Bài giảng Năng lượng sinh học

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng sinh học

1. Năng lượng sinh học 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.
2. 1. Khái quát sự thoái hóa glucid, lipid và protein trong cơ thể • 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.
3. 1. Khái quát sự thoái hóa glucid, lipid và protein gtrong cơ thể • Sự đốt cháy các chất hữu cơ Ngoài cơ thể Trong cơ thể -nhanh, mạnh, cần -Nhiệt độ không cao, môi ngọn lửa trường 2/3 là nước, xảy ra -Oxy không khí tiếp từ từ từng bước xúc trực tiếp với cơ -Oxy không tiếp xúc trực chất tiếp với cơ chất -Năng lượng giải -Năng lượng giải phóng phóng cùng 1 lúc dần, dưới dạng hóa năng dưới dạng nhiệt là chính, cần cho các hoạt động sống.
4. Bước 1 Tóm tắt Bước 2 các con đường dị hóa Bước 3
5. 2. Bản chất của sự hô hấp tế bào • Quá trình tế bào sử dụng oxy đốt cháy các chất hữu cơ sinh năng lượng, giải phóng CO2 và H2O gọi là hô hấp tế bào 2.1.Quá trình tạo CO2 và H2O: - CO2 tạo thành do phản ứng khử carboxyl, enzym xúc tác là decarboxylase. Năng lượng giải phóng không nhiều: RCOOH → RH + CO2 - H2O được tạo thành nhờ một dây chuyền các phản ứng tách và vận chuyển H và e từ cơ chất đến O2 qua một loạt chất trung gian. Giải phóng nhiều năng lượng.
6. 2.2.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.
7. Các protein của chuỗi vận chuyển điện tử ty thể
8. 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 2 màng)
9. Cơ chế vận chuyển điện tử và H của NAD+
10. Các trung tâm sắt lưu huỳnh
11. Phức hợp I Khoảng giữa 2 màng Lòng ty thể
12. 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).
13. Phức hợp Succinat Dehydrogenase. Sự di chuyển điện tử tới ubiquinon, QH2.
14. Cơ chế vận chuyển e của FAD hay FMN
15. Ubiquinon(coenzym Q) -Là benzoquinon có chuỗi bên isoprenoid dài, tan trong lipid. -Kích thước nhỏ cho phép nó chuyển động trong màng. -Khả năng gắn e- và H+ cho phép nó đảm nhận 2 chức năng nhận và chuyển e- và H+.
16. Khoảng giữa 2 màng Lòng ty thể Sự vận chuyển điện tử đến coenzym Q
17. 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)
18. Phức hợp III còn gọi là phức hợp cytochrom bc1
19. 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.
20. 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
21. Phức hợp IV
22. Tóm tắt các phản ứng Complex I: NADH + 5H+trong ty thể + Q → NAD+ + QH2 + 4H+khoang giữa 2 màng Complex III: + + QH2 + 2 cyt c1 (ox) + 2 H trong ty thể → Q + 2 cyt c1 (red) + 4 H giữa 2 màng Complex IV: + + 2 cyt c (red) + 4H trong ty thể + ½ O2 → 2 cyt c (ox) + 2 H giữa 2 màng + H2O Khoang giữa 2 màng Lòng ty thể
23. 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 được tính: DE°’ = E°’chất nhận e - E°’ chất cho e NAD+ + H+ + 2e- ↔ NADH E°’ = -0.320 V + - ½ O2 + 2H + 2e ↔ H2O E°’ = 0.82V + + ½ O2 + NADH + H ↔ H2O + NAD 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°’ = (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 • Năng lượng được giải phóng dần ở từng chặng.
24. 2.3.Cơ chế tạo ATP của ty thể + + • NADH + H + ½ O2 → NAD + H2O • 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.
25. 2.3.1. Nhắc lại cấu tạo ty thể (mitochondrion), Vị trí xảy ra sự phosphoryl oxy hóa ở các tế bào nhân thật.
26. 2.3.2. ATP synthase
27. 2.3.2. 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 và 3 tiểu đơn vị  được gắn với Fo qua các tiểu đơn vị , δ, ε.
28. 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. Khoang giữa Lòng ty thể 2 màng
29. 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)
30. Cơ chế quay của ATP synthase tạo ATP
31. Khoảng giữa 2 màng Sự chênh lệch pH Tổng hợp Chênh lệch điện thế ATP (bên trong kiềm hơn) (bên trong âm điện )
32. 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
33. 2.4. Điều hòa tổng hợp ATP • Ty thể tổng hợp ATP theo nhu cầu năng lượng của tế bào.
34. 2.5.Các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào
35. 2.5.Các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào • 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
36. 2.5.Các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào
37. 2.6.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
38. 3.Sự phosphoryl hóa • Là sự gắn một gốc phosphat vào một chất hữu cơ. • Các loại liên kết phosphat: - Liên kết phosphat nghèo năng lượng: Khi thủy phân giải phóng 1000- 5000 calo.Ví dụ: liên kết este phosphat - Liên kết phosphat giàu năng lượng: Khi thủy phân giải phóng > 7000 calo.
39. Liên kết acyl phosphat = -10,1 kcalo/mol
40. Liên kết enol phosphat = 114,8kcalo/mol
41. Liên kết amidphosphat = -10,3 kcalo/mol
42. Liên kết anhydrid phosphat
43. Sự phosphoryl oxy hóa • 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 trên 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