Báo cáo Chương 7: Các con đường thu nhận năng lượng hoá học

uyển hoá được điều hoà bằng hoạt động của enzim then chốt.B.Năng lượng và điện tử từ glucoseQuá trình đốt cháy quen thuộc rất giống với quá trình hoá học và làm giải phóng năng lượng trong tế bào. Nếu đốt cháy glucose trong một ngọn lửa, nó phản ứng với O2 nhanh chóng tạo thành CO2 và H2O giải phóng nhiều năng lượng. Phản ứng cân bằng cho đốt cháy này là: C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + năng lượng (nhiệt và ánh sáng)Chuyển hoá glucose trong tế bào cũng có cân bằng tương tự. C.Tế bào lấy (bẩy) năng lượng tự doTuy nhiên, chuyển hoá glucose qua nhiều bước có nhiều phản ứng. Các bước của quá trình chuyển hoá cho phép giữ lại 1/3 năng lượng trong ATP. ATP lại được dùng vào các hoạt động của tế bào như di chuyển, vận chuyển chủ động qua màng..Chênh lệch năng lượng tự do (G) cho sự chuyển đổi hoàn toàn glucose và O2 thành CO2 và H2O dù bằng đốt cháy hay chuyển hoá cũng là –686 kcal/mol (–2,870 kJ/mol). Vì vậy mà toàn bộ phản ứng sản sinh nhiều năng lượng và có thể hình thành dạng thu nhiệt giàu năng lượng ATP bằng cách kết hợp ADP với phosphate. Việc giữ nhiệt trong ATP xảy ra qua nhiều bước đặc trưng của chuyển hoá glucose.C.Tế bào lấy (bẩy) năng lượng tự do khi chuyển hoá glucoseBa quá trình chuyển hoá đóng vai trò quan trọng trong việc tận dụng glucose tạo năng lượng là: đường phân, hô hấp tế bào và sự lên men. Đường phân bắt đầu chuyển hoá glucose trong tất cả các tế bào tạo nên 2 phân tử 3 carbon pyruvate. Một lượng nhỏ năng lượng trong glucose được thu giữ ở dạng thích hợp. Đường phân không dùng O2 .Hô hấp tế bào dùng oxi môi trường và chuyển hoá hoàn toàn mỗi phân tử pyruvate thành ba phân tử CO2 . Trong quá trình chuyển hoá, nhiều năng lượng được lưu trữ trong liên kết cộng hoá trị của pyruvate được giải phóng và chuyển tới ADP và phosphate tạo thành ATP. Lên men không liên quan đến O2 . Lên men chuyển pyruvate thành những sản phẩm như là lactic acid or ethyl alcohol (ethanol), là những phân tử còn khá giàu năng lượng. Do phân tử glucose chưa được phá huỷ hoàn toàn nên lên men ít tạo ra năng lượng hơn hô hấp tế bào và không tạo ra ATP.C.Tế bào lấy (bẩy) năng lượng tự do khi chuyển hoá glucose	Con đường chuyển hoá sinh năng lượng. Phản ứng sinh năng lượng có thể gộp thành 5 con đường chuyển hoá: đường phân, oxi hoá pyruvate, chu trình citric acid, chuỗi hô hấp, và lên men. 3 con đường giữa chỉ diễn ra khi có oxi, chúng được xem như là hô hấp tế bào (a). Khi không có oxi, sau quá trình đường phân là quá trình lên men (b). C.Tế bào lấy (bẩy) năng lượng tự do khi chuyển hoá glucoseKhi một phân tử mất nguyên tử hydro, nó bị oxi hoáKhi một chất bị oxi hoá, điện tử nó mất được chuyển sang chất khác, làm khử chất đó. Sự oxi hoá là sự mất electronSự khử là sự thu electronChất nhường electron là chất khửChất thu electron là chất oxi hoá.Phản ứng oxi hoá - khử là phản ứng trong đó nguyên tử hoặc ion này nhường electron cho nguyên tử hoặc ion khác.Một chất chỉ có thể nhường electron khi có mặt một chất khác thu electron. Vì vậy trong phản ứng oxi hoá - khử, quá trình oxi hoá và quá trình khử bao giờ cũng diễn ra đồng thời. D.Phản ứng oxi hoá khử chuyển electron và năng lượng I. Khái quát về phản ứng oxi hoá khửTrong phản ứng oxi hoá khử chúng ta gọi chất bị khử là chất oxi hoá, và chất bị oxi hoá là chất khử. Trong cả hai quá trình đốt cháy và chuyển hoá glucose, glucose là chất khử và khí oxi là chất oxi hoá.D.Phản ứng oxi hoá khử chuyển electron và năng lượng I. Khái quát về phản ứng oxi hoá khửTrong phản ứng oxi hoá khử, coenzim NAD (nicotinamide adenin dinucleotide) hoạt động như một chất mang điện tử.Một chất mang điện tử khác là FAD (flavin adenine dinucleotide), cũng liên quan đến việc mang điện tử trong chuyển hoá glucose.D.Phản ứng oxi hoá khử chuyển electron và năng lượngII. Coenzim NAD là chất mang điện tử chính trong phản ứng oxi hoá khử NAD tồn tại ở hai dạng hoá học khác nhau: một dạng oxi hoá (NAD+ ), một dạng khử (NADH + H+ ). Cả hai dạng đều tham gia vào phản ứng oxi hoá khử sinh học. Phản ứng khử như sau:NAD+ + 2H  NADH + H+Phản ứng được cân bằng nhờ việc chuyển hai nguyên tử hydro (2H+ + 2e-). Oxi là chất mang điện tích âm cao và sẵn sàng nhận điện tử từ NADH. Sự oxi hoá NADH + H+ do O2 sinh nhiệt cao với G = -52,4 kcal/mol (-219kJ/mol). NADH + H+ + ½ O2  NAD+ + H2O D.Phản ứng oxi hoá khử chuyển electron và năng lượngII. Coenzim NAD là chất mang điện tử chính trong phản ứng oxi hoá khử Dạng oxi hoá và dạng khử của NAD: NAD+ là dạng oxi hoá và NADH là dạng khử.D.Phản ứng oxi hoá khử chuyển electron và năng lượngII. Coenzim NAD là chất mang điện tử chính trong phản ứng oxi hoá khử E. Sự giải phóng năng lượng từ glucoseI. Các con đường chuyển hoá năng lượngE. Sự giải phóng năng lượng từ glucoseII.Khái quát về sự đường phânĐường phân xảy ra trong bào tương. Nó chuyển glucose thành pyruvate, sản sinh một lượng nhỏ năng lượng, không sinh CO2 . Trong đường phân, phân tử nhiên liệu khử là glucose, bị oxi hoá một phần và giải phóng năng lượng. Sau 10 phản ứng xúc tác của enzim, sản phẩm cuối cùng của đường phân là hai phân tử pyruvate (pyruvic acid) Kết thúc phản ứng tạo được 2 phân tử ATP do sự khử 2 phân tử NAD+ tạo thành 2 phân tử NADH + H+ cho mỗi phân tử glucose.E. Sự giải phóng năng lượng từ glucoseII.Khái quát về sự đường phânTiêu tốn ATP. 1 nhóm phosphate từ ATP gắn vào phân tử glucose 6 carbon, hình thành nên glucose 6-phosphate Xúc tác: Hexokinase. Mg2+ hoạt hoá hexokinase (và các kinase khác)E. Sự giải phóng năng lượng từ glucoseIII. Các giai đoạn của quá trình đường phân1.Phản ứng 1: Phosphoryl hoá glucose Xúc tác: phosphohexose isomerase. Mg2+ hoạt hóa Vòng glucose 6 thành phần được sắp xếp lại thành vòng fructose 5 thành phần. III. Các giai đoạn của quá trình đường phân2. Phản ứng 2: chuyển glucose 6-phosphate thành fructose 6-phosphateATP chuyển 1 nhóm phosphate vào fructose 6-phosphate tạo fructose 1,6 bisphosphatePhản ứng mồi thứ 2 của đường phân không thể đảo ngượcXúc tác: phosphofructokinase-1 (PFK-1)Mg2+ kích hoạtMột vài vi khuẩn, nguyên sinh động vật, và hầu hết thực vật có phosphofructokinase dùng pyrophosphate(PPi), không phải ATP, như là nhóm phosphote cho trong tổng hợp synthesis of fructose 1,6-bisphosphate:Mg2+Fructose 6-phosphate + PPi 88nfructose 1,6-bisphosphate PiG 14 kJ/molTiêu tốn ATP.ATP chuyển 1 nhóm phosphate vào fructose 6-phosphate tạo fructose 1,6 bisphosphate. Xúc tác: phosphofructokinase-1 (PFK-1), Mg2+ hoạt hoá phosphofructokinase-1 (PFK-1)III. Các giai đoạn của quá trình đường phân3. Phản ứng 3: phosphoryl hoá fructose 6-phosphate Tháo và tách vòng đường 6 carbon thành 2 đường phosphate 3 carbon khác nhau là: dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde 3-phosphate Xúc tác: fructose 1,6-bisphosphate aldolase (aldolase)III. Các giai đoạn của quá trình đường phân4. Phản ứng 4: mở vòng fructose 1,6-bisphosphate Dihydroxyacetone phosphate chuyển thành một phân tử glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) thứ 2 . Xúc tác: triose phosphate isomerase Đã đi được ½ quá trình (hết giai đoạn chuẩn bị). Sử dụng 2ATP Từ 1 phân tử glucose  2 phân tử glyceraldehyde 3-phosphate (G3P)III. Các giai đoạn của quá trình đường phân5. Phản ứng 5: chuyển hoá bên trong phân tử triose phosphateXúc tác: glyceraldehyde 3- phosphate dehydrogenase.Một phosphate thứ hai được thêm vào, một aldehyde bị oxi hoá thành carboxylic acid, NAD+ bị khử, và hình thành BPG. Tạo NADH+H+ và 1,3-bisphosphoglycerate (BPG). Do trong tế bào chỉ có lượng nhỏ NAD+ nên NADH phải bị oxi hoá trở lại thành NAD+ để tiếp tục phản ứng, nếu không quá trình đường phân dừng lại ở đây.III. Các giai đoạn của quá trình đường phân6. Phản ứng 6: oxi hoá glyceraldehyde 3-phosphate Phosphoglycerate kinase xúc tác chuyển 1 nhóm phosphate từ BPG sang ADP để tạo thành ATP Xúc tác: phosphoglycerate kinase cho cả 2 chiều. Cần Mg2+ hoạt hoáTạo ATP.Sự chuyển nhóm phosphate có xúc tác của enzim từ chất cho tới phân tử ADP được gọi là phosphorin hoá ở mức cơ chất. III. Các giai đoạn của quá trình đường phân7. Phản ứng 7: Chuyển phosphoryl từ 1,3-bisphosphoglycerate sang ADPXúc tác: phosphoglycerate mutaseCần Mg2+ hoạt hoá enzim phosphoglycerate mutaseChuyển nhóm phosphate trong phân tử glycerate từ vị trí C3 sang C2 III. Các giai đoạn của quá trình đường phân8. Phản ứng 8: chuyển 3-phosphoglycerate thành 2-phosphoglyceratePhân tử 2PG mất nước trở thành phân tử phosphoenolpyruvate cao năng lượng (PEP)Xúc tác: enolaseIII. Các giai đoạn của quá trình đường phân9. Phản ứng 9: khử hydrate của 2-phosphoglycerate Xúc tác: pyruvate kinase, Cần: K+ và Mg2+ hoặc Mn2+ hoạt hoáCuối cùng PEP chuyển nhóm phosphat của chúng sang ADP tạo ATP và phân tử pyruvate.1/2quá trình còn lại tạo 4ATP,2NADH,2phân tử PyruvatIII. Các giai đoạn của quá trình đường phân10. Phản ứng 10: chuyển nhóm phosphoryl Quá trình đường phân chuyển glucose thành pyruvate E. Sự giải phóng năng lượng từ glucoseIII. Các giai đoạn của quá trình đường phân E. Sự giải phóng năng lượng từ glucoseIII. Các giai đoạn của quá trình đường phân Bằng việc sử dụng 2 ATP, 5 phản ứng đầu tiên trong đường phân đã sắp xếp lại đường glucose 6 carbon và cắt nó thành 2 đường phosphate 3 carbon (G3P). Phản ứng 6 là một phản ứng oxi hoá, nó kết thúc bằng việc giải phóng nhiều năng lượng tự do – hơn 100 kcal , năng lượng này được lưu trữ như là năng lượng hoá học bằng việc khử 2 phân tử NAD+ thành 2 phân tử NADH + H+. Từ phản ứng 7-10, hai nhóm phosphate của BPG được chuyển một nhóm cùng lúc đến các phân tử ADP. Mỗi mole BPG phân giải tạo ra hơn 20kcal (83,6kJ/mol) năng lượng tự do được lưu trữ trong ATP.Kết thúc quá trình đường phân, mỗi phân tử glucose tạo ra 2 phân tử pyruvate Như vậy, lúc bắt đầu của sự phân giải đường, mỗi phân tử glucose sử dụng hai phân tử ATP, nhưng cuối cùng có 4 ATP được sản sinh (mỗi phân tử BPG tạo ra 2 ATP), kết quả chỉ còn lại hai phân tử ATP và 2 NADH + H+ , 2 phân tử pyruvate.V. Kết luận về quá trình đường phân1. Tóm tắt :Mỗi phản ứng trong quá trình đường phân làm biến đổi năng lượng tự do sẵn có. V. Kết luận về quá trình đường phân2. Biến đổi năng lượng trong quá trình đường phân