SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG Giảng Viên: TS. Đồng Huy Giới - SlidePlayer

Presentation on theme: "SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG Giảng viên: TS. Đồng Huy Giới"— Presentation transcript:

1 SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG Giảng viên: TS. Đồng Huy GiớiBÀI GIẢNG MÔN: SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG Giảng viên: TS. Đồng Huy Giới Đơn vị công tác: Bộ môn Sinh Học – Khoa CNSH

2 Chương II: Năng lượng và sự trao đổi chấtCác nội dung chính Sự trao đổi chất và thông tin qua màng TB; Năng lượng sinh học; Hô hấp nội bào; Quang hợp.

3 2.1. Sự trao đổi chất và thông tin qua màngVận chuyển các phân tử nhỏ tan trong Lipid; Vận chuyển các chất qua kênh Protein; Vận chuyển các vật thể lớn qua màng; Tiếp nhận và truyền thông tin qua màng.

4 Tính chất Điều kiện Tốc độVận chuyển các phân tử nhỏ tan trong Lipid qua lỗ màng Tính chất Điều kiện Tốc độ

5 Vận chuyển các chất xuôi dốc nồng độ qua kênh protein và protein mang

6 Vận chuyển các chất ngược grdient nồng độ qua màng

7

8

9 Vận chuyển các vật thể lớn qua màngHiện tượng nhập bào và xuất bào

10 Vận chuyển các vật thể lớn qua màng Hiện tượng thực bào vào ẩm bào

11 Vận chuyển các vật thể lớn qua màngHiện tượng xuất bào Nước mắt thải ra ngoài từ tuyến lệ; Tế bào tuyến tuỵ tiết insulin vào máu

12 Sự tiếp nhận thông tin qua màng tế bào

13 2.2. Năng lượng sinh học Năng lượng tự do và năng lượng entropi Năng lượng hoạt hoá Năng lượng ATP Enzyme

14 Năng lượng tự do và năng lượng entropiNăng lượng tự do của một hệ sống là năng lượng có khả năng sinh ra công trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi. Entropi là trạng thái hỗn độn của năng lượng, nó là năng lượng không có khả năng sinh công. Trong một hệ thống, năng lượng tự do và entropi tỉ lệ nghịch với nhau

15 Năng lượng hoạt hóa Course of reaction without enzyme EA EA withDG is unaffected by enzyme Progress of the reaction Free energy EA with is lower with enzyme

16 Năng lượng ATP (Adenozin triphosphate)Liên kết cao năng

17 Năng lượng để tổng hợp ATPNăng lượng mặt trời Thức ăn ATP Sinh trưởng, phát triển, hoạt động, thải nhiệt...

18 Enzyme Khái niệm Thành phần cấu tạo Cơ chế xúc tác Hoạt động của enzyme Tính đặc hiệu của enzyme Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme

19 Khái niệm Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein; Có hoạt tính rất cao, có khả năng làm tăng tốc độ của phản ứng nhưng không làm tăng nhiệt độ của phản ứng; Không bị tiêu hao trong quá trình tham gia phản ứng.

20 Thành phần cấu tạo Thành phần: Cấu trúc không gian:Enzyme đơn giản: Chỉ được cấu tạo bởi protein (Amilaza, ureaza, pepxin); Enzyme phức tạp: Protein (Apoenzyme) + nhóm ngoại (Cofactors). VD: Catalase, peroxydase); Nhóm ngoại: Có thể là hợp chất hữu cơ (coenzyme) như vitamin, NAD… hoặc ion kim loại như Fe, Cu, Mg... Cấu trúc không gian: Trung tâm hoạt động: Là nơi gắn với cơ chất Một số enzyme có thêm vị trí dị lập thể: Là nơi gắn với chất ức chế không cạnh tranh hoặc chất hoạt hoá của E.

21 Cấu trúc không gian Trung tâm hoạt động: Là nơi gắn với cơ chấtMột số enzyme có thêm vị trí dị lập thể: Là nơi gắn với chất ức chế không cạnh tranh hoặc chất hoạt hoá của E.

22

23 Cơ chế xúc tác

24

25 Hoạt động của enzyme Giả thuyết chìa và ổ khoá: Do Fisher đề xuất năm 1894, theo đó enzyme là ổ khoá, cơ chất là chìa khoá, chỉ khi chìa khớp với ổ khoá phản ứng mới xáy ra. Giả thuyết về khớp cảm ứng: Do Koshland Koshland đề xuất năm 1958, Giả thuyết này mềm dẻo hơn, phù hợp với đặc điểm của sinh học, cho đến nay chưa có giả thuyết nào khác thay thế nó.

26 Tính đặc hiệu của enzymeĐặc hiệu phản ứng Enzyme dehydrogenase xúc tác cho phản ứng vận chuyển hydro từ chất cho (rượu bậc nhất hay rượu bậc hai) đến chất nhận (NAD+ hay NADP+); Enzyme aminotransferase xúc tác cho phản ứng chuyển nhóm amin từ một amino acid đến một ceto acid.

27 Tính đặc hiệu của enzymeĐặc hiệu cơ chất Đặc hiệu tuyệt đối: Là enzyme hầu như chỉ tác dụng lên một cơ chất nhất định Ví dụ: Enzyme urease xúc tác cho phản ứng phân giải ure tạo ra NH3 và CO2. ngoài ra nó có thể phân giải hydroxyure nhưng với tốc độ thấp hơn 120 lần. Đặc hiệu nhóm tuyệt đối: Ví dụ: Enzyme Maltase chỉ xúc tác cho phản ứng phân huỷ Glucoside được tạo thành từ nhóm OH -Glucoside của Glucose với nhóm OH của một monose khác.

28 Tính đặc hiệu của enzymeĐặc hiệu cơ chất Đặc hiệu tương đối: Là các enzyme có khả năng tác động lên một kiểu liên kết hoá học nhất định trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào các phần tham gia cấu tạo nên liên kết đó. Ví dụ: - lipase thuỷ phân được tất cả các liên kết este. - Aminopeptidase có thể xúc tác thuỷ phân nhiều peptid

29 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzymeNồng độ Enzyme, cơ chất Nhiệt độ pH Chất ức chế

30 Optimal temperature fortypical human enzyme enzyme of thermophilic (heat-tolerant bacteria) Temperature (°C) Optimal temperature for two enzymes 20 40 60 80 100 Rate of reaction Optimal pH for pepsin (stomach enzyme) Optimal pH for trypsin (intestinal enzyme) pH Optimal pH for two enzymes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

31 Ảnh hưởng của chất ức chế cạnh tranhChất ức chế và cơ chất có sự tương đồng về mặt hoá học. ví dụ: malic acid và succinic acid Malic acid là chất ức chế của enzyme succinatedehydrogenase, là enzyme xúc tác cho sự biến đổi succinic acid thành acid fumaric acid

32 Ảnh hưởng của chất ức chế không cạnh tranh

33

34 Ức chế liên hệ ngược Initial substrate (threonine) Active siteLE 8-21 Active site available Initial substrate (threonine) Threonine in active site Enzyme 1 (threonine deaminase) Enzyme 2 Intermediate A Isoleucine used up by cell Feedback inhibition Active site of enzyme 1 can’t bind theonine pathway off binds to allosteric site Enzyme 3 Intermediate B Enzyme 4 Intermediate C Enzyme 5 Intermediate D End product (isoleucine) Ức chế liên hệ ngược

35 Đại cương về hô hấp 2.3. Hô hấp nội bào (Cellular Respiration)Hô hấp là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ giàu năng lượng (chủ yếu là gluxit), để giải phóng ra năng lượng dưới dạng ATP cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào và cơ thể. Phương trình tổng quát: (CH2O)n+ O CO2+ H2O + NL

36 2.3. Hô hấp nội bào (Cellular Respiration)Sơ đồ tổng quát Glucose CO2, C2 H5 OH, C3H4O CO2 + H2O + NL Pyruvate Đường phân Đủ oxy  Hô hấp hiếu khí Thiếu oxy  Lên men

37 2.3. Hô hấp nội bào (Cellular Respiration)

38 Đường phân (Glycolysis)Là giai đoạn chung, kỵ khí, gồm 10 phản ứng chính, Xảy ra ở bào tương (cytosol). Được chia thành 2 giai đoạn: Giai đoạn đầu tư năng lượng (Glycolysis preparatory phase) Giai đoạn sinh năng lượng (Glycolysis pay-off phase)

39 Giai đoạn đầu tư năng lượng (Glycolysis preparatory phase)Hexokinase Phosphohexose isomerase Phosphofructokinase Isomerase Glucose Glucose 6-phosphate Fructose 6-phosphate Fructose 1,6-diphosphate Glyceraldehyde 3-phosphate Dihydroxyacetone 3-phosphate ATP ATP + Pi Aldolase

40 Giai đoạn sinh năng lượng (Glycolysis pay-off phase)

41

42 Nguyên liệu và sản phẩm của đường phân

43 Nguyên liệu và sản phẩm của đường phân 1 2Glucose NAD+ ADP + Pi 1 2 Pyruvat NADH+H+ ATP Nguyên liệu Số lượng Sản phẩm

44 2.3. Hô hấp nội bào (Cellular Respiration)

45 Lên men rượu (Ethanol fermentation)

46 Lên men rượu (Ethanol fermentation)

47 Ứng dụng của lên men rượuSản xuất bánh mỳ, sản xuất bia, rượu, cồn…; bảo quản nông sản sau thu hoạch.

48 Lên men Lactic (Lactic acid fermention)

49 Ứng dụng của lên men LacticSản xuất phomat, sữa chua, muối dưa cà, ủ chua thức ăn cho gia súc… Lên men lactic ở người và động vật: Gây ra sự mệt mỏi, nếu lượng axit lactic nhiều sẽ gây ra hiện tượng chuột rút.

50 Hô hấp hiếu khí (Aerobic respiration)

51 Hô hấp hiếu khí

52 Quá trình oxy hoá pyruvate (Oxidative decarboxylation of pyruvate)NAD+ NADH + H+ Coenzyme A CO2 Acetyl Co A tế bào chất Protein vận chuyển Ty thể

53 Chu trình Krebs (Chu trình acid Citric)

54 Chu trình Krebs (Chu trình acid Citric)

55 Sản phẩm của một chu trình KrebsATP: 1 NADH + H+: 3 FADH + H+: 1 CO2: 2

56 Hóa thấm tổng hợp ATP (Oxidative phosphorylation)Sơ đồ hoá thấm tổng hợp ATP trong ty thể

57 Sơ đồ hoá thấm tổng hợp ATP trong ty thể

58 Năng lượng sinh ra trong hô hấp hiếu khí

59 Hiệu suất năng lượng của hô hấpCác giai đoạn Số lượng chất mang e- và H+ Số ATP tạo thành bằng hoá thấm Số ATP tạo thành từ bản thể ATP tổng số Đường phân Oxy hoá pyruvat Chu trình axit citric Tổng số 2 NADH+ H+ 6 NADH+ H+ 2 FADH2 6 hoặc 4 6 18 4 2 8 hoặc 6 20 34 hoặc 32 38 hoặc 36 Eglucose= 686 kcal, EATP= (38 x 7,3) = 277,4 kcal  H=0,4 (40%)

60 Nguyên liệu khác trong hô hấpSự oxy hoá lipit: Lipit sẽ bị thuỷ phân nhờ enzyme lipaza để tạo thành glyxerin và axit béo. Tiếp đó glyxerin sẽ bị oxy hoá để tạo GAL3P sau đó biến đổi thành pyruvat, còn axit béo cũng bị oxy hoá tạo ra acetyl đi vào chu trình Krebs. Sự oxy hoá protein: Protein cũng có thể bị thuỷ phân để tạo axitamin, sau đó nhóm amin tách ra, phần gốc còn lại được biến đổi qua nhiều giai đoạn cuối cùng tạo ra pyruvat, axetyl-CoA hoặc một trong những chất trung gian của chu trình Krebs. Việc sử dụng protein vào hô hấp còn gọi là sự hô hấp đói.

61

62

63 Quang hợp - Photosynthesis

64 2H2S + CO2 + ánh sáng mặt trời  [CH2O] + H2O + 2S.Quang hợp - Photosynthesis Khái niệm: Là quá trình cây xanh sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp các hợp chất hữu cơ giàu năng lượng (gluxit) từ các hợp chất vô cơ nghèo năng lượng như CO2 và H2O, đồng thời giải phóng oxy phân tử vào khí quyển. Phương trình tổng quát: CO2 + H2O ánh sáng, diệp lục [CH2O]n + O2 Quang hợp ở vi khuẩn: 2H2S + CO2 + ánh sáng mặt trời  [CH2O] + H2O + 2S.

65 Oxy trong quang hợp được sinh ra từ CO2 hay H2O?C6H12O6 6 H2O 6 O2 Reactants: Products:

66 Thí nghiệm của Joseph Priestley, 1772

67 Các sắc tố tham gia vào quá trình quang hợpSắc tố diệp lục (Chlorophyll) Sắc tố Carotennoit Caroten Xantophyl Sắc tố phycobilin

68 Sắc tố diệp lục (Chlorophyll)- Chlorophyll a: C55H72O5N4Mg, có màu xanh lục - Chlorophyll b: C55H70O6N4Mg, có màu vàng lục.

69 Carotene Công thức hoá học: C40H56; có 3 loại là α, β và γ;Màu sắc: Có màu đỏ, da cam; Bước sóng hấp thụ: 446 – 476nm; Được gọi là tiền tố của vitamin A vì một phân tử carotene khi bị cắt đôi sẽ tạo ra 2 phân tử vitamin A.

70

71

72

73 Xantophyl Công thức hoá học: C40H56On (n=1-6). Màu sắc: Màu vàng;Bước sóng hấp thụ: 451 – 481nm.

74

75 Thu hút côn trùng, giúp cho sự thụ phấn hay để phát tán quả và hạt.Chức năng của Carotenoid Thu hút côn trùng, giúp cho sự thụ phấn hay để phát tán quả và hạt. Bảo vệ diệp lục khi cường độ ánh sáng quá mạnh; Tham gia vào quang phân ly nước và giải phóng oxy; Tiếp nhận năng lượng ánh sáng và truyền đến diệp lục.

76 Bước sóng hấp thụ: 505-612nm, vùng ánh sáng lục và vàng. Sắc tố phycobilin Là sắc tố có ở thực vật bậc thấp sống dưới nước như tảo lam, tảo đỏ, vi khuẩn xanh. Trong tế bào, sắc tố này được liên kết với protein và được gọi là phycobiliprotein. Bước sóng hấp thụ: nm, vùng ánh sáng lục và vàng. Chức năng: Hấp thụ ánh sáng chuyển đến diệp lục a để sử dụng trong quang hợp với hiệu suất cao.

77 Hệ quang hợp (photosystem)Thành phần: Các sắc tố quang hợp (khoảng 300 phân tử sắc tố/hệ) Các chất trong hệ dẫn truyền điện tử như feredoxin, plastokinon, xytocrom… Các phân tử protein và enzyme ATPsynthetaza. Hệ quang hợp I (kí hiệu là PSI): Có trung tâm phản ứng (reaction center) là P700 (vì nó không thể hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 700nm). Hệ quang hợp II (ký hiệu là PSII). Có trung tâm phản ứng (reaction center) là P680 (vì nó không thể hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 680nm).

78 Các pha của quá trình quang hợpPha sáng (Light reactions) Nơi diễn ra: Màng Thylacoid Nguyên liệu: H2O từ môi trường, năng lượng ánh sáng, NADP+ và ADP lấy từ pha tối Sản phẩm: ATP, NADPH + H+, O2 và ion hydro (H+). Diễn biến: Có thể chia thành 3 giai đoạn Quang lý và quang hoá khởi nguyên Quang phân li nước và dẫn truyền điện tử Hoá thấm tổng hợp ATP.

79 Giai đoạn Quang lý và quang hoá khởi nguyênThylakoid Photon hệ thống hấp thụ ánh sáng hệ thống quang hợp Chất nhận e STROMA e– Phân tử diệp lục a Đặc biệt màng Thylakoid Xoang của túi thylacoid Vận chuyển năng lượng Phân tử sắc tố Giai đoạn Quang lý và quang hoá khởi nguyên

80 Vận chuyển điện tử vòng

81 Vận chuyển điện tử vòng Hệ quang hoá I Hệ quang hoá II Primary FdATP Pc Fd Phức hệ Cytochrome Pq NADP+ reductase NADPH Primary acceptor Chất nhận e đầu tiên Hệ quang hoá II

82 Vận chuyển điện tử không vòngÁnh sáng P680 e– Primary acceptor [CH2O] (sugar) NADPH ATP CALVIN CYCLE NADP+ Light H2O CO2 Năng lượng điện tử 2 H+ O2 1/2 Pq Phức hệ Cytochrome Chuỗi vận chuyển e Pc P700 Fd + H+ + 2 H+ Hệ quang hoá I Hệ quang hoá II Vận chuyển điện tử không vòng ADP LIGHT REACTIONS O2 NADP+ reductase +

83

84 So sánh vận chuyển điện tử vòng và không vòngNơi thực hiện? Nơi điện tử đi ra? Chất nhận điện tử cuối cùng? Sản phẩm tạo ra?

85

86 (Low H+ concentration)LE 10-17 STROMA (Low H+ concentration) Light Photosystem II Cytochrome complex 2 H+ Photosystem I NADP+ reductase +2 H+ 1/2 NADP+ + 2H+ + H+ NADPH To Calvin cycle THYLAKOID SPACE (High H+ concentration) Thylakoid membrane ATP synthase H+ CO2 H2O LIGHT REACTIONS CALVIN CYCLE ADP + Pi ADP O2 [CH2O] (sugar) H2O Fd Pq Pc O2 ADP P

87 Pha tối của quá trình quang hợp (Dark Reaction )Còn được gọi là pha cố định Cacbon (Carbon fixation), hay cố định CO2. Nơi diễn ra: Trong chất nền của lục lạp (Stroma), không cần có ánh sáng. Nguyên liệu: ATP, NADPH + H+ lấy từ pha sáng; CO2 lấy từ môi trường. Diễn biến: Có thể diễn ra theo 1 trong 3 cơ chế sau đây Chu trình Calvin hay còn gọi là cơ chế C3 Chu trình Hatch – Slack hay còn gọi là cơ chế C4 Chu trình CAM (Crassulacean acid metabolism). Sản phẩm: Các hợp chất hữu cơ, ADP, NADP+

88 Melvin Calvin ( )

89 Chu trình Calvin (C3) Chu trình Calvin hay chu trình Calvin–Benson-Bassham Diễn ra ở tất cả các loài thực vật Các loài thực vật chỉ tồn tại duy nhất theo kiểu cố định các bon C3 được gọi là thực vật C3, đa số các loài thực vật là thực vật C3.  Thực vật C3 phát triển tốt trong các khu vực với các điều kiện sau: cường độ ánh sáng Mặt Trời và nhiệt độ vừa phải, hàm lượng CO2 là khoảng 200ppm hoặc cao hơn, nước đầy đủ.

90 Diễn biến chu trình Calvin (C3)Ba giai đoạn chu trình Calvin: Gđ Cacboxyl hóa Gđ khử Gđ phục hồi chất nhận

91

92 Chất tiếp nhận CO2? Chất đầu tiên được tạo ra sau khi tiếp nhận CO2? Số lượng ATP và NADPH cần sử dụng để thực hiện 1 chu trình calvin (để cố định 1 phân tử CO2)?

93 Chu trình Hatch-Slack (C4)Được hai nhà nghiên cứu người Australia là M. D. Hatch và C. R. Slack phát hiện năm 1966 Các loài thực vật sử dụng cơ chế cố định cacbon C4 được gọi chung là thực vật C4 (ngô, mía, kê châu phi...). Khác với thực vật C3, quá trình cố định các bon ở thực vật C4: Gồn 2 chu trình và được thực hiện ở lục lạp của 2 loại tế bào khác nhau là tế bào mô đồng hóa và tế bào bọc mạch. Chất tiếp nhận CO2 là PEP có 3 các bon; chất được tạo thành đầu tiên sau khi tiếp nhận CO2 là hợp chất có 4 các bon.

94 Cấu trúc lá của thực vật C3 và C4

95 Cấu trúc lá của thực vật C4

96 Diễn biến chu trình Hatch-Slack (C4)

97 Chu trình Hatch-Slack (C4)

98 Chất tiếp nhận CO2 trong chu trình C4?Chất đầu tiên được tạo ra sau khi tiếp nhận CO2? Số lượng ATP và NADPH cần sử dụng để thực hiện 1 chu trình C4 (để cố định 1 phân tử CO2)?

99 Chu Trình CAM (Crassulacean acid metabolism)Cố định các bon theo chu trình CAM là một kiểu cố định các bon ở một số loài thực vật thích nghi với điều kiện sống khô hạn (xương rồng, thuốc bỏng, dứa). CAM được đặt tên theo họ thực vật mà cơ chế này lần đầu tiên được phát hiện ra, là họ thiên cảnh (Crassulaceae). Cơ chế pha tối của thực vật CAM gần giống thực vật C4, ngoại trừ: Ở thực vật CAM chỉ xảy ra trên 1 loại tế bào (Thực vật C4 2 loại) Ở thực vật CAM, giai đoạn 1 xảy ra vào ban đêm, giai đoạn 2 xảy ra vào ban ngày.

100

101

102 Bundle- sheath cell Mesophyll Organic acid C4 CO2 CALVIN CYCLE Sugarcane Pineapple Organic acids release CO2 to Calvin cycle CO2 incorporated into four-carbon organic acids (carbon fixation) CAM Sugar Spatial separation of steps Temporal separation of steps Day Night

103 Photosystem II Electron transport chain Photosystem ILight CO2 H2O Light reactions Calvin cycle NADP+ RuBP G3P ATP Photosystem II Electron transport chain Photosystem I O2 Chloroplast NADPH ADP P 3-Phosphoglycerate Starch (storage) Amino acids Fatty acids Sucrose (export) + i