 1 atm:
C6H12O6 + O2 ⎯→ 6CO2 + 6H2O
(rắn) (khí)
(khí) (lỏng)
Ta có ∆Η = -304,6 +0 = 6(-94,5) + 6(-68,4)
= -567,0 – 410,4 + 304,6
≈ -673Kcal/mol..
Khi đốt cháy glucose trong nhiệt lượng kế người ta cũng thu được một nhiệt
lượng tương đương là –673 Kcal/mol. Điều đó chứng tỏ giá trò tuyệt đối của U và H
theo quan điểm nhiệt động học không có gì đáng chú ý và phần lớn trường hợp
không khác nhau vì chúng ta chỉ đo hiệu số giữa hai trạng thái và có hiệu ứng nhiệt
bằng không (0).

2. Đònh luật thứ hai của nhiệt động học.

Theo đònh luật thứ nhất của nhiệt động học thì biến đổi trạng thái từ A sang B

bằng với sự biến đổi từ B sang A. Như vậy, đònh luật thứ nhất không cho chúng ta
biết chiều hướng của biến đổi. Do đó muốn biết chiều hướng biến đổi thì phải dựa
vào đònh luật thứ hai của nhiệt động học. Đònh luật này bao gồm các nguyên tắc cơ
bản là nhiệt lượng biến thành công. Nhưng trong tự nhiên không bao giờ có quá

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

-5-

trình mà trong đó diễn ra sự biến đổi tương hỗ giữa nhiệt lượng và công, có nghóa là
không có động cơ vónh cửu.
Trong tự nhiên các quá trình tự xảy ra (như các phản ứng hóa học) thường
không thuận nghòch mà chỉ xảy ra theo một hướng xác đònh. Nếu muốn quá trình
xảy ra theo hướng ngược lại (tạo thành trạng thái ban đầu) đòi hỏi phải bổ sung
công tác động từ bên ngoài vào hệ thống.
Như vậy vấn đề đặt ra là lực khởi động của một phản ứng hóa học như thế
nào và có thể làm thay đổi mức độ bất thuận nghòch được không. Để trả lời câu hỏi
này cần phải nói tới một khái niệm nhiệt động học là entropy. (S). Nó được xác
đònh theo công thức dưới đây:
S = Q/T (Cal/oK)
trong đó Q là nhiệt lượng tạo thành khi phản ứng xảy ra thuận nghòch, T là
nhiệt độ tuyệt đối.
Như vậy, đònh luật thứ hai của nhiệt động học bao gồm các nội dung sau:

a/ Trong một hệ thống kín mà phản ứng tự xảy ra là quá trình không thuận
nghòch, lúc đó entropy tăng lên (∆S > 0).
b/ Biến đổi trạng thái diễn ra từ từ thì entropy cũng có thể tăng.
c/ Khi nào entropy của hệ thống kín đạt giá trò cực đại thì hệ thống đạt được
trạng thái cân bằng.
d/ Ở trạng thái cân bằng biến đổi entropy (∆S) của hệ thống bằng không
(zero)
Căn cứ vào phương trình S = Q/T [Cal/oK) có thể tính được biến thiên entropy
bằng các thông số nhiệt lượng mà hệ thống đã trao đổi với môi trường bên ngoài
khi thay đổi trạng thái, do đó entropy có thể là dương và cũng có thể là âm.
Nếu coi entropy là mức độ mất trật tự của hệ thống thì kết quả sẽ là:
- Khi tăng entropy (ký hiệu dương: +) mức độ mất trật tự của hệ thống sẽ tăng
lên;
Khi giảm entropy ((ký hiệu âm: -) mức độ ổn đònh của hệ thống sẽ tăng lên
và mức độ mất trật tự của hệ thống sẽ giảm xuống.
Thể khí có entropy lớn hơn thể lỏng vì các phần tử ở thể khí có mức độ tự do
lớn hơn thể lỏng. Tương tác các hợp chất phân tử nhỏ có entropy cao hơn các chất
phân tử lớn.

II. BIẾN THIÊN NĂNG LƯNG TỰ DO CỦA CÁC PHẢN ỨNG
HÓA HỌC.

Khi kết hợp đònh luật thứ nhất với đònh luật thứ hai của nhiệt động học, chúng
ta có hai trạng thái chức năng mới là: nhiệt lượng tự do (H) và mức độ năng lượng
tự do (G). Trong quá trình phản ứng thuận và nghòch H và G biến đổi thì trạng thái
của hệ thống cũng bò biến đổi theo. Như vậy, theo đònh luật thứ nhất của nhiệt động
học chúng ta có:
U2 – U1 = ∆U = ∆Q + ∆A
Và từ phương trình S = Q/T [Cal/oK) ta có
S2 – S1 = ∆S = ∆Q/T

Phối hợp hai phương trình trên đây, chúng ta có dạng sau:
∆A = ∆U - T∆S

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

-6-

Mặt khác chúng ta có mối quan hệ gữa năng lượng tự do G với nhiệt lượng tự
do H như sau:
H = G + TS, do đó ∆H = ∆G + T∆S
Như vậy vấn đề đặt ra cái gì là lực khởi động của một phản ứng hóa học?
Trên cơ sở phân tích nhiệt động học thì lực khởi động của phản ứng là biến thiên
năng lượng tự do ∆G. Nếu mức độ năng lượng tự do G là công thì từ phương trình
∆H = ∆G + T∆S có thể suy ra ∆G = ∆H - T∆S. Như vậy, biến thiên năng lượng tự
do ∆G có vai trò quan trọng đối với các phản ứng hóa học.
Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất đònh biến thiên năng lượng tự do là một
thông số đặc trưng của hệ thống. Trong những điều kiện đó năng lượng tự do của
hệ thống có xu hướng giảm đến giá trò tối thiểu ứng với trạng thái cân bằng.
Biến thiên năng lượng tự do ∆G của phản ứng hóa học được rút ra từ đònh
luật cân bằng hóa học.
Đối với phản ứng bất kỳ
aA + bB
cC + dD

(1)
trong đó a, b, c, d là số phân tử tương ứng của A, B, C và D. Biến thiên năng lượng
tự do của phản ứng bằng:
[C]c [D]d
∆G = ∆Go + RTln
(2)
a
b
[A] [B]
trong đó [A], [B], [C], [D] là nồng độ của A, B, C và D tính bằng mol/l; R là hằng
số khí tuyệt đối; (∆Go là biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn.
Đối với phản ứng (1) trên đây, tại trạng thái cân bằng, không phụ thuộc vào
nồng độ của A, B, C, D, năng lượng tự do có giá trò tối thiểu và nó không tiếp tục
biến thiên nữa, tức (∆G =O. Do đó, thay giá trò này của ∆G vào phương trình (2), ta
có
[C]c [D]d
o
(3)
∆G = - RTln
[A]a [B]b
Thay giá trò của hằng số cân bằng của phản ứng
[C]c [D]d
K'eq =
(4)
[A]a [B]b
(5)
ta có:
∆Go = -RTln K' eq
o
hay:

∆G = -2,303RTlgK'eq
(6)
Từ phương trình này, ta thấy, nếu biết được giá trò của hằng số cân bằng
K'eq của phản ứng ở nhiệt độ bất kỳ cho trước, ta có thể xác đònh được giá trò của
biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn ∆Go của phản ứng đó. Như vậy, ∆Go là một
hằng số nhiệt động học đặc trưng cho một phản ứng hóa học.
Qua phương trình (2), ta có thể thấy rằng ∆Go sẽ bằng ∆G khi nồng độ của
mỗi chất tham gia phản ứng đều bằng 1M.
Biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn ∆Go của phản ứng có thể hiểu là hiệu
số giữa năng lượng tự do tiêu chuẩn của các chất ban đầu Gor và năng lượng tự do
tiêu chuẩn của sản phẩm của phản ứng Gop. tức là:
∆Go = Gop - Gor
(7)

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

-7-

Như vậy, đối với phản ứng (1) hiệu số năng lượng tự do có thể biểu diễn
bằng phương trình
∆Go = (cGoC + dGoD) - (aGoA + bGoB)
(8)
o

Năng lượng tự do tiêu chuẩn G của một hợp chất nào đó là số năng lượng tự
do có thể giải phóng khi 1 mol chất đó bò phân hủy hoàn toàn.
∆Go đối với mỗi phản ứng tại một nhiệt độ nhất đònh là một hằng số, còn
∆G của phản ứng biến đổi tùy thuộc vào nồng độ của các chất ban đầu và sản
phẩm của phản ứng. Giá trò ∆G cho thấy phản ứng có xảy ra theo chiều ta mong
muốn hay không ở điều kiện nồng độ nào đó của các chất tham gia phản ứng. Phản
ứng chỉ có thể xảy ra trong trường hợp ∆G có giá trò âm, tức trong trường hợp biến
thiên năng lượng tự do giảm. Trong khi đó phản ứng mà biến thiên năng lượng tự
do tiêu chuẩn ∆Go của nó có giá trò dương vẫn có thể xảy ra nếu các chất ban đầu
và sản phẩm của phản ứng có nồng độ sao cho ∆G của phản ứng có giá trò âm.
Phương trình (6) cho biết giá trò ∆Go của bất cứ phản ứng nào trên cơ sở giá
trò của K'eq. Nếu hằng số cân bằng của phản ứng bằng đơn vò thì ∆Go=0. Nếu hằng
số cân bằng lớn hơn đơn vò thì ∆Go< 0. Phản ứng trong trường hợp đó là loại phản
ứng giải phóng năng lượng; Nếu K'eq nhỏ hơn đơn vò thì ∆Go > 0 và phản ứng trong
trường hợp này là loại phản ứng hấp thu năng lượng. Loại phản ứng này không thể
tự xảy ra theo chiều thuận ở nồng độ ban đầu của các chất tham gia phản ứng đều
bằng 1,0M.
Tất cả các quy luật trên đây đều đúng với các phản ứng sinh hóa. Tuy nhiên
khi phân tích các hệ thống sinh hóa về mặt nhiệt động học cần phải bổ sung ba
điều kiện có ý nghóa rất quan trọng sau đây:
1/ Nếu chất phản ứng ban đầu hay sản phẩm của phản ứng là nước thì nồng
độ ban đầu của nó được xem là bằng 1,0M.
2/ Giá trò pH chuẩn được xem là pH=7,0 chứ không phải pH=0 như trong các
hệ thống phản ứng hóa học thông thường.Trong trường hợp này biến thiên năng
lượng tự do tiêu chuẩn (ở pH=7,0) được ký hiệu là ∆Go'.
3/ Sử dụng gía trò ∆Go' trong việc xác đònh biến thiên năng lượng của các
phản ứng sinh hóa có nghóa là tỷ lệ các dạng ion-hóa và không ion-hóa ở pH=7,0
của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng phải được xem là trạng
thái tiêu chuẩn.
Vì cùng với sự biến đổi giá trò pH mức độ ion-hóa của một hay một số thành

phần cũng biến đổi theo, nên giá trò ∆Go' không phải lúc nào cũng có thể được sử
dụng cho các gía trò pH khác nhau.

III. KHÁI NIỆM VỀ PHOSPHATE CAO NĂNG.

Thông qua việc xác đònh hằng số cân bằng của các phản ứng người ta đã xác
đònh được gía trò ∆Go' của các phản ứng thủy phân ATP. Trong khi phản ứng thủy
phân ATP thành ADP và phosphate vô cơ và thủy phân ADP thành AMP và
phosphate vô cơ có ∆Go'= -7,3Kcal, thì phản ứng thủy phân AMP thành adenosin và
phosphate vô cơ ∆Go' chỉ bằng -3,4Kcal.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

-8-

Bảng 1.1. Gía trò ∆Go' (Kcal/mol) của phản ứng thuỷ phân một số phosphate
có ý nghóa sinh học.
Cơ chất
∆Go'
Phosphoenolpyruvate
-14,80
1,3-diphosphoglycerate
-11,80

Creatinphosphate
-10,30
Acetylphosphate
-10,10
Arginine phosphate
- 7,70
ATP
- 7,30
Glucozo-1-phosphate
- 5,00
Fructoso-6-phosohate
- 3,80
Glucoso-6-phosphate
- 3,30
Glycerol-1-phosphate
- 2,20
o
Trên cơ sở các giá trò ∆G 'nói trên các liên kết của hai gốc phosphate tận
cùng trong phân tử ATP được gọi là liên kết cao năng (ký hiệu là ~ ) và ATP vì
vậy được gọi là hợp chất cao năng.
Tuy nhiên, nếu so sánh gía trò ∆Go' của phản ứng thủy phân ATP thành
ADP và Pvc với các gía trò ∆Go' của phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate
(bảng 1.1), ta sẽ thấy gía trò -7,3 Kcal chỉ chiếm vò trí trung gian.
Trên cơ sở các giá trò ∆Go'nói trên các liên kết của hai gốc phosphate tận
cùng trong phân tử ATP được gọi là liên kết cao năng (ký hiệu là ~ ) và ATP vì
vậy được gọi là hợp chất cao năng.
Tuy nhiên, nếu so sánh gía trò ∆Go' của phản ứng thủy phân ATP thành
ADP và Pvc với các gía trò ∆Go' của phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate
(bảng 1.1), ta sẽ thấy gía trò -7,3Kcal chỉ chiếm vò trí trung gian.
Những hợp chất đứng đầu bảng dễ nhường gốc phosphate của mình, còn

những hợp chất đứng cuối bảng có xu hướng giữ gốc phosphate lại. Qua bảng trên
ta thấy rõ giữa phosphate cao năng và phosphate năng lượng thấp không có ranh
giới rõ ràng. ATP chiếm vò trí trung gian trong bảng này. Toàn bộ chức năng của
ATP là ở chỗ nó là khâu trung gian của việc vận chuyển gốc phosphate từ những
hợp chất cao năng đến những chất nhận có giá trò ∆Go'thấp hơn giá trò ∆Go' của nó.
Trong các phản ứng kế tiếp nhau mà trong đó việc vận chuyển năng lượng
do ATP đảm nhận, năng lượng trước tiên được chuyển từ một hợp chất cao năng
cho ADP và tích trữ lại ở dạng ATP. Sau đó ATP lại nhường lại gốc phosphate tận
cùng của mình cho phân tử chất nhận, nhờ đó mà mức chứa năng lượng của chất
nhận được tăng lên.
Ngoài ATP, năng lượng còn được vận chuyển nhờ các loại 5'-diphosphate
và 5'-triphosphate khác. Tuy nhiên, tất cả chúng đều liên quan đến ATP thông qua
enzyme nucleoside diphosphate kinase xúc tác các phản ứng thuận nghòch sau đây:
ATP + UDP ⇔ ADP + UTP
ATP + GDP ⇔ ADP + GTP
ATP + CDP ⇔ ADP + CTP
ATP + dCDP ⇔ ADP + dCTP
GTP + dADP ⇔ GDP + dATP

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

-9-

IV. MỐI QUAN HỆ GIỮA NĂNG LƯNG TỰ DO VÀ ENTROPY.
thức:

Mối quan hệ giữa năng lượng tự do G và entropy S được diễn đạt bằng công

∆G = ∆H - T∆S, trong đó ∆H là biến thiên nhiệt lượng tự do.
Dựa vào phương trình này khi biết biến thiên nhiệt lượng và biến thiên năng
lượng thì có thể tính được entropy. Có thể xác đònh biến đổi entropy trong ba trường
hợp sau:
a/ Entropy của sản phẩm nhỏ hơn entropy của chất tham gia phản ứng. Trong
trường hợp này ta có ∆S là một số âm.
Ví dụ phản ứng kết hợp H2 với O2 để tạo ra H2O có ∆S = -38,7 Kcal/mol.
b/ Entropy của sản phẩm lớn hơn entropy của chất tham gia phản ứng, nghóa
là entropy tăng lên trong quá trình biến đổi trạng thái.
Ví dụ phản ứng đốt cháy một phân tử glucose có ∆S = 67,42 Kcal/mol.
c/ Entropy của sản phẩm bằng entropy của chất tham gia phản ứng. Trong
trường hợp này ∆S = 0, tức ∆G = ∆H, như vậy có nghóa là không có tỏa nhiệt tự do
mà toàn bộ nhiệt đã biến thành công.

V. NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG HỞ.

Theo đònh luật thứ nhất của nhiệt động học, các quá trình xảy ra không thuận
nghòch chỉ đúng trong những phạm vi nhất đònh. Về phương diện không gian, thì các
quá trình không thuận nghòch thường xuyên vẫn phải trao đổi chất và trao đổi năng
lượng với môi trường xung quanh. Trong những hệ thống như vậy ở một thời điểm
nhất đònh chúng tạm thời cân bằng, nhưng thực chất các quá trình hiển vi đã kết
thúc. Xét về mặt trạng thái, ở thời điểm cân bằng từ trạng thái ổn đònh có lẻ đã bắt
đầu xuất hiện một trạng thái lộn xộn mới. Điểm dừng tạm thời đó có ∆Go = 0 và S
cực đại. Nhưng ngay ở những hệ thống như vậy việc trao đổi nhiệt với môi trường
xung quanh vẫn xảy ra – gọi là những hệ thống không kín hay hệ thống hở – do đó

entropy có thể giảm.
Dấu hiệu đặc trưng của hệ thống sinh học khác với những điều cho biết ở
đònh luật thứ hai của nhiệt động học là entropy của chúng giảm, có nghóa là từ
trạng thái không ổn đònh chuyển đến trạng thái ổn đònh. Về khả năng này đã được
chứng minh bằng các ví dụ phát triển cá thể cũng như các nguyên tắc làm tăng tính
ổn đònh trong trao đổi chất. Từ sai khác này đi đến kết luận bản chất sự sống không
có biểu hiện đònh luật thứ hai của nhiệt động học.
Đặc điểm của hệ thống hở là trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi
trường xung quanh. Như vậy nẩy sinh những quy luật mới là hình thành nhiệt động
học của hệ thống hở và chỉ có thể ứng dụng đònh luật thứ hai vào những trường hợp
đặc biệt của hệ thống hở.
Tuỳ thuộc vào trạng thái tự nhiên người ta quy đònh một hệ thống nhất đònh.
Nhiệt động học coi bầu trời với con người làhệ thống kín, nhưng thực chất con
người vẫn là hệ thống hở vì con người hoàn toàn có khả năng trao đổi chất và trao
đổi năng lượng trong một khung cảnh nhất đònh. Tất nhiên, hệ thống chung (con
người với bầu trời) tuân theo đònh luật thứ hai của nhiệt động học. Entropy trong

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 10 -

từng bộ phận của hệ thống chung giảm xuống, có nghóa là entropy của hệ thống
chung không tăng liên tục.

Để thấy rõ hơn, người ta ví dụ hiện tượng kết tinh trong quá trình nóng chảy.
Kết tinh có trạng thái ổn đònh hơn so với nóng chảy, nghóa là entropy của kết tinh
nhỏ hơn nóng chảy, tất nhiên quá trình xảy ra trong các nhiệt độ khác nhau. Nhưng
khi kết tinh thì một phần nhiệt đã trao đổi với xung quanh, làm cho entropy của hệ
thống chung vẫn tăng lên, vì nhiệt thải ra môi trường gây thế năng biến đổi không
thuận nghòch, do đó tạo thành năng lượng động học không trình tự. Như vậy, đònh
luật thứ hai của nhiệt động học hầu hết đúng và có ý nghóa đối với phạm vi đại thể,
còn phạm vi các chất phân tử thấp và không gian nhỏ bé thì sự phân chia ổn đònh
của các phân tử không thể xảy ra. Từ đó đòi hỏi những người nghiên cứu nhiệt
động học của các quá trình sinh học phải lựa chọn những hệ thống sinh học thích
hợp với quy luật chung của nhiệt động học.
Vấn đề đặt ra là bản chất của hệ thống hở là gì và ở đâu? Điều này đã được
khẳng đònh: đó là những hệ thống có dấu hiệu cơ bản “trao đổi chất và năng lượng
với môi trường xung quanh”. Những quá trình trao đổi không ngừng này của hệ
thống diễn ra với hình thế “cân bằng động”, khác hẵn với những trạng thái cân
bằng nhiệt động học.
Trạng thái cân bằng động được đặc trưng bằng các thông số dưới đây:
- Tốc độ biến đổi (ví dụ trong trường hợp phản ứng hóa học) là hằng số;
- Tất cả các điều kiện như áp suất, nhiệt độ và nồng độ là những hằng số lớn;
- Quá trình chung diễn ra trong trạng thái tónh thì không thuận nghòch.
Nhiều quá trình trong cơ thể sống, ví dụ các phản ứng hóa học của chuỗi
enzyme trao đổi chất, chuyển tiết (vận chuyển, dẫn truyền), tình thế (phenomen)...,
trong những điều kiện nhất đònh, chúng có thể là những trạng thái cân bằng động
củn hệ thống hở. Chúng còn được gọi là “cân bằng động” hay hệ thống tónh (steady
state system). Về phương diện động học thì cân bằng động là quan hệ và tỷ lệ khối
lượng của các tiểu phần tham gia biến đổi là hằng số và các sản phẩm tạo thành
biến đổi theo thời gian bằng không (0). Ví dụ biến đổi từ chất A qua các bước trung
gian đến P diễn ra:
A→B→C→D→E→P
Như vậy cân bằng động sẽ là:

dA/dt = hằng số = dP/dt
... dB/dt = dC/dt = dD/dt = dE/dt = 0
Trong đó tỉ lệ nồng độ các sản phẩm trung gian không thể noi theo cân bằng
nhiệt động học mà chỉ có thể là những trạng thái cân bằng động.
Vấn đề đặt ra là nhiệt động học có vai trò như thế nào trong việc xác đònh hệ
thống hở và tốc độ biến đổi entropy như thế nào đối với hệ thống hở.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 11 -

Theo đònh luật thứ hai của nhiệt động học có thể trình bày trao đổi chất và
trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh theo phương trình dưới đây:
dS = dSi + dSA
Như vậy, biến đổi entropy chung của hệ thống dS có hai phần:
Phần thứ nhất dSA là biến đổi entropy xuất hiện khi trao đổi chất và trao đổi
năng lượng với môi trường xung quanh. Phần này tuỳ thuộc vào quá trình phản ứng
xảy ra, nên có thể là dương, cũng có thể là âm.
Phần thứ hai là dSi của hệ thống do những quá trình không thuận nghòch xảy
ra ngay trong lòng hệ thống và thường xuyên là số dương. Vì vậy biến đổi entropy
chung của hệ thống hở có thể hoặc là tăng hoặc là giảm, nghóa là phụ thuộc vào
dSA (âm hay dương), cho nên chúng ta có thể viết dưới dạng phương trình khi cân
bằng như sau:

dS/dt = dSi/dt + dSA/dt
trong đó dSA/dt là entropy luôn luôn bò phá huỷ, nghóa là tốc độ biến đổi
entropy phụ thuộc vào trao đổi chất và trao đổi năng lượng sản sinh entropy dSi/dt,
làm cho entropy của quá trình không thuận nghòch biến đổi.
Khi hệ thống hở có nhiều trạng thái dừng thì dSi/dt có giá trò dương thấp. Điều
đó có nghóa là hệ thống ở cân bằng động thì tạo ra entropy tối thiểu. Kết luận này
có ý nghóa quan trọng đối với các quá trình sinh học, vì sinh vật là một hệ thống hở
có quan hệ chặt chẽ giữa vận chuyển vật chất và năng lượng với hiệu quả cao. Dựa
vào những điều có thể biết được khi tạo ra entropy tối thiểu của phản ứng xảy ra
không thuận nghòch để phỏng đoán nguyên tắc điều chỉnh hiệu quả kinh tế sinh
học. Từ những cơ sở đó có thể vận dụng các quy luật tối thiểu để giải thích sự biến
đổi sinh học, hóa học, lý học... từ những dẫn liệu chưa biết hay chưa được kiểm tra.
Trạng thái cân bằng động còn được đặc trưng khi làm biến đổi entropy chung
của hệ thống hở, có nghóa là là dS/dt = 0. Như vậy, dSA/dt thường xuyên phải là số
âm. Do đó có thể kết luận: chỉ có nhiệt động học của hệ thống hở mới có trạng thái
cân bằng động, còn khi hệ thống không ở trạng thái cân bằng động nữa thì dS/dt
phải là dương hay âm chứ không thể bằng không (0).
Tuy nhiên, hệ thống sinh học vẫn còn một vài dấu hiệu biểu hiện hệ thống
kín, như làm giảm entropy trong cơ thể sống. Cơ thể sống lấy chất dinh dưỡng vào
và biến đổi thành chất liệu của cơ thể mình, đồng thời bài xuất các sản phẩm có
phân tử thấp.
Người ta cho biết ba nhóm chất là thành phần dinh dưỡng, thành phần cơ thể
và sản phẩm bài xuất có mức độ entropy nhất đònh. Cụ thể entropy chất dinh dưỡng
nằm khoảng giữa entropy cơ thể và entropy sản phẩm bài xuất.
Scơ thể < Sdinh dưỡng < Sbài xuất
Việc giảm sút entropy là để tiến hành tổng hợp các chất cho cơ thể làm cho
cơ thể tồn tại, sinh trưởng và phát triển bình thường. Bên cạnh đó, muốn giảm
entropy thường xuyên thì phải bài xuất các sản phẩm trao đổi chất. Bởi vì cơ thể là
một trạng thái ổn đònh cao, do đó có thể làm giảm entropy đến một giá trò âm. Cho

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 12 -

nên, theo quan điểm động học thì cơ thể đang sinh trưởng và phát triển, entropy
theo hướng giảm dần, còn cơ thể ở trạng thái thoái hóa, già nua thì entropy tăng
lên.
Nói tóm lại, giữa hệ thống kín và hệ thống hở có những điểm khác nhau cơ
bản sau:
Hệ thống kín
Hệ thống hở
Trao đổi chất và năng lượng với
Không trao đổi chất và năng lượng
môi trường xung quanh
với môi trường xung quanh
Xuất hiện cân bằng động không phụ
Xuất hiện cân bằng không phụ
thuộc thời gian
thuộc thời gian
Cân bằng động thì không thuận
Cân bằng nhiệt động học là thuận
nghòch
nghòch

Khi hệ thống kín đạt trạng thái cân
4. Khi hệ thống hở đạt trạng thái
bằng thì S cực đại và biến đổi dS trong
cân bằng động sản sinh entropy tối thiểu.
cân bằng = 0

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 13 -

CHƯƠNG II. OXY HÓA KHỬ SINH HỌC
I. KHÁI NIỆM CHUNG
Từ cuối thế kỷ 18 Lavoisier đã kết luận các chất bò đốt cháy là do kết hợp với
oxy không khí. Khi nghiên cứu trao đổi khí ở động vật ông cũng chứng minh rằng
có hấp thụ oxy và thải CO2, đồng thời tạo nhiệt trong cơ thể. Như vậy, đốt cháy hay
oxy hóa sinh học đều là quá trình gắn oxy của không khí với carbon và hydro của
chất hữu cơ để tạo thành CO2 và nước, đồng thời giải phóng năng lượng.
Đến đầu thế kỷ 20 nhờ các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau
vấn đề oxy hóa nhanh chóng các hợp chất hữu cơ trong điều kiện nhiệt độ thấp của
cơ thể đã được sáng tỏ với tên gọi là quá trình oxy hóa sinh học.
Theo quan điểm hiện đại, oxy hóa sinh học là oxy hóa hy dro đã tách ra từ
những chất bò oxy hóa để tạo thành nước. Giai đoạn đầu của quá trình oxy hóa các
hợp chất hữu cơ trong tế bào được thực hiện với sự xúc tác của các dehydrogenase

có coenzyme là NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) hoặc NADP+
(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Hydro của cơ chất bò oxy hóa sẽ
gắn vào các coenzyme đó như sau:
SH2 + NAD+ (NADP+) ⎯→ S + NADH + H+ (NADPH + H+)
Từ NADH hoặc NADPH hydro lại chuyển tới dehydrodenase có coenzyme là
FAD (flavine adenine dinucleotide):
NADH + H+ + FAD ⎯→ NAD+ + FADH2
Tiếp đó hydro lại được chuyển từ FADH2 sang các hợp chất vận chuyển khác
và cuối cùng chuyển tới oxy để tạo thành nước. Sản phẩm oxy hóa sinh học lipid và
glucid là CO2 và nước, còn sản phẩm oxy hóa sinh học aminoacid và các hợp chất
chứa nitơ khác là CO2, H2O và NH3.
Các chất khác nhau bò oxy hóa bằng các con đường khác nhau nhưng nói
chung đều được kết thúc bằng chu trình acid tricarboxylic (chu trình Krebs).
Như trên đã nói, oxy hóa sinh học cũng có một số điểm tương tự với quá trình
đốt cháy các hợp chất hữu cơ ngoài cơ thể, ví dụ khi oxy hóa glucose thì oxy hóa
sinh học hay oxy hóa bên ngoài cơ thể đều sản sinh được 673 Kcal/mol. Tuy nhiên,
tế bào sống có hàng hoạt các đặc tính riêng. Các đặc tính này trong quá trình tiến
hóa hướng theo con đường sử dụng năng lượng tới mức cao nhất.
Giữa oxy hóa sinh học và quá trình đốt cháy có một số điểm khác nhau cơ
bản như sau:
a/ Đốt cháy xảy ra ở ngoài cơ thể và ở nhiệt độ cao, còn oxy hóa sinh học xảy
ra bên trong cơ thể và ở nhiệt độ thấp nhưng với tốc độ rất cao.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng

- 14 -

b/ Đốt cháy giải phóng năng lượng ở dạng nhiệt, còn oxy hóa sinh học năng
lượng giải phóng không chỉ ở dạng nhiệt mà còn ở dạng năng lượng của các liên
kết hóa học, đặc biệt là ở dạng các liên kết cao năng của ATP.
c/ Phản ứng đốt cháy xảy ra một giai đoạn còn oxy hóa sinh học cơ chất bò
oxy hóa dần dần, chuyển thành các sản phẩm đơn giản hơn và cuối cùng bò oxy hóa
hoàn toàn, nghóa là xảy ra thành chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn.
d/ Đốt cháy nhờ tác dụng của nhiệt, còn oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong cơ
thể sống phụ thuôïc vào các enzyme, mỗi giai đoạn do các enzyme tương ứng xúc
tác.

II. BIẾN HÓA NĂNG LƯNG TRONG CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA
KHỬ.
1. Phản ứng oxy-hóa - khử và thế khử tiêu chuẩn.
Năng lượng tích lũy trong các hợp chất hữu cơ được giải phóng trong quá
trình hô hấp, trong đó các hợp chất này bò oxy-hóa thành khí carbonic, nước và một
số sản phẩm đơn giản khác tùy thuộc vào thành phần nguyên tố của chúng. Có
nghóa là, không kể quang hợp, mọi cơ thể đều thu nhận năng lượng trong các phản
ứng oxy-hóa - khử, tức trong những phản ứng mà điện tử được vận chuyển từ chất
cho (chất khử) sang chất nhận (chất oxy-hóa). Ở một số phản ứng oxy-hóa - khử sự
vận chuyển điện tử được thực hiện cùng với vận chuyển các nguyên tử hydro.
Chất oxy-hóa và chất khử bao giờ cũng hoạt động liên hợp với nhau thành
cặp. Khả năng của chất khử nhường điện tử cho chất oxy-hóa thường được đánh giá
bằng thế khử tiêu chuẩn. Đó là sức điện động (đo bằng von) xuất hiện trong pin
nửa mà trong đó chất khử và chất oxy-hóa với nồng độ 1,0M ở 25oC và pH=7 tạo
thế cân bằng với điện cực vốn có khả năng nhận thuận nghòch điện tử từ chất khử
theo phương trình phản ứng

hất khử

Chất oxy-hóa + 2e-

Để đo thế khử tiêu chuẩn, người ta sử dụng thiết bò mà sơ đồ của nó được
giới thiệu trong hình 1.
1
V
2

3
4
Hình 1. Sơ đồ thiết bò đo thế khử tiêu chuẩn.
1 - Von-kế; 2 - điện cực; 3 - dung dòch chất khử
và chất oxy-hóa ở nồng độ 1,0M, 25o C và pH=7;
4 - pin nửa tiêu chuẩn (có thế khử tiêu chuẩn biết trước).
Thế khử tiêu chuẩn (ký hiệu là Eo ) là giá trò áp lực điện tử mà trong những
điều kiện hoàn toàn xác đònh (điều kiện tiêu chuẩn) xuất hiện trong cặp chất oxy-

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 15 -

hóa - chất khử ở trạng thái cân bằng. Người ta quy ước thế khử tiêu chuẩn bằng
không là thế khử của phản ứng:
H2

2H+ + 2e -

Thế khử tiêu chuẩn của hệ thống H2 - 2H+ ở pH=7 ([H+]=1.10 -7 M), tức giá
trò pH mà trong các phản ứng sinh hóa được xem là tiêu chuẩn, được ký hiệu là Eo'
và có giá trò bằng -0,42V.
Thế khử tiêu chuẩn của một số cặp chất oxy-hóa - chất khử quan trọng về
mặt sinh học có giá trò giới thiệu trong bảng 2.
Bảng2. Thế khử tiêu chuẩn của một số cặp chất oxy-hóa - chất khử xác
đònh ở pH=7 và nhiệt độ 25-37o C.
Chất khử
Chất oxy-hóa
Eo' (V)
Acetaldehyde
Acetate
-0,60
+
H2
2H
-0,42
Isocitrate
-0,38
α-cetoglutarate + CO2
+
+
NAD.H + H
NAD

-0,32
+
+
NADP.H + H
NADP
-0,32
NAD.H-Dehydrogenase (dạng NAD.H-dehydrogenase (dạng oxy-hóa) -0,11
khử)
Cytochrome b
Cytochrome b
0,00
Fe (II) ]
[Fe (III) ]
Cytochrome c
Cytochrome c
+0,26
[Fe (II) ]
[Fe (III) ]
H2O
1/2O2
+0,82
Các hệ thống có giá trò âm của thế khử tiêu chuẩn cao hơn so với đôi H2 +
2H sẽ có khả năng nhường điện tử lớn hơn so với khả năng này của hydro; các hệ
thống có giá trò dương của thế khử tiêu chuẩn lớn hơn thì khả năng nhường điện tử
của chúng thấp hơn so với hydro.
Thế khử tiêu chuẩn của một đôi nước - oxy theo phương trình
H2O
1/2O2 + 2H+ + 2ebằng +0,815V, tức có giá trò dương cao hơn nhiều so với đôi H2
2H+. Điều
này giải thích tại sao nước có khả năng nhường điện tử rất yếu để tạo ra oxy phân

tử.
Thế khử tiêu chuẩn của một đôi chất khử - chất oxy hóa được tính bằng
phương trình Nernst có dạng sau đây:
2,303RT
[chất nhận e- ]
Eh = Eo' + lg
nF
[chất nhường e- ]
trong đó Eh là thế khử biểu kiến của điện cực; Eo' là thế khử tiêu chuẩn; R hằng số khí (bằng 8,31Jun/mol.oC hay 1,987cal/mol.oC); T - nhiệt độ tuyệt đối; n số điện tử được vận chuyển; F - số Faraday (bằng 96,406Jun/V).
Nếu n=1 thì ở 25oC tỷ lệ 2,303RT/nF bằng 0,059. Nếu n = 2 thì tỷ lệ này
bằng 0,03. Vì trong các hệ thống sinh học phổ biến cơ chế vận chuyển 2e - nên
phương trình Nernst có thể được viết dưới dạng:

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng
Eh = Eo ' + 0,03 lg

- 16 [chất nhận e - ]

[chất cho e - ]
Biết giá trò thế khử tiêu chuẩn của các hệ thống oxy hóa-khử sinh học khác
nhau cho phép tiên đoán chiều hướng của dòng điện tử từ cặp chất oxy hóa - chất
khử này đến cặp chất oxy hóa - chất khử khác trong điều kiện tiêu chuẩn.

2. Biến thiên năng lượng trong quá trình vận chuyển điện tử.

Như ta đã biết, biến thiên năng lượng tự +do tiêu chuẩn ∆Go’xảy ra trong bất
cứ phản ứng hóa học nào đều có quan hệ với hằng số cân bằng K'eq của phản ứng
đó bằng phương trình:
∆Go’ = -RTlnK'eq
Để tính giá trò biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn trong trường hợp
hai cặp oxy hóa-khử có thế khử tiêu chuẩn biết trước phản ứng với nhau, có thể sử
dụng phương trình:
∆Go’= -nF∆Eo’
Trong đó ∆Go’ là biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn, tính bằng calo; n số điện tử được vận chuyển ; F là Số Faraday (23.062 cal) và ∆Eo’ là hiệu số thế
khử tiêu chuẩn của chất nhận và chất cho điện tử.
Trong phép tính này người ta quy ước rằng hệ thống tồn tại trong điều kiện
tiêu chuẩn, tức tất cả các thành phần đều có nồng độ 1,0M ở 25oC và pH=7,0.
Nhờ phương trình này có thể tính biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn cho
trường hợp khi một cặp điện tử được vận chuyển từ NAD.H (Eo' = - 0, 32V) đến
oxy phân tử (Eo' = +0,82V), tức trường hợp điện tử được vận chuyển trong chuỗi hô
hấp:
∆Go’= -2x23062 x [0,82-(-0,32)] = -52700cal = -52,7Kcal.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 17 -

CHƯƠNG 3. ENZYME OXY HÓA - KHỬ.
Trong các phản ứng oxy-hóa - khử sinh học điện tử từ cơ chất được vận
chuyển đến oxy không khí theo từng bước trên cơ sở giảm dần thế khử tiêu chuẩn.
Mỗi enzyme oxy hóa - khử hoạt động nhờ sự phối hợp của một nhóm chức năng gọi
là cofactor hoặc coenzyme. Trong khi đó, phần protein của enzyme (apoenzyme)
quy đònh tính đặc hiệu cơ chất, hoạt hóa cơ chất và hoạt hóa cofactor thông qua tác
dụng làm biến đổi thế khử của chúng.
Mặc dù có hàng trăm loại enzyme oxy hóa - khử khác nhau tham gia trong
các quá trình oxy-hóa sinh học, song chỉ có một số rất ít các cofactor hoặc
coenzyme làm nhiệm vụ nhận hoặc nhường điện tử giữa cơ chất và sản phẩm. Ví
dụ, người ta đã phát hiện được trên 250 enzyme đều sử dụng các coenzyme
nicotinamide nucleotide (NAD+ hoặc NADP+) làm chất nhận điện tử. Chúng xúc
tác cho các phản ứng có dạng dưới đây:
AH2 + E.NAD+
và AH2 + E.NADP+

A + E.NAD.H + H+

A + E.NADP.H + H+

Thế khử của cơ chất (AH2) được chuyển cho NAD.H (hoặc NADP.H) để sau
đó sẽ tham gia trong các quá trình oxy hóa - khử khác.
Một số dehydrogenase khác sử dụng các flavine nucleotide (F) làm
coenzyme và xúc tác các phản ứng có dạng tổng quát sau đây:
AH2 + E.F

E.FH2 + A

Enzyme ở dạng khử (E.FH2) có thể vận chuyển điện tử và proton của nó cho

các chất khác (ví dụ trong quá trình phosphoryl hóa oxy-hóa) hoặc cho O2 để tạo ra
H2O2 :
E.FH2 + O2

E.F + H2O2

Xúc tác cho các phản ứng loại này là các enzyme thuộc nhóm oxydase.
Cofactor của các enzyme loại này có thể là các ion kim loại như Cu2+, Fe2+ hoặc
các hợp chất hữu cơ tương đối phức tạp mà chúng ta sẽ xét đến sau.
Các enzyme oxy hóa - khử của chuỗi vận chuyển điện tử trong ty thể và
trong lục lạp cũng có cofactor là kim loại (Fe, Cu, Mo...), heme hoặc các hợp chất
hữu cơ chứa sắt và lưu huỳnh.
Thông thường chỉ có một nhóm chức năng của một enzyme oxy hóa - khử kết
hợp với một chuỗi polypeptide để tạo ra một đơn vò hoạt động. Tuy nhiên, nhiều
enzyme chứa một tập hợp các nhóm chức năng, bao gồm flavin nucleotide, các
nhóm chứa sắt và lưu huỳnh, các nhóm heme và cả kim loại để tạo nên một chuỗi
vận chuyển điện tử với chiều dài và mức độ phức tạp khác nhau để đáp ứng các
nhu cầu đặc biệt của trao đổi chất.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 18 -

I. DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC PYRIDINE.
Dehydrogenase phụ thuộc pyridine là nhóm enzyme oxy hóa - khử mà
coenzyme là một trong các dẫn xuất của pyridine. hai coenzyme phổ biến nhất của
nhóm dehydrogenase này là nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) và
nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP). Công thức cấu tạo của
chúng được giới thiệu trong hình 2.

Hình 2. Công thức cấu tạo của NAD+ (R = OH) và NADP+ (R = H2PO3)
Nhóm dehydrogenase này làm nhiệm vụ vận chuyển thuận nghòch từng đôi
đương lượng khử (đôi điện tử hoặc đôi điện tử cùng với đôi proton) từ cơ chất AH2
đến dạng oxy hóa của coenzyme (NAD+ hay NADP+). Một trong hai đương lượng
đó ở dạng hydro nằm trong pyridine nucleotide khử (NAD.H hay NADP.H), còn
đương lượng kia - ở dạng điện tử. Nguyên tử hydro thứ hai sau khi tách khỏi cơ chất
được chuyển vào môi trường ở dạng ion H+ tự do (hình 3).
Những dehydrogenase liên quan với NAD chủ yếu tham gia quá trình hô hấp
tức quá trình vận chuyển điện tử từ cơ chất đến oxy. Trong khi đó, các enzyme liên
quan với NADP chủ yếu tham gia vận chuyển điện tử từ cơ chất tham gia phản ứng
dò hóa đến các phản ứng khử của quá trình sinh tổng hợp. Vì vậy, phần lớn NAD
được phát hiện trong ty thể, còn đa số NADP thì nằm trong phần hòa tan của tế bào
chất.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 19 -

Hình 3. Phản ứng dehydrogenase phụ thuộc pyridine.
Đa số dehydrogenase phụ thuộc pyridine chỉ đặc hiệu với NAD hay chỉ đặc
hiệu với NADP. Tuy nhiên có một số dehydrogenase (ví dụ glutamate
dehydrogenase) có thể sử dụng cả hai coenzyme này. Trong bảng 3 giới thiệu một
số dehydrogenase phụ thuộc pyridine và gía trò Eo' của đôi cơ chất chòu tác dụng
của chúng.
Chiều hướng của phản ứng và thành phần cân bằng của hệ thống oxy hóa khử do nhóm enzyme phụ thuộc pyridine xúc tác có thể dự đoán trên cơ sở thế khử
tiêu chuẩn của đôi NADH - NAD+ (hay NADP.H - NADP+) mà Eo' của chúng
bằng -0,32V.
Nếu quá trình oxy hóa - khử được thực hiện trong điều kiện tiêu chuẩn thì
hệ thống có giá trò âm của thế khử tiêu chuẩn cao hơn so với NAD và NADP, sẽ có
xu hướng nhường điện tử cho dạng oxy-hóa của những coenzyme này, còn những
hệ thống có giá trò dương của thế khử tiêu chuẩn lớn hơn sẽ có xu hướng nhận điện
tử từ NADH hay NADPH.
Nhiều enzyme thuộc nhóm dehydrogenase phụ thuộc pyridine thường tồn tại
ở một số dạng isoenzyme khác nhau, trong đó các cấu trúc dưới đơn vò phối hợp
theo các tỷ lệ khác nhau. Ví dụ điển hình là trường hợp của lactate dehydrogenase.
Enzyme này chứa hai loại phần dưới đơn vò ký hiệu là H và M. Trong tế bào đã
phát hiện 5 loại isoenzyme với 5 kiểu phối hợp khác nhau giữa hai loại phần dưới
đơn vò này. Do có cấu trúc dưới đơn vò khác nhau, nên mỗi dạng isoenzyme cũng
phân biệt nhau bởi các giá trò Km và Vmax đặc trưng trong quan hệ với mỗi loại cơ
chất và đóng các vai trò khác nhau trong quá trình trao đổi chất.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng

- 20 -

Bảng 3. Thế khử tiêu chuẩn cuả một số hệ thống dehydro-genase phụ thuộc pyridin.
Hệ thống
Eo' của đôi cơ chất, (V)
Phụ thuộc NAD
Isocitrate dehydrogenase
- 0,38
D-β-oxybutyratedehydrogenase
- 0,32
Glyceraldehyde-3-phosphate
- 0,29
dehydrogenase
Dihydrolipoil dehydrogenase
- 0,24
Alcohol dehydrogenase
- 0,20
Lactate dehydrogenase
- 0,19
L-malate dehydrogenase
- 0,17
Phụ thuộc NADP
Isocitrate dehydrogenase
- 0,38
Glucoso-6-phosphate dehydrogenase
- 0,32

Phụ thuộc NAD hoặc NADP
L-glutamate dehydrogenase
- 0,14
NAD không chỉ đóng vai trò như một coenzyme trong các phản ứng oxy hóa
- khử mà còn có thể tham gia trao đổi chất tế bào với các chức năng khác. Ví dụ,
nó là một yếu tố không thể thiếu được trong phản ứng do ADN ligase của E. coli
xúc tác. Trong phản ứng này NAD bò phân hủy thành AMP và nicotinamide
mononucleotide (NMN) để cung cấp năng lượng cho sự hình thành liên kết
phospho-diester giữa hai đoạn polydeoxyribonucleotide mà ADN ligase có nhiệm
vụ phải nối lại.

II. DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC FLAVIN.

Dehydrogenase phụ thuộc flavin (hay còn gọi là flavoprotein) là những
enzyme ma øcoenzyme là riboflavin-5'-phosphate (flavin mononucleotide, FMN)
hoặc flavin adenine dinucleotide (FAD) mà cấu trúc của chúng được giới thiệu
trong hình 4. Sự kết hợp của coenzyme với apoenzyme trong các enzyme khác
nhau được thực hiện bằng các kiểu liên kết khác nhau - hoặc liên kết đồng hóa trò,
hoặc liên kết không đồng hóa trò. Tuy nhiên, ngay trong các trường hợp liên kết
không đồng hóa trò thì sự kết hợp giữa coenzyme và apoenzyme vẫn luôn luôn chặt
chẽ hơn so với các enzyme phụ thuộc pyridine. Ngoài ra, các enzyme flavine còn
có thể chứa một hoặc vài ion kim loại, phức hệ sắt-lưu huỳnh hoặc heme để gây

FAD

nên những biến đổi đáng kể trong hoạt tính xúc tác của chúng.
Hình
4. Cấ
u tao
a FMN

và gia
FAD.
Bộ phận hoạt động của phâ
n tử
FAD
và củ
FMN
tham
trong phản ứng là vòng
isoaloxasine của riboflavin.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 21 -

Phản ứng được thực hiện bằng cách vận chuyển trực tiếp đôi nguyên tử hydro
từ cơ chất đến FAD hoặc FMN để tạo ra dạng khử của coenzyme, tức FAD.H2
hoặc FMN.H2 (hình 5) .
Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường là
một số enzyme thuộc nhóm cytochrome.
Thuộc nhóm flavoprotein quan trọng nhất là những enzyme sau đây:
- NAD.H dehydrogenase: xúc tác sự vận chuyển điện tử từ NAD.H đến một
chất nhận nào đó chưa được xác đònh, có thể là một protein chứa sắt nào đó trong

chuỗi hô hấp.
- Succinate dehydrogenase: xúc tác phản ứng oxy-hóa acid suxinic thành
acid fumaric.
Dihydrolipoyl dehydrogenase của hệ thống pyruvate dehydrogenase và αcetoglutarate dehydrogenase.
- Các flavoprotein xúc tác giai đoạn đầu của quá trình β-oxy-hóa acid béo.
Bộ phận hoạt động của phân tử FAD và FMN tham gia trong phản ứng là
vòng isoaloxasine của riboflavin. Phản ứng được thực hiện bằng cách vận chuyển
trực tiếp đôi nguyên tử hydro từ cơ chất đến FAD hoặc FMN để tạo ra dạng khử
của coenzyme, tức FAD.H2 hoặc FMN.H2 (hình 5) .
Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường
là một số enzyme thuộc nhóm cytochrome.

Hình 5. Phản ứng dehydrogenase phụ thuộc flavin

III. CYTOCHROME.

Cytochrome là một nhóm protein chứa sắt có cấu tạo tương tự như
hemoglobin, tham gia trong quá trình vận chuyển điện tử trong hô hấp cũng như
trong quang hợp. Trong quá trình hô hấp cytochrome đảm nhận việc vận chuyển
điện tử từ các enzyme flavin đến oxy không khí; trong quang hợp cytochrome tham
gia trong vận chuyển điện tử ở pha sáng.
Cytochrome giống hemoglobin và myoglobin ở chỗ nhóm thêm của chúng là
các hợp chất porphyrin chứa sắt. Trong quá trình xúc tác xảy ra sự biến hóa thuận
nghòch giữa Fe3+ và Fe2+. Cytochrome đứng cuối cùng trong chuỗi hô hấp có khả
năng khử trực tiếp oxy phân tử thành O2-, vì vậy nó thường được gọi là cytochrome
oxydase.
Cytochrome được tìm thấy trong mọi cơ thể hiếu khí. Hơn thế nữa, hàm lượng
của chúng trong các cơ quan khác nhau có quan hệ chặt chẽ với hoạt động hô hấp

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 22 -

của các cơ quan đó. Ví dụ, cơ tim rất giàu cytochrome, nhưng trong gan, thận, não
và đặc biệt là da, phổi hàm lượng cytochrome rất thấp.
Các cytochrome khác nhau được phân biệt trên cơ sở quang phổ hấp thụ và
được ký hiệu bằng các chữ cái a, b, c hoặc bằng cách ghi chú kèm theo gía trò của
bước sóng hấp thụ cực đại (bảng 4). Trong ty thể của thực vật và động vật bậc cao
đã tìm thấy hàng loạt cytochrome khác nhau: cytochrome a, cytochrome a3,
cytochrome b, cytochrome b2 , cytochrome c và cytochrome o. Hàng loạt
cytochrome khác cũng được tìm thấy trong thành phần của chuỗi vận chuyển điện
tử trong thylacoid của lục lạp.
Bảng 4. Tính chất của một số cytochrome của động vật có vú.
Cytochrom
Đỉnh hấp thụ của các dạng khử
Eo’(mV)
e
λ, nm
λ, nm
λ, nm
a3
600
...

445
+200
a
605
517
414
+340
c
550
521
416
+260
c1
554
523
418
+225
b
563
530
430
+30
b1
565
535, 528
430
-30
(+245)
b5
557

527
423
+0,03
Cytochrome thực hiện việc vận chuyển điện tử với sự tham gia trực tiếp của
nguyên tử sắt trong thành phần của nhóm heme nằm tại trung tâm hoạt động của
mỗi cytochrome. Nhóm thêm của hầu hết các cytochrome, trừ cytochrome a và
cytochrome a3, đều là phức hệ giữa protoporphyrin IX với sắt như trong
hemoglobin. Trong ty thể, các điện tử bắt nguồn từ dạng khử của các enzyme
dehydrogenase phụ thuộc NAD hoặc flavoprotein được nguyên tử sắt trong thành
phần của heme của một cytochrome tiếp nhận để sau đó lại được chuyển cho một
nguyên tử sắt của một cytochrome khác. Trật tự của chuỗi vận chuyển này sẽ được
đề cập đến sau.
Đa số cytochrome gắn khá chặt với màng. Nhiều cytochrome phối hợp chặt
chẽ với nhau và với các yếu tố vận chuyển điện tử khác, tạo nên các cấu trúc gồm
nhiều phần dưới đơn vò để không những thực hiện chức năng vận chuyển điện tử,
mà còn tham gia vào hoạt động bơm proton dể tạo ra gradient proton vốn cần cho
việc tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl-hóa oxy hóa.
Sau đây là một số cytochrome quan trọng nhất:

1. Cytochrome c.

Cytochrome c là nhóm protein vận chuyển điện tử được nghiên cứu khá đầy
đủ. Chúng hoạt động như những thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử trong ty
thể, tiếp nhận điện tử từ phức hệ cytochrome bc1 và sau đó chuyển cho phức hệ
cytochrome aa3:

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng
Cytochrome bc1 (Fe2+)

- 23 -

Cytochrome c (Fe3+)

Cytochrome aa3 (Fe2+)

Cytochrome bc1 (Fe3+) Cytochrome c (Fe2+)

Cytochrome aa3 (Fe3+)

2. Cytochrome oxydase.

Cytochrome oxydase là tổ hợp của cytochrome a và cytochrome a3, một trong
số ít enzyme có khả năng khử oxy phân tử thành nước. Nó xúc tác phản ứng tổng
quát sau đây:
4 Cytochrome a+a3 (Fe2+) + O2 + 4H+ → 4 Cytochrome a+a3 (Fe3+) +2H2O
Cytochrome oxydase từ các nguồn khác nhau chứa 7 phần dưới đơn vò.
Người ta cho rằng mỗi enzyme hoạt động là một dimer (MW=400.000) với 7 phần
dưới đơn vò trong một monomer. Một trong các nhóm chức năng trong phân tử
enzyme là heme A (hình 6).

Hình.6. Công thức cấu tạo của heme A.
Ion Fe2+ trong heme A của cytochrome oxydase có ái lực rất mạnh với cả
CO và O2. Ở dạng Fe3+ nó rất dễ gắn với CN-, S2- và NO3- ; điều đó giải thích vì sao

những anion này có tính độc rất mạnh đối với mọi cơ thể hiếu khí. Mỗi phần dưới
đơn vò I và II chứa một phân tử heme A liên kết không đồng hóa trò với apoenzyme
để tương ứng tạo ra cytochrome a và cytochrome a3. Các nhóm chức năng khác là
hai ion Cu2+ cũng liên kết với phần dưới đơn vò II. Trong khi đó phần dưới đơn vò III
được cho là có vai trò như một translocase vận chuyển proton. Phần lớn các gốc
aminoacid của phần dưới đơn vò này chứa các gốc kỵ nước, song có 38 gốc
hydroxyaminoacid phân bố suốt bề dày của màng. Những nhóm hydroxyl này tạo
ra một mạng lưới các liên kết hydro để tạo ra những đường kênh để proton được
vận chuyển qua đó.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 24 -

Có giả thuyết cho rằng cơ chế khử O2 thành H2O bởi cytochrome oxydase xảy
ra như mô tả trong hình 7. Cytochrome a của phần dưới đơn vò II là chất nhận điện
tử sơ cấp từ cytochrome c và nhanh chóng chuyển điện tử cho một trong hai nguyên
tử Cu ký hiệu là Cu A. Phần dưới đơn vò II nằm ở phía bề mặt tiếp xúc với bào
tương, và nhóm heme A của nó đònh vò trong một kẽ hở kỵ nước. Các điện tử từ
phức hệ heme A - Cu A tiếp tục được vận chuyển cho cytochrome a3 của phần
dưới đơn vò I vốn kết hợp với hai nguyên tử Cu khác, ký hiệu là Cu B, trong phần
dưới đơn vò I. Phần dưới đơn vò I cũng chứa một kẽ hở dành cho heme A nhưng nằm
về phía bề mặt của màng tiếp xúc với matrix của ty thể. Cytochrome a3 và Cu B

của phần dưới đơn vò I trực tiếp tham gia phản ứng khử O2 thành H2O.
Hoạt động của cytochrome a và a3 còn giúp tích lũy năng lượng giải phóng
trong quá trình vận chuyển điện tử để tạo ra gradient proton giữa hai phía của màng
trong của ty thể. Gradient này cần để tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl hóa
oxy-hóa. Cơ chế của sự hình thành gradient proton chưa được hiểu rõ, song có
nhiều cơ sở để phỏng đoán rằng nó xảy ra trên những nét khái quát như sau: Các
phần dưới đơn vò I và II (tức cytochrome a và cytochrome a3) được bố trí trên
màng trong của ty thể như mô tả trong hình 8. Khi một điện tử từ cytochrome c
được cytochrome a tiếp nhận, pK của nhóm acid trong cytochrome a biến đổi, làm
cho nó có thể tiếp nhận một proton từ matrix của ty thể. Sự sắp xếp của các phần
dưới đơn vò sau đó thay đổi như mô tả trong hình vẽ, và cytochrome a ở dạng khử
chuyển điện tử cho cytochrome a3, dẫn đến một số biến đổi trong pK của nhóm
acid và giải phóng proton của cytochrome a ra phía bào tương cùa màng. Đây chỉ là
một mô hình đơn giản của quá trình tạo ra gradient proton, trong đó chưa cho thấy
vai trò của các phần dưới đơn vò khác, kể cả phần dưới đơn vò III vốn đóng vai trò
quan trọng trong việc vận chuyển proton. Tuy nhiên, đây là một mô hình hữu ích
để lý giải hoạt tính vận chuyển proton của cytochrome oxydase cũng như của các
phức hệ khác của ty thể.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 25 -

Hình 7. Sơ đồ mô tả giả thuyết về cách tổ chức của các phần dưới đơn vò
(pdđv) I và II của cytochrome oxydase trong màng trong của ty thể. Có hai kẽ hở để
heme A gắn vào đó: môt là nơi để cytochrome c tương tác với pdđv I (cytochrome a)
và một để cytochrome c tương tác với pdđv II (cytochrome a3) vốn làm nhiệm vụ
tương tác trực tiếp với O2.

Hình 8. Mô hình giải thích giả thuyết về cơ chế vận chuyển H+ với sự tham gia
của cytochrome a và cytochrome a3.

3. Các phức hệ cytochrome b.

Các cytochrome nhóm b là những protein vận chuyển điện tử mà nhóm hoạt
động là heme liên kết với apoenzyme bằng các kiểu liên kết không đồng hóa trò.
Khoảng 80% cytochrome b nằm trong thành phần của phức hệ ubiquinone:
cytochrome c reductase (phức hệ III) và khoảng 20% nằm trong phức hệ succinate:
ubiquinone reductase (phức hệ II). Hoạt động của cytochrome b của phức hệ III gắn
liền với quá trình phosphoryl hóa oxy-hóa.

Chức năng của phức hệ III là tiếp nhận điện tử từ ubiquinone và chuyển nó
cho cytochrome c với sự hình thành đồng thời gradient xuyên màng. Quá trình này
có lẻ xảy ra như mô tả trong hình 9. Nó cho thấy điện tử được vận chuyển theo một
vòng kín giữa các thành phần của phức hệ bc1 và ubiquinone (Q) trong các phản
ứng mà trong đó H+ được tiếp nhận từ matrix của ty thể để sau đó được giải phóng
ra phía bào tương. Một điện tử từ ubiquinone reductase (phức hệ II) được chuyển
cho Q, đồng thời tiếp nhận một H+ từ matrix của ty thể để tạo ra QHi, tức
semiquinone của ubiquinone. QHi, sau đó tiếp nhận thêm một điện tử từ
cytochrome b và một proton từ matrix của ty thể để biến thành QH2. QH2 sau đó
giải phóng một điện tử cho trung tâm Fe2S2 rồi từ đó cho c1 và chuyển một H+ ra
bào tương. Bản thân QH2 biến thành QHi để lại chuyển một điện tử nữa cho
cytochrome b và giải phóng H+ thứ hai ra bào tương. Dạng oxy-hóa của ubiquinone

(Q) sau khi hình thành sẽ khép kín chu trình.
Phức hệ II, tức phức hệ succinate: ubiquinone reductase, có chức năng vận
chuyển điện tử từ succinate đến khu vực ubiquinone trên màng ty thể. Nó chứa 4
phần dưới đơn vò polypeptide và ít nhất 3 trung tâm khử, phần dưới đơn vò 70.000
dalton là succinate dehydrogenase, chứa một FAD và hai trung tâm Fe2-S2. Phần
dưới đơn vò 27.000 dalton chứa một trung tâm Fe4S4, còn hai phần dưới đơn vò thứ

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 26 -

ba và thứ tư (MW bằng 13.000 và 15.000) là apocytochrome b. Cơ chế vận chuyển
điện tử giữa các nhóm chức năng trong phức hệ chưa được rõ.
PHÍA BÀO TƯƠNG
H+out
Qout

H+out

cyt.bout + QHiout

deh.in :(e- + Qin )

(QH2out -e-):Fe/S-prot

QHiin + cyt.bin ⎯

cyt.c1

QH2in

H+in
H+in
PHÍA MATRIX CỦA TY THỂ
Hình 9 . Sơ đồ giải thích giả thuyết về cơ chế hoạt động của phức hệ
ubiquinone:cytochrome c reductase. Mũi tên chỉ chiều của dòng điện tử và của H+.
Q - ubiquinone; deh - dehydrogenase; prot - protein; cyt. - cytochrome; in - phía
trong; out - phía ngoài.

4. Cytochrome b5 .

Cytochrome b5 (MW=16.000) liên kết rất chặt với màng của mạng nội chất,
song có thể hoà tan bằng các dung dòch detergent. Nó là thành phần của hệ thống
∆9-stearyl CoA desaturase phụ thuộc NAD.H và bò lôi cuốn vào các phản ứng
hydroxyl-hóa của microsome với sự tham gia của NADP.H. Chất nhường điện tử tự
nhiên của cytochrome b5 là NAD.H-cytochrome b5 reductase, một loại flavoprotein
gắn chặt với hệ thống màng của mạng nội chất. Chất nhận điện tử của cytochrome
b5 là stearyl CoA desaturase, cũng là một loại oxydase gắn chặt với màng.
Reductase, cytochrome b5 và desaturase có thể tập hợp lại ở bề mặt phía ngoài của
màng liposome và xúc tác quá trình biến hóa sau đây:
NAD.H+H+ FAD 2 cytochrome b5 2Fe3+
R-CH=CH-C-CoA + 2H2O
2+

(Fe )
O

2H+

NAD+

FAD.H2 2 cytochrome b5

O
2Fe2+ R-CH2-CH2- C-CoA + O2 +

(Fe3+)
Reductase

Desaturase

5. Cytochrome vi khuẩn và phosphoryl hóa oxy-hóa.

Tế bào vi khuẩn không có các bào quan, kể cả ty thể. Tuy nhiên, màng tế
bào vi khuẩn chứa các enzyme dehydrogenase, cytochrome và các trung tâm chứa
sắt - lưu huỳnh để thực hiện phosphoryl hóa oxy-hóa. Trên cơ sở quang phổ hấp thụ
người ta đã phát hiện trong tế bào vi khuẩn các cytochrome gống với cytochrome a,
b, c, song chúng có cấu trúc và các tính chất chức năng rất khác với những
cytochrome này trong tế bào eucaryote. Trong vi khuẩn quang hợp và cây xanh có
nhiều cytochrome khác nhau tham gia trong quá trình vận chuyển điện tử.

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học