HÓA SINH HỌC (BÀI 3)

CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA
TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG (P3)
(Chemotrophic Energy Metabolism)

Cấu trúc và chức năng các phân tử sinh học
(Structure & Function of Biomolecules)
Quá trình tổng hợp ATP sẽ như thế nào?
Các coenzyme khử NADH và FADH2 nhận e- chuyển tới hệ thống vận chuyển điện tử (ETS), nó đi vào quá trình tổng hợp ATP.
Những điều kiện hô hấp hiếu khí
e- được vận chuyển tới O2.

NADH + H+ + 1/2 O2  NAD+ + H2O
DG˚’ = -52.4 kcal/mol

FADH2 + 1/2 O2  FAD + H2O
DG˚’ = -45.9 kcal/mol
Tại sao sự vận chuyển e- lại tiến hành theo từng bước?
Nếu electron được chuyển trực tiếp tới oxy thì phần lớn năng lượng sẽ bị mất đi dưới dạng nhiệt.
Các chất mang bản chất là Protein
Các Flavoprotein

Cụm Fe-S (không nằm trong Hem)

Fe chứa trong các cytochromes ( Hem)

Cu chứa trong các cytochrome

Coenzyme Q
Các Flavoprotein
FAD hoặc FMN (Nhóm ngoại)

Vận chuyển cả e- và H+, chúng vừa là chất oxy hóa vừa là chất khử.
Fe-S Protein
Fe và S tổ hợp với cysteine của protein.

Mỗi lần vận chuyển một e- .
Fe2+  Fe3+

Không vận chuyển H+.
Fe trong các Cytochrome
Giống như Fe-S protein, ngoại trừ các cytochrome có hem Fe.

Mỗi lần vận chuyển một e- .
Fe2+  Fe3+

Không vận chuyển H+
http://bai.nci.nih.gov/cytc.gif
Cu chứa trong các Cytochrome
Một nguyên tử Cu gắn vào Hem.

Mỗi lần vận chuyển một e-
Cu+  Cu2+

Nó nằm ở vị trí chủ yếu ở cuối ETS và vị trí này tiếp nhận O2 .
Coenzyme Q
Không phải phân tử protein mà là các ubiquinone (UQ or CoQ).

Là chất mang e- có nhiều ở màng .

Nó di chuyển tự do ở màng trong ty thể như chất vận chuyển trung gian.
Vận chuyển e- và H+.
Complex I
Phức hợp enzym NADH dehydrogenase

Kích thước lớn
Có ≥ 25 polypeptide

Vận chuyển e- từ NADH tới UQ.
http://138.192.68.68/bio/Courses/biochem2/ETC/ETC1.html
Complex II
Phức hợp enzym Succinate-coenzyme Q reductase.
Chứa succinate dehydrogenase (Krebs cycle enzyme).

Vận chuyển e- từ succinate tới UQ qua chất trung gian là FAD.
Complex III
Phức hợp enzym cytochrome bc1 .
Vận chuyển e- từ UQH2 tới cytochrome c.
Complex IV
Cytochrome c oxidase

Vận chuyển e- từ cytochrome c tới O2.
O2 + 4 H+ + 4 e-  2 H2O

Liên kết chặt chẽ giữa Azide và cyanide với trung tâm Fe-Cu tạo phức hợp vận chuyển e-
http://138.192.68.68/bio/Courses/biochem2/ETC/ETC2.html
Quan hệ năng lượng trong ETS
DG˚’ liên quan tới sự thay đổi thế oxy hóa khử (DE˚’ ).

e- chuyển từ phức hợp này tới phức hợp khác trên cơ sở E˚’.
Thế oxy hóa khử (E˚’)
Đo lường giá trị điện thế của điện thế vận chuyển điện tử của một cặp oxy hóa khử.
Xu hướng của những chất đặc biệt này là cho và nhận điện tử e-.
E˚’ cao có khả năng cho e-
E˚’ thấp có khả năng nhận e-
Ví dụ :
Fe3+/Fe2+ E˚’ = +0.77 V (Fe3+ là chất cho)
NAD+/NADH E˚’ = -0.32 V (NADH là chất nhận)

Tính toán E’
E’ = E˚’ + RT ln [Dạng oxi hóa ]


R = Hằng số khí lý tưởng (1.987 cal/mol•K)
T = Nhiệt độ (K)
n = số e- vận chuyển trong phản ứng
F = Hằng số Faraday (23,062 cal/mol•V)
nF
[Dạng khử]
Tại sao vấn đề này quan trọng?
Dạng khử của cặp oxy hóa khử sẽ khử (nhận electron) dạng oxy hóa của mọi cặp oxy hóa khử dưới nó trong bảng E˚.
+ DE˚ có giá trị dương thì sự vận chuyển e- từ phân tử này đến phân tử khác sẽ xảy ra một cách tự phát.
- DE˚’ = E˚’ (chất nhận) - E˚’ (chất cho)
Thế oxy hóa khử tiêu chuẩn (E˚)
Ví dụ minh họa
Sự vận chuyển e- từ NADH tới O2.
NADH là chất cho; O2 là chất nhận.
DE˚’ = E˚’ (chất nhận) - E˚’ (chất cho)
= +0.816 V - (-0.32 V)
= + 1.136 V
Từ DE˚’ và DG˚’ có thể đo lường trạng thái nhiệt động, giữa chúng quan hệ với nhau như thế nào?
Xác định DG˚’ từ DE˚’
Ta có DG˚’ = -nF DE˚’
Khi vận chuyển e- từ NADH tới O2.
DG˚’ = -nF DE˚’
DG˚’ = -2(23,062 cal/mol•V)(1.136 V )
DG˚’ = -52.400 cal/mol (-52,4 kcal/mol)

Photphorin hóa Oxi hóa
Mỗi lần e- được chuyển tới chất mang mới, nó bị mất năng lượng. Năng lượng được chuyển hóa qua quá trình photphorin hóa ADP thành ATP.
3 giai đoạn của ETS đủ năng lượng để xảy ra sự tổng hợp ATP, đó là :
Phức hợp I
Phức hớp III
Phức hợp IV
ETS và sự tổng hợp ATP
~ 2.5 phân tử ATP cho một cặp e- nhận từ NADH

~ 1.5 phân tử ATP cho một cặp e- nhận từ FADH2
(-19.2 kcal/mol)
(-8.3 kcal/mol)
(-24.5 kcal/mol)