Giáo trình Hóa Sinh học - Chương 8 Khái niệm về sự trao đổi chất và trao đổi năng lượng

iện tử. Ở đây, điện tử và ion hydrogen của phân tử cơ chất không chuyển trực 
 139 
tiếp cho oxygen không khí mà được chuyển dần qua một chuỗi phức tạp nhiều 
mắt xích, bao gồm các hệ enzyme oxy hóa khử, có thế năng oxy hóa khử nằm 
trong khoảng giữa thế năng oxy hóa khử của cơ chất và của oxygen. Các hệ 
enzyme này được sắp đặt theo một trật tự tăng dần thế năng oxy hóa khử tạo 
thành một chuỗi, gọi là chuỗi hô hấp hay chuỗi vận chuyển điện tử của tế bào. 
Vai trò của chuỗi hô hấp là oxy hóa từng bậc hydrogen của cơ chất đến H2O. 
Cơ chế hoạt động của chuỗi hô hấp tế bào có thể tóm lược như sau: 
Chất cho nguyên tử hydrogen là NADH + H+ hoặc trong một số trường 
hợp là FADH2. Nguyên tử hydrogen sẽ được chuyển tới hệ coenzyme Q (CoQ) 
thông qua hệ trung gian flavoprotein chứa sắt và lưu huỳnh. Tiếp theo hai điện 
tử của nguyên tử hydrogen được tách ra và đi vào hệ thống vận chuyển điện tử 
theo trình tự các cytochrome b-c1-a-cytochromeoxydase (a3), cuối cùng điện tử 
được chuyển cho oxygen. Nguyên tử oxygen bị khử (ở trạng thái ion hóa) sẽ 
kết hợp với 2H+ (proton) để tạo ra phân tử nước. 
Quá trình chuyển hydrogen và điện tử ở trong chuỗi hô hấp có thể phân 
thành 4 giai đoạn: 
- Giai đoạn 1: Thông thường hydrogen được tách từ cơ chất bởi 
dehydrogenase có coenzyme NAD+(hoặc NADP +). Hydrogen của cơ chất gắn 
vào NAD+, cơ chất từ dạng khử chuyển thành dạng oxy hóa và NAD+ từ dạng 
oxy hóa biến sang dạng khử. Mỗi cơ chất có một dehydrogenase đặc hiệu 
tương ứng: 
AH2 + NAD+ → A + NADH +H+ 
(Trong đó AH2 và A là cơ chất dạng khử và dạng oxy hóa) 
NADH không thể tự oxy hóa bởi oxygen được, tức là không thể trực tiếp 
chuyển hydrogen cho oxygen mà phải chuyển sang cho dehydrogenase khác 
có coenzyme là FMN hoặc FAD. 
- Giai đoạn 2: NADH (hoặc NADPH) bị oxy hóa bởi dehydrogenase. 
Enzyme này là một flavoprotein có coenzyme là FMN hoặc FAD. Hai eletron 
được chuyển từ NADH + H+ tới FMN (hoặc FAD) cho FMNH2 (hoặc 
FADH2): 
NADH + H+ + FMN→ NAD+ + FMNH2
NADH dehydrogenase cũng chứa sắt, chất này có lẽ giữ vai trò vận 
chuyển eletron. sắt không tham gia vào một nhóm hem nào. NADH 
dehydrogenase là một protein chứa sắt không thuộc hem. 
 140 
- Giai đoạn 3: H+ và eletron được chuyển từ FMNH2 tới coenzyme Q là 
một dẫn xuất quinone, còn được gọi là ubiquinon (UQ). Coenzyme Q là một 
chất tác dụng chuyển vận khá linh hoạt eletron giữa flavoprotein và hệ thống 
cytochrome. Ubiquinon có thể nhận 1 hoặc 2e- và tạo ra semiquinone (UQH-) 
hoặc ubiquinol (UQH2). Đặc tính này cho phép nó làm cầu nối vận chuyển e- từ 
chất cho 2e- sang chất nhận 1e-. Ngoài ra, vì phức UQ nhỏ và kỵ nước, nên nó 
dễ dàng di chuyển trong lớp lipid đôi của màng ty thể làm con thoi vận chuyển 
e- giữa các phức vận chuyển e- cồng kềnh khác trong màng ty thể. 
- Giai đoạn 4: Các enzyme vận chuyển eletron từ CoQH2 đến oxygen. Đó 
là hệ thống cytochrome, nó giữ vai trò trung tâm trong hô hấp tế bào. Mỗi 
cytochrome là một protein enzyme vận chuyển electron có chứa nhóm ngoại 
hem. Ở các phân tử cytochrome, nguyên tử sắt liên tục đi từ trạng thái sắt hai 
(Fe2+) - dạng khử tới trạng thái sắt ba (Fe3+) - dạng oxy hóa trong quá trình 
chuyển vận eletron. Nhóm hem chuyển vận một eletron; ngược lại với NADH, 
flavin và coenzyme Q là những chất chuyển vận hai electron. 
Có 5 cytochrome giữa CoQ và O2 trong chuổi chuyển vận electron. Thế 
năng Oxy hóa khử của chúng tăng theo thứ tự: cytb, cytc1, cytc, cyta, cyta3. 
Cấu trúc và tính chất của các Cytochrome này khác nhau. Nhóm phụ của 
Cytochrome b, c1, c là protoporphyrin có sắt, thường gọi là hem. Cytochrome a 
và a3 là những thành phần cuối của chuỗi hô hấp tế bào, chúng ở dạng một 
phức chất gọi là Cytochrome oxydase. Electron được chuyển tới phần 
Cytochrome a của phức chất, rồi tới Cytochrome a3 có chứa đồng (Cu+) dạng 
khử trong quá trình vận chuyển electron, có lẽ nó tham gia xúc tác vận chuyển 
electron từ hem A của Cytochrome a3 tới oxygen. 
Quá trình vận chuyển electron qua hệ thống Cytochrome được tóm lược 
như sau: 
2e- + 2 cytb Fe3+ → 2 cytb Fe2+
2 cytb Fe2+ + 2 cytc1 Fe3+ → 2 cytb Fe3+ + 2 cytc1 Fe2+
2 cytc1 Fe2+ + 2 cytc Fe3+ → 2 cytc1 Fe3+ + 2 cytc Fe2+
2 cytc Fe2+ + 2 cyta Fe3+ → 2 cytc Fe3+ + 2 cyta Fe2+
2 cyta Fe2+ + 2 cyta3 Fe3+ → 2 cyta Fe3+ + 2 cyta3 Fe2+
2 cyta3 Fe3+ + 1/2 O2 → 2 cyta3 Fe3+ + 1/2 O2-
 141 
Toàn bộ chuỗi hô hấp tế bào từ cơ chất dạng khử AH2 tới oxygen phân 
tử qua NAD, flavoprotein, coenzyme Q, hệ thống Cytochrome được trình bày 
ở hình 8.4. 
 AH2 A 
NAD NADH + H+
 ATP ADP + P 
 FADH2 (FMNH2) FAD (FMN) 
CoQ CoQH2
2Fe2+ 2cytb 2Fe3+
ATP ADP + P 
2Fe3+ 2cytc1 2Fe2+
2Fe2+ 2cytc 2Fe3+ 2H+
2Fe3+ 2cyta 2Fe2+
ATP ADP + P 
2Fe2+ 2cyta3 2Fe3+
 H2O 
1/2O2 1/2O2-
Hình 8.4. Chuỗi hô hấp tế bào 
Kết quả của chuỗi hô hấp tế bào thông thường là H2O, nhưng vẫn có 
trường hợp tạo thành gốc superoxyd (O¯2) và hydrogenperoxyd (H2O2). Đây là 
các chất độc đối với tế bào vì chúng tấn công các acid béo không no cấu tạo 
lipid màng tế bào gây sự biến chất của cấu trúc màng. Theo các số liệu thực 
nghiệm thì vị trí tạo thành O2¯ chính là vùng CoQ - cytochrome b do quá trình 
tự oxy hóa của cibi-semiquinone. Như vậy, thường xuyên có sự rò rỉ 1 điện tử 
ở trong ty thể và ty thể sử dụng khoảng 1 - 2% số lượng electron vận chuyển 
đến cytochrome oxydase để tạo thành O¯2. 
 142 
Superoxyd dismutase chứa Mn (Mn.SOD) có mặt trong matrix chỉ 
chuyển được khoảng 80% O¯2 do sự rò rỉ điện tử thành H2O2. 20% O¯2 tạo 
thành được chuyển vào cytoplasme, ở đây superoxyd dismutase của 
cytoplasme (SOD) cùng hợp tác với các hệ thống bảo vệ khác sẽ phân hủy tiếp. 
Có thể biểu thị các quá trình trên như sau: 
O2 + e- → O¯2 (gốc superoxyd ) 
2O¯2 + 2H+ SOD H2O2 + O2 
2H2O2 C-ase 2H2O + O2 
SOD và C-ase là các enzyme chống oxy hóa (antioxydant enzymes), bảo 
vệ tế bào chống lại các gốc tự do độc hại. 
Như vậy, quá trình vận chuyển hydrogen đến oxygen tạo ra H2O, thực 
chất là một quá trình trao đổi electron (cho và nhận) một cách liên tục. Bản chất 
của nó là một quá trình oxy hóa khử. Vì vậy, người ta gọi hô hấp tế bào là oxy 
hóa khử sinh học. 
Một điều cần lưu ý thêm là: chuỗi hô hấp tế bào đã trình bày là chuỗi hô 
hấp tế bào bình thường, nhưng trong một số trường hợp, chuỗi có thể kéo dài 
hoặc ngắn hơn phụ thuộc vào thế năng oxy hóa khử của cơ chất. 
Quan niệm hiện đại về hô hấp tế bào còn bổ sung thêm nhiều chi tiết của 
quá trình hô hấp tế bào kinh điển như đã trình bày. Những dạng di chuyển điện 
tử và hydrogen còn phụ thuộc vào trạng thái cơ chất đến các phức hợp khác 
nhau. 
8.4.2. Sự phosphoryl hóa oxy hóa 
Quá trình tổng hợp ATP là quá trình phosphoryl hóa: 
ADP + H3PO4 → ATP 
Đây là quá trình cần năng lượng. Như chúng ta đã biết, mối liên kết cao 
năng trong ATP chứa năng lượng tự do là 7Kcal/mol nên để tổng hợp được 
ATP từ ADP theo phản ứng trên cần cung cấp năng lượng tương đương 
7Kcal/mol. Nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình phosphoryl hóa rất khác 
nhau. Sự phosphoryl hóa quang hóa là quá trình tổng hợp ATP ở lục lạp thể 
nhờ năng lượng ánh sáng xảy ra trong quang hợp. Sự phosphoryl hóa oxy hóa 
là quá trình tổng hợp ATP ở ty thể nhờ năng lượng thải ra trong các phản ứng 
oxy hóa khử. 
Theo quan niệm hiện nay, sự phosphoryl hóa oxy hóa là quá trình hình 
thành ATP bằng cách chuyển electron và proton trong chuỗi hô hấp tế bào. Sự 
tạo thành ATP trong chuỗi hô hấp tế bào được thể hiện ở hình 8.4. Theo 
 143 
phương trình (2) cần có sự chênh lệch thế năng oxy hóa khử giữa các chất tham gia 
trong chuỗi hô hấp tế bào vào khoảng 0,152 volt để tạo thành một phân tử ATP 
volt
nF
GEo 152,006,23.2
7
0
' ==Δ=Δ 
Trong chuỗi hô hấp có 3 điểm tương hợp giữa sự hô hấp với sự 
phosphoryl hóa: 1) giữa NADH với flavoprotein; 2) giữa cytochrome b và c1; 
3) giữa cytochrome a và cytochrome oxydase (hình 8.4.). Điều đó có nghĩa là 
proton và electron đựoc chuyển từ NADH + H+ tới oxygen tạo được 3 điểm 
phosphoryl hóa, còn proton và electron được chuyển trong chuỗi hô hấp tế bào 
từ FADH2 chỉ có 2 điểm phosphoryl hóa. 
Mối tương quan P/O (tỉ số P/O) là số phân tử phosphate vô cơ đượoc 
chuyển thành dạng hữu cơ đối với sự tiêu thụ một nguyên tử oxygen. Tỉ số này 
biểu thị sự tương quan giữa quá trình phosphoryl hóa và sự oxy hóa khử tế bào, 
được gọi là chỉ số . 
Như vậy có thể nói rằng sự phosphoryl hóa oxy hóa qua hệ thống vận 
chuyển điện tử của chuỗi enzyme hô hấp là con đường chủ yếu đối với các sinh 
vật hiếu khí nhằm khai thác năng lượng của các hợp chất hữu cơ một cách hữu 
hiệu nhất để phục vụ cho các hoạt động sống của mình. 
 144 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Tài liệu tiếng Việt 
1. Nguyễn Hữu Chấn, 1983. Enzyme và xúc tác Sinh học. Nxb Y học, Hà Nội. 
2. Nguyễn Hữu Chấn, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hoàng Bích 
Ngọc, Vũ Thị Phương, 2001. Hóa sinh. Nxb Y học, Hà Nội. 
3. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 2000. Hóa sinh học. Nxb Giáo 
dục, Hà Nội. 
4. Lê Doãn Diên, 1975. Hóa sinh thực vật. Nxb Nông nghiệp, Hà Nội 
5. Nguyễn Tiến Thắng, Nguyễn Đình Huyên, 1998. Giáo trình sinh hóa hiện 
đại. Nxb Giáo dục, Hà Nội 
6. Nguyễn Xuân Thắng, Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn 
Đồng, 2004. Hóa sinh học. Nxb Y học, Hà Nội. 
7. Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Phạm Trân Châu, Nguyễn Lân Dũng, 1982. 
Enzyme vi sinh vật. Nxb KH&KT, Hà Nội. 
8. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lê Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng 
Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẫn, Lê Doãn Diên, 2000. Hóa sinh 
Công nghiệp, Nxb KH&KT, Hà Nội. 
Tài liệu tiếng nước ngoài 
1. Farkas G. 1984. Növényi anyagcsereélettan. Akadémiai Kiadó Budapest. 
2. Fehér J. - Verekei A., 1985. Szabad Gyök Reakciók Jeléntősége az 
orvostudományban. Medicina Könyv Kiadó Budapest. 
3. Karlson. P., 1972. Biokémia. Medicina Könyv Kiadó Bydapest. 
4. Lehninger A. L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H 
Freeman, 2004. 
5. Stryer L., 1981. Biochemistry. W.H.Freeman and company. San Francisco.