Chương 8. Đường hướng trao đổi chất (Metabolic pathways)
- Phân giải: catabolism - Tổng hợp: anabolism
1
Thuật ngữ
– Trao đổi chất (metabolism): Toàn bộ các p/ứng xảy ra trong tế bào/cơ thể nhờ hệ enzyme xúc tác thông qua các con đường trao đổi chất (Metabolic/biochemical pathways)
– Dị hoá (Catabolism): phân giải các chất dinh dưỡng
thành các tiền chất hoặc thu nhận năng lượng
– Đồng hoá (Anabolism): tổng hợp các chất /thành phần
của cơ thể nhờ tiền chất và năng lượng thu được
quá trình trao đổi chất
– Sản phẩm trao đổi chất (Metabolite): sản phẩm cuối của
2
– Sản phẩm trao đổi chất trung gian (Intermediate
metabolite (phân tử lượng thấp< 1000)
• Oxy hóa (oxidation): quá trình (các phản ứng hóa sinh),
xúc tác bởi các enzym oxy hóa khử, CÓ sự tham gia của oxy, oxy là chất nhận điện tử/H cuối cùng.
3
• Lên men (fermentation): quá trình (các phản ứng hóa sinh), xúc tác bởi các enzym oxy hóa khử, KHÔNG có sự tham gia của oxy, hợp chất hữu cơ là chất nhận điện tử /H cuối cùng,
Mục tiêu trao đổi chất
- Thu nhận năng lượng: từ mặt trời, hoặc năng lượng hóa học giữa các chất vô cơ (tự dưỡng năng lượng) hoặc từ các chất hữu cơ (dị dưỡng năng lượng)
– Xây dựng cơ thể:
dưỡng
• Thu nhận các tiền chất của tế bào từ các chất dinh
• Tổng hợp các đại phân tử (polyme hoá các tiền
• Tổng hợp và phân giải các phân tử cần cho chức
chất)
4
năng tế bào
Các dạng phản ứng trao đổi chất
Trao đổi chất: Chuỗi các phản ứng, gồm các
loại phản ứng do enzym xúc tác:
1. Oxy hoá khử: kiểm soát tốc độ quá trình-vai trò
điều hòa
mạch cacbon
2. Thủy phân, cắt mạch: Phản ứng bẻ gãy/tổng hợp
3. Đồng phân hoá, chuyển nhóm: Chuyển đổi nội tại
4. Sinh tổng hợp: tổng hợp các hợp chất xây dựng
mạch cacbon
cơ thể
Nguồn năng lượng
Hình thức sinh năng lượng: - Quang năng (phototroph) - Hóa năng (chemotroph)
Nguồn Electrons
Chất mang Electrons
Chất nhận điện tử cuối cùng
-: tự dưỡng cacbon
Hình thức dinh dưỡng : - CO2/-CO3 (autotroph)
- Hợp chất hữu cơ: dị dưỡng
Nguồn Cacbon
6
cacbon (Heterotroph)
Phân nhóm sinh vật theo đặc tính dinh dưỡng
Sinh vật
Light-energy source
PHOTOAUTOTROPHS VD: thực vật
Chemical reaction-energy source CHEMOAUTOTROPHS VD: vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh
VD: Hầu hết VSV, động vật
VD: vi khuẩn tía/lam không khử lưu huỳnh
7
8
http://biochemical-pathways.com
Sự hình thành năng lượng trong cơ thể sinh vật
Đại phân tử tế bào
Chất dinh dưỡng
Quan hệ về năng lượng và các quá trình trao đổi chất:
Năng lượng hoá học
Dị hoá Đồng hoá
Tiền chất
Tiền chất
Sản phẩm cuối cùng + năng lượng
10
Hợp chất cao năng lượng
• Khái niệm:
– Chứa các liên kết giàu năng lượng, khi thủy phân, giải phóng một lượng lớn năng lượng, cung cấp cơ thể
– Được tạo thành khi tạo ra liên kết giàu năng lượng, hấp thụ/dự trữ một lượng năng lượng lớn • Vai trò:
– Cung cấp năng lượng cho cơ thể – Dự trữ năng lượng
11
• Hợp chất điển hình: ATP
Hợp chất cao năng lượng ATP (adenosine triphosphat)
Liên kết giàu năng lượng
12
Adenosine nucleotide (A)
PO4
- +
ADP synthase
E- 30,6 KJ
g n o r t g n ợ ư
l
PO4
- +
ATP synthase
P T A g n ă n o a c ử
E 30,6 KJ
g n ă n g n ụ d ử s
à v ữ r t h c
í t ,
t n â h p ờ h n ể h t
o ạ t
ơ c
ế h c ơ C
13
ATP tái tạo ở người lớn với tốc độ 9 × 1020/giây
Các dạng phosphoryl hoá
1. Phosphoryl hoá ở mức cơ chất: Nhóm P cao năng chuyển từ hợp chất chứa nó sang hợp chất khác, giải phóng năng lượng
G= -16.7 kJ/mol
G = -14.2 kJ/mol
14 14
2. Phosphoryl hoá bằng cách oxy hóa
Phosphoryl hoá ADP gắn với việc vận chuyển hydro khi oxy hóa co-Enzym khử (vd.NADH), (chuyển qua chuỗi hô hấp nhờ các phản ứng oxy hoá khử) tại các cơ quan khác nhau:
- Màng cytoplasmic ở procaryotes, - Nội màng mitochondria ở eucaryotes
NADH + H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O
2e- + 10H+
3ADP + 3Pi → 3ATP
ATP synthase
15
16
Mức năng lượng các hợp chất cao năng
17
18
Co-Enzym oxy hoá khử hoạt hóa hydro
• NAD+/NADH(NADP+/NADPH)-Nicotin adenin dinucleotit (phosphat): piridin dehydrogenase: cấu tạo hơn 200 enzym
• FMN+/FMNH, FAD+/FADH
(FADP+/FADPH): flavin dehydrogenase
19
NAD+/(NADP+): Nicotin adenin dinucleotit (phosphat)
Dạng khử
Trong NADP+, gốc OH thay bằng liên kết este với nhóm phosphat
20
Dạng oxy hoá
CoEnzym NAD+ (NADP+) tham gia cấu tạo các enzym khác nhau
21
22
FMN+, FAD+: flavin mononucleotid/ flavin adenin dinucletotit
Phân giải các hợp chất hữu cơ
23
Polysaccharide
Protein Lipit
Thủy phân
C6 C6
Đường phân
Cn Cn
eta oxy hóa
Sơ đồ tổng thể phân giải các hợp chất hữu cơ ở sinh vật dị dưỡng
C3 C3
Chu trình axit amin
Lên men
Chu trình Kreb
NADH NAD+
C1
Hợp chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ
Chuỗi hô hấp
C2
ATP
Sinh vật hô hấp yếm khí Sinh vật hô hấp hiếu khí
Glycolysis- Đường phân- Con đường EMP
1) Pha chuẩn bị
Hoạt hoá glucose C6 → C6
(Pi)
•ATP là hợp chất cho nhóm phosphat
Bẻ gãy mạch C6→C3
25
2) Pha hoàn thiện
Phosphoryl hoá ở mức cơ chất (P vô cơ)
- Tạo năng lượng dự trữ dưới dạng ATP và NADH.H+, trong piruvat
26
Phosphoryl hóa glucose, fructose (ở mức cơ chất)
G= -16.7 kJ/mol G = -14.2 kJ/mol
Hexokinase:
27
Phosphofructokinase: enzym điều hòa quá trình đường phân
•enzym chuyển nhóm phosphat •Cơ chất: MgATP2- •Tương tự glucokinase (izozyme)
28
Hoạt động của NAD+
Tóm tắt Glycolysis
• Con đường chung:
coE khử và còn lại trong piruvat (60%).
– glucose được oxy hoá thành 2 phân tử piruvat, – năng lượng dự trữ chuyển thành 2ATP, dự trữ trong
• Ba dạng chuyển hóa:
– Phân cắt mạch C6 (glucose) thành C3 (piruvat) – Phosphoryl hóa ở mức cơ chất (hoạt hóa glucose, chuyển ADP tạo thành hợp chất cao năng ATP)
• Đường phân là quá trình không thuận nghịch
– Chuyển ion H+ cho NAD, tạo NADH. H+
29
• Phương trình tổng thể
Polysaccharide
Thủy phân
Protein Lipit
Cn Cn
Đường phân
C6 C6
C3 C3
C2
Chu trình axit amin
Lên men
Chu trình Kreb
NADH NAD+
C1
Hợp chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ
Chuỗi hô hấp
Sơ đồ tổng thể phân giải các hợp chất hữu cơ ở sinh vật dị dưỡng
ATP 30 Sinh vật hô hấp yếm khí
-Tái oxy hoá co-enzym khử
2 ATP
Chuyển hoá yếm khí axit piruvic: Lên men
- Hiệu suất năng lượng: 2ATP/glucose
- Tiêu thụ glucose và tạo sản phẩm lên men
2 Ethanol
31
Lên men ethanol
Hiệu suất năng lượng: 2ATP/glucose
Tái oxy hoá co- enzym khử
Tạo sản phẩm lên men
32
Hiệu quả năng lượng quá trình yếm khí
Quá trình yếm khí (lên men)
Đường phân 2 ATP
2 NADH
Hiệu quả:
2 ATP/glucose
33
Pyruvat reduction -2NADH _________
Polysaccharide
Protein Lipit
Thủy phân
C6 C6
Đường phân
Cn Cn
eta oxy hóa
Sơ đồ tổng thể phân giải các hợp chất hữu cơ ở sinh vật dị dưỡng
Oxy hóa piruvat
C3 C3
Chu trình axit amin
Chu trình Kreb
C1
Chuỗi hô hấp
C2
ATP 34
Sinh vật hô hấp hiếu khí
Oxy hóa piruvat tới Acetyl-CoA
35
C3 → C2
C2
C6
C4
C6
NADH
Chu trình Kreb
C4
FADH
CO2
C5
C4
ATP
36
CO2
C2
C6
C4
C6
C4
Chu trình Kreb
C5
C4
37
Tóm tắt chu trình Kreb
• Sau mỗi vòng Kreb, một mảnh C2 được phân
giải
• Sản phẩm: ATP, coE khử • Các sản phẩm trung gian: axit hữu cơ, tiền
axit amin
• Phương trình tổng thể
38
CH3COSCoA → 2CO2 + 1 ATP + 1FADH +3 NADH
39
Chuỗi hô hấp
40
Thế
41
oxy hóa khử các cặp oxy hóa khử
Vai trò chuỗi hô hấp
– Nhận điện tử từ chất cho điện tử và vận chuyển tới chất nhận cuối cùng là oxy (quá trình bắt buộc là hiếu khí)
– Thứ tự sắp xếp các CoE trong chuỗi hô hấp theo
độ tăng thế oxy hóa của chúng
– Tái tạo CoE oxy hóa.
42
– Tích luỹ năng lượng dưới dạng ATP
Hiệu quả năng lượng quá trình hiếu khí
6 2 6 18 4 2 ---- 38
43
So sánh hiệu quả năng lượng
Quá trình hiếu khí (oxy hóa)
6 2 6 18 4 2 --------- 38
Đường phân
2 ATP
2 NADH
Pyruvat reduction -2NADH
_________
Hiệu quả:
2 ATP/glucose
44
Quá trình yếm khí (lên men)
Điều hoà oxyhoá axit pyruvic tạo năng lượng
Chất điều hòa âm:
- Enzym dị lập thể
-Acectyl Co-A
-Xitrat
-Axit béo (acetyl-CoA)
-NADH
-ATP
Chất điều hòa dương:
- AMP/ADP
- Ca+2
- NAD+
45
Chuyển hoá các
46
hexose khác
Cơ sở các quá trình lên men công nghiệp
-Tác nhân sinh vật
Axit amin
47
-Đặc điểm dinh dưỡng
-Đặc điểm hô hấp
Thủy phân
-oxy hóa
Phân giải Lipid
Oxy hóa acetyl- CoA
48
Cơ chế
Ba giai đoạn
1. Hoạt hóa axit béo trong dịch bào
49
Acetyl CoA synthetase- Thiokinase Mg2
2. Vận chuyển axit béo đã hoạt hóa vào ty thể
50
3. Beta oxy hóa axit béo trong ty thể Bốn giai đoạn: 1. oxy hóa (nhờ FADdehydrogenase) 2. Hydrate hóa (bởi hydratase) 3. Oxy hóa (NAD dehydrogenase) 4. Phân cắt (thiolase)
51
Chu trinh Kreb
Oxy hóa Palmitic Acid - Hiệu quả ATP
• Palmitic: C-16 • Cần 1 ATP (hoạt hoá bởi acetyl-CoA) • Một vòng beta-oxy hóa:
– FADH.H (e.t.c.) = 2 ATP 5 ATP – NADH.H (e.t.c.) = 3 ATP
• Palmitic Acid = 16 carbon = 8 mảnh acetyl-CoA • Số vòng beta-oxy hoá = 8-1 = 7 • ATP do beta oxy hoá= 7 vòng beta oxyhoá x 5 = 35 ATP • ATP do oxy hoá acetyl CoA: 8 x 12 = 96 ATP • ATP tổng số từ oxy hoá Palmitic:
53
35 - 1 + 96 = 130 ATP
Beta oxy hoá axit béo mạch C lẻ
5 Cycles
5 CH3COSCoA + CH3CH2COSCoA
Propionyl CoA
Propionyl CoA Carboxylase ATP/CO2
TCA Cycle
Epimerase
Mutase
Vit. B12
Succinyl CoA
L-Methylmalonyl CoA
D-Methylmalonyl CoA
54
Beta oxihoá axit béo không no
Oleoyl CoA
Beta Oxidation (3 Cycles)
Isomerase
trans-2 cis-3
55
Beta Oxihoá
Beta oxyhoá axit béo mạch nhánh
Phytanic Acid (phân cắt chlorophyll)
- Thiếu hụt enzym gây tích luỹ Phytanic acid trong cơ gây: suy thần kinh, thận, rối loạn tổng hợp da, xương, chuyển động
-Hydroxylase
CO2
-Oxidation (in peroxisomes)
56
Pristanic Acid
Beta oxyhoá axit béo mạch nhánh (tiếp)
HS-CoA
Pristanoyl CoA Pristanic Acid
Beta Oxidation (6 cycles)
CH3
CH3CHCOSCoA + 3 CH3CH2COSCoA + 3 CH3COSCoA
iso-Butyryl CoA Propionyl CoA Acetyl CoA
TCA Cycle
Succinyl CoA
57
58
Chu trình phân giải axit amin
Chuyển hoá
axit amin
acetyl- CoA
59
thành
Chuyển hoá axit amin thành piruvat
60
61
Chuyển hóa axit amin thành –xetoglutarate
Một số vấn đề để thảo luận
• Khai thác khả năng dị hóa của sinh vật trong lên men các sản phẩm thực phẩm: – Lên men ethanol – Lên men bia – Lên men sinh khối – Lên men lac tic – Sản xuất sữa chua – Tôm chua – Muối chua rau quả
62
Tổng hợp các hợp chất
63
Tổng hợp các gluxit
64
Glycolyse và gluconeoge- nesis
Một số quá trình thuận nghịch
Một số quá trình không thuận nghịch, xúc tác bởi:
•Hexokinase
65
•PFK-1
•Piruvat kinase
Chu trình Calvin đồng hoá CO2
66
Tổng hợp lipit Lipogenesis
67
68
Tổng hợp axit amin, nucleotit, amin
69
70
Quan hệ chu trình urea và Kreb
Tổng hợp protein
71
Các giai đoạn tổng hợp protein
• Phiên mã (mRNA) • Dịch mã • Sau dịch mã: tạo cấu trúc (folding, chaperon),
cắt, nối, glycosyl hóa
Tổng hợp Protein:
Sinh học phân tử, kỳ 1, năm thứ tư
72
Biotechnology
Khái niệm: - Sử dụng cơ thể, hệ thống, quá trình sinh học để tạo ra sản phẩm với mục tiêu cải thiện chât lượng cuộc sống. (Biotechnology is the use of biological processes, organisms, or systems to manufacture products intended to improve the quality of human life)
biotechnologists were farmers who developed improved species of plants and animals by cross pollenization or cross breeding).
. Nông nghiệp: lai tạo, quá trình đầu tiên (The earliest
73
• CNSH hiện đại
• Phân ngành CNSH:
– “Red biotechnology”: CNSH y-dược: thuốc,
– “White (gray) biotechnology”: CNCN: hiệu quả SX hóa chất, nhiên liệu, năng lượng sinh học (industrial processes such as the production of new chemicals or the development of new fuels for vehicles).
tế bào liệu pháp gen (medical processes such as gốc, getting organisms to produce new drugs, or using stem cells to regenerate damaged human tissues and perhaps re-grow entire organs).
grains or of
74
– “Green biotechnology”: CNSH nông nghiệp (applies to agriculture and involves such processes as the the pest-resistant development accelerated evolution of disease-resistant animals). – “Blue biotechnology “(ít dùng): CNSH biển, thủy sản
• Red biotechnology is biotechnology applied to medical processes. An example would include an organism designed to produce an antibiotic, or engineering genetic cures to diseases through genomic manipulation.
• White biotechnology, also known as '\grey biotechnology', is
biotechnology applied to industrial processes. An example would include an organism designed to produce a useful chemical.
• White biotechnology tends to consume less resources that
traditional processes when used to produce industrial goods. • Green biotechnology is biotechnology applied to agricultural
processes. An example would include an organism designed to grow under specific environmental conditions or in the presence (or absence) of certain agricultural chemicals.
• Green biotechnology tends to produce more environmentally friendly solutions then traditional industrial agriculture. An example of this would include a plant engineered to express a pesticide, thereby eliminating the need for external application of pesticides.
• The term blue biotechnology has also been used to describe the marine and aquatic applications of biotechnology, but its use is relatively rare.
75
