TS. ĐỖ HIẾU LIÊM

CHƯƠNG I

NĂNG LƯỢNG SINH HỌCVÀ OXID HOÁ SINH HỌC

1. NĂNG LƯỢNG SINH HỌC1.1. Đại cương1.2. ATP: Công thức và vai trò sinh học1.3. Sự trao đổi năng lượng sinh học của cac phân tư

mononucleotide2. OXID HOÁ SINH HỌC (CHUỖI HÔ HẤP MÔ BÀO)2.1. Đại cương2.2. Hệ thống enzyme của chuôi hô hâp (Oxidoreductase)2.3. Cac cơ chât của chuôi hô hâp mô bào2.4. Cơ chế kết hợp phosphoryl oxid hoa

2

1. NĂNG LƯỢNG SINH HỌC(Biological Energy)

1. NĂNG LƯỢNG SINH HỌC(Biological Energy)

3

4

1.1. ĐẠI CƯƠNG

(1). Sự sống: Sự sinh trưởng + Sự phat dục(2). Năng lượng sinh học là dạng năng lượng cần thiết cho qua trình biểu thị và duy trì sự sống của cac loài sinh vật(3) Cac dạng năng lượng trong tự nhiên: Quang năng, điện năng, nhiệt năng, hóa năng...(4). Sinh vật (Organism)

SINH VẬT TỰ DƯỠNG(Autotropic Organisms)

SINH VẬT DỊ DƯỠNG(Heterotropic Organisms)

SỬ DỤNG TRỰC TIẾP

NGUỒN DƯỠNG CHẤT, NĂNG LƯỢNG

CÓ SẲN TRONG TỰ NHIÊN,

KHÔNG SỬ DỤNG

NGUỒN DƯỠNG CHẤT, NĂNG LƯỢNG

CÓ SẲN TRONG TỰ NHIÊN

5

(5).Thành phần dưỡng chât (Thực phẩm)• Glucide (Polysaccharide)• Lipid (Triacyl glycerol)• Protein...

(1).Sự tiêu hóa (Digestion)-Cơ quan tiêu hóa• Glucide (Polysaccharide) Monosaccharide• Lipid (Triacyl glycerol) Glycerol + Acid beo• Protein Amino acid

(2).Sự hâp thu (Absorption) Lơp niêm mạc ruôt non Hệ thống mạch mau• Monosaccharide Monosaccharide • Glycerol + Acid beo Glycerol + Acid beo• Amino acid Amino acid

(3).Sự biến dưỡng (Metabolism)-Mô bào

SỰ ĐỒNG HOÁ (Anabolism)

SỰ DỊ HOÁ(Catabolism)

BIẾN DƯỠNG(Metabolism)

(Amino acid)n Protein(Monosaccharide)n PolysaccharideGlycerol + acid beo Triacylglycerol

6

Amino acidsMonosaccharides

Glycerol + acid beo

CO2

+ H2O

+ Energy

O2

Protein Amino acidsPolysaccharide MonosaccharidesTriacylglycerol Glycerol + acid beo

PHÂN GIẢI (Analysis)

OXID HÓA (Oxidation)

ATP

- Năng lượng sinh học là năng lượng của sự sống (Dạng hoa năng-Năng lượng trong cac liên kết hóa học)

1.2. ATP (Adenosine triphosphate)

Liên kết phosphate cao

năng = 7.6 KcalP

7

“ATP là dạng NLSH (tiền) lẻ, dễ sư dụng, là công cụ truyền tải năng lượng từ cac tiến trình, phản ứng cung câp năng lượng đến cac tiến trình, phản ứng sư dụng năng lượng. ATP là chỉ tệ năng lượng của tế bào”

Creatine Phosphate

Creatine

ADP

ATP

P

P

Sự kích hoạt cơ chât

Sự dẫn truyền thần kinh

Phosphoryl Oxide hóa

SuccinylCoA

CHU TRÌNHADP/ATP

CHU TRÌNH ADP/ATP 8

Cac biểu hiện sinh học xảy ra trong tế bào, trong cơ thể ĐV sư dụng ATP

Sự co cơ

1,3.Diphospho Glycerate

3.Phospho Glycerate

Cac tiến trình cho P, tổng hợp ATP

1. Nhóm cho phosphate cao năng1.1. Creatine phosphate

Creatine

Creatine

P

Myosin

Myosin PADP

ATP

Creatine kinase Myosin ATPase

ADP

ATP

9

1. AGAT THẬN(Arginine-Glycine amidino transferrase

2. GAMT GAN(Guanidinoacetate methyl transferrase

Adenosyl methionineArginine

NH (CH2)3

H2N-CH-COOH

NH2

C=NH

Glycine

COOHCH2

NH2

Ornithine

NH2

(CH2)3

H2N-CH-COOH

Guanidinoacetic Acid

C=NHNH2

COOHCH2

NH

1

2 C=NHNH2

COOHCH2

N – CH3

Creatine

10

1.2. Phosphoryl oxid hóa-Oxid hóa sinh học-Chuôi hô hâp mô bào

• Phosphoryl oxid hóa - Chuôi phản ứng oxid hóa khư cac cơ chât biến dưỡng - HT enzyme oxidoreductase - 5 tổ hợp• SH2 là sản phẩm biến dưỡng trung gian, mang H2 giàu

năng lượng.

S

S

NAD+

FAD

CoQ

Cyt b, c1, c

2Fe3+

Cyt a

2Fe3+

Cyt a3

2Cu2+

NADH.H+

FAD

H2 CoQ H2 2Fe2+ 2Fe2+ 2Cu+

2H+

2H+

ADP+Pi

ATP

2H+

2H+

ADP+Pi

ATP

2H+

ADP+Pi

ATP

½ O2

H2O

H2 2H+ + 2e-

H2

2H+

e-+2e-2H+ +2e-

2H+ +2e-

1.3. Sản phẩm trung gian của đường phân EM

P

P P

1,3 Diphosphoglycerate

Phospho enol pyruvate

Phosphoglycerate kinase

ADP

ATP

ATP

ADP

3 Phosphoglycerate

P HPyruvate kinase

Pyruvate (Enol) Pyruvate (Keton)

11

1.4. Sản phẩm trung gian của chu trình Krebs

2. Nhóm nhận phosphate cao năng

Cac biểu hiện sinh học xảy ra trong tế bào, trong cơ thể ĐVcó liên quan đến sự sống:- Sự dẫn truyền thần kinh- Sự co cơ- Sự kích hoạt cac cơ chât biến dưỡng- ......

CH2-COOH

CH2-C

O

SCoA

CH2-COOH

CH2-C-OH

O

CoASHH2O

Succinyl CoA SuccinateGDP+Pi GTP

SuccinylCoA Synthetase

12

13

- Sự dẫn truyền thần kinh

14

15

- Sự co cơ

16

- Sự kích hoạt cac cơ chât biến dưỡng

CH2O H CH2O PATP ADP

GLUCOSE GLUCOSE-6-P

Hexokinase

O

R-CH2-CH2-CH2-CH2- C

O

R-CH2-CH2-CH2-CH2- C

2ATP

2ADP+PPi

-OH

CoASH

H2O

SCoA

Fatty acid

AcylCoA

Thiokinase

Hợp chât phosphate Kcalo/mol

Nhóm cho ~ P

Phospho enol pyruvate 14.0

Carbamoyl phosphate 12.3

1,3 diphosphoglycerate 11.8

Creatine phosphate 10.3

Acetyl CoA 10.1

Arginine phosphate 8.00

ATP 7.60

Nhóm nhận ~ P

Glucose 1 phosphate 5.00

Fructose 6 phosphate 3.00

Glucose 6 phosphate 3.30

Glycerol 3 phosphate 2.20

Năng lượng tự do chuẩn của môt số hợp chât phosphate

17

18

1.3. Sự trao đổi năng lượng sinh học giữa cac phân tư mononucleotide

19

2. OXID HÓA SINH HỌC(Biological oxidation)

2. OXID HÓA SINH HỌC(Biological oxidation)

- Sự oxid hoa (oxidation) - Sự khư (Reduction)

e-

Fe2+ Fe3+Chât oxid hoa - bị khư (nhận e-)Chât khư - bị oxid hóa (cho e-)

(1). Phản ứng oxid hoa khư : oxid hoa + khư (hoàn nguyên)

2.1. ĐẠI CƯƠNG

20

(2). Hô hâp mô bào

Sự chay ≠ Sự hô hâp ≠ Sự hô hâp mô bào Oxygen Sự chay - phản ứng đốt chay ngoài cơ thể Sự hô hâp - cơ quan hô hâp - trao đổi O2 và CO2

Sự hô hâp mô bào - tế bào (ty thể) - oxid hoa sinh học năng lượng sinh học (phosphoryl oxid hoa)

+ O2

C6H12O6 6 CO2 + 6 H2O + 686 Kcalo

Nhiệt năng21

(3).Ty thể (Mitochondria)

22

“Ty thể là nhà may phat điện của tế bào”

Màng ngoài Acyl CoA transferase+carnithine

Acyl CoA synthetase Hệ thống enzyme nối dài chuôi acid beo

Hệ thống enzyme nối dài chuôi acid beo Acyl CoA dehydrogenase

Enzyme chuyển hoa lipid và phospholipid Phần khuông

Amino acid oxidase Citrate synthetase

NAD-dehydrogenase Isocitrate dehydrogenase

Phần không gian giữa 2 màng Fumarate dehydrogenase

Adenylate cyclase Aconitate hydrolase

ADP/ATP-ase Malate dehydrogenase

Màng trong Enzyme β oxid hoa acid beo

Hệ thống enzyme chuôi hô hâp Hệ thống enzyme tổng hợp protein

Cac enzyme trong ty thể

23

(1). Giải phóng năng lượng tự do Oxid hoa (Oxidation)(2). Tổng hợp ATP Phosphoryl hoa (Phosphorylation)

2.2. NỘI DUNG, MỤC ĐÍCH VÀ ĐẶC ĐIỂM

(1). Xảy ra trong tế bào (in vivo) vơi hệ thống enzyme Oxidoreductase xúc tac(2). Sự trao đổi cặp đương lượng khư 2(H+ và e-)

Chuôi hô hâp mô bào bao gồm cac phản ứng oxid hoa khư, xảy ra liên tục trên cac cơ chât (sản phẩm của Chu trình Krebs và β oxid hoa acid beo)

Nôi dung

Mục đích

Đặc điểm

24

2.3. HỆ THỐNG ENZYME CHUỖI HÔ HẤP

- Hệ thống enzyme chuôi hô hâp thuôc lơp Oxidoreductase định vị ở lơp màng trong ty thể

- Vai trò: chuyển vận cặp đương lượng khư (proton pump)- Tổ chức: hệ thống enzyme CHH vơi cac coenzyme tổ

chức thành từng tổ hợp và sắp xếp theo thứ tự tăng dần điện thế oxid hoa khư, bắt đầu NAD+ dehydrogenase có điện thế âm và cuối cùng là cytochrome oxidase có điện thế dương.

NAD+ dehydrogenase FAD dehydrogenaseCoenzyme Q

- Cac enzyme chuôi hô hâp

NHI (Non heme iron) FeSCytochrome

NAD+ FAD CoQ Cyt b, c1, c, a và a3 O2

25

ĐIỆN THẾ OXID HOÁ KHỬ

26

27

NAD+ dehydrogenase

FAD dehydrogenase

Coenzyme Q (Ubiquinone)

28

- Cac enzyme trong chuôi hô hâp mô bào liên kết phối hợp tạo thành 5 tổ hợp:• Tổ hợp I (NADH.H+- coenzyme Q reductase)• Tổ hợp II (Succinate - coenzyme Q reductase)• Tổ hợp III (Coenzyme Q - cytochrome c reductase)• Tổ hợp IV (Cytochrome c - cytochrome a3 oxidase)• Tổ hợp V (ATP synthetase)

Cytochrome

29

Tổ hợp I (NADH.H+- coenzyme Q reductase)

- FMN + 6 FeS- Chuyển e- từ NADH đến CoQ

Tổ hợp II (Succinate - coenzyme Q reductase)

- Succinate dehydrogenase + 3FeS + cytohrome b560

- Chuyển e- từ succinate sang CoQ

30

Tổ hợp III (Coenzyme Q - cytochrome c reductase)

- 2 cytochrome b + cytochrome c1 +FeS

- Chuyển e- từ CoQ sang cyt c

Tổ hợp IV (Cytochrome c - cytochrome a3 oxidase)

- 4 cytochrome c + cytochrome a + cytochrome a3

- Chuyển e- từ cyt c sang O2

Tổ hợp V (ATP synthetase)

-F0: Cống thông, hút proton H+ từ môi trường ngoài (khoảng không gian giữa hai màng) vào trong -F1: Enzyme xúc tac phản ứng tổng hợp ATP (phosphoryl hoa)

31

Phần khuôn

Màng trong ty thể

Khoảng không gian giữa 2 màng

Màng ngoài ty thể

32

TÔ HỢP ENZYME TRONG CHUỖI HÔ HẤP

Cac tổ hợp enzyme I, II, III và IV có vai trò bơm proton H+, đẩy H+ từ khu vực bên trong (dịch ty thể) ra khoảng không gian giữa 2 màng.

33

34

2.4. CÁC CƠ CHẤT (SH2) CỦA CHUỖI HÔ HẤP

35

Cơ chât (SH2) là sản phẩm biến dưỡng trung gian (Krebs, oxid hóa acid beo), mang H2 giàu năng lượng

- Sự oxid hoa: Giải phóng năng lượng trong cặp đương lượng khư H+ và e- của cơ chât- Sự phosphoryl hoa: Tổng hợp ATP (ADP + Pi ATP)

36

MÀNG KẾT HỢP(Coupling membrane)

BÊN NGOÀI (Outer membrane)

BÊN TRONG (Inner membrane)

2.5. CƠ CHẾ KẾT HỢP PHOSPHORYL OXID HOÁ

2.H+

2.e-

S

S

H2 H2

H2

2.H+

Năng lượng từ sự oxid hóa

ADP+Pi ATP

ATP synthetase

2.H+2.H+ 2.H+2.H+2.H+

2.H+ ½O2

H2O

THUYẾT HÓA HỌC THÂM THẤU

(Chemical osmotic hypothesis)

Mitchell, 1967

37

38

Màng trong

Khoảng không gian

giữa hai màng

Dịch Ty Thể

FeS

NAD+

FMNFeSCoQ

Complex IIFAD (FMN)

FeS

Cyt. bCyt. c1

Cyt.c

Cyt aCyt.a3

ATP synthetase

NAD+ NAD

S SH2

FMN

FMN H2

H.H+

2e-CoQ

CoQ H2 2Fe2+

2Fe3+

2Cu+

2Cu2+

2H+

2H+ 2e- H2O½ O2

2H+2H+

2e- 2e-

2H+

2H+2H+

2H+

ADP+PiATP

2e-

2H+

2e-

Complex I Complex III Complex IV Complex V

Cac chât ức chế tiến trình phosphoryl oxid hoa

2, 4 dinitrophenolDinitrocresol

PentadichlorophenolDicoumarol

Oxidation - Phosphorylation

Barbiturate, Piericidin A, Rotenone Site I

Dimercaprol (BAL), Antimycin A Site II

H2S, CO, CN Site III

Oligomycin

Ngăn cản H+ vận chuyển qua F1F0 ATP synthetase

Atratyloside

Phóng thích ATP

39