David L. Nelson and Michael M. Cox
LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition
BÀI.7 NĂNG LƯỢNG SINH HỌC & BIẾN DƯỠNG
© 2016 PGS.TS. BÙI VĂN LỆ
7. NĂNG LƯỢNG VÀ BIẾN DƯỠNG
Biến dưỡng là một hoạt động liên hợp của tế bào bởi hệ thống nhiều
enzym liên kết để:
• Tạo năng lượng hóa học bởi thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời hay năng lượng phân hủy từ các chất giàu dinh dưỡng trong môi trường.
• Biến các phân tử dinh dưỡng thành các phân tử tế bào bao gồm các
tiền chất và các phân tử sinh học.
• Trùng hợp thành các đại phân tử sinh học như protein, acid nucleic,
polysascharides và
• Tổng hợp và phân hủy các phân tử sinh học cần cho các hoạt động tế bào như lipid màng tế bào, các thông tin nội bào và các sắc tố. Đây là một hoạt động năng động và có sự kết hợp nhiều phản ứng trong số các phản ứng này được tổ chức thành các con đường biến dưỡng khác nhau. Mỗi con đường biến dưỡng sẽ bao gồm nhiều phản ứng xảy ra liên tục; sản phẩm của một phản ứng sẽ là cơ chất cho phản ứng kế tiếp.
Plants Humans
CH2OH O
Energy
O
OH
Low Energy Reactants
+ O O
H
H
High Energy Products
O
O + OC
Flow of energy
Có hai kiểu con đường sinh hóa chính là: quá trình dị hóa (catabolism) và quá trình đồng hóa (anabolism). •Trong quá trình đường dị hóa, các phân tử lớn sẽ bị phân giải thành các sản phẩm nhỏ hơn và đơn giản hơn. Một số con đường phóng thích năng lượng tự do. Năng lượng tự do được phóng thích này sẽ bị quá trình đồng hóa thu lấy và sử dụng. •Trong quá trình đồng hóa hay các con đường sinh tổng hợp, các phân tử lớn phức tạp sẽ được tổng hợp từ các tiền chất nhỏ hơn. Các phân tử thuộc khối xây dựng như đường, amino acid, acid béo được tạo ra hoặc lấy từ thức ăn sẽ kết hợp lại thành các phân tử lớn hơn và phức tạp hơn. Do quá trình sinh tổng hợp làm tăng tính thứ tự và phức tạp nên các con đường đồng hóa cần phải có năng lượng tự do.
Biến dưỡng là một hoạt động liên hợp của tế bào bởi hệ
thống nhiều enzym liên kết.
Mỗi con đường biến dưỡng sẽ bao gồm nhiều phản ứng xảy ra liên tục; sản phẩm của một phản ứng sẽ là cơ chất cho phản ứng kế tiếp.
Trong một số con đường hoạt động kép (amphibolic pathways), các phản ứng xảy ra thuận nghịch. Mỗi enzyme xúc tác cả hai phản ứng thuận và phản ứng nghịch. Trong một vài con đường kép, một hoặc nhiều phản ứng hoạt động như là các điểm kiểm soát được điều hòa cao. Tại mỗi điểm kiểm soát, các enzyme dị lập thể khác nhau sẽ xúc tác các phản ứng thuận và nghịch.
Năng lượng sinh học và nhiệt động học
• Các tế bào sống hoạt động không ngừng. Chúng cần có năng lượng để duy trì các cấu trúc có tổ chức cao, tổng hợp các thành phần tế bào, sản sinh các dòng điện và các quá trình khác.
• Năng lượng sinh học là sự khảo sát định lượng các mối quan hệ năng lượng và các chuyển hóa năng lượng trong các hệ thống sinh học.Sự chuyển hóa năng lượng sinh học tuân theo quy luật nhiệt động học.
• Tất cả các phản ứng bị ảnh hưởng bởi hai lực : khuynh hướng tạo ra trạng thái liên kết bền nhất (gọi là enthalpy H) và khuynh hướng tạo ra mức độ ngẫu nhiên cao nhất (gọi là entropy S). Mối liên hệ giữa hai thông số này với sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs ∆G được thể hiện qua phương trình :
trong đó:
∆G = ∆H - T∆S DG: sự thay đổi năng lượng tự do D H: sự thay đổi enthalpy D S: sự thay đổi entropy T: nhiệt Kelvin (oC + 273,15)
Năng lượng tự do chuẩn (DGo) là năng lượng được tính ở 25oC, 1 atm áp suất và nồng độ các chất hoà tan là 1 mol. DGo là một số không đổi đối với mỗi phản ứng. Phương trình phản ứng:
aA + bB <-> cC +dD
b
liên quan đến hằng số cân bằng phản ứng:
c [D]eq
d I [A]eq
a [B ]eq
K’eq = [C]eq
Sự thay đổi năng lượng tự do DG liên quan đến sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn DGo qua phương trình:
trong đó:
D G = DGo + RT Log ([C]c [D ]d I [A]a [B]b ) R: hằng số khí (R = 1,987 cal/ mol.K) T: nhiệt độ Kelvin
Nếu phản ứng cân bằng thì DG= 0. Do không có trao đổi năng lượng tự do nên phương trình rút gọn lại là: DGo = -RT Log ([C]c [D] d /[A]a [B]b) DGo = -RT Log K’eq
Đa số các quá trình sinh hóa xảy ra ở pH = 7 nên giá trị pH này được xem là pH chuẩn trong năng lượng sinh học. Sự thay đổi DGo ở pH= 7 viết thành DG’o Nếu quá trình xảy ra tự phát theo hướng giảm D G’o(< O ) được gọi là quá trình tỏa năng lượng (exergonic) và ngược lại gọi là quá trình thu năng lượng (endergonic). Nguồn năng lượng tỏa ra hay thu vào thường được cung cấp bởi phản ứng thủy phân phân tử giàu năng lượng trong tế bào.
aA + bB cC + dD
[C]c[D]d
Keq =
[A]a[B]b
DG’º = -RT lnK’eq
Các hợp chất phosphoryl hóa và thioester khác cũng có năng lượng thủy giải lớn
There is a large negative free energy change associated with ATP hydrolysis
For most enzymes that utilize ATP, the true substrate is MgATP2-
In a human erythrocyte, what is the actual free energy of hydrolysis of ATP due to concentrations of ATP, ADP and Pi?
R = 8.315 J/mol*K
T = 298 K
From Table 13-5:
[ATP] = 2.25 mM [ADP] = 0.25 mM [Pi] = 1.65 mM
ATP ADP + Pi
DG’º = -30.5 kJ/mol = 30,500 J/mol
DG = DG’º + RT ln [ADP][Pi] / [ATP] DG = -30,500 J/mol + RT ln(0.25 x 10-3 M)(1.65 x 10-3 M)/(2.25 x 10-3 M) DG = -30,500 J/mol + RT (-8.60) DG = -30,500 J/mol + (-21320 J/mol) DG = -51820 J/mol = -51.8 kJ/mol
Phosphoenolpyruvate has a high standard free energy of hydrolysis (hydrolysis of a phosphate ester bond)
1,3-bisphosphoglycerate has a high standard free energy of hydrolysis (hydrolysis of a phosphate ester bond)
Phản ứng bắt cặp. Nhiều phản ứng sinh hóa trong tế bào sống có DG’o > 0 và năng lượng của tất cả phản ứng là tổng số các quá trình phản ứng:
DG’o phản ứng 1 DG’o phản ứng 2
A + B C + D C + E F + G A + B + E D + F + G
Vậy DG’ophản ứng = DG’o phản ứng 1 + DG’o phản ứng 2 Nếu DG’o toàn bộ phản ứng < 0 thì đây là phản ứng tỏa năng lượng.
Sự bắt cặp năng lượng trong các quá trình cơ học và hóa học
DG’o = + 3.3 Kcal/mol DG’o = - 7,3 Kcal/mol
Sự chuyển hóa glucose thành glucose-6-phosphate là những phản ứng bắt cặp. Quá trình hình thành glucose-6-phosphate từ glucose là một quá trình thu năng lượng với DG’o= + 3,3kcal/mole. Quá trình thủy giải ATP là một quá trình tỏa năng lượng mạnh sinh ra khoảng DG’o= –7,3kcal/mole. G + Pi G6P ATP ADP + Pi G + ATP G6P + ADP
Do đó DG’o toàn bộ phản ứng bắt cặp là: DG’ophản ứng = DG’o phản ứng 1 + DG’ophản ứng 2 DG’o phản ứng = 3,3 – 7,3 = - 4 kcal/mole. âm nên phản ứng xảy ra theo hướng thuận.
Chuyển nhóm phospho và ATP
• ATP là sự liên kết hóa học giữa quá trình dị hóa và quá trình đồng hóa. Đó là dòng năng lượng của tế bào sống. Sự chuyển hóa tỏa năng lượng của ATP thành ADP và Pi hoặc thành AMP và PPi được bắt cặp với nhiều phản ứng và quá trình thu năng lượng khác.
• Quá trình thủy phân trực tiếp ATP là một nguồn năng lượng trong một số quá trình xảy ra bởi những thay đổi cấu hình, nhưng nhìn chung, đó không phải là sự thủy phân ATP mà là sự chuyển nhóm phosphoryl, pyrophosphoryl hoặc nhóm adenyl từ ATP sang cơ chất hoặc enzyme chất sẽ bắt cặp sự giải phóng năng lượng của ATP với những chuyển hóa thu năng lượng của cơ chất.
• Thông qua các phản ứng chuyển nhóm này, ATP cung cấp năng lượng cho các phản ứng đồng hóa bao gồm tổng hợp các đại phân tử và đối với sự vận chuyển các phân tử và các ion qua màng tế bào chống lại gradient nồng độ và gradient điện thế.
Catabolism extracts energy from nutrients. Anabolism uses energy to synthesize biomolecules.
Vai trò trung tâm của ATP trong biến dưỡng
Sự biến đổi năng lượng tự do trong thủy giải ATP là lớn và âm
ATP cung cấp năng lượng bằng sự chuyển nhóm, không phải bằng sự thủy giải thông thường
Thủy giải ATP
• Để duy trì khả năng chuyển nhóm cao, nồng độ ATP phải được giữ trên mức nồng độ cân bằng bằng các phản ứng sinh năng lượng của quá trình dị hóa.
như phosphoenolpyruvate,
• Các tế bào chứa các chất biến dưỡng khác với năng lượng tự do của quá trình thủy phân lớn và có giá trị 1,3- âm bisphosphoglycerate và phosphocreatine. Những chất cao năng lượng này giống ATP, có khả năng chuyển nhóm phosphoryl. Các thioester cũng có năng lượng tự do của quá trình thủy phân cao.
• Polyphosphate vô cơ , hiện diện trong tất cả các tế bào, có thể sử dụng như nguồn nhóm phosphoryl với khả năng chuyển nhóm cao.
Xếp hạng các hợp chất phosphate sinh học dựa vào năng lượng tự do chuẩn của sự thủy giải
Transphosphorylations between nucleotides
Nucleoside diphosphate kinase catalyzes the reaction:
ATP + NDP ADP + NTP
where NDP is any nucleoside diphosphate.
Adenylate kinase catalyzes the reaction:
2ADP ATP + AMP
Phosphocreatine serves as a source of phosphoryl groups
for the synthesis of ATP.
ADP + phosphocreatine ATP + creatine
Phosphocreatine and creatine kinase
ATP cung cấp nhóm phosphoryl, pyrophosphoryl, và adenylyl
Sự chuyển nhóm phosphoryl giữa các nucleotide xảy ra ở mọi tế bào
Các phản ứng oxi hóa khử sinh học
Trong cơ thể sống, quá trình thu nhận và phóng thích năng lượng bao gồm một hệ thống các quá trình oxide hóa khử. Các quá trình nầy đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống sinh vật.
Các phản ứng oxide hóa khử xảy ra khi các điện tử được chuyển từ chất cho điện tử sang chất nhận điện tử. Chất cho điện tử gọi là chất khử và chất nhận được gọi là chất oxide hóa. Phản ứng oxide hóa khử là sự kết hợp giữa ½ phản ứng oxi hoá và ½ phản ứng khử. Trong một vài phản ứng oxide hóa khử chỉ có sự chuyển điện tử mà thôi.
Oxide hóa (Oxidation)
Khử (Reduction)
Nhận oxygen
Mất oxygen
Mất hydrogen
Nhận hydrogen
Mất điện tử
Nhận điện tử
Biological Oxidation - Reduction
Page 528
The flow of electrons in oxidation-reduction reactions
is the source of work done in a cell.
The source of electrons is the highly reduced molecules
in the food we eat. Example: glucose
Electrons are released by the oxidation of food molecules and ultimately transferred to oxygen through a series of electron carriers, releasing energy.
Common biological oxidation states of carbon
1. Directly as electrons.
Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+
2. As hydrogen atoms.
AH2 A + 2H (2H+ + 2e-)
3. As a hydride ion (:H-) which has two electrons.
NAD+ + H+ + 2e- NADH
4. Through direct combination with oxygen.
R-CH3 + ½O2 R-CH2-OH
Four ways electrons are transferred in biological oxidation-reduction reactions (see page 513-514)
Thí dụ: Cho phản ứng: Cu+ + Fe3+ Cu2+ + Fe2+ Phản ứng oxide hóa khử này có thể viết thành hai nửa
như sau:
Cu+ Cu2+ + e- ( phản ứng oxi hoá ) Fe 3+ + e- Fe 2+ (phản ứng khử ) Phản ứng này cho thấy Cu+ là tác nhân khử bị oxide
hóa thành Cu2+ . Fe3+ bị khử thành Fe2+ .
Trong nhiều phản ứng sinh học, điện tử (e-) và proton (H+ ) cùng được chuyển từ chất cho sang chất nhận. Trường hợp của enzyme lactate dehydrogenase xúc tác vận chuyển 2 proton H+ và 2 điện tử trong quá trình khử pyruvat bởi NADH để tạo thành lactate.
Trường hợp của enzyme lactate dehydrogenase xúc tác vận chuyển 2 proton H+ và 2 điện tử trong quá trình khử pyruvat bởi NADH để tạo thành lactate.
Người ta có thể quan sát thấy các thành phần của các nửa phản ứng trong một tế bào điện hóa. Mỗi tế bào điện hóa gồm có hai nửa tế bào. Mỗi nửa phản ứng diễn ra trong một nửa tế bào. Giữa hai nửa tế bào có sự sinh sản một điện thế do sự di chuyển của e- và nó có thể dương hay âm tùy theo hướng của dòng điện tử.
Khả năng một chất cho hay nhận điện tử được gọi là thế khử. Tế bào điện hóa dùng để đo thế oxi hóa khử (E) của một cặp oxide hóa khử liên hợp và thường đo trong điều kiện chuẩn (E’o):
Điện cực hydrogen có [H+] = 1, pH=7 nhiệt độ = 25oC
áp suất = 1 atm
Dưới những điều kiện này thì thế khử của điện cực hydrogen là 0.42V. Những chất có thế khử thấp hơn –0.42V sẽ có ái lực đối với điện tử thấp hơn H+. Những chất có thế khử lớn hơn thì có ái lực đối với điện tử lớn hơn.
Các phản ứng oxy hóa – khử sinh học
E = E’o + RT/nF ln [acceptor]/[donor] (electron acceptor) - E’o DE’o = E’o
(electron donor)
DG’o = - nF DE’o
Dòng điện tử tự phát của một loài có giá trị Eo’ âm hơn sẽ chuyển sang một loài có giá trị E’o dương hơn, do đó DEo’ là một số dương (DE’o > 0). Mối quan hệ giữa DE’o và DG’o là:
DG’o = -nF DE’o trong đó:
DG’o: năng lượng tự do chuẩn n: số điện tử được chuyển F:hằng số Faraday (23,062 cal/V.mole) DEo’: sự khác biệt về thế khử giữa chất cho và
chất nhận điện tử dưới điều kiện chuẩn. DE’o = E’o(nhận) - E’o (cho)
• Nhiều phản ứng oxi hóa sinh học là phản ứng khử hydro trong đó 1 hoặc 2 nguyên tử hydro (H+ + e-) được chuyển từ một cơ chất sang một chất nhận hydro. Các phản ứng oxi hóa khử trong tế bào cần các chất mang điện tử chuyên hóa.
• NAD và NADP là các coenzyme có thể khuyếch tán tự do của nhiều enzyme dehydrogenase. Cả NAD+ và NADP+ nhận 2 điện tử và 1 proton.
chẽ của
• FAD và FMN, flavin nucleotide, hoạt động như các nhóm prosthetic được gắn chặt các flavoprotein. Chúng có thể nhận một hoặc hai điện tử và một hoặc hai proton. Các flavoprotein cũng sử dụng như các chất nhận ánh sáng trong crytochrome và phytolyase.
Niacin is a vitamin that is a precursor to NADH and NADPH
NADH and NADPH are soluble electron carriers used by enzymes called dehydrogenases
NAD(H) versus NADP(H)
In a typical cell:
NAD+ / NADH ratio is high NADP+ / NADPH ratio is low
This favors hydride transfer to NAD+ and
hydride transfer from NADPH.
In general, NAD+ is utilized as a hydride acceptor in catabolic oxidation reactions and NADPH is utilized as a hydride donor in anabolic reduction reactions.
Enzymes that utilize NAD(P)(H) are oxidoreductases. A common class of oxidoreductases is dehydrogenases.
Một số ít loại coenzymes và protein đóng vai trò chất mang điện tử phổ biến
