Chöông 1
BAØI GIAÛNG SINH HOÙA HOÏC
KHAÙI NIEÄM VEÀ TRAO ÑOÅI CHAÁT
VAØ NAÊNG LÖÔÏNG SINH HOÏC
1. ÑAÏI CÖÔNGVEÀ TÑC & NLSH
1.1. Söï trao ñoåi chaát vaø chuyeån hoùa trung gian 1.2. Ñoàng hoùa vaø dò hoùa 1.3. Nguoàn goác cuûa naêng löôïng sinh hoïc 1.4. Söï chuyeån hoùa naêng löôïng 1.5. Caùc hôïp chaát cao naêng
2. SÖÏ OXID HOÙA-KHÖÛ SINH HOÏC (Söï hoâ haáp moâ baøo)
2.1. Khaùi nieäm veà hoâ haáp moâ baøo
2.2. Chuoãi hoâ haáp moâ baøo : Muïc ñích; Ñaëc ñieåm; Caùc enzyme cuûa
TP.HCM - 2006
chuoãi hoâ haáp; Sô ñoà chuoãi hoâ haáp
1
2
Phaàn II TRAO ÑOÅI CHAÁT VAØ NAÊNG LÖÔÏNG SINH HOÏC
(cid:1) CHUYEÅN HOÙA TRUNG GIAN bao goàm
- caùc phaûn öùng
- các quaù trình hoùa hoïc xaûy ra trong teá baøo. Ñaây laø khaâu
quan troïng vaø phöùc taïp nhaát cuûa söï chuyeån hoùa caùc chaát.
Goïi laø chuyeån hoùa trung gian vì caùc quùa trình hoùa hoïc
1.1. SÖÏ TRAO ÑOÅI CHAÁT VAØ CHUYEÅN HOÙA TRUNG GIAN (cid:1)TÑC (chuyeån hoùa caùc chaát) bao goàm taát caû caùc quùa trình hoùa hoïc xaåy ra trong cô theå töø khi TAÊ ñöôïc ñöa vaøo →→→→ñaøo thaûi chaát caën baõ ra moâi tröôøng. TÑC laø moät ñaëc ñieåm quan troïng cuûa vaät soáng (sinh vaät), laø ñieàu kieän toàn taïi vaø phaùt trieån cuûa sinh vaät.
- xaåy ra qua nhieàu giai ñoaïn trung gian,
1.ÑAÏI CÖÔNG
- thaønh laäp nhieàu chaát trung gian. Caùc chaát naøy goïi laø
chaát chuyeån hoùa hay saûn phaåm chuyeån hoùa.
Caùc tính chaát cô baûn cuûa vaät theå soáng :
3
4
- Luoân gaén vôùi moät heä thoáng vaät chaát – protein. - Tieâu toán naêng löôïng – ATP. - Coù nguoàn thoâng tin (coù khaû naêng di truyeàn vaø sinh saûn)
1
1.2. ÑOÀNG HOÙA VAØ DÒ HOÙA
Ñaây laø hai maët maâu thuaãn nhöng thoáng nhaát cuûa söï
(Dị hóa)
chuyeån hoùa caùc chaát. (cid:1) Ñoàng hoùa : tieâu hoùa – haáp thu – toång hôïp chaát.
(giải phóng NL)
(cid:1) Dò hoùa : phaân huûy caùc ñaïi ph/töû cuûa teá baøo vaø moâ để đổi mới;
đào thải chất cặn bã;
(thu NL)
oxid hoùa các chất hữu cơ ñeå giaûi phoùng naêng löôïng
cung caáp cho quùa trình TÑC, cho caùc hoaït ñoäng soáng.
(Đồng hóa)
6
5
7
8
Hình 1.1 : Chu trình chuyeån hoùa trong theá giôùi sinh vaät
2
1.3. NGUOÀN GOÁC CUÛA NAÊNG LÖÔÏNG SINH HOÏC
(cid:1) Töø naêng löôïng aùnh saùng maët trôøi (quang naêng)
(cid:1) Caùc daïng naêng löôïng :
(cid:1) Nhieät naêng laø daïng naêng löôïng ngoõ cuït (khoâng söû duïng laïi) →→→→ caàn tieâu toán NL ñeå giöõ traïng thaùi ñaúng nhieät vaø ñaúng aùp. (cid:1) Cô theå söû duïng NL ñeå duy trì söï soáng :
- hoùa naêng,
- duy trì caáu truùc,
- cô naêng,
coù theå chuyeån hoùa laãn nhau
- duy trì traät töï
- nhieät naêng,
- hoaït ñoäng.
- ñieän naêng,
Ngöng c/caáp NL →→→→ quùa trình phaân huûy seõ xaåy ra.
10
9
- naêng löôïng thaåm thaáu ….
(cid:1) Söï bieán ñoåi naêng löôïng töï do : ∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H – T. ∆∆∆∆S
1.4. SÖÏ CHUYEÅN HOÙA NAÊNG LÖÔÏNG (cid:1) Naêng löôïng töï do (NLTD) : laø soá NL coù theå chuyeån thaønh coâng höõu ích khi hôïp chaát bieán ñoåi : Söï bieán ñoåi enthapy →→→→ baèng hieäu öùng nhieät
- ∆∆∆∆G : Söï thay ñoåi NLTD cuûa heä thoáng - ∆∆∆∆H : cuûa phaûn öùng - T : nhieät ñoä tuyeät ñoái cuûa moâi tröôøng - ∆∆∆∆S : Söï bieán ñoåi cuûa entropy Cô theå soáng hoaït ñoäng nhö moät heä thoáng môû, caùc bieán ñoåi hoùa hoïc baûo ñaûm caân baèng NL cho cô theå →→→→
12
11
G = H – Tx S G : NLtöï do cuûa hôïp chaát H : Enthapy (toaøn boä NL döï tröõ) T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái cuûa moâi tröôøng S : Entropy (haøm traïng thaùi) →→→→ möùc ñoä hoaït ñoäng cuûa heä thoáng →→→→ Soá naêng löôïng bò raøng buoäc khoâng söû duïng ñöôïc.
∆∆∆∆S ≈ 0 →→→→ ∆∆∆∆G ≈ ∆∆∆∆H →→→→ söï bieán ñoåi NLTD gaàn baèng vôùi hieäu öùng nhieät cuûa phaûn öùng →→→→ nhieät löôïng PÖ →→→→ giaù trò NL cuûa bieán ñoåi hoùa hoïc.
3
Hình 1.3 : Söï thaønh laäp caùc hôïp chaát cao naêng
13
14
Hình 1.2 : Söï keát hôïp giöõa PÖGPNL vaø PÖ thu NL
16
15
4
Noái phosphate cao naêng
1.5. CAÙC HÔÏP CHAÁT CAO NAÊNG
- ATP/ADP - Creatine phosphate/Creatine - Arginine phosphate/Arginine - Caùc nucleotide triphosphate : GTP, UTP
17
18
19
20
Ñôn vò ño naêng löôïng - 1j = 2,388 x 10-4 Kcal - 1 Kcal = 4,1866 x 108j
5
21
22
Hình 1.5 : Chu trình ATP/ADP vaø CP/C
Baûng NLTD chuaån cuûa moät soá phosphate höõu cô
∆∆∆∆G’o
Hôïp chaát phosphate
Kjuole/mol
Kcalo/mol
höõu cô
2. SÖÏ OXID HOÙA-KHÖÛ SINH HOÏC 2.1. KHAÙI NIEÄM VEÀ HOÂ HAÁP MOÂ BAØO - Moät chuoãi caùc phaûn öùng oxid hoùa-khöû lieân tuïc,
- Giaûi phoùng naêng löôïng trong ñieän töû cao naêng cuûa H trong hôïp chaát höõu cô ,
- Cô theå ñoäng vaät söû duïng naêng löôïng cuûa caùc phaân töû chaát höõu cô ñeå toång hôïp neân caùc hôïp chaát cao naêng löôïng nhö ATP, CP…
-61.90 -51.40 -49.30 -43.10 -42.30 -33.50 -30.50 -20.90 -15.90 -13.80 -09.20
-14.00 -12.30 -11.80 -10.30 -10.10 -8.00 -7.30 -5.00 -3.80 -3.30 -2.20
-Phosphoenolpyruvate -Carbamine phosphate -1,3 diphosphoglycerate -Creatine phosphate -Acetyl phosphate -Arginine phosphate -ATP →→→→ ADP + P -Glucose-1-phosphate -Fructose-6-phosphate -Glucose-6-phosphate -Glycero-3-phosphate
23
24
- Baûn chaát cuûa quaù trình naøy laø söï oxid hoùa töøng böôùc carbon höõu cô thaønh CO2 vaø vaän chuyeån H (proton H+ vaø ñieän töû e- ) ñeán O2 ñeå thaønh laäp phaân töû H2O.
6
2.2. CHUOÃI HOÂ HAÁP MOÂ BAØO TY LAP THEÅ (cid:1) MUÏC ÑÍCH
- Giaûi phoùng soá naêng löôïng döï tröõ trong caùc ñieän töû cao naêng cuûa caùc hôïp chaát höõu cô;
- Thaønh laäp caùc noái phosphate cao naêng (~ P) tích tröõ trong caùc hôïp chaát cao naêng (ATP, CP …) ñeå cung caáp cho caùc hoaït ñoäng soáng. (cid:1) ÑAËC ÑIEÅM
Hình 1.6 : Ty laïp theå
25
26
Ñieän töû chæ laáy töø H vaø laáy keøm vôùi proton H+ →→→→ moät chaát höõu cô bò oxid hoùa töùc laø bò maát H
(cid:1) CAÙC ENZYME CUÛA CHUOÃI HOÂ HAÁP
(cid:2) Caùc dehydrogenase chöùa nhaân pyridine (dx vit.PP)
H
H
H
Coenzymes : NAD+ vaø NADP+
- CO- NH2
- CO- NH2
(cid:2) Caùc dehydrogenase chöùa nhaân flavine (dx vit.B2)
Coenzymes : FMN vaø FAD
+ H+
+(2H+ + 2e-) - (2H+ + 2e- )
N+
N
(cid:2) Coenzyme Q (ubiquinone) : CoQ – CoQ- - CoQH2 (cid:2) Heä thoáng cytochromes : b – c1 – c – a&a3
R
R
(cid:1) CAÙC ENZYME CUÛA CHUOÃI HOÂ HAÁP
27
28
Dehydrogenase NAD+ NADH + H+
7
O
O
C
N H 2
C
N H 2
_
_
CH3-
O
O
N
+
P
O
N
O C H 2
+
P
O
O C N 10 NH
O C H 2
CH3-
O H H
O H H
H
H
H
H
O H
O H
O H
O H
O
O
N H 2
N H 2
FMN (FAD) C=O 1 N R
N
N
N
N
N
+2H -2H H
N
P
O
N O C H 2
CH3-
P
O
N O C H 2
O H
O H H
O H
O H H
H
H
O C N 10 NH
CH3-
O H
H
H
O H
O H
H O
O P O H
O
C=O FMNH2 (FAD.H2)
29
30
O
O
C
H C
N H
C
C
N 10
C H3
C
C 4
N 10
H C 5
NH
3
C
CH3
C
C 6
C
O
C
CH 3
C
C
N
1 N
C H
C
O
C
CH3
C
C
CH2
9 N
1 2 11 N
7 8 C H
HCO H
HCO H
CH2
HCO H
HCOH
CH2
HCOH
O
_ PO
O
HCOH
N H 2
O
C
N
N
_ O
O
P
C
CH2
HC
O
CH
C
O
N
O
N
CH2
H
H
_ O
PO
H
H
R NADP+ NAD+ 1 N H
Hình 1.7 :Cô cheá vaän chuyeån electron cuûa CoQ
O
O H
OH
31
32
FMN FAD
8
Toå hôïp 1 (NADH-CoQ reductase)
Vai troø : taùch ñieän töû töø NADH (cuûa caùc
dehydrogenase khaùc nhau töông öùng vôùi caùc cô
chaát khaùc nhau) chuyeån cho CoQ. Ñaây laø toå hôïp
coù kích thöôùc lôùn nhaát (800kD) vaø gaén moät phaân
33
34
Hình 1.8 : Heme cuûa cytochrome
töû FMN cuøng vôùi 6 chuøm Fe-S giuùp chuyeån e-.
Toå hôïp III (CoQ – cyt. c reductase) Toå hôïp II (Succinate - Co Q reductase) Thaønh vieân cuûa toå hôïp III goàm hai cyt. b, moät cyt. c1 Vai troø : chuyeån e- töø succinate sang CoQ. Toå hôïp vaø moät chuøm [2Fe–2S]. Toå hôïp naøy chuyeån ñieän töû töø bao goàm succinate dehydrogenase cuûa chu trình CoQ sang cyt.c. Krebs, coù moät nhoùm FAD gaén qua goác His vôùi Toå hôïp IV (cyt.c oxydase) protein enzyme, moät chuøm [4Fe–4S], hai chuøm
[2Fe–2S] vaø moät cytochrome b560. Theá hieäu
35
36
redox chuyeån e- töø succinate sang CoQ thaáp, Vai troø cuûa toå hôïp IV laø taùch laàn löôït 4 ñieän töû töø 4 cyt. c daïng Fe2+ ñeå chuyeån cho oxygen phaân töû (O2) taïo ra 2 phaân töû nöôùc (nhôø laáy H+ töø phaàn khuoân ty khoâng ñuû naêng löôïng töï do ñeå taïo ATP, tuy nhieân laïp theå). toå hôïp II vaãn quan troïng vì noù giuùp ñöa ñieän töû Toå hôïp V (ATPase) cao naêng vaøo chuoãi hoâ haáp. Keânh daãn proton vaø thöïc hieän toång hôïp ATP.
9
kDa
Toå hôïp
Thaønh phaàn
Polypeptides
800
25
Complex I
NADH dehydrogenase (or) NADH-coenzyme Q reductase
Complex II
140
4
Succinate dehydrogenase (or) Succinate-coenzyme Q reductase
250
9-10
Complex III
Cytochrome C - coenzyme Q oxidoreductase
Complex IV
Cytochrome oxidase
170
13
Complex V
ATP synthase
380
12-14 37
38
Toùm taét thoâng tin caùc toå hôïp enzyme cuûa chuoãi hoâ haáp
Hình 1.9 : SƠ ĐỒ CHUOÃI HOÂ HAÁP MOÂ BAØO
39
40
Caùc phaûn öùng oxid hoùa-khöû trong chuoãi hoâ haáp
Sô ñoà phaân boá caùc toå hôïp enzyme trong chuoãi hoâ haáp
10
41
42
43
44
Hình 1-12 : Sự hoaùn chuyển ATP vaø ADP qua maøng ty theå
Caùc giai ñoaïn phosphoryl hoùa thaønh laäp ATP Hình 1.10 : Sô ñoà vaän chuyeån ñieän töû TL ATP
