Trao đổi chất làgì? Chương 2: Sự trao đổichất vànăng lượng sinh học. Quá trình đồnghóavàdị hóa

Transcript

1 Trao đổi chất làgì? Chương 2: Sự trao đổichất vànăng lượng sinh học Hấpthu các chất từ môi trường bên ngoài Biến đổi các chất đó Yếutố cấu tạo của bảnthân cơ thể sống Thải vào môi trường ngoài các sảnphẩm phân giải của chínhcơ thể cũng như các sảnphẩmhìnhthành trong quá trình sống của cơ thể Quá trình đồnghóavàdị hóa Quá trình đồnghóavàdị hóa SỰ ĐỒNG HOÁ (Anabolism) BIẾN DƯỠNG (Metabolism) SỰ DỊ HOÁ (Catabolism) (Amino acid)n (Monosaccharide)n Glycerol + acid béo PHÂN GIẢI OXID HÓA Protein Polysaccharide Triacylglycerol Amino acid Monosaccharide Glycerol + acid béo Protein Polysaccharide Triacylglycerol Amino acid + Amino acid Monosaccharide Glycerol + acid béo O 2 CO 2 + H 2 O + Energy Quá trình đồng hóa: là sự tổng hợp các chất nên các chất đặc hiệu của cơ thể từ các sản phẩm của sự phân giải các chất đưa vào cơ thể. Đặc điểm của quá trình đồng hóa là thu nhiệt. Qúa trình dị hóa là quá trình phân giải các chất thành các sản phẩm phân tử nhỏ không đặc trưng và cuối cùng thành những chất thải. Đặc điểm của quá trình dị hóa là giải phóng năng lượng 3 Kiểutraođổichất Kiểutrao đổichất Nhóm sinh vật hiếu khí (aerob): kiểutraođổichất mà các quá trình oxy hóa có sự tham gia của oxy khí quyển Nhóm sinh vật kỵ khí (anaerob): kiểutraođổi chất mà các quá trình oxy hóa không có sự tham gia của oxy khí quyển 1

2 Trao đổi năng lượng là gì? Là sự đốtcháycácchất hữu cơ glucid, lipid, protein trong tế bào, giải phóng ra năng lượng để tế bào tích lũy vàsử dụng TẾ BÀO HÔ HẤP NHƯ THẾ NÀO? C 6 H 12 O 6 + 6O 2 glucose Oxy hoá Khử 6CO 2 + 6H 2 O + energy ATP Sự biến đổinăng lượng tự do Ký hiệubằng G có giá trị là Kcal/mol G = G 2 -G 1 G 2 - năng lượng tự do của trạng thái cuối(sauphản ứng) G 1 -năng lượng tự do của trạng thái đầu (trước phản ứng) Nếu G <0 phản ứng tỏa nhiệt, có thể xảy ramột cáchtự phát. Ví dụ các phản ứng thủy phânđềuthuộc loại phản ứng này. Nếu G = 0 hệ thống ở trạng thái cân bằng. Nếu G >0 phản ứng thu nhiệt, muốn thực hiện phản ứng cần phải cungcấpnăng lượng. Liên kết cao năng và vai trò của ATP (Adenosine Tri Phosphate) Trong các hợpchất hữucơ có 2 loại liên kết sinhnăng lượng: -Liên kết thường: 3 kcal/mol -Liên kết caonăng (liên kết giàunăng lượng): 7 12 kcal/mol Cung cấpnăng lượng tự do ATP cho hoạt động sống của cơ thể -Năng lượng sinh học lànăng lượng của sự sống 1.2. ATP (Adenosine triphosphate) gồm 1 gốc bazo nito, 1 gốc đường ribose, 3 gốc phosphate Liên kết phosphate cao năng P = 7 Kcal Đặc điểm của liên kết caonăng Liên kết thường Liên kết cao năng Trong phân tử ATP có 3 gốc phosphate, 1 gốc kết hợpvới gốc ribose qua liên kết este, 2 liên kết giữa3 gốc phosphate là liên kết anhydricliên kết cao năng được kýhiệubằng dấu ~. Bềnvững Khó bị thủy phân Giải phóng ít NL Không bền Dễ bị thủy phân Giải phóng nhiềunl Khi cắt đứt các liên kết cao năng này, sẽ giải phóng số năng lượng lớn gấp hơn2 lần so với liên kết este: 2

3 BIẾN ĐỔI CỦA PROTEIN TRONG CHẾ BIẾN & BẢO QUẢN THỰC PHẨM Biến đổi do nhiệt Biến đổi do enzym Biến đổicủa protein do nhiệt độ Gia nhiệt vừa phải Gia nhiệt kiểu thanh trùng Gia nhiệt khan (> C) Gia nhiệt ở nhiệt độ cao (> C) thực phẩm giàu protein có ph trung tính hoặc kiềm Biến đổicủa protein do nhiệt độ Biến đổicủa protein do nhiệt độ Gia nhiệt vừaphải( C) -Chỉ làm protein biếntínhvàgiúpcảithiệngiátrị dinh dưỡng của sảnphẩm -Làm mất độctínhcủacácđộc tố có bảnchất protein. các chất kìmhãmenzyme đường tiêu hóa (antitripxin trong hạt đậutương) -Làm vô hoạt các enzyme (protease, lipoxydase ) xúc tác các phản ứng phá hủy vitamin -Làm tăng khả năng tiêu hóa của protein do làm duỗimạch peptit Trước khinấu Sau khi nấu Biến đổicủa protein do nhiệt độ Gia nhiệt kiểu thanh trùng (> C) -Pháhủy một phần các gốc cistein đề hình thành H 2 S, dimetylsulfua và các hợp chất bay hơi làm cho các sản phẩm này có mùi đặc trưng Biến đổicủa protein do nhiệt độ Gia nhiệt khan (> C) Tạo ra các α, β và γ cacbolin do phản ứng vòng hóa của tryptophan 3

4 Biến đổicủa protein do nhiệt độ Gia nhiệt ở nhiệt độ cao (> C) thực phẩmgiàu protein có ph trung tính hoặc kiềmsẽ xảy ra: - Thủyphâncácliênkết peptitvàđồng phân hóa các gốc amino acid, tạo rarahỗnhợpraxemicdo đó làm giảmgiá trị dinh dưỡng đi 50% do các đồng phân dạng D được tạo thành. - Phá hủy một số amino acid (troenin) - Tạo ra các cầu nối đồng hóa trị kiểu lyzinoalanin, ornitinoalanin Biến đổicủa protein do enzyme Sự thuỷ phân của protein Có thể thuỷ phân bằng acid, kiềm, enzym protease thực vật (papain, bromelin), protease động vật (pepsin, tripsin) - Làm giảm độ tiêu hóa, giảm hệ số sử dụng protein Sự thủy phân protein do enzyme Biến đổicủa protein do enzyme Sự ôi thối của protein Hiện tượng ối thối của protein làm giảm giá trị dinh dưỡng của thực phẩm hoặc gây độc là do enzym có sẵn trong thực phẩm hoặc enzyme do vi sinh vật xâm nhiễm từ môi trường tiết ra. Phản ứng khử nhóm carboxyl: tạo thành các amin khác nhau, là những chất gây độc: Histidin Histamin Lysin Cadaverin Tyrosin Tyramin Biến đổicủa protein do enzyme Phản ứng tạo thành mercaptan: xảyravới các acid amin có lưuhuỳnh Biến đổicủa protein do enzyme Phản ứng tạo scatol, indol (chất thối) 4

5 Biến đổicủa protein do enzyme Phản ứng tạo thành di, trimetylamin từ các lipoprotein Mùi tanh Biến đổicủa protein do enzyme Phản ứng tạo thành phosphin (PH 3 ): xảy ravới phosphoprotein và nucleoprotein. Nguồn tạo thành phosphin là các phosphoric có trong protein được giải phóng ra khi bị phân hủy. Khí không màu, mùi thối rất độc Sự hình thành các hợp chất phenol từ tyrosine Trao đổi saccharide Sự phân giải saccharide Sự phân giải polysaccharide và disaccharide Sự ôxy hóa monosaccharide Sự phân giải polysaccharide và disaccharide α-amylase chỉ cắt liên kết α-d-glucosid-1,4 nội mạch - có khả năng cắt khoảng giữa β-amylase cũng chỉ cắt liên kết 1,4 glucoside ngoại mạch - cắt bắt đầu từ đầu không khử γ amylase (glucoamylase) đặc biệt được tổng hợp từ vi sinh vật có khả năng cắt liên kết 1,4 và enzyme loại trừ (khử) sự phân nhánh (debranching enzyme, có họat tính glucosidase) cắt dây nối 1,6 trong amylopectin và glycogen. cellulase pectinase,... Sự phân giải polysaccharide và disaccharide Quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis) là quá trình tạo glucose-1-p nhờ enzyme phosphorylase (glycogen phosphorylase hay phosphorylase tinh bột) với sự hiện diên của ion phosphate. 5

6 Quá trình glycolyse (Đường phân hay Embden-Meyerhof-Parnas - EMP) Là quá trình oxy hóa từ glucose thành acid pyruvic có thể xảy ra trong giai đoạnyếm khí hoặc hiếu khí và quá trình phổ biếnnhất trong các quá trình chuyển hóa từ monose, vì hầuhết các quá trình chuyển hoá monose giai đoạn đầu đều qua quá trình glycose giải, có khác nhau từ pyruvic về sau. Sự phosphoryl-phân để tạo glucose-1-phosphate Quá trình đường phân Con đường Embden Meyerhoff Parnas - Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân là ATP, NADH, acetyl-coa - Sản phẩm trung gian quan trọng sau glycolyse là acid pyruvic, từ đây tùy từng điều kiện màtheotừng con đường yếm khí, hiếu khí, năng lượng thu được qua quá trình đường phân là 8 ATP. - A. pyruvic theo 2 hướng: hiếu khívàyếmkhí. 6

7 Lên men rượu Lên men lactic Quátrìnhlênmen Lên men rượu: Nấm men vàmột số vi khuẩn khác có thể chuyển hóa pyruvate thành ethanol và CO 2. Quá trình trải qua 2 phản ứng. (ph= 4-5) Quátrìnhlênmen lactic Quá trình phân giảiglucose trong điều kiệnhiếu khí Chia làm 4 giai đoạn Phân giải glucose thành pyruvate (quá trình đường phân). Chuyển hóa pyruvate thành acetyl- CoA. Oxy hóa acetyl- CoA thông qua chu trình Krebs (chu trình citric acid). Oxy hóa các coenzyme khử qua chuổi hô hấp(xem phần khái niệm về sự trao đổi chất). SỰ OXID HOÁ KHỬ CARBOXYL PYRUVATE NAD + NADH.H O + O H 3 C-C- COOH H 3 C-C CoA Pyruvate AcetylCoA CoASH CO 2 Phức hợp pyruvate dehydrogenase Pyruvate decarboxylase (TPP) Dihydrolipoyl transacetylase Dihydrolipoyl dehydrogenase CHU TRÌNH KREBS - Con đường oxid hoá hoàn toàn, giải phóng toàn bộ năng lượng tự do trong cơ chất - Hệ thống enzyme trong dịch ty thể - Nguyên liệu: AcetylCoA và Oxaloacetate -Nguyên liệu TRIACYLGLYCEROL GLYCEROL FATTY ACID POLYSACCHARIDE GLUCOSE H 3 C-C-COOH O Pyruvate H 3 C-C SCoA O Acetyl CoA PROTEIN AMINO ACID H 3 C-CH-COOH NH 2 Alanine HOOC-H 2 C-C-COOH O Oxaloacetate HOOC-H 2 C-CH-COOH NH 2 Aspartate 7

8 CHU TRÌNH KREBS (CT CITRATE, CT. TRICARBOXYLIC ACID- TA) -Năng lượng: Oxid hoá 1 phân tử acetylcoa Phản ứng - Enzyme Dạng năng ATP lượng Isocitrate dehydrogenase NADH.H + 3 ATP α-ketoglutarate NADH.H + 3 ATP dehydrogenase SuccinylCoA synthetase GTP ATP Succinate dehydrogenase FADH 2 2 ATP Malate dehydrogenase NADH.H + 3 ATP Tổng cộng 12 ATP Ý nghĩa của chutrìnhkrebs Là chu trình cho nhiềunăng lượng nhất Là con đường chung nhất, phổ biếnnhất, nhiều sự chuyểnhóaphải qua chu trình Tạohàngloạt nhiềusảnphẩm trung gian, sp trung gian là nguyên liệu để tổng hợp nên các chất khác, có thể là các chất tham gia trong chuyểnhóa các chất khác. Vd: alpha cetoglutaric tham gia tổng hợpacid amin. Acetyl CoA tham gia trong quá trình tổng hợp acid béo (chất béo) A. pyruvic là chỗ giao nhau của traođổi glucid, lipid, a.a Glucose Đường phân 2 ATP (substrate-level phosphorylation) Lượng ATP tối đa khi tế bào hô hấp một phân tử glucose Tế bào chất 2 Pyruvate 2NADH 2 Acetyl CoA 2NADH 6NADH Krebs ETC, Oxi hóa Phosphoryl hóa Ty thể 2FADH 2 2 ATP (substrate-level phosphorylation) 2ATP 6ATP 6ATP 18ATP 4ATP 2ATP 38 ATP (tối đa chomỗi glucose) Trao đổi Lipid 1. Sự phân giải lipid: a. Sự phân giải do thủy phân: Xảy ra trong đường tiêu hóa và dưới tácđộng của E tiêu hóa, chất béotừ thức ăn đến khoang miệng: không phân giải chất béo vì hầu như không có lipase và chất béo không được nhũ tương hóa. Dạ dày: Động vật, người trưởng thành phân giải không đáng kể. Người lớn: Phân giải không đáng kể: + không có lipase (rất ít) + ph không phù hợp + chất béo không được nhũ tương hóa Trẻ em: + lipid trong sữa được nhũ tương hóa + lipid được phân giải một phần bởi lipase 8

9 Ruột non Nơi chính, chủ yếu thủy phân Phân giải bởi: E: tuyến tụy, có trong niêm mạc ruột non Dịch mật: Dịch mật tiết dịch đổ vào ruột non có acid cholic và dẫn xuất, muối của acid cholic và các dẫn xuất.tác dụng của acid mật và muối mật làm nhũ tương hóa lipid để dễ dàng phân giải hơn.sản phẩm cuối ở ruột non là acid béo và glycerin thấm qua niêm mạc ruột Quá trình oxy hóa Oxy hóa các sản phẩm sauthủy phân Các sản phẩm sau thủy phân là glycerin và acid béo sẽ chuyển hóa theo những con đường khác nhau. Chúng ta thu được sản phẩm cuối cùng ởđây là CO 2, H 2 O và năng lượng (Q). Sự oxi hóa acid béo Trong tự nhiên đi theo 2 qui trình khác nhau: [o] đúng vị trí carbon α (α-oxy hóa) [o] đúng vị trí carbon β (β-oxy hóa) β- oxi hóa Thường xảy raở người vàđộng vật Cơ chế tìm ra 1904 do F. Knop xảy rađối với a. béocósố C chẳn Đặc điểm qúa trình β-[o] C chẳn Cắt dần từng 2 đơn vị C Vị trí [O] tại C β Các acid béo trước khi tham gia quá trình oxi hóa phải được hoạt hóa bằng ATP và CoA (HS-CoA) Quá trình gồm 5 phản ứng: Các enzyme tham gia xúc tác các phản ứng trên là: 1. Acyl-CoA-Synthetase. 2. Acyl-CoA-Dehydrogenase. 3. Enoyl-CoA-Hydratase. 4. Hydroxy-acyl-Thiolase. Qua một chukỳ phân cắt, phân tử acid béo ngắn bớt đi 2 carbon, kết quả cuối cùng của các chu kỳ phân cắt β.oxi hóa của acid béo là các phân tử acetyl-coa. Phân tử acyl-coa trở lại phản ứng 2 Các phân tử acetyl-coa tiếp tục bị phân giải qua chu trình Krebs để tạo CO 2 và H 2 O. 9

10 α- oxihóa(thường gặp ở TV) Về mặt năng lượng, quá trình β.oxi hóa tạo nên nguồn năng lượng lớn cungcấp chocáchọat động sống của tế bào. Mỗi lần phâncắt bớt 2C sẽ tạo nên 1 NADH2, 1FADH2, qua chuỗi hôhấp sẽ tổng hợp được 5 ATP. Đồng thời mỗi phântử Acetyl-CoA bị phân giải thông qua chu trình Krebs sẽ tạo rađược 12ATP. Tổng số ATP tính cho 1 lần phâncắt 2C là17 ATP. Trong cơ thể khi oxy hóa một phântử lipide đơn giản sẽ thu được 458 phân tử ATP Đặc điểm: Acid béo tham gia [O] không cần hoạt hóa Cắt dần từng đơn vị 1 carbon hết mạch C Tác nhân có sự tham gia của H 2 O 2 (peroxydase) E: NAD Cơ chế thì đơn giản hơn β: chỉ 2 phản ứng Năng lượng giải phóng Qα< Qβ Oxi hóa glycerin Về mặt năng lượng khi [o] tách ra 1c được tạo ra3 ATP Oxi hóa glycerin Quá trình oxi hóa glycerin trải qua 3 phản ứng tạo thành glyceraldehid-3 phosphat. Tiếp theo glyceraldehid-3 phosphat biến đổi thành pyruvic acid như trong quá trình đường phân, sau đó pyruvic acid bị phân giải tiếp thông qua chu trình Krebs để tạo CO2 và H2O. Sự ôi hoá lipid Khi bảoquảnlâudướitácdụng của nhiềunhântố như ánh sáng, không khí, nhiệt độ, nước, vi sinh vật lipid bị thay đổi trạng thái, màu sắc vàcómùi vị khó chịu. Quá trình này được gọi làsự ôi hoá. Bản chất của quá trình ôi hoá là oxy hoá. Tuy nhiên dựa vào cơ chế phản ứng thì có thể chia ôi hoá thành 2 dạng: - Ôi hoá do thủy phân - Ôi hoá do oxy hoá 10

11 Ôi hoá do phản ứng thủy phân Phản ứng thủy phân lipid đơn giản Xảy radưới tácdụng của nhiệt độ, acid, baz có hoặc không có enzyme xúc tác. -Phản ứng xảy ratrênbề mặt tiếp xúc giữa lipid và nước. - Lipase có thể có sẵn trong nguyên liệu hay do vi sinh vật mang vào, phân giải lipid tạo glycerol và acid béo + H 2 O Lipase R 1 COOH + R 2 COOH R 3 COOH ÔI hoá do sự oxy hoá khử Phản ứng thủy phân thường thấy khibảo quản bơ và margarin, giải phóng butiric acid tạo mùi rất khó chịu. Trong bảo quản vàchế biến cácloại hạt, bột vai trò quyết định là nhiệt độ và thủy phần (nhiệt độ thấp, độ ẩm thấp) Ôi hoá theo dạng này là phổ biến nhất khi bảo quản lipid. Sự ôi hoá do oxy hoá khử được chiathành2 dạng: - ÔI hoá hoá học - Ôi hoá sinh học * Ôi hoá hoá học Gọi làsự tự oxy hoá Các acid béo tự do được tạo thành từ sự thuỷ phân lipid bị tác động bởi O 2 tạo thành nhiều sản phẩm kế tiếp: Acid béo hydroperoxyt aldehyd no hay không no, xeton, xetoacid Những chất này có vai trò trong việc phát triển mùi vị Oxy hoá sinh học - Phản ứng xảy radưới sự xúc tác của enzyme lipoxygenase (qúa trình β-oxy hoá) cho các acid béo không no ở đồng phân dạng cis-cis -Sản phẩm của quá trình có mùi ôi khó chịu: Acid béo Lypoxygenase alcyl metylceton 11

12 Ảnh hưởng của sự ôi hóa Khôngcókhả năng hòa tan vitamin Làm vô hoạt enzyme và giảm hoạt độ enzyme xủa suxinoxydaza, xitocromoxydaza Sản phẩm ôxy hóa có khả năng phản ứng cao với protein tạo phức chất rất bền vững không bị phân ly bởi enzyme nguyênnhângâyxơ cứng động mạch. 12