Khái niệm chung về trao đổi chất ở
Vi sinh vật – Phần 2

Năng lượng tự do và các phản ứng
Các định luật thứ nhất và thứ hai có thể kết hợp trong một phương trình chung
liên kết những thay đổi trong năng lượng có thể diễn ra trong các phản ứng hoá
học và các quá trình khác.
∆G = ∆H - T.∆S
∆G là sự thay đổi trong năng lượng tự do, ∆H là sự thay đổi trong entalpi
(enthalpi).T là nhiệt độ Kelvin (
0
C + 273) và ∆S là sự thay đổi trong entropi
(entropy) diễn ra trong phản ứng. Sự thay đổi trong entalpi là sự thay đổi trong
nhiệt lượng. Các phản ứng trong tế bào diễn ra ở điều kiện áp suất và thể tích
không thay đổi. Do đó sự thay đổi trong entalpi sẽ tương tự như sự thay đổi trong
năng lượng tổng cộng trong phản ứng. Sự thay đổi năng lượng tự do là nhiệt lượng
trong một hệ thống có khả năng sinh công ở nhiệt độ và áp suất không thay đổi. Vì
vậy, sự thay đổi trong entropi là đại lượng đo tỉ lệ của sự thay đổi năng lượng tổng
cộng mà hệ thống không thể sử dụng để thực hiện công. Sự thay đổi của năng
lượng tự do và của entropi không phụ thuộc vào việc hệ thống diễn ra như thế nào
từ lúc bắt đầu tới khi kết thúc. Ở nhiệt độ và áp suất không đổi một phản ứng sẽ
xảy ra ngẫu nhiên nếu năng lượng tự do của hệ thống giảm đi trong phản ứng, hay
nói theo cách khác, nếu ∆G là âm. Từ phương trình trên suy ra là một phản ứng
với sự thay đổi lớn, dương tính trong entropi sẽ thường có xu hướng có giá trị ∆G
âm và vì vậy xảy ra ngẫu nhiên. Một sự giảm trong entropi sẽ có xu hướng làm
cho ∆G dương tính hơn và phản ứng ít thuận lợi.

Hình 16.5: ∆G
o’
và cân bằng. Quan hệ của ∆G
o’

o’
cho phép ta so sánh các
phản ứng mà không cần quan tâm tới những thay đổi trong ∆G, do những sai khác
trong các điều kiện môi trường. Quan hệ giữa ∆G
o’
và K
eq
được thể hiện qua quá
trình sau:
∆G
o’
= -2,303RTlgK
eq
.
R là hằng số khí (1,9872 cal/mol hoặc 8,3145 J/mol) và T là nhiệt độ tuyệt đối.
Từ phương trình trên rút ra khi ∆G
o’
âm hằng số cân bằng sẽ lớn hơn 1, phản ứng
sẽ diễn ra đến cùng và được gọi là phản ứng thoát nhiệt (Hình 16.5). Trong một
phản ứng thu nhiệt ∆G
o’
là dương và hằng số cân bằng nhỏ hơn 1. Điều đó có
nghĩa là phản ứng không thuận lợi và ít sản phẩm được tạo thành ở các điều kiện
tiêu chuẩn. Cần nhớ rằng giá trị ∆G
o’
chỉ cho ta biết phản ứng nằm ở đâu khi cân
bằng chứ không nói lên phản ứng đạt được cân bằng nhanh chậm ra sao.
16.1.4. Vai trò của ATP trong trao đổi chất
Nhiều phản ứng trong tế bào là thu nhiệt, khó diễn ra hoàn toàn nếu không có
sự giúp đỡ từ bên ngoài. Một trong các vai trò của ATP là hướng các phản ứng nói

viết với chất cho nằm ở phía bên phải của chất nhận cùng với số (n) electron (e
-
)
được chuyển:
Chất nhận + ne
-
Chất cho Hình 16.6. ATP như một tác nhân liên kết
Việc sử dụng ATP để tạo thành các phản ứng nội năng là thuận lợi hơn. ATP
được tạo thành bởi các phản ứng ngoại năng, sau đó được dùng để hướng dẫn các
phản ứng nội năng.
(Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Cặp chất nhận và chất cho được gọi là cặp redox (Bảng 16.1). Khi một chất
nhận nhận các electron nó sẽ trở thành chất cho của cặp. Hằng số cân bằng đối với
phản ứng được gọi là thế khử chuẩn (E
o
) và là đại lượng đo xu hướng mất electron
của chất khử. Tiêu chuẩn tham khảo dùng cho các thế khử là hệ thống hydro với

(thế khử ở pH 7,0) là -0,42V hoặc -420mV.

2H
+
+ 2e
-
H
2


Ferredoxin (Fe
2+
)
NAD(P)
+
+ H
+
+ 2e
-
NADP(H)
S + 2H
+
+ 2e
-
H
2
S
Acetaldehyd + 2H
+
+ 2e
-
Ethanol
Pyruvate
-
+ 2H
+
+ 2e
-
Lactate
2-

Cytochrome b (Fe
2-
)

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

- 0,42
- 0,42
- 0,32
- 0,274
- 0,197
- 0,185
- 0,18
b

- 0,166
0,031
0,075
0,10
Cytochrome c (Fe
3+
) + e
-
Cytochrome c (Fe
2+

-
Fe
2+

O
2
+ 4H
+
+ 4e
-
2H
2
O
0,254
0,421
0,44
0,771
0,815

a/ là thế khử chuẩn ở pH 7,0
b/ Giá trị đối với FAD/FADH
2
ứng dụng cho cofactor tự do vì nó có thể thay
đổi đáng kể khi liên kết với 1 apoenzyme
c/ Giá trị đối với Fe tự do không phải Fe gắn với protein (ví dụ các
Cytochrome).
Các electron di chuyển từ các chất cho tới các chất nhận xuôi theo gradien điện thế
hoặc rơi xuống tháp đến các điện thế dương hơn. Ta hãy xem trường hợp của chất
mang electron NAD
+

H
2
O = +0,82V
Vì NAD
+
/NADH âm hơn O
2
/H
2
O các electron sẽ di chưyển từ NADH (chất
khử) tới O
2
(chất oxy hoá) như ở hình 16.7.
NADH + H
+
+ O
2
H
2
O + NAD
+

Khi các electron di chuyển từ một chất khử tới một chất nhận với một thế oxy
hoá - khử dương hơn năng lượng tự do sẽ được giải phóng. ∆G
o’
của phản ứng liên
quan trực tiếp tới mức độ sai khác giữa thế khử của hai cặp (∆E
’
o
). ∆E

+ 1/2O
2
NAD
+
+ H
2
O ∆= 52,6 kcal.mol
-1

Khi các electron di chuyển từ các thế khử âm đến các thế khử dương năng
lượng sẽ được giải phóng; trái lại, khi các electron di chuyển từ các điện thế dương
hơn đến các điện thế âm hơn năng lượng sẽ cần để đẩy các electron theo hướng
ngược lại như diễn ra trong quang hợp (Hình 16.8), ở đây quang năng được thu
nhận và được dùng để đẩy các electron từ nước tới chất mang electron
nicotinamide dinucleotide Phosphate (NADP
+
).
Như hình 16.1 đã chỉ dẫn các sinh vật quang hợp thu nhận và sử dụng quang
năng để vận chuyển các electron từ nước (và các chất cho electron khác như H
2
S)
đến các chất nhận electron như NADP
+
có các thế khử âm hơn. Sau đó các
electron này có thể di chuyển trở lại tới các chất nhận dương hơn và cung cấp năng
lượng để tạo thành ATP trong quang hợp. Các cơ thể quang tự dưỡng sử dụng
ATP và NADPH để tổng hợp các phân tử phức tạp từ CO
2
. Các sinh vật hóa dị
dưỡng cũng sử dụng năng lượng giải phóng ra trong sự vận chuyển của các

+
, cả hai chất này đều có thể vận
chuyển electron giữa các vị trí khác nhau. Vòng nicotinamide của NAD
+
và
NADP
+
(Hình 16.9) tiếp nhận hai electron này và một proton từ một chất cho, còn
proton thứ hai được tách ra.

Hình 16.10: Cấu trúc và chức năng của FAD
Vitamin riboflavin bao gồm vòng isoalloxazine và đường ribose gắn vào. FMN là
riboflavin Phosphate. Phần của vòng trực tiếp tham gia vào các phản ứng oxy hóa
khử là phần có màu. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Một số chất mang electron khác có vai trò trong trao đổi chất của vi sinh vật
cũng được nêu trong bảng 16.1; các chất này mang electron theo các cách khác
nhau. Flavin-adenine dinucleotide (NAD) và flavin-mononucleotide (FMN) mang
2 electron và 2 proton trên hệ thống vòng phức tạp (Hình 16.10).
Các protein chứa FAD và FMN thường được gọi là flavoprotein. Coenzyme Q
(CoQ) hoặc Ubiquinone là một quinon vận chuyển các electron và các H
+
trong
nhiều chuỗi vận chuyển electron hô hấp (Hình 16.11).
Các cytochrome và một số chất mang khác sử dụng các nguyên tử sắt để vận
chuyển electron qua các phản ứng oxy hoá - khử thuận nghịch:
Fe
3+
(sắt ferric) Fe
2+
(sắt ferrous)