Bài giảng Khái quát trao đổi chất và năng lượng sinh học của ThS. Lê Thụy Bình Phương

KHÁI QUÁT TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

Ths. Lê Thụy Bình Phương

Nội dung

• Trao đổi chất: Qúa trình đồng hóa và dị hóa • Khái niệm về năng lượng sinh học: các hợp

chất cao năng thường gặp

• Phosphoryl hóa oxi hóa

Khái quát về trao đổi chất (1)

Sự trao đổi chất (TĐC) là chuỗi các phản ứng hóa học (pathway), thường được xúc tác bởi enzyme, xảy ra trong tế bào sống - Sự TĐC bao gồm 2 quá trình đồng hóa và dị hóa. • Mỗi bước trong chuỗi phản ứng sản xuất một sản phẩm (chất chuyển hóa / trung gian) khác với chất tham gia phản ứng ban đầu. • Enzyme xúc tác chuỗi các phản ứng hóa học có chức năng như một phức hệ enzyme (multienzyme complexes). Note: phức hệ enzyme (multienzyme complexes)?

Khái quát về trao đổi chất (2)

• Trao đổi chất xảy ra trong tế bào • Đồng hóa và dị hóa: mâu thuẫn nhưng hỗ trợ thống nhất

trong sự chuyển hóa chất.

• Các p/ư dị hóa: phá vỡ các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn và cung cấp năng lượng cho tế bào

• Các p/ư đồng hóa: Sử dụng nguồn NL ATP để xây dựng các phân tử lớn.

Gđ1:

(Tiêu hóa và thủy phân) phân phân tử tử lớn nhỏ hơn máu Gđ 2: (sự thoái biến) Các phân tử ếp tục bị phân cắt nhỏ hơn và oxi hóa thành các hợp chất có 2-3 carbon. Gđ3: (oxi hóa) bị oxi hóa trong chu trình acid citric và phosphoryl hóa để cung NL ATP

Quá trình dị hóa

Các cơ quan tham gia vào quá trình trao đổi chất của cơ thể

Các hợp chất cao năng thường gặp trong mô bào ĐV

• Hệ thống ATP/ADP • Hệ thống creatinine phosphate/creatine • Các Coenzyme vận chuyển điện tử (NAD+ ,

NADP+ FAD+ ,FMN+ )

Các hợp chất cao năng

• Hệ thống ATP/ADP: hợp chất cao năng quan trọng nhất, dùng chuyển tải năng lượng từ p/ư giải phóng NL p/ư thu NL • ATP có ở mọi mô bào của giới SV dưới dạng liên kết với Mg2+

Các hợp chất cao năng

• Hệ thống creatinine phosphate/creatine: giữ vai trò thứ cấp

trong ch trữ ~P

• Khi NL phóng thích nhiều, hệ ATP/ADP không ch trữ hết, NL creatine phosphate (CP). Khi

sẽ ch trữ trong creatine cần năng lượng, CP sẽ nhả NL để ADP ATP

• Các coenzyme có thể nhận electron (bị khử)

• Các coenzyme này cũng có thể nhường electron

khi có yêu cầu

• Vai trò: chuyển giao electron điện tử cho chuỗi vận chuyển điện tử trong quá trình hô hấp mô bào để thành lập năng lượng ATP

Các Coenzyme vận chuyển điện tử (NAD+ , NADP+ FAD+ ,FMN+ )

• Quá trình bắt đầu với tham gia của các electron vào chuỗi hô hấp mô bào (Quá trình vận chuyển điện tử)

• Các điện tử này đến từ đâu ? các phản ứng được xúc tác bởi enzyme dehydrogenases thì một cặp hydrogen được tách ra từ cơ chất, một trong hai nguyên tử hydrogen này được gắn trọn vẹn trên chất nhận điện tử coenzyme NAD+, còn nguyên tử hydrogen thứ hai chỉ có điện tử e- được gắn vào NAD+, còn proton H+ di chuyển tự do trong môi trường. FAD và FMN nhận trưc̣ ếp 2 ntử hydrogen

Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (1)(oxidative phosphorylation)

Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (2)

• Các coenzyme vận chuyển điện tử không thể vượt qua màng ty thể nhưng các electron có thể được vận chuyển gián tiếp thông qua chất mang điện tử

• Electron được vận chuyển qua một loạt các chất mang điện tử (chủ yếu là protein) được hoạt động một cách tuần tự theo thế năng oxi hóa khử từ thấp đến cao (như kiểu “dòng nước chảy xuôi”)

• Các chất mang điện tử này sẽ chuyển các electron đến oxy và đi kèm theo nó là dòng proton H+ từ matrix (là khoảng không gian bên trong màng của ty lạp thể)

• Kết quả: Sự khác biệt về nồng độ hóa chất và phân bố điện ch bên trong và bên ngoài màng không đều tạo ra một động lực proton (proton motive force)

Động lực proton (proton motive force)

Quá trình phosphoryl hóa oxi hóa (3)

• Động lực proton sẽ đẩy proton trở lại matrix thông qua một kênh nằm trong phức hợp protein, nơi sẽ tổng hợp ATP [FO-F1-ATPase] Khi dòng proton làm quay phần đầu của phức hợp (vặn vẹo), enzyme ATP synthease xúc tác sự thành lập ATP từ ADP Note: Phần đầu này của phức hợp protein giống như như một bánh xe, phần ATP synthease không gắn chặt vào phần đầu. Nhưng khi phần đầu xoay nó sẽ kích hoạt ATP synthase thành lập ATP

chất mang điện tử hoạt động một cách tuần tự theo thế năng oxi hóa khử từ thấp đến cao

Hiệu quả năng lượng ATP được tạo ra từ chuỗi vân chuyển điện tử

• Đối với electron di chuyển từ NADH đến O2

/ = 1.14 volts

(-0.32 to +0.82 volts), E0 tạo ra 3 ATP

• Năng lượng tự do: G/

/ 0 = - n . F. E0

- 2 x (96.5 kJ/volt.mole) x (1.14 v) = - 221 kJ/mole NADH bị oxi hóa khử Nhưng 3 ATP = 3 x 31 = 93 kJ được bảo toàn = 93/221 = 42% được nắm giữ Hiệu quả

ATP tạo ra từ matrix được thoát ra tế bào chất như thế nào??(tham khảo)

• ADP và ATP không chỉ đơn giản là khuếch

tán qua màng trong ty thể không thấm nước.

• ADP đi vào matrix của ti thể là cùng với sự thoát ra tế bào chất của ATP bởi sự hoán vị ATP-ADP.

• Đây là một protein vận chuyển (antiporter) • Năng lượng đến từ thế năng xuyên màng. • Sử dụng khoảng 25% tiềm năng năng lượng.

Trả lời một số câu hỏi sau???

- Vị trí: chất nền (matrix) của màng bên trong ti thể. - Tổng hợp ATP, sử dụng năng lượng được lưu trữ trong pH màng và gradient tiềm tàng. - Nhóm đầu F1 có ba nucleotide liên kết ở ba vị trí trên F1, và chứa enzyme thực hiện một chu trình xúc tác.

- ADP và phosphate liên kết với một trung tâm hoạt động, xúc tác sự hình thành các ATP - Năng lượng từ động lực proton như đòn bẩy đẩy ATP ra khỏi trung tâm hoạt động.

F0F1-ATPase (tham khảo)

Hãy tưởng tượng hoạt động của F0F1-ATPase như hoạt động của các bánh xe quay quanh trục cam - Năng lượng được truyền tới các tiểu đơn vị xúc tác trong ATP synthase (phần đầu F1) bởi vòng quay của trục cam. - Các "cam" bóp méo các tiểu đơn vị protein để liên kết ATP. - Các năng lượng đầu vào được sử dụng để điều khiển sự phóng thích ATP không cho hình thành các liên kết - Phải mất ít nhất 9-12 proton để “lái” một vòng quay của trục cam và sản xuất ra 3ATP Toàn bộ phức hợp có thể đảo ngược và F0 đóng vai trò như chiếc chìa khóa

F0F1-ATPase (tham khảo)

ATP synthease (tham khảo)

ATP synthase có 2 domain chức năng F0 và F1

Enzym này xúc tác lặp đi lặp lại quá trình ATP-ADP-ATP ADP và được đi kèm với một dòng chảy của proton từ P sang bên N

ATP chỉ được phóng thích bởi các gradient proton. Các gradient proton này gây việc quay trục trung tâm và cũng quyết định phóng thích ra các phân tử ATP là nhiều hơn hay ít hơn vì cấu tạo của các tiểu đơn vị được thay đổi bởi các chuyển động quay

1. Chuyển nhóm chức năng: VD: chuyển nhóm phosphate cao năng của ATP 2. Phản ứng oxi hóa khử: trao đổi điện tử VD: glucose 6-phosphate thành phosphogluconic acid 3. Sắp xếp lại cấu trúc: thay đổi cấu trúc liên kết của một phân tử VD: glucose 6-phosphate thành fructose 6-phosphate 4.Phân tách: phân cắt liên kết C-C VD: fructose 1,6-phosphate thành dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde phosphate 5.Ngưng tụ: sự kết hợp của hai hay nhiều phân tử và loại đi phân tử H2O VD: thành lập nối peptide giữa các amino acid tạo polypeptide

Các loại phản ứng thường gặp

Biến dưỡng carbohydrate

Hầu hết các carbohydrate (glucid) đều được chuyển thành glucose trong quá trình biến dưỡng

Tiêu hóa carbohydrate

1. Vận chuyển chủ động (xảy ra trên thành ruột-sự hấp thu) • Protein tải di động có tên là sodium dependant glucose transporter

( gọi tắt là SGL T-1). SGL T-1 vận chuyển glucose vào bên trong

tế bào bằng cách sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ việc

bơm natri-kali (đọc thêm tài liệu p 2)

• SGL T-1 có 2 vị trí: một cho natri và một cho glucose. Sau khi

phóng thích glucose và Na vào trong tế bào chất, SGL T-1 đi ra khỏi

tế bào để ếp tục vận chuyển thêm glucose và Na

2. Vận chuyển thụ động :

• Chất vận chuyển GLUT (independent transporter ) • Đi từ nơi có nồng độ gradient cao xuống thấp • Không cần năng lượng

Sự vận chuyển carbohydrate (tham khảo)

Quá trình biến dưỡng carbohydrate xảy ra ở các cơ quan

Gan

Cơ

Tế bào mỡ

• Đường phân EM (glycolysis): thoái biến glycogen và glucose

hay monosaccharide khác thành pyruvate hoặc lactate • Sự tân sinh đường (Gluconeogenesis): con đường từ

oxaloacetate thành G6P

• Sự phân giải glycogen (glycogenolysis): glycogen bị thoái

biến thành glucose-1-P

• Sự tổng hợp glycogen (Glycogen synthesis): từ G6P thành

lập glycogen

• Con đường HMP (Hexose Monophosphate): oxi hóa trực ếp glucose-6 phosphate thành ribose-5-phosphate

• Chu trình TCA (Kreb)

Đường phân EM-Glycolysis • Mục đích: Quá trình oxy hóa glucose để cung cấp

pyruvate (trong sự hiện diện của oxy) hoặc lactate

(trong điều kiện thiếu ôxy, VD: mô cơ xương). Tế bào hồng

cầu (thiếu ty lạp thể): hoàn toàn phụ thuộc vào glucose là

nhiên liệu trao đổi chất, và chuyển hóa bằng đường

phân kỵ khí

• Xảy ra trong tế bào chất của tất cả các tế bào mô • Tạo năng lượng ATP

Lactate (yếm khí)

Glucose → 2 Pyruvate

Acetyl-CoA (chu trình acid citric)

Đường phân EM (1)

1. Glucose được phosphorylate 2 lần (gắn thêm gốc ~ P) bởi ATP thành lập Fructose-1,6-bisphosphate (phản ứng từ 1 đến 3)

Đường phân EM (2)

2. Glucose (6 carbon) bị tách thành 2 phân tử có 3 carbon (dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde- 3-phosphate)

3. Coenzyme NAD+ nhận các Hydrogen thành lập NADH + H+

Note: Coenzyme là chất vận chuyển năng lượng tạm thời

Đường phân EM (3)

4. Tạo 4 ATP bởi sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất (substrate-level phosphorylation) để thành lập pyruvate (phản ứng 7 và 10) Note: substrate-level phosphorylation là gì?

5. Sản phẩm là 2 pyruvate được tạo thành

Đường phân EM (4)

6. Các enzyme điều hòa đường phân (glycolysis)

Các enyme điều hòa đường phân EM - Hexokinase bị ức chế bởi nồng độ glucose-6- phosphate cao (ngăn chặn quá trình phosphoryl hóa glucose) - Phosphofructokinase:bị ức chế bởi mức độ cao của ATP và kích hoạt bằng mức độ cao của ADP và AMP. - Pyruvate kinase: bị ức chế bởi mức độ cao của ATP hoặc acetyl CoA.

Tại sao phosphofructokinase (PFK), chứ không phải là hexokinase, là điểm kiểm soát quan trọng của đường phân?

Glucose-6-phosphate không chỉ là một chất trung gian trong đường phân. Nó cũng được tham gia vào việc tổng hợp glycogen và con đường hexose mono phosphate.

PFK xúc tác phản ứng một chiều duy nhất và đầu tiên trong đường phân.

Các sản phẩm của đường phân EM (glycolysis)

2 phân tử Pyruvate

2 NADH + H+

2 ATP

Đường phân EM (glycolysis)

• Ý nghĩa: Mở đầu cho quá trình hô hấp Làm biến đổi căn bản về mặt cấu trúc của cơ chất hô hấp (glucose) Xúc ến các giai đoạn ếp theo ở giai đoạn hiếu khí dễ dàng hơn

Đường phân EM

1. Tạo oxy cho mô bào

1,3- bisphosphoglycerate, làm giảm ái lực của

Hemoglobin với O2, tăng khả năng nhận oxy của mô bào. VD: khả năng của bào thai nhận oxy từ mẹ

2. Cung cấp các chất trung gian quan trọng:

a) phosphate dihydroxyacetone: chuyển thành glycerol-3phosphate, sử dụng để tổng hợp triacylglycerol và phospholipid (lipogenesis).

b) 3- phosphoglycerate: sử dụng để tổng hợp amino

acid serine.

c) Pyruvate: sử dụng trong tổng hợp amino acid

alanine.

pyruvate

acetyl CoA

chu trình TCA (Kreb)

Các hợp chất sinh học quan trọng trong glycolysis

Con đường tổng hợp và suy thoái 2,3-BPG trong hồng cầu (tham khảo)

Con đường biến dưỡng của hexose

Biến dưỡng pyruvate

NAD+ cần thiết cho quá trình glycolysis được ếp diễn. Do đó ,NADH được sản xuất trong glycolysis phải được oxy hóa khử cho quá trình glycolysis ếp diễn

Source: lecture3a, RA Leng, applied biochemistry training course, Ha Noi November 2011

Sự lên men

- Lên men là quá trình chuyển hóa trong điều kiện thiếu oxy VD: hoạt động quá sức của các cơ bắp - Hệ thống lên men thường được tìm thấy trong tự nhiên trong đầm lầy, và trong bùn dưới lúa nước, trong bãi rác bị phủ kín - Lên men trong phương pháp làm rượu vang và bia.

Sự hình thành ethanol bởi nấm men

Source:lecture3a, RA Leng, applied biochemistry training course, Ha Noi, November 2011 NADH phải được trở lại thành NAD + hoặc chuỗi phản ứng của quá trình lên men sẽ dừng lại

Vi khuẩn và protozoa (nguyên sinh động vật) sản xuất acid béo bay hơi trong điều kiện kị khí

Source:lecture3a, RA Leng, applied biochemistry training course, Ha Noi, November 2011

Một ít nguồn NL glucose được ch trữ ở dạng ATP, nhưng hầu hết vẫn còn trong VFA và được các tế bào vi sinh vật tổng hợp

Chu trình Cori

Lactate chuyển thành pyruvate trong gan

Chu trình Cori

• Ý nghĩa: Loại bỏ lactate ra khỏi cơ và chuyển đến gan trước khi cơ bị tác hại bởi lactate Bản chất: Cơ hoạt động quá mức, không đủ oxygen cung cấp cho oxi hóa pyruvate tạo CO2, H2O và ATP Glycogen (cơ): lên men lactid để cung ATP

NADH NAD+ bởi sự sản sinh lactate hoặc ethanol từ pyruvate

Các giải pháp oxi hóa khử cho coenzyme trong glycolysis kị khí

Ho

Source:lecture3a, RA Leng, applied biochemistry training course, Ha Noi, November 2011

NADH được sản xuất trong đường phân và tổng hợp acetate. NAD + phải được tái sinh để cho phép đường phân tiếp tục (H) được phóng thích khi NADH bị oxy hóa trong quá trình tổng hợp propionate. Và hơn nữa, H2 được lấy ra bởi VK methanogen. Chúng sử dụng (H) để khử CO2 và sinh khí mê-tan (CH4). Quá trình sinh methane làm sự lên men phí một lượng ATP nhất định CH4 + 2 H2O (+ ATP). CO2 + 4 H2

Trong glycolysis hiếu khí: NADH đi vào chuỗi vận chuyển điện tử trong ty lạp thể để thành lập ATP

Giải pháp oxi hóa khử cho coenzyme trong glycolysis hiếu khí

Sự tân sinh đường (glucoseneogenesis)

• Là quá trình tổng hợp glucose hoặc glycogen từ nguồn cơ chất không phải carbohydrate (non- carbohydrate)

• Xảy ra ở gan (90%), thận (10%) • Các con đường liên quan đến sự tân sinh

đường: đường phân nghịch, chu trình TCA, chu trình Cori, chu trình glucose alanine

• Các nguyên liệu cho sự tân sinh đường gồm:

pyruvate, lactate, các chất trung gian của chu trình TCA, glycerol, alanine

Alanine

Aspartic acid

Glutamic acid

http://www.slideshare.net/shurovee/gluconeogenesis-24372292?related=2

Nguyên liệu tân sinh đường

Ba bước bypass một chiều trong tân sinh đường

Hầu hết các phản ứng của tân sinh đường là đảo ngược của đường phân, ngoại trừ 3 bước sau

Pyruvate phosphoenolpyruvate Fructose-1,6-bisphosphate Fructose-6-phosphate Glucose-6-phosphate Glucose

http://www.slideshare.net/shurovee/gluconeogenesis-24372292?related=2

Tân sinh đường từ glycerol

Tân sinh đường từ lactate (chu trình Cori)

Chu trình Tricarboxylic acid (TCA)

Giới thiệu

Chu trình Tricarboxylic acid gọi tắt TCA (Kreb, Citric acid) bao gồm một chuỗi các phản ứng oxi hóa khử xảy ra trong ty lạp thể. Kết quả: • Sự oxi hóa nhóm chức acetyl giải phóng 2 ptử

CO2

• Khử các coenzyme đã bị oxi hóa thông

qua quá trình phosphoryl hóa oxi hóa để thành lập ATP

Mối liên hệ của chu trình TCA trong sự trao đổi chất

• Cứ mỗi 2 carbon sẽ được oxy hóa thành 2 ptử CO2 (Acetyl

CoA)

• Bốn phản ứng oxy hóa xảy ra thường tạo ra NADH / FADH2 • Một nối phosphate năng lượng cao được thành lập. (GTP) • « Chất mang» Oxaloacetate được sử dụng và tái sinh. Oxaloacetate là chìa khóa trung tâm và quan trọng trong sự trao đổi chất (là sự khởi đầu của tân sinh đường. Oxaloacetate có 4 nguyên tử carbon, là một α-keto acid (tiền chất của amino acid aspartate)

Chu trình TCA đạt được những gì ?

Năng lượng từ chu trình TCA

• Lưu ý rằng có rất ít cơ chất trực tiếp

sản xuất năng lượng ATP. (chỉ có một phân tử GTP được thành lập)

• Sự sản xuất tối đa ATP đòi hỏi phải có oxy cho phản ứng phosphoryl hóa oxi hóa (oxidative phosphorylation). Nếu mức oxi thấp dẫn đến sự tích tụ NADH và thiếu hụt NAD+ cho chu trình TCA. Do đó Chu trình TCA không thể hoạt động khi không có oxy

• Trong phosphoryl hóa oxy hóa các FADH2 và

NADH bị oxy hóa.

Chu trình TCA sản xuất được gì?

Tổng thể, các phản ứng trong chu kỳ sản xuất ra • 3 NADH (= 9 ATP) • 1 FADH2 (= 2 ATP) • 1 GTP (= 1 ATP) • Tổng cộng = 12 ATP cho mỗi phân tử Acetyl CoA

Nhớ rằng: Oxaloacetate hoạt động như một «chất mang», không có tổng hợp

Ý nghĩa chu trình TCA

• Giải phóng NL ở dạng hóa năng ATP và một phần

ở dạng nhiệt năng giữ ấm cho tế bào

• Tạo nhiều coenzyme, ngoài vai trò tạo ATP,

coenzyme được sử dụng cho việc khử các liên kết khác của tế bào (khử liên kết kép, carbonyl, imine…)

• Nguồn cung carbon cho quá trình tổng hợp khác • Trung tâm giao lưu của nhiều đường hướng phân

giải và tổng hợp khác của tế bào

Con đường pentose phosphate (hexose monophosphate)

Tổng quan

Chức năng 1. Sản xuất NADPH 2. Tổng hợp ribose (các axit nucleic và nucleotide)

Đặc tính của con đường pentose phosphate

1. Pha oxy hóa Phản ứng sản xuất NADPH Các phản ứng 1 chiều 2. Pha không oxy hóa Sản xuất ribose-5-P Phản ứng thuận nghịch cung nguyên liệu cho đường phân

Pha không oxi hóa

Sự phân giải glycogen (glycogenolysis)

• Glycogen dự trữ trong gan và cơ • Glycogen ở bắp cơ là nguồn cung hexose cho đường phân. Glycogen ở gan duy trì hàm lượng đường huyết trong máu

• Hormone: epinephrine, glucagon

http://www.slideshare.net/examville/823984-gluconeoglycogenmetabolism?related=2

Biến dưỡng lipid

Sự tiêu hoá lipid ở ruột

Source: bài giảng TS. Đỗ Hiếu Liêm, Đại học Nông Lâm Tp.HCM, http://tailieu.vn/doc/chuong-iii-su-bien- duong-lipid-285471.html

Tham khảo: Triacylglycerol bị nhũ hóa thành micelle bởi acid mật (túi mật)- xảy ra trong ruột non Các hạt micelle có phần lõi không phân cực (do có gốc R của các acid béo hướng vào trung tâm), xung quanh được bao bọc bởi các muối mật suốt quá trình sonvat hóa

Micelle

Ghi chú: quá trình sonvat hóa (solvation process) là sự tương tác của chất tan trong dung môi dẫn đến sự ổn định chất tan trong dung dịch. Ví dụ: các ion của chất tan được bao bọc bởi /hoặc bị phức hợp lại bởi các ion trái dấu của dung môi tạo thành lớp vỏ sonvat

Sự tiêu hoá lipid ở ruột

Có ba nguồn triacylglycerol được sử dụng để cung nguồn acid béo cho quá trình biến dưỡng lipid: • Sự phân cắt triacylglycerol trong thức ăn bởi

enzyme lipase trong đường tiêu hóa

• triacylglycerol đã được tổng hợp trong gan • Triacylglycerol được dự trữ trong các tế bào

mỡ

(β-oxid hóa acid béo)

Source: http://www.wiley.com/college/grosvenor/0470197587/animations/Animation_Lipid_Metabolism/Energy/media/cont ent/met/anima/met4a/frameset.htm

Mối liên hệ giữa lipolysis (phân giải lipid) và các quá trình khác

β-oxid hóa acid béo

• Gan là cơ quan chủ yếu thực hiện và phần khuôn ty thể

là nơi xảy ra sự oxi hóa lipid

• Sự oxi hóa mô mỡ nâu chủ yếu để sinh nhiệt (động vật

sơ sinh, động vật ngủ đông)

• Các acid béo được oxi hóa thường là acid béo no, mạch

carbon chẵn

Mục đích: • Oxi hóa acid béo

đưa cặp H-H vào chuỗi hô hấp

mô bào để tạo ATP

• Cắt acid béo thành từng đơn vị 2C-acetyl CoA để vào

chu trình Kreb

(1)Phản ứng hoạt hóa acid béo thành acyl CoA nhờ xúc tác của enzyme acyl CoA synthetase, CoA và ATP. Quá trình xảy ra ở màng ngoài ty thể

Sau đó, acyl CoA được vận chuyển vào matrix ty thể nhờ chất mang carnitine

Các phản ứng β-oxid hóa acid béo

(1) Oxi hóa lần 1: loại bỏ H ở carbon α và carbon β. Hình thành nối trans C=C. Khử FAD thành FADH2

(2) Hydrate hóa: gắn thêm một phân tử H2O trên

nối trans C=C. Hình thành nhóm hydroxyl (-OH) trên carbon β

(3) Oxi hóa lần 2: oxi hóa nhóm hydroxyl để hình

thành nhóm keto (C=O) trên carbon β

(4) β-oxid hóa (cắt 2C khỏi chuỗi acid béo tại vị trí carbon β): cắt liên kết giữa carbon α và β để hình thành một phân tử có 2 C acetyl CoA. Mạch acid béo bị ngắn đi 2C sẽ ếp tục lặp lại β-oxid hóa cho đến khi cắt hết thành các sản phẩm acetyl CoA

Sự vận chuyển Acetyl CoA từ gan đến các cơ quan khác

Năng lượng từ β-oxi hóa

• 1FADH2 • 1NADH +H+ Một vòng β-oxi hóa có 5ATP tạo thành Đồng thời tạo một acetyl CoA đi vào chu trình TCA tạo 12 ATP Tổng : 5 + 12 = 17ATP cho mỗi vòng β-oxi hóa

α-oxi hóa và ω-oxi hóa

• Alpha-oxi hóa: là sự phân cắt những carbon lẻ trên các acid béo để cho ra các acid mạch chẵn tham gia beta- oxid hóa hoặc gắm thêm một acetyl CoA cho sản phẩm là propionyl CoA

• ω-oxi hóa: là một con đường thay thế cho quá

trình oxy hóa beta , thay vì liên quan đến carbon β, nó liên quan đến quá trình oxy hóa của carbon ω(carbon xa nhất từ nhóm cacboxyl của acid béo). Quá trình này thường là một con đường nhỏ cho dị hóa acid béo chuỗi trung bình (10-12 nguyên tử carbon), nhưng trở nên quan trọng hơn khi quá trình oxy hóa β là khiếm khuyết.

http://en.wikipedia.org/wiki/Alpha_oxidation

Sau ba bước, hai đầu của các axit béo có thể được gắn vào coenzym A . sau đó phân tử có thể đi vào ty thể và trải qua quá trình β oxy hóa

ba bước đầu của Beta-oxid hóa

Glycerol là nguyên liệu cho qua trình tân sinh đường (gluconeoge nesis). Glycerol chuyển đổi thành glyceralehyde-3P để tổng hợp glucose Hai hormone điều hòa cho sự oxi hóa glycerol là cortisol và glucagon

Sự oxi hóa glycerol

Sự thủy phân triglyceride quá mức làm ch tụ một lượng lớn acetyl CoA •

2acetyl CoA kết hợp hình thành acetoacetyl CoA. acetoacetyl CoA bị thủy phân thành acetoacetate, một thể ketone • Acetoacetate bị khử thành

lập β-hydroxybutyrate hoặc bị phóng thích mất một phân tử CO2 thành lập acetone, cả hai là thể ketone

Sự tạo thành thể ketone

ch lũy acetyl CoA )

Ketosis xảy ra : Trong trường hợp thiếu nguồn carbonydrate. VD:bệnh tiểu đường hay đói (glucose bị thiếu nên cơ thể thiếu hụt năng lượng, lipid sẽ được sử dụng cho mục đích cung năng lương cho cơ thể Tích lũy thể ketone làm giảm độ pH trong máu dưới 7,4 (toan). .

Sự tổng hợp lipid (lipogenesis)

• Sinh tổng hợp acid béo: là quá trình bắt đầu với nguyên liệu là acetyl CoA và xây dựng lên bằng cách cứ thêm hai đơn vị carbon. Xảy ra trong tế bào chất. Cơ quan thực hiện là gan và mô mỡ.

• Sinh tổng hợp glycerol: được tổng hợp từ

dihydroxyacetone 3-P

Hình: Mối liên hệ của lipogenesis với các quá trình khác Vì nguyên liệu của lipogenesis là acetyl CoA, do đó acetyl CoA phải được vận chuyển từ ty thể ra tế bào chất. Sự vận chuyển này nhờ vào hệ thống citrate-malate Ghi chú: acetyl CoA là sản phẩm của β-oxid hóa trong ty thể

Hệ thống citrate-malate: màng ngoài chất nền ty thể cho các phân tử như acetyl CoA, cũng như nhiều chất khác như citrat, malat và pyruvate thấm qua tự do. Tuy nhiên, màng trong ty thể, acetyl CoA không thể thấm qua Hệ thống malate-citrate giúp vận chuyển acetyl CoA từ ty thể ra tế bào chất để làm nguyên liệu cho quá trình lipogenosis

http://www.slideshare.net/leizeldespi/despi-lipogenesis

• Acetyl CoA (ty thể) + oxaloacetate citrate (được vận

chuyển qua màng trong ty thể đến tế bào chất nhờ chất vận chuyển citrate-citrate transporter)

• Trong tế bào chất, citrate bị phản ứng đảo ngược thành lập lại thành acetyl CoA và oxaloacetate bởi xúc tác của ATP-citrate lyase

• Acetyl CoA sẽ là nguyên liệu của lipogenosis. Oxaloacetate

chuyển đổi thành malate

• Malate quay trở lại matrix của ty thể thông qua chất tải malate. Sau đó, malate chuyển thành oxaloacetate. Oxaloacetate sẽ kết hợp với acetyl CoA khác hình thành citrate và hệ thống vận chuyển lại bắt đầu

Hệ thống citrate-malate

Lipogenosis

• Acetyl CoA trong tế bào chất là nguyên liệu

chính cho lipgenosis.

Acetyl CoA

Acetyl CoA - ACP

Nối dài chuỗi

Malonyl CoA

Acetyl CoA

Malonyl CoA -ACP

• Acetyl CoA sẽ chuyển đổi thành malonyl CoA • Để bắt đầu quá trình lipogenosis, cần acetyl CoA (2C) và malonyl CoA (3C) ở dạng kích hoạt là gắn kết với một phức hợp ACP (acyl carrier protein)

(1)Phản ứng tạo malonyl CoA từ acetyl CoA

(2) Phản ứng acetyl CoA và malonyl CoA gắn kết với ACP

http://www.slideshare.net/leizeldespi/despi-lipogenesis

Lặp lại

(1) Acetyl CoA và malonyl CoA kết hợp trong

phản ứng ngưng tụ hình thành acetoacetyl CoA (4C) và phóng thích 1 phân tử CO2 (2) nhóm keto (C=O) trên carbon β của phức

hợp acetoacetyl CoA sẽ bị khử bởi NADPH để thành lập nhóm OH

(3) -OH trên carbon β tiếp tục bị khử nước để hình thành liên kết đôi trong phân tử (giữa carbon α và β)

(4) liên kết đôi được hình thành từ bước 3 sẽ tiếp tục bị hydro hóa để hình thành liên kết đơn. Cũng giốn như ở bước 2, NADPH sẽ là chất khử. Sản phẩm Butyryl-ACP sẽ tiếp tục kết hợp với malonyl –ACP để kéo dài chuỗi

Một ví dụ về tổng hợp acid béo có 16 carbon

Biến dưỡng protein và amino acid

Ý nghĩa của biến dưỡng protein trong cơ thể động vật

• Hầu hết các p/ứng sinh hóa học đều nhằm

mục tiêu tái tạo protein

• Vai trò tạo hình: thành phần cấu tạo các tế bào, mô bào (cơ, xương, tế bào máu...) • Hình thành các hợp chất sinh học có guồn gốc từ protein như enzyme, hormone...

• Cung năng lượng

Cân bằng nitrogen

• Cân bằng Nitrogen = nitrogen ăn vào - nitrogen thải ra

(protein)

(urea)

• Cân bằng Nitrogen = 0 : N vào = N thải ra. Đồng hóa cân bằng dị hóa, ngừng tăng trưởng (động vật trưởng thành)

• Cân bằng dương: N vào > N thải. Cơ thể sử dụng protein để xây dựng mô bào, để sinh trưởng hoặc phục hồi mô bào hư hại (động vật non, hay đv hồi phục sức khỏe sau khi bệnh)

• Cân bằng âm: N vào < N thải. Dị hóa mạnh mẽ (động vật

bệnh, già yếu)

Tiêu hóa và hấp thu

Tiêu hóa: protein không thể được hấp thụ trực tiếp từ ruột. thủy phân bởi protease và peptidase thành các amino acid, dipeptides và tripeptides. Tại dạ dày:tác động của pepsin cắt đứt lk peptide, tiếp đến hoạt động của men tụy (egtrypsin và chymotrypsin) và peptidase ở đường ruột sẽ hoàn tất quá trình thủy phân.

Hấp thu: amino acid và những đoạn peptide nhỏ được vận chuyển vào tế bào ruột. Sự vận chuyển này sẽ đòi hỏi mức năng lương có nguồn gốc từ bơm Na +.

Tổng quan về biến dưỡng amino acid

Các phản ứng thoái biến trung gian của amino acid trong mô bào động vật (dị hóa)

(1) Vận chuyển nhóm amine của amino acid (transamination) (2) Sự oxy hóa khử amine của amino acid (oxidative deamination) (3) Chu trình urea (4) Oxy hóa sườn carbon của amino acid

• Amino acid bị thoái biến trong gan. • α-amino acid α-keto acid. Các α-keto acid trong phản ứng chuyển hóa trung gian: α-ketoglutarate, oxaloacetate, pyruvate.

• Đây là một dạng thức tổng hợp nhóm amino acid không

thiết yếu

pyruvic

(GPT)

và

alanine

• Các enzyme trong hệ thống transamination: - Hệ glutamic pyruvic transamination glutamic transaminase transaminase (ALT） - Hệ glutamic oxaloacetic transamination: glutamic oxaloacetic transaminase (GOT）và aspartate transaminase (AST)

(1) Transamination (vận chuyển nhóm amin)

Ví dụ về phản ứng transamination

• Một nhóm amine được chuyển từ một amino

acid đến một α-keto acid, thường α- ketoglutarate.

• Phản ứng được xúc tác bởi một

transaminase hoặc aminotransferase. Nồng độ của các enzyme này thay đổi là một yếu tố chỉ định quan trọng của bệnh gan

• Một amino acid mới, thường là glutamate, và

một α-keto acid mới được hình thành.

(1) Transamination (vận chuyển nhóm amine)

Pyruvate là ền chất của

Ala

Oxaloacetate là ền chất

của Asp

-ketoglutarate là ền chất

của Glu

Asn và Gln được tổng hợp

từ Asp và Glu bằng phản ứng amin hóa (nhận nhóm amin)

(2) Oxy hóa khử nhóm amine (oxidative deamination)

• Xảy ra trong gan và thận • Nhóm amine bị loại khỏi glutamate được phóng

thích ở dạng NH4+ (ammonium)

• Cung cấp α-ketoglutarate cho phản ứng vận chuyển

nhóm amine (transamination)

• Có 2 hình thức oxy hóa khử amine: trực ếp và gián

ếp

Oxy hóa khử amine trực ếp

• Serine, threonine và glutamate sẽ được oxy

hóa khử trực ếp.

Gồm hai giai đoạn - Giai đoạn 1: amino acid bị khử hydrogen để thành imino acid tương ứng. - Giai đoạn 2: hợp nước tạo thành -ketoacid và giải phóng NH3.

Oxy hóa khử amine gián ếp

A m in o a c id  -k e to g lu ta ra te N A D H + N H 4

 -k e to a c id g lu ta m a te N A D + + H 2O

T ra n s a m in a s e G lu ta m a te D e h y d ro g e n a s e

Bất kỳ amino acid nào muốn đi vào oxi hóa khử amine phải chuyển nhóm amine cho chất nhận α-ketoglutarate để tạo glutamate. Glutamate bị oxy hóa khử amine nhờ xúc tác glutamate dehydrogenase

Sự hình thành ammonium trong máu

(3) Chu trình Urea

Chu trình Urea • Mục đích: giải độc NH4+ từ sự thoái biến

amino acid

• Chuyển đổi NH4+ thành urea trong gan và loại

thải trong nước ểu ở thận

Thành lập carbamoyl phos phate: Trong ty thể, khi NH4+ phản ứng với CO2 từ chu trình acid citric, 2 ATP, và nước để thành lập carbamoyl phosphate. Sau đó hợp chất này sẽ đi vào chu trình urea

Phản ứng trong chu trình urea

(1) Nhóm carbamoyl phosphate được chuyển giao cho

ornithine để tạo thành citrulline. Citrulline di chuyển qua màng ty thể vào tế bào chất.

(2) Phản ứng kết hợp với aspartate: xảy ra trong tế bào chất, citrulline kết hợp với aspartate. Sử dụng một ATP thành AMPđể cung cấp năng lượng. N trong aspartate là một phần của urea.

(3) Phản ứng phân cắt thành lập fumarate: phân cắt

argininosuccinate thành fumarate và arginine. Sau đó fumarate đi vào chu trình TCA

(4) Thủy phân: arginine bị thủy phân tạo urea và ornithine. Ornithine quay trở lại ty thể để bắt cặp với carbamoyl phosphate khác để lặp lại chu trình urea

(4) Oxy hóa sườn carbon của amino acid

pyruvate

• Ala, Cys, Gly, Ser, Thr, Trp • Leu, Ile, Thr, Lys, Phe, Tyr, Trp acetyl CoA • Arg, Glu, Gln, His, Pro α-ketoglutrate • Ile, Met, Thr, Val succinyl CoA • Phy, Tyr fumarate • Asp, Asn

oxaloacetate

• Sườn carbon của các amino acid được sử dụng để sản sinh năng lượng bởi sự hình thành chất chuyển hóa trung gian của chu trình TCA

(4) Oxy hóa sườn carbon của amino acid

Sự oxy hóa sườn carbon của amino acid được phân thành 2 loại: • Glucogenic: nếu sườn carbon tạo ra

sử dụng để

pyruvate hoặc oxaloacete tổng hợp glucose.

• Ketogenic: nếu sườn carbon tạo ra

acetoacetyl CoA hoặc acetyl CoA, mà có thể hình thành các thể ketone hoặc sử dụng để tổng hợp acid béo.

Sơ đồ sự oxy hóa sườn carbon của các amino acid

Chu trình glucose -alanine

Chu trình glucose-alanine

Chức năng: • Sự thoái biến protein trong cơ xương để cung cấp thêm glucose cho quá trình khác tạo thêm năng lượng ATP (sự suy thoái protein trong cơ như một nguồn năng lượng thay thế)

• Loại bỏ Nitrogen (trong chu trình Urea)

Câu hỏi ôn tập ????? Các câu hỏi khác liên quan

http://www.jbc.org/content/276/38/36000/F6.expansion