1 PHẦN I: SINH HỌC TẾ BÀO CHƯƠNG IV: NĂNG LƯNG VÀ ENZYME TS. Nguyễn Hồi Hương IV.1. Tổng qt về năng lượng 1) Định nghĩa năng lượng Năng lượng = khả năng sinh cơng Tế bào = nhà máy chuyển hóa năng lượng lấy năng lượng từ bên ngồi thực hiện các phản ứng hóa học trong tế bào vận chuyển vật chất vận động. Các dạng năng lượng theo nguồn gốc: quang năng; hóa năng… Hai trạng thái năng lượng chuyển hóa lẫn nhau: Động năng: năng lượng của hoạt động Thế năng: năng lượng dự trữ 2) Các định luật nhiệt động học Định luật 1: Tổng năng lượng trước khi chuyển hóa bằng tổng năng lượng sau khi chuyển hóa; Năng lượng khơng thể tự sinh ra hay tự mất đi. • Đònh luật 2: Trong một hệ kín, mặc dù năng lượng tồn phần khơng đổi, sau mỗi chuyển hóa năng lượng tự do để thực hiện cơng ln ít hơn năng lượng ban đầu. Cách phát biểu khác của định luật 2: Trong một hệ kín với nhiều chuyển hóa năng lượng, năng lượng có ích (tự do) giảm và năng lượng vơ ích tăng. Năng lượng vơ ích = nhiệt 2 Trong phản ứng hóa học: Liên kết hóa học đang tồn tại bị phá vỡ, liên kết hóa học mới được hình thành, dẫn đến thay đổi năng lượng tự do: • ∆ G = G sản phm – G chất phản ứng • ∆ G = ∆ H - T ∆ S H = G + TS hay G = H – TS H = enthalpy =năng lượng chứa trong liên kết hóa học G = năng lượng tự do = năng lượng dùng để phá vỡ hoặc tạo liên kết hóa học = năng lượng sinh cơng; S = entropy đo mức độ hỗn loạn của hệ thống (nhiệt sinh ra do chuyển động hỗn loạn của phân tử). 3) Năng lượng tự do Phản ứng cần năng lượng ∆ G > 0 Phản ứng tỏa năng lượng ∆ G < 0 Ý nghĩa của giá trị năng lượng tự do: Năng lượng (nhiệt hay năng lượng chuyển sang phân tử khác) Năng lượng được giải phóng khi liên kết hóa học bò phá vỡ Phản ứng thủy phân = Phản ứng giải phóng năng lượng Năng lượng đã sử dụng tạo nên liên kết nay được trữ trong phân tử sản phẩm Phản ứng tổng hợp = Phản ứng cần năng lượng Cần cung cấp năng lượng để tạo liên kết 3 4) Năng lượng hoạt hóa (activation energy) Năng lượng dùng để phá vỡ liên kết hóa học đang tồn tại Năng lượng hoạt hóa của phản ứng Không có xúc tác Có xúc tác 5) ATP (adenosine triphosphate)- năng lượng của tế bào a) Cấu tạo Nucleotide  Base: adenine  Đường: ribose  Phosphate: 3 nhóm Chức năng: i) Đơn vị cấu tạo acid nucleic ii) Năng lượng của tế bào ATP Tổng hợp ATP từ ADP và Pi cần năng lượng Phản ứng tỏa nhiệt:  Dị hóa  Hô hấp tế bào Phản ứng thu nhiệt:  Đồng hóa  Vận chuyển tích cực  Vận động tế bào Thủy phân ATP thành ADP và Pi giải phóng năng lượng Ví dụ về sự sử dụng năng lượng ATP của tế bào Phản ứng tỏa nhiệt Phản ứng thu nhiệt Phản ứng thu nhiệt 4 IV.2. Enzyme 1) Enzyme là chất xúc tác sinh học a) Enzyme là chất xúc tác: Làm giảm năng lượng hoạt hóa Phản ứng không enzyme xúc tác Phản ứng có enzyme xúc tác b) Đa số Enzyme là chất xúc tác sinh học Bản chất hóa học của enzyme: protein (loại trừ ribozyme là RNA) Cấu trúc không gian: hình dạng phân tử enzyme, vị trí tâm hoạt động (active site) quyết định hoạt động của enzyme. Enzyme có tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme khớp vừa với cơ chất xác định, tương tác với xúc tác một phản ứng xác định. Tâm hoạt động Cơ chất Các bước của phản ứng enzyme: Bước 1. Cơ chất liên kết với enzyme tại vị trí tâm hoạt động - Tạo phức hợp enzyme (E) – cơ chất (S) Bước 2. Amino acid tại tâm hoạt động tương tác với cơ chất làm bẻ gãy liên kết trong cơ chất. Bước 3. Sản phẩm (P) rời khỏi enzyme. Enzyme tự do để liên kết với phân tử cơ chất kế tiếp. Liên kết Cơ chất đường đôi Phức hợp enzyme- cơ chất Liên kết bị bẻ gãy Sản phẩm tạo thành rời enzyme 2) Cơ chế xúc tác của enzyme • E + S ↔ [ES] ↔ E + P Bước 2 trong cơ chế phản ứng enzyme: ba cách cách tương tác enyme – cơ chất a) Enzyme định hướng các phân tử cơ chất để tạo liên kết mới b) Enzyme tạo sức căng cho phân tử cơ chất để bẻ gãy liên kết hiện hữu c) Enzyme làm thay đổi nhóm hóa học tại tâm hoạt động 5 3) Tâm hoạt động của enzyme Hai yếu tố quyết định tính chất đặc hiệu của enzyme: i) Hình dạng tâm hoạt động ii) Nhóm chức tại tâm hoạt động Enzyme lysozyme (nước bọt, nước mặt) thủy phân polysacchride vách tế bào vi khuẩn Cơ chất polysaccharide Mô hình ống khóa-chìa khóa (Lock-and-Key Model of Enzyme-Substrate Binding) Tâm hoạt động có hình dạng bổ sung về mặt không gian với cơ chất để bắt cặp. Emil Fischer 1894 Daniel E. Koshland Jr. 1958 Mô hình lấp kín do cảm ứng (Induced-Fit Model of Enzyme-Substrate Binding) Cơ chất gắn vào tâm hoạt động làm thay đổi hình dạng tâm hoạt động sao cho chúng bắt cặp bổ sung về mặt không gian. i) Hình dạng tâm hoạt động và mô hình phức hợp enzyme- cơ chất Thành phần tâm hoạt động: - Amino acid của protein enzyme -Thành phần phi protein của enzyme gọi chung là cofactor. -Phân loại cofactor: Cofactor: kim loại Coenzyme: các chất hữu cơ gắn tạm thời vào enzyme Nhóm phụ (prosthetic group): phân tử riêng biệt gắn thường trực vào enzyme Apoenzyme + Cofactor = Holoenzyme 4) Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng enzyme t opt enzyme cơ thể người t opt enzyme vi khuẩn suối nước nóng  t< t opt : Liên kết hydro, tương tác kị nước quá chặt chẽ - hình dạng tâm hoạt động ít khớp với cơ chất.  t opt : nhiệt độ tối ưu của phản ứng enzyme: hình dạng tâm hoạt động vừa khớp với cơ chất.  t> t opt : chuyển động ngẫu nhiên của nguyên tử trong enzyme tăng thắng luên kết tương tác yếu – tâm hoạt động không còn khớp cơ chất.  t>>t opt : enzyme bị biến tính. a) Ảnh hưởng của nhiệt độ 6 b) Ảnh hưởng của pH Liên kết ion bên trong protein (mạch nhánh Glu và Lys) phụ thuộc và [H + ] trong mơi trường pHopt = [H + ] bảo đảm hình dạng tâm hoạt động c) Nồng độ của cơ chất Nồng độ cơ chất [S] Ở phản ứng khơng enzyme, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ cơ chất Ở phản ứng enzyme, xảy ra hiện tượng bão hòa cơ chất V max V  Lúc đầu, [S] tăng, v tăng  [S] tiếp tục tăng, tất cả các phân tử enzyme đều đang hoạt động (E liên kết với S tạo phức hợp ES), xảy ra hiện tượng bão hòa cơ chất, v khơng thể tăng nữa. 5) Điều hòa hoạt động của enzyme trong các quá trình trao đổi chất của tế bào a) Các con đường trao đổi chất (metabolic pathways):  Chuỗi phản ứng sinh hóa trong tế bào  Xúc tác bằng enzyme. enzyme 1 enzyme 2 enzyme 3 enzyme 4 F enzyme 5 A B C D E Enzyme có tính đặc hiệu. Ví dụ Enzyme 1 chỉ xúc tác phản ứng chuyển A thành B Cơ chất C có hai enzyme 3 và 5 xúc tác phản ứng chuyển thành D hoặc F Chu trình trao đổi chất (cyclic metabolic pathway) B C D F A E A + F → →→ → B B → →→ → C → →→ → D D → →→ → F + E = Con đường trao đổi chất khép kín 7 Điều hòa sinh tổng hợp protein – enzyme (học sau) Điều hòa enzyme đang tồn tại i)Ức chế cạnh tranh (competitive inhibition) ii)Ức chế không cạnh tranh (noncompetitiv e inhibition) b) Điều hòa enzyme iii)Ức chế ngược (feed-back inhibition) S S I E i) Ức chế cạnh tranh (Competitive Inhibition) Chất ức chế cạnh tranh I:  Có hình dạng tương tự cơ chất S  Chiếm chỗ của S tại tâm hoạt động của E. S S I E • Chất ức chế khơng cạnh tranh • - gắn vào vò trí lập thể (allosteric site) của enzyme (một vò trí khác với tâm hoạt động của enzyme) • - làm thay đổi hình dạng của enzyme (cấu trúc không gian), • - gây biến dạng tâm hoạt động • - khiến cơ chất không thể gắn vào đó. Tâm hoạt động Chất ức chế Thay đổi hình dạng tâm hoạt động Enzyme ii) Ức chế không cạnh tranh (Noncompetitive Inhibition) Enzyme regulation by negative feedback inhibition is similar to the thermostat example. As an enzyme's product accumulates, it turns off the enzyme just as heat causes a thermostat to turn off the production of heat. A B C D enzyme 1 enzyme 2 enzyme 3 Mục đích của chuỗi phản ứng này là tạo thành D từ A. B và C là các chất trung gian. Lượng D tạo thành sẽ được điều hòa theo cơ chế ức chế ngược. iii) Ức chế ngược (Feedback Inhibition) 8 A B C D enzyme 1 enzyme 2 enzyme 3 X Enzyme 1 có cấu trúc sao cho nó có thể tương tác với D. Khi lượng D tăng, enzyme 1 ngừng hoạt động (do bò D ức chế). X Lượng chất B sẽ giảm nếu enzyme 1 bò ức chế. X X C và D sẽ giảm vì B cần để sinh ra C và C cần để sinh ra D. Ức chế ngược (Feedback Inhibition) A B C D X enzyme 1 enzyme 2 enzyme 3 X X Khi lượng D giảm, enzyme 1 sẽ không còn bò ức chế. B C D B, C, và D lại tiếp tục được tạo thành. Ức chế ngược (Feedback Inhibition) Chất khử Chất bị oxy hóa Sự oxy hóa: Sự cho e- Sự khử: Sự nhận e- Chất oxy hóa Chất bị khử 1)Định nghĩa tổng qt: Phản ứng oxy hóa – khử = q trình trong đó điện tử di chuyển từ chất khử sang chất oxy hóa. IV. 3. Q trình truyền năng lượng trong tế bào - Phản ứng oxy hóa khử 2) Phản ứng oxy hóa khử trong tế bào: Điện tử khơng được cho/nhận một mình, mà thường đi cùng H + (dưới dạng H) NAD + + 2H → NADH + H + (NAD + nhận e - / chất oxi hóa) NADH + H + → NAD + + 2H (NADH cho e - / chất khử) Cặp oxi hóa khử NAD + / NADH là chất tải điện tử (electron carrier) = chất tải năng lượng trong tế bào. 9 Cơ chế phản ứng oxy hóa khử với sự tham gia của coenzyme NAD + NAD + có chức năng kép: Coenzyme Chất oxi hóa NAD + là coenzyme gắn vào enzyme NAD + nhận 2e - và H + thành NADH NADH rời enzyme Các coenzyme đóng vai trò chất tải điện tử trong tế bào: NAD+/ NADH (Nicotinamide Adenine Nucleotide) NADP+/ NADPH (Nicotinamide Adenine Nucleotide Phosphate) FAD/ FADH2 (Flavin Adenine Dinucleotide) NAD + và NADP + bị khử thành NADH (NADPH) NADH (NADPH) bị oxy hóa thành NAD + (NADP + ) Sự oxy hóa Sự khử FAD (Flavin Adenine Dinucleotide) • FAD + 2H ↔ FADH 2 10 • Phản ứng tổng hợp ATP từ ADP + P i được gọi là phản ứng phosphoryl hóa. Hai cơ chế phosphoryl hóa: • IV. 4. Cơ chế tổng hợp ATP trong tế bào. Phosphoryl hóa mức cơ chất Phosphoryl hóa hóa thẩm thấu 1. Phosphoryl hóa mức cơ chất (Substrate -Level Phosphorylation) Enzyme xúc tác phản ứng tổng hợp ATP từ cơ chất chứa nhóm phosphate (PEP – phosphoenol pyruvate) và ADP. Năng lượng giải phóng từ bẻ gãy liên kết cao năng trong cơ chất PEP được sử dụng để tổng hợp ATP. 2. Phosphoryl hóa hóa thẩm thấu (Chemiosmotic Phosphorylation) • Ti thể (mitochondrion)- hô hấp tế bào – tổng hợp ATP Khoảng giữa màng (intermembrane space) • Peter D. Mitchell , giải Nobel 1978 Cơ chế hóa thẩm thấu: Bơm H + vận chuyển H + qua màng tạo thang điện hóa (chênh lệch về nồng độ H + và điện tích hai bên màng), Dòng H + chuyển động trở lại qua phức hợp ATP synthase theo chiều thang điện hóa (thế năng biến đổi thành động năng) Phức hợp ATP synthase xúc tác phản ứng tổng hợp ATP. Năng lượng tổng hợp ATP lấy từ sự chuyển động của dòng H + [...]... dòng H+ đi qua, ph n ngo i vi là enzyme xúc tác ph n ng • • Kênh ion H+ Vùng enzyme ADP + Pi → ATP • • • Phosphoryl hóa oxi hóa (Oxidative phosphorylation) = Phản ứng phosphoryl hóa ADP tạo thành ATP xảy ra trong ti thể - hô hấp tế bào (chương V) Quang phosphoryl hóa (Photophosphorylation) = Phản ứng phosphoryl hóa ADP tạo thành ATP xảy ra trong lục lạp - quang hợp (chương VI) Ph c h p ATP synthase . 1 PHẦN I: SINH HỌC TẾ BÀO CHƯƠNG IV: NĂNG LƯNG VÀ ENZYME TS. Nguyễn Hồi Hương IV.1. Tổng qt về năng lượng 1) Định nghĩa năng lượng Năng lượng = khả năng. dạng năng lượng theo nguồn gốc: quang năng; hóa năng Hai trạng thái năng lượng chuyển hóa lẫn nhau: Động năng: năng lượng của hoạt động Thế năng: năng lượng