Giáo trình trao đổi vật chất và năng lượng phần 2 mai xuân lương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT F7G GIÁO TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯNG GS.TS MAI XUÂN LƯƠNG 2005 http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất lượng - 31 - CHƯƠNG TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH HÔ HẤP Glucid thành phần cấu tạo tế bào tạo thể quang hợp từ CO2 H2O nhờ lượng ánh sáng Quá trình trao đổi glucid xảy sau thể dẫn đến hình thành hàng loạt hợp chất hữu khác mà nhiều số chúng thể động vật dùng làm thức ăn Động vật tiếp nhận số lượng lớn glucid để dùng làm chất dinh dưỡng dự trữ, oxy-hóa thu nhận lượng dạng ATP, chuyển hóa thành lipid với mục đích tích lũy nhiều lượng hơn, tổng hợp hàng loạt thành phần cấu tạo tế bào Chỉ có phần nhỏ glucid thực vật có ích cho dinh dưỡng người, máy tiêu hóa người enzyme cần thiết để phân hủy cellulose số polyssaccharide thực vật thành monosaccharide Những glucid chủ yếu có giá trò dinh dưỡng người tinh bột, glycogen, disaccharide saccharose, lactose maltose Trong chương xem xét cách loại đường, mà chủ yếu glucose, hấp thụ, vận chuyển vào tế bào sau sử dụng để sản sinh lượng tạo hàng loạt hợp chất hữu cần thiết cho sinh trưởng phát triển thể sống I SỰ TIẾP NHẬN VÀ HÌNH THÀNH GLUCOSE TRONG TẾ BÀO Bước trao đổi glucose biến thành glucoso-6-phosphate sau vào tế bào Glucoso-6-phosphate ngã tư quan trọng trao đổi glucose tham gia vào số đường trao đổi tiếp theo: 1/ tổng hợp phân hủy glycogen, 2/ sản sinh lactate ATP (glycolys), 3/ gluconeogenes, 4/ tổng hợp pentose hexose khác Thủy phân glucoso-6-phosphate thành glucose Pi hướng chuyển hóa glucoso-6-phosphate xảy gan, thận đường ruột biện pháp chủ yếu để trì hàm lượng bình thường glucose máu Vì vậy, trước hết cần phải xem xét chế vận chuyển glucose vào tế bào, enzyme xúc tác trình hình thành thủy phân glucoso-6-phosphate chế điều hòa trình Sự thâm nhập glucose vào tế bào nồng độ glucose máu vào khoảng 5mM, tức khoảng 90mg dl máu Vì thâm nhập glucose vào tế bào xảy theo chiều gradient nồng độ Tuy nhiên không xảy cách khuếch tán đơn giản thụ động mà cần có hệ thống vận chuyển đặc hiệu Có hai kiểu hệ thống vận chuyển chủ yếu ghi nhận: phụ thuộc không phụ thuộc insulin GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 32 - Các hệ thống vận chuyển không phụ thuộc insulin tìm thấy tế bào gan (hepatocyte), tế bào hồng cầu (erythrocyte) não Trong hepatocyte tốc độ tiếp nhận D-glucose bò ức chế florizin, glycoside độc tố polyphenol thực vật, cytochalasin B Galactose fructose tiếp nhận hệ thống với tốc độ thấp so với glucose Sự tiếp nhận glucose erythrocyte bò phlorizin ức chế quan hệ với lisulin Người ta cho chất vận chuyển glucose erythrocyte protein (MW=200.000) cấu tạo từ phần đơn vò có kích thước Cơ chế vận chuyển hexose hepatocyte giống với chế erythrocyte Các hệ thống vận chuyển phụ thuộc insulin: Tế bào tế bào tạo mỡ (adipocyte) có hệ thống vận chuyển glucose phụ thuộc insulin Các nghiên cứu với adipocyte cho thấy insulin làm tăng Vmax không làm thay đổi số cân phản ứng vận chuyển glucose Hơn nữa, gắn insulin với receptor glucose màng tế bào chất, trình vận chuyển glucose bò ảnh hưởng theo hai cách khác nhau: 1/ chuyển protein vận chuyển glucose từ màng microsome nội bào đến màng tế bào chất cách làm tăng số lượng protein vận chuyển glucose màng tế bào chất; 2/ sau di chuyển, hoạt tính protein vận chuyển tăng lên khoảng hai lần so với trường hợp không xử lý insulin Tế bào vi khuẩn có số hệ thống vận chuyển glucose thuộc hai loại: cần cung cấp lượng không cần cung cấp lượng Loại hệ thống cần cung cấp lượng tìm thấy Escherichia coli, Salmonella typhimurium Staphylococcus aureus, sử dụng phosphoenolpyruvate làm nguồn lượng với tham gia ba loại protein khác Ở bước thứ trình enzyme I xúc tác phospho-enolpyruvate phản ứng với protein bào tương (MW=9.400) có tên HPr để tạo phospho-HPr: Enzyme I Phosphoenolpyruvate + HPr ––––––––> Pyruvate + P ~ HPr Mg2+ Để vận chuyển, glucose phản ứng với P ~ HPr, tạo glucoso-6phosphate với xúc tác enzyme II: P ~ HPr + Glucose –––––––––> glucoso-6-phosphate + HPr Bằng cách glucose ngoại bào trở thành glucoso-6-phosphate nội bào Phosphoryl-hóa glucose Hexokinase glucokinase Mọi tế bào cần trao đổi glucose chứa enzyme kinase để xúc tác phản ứng phosphoryl hóa glucose thành glucoso-6-phosphate với tham gia ATP Có hai loại kinase tham gia trình hexokinase glucokinase Cả hai xúc tác phản ứng có tính chất phân tử động học khác GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 33 - Phức hệ Mg2+-ATP sử dụng chất phản ứng tính thuận ngòch, với ∆Go'= -5Kcal/mol, mức lượng glucoso-6-phosphate thấp trạng thái phức hệ Mg2+-ADP ổn đònh so với phức hệ Mg2+ATP Hexokinase tìm thấy tất mô tồn dạng isoenzyme I, II III Trong não chủ yếu chứa dạng I, vân chủ yếu chứa dạng II, tất mô, trừ gan, có mặt dạng với số lượng khác Tính chất động học dạng giống nhau, có gía trò Km thấp glucose (từ đến 30 micromol) Mỗi dạng sử dụng monosaccharide khác làm chất để tạo 6-phosphate tương ứng Glucoso-6phosphate chất ức chế dạng tác dụng ức chế thể chất gắn với trung tâm trung tâm hoạt động Dạng hexokinase II chủ yếu có mặt bào tương, dạng I vừa nằm bào tương vừa gắn với ty thể Khác với dạng hexokinase động vật có vú chứa phần đơn vò với MW-100.000, hexokinase nấm men chứa hai phần đơn vò giống (MW=50.000), hoạt tính không chòu ảnh hưởng glucoso-6phosphate Glucokinase, thường gọi hexokinase IV, protein monomer (MW=48.000), có mặt gan Chỉ có glucose mannose chất tự nhiên giá trò Km tương ứng hai chất 12 33 mM Cùng với gía trò Km cao glucose, glucokinase khác hexokinase chỗ hoạt tính không bò glucoso-6-phosphate ức chế Các tính chất thể qua khác vận chuyển glucose vào gan vào mô khác Mặc dù trình trao đổi bình thường glucose gan chòu ảnh hưởng insulin, gan không đòi hỏi insulin để tiếp nhận glucose Tế bào gan dễ dàng cho phép glucose di chuyển vào Hơn nữa, khác với mô mô mỡ, tiếp nhận glucose phụ thuộc insulin, glucose gan tiếp nhận điều kiện đường huyết cao Như vậy, glucokinase có vai trò bẫy lượng glucose-huyết dư thừa gan, không chòu chi phối nồng độ glucoso-6phosphate, cách cho phép tích lũy glucose dạng glycogen acid béo sau tiếp tục chuyển hóa Rõ ràng tính chất enzyme hoàn toàn thích nghi với vai trò trao đổi chất tế bào Hàm lượng glucokinase gan phụ thuộc tuổi, chế độ ăn uống trạng thái hormone thể động vật Trong gan bào thai chứa hexokinase; hàm lượng giảm xuống sau sinh với xuất glucokinase Điều liên quan với đời sống bào thai mà glucose cung cấp qua Hàm lượng glucokinase phụ thuộc vào việc sử dụng glucid chế độ ăn uống: cung cấp glucose cho động vật yếu tố kích thích tổng hợp glucokinase Nguyên nhân bệnh tiểu đường insulin ảnh hưởng đến việc tổng hợp protein enzyme Một số hormone khác có tác dụng điều hòa mức độ glucokinase: epinephrine glucagon ức chế khôi phục glucokinase động vật nhòn đói sau phục hồi cung cấp glucose, hormone corticoid tuyến vỏ thượng thận giúp nhanh chóng khôi phục việc tổng hợp glucokinase gan tiếp tục cung cấp thức ăn GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 34 - Dephosphryl-hóa glucose Glucoso-6-phosphatase Glucoso-6-phosphate có tác dụng góp phần trì nồng độ glucose máu bò thủy phân thành glucose phosphate vô Enzyme glucoso-6phosphatase : xúc tác phản ứng Mg2+ Glucoso-6-phosphate + H2O ––––––> Glucose + Pi tìm thấy gan, thận đường ruột, tức ba quan có vai trò việc cung cấp bổ sung glucose cho máu Glucoso-6-phosphatase enzyme liên kết với màng mạng nội chất nhám hệ thống gồm thành phần, mô tả hình 10 Hệ thống bao gồm: 1/ glucoso-6-phosphate translocase, ký hiệu T1, có nhiệm vụ vận chuyển glucose từ bào tương vào khoang mạng nội chất; 2/ phosphatase, nằm phía khoang mạng nội chất, làm nhiệm vụ thủy phân glucoso-6-phosphate; 3/ loại phosphate translocase vô cơ, ký hiệu T2 , giúp vận chuyển Pi từ mạng nội chất bào tương 4/ glucose translocase, ký hiệu T3 , giúp glucose di chuyển từ khoang mạng nội chất phía bào tương cách dễ dàng Trong chuỗi phản ứng có tham gia carbamoyl-phosphate (CP) Hình10 Sơ đồ cấu tạo hệ thống glucoso-6-phosphatase II GLYCOLYS Nghiên cứu trình dò hóa tế bào, theo truyền thống, thường bắt đầu việc tìm hiểu trình lên men, hay hô hấp điều kiện kỵ khí, mà sở trình glycolys , bao gồm trật tự phản ứng phân giải glucose thành acid pyruvic Truyền thống có ba lý do: Thứ thể sống có lẻ xuất Trái đất vào lúc mà bầu khí oxy, nên hô hấp kỵ khí xem dạng đơn giản chế sinh học cho phép thu nhận lượng từ chất dinh dưỡng Thứ hai đa số thể hiếu khí tồn ngày giữ khả tích lũy lượng lấy từ glucose phương pháp đơn giản với tư cách giai đoạn chuẩn bò để oxy-hóa tiếp tục sản phẩm hình thành giai đoạn điều kiện có oxy Thứ ba giai đoạn phản ứng enzyme trình phân hủy glucose điều kiện kỵ khí chế tích lũy lượng trình hiểu biết chi tiết GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 35 - Với lý glycolys mô hình quan trọng để nghiên cứu trình phức tạp Glycolys sở trình lên men Tất thể dò dưỡng thu nhận lượng từ phản ứng oxy-hóa khử Trong trình lên men (hô hấp kỵ khí) vai trò chất nhận điện tử cuối thực phân tử hữu hình thành trình lên men Như vậy, lên men trình oxy-hóa khử nội Mức độ oxy-hóa tổng quát sản phẩm oxy-hóa trình không khác với mức độ oxy-hóa chất bò lên men Trong số nhiều kiểu lên men mà chất glucose, quan trọng hai kiểu lên men có quan hệ chặt chẽ với sau đây: - Lên men lactic dẫn đến hình thành hai phân tử acid lactic từ phân tử glucose Kiểu lên men đặc trưng cho nhiều vi sinh vật tế bào động vật bậc cao, kể động vật có vú - Lên men rượu dẫn đến hình thành hai phân tử ethanol hai phân tử CO2 từ phân tử glucose Cả hai kiểu lên men xảy với xúc tác hệ enzyme glycolys Sự khác chúng thể giai đoạn cuối cùng, sau hình thành acid pyruvic Trong lên men lactic acid pyruvic bò khử thành acid lactic, lên men rượu phản ứng thay hai phản ứng khác để dẫn đến hình thành ethanol CO2 Mặc dù hai trình lên men tham gia oxy phân tử, song chúng xảy phản ứng oxy-hóa khử Chính mà hai sản phẩm trình lên men rượu CO2 chất có mức độ oxy-hóa cao hơn, ethanol - có mức độ khử cao hơn; acid pyruvic - sản phẩm cuối trình lên men lactic, đầu mức độ khử cao, đầu có mức độ oxy-hóa cao Trong hợp chất ban đầu (glucose) nguyên tử hydro phân bố đặn Đặc điểm quan trọng thứ hai hai trình lên men này, hay nói chung, glycolys chúng kèm theo tổng hợp ATP từ ADP phosphate vô Nếu phản ứng phosphoryl-hóa ADP đồng thời glycolys lên men nói chung xảy Phương trình tổng quát lên men lactic lên men rượu viết dạng sau: - Lên men lactic: C6H12O6 + ADP + Pi –––> CH3 -CHOH-COOH + ATP + 2H2O - Lên men rượu: C6H12O6 + ADP + Pi ––––> CH3 -CH2OH + CO2 + ATP + 2H2O Để phân tích biến thiên lượng glycolys, ta tách trình tổng quát thành hai phận: chuyển hóa glucose thành acid lactic (quá trình giải phóng lượng) tổng hợp ATP từ ADP Pi (quá trình hấp thu lượng): Glucose ––––> Lactate, ∆Go'1 = -47,0 Kcal/mol GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 36 - ADP + Pi ––––> ATP ∆Go'2 = x 7,3 = 14,6 Kcal/mol Từ biến thiên lượng tự tổng số glycolys ∆Go' S = ∆Go'1 + ∆Go'2 = -47,0 + 14,6 = -32,4 Kcal/mol Từ số liệu thấy phân giải glucose thành acid lactic kèm theo giải phóng số lượng thừa để phosphoryl-hóa ADP thành ATP Có thể tính cách dễ dàng hai phân tử ATP tích lũy 14,6 x 100/47,0 = 31% lượng tự giải phóng phân giải glucose thành acid lactic Con số thu với nồng độ 1,0M Nếu lưu ý đến nồng độ thực chất tham gia phản ứng sản phẩm phản ứng tế bào, hiệu suất glycolys lớn Nếu trừ số lượng tích lũy hai phân tử ATP, lượng tự glycolys giảm 32,4 Kcal Điều cho thấy thực tế trình không thuận nghòch, mà trạng thái cân lệch hẵn phía hình thành acid lactic Tuy nhiên, đa số giai đoạn trình có giá trò biến thiên lượng tự không lớn, chúng phản ứng thuận nghòch Chiều ngược phản ứng tế bào sử dụng việc tổng hợp lại glucose từ acid lactic Các phản ứng glycolys Tập hợp phản ứng glycolys xem giai đoạn số giai đoạn trình hô hấp hiếu khí Toàn trình glycolys xảy bào tương chia làm hai giai đoạn mô tả hình 11 Ở giai đoạn glucose phosphoryl-hóavà sau bò phân giải thành hai phân tử glyceraldehyde-3-phosphate Ở giai đoạn glyceraldehyde-3-phosphate chuyển hóa thành acid pyruvic Nếu trình xảy điều kiện kỵ khí thì, ta biết, acid pyruvic tiếp tục chuyển hóa thành acid lactic ethanol Giai đoạn thứ xem giai đoạn chuẩn bò Ở giai đoạn hexose lôi vào trình glycolys cách phosphoryl-hóa nhờ ATP để sau tạo sản phẩm chung glyceraldehyde-3-phosphate Giai đoạn thứ hai bao gồm phản ứng oxy-hóa - khử chế tích lũy lượng, ADP phosphoryl-hóa thành ATP GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 37 - Toàn trình glycolys bao gồm ba kiểu phản ứng hóa học mà đường chúng liên quan mật thiết với nhau: Glucose ATP ADP Tích lũy dạng đường đơn giản chuyển hóa chu thànhvglyceraldehyde 3-phosphate + Pvc Glycogen, tinh bột Glucoso-1-phosphate Glucoso-6-phosphate Fructoso-6-phosphate ATP ADP Fructoso-1,6-diphosphate (Glyceraldehyde-3-phosphate) NAD Pvc (1,3-Diphosphoglycerate) ADP NAD.H 2ATP Oxyhóa khử tồng hợp ATP; Hình thành acid lactic (3-Phosphoglycerate) (2-Phosphoglycerate) (Phosphoenolpyruvate) ADP ATP + 2NAD (Pyruvate) 2(Lactate) Hình 11: Sơ đồ tổng quát trình glycolys * Các phản ứng giai đoạn I GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 38 - 1/ Phản ứng phân giải khung carbon glucose thành acid pyruvic (con đường nguyên tử carbon); 2/ Phản ứng mà phosphate vô trở thành nhóm phosphate tận phân tử ATP (con đường nhóm phosphate); 3/ Phản ứng oxy-hóa - khử (con đường vận chuyển điện tử) * Các phản ứng giai đoạn I 1/ Phosphoryl-hóa D-glucose Mg2+ α-D-Glucose + ATP ––––> α -D-Glucoso-6-phosphate + ADP ∆Go' = -4Kcal/mol Phản ứng xem phản ứng khởi động glycolys, phân tử glucose hoạt động nhận gốc phosphate tận ATP phân bố lại điện tử liên kết, nhờ hoạt hóa dạng glucoso-6-phosphate để tham gia vào chuyển hóa Trong số 7,3Kcal ATP cung cấp, 4,0 Kcal giải phóng dạng nhiệt, 3,3Kcal tích lũy dạng hóa phân tử glucoso-6-phosphate hoạt động Xúc tác phản ứng enzyme hexokinase glucokinase mà làm quen mục trước Do lượng tự giảm đáng kể, nên phản ứng xảy theo chiều thuận Quá trình ngược lại xúc tác enzyme khác - α-D-glucoso-6-phosphatase: α-D-Glucoso-6-phosphate + H2O ––> α-D-Glucose + P i ∆Go ' = -3,3 Kcal/mol 2/ Chuyển hóa glucoso-6-phosphate thành fructoso-6-phosphate α-D-Glucoso-6-(P) –––> β-D-Fructoso-6-(P) ∆Go' = + 0,4Kcal/mol Phản ứng đồng phân hóa thực nhờ enzyme phosphogucoisomerase Nó dễ dàng xảy theo hai chiều Trong glycolys phản ứng thuận có ∆Go' > song xảy nhờ giá trò âm phản ứng trước Biến thiên lượng tự tiêu chuẩn hai phản ứng (1) (2) gộp lại giá trò âm (-3,6Kcal/mol) 3/ Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate thành fructoso-1,6-diphosphate Mg2+ β-D-Fructoso-6-(P) + ATP –––> β-D-Fructoso-1,6-di(P) + ADP ∆Go' = -3,4Kcal/mol Phản ứng xem phản ứng khởi động thứ hai, sử dụng thêm phân tử ATP để phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate vò trí C-1 Trong số 7,3Kcal ATP 3,9Kcal tích lũy lại, 3,4Kcal giải phóng Nếu cộng ∆Go' phản ứng, ta có giá trò -7,0Kcal, tức K'eq phản ứng > 105 Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate giai đoạn quan trọng, điều hòa trình glycolys thực thông qua điều hòa hoạt tính enzyme phospho-fructokinase xúc tác phản ứng Hoạt tính bò ức chế ATP citrate (ở nồng độ cao) kích thích ADP AMP GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 39 - Giá trò âm cao ∆Go' cho thấy phản ứng tế bào xảy theo chiều ngược Phản ứng ngược xúc tác enzyme khác Đó diphosphofructosophosphatase: Fructoso-1,6-di(P) + H2O ––> Fructoso-6-(P) + Pi 4/ Phản ứng phân giải fructoso-1,6-diphosphate thành glyceraldehyde-3phosphate dioxyacetonephosphate: D-Fructoso-1,6-di(P) ––> Dioxyacetone-(P) + Glyceraldehyde-3-(P) ∆Go' = +5,73Kcal/mol Phản ứng xúc tác enzyme aldolase Do ∆Go' có giá trò dương cao nên khó hình dung phản ứng xảy theo chiều thuận Tuy nhiên, nhờ tổng biến thiên lượng tự phản ứng trước có giá trò âm cao (-7,0Kcal/mol), nhờ sức kéo nhiệt động học phản ứng sau nên phản ứng xảy cách dễ dàng 5/ Phản ứng chuyển hóa tương hỗ dạng triosophosphate: Dioxyacetonephosphate ––> Glyceraldehyde-3-phosphate ∆Go' = +1,83 Kcal/mol Phản ứng enzyme triosophosphate isomerase xúc tác Nó cần thiết cho glycolys hai loại triosophosphate xuất phân giải fructoso-1,6diphosphate có D-glyceraldehyde-3-phosphate chuyển hóa tiếp tục Phản ứng kết thúc giai đoạn I glycolys ∆Go' hai phản ứng sau cộng lại có giá trò khoảng +7,5Kcal/mol Nếu cộng ∆Go' phản ứng giai đoạn chuẩn bò đây, ta có giá trò +0,5Kcal/mol Để glycolys tiếp tục xảy ra, phản ứng phải phản ứng giải phóng nhiều lượng tự để tạo sức kéo nhiệt động học * Các phản ứng giai đoạn II 6/ Phản ứng oxy-hóa glyceraldehyde-3-phosphate thành acid 1,3diphosphoglyceric Đây giai đoạn quan trọng glycolys, lượng giải phóng oxy-hóa aldehyde 3-phosphoglyceric giữ lại dạng sản phẩm cao 1,3-diphosphoglycerate Việc phát chế Warburg thực năm 1937-1938 xem phát minh quan trọng sinh học đại Lần lòch sử sinh hóa phát chế phản ứng enzyme cho phép lượng giải phóng phản ứng oxy hóa phân tử hữu tích lũy lại phân tử ATP Toàn trình xúc tác enzyme glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase Đây enzyme có cấu trúc phức tạp Enzyme thu nhận từ nấm men có trọng lượng phân tử 140.000 cấu tạo từ phần đơn vò giống nhau, phần đơn vò chuỗi polypeptide chứa khoảng 330 gốc aminoacid Phương trình tổng quát phản ứng viết dạng sau đây: -Glyceraldehyde-3-phosphate + 2NAD+ + 2Pi ––> ––> 2(1,3-diphosphoglycerate) + 2NAD.H + 2H+ ∆Go' = x 1,5Kcal/mol + 3,0 Kcal Trong phản ứng chức aldehyde glyceraldehyde-3-phosphate bò oxy-hóa thành chức carboxyl Tuy nhiên, thay cho acid 3-phosphoglyceric hình thành acid 1,3-diphosphoglyceric, mà ta biết, có giá trò âm ∆Go' cao GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng 92 Hình 6.6 Phức hệ multienzyme synthetase acid béo tế bào euxcaryote Nguyên liệu để tổng hợp acid béo acetyl-CoA vốn hình thành ty thể βoxy-hóa acid béo decarboxyl-hóa acid pyruvic từ số nguồn khác Các phân tử acetyl-CoA vận chuyển tế bào chất nhờ kết hợp với oxaloacetate để tạo citrate Chất khỏi ty thể nhờ chế vận chuyển đặc biệt để lại bò phân giải thành acetyl-CoA oxaloacetate nhờ enzyme phụ thuộc ATP Mặc dù nguyên liệu để tổng hợp acid béo acetyl-CoA, song trước hết cần carboxyl-hóa thành malonyl-CoA nhờ acetyl-CoA carboxylase: CH3-C-S-CoA + CO2 + ATP → HOOC-CH2-C-S-CoA + AMP + PPi O O Sau trình sinh tổng hợp acid béo bắt đầu trật tự phản ứng mô tả hình 6.5 Trong phản ứng (1) (2) acetyl-CoA malonyl-CoA nhờ enzyme vận chuyển tương ứng acetyl transacylase malonyl trans-acylase chuyển hóa thành acetylACP malonyl-ACP Hai chất phản ứng (3) kết hợp với nhờ β-cetoacylACP synthetase thành sản phẩm 4C acetoacetyl-ACP, đồng thời giải phóng CO2 Acetoacetyl-ACP dước tác dụng β-cetoacyl-ACP reductase với coenzyme NADP.H bò khử phản ứng (4) thành D-β-oxy- butyryl-ACP (Cần lưu ý β-oxy-hóa β-oxybutyryl-CoA có cấu hình L) Trong phản ứng (5) với xúc tác enoyl-ACP hydratase – β-oxybuty- ryl-ACP bò dehydrate-hóa thành sản phẩm không no crotonyl-ACP Cuối cùng, phản ứng (6) xúc tác crotonyl-ACPreductase với coenzyme NADP.H crotonyl-ACP bò khử thành butyryl-ACP Butyryl-ACP lại kết hợp với http://www.ebook.edu.vn 92 Trao đổi chất lượng 93 malonyl-ACP theo chế phản ứng (3) trình lặp lại trên, làm cho phân tử acid béo nối dài thêm đoạn carbon nữa, tạo acyl-ACP chứa carbon (C6 ) Khi phân tử acyl-ACP đạt chiều dài cần thiết, ACP-SH tách khỏi gốc acid béo nhờ enzyme thủy phân deacylase Trong phức hệ multienzyme tổng hợp acid béo tế bào eucaryote ACP-SH chiếm vò trí trung tâm tiếp xúc trực tiếp với enzyme lại (hình 6.6) Coenzyme ACPSH bao gồm phospho-pantotenate β-mercaptoethylamin Thông qua gốc phosphate phosphopantotenate, coenzyme liên kết ester với gốc serine chuỗi polypeptide (Ở E coli chuỗi polypeptide chứa 77 gốc aminoacid gốc serine thứ 36 gắn với coenzyme) Trong nhóm -SH mercaptoethylamine liên kết với chất với sản phẩm trung gian trình sinh tổng hợp Bằng cách coenzyme ACPSH làm nhiệm vụ cánh tay để chuyển giao sản phẩm trung gian từ enzyme nà đến enzyme khác Các sản phẩm trung gian nhờ liên kết chặt chẽ với nhóm -SH tận ACP nên không bò chi phối trình trao đổi chất khác bào tương mà trình sinh tổng hợp acid béo thực Trong tế bào E coli vi khuẩn nói chung enzyme hệ thống synthetase acid béo thực chức xúc tác cách riêng lẻ Tốc độ sinh tổng hợp acid béo tế bào có lẽ điều hòa tốc độ hình thành triacylglycerine glycerophospholipid, acid béo tự không tích lũy tế bào với hàm lượng cao Bên cạnh chế tồn số chế khác, chủ yếu để nối dài thêm mạch acid béo sẵn có 12-16 nguyên tử carbon: 1/ Trong ty thể mạch carbon acyl-CoA nối dài cách kết hợp với acetyl-CoA theo chế ngược với β-oxy-hóa, trừ phản ứng hydrogen-hóa liên kết đôi xảy với tham gia NADP.H FAD.H2 Hệ enzyme ty thể nối dài mạch carbon acid béo không no 2/ Trong vi thể tồn hệ thống enzyme khác xúc tác trình nối dài mạch carbon acid béo no không no cách gắn thêm gốc acetyl từ malonyl-CoA Phản ứng hydrogen-hóa liên kết đôi thực nhờ NADP.H Để tổng hợp acid béo có số nguyên tử carbon lẻ, propionyl- ACP thay cho acetyl-ACP tham gia phản ứng (3) với malonyl- ACP Trong đó, thay cho acetylACP sản phẩm dò hóa valine, leucine isoleucine, ví dụ isobutyryl-ACP, isovaleryl-ACP α- methylbutyryl-ACP, mạch acid béo tổng hợp có cấu trúc phân nhánh đầu CH3 tận cùng, tương tự cấu trúc phân nhánh aminoacid Trong trường hợp methylmalonyl-ACP thay cho malonyl-ACP phản ứng (3) cấu trúc phân nhánh dạng nhóm methyl có mặt khu vực khác mạch acid béo Sinh tổng hợp acid béo không no Ở sinh vật khác có đường khác dẫn đến hình thành liên kết đôi acid béo không no Liên kết đôi hình thành trình tăng trưởng mạch carbon sau trình tăng trưởng kết thúc (hình 6.7) http://www.ebook.edu.vn 93 Trao đổi chất lượng 94 Ở E coli vi khuẩn tương tự vốn sống điều kiện kỵ khí trình tổng hợp acid béo không no thực cách tạo liên kết đôi giai đoạn hình thành βoxydecanoyl-ACP chứa 10 nguyên tử carbon Dưới tác dụng βoxydecanoyl-thioester dehydratase nhóm β-hydroxyl loại bỏ để tạo liên kết đôi với cấu hình ∆-3,4-cis- (chứ ∆-2,3-trans- xảy phản ứng (5) sinh tổng hợp acid béo no) Sau nhờ hệ enzyme synthetase acid béo mạch carbon tiếp tục tăng trưởng để tạo palmitooeyl-ACP (C16) varsenoyl-ACP (C18) vốn phổ biến nhóm tế bào Hình 29 Sinh tổng hợp acid béo không no Người ta cho động vật, thực vật phần lớn vi sinh vật hiếu khí acid béo không no chứa liên kết đôi hình thành từ dẫn xuất coenzyme A acid béo no nhờ loại oxygenase đặc biệt đònh vò vi thể Ví dụ: Palmitoyl-CoA + NADP.H + H+ ⎯→ Palmitooleyl-CoA + NADP+ + H2O http://www.ebook.edu.vn 94 Trao đổi chất lượng 95 Tính chất đặc biệt phản ứng thể chỗ phân tử oxy dùng làm chất nhận hai cặp điện tử: cặp từ chất cặp từ coenzyme Những enzyme loại gọi "oxygenase có chức hỗn hợp" Acid béo chứa nhiều liên kết đôi hình thành từ stearoyl-CoA Trong tế bào chất động vật thực vật từ stearoyl-CoA tạo oleoyl-CoA Sau từ axit béo không no có liên kết đôi với tham gia NADP.H, feredoxin O2 tạo linoleoyl-CoA linolenoyl-CoA acid béo có nhiều liên kết đôi động vật oleoyl-CoA không chuyển hóa thành linoleoyl-CoA, acid béo không no chứa nhiều liên kết đôi acid linoleic,acid linolenic, acid arachidonic không tổng hợp thể chúng acid béo gọi "acid béo không thay thế", hay vitamin F III SINH TỔNG HP TRIACYLGLYCERIN Triacylglycerin tổng hợp từ L-glycerol-3-phosphate dẫn suất Coenzyme A acid béo Glycerol-3-phosphate hình thành từ hai nguồn khác nhau: 1/ Khử dioxyacetonephosphate glycerophosphate dehydrogenase xúc tác: Dioxyacetonephosphate + NAD.H+H+ → Glycerol-3-phosphate + NAD+ 2/ phosphoryl-hóa glycerol nhờ glycerokinase: Glycerol + ATP –––→ Glycerol-3-phosphate + ADP Giai đoạn đầu trình sinh tổng hợp triacylglycerin phản ứng tổng hợp acid phosphatidic: CH2OH O O H2 - C – O – C - R1 HO-C-H + R1-C-S-CoA + R2-C-S-CoA ––> R2 -C- O – C - H O + 2CoA-SH CH2O-(P) O H2C – O - (P) (Glycerophosphate) (Acid phosphatidic) Ở số vi sinh vật, ví dụ E coli, acid béo tham gia phản ứng dạng dẫn xuất ACP-SH Nhờ phosphatase đặc hiệu acid phosphatidic loại bỏ gốc phosphate để trở thành diacylglycerin Cuối cùng, chất gắn thêm gốc acid béo thứ ba để tạo triacylglycerin Triacylglycerin tổng hợp tích lũy mô dự trữ động vật thực vật Trong thể động vật trình tích lũy đẩy mạnh thức ăn có hàm lượng glucid cáo Trong trường hợp hàm lượng glucose máu tăng lên đồng thời tăng mức độ dự trữ glycogen tế bào Hàm lượng ATP tăng lên, gây ức chế chu trình acid tricarboxylic Kết acid citric bò đưa khỏi ty thể bò phân giải tác dụng enzyme citrate liase phụ thuộc ATP: Citrate + CoA-SH + ATP –––→ Oxaloacetate + Acetyl-CoA + ADP + Pi Oxaloacetate bò khử thành malate sau bò oxy-hóa decarboxyl-hóa thành acid pyruvic xâm nhập lại vào ty thể; acetyl-CoA sử dụng để tổng hợp acid béo sau với glycerol-3- phosphate tổng hợp lipid dự trữ, làm cho trình tích lũy mỡ tăng cường http://www.ebook.edu.vn 95 Trao đổi chất lượng 96 Quá trình tích lũy mỡ thúc đẩy acid citric có tác dụng hoạt hóa enzyme acetyl-CoA carboxylase Insulin có tác dụng thúc đẩy trình tích lũy mỡ làm tăng hoạt tính hệ enzyme tổng hợp lipid, đặc biệt enzyme citrate liase phụ thuộc ATP Ngoài ra, thông qua tác dụng ức chế hình thành AMP vòng ngăn cản trình huy động mỡ dự trữ http://www.ebook.edu.vn 96 Trao đổi chất lượng 97 CHƯƠNG MÀNG SINH HỌC VÀ SỰ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT QUA MÀNG Tế bào sống xuất với hình thành màng ngăn cách chúng với môi trường xung quanh Hệ thống màng nơi diễn trình biến đổi lượng trao đổi tín hiệu sinh học tế bào với chúng với môi trường xung quanh Hệ thống màng sinh học chắn lại đàn hồi, có khả tự sửa chữa có tính thấm chọn lọc chất hòa tan phân cực Chúng không đơn rào cản bảo vệ tế bào mà tham gia vào nhiều trình quan trọng vận chuyển tích cực có chọn lọc vất chất qua màng, biến đổi lượng sinh học, thu nhận tín hiệu ngoại bào biến đổi chúng thành tín hiệu nội bào I THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA MÀNG TẾ BÀO Protein lipid phân cực hai thành phần chủ yếu màng tế bào Tuy nhiên kết hợp thành phần tỉ lệ chúng khác thể, tế bào, mô quan Sự khác phản ánh vai trò sinh học đặc hiệu loại màng Ví dụ thành phần vỏ myelin bọc dây thần kinh chủ yếu lipid, màng vi khuẩn, ty thể lục lạp nơi xảy trình chuyển hóa vật chất lại chứa nhiều protein Một số protein màng liên kết hóa trò với lipid thông qua mạch bên gốc aminoacid Gly, Ser, Thr Cys cầu nối glycan Trong trường hợp phân tử lipid đóng vai trò làm neo kỵ nước giữ phân tử protein màng Một số phân tử protein màng khác nối với polysaccharide tạo phức hệ glycoprotein phổ biến mặt màng tế bào, màng nội bào màng ty thể luc lạp v.v Protein màng thường nối với polysaccharide liên kết hóa trò với mạch bên gốc aminoacid Ser, Thr Asn II CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA MÀNG TẾ BÀO Có nhiều mô hình giả thuyết cấu tạo màng sinh học tất dựa vào điểm xuất phát chung cấu trúc lớp đôi màng sinh học Độ dày màng sinh học thường thay đổi từ đến nm, lớp lipid dày khoảng nm Màng lipid màng bất đối xứng, có tỉ lệ thành phần lipid mặt mặt khác Điều chứng tỏ chúng có vai trò sinh học khác (hình 30) Màng lipid chuyển động Mặc dù cấu trúc lớp đôi tự cấu trúc ổn đònh phân tử phospholipid sterol thành phần màng di chuyển tự chúng với quay quanh trục khung carbon đuôi acid béo Tất tạo nên di động lớp riêng biệt màng sinh học Mức độ lỏng màng sinh học phụ thuộc vào thành phần màng lipid nhiệt độ môi trường chung quanh Ở nhiệt độ thấp di động, lúc màng có cấu trúc giống cấu trúc mạng tinh thể Khi nhiệt độ gia tăng ngưỡng đònh đó, màng lipid bắt đầu di động (bắt đầu lỏng hơn) Ngưỡng nhiệt độ gọi nhiệt độ chuyển trạng thái thực tế nhiệt độ khác tuỳ loại màng Màng lipid chứa nhiều đuôi acid béo no có nhiệt độ chuyển trạng http://www.ebook.edu.vn 97 Trao đổi chất lượng 98 thái cao Ngược lại, chứa nhiều đuôi acid béo không no có nhiệt độ chuyển trạng thái thấp Hình 30 Mô hình cấu trúc màng sinh học (Chú ý: Đầu phân tử protein mặt màng chứa nhiều đuôi oligosaccharide đóng vai trò cầu nối tiếp xúc vận chuyển thông tin tế bào) Thành phần sterol màng ảnh hưởng tới nhiệt độ chuyển trạng thái cấu trúc cứng nhắc vòng sterol nằm xen kẽ đuôi acid béo có hai tác dụng trái ngược Ở nhiệt độ thấp nhiệt độ chuyển trạng thái cấu trúc cứng nhắc sterol nằm xen kẽ làm xáo trộn xếp trật tự đuôi acid béo có tác dụng làm lỏng màng sinh học, ngăn cản hình thành mạng tinh thể Ngược lại, nhiệt độ cao nhiệt độ chuyển trạng thái cấu trúc lại cản trở di động thái đuôi acid béo làm chậm trình hóa lỏng màng Ngoài hai kiểu di chuyển trên, màng sinh học có kiểu di chuyển thứ ba: vận chuyển lipid từ lớp lipid đơn sang lớp lipid đơn đối diện màng Kiểu vận chuyển gọi khuếch tán đối chuyển “flip-flop” (flip-flop diffusion) Trong kiểu vận chuyển đầu phân cực đầu mang điện phân tử lipid di chuyển qua lớp kỵ nước sang lớp lipid đối diện Đa số trường hợp di chuyển kiểu cần lượng Hiện tượng thường xuyên xảy thời gian tổng hợp màng tế bào Protein màng nằm xen qua màng tạo khe màng Trong thực tế số protein bám mặt màng lipid lớp đôi, có số phân tử protein khác nằm xen kẽ xuyên qua màng Có lẽ chúng đóng vài trò làm phương tiện vận chuyển vật chất truyền tín hiệu quan màng Phân tích thành phần aminoacid protein cho thấy quy luật đầu –NH2 nằm mặt màng thường gắn với oligosaccharide (có lẽ để nhận tín hiệu ngoại bào) Đầu –COOH nằm mặt bên màng Cả hai đầu –NH2 –COOH chứa nhiều aminoacid phân cực mang điện, có nghóa đầu đầu phân tử protein màng có tính ưa nước cao Ngược lại, phần phân tử protein xuyên màng nằm hai lớp lipid lại chủ yếu chứa aminoacid không phân cực có tính kỵ http://www.ebook.edu.vn 98 Trao đổi chất lượng 99 nước cao giống phần lipid kỵ nước nằm xung quanh (hoàn toàn hợp quy huật có lẽ kết trình chọn lọc tự nhiên) Do tính chất đặc hiệu màng sinh học liên quan chủ yếu đến phân bố protein màng, nên nghiên cứu kỹ lưỡng (mặc dù nghiên cứu protein màng việc khó khăn) (hình 31) a/ protein màng có đònh hướng bất đối xứng Khác với thành phần lipid, protein màng không di động thay đổi từ mặt sang mặt màng lớp đôi, mà xếp bất đối xứng gắn với gốc đường (trong trường hợp glycopotein) nằm mặt màng Sự xếp protein màng bất đối xứng trùng hợp với chức hoạt động bất đối xứng (thí dụ, bơm ion màng bơm theo hướng xác đònh) b/ protein màng không tan nước Có hai loọai protein màng: protein màng (intergral protein) protein màng (periphery protein) Protein màng liên kết lỏng lẻo mặt màng dễ bò tách, protein màng liên kết chặt chẽ với màng nên khó bò tách chiết kể Hình 31 Sự sếp protein xuyên màng chất hoạt động bề mặt, dung môi hữu cách làm biến tính protein Sở dó protein màng khó tan chứa nhiều gốc aminoacid kỵ nước Nhờ gốc aminoacid mà protein màng gắn chặt với màng c/ Một số protein màng tạo khe vận chuyển xuyên màng Về tổng thể protein màng chứa nhiều aminoacid kỵ nước Các aminoacid có xếp xen kẽ xuyên màng dạng sợi đơn (thí dụ glycoprotein) Nhưng phổ biến protein màng chứa nhiều đoạn peptid xuyên màng lặp lặp lại nhiều lần làm dãn màng tạo khe màng Điển hình protein màng bacteriorhodopsin tách từ màng vi khuẩn Halobacterium halobium có tới đoạn peptid dạng xoắn α Các đoạn peptid lặp lại lần, nên màng lipid lớp đôi doãng tạo khe vận chuyển protein qua màng (hình 32) http://www.ebook.edu.vn 99 Trao đổi chất lượng 100 Hình 32 Mặt cắt sợi polypeptide bacteriorhodopsin rõ xoắn α xuyên màng tạo khe vận chuyển Sự lai ghép màng có mặt nhiều trình sinh học Trong thực tế, protein màng mằm xen kẽ thay đổi vò trí tương đối nhờ di động trượt xen chúng thành phần lipid Cơ chế sở tượng ghép màng xảy trình tái tổ chức lại màng số hoạt động chức như: tạo chồi từ máy Golgi, trình nhập bào (endositosis), thoát bào (exocytosis), lai trứng tinh trùng tế bào phân chia v.v Quá trình kết hợp lai ghép màng thúc đẩy bới nhóm protein annexin nằm bên màng tế bào có mặt Ca2+ nội bào Ngoài annexin nhóm protein lai ghép (fusion protein) thúc đẳy tạo thành màng lai ghép III VẬN CHUYỂN CHẤT TAN QUA MÀNG Tế bào sống có nhu cầu cung cấp chất dinh dưỡng từ môi trường xung quanh để tạo lượng tiền chất cho việc tổng hợp chất nội bào ngược lại, đưa chất thải Dòng vận chuyển vật chất qua màng từ vào ngược lại thường hai dạng sau: vận chuyển thụ động theo nguyên tắc khuếch tán vận chuyển tích cực thường có hướng ngược độ chênh lệch (gradient) nồng độ tiêu tốn lượng Vận chuyển vật chất qua màng không xảy tế bào chất môi trường xung quanh tế bào, mà xảy bào quan có vách ngăn cách nội bào với Trong nhiều trường hợp vận chuyển nội bào thấy có mặt protein vận chuyển tính chất hệ vận chuyển qua màng tóm tắt bảng 7.1 http://www.ebook.edu.vn 100 Trao đổi chất lượng 101 Bảng 7.1 Bảng tổng quát hệ vận chuyển Phụ thuộc lượng Thí dụ Không có Tạo gradient nồng độ Không không Không không H2O, O2, N2,CH4 Glucose permease hộng cầu có có có có Thứ cấp có có có có Kênh ion có không không không H+ATPase N+K+ATPase Aminoacid đường Kênh Na+ Kiểu vận chuyển protein vận chuyển Không có Bảo hòa chất Vận chuyển tích cực Sơ cấp Khuếch tán Vận chuyển thụ động Vận chuyển theo kiểu khuếch tán đơn giản Đây hình thức vận chuyển qua màng đơn giản hoạt động theo nguyên tắc khuếch tán vật chất từ nơi nồng độ cao xuống nơi nồng độ thấp đạt cân Tuy nhiên, tế bào sống trình gặp trở ngại tính thấm chọn lọc màng Trong thực tế chất phân cực mang điện di chuyển qua màng trước tiên chúng bò vỏ nước bao quanh sau phải khuếch tán qua lớp dầy nm có tính kỵ nước cao, trước sang mặt màng đối diện để có vỏ nước bọc Do trình khuếch tán đơn giản phải có mức lượng hoạt hóa cao Điều sở dó có nhờ chênh lệch nồng độ chất vận chuyển Nước chất phân cực, lại dễ dàng khuếch tán qua màng Bản chất tượng hoàn toàn chưa lý giải, có lẽ chênh lệch áp suất thẩm thấu Một số khí quan trọng O2, N2, CH4 chất phân cực vận chuyển qua màng theo kiểu khuếch tán đơn giản Bên cạnh kiểu vận chuyển khuếch tán đơn giản qua màng, số chất phân cực dạng ion vận chuyển thụ động (passive transport) qua màng nhờ protein vận chuyển (transport protein) màng Chúng hoạt động giống enzyme, enzyme protein vận chuyển không thay đổi trình vận chuyển Protein vận chuyển làm giảm lượng hoạt hóa cần cho trình vận chuyển nhờ tạo vô số liên kết tương tác yếu với chất vận chuyển (giống enzyme tương tác với chất) Ngoài ra, enzyme vận chuyển nằm xen kẽ xuyên màng tạo khe lớn cho phép vật chất vận chuyển qua màng dễ dàng Sau số trường hợp vận chuyển thụ động: http://www.ebook.edu.vn 101 Trao đổi chất lượng 102 a/ Vận chuyển glucose qua màng hồng cầu Tế bào hồng cầu có nhu cầu glucose huyết tương Bình thường nồng độ glucose huyết tương khoảng 5mM, nồng độ glucose bên hồng cầu thấp 5mM Do vậy, glucose vận chuyển qua màng hồng cầu từ vào theo gradient nồng độ Tuy nhiên, glucose không vận chuyển theo kiểu khuếch tán mà theo vận chuyển thụ động nhờ protein vận chuyển màng hồng cầu Đó protein màng có MW 45.000 Da chứa 12 đoạn peptide kò nước nằm xen kẽ màng tạo khe cho phép glucose vận chuyển qua màng tăng khoảng 50.000 lần so với protein vận chuyển Động học trình vận chuyển glucose qua màng giống hệt động học trình xúc tác (Hình 33) Hình 33 Thay đổi lượng tự vận chuyển khuếch tán qua màng khi- có khô- ng có protein vận b/ Cl HCO3 đồng vận chuyển qua màng tế bào: Sự đồng vận chuyển Cl- HCO3chuyển qua màng hồng cầu xẩy trình hô hấp thể động vật Bình thường CO2 thải từ mô trình hô hấp thu vào hồng cầu biến đổi thành bicarbonate (HCO3- ) tan huyết tương mạnh nhiều so với CO2 Điều cho phép huyết tương vận chuyển nhiều CO2 tới phổi Ở phổi HCO3- lại quay trở lại hồng cầu biến đổi lại dạng khí CO2 Có nghóa trình trao đổi khí xảy bình thường HCO3phải vận chuyển qua màng hồng cầu nhanh Trong thực tế nhờ protein vận chuyển, vận chuyển HCO3- qua màng hồng cầu gia tăng hàng triệu lần Protein vận chuyển HCO3- có 12 đoạn peptide xen kẽ xuyên màng tạo khe vận chuyển HCO3- Trong protein vận chuyển glucose có hướng từ vào hồng cầu protein vận chuyển HCO3- lại hoạt động theo hai hướng Trong thực tế trình vận chuyển HCO3- thường kèm theo vận chuyển Cl- theo hướng ngược lại Hệ vận chuyển đơn chuyển hướng gọi uniport (như hệ vận chuyển glucose), hệ vận chuyển hai hướng gọi cotransport có hai kiểu Kiểu vận chuyển đồng hướng (đồng chuyển – symport) kiểu ngược hướng (nghòch chuyển – antiport) trường hợp vận chuyển HCO3- Cl- qua màng hồng cầu (hình 34) http://www.ebook.edu.vn 102 Trao đổi chất lượng 103 Hình 34 Ba hệ vận chuyển khác theo chất hướng vận chuyển chất Vận chuyển tích cực qua màng Trong vận chuyển thụ động vật chất vận chuyển theo độ giảm dần gradient nồng độ không xảy tích lũy vật chất Ngược lại, vận chuyển vật chất tích cực thường ngược với gradient nồng độ cho phép tích lũy vật chất Do theo quan điểm nhiệt động học vận chuyển vật chất tích cực không xảy ngẫu nhiên mà phải kèm theo tiêu tốn lượng (ATP), bù mặt lượng vận chuyển theo gradient nồng độ chất khác Vận chuyển tích cực qua màng có ý nghóa sinh học quan trọng Sau số kiểu vận chuyển tích cực tiêu biểu a/ Đồng vận chuyển tích cực Na+ K+ Ở tế bào động vật có chêng lệch nồng độ Na+ K+ bên bên Nồng độ Na+ bên thấp bên Sự phân bố không cân đối Na+ K+ trì nhờ hệ thống vận chuyển tích cực Na+ K+ qua màng tế bào enzyme Na+K+ ATPase xúc tác Trong trình vận chuyển enzyme nói thủy giải ATP cung cấp lượng để bơm đồng thời ion Na+ ion K+ vào tế bào Enzyme Na+K+ATPase nằm xen kẽ màng tế bào Nó cấu tạo từ tiểu đơn vò có MW tương ứng 50.000 110.000 Da tạo khe rộng xuyên qua màng tế bào Cơ chế hoạt động sau: Hệ enzyme vận chuyển Na+ K+ hoạt động theo chu kỳ tương ứng với thay đổi cấu hình enzyme Trong cấu hình không gắn phosphate (cấu hình I) có lực cao Na+ gắn với Na+ bên tế bào Tiếp theo ATP gắn vào enzyme xảy phản ứng gắn nhóm phosphate lên enzyme chuyển enzyme sang cấu hình II có tính lực thấp Na+, lại có lực cao K+ Điều cho phép giải phóng Na+ môi trường bên gắn với K+ từ môi trường bên Cuối enzyme bò gốc phosphate giảm lực K+ giải phóng vào bên tế bào (hình 35) Do phân bố không đồng Na+ K+ nên hai bên màng tế bào điện động xuyên màng cỡ khoảng từ –50 tới –70mV (bên âm so với bên ngoài) Theo tính toán khoảng 25% lượng thể thường xuyên phải tiêu tốn để trì hệ http://www.ebook.edu.vn 103 Trao đổi chất lượng 104 hệ Na+ K+ ATP hoạt động Hạt bụi (cây shrub) Phi châu chứa ouabain chất ức chế đặc hiệu enzyme Na+ K+ ATPase thổ dân sử dụng để tẩm đầu tên Do có tên ouabain từ tiếng đòa phương waba yo, có nghóa tên thuốc độc Hình 35 Sơ đồ vận chuyển Na+ K+ qua màng b/ Ba hệ vận chuyển ATPase Trong thực tế người ta phân biệt hệ vận chuyển Na+ K+ ATPase Hệ vận chuyển P-ATPase Hệ vận chuyển Na+ K+ ATPa mô tả thuộc hệ vận chuyển có tên chung hệ vận chuyển ATPase kiểu P (P-type ATPase).Tất có cấu tạo giống bò ức chế ouabain Kiểu vận chuyển phổ biến thực vật bậc cao bơm H+ có nhiệm vụ bơm proton màng tạo chênh lệch khoảng độ pH tương ứng với điện động xuyên màng khoảng 250mV Để đẩy proton phải tiêu tốn ATP Hệ vận chuyển ATPase kiểu V (V-type ATPase): Chòu trách nhiệm bơm proton vào số ngăn nội bào (intracellular compartement) như: không bào thực vật nấm mốc, lysosome, endosome, máy golgi phận tiết khác tế bào động vật làm http://www.ebook.edu.vn 104 Trao đổi chất lượng 105 cho pH giảm so với pH tế bào chất bao bọc xung quanh Hệ V-ATPase hoạt động khác so với P-ATPase chỗ gắn nhả nhóm phosphate Tuy nhiên, chế hoạt động chưa biết nhiều Hệ vận chuyển ATPase kiểu (F-type ATPase) đóng vai trò trung tâm việc tạo lượng ATP vi khuẩn, ti thể lục lạp Gọi hệ vận chuyển F-ATPase yếu tố tạo lượng thông qua phản ứng tạo ATP từ ADP Pi song hành với vận chuyển proton qua màng từ nồng độ cao xuống nồng độ thấp Sự chênh lệch nồng độ H+ tạo lượng sinh trình hô hấp puang hợp ti thể lục lạp Do vậy, Ftype ATPase gọi hệ enzyme ATPase Sự chênh lệch nồng độ hai bên màng cung cấp lượng cho trình vận chuyển tích cực ion thứ cấp Sự chênh lệch nồng độ ion Na+ H+ sinh tiến trình trao đổi chất nói chung chủ yếu nhờ lượng nhận từ quang năng, từ trình oxy hóa, phản ứng thủy phân ATP động lực cho trình đồng vận chuyển tích cực ion khác ngược với gradient nồng độ chúng Thí dụ, lactose vận chuyển ngược với gradient nồng độ vào E coli nhờ hệ vận chuyển có tên gọi galactosidase permease cho phép trì nồng độ lactose bên E coli cao 200 lần so với bên Điều đạt nhờ đồng vận chuyển lactose H+ vào bên E coli (hình 36) Hình 36 Sơ đồ hấp thu lactose Tương tự, màng ruột glucose số aminoacid hấp thu vào bên tế bào nhờ trình đồng vận chuyển Na+ theo chiều gradient nồng độ Ở phần lớn tế bào động vật ion Ca2+ trì nhờ chế đồng vận chuyển theo chiều ngược với Na+, ion Ca2+ bơm tế bào đồng thời với ion Na+ bơm vào tế bào Sự đồng vận chuyển vật chất hướng (hoặc ngược hướng) với vận chuyển Na+ từ bên vào tế bào trì nhờ hệ Na+K+ATPase đóng vai trò nhiều trình vận chuyển vật chất xuyên màng Do vai trò quan trọng chênh lệch nồng độ ion hai bên màng nên yếu tố gây xáo động trình hình thành gây hại thể sống http://www.ebook.edu.vn 105 Trao đổi chất lượng 106 Valinomycin monensin hai kháng sinh có chất peptide vòng Valinomycin vận chuyển K+, monensin vận chuyển Na+ xuyên màng theo chiều gradient nồng độ làm chênh lệch nồng độ chúng Do chúng gọi chất chuyển ion (ionophore) thể hoạt tính kháng sinh thông qua việc làm chênh lệch nồng độ ion hai bên màng Kiểu vận chuyển ion khác với hai kiểu vận chuyển ion theo kênh (ion chanel) thường có mặt tế bào thần kinh, tế bào số loại tế bào khác Trong thực tế tín hiệu kích thích lan truyền nhanh chóng tế bào thần kinh tế bào nhờ thay đổi điện động màng tế bào tạo bới kênh vận chuyển ion Kênh ion nghiên cứu kỹ thụ thể acetylcholine tiếp diện (synapse) – nơi tiếp giáp hai tế bào thần kinh Tín hiệu thần kinh lan truyền tới synapse tế bào neuron tiền synapse kích thích tiết acetylcholine Chất khuếch tán gắn lên thụ thể nằm màng tế bào neuron hậu synapse làm thay đổi cấu hình thụ thể dẫn đến mở kênh ion nằm màng Điều tạo điều kiện cho Na+ di chuyền theo gradient nồng độ từ synapse vào tế bào neron hậu synapse làm thay đổi điện tích màng làm xuất tín hiệu thần kinh lan truyền tiếp tục http://www.ebook.edu.vn 106 [...]... rằng ánh sáng không phân hủy CO2 Vì sao ông lại đi đến kết luận này? So sánh phương trình quang hợp của vi khuẩn CO2 + 2H2S → (CH2O) + 2S + H2O với phương trình quang hợp của thực vật CO2 + 2H2O → (CH2O) + O2 + 2H2O dễ dàng thấy rõ là phương trình quang hợp của thực vật có một số thay đổi – ở cả hai vế đều thêm một phân tử nước Các phương trình quang hợp của vi khuẩn và thực vật khác nhau ở chỗ ở vế bên... được 7,3 x 36 = 26 3 Kcal Trong khi đó biến thiên năng lượng tự do của phản ứng C6H12O6 + 6O2 ⎯→ 6CO2 + 6H2O là 686 Kcal Từ đó ta có thể thấy rõ hiệu suất tích lũy năng lượng của phản ứng này là 26 3 x 100 / 686 = 38% GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 55 - CHƯƠNG 5 TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH QUANG HP I KHÁI NIỆM VỀ QUANG HP Có thể hiểu... đường trao đổi chất khác Hình 15 Chu trình citrate (Chu trình acid tricarboxylic, GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 48 - chu trình Krebs) Toàn bộ chu trình acid tricarboxylic bao gồm 7 phản ứng sau đây: 1/ Phản ứng citrate synthase C=O-S-CoA CH3 (Acetyl-CoA) O=C-S-CoA + ––––––> O CH2 HO-C-COOH COOH ––––––> CH2 + CoA-SH HO-C-COOH C-COOH CH2 CH2 CH2... hợp chất cần cho pha tối xảy ra sau đó chất giàu năng lượng, hay hợp chất cao năng ATP, và hợp chất ỡ dạng khử là NADPH NADPH được sử dụng để khử CO2 thành đường glucose và các hợp chất hữu cơ khác trong pha tối, còn ATP được sử dụng như nguồn năng lượng cho quá trình khử này Glucose và các carbohydrate khác trở thành nguyên liệu và nguồn năng lượng để tổng hợp aminoacid, protein, lipid và nhiều hợp chất. .. GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 42 - Mg2+ 2( 3-phosphoglycerate) ⎯⎯> 2( 2-phosphoglycerate) ∆Go' = +0,75Kcal/mol x 2 = +1,5Kcal Xúc tác phản ứng là enzyme phosphoglyceromutase Trong phản ứng gốc phosphate từ vò trí C-3 trong acid glyceric được chuyển sang vò trí C -2, nhờ đó làm tăng tính hoạt động của gốc phosphate trong phân tử Do biến thiên năng lượng. .. lượng ánh sáng và biến chúng thành năng lượng hóa học và một chất khử để được sử dụng trong việc tổng hợp đường glucose và các chất hữu cơ khác nuôi cây Phương trình tổng quát của quang hợp có dạng như sau: năng lượng ánh sáng 6CO2 + 6H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ C6H12O6 + 6O2 Các nhà khoa học đã phát hiện được rằng quá trình quang hợp bao gồm hai pha là pha sáng và pha tối Pha sáng có nhiệm vụ sử dụng năng lượng ánh... 1,3-diphosphoglyceric là R-COOPO 32- , hai quá trình riêng biệt này có thể được viết ở dạng như sau: 1/ R-CHO + H2O + NAD+ ––> R-COO- + NAD.H + H+ ∆Go' = -10,3Kcal/mol; 2/ RCOO- + Pi –––––––––––> RCOOPO 32- + H2O ∆Go' = +11,8Kcal/mol GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 41 - Như vậy, ∆Go's = ∆Go'1 + ∆Go '2 = -10,3 + 11,8 = +1,5Kcal/mol Nếu tính cả số năng lượng tích lũy... một phần nhỏ năng lượng sản sinh trong toàn bộ quá trình phân hủy một phân tử glucose thành khí carbonic và nước Số năng lượng còn lại một phần được giải phóng ở dạng nhiệt vốn cần để thúc đẩy quá trình phản ứng, một phần khác được tích lũy trong các coenzyme khử NAD.H và FAD.H2 vốn có thế khử tiêu chuẩn rất cao và do đó là những hợp chất rất giàu năng lượng (bảng III .2) Như ta đã thấy, có tất cả 12. .. lấy bởi các phân tử khác, làm cho năng lượng hóa học của chúng tăng lên Năng lượng ánh sáng biến thành năng lượng hóa học vào lúc chúng được chuyển cho các phân tử khác và bằng cách đó lại giải phóng năng lượng hóa học có được để tạo ra ATP và NADPH GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 65 - Các nghiên cứu về quang hợp đã tạo cơ sở để cho rằng các điện... thời chất nhận điện tử bò khử theo phương trình: h√ 2H2O + 2A⎯→ 2AH2 + O2 Điều đặc biệt quan trọng là phản ứng không đòi hỏi sự tham gia của CO2 Như vậy, Hill đã cho thấy khả năng tách quá trình giải phóng O2 ra khỏi quá trình khử CO2 Phản ứng trên đây ngày nay được gọi là phản ứng Hill , còn chất A được gọi là thuốc thử Hill Người ta cũng đã phát hiện được rằng thuốc thử Hill trong tế bào GS.TS Mai Xuân ... phương trình quang hợp vi khuẩn CO2 + 2H2S → (CH2O) + 2S + H2O với phương trình quang hợp thực vật CO2 + 2H2O → (CH2O) + O2 + 2H2O dễ dàng thấy rõ phương trình quang hợp thực vật có số thay đổi. . .Trao đổi chất lượng - 31 - CHƯƠNG TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH HÔ HẤP Glucid thành phần cấu tạo tế bào tạo thể quang hợp từ CO2 H2O nhờ lượng ánh sáng Quá trình trao đổi glucid... hóa 3-phosphoglycerate thành 2- phosphoglycerate: GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 42 - Mg2+ 2( 3-phosphoglycerate) ⎯⎯> 2( 2-phosphoglycerate) ∆Go' =