Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

 

TỔNG QUAN MỘT VÀI PHẢN ỨNG OXI HÓA - KHỬ TRONG HỆ THỐNG SỐNG

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

http://classes.midlandstech.com/carterp/Courses/bio225/chap05/05-13_KrebsCycle_1.jpg

Hình 4.1: Chu trình Krebs. Ở đây lưu ý sự hình thành NADH ở bước 1, 3, 4 và 8 (hình phải).

Một lượng lớn NADH được tạo ra từ chu trình Krebs trong ti thể như đã trình bày ở hình trên sẽ trở thành năng lượng cho quá trình sinh ATP (do ATP synthase xúc tác) và các phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa. Vậy, cơ chế phản ứng cụ thể của quá trình quan trọng trên là gì, nó diễn ra như thế nào và các yếu tố chi phối chính tác động ra sao? Để trả lời các câu hỏi trên, ta hãy cùng tìm hiểu rõ hơn về bản chất của phản ứng oxi hóa – khử, một phản ứng vô cùng quan trọng của sinh giới.

Nguyên lý cơ bản của phản ứng oxi hóa – khử

Phản ứng oxi hóa – khử là sự chuyển electrón từ một thành phần hóa học này sang một thành phần hóa học khác. Thành phần oxi hóa và thành phần khử luôn đi chung với nhau một cách bắt buộc và chúng tạo thành 2 bán phản ứng mà khi gộp lại, chúng ta được một phản ứng hoàn chỉnh.Các tính chất cơ bản sẽ được trình bày ở đây với mục đích nền tảng để tiếp cận sâu hơn về mặt sinh học, để có thể hiểu chi tiết hơn, các bạn có thể tham khảo các quyển chuyên khảo hóa học.

http://library.thinkquest.org/10429/media/redox/equa1.gif http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%205/05-02_RedoxReactions_L.jpg

Hình 4.2: Trong phản ứng ở hình tển trên, Fe cho 2 electron để tạo thành Fe2+, nó là chất khử và quá trình cho electron gọi là sự oxi hóa. Cu2+ nhận 2 electron để tạo thành Cu, nó là chất oxi hóa và quá trình nhận electron gọi là sự khử. Hình dưới mô tả tính tổng quát của phản ứng.

Một vài tính chất cần lưu ý:

-          Có chất cho electron thì phải có chất nhận electron.

-          Một phản ứng oxi hóa – khử phải cân bằng cả về hiệu số phân tử và cả số electron cho nhận. Hay nói cách khác, cho bao nhiêu thì nhận bấy nhiêu, không thừa – không thiếu.

-          Phản ứng oxi hóa – khử luôn tuân thủ các nguyên lý nhiệt động học.

Câu hỏi vấn đề:

1.Biết thế oxi hóa-khử tiêu chuẩn : 

EoCu2+/Cu+ = +0,16V, EoCu+/Cu = +0,52V, Eo Fe3+/Fe2+ = +0,77V, EoFe2+/Fe = -0,44V

Hãy cho biết hiện tượng gì xảy ra trong các trường hợp sau:

(a)    Cho bột sắt vào dung dịch Fe2(SO4)3 0,5M.

(b)    Cho bột đồng vào dung dịch CuSO4 1M. 

2.  Dung dịch X gồm Na2S 0,010M, KI 0,060M, Na2SO4 0,050M.

Axit hoá chậm dung dịch X đến pH = 0. Thêm FeCl3 cho đến nồng độ 0,10M.

i                     Tính thế của cực platin nhúng trong dung dịch thu được so với cực calomen bão hoà (Hg2Cl2/2Hg,2Cl-).

ii                   Biểu diễn sơ đồ pin, viết phương trình phản ứng xảy ra tại các điện cực và phản ứng tổng quát khi pin hoạt động.      

Cho: axit có H2S pK1 = 7,00, pK2 = 12,90; HSO4-  có pK = 2,00; Tích số tan của PbS = 10-26 ; PbSO4 = 10-7,8 ;  PbI2 = 10-7,6.

           Eo Fe3+/Fe2+ =  0,77 V ; Eo S/H2S = 0,14V ; Eo I2/2I- = 0,54V ; Ecal b·o hoµ =  0,244V

Giải đáp:

1. a)    Eo Fe3+/Fe2+ =  +0,77 V          >      Eo Fe2+/Fe    =  -0,44 V nên:

Tính oxi hoá:   Fe3+ mạnh hơn Fe2+

Tính khử:        Fe  mạnh hơn Fe2+

Do đó phản ứng tự phát xảy ra giữa 2 cặp là:  2 Fe3+   +   Fe   ®    3 Fe2+

Như vậy Fe tan trong dung dịch Fe(SO4)3 tạo thành muối FeSO4, làm nhạt màu vàng ( hoặc đỏ nâu) của ion Fe3+ và cuối cùng làm mất màu (hoặc tạo màu xanh nhạt) dung dịch.

b)     Eo Cu+/Cu    =  + 0,52 V    >Eo Cu2+/Cu+ =  + 0,16 V  nên:

Tính oxi hoá:  Cu+  mạnh hơn Cu2+

Tính khử:        Cu+  mạnh hơn Cu

Do đó phản ứng tự phát xảy ra giữaa 2 cặp là: Cu+      +  Cu+ ®     Cu2+   +   Cu

Phản ứng nghịch (Cu2+ phản ứng với Cu tạo thành ion Cu+) không xảy ra. Do đó khi bỏ bột đồng vào dung dịch CuSO4 không xảy ra phản ứng và quan sát không thấy hiện tượng gì.

2.  Axit hoá dung dịch X:

S2- + 2H+® H2S (C H2S = 0,010 < S H2S nên H2S chưa bão hoà, không thoát ra khỏi dung dịch)

Phản ứng:    2 Fe3+   +   H2S ®  2 Fe2+   +     S    +   2 H+               K=1021

                      0,1          0,01

          0,08           -            0,02                      0,02

          2 Fe3+   +    2I-®     2 Fe2+        +       I2                     K=107,8

          0,08          0,06         0,02

          0,02             -          0,08               0,030

Thành phần trong dung dịch: Fe3+   0,020   ; Fe2+   0,080  ;I2   0,030M  ;H+  0,02M

E Fe3+/Fe2+ =  0,77 + 0,059 lg 0,02/0,08 = 0,743V (cực dương)

Ecal = 0,244V ( cực âm)

+

 
Epin = E+-   E- = 0,743 - 0,244 = 0,499V

Sơ đồ pin:

                   Hg  | Hg2Cl2 |   KCl bh  ||  Fe3+, Fe2+  |    Pt

 

Phản ứng:     -          2 Hg     +     2 Cl-    =   Hg2Cl2      +   2 e

                   +   2x   Fe3+         +     e          =   Fe2+

                    2 Hg   +   2 Fe3+   +    2 Cl-   =    Hg2Cl2¯

Một phản ứng ví dụ hay gặp trong các quá trình sinh học là phản ứng sau của NAD+/NADH, trong đó NAD+ ở dạng oxi hóa (có khả năng nhận electron) còn NADH ở dạng khử (có khả năng cho electron):

Thế nhiệt động học của phản ứng này được tính dựa vào hằng số cân bằng và sự tương quan giữa nồng độ của các phần tử phản ứng và sản phẩm tạo thành. Lưu ý rằng chúng ta không thể tính trực tiếp nồng độ của electron một cách trực tiếp, do vậy trong thực hành chúng ta tính toán các con số dựa vào thế điện cực của mỗi bán phản ứng ở điều kiện cơ thể sống (E) so với điều kiện chuẩn (Eo).Nếu pH = 7 (pH trung tính, chuẩn), chúng ta sẽ có đại lượng thế điện cực sinh học chuẩn, kí hiệu là Eo’. Phương trình liên quan giữa Eo’ và năng lượng tự do Gibbs được minh họa theo phương trình sau:

ΔG°′ = –nFΔEo

Trong đó, F là hằng số Faraday (có giá trị bằng 23.06 kcal/volt/mol).

Xét đến phản ứng tạo ATP từ ADP, ta có phương trình sau:

ADP + Pi" ATP

Phản ứng tiêu tốn 7.3 kcal/mol. Do vậy, về mặt lý thuyết, 1 mol phân tử NADH có thể tạo ra khoảng 3 mol ATP. Nếu tính toán tương tự cho FADH2, ta sẽ có 1 mol FADH2 sẽ tạo ra được khoảng 2 mol ATP. Còn về mặt thực tế trong cơ thể, 1 mol NADH chỉ tạo ra khoảng 2.5 mol ATP hiệu dụng và 1 mol FADH2 chỉ tạo ra được 1.5 mol ATP hiệu dụng mà thôi.

 

https://camtools.cam.ac.uk/access/content/group/fdcc849d-b480-4356-8043-3bd15323f7e3/Learning%20Technology%20Examples/Macromolecules%20II/images/pic002.jpg

Hình 4.3: Cấu trúc của NADH, bao gồm: Nicotinamide, adenosine, phosphate và D-ribose.

Phức hợp chuỗi truyền điện tử

NADH được oxi hóa bởi một chuỗi các carrier xúc tác oxi hóa khử có bản chất protein ở màng trong ti thể. Đây là một chuỗi các phản ứng tỏa nhiệt, do vậy giá trị của năng lượng tự do rất âm. Trong chuỗi quá trình này, protons được vận chuyển từ chất nền ti thể ra khoảng trung gian giữa màng trong và màng ngoài. Sự tái phân bố của proton dẫn đến sự hình thành một gradient nồng độ xuyên màng ti thể và độ lớn của nó có ảnh hưởng đến năng lượng tự do của các phản ứng truyền điện tử (chuỗi truyền năng lượng có nguồn gốc từ NADH có vai trò làm tăng năng lượng của gradient proton này). Khi hiện diện ADP, protons sẽ giảm nồng độ nhiệt động theo hướng từ bên ngoài vào chất nền ti thể (được xúc tác bởi ATP synthase, đây cũng là cơ chế hoạt động của nó).

Dòng electron trong chuỗi truyền điện tử đi qua một vài phức hợp enzyme. Cuối cùng, electron đi vào chuỗi truyền điện tử từ NADH trong bào tương đến NADH trong ti thể hoặc cũng có thể từ succinate hay glycerol phosphate shuttle, cả hai đều có nguồn gốc từ FADH2.

http://www.bio.miami.edu/~cmallery/150/makeatp/gpshuttle.jpg

Hình 4.4: Minh họa quá trình vừa mô tả ở trên.

Ngoại trừ NADH, succinate và CoQ (ubiquinone), tất cả các thành phần khác của lộ trình đều là các protein của màng trong ti thể và chúng đều trải qua các phản ứng oxi hóa – khử. NADH và succinate tan trong chất nền ti thể; CoQlà một carrier nhỏ, kị nước, giới hạn trong màng tế bào và linh động, có khả năng chuyển electron giữa các dehydrogenase và cytochrome b.

Toàn bộ chuỗi truyền điện tử được thể hiện qua hình sau:

http://www.nature.com/nrc/journal/v3/n3/images/nrc1013-i1.jpg

http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/images/etp_as_proton-pumps.gif

Hình 4.5: Phức hợp I chứa FMN và 22-24 iron-sulfur (Fe-S) protein có cấu trúc từ 5-7 bó. Phức hợp II gồm FAD và 7-8 Fe-S protein có cấu trúc 3 bó và cytochrome b560. Phức hợp III có chứa cytochrome b, cytochrome c1 và 1 Fe-S protein, ngoài ra còn có sự cấu thành của một chất nhận electron mạnh mẽ là cytochrome c.Phức hợp IV chứ cytochrome a, cytochrome a3 và 2 ion copper. 2 electron đi qua phức hợp I, 4 proton sẽ được bơm vào bên trong màng ti thể. Tương tự vậy, 4 protons được bơm vào bên trong khi mỗi cặp electron đi qua phức hợp III và 4 electron sẽ được dùng để khử Oxygen đến dạng tồn tại ở trong phân tử H2O trong phức hợp IV.

Sự hình thành ROS (Reactive Oxygen Species)

http://www.pdiconnect.com/content/29/Supplement_2/S145/F1.large.jpg

Hình 4.6: Mô tả sơ lượt lộ trình tín hiệu tiền viêm, nguyên nhân và hậu quả.

Hệ thống chuỗi truyền điện tử (electron transport chain: ETC) của hệ thống oxi hóa phosphoryl hóa giữ một vai trò quan trọng trong cơ chế sinh ra ROS. Trong tế bào, ROS được tạo ra chủ yếu là ion O2- trong H2O2 và gốc tự do OH. Khi electron đi qua chuỗi các phức hợp trong ETC, một vài electron tương tác với O2 không “hoàn chỉnh” và do vậy tạo thành superoxide. Superoxide này nhanh chóng hoạt động thông qua sự xúc tác của copper-zinc-superoxide dismutase (CuZn-SOD hoặc còn gọi là SOD1) và superoxide dismutase ti thể (Mn-SOD, SOD2) để tạo thành hydrogen peroxide. SOD1 có mặt trong khoảng gian màn còn SOD2 tồn tại trong chất nền ti thể. H2O2 được tạo ra sẽ khuếch tán vào bào tương và bị phân hủy bởi một số enzyme chống oxi hóa (như glutathione peroxidase, GPx1-GPx4; catalase; peroxiredoxins, PRX1 và PRX2). Cần lưu ý là ROS được sinh ra chủ yếu bởi flavin mononucleotide (FMN) ở phức hợp I. Ngoài ra, sự sinh ra ROS cũng xảy ra trong màng tế bào và màng của lưới nội bào (ER) bởi hoạt động của NADP(H) oxidase.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b0/Flavin_mononucleotide.png

 

Hình 4.7: Cấu trúc của phân tử FMN

Chúng ta cần biết thêm, ROS sinh ra từ ti thể và ER tham gia vào quá trình lão hóa cũng như một số tình trạng bệnh lý (như tiểu đường týp 2 và Parkinson chẳng hạn). Việc sinh ROS cũng chịu tác động bởi chế độ ăn uống và hiện đã có bằng chứng cho thấy rằng tình trạng béo phì (obesity) làm cho tình trạng đề kháng insulin và tiểu đường. Chế độ ăn nhiều chất béo cũng sẽ tạo ra nhiều NADH và FADH2, hệ quả là ROS được sinh ra nhiều hơn (đặc biệt là nhiều H2O2 ở ti thể của cơ vân, có thể dẫn đến tình trạng suy giảm chức năng của ti thể).

http://media.wiley.com/CurrentProtocols/TX/tx0707/tx0707-fig-0001-1-full.gif

Hình: Một số phương trình hóa học liên quan tới H2O2.

ROS được tạo ra trong ER là một tác nhân chính trong việc gây ra bệnh tiểu đường. Như ta đã biết, quá trình gấp nếp protein xảy ra ở ER và chất lượng protein phụ thuộc rất lớn vào sự hình thành các liên kết disulfide (của tiểu phân cysteine) và sự giải phóng electron (các electron di chuyển qua protein disulfide isomerase để đến ER oxidoreductin và cuối cùng là Oxygen để tạo ra O2-). Tương tự ở ti thể, tình trạng béo phì và bệnh lý tiểu đường có thể là nguyên nhân gây quá tải chức năng gấp nếp protein của ER và kèm theo là tăng sản sinh ra ROS. Như một hậu quả chắc chắn, lộ trình tiền viêm (pro-inflammatory) sẽ xảy ra (hoạt hóa kinase JNK, IKKβ; hai phân tử có chức năng phosphoryl hóa IRS1/2), lộ trình tín hiệu insulin sẽ bị rối loạn hoặc gián đoạn. Cần lưu ý thêm là NFκB là một trong những yếu tố phiên mã (TF) điều hòa sự biểu hiện của các gene tiền viêm.

http://www.jpp.krakow.pl/journal/archive/12_07_s6/gfx/rys0308.gif

Hình 4.8: Toàn cảnh quá trình tạo ROS, các yếu tố nguy cơ và hậu quả.

Lộ trình tín hiệu của các phân tử này đã được đề cập rất chi tiết trong quyển “Sinh học phân tử tế bào” của cùng tác giả.

Hình 4.9: (a) Cấu trúc ở thể proton hóa của glutathione, γ-glutamylcysteinylglycine, GSH. (b) Phản ứng oxi hóa – khử. (c) Phản ứng của GSH với nhóm disulfide chức năng của một protein để đưa nó về dạng di-thiol và hình thành GSSG. (d) Cấu trúc phức hợp Fe(III)-OOH peroxide của catalase ở người.

Một số vấn đề khác

Các phức hợp oxidase, như cytochrome oxidase chẳng hạn, chuyển electron trực tiếp từ NADH đến các cơ chất khác (như Oxygen để tạo thành nước).

Oxygenase hầu hết lại tập trung ở trên màng của ER, có chức năng xúc tác quá trình gắn phân tử oxygen vào hợp chất hữu cơ. Có 2 loại phức hợp oxygenase là monooxygenase và loại còn lại là dioxygenase:

-          Dioxygenase gắn 2 nguyên tử nguyên tố oxygen vào carbon và nitrogen của hợp chất hữu cơ.

-          Monooxygenase có vai trò chính trong hoạt tính của các thuốc giải độc (detoxifying drugs) và các hợp chất khác (như PCBs, dioxin,…), trạng thái chuyển hóa bình thường của steroids, acid béo và các vitamins tan trong dầu. MOG chuyển 2 electron từ NADH hoặc NADPH đến 1 hoặc 2 nguyên tử nguyên tố oxygen để tạo ra nước hoặc nhóm hydroxyl cho các hợp chất hữu cơ. Do vậy, các hợp chất hữu cơ “mới” này tan được trong nước nhiều hơn tiền chất của nó và dễ dàng được đào thải khỏi cơ thể hơn. Cần nhớ rằng, phức hợp MOG có chứa cytochrome b5, cytochrome P450 và cytochrome P450 reductase, chứa nhiều FAD hơn là FMN.

Glutathione rất quan trọng trong việc duy trì điện thể khử bình thường của tế bào và cung cấp glutathione peroxidase để chuyển hydrogen peroxide thành nước. Nếu tế bào hồng cầu thiếu glutathione thì nó sẽ bị hydrogen peroxide tấn công lên màng tế bào, sẽ dễ vỡ và gây ra tình trạng tán huyết.

Hyponitrite reductase là một enzyme thủy phân phản ứng hóa học sau đây:

2 hydroxylamine + 2 NAD+  \rightleftharpoons hyponitrous acid (H2N2O2)+ 2 NADH + 2 H+

Enzyme này là thành viên của họ oxidoreductases, có vai trò quan trọng trong quá trình phân giải các hợp chất có chứa nitrogen.

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh