Bài giảng Chuyển hóa năng lượng - Trần Thị Thu Thảo

CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNGThs. Bs. Trần Thị Thu ThảoBộ môn Sinh hóaMỤC TIÊUKhái niệm về phản ứng oxy hoá khử, sự phosphoryl hoá và sự khử phosphorylBản chất và quá trình chuyển biến của sự hô hấp tế bàoChu trình Krebs. Khái niệm về chuyển hóa các chất - Từ khi thức ăn đưa vào cơ thể, đến khi chất cặn bả được đào thải ra ngoài - Xảy ra qua nhiều khâu, qua nhiều chất trung gian, những chất trung gian gọi là sản phẩm chuyển hóa. - Thực chất : gồm những dãy liên tiếp của các quá trình thoái hóa (dị hóa) và tổng hợp (đồng hóa). Đồng hóa Là quá trình biến đại phân tử hữu cơ có tính đặc hiệu theo nguồn gốc thức ăn thành các đại phân tử đặc hiệu của cơ thể : glucid, lipid, protid, acid nucleic + Xảy ra qua 3 bước : . Tiêu hóa . Hấp thụ . Tổng hợp Dị hóa Là phân giải các đại phân tử sử dụng của tế bào mô thành các sản phẩm đào thải  Hai quá trình này ngược chiều nhau, nhưng luôn thống nhất và đi đôi trong cơ thể.Năng lượng tự do và công - Các dạng công + Công thẩm thấu: Giúp cho sự vận chuyển tích cực qua màng chống lại Gradient nồng độ . + Công hóa học : giúp cho sự co duỗi các bào quan, tế bào ... + Các dạng công ít gặp : công điện học, quang họcQuá trình trao đổi oxy hóa khử là quá trình trao đổi điện tử. Sự oxy hóa là sự tách một hay nhiều điện tử, ngược lại, sự khử oxy là sự thu điện tử. -2e + Cl2 2Fe+3+ 2Cl-Song song với sự oxy hóa có sự khử oxy vì điện tử được chuyển từ chất bị oxy hóa sang chất bị khử. 2Fe+2PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬĐịnh nghĩa: Thế năng oxy hóa khử, phương trình Nernst: E = E RT ln Cox o + nFCkhE = thế năng oxy hóa khử E0 = thế năng oxy hóa khử chuẩn R = hằng số khí T = nhiệt độ tuyệt đốiF = trị số Faraday (96.500 Coulomb) n = số điện tử di chuyển Cox= nồng độ dạng oxy hóa/dung dịch Ckh= nồng độ dạng khử trong dung dịch Hiệu thế E phụ thuộc vào tỷ lệ giữa nồng độ dạng oxy hóa và dạng khử. Nếu Cox = Ckh thì E = Eo. Vì vậy, muốn xác định E0 ta cho:  [Fe2+] = [Fe3+] = 1 mol Nguồn gốc năng lượng Dựa vào thế năng oxy hóa khử của một hệ thống, có thể xác định vị trí của hệ thống này trong dây chuyền phản ứng oxy hóa khử. Thí dụ: ta có hai hệ thống oxy hóa khử: AkhAox+ eBkhBox+ eThế năng oxy hóa khử chuẩn của hai hệ thống này là EoA và EoB. Nếu EoA 0 (thu Q)TD: Phosphoryl hóa: chất hữu cơ tác dụng với Pvc hoặc hữu cơ để tạo hợp chất phosphat.- Phản ứng thuộc loại thu năng lượng (để tích trữ năng lượng)Do enzym xúc tác với cơ chất là Pvc hay Phosphat hữu cơ Phản ứng ngược lại: phản ứng khử phosphoryl R-P + H2O  R-H + H3PO4 PhosphataseATPGG - 6PADPHexokinaseGlucokinaseLiên kết giàu năng lượnglG0’l > 7 Kcal/mol hoặc lG0l > 5Kcal/molBiết rằng:G0’ = -nF E0’, ta có: E0’ = 7Kcal/2.23,06 = 0,152VVậy, ở giai đoạn nào E0’ > 0,152V thì ở đó sẽ đủ năng lượng tạo ra 1 phân tử ATP từ ADP.* Nếu tính E0’ khi e- vận chuyển từ NADH,H+ tới O2, ta có: E0’ = + 0,81- (- 0,32) = + 1,13voltlG0’l = nFE0’ = 2 x 23,06 x 1,13 = 52 Kcal Tuy nhiên năng lượng này không tích trữ trong một lần một 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.TD:NAD  FAD  C0Q  Cytb  Cytc  Cyt(a+a3)  O    ATP ATP ATPCÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNGLoại liên kết1.PyrophosphatPhosphoanhydricP – O ~ PChấtNTPATP,GTP,UTP,CTPNDPADP,GDP,CDP,VDP2. Acyl phosphatR – C ~ P ll Oa. 1,3-diphosphoglycericAminoacyl-AMPR – C – CO ~ AMP l NH23. Enol phosphat R - C - O ~ P ll CH lPEP (phosphoenolpyruvat)COOHlC - O ~ PllCH24. Amidin R – C – NH ~ P ll NHArginin~PCréatin~P(phosphagène) NH ~ P lHN = C l N - CH2 - COOH l CH35. ThioesterR - C ~ SC0A ll O COOHlCH2lCH2lC ~ SCoAllOSuccinyl CoAP*Vai trò của phosphoryl hóa và khử phosphoryl1. Tích trữ năng lượngADP + Pvc  ATP  Q (từ quang hợp hoặc các phản ứng oxhkh)Ở mô: Creatin  Creatin ~ P ATP ADP2. Hoạt hoá các chất ATP G  G - 6P ~ ADP  CO2, H2O, Q, chất khácAB  Acyl ~ AMP  AcylCoA  lipid, CO2, H2O ATP HSCoA  AA  Acyl ~ AMP  AA-ARNt  protein ATP3. Vận chuyển năng lượngATP + H2O  ADP + Pvc Q (t0, công dùng trực tiếp cho hoạt động cơ thể)Go 0Thu QSTH đpt Hoạt hóa hấp thu tích cực luồng thần kinh điện năngATPADPQQ*Vai trò của phosphoryl hóa và khử phosphoryl4. Hoạt hoá enzymeGlycogen phosphorylase b(không hoạt động)Glycogen phosphorylase a(hoạt động)4 ATP4 ADP5. Ức chế enzymeGlycogen synthase I(hoạt động)Glycogen synthase D(không hoạt động)ATPADPphosphatasekinase4. CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO4.1 Bản chất của sự hô hấp tế bào- ”đốt cháy” các chất hữu cơ trong cơ thể.- Sự oxh-kh xảy ra trong tế bào.- Oxy hóa sinh học.*Đặc điểm:-Sản phẩm cuối cùng và Q tỏa ra:C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 686 kcal- điều kiện: t0 = 370C, P = 1atm- cách xảy ra:+ Oxy không trực tiếp tác dụng với C,H để tạo ra CO2 và H2O+ Năng lượng được giải phóng dần, từ từ, theo từng giai đoạn.CO2 được tạo thành từ phản ứng khử nhóm carboxyl (-COOH) từ các acid trung gian được tạo thànhR - COOH  R-H + CO2 DecarboxylaseSự tạo thành H2O (sản phẩm của CHHTB)Xảy ra ở màng trong của ty thểTổng quát SH2  S (Substrat)  2H  2H+  2e-  H2O ½ O2  O-22H -2e-  2H+  H2O½ O2 +2e-  O-24.2 Chuỗi hô hấp tế bàoCác yếu tố tham gia- SH2 (cơ chất có chứa nguyên tố Hydro)- DH có NAD+- FP (FMN, FAD)- CoQ (Ubiquinon)OOR2R3R4R1OHOHR2R3R4R12HR1,2: - O - CH3R3 : - CH3R4 : (- CH2 – CH = C - CH2)n - H l CH3Isopren dài tuỳ loài, ở động vật có vú n = 10 nên có tên gọi là CoQ10(Q10)- Các cytocrom (vận chuyển e-) là những protoporphyrin có chứa Fe+2/Fe+3 (Cyt b,c,a) hoặc Cu+1/Cu+2 (a3) Cyt (a+a3) = Cyt oxydaseChuỗi hô hấp tế bàoSơ đồ CHHTBSH2 S E0’=?NAD+ NADH,H+ 1ATP ( E0’>0.15 Volt)FADH2 FAD ( E0’>> phá ghép  tăng tạo nhiệt* Sự giải phóng AB chịu ảnh hưởng điều hòa của Nor-adrenalin, vậy sự phá ghép chịu sự điều hòa của Nor-adrenalin. Pyruvat Succinat AcylCoALCG Malonat (FP) FP2 FP3 Isocitrat Malat NAD FP1 CoQGlutamat ADP+P ATP Amytal RotenonOH acylCoA CO, H2S Antimycine CN- Cytb Cytc Cyta+a3 1/2O2 ADP+P ATP ADP+P ATPSản phẩm của CHHTB1) H20: do 2H+ + 1O-2  H2O 1 nguyên tử oxy nhận 2e-2) H2O2: do 2 loại enzym:a) Aminoxydase Flavin H2 O2 FMN Flavin H2O2Cơ chế: một phân tử oxy nhận 2e-2O + 2e-  2O-1 H2O22H - 2e-  2H+ H2 + O2  H2O2b) Superoxyd-dismutase(trong chuyển hóa Acid nucleic-xanthin oxydase-khử H từ xanthin)Hai phân tử oxy (O2) nhận 2e-2H - 2e-  2H+O2 + 1e-  O20-2O2 + 2e-  2O20- 2H+ + 2O20-  H2O2 + O2Trong phản ứng trên: 2O20- vừa là chất khử vừa là chất oxh.Chất khử: O20- - e-  O20Chất oxy hóa: O20- + e-  O20--Tóm lại: Thực chất chuỗi hô hấp tế bào là quá trình oxy hóa khử xảy ra trong điều kiện sinh học, Q được giải phóng từ từ và được tích trữ trong các liên kết giàu năng lượng của ATP nhờ phản ứng phosphoryl hóa ADP.Một số hệ thống oxh-khử đặc biệta) Glutathion Tripeptid (Glu-Cys-Gly)G-SH 2H G - SH G - S l G - SH G - S bảo vệ 1 số enzym (chứa nhóm –SH, như CoA)) khỏi tác động oxh.b) Vit C (a.L.Ascorbic) CH2OH lH - C – OH l C – H l0 C – OH l C – OH l C = O CH2OH lH - C - OH l C – H l0 C = O l C = O l C = O Dạng khử Dạng oxh - 2H + 2H Dạng khử Dạng oxhKẾT LUẬN Thực chất, chuỗi hô hấp tế bào là quá trình oxy hóa khử xảy ra trong điều kiện sinh học, năng lượng (Q) được giải phóng từ từ và được tích trữ trong các liên kết giàu năng lượng (~) nhờ phản ứng phosphoryl hóa (thu năng lượng) ADP thành ATP.5. Chu trình Krebs5.1 Đại cương - CT Tricarboxylic - CT Citric- Quá trình “đốt cháy” oxh mạch 2C (Act~SCoA) giải phóng 2pt CO2, 4 cặp nguyên tử H (tạo thành H2O) và năng lượng.C2H2OC6CO2C5CO2C4C4ATPH2OC42H2H2H2HC6122345678Phân tích các giai đoạnGđ1: C2 + C4  C6ActCoA + O.A + H2O Citrat HSCoA4COOH l3C = O l2CH2 l1COOH SCoA 6C=O l5CH3HSCoAH2O 5C - 6COOH lHO - 3C - 4COOH l 2C - 1COOH CitratsynthaseAcid citric+Gđ 2: Đồng phân hóa acid citric, tạo phân tử bất đối xứng a. isocitric. 2C - 1COOH lHO - 3C -4COOH l 5C- 6COOH 2C - 1COOH ll 3C -4COOH l 5C- 6COOHH2O HO - 2C - 1COOH l 3C -4COOH l 5C- 6COOHH2OCis-aconitataconitaseIsocitratCitrat* Đều là acid tricarboxylicGđ 3: Khử CO2-oxh Isocitrat  CG HHO - 2C - 1COOH l 3C -4COOH l 5C- 6COOH O = 2C - 1COOH ll 3C -4COOH l 5C- 6COOHOxalo succinatNADH,H+3’32 1COOH l 2C = O l 3C l 5C l 6COOH CO2(4) Isocitrat DHNAD+-cetoglutaratGđ 4: Khử CO2-oxh CG  succinyl CoA O = 2C ~ SCoA l 3C l 5C l 6COOH 1COOH l 2C = O l 3C l 5C l 6COOH TPP (thiamin pyrophosphat)Acid lipoicHSCoAFADNAD+ CO2Phức hợp enzym CG DH.deCO2-lase (TPP-(B1))DHoxydase a.lipoicHSCoAFADNAD+ CHO + CO2 l CH2 l CH2 l COOH CO-COOH l CH2 l CH2 l COOHTPPHS S l CO l CH2 l CH2 l COOH CoA l S l CO l CH2 l CH2 l COOHTPPHSCoAS SHS SH2FADH2FADNAD+NADH,H+NH2NCH3CH2-+NNCH3 CH2 - CH2 - CH2 – O - P ~ Pl lC = C lC - S lHR1-+N CH3 R2 l l C = C l C - S lCH3-C-COOH l OHCH3-C-COOH ll OR1-+N CH3 R2 l l C = C l C - S lCH3-CH l OHTPPCO2 HS-CH2 l CH2 l HS -CH l (CH2)4 l COOH CoenzymA-S-C-CH3 ll O CoenzymA-SH CH3 - C – S - CH2 ll l O CH2 l HS -CH l (CH2)4 l COOH S - CH2 l CH2 l S - CH l (CH2)4 l COOHNADHH+ NAD+ 2FAD 2FADH R1R2Gđ 5Giải phóng HSCoA tích trữ năng lượng trực tiếp vào GTP O= C~SCoA l CH2 l CH2 l COOH O = C- OH l CH2 l CH2 l COOHPvcGTPGDPATPADPsuccinylCoA thiokinaseGđ 6: Oxh succinat tạo Fumarat COOH l CH2 l CH2 l COOH COOH l CH ll CH l COOHFADFADH2Sucinat DHGđ 7: COOH l CH ll CH l COOH COOH l HCOH l CH2 l COOHFumaraseMalatH2OGđ 8: Oxh Malat tạo OAActCoA + 3NAD+ + 1FAD + 2H2O + Pvc  2CO2 + HSCoA + 3,4,8 6 1,7 5 3,4 5 1GTP + 3NADHH+ + 1FADH2 5 3,4,8 6 COOH l HCOH l CH2 l COOH COOH l C = O l CH2 l COOHNAD+NADH,H+Phản ứng tổng quátO.Agđ 1ActCoANăng lượng tích trữ được.3NADHH+  9ATP1FADH2  2ATP1GTP  1ATP12 ATPMalat dehydrogenaseGốc acetyl trong gđ1 đi vào phân tử OA mới được tạoCO2 từ 2 nhóm carboxyl của OA ở gđ 3 và 42. Năng lượng giải phóng của chu trình Krebs  Kết quả của sự oxy hóa hoàn toàn gốc acetyl: - Hai phản ứng khử carboxyl loại C dưới dạng CO2 - Bốn phản ứng oxy hóa cung cấp 4 cặp hydro - Bốn cặp hydro này được chuyển đến Oxy trong chuỗi HHTB tạo thành H2 O và năng lượng. Năng lượng tích trữ được của chu trình Krebs: - Gđ 3:1NADHH+ đi vào chuỗi HHTB 3 ATP- Gđ 4: 1NADHH+ đi vào chuỗi HHTB 3 ATP- Gđ 6: 1 FADH2đi vào chuỗi HHTB 2 ATP- Gđ 8: 1 NADHH+ đi vào chuỗi HHTB3 ATP-Gđ 5: 1 GTP1 ATPTổng cộng: 12 ATP Vị trí, vai trò của KLà giai đoạn 3, giai đoạn thoái hóa cuối cùng chung của các chấtÝ nghĩa năng lượng: tạo năng: 1 gốc acetyl  2 CO2, 12 ATPÝ nghĩa tổng hợp: tiền chất tổng hợp nhiều chất khácHemThể cetonNH2ASPgluSucCoANH2OA GTân tạo glucidAspHSCoAgluSuc.CoAThể cetonTổng hợp HemOAActCoACGĐiều hoà chu trình acid citricLượng Act-CoA và OA trong ti thểNhu cầu tế bào đối với ATP