http://www.ebook.edu.vn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
F 7 G
GIÁO TRÌNH
TRAO ĐỔI CHẤT VÀ
NĂNG LƯNG
GS.TS. MAI XUÂN LƯƠNG
2005
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 1 -
MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................................................... - 1 -
CHƯƠNG I. KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯNG..................... - 3 -
I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC.................................................... - 3 -
1. Cytochrome c. ..................................................................................................................... - 22 -
2. Cytochrome oxydase. .......................................................................................................... - 23 -
3. Các phức hệ cytochrome b. ................................................................................................. - 25 -
4. Cytochrome b
5
.................................................................................................................... - 26 -
5. Cytochrome vi khuẩn và phosphoryl hóa oxy-hóa. ........................................................... - 26 -
IV. SUPEROXIDE DISMUTASE, CATALASE VÀ PEROXYDASE....................................... - 27 -
1. Peroxide và superoxide........................................................................................................ - 27 -
2. Superoxide dismutase........................................................................................................... - 27 -
3. Catalase và peroxydase...................................................................................................... - 28 -
4. Oxygenase............................................................................................................................. - 28 -
5. Hydroxylase chứa molybden................................................................................................ - 29 -
CHƯƠNG 4. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH HÔ HẤP........................... - 31 -
I. SỰ TIẾP NHẬN VÀ HÌNH THÀNH GLUCOSE TRONG TẾ BÀO...................................... - 31 -
1. Sự thâm nhập của glucose vào tế bào. ................................................................................ - 31 -
2. Phân tử biến hóa năng lượng................................................................................................ - 58 -
II. Khái niệm về tích chất hai giai đoạn của quang hợp.............................................................. - 59 -
1. pha sáng của quang hợp........................................................................................................ - 60 -
2. Pha tối của quang hợp........................................................................................................... - 66 -
III. Cơ sở cấu trúc của quang phosphoryl-hóa. ........................................................................... - 71 -
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 2 -
CHƯƠNG 6. TRAO ĐỔI LIPID TRUNG TÍNH ............................................................................. - 73 -
I. OXY-HÓA ACID BÉO............................................................................................................. - 73 -
1.
β
-Oxy-hóa acid béo no có số nguyên tử carbon chẳn. ....................................................... - 73 -
2. Oxy-hóa acid béo no có số nguyên tử carbon lẻ. ................................................................ - 75 -
3.
β
-Oxy-hóa acid béo không no...................................................................................................87
4. Thể cetone. ................................................................................................................................89
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 3 -
CHƯƠNG I. KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO
ĐỔI NĂNG LƯNG Các phản ứng enzyme có tính đònh hướng và liên quan mật thiết với nhau xảy
ra trong tế bào mà ta gọi là quá trình trao đổi chất. Sản phẩm trung gian hình thành
trong quá trình này được gọi là chất trao đổi và toàn bộ chuỗi biến hóa đó được gọi
là quá trình trao đổi trung gian.
Sự biến hóa năng lượng đi kèm với mỗi phản ứng enzyme của quá
trình trao
đổi trung gian. Ở một số giai đoạn của quá trình dò hóa năng lượng hóa
học của các chất trao đổi được tích lũy (thường ở dạng năng lượng của liên kết
phosphate). Ở những giai đoạn nhất đònh của quá trình đồng hóa năng lượng này
được đem ra sử dụng. Khía cạnh này của trao đổi chất được gọi là sự liên hợp
năng lượng.
Trao đổi trung gian và liên hợp năng lượng là những khái niệm liên quan
nhau và phụ thuộc nhau. Vì vậy, khi nghiên cứu trao đổi chất, cùng với tìm hiểu các
phản ứng dẫn đến sự biến đổi cấu trúc đồng hóa trò của các chất tiền thân để tạo ra
các sản phẩm của phản ứng, chúng ta cần nắm được những biến đổi về mặt năng
động học thì nội năng U là một trạng thái và U phụ thuộc vào các nhân tố thể tích
V, áp suất P và nhiệt độ T.
Trong quá trình biến đổi năng lượng thành nhiệt lượng Q và công A thì nội
năng U sẽ biến đổi từ U
1
đến U
2
. Do đó Q và A tính theo nội năng sẽ là :
U
2
– U
1
= -∆U = - (Q + A)
Người ta quy đònh năng lượng giải phóng (thải ra, cung cấp) có ký hiệu là dấu
âm (-), còn năng lượng tiêu hao (thu vào) có ký hiệu là dấu dương (+).
Tùy theo con đường xảy ra phản ứng mà có thể biến đổi từ trạng thái U
1
đến
trạng thái U
2
và ngược lại, cũng có thể biến đổi từ trạng thái U
2
đến trạng thái U
1
.
Vì vậy, đối với các quá trình có tính tuần hoàn thì tổng biến đổi nội năng bằng
không (zero):
∑∆U = 0
Như vậy, nội năng là một trạng thái chức năng, do đó nó không phụ thuộc vào
con đường biến đổi. Ngược lại, Q và A phụ thuộc đáng kể vào con đường hình
2
+ 6H
2
O
(rắn) (khí) (khí) (lỏng)
Ta có ∆Η = -304,6 +0 = 6(-94,5) + 6(-68,4)
= -567,0 – 410,4 + 304,6
≈ -673Kcal/mol..
Khi đốt cháy glucose trong nhiệt lượng kế người ta cũng thu được một nhiệt
lượng tương đương là –673 Kcal/mol. Điều đó chứng tỏ giá trò tuyệt đối của U và H
theo quan điểm nhiệt động học không có gì đáng chú ý và phần lớn trường hợp
không khác nhau vì chúng ta chỉ đo hiệu số giữa hai trạng thái và có hiệu ứng nhiệt
bằng không (0).
2. Đònh luật thứ hai của nhiệt động học.
Theo đònh luật thứ nhất của nhiệt động học thì biến đổi trạng thái từ A sang B
bằng với sự biến đổi từ B sang A. Như vậy, đònh luật thứ nhất không cho chúng ta
biết chiều hướng của biến đổi. Do đó muốn biết chiều hướng biến đổi thì phải dựa
vào đònh luật thứ hai của nhiệt động học. Đònh luật này bao gồm các nguyên tắc cơ
bản là nhiệt lượng biến thành công. Nhưng trong tự nhiên không bao giờ có quá
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 5 -
trình mà trong đó diễn ra sự biến đổi tương hỗ giữa nhiệt lượng và công, có nghóa là
không có động cơ vónh cửu.
Trong tự nhiên các quá trình tự xảy ra (như các phản ứng hóa học) thường
không thuận nghòch mà chỉ xảy ra theo một hướng xác đònh. Nếu muốn quá trình
xảy ra theo hướng ngược lại (tạo thành trạng thái ban đầu) đòi hỏi phải bổ sung
công tác động từ bên ngoài vào hệ thống.
Như vậy vấn đề đặt ra là lực khởi động của một phản ứng hóa học như thế
HÓA HỌC.
Khi kết hợp đònh luật thứ nhất với đònh luật thứ hai của nhiệt động học, chúng
ta có hai trạng thái chức năng mới là: nhiệt lượng tự do (H) và mức độ năng lượng
tự do (G). Trong quá trình phản ứng thuận và nghòch H và G biến đổi thì trạng thái
của hệ thống cũng bò biến đổi theo. Như vậy, theo đònh luật thứ nhất của nhiệt động
học chúng ta có:
U
2
– U
1
= ∆U = ∆Q + ∆A
Và từ phương trình S = Q/T [Cal/
o
K) ta có
S
2
– S
1
= ∆S = ∆Q/T
Phối hợp hai phương trình trên đây, chúng ta có dạng sau:
∆A = ∆U - T∆S
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 6 -
Mặt khác chúng ta có mối quan hệ gữa năng lượng tự do G với nhiệt lượng tự
do H như sau:
H = G + TS, do đó ∆H = ∆G + T∆S
Như vậy vấn đề đặt ra cái gì là lực khởi động của một phản ứng hóa học?
Trên cơ sở phân tích nhiệt động học thì lực khởi động của phản ứng là biến thiên
biến thiên nữa, tức (∆G =O. Do đó, thay giá trò này của ∆G vào phương trình (2), ta
có
[C]
c
[D]
d
∆G
o
= - RTln (3)
[A]
a
[B]
b
Thay giá trò của hằng số cân bằng của phản ứng
[C]
c
[D]
d
K'
eq
= (4)
[A]
a
[B]
b
ta có: ∆G
o
p. tức là:
∆G
o
= G
o
p - G
o
r (7)
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 7 -
Như vậy, đối với phản ứng (1) hiệu số năng lượng tự do có thể biểu diễn
bằng phương trình
∆G
o
= (cG
o
C
+ dG
o
D
) - (aG
o
A
+ bG
o
B
) (8)
o
> 0 và phản ứng trong
trường hợp này là loại phản ứng hấp thu năng lượng. Loại phản ứng này không thể
tự xảy ra theo chiều thuận ở nồng độ ban đầu của các chất tham gia phản ứng đều
bằng 1,0M.
Tất cả các quy luật trên đây đều đúng với các phản ứng sinh hóa. Tuy nhiên
khi phân tích các hệ thống sinh hóa về mặt nhiệt động học cần phải bổ sung ba
điều kiện có ý nghóa rất quan trọng sau đây:
1/ Nếu chất phản ứng ban đầu hay sản phẩm của phản ứng là nước thì nồng
độ ban đầu của nó được xem là bằng 1,0M.
2/ Giá trò pH chuẩn được xem là pH=7,0 chứ không phải pH=0 như trong các
hệ thống phản ứng hóa học thông thường.Trong trường hợp này biến thiên năng
lượng tự do tiêu chuẩn (ở pH=7,0) được ký hiệu là ∆G
o
'.
3/ Sử dụng gía trò ∆G
o
' trong việc xác đònh biến thiên năng lượng của các
phản ứng sinh hóa có nghóa là tỷ lệ các dạng ion-hóa và không ion-hóa ở pH=7,0
của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng phải được xem là trạng
thái tiêu chuẩn.
Vì cùng với sự biến đổi giá trò pH mức độ ion-hóa của một hay một số thành
phần cũng biến đổi theo, nên giá trò ∆G
o
' không phải lúc nào cũng có thể được sử
dụng cho các gía trò pH khác nhau.
III. KHÁI NIỆM VỀ PHOSPHATE CAO NĂNG.
Thông qua việc xác đònh hằng số cân bằng của các phản ứng người ta đã xác
đònh được gía trò ∆G
o
Glucoso-6-phosphate - 3,30
Glycerol-1-phosphate - 2,20
Trên cơ sở các giá trò ∆G
o
'nói trên các liên kết của hai gốc phosphate tận
cùng trong phân tử ATP được gọi là liên kết cao năng (ký hiệu là ~ ) và ATP vì
vậy được gọi là hợp chất cao năng.
Tuy nhiên, nếu so sánh gía trò ∆G
o
' của phản ứng thủy phân ATP thành
ADP và Pvc với các gía trò ∆G
o
' của phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate
(bảng 1.1), ta sẽ thấy gía trò -7,3 Kcal chỉ chiếm vò trí trung gian.
Trên cơ sở các giá trò ∆G
o
'nói trên các liên kết của hai gốc phosphate tận
cùng trong phân tử ATP được gọi là liên kết cao năng (ký hiệu là ~ ) và ATP vì
vậy được gọi là hợp chất cao năng.
Tuy nhiên, nếu so sánh gía trò ∆G
o
' của phản ứng thủy phân ATP thành
ADP và Pvc với các gía trò ∆G
o
' của phản ứng thủy phân nhiều hợp chất phosphate
(bảng 1.1), ta sẽ thấy gía trò -7,3Kcal chỉ chiếm vò trí trung gian.
Những hợp chất đứng đầu bảng dễ nhường gốc phosphate của mình, còn
những hợp chất đứng cuối bảng có xu hướng giữ gốc phosphate lại. Qua bảng trên
ta thấy rõ giữa phosphate cao năng và phosphate năng lượng thấp không có ranh
giới rõ ràng. ATP chiếm vò trí trung gian trong bảng này. Toàn bộ chức năng của
a/ Entropy của sản phẩm nhỏ hơn entropy của chất tham gia phản ứng. Trong
trường hợp này ta có ∆S là một số âm.
Ví dụ phản ứng kết hợp H
2
với O
2
để tạo ra H
2
O có ∆S = -38,7 Kcal/mol.
b/ Entropy của sản phẩm lớn hơn entropy của chất tham gia phản ứng, nghóa
là entropy tăng lên trong quá trình biến đổi trạng thái.
Ví dụ phản ứng đốt cháy một phân tử glucose có ∆S = 67,42 Kcal/mol.
c/ Entropy của sản phẩm bằng entropy của chất tham gia phản ứng. Trong
trường hợp này ∆S = 0, tức ∆G = ∆H, như vậy có nghóa là không có tỏa nhiệt tự do
mà toàn bộ nhiệt đã biến thành công.
V. NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG HỞ.
Theo đònh luật thứ nhất của nhiệt động học, các quá trình xảy ra không thuận
nghòch chỉ đúng trong những phạm vi nhất đònh. Về phương diện không gian, thì các
quá trình không thuận nghòch thường xuyên vẫn phải trao đổi chất và trao đổi năng
lượng với môi trường xung quanh. Trong những hệ thống như vậy ở một thời điểm
nhất đònh chúng tạm thời cân bằng, nhưng thực chất các quá trình hiển vi đã kết
thúc. Xét về mặt trạng thái, ở thời điểm cân bằng từ trạng thái ổn đònh có lẻ đã bắt
đầu xuất hiện một trạng thái lộn xộn mới. Điểm dừng tạm thời đó có ∆G
o
= 0 và S
cực đại. Nhưng ngay ở những hệ thống như vậy việc trao đổi nhiệt với môi trường
xung quanh vẫn xảy ra – gọi là những hệ thống không kín hay hệ thống hở – do đó
entropy có thể giảm.
Dấu hiệu đặc trưng của hệ thống sinh học khác với những điều cho biết ở
đònh luật thứ hai của nhiệt động học là entropy của chúng giảm, có nghóa là từ
Vấn đề đặt ra là bản chất của hệ thống hở là gì và ở đâu? Điều này đã được
khẳng đònh: đó là những hệ thống có dấu hiệu cơ bản “trao đổi chất và năng lượng
với môi trường xung quanh”. Những quá trình trao đổi không ngừng này của hệ
thống diễn ra với hình thế “cân bằng động”, khác hẵn với những trạng thái cân
bằng nhiệt động học.
Trạng thái cân bằng động được đặc trưng bằng các thông số dưới đây:
- Tốc độ biến đổi (ví dụ trong trường hợp phản ứng hóa học) là hằng số;
- Tất cả các điều kiện như áp suất, nhiệt độ và nồng độ là những hằng số lớn;
- Quá trình chung diễn ra trong trạng thái tónh thì không thuận nghòch.
Nhiều quá trình trong cơ thể sống, ví dụ các phản ứng hóa học của chuỗi
enzyme trao đổi chất, chuyển tiết (vận chuyển, dẫn truyền), tình thế (phenomen)...,
trong những điều kiện nhất đònh, chúng có thể là những trạng thái cân bằng động
củn hệ thống hở. Chúng còn được gọi là “cân bằng động” hay hệ thống tónh (steady
state system). Về phương diện động học thì cân bằng động là quan hệ và tỷ lệ khối
lượng của các tiểu phần tham gia biến đổi là hằng số và các sản phẩm tạo thành
biến đổi theo thời gian bằng không (0). Ví dụ biến đổi từ chất A qua các bước trung
gian đến P diễn ra:
A → B → C → D → E → P
Như vậy cân bằng động sẽ là:
dA/dt = hằng số = dP/dt
... dB/dt = dC/dt = dD/dt = dE/dt = 0
Trong đó tỉ lệ nồng độ các sản phẩm trung gian không thể noi theo cân bằng
nhiệt động học mà chỉ có thể là những trạng thái cân bằng động.
Vấn đề đặt ra là nhiệt động học có vai trò như thế nào trong việc xác đònh hệ
thống hở và tốc độ biến đổi entropy như thế nào đối với hệ thống hở.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 11 -
Theo đònh luật thứ hai của nhiệt động học có thể trình bày trao đổi chất và
/dt,
làm cho entropy của quá trình không thuận nghòch biến đổi.
Khi hệ thống hở có nhiều trạng thái dừng thì dS
i
/dt có giá trò dương thấp. Điều
đó có nghóa là hệ thống ở cân bằng động thì tạo ra entropy tối thiểu. Kết luận này
có ý nghóa quan trọng đối với các quá trình sinh học, vì sinh vật là một hệ thống hở
có quan hệ chặt chẽ giữa vận chuyển vật chất và năng lượng với hiệu quả cao. Dựa
vào những điều có thể biết được khi tạo ra entropy tối thiểu của phản ứng xảy ra
không thuận nghòch để phỏng đoán nguyên tắc điều chỉnh hiệu quả kinh tế sinh
học. Từ những cơ sở đó có thể vận dụng các quy luật tối thiểu để giải thích sự biến
đổi sinh học, hóa học, lý học... từ những dẫn liệu chưa biết hay chưa được kiểm tra.
Trạng thái cân bằng động còn được đặc trưng khi làm biến đổi entropy chung
của hệ thống hở, có nghóa là là dS/dt = 0. Như vậy, dS
A
/dt thường xuyên phải là số
âm. Do đó có thể kết luận: chỉ có nhiệt động học của hệ thống hở mới có trạng thái
cân bằng động, còn khi hệ thống không ở trạng thái cân bằng động nữa thì dS/dt
phải là dương hay âm chứ không thể bằng không (0).
Tuy nhiên, hệ thống sinh học vẫn còn một vài dấu hiệu biểu hiện hệ thống
kín, như làm giảm entropy trong cơ thể sống. Cơ thể sống lấy chất dinh dưỡng vào
và biến đổi thành chất liệu của cơ thể mình, đồng thời bài xuất các sản phẩm có
phân tử thấp.
Người ta cho biết ba nhóm chất là thành phần dinh dưỡng, thành phần cơ thể
và sản phẩm bài xuất có mức độ entropy nhất đònh. Cụ thể entropy chất dinh dưỡng
nằm khoảng giữa entropy cơ thể và entropy sản phẩm bài xuất.
S
cơ thể
< S
dinh dưỡng
nghòch
4. Khi hệ thống hở đạt trạng thái
cân bằng động sản sinh entropy tối thiểu.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 13 -
CHƯƠNG II. OXY HÓA KHỬ SINH HỌC I. KHÁI NIỆM CHUNG
Từ cuối thế kỷ 18 Lavoisier đã kết luận các chất bò đốt cháy là do kết hợp với
oxy không khí. Khi nghiên cứu trao đổi khí ở động vật ông cũng chứng minh rằng
có hấp thụ oxy và thải CO
2
, đồng thời tạo nhiệt trong cơ thể. Như vậy, đốt cháy hay
oxy hóa sinh học đều là quá trình gắn oxy của không khí với carbon và hydro của
chất hữu cơ để tạo thành CO
2
và nước, đồng thời giải phóng năng lượng.
Đến đầu thế kỷ 20 nhờ các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau
vấn đề oxy hóa nhanh chóng các hợp chất hữu cơ trong điều kiện nhiệt độ thấp của
cơ thể đã được sáng tỏ với tên gọi là quá trình oxy hóa sinh học.
Theo quan điểm hiện đại, oxy hóa sinh học là oxy hóa hy dro đã tách ra từ
những chất bò oxy hóa để tạo thành nước. Giai đoạn đầu của quá trình oxy hóa các
hợp chất hữu cơ trong tế bào được thực hiện với sự xúc tác của các dehydrogenase
có coenzyme là NAD
+
và nước, còn sản phẩm oxy hóa sinh học aminoacid và các hợp chất
chứa nitơ khác là CO
2
, H
2
O và NH
3
.
Các chất khác nhau bò oxy hóa bằng các con đường khác nhau nhưng nói
chung đều được kết thúc bằng chu trình acid tricarboxylic (chu trình Krebs).
Như trên đã nói, oxy hóa sinh học cũng có một số điểm tương tự với quá trình
đốt cháy các hợp chất hữu cơ ngoài cơ thể, ví dụ khi oxy hóa glucose thì oxy hóa
sinh học hay oxy hóa bên ngoài cơ thể đều sản sinh được 673 Kcal/mol. Tuy nhiên,
tế bào sống có hàng hoạt các đặc tính riêng. Các đặc tính này trong quá trình tiến
hóa hướng theo con đường sử dụng năng lượng tới mức cao nhất.
Giữa oxy hóa sinh học và quá trình đốt cháy có một số điểm khác nhau cơ
bản như sau:
a/ Đốt cháy xảy ra ở ngoài cơ thể và ở nhiệt độ cao, còn oxy hóa sinh học xảy
ra bên trong cơ thể và ở nhiệt độ thấp nhưng với tốc độ rất cao.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 14 -
b/ Đốt cháy giải phóng năng lượng ở dạng nhiệt, còn oxy hóa sinh học năng
lượng giải phóng không chỉ ở dạng nhiệt mà còn ở dạng năng lượng của các liên
kết hóa học, đặc biệt là ở dạng các liên kết cao năng của ATP.
c/ Phản ứng đốt cháy xảy ra một giai đoạn còn oxy hóa sinh học cơ chất bò
oxy hóa dần dần, chuyển thành các sản phẩm đơn giản hơn và cuối cùng bò oxy hóa
hoàn toàn, nghóa là xảy ra thành chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn.
d/ Đốt cháy nhờ tác dụng của nhiệt, còn oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong cơ
3 4
Hình 1. Sơ đồ thiết bò đo thế khử tiêu chuẩn.
1 - Von-kế; 2 - điện cực; 3 - dung dòch chất khử
và chất oxy-hóa ở nồng độ 1,0M, 25
o
C và pH=7;
4 - pin nửa tiêu chuẩn (có thế khử tiêu chuẩn biết trước).
Thế khử tiêu chuẩn (ký hiệu là E
o
) là giá trò áp lực điện tử mà trong những
điều kiện hoàn toàn xác đònh (điều kiện tiêu chuẩn) xuất hiện trong cặp chất oxy-
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 15 -
hóa - chất khử ở trạng thái cân bằng. Người ta quy ước thế khử tiêu chuẩn bằng
không là thế khử của phản ứng:
H
2
2H
+
+ 2e
-
Thế khử tiêu chuẩn của hệ thống H
2
+
NAD
+
-0,32
NADP.H + H
+
NADP
+
-0,32
NAD.H-Dehydrogenase (dạng
khử)
NAD.H-dehydrogenase (dạng oxy-hóa) -0,11
Cytochrome b
Fe (II) ]
Cytochrome b
[Fe (III) ]
0,00
Cytochrome c
[Fe (II) ]
Cytochrome c
[Fe (III) ]
+0,26
H
2
O 1/2O
2
+0,82
Các hệ thống có giá trò âm của thế khử tiêu chuẩn cao hơn so với đôi H
2
-
o
' + lg
nF [chất nhường e
-
]
trong đó E
h
là thế khử biểu kiến của điện cực; E
o
' là thế khử tiêu chuẩn; R -
hằng số khí (bằng 8,31Jun/mol.
o
C hay 1,987cal/mol.
o
C); T - nhiệt độ tuyệt đối; n -
số điện tử được vận chuyển; F - số Faraday (bằng 96,406Jun/V).
Nếu n=1 thì ở 25
o
C tỷ lệ 2,303RT/nF bằng 0,059. Nếu n = 2 thì tỷ lệ này
bằng 0,03. Vì trong các hệ thống sinh học phổ biến cơ chế vận chuyển 2e - nên
phương trình Nernst có thể được viết dưới dạng:
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 16 -
[chất nhận e - ]
E
h
= E
o
tiêu chuẩn, tức tất cả các thành phần đều có nồng độ 1,0M ở 25
o
C và pH=7,0.
Nhờ phương trình này có thể tính biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn cho
trường hợp khi một cặp điện tử được vận chuyển từ NAD.H (E
o
' = - 0, 32V) đến
oxy phân tử (E
o
' = +0,82V), tức trường hợp điện tử được vận chuyển trong chuỗi hô
hấp:
∆G
o
’= -2x23062 x [0,82-(-0,32)] = -52700cal = -52,7Kcal. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 17 -
CHƯƠNG 3. ENZYME OXY HÓA - KHỬ. Trong các phản ứng oxy-hóa - khử sinh học điện tử từ cơ chất được vận
2
) được chuyển cho NAD.H (hoặc NADP.H) để sau
đó sẽ tham gia trong các quá trình oxy hóa - khử khác.
Một số dehydrogenase khác sử dụng các flavine nucleotide (F) làm
coenzyme và xúc tác các phản ứng có dạng tổng quát sau đây:
AH
2
+ E.F E.FH
2
+ A
Enzyme ở dạng khử (E.FH
2
) có thể vận chuyển điện tử và proton của nó cho
các chất khác (ví dụ trong quá trình phosphoryl hóa oxy-hóa) hoặc cho O
2
để tạo ra
H
2
O
2
:
E.FH
2
+ O
2
E.F + H
2
O
2
+
(R = OH)
và NADP
+
(R = H
2
PO
3
)
Nhóm dehydrogenase này làm nhiệm vụ vận chuyển thuận nghòch từng đôi
đương lượng khử (đôi điện tử hoặc đôi điện tử cùng với đôi proton) từ cơ chất AH
2
đến dạng oxy hóa của coenzyme (NAD
+
hay NADP
+
). Một trong hai đương lượng
đó ở dạng hydro nằm trong pyridine nucleotide khử (NAD.H hay NADP.H), còn
đương lượng kia - ở dạng điện tử. Nguyên tử hydro thứ hai sau khi tách khỏi cơ chất
được chuyển vào môi trường ở dạng ion H
+
tự do (hình 3).
Những dehydrogenase liên quan với NAD chủ yếu tham gia quá trình hô hấp
tức quá trình vận chuyển điện tử từ cơ chất đến oxy. Trong khi đó, các enzyme liên
quan với NADP chủ yếu tham gia vận chuyển điện tử từ cơ chất tham gia phản ứng
dò hóa đến các phản ứng khử của quá trình sinh tổng hợp. Vì vậy, phần lớn NAD
được phát hiện trong ty thể, còn đa số NADP thì nằm trong phần hòa tan của tế bào
chất.
ở một số dạng isoenzyme khác nhau, trong đó các cấu trúc dưới đơn vò phối hợp
theo các tỷ lệ khác nhau. Ví dụ điển hình là trường hợp của lactate dehydrogenase.
Enzyme này chứa hai loại phần dưới đơn vò ký hiệu là H và M. Trong tế bào đã
phát hiện 5 loại isoenzyme với 5 kiểu phối hợp khác nhau giữa hai loại phần dưới
đơn vò này. Do có cấu trúc dưới đơn vò khác nhau, nên mỗi dạng isoenzyme cũng
phân biệt nhau bởi các giá trò K
m
và V
max
đặc trưng trong quan hệ với mỗi loại cơ
chất và đóng các vai trò khác nhau trong quá trình trao đổi chất.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 20 -
Bảng 3. Thế khử tiêu chuẩn cuả một số hệ thống dehydro-genase phụ thuộc pyridin.
Hệ thống E
o
' của đôi cơ chất, (V)
Phụ thuộc NAD
Isocitrate dehydrogenase - 0,38
D-β-oxybutyratedehydrogenase - 0,32
Glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase
- 0,29
Dihydrolipoil dehydrogenase - 0,24
Alcohol dehydrogenase - 0,20
Lactate dehydrogenase - 0,19
L-malate dehydrogenase - 0,17
Phụ thuộc NADP
Phản ứng được thực hiện bằng cách vận chuyển trực tiếp đôi nguyên tử hydro
từ cơ chất đến FAD hoặc FMN để tạo ra dạng khử của coenzyme, tức FAD.H
2
hoặc FMN.H
2
(hình 5) .
Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường là
một số enzyme thuộc nhóm cytochrome.
Thuộc nhóm flavoprotein quan trọng nhất là những enzyme sau đây:
- NAD.H dehydrogenase: xúc tác sự vận chuyển điện tử từ NAD.H đến một
chất nhận nào đó chưa được xác đònh, có thể là một protein chứa sắt nào đó trong
chuỗi hô hấp.
- Succinate dehydrogenase: xúc tác phản ứng oxy-hóa acid suxinic thành
acid fumaric.
Dihydrolipoyl dehydrogenase của hệ thống pyruvate dehydrogenase và α-
cetoglutarate dehydrogenase.
- Các flavoprotein xúc tác giai đoạn đầu của quá trình β-oxy-hóa acid béo.
Bộ phận hoạt động của phân tử FAD và FMN tham gia trong phản ứng là
vòng isoaloxasine của riboflavin. Phản ứng được thực hiện bằng cách vận chuyển
trực tiếp đôi nguyên tử hydro từ cơ chất đến FAD hoặc FMN để tạo ra dạng khử
của coenzyme, tức FAD.H
2
hoặc FMN.H
2
(hình 5) .
Trong tế bào chất nhận điện tử từ dehydrogenase phụ thuộc flavin thường
là một số enzyme thuộc nhóm cytochrome.
đã tìm thấy hàng loạt cytochrome khác nhau: cytochrome a, cytochrome a
3
,
cytochrome b, cytochrome b
2
, cytochrome c và cytochrome o. Hàng loạt
cytochrome khác cũng được tìm thấy trong thành phần của chuỗi vận chuyển điện
tử trong thylacoid của lục lạp.
Bảng 4. Tính chất của một số cytochrome của động vật có vú.
Cytochrom
e
Đỉnh hấp thụ của các dạng khử E
o
’
(mV)
λ, nm λ, nm λ, nm
a
3
600 ... 445 +200
a 605 517 414 +340
c 550 521 416 +260
c
1
554 523 418 +225
b 563 530 430 +30
b
1
:
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 23 -
Cytochrome bc
1
(Fe
2+
) Cytochrome c (Fe
3+
) Cytochrome aa
3
(Fe
2+
)
Cytochrome bc
1
(Fe
3+
) Cytochrome c (Fe
2+
) Cytochrome aa
3
(Fe
3+
)
trong heme A của cytochrome oxydase có ái lực rất mạnh với cả
CO và O
2
. Ở dạng Fe
3+
nó rất dễ gắn với CN
-
, S
2-
và NO
3
-
; điều đó giải thích vì sao
những anion này có tính độc rất mạnh đối với mọi cơ thể hiếu khí. Mỗi phần dưới
đơn vò I và II chứa một phân tử heme A liên kết không đồng hóa trò với apoenzyme
để tương ứng tạo ra cytochrome a và cytochrome a
3
. Các nhóm chức năng khác là
hai ion Cu
2+
cũng liên kết với phần dưới đơn vò II. Trong khi đó phần dưới đơn vò III
được cho là có vai trò như một translocase vận chuyển proton. Phần lớn các gốc
aminoacid của phần dưới đơn vò này chứa các gốc kỵ nước, song có 38 gốc
hydroxyaminoacid phân bố suốt bề dày của màng. Những nhóm hydroxyl này tạo
ra một mạng lưới các liên kết hydro để tạo ra những đường kênh để proton được
vận chuyển qua đó.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
http://www.ebook.edu.vn
Trao đổi chất và năng lượng
- 24 -
3
) được bố trí trên
màng trong của ty thể như mô tả trong hình 8. Khi một điện tử từ cytochrome c
được cytochrome a tiếp nhận, pK của nhóm acid trong cytochrome a biến đổi, làm
cho nó có thể tiếp nhận một proton từ matrix của ty thể. Sự sắp xếp của các phần
dưới đơn vò sau đó thay đổi như mô tả trong hình vẽ, và cytochrome a ở dạng khử
chuyển điện tử cho cytochrome a
3
, dẫn đến một số biến đổi trong pK của nhóm
acid và giải phóng proton của cytochrome a ra phía bào tương cùa màng. Đây chỉ là
một mô hình đơn giản của quá trình tạo ra gradient proton, trong đó chưa cho thấy
vai trò của các phần dưới đơn vò khác, kể cả phần dưới đơn vò III vốn đóng vai trò
quan trọng trong việc vận chuyển proton. Tuy nhiên, đây là một mô hình hữu ích
để lý giải hoạt tính vận chuyển proton của cytochrome oxydase cũng như của các
phức hệ khác của ty thể. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học
Copyright: Tài liệu đại học ©