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
+
(nicotinamide adenine dinucleotide) hoặc NADP
+

(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Hydro của cơ chất bò oxy hóa sẽ
gắn vào các coenzyme đó như sau:
SH
2

.
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

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
thể sống phụ thuôïc vào các enzyme, mỗi giai đoạn do các enzyme tương ứng xúc
tác.
II. BIẾN HÓA NĂNG LƯNG TRONG CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA
KHỬ.
1. Phản ứng oxy-hóa - khử và thế khử tiêu chuẩn.
Năng lượng tích lũy trong các hợp chất hữu cơ được giải phóng trong quá
trình hô hấp, trong đó các hợp chất này bò oxy-hóa thành khí carbonic, nước và một

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

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
- 2H
+
ở pH=7 ([H
+
]=1.10
-7
M), tức giá

+
-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
-
2H
+
sẽ có khả năng nhường điện tử lớn hơn so với khả năng này của hydro; các hệ
thống có giá trò dương của thế khử tiêu chuẩn lớn hơn thì khả năng nhường điện tử
của chúng thấp hơn so với hydro.
Thế khử tiêu chuẩn của một đôi nước - oxy theo phương trình
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

Trao đổi chất và năng lượng
- 16 -
[chất nhận e - ]
E
h
= E
o
' + 0,03 lg
[chất cho e - ]
Biết giá trò thế khử tiêu chuẩn của các hệ thống oxy hóa-khử sinh học khác
nhau cho phép tiên đoán chiều hướng của dòng điện tử từ cặp chất oxy hóa - chất
khử này đến cặp chất oxy hóa - chất khử khác trong điều kiện tiêu chuẩn.
2. Biến thiên năng lượng trong quá trình vận chuyển điện tử.
Như ta đã biết, biến thiên năng lượng tự +do tiêu chuẩn ∆G

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