chuyển hóa các chất, oxy hóa sinh học, chu trình acid citric

 

CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT,
OXY HÓA SINH HỌC,
CHU TRÌNH ACID CITRIC
 
DS. TẠ QUANG VƯỢNG


CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT
-

Là tất cả các quá trình hoá học xảy ra trong cơ thể từ khi thức ăn được đưa vào đến khi
chất cặn bã được thải ra ngoài.

-

Các chuyển hóa trung gian này là các phản ứng xảy ra trong từng tế bào, từng mô.

-

Sinh vật tự dưỡng (thực vật): Có khả năng tổng hợp được glucid, lipid, protid đặc hiệu từ
CO2, H2O, muối khoáng chứa nitơ và năng lượng mặt trời (quang hợp).

-

Sinh vật dị dưỡng (động vật):
+ Sử dụng thức ăn (glucid, lipid, protid…) từ các sinh vật tự dưỡng để tổng hợp nên những
phân tử glucid, lipid, protid đặc hiệu
+ Thoái hoá các phân tử đặc hiệu thành các sản phẩm chuyển hoá, các chất thải như CO2,
H2O và năng lượng cho cơ thể sử dụng.

CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT
+ Đồng hoá:
 Là quá trình biến các phân tử hữu cơ thức ăn (glucid, lipid, protid) thành các phân tử hữu
cơ (glucid, lipid, protid) đặc hiệu của cơ thể.
 Gồm 3 giai đoạn :
 Tiêu hoá : thủy phân các đại phân tử dưới tác dụng của các enzym thủy phân trong
dịch tiêu hóa
 Hấp thu : các sản phẩm tiêu hoá được hấp thu qua niêm mạc ruột non vào máu
 Tổng hợp: máu đưa các sản phẩm hấp thu được đến các mô và được tế bào sử dụng
để tổng hợp các đại phân tử có tính đặc hiệu của cơ thể.
 Cơ thể sử dụng các đại phân tử này để :
 Xây dựng tế bào và mô (protein, polysaccarid tạp, phospholipid).
 Sử dụng cho các hoạt động sống (enzym, acid nucleic, các protein chức năng)
 Dự trữ (glycogen, triglycerid).
 Các phản ứng tổng hợp cần năng lượng (chủ yếu do ATP cung cấp).


CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT
+ Dị hoá:

 Là quá trình thoái hóa các đại phân tử hữu cơ thành các sản phẩm trung gian và các
chất cặn bã thải ra ngoài.
 Quá trình này kèm theo sự giải phóng năng lượng. Năng lượng giải phóng ra ở dưới
hai dạng:
 50% năng lượng ở dạng nhiệt năng (thân nhiệt).
 50% năng lượng được tích trữ dưới dạng ATP
 Năng lượng được giải phóng ra khi thủy phân ATP (tạo ADP và H3PO4) được tế bào sử
dụng cho các lọai công sau:

 Công cơ học: dùng co duỗi cơ.
 Công thẩm thấu: vận chuyển tích cực các chất qua màng tế bào , chống lại
gradient nồng độ.
 Công hoá học: tổng hợp các chất.


CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT
-

Phản ứng liên hợp
+ Là sự ghép cặp hai phản ứng tổng hợp và thoái hóa trên nhằm cung cấp năng lượng cho
quá trình tổng hợp.
+ Ví dụ: phản ứng tổng hợp glucose 6 phosphat cần 3,3 Kcal xảy ra được khi ghép với phản
ứng thủy phân ATP giải phóng 7,3 Kcal

-

Đặc điểm của quá trình chuyển hóa các chất:
+ Các quá trình chuyển hóa mang tính thống nhất và riêng biệt.
+ Các phản ứng hóa học trong cơ thể đều chịu sự xúc tác của các enzym, được tiến hành ở
37oC, pH gần trung tính.
+ Ở động vật, hệ thống thần kinh giữ vai trò điều khiển các quá trình chuyển hóa.


 

OXY HÓA SINH HỌC
 

PHẢN ỨNG OXY HOÁ – KHỬ
-

Là quá trình trao đổi điện tử. Chất oxy hóa là chất có thể nhận điện tử còn chất khử là chất có khả năng cho điện tử.

-

Ví dụ :

Fe++

Fe+++
-e

Fe++ là chất khử, Fe+++ là chất oxy hóa.

+e

-

Trong phản ứng oxy hóa khử có thể kèm theo hay không sự mất hoặc nhận hydro hay oxy

-

Cặp oxy hoá khử: hai chất oxy hóa khử tập hợp với nhau thành một hệ thống oxy hóa khử.

-

Thế năng oxy hóa khử:
+ Biểu hiện khả năng cho nhận điện tử của hệ thống.

 Hệ thống có E thấp (nồng độ chất khử lớn) dễ cho điện tử
 Hệ thống có E cao dễ nhận điện tử (do nồng độ chất oxy hóa cao).
 Hydro hay điện tử chuyển từ hệ thống có E thấp đến hệ thống có E cao.


PHẢN ỨNG OXY HOÁ – KHỬ
E  : Thế năng oxy hóa khử
Eo : Thế năng oxy hóa khử chuẩn
R : Hằng số khí lý tưởng
T : Nhiệt độ tuyệt đối
n : Số điện tử di chuyển
F :- khử
Hằng
số EFaraday
+ Mỗi cặp oxy hóa khử được xác định bởi một thế năng oxy hóa
chuẩn
o. Khi đo ở điều kiện sinh học pH = 7, nhiệt độ =
+ Phương trình Nernst sau :

25oC, thế năng oxy hóa khử được ký hiệu là E’o.
+ Trong một phản ứng có sự tham gia của 2 cặp oxy hoá khử thì E’o của các cặp sẽ xác định chiều và thế cân bằng của phản ứng.
+ Ví dụ:

AH2 + B

BH2 + A

 Có 2 cặp A/AH2 và B/BH2 mà E’oA < E’oB thì cân bằng của phản ứng sẽ dịch chuyển sang
+ Sự tương quan giữa biến thiên thế năng oxy hóa khử chuẩn và biến thiên năng lượng tự do:
∆Go’ = -nF ∆E’o

∆Go’  : Biến thiên năng lượng tự do của phản ứng

∆E’o : Biến thiên thế năng oxy hóa khử chuẩn
n : Số điện tử di chuyển
F : Hằng số Faraday

bên phải.


PHẢN ỨNG OXY HOÁ – KHỬ
Hệ thống
H+/ H2

Eo (volt)
-0,42

NAD+/ NADH

-0,32

Lipoate ;Ox/Kh

-0,29

Acetoacetat/ 3-hydroxybutyrat

-0,27

Pyruvat/ Lactat

-0,19

Oxaloacetat/ Malat

-0,17

Riboflavin (Ox/Kh)

-0,05

Fumarat/ Succinat

+0,03

Cytocrom b ; Fe 3+ /Fe 2+

+0,08

Ubiquinon (Ox/Kh)

+0,10

Cytocrom c1 Fe 3+ /Fe 2+

+0,22

Cytocrom a Fe 3+ /Fe 2+
½ O2 / H2O

+0,29
+0,82


PHOSPHORYL HOÁ VÀ KHỬ PHOSPHORYL
-

Sự phosphoryl hóa:
+ Là sự gắn một gốc phosphat vào một phân tử chất hữu cơ.
+ Là một phản ứng cần sự xúc tác của phosphorylase hoặc kinase
+ Là phản ứng thu năng (tích trữ năng lượng).
+ Phosphat tham gia phản ứng có thể là nguồn vô cơ hay hữu cơ.

-

Sự khử phosphoryl:
+ Là phản ứng cắt đứt các liên kết phosphat nhờ sự xúc tác của các phosphatase.
+ Tạo ra các gốc phosphate vô cơ tự do hay chuyển gốc phosphat từ chất hữu cơ phosphat sang
chất khác.
+ Năng lượng giải phóng trong quá trình này bằng năng lượng tích trữ khi tạo thành liên kết
phosphat.

ATP

ADP
1
Glucose 6-P

Glucose
2

Phosphat voâcô

H2O


CÁC LOẠI LIÊN KẾT PHOSPHAT
-

Dựa vào năng lượng tự do được giải phóng ra khi thủy phân liên kết phosphat, người ta chia làm 2
loại
+ Liên kết phosphat nghèo năng lượng
 Năng lượng giải phóng ≤ 5 Kcal/mol.
 Tương đối bền.
 Ký hiệu - P
+ Liên kết phosphat giàu năng lượng
 Năng lượng giải phóng ≥ 6,6 Kcal/mol)
 Tương đối không bền.
 Ký hiệu ∼ P


VAI TRÒ CỦA SỰ PHOSPHORYL HOÁ VÀ KHỬ PHOSPHORYL
-

Tích trữ, vận chuyển và sử dụng năng lượng: năng lượng từ các quá trình thoái hóa được dự trữ trong
các phân tử ATP nhờ phản ứng phosphoryl hóa
ADP + Pvc

-

ATP

Khi cơ thể cần năng lượng thì ATP được thủy phân trở lại để giải phóng năng lượng. Khi ATP tích tụ
nhiều thì liên kết phosphat giàu năng lượng chuyển sang creatin
ATP + Creatin

Creatin ∼ P + ADP

 Cơ thể không sử dụng trực tiếp năng lượng từ creatin phosphat mà bắt buộc phải chuyển sang ATP.
 Khi lượng ATP giảm, creatin phosphat chuyển phosphat sang ADP để tái tạo ATP
 Hệ thống ADP - ATP giữ vai trò trung tâm trong chuyển hoá năng lượng.
-

Hoạt hoá các chất:
+ Một số chất chỉ có thể tham gia vào các quá trình chuyển hóa sau khi được phosphoryl hóa (được
hoạt hóa)

ATP

Glucose

ADP
Glucose – 6 – P  Thoái hóa hoặc tổng hợp tiếp tục

+ Hoạt hóa enzym biến enzym thành dạng hoạt động hoặc có khi lại thành dạng không hoạt động
4 ATP

4 ADP

Glycogen phosphorylase b
(không hoạt động)

Glycogen phosphorylase a
(hoạt động)


SỰ HÔ HẤP TẾ BÀO
-

Bản chất là quá trình oxy hóa khử xảy ra trong điều kiện sinh học, gọi là oxy hóa khử sinh học hay oxy
hóa sinh học, tạo CO2, H2O cùng với sự giải phóng năng lượng dần dần và năng lượng này được dự trữ
dưới dạng ATP.

-

Chất hữu cơ bị tách dần từng cặp nguyên tử hydro (2H) và được chuyển đến oxy tạo H2O.

-

Tạo thành các acid carboxylic và khử carboxyl dưới tác dụng xúc tác của decarboxylase tạo CO2.
 Quá trình khử carboxyl giải phóng ít năng lượng, tỏa ra dưới dạng nhiệt và không có sự tham gia
của oxy thở vào.

-

Quá trình đốt cháy hydro để tạo thành nước trong cơ thể được tiến hành qua một chuỗi phản ứng :
+ Cặp hydro tách khỏi cơ chất cho hydro và được vận chuyển qua một hệ thống của chuỗi hô hấp tế
bào ở màng trong ty thể tới oxy thở vào.
+ Hydro và oxy được hoạt hóa thành ion H+ và O2-, kết hợp với nhau tạo H2O, giải phóng rất nhiều năng
lượng cho cơ thể.

CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
-

Là một hệ thống các enzym xúc tác sự vận chuyển H + và điện tử từ cơ chất đến phân tử oxy để tạo H2O.

-

Sơ đồ của chuỗi hô hấp tế bào:

SH2

+

NAD

FADH2
FP

DH

S

•
•
•
•

+

NADH,H

FAD

SH2 : Cơ chất cho hydro

Q
CoQ

QH2

2Cytb

3+

2Fe

DH : Dehydrogenase

FP: Flavoprotein CoQ : Coenzym Q
Q : Quinon
QH2 : Hydroquinon
Cyt : Cytocrom

2Fe2+

2Fe3+

2Cytc1

2Fe2+

2Fe2+

2Cytc

2Fe3+

2Fe3+

2Cyta

2Fe2+

2Fe2+

1/2O2

2Cyta3
2Fe3+

2H+

O2-

H2O


CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
-

Các yếu tố tham gia chuỗi hô hấp tế bào gồm :
+ Cơ chất cung cấp hydro : là các sản phẩm trung gian của chuyển hóa glucid, lipid, protid. Chu trình Krebs
chính là nơi cung cấp cơ chất cho hydro nhiều nhất.
+ Các dehydrogenase có coenzym là NAD+
+ Các flavoprotein có coenzym là FMN hoặc FAD.
+ Coenzym Q còn gọi là Ubiquinon, là một dẫn xuất của quinon, có tác dụng vận chuyển khá linh hoạt điện
tử giữa flavoprotein và hệ thống cytocrom.

OH

O
R1

R2

R1

R3

R3

+2H

R4

-2H

R2

R4

OH
+ Hệ thống cytocrom : O
 Bao gồm các enzym vận chuyển điện tử có nhóm ngoại gắn chặt vào apoenzym

 Bản chất gần giống hem, có nhân protoporphyrin gắn ion sắt và đồng có thể thay đổi hóa trị làm cho
hệ thống có khả năng vận chuyển điện tử.
 Cytocrom gồm có nhiều loại theo thứ tự thế năng oxy hóa khử từ thấp đến cao b, c 1, c, a, a3…
+ Oxy phân tử thở vào qua phổi


CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
-

Diễn tiến:

+ Hydro và cặp điện tử được vận chuyển trong chuỗi hô hấp tế bào qua nhiều enzym được sắp xếp nghiêm ngặt theo
thứ tự được qui định bởi thế năng oxy hóa khử từ thấp đến cao.
+ 2 giai đoạn:
 Giai đoạn vận chuyển 2H+ và 2 điện tử từ SH2 đến CoQ.
 Giai đoạn vận chuyển điện tử từ Cytb đến oxy tạo thành H2O.
+ Điện tử được vận chuyển trong chuỗi hô hấp tế bào qua các hệ thống oxy hóa khử từ NAD+/NADH đến O2/H2O,
thông qua 3 phức hợp protein lớn sau :
 Phức hợp I (Complex I) (NADH-CoQ oxydoreductase) : điện tử được vận chuyển từ NADH đến CoQ.
 Phức hợp III (Complex III) (CoQ-cytocrom c oxydoreductase) : chuyển điện tử đến cytocrom c
 Phức hợp IV (Complex IV) (Cytocrom oxydase) : hoàn thành chuỗi hô hấp, chuyển điện tử đến O2 và tạo thành
H2O.
 Một vài cơ chất có thế năng oxy hóa khử lớn hơn NAD+/NADH (ví dụ succinat) sẽ chuyển điện tử đến CoQ thông
qua phức hợp II (Complex II) succinat-CoQ reductase, có ít hơn phức hợp I.

 Bốn phức hợp trên gắn vào màng trong của ty thể, nhưng CoQ và cytocrom c thì lưu động. CoQ khuếch tán
nhanh chóng bên trong màng, trong khi đó cytocrom c là một protein hòa tan. Sự di chuyển điện tử qua các
phức hợp I, III và IV tạo nên sự bơm proton từ matrix xuyên qua màng trong ty thể đi vào khoảng trống nội
màng của ty thể.


KẾT QUẢ CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
-

Năng lượng được giải phóng dần qua từng hệ thống, phụ thuộc vào mức chênh lệch ∆E’o giữa hai hệ
thống kế tiếp nhau và được tích trữ lại nhờ sự phosphoryl hóa ADP thành ATP.

-

Nếu ∆E’o giữa hai hệ thống kế tiếp nhau ≥ 0,15 V thì năng lượng giải phóng ra đủ để tạo một liên kết
giàu năng lượng trong ATP nhờ sự phosphoryl hóa ADP (cần > 7,3 Kcal/mol cho sự phosphoryl hóa
ADP thành ATP).

-

Trong chuỗi hô hấp tế bào, ATP được tạo ra ở 3 vị trí sau:
+ Vị trí 1: giữa NAD – FAD
+ Vị trí 2: giữa Cytb – Cytc1
+ Vị trí 3: giữa Cyta3 – ½ O2

-

Năng lượng giải phóng do sự oxy hóa được tích trữ dưới dạng ATP nhờ phản ứng phosphoryl hóa 
gọi chung là quá trình phosphoryl-oxy hóa.

KẾT QUẢ CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
-

Chuỗi hô hấp tế bào mỗi lần vận chuyển 2H tích trữ được trung bình 3 ATP (oxy hóa hoàn
toàn NADH), tính theo tỷ số P/O.

-

Tỷ số phosphoryl oxy hoá (P/O) là số phân tử phosphat vô cơ được sử dụng để phosphoryl
hóa ADP thành ATP khi một nguyên tử oxy bị khử thành O2-, biểu thị mối liên quan giữa
quá trình phosphoryl hóa và sự oxy hóa-khử tế bào.
+ Tỷ số P/O đối với sự oxy hóa hoàn toàn NADH là 3.
+ Tỷ số P/O đối với sự oxy hóa succinat thành fumarat là 2.
+ Tỷ số P/O đối với sự oxy hóa ascorbat là 1.
+ Tỷ số P/O đối với sự oxy hóa α-cetoglutarat thành succinat là 4 (chu trình acid citric).


CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) –
CHU TRÌNH KREBS
-

Là giai đoạn thoái hoá thứ ba, cuối cùng, chung của glucod, lipid, protid.

-

Xảy ra trong ty thể các tế bào có nhân và trong bào dịch (cytosol) của tế bào không nhân
trong điều kiện hiếu khí.

-

Là nơi tạo ra nhiều nhất những cơ chất cung cấp hydro

-

Đặc điểm:
+ Một diacid có 4 cacbon (oxaloacetat acid: OAA) gắn với một mẩu 2 cacbon (acetyl CoA)
tạo ra một hợp chất 6 cacbon (acid citric).
+ Acid citric được oxy hoá liên tiếp giải phóng 2 cacbon dưới dạng 2 phân tử CO2, đồng
thời tái lập lại một phân tử OAA mới tiếp tục một chu trình mới.


CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) –
CHU TRÌNH KREBS


CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) –
CHU TRÌNH KREBS
-

Giai đoạn 1 : Oxy hoá những phân tử hydrocarbon thành acetyl CoA

+ Nguồn năng lượng chính là glucose và nó được chuyển thành pyruvat qua quá trình đường phân .
+ Pyruvat dehydrogenase oxy hoá pyruvat (sử dụng NAD + và bị khử thành NADH) để tạo thành acetyl
CoA và CO2.
+ Tiến trình phản ứng này bao gồm đồng thời sự oxy hoá và khử CO 2 cho nên được gọi là sự khử
carboxyl oxy hoá.
-

Giai đoạn 2: Chu trình acid citric

+ Ngưng tụ không thuận nghịch 1 phân tử acetyl CoA (2C) và một phân tử oxaloacetat (4C) với sự xúc
tác của citrat synthase tạo thành Citrat (6C)
+ Đồng phân hoá Citrat thành isocitrat (6C) được xúc tác bởi enzyme aconitase.
+ Oxy hóa isocitrat thành α-cetoglutarat (5C) và CO2 bởi isocitrat dehydrogenase (coenzym là NAD+ 
NADH)
+ α-cetoglutarat bị oxy hóa thành succinyl CoA (4C) và CO 2 bởi phức hợp α-cetoglutarat dehydrogenase
(coenzym là NAD+  NADH)


CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) –
CHU TRÌNH KREBS

+ Succinyl CoA được chuyển thành succinat (4C) bởi succinyl CoA synthetase. Phản ứng sử dụng năng
lượng giải phóng ra từ sự cắt đứt liên kết giữa succinyl và CoA để tổng hợp GTP. Nhóm phosphat của
GTP chuyển đến ADP tạo thành ATP
 Là giai đoạn duy nhất của chu trình acid citric trực tiếp tạo ra ATP không cần qua chuỗi hô hấp tế
bào.
+ Succinat bị oxy hóa thành fumarat (4C) bởi succinat dehydrogenase (coenzym là FAD  FADH2)
+ Fumarat được chuyển thành malat (4C) bởi fumarase cần sự tham gia của một phân tử nước.
+ Malat bị oxy hóa thành oxaloacetat (4C) bởi malat dehydrogenase (coenzym là NAD+  NADH)

-

Giai đoạn 3 : Oxy hóa NADH và FADH2 sinh ra bởi chu trình acid citric
+ NADH và FADH2 sinh ra bởi chu trình acid citric được tái oxy hóa và năng lượng giải phóng ra sẽ
được sử dụng để tổng hợp ATP bởi sự phosphoryl oxy hóa.


CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) –
CHU TRÌNH KREBS

-

Tổng kết quá trinh:

+ Mỗi một phân tử của 3 phân tử NADH sinh ra bởi chu trình sẽ cung cấp 3 ATP và một phân tử FADH 2 cung
cấp 2ATP bởi sự phosphoryl oxy hóa.
+ Một phân tử GTP (hay ATP) được tổng hợp trực tiếp trong quá trình chuyển succinyl CoA thành succinat.

 Sự oxy hóa một phân tử acetyl CoA bởi chu trình acid citric cung cấp 12 ATP.
+ 2 carbon của acetyl CoA vào chu trình Krebs không được chuyển thành CO 2 ở vòng đầu tiên. Trong mỗi
một vòng của chu trình, carbon chuyển thành CO2 là thuộc về hai gốc carboxyl của acid oxaloacetic của phản
ứng đầu tiên của vòng chu trình đó.

 Tron phân tử oxaloacetat được tái tạo, có 2 cacbon mới được thay thế lấy từ gốc acetyl trong giai đoạn 1
 Không có sự đốt cháy đúng acetyl CoA mà là thay thế 2 cacbon của actyl vào hai nhóm cacboxyl bị khử từ
oxaloacetat.


CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) –
CHU TRÌNH KREBS


CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) –
CHU TRÌNH KREBS
-

Ý nghĩa:

+ Là giai đoạn thoái hóa cuối cùng của glucid, lipid, protid
+ Là nguồn cung cấp năng lượng dưới dạng ATP cho các nhu cầu năng lượng của cơ thể

+ Các sản phẩm trung gian của chu trình cung cấp các tiền chất cho nhiều con đường sinh tổng hợp.
Ví dụ:
 Tổng hợp acid béo từ citrat.
 Tổng hợp acid amin nhờ phản ứng chuyển amin cho α-cetoglutarat.
 Tổng hợp nucleotid có nhân purin và pyrimidin từ α-cetoglutarat và oxaloacetat.
 Oxaloacetat có thể chuyển thành glucose trong quá trình tân tạo glucose.
 Succinyl CoA là sản phẩm trung gian trung tâm trong quá trình sinh tổng hợp nhân porphyrin của
các hem.