VI. HÔ HẤP TẾ BÀO

6.1 Khái niệm hô hấp tế bào

Các hợp chất hữu cơ chứa năng lượng trong sự sắp xếp các nguyên tử của nó. Với sự xúc tác của các enzyme, tế bào phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp giàu năng lượng thành những chất đơn giản. Một phần năng lượng giải phóng ra được sử dụng vào hoạt động của tế bào, phần còn lại được giải phóng dưới dạng nhiệt. Quá trình này gọi là dị hóa. Một quá trình dị hóa phân giải một phần nguyên nhiên liệu trong sự vắng mặt của oxygen gọi là lên men (fermentation) hay hô hấp yếm khí (anarobic repiration). Con đường dị hóa hiệu quả và phổ biến nhất là hô hấp trong quá trình này có sự tham gia của oxygen hay  hiếu khí (arobic repiration).

Hô hấp là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ cuối cùng nghèo năng lượng như CO2 và nước đồng thời giải phóng ra một nguồn năng lượng lớn.

C6H12O6  +  O2  =  6CO2+ 6H2O  +  674  kcal/mol glucose

Thực chất, hô hấp là một hệ thống oxy hóa khử phức tạp trong đó xảy ra các phản ứng oxy hóa khử: tách điện tử và H từ nguyên liệu hô hấp, chuyển tới oxy không khí dưới tác dụng của hệ enzyme. Năng lượng giải phóng từ hô hấp được cố định trong “các chất giàu năng lượng” chẳng hạn như ATP.

6.2 Mối quan hệ giữa hô hấp và lên men:

Nhiều nhà sinh lý học nổi tiếng thế giới ở thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 cho rằng: Hô hấp là sự kế tục của lên men.

C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 (Lên men)

2C2H5OH + O2 = 4CO2 + 6H2O

Năm 1933, bằng thực nghiệm, Kostưsep phủ nhận vai trò trung gian của rượu trong hô hấp và đưa ra quan điểm sau:

       C6H12O6

         Acid pyruvic

           Lên men                                                                      Hô hấp

(CO2, C2H5OH, CH3 CHOH COOH)                                   (CO2, H2O)     

Vậy hô hấp và lên men có giai đoạn chuẩn bị chung: C6H12O6 → Acid pyruvic.

6.3 Giai đoạn chuẩn bị của hô hấp và lên men (đường phân: glycolysis):

Glycolysis gồm một loạt (10 phản ứng) các phản ứng không cần O2, xảy ra nhờ một nhóm enzyme trong cytosol.

Đặc điểm của cơ chất trong glycolysis là dạng đường đã được hoạt hóa thành dạng ester. Đây là dạng đường linh động dễ dàng tham gia phàn ứng. Trong glycosis, glucose được xem là cơ chất và pyruvate là sản phẩm cuối cùng của glycolysis.

Glycolysis gồm hai phase:

*Pha khởi đầu (initial phase):

Cơ chất từ những nguồn khác nhau được chuyển thành các triose phosphate. Quá trình này cần 2ATP

*Giai đoạn bảo tồn năng lượng (energy-conseving phase or energy pay-off phase)

Các triose phosphate trải qua hàng loạt các phản ứng (5 phản ứng) để hình thành sản phẩm  pyruvate. NAD+ bị khử thành NADH bởi glyceraldehyde-3 phosphate. ATP được tổng hợp trong phản ứng giai đoạn này được xúc tác bởi  phosphoglycerate kinase, pyruvate kinase.

Glycolysis của một phân tử glucose cần 2 ATP, tạo 4 ATP,  2 NAD(P)H và 2 pyruvate.

Hình 3.8: Tóm tắt các phản ứng của glycolysis + Video

6.4 Số phận của pyruvate:

Hình 3.9 : Ba số phận của pyruvate tạo ra từ glycolysis

6.5 Hô hấp hiếu khí (aerobic respiration)- crebs cycle –citric acid cycle:

Trong suốt thế kỷ 19, người ta biết rằng trong sự có mặt của O2, tế bào tạo CO2 và H2O. Krebs (1937) đã công bố phát hiện chu trình citric acid hay còn gọi chu trình Krebs. Chu trình này giải thích cơ chế oxy hóa pyruvate thành CO2, H2O, NAD(P)H, FADH và ATP và xảy ra trong matrix của ti thể.

6.5.1 Chu trình Krebs

Đầu tiên pyruvate tạo ra từ glycolysis ở cytosol được vận chuyển qua màng trong ti thể và sau đó được oxy hóa qua hàng loạt các phản ứng được tóm tắt trong hình 3.10 .

Hình 3.10:Những phản ứng và enzyme của chu trình citric acid ở thực vật + Video

-Oxy hóa một phân tử pyruvate tạo ra: 4 NAD(P)H, 1 FADH, 1 ATP, CO2 và H2O.

6.5.2 Ý nghĩa của chu trình Krebs

Tự suy luận

6.6 Hô hấp yếm khí (anaerobic respiration-fermentation):

Trong điều kiện yếm khí, chu trình Krebs và phosphoryl hóa không thể thực hiện. Glycolysis không thể xảy ra bởi vì nguồn NAD+. Để khắc phục điều này, pyruvate tạo ra trong glycolysis được oxy hóa bởi NADH tái tạo NAD+. Quá trình này gọi là quá trình lên men. Có hai hình thức lên men  quan trọng: lên men rượu và lên men lactic.

Hiệu quả năng lượng trong lên men thấp bởi vì hầu hết năng lượng trong glucose vẫn còn lưu trữ trong các sản phẩm của quá trình lên men chẳng hạn như ethnol, lactic acid.

Trong lên men rượu, pyruvate biết đổi thành ethanol theo hai bước: pyruvate giài phóng CO2 và hình thành acetaldehyde, sau đó bị khử bởi NADH thành ethanol. Quá trình này tái tạo NAD+. Hình thức lên men này xảy ra ở nấm men, vi khuẩn…

Hình 3.11: lên men ethanol

Trong lên men lactic acid, pyruvate bị khử bởi NADH thành lactate. Ở người, quá trình lên men này xảy ra ở tế bào cơ lúc chơi thể thao căng thẳng bởi vì thiếu nguồn oxy. Lactate tích lũy gây mỏi và đau cơ. Sau đó, lactate theo máu đến gan và biết đổi thành pyruvate.

Hình 3.12: lên men lactate

6.7 Chuổi chuyền điện tử và quá trình phosphoryl oxyhóa (electron transport and oxidative phosphorylation)

Như đã đề cập ở trên, glycolysis và chu trình Krebs hình thành 4 ATP trên một phân tử glucose bởi phosphoryl hóa mức cơ chất. Các phân tử NADH và FADH2 qua chuổi chuyền điện tử tạo nên động lực  tổng hợp 34 ATP. Quá trình này gọi là phosphoryl oxygen hóa.

6.7.1 Phosphoryl ở mức cơ chất

Năng lượng tạo ra khi tách H từ cơ chất được sử dụng để tổng hợp ATP.

      H3PO4

Trong giai đoạn đường phân

glycerate-3

phosphate

Glyceraldehyde-3, phosphate                                    glycerate-1,3 diphosphate                

ADP            ATP

SCoA

Trong chu trình Krebs

                        HSCoA         CO2

ADP   ATP

NAD      NADPH2

a-ketoglutarate                      succinyl SCoA                 succinate

6.7.2 Phosphoryl oxy hóa

Con đường vận chuyển điện tử.

Điện tử được tách ra từ nhiên liệu trong glycolysis và chu trình Krebs được NADH chuyền cho một flavoprotein là FAD (flavin mononucleotide) sau đó điện tử đến ion-sulfur protein (Fe.S) ® ubiquinone (Q) bản chất là lipid. Hầu hết các chất mang điện tử cò lại giữa Q và oxygen là cytochrom (cyt) nhóm prothestic của chúng gọi là hem có bốn vòng hữu cơ bao quanh nguyên tử Fe, tương tự như hemoglobin nhưng Fe của cyt tham gia chuyển điện tử chứ không chuyển oxygen. Điện tử được chuyền qua nhiều loại cyt và cyt cuối cùng là cyt a3. Điện tử từ cyt a3 sau đó được chuyển cho H2O.

Một nguồn điện từ khác là từ FADH2 được tạo bởi chu trình Krebs. FADH2 chuyển điện tử của nó vào chuổi điện tử ở mức năng lượng thấp hơn NADH. Chính vì vậy, năng lượng mà FADH2 cung cấp cho tổng hợp ATP chỉ bằng hai phần ba so với NADH.

Chuổi chuyền điện tử không trực tiếp tổng hợp ATP. Vai trò chính của nó là chuyền điện tử từ nhiên liệu đến oxygen.

Hóa thẩm thấu (chemiosmosis): cơ chế tổng hợp ATP

Màng trong của ti thể tồn tại một phức hợp protein là ATP synthase, enzyme tổng hợp protein hoạt động ngược lại với bơm ATP. Bơm ATP dùng năng lượng (ATP) để vận chuyển ion ngược chiều nồng độ, ngược lại ATP synthase dùng năng lượng do sự chênh lệch nồng độ ion (prton H+) giữa hai bên màng trong của ti thể để tổng hợp ATP.

Sự chênh lệch nồng độ giữa hai bên màng trong ti thể là bởi vì khi điện tử qua chuổi điện tử giải phóng năng lượng bơm H+ từ matrix vào khoảng giữa hai màng. H+ có xu hướng đi màng để giảm sự chênh lệch này.  Màng trong không thấm đối với H+ nhưng ATP thì thấm. Sự chênh lệch H+ đã tạo lực proton (proton-motive force) qua ATP synthase. Như vậy, gradient H+ đi kèm với các phản ứng oxy hóa khử ở chuổi điện tử để tổng hợp ATP. Cơ chế cặp đôi dẫn đến sự phosphoryl oxy hóa này được gọi là hóa thẩm thấu.

Làm thế nào chuổi điện tử  bơm H+ vào trong khoảng giữa hai màng? Các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng một số thành viên của chuổi điện tử nhận và giải phóng H+ cùng với điện tử, ngược lại một số khác chỉ chuyển điện tử. Như vậy, tại một vị trí nào đó trên chuổi điện tử, một số H+ được nhận sau đó trả lại môi truờng xung quanh; số khác được chuyển từ matrix vào trong khoảng giữa hai màng.

Làm thế nào ATP synthase dùng dòng đi vào matrix của H+ để tổng hợp ATP? Phức hợp ATP synthase gồm có ba thành phần: một ống hình trụ (cylinder) xuyên màng trong, một knob quay vào matrix và một trục giữa nối ống trụ và knob. Khi H+ đi vào ống hình trụ làm cho ống hình trụ và trục quay. Điều này làm knob thay đổi hình dạng, hoạt hóa vị trí xúc tác của ATP synthase, xúc tác phản ứng ADP và H3PO4 tạo ATP.

Hình 3.13: Hóa thẩm thấu

6.8 Hiệu xuất oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucose

Giai đoạn đường phân tạo: 2 ATP và 2 NADPH2 sẽ tạo 6 ATP khi qua chuỗi điện tử. Như vậy giai đoạn đường phân tạo 8 ATP

Giai đoạn hiếu khí tạo:2 NADPH2 ( từ pyruvate) sẽ tạo 6 ATP, 24 ATP trong chu trình Krebs. Như vậy, giai đoạn hiếu khí tạo 30 ATP

ð      Tổng ATP tạo ra khi phân giải 1 phân tử glucose là 38 ATP

38 x 10

674

H% =                                  x 100%  =  56%

(1 ATP ~ 7.3 kcal; 1 glucose ~ 686 kcal)

6.9 Vai trò ATP trong hoạt động của tế bào

- Cung cấp năng lượng cho vận động của tế bào: co cơ, vận động của nhiễm sắc thể về các cực.

- Cung cấp năng lượng cho tế bào vật chuyển các chất: bơm các chất qua màng.

- Hoạt hóa các chất trong nhiều phản ứng xảy ra trong tế bào.