HÓA SINH HỌC (BÀI 4)

CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA
TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG (P4)
(Chemotrophic Energy Metabolism)

Cấu trúc và chức năng các phân tử sinh học
(Structure & Function of Biomolecules)
Thuyết thẩm thấu hóa học
Peter Mitchell (1961)

Năng lượng giải phóng từ sự vận chuyển e- bơm H+ từ nội chất tới không gian giữa hai lớp màng đã tạo ra gradien điện thế proton [proton motive force (pmf)].

H+ chuyển động trở lại vào nội chất qua enzym ATP synthase dẫn đến sự tổng hợp ATP.
Mô hình thẩm thấu hóa học
(Chemiosmotic Model)
H+ được bơm từ nội chất ở 3 vị trí .
Phức hợp I = 4 H+
Phức hợp III = 4 H+
Phức hợp IV = 2 H+
(high pH)
(low pH)
Chứng minh thuyết thẩm thấu hóa học
Đưa O2 vào ty thể sẽ làm pH thay đổi

Phá vỡ màng trong ty thể sẽ làm ngừng quá trình tổng hợp ATP.

Điện ly ion sẽ làm cản trở quá trình tổng hợp ATP.
Mối quan hệ giữa DG˚’ và pmf
DG˚’ = -nF (pmf)

n = Điện tích của 1 proton

DG˚’ = -1(23,062 cal/mol•V)(0.22V)
= -5120 cal/mol = -5.12 kcal/mol

~ 5.12 kcal/mol năng lượng tạo ra cho một mol proton trở lại nội chất (matrix).
Các chất kháng và điện giải
Các chất kháng (Uncouplers)
Giảm pmf do H+ đi qua màng.
Ví dụ: dinitrophenol

Các chất điện giải:
Các loại protein ghét nước sẽ vận chuyển H+ qua màng.
Ví dụ: gramicidin A
DNP
(an ionophore)
Xác định động lực chuyển động proton
Proton motive force (pmf)

pmf = Vm + 2.303 RT DpH/F

Vm = Điện thế màng (V) ( Màng ty thể là 0.16 V )
R = Hằng số khí lý tưởng (1.987 cal/mol•K)
T = Nhiệt độ (K)
DpH = Sự chênh lệch pH của màng( Ty thể ~1.0 ) mitochondrion)
F = Hằng số Faraday(23,062 cal/mol•V)
Trong tế bào :

pmf = 0.16V + 2.303(1.987 cal/mol•K)(310K)(1.0/23,062 cal/mol•V)
= 0.22V
Mối quan hệ giữa pmf với quá trình tổng hợp ATP
Biết rằng DG ở tế bào cho thủy phân ATP là = -13 kcal/mol, vậy cần bao nhiêu H+ cho việc tổng hợp một phân tử ATP?
Tổng cộng 4 H+/ATP:
Cần 3 H+ để tạo 1 ATP
Cần 1 H+ để vận chuyển Pi vào nội chất

Tỷ lệ P/O ( số ATP tạo ra /nguyên tử Oxy )
(10 H+ được bơm /NADH)/4 = 2.5
(6 H+ được bơm /FADH2)/4 = 1.5
ATP Synthase
Efraim Racker phân lập phân tử từ 1960.

Paul Boyer & John Walker được trao giải Nobel năm 1997 cho việc xác định quá trình tổng hợp ATP
F0 = Di chuyển proton
F1 = Các phần xúc tác
(Tiểu phần g, e và c12 của con quay F0 để proton di qua)
Mô hình biến đổi cấu trúc
Được Paul Boyer đề xuất :

+ Tiểu phần b của F1 có 3 hình dáng :
Dạng L = Lỏng lẻo
ADP + Pi xâm nhập vào

Dạng T = Đóng
ADP + Pi gắn vào nhau và enzym catalyzes xúc tác để tạo thành ATP

Dạng O = Mở hoàn toàn
Ái lực thấp với cơ chất và sản phẩm,
Tóm tắt hô hấp tế bào
Con thoi e-
Glycerol phosphate shuttle
(Cơ xương, não)
Con thoi Malate-aspartate (gan, thận, tim)
Porin
e-
e-
Kiểm tra quá trình Photphorin hóa oxy hóa
Kiểm tra hô hấp
Ức chế bởi  [ATP]
Hoạt động bởi  [ADP + Pi]

Tỷ lệ giữa ATP và ADP được kiểm soát bởi 2 quá trình :
- Chuyển hóa ADP-ATP
- Quá trình chuyển nhóm Phosphate
3
3
Hạn chế sự vận chuyển e- và sự sinh nhiệt
Sự sinh nhiệt không do lạnh

Sự hình thành nhiệt ở mỡ nâu.
Các thể mỡ gắn vào ty thể.

Các protein kháng (UCP hoặc sinh nhiệt) vận chuyển H+ qua màng làm cho H+ không đi vào enzym ATP synthase.

Năng lượng từ ETS được tỏa ra dưới dạng nhiệt.
http://education.vetmed.vt.edu/Curriculum/VM8054/Labs/Lab5/IMAGES/Brown%20adipocyte%20WITH%20LABEL%20copy.jpg
http://www.trudicanavan.com/b-baby.jpg
Mỡ nâu ty thể sinh nhiệt lượng
Mỡ nâu; mô mỡ ở trẻ sơ sinh hoặc động vật ngủ đông
Năng lượng của quá trình oxy hóa đều sinh nhiệt, không sản xuất ATP

Sự sinh nhiệt xảy ra khi các proton quay lai nội chất mà không qua phức hợp FoF1 của enzym ATP synthase
Năng lượng trong gradient proton chuyển thành nhiệt lượng.