Bài giảng hóa sinh đại cương chương 9 ths phạm hồng hiếu

09/02/2014

Chương 9: TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO
ĐỔI NĂNG LƯỢNG

I. Giới thiệu về trao đổi chất
II. Các quá trình diễn ra trong TĐC và
TĐNL

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

1

I. Giới thiệu về trao đổi chất
Khái niệm
Phản ứng oxy hóa khỬ
Phản ứng phosphoryl hóa và khử
phosphoryl hóa
Sự tạo thành năng lượng

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

2

1

09/02/2014

KHÁI NiỆM
Năng lượng tự do
Mối liên quan giữa biến thiên năng lượng
tự do và hằng số cân bằng phản ứng

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

3

NĂNG LƯỢNG TỰ DO
 Enthalpy (H): nội năng, năng lượng toàn phần
 Năng lượng tự do (G): năng lượng có khả năng
biến thành công có ích  G Entropy (S): trạng thái nội tại của phân tử
– Tăng khi độ vô trật tự tăng (hệ kín)
– Trong điều kiện tự nhiên entropy chỉ có thể
tăng (VD: nhúng dung dịch NaCl trong túi bán
thấm vào cốc nước  phân tử muối chạy ra
khỏi túi)

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

4

2


09/02/2014

NĂNG LƯỢNG TỰ DO
 G = H – TS
• H tăngG tăng; S tăngG giảm
• H – G = TS: thay đổi theo nhiệt độ, phụ
thuộc S
 G = H – TS
• G: biến thiên NLTD (Kcal)
• H: biến thiên enthalpy (Kcal)
• T: nhiệt độ tuyệt đối
• S: biến thiên entropy (Kcal.độ-1)
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

5

BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG TỰ DO
Phản ứng A  B
G=GB - GA
• G < 0: Phản ứng phát năng
oCó thể xảy ra tự phát (S tăng, G giảm)
oĐôi khi cần năng lượng hoạt hoá để xảy
ra phản ứng
• G > 0: Phản ứng thu năng
oKhông thể xảy ra tự phát

• G = 0: Phản ứng không thu năng cũng
không phát năng
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

6

3


09/02/2014

BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG TỰ DO
G = Go + RTln([B]/[A])
 Go: biến thiên năng lượng tự do chuẩn: 25oC,
pH = 0, [A]=[B]=1 mol/l
 G phụ thuộc bản chất , điều kiện, tỉ lệ nồng độ
các chất tham gia, sản phẩm phản ứng; không
phụ thuộc con đường chuyển hoá
 Biến thiên NLTD chuẩn ở điều kiện sinh học
Go’: pH=7, 25oC
 G’ = Go’ + RTln([B]/[A])
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

7

BIẾN THIÊN NLTD & K

G’ = Go’ + RTln([B]/[A])
Phản ứng đạt trạng thái cân bằng: G’=0
 Go’ = –RTlnK’
 K’: hằng số cân bằng phản ứng trong điều kiện
sinh học (pH=7)
 R: hằng số khí lí tưởng, 1,987.10-3 Kcal/mol.độ
 T: nhiệt độ tuyệt đối, 298K (25oC)
 Go’: Kcal/mol
 K’=10-Go’/1,36
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

8

4


09/02/2014

BIẾN THIÊN NLTD & K
K’=10-Go’/1,36
 K’=1: Go’=0: không xảy ra trong điều kiện sinh
học
 K’>1: Go’<0: phản ứng phát năng

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

9

BIẾN THIÊN NLTD & K
Phản ứng oxy hoá glucose:
C6H12O6+ 6O2 = 6CO2 + 6H2O
Go’=-686 Kcal/mol
Thực tế glucose có thể tồn tại ngoài khí trời
trong nhiều tháng vẫn không có hiện tượng gì
xảy ra
 G, G’ không cho ý niệm về vận tốc phản ứng,
mà chỉ cho biết chiều phản ứng nếu xảy ra
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

10

5


09/02/2014

OXY HOÁ – KHỬ SINH HỌC

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

11

PHẢN ỨNG OXY HOÁ – KHỬ
Phản ứng
-e- oxy hóa
+e- khử

Chất
-e- khử
+e- oxy hóa

Cặp, hệ thống oxy hóa khử (oxh/kh)
VD: Fe+3/Fe+2, H+/H, O/O-2, R-COOH/RCHO… (ferri-/ferro-)
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

12

6


09/02/2014

THẾ NĂNG OXI HOÁ – KHỬ
Phương trình Nernst:

E  E0 

RT
nF

ln

[ oxh ]
[ kh ]

n: số điện tử được vận chuyển
F: hằng số Faraday = 23 Kcal/V.mol = 96500 C/mol

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

13

THẾ NĂNG OXY HOÁ – KHỬ
Trong điều kiện sinh học (pH=7, 25o C):

E '  E0 '0,06 log
Eo là E khi:

ThS. Phạm Hồng Hiếu

[ oxh ]
[ kh ]

[oxh]  [kh]
Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

14

7


09/02/2014

Cặp oxyhóa-khử

E0’ (volt)

2H+/H2

-0.42

FAD/FADH

-0.36

NAD+/NADH,H+

-0.32

FAD/FADH2

-0.12

Fumarat/succinat

+0.03

Cytb Fe+3/Cytb Fe+2

+0.08

Cytc Fe+3/Cytc Fe+2

+0.22

½ O2/O-2

+0.82

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

15

Chiều vận chuyển của điện tử eĐiện tử di chuyển:
- Từ chất khử sang chất oxy hoá (trong cùng
hệ thống oxy hóa-khử)
- Hệ thống có thế năng oxy hoá khử thấp
sang hệ thống có thế năng oxy hoá – khử
cao (giữa 2 hệ thống oxy hóa-khử)

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

16

8


09/02/2014

Chiều vận chuyển của điện tử eXét 2 hệ thống oxh-kh:
A/AH2 và B/BH2
Nếu EA < EB thì: e- sẽ di chuyển từ hệ thống
A qua B (từ chất khử AH2 qua chất oxy hóa
B)
AH2 + B  BH2 + A
Nếu vì lý do nào đó BH2 bị tồn đọng thì phản
ứng có thể đạt trạng thái cân bằng hoặc
thậm chí theo chiều nghịch
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

17

VD:
Xét 2 hệ thống:
NAD+/NADH,H+ và FAD/FADH2
E0(A) = -0.32V; E0(B) = -0.06V
Vậy trong điều kiện chuẩn (và thực tế trong điều kiện
sinh lý của tế bào) e- đi từ NADH,H+ qua FAD
NADH,H+

2e-

FAD
FADH2

NAD+
Hoặc

NADH,H+

2e-

FAD
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

NAD+
FADH2

18

9


09/02/2014

Liên hệ giữa ∆G0’ và ∆E0’

 G 0'   nF  E 0'
Trong phản ứng oxh-kh, e- vận chuyển với ∆E > 0
do đó ∆G < 0, nên phản ứng luôn luôn kèm sự phát

năng
Năng lượng đó một phần sẽ được sử dụng ngay
(tạo thân nhiệt, công cơ học, tổng hợp chất…), phần
còn lại được tích trữ lại trong các liên kết giàu năng
lượng (~) nhờ các phản ứng phosphoryl hóa
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

19

OXIDOREDUCTASE
Oxydase
Dehydrogenase
Hydroperoxydase
Oxygenase

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

20

10


09/02/2014

OXYDASE
Dùng oxy để gắn hydrogen, từ đó tách

hydrogen ra khỏi cơ chất. Tạo sản phẩm là
H20 hoặc H2O2
Oxydase chứa đồng: cytochrome oxydase
Oxydase chứa flavoprotein (FMN, FAD):
L-amino acid oxydase, xanthine oxydase,
glucose oxydase (nấm)

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

21

DEHYDROGENASE
 Chuyển H từ cơ chất này sang cơ chất khác
trong cặp phản ứng oxy hoá khử. Không cần
oxy (ví dụ: pha yếm khí của đường phân)
 Thành phần của chuỗi hô hấp tế bào: các
cytochrome (trừ cytochrome oxidase) cũng
được xem là dehydrogenase

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

22

11

09/02/2014

DEHYDROGENASE (Coenzyme)
 Nicotinamide:
– NAD: Các con đường chuyển hoá oxi hoá:
đường phân, chu trình acid citric, chuỗi hô
hấp ty thể
– NADP: Các quá trình tổng hợp khử: tổng hợp
steroid và acid béo ngoài ty thể
 Riboflavin: vận chuyển electron trong hoặc đến
chuỗi hô hấp tế bào

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

23

HYDROPEROXIDASE
 Bảo vệ cơ thể khỏi peroxyde có hại
 2 loại:
– Peroxydase: khử hydrogen peroxide dùng
nhiều chất nhận điện tử khác nhau
(ascorbate, quinone, cytochrome C)
– Catalase: dùng hydrogen peroxide làm chất
nhận và cho điện tử (một chất nhận, một chất
cho). Có vai trò phá huỷ H2O2 tạo thành từ
phản ứng của oxydase
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

24

12


09/02/2014

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

25

OXIGENASE
 Thường tham gia phản ứng tổng hợp hay thoái
hoá các chất hơn là tham gia cung cấp năng
lượng cho tế bào
 Xúc tác gắn oxy vào cơ chất

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

26

13

09/02/2014

OXYGENASE
 2 nhóm:
– Dioxygenase
(oxygenase
thực,
oxygen
transferase): gắn 2 nguyên tử oxy vào cơ chất
– Mono-oxygenase (oxydase chức năng hỗn hợp,
hydroxylase): chỉ gắn 1 nguyên tử oxy vào cơ
chất (tạo nhóm –OH), nguyên tử O kia tạo
nước, và cần một chất cho điện tử
• Hệ thống cytochrome P-450 monooxydase vi
thể: hydroxyl hoá nhiều loại thuốc
• Hệ thống cytochrome P-450 monooxydase ti
thể: hydroxyl
hoá các steroid
ThS. Phạm Hồng Hiếu
Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9
27

SUPEROXIDE DISMUTASE
Superoxide
O2–

+

O2–

+

2H+

dimutase

H2O2

+

O2

- Trong phản ứng này, superoxyde vừa là chất khử, vừa là chất
oxy hoá.
- Superoxide dismutase (SOD) bảo vệ cơ thể sinh vật hiếu khí
chống lại tác hại của superoxide.
- SOD có ở các khoang khác nhau trong tế bào: trong bào tương
chứa Cu2+ hoặc Zn2+; trong ti thể chứa Mn2+  giống trong vi
khuẩn  hỗ trợ giả thuyết ti thể là prokaryote cộng sinh với
protoeukaryote.
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

28

14


09/02/2014

PHOSPHORYL HOÁ
KHỬ PHOSPHORYL HOÁ

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

29

PHẢN ỨNG PHOSPHORYL HOÁ
R-H + HO-PO3H2  R-P + H2O
Phosphorylase
G>0 (thu Q)
VD:

ATP
G

ADP
Hexokinase
Glucokinase

G - 6P

Phản ứng khử phosphoryl:
R-P + H2O  R-H + H3PO4
Phosphatase
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

30

15


09/02/2014

Phosphoryl hóa

Khử phosphoryl

Tạo liên kết phosphate

Cắt đứt liên kết phosphate

Thu năng (tích trữ năng
lựơng). Do enzyme xúc tác
với cơ chất là P vô cơ
hoặc P hữu cơ

Tạo P vô cơ tự do hay
chuyển gốc phosphate từ
chất hữu cơ phosphate sang
chất khác

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

31

NĂNG LƯỢNG CỦA LIÊN KẾT
 Năng lượng của liên kết là chênh lệch NLTD của
hợp chất chứa liên kết này và hợp chất sau khi
liên kết này bị cắt đứt.
 Phản ứng
ATP + H2O  ADP + Pvc
ADP + H2O  AMP + Pvc
Kèm giảm NLTD 7,3 Kcal ở 25oC, pH=7  Liên
kết ADP và Pvc, AMP và Pvc có NLTD là 7,3
Kcal.
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

32

16


09/02/2014

LIÊN KẾT GIÀU NĂNG LƯỢNG
Liên kết giàu năng lượng là liên kết có
lG0’l > 7 Kcal/mol hoặc lG0l > 5Kcal/mol
Biết rằng:
G0’ = -nF E0’, ta có:
E0’ = 7Kcal/2.23,06 = 0,152V

Vậy, ở giai đoạn nào E0’ > 0,152V thì ở đó sẽ đủ
năng lượng tạo ra 1 phân tử ATP từ ADP

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

33

Các loại liên kết phosphate
Liên kết nghèo năng
lượng

Liên kết giàu năng
lượng

Năng
lượng
giải
phóng  5 kcal/mol
Ký hiệu - P
Tương đối bền

Năng lượng
giải
phóng  7 kcal/mol
Ký hiệu:  P
Tương đối không bền.

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

34

17


09/02/2014

LIÊN KẾT GIÀU NĂNG LƯỢNG
Nếu tính E0’ khi e- vận chuyển từ NADH,H+ tới O2:
E0’ = + 0,81- (- 0,32) = + 1,13 volt
lG0’l = nFE0’ = 2 x 23,06 x 1,13 = 52 Kcal
Tuy nhiên, năng lượng này không tích trữ trong một
lần mà theo từng giai đoạn kế tiếp nhau, giai đoạn
nào đủ tạo liên kết giàu năng lượng sẽ tạo ngay tại
thời điểm đó
VD:
NAD FAD C0Q  Cytb  Cytc  Cyt(a+a3)  O2



ATP
ATP
ATP
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

35

CÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNG
Loại liên kết
1.Pyrophosphat
Phosphoanhydrid
P–O~P

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Chất
NTP
ATP,GTP,UTP,…
CTP…
NDP
ADP,GDP,CDP…
VDP…

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

36

18


09/02/2014

CÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNG
2. Acyl phosphat
R–C~P

ll
O

ThS. Phạm Hồng Hiếu

a. 1,3-diphosphoglyceric
Aminoacyl-AMP
R – C – CO ~ AMP
l
NH2

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

37

CÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNG

3. Enol phosphat
R-C-O~P
ll
CH
l

ThS. Phạm Hồng Hiếu

PEP (phosphoenolpyruvat)
COOH
l
C-O~P
ll

CH2

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

38

19


09/02/2014

Arginin~P
Creatin~P
(Phosphagen)
NH ~ P
l
HN = C
l
N - CH2 - COOH
l
CH3

4. Amidin
R – C – NH ~ P
ll
NH

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

39

5. Thioester
R - C ~ SC0A
ll
O

COOH
l
CH2
l
CH2
l

C ~ SCoA
ll

O
Succinyl CoA
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

40

20


09/02/2014

VAI TRÒ CỦA PHOSPHORYL
HOÁ VÀ KHỬ PHOSPHORYL
1. Tích trữ năng lượng
ADP + Pvc  ATP

Q (từ quang hợp hoặc các pứ oxh-kh)
Ở mô: Creatin  Creatin ~ P
ATP

ThS. Phạm Hồng Hiếu

ADP

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

41

2. Hoạt hóa các chất

ATP

Glucose

ThS. Phạm Hồng Hiếu

ADP

Glucose – 6 phosphate

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

CO2, H2O, Q
Chất khác

42

21


09/02/2014

ATP

AMP + PP

R – COOH

R – CO - SCoA

Lipid

HS CoA
Acid béo

Acyl - CoA

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

CO2,H2O,…

43

AMP + PP

ATP

aa - ARNt

aa
ARNt

Sinh tổng hợp
protein

Aminoacyl - ARNt
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

44

22


09/02/2014

Glycogen

phosphatase b
không hoạt động

ThS. Phạm Hồng Hiếu

4ATP

4ADP
Phosphatase a
hoạt động

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

45

Enzyme
glucokinase

ATP

ADP

Glucose
Pvc

ThS. Phạm Hồng Hiếu

enzyme glucose
phophatase

glucose – 6 – phosphate
H2O

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

46

23


09/02/2014

3. Vận chuyển năng lượng
ATP + H2O  ADP + Pvc
Q
0
(t , công dùng trực tiếp cho hoạt động cơ thể)

Go < 0
Tỏa Q
Quang hợp
Oxh G, AB,AA
Chu trình AC
Vận chuyển e-

ThS. Phạm Hồng Hiếu

ATP

Q

Go > 0
Thu Q
Hoạt hóa hấp
thu tích cực
luồng thần kinh
Q điện năng

ADP

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

47

4. Ức chế enzyme

phosphatase
Glycogen synthase I
Glycogen synthase D
kinase
(hoạt động)
(không hoạt động)
ADP
ATP

ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

48

24


09/02/2014

Glucid
Lipid
Protein

oxy hóa

Năng lượng

Thân nhiệt

tích trữ Q

Pvc + ADP

ATP + H2O

Q = 7,3 kcal/mol
Công (co cơ, tổng hợp các chất)
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

49

 Một số từ viết tắt:
– Nicotilamid: vitamin PP
– NMN: Nicotilamid mononucleotide
– NAD: Nicotylamid adenin dinucleotide
– NADP: Nicotylamid adenin dinucleotid phophate
– FMN: Flavin mononucleotide
– FAD: Flavin adenin dinucleotide
– Cyt: hệ thống cytocrom gồm các enzyme vận chuyển
điện tử, có Co.E chứa nhân protoporpyryl gắn ion sắt
có thể biến đổi hóa trị làm Cyt có khả năng chuyển
điện tử. Có nhiều loại Cyt (a, b, c, d…). Cyta3 và Cyta
liên kết lại với nhau tạo thành phức Cyt.oxydase mang
ion Fe và Cu cùng tham gia chuyển điện tử
ThS. Phạm Hồng Hiếu

Hóa Sinh Đại Cương – Chương 9

50

25