Bài giảng Khái quát trao đổi chất và năng lượng sinh học

KHÁI QUÁT TRAO ĐỔI CHẤT VÀ
NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
Ths. Lê Thụy Bình Phương


Nội dung
• Trao đổi chất: Qúa trình đồng hóa và dị hóa
• Khái niệm về năng lượng sinh học: các hợp
chất cao năng thường gặp
• Phosphoryl hóa oxi hóa


Khái quát về trao đổi chất (1)
Sự trao đổi chất (TĐC) là chuỗi các phản ứng hóa học
(pathway), thường được xúc tác bởi enzyme, xảy ra trong
tế bào sống - Sự TĐC bao gồm 2 quá trình đồng hóa và dị
hóa.
• Mỗi bước trong chuỗi phản ứng sản xuất một sản phẩm
(chất chuyển hóa / trung gian) khác với chất tham gia phản
ứng ban đầu.
• Enzyme xúc tác chuỗi các phản ứng hóa học có chức
năng như một phức hệ enzyme (multienzyme complexes).
Note: phức hệ enzyme (multienzyme complexes)?


Khái quát về trao đổi chất (2)
• Trao đổi chất xảy ra trong tế bào
• Đồng hóa và dị hóa: mâu thuẫn nhưng hỗ trợ thống nhất
trong sự chuyển hóa chất.
• Các p/ư dị hóa: phá
vỡ các phân tử lớn

thành các phân tử
nhỏ hơn và cung cấp
năng lượng cho tế
bào
• Các p/ư đồng hóa:
Sử dụng nguồn NL
ATP để xây dựng các
phân tử lớn.


Quá trình dị hóa
Gđ1: (Tiêu hóa và
thủy phân) phân
tử lớn phân tử
nhỏ hơn
máu
Gđ 2: (sự thoái biến)
Các phân tử ếp
tục bị phân cắt
nhỏ hơn và oxi hóa
thành các hợp chất
có 2-3 carbon.
Gđ3: (oxi hóa) bị oxi
hóa trong chu
trình acid citric và
phosphoryl hóa để
cung NL ATP


Các cơ quan tham gia vào quá trình

trao đổi chất của cơ thể


Các hợp chất cao năng thường gặp
trong mô bào ĐV
• Hệ thống ATP/ADP
• Hệ thống creatinine phosphate/creatine
• Các Coenzyme vận chuyển điện tử (NAD+ ,
NADP+ FAD+ ,FMN+ )


Các hợp chất cao năng
• Hệ thống ATP/ADP: hợp chất cao năng quan trọng nhất, dùng
chuyển tải năng lượng từ p/ư giải phóng NL
p/ư thu NL
• ATP có ở mọi mô bào của giới SV dưới dạng liên kết với Mg2+


Các hợp chất cao năng
• Hệ thống creatinine phosphate/creatine: giữ vai trò thứ cấp
trong ch trữ ~P
• Khi NL phóng thích nhiều, hệ ATP/ADP không ch trữ hết, NL
sẽ ch trữ trong creatine
creatine phosphate (CP). Khi
cần năng lượng, CP sẽ nhả NL để ADP
ATP


Các Coenzyme vận chuyển điện tử (NAD+ , NADP+
FAD+ ,FMN+ )

• Các coenzyme có thể nhận electron (bị khử)

• Các coenzyme này cũng có thể nhường electron
khi có yêu cầu
• Vai trò: chuyển giao electron điện tử cho chuỗi
vận chuyển điện tử trong quá trình hô hấp mô
bào để thành lập năng lượng ATP


Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (1)(oxidative
phosphorylation)
• Quá trình bắt đầu với tham gia của các electron vào
chuỗi hô hấp mô bào (Quá trình vận chuyển điện tử)
• Các điện tử này đến từ đâu ? các phản ứng được xúc tác
bởi enzyme dehydrogenases thì một cặp hydrogen
được tách ra từ cơ chất, một trong hai nguyên tử
hydrogen này được gắn trọn vẹn trên chất nhận điện tử
coenzyme NAD+, còn nguyên tử hydrogen thứ hai chỉ có
điện tử e- được gắn vào NAD+, còn proton H+ di chuyển
tự do trong môi trường. FAD và FMN nhận trưc̣ ếp 2
ntử hydrogen


Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (2)
• Các coenzyme vận chuyển điện tử không thể vượt qua
màng ty thể nhưng các electron có thể được vận
chuyển gián tiếp thông qua chất mang điện tử
• Electron được vận chuyển qua một loạt các chất mang
điện tử (chủ yếu là protein) được hoạt động một cách
tuần tự theo thế năng oxi hóa khử từ thấp đến cao

(như kiểu “dòng nước chảy xuôi”)
• Các chất mang điện tử này sẽ chuyển các electron
đến oxy và đi kèm theo nó là dòng proton H+ từ
matrix (là khoảng không gian bên trong màng của ty
lạp thể)
• Kết quả: Sự khác biệt về nồng độ hóa chất và phân
bố điện ch bên trong và bên ngoài màng không đều
tạo ra một động lực proton (proton motive force)


Động lực proton (proton motive force)


Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (3)
• Động lực proton sẽ đẩy proton trở lại matrix
thông qua một kênh nằm trong phức hợp
protein, nơi sẽ tổng hợp ATP [FO-F1-ATPase]
Khi dòng proton làm quay phần đầu của phức
hợp (vặn vẹo), enzyme ATP synthease xúc tác sự
thành lập ATP từ ADP
Note: Phần đầu này của phức hợp protein giống
như như một bánh xe, phần ATP synthease không
gắn chặt vào phần đầu. Nhưng khi phần đầu xoay
nó sẽ kích hoạt ATP synthase thành lập ATP




chất mang điện tử hoạt động một cách tuần tự
theo thế năng oxi hóa khử từ thấp đến cao

Hiệu quả năng lượng ATP được tạo ra
từ chuỗi vân chuyển điện tử
• Đối với electron di chuyển từ NADH đến O2
(-0.32 to +0.82 volts), E0/ = 1.14 volts
tạo ra 3 ATP
• Năng lượng tự do:
G/0 = - n . F. E0/
- 2 x (96.5 kJ/volt.mole) x (1.14 v)
= - 221 kJ/mole NADH bị oxi hóa khử
Nhưng 3 ATP = 3 x 31 = 93 kJ được bảo toàn
Hiệu quả
= 93/221 = 42% được nắm giữ


ATP tạo ra từ matrix được thoát ra tế
bào chất như thế nào??(tham khảo)
• ADP và ATP không chỉ đơn giản là khuếch
tán qua màng trong ty thể không thấm nước.
• ADP đi vào matrix của ti thể là cùng với sự
thoát ra tế bào chất của ATP bởi sự hoán vị
ATP-ADP.
• Đây là một protein vận chuyển (antiporter)
• Năng lượng đến từ thế năng xuyên màng.
• Sử dụng khoảng 25% tiềm năng năng lượng.


Trả lời một số câu hỏi sau???

F0F1-ATPase (tham khảo)
- Vị trí: chất nền (matrix) của màng
bên trong ti thể.
- Tổng hợp ATP, sử dụng năng
lượng được lưu trữ trong pH màng
và gradient tiềm tàng.
- Nhóm đầu F1 có ba nucleotide liên
kết ở ba vị trí trên F1, và chứa
enzyme thực hiện một chu trình xúc
tác.
- ADP và phosphate liên kết với một
trung tâm hoạt động, xúc tác sự hình
thành các ATP
- Năng lượng từ động lực proton
như đòn bẩy đẩy ATP ra khỏi trung
tâm hoạt động.


F0F1-ATPase (tham khảo)
Hãy tưởng tượng hoạt động của F0F1-ATPase như hoạt
động của các bánh xe quay quanh trục cam
- Năng lượng được truyền tới các tiểu đơn vị xúc tác
trong ATP synthase (phần đầu F1) bởi vòng quay của
trục cam.
- Các "cam" bóp méo các tiểu đơn vị protein để liên kết
ATP.
- Các năng lượng đầu vào được sử dụng để điều khiển
sự phóng thích ATP không cho hình thành các liên kết
- Phải mất ít nhất 9-12 proton để “lái” một vòng quay

của trục cam và sản xuất ra 3ATP
Toàn bộ phức hợp có thể đảo ngược và F0 đóng vai trò
như chiếc chìa khóa


ATP synthease (tham khảo)
ATP synthase có 2 domain chức
năng F0 và F1
Enzym này xúc tác lặp đi lặp lại
quá trình ATP-ADP-ATP ADP và
được đi kèm với một dòng chảy
của proton từ P sang bên N
ATP chỉ được phóng thích bởi các
gradient proton. Các gradient
proton này gây việc quay trục
trung tâm và cũng quyết định
phóng thích ra các phân tử ATP là
nhiều hơn hay ít hơn vì cấu tạo
của các tiểu đơn vị được thay đổi
bởi các chuyển động quay


Các loại phản ứng thường gặp
1. Chuyển nhóm chức năng:
VD: chuyển nhóm phosphate cao năng của ATP
2. Phản ứng oxi hóa khử: trao đổi điện tử
VD: glucose 6-phosphate thành phosphogluconic acid
3. Sắp xếp lại cấu trúc: thay đổi cấu trúc liên kết của một
phân tử
VD: glucose 6-phosphate thành fructose 6-phosphate

4.Phân tách: phân cắt liên kết C-C
VD: fructose 1,6-phosphate thành dihydroxyacetone
phosphate và glyceraldehyde phosphate
5.Ngưng tụ: sự kết hợp của hai hay nhiều phân tử và loại
đi phân tử H2O
VD: thành lập nối peptide giữa các amino acid tạo
polypeptide


Biến dưỡng carbohydrate