Tài liệu Chuyển hóa năng lượng doc

CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG
CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG
CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG
CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG
Dàn bài:
Dàn bài:
1.
1.
Đại cương
Đại cương
2.
2.
Phản ứng oxi hoá khử sinh học
Phản ứng oxi hoá khử sinh học
3.
3.
Phosphoryl hoá và khử phosphoryl
Phosphoryl hoá và khử phosphoryl
4.
4.
Chuỗi hô hấp tế bào
Chuỗi hô hấp tế bào
5.
5.
Chu trình acid citric
Chu trình acid citric
ĐẠI CƯƠNG VỀ CHNL
ĐẠI CƯƠNG VỀ CHNL

Năng lượng tự do
Năng lượng tự do


Mối liên quan giữa biến thiên năng
Mối liên quan giữa biến thiên năng
lượng tự do và hằng số cân bằng phản
lượng tự do và hằng số cân bằng phản
ứng
ứng
NĂNG LƯỢNG TỰ DO
NĂNG LƯỢNG TỰ DO

Enthalpy (H): nội năng, năng lượng toàn
Enthalpy (H): nội năng, năng lượng toàn
phần
phần

Năng lượng tự do (G): năng lượng có khả
Năng lượng tự do (G): năng lượng có khả
năng biến thành công có ích
năng biến thành công có ích


G<H
G<H

Entropy (S): trạng thái nội tại của phân tử
Entropy (S): trạng thái nội tại của phân tử
–
Tăng khi độ vô trật tự tăng (hệ kín)
Tăng khi độ vô trật tự tăng (hệ kín)
–

Trong điều kiện tự nhiên entropy chỉ có thể tăng
Trong điều kiện tự nhiên entropy chỉ có thể tăng
(VD: nhúng dung dịch NaCl trong túi bán thấm
(VD: nhúng dung dịch NaCl trong túi bán thấm
vào cốc nước
vào cốc nước


phân tử muối chạy ra khỏi túi)
phân tử muối chạy ra khỏi túi)
NĂNG LƯỢNG TỰ DO
NĂNG LƯỢNG TỰ DO

G = H – TS
G = H – TS
•
H tăng
H tăng


G tăng; S tăng
G tăng; S tăng


G giảm
G giảm
•
H – G = TS: thay đổi theo nhiệt độ, phụ thuộc S
H – G = TS: thay đổi theo nhiệt độ, phụ thuộc S


∆
∆
G =
G =
∆
∆
H – T
H – T
∆
∆
S
S
∀
∆
∆
G: biến thiên NLTD (Kcal)
G: biến thiên NLTD (Kcal)
∀
∆
∆
H: biến thiên enthalpy (Kcal)
H: biến thiên enthalpy (Kcal)
•
T: nhiệt độ tuyệt đối
T: nhiệt độ tuyệt đối
∀
∆
∆
S: biến thiên entropy (Kcal.độ
S: biến thiên entropy (Kcal.độ

-1
-1
)
)
BIẾN THIÊN NLTD
BIẾN THIÊN NLTD
Phản ứng A
Phản ứng A


B
B
∆
∆
G=G
G=G
B
B
- G
- G
A
A

∆
∆
G < 0
G < 0
•
phản ứng phát năng
phản ứng phát năng

•
có thể xảy ra tự phát (S tăng, G giảm)
có thể xảy ra tự phát (S tăng, G giảm)
•
đôi khi cần năng lượng hoạt hoá để xảy ra phản ứng
đôi khi cần năng lượng hoạt hoá để xảy ra phản ứng

∆
∆
G > 0
G > 0
•
phản ứng thu năng
phản ứng thu năng
•
không thể xảy ra tự phát
không thể xảy ra tự phát

∆
∆
G = 0
G = 0
•
phản ứng không thu năng cũng không phát năng
phản ứng không thu năng cũng không phát năng
BIẾN THIÊN NLTD
BIẾN THIÊN NLTD
∆
∆
G =

G =
∆
∆
G
G
o
o
+ RTln[B]/[A]
+ RTln[B]/[A]

∆
∆
G
G
o
o
: biến thiên năng lượng tự do chuẩn:
: biến thiên năng lượng tự do chuẩn:
25
25
o
o
C, pH = 0, [A]=[B]=1 mol
C, pH = 0, [A]=[B]=1 mol
∆
∆
G phụ thuộc bản chất , điều kiện, tỉ lệ
G phụ thuộc bản chất , điều kiện, tỉ lệ
nồng độ các chất tham gia, sản phẩm
nồng độ các chất tham gia, sản phẩm

phản ứng; không phụ thuộc con đường
phản ứng; không phụ thuộc con đường
chuyển hoá
chuyển hoá
Biến thiên NLTD chuẩn ở điều kiện sinh
Biến thiên NLTD chuẩn ở điều kiện sinh
học
học
∆
∆
G
G
o
o
’:
’:
pH=7
pH=7
, 25
, 25
o
o
C
C
∆
∆
G’ =
G’ =
∆
∆

G
G
o
o
’ + RTln[B]/[A]
’ + RTln[B]/[A]
BIẾN THIÊN NLTD & K
BIẾN THIÊN NLTD & K
∆
∆
G’ =
G’ =
∆
∆
G
G
o
o
’ + RTln[B]/[A]
’ + RTln[B]/[A]
Phản ứng đạt trạng thái cân bằng:
Phản ứng đạt trạng thái cân bằng:
∆
∆
G’=0
G’=0



∆
∆
G
G
o
o
’ = –RTlnK’
’ = –RTlnK’

K’: hằng số cân bằng phản ứng trong điều
K’: hằng số cân bằng phản ứng trong điều
kiện sinh học (pH=7)
kiện sinh học (pH=7)

R: hằng số khí lí tưởng, 1,98.10
R: hằng số khí lí tưởng, 1,98.10
-3
-3


Kcal/mol.độ
Kcal/mol.độ

T: nhiệt độ tuyệt đối, 298
T: nhiệt độ tuyệt đối, 298
o
o
K (25
K (25
o

o
C)
C)

∆
∆
G
G
o
o
’: Kcal/mol
’: Kcal/mol




K’=10
K’=10
-
-
∆
∆
Go’/1,36
Go’/1,36
BIẾN THIÊN NLTD & K
BIẾN THIÊN NLTD & K
K’=10
K’=10
-
-

∆
∆
Go’/1,36
Go’/1,36
-
K’=1:
K’=1:
∆
∆
G
G
o
o
’=0: không xảy ra trong điều kiện sinh học
’=0: không xảy ra trong điều kiện sinh học
-
K’>1:
K’>1:
∆
∆
G
G
o
o
’<0: phản ứng phát năng
’<0: phản ứng phát năng
Phản ứng oxi hoá glucose:
Phản ứng oxi hoá glucose:
C
C

6
6
H
H
12
12
O
O
6
6
+ 6O
+ 6O
2
2
= 6CO
= 6CO
2
2
+ 6H
+ 6H
2
2
O
O
∆
∆
G
G
o
o

’=-686 Kcal/mol
’=-686 Kcal/mol
Thực tế để glucose ngoài khí trời hàng năm trời mà
Thực tế để glucose ngoài khí trời hàng năm trời mà
vẫn không có hiện tượng gì xảy ra
vẫn không có hiện tượng gì xảy ra




∆
∆
G,
G,
∆
∆
G’ không
G’ không
cho ý niệm về vận tốc phản ứng, mà chỉ cho biết
cho ý niệm về vận tốc phản ứng, mà chỉ cho biết
chiều phản ứng nếu xảy ra.
chiều phản ứng nếu xảy ra.
OXI HOÁ – KHỬ SINH HỌC
OXI HOÁ – KHỬ SINH HỌC
PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ
PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ
Chất
Chất
-e
-e

-
-
khử
khử
+e
+e
-
-
oxy hóa
oxy hóa
Phản ứng
Phản ứng
-e
-e
-
-
oxy hóa
oxy hóa
+e
+e
-
-
khử
khử
. Cặp, hệ thống oxy hóa khử (oxh/kh)
. Cặp, hệ thống oxy hóa khử (oxh/kh)
TD: Fe
TD: Fe
+3
+3

/Fe
/Fe
+2
+2
, H
, H
+
+
/H, O/O
/H, O/O
-2
-2
, R-COOH/R-CHO v.v…
, R-COOH/R-CHO v.v…


(ferri-/ferro-)
(ferri-/ferro-)
THẾ NĂNG OXI HOÁ – KHỬ
THẾ NĂNG OXI HOÁ – KHỬ
Phương trình Nernst:
Phương trình Nernst:
][
][
0
ln
kh
oxh
nF
RT

EE +=
n: số điện tử được vận chuyển
n: số điện tử được vận chuyển
F: hằng số Faraday = 23 Kcal/V.mol
F: hằng số Faraday = 23 Kcal/V.mol
Trong điều kiện sinh học (pH=7, 25
Trong điều kiện sinh học (pH=7, 25
o
o
C):
C):
][
][
0
log06,0''
kh
oxh
EE +=
E
E
o
o
là E khi:
là E khi:
][][ khoxh =
Cặp oxh-kh
Cặp oxh-kh
E
E
0

0
’ (volt)
’ (volt)
2H
2H
+
+
/H
/H
2
2
FAD/FADH
FAD/FADH
NAD
NAD
+
+
/NADH,H
/NADH,H
+
+
FAD/FADH
FAD/FADH
2
2
Fumarat/succinat
Fumarat/succinat
Cytb Fe
Cytb Fe
+3

+3
/Cytb Fe
/Cytb Fe
+2
+2
Cytc Fe
Cytc Fe
+3
+3
/Cytc Fe
/Cytc Fe
+2
+2
½ O
½ O
2
2
/O
/O
-2
-2
-0.42
-0.42
-0.36
-0.36
-0.32
-0.32
-0.12
-0.12
+0.03

+0.03
+0.08
+0.08
+0.22
+0.22
+0.82
+0.82
Nếu vì lý do nào đó BH
Nếu vì lý do nào đó BH
2
2
bị tồn đọng thì phản ứng có thể đạt trạng
bị tồn đọng thì phản ứng có thể đạt trạng
thái cân bằng hoặc thậm chí theo chiều nghịch.
thái cân bằng hoặc thậm chí theo chiều nghịch.
Xét 2 hệ thống oxh-kh:
Xét 2 hệ thống oxh-kh:
A/AH
A/AH
2
2
và B/BH
và B/BH
2
2
Nếu E
Nếu E
A
A
< E

< E
B
B
thì:
thì:
e
e
-
-
sẽ di chuyển từ hệ thống A qua B (từ chất khử AH
sẽ di chuyển từ hệ thống A qua B (từ chất khử AH
2
2
qua chất oxy
qua chất oxy
hóa B):
hóa B):
AH
AH
2
2
+ B
+ B
→
→
BH
BH
2
2
+ A

+ A
Chiều vận chuyển của điện tử e
Chiều vận chuyển của điện tử e
-
-
Điện tử di chuyển:
-
Từ chất khử sang chất oxi hoá (trong cùng hệ thống oxh-kh)
-
Hệ thống có thế năng oxi hoá khử thấp sang hệ thống có thế
năng oxi hoá – khử cao (giữa 2 hệ thống oxh-kh)
TD: xét 2 hệ thống:
TD: xét 2 hệ thống:
NAD
NAD
+
+
/NADH,H
/NADH,H
+
+


và
và
FAD/FADH
FAD/FADH
2
2
E

E
0
0
(A) = -0.32V
(A) = -0.32V
;
;
E
E
0
0
(B) = -0.06V
(B) = -0.06V
Vậy trong điều kiện chuẩn (và thực tế trong điều kiện
Vậy trong điều kiện chuẩn (và thực tế trong điều kiện
sinh lý của tế bào) e- đi từ NADH,H
sinh lý của tế bào) e- đi từ NADH,H
+
+
qua FAD.
qua FAD.
NADH,H
NADH,H
+
+


FADH
FADH
2

2


NAD
NAD
+
+
FAD
FAD
2e
2e
-
-
FADH
FADH
2
2


FAD
FAD


NAD
NAD
+
+
NADH,H
NADH,H
+

+
2e
2e
-
-
Hoặc
Hoặc
Liên hệ giữa ∆G
Liên hệ giữa ∆G
0
0
’ và ∆E
’ và ∆E
0
0
’
’


Trong ph
Trong ph
ản ứng oxh-kh, e
ản ứng oxh-kh, e
-
-
vận chuyển với
vận chuyển với
∆E > 0 do
∆E > 0 do
đó

đó
∆G < 0, nên phản ứng luôn luôn kèm sự phát năng.
∆G < 0, nên phản ứng luôn luôn kèm sự phát năng.


Năng lượng đó một phần sẽ được sử dụng ngay (tạo
Năng lượng đó một phần sẽ được sử dụng ngay (tạo
thân nhiệt, công cơ học, tổng hợp chất…), phần còn
thân nhiệt, công cơ học, tổng hợp chất…), phần còn
lại được tích trữ lại trong các liên kết giàu năng lượng
lại được tích trữ lại trong các liên kết giàu năng lượng
(~) nhờ các phản ứng phosphoryl hóa.
(~) nhờ các phản ứng phosphoryl hóa.
'
0
'
0
EnFG ∆−=∆
OXIDOREDUCTASE
OXIDOREDUCTASE

Oxidase
Oxidase

Dehydrogenase
Dehydrogenase

Hydroperoxidase
Hydroperoxidase


Oxygenase
Oxygenase
OXIDASE
OXIDASE
Dùng oxi để gắn hidro, từ đó tách hidro
Dùng oxi để gắn hidro, từ đó tách hidro
ra khỏi cơ chất. Tạo sản phẩm là H
ra khỏi cơ chất. Tạo sản phẩm là H
2
2
0
0
hoặc H
hoặc H
2
2
O
O
2
2
.
.

Oxidase chứa đồng: cytochrome
Oxidase chứa đồng: cytochrome
oxidase
oxidase

Oxidase chứa flavoprotein (FMN,
Oxidase chứa flavoprotein (FMN,

FAD): L-amino acid oxidase, xanthine
FAD): L-amino acid oxidase, xanthine
oxidase, glucose oxidase (nấm)
oxidase, glucose oxidase (nấm)
DEHYDROGENASE
DEHYDROGENASE

Chuyển H từ cơ chất này sang cơ chất
Chuyển H từ cơ chất này sang cơ chất
khác trong cặp phản ứng oxi hoá khử.
khác trong cặp phản ứng oxi hoá khử.
Không cần oxi (ví dụ: pha yếm khí của
Không cần oxi (ví dụ: pha yếm khí của
đường phân).
đường phân).

Thành phần của chuỗi hô hấp tế bào:
Thành phần của chuỗi hô hấp tế bào:
các cytochrome (trừ cytochrome
các cytochrome (trừ cytochrome
oxidase) cũng được xem là
oxidase) cũng được xem là
dehydrogenase.
dehydrogenase.
DEHYDROGENASE:
DEHYDROGENASE:
Coenzyme
Coenzyme

Nicotinamide:

Nicotinamide:
–
NAD: các con đường chuyển hoá oxi hoá:
NAD: các con đường chuyển hoá oxi hoá:
đường phân, chu trình acid citric, chuỗi
đường phân, chu trình acid citric, chuỗi
hô hấp ti thể.
hô hấp ti thể.
–
NADP: các quá trình tổng hợp khử: tổng
NADP: các quá trình tổng hợp khử: tổng
hợp steroid và acid béo ngoài ti thể.
hợp steroid và acid béo ngoài ti thể.

Riboflavin: vận chuyển electron trong
Riboflavin: vận chuyển electron trong
hoặc đến chuỗi hô hấp tế bào
hoặc đến chuỗi hô hấp tế bào
HYDROPEROXIDASE
HYDROPEROXIDASE

Bảo vệ cơ thể khỏi peroxide có hại
Bảo vệ cơ thể khỏi peroxide có hại

2 loại
2 loại
–
Peroxidase: khử hydrogen peroxide dùng
Peroxidase: khử hydrogen peroxide dùng
nhiều chất nhận điện tử khác nhau

nhiều chất nhận điện tử khác nhau
(ascorbate, quinone, cytochrome c)
(ascorbate, quinone, cytochrome c)
–
Catalase: dùng hydrogen peroxide làm
Catalase: dùng hydrogen peroxide làm
chất nhận và cho điện tử (một chất nhận,
chất nhận và cho điện tử (một chất nhận,
một chất cho). Có vai trò phá huỷ H
một chất cho). Có vai trò phá huỷ H
2
2
O
O
2
2


tạo thành từ phản ứng của oxidase.
tạo thành từ phản ứng của oxidase.

OXIGENASE
OXIGENASE

Thường tham gia phản ứng tổng hợp hay
Thường tham gia phản ứng tổng hợp hay
thoái hoá các chất hơn là tham gia cung cấp
thoái hoá các chất hơn là tham gia cung cấp
năng lượng cho tế bào.
năng lượng cho tế bào.


Xúc tác gắn oxi vào cơ chất.
Xúc tác gắn oxi vào cơ chất.

2 nhóm
2 nhóm
–
Dioxygenase (oxygenase thực, oxygen transferase):
Dioxygenase (oxygenase thực, oxygen transferase):
gắn 2 nguyên tử oxi vào cơ chất.
gắn 2 nguyên tử oxi vào cơ chất.
–
Monooxigenase (oxidase chức năng hỗn hợp,
Monooxigenase (oxidase chức năng hỗn hợp,
hydroxylase): chỉ gắn 1 nguyên tử oxi vào cơ chất
hydroxylase): chỉ gắn 1 nguyên tử oxi vào cơ chất
(tạo nhóm –OH), nguyên tử O kia tạo nước, và cần
(tạo nhóm –OH), nguyên tử O kia tạo nước, và cần
một chất cho điện tử.
một chất cho điện tử.

Hệ thống cytochrome P-450 monooxidase vi thể: hydroxyl
Hệ thống cytochrome P-450 monooxidase vi thể: hydroxyl
hoá nhiều loại thuốc.
hoá nhiều loại thuốc.

Hệ thống cytochrome P-450 monooxidase ti thể: hydroxyl
Hệ thống cytochrome P-450 monooxidase ti thể: hydroxyl
hoá các steroid.
hoá các steroid.

SUPEROXIDE DISMUTASE
SUPEROXIDE DISMUTASE
O
2
–
O
2
–
2H
+
H
2
O
2
O
2
+
+ +
Superoxide
dimutase
-
Trong phản ứng này, superoxide vừa là chất khử,
vừa là chất oxi hoá.
-
Superoxide dismutase (SOD) bảo vệ cơ thể sinh vật
ái khí chống lại tác hại của superoxide.
-
SOD có ở các khoang khác nhau trong tế bào: trong
bào tương chứa Cu
2+

hoặc Zn
2+
; trong ti thể chứa Mn
2+

 giống trong vi khuẩn  hỗ trợ giả thuyết ti thể là
prokaryote cộng sinh với protoeukaryote.
PHOSPHORYL HOÁ
PHOSPHORYL HOÁ
KHỬ PHOSPHORYL HOÁ
KHỬ PHOSPHORYL HOÁ