Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 8: Trao đổi chất và năng lượng

TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Chương 8: 8.1. TRAO ĐỔI CHẤT - Sinh vật = hệ thống mở, quan hệ mật thiết với m/t sống - Sv luôn lấy một số chất từ mt để xd nên sinh chất của mình và thải ra ngoài mt những chất cặn bã TĐC (Dấu hiệu c/bản, đ/k t/tại của sự sống, n/tảng cho sự ph.triển giống loài). TĐC = ∑ ph.ứng h.học do enzyme x.tác, phần lớn xảy ra trong TB; là h/động có m/đích, có tính định hướng và điều tiết ph/hợp cao. 8.1.1. Khái niệm TĐC Chức năng cơ bản của TĐC: • Khai thác NL từ các h/chất hữu cơ hay từ NL á/sáng mặt trời (ở các s/vật quang hợp) • Biến đổi các chất ddưỡng nhận từ mts thành những đ.vị c.trúc hoặc những tiền chất của các th.phần trong TB • Lắp ráp các đ.vị c.trúc trên thành protein, AN, lipid, saccharide và những th.phần đ.trưng khác của TB • Kiến tạo và ph.giải các ph.tử s.học cần thiết cho những ch.năng chuyên hoá của TB TĐC Đồng hoá Dị hoá 8.1.1. Đồng hoá và dị hoá Hai q/trình c/bản của TĐC Đối lập, th.nhất, liên quan mật thiết, hỗ trợ b.sung cho nhau - Dị hoá: Qt ph/giải các h/chất h/cơ (saccharide, protein, lipidtừ TĂ hay kho dự trữ nội bào) → các s/phẩm đ/giản hơn, cuối cùng → chất thải: CO2, H2O, NH3, vv NL trong các h/chất h/cơ bị ph/giải được gi/phóng và phần lớn được t/luỹ trong ATP. - Đồng hoá: Qt t/hợp của TĐC. Các ph/tử tiền chất nhỏ được dùng để t/hợp nên các đại ph/tử: protein, saccharide, lipid, đ/trưng của t/bào. Đòi hỏi NL. Tại sao 2 pha của TĐC (đ/hoá, dị hoá) là 1 mối mâu thuẫn th/nhất? - Đồng hoá → mọi th/phần của cơ thể, trong đó có các enzyme mà nhờ chúng các ph/ứ ph/giải mới xảy ra được - Các SPTG và NL tạo ra trong dị hoá là ng/liệu và NL để t/hợp các chất x/dựng TB. Tế bào SV Tự dưỡng (autotrophes) Dị dưỡng (heterotrophes) - Dùng CO2 tổng hợp mọi hợp chất h/cơ cần thiết - Không có kn dùng CO2, lấy C từ chất h/cơ có sẵn do SV tự dưỡng tạo ra. - Các SV q/hợp, h/hợp -TB đ/vật bậc cao, phần lớn VSV hiếu khí SV dị dưỡng: kỵ khí • Dùng O2, • Không dùng O2, • Mt sống có O2 • Mt sống vắng O2 • Ôxy hóa • Lên men Ba giai đoạn của sự chuyển hoá trung gian Acid amin Đường đơn Glycerol, lipid Protein CARBOHYDRATE acid béo Pyruvate Acetyl-CoA NH3 NADH ATP NADH FADH2 Oxaloacetate Citrate Isocitrate α-ketoglutarate Succinyl-CoA Malate Fumarate Succinate VÒNG KREBS CO2 CO2 NADH FADH2 ATP Các cytochrom CoQ O2 ATP C h u ỗ i h ô h ấ p Giai đoạn I Giai đoạn II Giai đoạn III CO2 Đ ư ờ n g p h â n Ở đv, giai đoạn I của dị hoá bắt đầu bằng việc th/phân các chất dd như protein, carbohydrate, lipid nhờ các enzyme ở đường tiêu hoá. → các đ/vị c/tạo tương ứng: các aa, đường đơn và các acid béo, glycerol Ở giai đoạn 2, đường đơn và glycerol bị ph/giải thành pyruvate (3C), rồi thành acetyl-CoA. Các aa, acid béo → acetyl-CoA Acetyl.CoA là điểm hội tụ, là sp chung trong ch/hoá của cả protein, carbohydrate và lipid ở cuối giai đoạn 2 Trong giai đoạn 3, acetyl-CoA vào vòng Krebs, được OXH triệt để thành CO2 và nước. Các cặp H cao năng tách ra (NAD.H và FAD.H2 ) → chuỗi hô hấp. Các ph/ứng STH cũng diễn ra qua một số g/đoạn, có thể coi như đi ngược lại với các chuỗi ph/ứng dị hoá. 8.2. TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG - TĐC và NL là một qt th/nhất, không thể tách rời nhau, - Nguồn NL chung nhất của sinh giới là NL á/sáng mặt trời 8.2.1. Năng lượng tự do - NL là khả năng sinh công - TB sống cần NL để tạo ra glucose từ thán khí và hơi nước, để nhân đôi ADN hoặc để v/động. Trạng thái cấu trúc có trật tự, có mức độ t/chức rất cao của một h/thống sống đòi hỏi NL vào việc duy trì tr/thái ấy và cho nó hđ, vì mọi vật sống đều là những h/thống v/lý, h/học chịu sự chi phối của các ng/lý nh/động học. SV chịu sự chi phối của 2 đ/luật của nh/động học Định luật 1: Tổng NL của một h/thống và vũ trụ bao quanh nó luôn giữ nguyên, không đổi). Định luật 2: bất kỳ một qt nào cũng biến động theo hướng sao cho entropy của h/thống và vũ trụ bao quanh luôn tăng dần để cuối cùng đạt cực đại, ở đó qt đạt tr/thái cân bằng và ngừng diễn biến. Bất cứ qt v/lý, h/học nào cũng chỉ có thể diễn ra khi h/thống chưa cân bằng, entropy còn chưa đạt cực đại. Để duy trì entropy ở tr/thái ổn định, h/thống sống cần h/thu từ mt nguồn NL thích hợp, rồi lại nhả trả lại mt một số lượng NL tương ứng mà với nó kém ích lợi hơn, VD dưới dạng nhiệt. Một p/ứ hoá học hay một qt vật lý trong lúc diễn biến để đi tới tr/thái cân bằng có kh/năng sinh công hữu ích, hay còn gọi là NL tự do (ký hiệu là G). Qua kh/sát biến đổi entropy, có thể biết được số NL hữu ích: G = E - T. S Ph/trình này ph/hợp được 2 ng/lý nh/đ/học. Trong đk không đổi về t°, p và V (gặp ở SV), biến đổi của entropy S liên quan tới biến đổi của NL (enthapy) E và nh/độ tuyệt đối T cho thấy biến đổi của NL tự do, hữu ích G. Trong một pứ h/học, với đk chuẩn về t°, p và C, NL tự do có thể tính thông qua h/số c/bằng. VD, ở p/ứng: aA + bB  cC + dD (a, b, c, d = số ph/tử của mỗi chất tương ứng) Hằng số cân bằng: K’eq =         ba dc BA DC . . Mối liên quan giữa h/số c/bằng của một pứ h/học và biến đổi NL tự do chuẩn (Go’) thể hiện qua ph/trình: Go’ = - 2,303 RT lg K’eq R= h/số khí (= 1987 cal/mol/độ); T = nh/độ tuyệt đối Go’= hiệu số giữa hàm lượng NL tự do của các SP hình thành và hàm lượng NL tự do của các cơ chất th/gia pứ. Go’ = - 2,303 RT lg K’eq - Nếu K’eq = 1 → G o’ = 0 : pư ở tr/thái cân bằng, không nhả, không thu NL - Nếu K’eq1 → G o’ 0 : pứ nhả NL (exergonic), sinh công - Nếu K’eq1 → G o’ 0 : p.ứ thu NL (endergonic), không thể tự phát xảy ra. Ví dụ: Ở TB gan, khi g/phóng glucose từ glycogen, có pư do enzyme phosphoglucomutase x/tác: Glucose-1-phosphate  Glucose-6-phosphate Khi đủ enzyme, nếu G-1-P là 0,020 M pứ xảy ra theo chiều thuận; nếu G-6-P là 0,020 M, pứ theo chiều nghịch. Dù theo hướng nào, ở thời điểm cân bằng, G-1-P là 0,001 M và G-6-P bằng 0,019 M. Hằng số c/bằng là: K’ eq = = = 19    PG PG   1 6 001,0 019,0 Biến đổi NL tự do của pứ trên bằng: Go’ = - 2,303 . 1987. 298. lg19 = - 1745 cal = - 1,745 kcal (Phản ứng nhả NL). 8.2.2. Adenosine triphosphate (ATP) - Các h/động sống (v/động, h/thu các chất dd, STH các chất, phân chia TB, ) đều dùng ATP là nguồn NL. - Được ph/hiện năm 1929 ở bắp thịt. Ở TB đv, h/lượng ATP, ADP và AMP ổn định ở mức 5-15 mM. - Vòng biến chuyển phân giải và tái tổng hợp của ATP diễn ra trong tế bào: ATP + H2O  ADP + Pi + W Công thức cấu tạo: NL tự do thuỷ phân ATP trong đk chuẩn hoá sinh: ATP + H2O  ADP + Pi (G o’ = - 7,3 kcal/mol) ATP + H2O  AMP + PPi (G o’ = - 7,3 kcal/mol) ATP + 2H2O  AMP + 2Pi (G o’ = - 14,6 kcal/mol) Tuy nhiên, ATP nhả NL nhiều ít tuỳ theo đk pH mt và nồng độ ATP. Trong đk thực tế ở các mô, ở các khu vực trong một TB, điều kiện pH, áp suất và nồng độ ATP có thể khác so với đk chuẩn hoá sinh (pH = 7, áp suất = 1 atm, nồng độ = 1M), có thể mỗi ATP cho 7,3-12 kcal/mol NL tự do. Vị trí trung gian của ATP- ADP trong ch/hoá NL của giới SV: - Mọi dạng NL sinh học đều được lấy từ dây cao năng của ATP - Chất hữu cơ do qt đ/hoá tạo nên là những bình chứa hoá năng đã được chuyển từ NL á/sáng m/trời hoặc từ NL OXH các chất vô cơ Sơ đồ trên cho thấy 2 vấn đề: 8.2.3. Quá trình vận chuyển điện tử Trong qt VC e- từ NAD.H và FADH2 tới O2 thông qua một loạt các protein, NL tự do được gp hợp diễn với sự tạo ra ATP Cấu tạo của chuỗi hô hấp (Chuỗi vận chuyển điện tử) - Các protein gắn ở màng trong TLT được tổ chức thành bốn tổ hợp hô hấp của chuỗi v/c e-. - Mỗi tổ hợp gồm một số thành viên là protein và một số nhóm phụ ghép có hoạt tính OXHK khử với thế hiệu khử tăng dần. Tổ hợp I: NADH- Coenzyme Q reductase Tổ hợp II: Succinate - CoQ reductase Tổ hợp III: CoQ-cytochrome c reductase Tổ hợp IV: cytochrome c oxidase Quá trình phophoryl hoá OXH - tổng hợp ATP Sự t/hợp ATP từ ADP và Pi là p.ứ.thu NL, nguồn c/cấp lấy từ qt vc e- ở chuỗi hô hấp. - NL OXHK được chuyển sang sang NL liên kết cao năng của ATP như thế nào? Dạng dự trữ tr/gian giữa hai dạng NL này là gì ? Thuyết hoá thẩm thấu (Peter Mitchell, 1961): NL tự do của sự vc e- được bảo tồn do sự bơm H+ từ chất nền TLT ra khoảng kh/gian giữa 2 màng và tạo thành gradient điện hoá proton qua màng trong TLT. Sau đó, thế năng điện hoá này được dùng để tổng hợp ATP. Sơ đồ g/thích q/điểm của P. Mitchell: Qt vc e- làm H+ bị đẩy từ chất nền ra khoảng giữa hai màng, tạo nên một chênh lệch nồng độ và điện tích, gộp lại là một gradient điện hoá H+. Khi gradient điện hoá này bị hoá giải do H+ qay về chất nền qua tổ hợp V (ATP- synthase) thì ADP + Pi  ATP. Proton được bơm qua màng như thế nào? - Cơ chế OXHK xoay vòng (Redox loop mechanism): Các tr/tâm OXHK như FMN, CoQ, cyt., các chùm Fe-S được bố trí trong màng sao cho p.ứ. khử của một tr/tâm cho phép nó nhận e- và H+ cùng lúc bên phía gần phần chất nền của màng, rồi sau đó sự OXH trở lại bởi tr/tâm tiếp theo cho phép thả H+ ra phía ngoài màng (khoảng giữa hai màng) đồng thời với việc đưa e- quay về phía màng gần chất nền. Như vậy, sự v/c e- từ tr/tâm này sang tr/tâm kia gây ra sự đổi chỗ của H+ và tạo ra một gradient điện hoá ( và pH). Sự tổng hợp ATP: Tổ hợp ATP- synthase dẫn proton hay còn gọi là F1Fo- ATP ase làm nhiệm vụ tạo ra ATP nhờ NL của gradient điện hoá proton Cấu trúc hình nấm bám trên mặt màng trong hướng về chất nền Đầu nấm, F1, 80-100A o, 5 typ hạ đơn vị k/hợp theo c/thức 33 (9 chuỗi peptit).  chứa trung tâm tổng hợp ATP,  là cầu nối kênh proton Fo với F1. Chân nấm (Fo)gắn trong màng, tổ hợp từ 10-12 hạ đơn vị (E. coli có 3) tạo kênh dẫn proton. Cơ chế tổng hợp ATP: Chia thành 3 pha: - Dịch chuyển proton: Fo thực hiện - Xúc tác sự hình thành l/k phosphoanhydride của ATP: F1 thực hiện - Hợp diễn giữa sự trượt tiêu gradient H+ và t/hợp ATP: cần sự tương tác giữa F1 và Fo. F1 có 3 tiểu phần xúc tác. Mỗi tiểu phần ở một trạng thái cấu hình khác nhau: - Trạng thái L (loosly): gắn cơ chất và s/phẩm một cách lỏng lẻo - Trạng thái T (tightly): gắn chặt - Trang thái O (open): hoàn toàn không gắn Cơ chế tổng hợp ATP: 1 2 3 NL gi/phóng khi H+ chuyển ngược lại chất nền làm chuyển đổi 3 tr/ thái trên ATP chỉ được t/hợp ở tr/thái T và ATP chỉ được g/phóng ở tr/thái O. Phản ứng có 3 bước: 1. Gắn ADP và Pi vào trạng thái L 2. Sự b/đổi cấu hình do NL tự do gây ra làm biến đổi trạng thái L→T; ATP được tạo thành. Hai tiểu phần khác cũng thay đổi cấu hình: T chứa ATP thành O và O thành L. 3. ATP được t/hợp ở tr/thái T của một tiểu phần, trong khi đó 1ATP được tách ra từ tr/thái O của một tiểu phần khác. NL tự do gi/phóng được c/cấp nhờ sự dịch chuyển H+ là nguyên nhân chính làm g/phóng ATP mới được tổng hợp khỏi enzyme: làm tr/thái T → tr/thái O.