Oxy hóa khử sinh học

Ths. Nguyễn Thị Thanh Hải

Bộ môn Hóa sinh - ĐHYHN

Mục tiêu:

1. Phân tích khái quát các bước thoái hóa glucid, lipid

và protein để tạo ATP.

2. Trình bày được sơ đồ chuỗi vận chuyển điện tử và

cơ chế tạo ATP ở ty thể.

3. Trình bày được chu trình acid citric: các phản ứng,

năng lượng sinh ra, đặc điểm và ý nghĩa.

ATP và các hợp chất giàu năng lượng

- Liên kết nghèo năng lượng: Khi thủy phân

giải phóng 1000- 5000 calo.

VD: liên kết este

- Liên kết giàu năng lượng: Khi thủy phân giải

phóng > 7000 calo.

Liên kết anhydrid phosphat

Liên kết acyl phosphat

= -10,1 kcal/mol

Liên kết enol phosphat

= 14,8kcal/mol

Liên kết amidphosphat

= -10,3 kcal/mol

Liên kết thioeste

COOH

l

CH2

l

CH2

l

C ~ SCoA

ll

O

Succinyl CoA

R - C ~ SC0A

ll

O

7,7kcal

Khái quát năng lượng sinh học

Mọi tế bào, cơ thể sống đều cần năng lượng cho sự

tồn tại, hoạt động và phát triển.

Các thành phần trong thức ăn có khả năng cung cấp

năng lượng cho cơ thể là Glucid, Lipid và Protein.

Năng lượng sinh học hay sự phosphoryl oxy hóa

hay sự hô hấp tế bào là sự đốt cháy các chất hữu

cơ tạo năng lượng cho các hoạt động sống của cơ

thể.

Sự đốt cháy các chất hữu cơ

Ngoài cơ thể Trong cơ thể

-Nhanh, mạnh, cần

ngọn lửa

-Oxy không khí tiếp xúc

trực tiếp với cơ chất

-Năng lượng giải phóng

cùng 1 lúc dưới dạng

nhiệt

-Nhiệt độ không cao, môi

trường 2/3 là nước, xảy ra từ

từ từng bước

-Oxy không tiếp xúc trực tiếp

với cơ chất

-Năng lượng giải phóng dần,

dưới dạng hóa năng là chính,

cần cho các hoạt động sống.

Khái quát năng lượng sinh học

Sự hô hấp tế bào

Định nghĩa: Là quá trình tế bào sử dụng oxy đốt cháy các

chất hữu cơ sinh năng lượng, giải phóng CO2 và H2O

Quá trình tạo CO2 và H2O:

- CO2 : khử carboxyl,năng lượng giải phóng ít

decarboxylase

RCOOH RH + CO2

- H2O: nhờ dây chuyền phản ứng tách, vận chuyển H và e

từ cơ chất đến O2 qua một loạt chất trung gian. (chuỗi

vận chuyển điện tử). Giải phóng nhiều năng lượng.

Sự phosphoryl oxy hóa

Sự phosphoryl: sự gắn một gốc phosphat vào một chất hữu cơ.

Điện tử đi từ chất có thế năng oxy hóa khử thấp đến chất có thế năng oxy hóa khử cao trong chuỗi vận chuyển e gọi là quá trình oxy hóa

Trong quá trình đó năng lượng giải phóng để tổng hợp ATP gọi là phosphoryl hóa

Hai quá trình trên đi kèm với nhau gọi là phosphoryl oxy hóa

Tóm tắt

các con

đường

thoái

hóa

G,L,Pr

Bước 1

Bước 2

Bước 3

Chu trình acid citric

Đây là giai đoạn thoái hóa cuối cùng chung của

các chất

Sản phẩm cuối cùng của các chất là acid

pyruvic (3C)

Chất đầu tiên đi vào chu trình citric là Acetyl

CoA (2C)

→ Cần có phản ứng chuyển A.pyruvic thành

Acetyl CoA

A.Pyruvic → Acetyl CoA

(VitB1)

Phức hợp 3 enzym:

E1: pyruvat dehydrogenase

coenzym: TTP (thiamin pyrophotphat – Vit B1)

E2: Dihydrolipoyl transacetylase

coenzym: lipoamid

E3: Dihydrolipoyl dehydrogenase

coenzym: FAD

A.Pyruvic → Acetyl CoA

A.Pyruvic → Acetyl CoA

(VitB1)

Chu trình

citric

8 phản ứng

1. Citrat Synthase

HO

CH2

O

C

OH

O

HO

CH2

HO O

HO

CH2

O

C

HO O

O

H3C C SCoA

O+

HS-CoA

CitrateAcetyl CoAOxaloacetat

2. Aconitase

HO

CH2

O

C

OH

O

HO

CH2

HO O

HO

CH2

O

CH

OH

O

CH

HO O

Citrate Cis-Aconitate

HO

CH2

O

HC

OH

O

C

HO O

HHO

Isocitrate

H2O

H2O

3.Isocitrat dehydrogenase

NAD+ NADH

CO2

HO

CH2

O

H2C

C

HO O

O

CoAS O

HO

CH2

O

CH2

CoA ̴ SH,

NAD+

NADH

4.a-Cetoglutarat dehydrogenase

CO2

a-Cetoglutarat Succinyl-CoA

5.Succinyl-CoA Synthetase

(thiokinase)

CoAS O

HO

CH2

O

CH2

Succinyl-CoA

HO O

HO

CH2

O

CH2

Succinat

GTP

GDP + PiCoA ̴ SH

6.Succinat dehydrogenase

HO O

HO

CH2

O

CH2

HO O

HO

CH

O

CH

Succinat Fumarat

FADH2

FAD+

Succinat dehydrogenase là enzym gắn màng duy

nhất trong chu trình citric

7. Fumarase

8. Malat dehydrogenase

HO O

HO

H2C

O

C OHH O

HO O

HO

H2C

O

C

NAD+

NADH

Malat Oxaloacetat

Chu trình

citric

Kết quả của chu trình Citric

9

2

1

3

1

1

1 3

Ý nghĩa chu trình citric

- Là giai đoạn 3, giai đoạn thoái hóa

cuối cùng chung của các chất, xảy ra

trong ty thể ở điều kiện ái khí

- Ý nghĩa năng lượng: tạo nhiều năng

lượng, 1 gốc acetyl 12 ATP

- Ý nghĩa tổng hợp: tiền chất tổng hợp

nhiều chất khác

Phản ứng 1

Phản ứng 3

Phản ứng 4

NADH

Acetyl CoA

Điều hòa chu trình citric

ATP

Bước 1

Bước 2

Bước 3

Chuỗi hô hấp tế bào

Tóm tắt

các con

đường

thoái

hóa

G,L,Pr

Chuỗi hô hấp tế bào

(Chuỗi vận chuyển điện tử)

Điện tử được chuyển qua một loạt các chất vận

chuyển cuối cùng đến O2.

Các phức hợp vận chuyển điện tử

Phức hợp I: NADH Dehydrogenase

(NADH-CoQ Reductase)

Xúc tác sự vận chuyển điện tử và H+ từ NADH và

proton từ trong ty thể đến ubiquinone (CoQ).

Kèm theo với quá trình này là sự vận chuyển 4 H+

từ trong lòng ty thể đến khoảng giữa hai màng.

NADH + 5H+M + Q → NAD+ + QH2 + 4H+

(khoảng giữa)

Cơ chế vận chuyển điện tử và H của NAD+

Cơ chế vận chuyển e của FAD hay FMN

Các trung tâm sắt lưu huỳnh

Phức hợp I Khoảng giữa 2

màng (P)

Lòng ty thể (N)

Phức hợp II: Succinat Dehydrogenase

(Succinat- CoQ Reductase)

Là enzym gắn màng duy nhất của chu trình acid citric.

Oxy hóa succinat thành fumarat. FAD bị khử thành

FADH2, rồi nhanh chóng chuyển e đến trung tâm Fe-S

và cuối cùng tới ubiquinon (CoQ).

Phức hợp Succinat

Dehydrogenase.

Sự di chuyển điện tử tới

ubiquinon, QH2.

Ubiquinon (CoQ)

-Là benzoquinon có

chuỗi bên isoprenoid

dài, tan trong lipid.

-Kích thước nhỏ:

chuyển động trong

màng.

-Khả năng gắn e- và

H+ : nhận và chuyển e-

và H+.

Khoảng giữa

2 màng

Lòng ty thể

Sự vận chuyển điện tử

đến coenzym Q

Phức hợp III: Ubiquinon-cytochrom c

oxidoreductase

Gồm 3 thành phần Cyt b, trung tâm Fe-S và cyt c1

Vận chuyển e từ QH2 đến cytochrome c, cùng với đó là vận chuyển 4 H+ từ trong lòng ty thể ra khoảng giữa hai màng.

Sự vận chuyển e và H+ qua phức hợp rất phức tạp, nhưng kết quả là:

QH2 + 2 cyt c1(oxy hóa) + 2H+ →

Q + 2 cyt c1(khử) + 4H+(khoảng giữa 2 màng)

Phức hợp III còn gọi là phức hợp cytochrom bc1

Cytochrom c

Protein tan trong nước của khoảng giữa 2 màng.

Nhận e từ cytochrom c1 của phức hợp III, chuyển qua

nhân hem, sau đó e được chuyển cho phức hợp IV.

Phức hợp IV: Cytochrom oxidase

Nhận e từ cytochrom c và khử O2 thành H2O.

Điện tử được chuyển cho một trong hai ion Cu+ trong

phức hợp (cyt a), sau đó chuyển cho 2 nhân hem, rồi

chuyển cho ion Cu+ khác (cyt a3) và cuối cùng đến O2.

Kết quả là:

2 cyt c(khử) + 4H+M + 1/2O2 →

2cyt c(oxy hóa) + 2H+(giữa 2 màng) +H2O

Phức hợp IV

Khoang giữa 2 màng

Lòng ty thể

Tóm tắt chuỗi vận chuyển điện tử

Trật tự sắp xếp chuỗi vận chuyển điện tử

Được định hướng chặt chẽ theo trình tự thế năng oxy hóa khử của các chất trong chuỗi. Điện tử đi từ chất có thế năng oxy hóa khử thấp tới chất có thế năng oxy hóa khử cao dần.

Năng lượng được giải phóng dần ở từng chặng.

Cách tính năng lượng giải phóng

DG°’ = -nFDE°’

F: số Faraday = 96,5 kJ/V mol e

= 23,062 Kcalo/V mol e

n: số e vận chuyển/mol chất phản ứng

DE°’ = E°’chất nhận e - E°’ chất cho e

NADH + H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O

NAD+ + H+ + 2e- ↔ NADH E°’ = -0.320 V

½ O2 + 2H+ + 2e- ↔ H2O E°’ = 0.82V

→ DE°’ = (0.82 V) – (-0.320 V) = 1.14V

DG°’ = -nFDE°’ = -(2)(96.5)(1.14 V)

= -219 kJ/mol chất phản ứng = -52,3 kcalo/mol

Cách tính năng lượng giải phóng

Cơ chế tạo ATP của ty thể

Phản ứng giải phóng năng lượng nhiều, được dùng

tổng hợp ATP từ ADP và Pi

Năng lượng sinh ra dùng bơm H+ qua phức hợp I, III,

và IV.

Cấu tạo ty thể

(mitochondrion),

Vị trí xảy ra sự phosphoryl

oxy hóa ở các tế bào nhân

thật.

ATP synthase

Cấu tạo bởi 2 phức hợp oligome Fo và F1

Fo gắn chặt vào màng trong gồm 3 tiểu đơn vị

tạo kênh cho H+ đi qua

F1 : 3 tiểu đơn vị a và 3 tiểu đơn vị được

gắn với Fo qua các tiểu đơn vị , δ, ε.

ATP synthase

Năng lượng của sự vận chuyển e và Gradient H+

Gradient tạo thành

do các bơm là nguồn

năng lượng dùng để

phosphoryl hóa ADP

thành ATP.

Lòng ty thểKhoang giữa

2 màng

Thuyết thẩm thấu hóa học

của Peter Michell

Năng lượng điện hóa do sự khác nhau về nồng độ H+

và sự tích điện của màng trong ty thể dẫn đến tổng

hợp ATP khi H+ thụ động chuyển qua ATP synthase.

ADP + Pi + nH+(giữa 2 màng) → ATP + H2O + nH+

(lòng ty thể)

Cơ chế quay của ATP synthase tạo ATP

Sự chênh lệch

pH giữa 2

màng

(bên trong

kiềm hơn)

Tổng hợp

ATP do lực

đẩy H+

Sự chênh lệch

điện thế

(bên trong

mang điện

âm)

Sự tạo thành ATP

Sự vận chuyển 3 H+ qua phức hợp ATP

synthase tạo 1 phân tử ATP.

Chuỗi vận chuyển e từ NADH tới oxy tạo 3

ATP. Nếu đi từ succinat tạo 2 ATP.

Năng lượng giải phóng trong quá trình vận

chuyển e còn được dùng sinh nhiệt, vận

chuyển canxi…

Điều hòa tổng hợp ATP

Ty thể tổng hợp ATP theo nhu cầu năng lượng

của tế bào (nồng độ ADP)

Quá trình tổng hợp ATP được kích thích: nồng

độ ATP giảm, tăng nồng độ succinat, ADP+Pi

Quá trình tổng hợp ATP bị ức chế bởi các chất

ức chế chuỗi hô hấp tế bào hoặc chất phá

ghép quá trình oxy và phosphoryl hóa

Các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào

Các chất phá ghép quá trình oxy phosphoryl hóa

DNP (2,4 dinitrophenol) là chất phá ghép cho phép

oxy hóa liên tục NADH với tốc độ cao nhưng

không tạo ATP mà năng lượng tỏa ra dưới dạng

nhiệt

Thermogenin là chất phá ghép tự nhiên ở màng

trong ty thể

Bệnh lý: basedow

Điều hòa tổng hợp ATP

Chất ức chế chuỗi

hô hấp tế bào

Chất phá ghép quá trình

oxy phosphoryl hóa

Các chất ức chế hô hấp tế bào

Sự tạo ATP ở mức cơ chất

Xảy ra ở bào tương, không liên quan tới ty thể

Trong quá trình đường phân có 2 phản ứng

phosphoryl hóa ở mức cơ chất

Tóm tắt