Trao đổi trực tuyến tại:

http://www.mientayvn.com/Y_online.html

CHUYỂN HÓA NĂNG LƢỢNG

1. Nêu được 2 yếu tố (bản chất của các chất tham gia

phản ứng và điều kiện khách quan cụ thể của phản

ứng) quyết định chiều của phản ứng thuận nghịch

2. Trình bày được những khái niệm, vai trò của phản

ứng oxy hóa khử, phản ứng phosphoryl-hóa, phản

ứng khử-phosphoryl, liên kết phosphat nghèo năng

lượng, liên kết phosphat giàu năng lượng.

3. Trình bày được quá trình diễn biến, một số chất ảnh

hường đến sự hô hấp tế bào.

4. Nêu rõ được 2 vai trò cơ bản của chu trình acid

citric trong chuyển hóa các chất trong tế bào.

MỤC TIÊU

1. ĐẠI CƢƠNG

Một số khái niệm về nhiệt động học

* HC bị đốt cháy giải phóng E, là NL toàn phần, gọi là

enthapy (H: heat)

* Năng lƣợng tƣ do (G): là phần E của chất đó có khả

năng chuyển thành công có ích.

* Entropy (S): p/a trạng thái nội tại của phân tử. H của 1

hệ thống tăng khi độ vô trật tự tăng. Ở đk tự nhiên,

S chỉ tăng.

* G liên hệ với H, S và nhiệt độ: G = H – TS, nghĩa là

NLTD của 1 chất tăng cùng với H và giảm khi S lớn

* Khi t và p không đổi, biến thiên E tự do và biến thiên

entropy đƣợc biểu thị:

G = H - TS (T: nhiệt độ tuyệt đối)

* Trong p/u Hóa sinh, H xấp xỉ bằng E, biến thiên E

nội tại của phản ứng, nên:

G = E - TS

- Nếu G âm, phản ứng phát năng (mất NLTD),

p/u xảy ra tự phát. Nếu G lớn thì phản ứng chỉ

x/ra theo chiều thuận.

- Nếu G dƣơng, phản ứng thu năng, không xảy ra

1 cách biệt lập, tự phát.

- G = 0, phản ứng không thu, không phát năng

- Đối với các phản ứng sinh hóa thuận nghịch, khi G

= 0, hai phản ứng thuận nghịch đạt trạng thái cân

bằng động: aA + bB cC + dD

- Tại trạng thái cân bằng động

G0 : biến thiên E tự do chuẩn, xđ ở t = 25oC, pH = 0,

nồng độ chất th.gia p.u và sp tạo thành bằng 1 mol.

R: hằng số lý tƣởng bằng 1,98.10-3 Kcal/mol. độ

Keq =

Biểu thức trên cho ta thấy BTNLTD của một p/ứ phụ

thuộc vào G0 tức bản chất của phản ứng và tỷ lệ nồng

độ các chất tham gia p/u.

G = G0 + RTlnK’eq = 0

G0 = - RTlnK’eq

Đối với phản ứng:

[ ][ ]ln

[ ][ ]

o C DG G RT

A B

A+B C+D

Go : biến thiên năng lƣợng tự do chuẩn, t = 25o

nồng độ all các chất tham gia phản ứng = 1 mol.

R: hằng số lý tƣởng = 1,98.10-3 Kcal/mol. độ

- Đối với các phản ứng sinh học, biến thiên E

tự do chuẩn sẽ được đo ở pH = 7, t = 25oC và

được ký hiệu là G0’ , khi đó, có biểu thức:

G' = Gº' + RT ln

[C] [D]

[A] [B]

Hằng số cân bằng

Tại trạng thái cân bằng DG° = 0, nên:

'

' ' ln

' ln

'ln

o

o

eq

o

eq

o

eq

G

RTeq

G G RT K

G RT K

GK

RT

K e

Keq =

Keq của phản ứng:

2 A + 3 B C + 2 D

Keq = [C] [D]2

[A]2 [B]3

Ví dụ: xác định Gº' của phản ứng:

DHAP Glyceraldehyde-3-phosphate

Ở trạng thái cân bằng:

[G-3-P]/[DHAP] = 0.0475.

Gº' = -RT ln(0.0475)

= -1.98 x 10-3 kcal/(mol-deg) x 298 x (-

3.047)

= + 1.8 kcal/mol

G0’ = - RT lnKeq

2. PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ

2.1 Định nghĩa

][

][

0 lnkh

oxh

nFRTEE

Cặp, hệ thống oxy hóa khử (oxh/kh)

TD: Fe+3/Fe+2, R-COOH/R-CHO

Ferri Fero

2.2 Thế năng oxy hóa khử

Eo là E khi: ][][ khoxh

Chất khử Chất oxy hóa + n e-

Phản ứng oxy hóa

Phản ứng oxy hóa

* Chiều vận chuyển của điện tử e-:

Xét 2 hệ thống oxhkh:

A/AH2 và B/BH2

Nếu EA < EB thì:

e- sẽ di chuyển từ hệ thống A qua B (từ chất khử AH2 qua

chất oxy hóa B) nghĩa là:

AH2 + B BH2 + A

Cặp oxh-kh E0 = volt

2H+/H2

FAD/FADH

NAD+/NADH,H+

FAD/FADH2

Fumarat/succinat

Cytb Fe+3/Cytb Fe+2

Cytc Fe+3/Cytc Fe+2

½ O2/O-2

-0.42

-0.36

-0.32

-0.06

-0.03

+0.03

+0.25

+0.82

Nếu vì lý do nào đó BH2 bị tồn đọng thì phản ứng có thể đạt trạng thái

cân bằng hoặc thậm chí theo chiều nghịch. TD: xét 2 hệ thống:

NAD+/NADH,H+ và FAD/FADH2

E0(A) = -0.32V; E0 (B) = -0.06V

Vậy trong điều kiện chuẩn (và thực tế trong điều kiện sinh lý của tế

bào) e- đi từ NADH,H+ qua FAD.

NADH,H+

FADH2 NAD+

FAD 2e

-

FADH2 FAD

NAD+ NADH,H+ 2e-

Hoặc

*Liên hệ giữa ∆G0’ và ∆E0’

'

0

'

0 EnFG

Trong phản ứng oxh-kh,e- vận

chuyển với ∆E > 0 do đó ∆G

< 0 (tỏa Q). Năng lượng đó

sẽ được tích trữ lại trong các

liên kết giàu năng lượng (~)

nhờ các phản ứng phosphoryl

hóa, F = 23 Kcal/V

Ose, AB, CTAC…2H NASD,

FAD… O2 H20

3. PHẢN ỨNG PHOSPHORYL HÓA

3.1 Định nghĩa

R-H + HO-PO3H2 R-P + H2O

Phosphorylase

G>0 (thu Q)

Phản ứng ngược lại: phản ứng khử phosphoryl

R-P + H2O R-H + H3PO4

Phosphatase

ATP

G G - 6P

ADP

Hexokinase

Glucokinase

3.2. Liên kết phosphat nghèo năng lƣợng

(ký hiệu: -)

Khi thủy phân cắt đứt liên kết này, chỉ có từ

1000-5000 calo đƣợc giải phóng (lG0’l < 5

Kcal/mol )

- Vd: Liên kết este phosphat:

H2O

R OH + HO PO3H

2 R O PO

3H

2

(R O P )

CHO

CHOH

CH2 O P

3.3 Liên kết giàu năng lƣợng

lG0’l > 7 Kcal/mol hoặc lG0l > 5Kcal/mol Biết rằng:

G0’ = -nF E0’, ta có:

= 7Kcal/2.23,06 = 0,152V

Vậy, ở giai đoạn nào E0’, > 0,152V thì ở đó sẽ đủ năng lượng tạo ra 1 phân tử ATP từ ADP.

* Nếu tính E0’ khi e- vận chuyển từ NADH,H+ tới O2, ta có:

E0’ = + 0,81- (- 0,32)

= + 1,13volt

lG0’l = nFE0’

= 2 x 23,06 x 1,13

= 52 Kcal

Tuy nhiên năng lượng này không tích trữ trong một lần một mà theo từng giai đoạn kế tiếp nhau, giai đoạn nào đủ tạo liên kết giàu năng lượng sẽ tạo ngay tại thời điểm đó.

TD:

NAD FAD C0Q Cytb Cytc Cyt(a+a3) O

ATP ATP ATP

CÁC CHẤT “GIÀU” NĂNG LƯỢNG

1. Loại liên kết

Pyrophosphat

Phosphoanhydric

P – O ~ P

Chất

NTP

ATP,GTP,UTP,…

CTP…

NDP

ADP,GDP,CDP,…

VDP…

2. Acyl phosphat

R – C ~ P

ll

O

a.1,3 DPglyceric

Aminoacyl-AMP

R – C – CO ~ AMP

l

NH2

3. Enol phosphat

R - C - O ~ P

ll

CH

l

PEP

COOH

l

C - O ~ P

ll

CH2

4. Amidin

R – C – NH ~ P

ll

NH

Arginin~P

Créatin~P

(phosphagène)

NH ~ P

l

HN = C

l

N - CH2 - COOH

l

CH3

P

5. Thioester

R - C ~ SC0A

ll

O

COOH

l

CH2

l

CH2

l

C ~ SCoA

ll

O

Succinyl CoA

*Vai trò của phosphoryl hóa và khử phosphoryl 1. Tích trữ năng lượng ADP + Pvc ATP Q (từ quang hợp hoặc các phản ứng oxhkh) Ở mô: Creatin Creatin ~ P ATP ADP 2. Hoạt hoá các chất ATP G G - 6P AB Acyl ~ AMP AcylCoA ATP HSCoA AA Acyl ~ AMP AA-ARNt protein ATP 3. Vận chuyển năng lượng ATP + H2O ADP + Pvc Q (t0, công dùng trực tiếp cho hoạt động cơ thể)

Go < 0

Tỏa Q

Quang hợp

Oxh G

AB

AA

CTAC

Vận chuyển e-

(CHHTB)

Go > 0

Thu Q

STH đpt

Hoạt hóa hấp thu tích cực luồng thần kinh điện năng

ATP

ADP

Q Q

4. CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO

4.1 Bản chất của sự hô hấp tế bào

- ”đốt cháy” các chất hữu cơ trong cơ thể.

- Sự oxh-kh xảy ra trong tế bào.

- Oxy hóa sinh học.

*Đặc điểm:

-Sản phẩm cuối cùng và Q tỏa ra:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 686 kcal

- điều kiện: t0 = 370C, P = 1atm

- cách xảy ra:

+ Oxy không trực tiếp tác dụng với C,H để tạo ra CO2 và H2O

+ Năng lượng được giải phóng dần, từ từ, theo từng giai đoạn.

CO2 được tạo thành từ phản ứng khử nhóm carboxyl (-COOH) từ các acid trung gian được tạo thành

R - COOH R-H + CO2

Decarboxylase

Sự tạo thành H2O (sản phẩm của CHHTB)

Xảy ra ở màng trong của ty thể

Tổng quát

SH2 S (Substrat)

2H 2H+

2e- H2O

½ O2 O-2

2H -2e- 2H+

H2O

½ O2 +2e- O-2

4.2 Chuỗi hô hấp tế bào

a) Các yếu tố tham gia

- SH2 (cơ chất có chứa nguyên tố Hydro)

- DH có NAD+

- FP (FMN, FAD)

- Cytocrom

- Oxy

O

O

R2

R3

R4

R1

OH

OH

R2

R3

R4

R1

2H R1,2: - O - CH3

R3 : - CH3

R4 : (- CH2 – CH = C - CH2)n - H

l

CH3

Isopren dài tuỳ loài, ở động vật có vú n = 10 nên có tên gọi là CoQ10(Q10)

- Các cytocrom (vận chuyển e-) là những protoporphyrin có chứa Fe+2/Fe+3 (Cyt b,c)

hoặc Cu+1/Cu+2 (a3)

Cyt (a+a3) = Cyt oxydase

b) Sơ đồ CHHTB SH2 S

E0’=?

NAD+ NADH,H+

1ATP ( E0’>0.15 Volt)

FADH2 FAD

( E0’<0.15 Volt)

Q10 QH2

2H+

2e-

2Fe+2 (2Cytb) 2Fe+3

1ATP

2Fe+3 (2Cytc) 2Fe+2

2Fe+2 (2Cyt(a+a3) 2Fe+3

2Cu+1 2Cu+2

1ATP

1/2O2 O-2

H2 O

Chapter 5

. Chỉ số phosphoryl hóa

P/O = 1,2,3 (<4)

Trung bình bằng 3!

. Sự phá ghép (làm giảm chỉ số P/O)

SH2 ½O2

Thyroxin,2,4DNP v.v…

ATP (Không tạo ra được)

Chú ý:

*Thyroxin,2,4DNP không ảnh hưởng đến

Creatin P Creatin

ADP ATP

Mô mỡ sẫm –AB>>> phá ghép tăng tạo nhiệt

* Sự giải phóng AB chịu ảnh hưởng điều hòa của Nor-adrenalin, vậy sự phá ghép chịu sự điều hòa của Nor-adrenalin.

Pyruvat Succinat AcylCoA LCG Malonat (FP) FP2 FP3 Isocitrat Malat NAD FP1 CoQ Glutamat ADP+P ATP Amytal Rotenon OH acylCoA CO Antimycine CN CN-

Cytb Cytc Cyta+a3 1/2O2

ADP+P ATP ADP+P ATP

Chất ức chế chuỗi HHTB

Sản phẩm của CHHTB 1) H20: do 2H+ + 1O-2 H2O 1 nguyên tử oxy nhận 2e-

2) H2O2: do 2 loại enzym: a) Aminoxydase Flavin H2 O2

FMN Flavin H2O2

Cơ chế: một phân tử oxy nhận 2e-

2O + 2e- 2O-1

H2O2

2H - 2e- 2H+

H2 + O2 H2O2

b) Superoxyd-dismutase (trong chuyển hóa Acid nucleic-xanthin oxydase-khử H từ xanthin) Hai phân tử oxy (O2) nhận 2e-

2H - 2e- 2H+

O2 + 1e- O20-

2O2 + 2e- 2O20-

2H+ + 2O20- H2O2 + O2

Một số hệ thống oxh-khử đặc biệt a) Glutathion

Tripeptid (Glu-Cyst-Gly)

G-SH

2H

G - SH G - S

l

G - SH G - S

Có nhiệm vụ bảo vệ 1 số enzym (có chứa nhóm –SH) khỏi tác động oxh.

b) Vit C (a.L.Ascorbic) CH2OH

l

H - C – OH

l

C – H

l

0 C – OH

l

C – OH

l

C = O

CH2OH

l

H - C - OH

l

C – H

l

0 C = O

l

C = O

l

C = O

Dạng khử

Dạng oxh

- 2H

+ 2H

Dạng khử

Dạng oxh

KẾT LUẬN

Thực chất, chuỗi hô hấp tế bào là quá

trình oxy hóa khử xảy ra trong điều kiện

sinh học, năng lượng (Q) được giải phóng

từ từ và được tích trữ trong các liên kết

giàu năng lượng (~) nhờ phản ứng

phosphoryl hóa (thu năng lượng) ADP

thành ATP.

5. Chu trình Krebs

5.1 Đại cương: CT Tricarboxylic, CT Citric

Quá trình “đốt cháy” oxh mạch 2C (Act~SCoA) giải phóng 2pt

CO2, 4 cặp nguyên tử H (tạo thành H2O) và năng lượng.

Krebs Cycle

Figure 24.7

Phân tích các giai đoạn

Gđ1: C2 + C4 C6

ActCoA + O.A + H2O Citrat HSCoA

4COOH

l

3C = O

l

2CH2

l

1COOH

SCoA

6C=O

l

5CH3

HSCoA

H2O

5C - 6COOH

l

HO - 3C - 4COOH

l

2C - 1COOH

Citrat Synthetase

Citric

+

Gđ 2: Đồng phân hóa acid citric, tạo phân tử bất đối xứng

a.Isocitric.

2C - 1COOH

l

HO - 3C -4COOH

l

5C- 6COOH

2C - 1COOH

ll

3C -4COOH

l

5C- 6COOH

H2O HO - 2C - 1COOH

l

3C -4COOH

l

5C- 6COOH

H2O

Cis-aconitrat

aconitase

Gđ 3: Khử CO2-oxh Isocitrat CG

H

HO - 2C - 1COOH

l

3C -4COOH

l

5C- 6COOH

O = 2C - 1COOH

ll

3C -4COOH

l

5C- 6COOH

Oxalo succinat

NADH,H+

3’

32

1COOH

l

2C = O

l

3C

l

5C

l

6COOH CO2

(4)

Isocitrat DH

Gđ 4: Khử CO2-oxh Isocitrat CG

O = 2C ~ SCoA

l

3C

l

5C

l

6COOH

1COOH

l

2C = O

l

3C

l

5C

l

6COOH

TPP

a.L

HSCoA

FAD

NAD+

CO2

Phức hợp enzym CG DH.

1) deCO2-lase (TPP-(B1))

2) DH

3) oxydase

a.lipoic

HSCoA

FAD

NAD+

CHO + CO2

l

CH2

l

CH2

l

COOH

CO-COOH

l

CH2

l

CH2

l

COOH

TPP

HS S

l

CO

l

CH2

l

CH2

l

COOH

CoA

l

S

l

CO

l

CH2

l

CH2

l

COOH

TPP HSCoA

S S HS SH

2FADH 2FAD

NAD+ NADH,H+

NH2

N CH3

CH2-+N N

CH3 CH2 - CH2 - CH2 – O - P ~ P l l C = C l C - S l H

R1-+N

CH3 R2

l l C = C l C - S l CH3-C-COOH l OH

CH3-C-COOH ll O

R1-+N

CH3 R2

l l C = C l C - S l CH3-CH l OH

TPP

CO2

HS-CH2

l

CH2

l

HS -CH

l

(CH2)4

l

COOH

CoenzymA-S-C-CH3

ll

O

CoenzymA-SH

CH3 - C – S - CH2

ll l

O CH2

l

HS -CH

l

(CH2)4

l

COOH

S - CH2

l

CH2

l

S - CH

l

(CH2)4

l

COOH

NADHH+

NAD+

2FAD

2FADH

R1 R2

Gđ 5

Giải phóng HSCoA tích trữ năng lượng trực tiếp vào GTP

O= C~SCoA

l

CH2

l

CH2

l

COOH

O = C- OH

l

CH2

l

CH2

l

COOH Pvc GTP

GDP

ATP

ADP

Gđ 6: Oxh succinat tạo Fumarat

COOH

l

CH2

l

CH2

l

COOH

COOH

l

C

ll

CH2

l

COOH

FAD FADH2

Suc.DH

Gđ 7: COOH

l

C

ll

C

l

COOH

COOH

l

HCOH

l

C

l

COOH Fumarase

Malat

H2O

Gđ 8: Oxh Malat tạo OA

ActCoA + 3NAD+ + 1FAD + 2H2O + Pvc 2CO2 + HSCoA +

3,4,8 6 1,7 5 3,4 5

1GTP + 3NADHH+ + 1FADH2

5 3,4,8

6

COOH

l

HCOH

l

CH2

l

COOH

COOH

l

C = O

l

CH2

l

COOH

NAD+ NADH,H+

Phản ứng tổng quát

O.A

gđ 1

ActCoA

Năng lượng tích trữ được.

3NADHH+ 9ATP

1FADH2 2ATP

1GTP 1ATP

12 ATP

Vị trí, vai trò của K

- Là giai đoạn 3, giai đoạn thóai hóa cuối cùng chung của các

chất

- Ý nghĩa năng lượng

- Ý nghĩa tổng hợp

Hem

Thể ceton

NH2

ASP

glu

SucCoA NH2

OA

G

Tân tạo glucid

Asp HSCoA

glu Suc.CoA

Thể ceton Tổng hợp Hem

OA

ActCoA

CG