Bài giảng Oxy hóa khử sinh học

Oxy hóa khử sinh học Ths. Nguyễn Thị Thanh Hải Bộ môn Hóa sinh - ĐHYHN 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. ATP và các hợp chất giàu năng lượng - Liên kết nghèo năng lượng: Khi thủy phân giải phóng 1000- 5000 calo. VD: liên kết este - Liên kết giàu năng lượng: Khi thủy phân giải phóng > 7000 calo. Liên kết anhydrid phosphat Liên kết acyl phosphat = -10,1 kcal/mol Liên kết enol phosphat = 14,8kcal/mol Liên kết amidphosphat = -10,3 kcal/mol Liên kết thioeste COOH l CH2 l CH2 l C ~ SCoA ll O Succinyl CoA R - C ~ SC0A ll O 7,7kcal Khái quát năng lượng sinh học 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. Sự đốt cháy các chất hữu cơ Ngoài cơ thể Trong cơ thể -Nhanh, mạnh, cần ngọn lửa -Oxy không khí tiếp xúc trực tiếp với cơ chất -Năng lượng giải phóng cùng 1 lúc dưới dạng nhiệt -Nhiệt độ không cao, môi trường 2/3 là nước, xảy ra từ từ từng bước -Oxy không tiếp xúc trực tiếp với cơ chất -Năng lượng giải phóng dần, dưới dạng hóa năng là chính, cần cho các hoạt động sống. Khái quát năng lượng sinh học Sự hô hấp tế bào Định nghĩa: Là quá trình tế bào sử dụng oxy đốt cháy các chất hữu cơ sinh năng lượng, giải phóng CO2 và H2O Quá trình tạo CO2 và H2O: - CO2 : khử carboxyl,năng lượng giải phóng ít decarboxylase RCOOH  RH + CO2 - H2O: nhờ dây chuyền phản ứng tách, vận chuyển H và e từ cơ chất đến O2 qua một loạt chất trung gian. (chuỗi vận chuyển điện tử). Giải phóng nhiều năng lượng. Sự phosphoryl oxy hóa Sự phosphoryl: sự gắn một gốc phosphat vào một chất hữu cơ. 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 đó 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 Tóm tắt các con đường thoái hóa G,L,Pr Bước 1 Bước 2 Bước 3 Chu trình acid citric Đây là giai đoạn thoái hóa cuối cùng chung của các chất Sản phẩm cuối cùng của các chất là acid pyruvic (3C) Chất đầu tiên đi vào chu trình citric là Acetyl CoA (2C) → Cần có phản ứng chuyển A.pyruvic thành Acetyl CoA A.Pyruvic → Acetyl CoA (VitB1) Phức hợp 3 enzym: E1: pyruvat dehydrogenase coenzym: TTP (thiamin pyrophotphat – Vit B1) E2: Dihydrolipoyl transacetylase coenzym: lipoamid E3: Dihydrolipoyl dehydrogenase coenzym: FAD A.Pyruvic → Acetyl CoA A.Pyruvic → Acetyl CoA (VitB1) Chu trình citric 8 phản ứng 1. Citrat Synthase HO CH2 O C OH O HO CH2 HO O HO CH2 O C HO O O H3C C SCoA O + HS-CoA CitrateAcetyl CoAOxaloacetat 2. Aconitase HO CH2 O C OH O HO CH2 HO O HO CH2 O CH OH O CH HO O Citrate Cis-Aconitate HO CH2 O HC OH O C HO O HHO Isocitrate H2O H2O 3.Isocitrat dehydrogenase NAD+ NADH CO2 HO CH2 O H2C C HO O O CoAS O HO CH2 O CH2 CoA ̴ SH, NAD+ NADH 4.a-Cetoglutarat dehydrogenase CO2 a-Cetoglutarat Succinyl-CoA 5.Succinyl-CoA Synthetase (thiokinase) CoAS O HO CH2 O CH2 Succinyl-CoA HO O HO CH2 O CH2 Succinat GTP GDP + Pi CoA ̴ SH 6.Succinat dehydrogenase HO O HO CH2 O CH2 HO O HO CH O CH Succinat Fumarat FADH2 FAD+ Succinat dehydrogenase là enzym gắn màng duy nhất trong chu trình citric 7. Fumarase 8. Malat dehydrogenase HO O HO H2C O C OHH O HO O HO H2C O C NAD+ NADH Malat Oxaloacetat Chu trình citric Kết quả của chu trình Citric 9 2 1 3 1 1 1 3 Ý nghĩa chu trình citric - Là giai đoạn 3, giai đoạn thoái hóa cuối cùng chung của các chất, xảy ra trong ty thể ở điều kiện ái khí - Ý nghĩa năng lượng: tạo nhiều năng lượng, 1 gốc acetyl  12 ATP - Ý nghĩa tổng hợp: tiền chất tổng hợp nhiều chất khác Phản ứng 1 Phản ứng 3 Phản ứng 4 NADH Acetyl CoA Điều hòa chu trình citric ATP Bước 1 Bước 2 Bước 3 Chuỗi hô hấp tế bào Tóm tắt các con đường thoái hóa G,L,Pr 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. Các phức hợp vận chuyển điện tử 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) Cơ chế vận chuyển điện tử và H của NAD+ Cơ chế vận chuyển e của FAD hay FMN Các trung tâm sắt lưu huỳnh Phức hợp I Khoảng giữa 2 màng (P) Lòng ty thể (N) 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). Phức hợp Succinat Dehydrogenase. Sự di chuyển điện tử tới ubiquinon, QH2. Ubiquinon (CoQ) -Là benzoquinon có chuỗi bên isoprenoid dài, tan trong lipid. -Kích thước nhỏ: chuyển động trong màng. -Khả năng gắn e- và H+ : nhận và chuyển e- và H+. Khoảng giữa 2 màng Lòng ty thể Sự vận chuyển điện tử đến coenzym Q 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) Phức hợp III còn gọi là phức hợp cytochrom bc1 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. 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 Phức hợp IV Khoang giữa 2 màng Lòng ty thể Tóm tắt chuỗi vận chuyển điện tử 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 dần ở từng chặng. Cách tính năng lượng giải phóng DG°’ = -nFDE°’ 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°’ = E°’chất nhận e - E°’ chất cho e NADH + H+ + ½ O2 → NAD + + H2O NAD+ + H+ + 2e- ↔ NADH E°’ = -0.320 V ½ O2 + 2H + + 2e- ↔ H2O E°’ = 0.82V → 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 Cách tính năng lượng giải phóng Cơ chế tạo ATP của ty thể 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. Cấu tạo ty thể (mitochondrion), Vị trí xảy ra sự phosphoryl oxy hóa ở các tế bào nhân thật. 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 a và 3 tiểu đơn vị  được gắn với Fo qua các tiểu đơn vị , δ, ε. ATP synthase 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. Lòng ty thể Khoang giữa 2 màng 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) Cơ chế quay của ATP synthase tạo ATP Sự chênh lệch pH giữa 2 màng (bên trong kiềm hơn) Tổng hợp ATP do lực đẩy H+ Sự chênh lệch điện thế (bên trong mang điện âm) 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 Điều hòa tổng hợp ATP Ty thể tổng hợp ATP theo nhu cầu năng lượng của tế bào (nồng độ ADP) Quá trình tổng hợp ATP được kích thích: nồng độ ATP giảm, tăng nồng độ succinat, ADP+Pi Quá trình tổng hợp ATP bị ức chế bởi các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào hoặc chất phá ghép quá trình oxy và phosphoryl hóa Các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào Các chất phá ghép quá trình oxy phosphoryl hóa 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 Bệnh lý: basedow Điều hòa tổng hợp ATP Chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào Chất phá ghép quá trình oxy phosphoryl hóa Các chất ức chế hô hấp tế bào 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 Tóm tắt