Giáo trình Trao đổi chất và năng lượng - Mai Xuân Lương

Nội dung text: Giáo trình Trao đổi chất và năng lượng - Mai Xuân Lương

1. TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT F 7 G GIAÙO TRÌNH TRAO ÑOÅI CHAÁT VAØ NAÊNG LÖÔÏNG GS.TS. MAI XUAÂN LÖÔNG 2005
2. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 3 - CHÖÔNG I. KHAÙI NIEÄM VEÀ TRAO ÑOÅI CHAÁT VAØ TRAO ÑOÅI NAÊNG LÖÔÏNG Caùc phaûn öùng enzyme coù tính ñònh höôùng vaø lieân quan maät thieát vôùi nhau xaûy ra trong teá baøo maø ta goïi laø quaù trình trao ñoåi chaát. Saûn phaåm trung gian hình thaønh trong quaù trình naøy ñöôïc goïi laø chaát trao ñoåi vaø toaøn boä chuoãi bieán hoùa ñoù ñöôïc goïi laø quaù trình trao ñoåi trung gian. Söï bieán hoùa naêng löôïng ñi keøm vôùi moãi phaûn öùng enzyme cuûa quaù trình trao ñoåi trung gian. ÔÛ moät soá giai ñoaïn cuûa quaù trình dò hoùa naêng löôïng hoùa hoïc cuûa caùc chaát trao ñoåi ñöôïc tích luõy (thöôøng ôû daïng naêng löôïng cuûa lieân keát phosphate). ÔÛ nhöõng giai ñoaïn nhaát ñònh cuûa quaù trình ñoàng hoùa naêng löôïng naøy ñöôïc ñem ra söû duïng. Khía caïnh naøy cuûa trao ñoåi chaát ñöôïc goïi laø söï lieân hôïp naêng löôïng. Trao ñoåi trung gian vaø lieân hôïp naêng löôïng laø nhöõng khaùi nieäm lieân quan nhau vaø phuï thuoäc nhau. Vì vaäy, khi nghieân cöùu trao ñoåi chaát, cuøng vôùi tìm hieåu caùc phaûn öùng daãn ñeán söï bieán ñoåi caáu truùc ñoàng hoùa trò cuûa caùc chaát tieàn thaân ñeå taïo ra caùc saûn phaåm cuûa phaûn öùng, chuùng ta caàn naém ñöôïc nhöõng bieán ñoåi veà maët naêng löôïng ñi keøm vôùi caùc phaûn öùng ñoù. Ñeå hieåu ñöôïc caû hai khía caïnh naøy cuûa trao ñoåi chaát, tröôùc heát, caàn phaûi hieåu roõ caùc khaùi nieäm cô baûn cuûa nhieät ñoäng hoïc. I. NHÖÕNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN CUÛA NHIEÄT ÑOÄNG HOÏC. Khi vaän duïng quy luaät cuûa caùc phaûn öùng hoùa hoïc ñeå tìm hieåu caùc tính chaát cuûa heä thoáng sinh hoïc chuùng ta thöôøng gaëp caùc quy luaät sau: Löïc phaùt sinh naêng löôïng vaø traïng thaùi caân baèng cuûa phaûn öùng hoùa hoïc; Cô cheá phaûn öùng, töùc caùc con ñöôøng vaø chieàu höôùng phaûn öùng dieãn ra qua caùc giai ñoaïn trung gian coù tính quy luaät vaø toác ñoä phaûn öùng phuï thuoäc vaøo caùc quy luaät naøy. Do tính chaát ñaëc tröng cuûa caùc phaûn öùng sinh hoïc laø xuùc taùc baèng enzyme neân beân caïnh hai quy luaät treân caàn phaûi quan taâm tôùi caùc quy luaät taùc duïng cuûa enzyme. Nhieät ñoäng hoïc hoùa sinh hoïc vì vaäy coù nhieäm vuï vaän duïng caùc ñònh luaät cuûa nhieät ñoäng hoïc cuûa caùc phaûn öùng hoùa hoïc ñeå giaûi thích caùc quaù trình trao ñoåi chaát, ñaëc bieät laø trong vieäc tìm hieåu vaø giaûi thích söï keát hôïp caùc quy luaät bieán ñoåi vaät chaát trong trao ñoåi trung gian vôùi caùc thoâng soá naêng löôïng, töø ñoù cho pheùp döï ñoaùn veà maët naêng löôïng tieàm taøng vaø naêng löôïng giaûi phoùng cuõng nhö veà tính chaát caân baèng cuûa phaûn öùng hoùa hoïc, trong ñoù ñaùng chuù yù laø möùc ñoä bieán thieân cuûa caùc traïng thaùi chöùc naêng nhö theå tích, aùp suaát vaø nhieät ñoä. 1.Ñònh luaät thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng hoïc. Theo ñònh luaät thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng hoïc, toång soá nhieät vaø coâng trong heä thoáng trao ñoåi vôùi moâi tröôøng chung quanh baèng möùc ñoä bieán ñoåi naêng löôïng beân trong (noäi naêng) cuûa heä thoáng. Nhö vaäy coù nghóa laø trong heä thoáng coù naêng löôïng dö tröõ bao goàm caùc daïng khaùc nhau nhö nhieät, coâng, coâng suaát, ñieän naêng v.v Chuùng ñöôïc tính baèng caùc ñôn vò töông öùng laø calor (nhieät), kilogam-meter (coâng), volt (ñieän theá), wat/giaây (coâng suaát) GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
3. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 4 - Vì cô theå soáng laø moät theå thoáng nhaát neân theo ñònh luaät thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng hoïc thì noäi naêng U laø moät traïng thaùi vaø U phuï thuoäc vaøo caùc nhaân toá theå tích V, aùp suaát P vaø nhieät ñoä T. Trong quaù trình bieán ñoåi naêng löôïng thaønh nhieät löôïng Q vaø coâng A thì noäi naêng U seõ bieán ñoåi töø U1 ñeán U2. Do ñoù Q vaø A tính theo noäi naêng seõ laø : U2 – U1 = -∆U = - (Q + A) Ngöôøi ta quy ñònh naêng löôïng giaûi phoùng (thaûi ra, cung caáp) coù kyù hieäu laø daáu aâm (-), coøn naêng löôïng tieâu hao (thu vaøo) coù kyù hieäu laø daáu döông (+). Tuøy theo con ñöôøng xaûy ra phaûn öùng maø coù theå bieán ñoåi töø traïng thaùi U1 ñeán traïng thaùi U2 vaø ngöôïc laïi, cuõng coù theå bieán ñoåi töø traïng thaùi U2 ñeán traïng thaùi U1. Vì vaäy, ñoái vôùi caùc quaù trình coù tính tuaàn hoaøn thì toång bieán ñoåi noäi naêng baèng khoâng (zero): ∑∆U = 0 Nhö vaäy, noäi naêng laø moät traïng thaùi chöùc naêng, do ñoù noù khoâng phuï thuoäc vaøo con ñöôøng bieán ñoåi. Ngöôïc laïi, Q vaø A phuï thuoäc ñaùng keå vaøo con ñöôøng hình thaønh chuùng. Vì tæ leä giöõa A vaø Q ñoái vôùi phaûn öùng thuaän vaø nghòch coù theå khaùc nhau neân con ñöôøng hình thaønh neân chuùng mang tính quyeát ñònh. Nhö ñaõ noùi ôû treân, caùc traïng thaùi thay ñoåi cuûa moät heä thoáng ñeàu daãn ñeán caùc bieán ñoåi hoùa hoïc trong quaù trình giaûi phoùng vaø tieâu hao naêng löôïng phuï thuoäc vaøo caùc nhaân toá nhö aùp suaát, theå tích vaø nhieät ñoä. Trong caùc heä thoáng soáng moái quan heä phuï thuoäc naøy ñôn giaûn hôn, vì caùc phaûn öùng xaûy ra haàu heát trong moâi tröôøng nöôùc, ño ñoù aùp suaát ñöôïc coi laø haèng soá, coøn nhieät ñoä vaø theå tích thay ñoåi khoâng ñaùng keå. Caùc quaù trình khaùc nhau coù möùc naêng löôïng khaùc nhau; hieäu soá nhieät löôïng giöõa hai traïng thaùi goïi laø hieäu öùng nhieät (∆H), ñöôïc tính theo coâng thöùc sau: ∆H = ∑(∆Hp - ∆Hs) trong ñoù p laø saûn phaåm , s laø cô chaát cuûa phaûn öùng. Ví duï tính bieán ñoåi ñaúng nhieät (tính hieäu öùng nhieät ∆H) khi ñoát chaùy glucose trong ñieàu kieän T = 298oK (25oC) vaø p = 1 atm: C6H12O6 + O2 ⎯→ 6CO2 + 6H2O (raén) (khí) (khí) (loûng) Ta coù ∆Η = -304,6 +0 = 6(-94,5) + 6(-68,4) = -567,0 – 410,4 + 304,6 ≈ -673Kcal/mol Khi ñoát chaùy glucose trong nhieät löôïng keá ngöôøi ta cuõng thu ñöôïc moät nhieät löôïng töông ñöông laø –673 Kcal/mol. Ñieàu ñoù chöùng toû giaù trò tuyeät ñoái cuûa U vaø H theo quan ñieåm nhieät ñoäng hoïc khoâng coù gì ñaùng chuù yù vaø phaàn lôùn tröôøng hôïp khoâng khaùc nhau vì chuùng ta chæ ño hieäu soá giöõa hai traïng thaùi vaø coù hieäu öùng nhieät baèng khoâng (0). 2. Ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc. Theo ñònh luaät thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng hoïc thì bieán ñoåi traïng thaùi töø A sang B baèng vôùi söï bieán ñoåi töø B sang A. Nhö vaäy, ñònh luaät thöù nhaát khoâng cho chuùng ta bieát chieàu höôùng cuûa bieán ñoåi. Do ñoù muoán bieát chieàu höôùng bieán ñoåi thì phaûi döïa vaøo ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc. Ñònh luaät naøy bao goàm caùc nguyeân taéc cô baûn laø nhieät löôïng bieán thaønh coâng. Nhöng trong töï nhieân khoâng bao giôø coù quaù GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
4. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 5 - trình maø trong ñoù dieãn ra söï bieán ñoåi töông hoã giöõa nhieät löôïng vaø coâng, coù nghóa laø khoâng coù ñoäng cô vónh cöûu. Trong töï nhieân caùc quaù trình töï xaûy ra (nhö caùc phaûn öùng hoùa hoïc) thöôøng khoâng thuaän nghòch maø chæ xaûy ra theo moät höôùng xaùc ñònh. Neáu muoán quaù trình xaûy ra theo höôùng ngöôïc laïi (taïo thaønh traïng thaùi ban ñaàu) ñoøi hoûi phaûi boå sung coâng taùc ñoäng töø beân ngoaøi vaøo heä thoáng. Nhö vaäy vaán ñeà ñaët ra laø löïc khôûi ñoäng cuûa moät phaûn öùng hoùa hoïc nhö theá naøo vaø coù theå laøm thay ñoåi möùc ñoä baát thuaän nghòch ñöôïc khoâng. Ñeå traû lôøi caâu hoûi naøy caàn phaûi noùi tôùi moät khaùi nieäm nhieät ñoäng hoïc laø entropy. (S). Noù ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc döôùi ñaây: S = Q/T (Cal/oK) trong ñoù Q laø nhieät löôïng taïo thaønh khi phaûn öùng xaûy ra thuaän nghòch, T laø nhieät ñoä tuyeät ñoái. Nhö vaäy, ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc bao goàm caùc noäi dung sau: a/ Trong moät heä thoáng kín maø phaûn öùng töï xaûy ra laø quaù trình khoâng thuaän nghòch, luùc ñoù entropy taêng leân (∆S > 0). b/ Bieán ñoåi traïng thaùi dieãn ra töø töø thì entropy cuõng coù theå taêng. c/ Khi naøo entropy cuûa heä thoáng kín ñaït giaù trò cöïc ñaïi thì heä thoáng ñaït ñöôïc traïng thaùi caân baèng. d/ ÔÛ traïng thaùi caân baèng bieán ñoåi entropy (∆S) cuûa heä thoáng baèng khoâng (zero) Caên cöù vaøo phöông trình S = Q/T [Cal/oK) coù theå tính ñöôïc bieán thieân entropy baèng caùc thoâng soá nhieät löôïng maø heä thoáng ñaõ trao ñoåi vôùi moâi tröôøng beân ngoaøi khi thay ñoåi traïng thaùi, do ñoù entropy coù theå laø döông vaø cuõng coù theå laø aâm. Neáu coi entropy laø möùc ñoä maát traät töï cuûa heä thoáng thì keát quaû seõ laø: - Khi taêng entropy (kyù hieäu döông: +) möùc ñoä maát traät töï cuûa heä thoáng seõ taêng leân; Khi giaûm entropy ((kyù hieäu aâm: -) möùc ñoä oån ñònh cuûa heä thoáng seõ taêng leân vaø möùc ñoä maát traät töï cuûa heä thoáng seõ giaûm xuoáng. Theå khí coù entropy lôùn hôn theå loûng vì caùc phaàn töû ôû theå khí coù möùc ñoä töï do lôùn hôn theå loûng. Töông taùc caùc hôïp chaát phaân töû nhoû coù entropy cao hôn caùc chaát phaân töû lôùn. II. BIEÁN THIEÂN NAÊNG LÖÔÏNG TÖÏ DO CUÛA CAÙC PHAÛN ÖÙNG HOÙA HOÏC. Khi keát hôïp ñònh luaät thöù nhaát vôùi ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc, chuùng ta coù hai traïng thaùi chöùc naêng môùi laø: nhieät löôïng töï do (H) vaø möùc ñoä naêng löôïng töï do (G). Trong quaù trình phaûn öùng thuaän vaø nghòch H vaø G bieán ñoåi thì traïng thaùi cuûa heä thoáng cuõng bò bieán ñoåi theo. Nhö vaäy, theo ñònh luaät thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng hoïc chuùng ta coù: U2 – U1 = ∆U = ∆Q + ∆A Vaø töø phöông trình S = Q/T [Cal/oK) ta coù S2 – S1 = ∆S = ∆Q/T Phoái hôïp hai phöông trình treân ñaây, chuùng ta coù daïng sau: ∆A = ∆U - T∆S GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
5. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 6 - Maët khaùc chuùng ta coù moái quan heä göõa naêng löôïng töï do G vôùi nhieät löôïng töï do H nhö sau: H = G + TS, do ñoù ∆H = ∆G + T∆S Nhö vaäy vaán ñeà ñaët ra caùi gì laø löïc khôûi ñoäng cuûa moät phaûn öùng hoùa hoïc? Treân cô sôû phaân tích nhieät ñoäng hoïc thì löïc khôûi ñoäng cuûa phaûn öùng laø bieán thieân naêng löôïng töï do ∆G. Neáu möùc ñoä naêng löôïng töï do G laø coâng thì töø phöông trình ∆H = ∆G + T∆S coù theå suy ra ∆G = ∆H - T∆S. Nhö vaäy, bieán thieân naêng löôïng töï do ∆G coù vai troø quan troïng ñoái vôùi caùc phaûn öùng hoùa hoïc. ÔÛ ñieàu kieän nhieät ñoä vaø aùp suaát nhaát ñònh bieán thieân naêng löôïng töï do laø moät thoâng soá ñaëc tröng cuûa heä thoáng. Trong nhöõng ñieàu kieän ñoù naêng löôïng töï do cuûa heä thoáng coù xu höôùng giaûm ñeán giaù trò toái thieåu öùng vôùi traïng thaùi caân baèng. Bieán thieân naêng löôïng töï do ∆G cuûa phaûn öùng hoùa hoïc ñöôïc ruùt ra töø ñònh luaät caân baèng hoùa hoïc. Ñoái vôùi phaûn öùng baát kyø aA + bB cC + dD (1) trong ñoù a, b, c, d laø soá phaân töû töông öùng cuûa A, B, C vaø D. Bieán thieân naêng löôïng töï do cuûa phaûn öùng baèng: [C]c [D]d ∆G = ∆Go + RTln (2) [A]a [B]b trong ñoù [A], [B], [C], [D] laø noàng ñoä cuûa A, B, C vaø D tính baèng mol/l; R laø haèng soá khí tuyeät ñoái; (∆Go laø bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån. Ñoái vôùi phaûn öùng (1) treân ñaây, taïi traïng thaùi caân baèng, khoâng phuï thuoäc vaøo noàng ñoä cuûa A, B, C, D, naêng löôïng töï do coù giaù trò toái thieåu vaø noù khoâng tieáp tuïc bieán thieân nöõa, töùc (∆G =O. Do ñoù, thay giaù trò naøy cuûa ∆G vaøo phöông trình (2), ta coù [C]c [D]d ∆Go = - RTln (3) [A]a [B]b Thay giaù trò cuûa haèng soá caân baèng cuûa phaûn öùng [C]c [D]d K'eq = (4) [A]a [B]b o ta coù: ∆G = -RTln K' eq (5) o hay: ∆G = -2,303RTlgK'eq (6) Töø phöông trình naøy, ta thaáy, neáu bieát ñöôïc giaù trò cuûa haèng soá caân baèng K'eq cuûa phaûn öùng ôû nhieät ñoä baát kyø cho tröôùc, ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc giaù trò cuûa bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån ∆Go cuûa phaûn öùng ñoù. Nhö vaäy, ∆Go laø moät haèng soá nhieät ñoäng hoïc ñaëc tröng cho moät phaûn öùng hoùa hoïc. Qua phöông trình (2), ta coù theå thaáy raèng ∆Go seõ baèng ∆G khi noàng ñoä cuûa moãi chaát tham gia phaûn öùng ñeàu baèng 1M. Bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån ∆Go cuûa phaûn öùng coù theå hieåu laø hieäu soá giöõa naêng löôïng töï do tieâu chuaån cuûa caùc chaát ban ñaàu Gor vaø naêng löôïng töï do tieâu chuaån cuûa saûn phaåm cuûa phaûn öùng Gop. töùc laø: ∆Go = Gop - Gor (7) GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
6. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 7 - Nhö vaäy, ñoái vôùi phaûn öùng (1) hieäu soá naêng löôïng töï do coù theå bieåu dieãn baèng phöông trình o o o o o ∆G = (cG C + dG D) - (aG A + bG B) (8) Naêng löôïng töï do tieâu chuaån Go cuûa moät hôïp chaát naøo ñoù laø soá naêng löôïng töï do coù theå giaûi phoùng khi 1 mol chaát ñoù bò phaân huûy hoaøn toaøn. ∆Go ñoái vôùi moãi phaûn öùng taïi moät nhieät ñoä nhaát ñònh laø moät haèng soá, coøn ∆G cuûa phaûn öùng bieán ñoåi tuøy thuoäc vaøo noàng ñoä cuûa caùc chaát ban ñaàu vaø saûn phaåm cuûa phaûn öùng. Giaù trò ∆G cho thaáy phaûn öùng coù xaûy ra theo chieàu ta mong muoán hay khoâng ôû ñieàu kieän noàng ñoä naøo ñoù cuûa caùc chaát tham gia phaûn öùng. Phaûn öùng chæ coù theå xaûy ra trong tröôøng hôïp ∆G coù giaù trò aâm, töùc trong tröôøng hôïp bieán thieân naêng löôïng töï do giaûm. Trong khi ñoù phaûn öùng maø bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån ∆Go cuûa noù coù giaù trò döông vaãn coù theå xaûy ra neáu caùc chaát ban ñaàu vaø saûn phaåm cuûa phaûn öùng coù noàng ñoä sao cho ∆G cuûa phaûn öùng coù giaù trò aâm. Phöông trình (6) cho bieát giaù trò ∆Go cuûa baát cöù phaûn öùng naøo treân cô sôû giaù o trò cuûa K'eq. Neáu haèng soá caân baèng cuûa phaûn öùng baèng ñôn vò thì ∆G =0. Neáu haèng soá caân baèng lôùn hôn ñôn vò thì ∆Go 0 vaø phaûn öùng trong tröôøng hôïp naøy laø loaïi phaûn öùng haáp thu naêng löôïng. Loaïi phaûn öùng naøy khoâng theå töï xaûy ra theo chieàu thuaän ôû noàng ñoä ban ñaàu cuûa caùc chaát tham gia phaûn öùng ñeàu baèng 1,0M. Taát caû caùc quy luaät treân ñaây ñeàu ñuùng vôùi caùc phaûn öùng sinh hoùa. Tuy nhieân khi phaân tích caùc heä thoáng sinh hoùa veà maët nhieät ñoäng hoïc caàn phaûi boå sung ba ñieàu kieän coù yù nghóa raát quan troïng sau ñaây: 1/ Neáu chaát phaûn öùng ban ñaàu hay saûn phaåm cuûa phaûn öùng laø nöôùc thì noàng ñoä ban ñaàu cuûa noù ñöôïc xem laø baèng 1,0M. 2/ Giaù trò pH chuaån ñöôïc xem laø pH=7,0 chöù khoâng phaûi pH=0 nhö trong caùc heä thoáng phaûn öùng hoùa hoïc thoâng thöôøng.Trong tröôøng hôïp naøy bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån (ôû pH=7,0) ñöôïc kyù hieäu laø ∆Go'. 3/ Söû duïng gía trò ∆Go' trong vieäc xaùc ñònh bieán thieân naêng löôïng cuûa caùc phaûn öùng sinh hoùa coù nghóa laø tyû leä caùc daïng ion-hoùa vaø khoâng ion-hoùa ôû pH=7,0 cuûa caùc chaát tham gia phaûn öùng vaø saûn phaåm cuûa phaûn öùng phaûi ñöôïc xem laø traïng thaùi tieâu chuaån. Vì cuøng vôùi söï bieán ñoåi giaù trò pH möùc ñoä ion-hoùa cuûa moät hay moät soá thaønh phaàn cuõng bieán ñoåi theo, neân giaù trò ∆Go' khoâng phaûi luùc naøo cuõng coù theå ñöôïc söû duïng cho caùc gía trò pH khaùc nhau. III. KHAÙI NIEÄM VEÀ PHOSPHATE CAO NAÊNG. Thoâng qua vieäc xaùc ñònh haèng soá caân baèng cuûa caùc phaûn öùng ngöôøi ta ñaõ xaùc ñònh ñöôïc gía trò ∆Go' cuûa caùc phaûn öùng thuûy phaân ATP. Trong khi phaûn öùng thuûy phaân ATP thaønh ADP vaø phosphate voâ cô vaø thuûy phaân ADP thaønh AMP vaø phosphate voâ cô coù ∆Go'= -7,3Kcal, thì phaûn öùng thuûy phaân AMP thaønh adenosin vaø phosphate voâ cô ∆Go' chæ baèng -3,4Kcal. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
7. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 8 - Baûng 1.1. Gía trò ∆Go' (Kcal/mol) cuûa phaûn öùng thuyû phaân moät soá phosphate coù yù nghóa sinh hoïc. Cô chaát ∆Go' Phosphoenolpyruvate -14,80 1,3-diphosphoglycerate -11,80 Creatinphosphate -10,30 Acetylphosphate -10,10 Arginine phosphate - 7,70 ATP - 7,30 Glucozo-1-phosphate - 5,00 Fructoso-6-phosohate - 3,80 Glucoso-6-phosphate - 3,30 Glycerol-1-phosphate - 2,20 Treân cô sôû caùc giaù trò ∆Go'noùi treân caùc lieân keát cuûa hai goác phosphate taän cuøng trong phaân töû ATP ñöôïc goïi laø lieân keát cao naêng (kyù hieäu laø ~ ) vaø ATP vì vaäy ñöôïc goïi laø hôïp chaát cao naêng. Tuy nhieân, neáu so saùnh gía trò ∆Go' cuûa phaûn öùng thuûy phaân ATP thaønh ADP vaø Pvc vôùi caùc gía trò ∆Go' cuûa phaûn öùng thuûy phaân nhieàu hôïp chaát phosphate (baûng 1.1), ta seõ thaáy gía trò -7,3 Kcal chæ chieám vò trí trung gian. Treân cô sôû caùc giaù trò ∆Go'noùi treân caùc lieân keát cuûa hai goác phosphate taän cuøng trong phaân töû ATP ñöôïc goïi laø lieân keát cao naêng (kyù hieäu laø ~ ) vaø ATP vì vaäy ñöôïc goïi laø hôïp chaát cao naêng. Tuy nhieân, neáu so saùnh gía trò ∆Go' cuûa phaûn öùng thuûy phaân ATP thaønh ADP vaø Pvc vôùi caùc gía trò ∆Go' cuûa phaûn öùng thuûy phaân nhieàu hôïp chaát phosphate (baûng 1.1), ta seõ thaáy gía trò -7,3Kcal chæ chieám vò trí trung gian. Nhöõng hôïp chaát ñöùng ñaàu baûng deã nhöôøng goác phosphate cuûa mình, coøn nhöõng hôïp chaát ñöùng cuoái baûng coù xu höôùng giöõ goác phosphate laïi. Qua baûng treân ta thaáy roõ giöõa phosphate cao naêng vaø phosphate naêng löôïng thaáp khoâng coù ranh giôùi roõ raøng. ATP chieám vò trí trung gian trong baûng naøy. Toaøn boä chöùc naêng cuûa ATP laø ôû choã noù laø khaâu trung gian cuûa vieäc vaän chuyeån goác phosphate töø nhöõng hôïp chaát cao naêng ñeán nhöõng chaát nhaän coù giaù trò ∆Go'thaáp hôn giaù trò ∆Go' cuûa noù. Trong caùc phaûn öùng keá tieáp nhau maø trong ñoù vieäc vaän chuyeån naêng löôïng do ATP ñaûm nhaän, naêng löôïng tröôùc tieân ñöôïc chuyeån töø moät hôïp chaát cao naêng cho ADP vaø tích tröõ laïi ôû daïng ATP. Sau ñoù ATP laïi nhöôøng laïi goác phosphate taän cuøng cuûa mình cho phaân töû chaát nhaän, nhôø ñoù maø möùc chöùa naêng löôïng cuûa chaát nhaän ñöôïc taêng leân. Ngoaøi ATP, naêng löôïng coøn ñöôïc vaän chuyeån nhôø caùc loaïi 5'-diphosphate vaø 5'-triphosphate khaùc. Tuy nhieân, taát caû chuùng ñeàu lieân quan ñeán ATP thoâng qua enzyme nucleoside diphosphate kinase xuùc taùc caùc phaûn öùng thuaän nghòch sau ñaây: ATP + UDP ⇔ ADP + UTP ATP + GDP ⇔ ADP + GTP ATP + CDP ⇔ ADP + CTP ATP + dCDP ⇔ ADP + dCTP GTP + dADP ⇔ GDP + dATP GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
8. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 9 - IV. MOÁI QUAN HEÄ GIÖÕA NAÊNG LÖÔÏNG TÖÏ DO VAØ ENTROPY. Moái quan heä giöõa naêng löôïng töï do G vaø entropy S ñöôïc dieãn ñaït baèng coâng thöùc: ∆G = ∆H - T∆S, trong ñoù ∆H laø bieán thieân nhieät löôïng töï do. Döïa vaøo phöông trình naøy khi bieát bieán thieân nhieät löôïng vaø bieán thieân naêng löôïng thì coù theå tính ñöôïc entropy. Coù theå xaùc ñònh bieán ñoåi entropy trong ba tröôøng hôïp sau: a/ Entropy cuûa saûn phaåm nhoû hôn entropy cuûa chaát tham gia phaûn öùng. Trong tröôøng hôïp naøy ta coù ∆S laø moät soá aâm. Ví duï phaûn öùng keát hôïp H2 vôùi O2 ñeå taïo ra H2O coù ∆S = -38,7 Kcal/mol. b/ Entropy cuûa saûn phaåm lôùn hôn entropy cuûa chaát tham gia phaûn öùng, nghóa laø entropy taêng leân trong quaù trình bieán ñoåi traïng thaùi. Ví duï phaûn öùng ñoát chaùy moät phaân töû glucose coù ∆S = 67,42 Kcal/mol. c/ Entropy cuûa saûn phaåm baèng entropy cuûa chaát tham gia phaûn öùng. Trong tröôøng hôïp naøy ∆S = 0, töùc ∆G = ∆H, nhö vaäy coù nghóa laø khoâng coù toûa nhieät töï do maø toaøn boä nhieät ñaõ bieán thaønh coâng. V. NHIEÄT ÑOÄNG HOÏC CUÛA HEÄ THOÁNG HÔÛ. Theo ñònh luaät thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng hoïc, caùc quaù trình xaûy ra khoâng thuaän nghòch chæ ñuùng trong nhöõng phaïm vi nhaát ñònh. Veà phöông dieän khoâng gian, thì caùc quaù trình khoâng thuaän nghòch thöôøng xuyeân vaãn phaûi trao ñoåi chaát vaø trao ñoåi naêng löôïng vôùi moâi tröôøng xung quanh. Trong nhöõng heä thoáng nhö vaäy ôû moät thôøi ñieåm nhaát ñònh chuùng taïm thôøi caân baèng, nhöng thöïc chaát caùc quaù trình hieån vi ñaõ keát thuùc. Xeùt veà maët traïng thaùi, ôû thôøi ñieåm caân baèng töø traïng thaùi oån ñònh coù leû ñaõ baét ñaàu xuaát hieän moät traïng thaùi loän xoän môùi. Ñieåm döøng taïm thôøi ñoù coù ∆Go = 0 vaø S cöïc ñaïi. Nhöng ngay ôû nhöõng heä thoáng nhö vaäy vieäc trao ñoåi nhieät vôùi moâi tröôøng xung quanh vaãn xaûy ra – goïi laø nhöõng heä thoáng khoâng kín hay heä thoáng hôû – do ñoù entropy coù theå giaûm. Daáu hieäu ñaëc tröng cuûa heä thoáng sinh hoïc khaùc vôùi nhöõng ñieàu cho bieát ôû ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc laø entropy cuûa chuùng giaûm, coù nghóa laø töø traïng thaùi khoâng oån ñònh chuyeån ñeán traïng thaùi oån ñònh. Veà khaû naêng naøy ñaõ ñöôïc chöùng minh baèng caùc ví duï phaùt trieån caù theå cuõng nhö caùc nguyeân taéc laøm taêng tính oån ñònh trong trao ñoåi chaát. Töø sai khaùc naøy ñi ñeán keát luaän baûn chaát söï soáng khoâng coù bieåu hieän ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc. Ñaëc ñieåm cuûa heä thoáng hôû laø trao ñoåi chaát vaø trao ñoåi naêng löôïng vôùi moâi tröôøng xung quanh. Nhö vaäy naåy sinh nhöõng quy luaät môùi laø hình thaønh nhieät ñoäng hoïc cuûa heä thoáng hôû vaø chæ coù theå öùng duïng ñònh luaät thöù hai vaøo nhöõng tröôøng hôïp ñaëc bieät cuûa heä thoáng hôû. Tuyø thuoäc vaøo traïng thaùi töï nhieân ngöôøi ta quy ñònh moät heä thoáng nhaát ñònh. Nhieät ñoäng hoïc coi baàu trôøi vôùi con ngöôøi laøheä thoáng kín, nhöng thöïc chaát con ngöôøi vaãn laø heä thoáng hôû vì con ngöôøi hoaøn toaøn coù khaû naêng trao ñoåi chaát vaø trao ñoåi naêng löôïng trong moät khung caûnh nhaát ñònh. Taát nhieân, heä thoáng chung (con ngöôøi vôùi baàu trôøi) tuaân theo ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc. Entropy trong GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
9. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 10 - töøng boä phaän cuûa heä thoáng chung giaûm xuoáng, coù nghóa laø entropy cuûa heä thoáng chung khoâng taêng lieân tuïc. Ñeå thaáy roõ hôn, ngöôøi ta ví duï hieän töôïng keát tinh trong quaù trình noùng chaûy. Keát tinh coù traïng thaùi oån ñònh hôn so vôùi noùng chaûy, nghóa laø entropy cuûa keát tinh nhoû hôn noùng chaûy, taát nhieân quaù trình xaûy ra trong caùc nhieät ñoä khaùc nhau. Nhöng khi keát tinh thì moät phaàn nhieät ñaõ trao ñoåi vôùi xung quanh, laøm cho entropy cuûa heä thoáng chung vaãn taêng leân, vì nhieät thaûi ra moâi tröôøng gaây theá naêng bieán ñoåi khoâng thuaän nghòch, do ñoù taïo thaønh naêng löôïng ñoäng hoïc khoâng trình töï. Nhö vaäy, ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc haàu heát ñuùng vaø coù yù nghóa ñoái vôùi phaïm vi ñaïi theå, coøn phaïm vi caùc chaát phaân töû thaáp vaø khoâng gian nhoû beù thì söï phaân chia oån ñònh cuûa caùc phaân töû khoâng theå xaûy ra. Töø ñoù ñoøi hoûi nhöõng ngöôøi nghieân cöùu nhieät ñoäng hoïc cuûa caùc quaù trình sinh hoïc phaûi löïa choïn nhöõng heä thoáng sinh hoïc thích hôïp vôùi quy luaät chung cuûa nhieät ñoäng hoïc. Vaán ñeà ñaët ra laø baûn chaát cuûa heä thoáng hôû laø gì vaø ôû ñaâu? Ñieàu naøy ñaõ ñöôïc khaúng ñònh: ñoù laø nhöõng heä thoáng coù daáu hieäu cô baûn “trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng vôùi moâi tröôøng xung quanh”. Nhöõng quaù trình trao ñoåi khoâng ngöøng naøy cuûa heä thoáng dieãn ra vôùi hình theá “caân baèng ñoäng”, khaùc haün vôùi nhöõng traïng thaùi caân baèng nhieät ñoäng hoïc. Traïng thaùi caân baèng ñoäng ñöôïc ñaëc tröng baèng caùc thoâng soá döôùi ñaây: - Toác ñoä bieán ñoåi (ví duï trong tröôøng hôïp phaûn öùng hoùa hoïc) laø haèng soá; - Taát caû caùc ñieàu kieän nhö aùp suaát, nhieät ñoä vaø noàng ñoä laø nhöõng haèng soá lôùn; - Quaù trình chung dieãn ra trong traïng thaùi tónh thì khoâng thuaän nghòch. Nhieàu quaù trình trong cô theå soáng, ví duï caùc phaûn öùng hoùa hoïc cuûa chuoãi enzyme trao ñoåi chaát, chuyeån tieát (vaän chuyeån, daãn truyeàn), tình theá (phenomen) , trong nhöõng ñieàu kieän nhaát ñònh, chuùng coù theå laø nhöõng traïng thaùi caân baèng ñoäng cuûn heä thoáng hôû. Chuùng coøn ñöôïc goïi laø “caân baèng ñoäng” hay heä thoáng tónh (steady state system). Veà phöông dieän ñoäng hoïc thì caân baèng ñoäng laø quan heä vaø tyû leä khoái löôïng cuûa caùc tieåu phaàn tham gia bieán ñoåi laø haèng soá vaø caùc saûn phaåm taïo thaønh bieán ñoåi theo thôøi gian baèng khoâng (0). Ví duï bieán ñoåi töø chaát A qua caùc böôùc trung gian ñeán P dieãn ra: A → B → C → D → E → P Nhö vaäy caân baèng ñoäng seõ laø: dA/dt = haèng soá = dP/dt dB/dt = dC/dt = dD/dt = dE/dt = 0 Trong ñoù tæ leä noàng ñoä caùc saûn phaåm trung gian khoâng theå noi theo caân baèng nhieät ñoäng hoïc maø chæ coù theå laø nhöõng traïng thaùi caân baèng ñoäng. Vaán ñeà ñaët ra laø nhieät ñoäng hoïc coù vai troø nhö theá naøo trong vieäc xaùc ñònh heä thoáng hôû vaø toác ñoä bieán ñoåi entropy nhö theá naøo ñoái vôùi heä thoáng hôû. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
10. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 11 - Theo ñònh luaät thöù hai cuûa nhieät ñoäng hoïc coù theå trình baøy trao ñoåi chaát vaø trao ñoåi naêng löôïng vôùi moâi tröôøng xung quanh theo phöông trình döôùi ñaây: dS = dSi + dSA Nhö vaäy, bieán ñoåi entropy chung cuûa heä thoáng dS coù hai phaàn: Phaàn thöù nhaát dSA laø bieán ñoåi entropy xuaát hieän khi trao ñoåi chaát vaø trao ñoåi naêng löôïng vôùi moâi tröôøng xung quanh. Phaàn naøy tuyø thuoäc vaøo quaù trình phaûn öùng xaûy ra, neân coù theå laø döông, cuõng coù theå laø aâm. Phaàn thöù hai laø dSi cuûa heä thoáng do nhöõng quaù trình khoâng thuaän nghòch xaûy ra ngay trong loøng heä thoáng vaø thöôøng xuyeân laø soá döông. Vì vaäy bieán ñoåi entropy chung cuûa heä thoáng hôû coù theå hoaëc laø taêng hoaëc laø giaûm, nghóa laø phuï thuoäc vaøo dSA (aâm hay döông), cho neân chuùng ta coù theå vieát döôùi daïng phöông trình khi caân baèng nhö sau: dS/dt = dSi/dt + dSA/dt trong ñoù dSA/dt laø entropy luoân luoân bò phaù huyû, nghóa laø toác ñoä bieán ñoåi entropy phuï thuoäc vaøo trao ñoåi chaát vaø trao ñoåi naêng löôïng saûn sinh entropy dSi/dt, laøm cho entropy cuûa quaù trình khoâng thuaän nghòch bieán ñoåi. Khi heä thoáng hôû coù nhieàu traïng thaùi döøng thì dSi/dt coù giaù trò döông thaáp. Ñieàu ñoù coù nghóa laø heä thoáng ôû caân baèng ñoäng thì taïo ra entropy toái thieåu. Keát luaän naøy coù yù nghóa quan troïng ñoái vôùi caùc quaù trình sinh hoïc, vì sinh vaät laø moät heä thoáng hôû coù quan heä chaët cheõ giöõa vaän chuyeån vaät chaát vaø naêng löôïng vôùi hieäu quaû cao. Döïa vaøo nhöõng ñieàu coù theå bieát ñöôïc khi taïo ra entropy toái thieåu cuûa phaûn öùng xaûy ra khoâng thuaän nghòch ñeå phoûng ñoaùn nguyeân taéc ñieàu chænh hieäu quaû kinh teá sinh hoïc. Töø nhöõng cô sôû ñoù coù theå vaän duïng caùc quy luaät toái thieåu ñeå giaûi thích söï bieán ñoåi sinh hoïc, hoùa hoïc, lyù hoïc töø nhöõng daãn lieäu chöa bieát hay chöa ñöôïc kieåm tra. Traïng thaùi caân baèng ñoäng coøn ñöôïc ñaëc tröng khi laøm bieán ñoåi entropy chung cuûa heä thoáng hôû, coù nghóa laø laø dS/dt = 0. Nhö vaäy, dSA/dt thöôøng xuyeân phaûi laø soá aâm. Do ñoù coù theå keát luaän: chæ coù nhieät ñoäng hoïc cuûa heä thoáng hôû môùi coù traïng thaùi caân baèng ñoäng, coøn khi heä thoáng khoâng ôû traïng thaùi caân baèng ñoäng nöõa thì dS/dt phaûi laø döông hay aâm chöù khoâng theå baèng khoâng (0). Tuy nhieân, heä thoáng sinh hoïc vaãn coøn moät vaøi daáu hieäu bieåu hieän heä thoáng kín, nhö laøm giaûm entropy trong cô theå soáng. Cô theå soáng laáy chaát dinh döôõng vaøo vaø bieán ñoåi thaønh chaát lieäu cuûa cô theå mình, ñoàng thôøi baøi xuaát caùc saûn phaåm coù phaân töû thaáp. Ngöôøi ta cho bieát ba nhoùm chaát laø thaønh phaàn dinh döôõng, thaønh phaàn cô theå vaø saûn phaåm baøi xuaát coù möùc ñoä entropy nhaát ñònh. Cuï theå entropy chaát dinh döôõng naèm khoaûng giöõa entropy cô theå vaø entropy saûn phaåm baøi xuaát. Scô theå < Sdinh döôõng < Sbaøi xuaát Vieäc giaûm suùt entropy laø ñeå tieán haønh toång hôïp caùc chaát cho cô theå laøm cho cô theå toàn taïi, sinh tröôûng vaø phaùt trieån bình thöôøng. Beân caïnh ñoù, muoán giaûm entropy thöôøng xuyeân thì phaûi baøi xuaát caùc saûn phaåm trao ñoåi chaát. Bôûi vì cô theå laø moät traïng thaùi oån ñònh cao, do ñoù coù theå laøm giaûm entropy ñeán moät giaù trò aâm. Cho GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
11. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 12 - neân, theo quan ñieåm ñoäng hoïc thì cô theå ñang sinh tröôûng vaø phaùt trieån, entropy theo höôùng giaûm daàn, coøn cô theå ôû traïng thaùi thoaùi hoùa, giaø nua thì entropy taêng leân. Noùi toùm laïi, giöõa heä thoáng kín vaø heä thoáng hôû coù nhöõng ñieåm khaùc nhau cô baûn sau: Heä thoáng kín Heä thoáng hôû Khoâng trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng vôùi vôùi moâi tröôøng xung quanh moâi tröôøng xung quanh Xuaát hieän caân baèng khoâng phuï Xuaát hieän caân baèng ñoäng khoâng phuï thuoäc thôøi gian thuoäc thôøi gian Caân baèng nhieät ñoäng hoïc laø thuaän Caân baèng ñoäng thì khoâng thuaän nghòch nghòch Khi heä thoáng kín ñaït traïng thaùi caân baèng thì S cöïc ñaïi vaø bieán ñoåi dS trong 4. Khi heä thoáng hôû ñaït traïng thaùi caân baèng = 0 caân baèng ñoäng saûn sinh entropy toái thieåu. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
12. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 13 - CHÖÔNG II. OXY HOÙA KHÖÛ SINH HOÏC I. KHAÙI NIEÄM CHUNG Töø cuoái theá kyû 18 Lavoisier ñaõ keát luaän caùc chaát bò ñoát chaùy laø do keát hôïp vôùi oxy khoâng khí. Khi nghieân cöùu trao ñoåi khí ôû ñoäng vaät oâng cuõng chöùng minh raèng coù haáp thuï oxy vaø thaûi CO2, ñoàng thôøi taïo nhieät trong cô theå. Nhö vaäy, ñoát chaùy hay oxy hoùa sinh hoïc ñeàu laø quaù trình gaén oxy cuûa khoâng khí vôùi carbon vaø hydro cuûa chaát höõu cô ñeå taïo thaønh CO2 vaø nöôùc, ñoàng thôøi giaûi phoùng naêng löôïng. Ñeán ñaàu theá kyû 20 nhôø caùc coâng trình nghieân cöùu cuûa nhieàu taùc giaû khaùc nhau vaán ñeà oxy hoùa nhanh choùng caùc hôïp chaát höõu cô trong ñieàu kieän nhieät ñoä thaáp cuûa cô theå ñaõ ñöôïc saùng toû vôùi teân goïi laø quaù trình oxy hoùa sinh hoïc. Theo quan ñieåm hieän ñaïi, oxy hoùa sinh hoïc laø oxy hoùa hy dro ñaõ taùch ra töø nhöõng chaát bò oxy hoùa ñeå taïo thaønh nöôùc. Giai ñoaïn ñaàu cuûa quaù trình oxy hoùa caùc hôïp chaát höõu cô trong teá baøo ñöôïc thöïc hieän vôùi söï xuùc taùc cuûa caùc dehydrogenase coù coenzyme laø NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) hoaëc NADP+ (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Hydro cuûa cô chaát bò oxy hoùa seõ gaén vaøo caùc coenzyme ñoù nhö sau: + + + + SH2 + NAD (NADP ) ⎯→ S + NADH + H (NADPH + H ) Töø NADH hoaëc NADPH hydro laïi chuyeån tôùi dehydrodenase coù coenzyme laø FAD (flavine adenine dinucleotide): + + NADH + H + FAD ⎯→ NAD + FADH2 Tieáp ñoù hydro laïi ñöôïc chuyeån töø FADH2 sang caùc hôïp chaát vaän chuyeån khaùc vaø cuoái cuøng chuyeån tôùi oxy ñeå taïo thaønh nöôùc. Saûn phaåm oxy hoùa sinh hoïc lipid vaø glucid laø CO2 vaø nöôùc, coøn saûn phaåm oxy hoùa sinh hoïc aminoacid vaø caùc hôïp chaát chöùa nitô khaùc laø CO2, H2O vaø NH3. Caùc chaát khaùc nhau bò oxy hoùa baèng caùc con ñöôøng khaùc nhau nhöng noùi chung ñeàu ñöôïc keát thuùc baèng chu trình acid tricarboxylic (chu trình Krebs). Nhö treân ñaõ noùi, oxy hoùa sinh hoïc cuõng coù moät soá ñieåm töông töï vôùi quaù trình ñoát chaùy caùc hôïp chaát höõu cô ngoaøi cô theå, ví duï khi oxy hoùa glucose thì oxy hoùa sinh hoïc hay oxy hoùa beân ngoaøi cô theå ñeàu saûn sinh ñöôïc 673 Kcal/mol. Tuy nhieân, teá baøo soáng coù haøng hoaït caùc ñaëc tính rieâng. Caùc ñaëc tính naøy trong quaù trình tieán hoùa höôùng theo con ñöôøng söû duïng naêng löôïng tôùi möùc cao nhaát. Giöõa oxy hoùa sinh hoïc vaø quaù trình ñoát chaùy coù moät soá ñieåm khaùc nhau cô baûn nhö sau: a/ Ñoát chaùy xaûy ra ôû ngoaøi cô theå vaø ôû nhieät ñoä cao, coøn oxy hoùa sinh hoïc xaûy ra beân trong cô theå vaø ôû nhieät ñoä thaáp nhöng vôùi toác ñoä raát cao. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
13. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 14 - b/ Ñoát chaùy giaûi phoùng naêng löôïng ôû daïng nhieät, coøn oxy hoùa sinh hoïc naêng löôïng giaûi phoùng khoâng chæ ôû daïng nhieät maø coøn ôû daïng naêng löôïng cuûa caùc lieân keát hoùa hoïc, ñaëc bieät laø ôû daïng caùc lieân keát cao naêng cuûa ATP. c/ Phaûn öùng ñoát chaùy xaûy ra moät giai ñoaïn coøn oxy hoùa sinh hoïc cô chaát bò oxy hoùa daàn daàn, chuyeån thaønh caùc saûn phaåm ñôn giaûn hôn vaø cuoái cuøng bò oxy hoùa hoaøn toaøn, nghóa laø xaûy ra thaønh chuoãi phaûn öùng nhieàu giai ñoaïn. d/ Ñoát chaùy nhôø taùc duïng cuûa nhieät, coøn oxy hoùa caùc hôïp chaát höõu cô trong cô theå soáng phuï thuoâïc vaøo caùc enzyme, moãi giai ñoaïn do caùc enzyme töông öùng xuùc taùc. II. BIEÁN HOÙA NAÊNG LÖÔÏNG TRONG CAÙC PHAÛN ÖÙNG OXY HOÙA KHÖÛ. 1. Phaûn öùng oxy-hoùa - khöû vaø theá khöû tieâu chuaån. Naêng löôïng tích luõy trong caùc hôïp chaát höõu cô ñöôïc giaûi phoùng trong quaù trình hoâ haáp, trong ñoù caùc hôïp chaát naøy bò oxy-hoùa thaønh khí carbonic, nöôùc vaø moät soá saûn phaåm ñôn giaûn khaùc tuøy thuoäc vaøo thaønh phaàn nguyeân toá cuûa chuùng. Coù nghóa laø, khoâng keå quang hôïp, moïi cô theå ñeàu thu nhaän naêng löôïng trong caùc phaûn öùng oxy-hoùa - khöû, töùc trong nhöõng phaûn öùng maø ñieän töû ñöôïc vaän chuyeån töø chaát cho (chaát khöû) sang chaát nhaän (chaát oxy-hoùa). ÔÛ moät soá phaûn öùng oxy-hoùa - khöû söï vaän chuyeån ñieän töû ñöôïc thöïc hieän cuøng vôùi vaän chuyeån caùc nguyeân töû hydro. Chaát oxy-hoùa vaø chaát khöû bao giôø cuõng hoaït ñoäng lieân hôïp vôùi nhau thaønh caëp. Khaû naêng cuûa chaát khöû nhöôøng ñieän töû cho chaát oxy-hoùa thöôøng ñöôïc ñaùnh giaù baèng theá khöû tieâu chuaån. Ñoù laø söùc ñieän ñoäng (ño baèng von) xuaát hieän trong pin nöûa maø trong ñoù chaát khöû vaø chaát oxy-hoùa vôùi noàng ñoä 1,0M ôû 25oC vaø pH=7 taïo theá caân baèng vôùi ñieän cöïc voán coù khaû naêng nhaän thuaän nghòch ñieän töû töø chaát khöû theo phöông trình phaûn öùng haát khöû Chaát oxy-hoùa + 2e- Ñeå ño theá khöû tieâu chuaån, ngöôøi ta söû duïng thieát bò maø sô ñoà cuûa noù ñöôïc giôùi thieäu trong hình 1. 1 V 2 3 4 Hình 1. Sô ñoà thieát bò ño theá khöû tieâu chuaån. 1 - Von-keá; 2 - ñieän cöïc; 3 - dung dòch chaát khöû vaø chaát oxy-hoùa ôû noàng ñoä 1,0M, 25o C vaø pH=7; 4 - pin nöûa tieâu chuaån (coù theá khöû tieâu chuaån bieát tröôùc). Theá khöû tieâu chuaån (kyù hieäu laø Eo ) laø giaù trò aùp löïc ñieän töû maø trong nhöõng ñieàu kieän hoaøn toaøn xaùc ñònh (ñieàu kieän tieâu chuaån) xuaát hieän trong caëp chaát oxy- GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
14. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 15 - hoùa - chaát khöû ôû traïng thaùi caân baèng. Ngöôøi ta quy öôùc theá khöû tieâu chuaån baèng khoâng laø theá khöû cuûa phaûn öùng: + - H 2 2H + 2e + + -7 Theá khöû tieâu chuaån cuûa heä thoáng H2 - 2H ôû pH=7 ([H ]=1.10 M), töùc giaù trò pH maø trong caùc phaûn öùng sinh hoùa ñöôïc xem laø tieâu chuaån, ñöôïc kyù hieäu laø Eo' vaø coù giaù trò baèng -0,42V. Theá khöû tieâu chuaån cuûa moät soá caëp chaát oxy-hoùa - chaát khöû quan troïng veà maët sinh hoïc coù giaù trò giôùi thieäu trong baûng 2. Baûng2. Theá khöû tieâu chuaån cuûa moät soá caëp chaát oxy-hoùa - chaát khöû xaùc ñònh ôû pH=7 vaø nhieät ñoä 25-37o C. Chaát khöû Chaát oxy-hoùa Eo' (V) Acetaldehyde Acetate -0,60 + H2 2H -0,42 Isocitrate α-cetoglutarate + CO2 -0,38 NAD.H + H+ NAD+ -0,32 NADP.H + H+ NADP+ -0,32 NAD.H-Dehydrogenase (daïng NAD.H-dehydrogenase (daïng oxy-hoùa) -0,11 khöû) Cytochrome b Cytochrome b 0,00 Fe (II) ] [Fe (III) ] Cytochrome c Cytochrome c +0,26 [Fe (II) ] [Fe (III) ] H2O 1/2O2 +0,82 Caùc heä thoáng coù giaù trò aâm cuûa theá khöû tieâu chuaån cao hôn so vôùi ñoâi H2 - 2H+ seõ coù khaû naêng nhöôøng ñieän töû lôùn hôn so vôùi khaû naêng naøy cuûa hydro; caùc heä thoáng coù giaù trò döông cuûa theá khöû tieâu chuaån lôùn hôn thì khaû naêng nhöôøng ñieän töû cuûa chuùng thaáp hôn so vôùi hydro. Theá khöû tieâu chuaån cuûa moät ñoâi nöôùc - oxy theo phöông trình + - H2O 1/2O2 + 2H + 2e + baèng +0,815V, töùc coù giaù trò döông cao hôn nhieàu so vôùi ñoâi H2 2H . Ñieàu naøy giaûi thích taïi sao nöôùc coù khaû naêng nhöôøng ñieän töû raát yeáu ñeå taïo ra oxy phaân töû. Theá khöû tieâu chuaån cuûa moät ñoâi chaát khöû - chaát oxy hoùa ñöôïc tính baèng phöông trình Nernst coù daïng sau ñaây: 2,303RT [chaát nhaän e- ] Eh = Eo' + lg nF [chaát nhöôøng e- ] o trong ñoù Eh laø theá khöû bieåu kieán cuûa ñieän cöïc; E ' laø theá khöû tieâu chuaån; R - haèng soá khí (baèng 8,31Jun/mol.oC hay 1,987cal/mol.oC); T - nhieät ñoä tuyeät ñoái; n - soá ñieän töû ñöôïc vaän chuyeån; F - soá Faraday (baèng 96,406Jun/V). Neáu n=1 thì ôû 25oC tyû leä 2,303RT/nF baèng 0,059. Neáu n = 2 thì tyû leä naøy baèng 0,03. Vì trong caùc heä thoáng sinh hoïc phoå bieán cô cheá vaän chuyeån 2e - neân phöông trình Nernst coù theå ñöôïc vieát döôùi daïng: GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
15. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 16 - [chaát nhaän e - ] Eh = Eo ' + 0,03 lg [chaát cho e - ] Bieát giaù trò theá khöû tieâu chuaån cuûa caùc heä thoáng oxy hoùa-khöû sinh hoïc khaùc nhau cho pheùp tieân ñoaùn chieàu höôùng cuûa doøng ñieän töû töø caëp chaát oxy hoùa - chaát khöû naøy ñeán caëp chaát oxy hoùa - chaát khöû khaùc trong ñieàu kieän tieâu chuaån. 2. Bieán thieân naêng löôïng trong quaù trình vaän chuyeån ñieän töû. Nhö ta ñaõ bieát, bieán thieân naêng löôïng töï +do tieâu chuaån ∆Go’xaûy ra trong baát cöù phaûn öùng hoùa hoïc naøo ñeàu coù quan heä vôùi haèng soá caân baèng K'eq cuûa phaûn öùng ñoù baèng phöông trình: ∆Go’ = -RTlnK'eq Ñeå tính giaù trò bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån trong tröôøng hôïp hai caëp oxy hoùa-khöû coù theá khöû tieâu chuaån bieát tröôùc phaûn öùng vôùi nhau, coù theå söû duïng phöông trình: o ∆G ’= -nF∆Eo’ Trong ñoù ∆Go’ laø bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån, tính baèng calo; n - soá ñieän töû ñöôïc vaän chuyeån ; F laø Soá Faraday (23.062 cal) vaø ∆Eo’ laø hieäu soá theá khöû tieâu chuaån cuûa chaát nhaän vaø chaát cho ñieän töû. Trong pheùp tính naøy ngöôøi ta quy öôùc raèng heä thoáng toàn taïi trong ñieàu kieän tieâu chuaån, töùc taát caû caùc thaønh phaàn ñeàu coù noàng ñoä 1,0M ôû 25oC vaø pH=7,0. Nhôø phöông trình naøy coù theå tính bieán thieân naêng löôïng töï do tieâu chuaån cho tröôøng hôïp khi moät caëp ñieän töû ñöôïc vaän chuyeån töø NAD.H (Eo' = - 0, 32V) ñeán oxy phaân töû (Eo' = +0,82V), töùc tröôøng hôïp ñieän töû ñöôïc vaän chuyeån trong chuoãi hoâ haáp: ∆Go’= -2x23062 x [0,82-(-0,32)] = -52700cal = -52,7Kcal. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
16. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 17 - CHÖÔNG 3. ENZYME OXY HOÙA - KHÖÛ. Trong caùc phaûn öùng oxy-hoùa - khöû sinh hoïc ñieän töû töø cô chaát ñöôïc vaän chuyeån ñeán oxy khoâng khí theo töøng böôùc treân cô sôû giaûm daàn theá khöû tieâu chuaån. Moãi enzyme oxy hoùa - khöû hoaït ñoäng nhôø söï phoái hôïp cuûa moät nhoùm chöùc naêng goïi laø cofactor hoaëc coenzyme. Trong khi ñoù, phaàn protein cuûa enzyme (apoenzyme) quy ñònh tính ñaëc hieäu cô chaát, hoaït hoùa cô chaát vaø hoaït hoùa cofactor thoâng qua taùc duïng laøm bieán ñoåi theá khöû cuûa chuùng. Maëc duø coù haøng traêm loaïi enzyme oxy hoùa - khöû khaùc nhau tham gia trong caùc quaù trình oxy-hoùa sinh hoïc, song chæ coù moät soá raát ít caùc cofactor hoaëc coenzyme laøm nhieäm vuï nhaän hoaëc nhöôøng ñieän töû giöõa cô chaát vaø saûn phaåm. Ví duï, ngöôøi ta ñaõ phaùt hieän ñöôïc treân 250 enzyme ñeàu söû duïng caùc coenzyme nicotinamide nucleotide (NAD+ hoaëc NADP+) laøm chaát nhaän ñieän töû. Chuùng xuùc taùc cho caùc phaûn öùng coù daïng döôùi ñaây: + + AH2 + E.NAD A + E.NAD.H + H + + vaø AH2 + E.NADP A + E.NADP.H + H Theá khöû cuûa cô chaát (AH2) ñöôïc chuyeån cho NAD.H (hoaëc NADP.H) ñeå sau ñoù seõ tham gia trong caùc quaù trình oxy hoùa - khöû khaùc. Moät soá dehydrogenase khaùc söû duïng caùc flavine nucleotide (F) laøm coenzyme vaø xuùc taùc caùc phaûn öùng coù daïng toång quaùt sau ñaây: AH2 + E.F E.FH2 + A Enzyme ôû daïng khöû (E.FH2) coù theå vaän chuyeån ñieän töû vaø proton cuûa noù cho caùc chaát khaùc (ví duï trong quaù trình phosphoryl hoùa oxy-hoùa) hoaëc cho O2 ñeå taïo ra H2O2 : E.FH2 + O2 E.F + H2O2 Xuùc taùc cho caùc phaûn öùng loaïi naøy laø caùc enzyme thuoäc nhoùm oxydase. Cofactor cuûa caùc enzyme loaïi naøy coù theå laø caùc ion kim loaïi nhö Cu2+, Fe2+ hoaëc caùc hôïp chaát höõu cô töông ñoái phöùc taïp maø chuùng ta seõ xeùt ñeán sau. Caùc enzyme oxy hoùa - khöû cuûa chuoãi vaän chuyeån ñieän töû trong ty theå vaø trong luïc laïp cuõng coù cofactor laø kim loaïi (Fe, Cu, Mo ), heme hoaëc caùc hôïp chaát höõu cô chöùa saét vaø löu huyønh. Thoâng thöôøng chæ coù moät nhoùm chöùc naêng cuûa moät enzyme oxy hoùa - khöû keát hôïp vôùi moät chuoãi polypeptide ñeå taïo ra moät ñôn vò hoaït ñoäng. Tuy nhieân, nhieàu enzyme chöùa moät taäp hôïp caùc nhoùm chöùc naêng, bao goàm flavin nucleotide, caùc nhoùm chöùa saét vaø löu huyønh, caùc nhoùm heme vaø caû kim loaïi ñeå taïo neân moät chuoãi vaän chuyeån ñieän töû vôùi chieàu daøi vaø möùc ñoä phöùc taïp khaùc nhau ñeå ñaùp öùng caùc nhu caàu ñaëc bieät cuûa trao ñoåi chaát. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
17. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 18 - I. DEHYDROGENASE PHUÏ THUOÄC PYRIDINE. Dehydrogenase phuï thuoäc pyridine laø nhoùm enzyme oxy hoùa - khöû maø coenzyme laø moät trong caùc daãn xuaát cuûa pyridine. hai coenzyme phoå bieán nhaát cuûa nhoùm dehydrogenase naøy laø nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) vaø nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP). Coâng thöùc caáu taïo cuûa chuùng ñöôïc giôùi thieäu trong hình 2. + + Hình 2. Coâng thöùc caáu taïo cuûa NAD (R = OH) vaø NADP (R = H2PO3) Nhoùm dehydrogenase naøy laøm nhieäm vuï vaän chuyeån thuaän nghòch töøng ñoâi ñöông löôïng khöû (ñoâi ñieän töû hoaëc ñoâi ñieän töû cuøng vôùi ñoâi proton) töø cô chaát AH2 ñeán daïng oxy hoùa cuûa coenzyme (NAD+ hay NADP+). Moät trong hai ñöông löôïng ñoù ôû daïng hydro naèm trong pyridine nucleotide khöû (NAD.H hay NADP.H), coøn ñöông löôïng kia - ôû daïng ñieän töû. Nguyeân töû hydro thöù hai sau khi taùch khoûi cô chaát ñöôïc chuyeån vaøo moâi tröôøng ôû daïng ion H+ töï do (hình 3). Nhöõng dehydrogenase lieân quan vôùi NAD chuû yeáu tham gia quaù trình hoâ haáp töùc quaù trình vaän chuyeån ñieän töû töø cô chaát ñeán oxy. Trong khi ñoù, caùc enzyme lieân quan vôùi NADP chuû yeáu tham gia vaän chuyeån ñieän töû töø cô chaát tham gia phaûn öùng dò hoùa ñeán caùc phaûn öùng khöû cuûa quaù trình sinh toång hôïp. Vì vaäy, phaàn lôùn NAD ñöôïc phaùt hieän trong ty theå, coøn ña soá NADP thì naèm trong phaàn hoøa tan cuûa teá baøo chaát. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
18. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 19 - Hình 3. Phaûn öùng dehydrogenase phuï thuoäc pyridine. Ña soá dehydrogenase phuï thuoäc pyridine chæ ñaëc hieäu vôùi NAD hay chæ ñaëc hieäu vôùi NADP. Tuy nhieân coù moät soá dehydrogenase (ví duï glutamate dehydrogenase) coù theå söû duïng caû hai coenzyme naøy. Trong baûng 3 giôùi thieäu moät soá dehydrogenase phuï thuoäc pyridine vaø gía trò Eo' cuûa ñoâi cô chaát chòu taùc duïng cuûa chuùng. Chieàu höôùng cuûa phaûn öùng vaø thaønh phaàn caân baèng cuûa heä thoáng oxy hoùa - khöû do nhoùm enzyme phuï thuoäc pyridine xuùc taùc coù theå döï ñoaùn treân cô sôû theá khöû + + tieâu chuaån cuûa ñoâi NADH - NAD (hay NADP.H - NADP ) maø Eo' cuûa chuùng baèng -0,32V. Neáu quaù trình oxy hoùa - khöû ñöôïc thöïc hieän trong ñieàu kieän tieâu chuaån thì heä thoáng coù giaù trò aâm cuûa theá khöû tieâu chuaån cao hôn so vôùi NAD vaø NADP, seõ coù xu höôùng nhöôøng ñieän töû cho daïng oxy-hoùa cuûa nhöõng coenzyme naøy, coøn nhöõng heä thoáng coù giaù trò döông cuûa theá khöû tieâu chuaån lôùn hôn seõ coù xu höôùng nhaän ñieän töû töø NADH hay NADPH. Nhieàu enzyme thuoäc nhoùm dehydrogenase phuï thuoäc pyridine thöôøng toàn taïi ôû moät soá daïng isoenzyme khaùc nhau, trong ñoù caùc caáu truùc döôùi ñôn vò phoái hôïp theo caùc tyû leä khaùc nhau. Ví duï ñieån hình laø tröôøng hôïp cuûa lactate dehydrogenase. Enzyme naøy chöùa hai loaïi phaàn döôùi ñôn vò kyù hieäu laø H vaø M. Trong teá baøo ñaõ phaùt hieän 5 loaïi isoenzyme vôùi 5 kieåu phoái hôïp khaùc nhau giöõa hai loaïi phaàn döôùi ñôn vò naøy. Do coù caáu truùc döôùi ñôn vò khaùc nhau, neân moãi daïng isoenzyme cuõng phaân bieät nhau bôûi caùc giaù trò Km vaø Vmax ñaëc tröng trong quan heä vôùi moãi loaïi cô chaát vaø ñoùng caùc vai troø khaùc nhau trong quaù trình trao ñoåi chaát. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
19. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 20 - Baûng 3. Theá khöû tieâu chuaån cuaû moät soá heä thoáng dehydro-genase phuï thuoäc pyridin. Heä thoáng Eo' cuûa ñoâi cô chaát, (V) Phuï thuoäc NAD Isocitrate dehydrogenase - 0,38 D-β-oxybutyratedehydrogenase - 0,32 Glyceraldehyde-3-phosphate - 0,29 dehydrogenase Dihydrolipoil dehydrogenase - 0,24 Alcohol dehydrogenase - 0,20 Lactate dehydrogenase - 0,19 L-malate dehydrogenase - 0,17 Phuï thuoäc NADP Isocitrate dehydrogenase - 0,38 Glucoso-6-phosphate dehydrogenase - 0,32 Phuï thuoäc NAD hoaëc NADP L-glutamate dehydrogenase - 0,14 NAD khoâng chæ ñoùng vai troø nhö moät coenzyme trong caùc phaûn öùng oxy hoùa - khöû maø coøn coù theå tham gia trao ñoåi chaát teá baøo vôùi caùc chöùc naêng khaùc. Ví duï, noù laø moät yeáu toá khoâng theå thieáu ñöôïc trong phaûn öùng do ADN ligase cuûa E. coli xuùc taùc. Trong phaûn öùng naøy NAD bò phaân huûy thaønh AMP vaø nicotinamide mononucleotide (NMN) ñeå cung caáp naêng löôïng cho söï hình thaønh lieân keát phospho-diester giöõa hai ñoaïn polydeoxyribonucleotide maø ADN ligase coù nhieäm vuï phaûi noái laïi. II. DEHYDROGENASE PHUÏ THUOÄC FLAVIN. Dehydrogenase phuï thuoäc flavin (hay coøn goïi laø flavoprotein) laø nhöõng enzyme ma øcoenzyme laø riboflavin-5'-phosphate (flavin mononucleotide, FMN) hoaëc flavin adenine dinucleotide (FAD) maø caáu truùc cuûa chuùng ñöôïc giôùi thieäu trong hình 4. Söï keát hôïp cuûa coenzyme vôùi apoenzyme trong caùc enzyme khaùc nhau ñöôïc thöïc hieän baèng caùc kieåu lieân keát khaùc nhau - hoaëc lieân keát ñoàng hoùa trò, hoaëc lieân keát khoâng ñoàng hoùa trò. Tuy nhieân, ngay trong caùc tröôøng hôïp lieân keát khoâng ñoàng hoùa trò thì söï keát hôïp giöõa coenzyme vaø apoenzyme vaãn luoân luoân chaët cheõ hôn so vôùi caùc enzyme phuï thuoäc pyridine. Ngoaøi ra, caùc enzyme flavine coøn coù theå chöùa moät hoaëc vaøi ion kim loaïi, phöùc heä saét-löu huyønh hoaëc heme ñeå gaây FAD neân nhöõng bieán ñoåi ñaùng keå trong hoaït tính xuùc taùc cuûa chuùng. Boä phaän hoaït ñoäng cuûa phaânHình töû4. CaáuFAD ta vao ø cuûaFMN FM thamN vaø giaFAD. trong phaûn öùng laø voøng isoaloxasine cuûa riboflavin. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
20. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 21 - Phaûn öùng ñöôïc thöïc hieän baèng caùch vaän chuyeån tröïc tieáp ñoâi nguyeân töû hydro töø cô chaát ñeán FAD hoaëc FMN ñeå taïo ra daïng khöû cuûa coenzyme, töùc FAD.H2 hoaëc FMN.H2 (hình 5) . Trong teá baøo chaát nhaän ñieän töû töø dehydrogenase phuï thuoäc flavin thöôøng laø moät soá enzyme thuoäc nhoùm cytochrome. Thuoäc nhoùm flavoprotein quan troïng nhaát laø nhöõng enzyme sau ñaây: - NAD.H dehydrogenase: xuùc taùc söï vaän chuyeån ñieän töû töø NAD.H ñeán moät chaát nhaän naøo ñoù chöa ñöôïc xaùc ñònh, coù theå laø moät protein chöùa saét naøo ñoù trong chuoãi hoâ haáp. - Succinate dehydrogenase: xuùc taùc phaûn öùng oxy-hoùa acid suxinic thaønh acid fumaric. Dihydrolipoyl dehydrogenase cuûa heä thoáng pyruvate dehydrogenase vaø α- cetoglutarate dehydrogenase. - Caùc flavoprotein xuùc taùc giai ñoaïn ñaàu cuûa quaù trình β-oxy-hoùa acid beùo. Boä phaän hoaït ñoäng cuûa phaân töû FAD vaø FMN tham gia trong phaûn öùng laø voøng isoaloxasine cuûa riboflavin. Phaûn öùng ñöôïc thöïc hieän baèng caùch vaän chuyeån tröïc tieáp ñoâi nguyeân töû hydro töø cô chaát ñeán FAD hoaëc FMN ñeå taïo ra daïng khöû cuûa coenzyme, töùc FAD.H2 hoaëc FMN.H2 (hình 5) . Trong teá baøo chaát nhaän ñieän töû töø dehydrogenase phuï thuoäc flavin thöôøng laø moät soá enzyme thuoäc nhoùm cytochrome. Hình 5. Phaûn öùng dehydrogenase phuï thuoäc flavin III. CYTOCHROME. Cytochrome laø moät nhoùm protein chöùa saét coù caáu taïo töông töï nhö hemoglobin, tham gia trong quaù trình vaän chuyeån ñieän töû trong hoâ haáp cuõng nhö trong quang hôïp. Trong quaù trình hoâ haáp cytochrome ñaûm nhaän vieäc vaän chuyeån ñieän töû töø caùc enzyme flavin ñeán oxy khoâng khí; trong quang hôïp cytochrome tham gia trong vaän chuyeån ñieän töû ôû pha saùng. Cytochrome gioáng hemoglobin vaø myoglobin ôû choã nhoùm theâm cuûa chuùng laø caùc hôïp chaát porphyrin chöùa saét. Trong quaù trình xuùc taùc xaûy ra söï bieán hoùa thuaän nghòch giöõa Fe3+ vaø Fe2+. Cytochrome ñöùng cuoái cuøng trong chuoãi hoâ haáp coù khaû naêng khöû tröïc tieáp oxy phaân töû thaønh O2-, vì vaäy noù thöôøng ñöôïc goïi laø cytochrome oxydase. Cytochrome ñöôïc tìm thaáy trong moïi cô theå hieáu khí. Hôn theá nöõa, haøm löôïng cuûa chuùng trong caùc cô quan khaùc nhau coù quan heä chaët cheõ vôùi hoaït ñoäng hoâ haáp GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
21. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 22 - cuûa caùc cô quan ñoù. Ví duï, cô tim raát giaøu cytochrome, nhöng trong gan, thaän, naõo vaø ñaëc bieät laø da, phoåi haøm löôïng cytochrome raát thaáp. Caùc cytochrome khaùc nhau ñöôïc phaân bieät treân cô sôû quang phoå haáp thuï vaø ñöôïc kyù hieäu baèng caùc chöõ caùi a, b, c hoaëc baèng caùch ghi chuù keøm theo gía trò cuûa böôùc soùng haáp thuï cöïc ñaïi (baûng 4). Trong ty theå cuûa thöïc vaät vaø ñoäng vaät baäc cao ñaõ tìm thaáy haøng loaït cytochrome khaùc nhau: cytochrome a, cytochrome a3, cytochrome b, cytochrome b2 , cytochrome c vaø cytochrome o. Haøng loaït cytochrome khaùc cuõng ñöôïc tìm thaáy trong thaønh phaàn cuûa chuoãi vaän chuyeån ñieän töû trong thylacoid cuûa luïc laïp. Baûng 4. Tính chaát cuûa moät soá cytochrome cuûa ñoäng vaät coù vuù. ’ Cytochrom Ñænh haáp thuï cuûa caùc daïng khöû Eo (mV) e λ, nm λ, nm λ, nm a3 600 445 +200 a 605 517 414 +340 c 550 521 416 +260 c1 554 523 418 +225 b 563 530 430 +30 b1 565 535, 528 430 -30 (+245) b5 557 527 423 +0,03 Cytochrome thöïc hieän vieäc vaän chuyeån ñieän töû vôùi söï tham gia tröïc tieáp cuûa nguyeân töû saét trong thaønh phaàn cuûa nhoùm heme naèm taïi trung taâm hoaït ñoäng cuûa moãi cytochrome. Nhoùm theâm cuûa haàu heát caùc cytochrome, tröø cytochrome a vaø cytochrome a3, ñeàu laø phöùc heä giöõa protoporphyrin IX vôùi saét nhö trong hemoglobin. Trong ty theå, caùc ñieän töû baét nguoàn töø daïng khöû cuûa caùc enzyme dehydrogenase phuï thuoäc NAD hoaëc flavoprotein ñöôïc nguyeân töû saét trong thaønh phaàn cuûa heme cuûa moät cytochrome tieáp nhaän ñeå sau ñoù laïi ñöôïc chuyeån cho moät nguyeân töû saét cuûa moät cytochrome khaùc. Traät töï cuûa chuoãi vaän chuyeån naøy seõ ñöôïc ñeà caäp ñeán sau. Ña soá cytochrome gaén khaù chaët vôùi maøng. Nhieàu cytochrome phoái hôïp chaët cheõ vôùi nhau vaø vôùi caùc yeáu toá vaän chuyeån ñieän töû khaùc, taïo neân caùc caáu truùc goàm nhieàu phaàn döôùi ñôn vò ñeå khoâng nhöõng thöïc hieän chöùc naêng vaän chuyeån ñieän töû, maø coøn tham gia vaøo hoaït ñoäng bôm proton deå taïo ra gradient proton voán caàn cho vieäc toång hôïp ATP trong quaù trình phosphoryl-hoùa oxy hoùa. Sau ñaây laø moät soá cytochrome quan troïng nhaát: 1. Cytochrome c. Cytochrome c laø nhoùm protein vaän chuyeån ñieän töû ñöôïc nghieân cöùu khaù ñaày ñuû. Chuùng hoaït ñoäng nhö nhöõng thaønh phaàn cuûa chuoãi vaän chuyeån ñieän töû trong ty theå, tieáp nhaän ñieän töû töø phöùc heä cytochrome bc1 vaø sau ñoù chuyeån cho phöùc heä cytochrome aa3: GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
22. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 23 - 2+ 3+ 2+ Cytochrome bc1 (Fe ) Cytochrome c (Fe ) Cytochrome aa3 (Fe ) 3+ 2+ 3+ Cytochrome bc1 (Fe ) Cytochrome c (Fe ) Cytochrome aa3 (Fe ) 2. Cytochrome oxydase. Cytochrome oxydase laø toå hôïp cuûa cytochrome a vaø cytochrome a3, moät trong soá ít enzyme coù khaû naêng khöû oxy phaân töû thaønh nöôùc. Noù xuùc taùc phaûn öùng toång quaùt sau ñaây: 2+ + 3+ 4 Cytochrome a+a3 (Fe ) + O2 + 4H → 4 Cytochrome a+a3 (Fe ) +2H2O Cytochrome oxydase töø caùc nguoàn khaùc nhau chöùa 7 phaàn döôùi ñôn vò. Ngöôøi ta cho raèng moãi enzyme hoaït ñoäng laø moät dimer (MW=400.000) vôùi 7 phaàn döôùi ñôn vò trong moät monomer. Moät trong caùc nhoùm chöùc naêng trong phaân töû enzyme laø heme A (hình 6). Hình.6. Coâng thöùc caáu taïo cuûa heme A. Ion Fe2+ trong heme A cuûa cytochrome oxydase coù aùi löïc raát maïnh vôùi caû 3+ - 2- - CO vaø O2. ÔÛ daïng Fe noù raát deã gaén vôùi CN , S vaø NO3 ; ñieàu ñoù giaûi thích vì sao nhöõng anion naøy coù tính ñoäc raát maïnh ñoái vôùi moïi cô theå hieáu khí. Moãi phaàn döôùi ñôn vò I vaø II chöùa moät phaân töû heme A lieân keát khoâng ñoàng hoùa trò vôùi apoenzyme ñeå töông öùng taïo ra cytochrome a vaø cytochrome a3. Caùc nhoùm chöùc naêng khaùc laø hai ion Cu2+ cuõng lieân keát vôùi phaàn döôùi ñôn vò II. Trong khi ñoù phaàn döôùi ñôn vò III ñöôïc cho laø coù vai troø nhö moät translocase vaän chuyeån proton. Phaàn lôùn caùc goác aminoacid cuûa phaàn döôùi ñôn vò naøy chöùa caùc goác kî nöôùc, song coù 38 goác hydroxyaminoacid phaân boá suoát beà daøy cuûa maøng. Nhöõng nhoùm hydroxyl naøy taïo ra moät maïng löôùi caùc lieân keát hydro ñeå taïo ra nhöõng ñöôøng keânh ñeå proton ñöôïc vaän chuyeån qua ñoù. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
23. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 24 - Coù giaû thuyeát cho raèng cô cheá khöû O2 thaønh H2O bôûi cytochrome oxydase xaûy ra nhö moâ taû trong hình 7. Cytochrome a cuûa phaàn döôùi ñôn vò II laø chaát nhaän ñieän töû sô caáp töø cytochrome c vaø nhanh choùng chuyeån ñieän töû cho moät trong hai nguyeân töû Cu kyù hieäu laø Cu A. Phaàn döôùi ñôn vò II naèm ôû phía beà maët tieáp xuùc vôùi baøo töông, vaø nhoùm heme A cuûa noù ñònh vò trong moät keõ hôû kî nöôùc. Caùc ñieän töû töø phöùc heä heme A - Cu A tieáp tuïc ñöôïc vaän chuyeån cho cytochrome a3 cuûa phaàn döôùi ñôn vò I voán keát hôïp vôùi hai nguyeân töû Cu khaùc, kyù hieäu laø Cu B, trong phaàn döôùi ñôn vò I. Phaàn döôùi ñôn vò I cuõng chöùa moät keõ hôû daønh cho heme A nhöng naèm veà phía beà maët cuûa maøng tieáp xuùc vôùi matrix cuûa ty theå. Cytochrome a3 vaø Cu B cuûa phaàn döôùi ñôn vò I tröïc tieáp tham gia phaûn öùng khöû O2 thaønh H2O. Hoaït ñoäng cuûa cytochrome a vaø a3 coøn giuùp tích luõy naêng löôïng giaûi phoùng trong quaù trình vaän chuyeån ñieän töû ñeå taïo ra gradient proton giöõa hai phía cuûa maøng trong cuûa ty theå. Gradient naøy caàn ñeå toång hôïp ATP trong quaù trình phosphoryl hoùa oxy-hoùa. Cô cheá cuûa söï hình thaønh gradient proton chöa ñöôïc hieåu roõ, song coù nhieàu cô sôû ñeå phoûng ñoaùn raèng noù xaûy ra treân nhöõng neùt khaùi quaùt nhö sau: Caùc phaàn döôùi ñôn vò I vaø II (töùc cytochrome a vaø cytochrome a3) ñöôïc boá trí treân maøng trong cuûa ty theå nhö moâ taû trong hình 8. Khi moät ñieän töû töø cytochrome c ñöôïc cytochrome a tieáp nhaän, pK cuûa nhoùm acid trong cytochrome a bieán ñoåi, laøm cho noù coù theå tieáp nhaän moät proton töø matrix cuûa ty theå. Söï saép xeáp cuûa caùc phaàn döôùi ñôn vò sau ñoù thay ñoåi nhö moâ taû trong hình veõ, vaø cytochrome a ôû daïng khöû chuyeån ñieän töû cho cytochrome a3, daãn ñeán moät soá bieán ñoåi trong pK cuûa nhoùm acid vaø giaûi phoùng proton cuûa cytochrome a ra phía baøo töông cuøa maøng. Ñaây chæ laø moät moâ hình ñôn giaûn cuûa quaù trình taïo ra gradient proton, trong ñoù chöa cho thaáy vai troø cuûa caùc phaàn döôùi ñôn vò khaùc, keå caû phaàn döôùi ñôn vò III voán ñoùng vai troø quan troïng trong vieäc vaän chuyeån proton. Tuy nhieân, ñaây laø moät moâ hình höõu ích ñeå lyù giaûi hoaït tính vaän chuyeån proton cuûa cytochrome oxydase cuõng nhö cuûa caùc phöùc heä khaùc cuûa ty theå. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
24. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 25 - Hình 7. Sô ñoà moâ taû giaû thuyeát veà caùch toå chöùc cuûa caùc phaàn döôùi ñôn vò (pdñv) I vaø II cuûa cytochrome oxydase trong maøng trong cuûa ty theå. Coù hai keõ hôû ñeå heme A gaén vaøo ñoù: moât laø nôi ñeå cytochrome c töông taùc vôùi pdñv I (cytochrome a) vaø moät ñeå cytochrome c töông taùc vôùi pdñv II (cytochrome a3) voán laøm nhieäm vuï töông taùc tröïc tieáp vôùi O2. Hình 8. Moâ hình giaûi thích giaû thuyeát veà cô cheá vaän chuyeån H+ vôùi söï tham gia cuûa cytochrome a vaø cytochrome a3. 3. Caùc phöùc heä cytochrome b. Caùc cytochrome nhoùm b laø nhöõng protein vaän chuyeån ñieän töû maø nhoùm hoaït ñoäng laø heme lieân keát vôùi apoenzyme baèng caùc kieåu lieân keát khoâng ñoàng hoùa trò. Khoaûng 80% cytochrome b naèm trong thaønh phaàn cuûa phöùc heä ubiquinone: cytochrome c reductase (phöùc heä III) vaø khoaûng 20% naèm trong phöùc heä succinate: ubiquinone reductase (phöùc heä II). Hoaït ñoäng cuûa cytochrome b cuûa phöùc heä III gaén lieàn vôùi quaù trình phosphoryl hoùa oxy-hoùa. Chöùc naêng cuûa phöùc heä III laø tieáp nhaän ñieän töû töø ubiquinone vaø chuyeån noù cho cytochrome c vôùi söï hình thaønh ñoàng thôøi gradient xuyeân maøng. Quaù trình naøy coù leû xaûy ra nhö moâ taû trong hình 9. Noù cho thaáy ñieän töû ñöôïc vaän chuyeån theo moät voøng kín giöõa caùc thaønh phaàn cuûa phöùc heä bc1 vaø ubiquinone (Q) trong caùc phaûn öùng maø trong ñoù H+ ñöôïc tieáp nhaän töø matrix cuûa ty theå ñeå sau ñoù ñöôïc giaûi phoùng ra phía baøo töông. Moät ñieän töû töø ubiquinone reductase (phöùc heä II) ñöôïc chuyeån cho Q, ñoàng thôøi tieáp nhaän moät H+ töø matrix cuûa ty theå ñeå taïo ra QHi, töùc semiquinone cuûa ubiquinone. QHi, sau ñoù tieáp nhaän theâm moät ñieän töû töø cytochrome b vaø moät proton töø matrix cuûa ty theå ñeå bieán thaønh QH2. QH2 sau ñoù + giaûi phoùng moät ñieän töû cho trung taâm Fe2S2 roài töø ñoù cho c1 vaø chuyeån moät H ra i baøo töông. Baûn thaân QH2 bieán thaønh QH ñeå laïi chuyeån moät ñieän töû nöõa cho cytochrome b vaø giaûi phoùng H+ thöù hai ra baøo töông. Daïng oxy-hoùa cuûa ubiquinone (Q) sau khi hình thaønh seõ kheùp kín chu trình. Phöùc heä II, töùc phöùc heä succinate: ubiquinone reductase, coù chöùc naêng vaän chuyeån ñieän töû töø succinate ñeán khu vöïc ubiquinone treân maøng ty theå. Noù chöùa 4 phaàn döôùi ñôn vò polypeptide vaø ít nhaát 3 trung taâm khöû, phaàn döôùi ñôn vò 70.000 dalton laø succinate dehydrogenase, chöùa moät FAD vaø hai trung taâm Fe2-S2. Phaàn döôùi ñôn vò 27.000 dalton chöùa moät trung taâm Fe4S4, coøn hai phaàn döôùi ñôn vò thöù GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
25. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 26 - ba vaø thöù tö (MW baèng 13.000 vaø 15.000) laø apocytochrome b. Cô cheá vaän chuyeån ñieän töû giöõa caùc nhoùm chöùc naêng trong phöùc heä chöa ñöôïc roõ. PHÍA BAØO TÖÔNG + + H out H out i - Qout cyt.bout + QH out (QH2out -e ):Fe/S-prot cyt.c1 - i deh.in :(e + Qin ) QH in + cyt.bin ⎯ QH2in + + H in H in PHÍA MATRIX CUÛA TY THEÅ Hình 9 . Sô ñoà giaûi thích giaû thuyeát veà cô cheá hoaït ñoäng cuûa phöùc heä ubiquinone:cytochrome c reductase. Muõi teân chæ chieàu cuûa doøng ñieän töû vaø cuûa H+. Q - ubiquinone; deh - dehydrogenase; prot - protein; cyt. - cytochrome; in - phía trong; out - phía ngoaøi. 4. Cytochrome b5 . Cytochrome b5 (MW=16.000) lieân keát raát chaët vôùi maøng cuûa maïng noäi chaát, song coù theå hoaø tan baèng caùc dung dòch detergent. Noù laø thaønh phaàn cuûa heä thoáng ∆9-stearyl CoA desaturase phuï thuoäc NAD.H vaø bò loâi cuoán vaøo caùc phaûn öùng hydroxyl-hoùa cuûa microsome vôùi söï tham gia cuûa NADP.H. Chaát nhöôøng ñieän töû töï nhieân cuûa cytochrome b5 laø NAD.H-cytochrome b5 reductase, moät loaïi flavoprotein gaén chaët vôùi heä thoáng maøng cuûa maïng noäi chaát. Chaát nhaän ñieän töû cuûa cytochrome b5 laø stearyl CoA desaturase, cuõng laø moät loaïi oxydase gaén chaët vôùi maøng. Reductase, cytochrome b5 vaø desaturase coù theå taäp hôïp laïi ôû beà maët phía ngoaøi cuûa maøng liposome vaø xuùc taùc quaù trình bieán hoùa sau ñaây: + 3+ NAD.H+H FAD 2 cytochrome b5 2Fe R-CH=CH-C-CoA + 2H2O (Fe2+) O O + 2+ NAD FAD.H2 2 cytochrome b5 2Fe R-CH2-CH2- C-CoA + O2 + 2H+ (Fe3+) Reductase Desaturase 5. Cytochrome vi khuaån vaø phosphoryl hoùa oxy-hoùa. Teá baøo vi khuaån khoâng coù caùc baøo quan, keå caû ty theå. Tuy nhieân, maøng teá baøo vi khuaån chöùa caùc enzyme dehydrogenase, cytochrome vaø caùc trung taâm chöùa saét - löu huyønh ñeå thöïc hieän phosphoryl hoùa oxy-hoùa. Treân cô sôû quang phoå haáp thuï ngöôøi ta ñaõ phaùt hieän trong teá baøo vi khuaån caùc cytochrome goáng vôùi cytochrome a, b, c, song chuùng coù caáu truùc vaø caùc tính chaát chöùc naêng raát khaùc vôùi nhöõng cytochrome naøy trong teá baøo eucaryote. Trong vi khuaån quang hôïp vaø caây xanh coù nhieàu cytochrome khaùc nhau tham gia trong quaù trình vaän chuyeån ñieän töû. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
26. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 27 - IV. SUPEROXIDE DISMUTASE, CATALASE VAØ PEROXYDASE. 1. Peroxide vaø superoxide. Khöû O2 baèng caùch ñöa tröïc tieáp vaøo phaân töû oxy moät caëp ñieän töû laø moät quaù trình xaûy ra raát chaäm, vì O2 chöùa 2 ñieän töû khoâng goùp chung vôùi traïng thaùi spin song song trong hai quó ñaïo rieâng reõ vaø phaûn öùng khöû ñoøi hoûi phaûi ñaûo ngöôïc moät spin ñieän töû. Khi O2 toàn taïi cuøng vôùi chaát höõu cô, söï vieäc xaûy ra hoaøn toaøn khaùc. Söï haïn cheá cuûa spin trong vieäc khöû O2 coù theå ñöôïc khaéc phuïc baèng caùch boå sung theâm caùc ñieän töû ñôn leû. Nhö vaäy, khöû moät phaân töû O2 thaønh H2O caàn phaûi söû duïng 4 ñieän töû: + - O2 + 4H + 4e –––→ 2H2O Phaûn öùng daãn ñeán söï hình thaønh caùc saûn phaåm trung gian coù khaû naêng phaûn - i öùng cao laø caùc ion superoxide (O2 ), peroxide hydro (H2O2) vaø goác hydroxyl (OH ). Söï toàn taïi lieân tuïc cuûa nhöõng chaát naøy seõ gaây ra nhöõng nguy cô nghieâm troïng cho caùc heä thoáng soáng do chuùng seõ phaù hoaïi caùc thaønh phaàn cuûa teá baøo. Treân thöïc teá, OHi, moät mutagene raát maïnh sinh ra do böùc xaï ion-hoùa, coù khaû naêng phaûn öùng raát maïnh vaø coù theå taán coâng taát caû caùc hôïp chaát höõu cô. Quaù trình khöû O2 baèng moät ñieän töû bao goàm moät chuoãi caùc phaûn öùng sau ñaây: - - O2 + e ––––→ O2 (1) - + i O2 + H ⇐⇒ HO2 (2) - i + O2 + HO2 + H –––→ H2O2 + O2 (3) - 3+ 2+ O2 + Fe ––––→ O2 + Fe (4) 2+ 3+ - i H2O2+ Fe ––––→ Fe + OH + OH (5) Ion superoxide hình thaønh trong phaûn öùng (1) coù theå ñöôïc proton-hoùa thaønh goác hydroperoxyl [phaûn öùng (2)], vì H2O2 laø moät acid vôùi pKa gaàn baèng 4,8. Phaûn öùng (3) laø phaûn öùng dismutase töï phaùt, daãn ñeán hình thaønh H2O2 + O2. Nhö vaäy, taäp hôïp 3 phaûn öùng treân ñaây luoân daãn ñeán söï hình thaønh H2O2 trong baát kyø heä thoáng - naøo saûn sinh ra O2 . Caùc phaûn öùng (4) vaø (5) cho thaáy raèng caùc hôïp chaát chöùa saét coù - i theå xuùc taùc phaûn öùng giöõa O2 vaø H2O2 vaø taïo ra OH . - Nhö ñaõ noùi ñeán ôû treân, haøng loaït enzyme saûn sinh ra H2O2 vaø O2 , ví duï oxy- hoùa töï phaùt nguyeân töû saét trong caùc chaát nhö hemoglobin, cytochrome b5, feredoxin khöû vaø caùc chaát vaän chuyeån ñieän töû hoaëc caùc heä thoáng khöû khaùc. Söï ñe doïa do hoaït - tính phaûn öùng raát cao cuûa O2 vaø H2O2 ñöôïc khaéc phuïc nhôø caùc enzyme coù khaû naêng bieán ñoåi nhöõng chaát naøy thaønh nhöõng chaát coù hoaït tính thaáp hôn. 2. Superoxide dismutase - Superoxide dismutase laø nhoùm enzyme phaân huûy O2 baèng caùch xuùc taùc phaûn öùng sau ñaây: - - + O2 + O2 + 2H ––––→ H2O2 + O2 Dismutase ñöôïc tìm thaáy trong caùc cô theå hieáu khí vaø khoâng coù maët trong caùc vi sinh vaät kî khí baét buoäc. Coù 3 loaïi dismutase khaùc nhau. Ñoù laø: 1/ Dismutase baøo töông cuûa teá baøo eucaryote, caáu taïo bôûi hai phaàn döôùi ñôn vò, moãi phaàn döôùi ñôn vò chöùa moät nguyeân töû Cu vaø moät nguyeân töû Zn; 2/ Dismutase ty theå cuûa eucaryote vaø trong baøo töông cuûa vi khuaån, chöùa hai nguyeân töû Mn trong moãi phaân töû enzyme; 3/ Dismutase chöùa saét, coù traät töï aminoacid raát gioáng vôùi dismutase chöùa aminoacid, tìm thaáy trong vi khuaån, taûo luïc vaø moät soá thöïc vaät. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
27. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 28 - Hoaït tính xuùc taùc cuûa dismutase phuï thuoäc vaøo haøm löôïng Cu, Mn vaø saét. Trong quaù trình xuùc taùc caùc kim loaïi traûi qua moät voøng troøn caùc phaûn öùng oxy hoùa - khöû, vôùi n baèng 2 ñoái vôùi enzyme chöùa Cu-Zn vaø baèng 3 ñoái vôùi caùc enzyme chöùa saét vaø chöùa mangan: n+ - (n-1)+ Enz-Me + O2 ––––→ Enz-Me + O2 (n-1)+ - + n+ Enz-Me + O2 + 2H ––––→ Enz-Me + H2O2 3. Catalase vaø peroxydase. Catalase coù maët haàu nhö trong moïi ñoäng vaät, thöïc vaät vaø vi khuaån. Noù coù taùc duïng ngaên ngöøa söï tích luõy H2O2 baèng caùch phaân huûy chaát naøy thaønh H2O vaø O2. H2O2 + H2O2 ⎯→ 2H2O + O2 Peroxydase xuùc taùc kieåu phaûn öùng sau ñaây: OH O + H2O2 –––––– + H2O OH O Loaïi enzyme naøy ít gaëp hôn trong caùc moâ ñoäng vaät, song raát phoå bieán trong caùc moâ thöïc vaät. Neáu caùc phaûn öùng do catalase vaø peroxydase xuùc taùc ñöôïc vieát ôû daïng HO HO O + –––– 2H2O + (catalase) HO HO O HO HO O vaø + R –––– 2H2O + R (peroxydase) HO HO O thì ta coù theå thaáy roõ tính töông ñoàng giöõa hai phaûn öùng. Coù theå xem phaûn öùng catalase phaân giaûi H2O2 thaønh H2O vaø O2 laø moät tröôøng hôïp ñaëc bieät cuûa phaûn öùng peroxydase, trong ñoù peroxyde hydro vöøa laøm cô chaát vöøa laøm chaát nhaän. Tính töông ñoàng naøy seõ trôû neân roõ raøng hôn, neáu löu yù raèng ôû noàng ñoä cao cuûa caùc loaïi röôïu vaø aldehyde phaân töû nhoû vaø noàng ñoä thaáp cuûa peroxide catalase cuõng theå hieän hoaït tính peroxydase. Caû hai enzyme ñeàu coù theå söû duïng caùc hydroxyperoxide höõu cô coù caùc nhoùm theá maïch beùo ngaén laøm cô chaát, ví duï ethyl hydrogene peroxide vaø acid peracetic. Bôûi vì, veà maët sinh lyù, caùc chaát nhaän khaùc coù theå toàn taïi vôùi noàng ñoä cao, vaø noàng ñoä peroxide thaáp, neân coù theå nghó raèng catalase haàu nhö thay theá coâng vieäc cuûa peroxydase trong caùc moâ ñoäng vaät. 4. Oxygenase. Monooxygenase laø nhöõng enzyme xuùc taùc caùc phaûn öùng söû duïng O2, trong ñoù moät nguyeân töû oxy ñöôïc chuyeån cho saûn phaåm coøn nguyeân töû oxy thöù hai bò khöû thaønh nöôùc. Dioxygenase cuõng söû duïng O2, nhöng caû hai nguyeân töû oxy ñeàu ñöôïc chuyeån cho saûn phaåm. Cytochrome P450 maø ta ñaõ xeùt ñeán ôû treân laø moät loaïi monooxygenase. Caùc mono- vaø dioxygenase khaùc cuõng söû duïng caùc nhoùm chöùc GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
28. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 29 - naêng khaùc nhau laøm cofactor. Monooxygenase ñoøi hoûi tieáp nhaän 2 ñieän töû töø chaát khöû, trong khi ñoù dioxygenase khoâng coù ñoøi hoûi naøy. Dopamine-monooxygenase laø moät enzyme chöùa Cu2+ coù maët trong naõo vaø phaàn loõi thöôïng thaän, xuùc taùc phaûn öùng toång hôïp norepinephrine töø dopamine (3,4- dihydro-phenylethylamine). Quaù trình xaûy ra nhö sau: Sô ñoà phaûn öùng cho thaáy oxy ñöôïc hoaït hoùa bôûi phöùc heä enzyme-Cu+ ñeå sau ñoù moät nguyeân töû oxy ñöôïc chuyeån cho dopamine ñeå taïo ra saûn phaåm, coøn nguyeân töû oxy thöù hai bò khöû thaønh nöôùc. Ñeå khöû phöùc heä enzyme-Cu2+ khoâng hoaït ñoäng thaønh daïng enzyme-Cu+ hoaït ñoäng, caàn coù söï tham gia cuûa acid ascorbic: Cofactor cuûa monooxygenase raát ña daïng. Ví duï, vi khuaån coù nhieàu loaïi enzyme flavin maø hoaït ñoäng cuûa chuùng caàn NAD.H hoaëc NADP.H laøm chaát khöû; Moät nhoùm nhoû monooxygenase ñoäng vaät söû duïng tetrahydrobiopterin laøm cofactor ñeå xuùc taùc phaûn öùng chuyeån hoùa phenylalanine thaønh tyrosine. Moät kieåu monooxygenase khaùc söû duïng α-cetoglutarate laøm cô chaát vaø xuùc taùc caùc phaûn öùng coù daïng toång quaùt nhö sau: A + O2 + α-Cetoglutarate ⎯→ A-OH + Succinate + CO2 Loaïi monooxygenase naøy söû duïng saét laøm cofactor vaø xuùc taùc caùc quaù trình toång hôïp 5-hydroxylysine, 3- vaø 4-hydroxyproline vaø carnitine. Chuùng cuõng caàn acid ascorbic ñeå khöû phöùc heä enzyme-Fe3+ khoâng hoaït ñoäng thaønh daïng enzyme- Fe2+ hoaït ñoäng. Dioxygenase cuõng söû duïng moät soá nhoùm chöùc naêng laøm cofactor. Ví duï, tryptophan-2,3-dioxygenase söû duïng nhoùm heme ñeå phaù vôõ voøng indol cuûa tryptophan 5. Hydroxylase chöùa molybden. Thuoäc nhoùm naøy coù 3 enzyme ñoäng vaät laø sulfite oxydase, xanthine oxydase vaø aldehyde oxydase. Tính chaát ñaëc bieät cuûa chuùng laø söû duïng molybden cuøng vôùi caùc cofactor khaùc. Chuùng khoâng hoaøn toaøn laø oxydase nhö teân goïi, nhöng xuùc taùc caùc phaûn öùng coù daïng toång quaùt sau ñaây: + - A + H2O ––––→ A-OH + H + 2e Caùc ñieän töû baét nguoàn töø phaûn öùng oxy-hoùa cô chaát ñöôïc chuyeån cho caùc chaát nhaän khaùc nhau, nhö O2, NAD vaø cytochrome c, phuï thuoäc vaøo tính ñaëc hieäu vaø söï ñònh vò cuûa enzyme trong teá baøo. Sulfite saûn sinh trong quaù trình dò hoùa caùc aminoacid chöùa löu huyønh vaø ñöôïc sulfite oxydase cuûa ty theå bieán thaønh sulfate, daïng löu huyønh chuû yeáu cuûa nöôùc tieåu, trong phaûn öùng sau ñaây: 2- 3+ 2- + 2+ SO3 + H2O + 2 Cytochrome c-Fe → SO4 + 2H + 2 Cytochrome c-Fe GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc
29. Trao ñoåi chaát vaø naêng löôïng - 30 - Sulfite oxydase cuûa gan chuoät (MW=120.000) ñöôïc caáu taïo töø hai phaàn döôùi ñôn vò gioáng nhau, moãi phaàn döôùi ñôn vò chöùa heme lieân keát khoâng ñoàng hoùa trò vaø molybdopterin vôùi caáu truùc nhö sau: Molybdopterin Thieáu sulfite oxydase seõ laøm chaäm söï phaùt trieån trí tueä vaø laøm naåy sinh nhieàu vaán ñeà lieân quan vôùi hoaït ñoäng cuûa heä thaàn kinh. Xanthine vaø aldehyde oxydase, coù maët trong gan vaø moät soá moâ khaùc, cuõng chöùa molybden, nhöng ngoaøi ra coøn chöùa caùc cofactor flavin vaø caùc trung taâm chöùa saét vaø löu huøynh. Caùc enzyme töï nhieân coù kích thöôùc nhö nhau vaø ñöôïc caáu taïo töø hai phaàn döôùi ñôn vò gioáng nhau; moãi phaàn döôùi ñôn vò chöùa moät FAD vaø moät phaân töû molybdopterin lieân keát khoâng ñoàng hoùa trò vôùi caùc trung taâm Fe2S2. Hôn nöõa, caû hai ñeàu xuùc taùc caùc phaûn öùng raát gioáng nhau vôùi daïng toång quaùt sau ñaây: AH + H2O + X ––––→ AOH + XH2 AH laø cô chaát khöû, cung caáp moät caëp ñieän töû cho enzyme. Nhöõng ñieän töû naøy + sau ñoù ñöôïc tieáp nhaän bôûi X, töùc cô chaát thöù hai (coù theå laø NAD hoaëc O2). Nhö vaäy, enzyme theå hieän hoaït tính cuûa caû dehydrogenase vaø oxydase. AH coù theå laø cuøng moät cô chaát, ví duï caùc purine vaø pyrimidine, maëc duø toác ñoä söû duïng coù theå khaùc nhau ôû hai enzyme. Hai enzyme naøy coù theå phaân bieät nhau ôû choã xanthine chæ laø cô chaát cuûa xanthine oxydase maø khoâng theå laø cô chaát cuûa aldehyde oxydase, vaø 6-methylpurine chæ laø cô chaát cuûa aldehyde oxydase chöù khoâng theå laø cô chaát cuûa xanthine oxydase. Xanthine oxydase oxy-hoùa xanthine thaønh acid uric, coøn aldehyde oxydase oxy-hoùa 6-methylpurine thaønh 6-methylhypoxanthine. GS.TS. Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc