Bài giảng môn Sinh học - Năng lượng sinh học

NĂNG LƯỢNG SINH HỌCGiáo viên giảng dạy:Võ Văn Toàn.Học viên thực hiện: Dương Thu Hạnh Nội dung: Cấu trúc ATP và các liên kết giàu năng lượng khác.Quá trình hình thành ATP. Vai trò của ATP trong trao đổi chất.NĂNG LƯỢNG SINH HỌC - Như chúng ta đã biết, sự trao đổi chất không thể tách rời sự trao đổi năng lượng, đó là hai mặt của một vấn đề nhằm đảm bảo mọi hoạt động sống của cơ thể (sinh trưởng, sinh sản, vận động,bài tiết,). - Chúng lấy năng lượng từ thức ăn, từ ánh sáng, và hoàn trả lại môi trường một năng lượng tương đương ở dạng nhiệt và vật chất. - Để thực hiện nhiều quá trình sống như quá trình tổng hợp các đại phân tử từ các chất đơn giản, vận chuyển tích cực qua màng, quá trình vận động,luôn đòi hỏi năng lượng tự do. Năng lượng đó nhận được từ ánh sáng, từ các quá trình oxi hóa các chất, sau đó được chuyển đến cho các quá trình khác. - Trong các hợp chất hữu cơ có hai loại liên kết: liên kết thường và liên kết cao năng (liên kết giàu năng lượng). - ATP là chất phổ biến giữ vai trò trung tâm trong trao đổi năng lượng, được xem là “đồng tiền năng lượng. - ATP chính là nguồn cung cấp năng lượng sinh học chủ yếu của mọi cơ thể sinh vật, là cầu nối giữa 2 quá trình đồng hoá và dị hoá. Năng lượng giải phóng khi ATP thuỷ phân thành ADP hoặc AMP và Pi hoặc PPi sẽ được sử dụng ngay cho các phản ứng hay các quá trình cần năng lượng.	*ATP(Adenosin triphosphate): là hợp chất giàu năng lượng tồn tạị trong cơ thể sống, là tiền tệ năng lượng của mọi tế bào, bởi vì ATP được dùng cho tất cả các quá trình cần năng lượng của sự sống. 1. Cấu trúc của ATP.Ngoài ATP còn có các nucleoside triphosphat khác có vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp các chất trong tế bào (UTP cần cho quá trình tổng hợp polysaccharide, XTP cần cho tổng hợp phospholipid, GTP cần cho tổng hợp protein,).Tuy nhiên các tetra và penta chưa được chứng minh về ý nghĩa sinh học của chúng một cách chắc chắn.* Sau đó, Marrion cũng đã phân lập được adenosin – 5’ – tetraphosphat và adenosin – 5’ – pentaphosphat là những dẫn xuất từ ATP.* Lohmanm là người đầu tiên đã phát hiện và phân lập được ATP cách đây hơn 50 năm.- Thành phần thứ 2: là Adenine. Adenine là một bazơ nitơ có chứa 2 nguyên tử N ở trong phân tử. Mỗi nguyên tử N trong vòng có chứa 1 cặp điện tử không phân chia nên có khả năng hút các proton.- Thành phần thứ nhất: là đường 5C gọi là riboza, được dùng làm bộ khung để gắn 2 thành phần khác vào.* Về cấu trúc: Mỗi phân tử ATP gồm 3 thành phần hay còn gọi là 3 dưới đơn vị. Hai liên kết đồng hóa trị nối 3 gốc phosphate này với nhau được gọi là liên kết cao năng và thường được ký hiệu bằng dấu ngã (squiggle accent) để phân biệt với các liên kết không giàu năng lượng khác.- Thành phần thứ 3: là nhóm 3 phosphate liên kết với nhau thành 1 chuỗi; liên kết giữa các gốc phosphate là liên kết kiểu anhydrid (Lohmanm) nằm thẳng hàng. Thường thì khi một liên kết bị phân cắt sẽ giải phóng ra 7 kcal /mol gần bằng 2 lần năng lượng hoạt hoá của một liên kết phản ứng bình thường trong tế bào. Do lực tĩnh điện giữa các gốc phosphat làm cho các liên kết cao năng khi bị thuỷ phân thì giải phóng ra nhiều năng lượng Như vậy: Liên kết phosphat cao năng có đặc điểm là mang nhiều năng lượng nhưng lại có năng lượng hoạt hoá thấp nên dễ dàng bị phá vỡ và giải phóng năng lượng (Lohmann cho rằng năng lượng khi thuỷ phân 2 liên kết cao năng trong phân tử ATP vào khoảng 8 –12 kcal /mol trong khi liên kết ester phosphat chỉ khoảng 1 – 3 kcal/mol) Ngoài ra khi đi sâu vào nghiên cứu còn cho thấy rằng: sở dĩ hàm lượng năng lượng của những liên kết phosphat cao năng trong ATP là do hai nguyên tử oxy của -và -phosphat tích điện dương lớn hơn là nguyên tử oxy của  - phosphat (theo B. và A. Pullmann). Trong một phản ứng chuyển giao năng lượng điển hình thì chỉ có một liên kết cao năng ngoài cùng bị phá vỡ và khi nhóm phosphat cuối bị tách ra thì ATP biến thành ADP (Adenosin – diphosphat) Chính kiến trúc điện tử của ATP đã thể hiện ATP không chỉ có vai trò trong quá trình vận chuyển phosphat và năng lượng, mà đồng thời chính sự phân phối điện tích khác nhau như vậy trong phân tử ATP đã tạo cho ATP có khả năng tham gia vào nhiều phản ứng trao đổi chất và trao đổi năng lượng khác nhau trong hệ thống sinh học.Kiến trúc điện tích trên phân tử ATP Như ta đã thấy ở trên, trong phân tử ATP có hai liên kết cao năng (hai liên kết phosphoanhydrid) và có khả năng tham gia vào các phản ứng chuyển nhóm. ATP có thể tham gia và các phản ứng khác nhau, chuyển năng lượng cho phân tử khác và nạp cho phân tử ấy năng lượng cần thiết để thực hiện các phản ứng tiếp theo. Tuỳ thuộc vào liên kết nào trong số các liên kết cao năng của ATP bị đứt mà phản ứng có thể xảy ra 4 khả năng sau:Chuyển nhóm phosphat cuối cùng tạo ra ADP. Chuyển hai nhóm phosphat cuối cùng tạo ra AMP. Chuyển AMP và thải ra pirophosphat. Chuyển adenozin và tạo pirophosphat từ hai nhóm phosphat cuối và phosphat vô cơ từ nhóm phosphat thứ ba của ATP.PPPHình: khả năng tham gia phản ứng của ATP (theo S.M. Rapoport-1969)- Phản ứng loại một thường xảy ra nhất. Nếu nhóm phosphat cuối cùng được chuyển tới nước thì phản ứng sẽ dẫn đến thuỷ phân nhóm phosphat cuối ấy. Quá trình chuyển nhóm phosphat tới nước là phản ứng phát nhiệt do đó thường được cặp đôi với phản ứng thu nhiệt. Nhóm phosphat cuối này có thể chuyển từ ATP sang nhóm hydroxyl , sang nhóm cacboxyl hoặc sang nhóm amid * Có thể hiểu: năng lượng tự do của ATP có thể được sử dụng để sinh tổng hợp ra các nucleosid và desoxynucleosidtriphosphat khác nhau -Phản ứng loại thứ ba xảy ra khi hoạt hoá các axit amin để chuẩn bị tổng hợp protein cũng như khi hoạt hoá các axit béo để chuẩn bị tham gia trao đổi chất. - Phản ứng loại hai rất ít gặp so với phản ứng loại một.2. Chức năng của ATP.	- ATP là hợp chất giàu năng lượng tồn tại trong cơ thể sống. Nếu so với những hợp chất cao năng khác, những hợp chất chứa năng lượng khác trong cơ thể sống thì ATP có mức dự trữ năng lượng cao hơn nhiều. Những nghiên cứu đầy đủ cho thấy rằng, ở pH=7 khi thuỷ phân liên kết photphat cuối cùng của ATP thì giải phóng ra 7,8 kcal/mol và khi thuỷ phân liên kết photphat ở giữa giải phóng ra 9,4 kcal/mol. 	Trong khi đó, hầu hết các phản ứng sinh hóa xảy ra trong cơ thể cần năng lượng hoạt hóa dưới 7,3 kcal/mol. 	Điều đó có nghĩa là ATP đáp ứng được nhu cầu năng lượng của hầu hết các phản ứng sinh hoá trong cơ thể. 	 	* Sở dĩ ATP mang năng lượng cao là nhờ vào sự phân phối điện tích khác nhau của các nguyên tử oxy trong phân tử ATP	Chính sự phân phối điện tích khác nhau đã tạo cho phân tử ATP có khả năng tham gia nhiều phản ứng trao đổi chất và trao đổi năng lượng khác nhau trong hệ thống sống. 	- Phản ứng của ATP có thể xảy ra 4 khả năng, trong đó một mặt là vận chuyển ortophotphat hay pyrophotphat, mặt khác là vận chuyển nhóm adenylic hoặc adenosin. - Điều này chứng tỏ ATP tác dụng lên đa số các phản ứng trao đổi chất. Đặc biệt ATP là chất mang photphat và năng lượng trong chuỗi hô hấp và đường phân. Nó có vai trò hoạt hoá axit amin, hoạt hóa axit béo, hoạt hóa các nucleotitđối với các quá trình tổng hợp và phân giải các chất này.	- ATP còn giữ vai trò là chất gây ra sự biến đổi năng lượng, ATP có thể chuyển năng lượng dạng tĩnh của các liên kết hóa học thành năng lượng dạng động, nghĩa là năng lượng kích thích các phân tử có thể phản ứng với nhau. Ví dụ: ATP tham gia vào quá trình hình thành các nhóm hoạt động khác nhau như acetyl hoạt động, sunfat hoạt động, mêthyl hoạt động.	- ATP còn có chức năng sinh học trực tiếp trong hiện tượng co cơ, tham gia trực tiếp vận chuyển ion, tham gia vào các quá trình hấp phụ khác nhau. Bởi ATP không chỉ là cơ chất để tổng hợp axit nuclêic mà còn là chất chế biến năng lượng cho các phản ứng kích thích tổng hợp và phân giải các chất. Mặt khác ATP là sản phẩm của photphoryl hóa trực tiếp của ADP, do đó nó có tính axit mạnh và có nhiều nhóm OH, vì vậy nó có thể đảm nhiệm chức năng phản ứng nhiều mặt trong hệ thống sống.	 ATP là một chất chế biến và vận chuyển năng lượng. ATP được tạo thành từ quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ khác nhau như oxi hóa trong ti thể, đường phân, lên men, quang hợpNgược lại, ATP cũng là chất cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp của cơ thể sinh vật. Đó là, các phản ứng gắn liền với phân giải phân tử ATP, công co cơ, sinh tổng hợp các phân tử sinh học, đại phân tử sinh học cũng như sản sinh và duy trì tính phân bố không đều các chất giữa tế bào với môi trường xung quanh. Do đó, có thể nói ATP là “năng lượng trung tâm của trao đổi chất tế bào”.* Như vậy: tế bào sử dụng ATP làm nguồn năng lượng để vận chuyển tích cực các phân tử vật chất qua màng sinh chất, để dẫn truyền các xung thần kinh, để co cơ, để tổng hợp các hợp chất cao phân tử phức tạp, vận chuyển ion, các quá trình hấp phụ và phản hấp phụ khác nhau, cũng như để dùng cho nhiều quá trình khác nhau. ATP có tác dụng lên đa số các phản ứng trao đổi chất, đặc biệt ATP là chất mang phosphate và năng lượng trong chuỗi hô hấp và đường phân; nó có vai trò hoạt hoá acid amin, hoạt hoá acid béođối với các quá trình phân giải và tổng hợp những chất này. Sơ đồ tóm tắt chức năng sinh học của ATP*Tế bào sống và cơ thể sống luôn phải tiêu tốn năng lượng để tồn tại, duy trì và phát triển nòi giống. Do vậy chúng phải có khả năng lấy năng lượng từ các nguồn khác nhau và biến nó thành của mình để sử dụng và ATP là cơ chất cung cấp năng lượng cho tất cả các quá trình tiêu hao năng lượng của cơ thể sống.