Năng lượng và sự trao đổi chất

NĂNG LƯỢNG
VÀ SỰ TRAO ĐỔI CHẤT
(NĂNG LƯỢNG HỌC CỦA TẾ BÀO)
I. NĂNG LƯỢNG
II. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT
III. ENZYME HỌC
IV. CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA TRONG CƠ THỂ SỐNG
I. NĂNG LƯỢNG
1. Các quy luật biến đổi năng lượng và trật tự sinh học
a) Các quy luật biến đổi năng lượng
Quy luật nhiệt động học thứ nhất: “Tổng năng lượng của vũ trụ là không đổi”.
Quy luật nhiệt động học thứ hai: “Thế giới vật chất biến đổi liên tục để trở thành mất trật tự hay hỗn loạn hơn”.
b) Trật tự sinh học
Trật tự sinh học là các cấu trúc và phản ứng hóa học trong cơ thể được duy trì theo một trật tự nhất định.
Để duy trì trật tự sinh học trong tế bào, các phản ứng phân hủy được thực hiện để giải phóng năng lượng tự do đem dung cho quá trình tổng hợp cơ chất.
2. Năng lượng tự do
a) Thế nào là năng lượng tự do ?
Năng lượng tự do là năng lượng vốn có của một hệ thống, khi cần nó được dung để thực hiện công dưới các điều kiện và áp suất nhất định.
Vd: Một bồn chứa nhiều nước để trên cao có tích năng lượng tự do: có thể thực hiện công khi mở vòi cho nước chảy xuống thấp.
b) Phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt
Năng lượng tự do của các liên kết cộng hóa trị của các chất phản ứng được giải phóng ra ở dạng nhiệt nên phản ứng được gọi là phản ứng tỏa nhiệt.
Ngược lại, nếu các sản phẩm chứa nhiều năng lượng tự do hơn, phản ứng không được tự động thực hiện, cần nhận thêm năng lượng nên gọi là thu nhiệt.
3. Sự oxi hóa khử và sự oxi hóa trong tế bào
a) Phản ứng oxi hóa khử:
II. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT
1. Đặc điểm chuyển hóa năng lượng của tế bào
Ánh sang mặt trời được các sinh vật tự dưỡng trong quá trình quang hợp.
Các sinh vật dị dưỡng thì không thu nhận trực tiếp được từ năng lượng mặt trời mà phải nhận năng lượng gián tiếp từ các chất hữu cơ do các sinh vật quang hợp tạo ra.
Năng lượng chứa trong các chất hữu cơ thường được giải phóng ra thông qua quá trình hô hấp.
Năng lượng chủ yếu được chuyển hóa là năng lượng hóa học của các hợp chất hữu cơ.
Các cơ chất thường không tiếp xúc trực tiếp với oxi.
2. Adenosine triphosphate (ATP)
Adenosine triphosphate (ATP) là một trong những hợp chất căn bản của sự sống. Nó giữ vai trò chủ chốt trong hầu như tất cả các quá trình chuyển hóa năng lượng của mỗi hoạt động sống.
Phân tử ATP là một nucleotide, được tạo thành từ Adenine, đường ribose và 3 phosphate PO4.
Tính chất quan trọng của phân tử ATP là dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích trữ năng lượng.
3. Các chất chuyên chở Hydrogen
Tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng còn có các chất chuyên chở Hydrogen như: NAD+, NADH2, FAD, NADP và NADPH2.
NAD là Nucleotide. Phần trên là vòng Nicotine amide giữ vai trò quan trọng trong vận chuyển Hydrogen. Nửa dưới phân tử là Adenosine monophosphate (AMP).
NAD+ là dạng oxi hóa, có sự biến đổi thuận nghịch sang NADH + H+ (gọi là NAD-khử).
ADP có cấu trúc tương tự như NAD nhưng có thêm một nhóm phosphate.
NAD+ và NADP+ hai chất chuyển Hydrogen quan trọng nhất trong phản ứng dị hóa.
Tham gia chuyển Hydrogen có FAD, cũng là Nucleotide. Nó dễ dàng biến sang dạng FADH2.
4. Các chất chuyền điện tử
Từ năm 1925, các cytochrome được phát hiện đó là các chất có màu do chứa nhân heme ở hemoglobin.
Hiện nay, có hơn 40 protein được phát hiện ở hệ thống chuyền điện tử. Các cytochrome chia thành 3 loại a, b, c.
Chất vận chuyển điện tử có cấu tạo đơn giản là ubiquinone hay coenzyme Q, nó có thể nhận một hoặc hai điện tử.
Mặt khác các phản ứng hóa học giữa sự chuyển năng lượng từ các chất phản ứng sang các sản phẩm. Trong quá trình hô hấp biến đổi glucose:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Q
III. ENZYME HỌC
1. Đại cương về enzyme
a) Các chất xúc tác
Chất xúc tác là chất:
+Giảm năng lượng hoạt hóa.
+Tăng vận tốc phản ứng.
+Không tham gia phản ứng.
+Không đổi chiều phản ứng.
Vd: Platin xúc tác phản ứng H2 và O2:
2H2 + O2 + 6Pt → 4HPt + 2OPt → 2H2O + 6Pt.
b) Enzyme là gì?
Enzyme ( xúc tác sinh học):
+Chất xúc tác thông thường.
+Là Protein.
+Không bền với điều kiện môi trường.
+Hiệu suất phản ứng cao (có thể đạt 100%).
+Đặc hiệu
2. Cấu tạo enzyme: protein, coenzyme, nhóm prosthetic và trung tâm hoạt động.
Cấu tạo enzyme:
Protein: có hình dạng là khối cầu, có kích thước thường lớn hơn cơ chất do chúng tác động.
Nhón coenzyme: được cấu tạo từ
Nhóm prosthetic: được tạo thành từ sự gắn chặt của coenzyme với protein enzyme
3. Tính đặc hiệu (specificity)
Khác với các chất vô cơ (chất xúc tác): các enzyme có tính chọn lọc rất cao. Một enzyme nói chung tương tác đặc hiệu với một loại phản ứng hay một cặp chất phản ứng (reactant) thường được gọi là cơ chất (substrate). Nhưng đa số enzyme là các protein hình cầu (globular), nó có cấu trúc không gian ba chiều phức tạp, mỗi loại có bề mặt kiểu hình học riêng, do đó mọi enzyme chỉ tương tác với các cơ chất mà cấu trúc không gian phân tử của chúng “lắp vừa vặn bề mặt enzyme đó”
a) Đặc hiệu phản ứng
Tính đặc hiệu của enzyme chỉ biểu hiện đối với cơ chất mang một loại liên kết hóa học nhất định.
Vd: Enzyme lipase do tuyến tụy tiết ra chỉ cắt liên kết ester giữa glycerol và acid béo.
Nó chỉ tác động với 1 số protein và những điểm đặc hiệu, nó nhận biết được.
Vd: Enzyme Thrombin nhận biết liên kết giữa các aminoacid viginine và glycine.
b) Đặc hiệu cơ chất
Tính đặc hiệu còn biểu hiện chuyên biệt những cơ chất nhất định.
Các enzyme có thể phân biệt được những cơ chất rất giống nhau.
Vd: Các đồng phân chẳng hạn.
4. Trung tâm hoạt động (Active site)
Trung tâm hoạt động là một vùng giới hạn của phân tử enzyme thực sự gắn với cơ chất.
Cấu tạo: thường trung tâm hoạt động được tạo thành do một số aminoaxid của enzyme. Còn số khác
5. Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme
Nồng độ enzyme ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng, khi nồng độ enzyme tăng thì tốc độ phản ứng tăng đến cực đại.
.
a) Tốc độ phản ứng
Ở nồng độ cơ chất thấp có sự tương quan tỉ lệ thuận giữa nồng độ và tốc độ phản ứng.
Ở nồng độ cao các enzyme đã bảo hòa cơ chất nên không tăng được tốc độ phản ứng, tốc độ phản ứng lúc này phụ thuộc vào nồng độ enzyme
b) Nồng độ cơ chất
c) Chất kìm hãm
Phần lớn các enzyme có thể bị kìm hãm hay ức chế(inhibition). Có 2 loại ức chế:
+Ức chế cạnh tranh (competitive inhibition) xảy ra do ức chế tương tự cơ chất nên có thể kết hợp thuận nghịch với trung tâm hoạt động, nhưng chất ức chế không biến đổi tiếp tục. Thường trong phản ứng này, phức hợp enzyme_chất ức chế sẽ bền vững hơn là phức hợp enzyme_cơ chất.
Vd: CO gây độc vì nó cạnh tranh với oxygen gắn vào các trung tâm hoạt động của hemoglobin.
+Ức chế không cạnh tranh (incompetive inhibition)
d) Nhiệt độ
Nhiều enzyme có tốc độ phản ứng nhanh nhất ở một nhiệt độ tối ưu ( giữa 40o-50oC). Nhưng nhiệt độ cao quá sẽ làm biến tính protein dẫn đến mất hoạt tính enzyme.
Tuy thế có một số loại chuey63n hóa tốt hơn ở trên hoặc dưới khoảng nhiệt độ đó.
Vd: Một số loài vi khuẩn sống được ở các nguồn nước nóng trên 85oC và có enzyme đặc biệt bền vững.
e) pH
Mỗi enzyme đều có hoạt tính tối ưu trong một giới hạn pH thích hợp.
Vd: Pepsin và trypsin đều là các enzyme thủy giải protein. Tuy nhiên pepsin có hoạt tính cao trong điều kiện acid mạnh (pH=2), còn trypsin dưới các điều kiện trung hòa hoặc hơi kiềm (pH=8,5)
Tóm lại, enzyme là các chất xúc tác sinh học có bản chất protein; chúng xúc tác các phản ứng với tính đặc hiệu và hiệu quả cao. Chúng là động lực của các phản ứng sinh học, là công cụ phân tử hiện thực hóa thong tin hóa thong tin di truyền chứa trên DNA.
IV. CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA TRONG CƠ THỂ SỐNG
1. Sơ đồ trao đổi chất
Sự trao đổi chất của tế bào là một sơ đồ phức tạp với nhiều chuỗi phản ứng đan chéo nhau. Sự trao đổi chất trong tế bào là rất cần thiết vì vậy để tế bào có thể hoạt động tốt hệ thống trao đổi chất cần được tổ chức hợp lý trong không gian và thời gian.
2. Trao đổi chất được điều hòa bởi sự thay đổi hoạt tính enzyme
Enzyme là động lực của các phản ứng hóa học trong cơ thể sống. Thông qua các enzyme bộ máy di truyền kiểm soát các phản ứng sinh hóa và hoạt động của tế bào, tổ chức không gian hớp lý cho quá trình sinh hóa.
3. Toàn bộ các phản ứng xảy ra trong tế bào sống được gọi là sự trao đổi chất, gồm 2 loại phản ứng xảy ra đồng thời đó là đồng hóa và dị hóa. Sự đồng hóa và dị hóa thường xảy ra song song với nhau ở các vị trí khác nhau trong tế bào. Năng lượng phóng thích trong quá trình dị hóa được sử dụng để thực hiện quá trình đồng hóa.
4. Tổ chức không gian hợp lý cho các quá trình phản ứng
Enzyme khác nhau, chức năng riêng biệt.
Phân bố không gian đơn giản nhất, phức hợp enzyme xúc tác các phản ứng dây chuyền. Enzyme đầu không phải đi vào tế bào chất để gặp enzyme thứ hai.