chuyển hóa các chất, oxy hóa sinh học, chu trình acid citric

  CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT, OXY HÓA SINH HỌC, CHU TRÌNH ACID CITRIC   DS TẠ QUANG VƯỢNG CHUYỂN HỐ CÁC CHẤT - Là tất q trình hố học xảy thể từ thức ăn đưa vào đến chất cặn bã thải ngồi - Các chuyển hóa trung gian phản ứng xảy tế bào, mơ - Sinh vật tự dưỡng (thực vật): Có khả tổng hợp glucid, lipid, protid đặc hiệu từ CO2, H2O, muối khoáng chứa nitơ lượng mặt trời (quang hợp) - Sinh vật dị dưỡng (động vật): + Sử dụng thức ăn (glucid, lipid, protid…) từ sinh vật tự dưỡng để tổng hợp nên phân tử glucid, lipid, protid đặc hiệu + Thoái hoá phân tử đặc hiệu thành sản phẩm chuyển hoá, chất thải CO2, H2O lượng cho thể sử dụng CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT + Đồng hố:  Là q trình biến phân tử hữu thức ăn (glucid, lipid, protid) thành phân tử hữu (glucid, lipid, protid) đặc hiệu thể  Gồm giai đoạn :  Tiêu hoá : thủy phân đại phân tử tác dụng enzym thủy phân dịch tiêu hóa  Hấp thu : sản phẩm tiêu hoá hấp thu qua niêm mạc ruột non vào máu  Tổng hợp: máu đưa sản phẩm hấp thu đến mô tế bào sử dụng để tổng hợp đại phân tử có tính đặc hiệu thể  Cơ thể sử dụng đại phân tử để :  Xây dựng tế bào mô (protein, polysaccarid tạp, phospholipid)  Sử dụng cho hoạt động sống (enzym, acid nucleic, protein chức năng)  Dự trữ (glycogen, triglycerid)  Các phản ứng tổng hợp cần lượng (chủ yếu ATP cung cấp) CHUYỂN HỐ CÁC CHẤT + Dị hố:  Là q trình thối hóa đại phân tử hữu thành sản phẩm trung gian chất cặn bã thải ngồi  Q trình kèm theo giải phóng lượng Năng lượng giải phóng hai dạng:  50% lượng dạng nhiệt (thân nhiệt)  50% lượng tích trữ dạng ATP  Năng lượng giải phóng thủy phân ATP (tạo ADP H3PO4) tế bào sử dụng cho lọai công sau:  Công học: dùng co duỗi  Công thẩm thấu: vận chuyển tích cực chất qua màng tế bào , chống lại gradient nồng độ  Cơng hố học: tổng hợp chất CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT - Phản ứng liên hợp + Là ghép cặp hai phản ứng tổng hợp thối hóa nhằm cung cấp lượng cho q trình tổng hợp + Ví dụ: phản ứng tổng hợp glucose phosphat cần 3,3 Kcal xảy ghép với phản ứng thủy phân ATP giải phóng 7,3 Kcal - Đặc điểm q trình chuyển hóa chất: + Các q trình chuyển hóa mang tính thống riêng biệt + Các phản ứng hóa học thể chịu xúc tác enzym, tiến hành 37oC, pH gần trung tính + Ở động vật, hệ thống thần kinh giữ vai trò điều khiển q trình chuyển hóa   OXY HĨA SINH HỌC   PHẢN ỨNG OXY HỐ – KHỬ - Là q trình trao đổi điện tử Chất oxy hóa chất nhận điện tử chất khử chất có khả cho điện tử - Ví dụ : Fe++ Fe+++ -e Fe++ chất khử, Fe+++ chất oxy hóa +e - Trong phản ứng oxy hóa khử kèm theo hay không nhận hydro hay oxy - Cặp oxy hố khử: hai chất oxy hóa khử tập hợp với thành hệ thống oxy hóa khử - Thế oxy hóa khử: + Biểu khả cho nhận điện tử hệ thống  Hệ thống có E thấp (nồng độ chất khử lớn) dễ cho điện tử  Hệ thống có E cao dễ nhận điện tử (do nồng độ chất oxy hóa cao)  Hydro hay điện tử chuyển từ hệ thống có E thấp đến hệ thống có E cao PHẢN ỨNG OXY HỐ – KHỬ E  : Thế oxy hóa khử Eo : Thế oxy hóa khử chuẩn R : Hằng số khí lý tưởng T : Nhiệt độ tuyệt đối n : Số điện tử di chuyển F :- khử Hằng số EFaraday + Mỗi cặp oxy hóa khử xác định oxy hóa chuẩn o Khi đo điều kiện sinh học pH = 7, nhiệt độ = + Phương trình Nernst sau : 25oC, oxy hóa khử ký hiệu E’o + Trong phản ứng có tham gia cặp oxy hố khử E’o cặp xác định chiều cân phản ứng + Ví dụ: AH2 + B BH2 + A  Có cặp A/AH2 B/BH2 mà E’oA < E’oB cân phản ứng dịch chuyển sang + Sự tương quan biến thiên oxy hóa khử chuẩn biến thiên lượng tự do: ∆Go’ = -nF ∆E’o ∆Go’  : Biến thiên lượng tự phản ứng ∆E’o : Biến thiên oxy hóa khử chuẩn n : Số điện tử di chuyển F : Hằng số Faraday bên phải PHẢN ỨNG OXY HOÁ – KHỬ Hệ thống H+/ H2 Eo (volt) -0,42 NAD+/ NADH -0,32 Lipoate ;Ox/Kh -0,29 Acetoacetat/ 3-hydroxybutyrat -0,27 Pyruvat/ Lactat -0,19 Oxaloacetat/ Malat -0,17 Riboflavin (Ox/Kh) -0,05 Fumarat/ Succinat +0,03 Cytocrom b ; Fe 3+ /Fe 2+ +0,08 Ubiquinon (Ox/Kh) +0,10 Cytocrom c1 Fe 3+ /Fe 2+ +0,22 Cytocrom a Fe 3+ /Fe 2+ ½ O2 / H2O +0,29 +0,82 PHOSPHORYL HỐ VÀ KHỬ PHOSPHORYL - Sự phosphoryl hóa: + Là gắn gốc phosphat vào phân tử chất hữu + Là phản ứng cần xúc tác phosphorylase kinase + Là phản ứng thu (tích trữ lượng) + Phosphat tham gia phản ứng nguồn vơ hay hữu - Sự khử phosphoryl: + Là phản ứng cắt đứt liên kết phosphat nhờ xúc tác phosphatase + Tạo gốc phosphate vô tự hay chuyển gốc phosphat từ chất hữu phosphat sang chất khác + Năng lượng giải phóng q trình lượng tích trữ tạo thành liên kết phosphat ATP ADP Glucose 6-P Glucose Phosphat vôcơ H2O CÁC LOẠI LIÊN KẾT PHOSPHAT - Dựa vào lượng tự giải phóng thủy phân liên kết phosphat, người ta chia làm loại + Liên kết phosphat nghèo lượng  Năng lượng giải phóng ≤ Kcal/mol  Tương đối bền  Ký hiệu - P + Liên kết phosphat giàu lượng  Năng lượng giải phóng ≥ 6,6 Kcal/mol)  Tương đối không bền  Ký hiệu ∼ P VAI TRỊ CỦA SỰ PHOSPHORYL HỐ VÀ KHỬ PHOSPHORYL - Tích trữ, vận chuyển sử dụng lượng: lượng từ q trình thối hóa dự trữ phân tử ATP nhờ phản ứng phosphoryl hóa ADP + Pvc - ATP Khi thể cần lượng ATP thủy phân trở lại để giải phóng lượng Khi ATP tích tụ nhiều liên kết phosphat giàu lượng chuyển sang creatin ATP + Creatin Creatin ∼ P + ADP  Cơ thể không sử dụng trực tiếp lượng từ creatin phosphat mà bắt buộc phải chuyển sang ATP  Khi lượng ATP giảm, creatin phosphat chuyển phosphat sang ADP để tái tạo ATP  Hệ thống ADP - ATP giữ vai trò trung tâm chuyển hố lượng - Hoạt hố chất: + Một số chất tham gia vào q trình chuyển hóa sau phosphoryl hóa (được hoạt hóa) ATP Glucose ADP Glucose – – P  Thối hóa tổng hợp tiếp tục + Hoạt hóa enzym biến enzym thành dạng hoạt động có lại thành dạng khơng hoạt động ATP ADP Glycogen phosphorylase b (không hoạt động) Glycogen phosphorylase a (hoạt động) SỰ HÔ HẤP TẾ BÀO - Bản chất q trình oxy hóa khử xảy điều kiện sinh học, gọi oxy hóa khử sinh học hay oxy hóa sinh học, tạo CO2, H2O với giải phóng lượng lượng dự trữ dạng ATP - Chất hữu bị tách dần cặp nguyên tử hydro (2H) chuyển đến oxy tạo H2O - Tạo thành acid carboxylic khử carboxyl tác dụng xúc tác decarboxylase tạo CO2  Q trình khử carboxyl giải phóng lượng, tỏa dạng nhiệt khơng có tham gia oxy thở vào - Quá trình đốt cháy hydro để tạo thành nước thể tiến hành qua chuỗi phản ứng : + Cặp hydro tách khỏi chất cho hydro vận chuyển qua hệ thống chuỗi hô hấp tế bào màng ty thể tới oxy thở vào + Hydro oxy hoạt hóa thành ion H+ O2-, kết hợp với tạo H2O, giải phóng nhiều lượng cho thể CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO - Là hệ thống enzym xúc tác vận chuyển H + điện tử từ chất đến phân tử oxy để tạo H2O - Sơ đồ chuỗi hô hấp tế bào: SH2 + NAD FADH2 FP DH S • • • • + NADH,H FAD SH2 : Cơ chất cho hydro Q CoQ QH2 2Cytb 3+ 2Fe DH : Dehydrogenase FP: Flavoprotein CoQ : Coenzym Q Q : Quinon QH2 : Hydroquinon Cyt : Cytocrom 2Fe2+ 2Fe3+ 2Cytc1 2Fe2+ 2Fe2+ 2Cytc 2Fe3+ 2Fe3+ 2Cyta 2Fe2+ 2Fe2+ 1/2O2 2Cyta3 2Fe3+ 2H+ O2- H2O CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO - Các yếu tố tham gia chuỗi hô hấp tế bào gồm : + Cơ chất cung cấp hydro : sản phẩm trung gian chuyển hóa glucid, lipid, protid Chu trình Krebs nơi cung cấp chất cho hydro nhiều + Các dehydrogenase có coenzym NAD+ + Các flavoprotein có coenzym FMN FAD + Coenzym Q gọi Ubiquinon, dẫn xuất quinon, có tác dụng vận chuyển linh hoạt điện tử flavoprotein hệ thống cytocrom OH O R1 R2 R1 R3 R3 +2H R4 -2H R2 R4 OH + Hệ thống cytocrom : O  Bao gồm enzym vận chuyển điện tử có nhóm ngoại gắn chặt vào apoenzym  Bản chất gần giống hem, có nhân protoporphyrin gắn ion sắt đồng thay đổi hóa trị làm cho hệ thống có khả vận chuyển điện tử  Cytocrom gồm có nhiều loại theo thứ tự oxy hóa khử từ thấp đến cao b, c 1, c, a, a3… + Oxy phân tử thở vào qua phổi CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO - Diễn tiến: + Hydro cặp điện tử vận chuyển chuỗi hô hấp tế bào qua nhiều enzym xếp nghiêm ngặt theo thứ tự qui định oxy hóa khử từ thấp đến cao + giai đoạn:  Giai đoạn vận chuyển 2H+ điện tử từ SH2 đến CoQ  Giai đoạn vận chuyển điện tử từ Cytb đến oxy tạo thành H2O + Điện tử vận chuyển chuỗi hô hấp tế bào qua hệ thống oxy hóa khử từ NAD+/NADH đến O2/H2O, thông qua phức hợp protein lớn sau :  Phức hợp I (Complex I) (NADH-CoQ oxydoreductase) : điện tử vận chuyển từ NADH đến CoQ  Phức hợp III (Complex III) (CoQ-cytocrom c oxydoreductase) : chuyển điện tử đến cytocrom c  Phức hợp IV (Complex IV) (Cytocrom oxydase) : hồn thành chuỗi hơ hấp, chuyển điện tử đến O2 tạo thành H2O  Một vài chất oxy hóa khử lớn NAD+/NADH (ví dụ succinat) chuyển điện tử đến CoQ thơng qua phức hợp II (Complex II) succinat-CoQ reductase, có phức hợp I  Bốn phức hợp gắn vào màng ty thể, CoQ cytocrom c lưu động CoQ khuếch tán nhanh chóng bên màng, cytocrom c protein hòa tan Sự di chuyển điện tử qua phức hợp I, III IV tạo nên bơm proton từ matrix xuyên qua màng ty thể vào khoảng trống nội màng ty thể KẾT QUẢ CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO - Năng lượng giải phóng dần qua hệ thống, phụ thuộc vào mức chênh lệch ∆E’o hai hệ thống tích trữ lại nhờ phosphoryl hóa ADP thành ATP - Nếu ∆E’o hai hệ thống ≥ 0,15 V lượng giải phóng đủ để tạo liên kết giàu lượng ATP nhờ phosphoryl hóa ADP (cần > 7,3 Kcal/mol cho phosphoryl hóa ADP thành ATP) - Trong chuỗi hô hấp tế bào, ATP tạo vị trí sau: + Vị trí 1: NAD – FAD + Vị trí 2: Cytb – Cytc1 + Vị trí 3: Cyta3 – ½ O2 - Năng lượng giải phóng oxy hóa tích trữ dạng ATP nhờ phản ứng phosphoryl hóa  gọi chung q trình phosphoryl-oxy hóa KẾT QUẢ CHUỖI HƠ HẤP TẾ BÀO - Chuỗi hơ hấp tế bào lần vận chuyển 2H tích trữ trung bình ATP (oxy hóa hồn tồn NADH), tính theo tỷ số P/O - Tỷ số phosphoryl oxy hoá (P/O) số phân tử phosphat vô sử dụng để phosphoryl hóa ADP thành ATP nguyên tử oxy bị khử thành O2-, biểu thị mối liên quan q trình phosphoryl hóa oxy hóa-khử tế bào + Tỷ số P/O oxy hóa hồn toàn NADH + Tỷ số P/O oxy hóa succinat thành fumarat + Tỷ số P/O oxy hóa ascorbat + Tỷ số P/O oxy hóa α-cetoglutarat thành succinat (chu trình acid citric) CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS - Là giai đoạn thoái hoá thứ ba, cuối cùng, chung glucod, lipid, protid - Xảy ty thể tế bào có nhân bào dịch (cytosol) tế bào không nhân điều kiện hiếu khí - Là nơi tạo nhiều chất cung cấp hydro - Đặc điểm: + Một diacid có cacbon (oxaloacetat acid: OAA) gắn với mẩu cacbon (acetyl CoA) tạo hợp chất cacbon (acid citric) + Acid citric oxy hoá liên tiếp giải phóng cacbon dạng phân tử CO2, đồng thời tái lập lại phân tử OAA tiếp tục chu trình CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS - Giai đoạn : Oxy hoá phân tử hydrocarbon thành acetyl CoA + Nguồn lượng glucose chuyển thành pyruvat qua trình đường phân + Pyruvat dehydrogenase oxy hoá pyruvat (sử dụng NAD + bị khử thành NADH) để tạo thành acetyl CoA CO2 + Tiến trình phản ứng bao gồm đồng thời oxy hoá khử CO gọi khử carboxyl oxy hoá - Giai đoạn 2: Chu trình acid citric + Ngưng tụ khơng thuận nghịch phân tử acetyl CoA (2C) phân tử oxaloacetat (4C) với xúc tác citrat synthase tạo thành Citrat (6C) + Đồng phân hoá Citrat thành isocitrat (6C) xúc tác enzyme aconitase + Oxy hóa isocitrat thành α-cetoglutarat (5C) CO2 isocitrat dehydrogenase (coenzym NAD+  NADH) + α-cetoglutarat bị oxy hóa thành succinyl CoA (4C) CO phức hợp α-cetoglutarat dehydrogenase (coenzym NAD+  NADH) CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS + Succinyl CoA chuyển thành succinat (4C) succinyl CoA synthetase Phản ứng sử dụng lượng giải phóng từ cắt đứt liên kết succinyl CoA để tổng hợp GTP Nhóm phosphat GTP chuyển đến ADP tạo thành ATP  Là giai đoạn chu trình acid citric trực tiếp tạo ATP không cần qua chuỗi hô hấp tế bào + Succinat bị oxy hóa thành fumarat (4C) succinat dehydrogenase (coenzym FAD  FADH2) + Fumarat chuyển thành malat (4C) fumarase cần tham gia phân tử nước + Malat bị oxy hóa thành oxaloacetat (4C) malat dehydrogenase (coenzym NAD+  NADH) - Giai đoạn 3 : Oxy hóa NADH FADH2 sinh chu trình acid citric + NADH FADH2 sinh chu trình acid citric tái oxy hóa lượng giải phóng sử dụng để tổng hợp ATP phosphoryl oxy hóa CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS - Tổng kết trinh: + Mỗi phân tử phân tử NADH sinh chu trình cung cấp ATP phân tử FADH cung cấp 2ATP phosphoryl oxy hóa + Một phân tử GTP (hay ATP) tổng hợp trực tiếp trình chuyển succinyl CoA thành succinat  Sự oxy hóa phân tử acetyl CoA chu trình acid citric cung cấp 12 ATP + carbon acetyl CoA vào chu trình Krebs khơng chuyển thành CO vòng Trong vòng chu trình, carbon chuyển thành CO2 thuộc hai gốc carboxyl acid oxaloacetic phản ứng vòng chu trình  Tron phân tử oxaloacetat tái tạo, có cacbon thay lấy từ gốc acetyl giai đoạn  Khơng có đốt cháy acetyl CoA mà thay cacbon actyl vào hai nhóm cacboxyl bị khử từ oxaloacetat CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS - Ý nghĩa: + Là giai đoạn thối hóa cuối glucid, lipid, protid + Là nguồn cung cấp lượng dạng ATP cho nhu cầu lượng thể + Các sản phẩm trung gian chu trình cung cấp tiền chất cho nhiều đường sinh tổng hợp Ví dụ:  Tổng hợp acid béo từ citrat  Tổng hợp acid amin nhờ phản ứng chuyển amin cho α-cetoglutarat  Tổng hợp nucleotid có nhân purin pyrimidin từ α-cetoglutarat oxaloacetat  Oxaloacetat chuyển thành glucose trình tân tạo glucose  Succinyl CoA sản phẩm trung gian trung tâm trình sinh tổng hợp nhân porphyrin hem  ... tiếp tục chu trình CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS - Giai đoạn : Oxy hoá... trình acid citric + NADH FADH2 sinh chu trình acid citric tái oxy hóa lượng giải phóng sử dụng để tổng hợp ATP phosphoryl oxy hóa CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH... CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS CHU TRÌNH ACID CITRIC (CHU TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC (TCA) – CHU TRÌNH KREBS - Ý nghĩa: + Là giai đoạn thối hóa cuối