Chuyên đề Những con đường tế bào thu nhận năng lượng tự do

g. Nếu lượng nhiệt đó phát sinh trong tế bào sống sẽ đốt cháy tế bàoHô hấp là một quá trình oxi hóa sinh học (có xúc tác enzim) các chất hữu cơ dự trữ năng lượng (gluxit, lipit, protein) hoặc các chất sống khác giải phóng năng lượng tự do, tạo ra các sản phẩm trung gian (chất đồng hóa sơ cấp) và sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Năng lượng tự do tạo ra trong hô hấp được giải phóng từ từ và phần lớn được tích lũy trong các liên kết cao năng của hợp chất giàu năng lượng dễ sử dụng( ví dụ như ATP), phần nhỏ còn lại tỏa ra dưới dạng nhiệt tự do. Năng lượng đó được sử dụng cho hầu hết các hoạt động sống cần năng lượng của cơ thể. Các con đường được sử dụng để chuyển hóa có thể là lên men, oxi hóa hiếu khí, oxi hóa trực tiếp phân tử đường, chu trình pentose2Hoâ haáp teá baøoĐƯỜNG PHÂN (con đường EMP, glycolysis) 	Quá trình glycolysis được thực hiện qua nhiều giai đoạn, photphorin hóa phân tử đường, tạo ra dạng chất hoạt hóa dễ phân giải, với 10 phản ứng, một lượng nhỏ năng lượng tự do được tích lũy trong 2 phân tử ATP, lực khử ở dạng phân tử chất mang điện tử là NADH (2 phân tử), và 2 phân tử axit piruvic.	Glycolysis được kết thúc và sản phẩm cuối cùng là axit piruvic. Số phận tiếp theo của piruvat tùy thuộc vào điều kiện môi trường: tế bào hô hấp hiếu khí (nếu môi trường có O2) hoặc hô hấp kị khí ( nếu môi trường không O2). QUÁ TRÌNH OXI HÓA PIRUVATSự oxi hóa của pyruvat tạo axetat(hợp chất 2C), gắn gốc CoA, tạo Axetyl-CoA, làm cơ chất tham gia chu trình axit xitric của hô hấp tế bào.CHU TRÌNH AXIT CITRIC Axety CoA là điểm xuất phát chu trình axit xitric (cũng được gọi là chu trình Krebs hay chu trình axít tricacbonxilic.Qúa trình này gồm 8 phản ứng , ôxy hóa một gốc axetyl 2 cacbon giải phóng 2 phân tử CO2. Năng lượng tự do được giải phóng từ các phản ứng này được tích lũy vào ADP tạo ATP và 8 điện tử được giải phóng sẽ khử NAD và FAD. NAD+ và FAD đóng vai trò chất mang điện tử, H+ tham gia chuỗi truyền điện tử giải phóng năng lượng tổng hợp ATP ở màng trong ty thể.CHUỖI HÔ HẤP Chuỗi hô hấp mang hệ thống các phức hệ protein định vị ở màng trong ty thể, tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử, nhận các điện tử và proton từ chất mang là NADH và FADH2, chuyển chúng đến chất nhận cuối cùng là oxi tạo nướcTrong quá trình vận chuyển của dòng proton tạo động lực quay động cơ ATP synthase, thực hiện quá trình photphorin hóa, tổng hợp ATP.3SÖÏ OXI HOÙA AXIT PYRUVICPyruvat khuếch tán vào bên trong chất nền ty thể, nơi sẽ diễn ra phản ứng oxi hóa: 2. Một phần năng lượng tự do từ quá trình oxi hóa được sử dụng khử NAD+ thành NADH và H+ 1. Pyruvat bị oxi hóa tạo gốc acetyl 2 cacbon (acetyl-CoA) và một phân tử CO2 được giải phóng 3. Phần lớn năng lượng tự do còn lại được dự trữ tạm thời liên kết nối giữa gốc Axetat vào coenzim A tạo Axetyl – CoA.Coenzyme A là một trong các phân tử trung tâm trong chuyển hoá, có cấu tạo gồm các đơn vị β-mercaptoethylamine chứa nhóm ngoại sulfua SH, vitamin B5 panthothenate và một nucleotic adenosine triphosphate. Chức năng chính của CoA là vận chuyển các nhóm acyl bởi liên kết tại đầu tận cùng sulfhydryl của nó, tạo thành chất dẫn xuất gọi là acyl-CoA. Nhóm acyl thường liên kết với CoA là đơn vị acetyl, khi đó chất dẫn xuất được gọi là acetyl-CoA.Sự hình thành phân tử acetyl-CoA là kết quả của chuỗi phản ứng phức tạp được xúc tác bởi phức hệ enzim oxi hóa pyruvat, mà phần lớn hệ enzim này được gắn kết ở màng trong ty thể. 4CHU TRÌNH AXIT CITRIC	* Axety CoA là cơ chất tham gia chu trình axit xitric. Quá trình này gồm 8 phản ứng , ôxy hóa một gốc axetyl-2C giải phóng 2 phân tử CO2. Năng lượng tự do được giải phóng từ các phản ứng này được tích lũy vào ADP tạo ATP và 8 điện tử được giải phóng sẽ khử NAD+ và FAD.	* Thực chất chu trình acid xitri chuyển hóa gốc Axetyl hoàn toàn đến hai phân tử CO2, đẩy các nguyên tử H từ axit hữu cơ đến các cofactor, khử những chất này tạo thành chất mang điện tử. Nguồn hóa năng trong các chất mang này được giữ lại trong quá trình phản ứng. Và chúng bị oxi hóa trong hệ chuỗi hô hấp, một lượng lớn năng lượng tự do được vận chuyển để tổng hợp ATP. Nguồn vào đầu tiên chu trình axit citric là Axetat ( trong cấu trúc Axetyl CoA), nước, và những chất oxi hóa mang điện tử (NAD+ và FAD) Đầu ra là CO2, những chất mang điện tử đã bị khử (NADH+H+ , FADH2) và một lượng nhỏ ATP. 	Nói chung, cho mỗi gốc axetyl, chu trình axit citric chuyển đến 2 CO2 và sử dụng 4 cặp nguyên tử H để khử chất mang điện tử.5CHU TRÌNH AXIT CITRICMột chu trình Krebs : - Giải phóng 2 phân tử CO2 - Khử 3 NAD+ tạo 3 NADH - Khử 1 FAD (chất mang điện tử) tạo FADH2 -Tổng hợp 1 ATP -Tái tạo lại hợp chất 4C oxaloacetate6CAÙC GIAI ÑOAÏN TRONG CHU TRÌNH AXIT CITRIC Nguồn năng lượng tạm thời dự trữ trong Axetyl CoA chuyển hóa để cấu tạo nên citrat từ oxaloaxetat ( phản ứng 1). Trong quá trình phản ứng, phân tử Coenzim A được tách ra và được sử dụng lại trong chu trình khácTrong phản ứng 2, phân tử citrat sắp xếp đồng phân tạo isocitratTrong phản ứng 3, một phân tử CO2 và cặp H và điện tử được tạo ra, isoaxetat bị oxi hóa thành -ketoglutarate. Phản ứng này tạo ra lượng lớn năng lượng tự do, phần nhiều của nguồn năng lượng đó được dự trữ trong NADH + H+. Giống như sự oxi hóa pyruvat thành acetyl CoA, phản ứng 4 của chu trình axit citric cũng phức tạp. Hợp chất 5 C -ketoglutarate bị oxi hóa đến hợp chất 4C xucxinat. Trong quá trình này, loại thải CO2, nhiều năng lượng oxi hóa được dự trữ trong NADH +H+, và phần nhiều năng lượng được tích lũy tạm thời trong quá trình tạo hợp chất xucxinat-CoA từ sự liên kết giữa sucxinat với CoA.Trong phản ứng 5, năng lượng của liên kết cao năng trong xucxinat-CoA được sử dụng để tổng hợp GTP từ GDP và gốc P vô cơ, sau đó GTP chuyển năng lượng cho ADP tạo ATP, đây là ví dụ cho phản ứng photphorin hóa trong chất nền chu trình Krebs.Trong phản ứng 5, từ sucxinyl-CoA oxi hóa tái tạo lại sucxinat. Tiếp theo đó, phản ứng 6, năng lượng tự do đươc giải phóng từ quá trình oxi hóa sucxinat tạo nên fumarat. Trong quá trình này, hai H vận chuyển đến khử chất mang FAD. Phản ứng 7, axit fumaric được hidrat hóa thành axit malicMột lần nữa quá trình khử NAD+ xảy ra, tạo oxaloaxetat từ malat trong phản ứng 8.Hai phản ứng này minh họa cho cơ chế sinh học phổ biến: nước được sử dụng trong phản ứng 7 phân li tạo nhóm –OH, và trong phản ứng 8, H từ nhóm –OH chuyển đến khử NAD+ tạo NADH +H+. Cuối cùng trong quá trình, oxaloaxetat, được tiếp tục kết hợp tạo hợp chất với một nhóm Axetyl khác từ Axetyl CoA và con đường vòng của chu trình lại tiếp tục. Chu trình axit citric có hiệu quả gấp hai cho quá trình phân giải một phân tử đường Glucose trong đường phân ( một lần cho mỗi pyruvat đi vào chất nền ty thể)7CHUOÃI HOÂ HAÁP TEÁ BAØO ( Chuoãi vaän chuyeån ñieän töû )Sự oxi hóa pyruvat và hoạt động của chu trình axit citric đã tạo ra một lượng lớn các chất khử mang điện tử chứa bẫy năng lượng. Để giải phóng nguồn năng lượng này và tổng hợp ATP, nhiều quá trình đã xảy ra để khử những chất mang điện tử này. Hơn nữa, nếu không có NAD+ và FAD, các giai đoạn oxi hóa của đường phân, oxi hóa pyruvat và chu trình axit citric không thể diễn ra. Để tái sinh NAD+ và FAD, sự khử những chất mang điện tử này diễn ra theo nhiều con đường để tách H+ và e-. Số phận của những điện tử và proton này phụ thuộc vào diễn biến quá trình hô hấp tế bào. Quá trình đó gồm 3 phần:1. Điện tử đi xuyên qua suốt một chuỗi liên hợp chất mang điện tử trên màng tế bào gọi là chuỗi hô hấp hay chuỗi vận chuyển điện tử.2. Dòng điện tử chuyển dọc theo kênh vận chuyển, proton xuyên qua màng trong ty thể, bên ngoài chất nền, tạo nên sự chênh lệch nồng độ proton.3. Các proton khuếch tán trở lại vào chất nền ty thể xuyên qua kênh proton theo cặp để tổng hợp ATP.Toàn bộ quá trình tổng hợp ATP từ chuỗi vận chuyển điện tử được gọi là photphoryl hóa.8QQH+H+H+H+e-e-NADH NADSuccinate FumarateO2 H2OADP ATPKhông gian giữa hai lớp màngNội chất IIIIIIIVVCyt. cH+Màng trong Chuỗi hô hấp chứa nhiều phân tử protein xuyên màng, phân tử protein nhỏ lưu động và sự phân bố những phân tử lipit nhỏ:CHUỖI TRUYỀN ĐiỆN TỬ bốn phức hệ protein chứa những phân tử chất mang liên kết với những enzim là những phân tử protein xuyên màng của màng trong ty thể ở sinh vật nhân thực cytocrom c là một phân tử protein ngoại vi nằm trong khoãng giữa hai lớp màng ty thể, nó gắn một cách lỏng lẻo với màng trong ty thể một hợp chất phi protein (Ubiquinon : Q) nhỏ, không phân cực, di chuyển tự do phía bên trong đầu kị nước của phân tử photpho lipit kép thuộc màng trong ty thể.9CHUOÃI HOÂ HAÁP TEÁ BAØO ( Chuoãi vaän chuyeån ñieän töû )* NADH+H+ vận chuyển điện tử tới Q bởi phức hệ protein I, gọi là phức hệ enzim khử NADH-Q, nơi chứa 26 phân tử polipeptit gắn lắp ráp với nhau. Phức chất khử NADH-Q vận chuyển điện tử đến Q , tạo nên QH2. * Ở phức hệ II, enzym dehydrogenaza sucxinat chuyển điện tử từ sucxinat qua trung gian FADH2 đến Q (trong phản ứng 6 của chu trình axit citric, quá trình tạo nên fumarat từ sucxinat). Những điện tử này đi vào hệ thống chuỗi truyền chậm hơn so với từ NADH. 10CHUOÃI HOÂ HAÁP TEÁ BAØO ( Chuoãi vaän chuyeån ñieän töû )* Ở phức hệ III, enzim khử cytocrom c, với khoãng 10 tiểu đơn vị nhỏ, nó nhận điện tử từ QH2 và chuyển chúng đến cytocrom c.* Tại phức hợp thứ IV, enzim oxi hóa cytocrom c với 8 tiểu đơn vị, đã nhận điện tử từ cytocrom c và chuyển chúng đến oxi, được nhận từ môi trường ngoài , kết hợp với 2 ion H để cấu tạo thành nước.Nếu điện tử chỉ được nhận qua các phản ứng cuối cùng của chuỗi hô hấp, điều gì sẽ xảy ra với các proton? Làm thế nào mà dòng di chuyển cặp proton đến tổng hợp ATP?11CHUOÃI HOÂ HAÁP TEÁ BAØO ( Chuoãi vaän chuyeån ñieän töû )Electron vận chuyển trong mỗi phần của các phức hệ protein, như chúng ta sẽ thấy, trong bơm proton qua màng trong ti thể bên, sự vận chyển qua màng tế bào là cùng với sự hình thành của ATP. Vì vậy, năng lượng ban đầu được chứa trong đường và các thực phẩm khác cuối cùng được tích lũy trong đồng tiền năng lượng ATP. Đối với mỗi cặp điện tử dọc theo chuỗi vận chuyển từ NADH+H+ đến oxy, ba phân tử của ATP được hình thành.12