Sinh hóa học - Chương 1: Khái niệm về trao đổi chất và năng lượng sinh học

Nội dung text: Sinh hóa học - Chương 1: Khái niệm về trao đổi chất và năng lượng sinh học

1. BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT Phần II VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC TRAO ĐỔI CHẤT 1. ĐẠI CƯƠNGVỀ TĐC & NLSH VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 1.1. Sự trao đổi chất và chuyển hóa trung gian 1.2. Đồng hóa và dị hóa 1.3. Nguồn gốc của năng lượng sinh học 1.4. Sự chuyển hóa năng lượng 1.5. Các hợp chất cao năng 2. SỰ OXID HÓA-KHỬ SINH HỌC (Sự hô hấp mô bào) 2.1. Khái niệm về hô hấp mô bào 2.2. Chuỗi hô hấp mô bào : Mục đích; Đặc điểm; Các enzyme của TP.HCM - 2006 1 chuỗi hô hấp; Sơ đồ chuỗi hô hấp 2 1.ĐẠI CƯƠNG 1.1. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN
   CHUYỂN HÓA TRUNG GIAN bao gồm
   TĐC (chuyển hóa các chất) bao gồm tất cả các qúa trình - các phản ứng hóa học xẩy ra trong cơ thể từ khi TĂ được đưa vào →→→ đào - quá trình hóa học xảy ra trong tế bào. Đây là khâu thải chất cặn bã ra môi trường . TĐC là một đặc điểm quan quan trọng và phức tạp nhất của sự chuyển hóa các chất. trọng của vật sống (sinh vật), là điều kiện tồn tại và phát Gọi là chuyển hóa trung gian vì các qúa trình hóa học triển của sinh vật. Các tính chất cơ bản của vật thể sống : - xẩy ra qua nhiều giai đoạn trung gian , - Luôn gắn với một hệ thống vật chất – protein. - thành lập nhiều chất trung gian . Các chất này gọi là - Tiêu tốn năng lượng – ATP. chất chuyển hóa hay sản phẩm chuyển hóa. - Có nguồn thông tin (có khả năng di truyền và sinh sản) 3 4 1
2. 1.2. ĐỒNG HÓA VÀ DỊ HÓA Đây là hai mặt mâu thuẫn nhưng thống nhất của sự chuyển hóa các chất. a
   Đồng hóa : tiêu hóa – hấp thu – tổng hợp chất. (giải phĩng NL)
   Dị hóa : phân hủy các đại ph/tử của tế bào và mô đào thải chất cặn bã; oxid hóa các chất hữu cơ để giải phóng năng lượng (thu NL) cung cấp cho qúa trình TĐC, cho các hoạt động sống. a 5 6 7 Hình 1.1 : Chu trình chuyển hóa trong thế giới sinh vật 8 2
3. 1.3. NGUỒN GỐC CỦA NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
   Nhiệt năng là dạng năng lượng ngõ cụt (không sử
   Từ năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) dụng lại) →→→ cần tiêu tốn NL để giữ trạng thái đẳng nhiệt và đẳng áp.
   Các dạng năng lượng :
   Cơ thể sử dụng NL để duy trì sự sống : - hóa năng, có thể chuyển hóa - duy trì cấu trúc, - cơ năng, lẫn nhau - duy trì trật tự - nhiệt năng, - hoạt động . - điện năng, Ngưng c/cấp NL →→→ qúa trình phân hủy sẽ xẩy ra. - năng lượng thẩm thấu . 9 10
   Sự biến đổi năng lượng tự do : 1.4. SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG ∆∆∆ ∆∆∆ ∆∆∆
   Năng lượng tự do (NLTD) : là số NL có thể chuyển G = H – T. S - ∆∆∆G : Sự thay đổi NLTD của hệ thống thành công hữu ích khi hợp chất biến đổi : - ∆∆∆H : Sự biến đổi enthapy →→→ bằng hiệu ứng nhiệt G = H – Tx S của phản ứng G : NLtự do của hợp chất - T : nhiệt độ tuyệt đối của môi trường H : Enthapy (toàn bộ NL dự trữ) - ∆∆∆S : Sự biến đổi của entropy T : Nhiệt độ tuyệt đối của môi trường Cơ thể sống hoạt động như một hệ thống mở, các →→→ S : Entropy (hàm trạng thái) →→→ mức độ hoạt động biến đổi hóa học bảo đảm cân bằng NL cho cơ thể ∆∆∆S 0 →→→∆∆∆ G ∆∆∆H của hệ thống →→→ Số năng lượng bị ràng buộc không sử →→→ sự biến đổi NLTD gần bằng với hiệu ứng nhiệt của dụng được. phản ứng →→→ nhiệt lượng PƯ →→→ giá trị NL của biến đổi 11 hóa học. 12 3
4. Hình 1.3 : Sự thành lập các hợp chất cao năng Hình 1.2 : Sự kết hợp giữa PƯGPNL và PƯ thu NL 13 14 15 16 4
5. 1.5. CÁC HỢP CHẤT CAO NĂNG - ATP/ADP Nối phosphate cao năng - Creatine phosphate/Creatine - Arginine phosphate/Arginine - Các nucleotide triphosphate : GTP, UTP Đơn vị đo năng lượng - 1j = 2,388 x 10 -4 Kcal - 1 Kcal = 4,1866 x 10 8j 17 18 19 20 5
6. Hình 1.5 : Chu trình ATP/ADP và CP/C 21 22 Bảng NLTD chuẩn của một số phosphate hữu cơ 2. SỰ OXID HÓA-KHỬ SINH HỌC ∆∆∆ Hợp chất phosphate G’o 2.1. KHÁI NIỆM VỀ HÔ HẤP MÔ BÀO - Một chuỗi các phản ứng oxid hóa-khử liên tục, hữu cơ Kjuole/mol Kcalo/mol - -Phosphoenolpyruvate -61.90 -14.00 Giải phóng năng lượng trong điện tử cao năng của H -Carbamine phosphate -51.40 -12.30 trong hợp chất hữu cơ , -1,3 diphosphoglycerate -49.30 -11.80 - -Creatine phosphate -43.10 -10.30 Cơ thể động vật sử dụng năng lượng của các phân tử -Acetyl phosphate -42.30 -10.10 chất hữu cơ để tổng hợp nên các hợp chất cao năng lượng -Arginine phosphate -33.50 -8.00 như ATP , CP -ATP →→→ ADP + P -30.50 -7.30 -Glucose-1-phosphate -20.90 -5.00 - Bản chất của quá trình này là sự oxid hóa từng bước + -Fructose-6-phosphate -15.90 -3.80 carbon hữu cơ thành CO 2 và vận chuyển H (proton H và -Glucose-6-phosphate -13.80 -3.30 - điện tử e ) đến O2 để thành lập phân tử H2O. -Glycero-3-phosphate -09.20 -2.20 23 24 6
7. 2.2. CHUỖI HÔ HẤP MÔ BÀO TY LAP THỂ
   MỤC ĐÍCH - Giải phóng số năng lượng dự trữ trong các điện tử cao năng của các hợp chất hữu cơ; - Thành lập các nối phosphate cao năng (~ P) tích trữ trong các hợp chất cao năng (ATP, CP ) để cung cấp cho các hoạt động sống.
   ĐẶC ĐIỂM Điện tử chỉ lấy từ H và lấy kèm với proton H + →→→ một chất hữu cơ bị oxid hóa tức là bị mất H Hình 1.6 : Ty lạp thể 25 26
   CÁC ENZYME CỦA CHUỖI HÔ HẤP
   CÁC ENZYME CỦA CHUỖI HÔ HẤP  Các dehydrogenase chứa nhân pyridine (dx vit.PP) H H H Coenzymes : NAD + và NADP + - CO- NH  Các dehydrogenase chứa nhân flavine (dx vit.B 2) 2 - CO- NH 2 +( 2H + + 2e -) Coenzymes : FMN và FAD + H+ -  Coenzyme Q (ubiquinone) : CoQ – CoQ - - CoQH -(2H + + 2e ) 2 N+ N  Hệ thống cytochromes : b – c1 – c – a&a 3 R R Dehydrogenase NAD + NADH + H + 27 28 7
8. O O O C N H N C N H 2 2 C _ _ CH 3- 10 NH O O P O C H N + O P O C H N + O 2 FMN (FAD) 2 CH - 1 C=O O O 3 HH HH N H H H H O H O H R O H O H O O N H N H 2 2 +2H -2H N N H N N O N N N N C N O P O C H 2 CH - 10 NH O P O C H 3 2 O H O O H O HH FMNH 2 HH H H CH 3- 1 C=O (FAD.H ) H H O H O 2 O H O H H O P O H N + + O R NAD NADP 29 H 30 O O H H C N C N C C CH 3 C C 10 C NH 5 10 4 CH 3 C6 C C 3 NH CH 3 C C C 1 C O C N N 7 2 H CH 3 C 8C 9 C 111 C O CH 2 C N N H HCOH CH 2 HCOH HCOH HCOH CH 2 HCOH O _ OOP HCOH NH 2 O _ N C CH 2 O P O C N HC O C CH O O N N CH 2 _ H H OOP H FMN H Hình 1.7 : O FAD OH OH Cơ chế vận chuyển electron của CoQ 31 32 8
9. Tổ hợp 1 (NADH-CoQ reductase) Vai trò : tách điện tử từ NADH (của các dehydrogenase khác nhau tương ứng với các cơ chất khác nhau) chuyển cho CoQ. Đây là tổ hợp có kích thước lớn nhất (800kD) và gắn một phân tử FMN cùng với 6 chùm Fe-S giúp chuyển e-. Hình 1.8 : Heme của cytochrome 33 34 Tổ hợp III (CoQ – cyt. c reductase) Tổ hợp II (Succinate - Co Q reductase) Thành viên của tổ hợp III gồm hai cyt. b, một cyt. c1 Vai trò : chuyển e- từ succinate sang CoQ. Tổ hợp và một chùm [2Fe–2S]. Tổ hợp này chuyển điện tử từ bao gồm succinate dehydrogenase của chu trình CoQ sang cyt.c. Krebs, có một nhóm FAD gắn qua gốc His với Tổ hợp IV (cyt.c oxydase) protein enzyme, một chùm [4Fe–4S], hai chùm Vai trò của tổ hợp IV là tách lần lượt 4 điện tử từ 4 [2Fe–2S] và một cytochrome b560. Thế hiệu cyt. c dạng Fe 2+ để chuyển cho oxygen phân tử (O ) redox chuyển e- từ succinate sang CoQ thấp, 2 tạo ra 2 phân tử nước (nhờ lấy H+ từ phần khuôn ty không đủ năng lượng tự do để tạo ATP , tuy nhiên lạp thể). tổ hợp II vẫn quan trọng vì nó giúp đưa điện tử Tổ hợp V (ATPase) cao năng vào chuỗi hô hấp. 35 Kênh dẫn proton và thực hiện tổng hợp ATP. 36 9
10. Tóm tắt thông tin các tổ hợp enzyme của chuỗi hô hấp kDa Tổ hợp Thành phần Polypeptides NADH dehydrogenase (or) Complex I 800 25 NADH-coenzyme Q reductase Succinate dehydrogenase (or) Complex II 140 4 Succinate-coenzyme Q reductase Cytochrome C - coenzyme Q Complex III 250 9-10 oxidoreductase Complex IV Cytochrome oxidase 170 13 Complex V ATP synthase 380 12-14 37 ỖI HÔ HẤP MÔ BÀO 38 Sơ đồ phân bố các tổ hợp enzyme Các phản ứng oxid hóa-khử trong chuỗi hô hấp 39 40 trong chuỗi hô hấp 10
11. Các giai đoạn phosphoryl hóa thành lập ATP 41 Hình 1.10 : Sơ đồ vận chuyển điện tử TL ATP 42 43 Hình 1-12 : S hoán chuy n ATP và ADP qua màng ty thể 44 11