Hóa sinh học thực phẩm bài báo cáo chuyển hóa các chất và năng lượng trong tế bào

Chuyển hóa vật chất Khái niệm - Chuyển hóa vật chất là tập hợp các phản ứng sinh hóa xảy ra bên trong tế bào, gồm 2 quá trình đồng hóa và dị hóa - Chuyển hóa vật chất luôn kèm theo chuyể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM

HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM

Bài báo cáo: Chuyển hóa các chất và năng lượng trong tế bào

GVHD: Nguyễn Thị Phương Khanh Nhóm thực hiện: Nhóm 2

Tên thành viên:

Đoàn Quang Phú: 2253022093

Tăng Minh Quân: 2253022100

Nguyễn Ngọc Thanh Thảo: 2253022120

Hồ Việt Thắng: 2253022113

Đặng Lê Kiều My: 2253022068

Phạm Nhật Minh: 2253022067

Nguyễn Văn Phi: 2253022092

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA

NĂNG LƯỢNG

1 Mục tiêu: Nêu được định nghĩa, các giai đoạn cơ bản của quá trình đồng hóa, dị hóa 1.1 Chuyển hóa vật chất

Khái niệm - Chuyển hóa vật chất là tập hợp các phản ứng sinh hóa xảy ra bên trong tế bào, gồm 2 quá trình đồng hóa và dị hóa - Chuyển hóa vật chất luôn kèm theo chuyển hóa năng lượng

1.2 Đồng hóa là gì ?

Đồng hóa (anabolism) hoặc sinh tổng hợp (biosynthesis) là tập hợp các phản ứng sinh hóa mà mục đích của những phản ứng này là xây dựng các phân tử lớn, phức tạp từ các

thành phần nhỏ, đơn giản nhằm để tích lũy năng lượng Đây là quá trình biến đổi các chất không đặc hiệu trong thức ăn chẳng hạn như: Glucid, lipid, protein từ thực vật, động vật, vi sinh vật, thành các chất hữu cơ khác đặc hiệu cho cơ thể Đặc điểm của quá trình này chính

là thu năng lượng Năng lượng cần thiết cung cấp cho các phản ứng tổng hợp trên chủ yếu

là từ sự thủy phân của adenosine triphosphate (ATP) Ví dụ các chất trong thức ăn như glucid, lipid, protein từ các nguồn thực vật, động vật để nguyên thì không thể nuôi dưỡng

cơ thể được Vì vậy chúng cần quá trình đồng hóa để chuyển đổi thành các chất hữu cơ đặc hiệu Khi đó chúng mới có thể nuôi sống cơ thể chúng ta

Tóm tắt quá trình đồng hóa:

Các hormone đồng hóa bao gồm:

 Estrogen: Đây là hormone có ở cả nam và nữ, estrogen hầu hết được sản xuất ở buồng

trứng, có tác dụng điều chỉnh một số vấn đề ở nữ (tăng trưởng của ngực và hông), điều chỉnh chu kỳ kinh nguyệt và tăng cường khối lượng xương

 Testosterone: Đây cũng là hormone có ở nam và nữ, testosterone chủ yếu được sản xuất

ở tinh hoàn, giúp điều chỉnh một số vấn đề của nam giới như giọng nói, củng cố xương cũng như xây dựng và duy trì khối lượng cơ bắp

 Insulin: Được các tế bào beta trong tuyến tụy sản xuất, có tác dụng điều chỉnh nồng độ

trong máu và sử dụng glucose Cơ thể không thể dùng glucose mà không có insulin Khi tuyến tụy không thể tạo ra insulin thì có thể người đó sẽ mắc bệnh tiểu đường

 Hormone tăng trưởng: Được sản xuất bởi tuyến yên, hormone tăng trưởng có tác dụng

kích thích và điều chỉnh sự tăng trưởng cơ thể trong giai đoạn đầu đời Đến tuổi trưởng thành, hormone này giúp điều chỉnh và sửa chữa xương

1.3 Dị hóa là gì?

Dị hóa (catabolism) lại là phản ứng nhằm phá vỡ các phân tử phức tạp Cụ thể là quá trình dị hóa sẽ phá vỡ các liên kết của phân tử phức tạp để chuyển hóa chúng thành các phân tử có cấu tạo đơn giản hơn Mục đích của quá trình này là để giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của con người

Dị hóa có thể hiểu là quá trình ngược lại của đồng hóa Như vậy, quá trình này sẽ giúp cơ thể phân giải các chất dự trữ, phân tử đặc trưng thành các sản phẩm phân tử nhỏ không đặc trưng đồng thời tạo chất thải ra môi trường như carbon dioxide, ure, amoniac, axit axetic, axit lactic

Các hormone dị hóa có thể kế đến như:

 Adrenaline: Còn có tên là epinephrine, adrenaline được tuyến thượng thận sản xuất Đây

là yếu tố chính của chiến đấu-hay-bỏ chạy (fight-or-flight reaction) có tác dụng giúp tăng nhịp tim, mở các tiểu phế quản trong phổi để có thể hấp thụ oxy tốt hơn và giúp cơ thể có nhiều glucose để cung cấp năng lượng nhanh

 Cortisol: Cortisol cũng được sản xuất tại tuyến thượng thận, cortisol được gọi là

“hormone căng thẳng” Chúng được giải phóng khi chúng ta cảm thấy lo lắng, hồi hộp hoặc cảm thấy khó chịu kéo dài Hormone này có thể làm tăng huyết áp, lượng đường trong máu và ức chế các quá trình miễn dịch

 Glucagon: Hormone này được sản xuất bởi các tế bào alpha trong tuyến tụy, có tác dụng

kích thích sự phân hủy glycogen thành glucose Glycogen được lưu trữ trong gan và khi

cơ thể có nhu cầu về năng lượng nhiều hơn như: Tập thể dục, chiến đấu, mức độ căng thẳng cao, glucagon sẽ kích thích gan dị hóa glycogen và đi vào máu dưới dạng

glucose

 Cytokine: Hormone này là một loại protein nhỏ, có tác dụng điều chỉnh sự giao tiếp và

tương tác giữa các tế bào Chúng được sản xuất và phân hủy liên tục trong cơ thể, nơi axit amin của chúng được tái sử dụng cho các quá trình khác

1.4 Mối quan hệ của quá trình đồng hóa và dị hóa:

+ Xảy ra trong tế bào, quá trình đồng hóa là quá trình tổng hợp các chất như glucid, protid, lipid thành các chuỗi amino acid trong tế bào và tích lũy năng lượng Còn quá trình dị hóa là quá trình phân giải các chất để giải phóng năng lượng trong tế bào + Đồng hóa và dị hóa là hai quá trình hoạt động song song Chính vì vậy chúng có mối quan hệ mật thiết với nhau và với cả quá trình trao đổi và chuyển hóa chất trong

cơ thể Hai hoạt động này tuy ngược nhau nhưng lại có vai trò bổ trợ cho nhau rất nhiều Năng lượng được tích lũy ở quá trình đồng hóa sẽ nhờ vào quá trình dị hóa để

được giải phóng Các năng lượng được giải phóng ở quá trình dị hóa sẽ cung cấp quay vòng để hoạt động đồng hóa diễn ra Và cứ tiếp tục như thế, quá trình chuyển đổi chất, các phản ứng sinh hóa cứ thế được tạo ra và truyền đi nuôi cơ thể Vì vậy có thể nói rằng, nếu không có đồng hóa thì quá trình dị hóa không thể thực hiện được

Và tương tự đồng hóa sẽ không diễn ra nếu không có các năng lượng giải phóng từ quá trình dị hóa Tuy rằng sự khác biệt chính giữa hai quá trình đồng hóa và dị hóa là đồng hóa là một quá trình xây dựng còn dị hóa là một quá trình phá hủy Nhưng trong tổng thể cả một quy trình phản ứng chuyển hóa lớn thì chúng lại hỗ trợ cho nhau rất

ăn ý

+ Ở trẻ em, cơ thể đang lớn, quá trình đồng hoá lớn hơn dị hoá, ngược lại ở người già, quá trình dị hoá lại lớn hơn đồng hoá Vào thời điểm lao động, dị hoá lớn hơn đồng hoá, ngược lại lúc nghỉ ngơi đồng hoá mạnh hơn dị hoá

1.5 So sánh đồng hóa và dị hóa

2 Khái quát về năng lượng và chuyển hóa vật chất

2.1 Khái niệm về năng lượng

Năng lượng là khả năng sinh công hay khả năng tạo nên sự chuyển động của vật chất

*Năng lượng tồn tại ở những trạng thái nào ?

Năng lượng tồn tại ở 2 trạng thái là:

+Thế năng: Là dạng năng lượng dự trữ, có tiềm năng sinh công

+Động năng: Là dạng năng lượng sẵn sàng sinh công

*Chuyển hóa năng lượng là gì ?

Chuyển hóa năng lượng là quá trình chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác

-VD: Từ năng lượng điện sang năng lượng nhiệt, hoặc từ năng lượng hóa học sang năng lượng điện

2.2 Các dạng năng lượng trong cơ thể

Trong cơ thể con người, có nhiều dạng năng lượng quan trọng, bao gồm:

+Năng lượng từ thức ăn: Là nguồn năng lượng chính cung cấp cho cơ thể thông qua việc tiêu hóa và chuyển hóa các chất dinh dưỡng từ thức ăn

+Năng lượng đốt cháy: Là quá trình oxy hóa các chất dinh dưỡng để sản xuất ATP, năng lượng mà cơ thể sử dụng để hoạt động và duy trì chức năng cơ bản

+Năng lượng động năng: Là năng lượng được sử dụng cho các hoạt động vận động như đi lại, tập luyện thể chất và các hoạt động hàng ngày

+Năng lượng nhiệt năng: Là năng lượng được sản sinh từ quá trình chuyển hóa thức

ăn thành nhiệt độ cơ thể, giúp duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định

+Năng lượng hóa năng: Là năng lượng được sử dụng cho các quá trình hóa học trong

cơ thể như tổng hợp protein, acid nucleic, và các phản ứng sinh học khác

+Năng lượng điện năng: Là sự chuyển đổi giữa năng lượng hóa học và điện năng để truyền tín hiệu trong hệ thống thần kinh và tạo ra sự co bóp trong cơ bắp Các tín hiệu điện được tạo ra từ các tế bào thần kinh và cơ bắp giúp điều hòa các hoạt động và chức năng của cơ thể

dạng năng lượng trong tế bào

+Năng lượng hóa năng: Được tổng hợp

từ các

phản ứng hóa học, chủ yếu là qua quá trình hô hấp tế bào trong các cấu trúc như mitochondria

+Năng lượng điện năng: chuyển đổi các ion qua các màng tế bào, tạo ra năng lượng

dự trữ trong dạng điện hóa hoặc tạo ra năng lượng thông qua quá trình như quang hợp

+Năng lượng nhiệt năng: Tạo ra từ sự dao động nhiệt của phân tử và nguyên tử trong

tế bào, nhưng đó chỉ là một phần nhỏ của tổng năng lượng cần thiết cho các hoạt động của tế bào

a) Hóa năng

- Hóa năng là dạng của năng lượng mà được lưu trữ trong các liên kết hóa học của các phân tử Khi các phản ứng hóa học xảy ra và các liên kết bị phá vỡ, năng lượng hóa học được giải phóng và có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác như nhiệt độ, năng lượng cơ học hoặc năng lượng điện hóa Trong sinh học, năng lượng hóa học thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các quá trình sống của tế bào, như hô hấp và tổng hợp ATP

*Các hình thức tồn tại hóa năng trong cơ thể

-Hóa năng của các chất tạo hình: glycogen, lipid (các chất dự trữ)

-Hóa năng của các chất bảo đảm cho hoạt động của cơ thể

-Hóa năng của các chất giàu năng lượng: creatin phosphat, ATP(adenosintriphosphat)

b) Động năng

Động năng là loại năng lượng mà một vật thể có do chuyển động của nó

-VD:

+Sự chuyển động của vật chất qua màng tế bào

+Chuyển động thức ăn trong ống tiêu hóa

+Vận chuyển của khí trong đưỡng dẫn khí

+Sự chuyển động của máu trong hệ tuần hoàn

c) Điện năng

Điện năng là loại năng lượng mà các dòng điện mang đi từ một nguồn năng lượng đến các thiết bị hoặc hệ thống khác nhau Điện năng được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày để cung cấp nguồn năng lượng cho các thiết bị điện tử, đèn, máy móc

và nhiều ứng dụng khác

d) Nhiệt năng

Nhiệt năng là loại năng lượng mà một vật thể có do nhiệt độ của nó Nhiệt năng có thể được chuyển đổi từ các nguồn khác nhau như năng lượng mặt trời, nhiệt từ đốt cháy hoặc từ các quá trình hóa học Trong các hệ thống nhiệt, nhiệt năng thường được

sử dụng để sản xuất điện, cung cấp năng lượng cho các quá trình công nghiệp hoặc để sưởi ấm

2.4 Điều hòa năng lượng cơ thể

- Điều hòa năng lượng trong cơ thể là quá trình điều chỉnh và duy trì sự cân bằng giữa việc tiêu thụ và tiêu hao năng lượng Điều này bao gồm việc điều tiết lượng calo được tiêu thụ thông qua chế độ ăn uống và hoạt động thể chất, cũng như việc quản lý cơ chế sản xuất và sử dụng năng lượng trong cơ thể Mục tiêu là duy trì trạng thái cân bằng để cơ thể hoạt động hiệu quả và duy trì sức khỏe tổng thể

*Điều hòa chuyển hóa năng lượng ở mức tế bào

- Điều hòa chuyển hóa năng lượng ở mức tế bào là quá trình điều chỉnh việc chuyển đổi và sử dụng năng lượng trong tế bào Điều này bao gồm các phản ứng sinh hóa và các cơ chế điều tiết để điều chỉnh việc sản xuất, tiêu thụ và lưu trữ năng lượng Các quá trình này quan trọng để đảm bảo rằng tế bào có đủ năng lượng để duy trì các hoạt động sinh học cần thiết

2.5 ATP

a) Cấu trúc:

ATP hoặc adenosine triphosphate, được tổng hợp khi dòng Proton H+ chảy về nội thất của ty thể thông qua hệ thống enzym phức tạp Nó là một loại nucleotide gồm ba phần chính: adenosine (một đơn vị ribose kết hợp với một phân tử adenine), ba phân

tử phosphate liên kết với nhau qua các liên kết phosphoanhydride Cấu trúc này cung cấp năng lượng cho các quá trình tế bào như truyền tải năng lượng và tổng hợp phân tử

*ATP truyền năng lượng bằng cách nào ?

-ATP truyền năng lượng bằng cách hydrolysis, tức là việc phá vỡ liên kết giữa các phân tử phosphate trong phân tử ATP để tạo ra ADP (adenosine diphosphate) và một phân tử phosphate đơn Quá trình này giải phóng năng lượng mà tế bào sử dụng cho các hoạt động năng lượng như di chuyển, tổng hợp protein và nhiều quá trình sinh học khác

b) Chức năng

-Chức năng của ATP bao gồm:

+Nguồn năng lượng chính: là nguồn năng lượng chính cho hầu hết các quá trình sinh học trong tế bào, bao gồm tổng hợp protein, di chuyển tế bào, tổng hợp và phân huỷ các phân tử hóa học

+Truyền tải năng lượng: truyền tải năng lượng từ các quá trình catabolic (phân huỷ các phân tử) sang các quá trình anabolic (tổng hợp các phân tử)

+Cơ chế hoạt động của enzym: thường được sử dụng như một cơ chế để kích hoạt enzym, giúp tăng cường các quá trình sinh học

+Điều chỉnh các quá trình tế bào: tham gia vào việc điều chỉnh các quá trình tế bào bằng cách hoạt động như một phân tử tín hiệu, ảnh hưởng đến việc mở và đóng các kênh ion, giao tiếp tế bào và các quá trình khác

2.6 Phosphoryl hóa và khử phosphoryl hóa

a) Định nghĩa phosphoryl hóa

Là sự gắn một gốc phosphat vào một phân tử hữu cơ

b) Chức năng

phosphoryl hóa

Thu năng, do đó đóng vai trò tích trữ năng lượng

phosphoryl hóa

Là sự cắt đứt các liên kết phosphat

d) Định nghĩa oxy hóa phosphoryl hóa

Oxy hóa photphoryl hóa là quá trình vận chuyển từ NADH hoặc FADH2 đến O2,

thông qua phức hợp protein được tìm thấy bên trong màng trong ty thể, hình thành nên các bơm Proton, để bơm proton H+ ra khoảng không gian giữa hai lớp màng từ

nội chất của ty thể Kết quả, làm thay đổi sự phân bổ Proton H+ tạo ra Gradien pH, và

sự di trú điện từ tạo ra sức proton di chuyển

e) Vai trò

Phát năng: giải phóng năng lượng đúng bắng lượng cần tạo liên kết phosphat

CHU TRÌNH ACID CITRIC

- Tên gọi khác: - Chu trình acid tricarboxylic (TCA)

- Chu trình Krebs

- Quá trình “đốt cháy” oxh mạch 2C (Act~SCoA) giải phóng 2 phân tử CO2, 4 cặp nguyên tử H (tạo thành H2O) và năng lượng

Vai trò chu trình acid citric

• Tạo các đương lượng khử, GTP (ATP) và CO2

• Tạo các chất trung gian sinh tổng hợ

Chu trình acid citric: Tạo đương lượng khử, GTP (ATP), CO2

Acetyl‐CoA + 3NAD+ +FAD + GDP (ADP) + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP (ATP) +2H+ + CoA

• 2 C từ nhóm acetyl đi vào CT 2 C rời CT ở dạng CO2

• 4 cặp H rời chu trình trong 4 phản ứng oxy hoá khử

Acetyl‐CoA + 3NAD+ +FAD + GDP (ADP) + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP (ATP) +2H+ + CoA 4

• Tạo thành ATP hoặc GTP

• Hai phân tử nước bị tiêu thụ

• Khảo sát dùng chất đồng vị: 2 C trong CO2 không cùng là 2 C trong nhóm acetyl đi vào CT

• NADH và FADH2 có thể được oxy hoá trong chuỗi vận chuyển điện tử và tạo ATP

– 1 NADH tạo 2,5 ATP,

– 1 FADH2 tạo 1,5 ATP àOxy hoá hoàn toàn 1 acetyl‐CoA tạo 10 ATP

• CT acid citric chỉ xảy ra / hiếu khí

•Trừ succinat DH gắn màng, các enzym khác được xem là hoà tan trong chất nền ti thể Tồn tại trong các phức hợp đa enzym (metabolon)

Điều hoà chu trình acid citric

Điều hoà sự hình thành acetyl‐CoA bởi phức hợp pyruvat dehydrogenase Điều hoà các phản ứng trong chu trình acid citric

• Citrat synthase • Isocitrat dehydrogenase

• α‐Cetoglutarat dehydrogenase

VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ VÀ TỔNG HỢP ATP

Điện tử tích trữ trong các coenzym bị khử (NADH và FADH2) =>vận chuyển qua chuỗi các protein và coenzym có tổ chức cao và phức tạp gắn ở màng trong ti thể (chuỗi vận chuyển điện tử) à đến O2 (oxy phân tử)

• Trong quá trình vận chuyển điện tử, gradient proton được hình thành xuyên qua màng trong ti thể à cung cấp năng lượng tổng hợp ATP: phosphoryl oxy hoá hay hô hấp tế bào.tế bào

Các chất nhận điện tử chung

• Điện tử từ các phản ứng khử hydro được tích trữ trong các chất nhận điện tử chung:

– nucleotid nicotinamid (NAD+, NADP+)

– nucleotid flavin (FMN, FAD

NAD và NADP (nicotinamid adenin dinucleotid [phosphat])

• NADH mang e từ dị hoá vào chuỗi HHTB NADPH cung cấp e cho đồng hoá

• NADH và NADPH không qua được màng trong ti thể

• Gắn rất chặt trong flavoprotein

• Thế khử chuẩn phụ thuộc vào protein gắn với nó