VAI TRÒ CỦA ATP TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA TẾ BÀO MÔN: NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

1. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA TẾ BÀO MÔN: NĂNG LƯỢNG SINH HỌC Giáo viên hướng dẫn: TS Võ Văn Toàn Người thực hiện: Huỳnh Thị Bích Thủy Lớp : Cao học Sinh – Khóa 9

2. NỘI DUNG • Adenosine triphosphate (ATP) • Chức năng của ATP • Sự hình thành ATP • Vai trò của ATP trong hoạt động của tế bào • Vai trò của ATP trong trao đổi chất • Vai trò của ATP trong trao đổi chất qua màng tế bào • Vai trò của ATP trong co cơ • Bốn loại phản ứng của ATP

3. ATP • Một trong những hợp chất căn bản của sự sống là ATP. Nó giữ vai trò chủ chốt trong hầu như tất cả các quá trình chuyển hóa năng lượng của mỗi hoạt động sống. • Phân tử ATP là một nucleotid được tạo thành từ Adenin, đường ribose và 3 phosphate PO4 nằm thẳng hàng với nhau. Adenin gắn với ribose tạo thành Adenosine. Adenosine gắn với một phosphate gọi là AMP (Adenosine-Mono-Phosphate), gắn với hai phosphate gọi là ADP (Adenosine-Di-Phosphate) và gắn với ba phosphate gọi là ATP (Adenosine-Tri-Phosphate).

4. Cấu trúc phân tử ATP

5. Một tính chất quan trọng của phân tử ATP là dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích trữ năng lượng (hình 2). Khi ATP thủy giải nó sẽ tạo ra hai ADP và Pi - phosphate vô cơ: enzyme ATP + H2O  ADP + Pi + năng lượng • Nếu ADP tiếp tục thủy giải sẽ thành AMP. Ngược lại ATP sẽ được tổng hợp nên từ ADP và Pi nếu có đủ năng lượng cho phản ứng: enzyme ADP + Pi + năng lượng  ATP + H2O

6. The adenine nucleotides – AMP, ADP and ATP

7. CHỨC NĂNG CỦA ATP Các quá trình TĐC kết hợp rất chặt chẽ, song sự oxy hóa các chất trao đổi bị chi phối bởi hàm lượng ADP. Sự diễn biến của quá trình này phụ thuộc vào tỷ lệ ATP được sử dụng để tạo công vật lý và công hóa học.

8. H2O metabolic fuels oxidized coenzymes mitochondrial electron transport chain ½ O2 reduced coenzymes CO2 ATP (adenosine triphosphate) ADP (adenosine diphosphate) + phosphate physical and chemical work Sự liên quan giữa việc sử dụng ATP và oxy hóa nguyên liệu TĐC

10. CHỨC NĂNG CỦA ATP Công tạo ra hoặc năng lượng sử dụng được chi phối bởi tỷ lệ nguyên liệu được oxy hóa và do đó số lượng thực phẩm cần phải tiêu thụ phải tương ứng với năng lượng tiêu dùng. Chúng ta đều biết nguyên liệu vượt quá dự trữ glycogen trong gan và cơ sẽ được tích trữ trong các mô mỡ.

11. Nhưng … sự phân giải ATP đơn giản không phụ thuộc vào kết quả sử dụng. Các giai đoạn trung gian trong phản ứng của ATP thành ADP cũng rất quan trọng. ATP + H2O  ADP + Pi (phosphate)

12. SỰ HÌNH THÀNH ATP • Để đảm bảo được vai trò chính yếu của mình trong trao đổi chất, lượng dự trữ ATP thường xuyên phải được hồi phục. ATP có thể theo những đường khác nhau: • Phản ứng phosphoryl hóa ở mức cơ chất: đó là phản ứng chuyển trực tiếp nhóm phosphate từ một “dẫn xuất cao năng” đến ADP.

14. SỰ HÌNH THÀNH ATP

15. SỰ HÌNH THÀNH ATP Phản ứng chuyển enol sang xeto của phosphoenolpyruvat là phản ứng phát năng lượng mạnh do đó có thể cặp đôi (kết hợp) với phản ứng tổng hợp ATP. Ví dụ, phản ứng chuyển nhóm phosphate từ phosphocreatin sang ADP là rất quan trọng cho sự co cơ. • Phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa: Phản ứng oxy hóa - khử sinh học (cũng như phản ứng quang hợp) thường làm phát sinh ra một gradient nồng độ proton H+ ở 2 phía màng. Năng lượng tự do của quá trình tiêu tán gradient proton H+ này được cặp đôi với phản ứng ATP, do đó mới có tên phosphoryl hóa oxy hóa.

16. SỰ HÌNH THÀNH ATP • Phản ứng hình thành ATP bởi adenylatkinaza: Do cắt nhóm pirophosphat làm phát sinh ra AMP. Enzyme adenylatkinaza sẽ xúc tác phản ứng:  AMP + ATP  2 ADP Tiếp đó ADP lại được phosphoryl hóa bằng phản ứng đã mô tả ở trên.

17. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG TRAO ĐỔI CHẤT CỦA TẾ BÀO • Như đã biết, adenosinetriphosphate là một chất chế biến và vận chuyển năng lượng. Nó được tạo thành trong quá trình phân giải các chất khác nhau như oxy hóa các chất trong ty thể, đường phân và lên men, quang hợp ở diệp lục của thực vật xanh và các quá trình vận chuyển ion ở vi khuẩn,…Ngược lại, ATP cũng là chất cung cấp năng lượng cho các 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 chất protein, axit nucleic…cũng như sản sinh và duy trì tính phân bố không đều các chất giữa tế bào với môi trường xung quanh.

18. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG TRAO ĐỔI CHẤT CỦA TẾ BÀO • Trong các phần trước cho thấy: sự thay đổi năng lượng tự do âm, khi thủy phân nhóm phosphate tận cùng của ATP lớn hơn khi thủy phân liên kết esterphosphate. Ví dụ khi thủy phân phosphate tận cùng của ATP năng lượng giải phóng vào khoảng G0 = -32,7 kJ/mol, còn thủy phân liên kết esterphosphate của glucose-6-phosphate chỉ giải phóng năng lượng tự do vào khoảng G0 = -12,6 kJ/mol.

19. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG TRAO ĐỔI CHẤT CỦA TẾ BÀO • Khác biệt này, do năng lượng tự do tích lũy trong liên kết năng lượng và liên kết cao năng khác nhau. Đa số, các liên kết giàu năng lượng là các liên kết phosphate có cấu trúc anhydride (ATP, ADP, acetylphosphate, aminoacetylphosphate, pirophosphate,..), có cấu trúc enolphosphate (phosphoenolpyruvat), và cấu trúc phosphoguanidinphosphate (creatinphosphate), cũng như thioester (ví dụ acetyl-CoA) và S-adenosylmethionin (ví dụ methinoin hoạt động). Còn các liên kết nhiệt lượng thì khi thủy phân, nhiệt năng giải phóng nhỏ hơn -16 kJ/mol, thường là các sản phẩm trung gian của đường phân như glucose-6-phosphate, fructose-6-phosphate, glycerat-3-phosphate,…

20. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG TRAO ĐỔI CHẤT CỦA TẾ BÀO • Những liên kết giàu năng lượng có thế vận chuyển nhóm cao, ví dụ như hai phản ứng chuyển phosphate mô tả ở trên mà có ATP là chất cho phosphate. Khi chuyển esterphosphate tận cùng của ATP lên glucose là chất nhận (tạo thành esterphosphate với thế năng vận chuyển phosphate thấp) làm giảm năng lượng tự do và phản ứng không thuận ngịch. Còn chuyển phosphate từ ATP đến AMP hay từ ATP đến creatin dẫn đến tạo thành các liên kết phosphate giàu năng lượng (ADP hoặc A-R-P ~P hay creatin ~ P). Như vậy, các phản ứng này xảy ra giữa các liên kết có thế năng vận chuyển nhóm cao, nghĩa là không thải nhiệt tự do và xảy ra thuận nghịch.

21. Các quá trình cung cấp và tiêu hao năng lượng ở cơ thể sinh vật

22. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG TRAO ĐỔI CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO Ion H+ ở dịch ngoại bào xâm nhập vào tế bào bởi chất mang protein của màng, và kết hợp với ion OH- của tế bào làm giảm gradien pH. Chất mang protein vận chuyển H+ qua màng tế bào đồng thời vận chuyển ion Na+ ra khỏi tế bào.

23. Sự vận chuyển tích cực nhờ bơm Na+, K+

24. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG TRAO ĐỔI CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO Sau đó, ion Na+ xâm nhập trở lại tế bào với các chất khác như đường và acid amin, hoặc quá trình thu nhận và đào thải các chất của tế bào. Tóm lại, đây là cơ chế vận chuyển tích cực các chất (cơ chế đồng vận chuyển )

25. Sự vận chuyển tích cực do bơm H+

26. VAI TRÒ CỦA ATP TRONG CO CƠ

27. BỐN LOẠI PHẢN ỨNG CỦA ATP • 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 vào 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. Tùy thuộc vào liên kết nào trong số các liên kết cao năng của ATP bị đứt mà phản ứng có thể xảy ra: • Chuyển nhóm phosphate cuối và tạo ra ADP. • Chuyển hai nhóm phosphate cuối và tạo ra AMP. • Chuyển AMP và thải ra pirophosphate. • Chuyển adenosine và tạo ra pirophosphate từ hai nhóm phosphate cuối và phosphate vô cơ từ nhóm phosphate thứ ba của ATP.

29. BỐN LOẠI PHẢN ỨNG CỦA ATP • Phản ứng loại một (a) thường hay xảy ra nhất. Nếu nhóm phosphate cuối được chuyển tới nước thì phản ứng sẽ dẫn đến thủy phân nhóm phosphate cuối ấy. Quá trình chuyển nhóm phosphate tới nước là phản ứng phát nhiệt do đó thường được cặp đôi với phản ứng thu nhiệt. Nhóm phosphate cuối này có thể chuyển từ ATP sang nhóm hydroxyl, sang nhóm cacboxyl hoặc sang nhóm amid. Chất xúc tác của tất cả phản ứng chuyển này là kinaza.

30. BỐN LOẠI PHẢN ỨNG CỦA ATP Thườngtrongcácquátrìnhtraođổichất, cácchấtdinhdưỡngsẽđượcchuyểnhóathông qua biếnđổichúngthànhdạngphosphorylhóa. Năng lượngtự do giảiphóngrakhithủyphân ATP thành ADP và phosphate vôcơđượcdùngđểphosphorylhóacơchất.

31. BỐN LOẠI PHẢN ỨNG CỦA ATP • Phản ứng loại hai (b) chuyển nhóm pirophosphate rất ít gặp so với phản ứng loại một. • Phản ứng loại ba (c) chuyển AMP sang phân tử khác và giải phóng phosphate rất thường gặp. Kết quả của phản ứng này là tạo thành hợp chất (R-AMP) có khả năng chuyển nhóm. Loại phản ứng này xảy ra khi hoạt hóa các axit amin để chuẩn bị tổng hợp protein cũng như khi hoạt hóa các axit béo để chuẩn bị tham gia trao đổi chất.

32. BỐN LOẠI PHẢN ỨNG CỦA ATP ATP cũngđựocsửdụngđểchuyểnđổigiữacácnucleosidtriphosphate. Nhưtađãbiếtkhitổnghợp protein, axit nucleic, polysacarit, …lạicầnnhữngnucleosidtriphosphatekhácvới ATP. Tấtcảnhữngnucleosidtriphosphatenàyđềuđượctổnghợptừ ATP vànucleosidtriphosphatetươngứng (NDP).

33. BỐN LOẠI PHẢN ỨNG CỦA ATP Nóicáchkhác, nănglượngtự do của ATP cóthểđượcsửdụngđểsinhtổnghợpracácnucleosidvàcácdesoxynucleosidtriphosphatekhácnhau.