Nang luong sinh hoc

Giáo viên hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn
Người thực hiện: Nguyễn Hoàng Lan Anh
Lớp : Cao học Sinh K10
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
I. Giới thiệu chung
1. Phản ứng oxy hóa khử
2. Chuỗi vận chuyển điện tử trong hô hấp
II. Các phản ứng trong chuỗi hô hấp tế bào
1. Sự di chuyển của điện tử và proton qua các phức hệ của chuỗi hô hấp
2. Các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong chuỗi hô hấp tế bào
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
Phản ứng oxy hóa khử được định nghĩa: sự vận chuyển điện tử từ chất cho đến chất nhận điện tử.
Ví dụ: A:H + B = A + B:H
Chất cho chất nhận
Chất cho điện tử (chất khử) bản thân nó bị oxy hóa
Chất nhận điện tử (chất oxy hóa) nó bị khử
I. Giới thiệu chung:
1. Phản ứng oxy hóa khử:
* Khái niệm:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
1. Phản ứng oxy hóa khử:
Theo quan điểm hiện đại, người ta cho rằng oxy hóa sinh học là oxy hóa hydro đã tách ra từ những chất bị oxy hóa để tạo thành nước.
Oxy hóa là sự tách điện tử ra khỏi cơ chất, còn khử là sự gắn điện tử vào cơ chất. Do đó, mỗi quá trình oxy hóa bao giờ cũng đi kèm với quá trình khử.
* Oxy hóa sinh học:
* Bản chất của quá trình oxy hóa:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
1. Phản ứng oxy hóa khử:
Tất cả các chất tham gia vào quá trình oxy hóa khử trong cơ thể sống đều có khả năng nhường hoặc thu điện tử.
A:H A
Reductant  Oxidant + e-
B B:H
Oxidant + e-  Reductant
(acceptor) (donor)
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
1. Phản ứng oxy hóa khử:
Đại lượng đặc trưng cho khả năng oxy hóa khử của mỗi chất gọi là thế năng oxy hóa khử. Điện tử chuyển từ phức hệ này sang phức hệ khác dựa vào thế oxy hóa khử.
Điện tử luôn di chuyển từ chất có thế năng khử thấp hơn sang chất có thế năng khử cao hơn
* Thế năng oxy hóa khử:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
1. Phản ứng oxy hóa khử:
Một chất luôn có xu hướng mất hoặc nhận điện tử.
+ E0’ cao, đặc trưng cho chất nhận điện tử tốt – chất oxy hóa mạnh. Ví dụ: oxy (O2-)
+ E0’ thấp, đặc trưng cho chất cho điện tử tốt – chất khử mạnh. Ví dụ: hydro (H+)
* Thế năng oxy hóa khử:
Chênh lệch thế năng oxy hóa khử có vai trò rất quan trọng. Sự chênh lệch thế oxy hóa khử càng lớn, phản ứng càng dễ xảy ra
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
1. Phản ứng oxy hóa khử:
* Thế năng oxy hóa khử:
Thế năng oxy hóa khử được tính bằng công thức sau:
R: hằng số khí (1,987cal/mol.K)
T: nhiệt độ (K)
N: số điện tử (e-) được trao đổi trong phản ứng
F: hằng số Faraday (23,062cal/mol.K)
RT [dạng oxy hóa]
E’ = E0’ + ln
nF [dạng khử]
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
1. Phản ứng oxy hóa khử:
* Thế năng oxy hóa khử:
Thế oxy hóa khử có quan hệ với sự chuyển hóa năng lượng tự do của phản ứng theo công thức sau:
Gº = -nFEº
n: số điện tử trao đổi
F: hằng số Faraday, F = 96,5kj/volt
Dạng khử của cặp oxy hóa khử sẽ khử (nhường điện tử) cho dạng oxy hóa của bất kỳ cặp oxy hóa khử nằm sau nó trong bảng thế năng oxy hóa khử.
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
Bảng 1: Thế năng oxy hóa khử của một số hệ oxy hóa khử sinh học
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điên tử trong hô hấp:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điện tử trong hô hấp:
Chuỗi vận chuyển điện tử trong hô hấp tế bào (gọi tắt là chuỗi hô hấp tế bào) là hệ thống các enzim được sắp xếp có thứ tự trên màng trong ti thể.
Nó có chức năng vận chuyển điện tử và proton từ sự oxy hóa các phân tử NADH và FADH2 (sản phẩm của quá trình đường phân và chu trình Krebs).
* Khái niệm và chức năng:
Điện tử tách ra từ sự oxy hóa các phân tử NADH và FADH2 được vận chuyển qua các chuỗi hô hấp tế bào sẽ giải phóng từng phần năng lượng giúp cho quá trình bơm H+ từ nội chất vào không gian giữa hai màng ti thể.
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điện tử trong hô hấp:
Quá trình vận chuyển điện tử qua chuỗi hô hấp tế bào là quá trình oxy hóa khử, chất nhận điện tử chuyển thành dạng khử, nó bị oxy hóa trở lại dạng ban đầu giải phóng điện tử cho chất nhận tiếp theo.
Quá trình cho và nhận điện tử tiếp diễn liên tục từ đầu cho đến cuối chuỗi và kết thúc khi điện tử được chuyển đến O2 để kết hợp với H+ tạo thành H2O
* Khái niệm và chức năng:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
Kết quả của quá trình vận chuyển điện tử là tạo ra sự chênh lệch về gradien nồng độ H+ giữa nội chất và không gian giữa hai màng tạo điều kiện cho enzim ATP synthetase hoạt động tổng hợp ATP
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
Những protein mang tham gia trong chuỗi vận chuyển điện tử gồm có: - Flavoprotein (FMN, FAD)
- Protein chứa Fe-S (Fe không phải là nhân hem)
- Cytochrom chứa sắt (Fe là nhân hem)
- Cytochrom chứa đồng
- Coenzim Q (Ubiquinon) viết tắt là UQ hay CoQ
Chuỗi vận chuyển điện tử gồm có 4 phức hợp, mỗi phức hợp có chứa các chất mang điện tử khác nhau.
* Cấu trúc chuỗi vận chuyển điện tử:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
+ Phức hệ 1: Là một phức hệ khá lớn, được gọi là phức hệ NADH –Q reductase, có chứa coenzim FMN, protein Fe-S và ubiquinone
* Cấu trúc chuỗi vận chuyển điện tử:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
+ Phức hệ 2: Còn được gọi là succinate dehydrogenase vì nó có enzim succinate dehydrgenase xúc tác cho phản ứng khử succinate thành fumarate, ngoài ra còn chứa coenzim FAD, các protein Fe-S
* Cấu trúc chuỗi vận chuyển điện tử:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
+ Phức hệ 3: gồm có cytochrom b, cytochrom c1 và các protein Fe-S. Tương tự như protein Fe-S, các cytochrom cũng có chứa nguyên tử Fe (nguyên tử Fe này là nhân hem)
* Cấu trúc chuỗi vận chuyển điện tử:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
+ Phức hệ 4: còn được gọi là cytochrom c oxidase, chứa cytochrom a và cytochrom a3, cả hai đều dùng nguyên tử Fe và Cu để giữ điện tử
* Cấu trúc chuỗi vận chuyển điện tử:


CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
II. Các phản ứng trong chuỗi hô hấp tế bào:
1. Sự di chuyển của điện tử và proton qua các phức hệ của chuỗi hô hấp:
Con đường di chuyển điện tử và proton có thể được tóm tắt như sau:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
Tại phức hệ 1, điện tử tách ra từ NADH được chuyển đến FMN, sau đó chuyển cho protein Fe-S và được chuyển tiếp cho ubiquinone.
Ở phức hệ 2, quá trình khử succinate thành fumarate tách ra 2e- và 2H+ chuyển cho FAD, sau đó 2e- được chuyển tiếp cho protein Fe-S, và tiếp tục được chuyển đến ubiqinone.
Ubiquinone nhận e- từ phức hệ 1 và 2 chuyển đến cho phức hệ 3. Tại đây e- được chuyển cho cytochrom b, chuyển tiếp đến protein Fe-S, cytochrom c1 và sau đó e-được chuyển cho cytochrom c
Cytochrom c mang điện tử chuyển đến phức hệ 4 cho chất nhận là cytochrom a, cytochrom a3. Cuối cùng điện tử được chuyển cho O2 để tạo thành nước
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
2. Các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong chuỗi hô hấp tế bào:
Như đã nói ở trước quá trình vận chuyển điện tử qua chuỗi hô hấp tế bào là quá trình oxy hóa khử.
Các protein mang trong các phức hệ lần lượt bị khử khi nó nhận điện tử và bị oxy hóa trở lại dạng ban đầu khi nó chuyển điện tử cho chất nhận tiếp theo.
Vậy có thể tổng kết khái quát các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong chuỗi hô hấp tế bào như sau:
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
* Phản ứng oxy hóa khử khi tách điện tử từ các chất mang điện tử đầu tiên:
NADH  NAD+ + 2e- + H+
NADH là chất mang điện tử, sản phẩm của quá trình đường phân và chu trình Krebs; nó chuyển điện tử cho phức hệ 1
Phản ứng khử succinate xảy ra trong chu trình Krebs và điện tử được chuyển trực tiếp cho FAD khử nó thành FADH2.
Succinate  fumarate + 2e- + 2H+
FAD + 2e- + 2H+  FADH2
Succinate +FAD  fumarate + FADH2
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
* Phản ứng oxy hóa khử xảy ra khi điện tử di chuyển qua các phức hệ:
+ Điện tử di chuyển trong phức hệ 1:
FMN + 2e- + 2H+  FMNH2
2Fe3+ + 2e-  2Fe2+
UQ + 2e- + 2H+  UQH2

CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
* Phản ứng oxy hóa khử xảy ra khi điện tử di chuyển qua các phức hệ:
+ Điện tử di chuyển trong phức hệ 2:
2Fe3+ + 2e-  2Fe2+
UQ + 2e- + 2H+  UQH2

CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
* Phản ứng oxy hóa khử xảy ra khi điện tử di chuyển qua các phức hệ:
+ Điện tử di chuyển trong phức hệ 3:
Sự vận chuyển điện tử trong phức hệ III khá phức tạp. Qúa trình vận chuyển này liên quan đến sự khử UQ và oxy hóa UQH2 tạo thành một chu trình biến đổi Ubiquinon (cycle Q) khép kín.
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
+ Điện tử di chuyển trong phức hệ 3:
Tại vị trí Q0:
Tại vị trí Q1: 2cyt b3+ + 2e-  2cyt b2+
CoQ + 2e- + 2H+  2CoQH2
2CoQH2  2CoQ + 4e- + 4H+
2Fe3+ + 2e-  2Fe2+
2cyt c13+ + 2e-  2cyt c12+
2cyt c3+ + 2e-  2cyt c2+
2CoQH2 + 2cyt c3+  2CoQ +
2cytc2+- + 2e- + 4H+
CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ
TRONG CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO
+ Điện tử di chuyển trong phức hệ 4:
4Cyt c2+  4 cytc3+ + 4e-
4cyt a3+ + 4e-  cyt a2+
4cyt a33+ + 4e-  4 cyt a32+
4H+ + 4e- + O2  2H2O
4cyt c2+ + 4H+ + O2  4cyt c3+ + 2H2O
KẾT LUẬN
Vậy phản ứng oxy hóa khử là phản ứng trong đó có sự cho và nhận điện tử giữa các chất. Oxy hóa sinh học là oxy hóa hydro đã tách ra từ những chất bị oxy hóa để tạo thành nước.
Điện tử có thế năng khử cao được tách ra từ phân tử thức ăn (glucose, lipit, …) và được chuyển đến các chất mang điện tử (NADH và FADH2). Các chất này mang điện tử chuyển điện tử vào chuỗi vận chuyển điện tử.
Động lực của phản ứng oxy hóa khử là thế năng oxy hóa khử, sự chênh lệch thế năng khử giữa các chất tham gia phản ứng càng lớn, phản ứng càng dễ xảy ra.
KẾT LUẬN
Điện tử di chuyển dọc theo chuỗi, mỗi thành phần bị khử khi nó nhận điện tử và sau đó bị oxy hóa trở lại dạng ban đầu khi điện tử đi qua chúng. Thật ra, các điện tử đó được dùng để khử oxy thành nước.
Phản ứng tổng quát của quá trình có thể viết:
NADH + H+ + 1/2O2  NAD+ + H2O + năng lượng
Như chúng ta đã biết năng lượng đó được dùng để bơm H+ từ nội chất vào không gian giữa hai màng tạo ra sự chênh lệch gradien nồng độ H+, tạo điều kiện cho quá trình tổng hợp ATP