Tài liệu HÓA SINH HỌC CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT, OXY HÓA SINH HỌC CHU TRÌNH ACID CITRIC (KREBS) pot

1- CHUYỂN HÓA CÁC CHẤTChuyển hóa các chất và chuyển hóa trung gian - Chuyển hoá các chất : các quá trình hoá học xảy ra trong cơ thể từ khi thức ăn được đưa vào đến khi chất cặn bã được

HÓA SINH HỌC

CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT, OXY HÓA SINH HỌC

CHU TRÌNH ACID CITRIC (KREBS)

BM Hóa sinh

TS Trần Thanh Nhãn

MỤC TIÊU

1 Trình bày được những khái niệm về chuyển hóa các chất và

chuyển hóa trung gian , quá trình đồng hóa và dị hóa , một số đặc điểm của chuyển hóa trung gian

2 Trình bày được các phương pháp nghiên cứu quá trình chuyển hóa.

3 Trình bày được những khái niệm về phản ứng oxy hoá- khử, sự

phosphoryl hoá và sự khử phosphoryl, các loại liên kết phosphat giàu năng lượng và hệ thống ATP-ADP

4 Trình bày được bản chất và diễn tiến của sự hô hấp tế bào.

5 Trình bày và nêu được ý nghĩa của chu trình acid citric

1- CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT

Chuyển hóa các chất và chuyển hóa trung gian

- Chuyển hoá các chất : các quá trình hoá học xảy ra trong cơ thể từ khi thức ăn được đưa vào đến khi chất cặn bã được thải

ra ngoài môi trường (quá trình trao đổi chất)

- Chuyển hoá trung gian : gồm các phản ứng và quá trình hoá học xảy ra trong tế bào

- Các chất trung gian được gọi là các chất chuyển hoá hay sản phẩm chuyển hoá

Theo đặc điểm chuyển hoá:

- Sinh vật tự dưỡng (thực vật) : tổng hợp được glucid, lipid, protid đặc hiệu từ CO2, H2O, muối khoáng chứa Nitơ và năng lượng

mặt trời (quang hợp)

-Sinh vật dị dưỡng (động vật và người) :

+ hấp thu các chất (glucid, lipid, protid…) từ các sinh vật tự

dưỡng để tổng hợp nên những phân tử glucid, lipid, protid đặc

hiệu của mình

+ thoái hoá các phân tử đặc hiệu thành các sản phẩm chuyển

hoá, các chất thải như CO2, H2O và năng lượng cho cơ thể sử

dụng

Glucid Lipid Protid

CO2

H2O, chất cặn bã

Quá trình đồng hóa:

Quá trình biến các phân tử hữu cơ thức ăn (glucid, lipid, protid)có nguồn gốc khác nhau (thực vật, động vật, vi sinh vật) thànhcác phân tử hữu cơ (glucid, lipid, protid) đặc hiệu của cơ thể

Gồm 3 bước :

-Tiêu hoá : thủy phân các đại phân tử (tinh bột, protein…) đặc hiệu của thức ăn thành các đơn vị cấu tạo không có tính đặc hiệu (

glucose, acid amin…)

- Hấp thu : sản phẩm tiêu hoá cuối cùng được hấp thu qua niêm mạc ruột non vào máu (quá trình vật lý và hoá học)

- Tổng hợp: các sản phẩm hấp thu được máu đưa đến các mô và được tế bào sử dụng để tổng hợp các đại phân tử có tính đặc hiệu của cơ thể

Xây dựng tế bào và mô (protein, polysaccarid tạp, phospholipid)

Dự trữ (glycogen, triglycerid)

Cần năng lượng (chủ yếu do ATP cung cấp)

50% năng lượng được tích trữ dưới dạng ATP (công

cơ học, công thẩm thấu, công hoá học)

+ Công cơ học : co duỗi cơ

+ Công thẩm thấu : vận chuyển tích cực các chất qua màng tếbào , chống lại gradient nồng độ

+ Công hoá học : tổng hợp các chất

Như vậy 2 quá trình đồng hóa và dị hóa là 2 quá trình ngược nhau, nhưng lại thống nhất trong 1 cơ thể, trong mỗi tế bào

Phản ứng liên hợp

- Phản ứng tổng hợp : cần năng lượng

- Phản ứng thoái hoá : giải phóng năng lượng

- Phản ứng liên hợp = ghép cặp hai phản ứng tổng hợp và thoái hoá

Ví dụ : phản ứng tổng hợp glucose 6 phosphat cần 3,3 Kcal xảy

ra được khi ghép với phản ứng thủy phân ATP giải phóng 7,3 Kcal

Ba giai đoạn về chuyển hoá trung gian

Glucid, Lipid, Protid thoái hoá theo ba giai đoạn ;

- CO2 được tạo thành do sự khử carboxyl

- Nước được tạo thành do sự tách và vận chuyển từng cặp nguyên tử hydro qua chuỗi hộ hấp tế bào tới oxy thở vào

- Chuỗi hô hấp tế bào liên hợp với sự phosphoryl hoá (gắn

phosphat vào ADP tạo thành ATP) = sự phosphoryl- oxy hoá

Quá trình tổng hợp : 3 giai đoạn

- Bắt đầu từ một số tiền chất của chu trình krebs

- Ngược lại con đường thoái hoá

Các phương pháp nghiên cứu quá trình chuyển hóa:

1-Phân tích những sản phẩm cuối cùng của chuyển hóa các chất:

+ nhận biết được một phần quá trình chuyển hoá trong cơ thể

+ những rối loạn về chuyển hoá các chất (góp phần vào việc chẩn đoán, phòng và chữa bệnh)

Ví dụ :

- Phát hiện CO2 ở cơ thể động vật : xác định nó là sản phẩm thoái hoá cuối cùng của glucid ở động vật

- Đưa một số acid amin ( Alanin, Glutamat…) vào cơ thể bệnh nhân

bị tiểu đường thì thấy tăng lượng glucose/ nước tiểu : các acid amin đó là các tiền chất của glucose

2- Dùng cơ quan tách rời, lát cắt mô

+ Cơ quan tách rời (ví dụ gan, thận):

Phân tích thành phần hoá học của dịch ra khỏi cơ quan

Tiền chất đã được biến đổi như thế nào ở cơ quan đó

Ví dụ : nhờ phương pháp này đã xác định được gan là nơi tạo thể ceton, urê chuyển một số acid amin thành glucose

+ Lát cắt tươi (Warburg 1920) :

- Cắt mô động vật thành lát cắt mõng (dưới 0,4 mm), trong đó

đa số các tế bào còn nguyên vẹn

-Đãm bảo tốc độ khuếch tán oxy và các chất chuyển hoá vào và ra khỏi tế bào trong môi trường muối chứa một số chất

- Nhờ đó nghiên cứu sự chuyển hoá của các chất trong một số điều kiện nhất định

Ví dụ : nghiên cứu việc sản xuất acid lactic từ glucose trong điều kiện yếm khí, nghiên cứu chu trình Krebs, chu trình urê

3- Phương pháp dùng áp kế:

Người ta đo tốc độ hấp thu oxy bởi lát cắt nhờ áp kế Warburg

4- Phương pháp dùng quang phổ kế:

Đo sự hấp thụ của một dung dịch với một độ dài sóng nhất định

5- Phương pháp dùng hệ thống vô bào

+ Dùng máy đồng thể hoá nghiền mô khiến các tế bào bị vỡ,

ly tâm lấy bào dịch

Buchner (1897) dùng dịch chiết vô bào của nấm men xúc tác sự lên men rượu từ glucose

+ Nghiền nhẹ nhàng mô / dd saccarose đẳng trương (0,25M) làm màng tế bào vỡ, nhưng các bào quan (nhân, ty thể,

lysosome, ribosome…) còn nguyên vẹn và có thể phân lập nhờ siêu ly tâm phân tách

Ưùng dụng nghiên cứu cơ chế sinh tổng hợp protein và vai trò của ribosom

6- Phương pháp dùng các chất đồng vị:

+ Đánh dấu chất định nghiên cứu bằng cách thay nguyên tử củanguyên tố thường bằng nguyên tử của chất đồng vị

+ Theo dõi chuyển hóa của chất được đánh dấu bằng cách tìmchất đồng vị trong các sản phẩm (xác định đồng vị nặng bằngkhối phổ, đồng vị phóng xạ bằng máy đếm)

Ví dụ : nhờ đánh dấu carbon của acetat bằng đồng vị 14C người tacó thể kết luận acetat là tiền chất chung của glucid, protid,lipid+ Độ nhạy pp cao : phát hiện tới 10–17 g

7- Dựa vào các khiếm khuyết di truyền

Thể đột biến mất gen chỉ huy sự sinh tổng hợp một enzym nhất

định

Tích tụ và bài tiết cơ chất của enzym bị thiếu (bình thường

không xuất hiện)

Ý nghĩa của việc nghiên cứu chuyển hóa các chất:

- Hiểu rõ các quá trình chuyển hóa các chất trong cơ thể từ đócó thể điều khiển hoặc sửa đổi chúng

-Theo dõi được ảnh hưởng của các dược phẫm và những chấtkhác tác động lên các quá trình chuyển hóa trong cơ thể

- Phục vụ cho công tác phòng và chữa bệnh

2 OXY HÓA SINH HỌC

2.1- Phản ứng oxy hóa-khử

Định nghĩa :

- Là phản ứng trong đó có sự cho và nhận điện tử hay có sự thay đổi số oxy hóa, có thể kèm theo hay không sự mất hoặc nhận hydro hay oxy

Ví dụ :

-e+e-2H+2H

+1/2 O2-1/2 O

- Chất oxy hóa là chất có thể nhận điện tử, chất khử là chất có khả năng cho điện tử

- Phản ứng oxy hóa- khử là hai phản ứng ngược nhau, tập hợp chất oxy hóa và chất khử thành một hệ thống gọi là hệ thống hay cặp oxy hóa- khử (Fe++/Fe+++ ; RCOOH/RCHO…)

Thế năng oxy hóa-khử

Được tính theo công thức sau:

Eo: thế năng Oxy hóa-khử chuẩn

- Điều kiện chuẩn là điều kiện [Ox] = [Kh]

- Thế năng oxy hóa – khử biểu hiện khả năng cho nhận

điện tử của hệ thống

- Hệ thống có E thấp (nồng độ chất khử lớn, xu hướng cho điện tử cao) dễ cho điện tử

- Hệ thống có E cao dễ nhận điện tử

- Hydro hay điện tử chuyển từ hệ thống có E thấp đến hệ

thống có E cao

- Mỗi cặp Ox/Kh được xác định bởi một thế năng oxy khử chuẩn Eo

hóa Người ta thường đo ở điều kiện sinh học pH = 7 và to =

25oC, ký hiệu E’o

Hệ thống Eo (volt)

Thế năng Ox-Kh của một số cặp Ox-Kh

Chiều và cân bằng phản ứng Ox-Kh:

- Được xác định bởi E’o của các cặp

- Khi có hai cặp A/AH2 và B/BH2 mà E’o của A < E’o của B thì thế cân bằng của phản ứng

Đi từ trái sang phải

Liên hệ giữa biến thiên thế năng oxy hóa-khử chuẩn E’o và biến thiên năng lượng tự do Go’ của phản ứng

Go’ = -nF E’o

2.2- Bản chất của sự hô hấp tế bào

- Là sự đốt cháy các chất hữu cơ trong cơ thể

- Còn gọi là oxy hoá – khử tế bào hay sự oxy hoá sinh học

Sự đốt cháy một phân tử glucose trong tế bào hay trong ống nghiệm đều cho cùng những sản phẩm như nhau và giải

phóng cùng một lượng nhiệt

Glucose + 6O2 6 CO2 + 6H2O + 688 Kcal

Ở ngoài cơ thể :

+ C, H của chất hữu cơ tác dụng trực tiếp với oxy không khí để tạo ra CO2 và H2O

+ phản ứng xảy ra nhanh chóng, mạnh mẽ, năng lượng giải

phóng ngay một lúc, nhiệt độ cao, có thể có ngọn lữa

Trong cơ thể :

+ điều kiện nhẹ nhàng, nhiệt độ vừa phải (37 0C), năng lượng

giải phóng dần

+ oxy không tác dụng trực tiếp với C và H

+ có enzym xúc tác, có hydro tham gia tích cực trong phản ứng oxy hoá tạo thành H2O , còn sự tạo thành CO2 do sự khử

carboxyl

R- CHOH - CH2OH

H2O

R- CHOH - CHO

+ H2OR- CHOH - CH

-2 H

R- CHOH – COOH

R- CH OH

OHOH

-2H

1/2 O2

H2O1/2 O2

- CO2

+ Chất hữu cơ bị tách

dần từng cặp nguyên tử

hydro và được chuyển

tới oxy để tạo nước

+ H vận chuyển qua

một hệ thống hô hấp tế

bào tới oxy thở vào

phóng ít Q dưới dạng

nhiệt không có sự tham

gia của oxy thở vào

2.3- Chuỗi hô hấp tế bào

SH2 : Cơ chất cho hydro DH : Dehydrogenase

FP: Flavoprotein CoQ : Coenzym Q

Cyt : Cytocrom

Sơ đồ chuỗi hô hấp tế bào

Các yếu tố tham gia :

- Cơ chất hydro : sp trung gian của glucid, lipid, protid Nơi cung cấp cơ chất cho hydro nhiều nhất là chu trình acid citric

- Dehydrogenase có coenzym là NAD+

- Flavoprotein có coenzym là FMN hoặc FAD

- Coenzym Q còn gọi là Ubiquinon (dẫn xuất của quinon, có nhánh isopren dài tùy loại, ở động vật có vú n=10)

Công thức tổng quát

R1

R4 R2

CH3

+2H -2H

- Hệ thống Cytocrom : các enzym vận chuyển điện tử có

nhóm ngoại gắn chặt vào apoenzym, có bản chất giống

Hem, có nhân protoporphyrin gắn ion sắt có thể thay đổi

hóa trị ( làm cytocrom có khả năng chuyển điện tử)

Cyt có các loại b, c, a a3…

Cyt a3 và Cyt a liên kết với nhau = phức hợp là Cytocrom oxidase mang ion Fe và ion Cu đều tham gia vào hoạt động chuyển điện tử

Cyt a3 bị ức chế bởi CN-, CO, H2S

- Oxy phân tử (O2) thở vào qua phổi, có Eo’ lớn nhất nên là

chất cuối cùng nhận điện tử

-Được tìm thấy trong sữa, bạch cầu, tiểu cầu và các mô có liên quan đến chuyển hóa của eicosanoic

- Nhóm ngoại là protohem

- Xúc tác phản ứng khử H2O2 với nhiều cơ chất (khử) như ascorbat,

quinon và cyt c

- Phản ứng xúc tác phức tạp, nhưng có thể tóm tắt :

- Protein phức tạp chứa 4 Hem

- Ngoài tác động peroxydase, còn có thể sử dụng 2 phân tử

H2O2 với 1 phân tử là chất cho và 1 phân tử là chất nhận điện tử

-Trong đk invivo, tác động peroxydase chiếm ưu thế hơn

- Catalase được tìm thấy trong máu, tủy xương, màng nhày, gan, thận

- Chức năng: phân hủy H2O2 được tạo ra bởi tác động của các oxidase

-Peroxisome hiện diện ở nhiều mô, kể cả gan chứa nhiều

oxidase và cả catalase

Catalase

- Tuy nhiên, hệ thống vận chuyển điện tử ở ty thể

(mitochondria) và tiểu thể (microsoma: ribosome, lysosome) cũng như xanthin oxydase được xem như một nguồn bổ sung

H2O2

Superoxid dismutase

- Sự vận chuyển một điện tử đến O2 tạo ra gốc tự do superoxid

O2 có tác động gây hại đến tế bào

- Superoxid được thành lập khi flavin dạng khử (có trong xanthin oxydase) được tái oxy hóa đơn trị (univalent)

Enz-flavin-H2 + O2 Enz-flavin-H + O2. + H+

Superoxid có thể khử Cyt c dạng oxy hóa

O2 + Cyt c (Fe 3+) O2 + Cyt c (Fe 2+)

Hoặc bị loại bởi superoxid dismutase

- Superoxid dimustase bảo vệ tổ chức sinh vật hiếu khí

chống lại tác động có hại của superoxid

- Enzym này hiện diện trong tất cả các mô hiếu khí chủ yếu trong ty thể và tế bào chất

- Khi động vật tiếp xúc với khí quyển có 100% oxy sẽ gây đáp ứng làm tăng lượng superoxid dimustase nhất là ở phổi nhưng phơi bày kéo dài sẽ gây tổn hại phổi đến chết

- Chất antioxydant như -tocopherol (vitamin E) tác động như chất thu dọn các gốc tự do và giảm độc tính của oxygen

Diễn tiến :

- Hydro và cặp nguyên tử được vận chuyển qua nhiều enzym

theo thứ tự nhất định do Eo’ quyết định từ hệ thống có Eo’

thấp đến cao

-Gồm 2 giai đoạn

+ Chuyển vận 2H, từ SH2 đến CoQ

+ Chuyển vận điện tử , từ Cyt b đến oxy tạo H O (có khi

Quan niệm hiện đại về hô hấp tế bào:

- Điện tử được vận chuyển trong chuỗi hô hấp tế bào qua các hệ thống oxy hóa khử từ NAD+/NADH đến O2/H2O, thông qua 3 phức hợp protein lớn sau :

+ Phức hợp I (Complex I) (NADH-CoQ oxydoreductase) : điện tử được vận chuyển từ NADH đến CoQ

+ Phức hợp III (Complex III) (CoQ-cytocrom c

oxydoreductase) : chuyển điện tử đến cytocrom c

+ Phức hợp IV (Complex IV) (Cytocrom oxydase) : hoàn thành chuỗi hô hấp, chuyển điện tử đến O2 và tạo thành H2O

Một vài cơ chất có thế năng oxy hóa khử lớn hơn

NAD+/NADH (ví dụ succinat) sẽ chuyển điện tử đến CoQ

thông qua phức hợp II (Complex II) succinat-CoQ reductase,

Các quá trình oxy hóa khác

- Hệ thống Glutathion : không tham gia chuỗi hô hấp tế bào, có thể cho, nhận 2H theo phản ứng

-2H2G –SH GS- SG

+2H

Vai trò : bảo vệ các enzym có nhóm SH hoạt động tránh bị ức chế bởi những tác nhân oxy hóa hay những chất có thể liên kết với nhóm SH, bảo vệ màng hồng cầu khỏi vỡ

- Hệ thống acid ascorbic

-2 Hacid ascorbic acid dehydroascorbic

+2Hcó nhiều ở động vật và thực vật, có vai trò trong một số phản ứng hydroxyl hóa

Ngoài ra còn có các enzym oxydase, oxygenase cũng có vai trò xúc tác các phản ứng oxy hóa

Các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào

sử dụng để nghiên cứu quá trình vận chuyển điện tử của chuỗi hô hấp tế bào

- Rotenon và Amytal ức chế sự vận chuyển điện tử từ

NADH dehydrogenase và như vậy ức chế sự oxy hóa

NADH (complex I) Tuy nhiên, sự oxy hóa FADH2 vẫn

cóthể thực hiện bởi vì điện tử vẫn được chuyển từ

FADH2đến CoQ

- Antimycin A, dimercaprol ức chế sự vận chuyển điện tử ở

phức hợp cytocrom bc1(complex III)

- CN-, N3-, CO, H2S ức chế cytocrom oxydase ( cyta và a3)

(complex IV): ức chế hoàn toàn hô hấp

Các vị trí tác động của các chất ức chế chuỗi hô hấp tế bào

TTFA:Thenoyltrifluoroacetone

2.4- Phosphoryl hóa và khử phosphoryl

Định nghĩa

RH + HO- PO3H2 R- PO3H2 + H2O

Q

Q

-Tạo liên kết phosphat

-Tích trữ năng lượng

-Do enzym xúc tác với cơ chất

là phosphat vô cơ hay hữu cơ

-Cắt đứt liên kết phosphat-Tạo phosphat vô cơ tự do hay chuyển gốc phosphat từ chất hữu cơ phosphat sang chất khác

Glucose Glucose 6 P

12

Phản ứng theo chiều 1 : phosphoryl hóa với Glucokinase

Phản ứng theo chiều 2 : khử phosphoryl hóa với enzym là

Glucophosphatase

Sự ghép hai phản ứng tổng hợp (cần năng lượng) và phản ứng thoái hóa (cung cấp năng lượng) tạo phản ứng liên hợp

Các loại liên kết phosphat

Dựa vào năng lượng tự do giải phóng khi thủy phân cắt đứt liên kết phosphat

+ Liên kết nghèo năng lượng (năng lượng giải phóng  5

Kcal/mol)

Ký hiệu - P

Tương đối bền

Ví dụ : liên kết ester phosphat (R-O-PO3H2) gặp ở hexose – P

+ Liên kết giàu năng lượng (năng lượng giải phóng  6,6

Kcal/mol)

Ký hiệu ~ P

Tương đối không bền

Một số liên kết phosphat giàu năng lượng

-Liên kết Acylphosphat

Go’ của sự thủy phân một số liên kết phosphat

Phosphoenol pyruvat : -14,8 Kcal/mol

Carbamyl phosphat : -12,3 Kcal/mol

1,3-diphosphoglycerat : -11,8 Kcal/mol

Creatin phosphat : -10,3 Kcal/mol

ATP ADP + Pvc : -7,3 Kcal/mol

ADP AMP + Pvc : -6,6 Kcal/mol

Pyrophosphat : -6,6 Kcal/mol

Năng lượng tạo thành – Sự phosphoryl- oxy hoá

+ Năng lượng được giải phóng dần qua các bước, nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức chênh lệch  Eo’giữa hai hệ thống kế tiếp nhau

+ Năng lượng giải phóng ra được dự trữ một phần nhờ sự

phosphoryl hoá ADP thành ATP (các phản ứng có E> 7,3

kcal/mol ( Eo’ 0,15 ) thì được gắn với sự phosphoryl hoá tạo ATP)

+ ATP được tạo ra ở 3 vị trí /quá trình chuyển hydro và điện tử từ NADH, H+ tới oxy

SH2 – NAD – FAD – CoQ – Cytb – Cytc – Cyta3 – ½ O2