Trao đổi chất ở cơ thể sống

TRAO ĐỔI CHẤT Ở CƠ THỂ SỐNG 1.Các phương trình phản ứng tổng của các chuỗi trao đổi chất Trong chương này các phương trình phản ứng tổng không bao gồm các phản ứng tải oxy hóa của các coenzym khử. Khi có acid tham gia có thể dùng tên acid hoặc tên base liên hợp với nó. Ví dụ gọi acid pyruvic hoặc là pyruvat vì có sự cùng tồn tại ở môi trường CH3COCOOH và CH3COCOO- (+H+). Ở trường hợp sau phải kể đến ion H+ để cân bằng phản ứng. Ký hiệu ~ để chỉ một liên kết mà khi thủy phân nó biến thiên năng lượng tự do chuẩn có độ âm tính rất cao (<-7 kcal mol-1). 2. Các điều kiện sinh lý và điều kiện chuẩn Trong tế bào các phản ứng diễn ra trong những điều kiện nồng độ khác xa so với các điều kiện chuẩn. Nồng độ của các chất phản ứng thường là thấp. Do đó, biến thiên năng lượng tự do của phản ứng in vivo sẽ khác với điều kiện chuẩn về giá trị tuyệt đối và đôi khi cả về dấu. Do các giới hạn về nồng độ các chất tham gia nên nhiều phản ứng là thuận nghịch in vitro nhưng không hẳn là thuận nghịch in vivo. Đối với đa số các phản ứng in vivo thường tồn tại một “ trạng thái dừng”: ở trạng thái đó tốc độ tiêu thụ các sản phẩm. Nếu trạng thái dừng thực hiện trong các điều kiện gắn với điều kiện cân bằng thì biến thiên năng lượng tự do của một phản ứng sẽ bé về giá trị tuyệt đối và phản ứng đó là phản ứng thuận nghịch. Trong trường hợp ngược lại, biến thiên năng lượng tự do là cao về giá trị tuyệt đối và phản ứng càng khó thuận nghịch khi biến thiên năng lượng tự do có giá trị càng âm. 3. Sự vận chuyển năng lượng nội bào - ATP ATP là hợp chất giữ vai trò quan trọng trong trao đổi năng lượng nội bào. Trong những điều kiện chuẩn khi có dư ion Mg2+, biến thiên năng lượng tự do của phản ứng tổng hợp ATP từ ADP và Pi bằng 7,3 kcal mol-1 ở 370C. Biến thiên năng lượng tự do chuẩn của phản ứng thủy phân ATP thành ADP và Pi lại bằng -7,3 kcal mol-1 ở 370C. Quá trình tổng hợp ATP từ ADP và Pi phải được cặp đôi với một phản ứng phát năng lượng là phản ứng oxy hóa. Còn phản ứng thu năng lượng lại thường ghép đôi với phản ứng thủy phân ATP thành ADP + Pi. 3.1. Phản ứng oxy hóa- khử và tạo ATP Các tế bào thường thu năng lượng từ các phản ứng oxy hóa, là những phản ứng phát năng lượng. Một phần quan trọng của năng lượng đó không được sử dụng ngay mà được dự trữ trong các phân tử ATP. Thông thường, cơ chất hiếm khi bị oxy hóa trực tiếp bởi oxy phân tử. Sự oxy hóa nó thường được tiến hành bằng bằng cách khử hydro như trường hợp oxy hóa acid lactic thành acid pyruvic, được xúc tác bởi L-lactatdehydrogenase: CH3- CHOH-COOH → CH3COCOOH + 2H+ Phản ứng này thường xảy ra ở trong tế bào chất. Hai nguyên tử hydro được gắn vào một chất nhận, trường hợp này là NAD+: CH3- CHOH-COOH + NAD+ → CH3COCOOH + NADH + H+ (1) Trong các điều kiện sinh lý, phản ứng này có thể tiến hành theo chiều từ trái sang phải, còn trong điều kiện chuẩn thì lại xảy ra theo chiều ngược lại nghĩa là theo chiều acid pyruvic chuyển thành acid lactic. (ở bài tập số 5.22 phần thế oxy hóa – khử, chương V). Chất NADH và H+ được tạo nên từ phản ứng (1) lại trở thành chất cho hydro và khử các cơ chất khác. Trong quá trình oxy hóa hiếu khí vốn xảy ra ở ty thể, hai nguyên tử hydro được vận chuyển nhờ một dãy các hợp chất có khả năng tiếp nhận rồi lại cho electron lần lượt nối tiếp nhau theo thế oxy hóa – khử chuẩn tăng dần cuối cùng tới oxy phân tử [thế oxy hóa-khử chuẩn của cặp bằng -0,81V] Phản ứng tổng quát của sự oxy hóa NADH (H+) ở trong ty thể như sau: NADH + H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O (2) và NAD+ được tái tạo lại. Nếu cộng hai phản ứng (1) và (2) sẽ được: CH3- CHOH-COOH + ½ O2 → CH3 - CO-COOH + H2O (3) nghĩa là lactat được oxy hóa tạo thành pyruvat. Sự tái oxy hóa NADH (H+) thành NAD+ được cặp đôi với phản ứng tổng hợp ba phân tử ATP từ ADP và Pi: 3 ADP + 3 Pi → 3 ATP + 3 H2O 3.2. Các phản ứng thu năng lượng và tiêu thụ ATP Các phản ứng thu năng lượng thường được kết hợp với sự thủy phân các liên kết anhydrid acid của ATP. Ví dụ: -D-Glucose + ATP → D-glucose – 6P + ADP Puruvat + CO2 → oxaloacetat ATP + H2O → ADP + Pi 4. Xác định các đường hướng trao đổi chất bằng đồng vị phóng xạ Để theo dõi sự biến đổi của một phản ứng trong tiến trình của một hoặc nhiều phản ứng cũng như để xác định con đường trao đổi chất, người ta có thể thay thế một hoặc nhiều nguyên tử của hợp chất bằng các đồng vị phóng xạ thích ứng. Đó là cách đánh dấu hợp chất, hợp chất này sau đó được tiêm vào động vật hoặc đưa vào các canh trường tế bào, cũng như các hệ phi tế bào. Ở đó sẽ xảy ra các phản ứng trao đổi. Công việc tiếp theo là theo dõi và xác định các hợp chất thu được trong đó có chứa nguyên tử hoặc các nguyên tử phóng xạ, từ đó rút ra các đường hướng trao đổi chất liên quan tới hợp chất tham gia vào phản ứng. BÀI TẬP 1.a.Viết phương trình oxy hóa hoàn toàn của acid acetic in vitro. b. Viết phương trình đó trong in vivo c. Tính số phân tử ATP hình thành ứng với một nguyên tử cacbon của acid acetic khi oxy hóa hoàn toàn acid acetic in vivo. 2. a.Viết phương trình oxy hóa hoàn toàn acid pyruvic in vitro. b. Viết phương trình đó in vivo c. Tính số phân tử ATP hình thành ứng với một nguyên tử cacbon của acid pyruvic khi oxy hóa hoàn toàn acid pyruvic in vivo. 3. Viết phương trình oxy hóa hoàn toàn D - gliceraldehyd in vitro. b. Viết phương trình đó in vivo c. Tính số ATP tạo thành ứng với một nguyên tử cacbon của chất đó khi oxy hóa hoàn toàn in vivo. 4. Viết phương trình oxy hóa hoàn toàn D-glucose in vitro. Viết phương trình đó in vivo ? Tính số ATP tạo nên với một nguyên tử cacbon của D-glucose khi oxy hóa hoàn toàn in vivo. 5. Viết phương trình chuyển hóa D-glucose thành acid pyruvic. 6. Viết phương trình biến đổi acid pyruvic thành D-glucose. 7. Viết phương trình của một chu trình - oxy hóa một acid béo no có số chẵn nguyên tử cacbon 2 n, được este hóa bởi coenzym A. Tính số ATP mà một chu trình - oxy hóa có thể tạo nên. 8. Viết phương trình chuyển hóa một acid béo no có số nguyên tử cacbon chẵn 2 n thành acetyl coenzym A. Viết phương trình này với acid palmitic. 9. Viết phương trình oxy hóa một phân tử acid béo no có số nguyên tử cacbon chẵn (2 n) in vitro. Viết phương trình đó in vivo. 10. Viết phương trình chuyển hóa acety coenzym A thành một acid béo có số cacbon chẵn (2 n). Viết phương trình đó với acid palmitic. 11. Viết phương trình chuyển hóa D-glucose thành acid palmitic. 12. Trình bày và so sánh hai loại phản ứng: phân giải và tổng hợp các acid béo no có số nguyên tử cacbon chẵn (phân giải acid béo đến acetyl coenzym A, tổng hợp acid béo đi từ acetyl-ACP-(ACP-AcylCarrier Protein)). 13. Giải thích vì sao con người không có khả năng tổng hợp được các đường đi từ các acid béo. 14. Viết phương trình tổng quát của chu trình glyoxal. 15. Viết phương trình chuyển hóa acid palmitic thành D-glucose. 16. Viết phương trình phân giải hoàn toàn alanin thành CO2, H2O và NH3. Có bao nhiêu phân tử ATP tạo ra ứng với một nguyên tử cacbon của L-alanin trong các điều kiện này ? 17. Viết phương trình chuyển hóa từ một acyl-ACP no có số cacbon chẵn (2n) và malonyl-ACP thành một acyl-ACP có 2n+2 nguyên tử cacbon. 18. a.Viết phản ứng chuyển hóa propionyl-ACP và malonyl-ACP thành nonalonyl-ACP (acid nonanoic có 9 cacbon). b. Nguyên tử cacbon nào của nonalonyl-ACP đến từ malonyl-ACP? 19. Phản ứng (xúc tác bởi enzym aldolase) sau: D-glucose-1,6diphosphat D D-Gliceraldehyd-3-phosphat + dihydroxyaceton-phosphat xảy ra theo chiều phản ứng từ trái sang phải có biến thiên năng lượng tự do chuẩn bằng 5,79 kcal mol-1 ở 370C. Trong những điều kiện chuẩn, phản ứng có xảy ra theo chiều đường phân không ? 20. Xét phản ứng như bài tập 6.19. In vivo, người ta tìm thấy các nồng độ sau: (µM) D-fructose – 1,6-diphosphat (F-1,6 dP) : 31 D-Gliceraldehyd-3-phosphat (GAP) : 18,5 Dihydroxyaceton – phosphat (DHP) : 138 a.Hỏi ở các điều kiện nồng độ in vivo có gần với nồng độ ở lúc cân bằng không ? b.Phản ứng có dễ dàng thuận nghịch in vivo không ? 21. Biến thiên năng lượng tự do chuẩn của phản ứng sau từ trái sang phải: D-glucose + ATP D-glucose-6 - phosphat + ADP Là ΔG0’ = - 4,16 kcal mol-1 ở 370C. in vivo người ta tìm thấy các nồng độ sau : (µM) D-glucose : 5000 D-glucose 6-P : 83 ATP : 1850 ADP : 138 a.Hỏi các nồng độ in vivo trên có gần với điều kiện nồng độ cân bằng không ? b.Phản ứng có dễ dàng thuận nghịch không ? 22. Biến thiên năng lượng tự do chuẩn của phản ứng sau: Phosphoenolpyruvat + ADP pyruvat + ATP Theo chiều từ trái sang phải bằng – 7,8 kcal mol-1 ở 370C. In vivo có các nồng độ sau : (µM) Phosphoenolpyruvat: 23 ADP : 138 pyruvat: 51 ATP : 1850 b.Nồng độ này có chấp nhận được in vivo không ? 23. Ở điều kiện chuẩn vì sao trong phản ứng hoạt hóa một acid béo bởi coenzym A lại xảy ra sự phân cắt ATP thành AMP và PPi có lợi hơn là phân cắt ATP thành ADP và Pi. Acid béo + CoA-SH + ATP → acetyl CoA + AMP + PPi (Biến thiên năng lượng tự do chuẩn của sự thủy phân một liên kết alhydrid phosphoric và một liên kết thioester có giá trị gần bằng nhau: ~ - 7,3kcal mol-1 ở 370C) 24. a.Vì sao phản ứng hoạt hóa D-glucose ở các điều kiện chuẩn: D-glucose + ATP D D-glucose 6- P + ADP Lại xảy ra sự giải phóng ADP chứ không tạo ra AMP và PPi. (Cho biết biến thiên năng lượng tự do chuẩn của sự thủy phân một liên kết alhydrid phosphoric bằng - 7,3 kcal mol-1 ở 300C) b. Trả lời cho câu hỏi a, in vivo (ở hồng cầu) cho biết các nồng độ sau (µM) D-glucose : 5000 ATP : 1850 D-glucose 6-P : 83 ADP : 138 25. Biến thiên năng lượng tự do của sự oxy hóa D-glucose và acid palmitic lần lượt bằng -686 kcal mol-1 và - 2340 kcal mol-1 ở 370C. Tính năng lượng giải phóng do sự oxy hóa mỗi nguyên tử cacbon của D-glucose và của acid palmitic. 26. Tính năng lượng dự trữ trong ATP khi 1g tinh bột bị hoàn toàn oxy hóa ở 370C (theo kcal). 27. a. Tính số năng lượng theo kcal được dự trữ dưới dạng ATP khi 1g tripalmitylglicerol bị oxy hóa ở 370C. b.Hỏi số phân tử ATP tạo thành trên một nguyên tử cacbon khi oxy hóa hoàn toàn một phân tử tripalmitylglicerol ? 28. Biến thiên năng lượng tự do chuẩn của phản ứng: NADH + H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O Bằng khoảng - 52,12 kcal. mol-1 ở 370C. Biết rằng phản ứng này cho phép tổng hợp ra ba phân tử ATP từ ADP và Pi. Tính hiệu suất của việc dự trữ năng lượng. 29. Chất D – fructose – 1,6 – diphosphat dưới tác dụng của enzym aldolase sẽ bị phân cắt thành hai mảnh. Người ta đánh dấu phóng xạ chất đó bằng 14C ở cacbon số 1. Hỏi sản phẩm nào thu được sẽ chứa cacbon phóng xạ và cacbon này ở vị trí nào của sản phẩm đó? Nếu hoạt độ riêng của chất ban đầu bằng 40mC1/mmol. Cho biết hoạt độ riêng của sản phẩm phóng xạ (C1 là đơn vị Curie). 30. Sau khi ủ chất D-glucose chứa 14C ở C1 với các lát gan, người ta tách được acid pyruvic. a.Hỏi nguyên tử cacbon nào của acid pyruvic là phóng xạ ? b.Hỏi nguyên tử cacbon nào của acid pyruvic xuất phát từ nguyên tử cacbon 4,5 và 6 của glucose ? 31. Acid pyruvic chứa14C ở C1 bị phân giải thành acetyl CoA, chất này đến lượt lại bị oxy hóa trong chu trình Krebs. Ở vòng đầu của chu trình này đã có những nguyên tử cacbon nào của các acid –cetoglutaric, succinic và oxaloacetic là phóng xạ ? 32. Cho L-alanin chứa14C ở C2 ủ với lạt mô gan. Hỏi các nguyên tử cacbon nào của các acid –cetoglutaric, succinic và oxaloacetic sẽ bị đánh dấu ở chặng đường đầu của chu trình Krebs ? 33. Người ta đưa vào cơ thể chuột chất L-alanin chứa14C ở C2.Hỏi nguyên tử cacbon nào của glucose và của acid palmitic tạo thành sẽ được đánh dấu phóng xạ? BÀI GIẢI 1. a.CH3COOH + 2O2 →CO2 + 2H2O b.Hoạt hóa acid acetic (xúc tác bởi acetyl thiokinase): CH3COOH + ATP + CoA-SH →CH3CO~SCoA + AMP + PPi Oxy hóa acetyl CoA 9chu trình Krebs): CH3CO~ScoA + 2H2O + GDP+ Pi + 3 NAD+ + FAD → 2CO2 + CoA-SH + GTP + 3NADH + 3H+ + FADH2 Phản ứng tổng: CH3COOH+ 2H2O + ATP + GDP + Pi + 3 NAD+ + FAD → →2CO2 + AMP +GTP + PPi + 3NADH + 3H+ + FADH2 c.Một phân tử GTP được tạo ra ở mức cơ chất. Liên kết giàu năng lượng của GTP sẽ được chuyển đến ADP (xúc tác bởi nucleotid diphosphokinase): GTP + ADP D GDP + ATP Và cuối cùng tổng hợp nên một phân tử ATP. Qua chuỗi hô hấp, ba phân tử NADH2 và 1 FADH2 sẽ bị oxy hóa bởi oxy phân tử kết hợp với sự phosphoryl hóa để tạo ra ATP: 3NADH2 +3/2 O2 → 3 NAD+ + 3H2O 9ADP + 9 Pi → 9ATP + 9H2O FADH2 + 1/2 O2→ FAD + H2O 2ADP + 2 Pi →2ATP + 2H2O Vì một phân tử ATP đã bị thủy phân thành AMP và PPi để hoạt hóa acid acetic. Như vậy, oxy hóa hoàn toàn in vivo một phân tử acid acetic cho phép tổng hợp được 11 phân tử ATP, tức là ứng với một nguyên tử cacbon của acid acetic tạo ra 11/2 = 5,5 phân tử ATP. 2. a.CH3COCOOH + 5/2O2 → 3CO2 + 2H2O b.Decarboxyl hóa oxy hóa acid pyruvic: CH3COCOOH+ CoA-SH + NAD+ →CH3CO~SCoA + CO2 + NADH2 Oxy hóa acetyl CoA (chu trình Krebs): CH3CO~SCoA+ 2H2O +GDP + Pi + 3NAD+ +FAD → → 2CO2+ CoA-SH + GTP + 3NADH2 + FADH2 Phản ứng tổng: CH3COCOOH+ 2H2O+GDP + Pi + 4NAD+ +FAD→ →3CO2+GDP+ 4NADH2 + FADH2 c.Oxy hóa hoàn toàn in vivo một phân tử acid cho phép tổng hợp được 15 phân tử ATP, tức 5 phân tử ATP trên một nguyên tử cacbon của acid pyruvic. 3.a. CH2OH-CHOH-CH=O + 3O2 → 3CO2 + 3H2O b.Hoạt hóa D-Glyceraldehyd (xúc tác bởi triokinase): D-Glyceraldehyd + ATP → D-Glyceraldehyd-3-phosphate + ADP Chuyển hóa D-Glyceraldehyd-3-phosphat thành acid pyruvic: D-Glyceraldehyd-3-phosphate + 2ADP + Pi + NAD+→ → CH3COCOOH+ H2O + 2ATP + NADH2 Oxy hóa hoàn toàn acid pyruvic: CH3COCOOH+ 2H2O+GDP + Pi + NAD+ +FAD →3CO2 +GDP + + 4NADH2+ FADH2 Tổng cộng: D-Glyceraldehyd+ 2H2O+ADP + GDP + 2Pi + 5NAD+ +FAD → →3CO2 + ATP+ GDP+ 5NADH2+ FADH2 c.Oxy hóa hoàn toàn in vivo một phân tử D-Glyceraldehyd cho phép tổng hợp được 19 phân tử ATP, tức là 6,33 phân tử ATP trên một nguyên tử cacbon của D-Glyceraldehyd. 4. a.C6H12O6 + 6 O2 → 6H2O + 6 CO2 b.Chuyển hóa D-glucose thành D-Glyceraldehyd-3-phosphat: D-glucose + 2ATP →2D-Glyceraldehyd-3-phosphat + 2ADP Oxy hóa hoàn toàn D-Glyceraldehyd-3-phosphate: 2D-Glyceraldehyd-3-phosphat + 2H2O+ 4ADP + 2GDP + 4Pi + 10NAD+ +2FAD →6CO2 +4ATP+ 2GDP+ 10NADH2+ 2FADH2 Tổng cộng: D-glucose + 2H2O+2ADP + 2GDP + 4Pi + 10NAD+ +2FAD → →6CO2 + 2ATP+ 2GDP+ 10NADH2+ 2FADH2 c.Oxy hóa hoàn toàn in vivo một phân tử D-glucose cho phép tổng hợp được 38 phân tử ATP, tức là 6,33 phân tử ATP trên một nguyên tử cacbon của D-glucose. 5. D-Glucose + 2ADP +2Pi + 2NAD+→ →2CH3COCOOH + 2H2O +2ATP+ 2NADH2 6. 2acid pyruvic + 6H2O +4ATP+2GDP + 2NADH2 → → D-Glucose + 4ADP +2GDP + 6Pi + 2NAD+ 7. a. CH3 –(CH2)2n-2-CO~SCoA + CoA-SH + H2O+NAD++FAD → → CH3 –(CH2)2n-4-CO~SCoA+ CH3 –CO~ScoA+NADH2+ FADH2 b.Một chu trình cho phép tổng hợp được 5 mol ATP. 8. a.CH3-(CH2)2n-2-COOH+nCoA-SH+(n-1) H2O +ATP+(n-1)NAD++ (n-1)FAD → nCH3 -CO~SCoA+ AMP + PPi +(n-1)NADH2+ (n-1)FADH2 b.Acid palmitic + 8 CoA-SH + 7H2O +ATP+7NAD++ FAD → →8CH3 -CO~SCoA+ AMP + PPi +7NADH2+ 7FADH2 9. a. CH3 -(CH2)2n-2-COOH+ (3n-1)O2 → 2nCO2+ 2nH2O b.Chuyển hóa acid béo thành acetyl CoA: CH3 -(CH2)2n-2-COOH+ nCoA-SH+(n-1)H2O +ATP+(n-1)NAD++ (n-1)FAD → nCH3 -CO-SCoA+ AMP + PPi +(n-1)NADH2+ (n-1)FADH2 Oxy hoàn toàn acetyl-CoA (Chu trình Krebs): nCH3 -CO~SCoA+ 2nH2O + nGDP + nPi + 3nNAD++ nFAD→ →2nCO2+ nCoA-SH+nGTP +3NADH2+ nFADH2 Phản ứng tổng: CH3-(CH2)2n-2-COOH+ (3n-1)H2O+ATP+nGDP+nPi+(4n-1)NAD++ +(2n-1)FAD→2nCO2+ AMP + nGTP + PPi +(4n-1)NADH2+ (2n-1)FADH2 c. nGTP + nADP → nATP (4n-1) 3NADH2→ (12n-3)ATP (2n-1)FADH2→ (4n-2)ATP Oxy hoàn toàn một phân tử acid béo no có số nguyên tử cacbon chẵn (2n) cho phép tổng hợp được 17n-6 phân tử ATP, tức bằng khoảng 8,5 phân tử ATP trên nguyên tử cacbon của acid béo. d. Acid palmitic + 23 H2O + ATP + 8GDP + 8Pi + 31 NAD++ +15FAD→16CO2+ AMP + 8GTP + PPi +31NADH2+15FADH2 10. a.Chuyển hóa acetyl CoA thành acetyl-ACP: CH3 -CO~SCoA+ ACP-SH → CH3 –CO-SACP + CoA-SH Chuyển hóa (n-1) phân tử acetyl CoA thành (n-1) phân tử malonyl-ACP: (n-1)CH3 -CO~SCoA+ (n-1)ACP-SH +(n-1)CO2+(n-1)ATP+(n-1)H2O → → (n-1) HOOC-CH2 -S-ACP + (n-1) CoA-SH +(n-1)ADP + (n-1)Pi. Chuyển hóa một phân tử acetyl-ACP và (n-1) phân tử malonyl-ACP thành acetyl-ACP no có 2n nguyên tử cacbon: CH3 -CO-S-ACP + (n-1)HOOC-CH2-CO~S-ACP +2(n-1)NADPH2 → → CH3-(CH2)2n-2-CO~S-ACP +(n-1)ACP-SH + +(n-1) H2O+(n-1)CO2+2(n-1) NADP+ Thủy phân acyl-ACP: CH3-(CH2)2n-2-CO~S-ACP +H2O→ CH3-(CH2)2n-2-COOH + ACP-SH + Phương trình tổng : n CH3-CO~S-CoA+H2O+(n-1)ATP+2(n-1)NADPH2→ → CH3-(CH2) 2n-2-COOH + nCoA-SH +(n-1)ADP + (n-1)Pi+ 2(n-1)NADP+ b. 8 CH3-CO~S-CoA+H2O + 7ATP+ 14NADPH2→ CH3-(CH2)14-COOH + 8CoA-SH +7ADP + 7Pi+ 14NADP+ 11.a. Chuyển hóa glucose thành pyruvat: 4D-glucose + 8ADP + 8Pi + 8NAD+ →8 CH3-CO-COOH+ + 8H2O + 8ATP + 8NADH2 b. Chuyển hóa thành pyruvat acetyl CoA: 8 CH3-CO-COOH+ 8CoA-SH+ 8NAD+ → 8CH3-CO~S-CoA + + 8CO2+ 8NADP c. Chuyển hóa acetyl CoA thành acid palmitic: 8CH3-CO~S-CoA + H2O + 7ATP+ 14NADPH2→ → acid palmitic + 8CoA-SH + 7ADP + 7Pi+ 14NADP+ Phương trình tổng : 4D-glucose + ADP + Pi + 16NAD+ + 14NADPH2→ → acid palmitic + 7H2O + 8CO2+ATP +16NADH2+ 14NADP+ 12. A.Phản ứng phân giải: a.Xảy ra ở trong ty thể. b.Có chất chuyển nhóm acyl tham gia CoA-SH. c.Phản ứng cuối cùng (được xúc tác bởi –cetothiolase) là bất thuận nghịch. d.Có các chất nhận electron tham gia : FAD, NAD+. e.Tạo ra L (+) -3-hydroxyacyl-CoA. f.Các bộ xương chứa hai cacbon được lấy ra dưới dạng acetyl-CoA. g.Làm giàu kho chất khử (NADH2,FADH2) của tế bào. h. NADH2 và FADH2 thông qua chuỗi hô hấp trong các ty thể được tái oxy hóa bằng oxy phân tử và tạo ra ATP. B.Phản ứng tổng hợp a.Xảy ra trong bào tương b.Có chất chuyển nhóm acyl tham gia ACP-SH. c.Phản ứng đầu tiên (được xúc tác bởi enzym acetyl-CoA- cacboxylase) là bất thuận nghịch. d.Có các chất cho electron tham gia : NADPH2 e.Tạo ra D (-) -3-hydroxyacyl- ACP. f.Các bộ xương chứa hai cacbon được đưa vào dưới dạng malonyl-CoA (3nguyeen tử cacbon) trừ cái đầu tiên đưa vào dưới dạng acetyl- ACP. g.Làm nghèo kho chất khử của tế bào. h. Tiêu thụ ATP để hình thành nên malonyl-CoA dạng đã hoạt hóa của acetyl-CoA, đi từ acetyl-CoA và CO2. (Phản ứng phân giải và phản ứng tổng hợp các acid béo hoàn toàn độc lập với nhau vì chúng dược tiến hành trong các vùng tách biệt nhau của tế bào cũng như một số giai đoạn của chúng là khác nhau). 13. Sản phẩm phân giải của các acid béo tổng hợp bằng -oxy hóa, là acetylCoA. AcetylCoA không thể bằng con đường trao đổi chất nào để kết nối được với con đường sinh thành ra glucose, vì những lý do sau: -Phản ứng decacboxyl hóa oxy hóa acid pyruvic là phản ứng bất thuận nghịch bởi vì biến thiên năng lượng tự do của nó là âm. -Nếu acetyl-CoA từ ngưng tụ được với oxaloacetat thì citrat tạo ra có thể thoát ra khỏi ty thể để bị cắt thành oxaloacetat và acetyl-CoA khi có mặt của enzym citratliase của bào tương. Nhưng việc tách citrat ra sẽ làm hại chu trình Krebs làm cho chu trình mất khởi động. Ngược lại, nếu citrat gia nhập vào chu trình Krebs thì sẽ dẫn đến tạo thành malat. Malat cũng có thể thoát ra khỏi ty thể và có thể bị oxy hóa sau này thành oxaloacetat khi có mặt enzym malat dehydrogenase của bào tương. Nhưng chu trình Krebs sẽ bị mất khởi động cho dù ở một giai đoạn sớm hơn. Và trong cả hai trường hợp, bằng mọi cách ta đều không có được oxaloacetat là chất cần thiết cho sự khởi đầu một vòng thứ hai. Ngược lại nếu ta có được oxaloacetat bằng một vòng quay của chu trình Krebs thì oxaloacetat sẽ ngưng tụ với một phân tử Acetyl-CoA thứ hai để tạo thành citrat. Và vòng quay thứ hai của chu trình Krebs có thể xảy ra ngay tức khắc. Mà mỗi vòng quay của chu trình Krebs đều dẫn đến giam giữ một phân tử acetyl CoA và kèm theo oxy hóa hoàn toàn một nhóm acetyl thành CO2 và H2O. Do đó, chu trình Krebs không thể “lưu thông” được các “mảnh hai cacbon” vì lẽ chu trình sẽ đốt cháy các mảnh hai cacbon này. (Các hạt của cây thượng đẳng có thể tổng hợp được các đường đi từ các acid béo vì ở chúng còn có sở hữu một chu trình khác nữa là chu trình glyoxal). 14. 2Acetyl CoA + 2 H2O + NAD+ → succinat + 2 CoA-SH + NADH2 Chu trình glyoxal xảy ra ở trong glioxysom của một số tế bào thực vật. Hai phân tử acetyl-CoA xuất phát từ sự phân giải các acid béo bằng -oxy hóa được đưa vào chu trình. Khác với chu trình Krebs, ở đây các nhóm acetyl không bị oxy hóa mà được bảo toàn rồi được đưa vào trong bộ xương bốn cacbon của succinat vốn dĩ là điểm khởi đầu của quá trình tổng hợp các glucid (→oxalacetat → phosphoenolpyruvat →D-glucose-6-phosphat). 15. Sự chuyển hóa này chỉ có thể xảy ra trong các tế bào có khả năng tiến hành chu trình glyoxal. a.Sự phân giải acid palmitic thành acetyl CoA: Acid palmitic → 8CoA -SH +7H2O +ATP +7NAD++7FAD → → 8CH3 -CO~SCoA + AMP + PPi + 7NADH2 + 7FADH2 b.Chuyển hóa acetyl CoA thành succinat (chu trình glyoxal): 8 Acetyl CoA+8H2O +4NAD+ → 4succinat +8CoA-SH + 4NADH2 c.Chuyển hóa succinat thành phosphoenolpyruvat: 4succinat +4H2O + 4GTP+4NAD++4FAD → → 4phosphoenolpyruvat+4CO2+4GDP+4 NADH2+ 4FADH2 d.Chuyển hóa phosphoenolpyruvat thành D-glucose 4phosphoenolpyruvat+8H2O +4ATP+4 NADH2→ →2 D-glucose + 4ADP + 8Pi + 4NAD+ e.Phương trình phản ứng tổng : Acid palmitic +27H2O +5ATP + 4GTP+11NAD++11FAD → → 2 D-glucose + 4CO2+4ADP + AMP +4GDP +8PPi + + 11NADH2+ 11FADH2 16. a.Chuyển amin hóa của L-alanin : 2L-alanin + 2-cetoglutarat → 2pyruvat + 2L-glutamat b.Khử amin hóa oxy hóa L-glutamat: 2L-glutamat + 2H2O +2NAD+ →2-cetoglutarat + 2NH3 + 2NADH2 c. Phản ứng sinh ure: CO2+ 2H2O+ 2NH3+4ATP→ ure + 2ADP + AMP +2Pi+Ppi d. oxy hóa hoàn toàn pyruvat: 2pyruvat+ 4H2O+2GDP +2Pi+8NAD++8FAD→ → 6CO2+2GTP+ 8NADH2+ 2FADH2 e.Phương trình phản ứng tổng : 2L-alanin +8H2O +3ATP + 2 GDP +10NAD++2FAD → → ure +5CO2+2ADP + AMP +2GTP +PPi +10NADH2+ 2FADH2 Số phân tử tạo ra: 2GTP+2ADP→2ATP+ 2 GDP 10NADH2→30ATP →36ATP 2FADH2→4ATP Có ba phân tử ATP đã tiêu tốn cho sự sinh ure. Vậy, khi phân giải hoàn toàn hai phân tử 2L-alanin thành CO2, H2O, NH3 sẽ cho phép tổng hợp được 33 phân tử ATP, tức là 5,5 phân tử ATP trên một nguyên tử cacbon của L-alanin. 17. CH3-(CH2)2n-2-CO~S-ACP+HOOC-CH2-CO~S-ACP +2NADPH2 → → CH3-(CH2)2n-CO~S-ACP +ACP-SH + H2O+CO2+2NADP+ 18. a. CH3-CH2-CO~S-ACP+3HOOC-CH2-CO~S-ACP +6NADPH2 → → nonanoyl-ACP +3ACP-SH +3H2O+3CO2+6NADP+ Propyonyl-ACP Malonyl-ACP CH3-CH2-CH2-CH2-CH2- CH2-CH2- CH2- CO~S-ACP 19. Trong quá trình đường phân, phản ứng xúc tác bởi aldolase tiến hành từ trái sang phải. Trị số dương của biến thiên năng lượng chứng tỏ phản ứng tiến hành theo chiều ngược lại ở điều kiện chuẩn: Chỉ có những điều kiện nồng độ khác với các điều kiện chuẩn mới cho phép quá trình đường phân vượt qua giai đoạn phân cắt fructose. 20. Tính K’eq từ G0’ ; G0’ = -2,303.RT.log K’eq Từ đó suy ra: K’eq =8,29.10-5M In vivo : Các điều kiện nồng độ in vivo gần giống với các điều kiện nồng độ lúc cân bằng. Vì vậy, phản ứng dễ dàng thuận nghịch. 21. a. Tính K’eq từ G0’ ;G0’ = -2,303.RT.log K’eq K’eq =856 Các điều kiện nồng độ sinh lý khác với các điều kiện nồng độ lúc cân bằng. b.Tính G phản ứng ta thấy: G’ = G0’ +2,303.RT.log G’ = -4160 + 1419log 1,24.10-3 = 8,28 kcal.mol-1. In vivo phản ứng còn phát năng lượng mạnh hơn so với ở trong các điều kiện chuẩn. Do đó, nó không dễ dàng thuận nghịch. Phản ứng ngược lại tạo trở lại glucose ở cơ thể xảy ra theo một đường hướng khác: D-Glucose-6-P + H2O D-Glucose +Pi 22. Trong phản ứng sau: Phosphoenolpyruvat + ADP D pyruvat + ATP Phản ứng thuận nghịch từ trái sáng phải có G0’= -7,8 kcal.mol-1. a. Muốn cho phản ứng ngược có thể xảy ra: Pyruvat + ATP → Phosphoenolpyruvat + ADP Thì phải có : G’ = G0’ +2,303.RT.log Tức là: 7800+2,303.1,987,310 7800+1418,6 log1,72.10-6 < 1418,6 log [pyruvat] Log[Pyruvat] – 0,266 → [pyruvat]> 0.54M b.Nồng độ này là không chấp nhận được về mặt sinh lý vì giảm pH và làm tằng áp suất thẩm thấu kèm theo và phản ứng : Phosphoenolpyruvat + ADP → pyruvat + ATP Là không thuận nghịch in vivo. Để phản ứng ngược lại xảy ra được, tế bào phải sử dụng con đường trao đổi chất khác : Pyruvat + CO2 + ATP oxaloacetat + ADP + Pi Oxaloacetat +GTP Phosphoenolpyruvat+ +CO2 + GDP 23. Biến thiên năng lượng tự do chuẩn của phản ứng hoạt hóa một acid béo: Acid béo + CoA-SH + ATP → acyl CoA + AMP +PPi (1) Gần như bằng 0, vì một liên kết anhydrid phosphoric bị phá vỡ và một liên kết thioester được tạo ra, các liên kết này lại có cùng một G0’ thủy phân. Trong những điều kiện chuẩn, hằng số cân bằng của phản ứng gần bằng 1 nên phản ứng sẽ không xảy ra tự phát theo chiều nào cả. Chất pyrophosphat PPi tạo thành sẽ bị thủy phân tiếp tục khi có enzym pyrophosphatase: PPi + H2O → 2Pi Phản ứng này có biến thiên năng lượng tự do chuẩn bằng -7,3 kcal mol-1 cho nên sự thủy phân sẽ xảy ra tự phát. Vì vậy, sự tiêu thụ Ppi ở phản ứng (2) này sẽ có tác dụng thúc đẩy phản ứng (1) theo chiều từ trái sang phải tức là chiều hoạt hóa acid béo. Vì sự thủy phân phụ của pyrophosphat nên sẽ có lợi cho phản ứng hoạt hóa một acid béo. 24. a.Biến thiên năng lượng tự do chuẩn trong phản ứng hoạt hóa D-glucose bằng ATP tương ứng với -7,3 + 3,3 = -4 kcal mol-1. Phản ứng sẽ tiến hành tự phát theo chiều tạo ra D-glucose-6-phosphat. Ngược lại, với trường hợp hoạt hóa acid béo bởi CoA, phản ứng này trong những điều kiện chuẩn không đòi hỏi sự thúc đẩy nào của một phản ứng tiếp sau phát nhiệt rất mạnh như phản ứng thủy phân pyrophosphat. b.Trong những điều kiện nồng độ của hồng cầu người, biến thiên năng lượng tự do của phản ứng sẽ là : G’ = G0’ +2,303.RT.log G’ =-4000+2,303.1,987,310 G’ = - 8,12 kcal mol-1 Các điều kiện nồng độ của hồng cầu người khiến cho biến thiên năng lượng tự do còn âm hơn cả so với ở điều kiện chuẩn vì vậy sự cắt ATP thành pyrophosphat là hoàn toàn không cần thiết. 25. Với D-glcose 686: G = 114kcal trên 1 nguyên tử C. Với acid palmitic 2340: 16 = 146 kcal trên 1 nguyên tử C. Vì vậy các acid béo là những chất khử hơn so với đường nên chúng là những chất “đốt” tốt hơn. 26. Tinh bột là một polimer của glucose, một gốc glucosyl có khối lượng phân tử bằng 162. Sự oxy hóa hoàn toàn 1 mol glucose cho phép tổng hợp 38 mol ADP và Pi nghĩa là ta đưa vào dự trữ được 38.7,3 = 277,4 : 162 = 1,71 kcal. Trong dinh dưỡng người ta coi 1 gam glucid cho khoảng 4 kcal. Vậy, 1,71 kcal chiếm khoảng 43% năng lượng này được dự trữ dưới dạng năng lượng hóa học. 27.Tripalmitylglicerol có khối lượng phân tử bằng 806. Sự oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử glicerol cho phép tổng hợp nên 22 phân tử ATP từ 22 phân tử ADP và Pi. sự oxy hóa 1 phân tử acid palmitic cho phép tổng hợp nên 130 phân tử ATP. Vậy oxy hóa hoàn toàn một mol Tripalmitylglicerol sẽ tổng hợp được 22 + 130.3 = 412 ATP tức là dự trữ được: 412. 7,3 = 3007,6 kcal Vậy oxy hóa 1g Tripalmitylglicerol sẽ cho phép dự trữ 3007,6 : 806 = 3,73kcal. Trong dinh dưỡng, người ta coi 1g lipit mang khoảng 9 kcal, vậy 3,73kcal tức là khoảng 41% của năng lượng đó được dự trữ ở dạng năng lượng hóa học. 28. Hiệu suất của quá trình dự trữ năng lượng của phản ứng : NADH + H+ + 1/2O2 → NAD+ + H2O Được tính như sau : 29. a.Cacboncura dihydroxyaceton phosphat mang nhomsphossphoryl sẽ là phóng xạ CH2OH C=O *CH2-O-PO3H2 b.Phân tử D[1- 14C]-fructose-1,6diphosphat bi phân cắt thành 1 phân tử dihydroxyaceton phosphat chứa 14C và một phân tử D-glyceraldehyd 3-phosphat không phóng xạ. Oạt độ phóng xạ của phân tử fructose 1,6-diphosphat được chuyển hóa hoàn toàn vào phân tử dihydro xyacetonphosphat nên hoạt độ riêng của chất này sẽ bằng 40mC1/mmol. 30.Cacbon vị trí số 3 của acid pyruvic sẽ là cacbon phóng xạ: 3 2 1 *CH3-CO-COOH Chất D-glucose (6C) qua quá trình chuyển hóa nhờ một hệ enzym ở các lát gan cho tới acid pyruvic (3C) cho thấy nguồn gốc của các nguyên tử cacbon trong acid pyruvic như sau: 3 2 1 Acid pyruvic CH3-CO-COOH D-glucose C6 C5 C4 31. CH3- *CO~ ScoA (Acetyl) CoA) Acid - cetoglutaric *COOH CH2 CH2 CO COOH Acid succinic *COOH CH2 CH2 COOH *COOH C = O CH2 COOH *COOH C = O CH2 *COOH Acid oxaloacetic Hoặc Acid palmitic chứa 14C ở C1(COOH) 32. CH3- *CO~ ScoA (Acetyl CoA) CoA) Acid succinic Acid - cetoglutaric *COOH CH2 CH2 C = O COOH *COOH C = O CH2 COOH *COOH CH2 CH2 COOH Acid oxaloacetic Hoặc *COOH C = O CH2 *COOH Acid [214C] pyruvic L-[2 14C]-Alanin 33. Đưa vào cơ thể chuột L-alanin chứa 14C ở C2. Quá trình chuyển hóa xảy ra theo sơ đồ sau: D [214C] glyceraldehyd 3-phosphat và [214C] dihydroxyaceton phosphat Acid [1,3,5,7,9,11,13,15 14C] palmitic (Các nguyên tử C1, C2, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15 của acid palmitic được đánh dấu) L-[214C] alanin [1 14C] Acetyl CoA Sinh tổng hợp acid béo Acid [214C] pyruvic Acid [214C]phosphoenolpyruvic D-[2,5 14C] Glucose (Các nguyên tử C2 và C5 của glucose sẽ được đánh dấu)