Giáo trình trao đổi vật chất và năng lượng phần 1 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 -3- CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯNG Các phản ứng enzyme có tính đònh hướng liên quan mật thiết với xảy tế bào mà ta gọi trình trao đổi chất Sản phẩm trung gian hình thành trình gọi chất trao đổi toàn chuỗi biến hóa gọi trình trao đổi trung gian Sự biến hóa lượng kèm với phản ứng enzyme trình trao đổi trung gian Ở số giai đoạn trình dò hóa lượng hóa học chất trao đổi tích lũy (thường dạng lượng liên kết phosphate) Ở giai đoạn đònh trình đồng hóa lượng đem sử dụng Khía cạnh trao đổi chất gọi liên hợp lượng Trao đổi trung gian liên hợp lượng khái niệm liên quan phụ thuộc Vì vậy, nghiên cứu trao đổi chất, với tìm hiểu phản ứng dẫn đến biến đổi cấu trúc đồng hóa trò chất tiền thân để tạo sản phẩm phản ứng, cần nắm biến đổi mặt lượng kèm với phản ứng Để hiểu hai khía cạnh trao đổi chất, trước hết, cần phải hiểu rõ khái niệm nhiệt động học I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Khi vận dụng quy luật phản ứng hóa học để tìm hiểu tính chất hệ thống sinh học thường gặp quy luật sau: Lực phát sinh lượng trạng thái cân phản ứng hóa học; Cơ chế phản ứng, tức đường chiều hướng phản ứng diễn qua giai đoạn trung gian có tính quy luật tốc độ phản ứng phụ thuộc vào quy luật Do tính chất đặc trưng phản ứng sinh học xúc tác enzyme nên bên cạnh hai quy luật cần phải quan tâm tới quy luật tác dụng enzyme Nhiệt động học hóa sinh học có nhiệm vụ vận dụng đònh luật nhiệt động học phản ứng hóa học để giải thích trình trao đổi chất, đặc biệt việc tìm hiểu giải thích kết hợp quy luật biến đổi vật chất trao đổi trung gian với thông số lượng, từ cho phép dự đoán mặt lượng tiềm tàng lượng giải phóng tính chất cân phản ứng hóa học, đáng ý mức độ biến thiên trạng thái chức thể tích, áp suất nhiệt độ 1.Đònh luật thứ nhiệt động học Theo đònh luật thứ nhiệt động học, tổng số nhiệt công hệ thống trao đổi với môi trường chung quanh mức độ biến đổi lượng bên (nội năng) hệ thống Như có nghóa hệ thống có lượng dư trữ bao gồm dạng khác nhiệt, công, công suất, điện v.v Chúng tính đơn vò tương ứng calor (nhiệt), kilogam-meter (công), volt (điện thế), wat/giây (công suất) GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng -4- Vì thể sống thể thống nên theo đònh luật thứ nhiệt động học nội U trạng thái U phụ thuộc vào nhân tố thể tích V, áp suất P nhiệt độ T Trong trình biến đổi lượng thành nhiệt lượng Q công A nội U biến đổi từ U1 đến U2 Do Q A tính theo nội : U2 – U1 = -∆U = - (Q + A) Người ta quy đònh lượng giải phóng (thải ra, cung cấp) có ký hiệu dấu âm (-), lượng tiêu hao (thu vào) có ký hiệu dấu dương (+) Tùy theo đường xảy phản ứng mà biến đổi từ trạng thái U1 đến trạng thái U2 ngược lại, biến đổi từ trạng thái U2 đến trạng thái U1 Vì vậy, trình có tính tuần hoàn tổng biến đổi nội không (zero): ∑∆U = Như vậy, nội trạng thái chức năng, không phụ thuộc vào đường biến đổi Ngược lại, Q A phụ thuộc đáng kể vào đường hình thành chúng Vì tỉ lệ A Q phản ứng thuận nghòch khác nên đường hình thành nên chúng mang tính đònh Như nói trên, trạng thái thay đổi hệ thống dẫn đến biến đổi hóa học trình giải phóng tiêu hao lượng phụ thuộc vào nhân tố áp suất, thể tích nhiệt độ Trong hệ thống sống mối quan hệ phụ thuộc đơn giản hơn, phản ứng xảy hầu hết môi trường nước, đo áp suất coi số, nhiệt độ thể tích thay đổi không đáng kể Các trình khác có mức lượng khác nhau; hiệu số nhiệt lượng hai trạng thái gọi hiệu ứng nhiệt (∆H), tính theo công thức sau: ∆H = ∑(∆Hp - ∆Hs) p sản phẩm , s chất phản ứng Ví dụ tính biến đổi đẳng nhiệt (tính hiệu ứng nhiệt ∆H) đốt cháy glucose điều kiện T = 298oK (25oC) p = atm: C6H12O6 + O2 ⎯→ 6CO2 + 6H2O (rắn) (khí) (khí) (lỏng) Ta có ∆Η = -304,6 +0 = 6(-94,5) + 6(-68,4) = -567,0 – 410,4 + 304,6 ≈ -673Kcal/mol Khi đốt cháy glucose nhiệt lượng kế người ta thu nhiệt lượng tương đương –673 Kcal/mol Điều chứng tỏ giá trò tuyệt đối U H theo quan điểm nhiệt động học đáng ý phần lớn trường hợp không khác đo hiệu số hai trạng thái có hiệu ứng nhiệt không (0) Đònh luật thứ hai nhiệt động học Theo đònh luật thứ nhiệt động học biến đổi trạng thái từ A sang B với biến đổi từ B sang A Như vậy, đònh luật thứ không cho biết chiều hướng biến đổi Do muốn biết chiều hướng biến đổi phải dựa vào đònh luật thứ hai nhiệt động học Đònh luật bao gồm nguyên tắc nhiệt lượng biến thành công Nhưng tự nhiên GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng -5- trình mà diễn biến đổi tương hỗ nhiệt lượng công, có nghóa động vónh cửu Trong tự nhiên trình tự xảy (như phản ứng hóa học) thường không thuận nghòch mà xảy theo hướng xác đònh Nếu muốn trình xảy theo hướng ngược lại (tạo thành trạng thái ban đầu) đòi hỏi phải bổ sung công tác động từ bên vào hệ thống Như vấn đề đặt lực khởi động phản ứng hóa học làm thay đổi mức độ bất thuận nghòch không Để trả lời câu hỏi cần phải nói tới khái niệm nhiệt động học entropy (S) Nó xác đònh theo công thức đây: S = Q/T (Cal/oK) Q nhiệt lượng tạo thành phản ứng xảy thuận nghòch, T nhiệt độ tuyệt đối Như vậy, đònh luật thứ hai nhiệt động học bao gồm nội dung sau: a/ Trong hệ thống kín mà phản ứng tự xảy trình không thuận nghòch, lúc entropy tăng lên (∆S > 0) b/ Biến đổi trạng thái diễn từ từ entropy tăng c/ Khi entropy hệ thống kín đạt giá trò cực đại hệ thống đạt trạng thái cân d/ Ở trạng thái cân biến đổi entropy (∆S) hệ thống không (zero) Căn vào phương trình S = Q/T [Cal/oK) tính biến thiên entropy thông số nhiệt lượng mà hệ thống trao đổi với môi trường bên thay đổi trạng thái, entropy dương âm Nếu coi entropy mức độ trật tự hệ thống kết là: - Khi tăng entropy (ký hiệu dương: +) mức độ trật tự hệ thống tăng lên; Khi giảm entropy ((ký hiệu âm: -) mức độ ổn đònh hệ thống tăng lên mức độ trật tự hệ thống giảm xuống Thể khí có entropy lớn thể lỏng phần tử thể khí có mức độ tự lớn thể lỏng Tương tác hợp chất phân tử nhỏ có entropy cao chất phân tử lớn II BIẾN THIÊN NĂNG LƯNG TỰ DO CỦA CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC Khi kết hợp đònh luật thứ với đònh luật thứ hai nhiệt động học, có hai trạng thái chức là: nhiệt lượng tự (H) mức độ lượng tự (G) Trong trình phản ứng thuận nghòch H G biến đổi trạng thái hệ thống bò biến đổi theo Như vậy, theo đònh luật thứ nhiệt động học có: U2 – U1 = ∆U = ∆Q + ∆A Và từ phương trình S = Q/T [Cal/oK) ta có S2 – S1 = ∆S = ∆Q/T Phối hợp hai phương trình đây, có dạng sau: ∆A = ∆U - T∆S GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng -6- Mặt khác có mối quan hệ gữa lượng tự G với nhiệt lượng tự H sau: H = G + TS, ∆H = ∆G + T∆S Như vấn đề đặt lực khởi động phản ứng hóa học? Trên sở phân tích nhiệt động học lực khởi động phản ứng biến thiên lượng tự ∆G Nếu mức độ lượng tự G công từ phương trình ∆H = ∆G + T∆S suy ∆G = ∆H - T∆S Như vậy, biến thiên lượng tự ∆G có vai trò quan trọng phản ứng hóa học Ở điều kiện nhiệt độ áp suất đònh biến thiên lượng tự thông số đặc trưng hệ thống Trong điều kiện lượng tự hệ thống có xu hướng giảm đến giá trò tối thiểu ứng với trạng thái cân Biến thiên lượng tự ∆G phản ứng hóa học rút từ đònh luật cân hóa học Đối với phản ứng aA + bB cC + dD (1) a, b, c, d số phân tử tương ứng A, B, C D Biến thiên lượng tự phản ứng bằng: [C]c [D]d ∆G = ∆Go + RTln (2) a b [A] [B] [A], [B], [C], [D] nồng độ A, B, C D tính mol/l; R số khí tuyệt đối; (∆Go biến thiên lượng tự tiêu chuẩn Đối với phản ứng (1) đây, trạng thái cân bằng, không phụ thuộc vào nồng độ A, B, C, D, lượng tự có giá trò tối thiểu không tiếp tục biến thiên nữa, tức (∆G =O Do đó, thay giá trò ∆G vào phương trình (2), ta có [C]c [D]d o (3) ∆G = - RTln [A]a [B]b Thay giá trò số cân phản ứng [C]c [D]d K'eq = (4) [A]a [B]b (5) ta có: ∆Go = -RTln K' eq o hay: ∆G = -2,303RTlgK'eq (6) Từ phương trình này, ta thấy, biết giá trò số cân K'eq phản ứng nhiệt độ cho trước, ta xác đònh giá trò biến thiên lượng tự tiêu chuẩn ∆Go phản ứng Như vậy, ∆Go số nhiệt động học đặc trưng cho phản ứng hóa học Qua phương trình (2), ta thấy ∆Go ∆G nồng độ chất tham gia phản ứng 1M Biến thiên lượng tự tiêu chuẩn ∆Go phản ứng hiểu hiệu số lượng tự tiêu chuẩn chất ban đầu Gor lượng tự tiêu chuẩn sản phẩm phản ứng Gop tức là: ∆Go = Gop - Gor (7) GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng -7- Như vậy, phản ứng (1) hiệu số lượng tự biểu diễn phương trình ∆Go = (cGoC + dGoD) - (aGoA + bGoB) (8) o Năng lượng tự tiêu chuẩn G hợp chất số lượng tự giải phóng mol chất bò phân hủy hoàn toàn ∆Go phản ứng nhiệt độ đònh số, ∆G phản ứng biến đổi tùy thuộc vào nồng độ chất ban đầu sản phẩm phản ứng Giá trò ∆G cho thấy phản ứng có xảy theo chiều ta mong muốn hay không điều kiện nồng độ chất tham gia phản ứng Phản ứng xảy trường hợp ∆G có giá trò âm, tức trường hợp biến thiên lượng tự giảm Trong phản ứng mà biến thiên lượng tự tiêu chuẩn ∆Go có giá trò dương xảy chất ban đầu sản phẩm phản ứng có nồng độ cho ∆G phản ứng có giá trò âm Phương trình (6) cho biết giá trò ∆Go phản ứng sở giá trò K'eq Nếu số cân phản ứng đơn vò ∆Go=0 Nếu số cân lớn đơn vò ∆Go< Phản ứng trường hợp loại phản ứng giải phóng lượng; Nếu K'eq nhỏ đơn vò ∆Go > phản ứng trường hợp loại phản ứng hấp thu lượng Loại phản ứng tự xảy theo chiều thuận nồng độ ban đầu chất tham gia phản ứng 1,0M Tất quy luật với phản ứng sinh hóa Tuy nhiên phân tích hệ thống sinh hóa mặt nhiệt động học cần phải bổ sung ba điều kiện có ý nghóa quan trọng sau đây: 1/ Nếu chất phản ứng ban đầu hay sản phẩm phản ứng nước nồng độ ban đầu xem 1,0M 2/ Giá trò pH chuẩn xem pH=7,0 pH=0 hệ thống phản ứng hóa học thông thường.Trong trường hợp biến thiên lượng tự tiêu chuẩn (ở pH=7,0) ký hiệu ∆Go' 3/ Sử dụng gía trò ∆Go' việc xác đònh biến thiên lượng phản ứng sinh hóa có nghóa tỷ lệ dạng ion-hóa không ion-hóa pH=7,0 chất tham gia phản ứng sản phẩm phản ứng phải xem trạng thái tiêu chuẩn Vì với biến đổi giá trò pH mức độ ion-hóa hay số thành phần biến đổi theo, nên giá trò ∆Go' lúc sử dụng cho gía trò pH khác III KHÁI NIỆM VỀ PHOSPHATE CAO NĂNG Thông qua việc xác đònh số cân phản ứng người ta xác đònh gía trò ∆Go' phản ứng thủy phân ATP Trong phản ứng thủy phân ATP thành ADP phosphate vô thủy phân ADP thành AMP phosphate vô có ∆Go'= -7,3Kcal, phản ứng thủy phân AMP thành adenosin phosphate vô ∆Go' -3,4Kcal GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng -8- Bảng 1.1 Gía trò ∆Go' (Kcal/mol) phản ứng thuỷ phân số phosphate có ý nghóa sinh học Cơ chất ∆Go' Phosphoenolpyruvate -14,80 1,3-diphosphoglycerate -11,80 Creatinphosphate -10,30 Acetylphosphate -10,10 Arginine phosphate - 7,70 ATP - 7,30 Glucozo-1-phosphate - 5,00 Fructoso-6-phosohate - 3,80 Glucoso-6-phosphate - 3,30 Glycerol-1-phosphate - 2,20 o Trên sở giá trò ∆G 'nói liên kết hai gốc phosphate tận phân tử ATP gọi liên kết cao (ký hiệu ~ ) ATP gọi hợp chất cao Tuy nhiên, so sánh gía trò ∆Go' phản ứng thủy phân ATP thành ADP Pvc với gía trò ∆Go' phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate (bảng 1.1), ta thấy gía trò -7,3 Kcal chiếm vò trí trung gian Trên sở giá trò ∆Go'nói liên kết hai gốc phosphate tận phân tử ATP gọi liên kết cao (ký hiệu ~ ) ATP gọi hợp chất cao Tuy nhiên, so sánh gía trò ∆Go' phản ứng thủy phân ATP thành ADP Pvc với gía trò ∆Go' phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate (bảng 1.1), ta thấy gía trò -7,3Kcal chiếm vò trí trung gian Những hợp chất đứng đầu bảng dễ nhường gốc phosphate mình, hợp chất đứng cuối bảng có xu hướng giữ gốc phosphate lại Qua bảng ta thấy rõ phosphate cao phosphate lượng thấp ranh giới rõ ràng ATP chiếm vò trí trung gian bảng Toàn chức ATP chỗ khâu trung gian việc vận chuyển gốc phosphate từ hợp chất cao đến chất nhận có giá trò ∆Go'thấp giá trò ∆Go' Trong phản ứng mà việc vận chuyển lượng ATP đảm nhận, lượng trước tiên chuyển từ hợp chất cao cho ADP tích trữ lại dạng ATP Sau ATP lại nhường lại gốc phosphate tận cho phân tử chất nhận, nhờ mà mức chứa lượng chất nhận tăng lên Ngoài ATP, lượng vận chuyển nhờ loại 5'-diphosphate 5'-triphosphate khác Tuy nhiên, tất chúng liên quan đến ATP thông qua enzyme nucleoside diphosphate kinase xúc tác phản ứng thuận nghòch sau đây: ATP + UDP ⇔ ADP + UTP ATP + GDP ⇔ ADP + GTP ATP + CDP ⇔ ADP + CTP ATP + dCDP ⇔ ADP + dCTP GTP + dADP ⇔ GDP + dATP GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng -9- IV MỐI QUAN HỆ GIỮA NĂNG LƯNG TỰ DO VÀ ENTROPY thức: Mối quan hệ lượng tự G entropy S diễn đạt công ∆G = ∆H - T∆S, ∆H biến thiên nhiệt lượng tự Dựa vào phương trình biết biến thiên nhiệt lượng biến thiên lượng tính entropy Có thể xác đònh biến đổi entropy ba trường hợp sau: a/ Entropy sản phẩm nhỏ entropy chất tham gia phản ứng Trong trường hợp ta có ∆S số âm Ví dụ phản ứng kết hợp H2 với O2 để tạo H2O có ∆S = -38,7 Kcal/mol b/ Entropy sản phẩm lớn entropy chất tham gia phản ứng, nghóa entropy tăng lên trình biến đổi trạng thái Ví dụ phản ứng đốt cháy phân tử glucose có ∆S = 67,42 Kcal/mol c/ Entropy sản phẩm entropy chất tham gia phản ứng Trong trường hợp ∆S = 0, tức ∆G = ∆H, có nghóa tỏa nhiệt tự mà toàn nhiệt biến thành công V NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG HỞ Theo đònh luật thứ nhiệt động học, trình xảy không thuận nghòch phạm vi đònh Về phương diện không gian, trình không thuận nghòch thường xuyên phải trao đổi chất trao đổi lượng với môi trường xung quanh Trong hệ thống thời điểm đònh chúng tạm thời cân bằng, thực chất trình hiển vi kết thúc Xét mặt trạng thái, thời điểm cân từ trạng thái ổn đònh có lẻ bắt đầu xuất trạng thái lộn xộn Điểm dừng tạm thời có ∆Go = S cực đại Nhưng hệ thống việc trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh xảy – gọi hệ thống không kín hay hệ thống hở – entropy giảm Dấu hiệu đặc trưng hệ thống sinh học khác với điều cho biết đònh luật thứ hai nhiệt động học entropy chúng giảm, có nghóa từ trạng thái không ổn đònh chuyển đến trạng thái ổn đònh Về khả chứng minh ví dụ phát triển cá thể nguyên tắc làm tăng tính ổn đònh trao đổi chất Từ sai khác đến kết luận chất sống biểu đònh luật thứ hai nhiệt động học Đặc điểm hệ thống hở trao đổi chất trao đổi lượng với môi trường xung quanh Như nẩy sinh quy luật hình thành nhiệt động học hệ thống hở ứng dụng đònh luật thứ hai vào trường hợp đặc biệt hệ thống hở Tuỳ thuộc vào trạng thái tự nhiên người ta quy đònh hệ thống đònh Nhiệt động học coi bầu trời với người làhệ thống kín, thực chất người hệ thống hở người hoàn toàn có khả trao đổi chất trao đổi lượng khung cảnh đònh Tất nhiên, hệ thống chung (con người với bầu trời) tuân theo đònh luật thứ hai nhiệt động học Entropy GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 10 - phận hệ thống chung giảm xuống, có nghóa entropy hệ thống chung không tăng liên tục Để thấy rõ hơn, người ta ví dụ tượng kết tinh trình nóng chảy Kết tinh có trạng thái ổn đònh so với nóng chảy, nghóa entropy kết tinh nhỏ nóng chảy, tất nhiên trình xảy nhiệt độ khác Nhưng kết tinh phần nhiệt trao đổi với xung quanh, làm cho entropy hệ thống chung tăng lên, nhiệt thải môi trường gây biến đổi không thuận nghòch, tạo thành lượng động học không trình tự Như vậy, đònh luật thứ hai nhiệt động học hầu hết có ý nghóa phạm vi đại thể, phạm vi chất phân tử thấp không gian nhỏ bé phân chia ổn đònh phân tử xảy Từ đòi hỏi người nghiên cứu nhiệt động học trình sinh học phải lựa chọn hệ thống sinh học thích hợp với quy luật chung nhiệt động học Vấn đề đặt chất hệ thống hở đâu? Điều khẳng đònh: hệ thống có dấu hiệu “trao đổi chất lượng với môi trường xung quanh” Những trình trao đổi không ngừng hệ thống diễn với hình “cân động”, khác hẵn với trạng thái cân nhiệt động học Trạng thái cân động đặc trưng thông số đây: - Tốc độ biến đổi (ví dụ trường hợp phản ứng hóa học) số; - Tất điều kiện áp suất, nhiệt độ nồng độ số lớn; - Quá trình chung diễn trạng thái tónh không thuận nghòch Nhiều trình thể sống, ví dụ phản ứng hóa học chuỗi enzyme trao đổi chất, chuyển tiết (vận chuyển, dẫn truyền), tình (phenomen) , điều kiện đònh, chúng trạng thái cân động củn hệ thống hở Chúng gọi “cân động” hay hệ thống tónh (steady state system) Về phương diện động học cân động quan hệ tỷ lệ khối lượng tiểu phần tham gia biến đổi số sản phẩm tạo thành biến đổi theo thời gian không (0) Ví dụ biến đổi từ chất A qua bước trung gian đến P diễn ra: A→B→C→D→E→P Như cân động là: dA/dt = số = dP/dt dB/dt = dC/dt = dD/dt = dE/dt = Trong tỉ lệ nồng độ sản phẩm trung gian noi theo cân nhiệt động học mà trạng thái cân động Vấn đề đặt nhiệt động học có vai trò việc xác đònh hệ thống hở tốc độ biến đổi entropy hệ thống hở GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 11 - Theo đònh luật thứ hai nhiệt động học trình bày trao đổi chất trao đổi lượng với môi trường xung quanh theo phương trình đây: dS = dSi + dSA Như vậy, biến đổi entropy chung hệ thống dS có hai phần: Phần thứ dSA biến đổi entropy xuất trao đổi chất trao đổi lượng với môi trường xung quanh Phần tuỳ thuộc vào trình phản ứng xảy ra, nên dương, âm Phần thứ hai dSi hệ thống trình không thuận nghòch xảy lòng hệ thống thường xuyên số dương Vì biến đổi entropy chung hệ thống hở tăng giảm, nghóa phụ thuộc vào dSA (âm hay dương), viết dạng phương trình cân sau: dS/dt = dSi/dt + dSA/dt dSA/dt entropy luôn bò phá huỷ, nghóa tốc độ biến đổi entropy phụ thuộc vào trao đổi chất trao đổi lượng sản sinh entropy dSi/dt, làm cho entropy trình không thuận nghòch biến đổi Khi hệ thống hở có nhiều trạng thái dừng dSi/dt có giá trò dương thấp Điều có nghóa hệ thống cân động tạo entropy tối thiểu Kết luận có ý nghóa quan trọng trình sinh học, sinh vật hệ thống hở có quan hệ chặt chẽ vận chuyển vật chất lượng với hiệu cao Dựa vào điều biết tạo entropy tối thiểu phản ứng xảy không thuận nghòch để đoán nguyên tắc điều chỉnh hiệu kinh tế sinh học Từ sở vận dụng quy luật tối thiểu để giải thích biến đổi sinh học, hóa học, lý học từ dẫn liệu chưa biết hay chưa kiểm tra Trạng thái cân động đặc trưng làm biến đổi entropy chung hệ thống hở, có nghóa là dS/dt = Như vậy, dSA/dt thường xuyên phải số âm Do kết luận: có nhiệt động học hệ thống hở có trạng thái cân động, hệ thống không trạng thái cân động dS/dt phải dương hay âm không (0) Tuy nhiên, hệ thống sinh học vài dấu hiệu biểu hệ thống kín, làm giảm entropy thể sống Cơ thể sống lấy chất dinh dưỡng vào biến đổi thành chất liệu thể mình, đồng thời xuất sản phẩm có phân tử thấp Người ta cho biết ba nhóm chất thành phần dinh dưỡng, thành phần thể sản phẩm xuất có mức độ entropy đònh Cụ thể entropy chất dinh dưỡng nằm khoảng entropy thể entropy sản phẩm xuất Scơ thể < Sdinh dưỡng < Sbài xuất Việc giảm sút entropy để tiến hành tổng hợp chất cho thể làm cho thể tồn tại, sinh trưởng phát triển bình thường Bên cạnh đó, muốn giảm entropy thường xuyên phải xuất sản phẩm trao đổi chất Bởi thể trạng thái ổn đònh cao, làm giảm entropy đến giá trò âm Cho GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng Eh = Eo ' + 0,03 lg - 16 [chất nhận e - ] [chất cho e - ] Biết giá trò khử tiêu chuẩn hệ thống oxy hóa-khử sinh học khác cho phép tiên đoán chiều hướng dòng điện tử từ cặp chất oxy hóa - chất khử đến cặp chất oxy hóa - chất khử khác điều kiện tiêu chuẩn Biến thiên lượng trình vận chuyển điện tử Như ta biết, biến thiên lượng tự +do tiêu chuẩn ∆Go’xảy phản ứng hóa học có quan hệ với số cân K'eq phản ứng phương trình: ∆Go’ = -RTlnK'eq Để tính giá trò biến thiên lượng tự tiêu chuẩn trường hợp hai cặp oxy hóa-khử khử tiêu chuẩn biết trước phản ứng với nhau, sử dụng phương trình: ∆Go’= -nF∆Eo’ Trong ∆Go’ biến thiên lượng tự tiêu chuẩn, tính calo; n số điện tử vận chuyển ; F Số Faraday (23.062 cal) ∆Eo’ hiệu số khử tiêu chuẩn chất nhận chất cho điện tử Trong phép tính người ta quy ước hệ thống tồn điều kiện tiêu chuẩn, tức tất thành phần có nồng độ 1,0M 25oC pH=7,0 Nhờ phương trình tính biến thiên lượng tự tiêu chuẩn cho trường hợp cặp điện tử vận chuyển từ NAD.H (Eo' = - 0, 32V) đến oxy phân tử (Eo' = +0,82V), tức trường hợp điện tử vận chuyển chuỗi hô hấp: ∆Go’= -2x23062 x [0,82-(-0,32)] = -52700cal = -52,7Kcal GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 17 - CHƯƠNG ENZYME OXY HÓA - KHỬ Trong phản ứng oxy-hóa - khử sinh học điện tử từ chất vận chuyển đến oxy không khí theo bước sở giảm dần khử tiêu chuẩn Mỗi enzyme oxy hóa - khử hoạt động nhờ phối hợp nhóm chức gọi cofactor coenzyme Trong đó, phần protein enzyme (apoenzyme) quy đònh tính đặc hiệu chất, hoạt hóa chất hoạt hóa cofactor thông qua tác dụng làm biến đổi khử chúng Mặc dù có hàng trăm loại enzyme oxy hóa - khử khác tham gia trình oxy-hóa sinh học, song có số cofactor coenzyme làm nhiệm vụ nhận nhường điện tử chất sản phẩm Ví dụ, người ta phát 250 enzyme sử dụng coenzyme nicotinamide nucleotide (NAD+ NADP+) làm chất nhận điện tử Chúng xúc tác cho phản ứng có dạng đây: AH2 + E.NAD+ AH2 + E.NADP+ A + E.NAD.H + H+ A + E.NADP.H + H+ Thế khử chất (AH2) chuyển cho NAD.H (hoặc NADP.H) để sau tham gia trình oxy hóa - khử khác Một số dehydrogenase khác sử dụng flavine nucleotide (F) làm coenzyme xúc tác phản ứng có dạng tổng quát sau đây: AH2 + E.F E.FH2 + A Enzyme dạng khử (E.FH2) vận chuyển điện tử proton cho chất khác (ví dụ trình phosphoryl hóa oxy-hóa) cho O2 để tạo H2O2 : E.FH2 + O2 E.F + H2O2 Xúc tác cho phản ứng loại enzyme thuộc nhóm oxydase Cofactor enzyme loại ion kim loại Cu2+, Fe2+ hợp chất hữu tương đối phức tạp mà xét đến sau Các enzyme oxy hóa - khử chuỗi vận chuyển điện tử ty thể lục lạp có cofactor kim loại (Fe, Cu, Mo ), heme hợp chất hữu chứa sắt lưu huỳnh Thông thường có nhóm chức enzyme oxy hóa - khử kết hợp với chuỗi polypeptide để tạo đơn vò hoạt động Tuy nhiên, nhiều enzyme chứa tập hợp nhóm chức năng, bao gồm flavin nucleotide, nhóm chứa sắt lưu huỳnh, nhóm heme kim loại để tạo nên chuỗi vận chuyển điện tử với chiều dài mức độ phức tạp khác để đáp ứng nhu cầu đặc biệt trao đổi chất GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 18 - I DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC PYRIDINE Dehydrogenase phụ thuộc pyridine nhóm enzyme oxy hóa - khử mà coenzyme dẫn xuất pyridine hai coenzyme phổ biến nhóm dehydrogenase nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) Công thức cấu tạo chúng giới thiệu hình Hình Công thức cấu tạo NAD+ (R = OH) NADP+ (R = H2PO3) Nhóm dehydrogenase làm nhiệm vụ vận chuyển thuận nghòch đôi đương lượng khử (đôi điện tử đôi điện tử với đôi proton) từ chất AH2 đến dạng oxy hóa coenzyme (NAD+ hay NADP+) Một hai đương lượng dạng hydro nằm pyridine nucleotide khử (NAD.H hay NADP.H), đương lượng - dạng điện tử Nguyên tử hydro thứ hai sau tách khỏi chất chuyển vào môi trường dạng ion H+ tự (hình 3) Những dehydrogenase liên quan với NAD chủ yếu tham gia trình hô hấp tức trình vận chuyển điện tử từ chất đến oxy Trong đó, enzyme liên quan với NADP chủ yếu tham gia vận chuyển điện tử từ chất tham gia phản ứng dò hóa đến phản ứng khử trình sinh tổng hợp Vì vậy, phần lớn NAD phát ty thể, đa số NADP nằm phần hòa tan tế bào chất GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 19 - Hình Phản ứng dehydrogenase phụ thuộc pyridine Đa số dehydrogenase phụ thuộc pyridine đặc hiệu với NAD hay đặc hiệu với NADP Tuy nhiên có số dehydrogenase (ví dụ glutamate dehydrogenase) sử dụng hai coenzyme Trong bảng giới thiệu số dehydrogenase phụ thuộc pyridine gía trò Eo' đôi chất chòu tác dụng chúng Chiều hướng phản ứng thành phần cân hệ thống oxy hóa khử nhóm enzyme phụ thuộc pyridine xúc tác dự đoán sở khử tiêu chuẩn đôi NADH - NAD+ (hay NADP.H - NADP+) mà Eo' chúng -0,32V Nếu trình oxy hóa - khử thực điều kiện tiêu chuẩn hệ thống có giá trò âm khử tiêu chuẩn cao so với NAD NADP, có xu hướng nhường điện tử cho dạng oxy-hóa coenzyme này, hệ thống có giá trò dương khử tiêu chuẩn lớn có xu hướng nhận điện tử từ NADH hay NADPH Nhiều enzyme thuộc nhóm dehydrogenase phụ thuộc pyridine thường tồn số dạng isoenzyme khác nhau, cấu trúc đơn vò phối hợp theo tỷ lệ khác Ví dụ điển hình trường hợp lactate dehydrogenase Enzyme chứa hai loại phần đơn vò ký hiệu H M Trong tế bào phát loại isoenzyme với kiểu phối hợp khác hai loại phần đơn vò Do có cấu trúc đơn vò khác nhau, nên dạng isoenzyme phân biệt giá trò Km Vmax đặc trưng quan hệ với loại chất đóng vai trò khác trình trao đổi chất GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 20 - Bảng Thế khử tiêu chuẩn cuả số hệ thống dehydro-genase phụ thuộc pyridin Hệ thống Eo' đôi chất, (V) Phụ thuộc NAD Isocitrate dehydrogenase - 0,38 D-β-oxybutyratedehydrogenase - 0,32 Glyceraldehyde-3-phosphate - 0,29 dehydrogenase Dihydrolipoil dehydrogenase - 0,24 Alcohol dehydrogenase - 0,20 Lactate dehydrogenase - 0,19 L-malate dehydrogenase - 0,17 Phụ thuộc NADP Isocitrate dehydrogenase - 0,38 Glucoso-6-phosphate dehydrogenase - 0,32 Phụ thuộc NAD NADP L-glutamate dehydrogenase - 0,14 NAD không đóng vai trò coenzyme phản ứng oxy hóa - khử mà tham gia trao đổi chất tế bào với chức khác Ví dụ, yếu tố thiếu phản ứng ADN ligase E coli xúc tác Trong phản ứng NAD bò phân hủy thành AMP nicotinamide mononucleotide (NMN) để cung cấp lượng cho hình thành liên kết phospho-diester hai đoạn polydeoxyribonucleotide mà ADN ligase có nhiệm vụ phải nối lại II DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC FLAVIN Dehydrogenase phụ thuộc flavin (hay gọi flavoprotein) enzyme ma øcoenzyme riboflavin-5'-phosphate (flavin mononucleotide, FMN) flavin adenine dinucleotide (FAD) mà cấu trúc chúng giới thiệu hình Sự kết hợp coenzyme với apoenzyme enzyme khác thực kiểu liên kết khác - liên kết đồng hóa trò, liên kết không đồng hóa trò Tuy nhiên, trường hợp liên kết không đồng hóa trò kết hợp coenzyme apoenzyme luôn chặt chẽ so với enzyme phụ thuộc pyridine Ngoài ra, enzyme flavine chứa vài ion kim loại, phức hệ sắt-lưu huỳnh heme để gây FAD nên biến đổi đáng kể hoạt tính xúc tác chúng Hình Cấ u tao a FMN gia FAD Bộ phận hoạt động phâ n tử FAD củ FMN tham phản ứng vòng isoaloxasine riboflavin GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 21 - Phản ứng thực cách vận chuyển trực tiếp đôi nguyên tử hydro từ chất đến FAD FMN để tạo dạng khử coenzyme, tức FAD.H2 FMN.H2 (hình 5) Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường số enzyme thuộc nhóm cytochrome Thuộc nhóm flavoprotein quan trọng enzyme sau đây: - NAD.H dehydrogenase: xúc tác vận chuyển điện tử từ NAD.H đến chất nhận chưa xác đònh, protein chứa sắt chuỗi hô hấp - Succinate dehydrogenase: xúc tác phản ứng oxy-hóa acid suxinic thành acid fumaric Dihydrolipoyl dehydrogenase hệ thống pyruvate dehydrogenase αcetoglutarate dehydrogenase - Các flavoprotein xúc tác giai đoạn đầu trình β-oxy-hóa acid béo Bộ phận hoạt động phân tử FAD FMN tham gia phản ứng vòng isoaloxasine riboflavin Phản ứng thực cách vận chuyển trực tiếp đôi nguyên tử hydro từ chất đến FAD FMN để tạo dạng khử coenzyme, tức FAD.H2 FMN.H2 (hình 5) Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường số enzyme thuộc nhóm cytochrome Hình Phản ứng dehydrogenase phụ thuộc flavin III CYTOCHROME Cytochrome nhóm protein chứa sắt có cấu tạo tương tự hemoglobin, tham gia trình vận chuyển điện tử hô hấp quang hợp Trong trình hô hấp cytochrome đảm nhận việc vận chuyển điện tử từ enzyme flavin đến oxy không khí; quang hợp cytochrome tham gia vận chuyển điện tử pha sáng Cytochrome giống hemoglobin myoglobin chỗ nhóm thêm chúng hợp chất porphyrin chứa sắt Trong trình xúc tác xảy biến hóa thuận nghòch Fe3+ Fe2+ Cytochrome đứng cuối chuỗi hô hấp có khả khử trực tiếp oxy phân tử thành O2-, thường gọi cytochrome oxydase Cytochrome tìm thấy thể hiếu khí Hơn nữa, hàm lượng chúng quan khác có quan hệ chặt chẽ với hoạt động hô hấp GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 22 - quan Ví dụ, tim giàu cytochrome, gan, thận, não đặc biệt da, phổi hàm lượng cytochrome thấp Các cytochrome khác phân biệt sở quang phổ hấp thụ ký hiệu chữ a, b, c cách ghi kèm theo gía trò bước sóng hấp thụ cực đại (bảng 4) Trong ty thể thực vật động vật bậc cao tìm thấy hàng loạt cytochrome khác nhau: cytochrome a, cytochrome a3, cytochrome b, cytochrome b2 , cytochrome c cytochrome o Hàng loạt cytochrome khác tìm thấy thành phần chuỗi vận chuyển điện tử thylacoid lục lạp Bảng Tính chất số cytochrome động vật có vú Cytochrom Đỉnh hấp thụ dạng khử Eo’(mV) e λ, nm λ, nm λ, nm a3 600 445 +200 a 605 517 414 +340 c 550 521 416 +260 c1 554 523 418 +225 b 563 530 430 +30 b1 565 535, 528 430 -30 (+245) b5 557 527 423 +0,03 Cytochrome thực việc vận chuyển điện tử với tham gia trực tiếp nguyên tử sắt thành phần nhóm heme nằm trung tâm hoạt động cytochrome Nhóm thêm hầu hết cytochrome, trừ cytochrome a cytochrome a3, phức hệ protoporphyrin IX với sắt hemoglobin Trong ty thể, điện tử bắt nguồn từ dạng khử enzyme dehydrogenase phụ thuộc NAD flavoprotein nguyên tử sắt thành phần heme cytochrome tiếp nhận để sau lại chuyển cho nguyên tử sắt cytochrome khác Trật tự chuỗi vận chuyển đề cập đến sau Đa số cytochrome gắn chặt với màng Nhiều cytochrome phối hợp chặt chẽ với với yếu tố vận chuyển điện tử khác, tạo nên cấu trúc gồm nhiều phần đơn vò để thực chức vận chuyển điện tử, mà tham gia vào hoạt động bơm proton dể tạo gradient proton vốn cần cho việc tổng hợp ATP trình phosphoryl-hóa oxy hóa Sau số cytochrome quan trọng nhất: Cytochrome c Cytochrome c nhóm protein vận chuyển điện tử nghiên cứu đầy đủ Chúng hoạt động thành phần chuỗi vận chuyển điện tử ty thể, tiếp nhận điện tử từ phức hệ cytochrome bc1 sau chuyển cho phức hệ cytochrome aa3: GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng Cytochrome bc1 (Fe2+) - 23 - Cytochrome c (Fe3+) Cytochrome aa3 (Fe2+) Cytochrome bc1 (Fe3+) Cytochrome c (Fe2+) Cytochrome aa3 (Fe3+) Cytochrome oxydase Cytochrome oxydase tổ hợp cytochrome a cytochrome a3, số enzyme có khả khử oxy phân tử thành nước Nó xúc tác phản ứng tổng quát sau đây: Cytochrome a+a3 (Fe2+) + O2 + 4H+ → Cytochrome a+a3 (Fe3+) +2H2O Cytochrome oxydase từ nguồn khác chứa phần đơn vò Người ta cho enzyme hoạt động dimer (MW=400.000) với phần đơn vò monomer Một nhóm chức phân tử enzyme heme A (hình 6) Hình.6 Công thức cấu tạo heme A Ion Fe2+ heme A cytochrome oxydase có lực mạnh với CO O2 Ở dạng Fe3+ dễ gắn với CN-, S2- NO3- ; điều giải thích anion có tính độc mạnh thể hiếu khí Mỗi phần đơn vò I II chứa phân tử heme A liên kết không đồng hóa trò với apoenzyme để tương ứng tạo cytochrome a cytochrome a3 Các nhóm chức khác hai ion Cu2+ liên kết với phần đơn vò II Trong phần đơn vò III cho có vai trò translocase vận chuyển proton Phần lớn gốc aminoacid phần đơn vò chứa gốc kỵ nước, song có 38 gốc hydroxyaminoacid phân bố suốt bề dày màng Những nhóm hydroxyl tạo mạng lưới liên kết hydro để tạo đường kênh để proton vận chuyển qua GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 24 - Có giả thuyết cho chế khử O2 thành H2O cytochrome oxydase xảy mô tả hình Cytochrome a phần đơn vò II chất nhận điện tử sơ cấp từ cytochrome c nhanh chóng chuyển điện tử cho hai nguyên tử Cu ký hiệu Cu A Phần đơn vò II nằm phía bề mặt tiếp xúc với bào tương, nhóm heme A đònh vò kẽ hở kỵ nước Các điện tử từ phức hệ heme A - Cu A tiếp tục vận chuyển cho cytochrome a3 phần đơn vò I vốn kết hợp với hai nguyên tử Cu khác, ký hiệu Cu B, phần đơn vò I Phần đơn vò I chứa kẽ hở dành cho heme A nằm phía bề mặt màng tiếp xúc với matrix ty thể Cytochrome a3 Cu B phần đơn vò I trực tiếp tham gia phản ứng khử O2 thành H2O Hoạt động cytochrome a a3 giúp tích lũy lượng giải phóng trình vận chuyển điện tử để tạo gradient proton hai phía màng ty thể Gradient cần để tổng hợp ATP trình phosphoryl hóa oxy-hóa Cơ chế hình thành gradient proton chưa hiểu rõ, song có nhiều sở để đoán xảy nét khái quát sau: Các phần đơn vò I II (tức cytochrome a cytochrome a3) bố trí màng ty thể mô tả hình Khi điện tử từ cytochrome c cytochrome a tiếp nhận, pK nhóm acid cytochrome a biến đổi, làm cho tiếp nhận proton từ matrix ty thể Sự xếp phần đơn vò sau thay đổi mô tả hình vẽ, cytochrome a dạng khử chuyển điện tử cho cytochrome a3, dẫn đến số biến đổi pK nhóm acid giải phóng proton cytochrome a phía bào tương cùa màng Đây mô hình đơn giản trình tạo gradient proton, chưa cho thấy vai trò phần đơn vò khác, kể phần đơn vò III vốn đóng vai trò quan trọng việc vận chuyển proton Tuy nhiên, mô hình hữu ích để lý giải hoạt tính vận chuyển proton cytochrome oxydase phức hệ khác ty thể GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 25 - Hình Sơ đồ mô tả giả thuyết cách tổ chức phần đơn vò (pdđv) I II cytochrome oxydase màng ty thể Có hai kẽ hở để heme A gắn vào đó: môt nơi để cytochrome c tương tác với pdđv I (cytochrome a) để cytochrome c tương tác với pdđv II (cytochrome a3) vốn làm nhiệm vụ tương tác trực tiếp với O2 Hình Mô hình giải thích giả thuyết chế vận chuyển H+ với tham gia cytochrome a cytochrome a3 Các phức hệ cytochrome b Các cytochrome nhóm b protein vận chuyển điện tử mà nhóm hoạt động heme liên kết với apoenzyme kiểu liên kết không đồng hóa trò Khoảng 80% cytochrome b nằm thành phần phức hệ ubiquinone: cytochrome c reductase (phức hệ III) khoảng 20% nằm phức hệ succinate: ubiquinone reductase (phức hệ II) Hoạt động cytochrome b phức hệ III gắn liền với trình phosphoryl hóa oxy-hóa Chức phức hệ III tiếp nhận điện tử từ ubiquinone chuyển cho cytochrome c với hình thành đồng thời gradient xuyên màng Quá trình có lẻ xảy mô tả hình Nó cho thấy điện tử vận chuyển theo vòng kín thành phần phức hệ bc1 ubiquinone (Q) phản ứng mà H+ tiếp nhận từ matrix ty thể để sau giải phóng phía bào tương Một điện tử từ ubiquinone reductase (phức hệ II) chuyển cho Q, đồng thời tiếp nhận H+ từ matrix ty thể để tạo QHi, tức semiquinone ubiquinone QHi, sau tiếp nhận thêm điện tử từ cytochrome b proton từ matrix ty thể để biến thành QH2 QH2 sau giải phóng điện tử cho trung tâm Fe2S2 từ cho c1 chuyển H+ bào tương Bản thân QH2 biến thành QHi để lại chuyển điện tử cho cytochrome b giải phóng H+ thứ hai bào tương Dạng oxy-hóa ubiquinone (Q) sau hình thành khép kín chu trình Phức hệ II, tức phức hệ succinate: ubiquinone reductase, có chức vận chuyển điện tử từ succinate đến khu vực ubiquinone màng ty thể Nó chứa phần đơn vò polypeptide trung tâm khử, phần đơn vò 70.000 dalton succinate dehydrogenase, chứa FAD hai trung tâm Fe2-S2 Phần đơn vò 27.000 dalton chứa trung tâm Fe4S4, hai phần đơn vò thứ GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 26 - ba thứ tư (MW 13.000 15.000) apocytochrome b Cơ chế vận chuyển điện tử nhóm chức phức hệ chưa rõ PHÍA BÀO TƯƠNG H+out Qout H+out cyt.bout + QHiout deh.in :(e- + Qin ) (QH2out -e-):Fe/S-prot QHiin + cyt.bin ⎯ cyt.c1 QH2in H+in H+in PHÍA MATRIX CỦA TY THỂ Hình Sơ đồ giải thích giả thuyết chế hoạt động phức hệ ubiquinone:cytochrome c reductase Mũi tên chiều dòng điện tử H+ Q - ubiquinone; deh - dehydrogenase; prot - protein; cyt - cytochrome; in - phía trong; out - phía Cytochrome b5 Cytochrome b5 (MW=16.000) liên kết chặt với màng mạng nội chất, song hoà tan dung dòch detergent Nó thành phần hệ thống ∆9-stearyl CoA desaturase phụ thuộc NAD.H bò lôi vào phản ứng hydroxyl-hóa microsome với tham gia NADP.H Chất nhường điện tử tự nhiên cytochrome b5 NAD.H-cytochrome b5 reductase, loại flavoprotein gắn chặt với hệ thống màng mạng nội chất Chất nhận điện tử cytochrome b5 stearyl CoA desaturase, loại oxydase gắn chặt với màng Reductase, cytochrome b5 desaturase tập hợp lại bề mặt phía màng liposome xúc tác trình biến hóa sau đây: NAD.H+H+ FAD cytochrome b5 2Fe3+ R-CH=CH-C-CoA + 2H2O 2+ (Fe ) O 2H+ NAD+ FAD.H2 cytochrome b5 O 2Fe2+ R-CH2-CH2- C-CoA + O2 + (Fe3+) Reductase Desaturase Cytochrome vi khuẩn phosphoryl hóa oxy-hóa Tế bào vi khuẩn bào quan, kể ty thể Tuy nhiên, màng tế bào vi khuẩn chứa enzyme dehydrogenase, cytochrome trung tâm chứa sắt - lưu huỳnh để thực phosphoryl hóa oxy-hóa Trên sở quang phổ hấp thụ người ta phát tế bào vi khuẩn cytochrome gống với cytochrome a, b, c, song chúng có cấu trúc tính chất chức khác với cytochrome tế bào eucaryote Trong vi khuẩn quang hợp xanh có nhiều cytochrome khác tham gia trình vận chuyển điện tử GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 27 - IV SUPEROXIDE DISMUTASE, CATALASE VÀ PEROXYDASE Peroxide superoxide Khử O2 cách đưa trực tiếp vào phân tử oxy cặp điện tử trình xảy chậm, O2 chứa điện tử không góp chung với trạng thái spin song song hai q đạo riêng rẽ phản ứng khử đòi hỏi phải đảo ngược spin điện tử Khi O2 tồn với chất hữu cơ, việc xảy hoàn toàn khác Sự hạn chế spin việc khử O2 khắc phục cách bổ sung thêm điện tử đơn lẻ Như vậy, khử phân tử O2 thành H2O cần phải sử dụng điện tử: O2 + 4H+ + 4e- –––→ 2H2O Phản ứng dẫn đến hình thành sản phẩm trung gian có khả phản ứng cao ion superoxide (O2-), peroxide hydro (H2O2) gốc hydroxyl (OHi) Sự tồn liên tục chất gây nguy nghiêm trọng cho hệ thống sống chúng phá hoại thành phần tế bào Trên thực tế, OHi, mutagene mạnh sinh xạ ion-hóa, có khả phản ứng mạnh công tất hợp chất hữu Quá trình khử O2 điện tử bao gồm chuỗi phản ứng sau đây: O2 + e- ––––→ O2(1) + i O2 + H ⇐⇒ HO2 (2) O2- + HO2i + H+ –––→ H2O2 + O2 (3) O2- + Fe3+ ––––→ O2 + Fe2+ (4) 2+ 3+ i H2O2+ Fe ––––→ Fe + OH + OH (5) Ion superoxide hình thành phản ứng (1) proton-hóa thành gốc hydroperoxyl [phản ứng (2)], H2O2 acid với pKa gần 4,8 Phản ứng (3) phản ứng dismutase tự phát, dẫn đến hình thành H2O2 + O2 Như vậy, tập hợp phản ứng dẫn đến hình thành H2O2 hệ thống sản sinh O2- Các phản ứng (4) (5) cho thấy hợp chất chứa sắt xúc tác phản ứng O2- H2O2 tạo OHi Như nói đến trên, hàng loạt enzyme sản sinh H2O2 O2-, ví dụ oxyhóa tự phát nguyên tử sắt chất hemoglobin, cytochrome b5, feredoxin khử chất vận chuyển điện tử hệ thống khử khác Sự đe dọa hoạt tính phản ứng cao O2- H2O2 khắc phục nhờ enzyme có khả biến đổi chất thành chất có hoạt tính thấp Superoxide dismutase Superoxide dismutase nhóm enzyme phân hủy O2- cách xúc tác phản ứng sau đây: O2- + O2- + 2H+ ––––→ H2O2 + O2 Dismutase tìm thấy thể hiếu khí mặt vi sinh vật kỵ khí bắt buộc Có loại dismutase khác Đó là: 1/ Dismutase bào tương tế bào eucaryote, cấu tạo hai phần đơn vò, phần đơn vò chứa nguyên tử Cu nguyên tử Zn; 2/ Dismutase ty thể eucaryote bào tương vi khuẩn, chứa hai nguyên tử Mn phân tử enzyme; 3/ Dismutase chứa sắt, có trật tự aminoacid giống với dismutase chứa aminoacid, tìm thấy vi khuẩn, tảo lục số thực vật GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 28 - Hoạt tính xúc tác dismutase phụ thuộc vào hàm lượng Cu, Mn sắt Trong trình xúc tác kim loại trải qua vòng tròn phản ứng oxy hóa khử, với n enzyme chứa Cu-Zn enzyme chứa sắt chứa mangan: Enz-Men+ + O2- ––––→ Enz-Me (n-1)+ + O2 Enz-Me(n-1)+ + O2- + 2H+ ––––→ Enz-Men+ + H2O2 Catalase peroxydase Catalase có mặt động vật, thực vật vi khuẩn Nó có tác dụng ngăn ngừa tích lũy H2O2 cách phân hủy chất thành H2O O2 H2O2 + H2O2 ⎯→ 2H2O + O2 Peroxydase xúc tác kiểu phản ứng sau đây: OH O + H2O2 –––––– + H2O OH O Loại enzyme gặp mô động vật, song phổ biến mô thực vật Nếu phản ứng catalase peroxydase xúc tác viết dạng HO HO O + –––– 2H2O + (catalase) HO HO O HO HO O + R –––– 2H2O + R (peroxydase) HO HO O ta thấy rõ tính tương đồng hai phản ứng Có thể xem phản ứng catalase phân giải H2O2 thành H2O O2 trường hợp đặc biệt phản ứng peroxydase, peroxyde hydro vừa làm chất vừa làm chất nhận Tính tương đồng trở nên rõ ràng hơn, lưu ý nồng độ cao loại rượu aldehyde phân tử nhỏ nồng độ thấp peroxide catalase thể hoạt tính peroxydase Cả hai enzyme sử dụng hydroxyperoxide hữu có nhóm mạch béo ngắn làm chất, ví dụ ethyl hydrogene peroxide acid peracetic Bởi vì, mặt sinh lý, chất nhận khác tồn với nồng độ cao, nồng độ peroxide thấp, nên nghó catalase thay công việc peroxydase mô động vật Oxygenase Monooxygenase enzyme xúc tác phản ứng sử dụng O2, nguyên tử oxy chuyển cho sản phẩm nguyên tử oxy thứ hai bò khử thành nước Dioxygenase sử dụng O2, hai nguyên tử oxy chuyển cho sản phẩm Cytochrome P450 mà ta xét đến loại monooxygenase Các mono- dioxygenase khác sử dụng nhóm chức GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 29 - khác làm cofactor Monooxygenase đòi hỏi tiếp nhận điện tử từ chất khử, dioxygenase đòi hỏi Dopamine-monooxygenase enzyme chứa Cu2+ có mặt não phần lõi thượng thận, xúc tác phản ứng tổng hợp norepinephrine từ dopamine (3,4dihydro-phenylethylamine) Quá trình xảy sau: Sơ đồ phản ứng cho thấy oxy hoạt hóa phức hệ enzyme-Cu+ để sau nguyên tử oxy chuyển cho dopamine để tạo sản phẩm, nguyên tử oxy thứ hai bò khử thành nước Để khử phức hệ enzyme-Cu2+ không hoạt động thành dạng enzyme-Cu+ hoạt động, cần có tham gia acid ascorbic: Cofactor monooxygenase đa dạng Ví dụ, vi khuẩn có nhiều loại enzyme flavin mà hoạt động chúng cần NAD.H NADP.H làm chất khử; Một nhóm nhỏ monooxygenase động vật sử dụng tetrahydrobiopterin làm cofactor để xúc tác phản ứng chuyển hóa phenylalanine thành tyrosine Một kiểu monooxygenase khác sử dụng α-cetoglutarate làm chất xúc tác phản ứng có dạng tổng quát sau: A + O2 + α-Cetoglutarate ⎯→ A-OH + Succinate + CO2 Loại monooxygenase sử dụng sắt làm cofactor xúc tác trình tổng hợp 5-hydroxylysine, 3- 4-hydroxyproline carnitine Chúng cần acid ascorbic để khử phức hệ enzyme-Fe3+ không hoạt động thành dạng enzymeFe2+ hoạt động Dioxygenase sử dụng số nhóm chức làm cofactor Ví dụ, tryptophan-2,3-dioxygenase sử dụng nhóm heme để phá vỡ vòng indol tryptophan Hydroxylase chứa molybden Thuộc nhóm có enzyme động vật sulfite oxydase, xanthine oxydase aldehyde oxydase Tính chất đặc biệt chúng sử dụng molybden với cofactor khác Chúng không hoàn toàn oxydase tên gọi, xúc tác phản ứng có dạng tổng quát sau đây: A + H2O ––––→ A-OH + H+ + 2eCác điện tử bắt nguồn từ phản ứng oxy-hóa chất chuyển cho chất nhận khác nhau, O2, NAD cytochrome c, phụ thuộc vào tính đặc hiệu đònh vò enzyme tế bào Sulfite sản sinh trình dò hóa aminoacid chứa lưu huỳnh sulfite oxydase ty thể biến thành sulfate, dạng lưu huỳnh chủ yếu nước tiểu, phản ứng sau đây: SO32-+ H2O + Cytochrome c-Fe3+ → SO42-+ 2H+ + Cytochrome c-Fe2+ GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 30 - Sulfite oxydase gan chuột (MW=120.000) cấu tạo từ hai phần đơn vò giống nhau, phần đơn vò chứa heme liên kết không đồng hóa trò molybdopterin với cấu trúc sau: Molybdopterin Thiếu sulfite oxydase làm chậm phát triển trí tuệ làm nẩy sinh nhiều vấn đề liên quan với hoạt động hệ thần kinh Xanthine aldehyde oxydase, có mặt gan số mô khác, chứa molybden, chứa cofactor flavin trung tâm chứa sắt lưu hùynh Các enzyme tự nhiên có kích thước cấu tạo từ hai phần đơn vò giống nhau; phần đơn vò chứa FAD phân tử molybdopterin liên kết không đồng hóa trò với trung tâm Fe2S2 Hơn nữa, hai xúc tác phản ứng giống với dạng tổng quát sau đây: AH + H2O + X ––––→ AOH + XH2 AH chất khử, cung cấp cặp điện tử cho enzyme Những điện tử sau tiếp nhận X, tức chất thứ hai (có thể NAD+ O2) Như vậy, enzyme thể hoạt tính dehydrogenase oxydase AH chất, ví dụ purine pyrimidine, tốc độ sử dụng khác hai enzyme Hai enzyme phân biệt chỗ xanthine chất xanthine oxydase mà chất aldehyde oxydase, 6-methylpurine chất aldehyde oxydase chất xanthine oxydase Xanthine oxydase oxy-hóa xanthine thành acid uric, aldehyde oxydase oxy-hóa 6-methylpurine thành 6-methylhypoxanthine GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học [...].. .Trao đổi chất và năng lượng - 12 - nên, theo quan điểm động học thì cơ thể đang sinh trưởng và phát triển, entropy theo hướng giảm dần, còn cơ thể ở trạng thái thoái hóa, già nua thì entropy tăng lên Nói tóm lại, giữa hệ thống kín và hệ thống hở có những điểm khác nhau cơ bản sau: Hệ thống kín Hệ thống hở Trao đổi chất và năng lượng với Không trao đổi chất và năng lượng môi trường... cực đại và biến đổi dS trong cân bằng động sản sinh entropy tối thiểu cân bằng = 0 GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 13 - CHƯƠNG II OXY HÓA KHỬ SINH HỌC I KHÁI NIỆM CHUNG Từ cuối thế kỷ 18 Lavoisier đã kết luận các chất bò đốt cháy là do kết hợp với oxy không khí Khi nghiên cứu trao đổi khí ở động vật ông cũng chứng minh rằng có hấp thụ oxy và thải... a/ Đốt cháy xảy ra ở ngoài cơ thể và ở nhiệt độ cao, còn oxy hóa sinh học xảy ra bên trong cơ thể và ở nhiệt độ thấp nhưng với tốc độ rất cao GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 14 - b/ Đốt cháy giải phóng năng lượng ở dạng nhiệt, còn oxy hóa sinh học năng lượng giải phóng không chỉ ở dạng nhiệt mà còn ở dạng năng lượng của các liên kết hóa học, đặc... đó chất khử và chất oxy-hóa với nồng độ 1, 0M ở 25oC và pH=7 tạo thế cân bằng với điện cực vốn có khả năng nhận thuận nghòch điện tử từ chất khử theo phương trình phản ứng hất khử Chất oxy-hóa + 2e- Để đo thế khử tiêu chuẩn, người ta sử dụng thiết bò mà sơ đồ của nó được giới thiệu trong hình 1 1 V 2 3 4 Hình 1 Sơ đồ thiết bò đo thế khử tiêu chuẩn 1 - Von-kế; 2 - điện cực; 3 - dung dòch chất khử và chất. .. bào eucaryote Trong vi khuẩn quang hợp và cây xanh có nhiều cytochrome khác nhau tham gia trong quá trình vận chuyển điện tử GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 27 - IV SUPEROXIDE DISMUTASE, CATALASE VÀ PEROXYDASE 1 Peroxide và superoxide Khử O2 bằng cách đưa trực tiếp vào phân tử oxy một cặp điện tử là một quá trình xảy ra rất chậm, vì O2 chứa 2 điện... nucleotide, các nhóm chứa sắt và lưu huỳnh, các nhóm heme và cả kim loại để tạo nên một chuỗi vận chuyển điện tử với chiều dài và mức độ phức tạp khác nhau để đáp ứng các nhu cầu đặc biệt của trao đổi chất GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 18 - I DEHYDROGENASE PHỤ THUỘC PYRIDINE Dehydrogenase phụ thuộc pyridine là nhóm enzyme oxy hóa - khử mà coenzyme là... tham gia vận chuyển điện tử từ cơ chất tham gia phản ứng dò hóa đến các phản ứng khử của quá trình sinh tổng hợp Vì vậy, phần lớn NAD được phát hiện trong ty thể, còn đa số NADP thì nằm trong phần hòa tan của tế bào chất GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 19 - Hình 3 Phản ứng dehydrogenase phụ thuộc pyridine Đa số dehydrogenase phụ thuộc pyridine... chức năng vận chuyển điện tử từ succinate đến khu vực ubiquinone trên màng ty thể Nó chứa 4 phần dưới đơn vò polypeptide và ít nhất 3 trung tâm khử, phần dưới đơn vò 70.000 dalton là succinate dehydrogenase, chứa một FAD và hai trung tâm Fe2-S2 Phần dưới đơn vò 27.000 dalton chứa một trung tâm Fe4S4, còn hai phần dưới đơn vò thứ GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và. .. chất khử và chất oxy-hóa ở nồng độ 1, 0M, 25o C và pH=7; 4 - pin nửa tiêu chuẩn (có thế khử tiêu chuẩn biết trước) Thế khử tiêu chuẩn (ký hiệu là Eo ) là giá trò áp lực điện tử mà trong những điều kiện hoàn toàn xác đònh (điều kiện tiêu chuẩn) xuất hiện trong cặp chất oxy- GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 15 - hóa - chất khử ở trạng thái cân bằng Người... một loại monooxygenase Các mono- và dioxygenase khác cũng sử dụng các nhóm chức GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 29 - năng khác nhau làm cofactor Monooxygenase đòi hỏi tiếp nhận 2 điện tử từ chất khử, trong khi đó dioxygenase không có đòi hỏi này Dopamine-monooxygenase là một enzyme chứa Cu2+ có mặt trong não và phần lõi thượng thận, xúc tác phản ... biến đổi entropy hệ thống hở GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất lượng - 11 - Theo đònh luật thứ hai nhiệt động học trình bày trao đổi chất trao đổi lượng. .. thành trình gọi chất trao đổi toàn chuỗi biến hóa gọi trình trao đổi trung gian Sự biến hóa lượng kèm với phản ứng enzyme trình trao đổi trung gian Ở số giai đoạn trình dò hóa lượng hóa học chất trao. . .Trao đổi chất lượng -3- CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯNG Các phản ứng enzyme có tính đònh hướng liên quan mật thiết với xảy tế bào mà ta gọi trình trao đổi chất