Õi hóa khử sinh học

http://www.ebook.edu.vn 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 CO 2 , đồng thời tạo nhiệt trong cơ thể. Như vậy, đốt cháy hay oxy hóa sinh học đều là quá trình gắn oxy của không khí với carbon và hydro của chất hữu cơ để tạo thành CO 2 và nước, đồng thời giải phóng năng lượng. Đến đầu thế kỷ 20 nhờ các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau vấn đề oxy hóa nhanh chóng các hợp chất hữu cơ trong điều kiện nhiệt độ thấp của cơ thể đã được sáng tỏ với tên gọi là quá trình oxy hóa sinh học. Theo quan điểm hiện đại, oxy hóa sinh học là oxy hóa hy dro đã tách ra từ những chất bò oxy hóa để tạo thành nước. Giai đoạn đầu của quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong tế bào được thực hiện với sự xúc tác của các dehydrogenase có coenzyme là NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide) hoặc NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Hydro của cơ chất bò oxy hóa sẽ gắn vào các coenzyme đó như sau: SH 2 + NAD + (NADP + ) ⎯→ S + NADH + H + (NADPH + H + ) Từ NADH hoặc NADPH hydro lại chuyển tới dehydrodenase có coenzyme là FAD (flavine adenine dinucleotide): NADH + H + + FAD ⎯→ NAD + + FADH 2 Tiếp đó hydro lại được chuyển từ FADH 2 sang các hợp chất vận chuyển khác và cuối cùng chuyển tới oxy để tạo thành nước. Sản phẩm oxy hóa sinh học lipid và glucid là CO 2 và nước, còn sản phẩm oxy hóa sinh học aminoacid và các hợp chất chứa nitơ khác là CO 2 , H 2 O và NH 3 . Các chất khác nhau bò oxy hóa bằng các con đường khác nhau nhưng nói chung đều được kết thúc bằng chu trình acid tricarboxylic (chu trình Krebs). Như trên đã nói, oxy hóa sinh học cũng có một số điểm tương tự với quá trình đốt cháy các hợp chất hữu cơ ngoài cơ thể, ví dụ khi oxy hóa glucose thì oxy hóa sinh học hay oxy hóa bên ngoài cơ thể đều sản sinh được 673 Kcal/mol. Tuy nhiên, tế bào sống có hàng hoạt các đặc tính riêng. Các đặc tính này trong quá trình tiến hóa hướng theo con đường sử dụng năng lượng tới mức cao nhất. Giữa oxy hóa sinh học và quá trình đốt cháy có một số điểm khác nhau cơ bản như sau: 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 Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn 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 biệt là ở dạng các liên kết cao năng của ATP. c/ Phản ứng đốt cháy xảy ra một giai đoạn còn oxy hóa sinh học cơ chất bò oxy hóa dần dần, chuyển thành các sản phẩm đơn giản hơn và cuối cùng bò oxy hóa hoàn toàn, nghóa là xảy ra thành chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn. d/ Đốt cháy nhờ tác dụng của nhiệt, còn oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong cơ thể sống phụ thuôïc vào các enzyme, mỗi giai đoạn do các enzyme tương ứng xúc tác. II. BIẾN HÓA NĂNG LƯNG TRONG CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ. 1. Phản ứng oxy-hóa - khử và thế khử tiêu chuẩn. Năng lượng tích lũy trong các hợp chất hữu cơ được giải phóng trong quá trình hô hấp, trong đó các hợp chất này bò oxy-hóa thành khí carbonic, nước và một số sản phẩm đơn giản khác tùy thuộc vào thành phần nguyên tố của chúng. Có nghóa là, không kể quang hợp, mọi cơ thể đều thu nhận năng lượng trong các phản ứng oxy-hóa - khử, tức trong những phản ứng mà điện tử được vận chuyển từ chất cho (chất khử) sang chất nhận (chất oxy-hóa). Ở một số phản ứng oxy-hóa - khử sự vận chuyển điện tử được thực hiện cùng với vận chuyển các nguyên tử hydro. Chất oxy-hóa và chất khử bao giờ cũng hoạt động liên hợp với nhau thành cặp. Khả năng của chất khử nhường điện tử cho chất oxy-hóa thường được đánh giá bằng thế khử tiêu chuẩn. Đó là sức điện động (đo bằng von) xuất hiện trong pin nửa mà trong đó chất khử và chất oxy-hóa với nồng độ 1,0M ở 25 o C 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 oxy-hóa ở nồng độ 1,0M, 25 o C và pH=7; 4 - pin nửa tiêu chuẩn (có thế khử tiêu chuẩn biết trước). Thế khử tiêu chuẩn (ký hiệu là E o ) 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 Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 15 - hóa - chất khử ở trạng thái cân bằng. Người ta quy ước thế khử tiêu chuẩn bằng không là thế khử của phản ứng: H 2 2H + + 2e - Thế khử tiêu chuẩn của hệ thống H 2 - 2H + ở pH=7 ([H + ]=1.10 -7 M), tức giá trò pH mà trong các phản ứng sinh hóa được xem là tiêu chuẩn, được ký hiệu là E o ' và có giá trò bằng -0,42V. Thế khử tiêu chuẩn của một số cặp chất oxy-hóa - chất khử quan trọng về mặt sinh học có giá trò giới thiệu trong bảng 2. Bảng2. Thế khử tiêu chuẩn của một số cặp chất oxy-hóa - chất khử xác đònh ở pH=7 và nhiệt độ 25-37 o C. Chất khử Chất oxy-hóa Eo' (V) Acetaldehyde Acetate -0,60 H 2 2H + -0,42 Isocitrate α-cetoglutarate + CO 2 -0,38 NAD.H + H + NAD + -0,32 NADP.H + H + NADP + -0,32 NAD.H-Dehydrogenase (dạng khử) NAD.H-dehydrogenase (dạng oxy-hóa) -0,11 Cytochrome b Fe (II) ] Cytochrome b [Fe (III) ] 0,00 Cytochrome c [Fe (II) ] Cytochrome c [Fe (III) ] +0,26 H 2 O 1/2O 2 +0,82 Các hệ thống có giá trò âm của thế khử tiêu chuẩn cao hơn so với đôi H 2 - 2H + sẽ có khả năng nhường điện tử lớn hơn so với khả năng này của hydro; các hệ thống có giá trò dương của thế khử tiêu chuẩn lớn hơn thì khả năng nhường điện tử của chúng thấp hơn so với hydro. Thế khử tiêu chuẩn của một đôi nước - oxy theo phương trình H 2 O 1/2O 2 + 2H + + 2e - bằng +0,815V, tức có giá trò dương cao hơn nhiều so với đôi H 2 2H + . Điều này giải thích tại sao nước có khả năng nhường điện tử rất yếu để tạo ra oxy phân tử. Thế khử tiêu chuẩn của một đôi chất khử - chất oxy hóa được tính bằng phương trình Nernst có dạng sau đây: 2,303RT [chất nhận e - ] E h = E o ' + lg nF [chất nhường e - ] trong đó E h là thế khử biểu kiến của điện cực; E o ' là thế khử tiêu chuẩn; R - hằng số khí (bằng 8,31Jun/mol. o C hay 1,987cal/mol. o C); T - nhiệt độ tuyệt đối; n - số điện tử được vận chuyển; F - số Faraday (bằng 96,406Jun/V). Nếu n=1 thì ở 25 o C tỷ lệ 2,303RT/nF bằng 0,059. Nếu n = 2 thì tỷ lệ này bằng 0,03. Vì trong các hệ thống sinh học phổ biến cơ chế vận chuyển 2e - nên phương trình Nernst có thể được viết dưới dạng: GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 16 - [chất nhận e - ] E h = E o ' + 0,03 lg [chất cho e - ] Biết giá trò thế khử tiêu chuẩn của các hệ thống oxy hóa-khử sinh học khác nhau cho phép tiên đoán chiều hướng của dòng điện tử từ cặp chất oxy hóa - chất khử này đến cặp chất oxy hóa - chất khử khác trong điều kiện tiêu chuẩn. 2. Biến thiên năng lượng trong quá trình vận chuyển điện tử. Như ta đã biết, biến thiên năng lượng tự +do tiêu chuẩn ∆G o ’xảy ra trong bất cứ phản ứng hóa học nào đều có quan hệ với hằng số cân bằng K'eq của phản ứng đó bằng phương trình: ∆G o ’ = -RTlnK'eq Để tính giá trò biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn trong trường hợp hai cặp oxy hóa-khử có thế khử tiêu chuẩn biết trước phản ứng với nhau, có thể sử dụng phương trình: ∆G o ’= -nF∆E o ’ Trong đó ∆G o ’ là biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn, tính bằng calo; n - số điện tử được vận chuyển ; F là Số Faraday (23.062 cal) và ∆E o ’ là hiệu số thế khử tiêu chuẩn của chất nhận và chất cho điện tử. Trong phép tính này người ta quy ước rằng hệ thống tồn tại trong điều kiện tiêu chuẩn, tức tất cả các thành phần đều có nồng độ 1,0M ở 25 o C và pH=7,0. Nhờ phương trình này có thể tính biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn cho trường hợp khi một cặp điện tử được vận chuyển từ NAD.H (E o ' = - 0, 32V) đến oxy phân tử (E o ' = +0,82V), tức trường hợp điện tử được vận chuyển trong chuỗi hô hấp: ∆G o ’= -2x23062 x [0,82-(-0,32)] = -52700cal = -52,7Kcal. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học . trò thế khử tiêu chuẩn của các hệ thống oxy hóa- khử sinh học khác nhau cho phép tiên đoán chiều hướng của dòng điện tử từ cặp chất oxy hóa - chất khử này. tới oxy để tạo thành nước. Sản phẩm oxy hóa sinh học lipid và glucid là CO 2 và nước, còn sản phẩm oxy hóa sinh học aminoacid và các hợp chất chứa nitơ