http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 31 - CHƯƠNG 4. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH HÔ HẤP. Glucid là những thành phần cấu tạo đầu tiên của tế bào được tạo ra bởi các cơ thể quang hợp từ CO 2 và H 2 O nhờ năng lượng ánh sáng. Quá trình trao đổi glucid xảy ra sau đó trong những cơ thể này dẫn đến sự hình thành hàng loạt các hợp chất hữu cơ khác nhau mà rất nhiều trong số chúng được cơ thể động vật dùng làm thức ăn. Động vật tiếp nhận một số lượng lớn glucid để dùng làm chất dinh dưỡng dự trữ, hoặc oxy-hóa và thu nhận năng lượng ở dạng ATP, hoặc chuyển hóa thành lipid với mục đích tích lũy được nhiều năng lượng hơn, hoặc tổng hợp hàng loạt các thành phần cấu tạo của tế bào. Chỉ có một phần nhỏ glucid thực vật là có ích cho dinh dưỡng của con người, bởi vì trong bộ máy tiêu hóa của con người không có những enzyme cần thiết để phân hủy cellulose và một số polyssaccharide thực vật thành monosaccharide. Những glucid chủ yếu có giá trò dinh dưỡng đối với con người là tinh bột, glycogen, các disaccharide như saccharose, lactose và maltose. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét bằng cách nào các loại đường, mà chủ yếu là glucose, được hấp thụ, vận chuyển vào tế bào và sau đó được sử dụng để sản sinh năng lượng và tạo ra hàng loạt các hợp chất hữu cơ cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của cơ thể sống. I. SỰ TIẾP NHẬN VÀ HÌNH THÀNH GLUCOSE TRONG TẾ BÀO. Bước đầu tiên của trao đổi glucose là biến nó thành glucoso-6-phosphate sau khi nó đi vào tế bào. Glucoso-6-phosphate là một ngã tư quan trọng của trao đổi glucose vì nó tham gia vào một số con đường trao đổi tiếp theo: 1/ tổng hợp và phân hủy glycogen, 2/ sản sinh lactate và ATP (glycolys), 3/ gluconeogenes, và 4/ tổng hợp pentose và các hexose khác. Thủy phân glucoso-6-phosphate thành glucose và Pi cũng là một hướng chuyển hóa của glucoso-6-phosphate xảy ra trong gan, thận và đường ruột và là biện pháp chủ yếu để duy trì hàm lượng bình thường của glucose trong máu. Vì vậy, trước hết cần phải xem xét cơ chế vận chuyển glucose vào tế bào, các enzyme xúc tác các quá trình hình thành và thủy phân glucoso-6-phosphate và các cơ chế điều hòa các quá trình này. 1. Sự thâm nhập của glucose vào tế bào. trong khi đó nồng độ glucose trong máu là vào khoảng 5mM, tức khoảng 90mg trong một dl máu. Vì vậy sự thâm nhập glucose vào tế bào xảy ra theo chiều gradient nồng độ. Tuy nhiên nó không xảy ra bằng cách khuếch tán đơn giản và thụ động mà cần có một hệ thống vận chuyển đặc hiệu. Có hai kiểu hệ thống vận chuyển chủ yếu được ghi nhận: phụ thuộc và không phụ thuộc insulin. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 32 - Các hệ thống vận chuyển không phụ thuộc insulin được tìm thấy trong tế bào gan (hepatocyte), tế bào hồng cầu (erythrocyte) và não. Trong hepatocyte tốc độ tiếp nhận D-glucose bò ức chế bởi florizin, một glycoside của một độc tố polyphenol thực vật, và cytochalasin B. Galactose và fructose cũng được tiếp nhận bởi hệ thống này với tốc độ thấp hơn so với glucose. Sự tiếp nhận glucose trong erythrocyte cũng bò phlorizin ức chế nhưng không có quan hệ với lisulin. Người ta cho rằng chất vận chuyển glucose trong erythrocyte là một protein (MW=200.000) cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vò có kích thước như nhau. Cơ chế vận chuyển hexose trong hepatocyte cũng rất giống với cơ chế trong erythrocyte. Các hệ thống vận chuyển phụ thuộc insulin: Tế bào cơ và tế bào tạo mỡ (adipocyte) có các hệ thống vận chuyển glucose phụ thuộc insulin. Các nghiên cứu với adipocyte cho thấy insulin làm tăng V max nhưng không làm thay đổi hằng số cân bằng của phản ứng vận chuyển glucose. Hơn nữa, nếu gắn insulin với receptor của glucose trên màng tế bào chất, quá trình vận chuyển glucose sẽ bò ảnh hưởng theo hai cách khác nhau: 1/ chuyển các protein vận chuyển glucose từ màng microsome nội bào đến màng tế bào chất và bằng cách đó làm tăng số lượng protein vận chuyển glucose trên màng tế bào chất; và 2/ sau khi di chuyển, hoạt tính của protein vận chuyển tăng lên khoảng hai lần so với trường hợp không xử lý insulin. Tế bào vi khuẩn cũng có một số hệ thống vận chuyển glucose thuộc cả hai loại: cần cung cấp năng lượng và không cần cung cấp năng lượng. Loại hệ thống cần cung cấp năng lượng được tìm thấy trong Escherichia coli, Salmonella typhimurium và Staphylococcus aureus, và sử dụng phosphoenolpyruvate làm nguồn năng lượng với sự tham gia của ba loại protein khác nhau. Ở bước thứ nhất của quá trình này do enzyme I xúc tác phospho-enolpyruvate phản ứng với một protein trong bào tương (MW=9.400) có tên là HPr để tạo ra phospho-HPr: Enzyme I Phosphoenolpyruvate + HPr ––––––––> Pyruvate + P ~ HPr Mg 2+ Để được vận chuyển, glucose phản ứng với P ~ HPr, tạo ra glucoso-6- phosphate với sự xúc tác của enzyme II: P ~ HPr + Glucose –––––––––> glucoso-6-phosphate + HPr Bằng cách này glucose ngoại bào trở thành glucoso-6-phosphate nội bào. 2. Phosphoryl-hóa glucose. Hexokinase và glucokinase. Mọi tế bào cần trao đổi glucose đều chứa các enzyme kinase để xúc tác phản ứng phosphoryl hóa glucose thành glucoso-6-phosphate với sự tham gia của ATP. Có hai loại kinase tham gia trong quá trình này là hexokinase và glucokinase. Cả hai cùng xúc tác một phản ứng nhưng có các tính chất phân tử và động học khác GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 33 - nhau. Phức hệ Mg 2+ -ATP được sử dụng như một cơ chất và phản ứng không có tính thuận ngòch, với ∆G o ' = -5Kcal/mol, do mức năng lượng của glucoso-6-phosphate thấp hơn và trạng thái của phức hệ Mg 2+ -ADP ổn đònh hơn so với phức hệ Mg 2+ - ATP. Hexokinase được tìm thấy trong tất cả các mô và tồn tại ở 3 dạng isoenzyme I, II và III. Trong não chủ yếu chứa dạng I, còn trong cơ vân chủ yếu chứa dạng II, nhưng trong tất cả các mô, trừ gan, đều có mặt cả 3 dạng với số lượng khác nhau. Tính chất động học của 3 dạng rất giống nhau, có gía trò Km thấp đối với glucose (từ 8 đến 30 micromol). Mỗi dạng đều có thể sử dụng các monosaccharide khác làm cơ chất để tạo ra các 6-phosphate tương ứng. Glucoso-6- phosphate là chất ức chế đối với cả 3 dạng và tác dụng ức chế thể hiện khi chất này gắn với một trung tâm không phải là trung tâm hoạt động. Dạng hexokinase II chủ yếu có mặt trong bào tương, trong khi dạng I vừa nằm trong bào tương vừa gắn với ty thể. Khác với các dạng hexokinase của động vật có vú chỉ chứa một phần dưới đơn vò với MW-100.000, hexokinase nấm men chứa hai phần dưới đơn vò giống nhau (MW=50.000), và hoạt tính của nó không chòu ảnh hưởng của glucoso-6- phosphate. Glucokinase, thường được gọi là hexokinase IV, là một protein monomer (MW=48.000), hầu như chỉ có mặt trong gan. Chỉ có glucose và mannose là cơ chất tự nhiên của nó và giá trò K m tương ứng đối với hai cơ chất này là 12 và 33 mM. Cùng với gía trò K m khá cao đối với glucose, glucokinase còn khác hexokinase ở chỗ hoạt tính của nó không bò glucoso-6-phosphate ức chế. Các tính chất này thể hiện qua sự khác nhau giữa vận chuyển glucose vào gan và vào các mô khác. Mặc dù quá trình trao đổi bình thường của glucose trong gan chòu ảnh hưởng của insulin, gan không đòi hỏi insulin để tiếp nhận glucose. Tế bào gan dễ dàng cho phép glucose di chuyển ra vào. Hơn nữa, khác với các mô như cơ và mô mỡ, trong đó sự tiếp nhận glucose phụ thuộc insulin, glucose chỉ được gan tiếp nhận trong điều kiện đường huyết cao. Như vậy, glucokinase có vai trò như một cái bẫy đối với lượng glucose-huyết dư thừa trong gan, không chòu sự chi phối của nồng độ glucoso-6- phosphate, và bằng cách đó cho phép tích lũy glucose ở dạng glycogen hoặc acid béo sau khi nó được tiếp tục chuyển hóa. Rõ ràng là tính chất của enzyme hoàn toàn thích nghi với vai trò của nó trong trao đổi chất tế bào. Hàm lượng glucokinase trong gan phụ thuộc tuổi, chế độ ăn uống và trạng thái hormone của cơ thể động vật. Trong gan của bào thai chỉ chứa hexokinase; hàm lượng của nó giảm xuống sau khi sinh cùng với sự xuất hiện glucokinase. Điều này có thể liên quan với đời sống của bào thai mà trong đó glucose được cung cấp qua nhau. Hàm lượng glucokinase cũng rất phụ thuộc vào việc sử dụng glucid trong chế độ ăn uống: cung cấp glucose cho động vật là một yếu tố kích thích tổng hợp glucokinase. Nguyên nhân của bệnh tiểu đường cũng có thể là do insulin ảnh hưởng đến việc tổng hợp protein enzyme. Một số hormone khác cũng có tác dụng điều hòa mức độ glucokinase: epinephrine và glucagon ức chế sự khôi phục glucokinase trong các động vật nhòn đói sau khi phục hồi cung cấp glucose, trong khi đó các hormone corticoid của tuyến vỏ thượng thận giúp nhanh chóng khôi phục việc tổng hợp glucokinase của gan khi tiếp tục cung cấp thức ăn. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 34 - 3. Dephosphryl-hóa glucose. Glucoso-6-phosphatase. Glucoso-6-phosphate có tác dụng góp phần duy trì nồng độ glucose trong máu khi nó bò thủy phân thành glucose và phosphate vô cơ. Enzyme glucoso-6- phosphatase : xúc tác phản ứng Mg 2+ Glucoso-6-phosphate + H 2 O ––––––> Glucose + Pi được tìm thấy trong gan, thận và đường ruột, tức ba cơ quan có vai trò trong việc cung cấp bổ sung glucose cho máu. Glucoso-6-phosphatase là một enzyme liên kết với màng của mạng nội chất nhám và là một hệ thống gồm 4 thành phần, như mô tả trong hình 10. Hệ thống này bao gồm: 1/ glucoso-6-phosphate translocase, ký hiệu là T 1 , có nhiệm vụ vận chuyển glucose từ bào tương vào khoang của mạng nội chất; 2/ phosphatase, nằm về phía khoang của mạng nội chất, làm nhiệm vụ thủy phân glucoso-6-phosphate; 3/ một loại phosphate translocase vô cơ, ký hiệu là T 2 , giúp vận chuyển Pi từ mạng nội chất ra bào tương và 4/ glucose translocase, ký hiệu là T 3 , giúp glucose di chuyển từ khoang của mạng nội chất ra phía bào tương một cách dễ dàng. Trong chuỗi phản ứng có sự tham gia của carbamoyl-phosphate (CP). Hình10. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống glucoso-6-phosphatase II. GLYCOLYS. Nghiên cứu quá trình dò hóa trong tế bào, theo truyền thống, thường được bắt đầu bằng việc tìm hiểu các quá trình lên men, hay hô hấp trong điều kiện kỵ khí, mà cơ sở của nó là quá trình glycolys , trong đó bao gồm một trật tự các phản ứng phân giải glucose thành acid pyruvic. Truyền thống này có ba lý do: Thứ nhất là cơ thể sống có lẻ xuất hiện trên Trái đất vào lúc mà bầu khí quyển không có oxy, nên hô hấp kỵ khí được xem là dạng đơn giản nhất của cơ chế sinh học cho phép thu nhận năng lượng từ các chất dinh dưỡng. Thứ hai là đa số những cơ thể hiếu khí tồn tại ngày nay đều còn giữ được khả năng tích lũy năng lượng lấy từ glucose bằng phương pháp đơn giản này với tư cách là giai đoạn chuẩn bò để oxy-hóa tiếp tục các sản phẩm hình thành trong giai đoạn này trong điều kiện có oxy. Thứ ba là các giai đoạn phản ứng enzyme của quá trình phân hủy glucose trong điều kiện kỵ khí và cơ chế tích lũy năng lượng trong quá trình này đã được hiểu biết khá chi tiết. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 35 - Với những lý do đó glycolys có thể là một mô hình quan trọng để nghiên cứu các quá trình phức tạp hơn. 1. Glycolys là cơ sở của các quá trình lên men. Tất cả các cơ thể dò dưỡng đều thu nhận năng lượng từ các phản ứng oxy-hóa khử. Trong quá trình lên men (hô hấp kỵ khí) vai trò của chất nhận điện tử cuối cùng được thực hiện bởi một phân tử hữu cơ nào đó hình thành trong quá trình lên men. Như vậy, lên men là một quá trình oxy-hóa khử nội bộ. Mức độ oxy-hóa tổng quát của sản phẩm oxy-hóa trong quá trình này không khác với mức độ oxy-hóa của các chất bò lên men. Trong số nhiều kiểu lên men mà cơ chất là glucose, quan trọng nhất là hai kiểu lên men có quan hệ chặt chẽ với nhau sau đây: - Lên men lactic dẫn đến sự hình thành hai phân tử acid lactic từ một phân tử glucose. Kiểu lên men này đặc trưng cho nhiều vi sinh vật và tế bào của động vật bậc cao, kể cả động vật có vú. - Lên men rượu dẫn đến sự hình thành hai phân tử ethanol và hai phân tử CO 2 từ một phân tử glucose. Cả hai kiểu lên men này đều xảy ra với sự xúc tác của hệ enzyme glycolys. Sự khác nhau giữa chúng chỉ thể hiện ở giai đoạn cuối cùng, sau khi hình thành acid pyruvic. Trong lên men lactic acid pyruvic bò khử thành acid lactic, còn trong lên men rượu phản ứng này được thay bằng hai phản ứng khác để dẫn đến sự hình thành ethanol và CO 2 . Mặc dù trong cả hai quá trình lên men này đều không có sự tham gia của oxy phân tử, song trong chúng đều xảy ra các phản ứng oxy-hóa khử. Chính vì vậy mà trong hai sản phẩm của quá trình lên men rượu CO 2 là chất có mức độ oxy-hóa cao hơn, còn ethanol - có mức độ khử cao hơn; hoặc trong acid pyruvic - sản phẩm cuối cùng duy nhất của quá trình lên men lactic, một đầu mức độ khử cao, còn đầu kia có mức độ oxy-hóa cao. Trong khi đó ở hợp chất ban đầu (glucose) các nguyên tử hydro được phân bố đều đặn hơn. Đặc điểm quan trọng thứ hai của hai quá trình lên men này, hay nói chung, của glycolys là chúng kèm theo tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ. Nếu không có các phản ứng phosphoryl-hóa ADP đồng thời này thì glycolys và lên men nói chung không thể xảy ra. Phương trình tổng quát của lên men lactic và lên men rượu có thể viết dưới dạng sau: - Lên men lactic: C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 Pi –––> 2 CH 3 -CHOH-COOH + 2 ATP + 2H 2 O - Lên men rượu: C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 Pi ––––> 2 CH 3 -CH 2 OH + 2 CO 2 + 2 ATP + 2H 2 O Để phân tích sự biến thiên năng lượng của glycolys, ta tách quá trình tổng quát trên đây thành hai bộ phận: chuyển hóa glucose thành acid lactic (quá trình giải phóng năng lượng) và tổng hợp ATP từ ADP và Pi (quá trình hấp thu năng lượng): Glucose ––––> 2 Lactate, ∆G o '1 = -47,0 Kcal/mol GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 36 - 2 ADP + 2 Pi ––––> 2 ATP ∆G o '2 = 2 x 7,3 = 14,6 Kcal/mol. Từ đó biến thiên năng lượng tự do tổng số của glycolys là ∆G o ' S = ∆G o '1 + ∆G o '2 = -47,0 + 14,6 = -32,4 Kcal/mol Từ các số liệu này có thể thấy rằng sự phân giải glucose thành acid lactic kèm theo giải phóng một số năng lượng thừa để phosphoryl-hóa ADP thành ATP. Có thể tính được một cách dễ dàng rằng trong hai phân tử ATP này tích lũy được 14,6 x 100/47,0 = 31% năng lượng tự do giải phóng khi phân giải glucose thành acid lactic. Con số này thu được với nồng độ 1,0M. Nếu lưu ý đến nồng độ thực của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng trong tế bào, thì hiệu suất của glycolys còn có thể lớn hơn. Nếu trừ đi số năng lượng đã tích lũy trong hai phân tử ATP, năng lượng tự do của glycolys vẫn còn giảm 32,4 Kcal. Điều này cho thấy tại sao trên thực tế là quá trình không thuận nghòch, mà trạng thái cân bằng lệch hẵn về phía hình thành acid lactic. Tuy nhiên, đa số giai đoạn của quá trình này đều có giá trò biến thiên năng lượng tự do không lớn, và do đó chúng là những phản ứng thuận nghòch. Chiều ngược của những phản ứng này được tế bào sử dụng trong việc tổng hợp lại glucose từ acid lactic. 2. Các phản ứng của glycolys. Tập hợp các phản ứng kế tiếp nhau của glycolys được xem là giai đoạn đầu tiên trong số 5 giai đoạn của quá trình hô hấp hiếu khí. Toàn bộ quá trình glycolys xảy ra trong bào tương và có thể chia làm hai giai đoạn như mô tả trong hình 11. Ở giai đoạn 1 glucose được phosphoryl-hóavà sau đó bò phân giải thành hai phân tử glyceraldehyde-3-phosphate. Ở giai đoạn 2 glyceraldehyde-3-phosphate chuyển hóa thành acid pyruvic. Nếu quá trình xảy ra trong điều kiện kỵ khí thì, như ta đã biết, acid pyruvic tiếp tục chuyển hóa thành acid lactic hoặc ethanol. Giai đoạn thứ nhất được xem như giai đoạn chuẩn bò. Ở giai đoạn này mọi hexose đều được lôi cuốn vào quá trình glycolys bằng cách được phosphoryl-hóa nhờ ATP để sau đó tạo ra sản phẩm chung là glyceraldehyde-3-phosphate. Giai đoạn thứ hai bao gồm các phản ứng oxy-hóa - khử và cơ chế tích lũy năng lượng, trong đó ADP được phosphoryl-hóa thành ATP. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 37 - Toàn bộ quá trình glycolys bao gồm ba kiểu phản ứng hóa học mà các con đường của chúng liên quan mật thiết với nhau: Glucose Glycogen, tinh bột ATP Pvc Glucoso-1-phosphate ADP Tích lũy các dạng Glucoso-6-phosphate đường đơn giản và chuyển hóa chu Fructoso-6-phosphate thànhvglycer- aldehyde ATP 3-phosphate ADP Fructoso-1,6-diphosphate 2 (Glyceraldehyde-3-phosphate) 2 NAD + Pvc 2 (1,3-Diphosphoglycerate) 2 ADP 2 NAD.H 2ATP 2 (3-Phosphoglycerate) Oxyhóa khử và tồng hợp ATP; 2 (2-Phosphoglycerate) Hình thành acid lactic 2 (Phosphoenolpyruvate) 2 ADP 2 ATP 2 (Pyruvate) 2NAD + 2(Lactate) Hình 11: Sơ đồ tổng quát của quá trình glycolys * Các phản ứng của giai đoạn I. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 38 - 1/ Phản ứng phân giải bộ khung carbon của glucose thành acid pyruvic (con đường của các nguyên tử carbon); 2/ Phản ứng mà trong đó phosphate vô cơ trở thành nhóm phosphate tận cùng của phân tử ATP (con đường của các nhóm phosphate); 3/ Phản ứng oxy-hóa - khử (con đường vận chuyển điện tử). * Các phản ứng của giai đoạn I. 1/ Phosphoryl-hóa D-glucose. Mg 2+ α-D-Glucose + ATP ––––> α -D-Glucoso-6-phosphate + ADP ∆G o ' = -4Kcal/mol Phản ứng này được xem như phản ứng khởi động của glycolys, trong đó phân tử glucose kém hoạt động nhận gốc phosphate tận cùng của ATP và phân bố lại điện tử trong các liên kết, nhờ đó được hoạt hóa ở dạng glucoso-6-phosphate để có thể tham gia vào các chuyển hóa tiếp theo. Trong số 7,3Kcal do ATP cung cấp, 4,0 Kcal được giải phóng ở dạng nhiệt, còn 3,3Kcal được tích lũy ở dạng hóa năng trong phân tử glucoso-6-phosphate hoạt động. Xúc tác phản ứng là các enzyme hexokinase và glucokinase mà chúng ta đã được làm quen trong mục trước. Do năng lượng tự do giảm đáng kể, nên phản ứng chỉ xảy ra theo chiều thuận. Quá trình ngược lại được xúc tác bởi một enzyme khác - α-D-glucoso-6-phosphatase: α-D-Glucoso-6-phosphate + H 2 O ––> α-D-Glucose + P i ∆G o ' = -3,3 Kcal/mol. 2/ Chuyển hóa glucoso-6-phosphate thành fructoso-6-phosphate. α-D-Glucoso-6-(P) –––> β-D-Fructoso-6-(P) ∆G o ' = + 0,4Kcal/mol Phản ứng đồng phân hóa này được thực hiện nhờ enzyme phosphoguco- isomerase. Nó dễ dàng xảy ra theo cả hai chiều. Trong glycolys mặc dù phản ứng thuận có ∆G o ' > 0 song vẫn xảy ra được là nhờ giá trò âm của phản ứng trước đó. Biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn của cả hai phản ứng (1) và (2) gộp lại vẫn còn giá trò âm (-3,6Kcal/mol). 3/ Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate thành fructoso-1,6-diphosphate. Mg 2+ β-D-Fructoso-6-(P) + ATP –––> β-D-Fructoso-1,6-di(P) + ADP ∆G o ' = -3,4Kcal/mol Phản ứng này được xem là phản ứng khởi động thứ hai, trong đó sử dụng thêm một phân tử ATP để phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate ở vò trí C-1. Trong số 7,3Kcal của ATP 3,9Kcal được tích lũy lại, còn 3,4Kcal được giải phóng. Nếu cộng ∆G o ' của cả 3 phản ứng, ta có giá trò -7,0Kcal, tức K'eq của cả 3 phản ứng > 10 5 . Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate là giai đoạn rất quan trọng, vì sự điều hòa quá trình glycolys được thực hiện thông qua điều hòa hoạt tính của enzyme phospho-fructokinase xúc tác phản ứng này. Hoạt tính của nó bò ức chế bởi ATP và citrate (ở nồng độ cao) và được kích thích bởi ADP và AMP. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 39 - Giá trò âm cao của ∆G o ' cho thấy phản ứng trong tế bào không thể xảy ra theo chiều ngược. Phản ứng ngược được xúc tác bởi một enzyme khác. Đó là diphospho- fructosophosphatase: Fructoso-1,6-di(P) + H 2 O ––> Fructoso-6-(P) + Pi 4/ Phản ứng phân giải fructoso-1,6-diphosphate thành glyceraldehyde-3- phosphate và dioxyacetonephosphate: D-Fructoso-1,6-di(P) ––> Dioxyacetone-(P) + Glyceraldehyde-3-(P) ∆G o ' = +5,73Kcal/mol Phản ứng được xúc tác bởi enzyme aldolase. Do ∆G o ' có giá trò dương khá cao nên rất khó hình dung rằng phản ứng có thể xảy ra theo chiều thuận. Tuy nhiên, nhờ tổng biến thiên năng lượng tự do của 3 phản ứng trước đó có giá trò âm khá cao (-7,0Kcal/mol), cũng như nhờ sức kéo nhiệt động học của các phản ứng sau nó nên phản ứng xảy ra một cách dễ dàng. 5/ Phản ứng chuyển hóa tương hỗ giữa các dạng triosophosphate: Dioxyacetonephosphate ––> Glyceraldehyde-3-phosphate ∆G o ' = +1,83 Kcal/mol Phản ứng do enzyme triosophosphate isomerase xúc tác. Nó cần thiết cho glycolys vì trong hai loại triosophosphate xuất hiện khi phân giải fructoso-1,6- diphosphate chỉ có D-glyceraldehyde-3-phosphate có thể chuyển hóa tiếp tục. Phản ứng này kết thúc giai đoạn I của glycolys. ∆G o ' của hai phản ứng sau cùng cộng lại có giá trò khoảng +7,5Kcal/mol. Nếu cộng ∆G o ' của cả 5 phản ứng của giai đoạn chuẩn bò trên đây, ta có giá trò +0,5Kcal/mol. Để glycolys có thể tiếp tục xảy ra, các phản ứng kế tiếp phải là những phản ứng giải phóng nhiều năng lượng tự do để tạo ra một sức kéo nhiệt động học. * Các phản ứng của giai đoạn II. 6/ Phản ứng oxy-hóa glyceraldehyde-3-phosphate thành acid 1,3- diphosphoglyceric. Đây là một trong những giai đoạn quan trọng nhất của glycolys, vì năng lượng giải phóng khi oxy-hóa aldehyde 3-phosphoglyceric được giữ lại ở dạng sản phẩm cao năng 1,3-diphosphoglycerate. Việc phát hiện cơ chế này do Warburg thực hiện trong những năm 1937-1938 được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của sinh học hiện đại. Lần đầu tiên trong lòch sử sinh hóa đã phát hiện được cơ chế của các phản ứng enzyme cho phép năng lượng giải phóng trong phản ứng oxy hóa các phân tử hữu cơ có thể được tích lũy lại trong các phân tử ATP. Toàn bộ quá trình này được xúc tác bởi enzyme glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase. Đây là một enzyme có cấu trúc phức tạp. Enzyme thu nhận được từ nấm men có trọng lượng phân tử 140.000 và được cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vò giống nhau, mỗi phần dưới đơn vò là một chuỗi polypeptide chứa khoảng 330 gốc aminoacid. Phương trình tổng quát của phản ứng có thể viết dưới dạng sau đây: 2 -Glyceraldehyde-3-phosphate + 2NAD + + 2Pi ––> ––> 2(1,3-diphosphoglycerate) + 2NAD.H + 2H + ∆G o ' = 2 x 1,5Kcal/mol + 3,0 Kcal. Trong phản ứng này chức aldehyde của glyceraldehyde-3-phosphate bò oxy-hóa thành chức carboxyl. Tuy nhiên, thay cho acid 3-phosphoglyceric đã hình thành acid 1,3-diphosphoglyceric, mà như ta đã biết, có giá trò âm của ∆G o ' còn cao GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 40 - hơn cả ATP. Phản ứng có giá trò dương của ∆G o ' không lớn lắm nên có thể xảy ra theo cả hai chiều, tùy thuộc vào nồng độ của các chất ban đầu và sản phẩm của phản ứng. Trong khi phần lớn các phản ứng oxy-hóa là những phản ứng giải phóng năng lượng thì phản ứng này lại có ∆G o ' > 0. Để hiểu được sự diễn biến năng lượng của nó, cần phải tách nó thành hai quá trình riêng biệt. Ký hiệu glyceraldehyde-3- phosphate là R-CHO, còn acid 1,3-diphosphoglyceric là R-COOPO 3 2- , hai quá trình riêng biệt này có thể được viết ở dạng như sau: 1/ R-CHO + H 2 O + NAD + ––> R-COO - + NAD.H + H + ∆G o ' = -10,3Kcal/mol; 2/ RCOO - + Pi –––––––––––> RCOOPO 3 2- + H 2 O ∆G o ' = +11,8Kcal/mol. GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học [...]... ứng của chu trình acid tricarboxylic Các phản ứng của chu trình acid tricarboxylic được xem là giai đoạn thứ ba của hô hấp hiếu khí Các phản ứng của chu trình này được mô tả trong hình 15 Chu trình acid tricarboxylic là đoạn đường chung của các quá trình dò hóa oxy-hóa của tất cả các loại "chất đốt" tế bào trong điều kiện hiếu khí Trong chu trình này các nhóm acetyl bò phân giải để giải phóng CO2 và... phản ứng của chuỗi hô hấp đều đònh vò trong cơ chất của ty thể Một số enzyme của chu trình acid tricarboxylic cũng được phát hiện trong bào tương (aconitase, fumarase, malate dehydrogenase) Tuy nhiên, những enzyme này tác dụng lên các con đường trao đổi chất khác Hình 15 Chu trình citrate (Chu trình acid tricarboxylic, GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng... chuỗi hô hấp mà ta sẽ xét tới sau đây: Phương trình tổng quát của chu trình tricarboxylic có thể viết dưới dạng sau CH3 - COOH + 2H2O –––> 2CO2 + 8H Từ phương trình này ta thấy tất cả oxy phân tử, phosphate vô cơ và ATP đều không tham gia trực tiếp vào chu trình Chức năng chủ yếu của chu trình là dehydrogen-hóa acid acetic để cuối cùng tạo ra hai phân tử CO2 và 4 cặp hydro Tất cả enzyme của chu trình. .. đoạn này của hô hấp tạo ra bốn phân tử CO2, hai phân tử ATP và 16 nguyên tử hydro Nhờ 16 nguyên tử hydro này mà sau hai vòng của chu trình sẽ hình thành 6 phân tử NAD.H và 2 phân tử FAD.H2 Ý nghóa của chu trình sẽ được thấy rõ khi xem xét các giai đoạn tiếp theo của hô hấp Tuy nhiên, ý nghóa của chu trình không chỉ hạn chế ở khía cạnh năng lượng Chu trình acid tricarboxylic liên quan không những với... chúng được đưa đến chất nhận cuối cùng qua một chuỗi chất vận chuyển trung gian đònh vò trên màng trong của ty thể, có tên gọi là chuỗi hô hấp Năng lượng giải phóng trong quá trình vận chuyển điện tử này sau đó được hệ enzyme ATP-ase cũng đònh vò trên màng trong của ty thể dùng để tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa Sự hiểu biết của con người hiện nay về phosphoryl hóa oxy hóa (và cả... lượng khử trong tế bào chất ở dạng NAD.H được chuyển vào ty thể ở dạng FAD.H2 Nhờ hoạt động của chuỗi hô hấp liên hợp với phức hệ FoF1 mà năng lượng tự do giải phóng từ một phân tử glucose trong quá trình glycolis có thể dẫn đến sự hình thành thêm 4 phân tử ATP, nâng tổng số ATP của giai đoạn này lên 6 phân tử Trong khi đó ở giai đoạn hiếu khí tiếp theo ngoài 2 ATP xuất hiện trực tiếp trong chu trình acid... acid pyruvic (đồng thời khôi phục phân tử NAD.H đã sử dụng) để tiếp tục bò oxy-hóa 1 Decarboxyl-hóa oxy-hóa acid pyruvic Giai đoạn thứ hai của quá trình hô hấp hiếu khí bao gồm các phản ứng decarboxyl-hóa oxy-hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA Phương trình tổng quát của các phản ứng này có dạng: Pyruvate + NAD+ + CoA-SH –––> Acetyl-S-CoA + NAD.H + H+ + CO2 ∆Go’= -8,0Kcal/mol Trong phản ứng này coenzyme... kênh xuyên màng cấu tạo từ protein cho phép phần lớn các phân tử vớ M < 5000 qua lại dễ dàng Trong khi đó màng trong không xuyên thấm đối với phần lớn các phân tử nhỏ và ion, kể cả ion H+ Trên màng này đònh vò các thành phần của chuỗi hô hấp và phức hệ enzyme làm nhiệm vụ tổng hợp ATP Trong thành phần của chuỗi hô hấp ngoài NAD và các flavoprotein còn có 3 nhóm vận chuyển điện tử khác Đó là benzoquione... ATP từ ADP và Pvc Như vậy, nhờ có sự hòa hợp giữa phức hệ FoF1 với chuỗi hô hấp mà năng lượng giải phóng trong các phản ứng oxy hóa NAD.H và FAD.H2 có thể được dùng để tổng hợp ATP Vì vậy kiểu tổng hợp ATP này được gọi là phosphoryl hóa oxy hóa trong chuỗi hô hấp GS.TS Mai Xuân Lương http://www.ebook.edu.vn Khoa Sinh học Trao đổi chất và năng lượng - 54 - Ngoài tác dụng làm nguồn năng lượng trực tiếp... hủy một phân tử glucose, bao gồm 2 NAD.H trong glycolis, 2 NAD.H trong phản ứng decarboxyl hóa oxy hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA và 6 NAD.H cùng 2 FAD.H2 trong chu trình acid tricarboxylic Trong điều kiện hiếu khí những hợp chất giàu năng lượng này sẽ chuyển điện tử của mình cho oxy không khí để khôi phục lại trạng thái oxy hóa NAD+ và FAD Tuy nhiên, oxy không trực tiếp nhận điện tử từ các coenzyme . http://www.ebook.edu.vn Trao đổi chất và năng lượng - 31 - CHƯƠNG 4. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ TRÌNH HÔ HẤP. Glucid là những thành phần cấu. tiên trong số 5 giai đoạn của quá trình hô hấp hiếu khí. Toàn bộ quá trình glycolys xảy ra trong bào tương và có thể chia làm hai giai đoạn như mô tả trong