HÓA SINH HÔ HẤP PHOSPHORYL OXY HÓA VÀ QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TẾ BÀO Đề tài GVHD TRẦN BÍCH LAM SVTH MSSV Nội dung Phan Đăng Khoa K1001555 II Cao Xuân Vĩnh K1004024 I[.]
Đề tài: THUYẾT TRÌNH CƠ SỞ HĨA SINH HĨA SINH HƠ HẤP: PHOSPHORYL OXY HĨA VÀ Q TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TẾ BÀO GVHD: TRẦN BÍCH LAM SVTH Phan Đăng Khoa Cao Xuân Vĩnh Nguyễn Thành Phương Phan Lê Rin Trần Đăng Khoa MSSV K1001555 K1004024 K1002535 K1002698 K1001563 Nội dung II I.1 I.2 III.1 III.2 I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG Con người Năng lượng Thức ăn Trong thể, chất dinh dưỡng chủ yếu quan trọng glucid, lipid protein bị oxy hóa Lipid glucid vào thể bị “đốt cháy” sinh CO2, H2O NH3, chất tác dụng với CO2 chuyển thành carbamid (ure) Động vật Các q trình oxy hóa khử sinh học thuộc phản ứng dị hóa có ý nghĩa quan trọng Chúng nguồn lượng quan trọng dùng để thực phản ứng tổng hợp khác mà nguồn cung cấp hợp chất trung gian dùng làm nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp đóng vai trị quan trọng việc liên hợp trình trao đổi chất Để tồn phát triển, thể cần phải cung cấp liên tục lượng Trong hoạt động sống mình, thể biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác biến đổi lượng thể sống tuân theo quy luật vật lý biến đổi lượng giới vô So sánh lượng sinh học lượng kỹ thuật ta thấy có đặc điểm sau: Thứ I • Cơ thể sử dụng nhiệt để biến đổi thành cơng có ích Thứ II • Sự giải phóng lượng thể dần dần, bậc Thứ III • Sự giải phóng lượng kèm theo phosphoryl hóa nghĩa lượng giải phóng cố định lại liên kết este với phosphoric acid phân tử ATP vốn gọi liên kết cao Từ dạng lượng trung gian (ATP) mà dự trữ sử dụng lượng vào hoạt động sống Thứ IV • Có thể không sử dụng lượng tự tất loại phản ứng phát nhiệt mà nguồn lượng thể sử dụng q trình oxy hóa Sự biến đổi lượng tự Năng lượng tự Môi trường Nhiệt độ xác định Năng lượng tự dạng quang hóa Cơng Tế bào Sự biến hóa, tích lũy sử dụng lượng sinh học xảy song song với chuyển hóa vật chất tuân thủ nguyên tắc nhiệt động học Tạo trì cấu trúc trật tự phức tạp Những biến đổi lượng tự hệ thống phản ứng ký hiệu G có giá trị Kcal/mol Đại lượng G hiệu số lượng lượng tự trạng thái cuối (sau phản ứng) G2 lượng tự trạng thái đầu (trước phản ứng) G1 G tính theo cơng thức: G = G + RT lnK ✓ G0 biến đổi lượng tự tiêu chuẩn phản ứng 250C nồng độ tất chất phản ứng mol áp suất 101,3 KPa (1atm) ✓ R số khí ✓ T nhiệt độ tuyệt đối ✓ K số cân phản ứng Nếu G0 (có giá trị dương), phản ứng thu nhiệt, muốn thực phản ứng cần phải cung cấp lượng Các phản ứng thu nhiệt thực với phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa việc tăng lượng tự có phản ứng liên hợp khác tiến hành với việc giảm lượng tự Các trình gắn liền với hoạt động sống thể, phản ứng tổng hợp phản ứng thu nhiệt luôn liên hợp với phản ứng tỏa nhiệt Liên kết cao vai trò ATP • Các liên kết hóa học nguyên tử tác nhân mang chủ yếu lượng tự chất hữu • Xét mặt lượng hợp chất hữu có hai loại liên kết: Liên kết thường liên kết cao (liên kết giàu lượng) • ATP chất phổ biến giữ vai trò này, chất có vai trị trung tâm trao đổi lượng tế bào thể sống, chất liên kết nói mắt xích hệ thống sử dụng lượng hệ thống sản sinh lượng Một số dạng liên kết cao thường gặp Thế oxy hóa khử cịn dùng để tính lượng tự (Go) giải phóng qúa trình oxy hóa khử theo phương trình: Go = -nF.E'o Thế oxy hóa tiêu chuẩn số hệ thống E’0 (volt) Go (kcal/pH7, 30oC) Phosphoryl hóa -0,10 +0,22 -10,1 Hệ thống oxy hóa khử Eo (volt) pH7, 30oC Điện cực hydro 2H+/ H2 -0,42 NAD+/ NADH + H+ -0,32 FAD/ FADH2 Cytochrome Fe3+/ Fe2+ b +0,04 +0,14 -6,4 Cytochrome Fe3+/ Fe2+ c1 +0,23 +0,19 -8,7 Cytochrome Fe3+/ Fe2+ c +0,26 +0,03 -1,4 Cytochrome Fe3+/ Fe2+ a +0,29 +0,03 -1,4 Cytochrome Fe3+/ Fe2+ a3 +0,55 +0,26 -12,0 Điện cực oxy 1/2 O2 / O2- +0,81 +0,26 -12,0 +1,13 -52,0 ADP→ ATP 1 QUÁ TRÌNH OXY HĨA KHỬ SINH HỌC TIẾN TRÌNH CỦA SỰ OXY HÓA SINH HỌC Sự phân giải chất dinh dưỡng giải phóng lượng tế bào (sự dị hóa) chia thành giai đoạn Ở giai đoạn đầu: hợp chất cao phân tử bị thủy phân thành chất đơn giản có phân tử nhỏ Ở giai đoạn thứ hai: biến chất đơn giản thành chất carbon acetyl CoA Ở giai đoạn thứ ba: Acetyl CoA hình thành giai đoạn thứ hai bị oxy hóa hồn tồn chu trình Krebs để hình thành CO2, H2O giải phóng lượng TIẾN TRÌNH CỦA SỰ OXY HĨA SINH HỌC Các hydrogen tách oxy hóa qua chuỗi hô hấp để tạo nên lượng H2O Năng lượng giải phóng tích trữ phân tử ATP III CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO VÀ SỰ PHOSPHORYL HĨA OXY HĨA Chuỗi hơ hấp tế bào: ➢ Chuỗi hô hấp tế bào hệ thống enzyme xúc tác vận chuyển H+ eletron từ chất đến phân tử oxygen để tạo H2O ➢ Oxygen chất oxy hóa vạn năng, cịn phân tử hữu khác đóng vai trị chất cho điện tử ➢ Vai trị chuỗi hơ hấp oxy hóa bậc hydrogen chất đến H2O ❑ Cơ chế hoạt động chuỗi hô hấp tế bào : ➢ Chất cho nguyên tử hydrogen NADH + H+ số trường hợp FADH2 Nguyên tử hydrogen chuyển tới hệ coenzyme Q (CoQ) thông qua hệ trung gian flavoprotein chứa sắt lưu huỳnh Tiếp theo hai điện tử nguyên tử hydrogen tách vào hệ thống vận chuyển điện tử theo trình tự cytochrome b-c1-a-cytochromeoxydase (a3), cuối điện tử chuyển cho oxygen Nguyên tử oxygen bị khử (ở trạng thái ion hóa) kết hợp với 2H+ (proton) để tạo phân tử nước ❑ Quá trình chuyển hydrogen điện tử chuỗi hơ hấp phân thành giai đoạn: ➢ Giai đoạn 1: Thông thường hydrogen tách từ chất dehydrogenase có coenzyme NAD+(hoặc NADP +) PTPƯ: AH2 + NAD+ → A + NADH +H+ (Trong AH2 A chất dạng khử dạng oxy hóa) ➢ Giai đoạn 2: NADH (hoặc NADPH) bị oxy hóa dehydrogenase PTPƯ: NADH + H+ + FMN→ NAD+ + FMNH2 ➢ Giai đoạn 3: H+ eletron chuyển từ FMNH2 tới coenzyme Q dẫn xuất quinone, gọi ubiquinon (UQ) ➢ Giai đoạn 4: Các enzyme vận chuyển eletron từ CoQH2 đến oxygen Đó hệ thống cytochrome, giữ vai trị trung tâm hơ hấp tế bào • Q trình vận chuyển electron qua hệ thống Cytochrome tóm lược sau: • 2e- + cytb Fe3+ → • cytb Fe2+ + cytc1 Fe3+ Fe2+ • cytc1 Fe2+ + cytc Fe3+ Fe2+ • cytc Fe2+ + cyta Fe3+ Fe2+ • cyta Fe2+ + cyta3 Fe3+ Fe2+ • cyta3 Fe3+ + 1/2 O2 cytb Fe2+ → cytb Fe3+ + cytc1 → cytc1 Fe3+ + cytc → cytc Fe3+ + cyta → cyta Fe3+ + cyta3 → cyta3 Fe3+ + 1/2 O2- Hình 8.4 Chuỗi hơ hấp tế bào ➢ Kết chuỗi hô hấp tế bào thơng thường H2O, có trường hợp tạo thành gốc superoxyd (Oˉ2) hydrogenperoxyd (H2O2) ➢ Superoxyd dismutase chứa Mn (Mn.SOD) có mặt matrix chuyển khoảng 80% Oˉ2 rò rỉ điện tử thành H2O2 20% Oˉ2 tạo thành chuyển vào cytoplasme, superoxyd dismutase cytoplasme (SOD) hợp tác với hệ thống bảo vệ khác phân hủy tiếp SOD C-ase enzyme chống oxy hóa (antioxydant enzymes), bảo vệ tế bào chống lại gốc tự độc hại ➢ Như vậy, trình vận chuyển hydrogen đến oxygen tạo H2O, thực chất trình trao đổi electron (cho nhận) cách liên tục Bản chất trình oxy hóa khử Vì vậy, người ta gọi hơ hấp tế bào oxy hóa khử sinh học ➢ Một điều cần lưu ý thêm là: chuỗi hô hấp tế bào trình bày chuỗi hơ hấp tế bào bình thường, số trường hợp, chuỗi kéo dài ngắn phụ thuộc vào oxy hóa khử chất Sự phosphoryl hóa: Q trình phosphoryl hóa – q trình tổng hợp ATP • Phosphoryl hóa quang hóa (năng lượng ánh sáng) • Phosphoryl hóa oxy hóa (năng lượng phản ứng oxy hóa khử ty thể) • ATP (Adenosin triphosphat) - Năng lượng từ trình quang hợp (năng lượng ánh sáng mặt trời) từ trình hơ hấp (năng lượng hố học) tích luỹ ATP • Khi ATP bị phân giải trình thuỷ phân liên kết phostphat lượng giải phóng để sử dụng cho q trình sống tế bào, quan, thể ➢ Q trình tổng hợp ATP q trình phosphoryl hóa: ADP + H3PO4 → ATP Đây trình cần lượng ➢ Sự phosphoryl hóa oxy hóa trình hình thành ATP cách chuyển electron proton chuỗi hơ hấp tế bào ➢Theo phương trình cần có chênh lệch oxy hóa khử chất tham gia chuỗi hô hấp tế bào vào khoảng 0,152 volt để tạo thành phân tử ATP ✓ Trong chuỗi hơ hấp có điểm tương hợp hơ hấp với phosphoryl hóa: ▪ Giữa NADH với flavoprotein; ▪ Giữa cytochrome b c1; ▪ Giữa cytochrome a cytochrome oxydase ; ✓ Mối tương quan P/O (tỉ số P/O) số phân tử phosphate vô chuyển thành dạng hữu tiêu thụ nguyên tử oxygen Tỉ số biểu thị tương quan trình phosphoryl hóa oxy hóa khử tế bào ✓ Như nói phosphoryl hóa oxy hóa qua hệ thống vận chuyển điện tử chuỗi enzyme hô hấp đường chủ yếu sinh vật hiếu khí nhằm khai thác lượng hợp chất hữu cách hữu hiệu để phục vụ cho hoạt động sống