Moät quy luaät chung cuûa hoùa hoïc teá baøo laø phaûn öùng coù töï ñoäng xaûy ra hay khoâng, chæ phuï thuoäc vaøo söï bieán ñoåi naêng löôïng töï do keøm theo phaûn öùng... Söï oxy [r]
(1)CHƯƠNG IV
NĂNG LƯỢNG HỌC TẾ BAØO
I NĂNG LƯỢNG. II ENZYME HỌC.
III TRAO ĐỔI CHẤT. IV HÔ HẤP.
(2)I NĂNG LƯỢNG
1 Các quy luật biến đổi lượng trật tự sinh học.
a Các quy luật biến đổi lượng. b Trật tự sinh học.
2 Năng lượng tự do. 3 Sự oxy hóa khử.
4 Năng lượng hoạt hóa
(3)• Tồn phản ứng tế bào
gọi chung sự trao đổi chất (metabolism, từ chữ Hi lạp metabole có nghĩa chuyển đổi) bao gồm hai trình xảy song song tác động tương hỗ lẫn :
• - Sự đồng hóa (anabolism) q trình tổng hợp nên phân tử hữu phức tạp
(4)1 Các quy luật biến đổi lượng và trật tự sinh học
• a Các quy luật biến đổi lượng.
Quy luật thứ của nhiệt động học hay
quy luật bảo tồn năng lượng nói :
"Tổng lượng vũ trụ không đổi"
Nói cách khác, lượng khơng tự tạo cũng không tự
• Quy luật nhiệt động học hai khó hiểu :
"Thế giới vật chất biến đổi liên tục để trở
(5)• b Trật tự sinh học.
• Các cấu trúc phản ứng hóa học thể được trì theo trật tự định gọi là
trật tự sinh học (biological order).
• Tế bào tuân theo quy luật nhiệt động học
II tức trật tự sinh học được trì làm mơi trường bên ngồi hỗn loạn hơn.
• Các phản ứng không ngừng xảy tế bào,
thu lượng (chất hữu cơ) từ vào, thải chất bả Tế bào trạng thái cân động
có luồng vật chất vào ra, chúng hệ thống
(6)(7)Năng lượng tự do.
• a Thế lượng tự do?
• Năng lượng tự (free energy) năng
lượng vốn có hệ thống, cần được dùng để thực cơng điều kiện áp suất định Ví dụ, bồn chứa nước để cao có tích lượng tự do : thực cơng mở vịi cho nước
chảy xuống thấp Khái niệm lượng tự do ông J.W.Gibbs nêu nên
ký hiệu G Nó lượng tối đa tiềm ẩn
trong hệ thống Các chất hóa học có
(8)b Phản ứng tỏa nhiệt thu nhiệt.
Một quy luật chung hóa học tế bào phản ứng có tự động xảy hay không, phụ thuộc vào sự biến đổi lượng tự do kèm theo phản ứng
Trạng thái ban đầu Trạng thái cuối A + B C + D
Gi Gf
(G = Gf - Gi)
Phản ứng tỏa nhiệt(exergonic): G < (âm): phản ứng
có thể xảy cách tự phát.
Phản ứng thu nhiệt (endergonic) G > (dương) ): phản
(9)3 Sự oxy hóa khử
Oxy hóa Khử
- Thêm Oxygen - Chuyển Oxygen. - Chuyển Hydrogen - Thêm Hydrogen. - Chuyển điện tử - Thêm điện tử.
- Giải phóng - Trữ lượng. • – Quang hợp :
• 6CO2 + 6H2O + ánh sáng 6O2 + C6H12O6
(10)(11)(12)(13)b Sự oxy hóa tế bào.
Sự oxy hóa thể xảy qua nhiềøu bước trung gian, số lượng tự glucose tích lại dạng hóa để sau tế bào sử dụng
Phần lớn phản ứng oxy hóa sinh học xảy khơng có tham gia trực tiếp oxy và
thực chất làm mất Hydrogen
(14)4 Năng lượng hoạt hóa
• Khi trộn lẫn H2 O2 phản ứng không xảy ra,
có lửa xảy nổ tạo H2O Các phản ứng thu nhiệt cũng tỏa nhiệt cần lượng bổ sung để phản ứng thực Năng lượng gọi là
năng lượng hoạt hóa (activation energy).
Hịn đá nằm đỉnh đồi có chứa lượng tự do, nhưng phải có lực đẩy ban đầu cho dịch chuyển lăn xuống dốc thực cơng Lực đẩy ban đầu là lượng hoạt hóa Có thể nói cách hình
(15)Năng lượng
(16)• Ví du: tia lửa để đốt cháy glucose.
• Trong tế bào sống, khơng thể sử dụng
1NLHH (lửa), cách làm giảm NLHH.
• Sự làm giảm NLHH chất xúc tác
nguyên tắc sống Đây cách giải thích cho nhũng phản ứng hố học xảy ra nhiệt độ thấp: phản ứng hoá học xảy bên thể xúc tác
(17)II ENZYME HOÏC (ENZYMOLOGY)
• 1 Đại cương enzyme
• a Các chất xúc tác • b Enzyme ?
• 2 Cấu tạo enzyme
• 3 Tính đặc hiệu (specificity)
(18)Các đặc điểm enzyme
• - Cấu tạo enzyme protein • Các nhóm chức enzyme :
- Coenzyme
- Nhoùm prosthetic
- Cofactor
(19)1 Đại cương enzyme
• a Các chất xúc tác.
• Một chất làm tăng tốc độ phản ứng tự khơng biến đổi sau phản ứng thực xong (thậm chí biến đổi thời trình phản ứng) gọi là chất xúc tác
(catalyst)
(20)• Chất xúc tác làm giảm lượng hoạt
hóa cần cho phản ứng thực hiện, làm tăng phần chất phản ứng đủ lượng để tác động với nhau.
• Năng lượng hoạt hóa cần thiết để phản
ứng bắt đầu nhiều có chất xúc tác Các enzymes làm giảm
lượng hoạt hóa tạo thuận lợi cho việc thực hiện phản ứng hóa học sống
Năng lượng tự (G) không thay đổi
(21)b Enzymes ?
• Định nghĩa: Enzyme hợp chất protein có khả xúc tác chuyên biệt phản ứng hóa học định Chúng có tất tế bào thể sống Đó chất xúc tác sinh học.
Chỉ cần lượng nhỏ enzyme có thể làm biến đổi lượng lớn chất Ví dụ: 1g pepsine nhiệt độ bình thường gìơ
thuỷ phân 50.000g protein trứng luộc.
(22)Enzyme làm giảm lượng hoạt hóa
phản ứng chất xúc tác vô mức độ mạnh nhiều so với chất xúc tác vơ Ví dụ: phản ứng
Saccharose + H2O → glucose + fructose
Chất xúc tác Năng lượng
hoạt hóa
không có 32.000 Cal/mol H+ 25.000
saccharase 9.400
Enzyme làm tăng tốc độ phản ứng hoạt
(23)Tự chúng không biến đổi, giữ nguyên
vẹn cấu trúc trước sau phản ứng
Chúng không làm thay đổi cân
1 phản ứng hoàn nghịch, khác cân đạt mau
Các phản ứng enzyme xúc tác
(24)(25)(26)• Phản ứng thực gần có hiệu 100 %
và không kèm theo phụ phẩm thừa (dĩ nhiên phải tuân theo quy luật cân vật chất tức một chất phản ứng cạn kiệt).
• · Đồng thời xảy nhiều phản ứng độc lập khác nhau, mà không bị rối sản phẩm phụ Điều có nhờ enzyme chuyên hóa cao cho loại phản ứng.
• · Các phản ứng thường thực theo dây
chuyền, sản phẩm phản ứng đầu làm nguyên liệu sơ khởi cho phản ứng sau nhờ enzyme xếp theo hệ thống.
• · Phản ứng chịu điều hịa hợp lý tiết kiệm nhất.
(27)2 Cấu tạo enzyme
• Bản chất enzyme protein, thường
protein hình cầu Có thể chia enzyme làm nhóm:
(28)• - Enzyme phức tạp: enzyme thành phần: ngồi acid amin, phân tử cịn có phần fi – protid, gọi cofactor (đồng yếu tố: ion kim loại, vitamin, nucleotid,…) • Phần protein: apoenzyme Phần
protein gọi tên:
Coenzyme: dễ tách rời khỏi
apoenzyme cho thẩm tích qua màng bán thấm
Prosthetic: liên kết chặt chẽ với
(29)(30)• Nhiều coenzyme chứa các phân tử vitamin Điều này giải thích tầm quan trọng vitamin các hoạt động sống.
• - Các enzyme rất nhạy cảm với pH có hoạt tính cao giới hạn định mỗi enzyme có pH tối ưu riêng Sự thay đổi pH làm đứt nhiều liên kết yếu giữ vai trị ổn định cấu trúc khơng gian phân tử protein, đồng thời dẫn đến hình thành liên kết hóa học làm thay đổi hình dạng phân tử protein.
(31)3 Tính đặc hiệu (specificity).
a Đặc hiệu phản ứng.
• Tính đặc hiệu enzyme biểu đối với chất có mang một loại liên kết hóa học
nhất định Ví dụ 1: Enzyme lipase tuyến tụy tiết cắt liên kết ester nối glycerol acid béo nhiều loại lipid khác nhau.
(32)• b Đặc hiệu chất.
• Tính đặc hiệu cịn thể chun biệt cho chất định Ví dụ: enzyme urease phân hủy urea thành ammonia CO2, không tác dụng chất khác
• Các enzyme phân biệt được chất chí giống nhau, các đồng phân (Isomer) Ví dụ: enzyme sucrase phân hủy saccharose (sucrose) thành glucose fructose, không tác dụng đồng phân khác maltose lactose
• Trong nhiều trường hợp khó phân biệt tính đặc hiệu kiểu phản ứng chất Tính đặc hiệu nhờcấu trúc không gian ba chiều protein
(33)4 Trung tâm hoạt động (active site).
• Chỉ có vùng giới hạn phân tử enzyme thực gắn với chất là
(34)(35)Sự gắn chất vào enzyme :
(36)5 Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme
• a Tốc độ phản ứng.
• b Nồng độ chất
• c Chất kìm hãm
• d Nhiệt độ.
(37)(38)(39)(40)(41)c Chất kìm hãm.
• Phần lớn enzyme bị kìm hãm hay ức chế (inhibition) thuận nghịch hay không thuận nghịch Một kiểu kiểm soát ức chế cạnh tranh (competitive inhibition) xảy
chất ức chế tương tự chất nên kết hợp thuận nghịch với trung tâm hoạt động, chất ức chế không biến đổi tiếp tục Phản ứng cạnh tranh biểu thị sau :
• E + I EI E + S ES E + P
(42)(43)• Kiểu ức chế thứ hai thuận nghịch gọi ức chế không cạnh tranh (noncompetitive inhibition) Trong trường hợp này, enzyme thường có hai loại trung tâm hoạt động, loại chất bám vào, loại chất ức chế gắn vào
(44)III TRAO ĐỔI CHẤT
1 Đặc điểm chuyển hóa lượng trong tế bào
2 ATP “tiền tệ” lượng tế bào.
(45)1 Đặc điểm chuyển hóa lượng tế bào.
• Năng lượng cho sống trái đất ánh sáng mặt trời sinh vật tự dưỡng
(autotroph) thu nhận nhờ quang hợp, tạo
hợp chất giàu lượng glucose, cung cấp cho các sinh vật dị dưỡng (heterotroph) động vật, nấm nhiều vi sinh vật không thu nhận trực tiếp từ lượng mặt trời
(46)(47) Dạng lượng chủ yếu chuyển hóa
là năng lượng hóa học hợp chất hữu cơ. Nhờ có cấu trúc tinh vi tế bào thực vật đã thu năng lượng ánh sáng mặt trời
biến thành lượng hóa học để
luân chuyển giới sinh vật.
(48)2 ATP Các phản ứng sinh hóa tuân theo các quy luật nhiệt động học
ATP “tiền tệ” lượng tế bào
aA+bB cC+dD
Free energy change with concentration:
G=G°´ +
+ RTln(([A]a[B]b)/([C]c[D]d))
G= H(enthalpy)-T(temp)S(entropy) G°´=free energy change at standard
conditions (1M concentration,
atmospheric pressure, 25°C, pH 7.0 in water)
At equilibrium:
G=
(49)3 Các chất chuyên chở hydro
Tham gia vào chuyển hóa lượng cịn có chất chun chở hydro
như: NAD+, NADH
2, FAD, NADP vaø
NADPH2.
NAD tên viết tắt chất
Nicotineamide adenine dinucleotide Nửa phải phân tử adenosine
(50)• Phần quan trọng laø nicotine amide
nơi xảy biến đổi vận chuyển H Giữa NADH NAD+ có sự biến đổi
thuận nghịch : tích trữ giai phóng
năng lượng
• NADP có cấu trúc tương tự NAD
có thêm nhóm phosphate
• Tham gia chuyển hydro có FAD
là tên gọi Flavine adenine
dinucleotide dễ dàng biến sang FAD.H2:
(51)(52)(53)Các chất chuyền điện tử.
Từ năm 1925, cytochromes phát hiện, chất có màu chứa
nhân hème tương tự hème hemoglobine Nguyên tử sắt nhân hème dễ dàng chuyển đổi thuận nghịch từ sắt Fe2 sang sắt Fe3 nhờ chuyền điện tử sang phần tử kế cận.
(54)(55)IV HÔ HẤP TẾ BÀO
I ĐẠI CƯƠNG VỀ HƠ HẤP
II QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN III SỰ LÊN MEN
(56)1 Đại cương hô hấp
• Q trình phân hủy háo khí (aerobic) thức
ăn kèm theo tổng hợp ATP gọi hô hấp tế bào (cellular respiration)
• Hô hấp tế bào trình traûi qua
nhiều bước enzyme xúc tác, nhờ tế bào
chiết rút lượng từ glucose, polysaccharide, lipid, protein chất hữu khác Hơ hấp nói chung háo khí, địi hỏi phải có Oxy.
• C6H12O6 + O2 + H2O CO2 + 12 H2O
(57)Sơ đồ trình dị hóa gồm
3 giai đọan lớn :
1 Sự tiêu hóa 2 Sự phân hủy
ở tế bào chất 3 Sự biến đổi
(58)PHOSPHORYL OXYHOÙA :
(59)II ĐƯỜNG PHÂN (GLYCOLYSIS) : YẾM KHÍ, BÀO TƯƠNG
• Đường phân coi giai đoạn đầu,
giai đoạn yếm khí hơ hấp
• Từ nguyên liệu khởi đầu glucose, đường biến dưỡng kỵ khí hiếu khí có giai đoạn chung Đó q trình phân cắt glucose điều kiện yếm khí để tạo
pyruvat (acid pyruvic) được gọi đường phân (glycolysis hay đường EMP:
(60)(61)(62)• Có thể tổng kết tính chất quan trọng đường phân sau:
Mỗi phân tử glucose (6C) bị cắt thành
pyruvat (3C)
Phải tốn 2ATP vào buổi đầu (phản ứng 3)
Về sau ATP tạo (phản ứng 10) Tổng cộng có 2ATP tạo Hai phân tử NADH2 (khử) tạo thành
Đường phân xảy khơng có O2
hoặc có mặt O2
Quá trình xảy tế bào chất của
(63)III SỰ LÊN MEN (FERMENTATION).
Sự lên men lactic: xảy tế bào động
vật, thực vật số sinh vật đơn bào
Sự lên men rượu ethanol: xảy tế bào
nấm men thực vật
• Q trình bắt đầu đường phân kết thúc với chuyển hóa acid pyruvic
(64)(65)Sự oxy hóa NADH qua chuỗi chuyền điện tử
• Giai đoạn cuối hơ hấp oxy hoá thực hiện màng ti thể khoảng giữa hai màng, tích lũy nhiều ATP
Sự oxy hóa NADH thực nhờ
chuyển điện tử đến Oxy chất thu nhận điện tử cuối theo phương trình :
(66)3 Hô hấp oxy hóa
• Sự đường phân giải phóng
lượng (2ATP) từ glucose, tiến hóa dẫn đến chiết rút lượng có hiệu với
hiện diện O2 dồi xảy ti thể
Ở sinh vật nhân thực hô hấp háo khí xảy ti thểå
• Trong thối dưỡng kỵ khí bao gồm
đường phân kèm theo lên men, hô hấp tế bào gồm đường phân nối theo oxy hóa
pyruvat thành acetyl-CoA sau tham gia vào chu trình acid citric (Krebs), hệ chuyền
(67)• a Sự oxy hóa pyruvat thành
acetyl-CoA
• 2 pyruvat + CoA + 2NAD
acetyl-CoA + 2CO2 + NADH2
• b Oxy hóa acetyl-CoA.
• Phản ứng chu trình Krebs thực kết hợp
acetyl-CoA có 2C với chất
diện ti thể oxaloacetate có 4C Kết phản ứng citrate có 6C
(68)(69)• Các sản phẩm chu trình acid citric:
Sự biến đổi acetyl-CoA tích lũy ATP
tương ứng glucose tạo ATP Cuối chu trình Krebs cacbon ban đầu glucose oxy hóa phần lượng chuyển
sang 4 ATP (2 ATP tạo đường phân ATP qua chu trình Krebs)
Sau vịng chu trình Krebs, có phân tử
CO2 tạo cặp điện tử chuyển đến chất nhận FAD NAD → FADH2
và NADH2 → vào chuỗi chuyền điện tử
hô hấp để giải phóng lượng
Chu trình Krebs cịn tạo chất hữu
(70)(71)(72)(73)(74)Bốn phức
(75)Phức hợp ATP
(76)(77)(78)(79)V QUANG HỢP
• Quang hợp laø q trình trao đổi chất thực hiện tế bào thực vật xanh, tảo, số nguyên sinh động vật vi khuẩn quang hợp
• Trong quang hợp lượng ánh sáng mặt trời tế bào thu nhận nhờ sắc tố chlorophyll sử dụng để khử các chất vô CO2 H2O thành
carbohydrate O2
• Thực chất quang hợp chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành lượng hóa học ở
(80)(81)(82)(83)(84)(85)(86)(87)(88)Quang hợp thực vật c3, c4, cam
• Quang hô hấp:
• Một tượng thường gặp thực vật C3
thải CO2 sáng mạnh tối
Khi khoảng khơng có nồng độ O2
cao nhiều so với CO2, trung tâm hoạt
động RuBP nhận O2 thay
CO2, gọi quang hô hấp Trong trường
hợp này, O2 chất kìm hãm cạnh tranh
(89)(90)(91)(92)VI. CÁC NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA SINH TỔNG HỢP
• 1 Các đặc điểm sinh tổng hợp
• 2 Sự khác tổng hợp phân tử nhỏ lớn
• 3 Mối quan hệ thoái dưỡng biến dưỡng
(93)• – Tổng hợp theo trật tự sinh học.
• – Enzyme xúc tác mỗi bước
• – Năng lượng hóa học
• – Ngun liệu ban đầu khơng nhiều : acetyl CoA,
glycine, succinyl CoA, ribose, pyruvate vaø glycerol.
• – Khơng đảo ngược q trình phân hủy. • – Các phức hợp phân tử : Quá trình sinh tổng
(94)TRAO ĐỔI CHẤT :
(95)V ĐẶC ĐIỂM CÁC PHẢN ỨNG HĨA HỌC CỦA TẾ BÀO
• Để tồn tại, tế bào phải thu nhận lượng và sinh tổng hợp chất Cơng việc
thực nhờ hàng nghìn, hàng vạn phản ứng hố học diễn liên tục theo trình tự
nghiêm nhặt, nhanh nhạy chuẩn xác, ví như nhà máy hố học đặc biệt.
• 1 Thu nhaän
(96)1 Thu nhaän
• Sự chủ động thể qua vài ví dụ :
• – Hóa định hướng (Chemotaxis) : vi khuẩn di chuyển hướng đến nguồn hóa chất dinh dưỡng hay rễ mọc hướng đến nguồn phân
• – Enzyme ngoại bào : tế bào không hấp thu trực tiếp đai phân tử bột, protein nên tiết enzyme ngoại bào protease, amylase cắt chúng thành đơn phân để ngấm vào tế bào.
• Sự tinh vi thể qua ví dụ hấp thu sắt (Fe) Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ghi nhận thiếu sắt
(97)2 Các định hướng chung
• – Trật tự sinh học : Biểu
trong không gian thời gian.
• – Mối quan hệ : Phân tử, gen tế bào
• – Dựa vào cấu trúc phức tạp tổ
chức tinh vi.
• Tuân theo quy luật vật lý hóa
hocï có đặc điểm riêng.
(98)(99)3 Cách thực phản ứng hoá học
• Hố học tế bào có đặc tính ưu việt nhờ cách thực phản ứng đặc biệt
• – Điều kiện thực phản ứng : đẳng nhiệt, đẳng áp
• – Sự xúc tác enzyme.
(100)4 Tín hiệu tế bào.
• - Tín hiệu vận chuyển nội bào (intracellular traffic) các tín hiệu tế bào (intercellular signals) Các
phân tử thông tin ngoại bào (extracellular informative molecules), thực mối quan hệ tế bào, những chất trung gian gồm loại phụ thuộc vào khoảng cách tác động.
• Có thể nói, tế bào tắm mơi trường với nhiều tín hiệu hố học :
(101)• Trong hoá học, thuờng quen với kiểu phản ứng chất A kết hợp với B thành AB Tế bào phản ứng phức tạp nhiều : tín hiệu phát ra
di chuyển xa, có định hướng mục tiêu
để kích thích hoạt động phức hợp gồm cả chục protein nhằm đáp lại
(102)• Trên tế bào có mức tổ chức cao mô, quan, thể Tất có mối liên hệ bên với mơi trường ngồi phức tạp thơng qua tín hiệu tế bào Cơ thể điều hồ chế : • – Các chất nội tiết hormone, có tác
động chậm.
• – Các xung thần kinh có tác động nhanh.
• Ngồi ra, thiên nhiên vốn hài hồ, phản hố học tế bào gây ô nhiễm,
(103)My own scientific career was a descent from higher to lower dimension, led by a desire to understand life I went from animals to cells, from cells to bacteria, from bacteria to molecules, from molecules to electrons The story had its irony, for molecules and electrons have no life at all On my way life run out between my fingers.
From: Albert Szent-Györgi, The Living State
Biophysics: