›
›

Năng lượng sinh học - ATP và chu trình ATP

pdf 50 trang phuongnguyen 4990
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Năng lượng sinh học - ATP và chu trình ATP", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfnang_luong_sinh_hoc_atp_va_chu_trinh_atp.pdf

Nội dung text: Năng lượng sinh học - ATP và chu trình ATP

  1. NĂNG LƯỢNG SINH HỌC - ATP VÀ CHU TRÌNH ATP Giáo viên hướng dẫn: TS.Võ Văn Toàn Ngườithựchiện TrầnChâuCẩmHồng Dương Thị Bích Liên NguyễnThị Mân Trương Thị Xuân Trúc
  2. TỔNG QUAN I. Năng lượng sinh học 1. Khái niệm 2. Tế bào tổng hợpATP như thế nào? II. Sự tổng hợp và phân giảiATP 1. CấutạoATP 2. Cấutạovàchứcnăng ATP synthase 3. Sự tổng hợpATP 4. Sự phân giảiATP III. Chu trình ATP
  3. I. NĂNG LƯỢNG SINH HỌC: 1. Khái niệm: -Năng lượng sinh họclànhững quá trình phản ứng cung cấp, chuyển hoá và tiêu hao năng lượng, có tác dụng điều hoà và thúc đẩytraođổichấtcủacơ thể sinh vật. - Trong hô hấpnội bào, sự chuyểnhoánăng lượng là sự chuyển hoá năng lượng hoá học trong các liên kếtcủachấthữucơ đã đượctế bào tổng hợp thành năng lượng trong các liên kếtcao năng (ATP) dễ sử dụng. - ATP chính là nguồn cung cấpnăng lượng sinh họcchủ yếucủamọicơ thể sinh vật, là cầunốigiữa hai quá trình đồng hoá và dị hoá. 2. Tế bào tổng hợpATP như thế nào? Tuỳ thuộcvàotrạng thái sinh lý, điềukiệnmôitrường mà tế bào sống có thể tạoATP theomột trong hai cách:
  4. a. Photphoril hoá cơ chất: + Năng lượng đượcgiải phóng từ các liên kếthoá học trong phân tử chất phản ứng (cơ chất) được sắpxếplại(cảitổ), do đó sự phát sinh ATP nhờ liên kếtcácphản ứng phát nhiệtmạnh vớitổng hợpATP từ ADP và Pi gọilàphotphoril hoá cơ chất.
  5. b. Tổng hợphoáthẩm ATP (Mitchell. P.1978) „ Mọicơ thểđềucómặtcáckênh protein xuyên qua màng, có chứcnăng trong việcbơm proton ra ngoài tế bào. „ Sự hình thành ATP bằng phản ứng hoá họcdo lựckhuếch tán tương tự lựcthẩmthấu thúc đẩy, nên gọilàtổng hợp hoá thẩmATP. „ Như vậy chính việcdẫntruyền các điệntử cao năng củaNADP đếnmànglàđộng lực để bơm Peter Mitchell tổng hợphoáthẩmATP.
  6. II. SÖÏ TOÅNG HÔÏP VAØ PHAÂN GIAÛI ATP: 1. Caáu taïo ATP
  7. 2. Cấutạovàchứcnăng củaenzym ATP synthase
  8. ATPsynthase đượccấutạogồm2 phầnF0 và F1 -Phần đầuF1 là phần ưanước nhô ra từ màng nằm trong cơ chất, chứa đựng các phân tử xúc tác, thựchiệnsự tổng hợpvàthuỷ phân ATP. Bao gồm3 chuỗi α xen kẽ nhau và các tiểuphầnß. -Phầndải làm nhiệmvụ liên kếtF1 vào Fo. -F0 là một kênh proton, kéo dài hết độ dày của màng, là thành phầnghétnướcnằm ở trên màng. Thựchiệnsự vận chuyển proton.
  9. Mô hình lắpghépcácđơnvị của ATPsynthase
  10. Sơđồcấutạochi tiếtcủa ATP synthase -Phầnchuyển động (rotor) là vòng γ subunit C và phầncònlại γ, ε là đứng yên c ring subunit (stator). -F0 gồm vòng kênh proton có 10 đến 14 tiểuphần. -PhầnF1 có 5 loạichuỗi polypeptide ( α3, β3, γ, δ, ε), xuất hiệntronghoạt động củaATP synthase. -Cộtbênngoàicó1 tiểuphầna, 2 tiểuphần b và tiểuphần δ. - α và β là loại P vòng. α subunit β subunit
  11. Chứcnăng của ATP synthase Tổng hợpATP từ ADP và Pi. Hoạt động củachuỗivận chuyển điệntửđãbơmH+ vào màng trong. Những ion H+ tạorađiệnthế gây nên sự chêch lệch thế năng điệnthế. Khi động cơ quay mỗilần 1 góc 120o làm các tiểuphần củaF1 tiếp xúc và tác động việc liên kếtgiữa ADP và Pi để tổng hợp ATP.
  12. CƠ CHẾ TỔNG HỢP ATP CỦA ENZIME ATP SYNTHASE „ Cơ chế tổng hợpATP dựa trên quá trình photphorin hóa oxi hóa ở màng trong củaty thể. Đượcxúctácbởi enzim ATP synthase dựatrêncơ chế chênh lệch gradien nồng độ giữa màng trong củatythể và môi trường bên ngoài ty thể. „ Dựatrênđộng cơ quay củaF0, F1.
  13. 3. SÖÏ TOÅNG HÔÏP ATP :
  14. - Taát caû caùc cô theå soáng saûn sinh ATP baèng giaûi phoùng naêng löôïng chöùa trong glucose vaø caùc loaïi ñöôøng khaùc. - Thöïc vaät taïo ra ATP trong quaù trình quang hôïp (photosynthesis). -Taát caû caùc sinh vaät khaùc, bao goàm caû thöïc vaät, phaûi saûn sinh ATP baèng caùch bẻ gaõy caùc phaân töû chaúng haïn nhö glucose.
  15. A. SỰ TỔNG HỢP ATP TRONG HÔ HẤP a1. TRONG HOÂ HAÁP HIEÁU KHÍ (Aerobic respiration) - Laø quaù trình moät teá baøo söû duïng O2 ñoát chaùy caùc phaân töû vaø giaûi phoùng naêng löôïng. -PTPÖ: C6H12O6 + 6O2 Æ 6CO2 + 6H2O Chuù yù: Quaù trình naøy laø ngöôïc vôùi quang hôïp (photosynthesis). -Quaù trình naøy dieãn ra theo 3 con ñöôøng: + Ñöôøng phaân (Glycolysis). + Chu trình Krebs (Krebs Cycle). + Chuoãi vaän chuyeån ñieän töû trong quaù trình phoâtphorin hoùa (Electron Transport Phosphorylation)- thaåm thaáu hoùa hoïc (chemiosmosis).
  16. TRONG QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN (GLYCOLYSIS) Glycolysis (glyco = ñöôøng; lysis = beû gaõy) - Muïc tieâu: beõ gaõy glucose taïo thaønh 2 pyruvate - Ñoái töôïng: Taát caû söï soáng treân Traùi Ñaát ñeàu thöïc hieän quaù trình ñöôøng phaân (Glycolysis). -Nôi dieãn ra: baøo töông teá baøo. -Chu trình Ñöôøng phaân(Glycolysis) taïo ra 4 ATP vaø 2 NADH, nhöng coù 2 ATP ñöôïc duøng trong chu trình,ñeå hoaït hoùa glucose neân keát quaû taïo thaønh 2 ATP vaø 2 NADH. Chuù yù : Tieán trình naøy khoâng ñoøi hoûi O2 vaø khoâng saûn sinh ra nhieàu naêng löôïng.
  17. Giai đoạn1 của đường phân (The First Stage of Glycolysis): - Glucose (6C) bẽ gãy thành 2 Aldehyt 3 phosphorglyceric (PGAL) (3C) -Cần 2 ATP.
  18. Giai đoạn2 của đường phân (The Second Stage of Glycolysis): - 2 PGAL(3C) biến đổi thành 2 pyruvates. -Quátrìnhnàytạo ra 4 ATP và 2 NADH. -Kếtquả cuốicùngcủa Đường phân (Glycolysis) tạora2 ATP.
  19. * KREBS CYCLE (citric acid cycle, TCA cycle) -Mục tiêu: lấy pyruvate và đưavàochutrình Krebs (Krebs cycle), tạo ra NADH và FADH2. -Nơidiễnra: Tythể (mitochondria). -Gồm có 2 giai đoạn: + Biến đổi Pyruvate thành Acetyl CoA. + Chu trình Krebs (Krebs Cycle). Trong chu trình Krebs, tấtcả cacbon, hidro và oxy trong pyruvate tạo thành CO2 và H2O. Chu trình Krebs cộng vớisự biến đổi Pyruvate sảnsinhra2 ATP, 8 NADH, và2FADH2 từ một phân tử glucose.
  20. Sự biến đổi Pyruvate thành Acetyl CoA đivào chu trình Krebs - 2 NADH đượcsinhra. -2 CO2 đượcgiải phóng.
  21. The Krebs Cycle - Krebs Cycle Animation - 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP đượctạothành. -4 CO2 đượcgiải phóng. Do đó đốivớimỗiphântử glucose đi vào chu trình Krebs (bao gồm sự biến đổiban đầu thành Acetyl CoA), toàn bộ quá trình sảnsinh ra: 8 NADH 2 FADH2 2 ATP 6 CO2 Lưu ý, quá trình đường phân glycolysis sản sinh2 ATP và 2 NADH, vì thế sảnphẩmcuối cùng là 4 ATP và10 NADH.
  22. CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG QUÁ TRÌNH PHOTPHORIN HÓA - Electron Transport Phosphorylation (Thẩmthấu hóa học- Chemiosmosis) + -Mụctiêu: bẽ gãy NADH và FADH2, bơmH vào màng ngoài cùng củatythể (mitochondria). -Nơidiễn ra: ty thể (mitochondria). Trong phản ứng này, tạoramộtgradient được dùng để sảnsinhATP, hoàntoàngiống như trong lụclạp (chloroplast). Electron Transport Phosphorylation thông thường sản sinh 32 ATP. ATP đượcsinhrabằng cách H+ chuyểnxuống trung tâm gradient thông qua một enzyme đặcbiệtgọilàATP synthase.
  23. . Tính thấm proton qua màng ty thể: Vận chuyển proton có thể thựchiệntheovectơ
  24. „ Sảnphẩmcuối cùng củahôhấphiếukhí (Aerobic Respiration). „ Glycolysis: 2 ATP. „ Krebs Cycle: 2 ATP. „ Electron Transport Phosphorylation: 32 ATP. ‰ Một NADH được sinh ra trong Glycolysis có giá trị 2 ATP (2 x 2 = 4) - 1 NADH có giá trị 3 ATP, nhưng nó tốn1 ATP để vậnchuyển NADH vào ty thể, vì thế chỉ thu được2 ATP từ mỗi NADH sản sinh trong glycolysis.
  25. ‰ Mỗi NADH được sinh ra trong quá trình chuyển đổicủa pyruvate thành acetyl CoA và Krebs Cycle có giá trị 3 ATP (8 x 3 = 24). ‰ MỗiFADH2 có giá trị 2 ATP (2 x 2 = 4). => 4 + 24 + 4 = 32. „Sảnphẩmnăng lượng cuối cùng: 36 ATP. „Mộtsố sách cho rằng giá trị cực đại là 38 ATP – nó chỉ có ở Thựcvật(Thựcvật không dùng 1 ATP để vận chuyển NADH vào ty thể - ởđây không có sự trái ngược nhau – nên nhớ rằng những con sốđólàlý tưởng. Trong thựctế sự sống, không có gì là hoàn hảo, vì thế bạnsẽ không bao giờ thu đượcsố lượng ATP lớnnhấttừ mỗiphântử glucose.
  26. a2. Trong hô hấpkị khí (Anaerobic Respiration). „ Mục tiêu: sảnxuất pyruvate, sảnsinhra + NAD „ Nơidiễnra: tế bào chất (cytoplasm). „ Lý do: trong điềukiện không có oxy, chỉ có con đường sảnsinhraNAD+ và ADP. „ Lên men rượu (Alcohol Fermentation) – xãy ra ở nhiềuloại vi khuẩn (bacteria). ‰ Sảnphẩmcủa quá trình lên men, rượu (alcohol), là độc đốivớicơ thể (organism).
  27. Lên men lactic (Lactic Acid Fermentation) –xảyraở cơ thể người (humans) và các động vật có vú khác (mammals) Sảnphẩm là lactic acid, có hại đốivới động vậtcóvú Điềunàyđốt cháy da khi hoạt động tích cực.
  28. -Mụctiêuduynhấtcủa quá trình lên men là làm biến đổi NADH thành NAD+ (sử dụng trong quá trình đường phân). Không thu đượcnăng lượng. Lưuý sự khác nhau đáng chú ý là - lên men rượu (fermentation) – sảnsinh2 ATP, cònhôhấphiếukhí (aerobic respiration) – sảnsinh36 ATP. Do đó, sự tiến hóa (evolution) trong mộtmôitrường giàu oxy, làm thuậntiệnchosự tiến hóa thích nghi củahô hấphiếukhílàchủ yếu trong sựđadạng củasự sống. Đường phân (Photosynthesis): 6CO2 + 6 H2O >> C6H12O6 + 6O2 Hô hấp (Respiration): C6H12O6 + 6O2 >> 6CO2 + 6H2O Lưuý: tẩtcả các phản ứng này là thuận nghịch, điều này rất quan trọng kể từ khi Trái đấtlàhệ kín (closed system). Tấtcả sự sống đềulàtậphợpcủa nhiều nguyên tố khoáng để làm việc, điều quan trọng là hình thành nên chu trình hiệuquả và bình đẳng.
  29. ™ Hiệusuấtnăng lượng (Energy Yields): „ Glucose: 686 kcal/mol. „ ATP: 7.5 kcal/mol. „ 7.5 x 36 = 270 kcal/mol từ quá trình sảnsinh ATP. „ 270 / 686 = 39% năng lượng thu đượctừ hô hấp hiếukhí.
  30. B. SỰ TỔNG HỢP ATP TRONG QUANG HỢP „ Diệplụchấp thu năng lượng ánh sáng mặttrời. „ Năng lượng đượcdự trữ trong các phân tử sắctố dướidạng năng lượng kích thích và tiếptheolàsự di trú năng lượng vào trong trung tâm phản ứng, là mộtphântử diệplục đặcbiệt. e–
  31. Phân tử diệplục ở trung tâm phản ứng này, sau khi nhậnnăng lượng sẽ trở nên bị kích thích và trở thành chấtchođiệntử, nhường điệntử cho chấtnhận electron đầu tiên tham gia vào quá trình quang phosphoryl hóa. Tuynhiên, tùytheodiệplục ở trung tâm phản ứng khác nhau mà quá trình vậnchuyển điệntử có thểđitheocon đường quang phosphoryl hóa vòng hay không vòng.
  32. a1. Quang Phosphoryl hóa vòng (Cyclic Photophosphorylation) 1O Electron 2e- -0,6 acceptor Ferredoxin (Fd) (E0 = O,43V) 2e- Plastoquinone (P ) Cytochrome b/f E - + Q 2e +2H 0 hν (E = 0,06V) 2e- Plastocyanin (E0 = O,365V) + 0,43 P700 2e- Photosystem I nADP + nPi nATP + nH O Enzym⎯⎯→hν 2
  33. „ Con đường vòng (vòng hở hay vòng không khép kín) thựchiệnbởihệ sắctố sóng ngắnvàcả sóng dài, bao gồm clorophin a có cực đạihấpthụở bước sóng λ< 680nm và các sắctố phụ khác. „ P680 là trung tâm phản ứng củaphản ứng sáng 2. Chấtnhận điệntửđầu tiên của PSII là C550 (một chấtchođếnnay cũng chưaxácđịnh chắcchắn).
  34. „ Trong quá trình vận chuyển điệntử, có sự tham gia của các hệ thống enzyme đặchiệu, nên hình thành các liên kết phosphoryl giàu năng lượng ATP mà không có tham gia củabấtkỳ mộtchất cho hay chấtnhận điệntử nào khác. „ Đólànétđặctrưng của quá trình phosphoryl hóa vòng và có thể trình bày theo phương trình tổng quát: nADP + n Pi→ nATP + nH2O
  35. a2. Quang Phosphoryl hóa không vòng (Noncyclic Photophosphorylation) H O + ADP + Pi +2NADP+ h ν ATP +2NADPH + ½ O 2 ⎯Enzym⎯→ 2
  36. „ Con đường không vòng thựchiệnbởihệ sắctố sóng ngắn và sóng dài bao gồm: clorophin a có cực đạihấpthuở bước sóng λ< 680nm và các sắc tố phụ khác. P680 là trung tâm phản ứng củaphản ứng sáng II. „ Chấtnhận điệntửđầu tiên của PSII là C550. „ Các sảnphẩmcủa quá trình quang phosphoryl hóa không vòng là ATP, NADPH và oxy, do đó có thể viếtphương trình tổng quát như sau: + 2H2O + 2ADP + 2Pi + 2NADP → 2ATP + 2NADPH + O2.
  37. a3.Hiệu quả năng lượng: * Quá trình Quang Phosphoryl hóa vòng: Trong quá trình này cứ trung bình 4 photon ánh sáng đỏ thì vận chuyển được4 điệntử và tạo đượctừ 2 đến 4 ATP (1 ATP =9kcal). Một photon ánh sáng đỏ có năng lượng là 42 Kcal, hiệusuấtnăng lượng tối đacóthể có của quá trình này là: (9x4/42x4) x 100% = 22%
  38. „ * Quá trình quang phosphoryl hóa không vòng: „ Kếtquả của quá trình quang Phosphoryl hóa không vòng là mộtphần quang năng bị biến đổi được dùng vào việctạo thành ATP, phầncònlại được dùng để tạo NADPH-H (=52 Kcal) và giải phóng O2. „ Tỷ lệ foton: điệntử: NADPH- H: ATP là 4:2:1:1. Như vậyhiệusuấtnăng lượng của quá trình này là: „ [(52+9)/168] x 100% = 36%. Hiệuquả năng lượng củaquang phosphoryl hóa không vòng cao hơnso với quang phosphoryl hóa vòng
  39. * Sự khác nhau giữa hai quá trình quang Phosphoryl hóa Quang Phosphoryl hóa vòng (Cyclic photophosphorylation) ‰ Điệntửđượcvận chuyển quay vòng Phosphoryl hóa ADP thành ATP bằng con đường hóa thẩmthấu. ‰ Không tạo thành carbonhydrat. ‰ Chỉ sử dụng P700. Quang phosphoryl hóa không vòng (Noncyclic photophosphorylation) ‰ Điệntửđược chuyển hóa từ sự phân ly nước. ‰ Giải phóng ra Oxy phân tử. ‰ TạoATP. ‰ Tạo Carbonhydrat là NADPH (chấtnhậne cuối cùng) để tham gia vào chu trình Calvin. ‰ Sử dụng P700 và P680.
  40. C. Liên quan giữa quá trình dị hóa (Catabolic Processes) – Quá trình Oxy hóa (Beta Oxidation) „ Chất béo (Fats consist) bao gồm thành phần chính là glycerol với 2 hay 3 acid béo (fatty acids) liên kết vớinó. „ Cơ thể hấpthụ chất béo sau đóbẽ gãy liên kếtgiữa acid béo và glycerol. „ Glycerol đượcbiến đổi thành glyceraldehyde phosphate, giai đoạn trung gian của glycolysis. „ Acid béo bẽ gãy thành hợpchấtgồm2C vàsauđó biến đổi thành acetyl CoA. ‰ 1 acid béo 8C có thể tạo thành 4 acetyl CoA. ‰ 1 acetyl CoA có giá trị 12 ATP (3 NADP, 1 FADH2, 1 ATP) ‰ Vì thế, 1 acid béo ngắncógiátrị 48 ATP, một acid béo với độ dài 3 chuỗitạo thành 144 ATP. ‰ Điều này giải thích vì sao chất béo là nguồnnăng lượng tốt và khó tiêu hao nếubạnmuốngiảm cân.
  41. D. So sánh giữaThựcvật(Plants) vàĐộng vật(Animals) về sự tổng hợpATP: „ Tế bào động vật (Animal cells) và tế bào thựcvật (Plant cells) đềuchứatythể (mitochondria) ‰ Tuy nhiên, tế bào động vậtchứa nhiềutythể hơntế bào thựcvật. „ Tế bào động vậtthuphầnlớnnăng lượng ATP từ ty thể (mitochondria). „ Tế bào thựcvật thu phầnlớnnăng lượng ATP từ lụclạp (chloroplast). „ ATP sảnsinhtừ ty thể chỉđượcsử dụng khi thực vật không thể sảnsinhATP trựctiếptừ phản ứng trong pha sáng (light-dependent reactions).
  42. 4. QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ATP: „ Một tính chấtquantrọng của phân tử ATP là dễ biến đổithuậnnghịch để giải phóng hoặctíchtrữ năng lượng. Khi ATP thủy phân nó sẽ tạorahai ADP và Pi - phosphate vô cơ: enzyme ATP + H2O Æ ADP + Pi + năng lượng „ NếuADP tiếptụcthủygiảisẽ thành AMP. Ngượclại ATP sẽđượctổng hợpnêntừ ADP và Pi nếucóđủ năng lượng cho phản ứng: enzyme ADP + Pi + năng lượng Æ ATP + H2O
  43. III. CHU TRÌNH ATP
  44. KẾT LUẬN „ Adenosinetriphosphate là mộtchấtchế biếnvàvận chuyểnnăng lượng. Nó đượctạo thành trong quá trình phân giảicácchất khác nhau như oxy hóa các chất trong ty thể, đường phân và lên men, quang hợp ở diệplụccủathựcvậtxanhvàcácquátrìnhvận chuyểnion ở vi khuẩn, Ngượclại, ATP cũng là chất cung cấpnăng lượng cho các quá trình tổng hợpcủa cơ thể sinh vật. Đólàcácphản ứng gắnliềnvới phân giảiphântử ATP, công co cơ, sinh tổng hợpcácchất protein, axit nucleic cũng như sản sinh và duy trì tính phân bố không đềucácchấtgiữatế bào vớimôi trường xung quanh.