1. Lí do chọn đề tài Mỗi cơ thể sống đều tồn tại trong môi trường và liên hệ mật thiết với môi trường đó. Chúng tiến hành tổng hợp vật chất và năng lượng từ môi trường sau đó phân giải để thực hiện các hoạt động sống của mình đồng thời thải ra ngoài môi trường chất cặn bã, đây gọi là quá trình trao đổi chất và năng lượng. Nếu không tiến hành quá trình trên thì sinh vật không được coi là cơ thể sống. Vì thế tôi chọn đề tài: “Qúa trình trao đổi chất và năng lượng sinh học” để nghiên cứu làm rõ vai trò của quá trình này đối với cơ thể sinh vật.
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ KHOA SINH HỌC HỌC PHẦN CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG SINH HỌC TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: QÚA TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC Giáo viên hướng dẫn: PTS.TS Nguyễn Bá Lộc Học viên thực hiện: Huế 01/2018 PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mỗi thể sống tồn môi trường liên hệ mật thiết với mơi trường Chúng tiến hành tổng hợp vật chất lượng từ mơi trường sau phân giải để thực hoạt động sống đồng thời thải ngồi mơi trường chất cặn bã, gọi q trình trao đổi chất lượng Nếu khơng tiến hành q trình sinh vật khơng coi thể sống Vì tơi chọn đề tài: “Qúa trình trao đổi chất lượng sinh học” để nghiên cứu làm rõ vai trị q trình thể sinh vật Mục đích nghiên cứu Cung cấp thêm sở lí luận trình trao đổi chất lượng sinh học Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, thông tin sách, báo, tạp chí, có liên quan đến đề tài quan tâm PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 1.1 Những khái niệm chung trao đổi chất lượng Cơ thể sống hệ thống mở nên ln xảy q trình trao đổi chất lượng môi trường Cơ thể sống tồn nhờ khả trao đổi khơng ngừng với môi trường xung quanh Chúng hấp thu chất khác từ mơi trường ngồi, làm biến đổi chất thành thành phần cấu tạo thể sống Đồng thời, thể sống lại thải mơi trường ngồi sản phẩm q trình phân huỷ vật chất thể, sản phẩm hình thành trình sinh sống thể Quá trình gọi trình trao đổi chất sinh vật Như vậy, định nghĩa: “Trao đổi chất trình tự chuyển hố có qui luật vật chất thể sống” Trong năm gần đây, nhờ thành tựu ngành khoa học Sinh học phân tử, Sinh hoá học lượng tử, Điều khiển học, Di truyền học, …mà người ta hiểu biết tỷ mỉ chất sống Sinh học phân tử cho rằng: “Sự sống tổ chức cao phân tử có trật tự đặc trưng nhờ khả tái tổng hợp, chu trình trao đổi chất điều hồ q trình lượng “ Sinh học phân tử đánh giá cao vai trò axit nucleic sống Theo Điều khiển học: “Sự sống trạng thái bền vững vật chất nhằm hồn thành phản ứng thơng tin mã hoá trạng thái phân tử riêng biệt “ Theo quan điểm nhiệt động học thì: “Cơ thể sống trì tính khơng cân nhiệt động học so với trạng thái môi trường xung quanh“ Khả vật thể sống hoàn toàn khác với vật khơng sống Vì vật khơng sống ln ln có xu hướng tiến tới hình thành trạng thái cân nhiệt động học với mơi trường xung quanh Cịn Di truyền học cho rằng: “Sự sống tồn nguyên vẹn dạng ADN, ARN protein dạng riêng biệt, hệ thống cấu trúc sinh hố hở có khả tự điều hồ thơng tin di truyền “ Tất khái niệm trình bày chứng tỏ vấn đề tìm hiểu chất sống vấn đề phức tạp Chính nay khoa học chưa thống giải đáp hoàn toàn chất sống Đa số thừa nhận rằng: “Sự sống dạng vận động vật chất đặc trưng tính chất khác mặt sinh học xuất một giai đoạn phát triển định dạng vận động Dạng vận động sinh học đặc trưng tồn hệ thống tự điều hoà tự phát sinh, có khả trao đổi chất trao đổi lượng“ Do đó, trao đổi chất đặc trưng thể sống Đồng hoá dị hoá hai mặt trao đổi chất Trao đổi chất thống hai q trình đồng hố dị hố Đồng hóa trình tổng hợp thành phần tương đối lớn tế bào nhưpolysaccharide, lipid, protein, acid nucleic …từ hợp chất tiền thân đơn giản Vì trình làm tăng kích thước phân tử làm cho cấu trúc phức tạp hơn, hay nói cách khác, làm giảm entropy hệ thống, nên cần tiêu dùng lượng Năng lượng cung cấp cách phân giải liên kết cao ATP Dị hóa trình phân giải phân tử thức ăn tương đối lớn chủ yếu phản ứng oxy hóa Nguồn chất dinh dưỡng tham gia q trình dị hóa thu nhận từ mơi trường từ các kho dự trử thể Trong q trình dị hóa phân tử lớn (glucid, lipid, protein) bị phân giải thành phân tử nhỏ acid lactic, acid acetic, urê, NH 3, CO2 v.v…, đồng thời giải phóng lượng tự chứa cấu trúc phức tạp của các phân tử hữu Để trở thành hữu ích, số lượng tích lũy lại trong liên kết phosphate cao ATP hợp chất tương tự Mặc dù đồng hóa dị hóa hai trình trái ngược các sản phẩm trung gian hai q trình nhiều khâu khơng trùng nhau Ví dụ, q trình phân giải glycogen thành acid lactic thực nhờ 12 enzyme; trình tổng hợp glycogen từ acid lactic có enzyme chung với q trình phân giải, 3 enzyme cịn lại thay enzyme khác Sự tồn tại hai đường khác đồng hóa dị hóa hồn tồn cần thiết Các đường đồng hóa dị hóa thường xảy quan tử khác tế bào Ví dụ oxy hóa acid béo xảy ty thể, cịn sinh tổng hợp acid béo thực tế bào chất Nhờ đặc điểm định vị khác mà đường đồng hóa dị hóa xảy đồng thời không phụ thuộc Sự khác hai đường đồng hóa dị hóa cịn thể ở chỗ chúng điều hịa chế không giống độc lập nhau. Tuy nhiên, hai q trình đồng hóa dị hóa có giai đoạn chung thường gọi đường trung tâm mà ví dụ điển hình chu trình Krebs Trong chu trình này, mặt, hợp chất hữu bị phân giải đến thành CO Mặt khác, chúng có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho trình đồng hóa Đó q trình “Trao đổi chất trung gian” Kiểu trao đổi chất tính chất trao đổi chất thể định, luôn phụ thuộc chặt chẽ biến đổi phù hợp với điều kiện bên ngồi Nói khác kiểu trao đổi chất thể thống yếu tố bên (cố định, chủ quan, bảo thủ) với yếu tố bên (biến đổi, khách quan) Như vậy, nói thể sống coi hệ thống tự điều hồ, có nghĩa có khả tự biến đổi có biến đổi điều kiện mơi trường ngồi mà tiếp xúc Đó thống thể với môi trường Quá trình trao đổi chất ln gắn liền với q trình trao đổi lượng Bởi vì, hợp chất hữu thành phần vật thể sống có mức lượng dự trữ Mức lượng biến đổi q trình trao đổi chất, có nghĩa có phân phối lại lượng tự chất tham gia hỗn hợp phản ứng Bởi vì, lượng tự hợp chất hữu tích luỹ chủ yếu liên kết hoá học nguyên tử Cho nên, liên kết bị biến đổi mức lượng tự hợp chất bị biến đổi theo Mức lượng tự đa số hợp chất hữu mà xảy xuất hay phân giải liên kết hố học, thơng thường làm biến đổi từ khoảng 1Kcal đến 3Kcal phân tử gam Tuy nhiên, số trường hợp, thay đổi mức lượng tự phân tử đạt tới 6Kcal đến 10Kcal hay phân tử gam Các hợp chất gọi hợp chất cao (giàu lượng) Liên kết cao có ký hiệu dấu ngã (~ ), (theo Lipmann) Năng lượng độ đo dạng chuyển động vật chất, chuyển từ dạng sang dạng khác Năng lượng đại lượng đo được, biến đổi cách định lượng theo tỉ lệ thành nhiệt lượng Năng lượng phản ánh khả sinh công hệ Đơn vị dùng để đo lượng Calo (Cal) hay Joule (J) 1cal= 4,18J Năng lượng tự giải phóng phản ứng dị hóa sơ tích lũy liên kết hóa học đặc biệt gọi liên kết cao ATP Những phân tử ATP sau vào khu vực tế bào mà đó cần dùng tới lượng Tại chuyển hai gốc phosphate tận cùng của cho phân tử chất nhận cách ấy truyền lượng hóa học vốn tích lũy trước cho phân tử này, làm cho có khả thực cơng Bản thân ATP sau gốc phosphate tận biến thành ADP AMP để lại kết hợp thêm gốc phosphate phản ứng liên hợp với phản ứng giải phóng lượng để tạo nên phân tử ATP Như vậy, lượng tự do trong tế bào được vận chuyển ở dạng các gốc phosphate tận cùng của ATP nhờ khả chuyển hóa thuận nghịch ATP ADP Ngồi chu trình ATP-ADP nói lượng còn được vận chuyển tế bào dạng điện tử Để tổng hợp hợp chất hữu tế bào thường phải cung cấp điện tử vàH+ Những điện tử chuyển đến chất nhận từ chất cho trong phản ứng oxy hóa-khử với tham gia số coenzyme đặc biệt chuyên làm nhiệm vụ vận chuyển điện tử Quan trọng trong số coenzyme loại NADP Nó đóng vai trò chất mang các điện tử giàu lượng từ sản phẩm dị hoá đến phản ứng đồng hóa vốn cần cung cấp lượng dạng Có thể xem vai trị NADP vận chuyển điện tử tương tự như vai trò ATP vận chuyển gốc phosphate giàu lượng. Trong tế bào hai kiểu vận chuyển lượng liên quan mật thiết với nhau: lượng tự giải phóng vận chuyển điện tử từ hệ thống có lượng cao đến hệ thống có mức lượng thấp sơ tích lũy phân tử ATP trước dùng để thực công 1.2 Sự chuyển hóa lượng thể sống Người tiến hành thí nghiệm để chứng minh chuyển hóa bảo tồn lượng thể sống hai nhà khoa học Pháp Lavoisier Laplace vào năm 1780 Đối tượng thí nghiệm chuột khoang Thí nghiệm cách ly thể khỏi mơi trường bên ngồi cách ni chuột nhiệt lượng kế nhiệt độ oC Dùng một lượng thức ăn xác định trước để ni chuột thí nghiệm Trong thể chuột diễn phản ứng phân huỷ thức ăn tới sản phẩm cuối khí CO2 và H2O, đồng thời giải phóng nhiệt lượng Q Nếu coi điều kiện 0oC, chuột đứng yên, không thực công mà sử dụng nhiệt lượng giải phóng oxy hố thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho thể tỏa nhiệt môi trường, qua nhiệt kế đo tăng nhiệt độ, theo cơng thức tính nhiệt lượng Q Đồng thời lấy lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn cho chuột ăn trước thí nghiệm đem đốt cháy bom nhiệt lượng kế tới khí CO2 và H2O, giải phóng nhiệt lượng Q2 So sánh hai kết thí nghiệm thấy giá trị Q1 tương đương với Q2 Điều chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng từ phản ứng hố sinh diễn thể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng từ phản ứng ơxy hố diễn ngồi cơ thể sống Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt q trình ơxy hố chất diễn thể sống hiệu ứng nhiệt q trình ơxy hố chất diễn ngồi thể sống hồn tồn tương đương Để tăng độ xác thí nghiệm, sau có nhiều mơ hình thí nghiệm nhiềunhà nghiên cứu tiến hành đáng ý Atwater Rosa vào năm 1904 Đối tượng thí nghiệm người thời gian thí nghiệm ngày đêm (24 giờ) Trongthời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụ lượng thức ăn định, thơng qua đo lượng khí ơxy hít vào (hay khí CO2 thở ra), nhiệt thải từ phân nước tiểu tính được hiệu ứng nhiệt phản ứng phân huỷ thức ăn diễn thể người 24 giờ. Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người tiêu thụ trong bom nhiệt lượng kế đo nhiệt lượng toả Kết thí nghiệm: Hiệu ứng nhiệt phản ứng diễn thể người 24 giờ: Nhiệt lượng toả xung quanh: 1374 Kcal Nhiệt lượng toả thở ra: 181 Kcal Nhiệt lượng toả bốc qua da: 227 Kcal Nhiệt khí thải ra: 43 Kcal Nhiệt toả từ phân nước tiểu : 23 Kcal Hiệu đính (do sai số) : 31 Kcal Tổng cộng nhiệt lượng thải ra: 1879 Kcal Nhiệt lượng thức ăn cung cấp: 56,8 gam Protein: 237 Kcal 79,9 gam Gluxit: 335 Kcal 140,0 gam Lipit: 1307 Kcal Tổng cộng: 1879 Kcal Lưu ý: Khi ơxy hố gam Protein bom nhiệt lượng kế tới khí CO2 và H2O, giảiphóng 5,4 KCal cịn thể sống phân giải gam Protein tới urê giải phóng khoảng 4,2 KCal Khi oxy hố hồn tồn gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal cịn ơxy hố hồn tồn gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal Kết thí nghiệm Atwater Rosa khẳng định lượng chứa thức ăn saukhi thể tiêu thụ chuyển thành lượng giải phóng thơng qua q trình phân giải phản ứng hố sinh diễn thể sống Năng lượng chứa thức ăn lượng giải phóng sau thể phân giải thức ăn hoàn toàn tương đương Nhiệt lượng thể người chia làm hai loại nhiệt lượng (hay nhiệt lượng sơ cấp) nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp) Nhiệt lượng xuất hiện sau thể hấp thụ thức ăn tiêu thụ ôxy để thực phản ứng ơxy hố Tuy nhiên sư biến đổi lượng thể sống hoàn toàn khác với biến đổi máy nhiệt Ở máy nhiệt, lượng nhiên liệu (xăng, dầu, khí đốt, than đá…) đốt cháy trực tiếp để tạo CO 2, H2O lượng dạng nhiệt năng, từ nhiệt biến đổi thành công học Ở thể sống, nguồn dinh dưỡng từ thức ăn (gluxit, lipit, protein ) oxy hóa qua nhiều giai đoạn, cuối tạo ra CO2, H2O lượng dạng hóa năng, liên kết hóa học nằm phân tử ATP, phân tử ATP sử dụng cho hoạt động thể Cơ thể sống sử dụng lượng để cung cấp nhiệt cho thể (ổn định nhiệt độ cơ thể vào mùa hè mùa đông). Cơ thể sống sử dụng lượng để thực công học (co cơ), công thẩm thấu (hấp thụ hay tiết nước sản phẩm chất dinh dưỡng), công hơ hấp, cơng điện (duy trì điện tĩnh hay phát xung điện hoạt động) Quan trọng thể sống có khả tích lũy lượng dạng hợpchất cao (ATP) Hợp chất cao ATP nguồn lượng vạn của mọi thể sống nên ví "đồng tiền lượng" 1.3 Dòng chảy lượng thể sống Trái Đất Dòng chảy lượng vận chuyển xuyên qua loài sinh vật hệ thống mà nhà sinh vật học gọi chuỗi thức ăn Một chuỗi thức ăn hệ sinh thái thường phức tạp đơn giản nghĩ chuỗi thức ăn với giai đoạn sau: - Những sinh vật sản xuất đầu tiên: Các loài xanh loại vi khuẩn tảo định nhà sản xuất chúng sản xuất nguồn lượng dùng cho vật thể sống lại trái đất Chúng dùng lượng từ mặt trời để làm sucrôza, glucoza hợp chất khác mà vật thể sống khác hấp thụ tạo lượng Ví dụ phân tử đường, lượng mặt trời tích trữ dạng lượng hoá học - Động vật ăn cỏ: Động vật ăn cỏ lồi ăn thực vật Chúng có khả tiêu hố lồi thực vật mà chúng ăn giải phóng lượng tích trữ tế bào thực vật để sử dụng Một vài động vật điển hình nhóm hươu, bị, voi, thỏ, nai sừng tấm, ngựa vằn, hầu hết côn trùng loài chim ăn hạt Người ta gọi mức độ chuỗi thức ăn sinh vật tiêu thụ bậc -Động vật ăn thịt: Những loài dã thú loài chim ăn xác thối nằm nhóm Thường mức độ chuỗi thức ăn xem sinh vật tiêu thục bậc hai Chúng ăn loài ăn thực vật chúng ăn lẫn Hầu hết lồi vật khơng thể ăn thực vật Chúng đói chết khơng nhờ vào động vật ăn cỏ Nằm nhóm có chó, mèo, cá voi ăn thịt, cá mập, nhện, rắn, chồn gulô, chim kền kền, diều hâu, đại bàng, cá sấu, nhiều loài dã thú -Những sinh vật phân huỷ: Chúng sinh vật ăn xác chết - thực vật động vật Nhóm sinh vật hữu ích hầu hết vi khuẩn nấm Tuy nhiên cịn kể đến giòi, bọ phân, giun đất, mọt gỗ nhiều sinh vật ăn chất hữu chết khác Khơng có chúng xác chết khơng bị phân hủy. Chúng giống động vật ăn thịt động vật ăn cỏ chúng phải lấy lượng từ tế bào động vật hay thực vật Điều khác biệt chúng sử dụng thể chết Năng lượng di chuyển xuyên qua chuỗi thức ăn từ vật thể sống đến vật thể sống khác Giai đoạn trình quang hợp, lượng xạ mặt trời, lượng chiếu xuống trái đất hàng ngày, chuyển thành lượng liên kết phân tử cacbohyđrat Những phân tử cacbohydrat thể sống sử dụng nguồn nhiên liệu cho lượng tạo sinh khối đất Như vậy, lượng thể sống đất có nguồn gốc ban đầu từ lượng mặt trời CHƯƠNG II QÚA TRÌNH OXY HĨA SINH HỌC 2.1.Khái niệm chung Ngay từ năm 1774, Lavoisier kết luận chất bị đốt cháy kết hợp với oxy khơng khí Khi nghiên cứu trao đổi khí động vật, ơng chứng minh có hấp thụ oxy thải CO2; đồng thời tạo nhiệt thể chúng Như đốt cháy hay oxy hoá sinh học q trình gắn oxy khơng khí với carbon hydro chất hữu để tạo thành CO 2 và nước; đồng thời giải phóng lượng Vào đầu kỷ XX, nhờ cơng trình nghiên cứu Borodin, Black, Paladin, Costưsep, Warburg, Vilăng,v.v góp phần làm sáng tỏ vấn đề oxy hoá điều kiện thể mà đốt cháy cac chất hữu xảy với tốc độ nhanh chóng Hiện tượng gọi q trình “Oxy hố sinh học “ Theo quan điểm đại, người ta cho oxy hoá sinh học oxy hoá hydo tách từ chất bị oxy hoá để tạo thành nước Trong tế bào sống, hydro chất khơng có khả tự tác dụng với oxy khơng khí, cần có q trình hoạt hố hydro chất hay oxy khơng khí nhờ enzym đặc hiệu xúc tác Giai đoạn đầu oxy hoá hợp chất hữu tế bào tiến hành với tham gia dehydro genase có coenzym NAD+ (nicotinamid-adenin-dinucleotitd) hay NADP+ (nicotinamid-adenin-dinucleotitphosphat) Hydro chất bị oxy hoá gắn vào coenzym sau: SH2 + 2e- + NAD+ (NADP+) > S+NADH + H+(NADPH + H+) Từ NADH hay NADPH, hydro lại chuyển tới dehydrogenase có nhóm ngoại (prosthetic) FAD (flavin- adenin- dinucleotid): NADH + H+ + FAD -> NAD+ + FADH2 Tiếp đó, hydro lại chuyển từ FADH 2 sang hợp chất khác cuối chuyển tới oxy để tạo thành nước Sản phẩm phân giải oxy hoá sinh học chất béo hydratcarbon CO 2 và nước, sản phẩm phân giải axit amin hợp chất chứa nitơ CO2, H2O, ure NH+3 Các chất bị oxy hoá dehydrogenase pyridinnucleotid diễn thành chuỗi phản ứng chu trình phản ứng có quan hệ mật thiết với Những đường phân giải hydratcarbon (glycolyse, pentosophosphat, ), phân giải axit béo ( b-oxy hố) protein, v.v kết thúc chu trình Krebs (citric hay di-, tricarboxylic) Những chất bị oxy hoá chu trình Krebs giải phóng hydro hydro bị oxy hố chuỗi hơ hấp Như nói, oxy hố sinh học có số điểm tương tự với trình đốt cháy chất hữu ngồi thể, ví dụ mặt nhiệt lượng tạo thành oxy hoá phân tử gam glucose q trình oxy hố sinh học hay đốt cháy thu - 673 kcal/mol Tuy nhiên, tế bào sống có hàng loạt đặc tính riêng biệt Các đặc tính hình thành q trình tiến hố lâu dài hướng theo đường sử dụng lượng tới mức cao Giữa oxy hố sinh học q trình đốt cháy có số điểm khác sau : a) Đốt cháy xảy thể nhiệt độ cao, cịn oxy hố sinh học xảy nhiệt độ thấp, lại có tốc độ cao b) Đốt cháy giải phóng lượng dạng nhiệt, cịn oxy hố sinh học lượng giải phóng khơng dạng nhiệt mà cịn dạng liên kết hố học, phải kể tới vai trò quan trọng liên kết cao ATP c) Phản ứng đốt cháy xảy giai đoạn, cịn oxy hố sinh học chất bị oxy hoá chuyển thành sản phẩm đơn giản cuối bị oxy hố hồn tồn, nghĩa xảy thành chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn NADP+ tích điện dương (dạng pyridinium); cịn tiếp nhận hydro chúng chuyển thành trạng thái khử Pyridinnucleotid thay đổi trạng thái oxy hố hay khử đồng thời làm thay đổi hấp thụ quang phổ coenzym Chính vậy, vào năm 1936, Warburg phát tổ hợp quang, mà ngày người ta sử dụng rộng rãi phương pháp sinh hoá Nguyên tắc phương pháp dựa vào sở hai pyridinnucleotid NADH NADPH dạng khử có tác dụng coenzym nhiều phản ứng enzym hấp thụ cực đại bước sóng 340nm; ngược lại dạng oxy hố NAD+ và NADP+ khơng hấp thụ bước sóng khoảng từ 300 đến 400 nm Do đó, người ta thay đổi độ giảm sắc (Extinxtion) phản ứng dehydrogenase bước sóng 340nm hay chiều dài sóng khác 334 366nm Bằng phương pháp quang học, cho phép nghiên cứu dễ dàng mối quan hệ coenzym với protein - enzym Cơ sở vấn đề dựa vào biến đổi hấp thụ quang liên kết coenzym vài dehydrogenase Còn phản ứng enzym khác khơng phụ thuộc vào pyridinnucleotid phối hợp với hệ thống dehydrogenase tương ứng tổ hợp quang có trao đổi chất tế bào Ngày nay, người ta phát khoảng 200 loại protein- enzym có coenzym + NAD hay NADP+ hoặc hai pyridinnucleotid Các enzym có tế bào chất ty thể Tuy số dehydrogenase nhiều mà số phản ứng dehydro hoá lại có hạn Người ta cho pyridinnucleotid hydro hoá dạng NADH chủ yếu tham gia vào q trình oxy hố bên chuỗi hơ hấp, cịn NADPH tham gia để thực trình tái tổng hợp Trong chuỗi hơ hấp NADH bị oxy hoá enzym flavin b) Các enzym flavin Các flavinnucleotid gồm có flavin-mononucleotid (FMN) flavin-adenin-dinucleotid (FAD) nhóm ngoại “enzym vàng” (flavo protein hay flavin-enzym ) có cấu tạo sau : Chúng dẫn xuất riboflavin coenzym có chức vận chuyển hydro Trong phân tử FMN không chứa ribose mà rượu ribitol (khác với nucleotid khác), phân tử FAD gồm nửa FMN nửa AMP Phần isoallosazin hai coenzym hệ thống azaquinoid - thường tồn ba dạng : -Dạng oxy hoá : flavoquinon -Dạng bán khử : flavosemiquinon -Dạng khử : leucoflavin Khi đo quang phổ hồng ngoại nghiên cứu đường hướng điện tử cho thấy : oxy hoá NADH enzym flavin xảy nhóm ngoại chúng, lúc từ trạng thái flavoquinon chuyển qua trạng thái có tính chất “bán khử” flavosemiquinon cuối tạo thành trạng thái khử hoàn toàn leucoflavin Q trình khử xảy bước, từ vận chuyển hai điện tử nhanh chóng chuyển sang vận chuyển điện tử Cho nên, flavin có khả tham gia vận chuyển hai hay điện tử chuỗi hô hấp Đáng ý đa số enzym flavin có quan hệ chặt chẽ với enzym NADHdehydrogenase succinatdehydrogenase Chúng enzym quan trọng chuỗi hô hấp cầu nối phản ứng dehydro hoá chất với hệ thống vận chuyển điện tử giới hạn Bên cạnh hai enzym này, người ta cịn thấy chuỗi hơ hấp có glycerin -1phosphatdehydrogenase ty thể phụ thuộc vào FAD cholindehydrogenase Khơng NADH - dehydrogenase mà cịn succinatdehydrogenase có cấu trúc chức nên quan hệ chặt chẽ với hệ thống vận chuyển điện tử Chúng hệ thống thường xuyên thay đổi thành phần quan trọng gắn liền với màng ty thể Do đó, việc tinh nghiên cứu đặc trưng sinh hố hai enzym khó khăn Người ta cho NADH dehydrogenase ty thể tim liên kết chặt chẽ với nhóm ngoại FMN, cịn succinathydrogenase lại liên kết chặt chẽ với FAD Các coenzym liên kết cộng hoá trị với protein - enzym Như đề cập trên, NADH - dehydrogenase bị khử hydro NADH, succinatdehydrogenase lại bị khử axit malic (sản phẩm trung gian chu trình Krebs) Cả hai enzym bị oxy hoá ubiquinon (coenzym Q) Người ta thường sử dụng chất nhận điện tử nhân tạo để nghiên cứu enzym Kết cho thấy ferricyanid có tác dụng với NADHdehydrogenase, cịn phenazinmethio-sunfat có tác dụng với succinat-dehydrogenase, chúng enzym chun hố cao Ngồi ra, hai enzym cịn chứa thành phần khác sắt, không liên kết theo kiểu "Hem" Trong năm gần đây, người ta nghiên cứu sơ cấu trúc liên kết hoá học hai enzym Kết cho thấy NADH-dehydrogenase có khối lượng phân tử tối thiểu vào khoảng 70.000 (trên phân tử FMN) đơn vị FMN có chứa sắt (Fe) lưu huỳnh (S) với tỷ lệ 1:1:4 (FMN-Fe-S) Cịn succinatdehydrogenase (chứa FAD) có lượng phân tử khoảng 97.000, hai đơn vị cấu thành Một đơn vị flavoprotein vào khoảng 70.000, theo nguyên tắc phân tử FAD liên kết nguyên tử với nguyên tử sắt nguyên tử lưu huỳnh, đơn vị sắt - lưu huỳnh -protein với khối lượng phân tử 27.000 c) Ubiquinon ( coenzym Q) Các enzym flavin làm nhiệm vụ vận chuyển hydro từ NADH succinat đến ubiquinon thành phần chuỗi hô hấp Ubiquinon nằm enzym flavin hệ thống cytochrom Ubiquinon cịn có tên gọi coenzym Q Nó hệ thống quinon chuỗi hơ hấp Lần đầu tiên, người ta phân lập ubiquinon từ ty thể tim bò Còn ty thể nấm men vi khuẩn dạng đồng phân, đồng phân tuỳ thuộc vào số đơn vị isopreoid mà có tên gọi tương ứng : Q7, Q8, Q9, Q10,.Như nói, coenzym Q giai đoạn chính, vị trí cửa ngõ hai đường vận chuyển hydro chủ yếu chuỗi hô hấp Con đường thứ gọi hệ thống NADH - CoQ - reductase đường thứ hai gọi hệ thống malatdehydrogenase-CoQ- reductase Cả hai đường có tham gia flavoprotein, đường thứ phụ thuộc FMN, cịn đường thứ hai phụ thuộc FAD Bên cạnh flavoprotein, thành phần hai hệ thống có "Trung tâm sắt - lưu huỳnh" mô tả tương tự hệ thống oxy hố khử có lẽ chúng thành phần bắt buộc chuỗi hô hấp Chúng có cấu tạo protein đơn giản mà sắt khơng có kiểu liên kết sắt nhân "Hem" Protein có ý nghĩa lớn lao q trình chế biến lượng Hệ thống NADH-CoQ-reductase có ý nghĩa quan trọng thí nghiệm làm ngừng hô hấp chất amytal, rotenol picricidin A Những chất có ý nghĩa lớn nghiên cứu chuỗi hơ hấp nghiên cứu trình tự tiểu phần chuỗi hô hấp 3.2.2 Phần vận chuyển điện tử chuỗi hô hấp Hệ thống cytochrom - chặng đường kết thúc vai trò ubiquinon Tiếp theo ubiquinon cytochrom b Tại bước ngoặt hai pha chuỗi hô hấp - điểm làm thay đổi từ vận chuyển hai điện tử sang vận chuyển điện tử Hydro tách từ chất khác vận chuyển qua giai đoạn trung gian đến ubiquinon, đến hệ thống cytochrom vận chuyển điện tử Phần vận chuyển điện tử chuỗi hô hấp bao gồm từ cytochrom b, c 1, c, cytochromoxidase oxy chất nhận điện tử cuối Những cơng trình nghiên cứu Macmunn 1885-1886 tế bào phát nhân tố gọi tế bào "Hemin" hay "Cytohemin" gọi "Histohematin" Đến 1925 Keilin, phát lại nguồn gốc chất nói đến 1937 Keilin Harter phân lập cytochrom đầu tiên, cytochrom c Từ đó, việc phát nghiên cứu cytochrom ngày mở rộng Các cytochrom khác chuỗi bên Nguyên tử trung tâm hệ thống vòng porphyrin sắt (dạng Fe2+ hay Fe3+) trao đổi hố trị thực chất chất vận chuyển điện tử (bảng 3.2.) Những liên kết sắt porphyrin cytochrom có tính chất chun hố hấp thụ ánh sáng Hấp thu quang phổ chun hố có ý nghĩa quan trọng việc xếp nghiên cứu đặc trưng cytochrom Hàng loạt kết nghiên cứu cytochrom chuỗi hô hấp chủ yếu xác định oxy hoá khử chúng Tuy nhiên vị trí vài cytochrom cịn chưa giải thích thoả đáng Người ta cho vi khuẩn cytochrom liên kết với màng vi khuẩn Hình 3.3.Sơ đồ chuỗi chuyền điện tử xoang gian màng ty thể a) Cytochrom b Cytochrom b nằm vị trí ubiquinon cytochrom c Nó có khối lượng phân tử vào khoảng 17.000 (monomer) có khuynh hướng tự ngưng tụ mạnh mẽ để tạo thành dạng trùng hợp cao phân tử với khối lượng lên tới triệu Cytochrom b liên kết chặt chẽ với màng ty thể Trong microsom, người ta phát thấy có loại cytochrom b khác gọi cytochrom b Nó bị khử NADH tạo thành phức hợp NADH-cytochrom b 5-reductase Sau cytochrom b5 bị oxy hoá cytochrom c Khi xác định quang phổ, người ta thấy cytochrom b5 khơng mang màu Nhóm cytochrom tương tự cytochrom a, chất chúng có biểu lipoprotein b) Cytochrom c1 Cytochrom c1 cũng giống cytochrom c, thay cho hệ thống vận chuyển điện tử Hai cytochrom khác bước sóng hấp thụ quang nhiệt độ hoạt động tối ưu Vị trí cytochrom c1 trong chuỗi hơ hấp cịn chưa rõ ràng Theo nghiên cứu đángtin cậy chiếm vị trí đường chuỗi hơ hấp Cytochrom c1 do có cấu trúc đặc biệt, nên khó hồ tan cytochrom c Cytochrom c 1 có khối lượng phân tử vào khoảng 30.600 c) Cytochrom c Cytochrom c cytochrom nghiên cứu nhiều Người ta nghiên cứu cấu trúc bậc cytochrom c Nhân "Hem" liên kết cộng hoá trị với protein liên kết thioester Cụ thể liên kết xảy gốc cystein 14 17 chuỗi polypeptid với nhóm "Hem" Do cấu trúc đặc biệt nhân "Hem", nên có ảnh hưởng sâu sắc đến tạo thành xoắn ốc protein Khác với cytochrom c dễ hồ tan nước ty thể lại liên kết với lipoprotein d) Cytochromoxidase (Cytochrom a + a3) Cytochromoxidase cịn gọi enzym hơ hấp Warburg, coi enzym tận chuỗi hơ hấp, đứng mặt oxy mà nói. Nó có lực lớn với oxy, bị oxy hoá oxy với tốc độ lớn nhiều so với cytochrom b, c 1 và c, bị kìm hãm hoạt động mạnh cyanid hay carbonmonoxid phản ứng với dạng hoá trị sắt (Fe2+) "Hem" Mặc dù, cytochromoxidase liên kết chặt chẽ với màng ty thể, gần người ta phân lập loại enzym Kết cho thấy cytochromoxidase chuỗi polypeptid có độ lớn khác có khối lượng phân tử vào khoảng 20.000 Cụ thể, cytochromoxidase tim cấu thành từ 12 đơn vị có khối lượng phân tử 6.000 36.000 Cho nên, khối lượng phân tử enzym hoàn chỉnh vào khoảng 170.000 Cấu trúc bậc đơn vị giải thích đầy đủ Tuy nhiên, phương diện cấu trúc bậc bốn cytochromoxidase chưa rõ ràng cịn tài liệu đề cập tới Mỗi phân tử enzym nguyên thể (170.000) có chứa hai nhóm "Hem" hai ion đồng, trung tâm oxy hố khử enzym giống trung tâm oxy hoá khử sắt cytochrom khác, ion đồng trao đổi hoá trị (Cu 22+ + e- Cu+ ) tham gia vào chức cytochromoxidase Cytochromoxidase không enzym oxy hố khử mà cịn bơm ion Nó làm nhiệm vụ bơm proton qua màng ty thể từ ngoài, tạo thành kênh ion qua màng ty thể để vận chuyển proton định vị Cấu tạo phức tạp enzym phù hợp với vai trò tác dụng kép (hai chức năng) enzym vận chuyển điện tử bơm ion 3.2.3 Chất nhận điện tử chuỗi hô hấp Trong điều kiện sinh lý định, điện tử chuỗi hô hấp chuyển đến oxy Oxy lúc bị khử trở thành ion oxy (O 2-), phản ứng với proton (H +) hình thành từ đầu đến giai đoạn ubiquinon để tạo thành nước Như vậy, oxy chất nhận điện tử giới hạn đến kết thúc trình vận chuyển hydro điện tử chuỗi hô hấp 3.2 Các phức hợp chuỗi hô hấp Bằng phương pháp khác nhau, người ta xếp chuỗi hô hấp thành bốn phần phức hợp enzym, phần coi "vùng" (tiểu hệ thống) chuỗi hơ hấp Chúng đặc trưng mức độ : - Phức hợp I : Hệ thống NADH-ubiquinon-reductase II : Hệ thống succinat-ubiquinon-reductase ... NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 1.1 Những khái niệm chung trao đổi chất lượng Cơ thể sống hệ thống mở nên xảy trình trao đổi chất lượng mơi trường Cơ thể sống tồn nhờ khả trao đổi không... trình trao đổi chất ln gắn liền với trình trao đổi lượng Bởi vì, hợp chất hữu thành phần vật thể sống có mức lượng dự trữ Mức lượng biến đổi q trình trao đổi chất, có nghĩa có phân phối lại lượng. .. q trình đồng hóa Đó q trình? ?? ?Trao đổi chất trung gian” Kiểu trao đổi chất tính chất trao đổi chất thể định, luôn phụ thuộc chặt chẽ biến đổi phù hợp với điều kiện bên ngồi Nói khác kiểu trao đổi