Nội dung

IV.1. Tổng quát về năng lượng 1) Định nghĩa năng lượng PHAÀN I: SINH HOÏC TEÁ BAØO Năng lượng = khả năng sinh công Tế bào = nhà máy chuyển hóa năng lượng lấy năng lượng từ bên ngoài CHÖÔNG IV: NAÊNG LÖÔÏNG VAØ ENZYME thực hiện các phản ứng hóa học trong tế bào vận chuyển vật chất vận động. Các dạng năng lượng theo nguồn gốc: quang năng; hóa năng… TS. Nguyễn Hoài Hương Hai trạng thái năng lượng chuyển hóa lẫn nhau: Động năng: năng lượng của hoạt động Thế năng: năng lượng dự trữ • 2) Các định luật nhiệt động học Năng lượng vô ích = nhiệt Định luật 1: Tổng năng lượng trước khi chuyển hóa bằng tổng năng lượng sau khi chuyển hóa; Năng lượng không thể tự sinh ra hay tự mất đi. Ñònh luaät 2: Trong một hệ kín, mặc dù năng lượng toàn phần không đổi, sau mỗi chuyển hóa năng lượng tự do để thực hiện công luôn ít hơn năng lượng ban đầu. Cách phát biểu khác của định luật 2: Trong một hệ kín với nhiều chuyển hóa năng lượng, năng lượng có ích (tự do) giảm và năng lượng vô ích tăng. 1 3) Năng lượng tự do Phản ứng cần năng lượng Phản ứng tỏa năng lượng ∆G > 0 ∆G < 0 H = G + TS hay G = H – TS H = enthalpy =năng lượng chứa trong liên kết hóa học G = năng lượng tự do = năng lượng dùng để phá vỡ hoặc tạo liên kết hóa học = năng lượng sinh công; S = entropy đo mức độ hỗn loạn của hệ thống (nhiệt sinh ra do chuyển động hỗn loạn của phân tử). Trong phản ứng hóa học: Liên kết hóa học đang tồn tại bị phá vỡ, liên kết hóa học mới được hình thành, dẫn đến thay đổi năng lượng tự do: • • ∆G = Gsản phm – Gchất phản ứng ∆G = ∆H - T∆S Ý nghĩa của giá trị năng lượng tự do: Phản ứng thủy phân = Phản ứng giải phóng năng lượng Naêng löôïng ñöôïc giaûi phoùng khi lieân keát hoùa hoïc bò phaù vôõ Naêng löôïng (nhieät hay naêng löôïng chuyeån sang phaân töû khaùc) Phản ứng tổng hợp = Phản ứng cần năng lượng Cần cung cấp năng lượng để tạo liên kết Naêng löôïng ñaõ söû duïng taïo neân lieân keát nay ñöôïc tröõ trong phaân töû saûn phaåm 2 4) Năng lượng hoạt hóa (activation energy) 5) ATP (adenosine triphosphate)- năng lượng của tế bào Năng lượng dùng để phá vỡ liên kết hóa học đang tồn tại a) Cấu tạo Nucleotide
Base: adenine
Đường: ribose
Phosphate: 3 nhóm Không có xúc tác Có xúc tác Năng lượng hoạt hóa của phản ứng Chức năng: Phản ứng tỏa nhiệt i) Đơn vị cấu tạo acid nucleic ii) Năng lượng của tế bào ATP Phản ứng tỏa nhiệt:   Dị hóa Hô hấp tế bào Tổng hợp ATP từ ADP và Pi cần năng lượng Phản ứng thu nhiệt:    Đồng hóa Vận chuyển tích cực Vận động tế bào Thủy phân ATP thành ADP và Pi giải phóng năng lượng Phản ứng thu Phản ứng nhiệt thu nhiệt Ví dụ về sự sử dụng năng lượng ATP của tế bào 3 IV.2. Enzyme b) Đa số Enzyme là chất xúc tác sinh học 1) Enzyme là chất xúc tác sinh học Bản chất hóa học của enzyme: protein (loại trừ ribozyme là RNA) Phản ứng không enzyme xúc tác a) Enzyme là chất xúc tác: Làm giảm năng lượng hoạt hóa Phản ứng có enzyme xúc tác Cấu trúc không gian: hình dạng phân tử enzyme, vị trí tâm hoạt động (active site) quyết định hoạt động của enzyme. Enzyme có tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme khớp vừa với cơ chất xác định, tương tác với xúc tác một phản ứng xác định. Tâm hoạt động Cơ chất đường đôi Liên kết Phức hợp enzymecơ chất Sản phẩm tạo thành rời enzyme Liên kết bị bẻ gãy • E + S ↔ [ES] ↔ E + P 2) Cơ chế xúc tác của enzyme Các bước của phản ứng enzyme: Bước 1. Cơ chất liên kết với enzyme tại vị trí tâm hoạt động - Tạo phức hợp enzyme (E) – cơ chất (S) Bước 2. Amino acid tại tâm hoạt động tương tác với cơ chất làm bẻ gãy liên kết trong cơ chất. Bước 3. Sản phẩm (P) rời khỏi enzyme. Enzyme tự do để liên kết với phân tử cơ chất kế tiếp. Cơ chất Bước 2 trong cơ chế phản ứng enzyme: ba cách cách tương tác enyme – cơ chất a) Enzyme định hướng các phân tử cơ chất để tạo liên kết mới b) Enzyme tạo sức căng cho phân tử cơ chất để bẻ gãy liên kết hiện hữu c) Enzyme làm thay đổi nhóm hóa học tại tâm hoạt động 4 Cơ chất polysaccharide i) Hình dạng tâm hoạt động và mô hình phức hợp enzymecơ chất 3) Tâm hoạt động của enzyme Mô hình ống khóa-chìa khóa (Lock-and-Key Model of Enzyme-Substrate Binding) Hai yếu tố quyết định tính chất đặc hiệu của enzyme: Emil Fischer 1894 i) Hình dạng tâm hoạt động ii) Nhóm chức tại tâm hoạt động Tâm hoạt động có hình dạng bổ sung về mặt không gian với cơ chất để bắt cặp. Mô hình lấp kín do cảm ứng (Induced-Fit Model of Enzyme-Substrate Binding) Enzyme lysozyme (nước bọt, nước mặt) thủy phân polysacchride vách tế bào vi khuẩn Daniel E. Koshland Jr. 1958 Cơ chất gắn vào tâm hoạt động làm thay đổi hình dạng tâm hoạt động sao cho chúng bắt cặp bổ sung về mặt không gian. 4) Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng enzyme Thành phần tâm hoạt động: a) Ảnh hưởng của nhiệt độ - Amino acid của protein enzyme topt enzyme cơ thể người topt enzyme vi khuẩn suối nước nóng -Thành phần phi protein của enzyme gọi chung là cofactor. -Phân loại cofactor: Cofactor: kim loại Coenzyme: các chất hữu cơ gắn tạm thời vào enzyme Nhóm phụ (prosthetic group): phân tử riêng biệt gắn thường trực vào enzyme Apoenzyme + Cofactor = Holoenzyme
t< topt: Liên kết hydro, tương tác kị nước quá chặt chẽ - hình dạng tâm hoạt động ít khớp với cơ chất.
topt: nhiệt độ tối ưu của phản ứng enzyme: hình dạng tâm hoạt động vừa khớp với cơ chất.
t> topt: chuyển động ngẫu nhiên của nguyên tử trong enzyme tăng thắng luên kết tương tác yếu – tâm hoạt động không còn khớp cơ chất.
t>>topt: enzyme bị biến tính. 5 c) Nồng độ của cơ chất b) Ảnh hưởng của pH Ở phản ứng enzyme, xảy ra hiện tượng bão hòa cơ chất Vmax V Ở phản ứng không enzyme, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ cơ chất Nồng độ cơ chất [S] Liên kết ion bên trong protein (mạch nhánh Glu và Lys) phụ thuộc và [H+] trong môi trường
Lúc đầu, [S] tăng, v tăng pHopt = [H+] bảo đảm hình dạng tâm hoạt động
[S] tiếp tục tăng, tất cả các phân tử enzyme đều đang hoạt động (E liên kết với S tạo phức hợp ES), xảy ra hiện tượng bão hòa cơ chất, v không thể tăng nữa. 5) Ñieàu hoøa hoaït ñoäng cuûa enzyme trong caùc quaù trình trao ñoåi chaát cuûa teá baøo Chu trình trao ñoåi chaát (cyclic metabolic pathway) a) Caùc con ñöôøng trao ñoåi chaát (metabolic pathways): = Con đường trao đổi chất khép kín
Chuỗi phaûn öùng sinh hoùa trong teá baøo A
Xuùc taùc baèng enzyme. B Cô chaát C coù hai enzyme 3 vaø 5 xuùc taùc phaûn öùng chuyeån thaønh D hoaëc F A enzyme 1 B enzyme 2 C enzyme 3 D enzyme 4 A+ F→ B F E C B→C→D D→F+E enzyme 5 F E D Enzyme coù tính ñaëc hieäu. Ví duï Enzyme 1 chæ xuùc taùc phaûn öùng chuyeån A thaønh B 6 i) ÖÙc cheá caïnh tranh (Competitive Inhibition) b) Ñieàu hoøa enzyme S Ñieàu hoøa sinh toång hôïp protein – enzyme (hoïc sau) i)ÖÙc cheá caïnh tranh (competitive inhibition) Ñieàu hoøa enzyme ñang toàn taïi S S I I E ii)ÖÙc cheá khoâng caïnh tranh (noncompetitiv e inhibition) iii)ÖÙc cheá ngöôïc (feed-back inhibition) ii) ÖÙc cheá khoâng caïnh tranh (Noncompetitive Inhibition) Taâm hoaït ñoäng Chaát öùc cheá S Thay ñoåi hình daïng taâm hoaït ñoäng E Chất ức chế cạnh tranh I:
Có hình dạng tương tự cơ chất S
Chiếm chỗ của S tại tâm hoạt động của E. iii) ÖÙc cheá ngöôïc (Feedback Inhibition) Muïc ñích cuûa chuoãi phaûn öùng naøy laø taïo thaønh D töø A. Enzyme A • • • • • Chaát öùc cheá không cạnh tranh - gaén vaøo vò trí laäp theå (allosteric site) cuûa enzyme (moät vò trí khaùc vôùi taâm hoaït ñoäng cuûa enzyme) - laøm thay ñoåi hình daïng cuûa enzyme (caáu truùc khoâng gian), - gaây bieán daïng taâm hoaït ñoäng - khieán cô chaát khoâng theå gaén vaøo ñoù. enzyme 1 B enzyme 2 C enzyme 3 D B vaø laø caùc chaáfeedback t trung gian. Enzyme regulation byC negative inhibition is similar to the thermostat example. As an enzyme's product Löôïng D taïo thaønh seõ ñöôïc ñieàu hoøa theo accumulates, it turnscôoff the enzyme just as heat causes a cheá öùc cheá ngöôïc. thermostat to turn off the production of heat. 7 ÖÙc cheá ngöôïc (Feedback Inhibition) C vaø D seõ giaûm vì B caàn ñeå sinh ra C vaø C caàn ñeå sinh ra D. Löôïng chaát B seõ giaûm neáu enzyme 1 bò öùc cheá. A X enzyme 1 B X enzyme 2 C X enzyme 3 D X ÖÙc cheá ngöôïc (Feedback Inhibition) B, C, vaø D laïi tieáp tuïc ñöôïc taïo thaønh. A enzyme 1 B X enzyme 2 C X enzyme 3 D X Khi löôïng D giaûm, enzyme 1 seõ khoâng coøn bò öùc cheá. Enzyme 1 coù caáu truùc sao cho noù coù theå töông taùc vôùi D. Khi löôïng D taêng, enzyme 1 ngöøng hoaït ñoäng (do bò D öùc cheá). IV. 3. Quá trình truyền năng lượng trong tế bào - Phản ứng oxy hóa khử Chất khử Chất oxy hóa Sự oxy hóa: Sự khử: Sự cho e- Sự nhận e- Chất bị oxy hóa Chất bị khử 1)Định nghĩa tổng quát: Phản ứng oxy hóa – khử = quá trình trong đó điện tử di chuyển từ chất khử sang chất oxy hóa. 2) Phản ứng oxy hóa khử trong tế bào: Điện tử không được cho/nhận một mình, mà thường đi cùng H+ (dưới dạng H) NAD+ + 2H → NADH + H+ (NAD+ nhận e-/ chất oxi hóa) NADH + H+ → NAD+ + 2H (NADH cho e-/ chất khử) Cặp oxi hóa khử NAD+/ NADH là chất tải điện tử (electron carrier) = chất tải năng lượng trong tế bào. 8 Các coenzyme đóng vai trò chất tải điện tử trong tế bào: NAD+/ NADH (Nicotinamide Adenine Nucleotide) NADP+/ NADPH (Nicotinamide Adenine Nucleotide Phosphate) FAD/ FADH2 (Flavin Adenine Dinucleotide) NAD+ là coenzyme gắn vào enzyme NAD+ nhận 2e- và H+ thành NADH NADH rời enzyme Cơ chế phản ứng oxy hóa khử với sự tham gia của coenzyme NAD+ NAD+ có chức năng kép:
Coenzyme
Chất oxi hóa NAD+ và NADP+ bị khử thành NADH (NADPH) NADH (NADPH) bị oxy hóa thành FAD (Flavin Adenine Dinucleotide) NAD+ (NADP+) • FAD + 2H FADH2 ↔ Sự khử Sự oxy hóa 9 IV. 4. Cơ chế tổng hợp ATP trong tế bào. • Phaûn öùng toång hôïp ATP töø ADP + Pi ñöôïc goïi laø phaûn öùng phosphoryl hoùa. 1. Phosphoryl hoùa möùc cô chaát (Substrate -Level Phosphorylation) Hai cơ chế phosphoryl hóa: •
Enzyme xúc tác phản ứng tổng hợp ATP từ cơ chất chứa nhóm phosphate (PEP – phosphoenol pyruvate) và ADP.
Năng lượng giải phóng từ bẻ gãy liên kết cao năng trong cơ chất PEP được sử dụng để tổng hợp ATP. Phosphoryl hóa mức cơ chất Phosphoryl hóa hóa thẩm thấu 2. Phosphoryl hoùa hoùa thaåm thaáu (Chemiosmotic Phosphorylation) Năng lượng tổng hợp ATP lấy từ sự chuyển động của dòng H+ • Ti theå (mitochondrion)- hoâ haáp teá baøo – toång hôïp ATP Cơ chế hóa thẩm thấu: • Khoaûng giöõa maøng (intermembrane space) Peter D. Mitchell , giaûi Nobel 1978
Bơm H+ vận chuyển H+ qua màng tạo thang điện hóa (chênh lệch về nồng độ H+ và điện tích hai bên màng),
Dòng H+ chuyển động trở lại qua phức hợp ATP synthase theo chiều thang điện hóa (thế năng biến đổi thành động năng)
Phức hợp ATP synthase xúc tác phản ứng tổng hợp ATP. 10