QUÁ TRÌNH CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG

Chuyên đề
Năng lượng sinh học
Đề tài: Các quá trình cung cấp năng
lượng trong cơ thể sống.

Nhóm 5: Lê Văn Vũ – Bùi Anh Tuấn
Trần Đình Trung -Huỳnh Minh Sang.
Giảng viên hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn

NĂM HỌC 2008-2009
MỞ ĐẦU
Tất cả các hoạt động của cơ thể sống đều cần năng lượng, nếu không có năng lượng mọi hoạt động của cơ thể sống đều dừng lại. Vì thế, mọi hoạt động sống của cơ thể đều gắn liền với các quá trình cung cấp và sử dụng năng lượng. Đây là động lực thúc đẩy các phản ứng xảy ra.
Vậy, năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của cơ thể có từ đâu? Các quá trình nào trong cơ thể sống có thể cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của chúng?
N?I DUNG

1. Các phản ứng cung cấp và biến đổi năng lượng
1.1. Năng lượng của quá trình quang hợp
Cơ chế của quá trình phosphoryl hoá vòng
Cơ chế của quá trình phosphoryl hoá không vòng
1.2. Năng lượng của quá trình phân giải hydratcacbon
Quá trình đường phân (glycolyse)
Chu trình Crebs
Chu trình pentosephosphat
2. Năng lượng phân giải chất béo
3. Năng lượng của các phản ứng khác
4. Hiệu số-hiệu quả sử dụng năng lượng phosphoryl hoá oxy hoá
Hiệu quả sử dụng năng lượng phosphoryl hoá
Con đường đường phân
Con đường pentosephosphat
Hiệu số sử dụng năng lượng
1. Các phản ứng cung cấp và biến đổi năng lượng
Bản chất hoá học của quá trình giải phóng năng lượng từ cơ chất là quá trình oxy hoá.
Năng lượng của quá trình này chỉ được tế bào sống sử dụng khi chúng được giải phóng dần dần và từng bước nhất định cũng như khi chúng được chế biến thành các dạng thích hợp. Như vậy, các phản ứng cung cấp năng lượng có thể là quá trình cung cấp hydro, tách các điện tử, tạo thành ATP, toả nhiệt tự do . . .
1.1. Năng lượng của quá trình quang hợp
Tất cả các nguồn năng lượng cho sự sống đều khời nguồn từ năng lượng ánh sáng mặt trời. Bởi vì, nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời mà cây xanh có thể chuyển hoá từ các chất vô cơ thành các chất hữu cơ của chúng và từ đó là nguồn chất dinh dưỡng cho tất cả các sinh vật khác. Trong cơ thể sinh vật quang hợp, có 1 hệ thống phản ứng phức tạp, chuyển hoá năng lượng của các foton ánh sáng thành hoá năng trong các liên kết của các hợp chất hữu cơ gọi là Quang hợp.
Quá trình quang hợp có thể tóm tắt như sau:
CO2 + H2O → (CH2O) + O2

Đây là phản ứng thu năng lượng. Người ta tính toán muốn khử từ 6CO2 để tạo thành glucose - 6 - phosphat - sản phẩm cuối cùng của phản ứng quang hợp, cần thiết phải có 12 phân tử NADPH và 18 phân tử ATP. Nguồn năng lượng để tạo thành các phân tử NADPH và ATP này do năng lượng ánh sáng mặt trời cung cấp.
Các sắc tố quang hợp gồm: Clorophin, Carotenoit, Phycobilin và sắc tố của dịch tế bào.

Quang hợp ở cây xanh
Diệp lục hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời
Năng lượng được dự trữ trong các phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng kích thích và tiếp theo là sự di trú năng lượng vào trong trung tâm phản ứng, là một phân tử diệp lục đặc biệt.
e–
Phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng này, sau khi nhận năng lượng sẽ trở nên bị kích thích và trở thành chất cho điện tử, nhường điện tử cho chất nhận electron đầu tiên tham gia vào quá trình quang phosphoryl hóa.
Tuy nhiên, tùy theo diệp lục ở trung tâm phản ứng khác nhau mà quá trình vận chuyển điện tử có thể đi theo con đường quang phosphoryl hóa vòng hay không vòng.
1.1.1 Quang Phosphoryl hóa vòng
(Cyclic Photophosphorylation)
1O Electron acceptor
nADP + nP nATP + nH2O
 

Các phân tử diệp lục, khi hấp thu lượng tử ánh sáng chuyển thành trạng thái kích thích. Ở trạng thái kích thích dưới tác dụng của ánh sáng tiếp tục chlorophyl trở thành chất cho điện tử.
Chất nhận điện tử đầu tiên trong chuỗi phosphoryl hóa là protein –ferredoxin có chứa sắt. Khi nhận điện tử thì ferredoxin chuyển thành trạng thái khử:
Ferredoxin-Fe +e- → Ferredoxin-Fe.
có thế năng l à E0=-0,435volt
2+
3+
.
Vì là chất khử mạnh, nên ferredoxin-Fe2+ chuyển điện tử cho chất vận chuyển trung gian tiếp theo là cytochrom b6, có thế năng là :
E0 =-0,060volt và khử cytochrom này. Từ cytochrom b6, lại được chuyển điện tử cho cytochrom f, có thế năng là E0 =+ 0,365volt, cuối cùng điện tử quay trở lại chlorophyl
Trong quá trình vận chuyển điện tử, có sự tham gia của các hệ thống enzyme đặc hiệu, nên hình thành các liên kết phosphoryl giầu năng lượng ATP mà không có tham gia của bất kỳ một chất cho hay chất nhận điện tử nào khác.
Đó là nét đặc trưng của quá trình phosphoryl hóa vòng và có thể trình bày theo phương trình tổng quát:
nADP +nP → n ATP +n H2O

Quá trình phosphoryl hóa vòng không đủ thỏa mãn năng lượng để khử CO2 cho nên trong quang hợp còn có thể có quá trình khác bổ sung, đó là qúa trình phosphoryl hóa không vòng để cung cấp ATP và NADPH cho đồng hóa CO2

1.1.2 Quang Phosphoryl hóa không vòng

H2O + ADP + P +2NADP+ ATP +2NADPH + ½ O2
Thành phần của chu trình truyền điện tử ở đây là plastoquinon, plastoxyanin, xitocrom f rồi đến P700 của PSI mà không trở về P680 để khép kín chu trình. Điện tử bù lại cho P680 được lấy từ H2O qua quá trình quang phân ly nước để giải phóng O2 và e, cũng như H
Vì vậy, kết quả của chu trình truyền điện tử không vòng này là sự hình thành không những ATP mà còn giải phóng O2 và hình thành sản phẩm khử NADPH2.
+
-

Con đường không vòng thực hiện bởi hệ sắc tố sóng ngắn và sóng dài bao gồm: clorophin a có cực đại hấp thu ở bước sóng λ< 680nm và các sắc tố phụ khác.P680 là trung tâm phản ứng của phản ứng sáng II.
Chất nhận điện tử đầu tiên của PSII là C550

Các sản phẩm của quá trình quang phosphoryl hóa không vòng là ATP, NADPH và oxy, do đó có thể viết phương trình tổng quát như sau:

2H2O+ 2ADP + 2 P + 2NADP+→ 2ATP + 2NADPH +O2.

Hiệu quả năng lượng của quá trình
Quá trình Quang Phosphoryl hóa vòng:
Trong quá trình này cứ trung bình 4 photon ánh sáng đỏ thì vận chuyển được 4 điện tử và tạo được từ 2 đến 4 ATP (1 ATP =9kcal). Một photon ánh sáng đỏ có năng lượng là 42 Kcal, hiệu suất năng lượng tối đa có thể có của quá trình này là:
(9x4/42x4)x100% = 22%


Hiệu quả năng lượng của quang phosphoryl hóa không vòng cao hơn so với quang phosphoryl hóa vòng

2. Quá trình quang phosphoryl hóa không vòng:
Kết quả của quá trình quang Phosphoryl hóa không vòng là một phần quang năng bị biến đổi được dùng vào việc tạo thành ATP, phần còn lại được dùng để tạo NADPH-H (=52 Kcal) và giải phóng O2.
Tỷ lệ foton: điện tử: NADPH-H:ATP là 4:2:1:1. Như vậy hiệu suất năng lượng của quá trình này là:
[(52+9)/168]x 100% = 36%.
Sự khác nhau giữa hai quá trình
Quang Phosphoryl hóa vòng

Điện tử được vận chuyển quay vòng

Phosphoryl hóa ADP thành ATP bằng con đường hóa thẩm thấu.
Không tạo thành carbonhydrat


Chỉ sử dụng P700.
Quang phosphoryl hóa không vòng
- Điện tử được chuyển hóa từ sự phân ly nước.
- Giải phóng ra Oxy phân tử
Tạo ATP.


Tạo Carbonhydrat là NADPH (chất nhận e cuối cùng) để tham gia vào chu trình Calvin.
Sử dụng P700 và P680.

Axit sucxinic
Axit fumaric
Quang hợp ở một số loài khác.
Sơ đồ vận chuyển điện tử ở vi khuẩn quang hợp Rhodospitillum
Quang hợp ở vi khuẩn và tảo
Quá trình quang hợp ở vi khuẩn có những nét khác biệt so với thực vật bậc cao:
Chất cho điện tử là H hay các hợp chất S ở dạng khử đều là những chất khử mạnh hơn H2O và các hợp chất hữu cơ.
CO2 + 2H2S (ánh sáng) CH2O + 2S + H2O
Trung tâm phản ứng là P840 ở vi khuẩn xanh, ở vi khuẩn tía là P890.
Quá trình phosphoryl hóa quang hợp liên quan tới NAD chứ không phải NADP như ở thực vật bậc cao.
Được tiến hành trong điều kiện yếm khí, quá trình khử CO2 được gắn liền với quá trình oxy hóa của thực thể vô cơ hoặc hữu cơ. Quá trình này không thải khí O2 mà cũng không hút CO2. Vai trò của ánh sáng chỉ là để tạo ATP.
Bacterial Photosynthesis
Cơ chế quang hợp ở vi khuẩn tía, vi khuẩn xanh và vi khuẩn helio.
1.2. NĂNG LƯỢNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI HYDRATCACBON
Phân giải hydratcacbon có thể được thực hiện bằng những con đường khác nhau: bằng con đường đường phân hoặc oxy hoá trực tiếp bằng con đường pentosephosphat.

 

1.2.1 Đường phân
Như vậy dựa vào sơ đồ, ta thấy có 3 giai đoạn cung cấp năng lượng đó là:

* Giai đoạn I: Glyceraldehyt-3-phosphat + NAD + P
Axit-1,3-diphosphoglyceric + NADH + H
Giai đoạn này rất quan trọng và phản ứng oxy hoá thường diễn ra theo một hướng vì sản phẩm của phản ứng đầu lập tức được dùng cho phản ứng sau.
Ngoài việc tạo ra NADH thì trong phân tử Axit-1,3-diphosphoglyceric có chứa liên kết phosphat giàu năng lượng. Do đó, dưới tác dụng của E. phosphoglyceratkinase gốc phosphat chứa liên kết cao năng được chuyển Axit-1,3-diphosphoglyceric từ đến ADP và tao thành ATP.
* Gđ II: Axit-1,3-diphosphoglyceric + ADP
Axit3-phosphoglyceric + ATP
Cuối cùng của con đường này, từ
phosphoenolpyruvic có chứa liên kết phosphat
cao năng, nhờ tác dụng của
E.phosphopyruvackinase chuyển gốc phosphat
chứa liên kết cao năng đến phân tử ADP để tạo
thành ATP.

* Gđ III: Axit phosphoenolpyruvic + ADP.Mg
Axit pyruvic + ATP
Như vậy chuyển hoá 1 phân tử glucose đến axit pyruvic tiêu hao 2ATP để phosphoryl hoá glucose thành glucose-6-phosphat và fructose-6-phosphat thành fructose-1,6-diphosphat. Sau đó phân tử fructose-1,6-diphosphat bị phân cắt tạo thành 2 phân tử glyceraldehyt-3-phosphat. Mỗi phân tử này tiếp tục chuyển hoá tạo thành 2 phân tử ATP cung cấp cho tế bào.



Quá trình này được tóm tắc như sau:

Glucose + 2P + 2NAD + 2ADP 
2pyruvic +2ATP + 2NADH + H
1.2.2 Chu trình Krebs


Từ 2 phân tử axetyl –CoA đi vào 2 vòng của chu trình và có phương trình tổng quát:
2axetil-CoA + 4H2O + 6NAD + 2FAD + 2ADP +2Pi 

4CO2 + 6NADH + 2FADH2 + 2ATP +6H + 2CoA-SH

NADH và FADH2 dùng để tổng hợp ATP ở màng trong ty thể.
+
+
1.2.3 Chu trình pentosephosphat
Là quá trình oxy hoá trực tiếp glucose-6-phosphat đến cacbonic và nước mà không qua con đường phân li kỵ khí và chu trình Crebs. Chuổi phản ứng kế tiếp nhau do các E tương ứng xúc tác có tên là: Chu trình pentosephosphat.
Khi oxy hoá glucose-6-phosphat mạch 6C bị oxy hoá và cacboxyl luân phiên nhau.
Năng lượng của chu trình pentosephotphat
- Kết quả mạch cácbon bị cắt dần từ hexose qua pentose đến tetrose . . .Nhưng không phản ứng nào trực tiếp tổng hợp ATP.
- Mỗi lần oxh tách ra 1C ở dạng CO2 và tạo thành 2NADPH
- Kết quả tính được của chu trình nay tạo ra 12 phân tử NADPH (tương đương 36ATP). Vậy nó tương đương với chu trình Crebs về mặt năng lượng. Ngoài ra nó còn cung cấp những vật liệu để tổng hợp các CoE, nucleotit và axitnucleic . . .
Qua các bước sau:
Bước 2:
Bước 3:
Bước 4:
Tổng quát
* Tổng kết năng lượng trong quá trình - oxy hóa của axit béo:
Một vòng xoắn của quá trình thủy phân tạo ra được 1 FADH2 tương đương 2 ATP và 1 NADH tương đương 3ATP tổng cộng 5 ATP.
Mỗi phân tử axit béo có n số nguyên tử cacbon, với n chẵn thì số vòng này là (n/2)-1 và sinh ra n/2 phân tử Axetyl-CoA.
Một phân tử Axetyl-CoA đi vào chu trình Krebs sẽ tạo ra 12ATP.
Hoạt hóa axit béo lúc đầu cần 1 ATP. Vậy toàn bộ năng lượng được giải phóng ra khi phân giải  của axit béo là
Năng lượng (tính bằng ATP): 5(n/2-1) + 12n/2 -1
3. Năng lượng của các phản ứng khác
Trong cơ thể sinh vật có một số phản ứng quan trọng dù nó không trực tiếp tao ra ATP nhưng nó là nguồn cung cấp Hidro trong quá trình trao đổi vật chất
- Quá trình khử amin hoá oxi hoá
Quá trình này chuyển các a.a thành a.cacbocilic và cung cấp hidro cho tế bào
- Oxi hoá prolin
Prolin +Fp Pyrrolin-2-carboxylic + FpH2
- Metyl hoá - oxi hoá Calomin
Calomin + 3(-CH3) Cholin + Maleic + FpH2
- Oxi hoá Glutamic
L-Glutamat + NAD(P) + H20
alpha-Cetoglutarat + NH3 + NAD(P)H + H
+
+
4. Hiệu quả năng lượng photphoryl hoá – oxy hoá

Tạo thành ATP trong con đường Embden-Meyehof
4.1 Con đường Embden-Meyerhof: năng lượng giải phóng ra được tích luỹ vào ATP và H đi vào chuổi hô hấp tạo ra ATP
Tạo thành ATP khi oxy hoá axit pamitic
4.2. Con đường pentosephosphat: Tạo ra 12 phân tử NADPH2 (tương đương 36ATP)
4.3. Tạo thành ATP trong quá trình oxh axit béo: Năng lượng (tính bằng ATP) tạo ra được tính bằng công thức: 5(n/1-1) + 12n/2 -1
5. Hiệu số sử dụng năng lượng
Là năng lượng có trong ATP tích luỹ được trong quá trình oxh một cơ chất nào đó so với năng lượng chính cơ chất đó đốt cháy trong nhiệt lượng kế.
Ví dụ: Khi oxh glucose thành axit lactit tạo 2 ATP. Ta đã biết từ glucose đến lactat cần 47Kcal/mol, nhưng năng lượng tích luỹ được trong 2ATP chỉ khoảng 18Kcal (Nl sinh học). Do đó hiệu số sử dụng năng lượng là khoảng 40% (quá trình glycolyse)
Trong khi đó đốt cháy 1glycose thì toả ra nhiệt lượng là: 673kcal/mol. Nhưng trong cơ thể sinh vật oxh hoàn toàn 1glucose tạo thành CO2 và H2O chỉ tạo thành 38ATP (tương đương 342kcal) cho nên hệ số sử dụng năng lượng ở đây khoảng 51%.
Tương tự như thế với axit béo cũng ở vào khoảng 45-55%.
Như vậy hiệu quả sử dụng năng lượng và hiệu số sử dụng năng lượng ở mỗi cơ thể khác nhau, ở mỗi quá trình khác nhau và đối với mỗi cơ chất khác nhau
Cảm ơn sự theo dõi của các bạn