130
Chương 8
Khái niệm về sự trao đổi chất và
trao đổi năng lượng
Trao đổi chất và trao đổi năng lượng là bản chất của hoạt động sống
của mọi cơ thể sinh vật, là biểu hiện tồn tại sự sống. Sự trao đổi chất của
cơ thể luôn gắn liền với sự trao đổi và chuyển hóa năng lượng. Chính vì
vậy, trao đổi chất và trao đổi năng lượng là hai mặt của một quá trình liên
quan chặt chẽ với nhau.
8.1. Khái niệm chung về sự trao đổi chất
Cơ thể sống tồn tại, phát triển trong môi trường và không ngừng liên
hệ mật thiết với môi trường đó. Nó hấp thụ các chất khác nhau từ môi
trường ngoài, làm biến đổi các chất đó và một mặt tạo nên các yếu tố cẩu
tạo của bản thân cơ thể sống, mặt khác lại thải vào môi trường ngoài các
sản phẩm phân giải của chính cơ thể cũng như các sản phẩm hình thành
trong quá trình sống của cơ thể. Quá trình đó thực hiện được là do các biến
đổi hóa học liên tục xảy ra trong cơ thể. Người ta gọi toàn bộ các biến đổi
hóa học đó là sự trao đổi chất.
Sự trao đổi chất bao gồm nhiều khâu chuyển hóa trung gian. Các
quá trình này xảy ra phức tạp trong từng mô, từng tế bào bao gồm 2 quá
trình cơ bản là đồng hóa (tổng hợp) và dị hóa (phân giải) tạo nên chu kỳ
trao đổi chất liên tục giữa chất nguyên sinh và chất nhận vào.
Quá trình đồng hóa là sự hấp thụ các chất mới từ môi trường bên
ngoài, biến đổi chúng thành sinh chất của mình; biến đổi các chất đơn
giản thành chất phức tạp hơn, sự tích lũy năng lượng cao hơn. Đây là quá
trình biến đổi các chất không đặc hiệu (các chất hữu cơ của thức ăn như
glucid, lipid, protein) từ các nguồn khác nhau (thực vật, động vật, vi sinh
vật) thành các chất hữu cơ khác (glucid, lipid, protein) đặc hiệu của cơ thể.
Đặc điểm của quá trình này là thu năng lượng. Năng lượng cần thiết cung cấp
cho các phản ứng tổng hợp trên chủ yếu ở dạng liên kết cao năng của ATP.
Quá trình dị hóa là quá trình ngược lại của quá trình đồng hóa, là
sự biến đổi các chất phức tạp thành các chất đơn giản và giải phóng năng
lượng cần thiết cho hoạt động sống. Như vậy đây là quá trình phân giải
các chất dự trữ, các chất đặc trưng của cơ thể thành các sản phẩm phân tử
nhỏ không đặc trưng và cuối cùng thành những chất thải (CO2, H2O,
131
NH3...) để thải ra môi trường. Năng lượng được tích trữ trong ATP và
được sử dụng cho nhiều phản ứng thu năng lượng khác.
Hai quá trình đồng hóa và dị hóa xảy ra liên tục liên quan với nhau
và không tách rời nhau. Quá trình đồng hóa là quá trình đòi hỏi năng
lượng cho nên đồng thời phải xảy ra quá trình dị hóa để cung cấp năng
lượng cho quá trình đồng hóa. Do đó sự trao đổi chất và trao đổi năng
lượng là hai mặt của một vấn đề.
Tùy theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh vật ra thành hai
nhóm: nhóm sinh vật tự dưỡng và nhóm sinh vật dị dưỡng.
Nhóm sinh vật tự dưỡng bao gồm tất cả các sinh vật tự tổng hợp
chất dinh dưỡng cần thiết cho chúng. Để tồn tại và phát triển, nhóm này
chỉ cần H2O, CO2, muối vô cơ và nguồn năng lượng. Có hai hình thức tự
dưỡng. Đó là hình thức tự dưỡng quang hợp và hình thức tự dưỡng hóa
hợp. Hình thức đầu thể hiện ở cây xanh và vi khuẩn tía, vi khuẩn lưu
huỳnh vốn dùng quang năng để tổng hợp chất hữu cơ. Hình thức sau được
thể hiện ở một số vi khuẩn nhận năng lượng trong quá trình oxy hóa các
chất vô cơ.
Nhóm sinh vật dị dưỡng bao gồm các sinh vật không có khả năng tự
tổng hợp chất dinh dưỡng từ các chất vô cơ mà phải sống nhờ vào các chất
dinh dưỡng của nhóm sinh vật tự dưỡng tổng hợp nên.
Như vậy, quá trình trao đổi chất của thế giới sinh vật liên quan chặt
chẽ với nhau, tạo nên chu kỳ trao đổi chất chung.
Ngoài cách chia trên, cũng theo kiểu trao đổi chất, người ta chia sinh
vật thành hai nhóm lớn: nhóm hiếu khí (aerob) và nhóm kỵ khí (anaerob).
Ánh sáng
Sinh vật
tự dưỡng
Sinh vật
dị dưỡng
Glucid, lipid,
O2
CO2, H2O, muối
chứa Nitrogen
132
Nhóm hiếu khí là kiểu trao đổi chất mà các quá trình oxy hóa có sự tham
gia của oxy khí quyển. Nhóm kỵ khí là kiểu trao đổi chất mà các quá trình
oxy hóa không có sự tham gia của oxy khí quyển.
Đa số các sinh vật thuộc nhóm hiếu khí. Nhóm kỵ khí chỉ là một
phần nhỏ của nhóm sinh vật dị dưỡng bậc thấp. Tuy vậy, giữa các cơ thể
hiếu khí và kỵ khí không có ranh giới rõ ràng. Sinh vật hiếu khí biểu hiện
rõ ràng nhất như người chẳng hạn cũng có thực hiện một phần các quá
trình trao đổi chất theo con đường kỵ khí (ví dụ như mô cơ)
Quá trình chuyển hóa trong cơ thể sống mang tính thống nhất và
riêng biệt. Các con đường chuyển hóa lớn trong mọi cơ thể động vật, thực
vật đơn bào, đa bào đều theo những giai đoạn tương tự nhau. Tuy vậy, nếu đi
sâu vào từng mô, cơ quan, cá thể từng loài thì lại có những nét riêng biệt.
Các phản ứng hóa học trong cơ thể xảy ra liên tục ở pH trung tính,
370
C, dưới tác dụng xúc tác của enzyme.
Ở động vật, các quá trình chuyển hóa được điều khiển bởi hệ thống
thần kinh
8.2. Khái niệm chung về trao đổi năng lượng và năng lượng sinh học
Trao đổi chất luôn gắn liền với trao đổi năng lượng. Đối với cơ thể
người, động vật và phần lớn vi sinh vật thì nguồn năng lượng duy nhất là năng
lượng hóa học của các chất trong thức ăn. Trong cơ thể, các chất dinh dưỡng
chủ yếu và quan trọng là glucid, lipid và protein đều bị oxy hóa. Lipid và glucid
đi vào cơ thể bị "đốt cháy" sẽ sinh ra CO2, H2O và NH3, chất này tác dụng với
CO2
chuyển thành carbamid (ure).
Các quá trình oxy hóa khử sinh học thuộc các phản ứng dị hóa có ý nghĩa
rất quan trọng. Chúng không những chỉ là nguồn năng lượng quan trọng dùng
để thực hiện các phản ứng tổng hợp khác nhau mà còn là nguồn cung cấp các
hợp chất trung gian dùng làm nguyên liệu cho các phản ứng tổng hợp và đóng
vai trò hết sức quan trọng trong việc liên hợp các quá trình trao đổi chất.
Để tồn tại và phát triển, cơ thể cần phải được cung cấp liên tục năng
lượng. Trong hoạt động sống của mình, cơ thể biến đổi năng lượng từ dạng này
sang dạng khác và sự biến đổi năng lượng trong cơ thể sống cũng tuân theo các
quy luật vật lý như sự biến đổi năng lượng ở giới vô cơ.
133
So sánh về năng lượng sinh học và năng lượng kỹ thuật ta thấy có những
đặc điểm sau: thứ nhất, cơ thể không sử dụng nhiệt năng thành công có ích
được; thứ hai, sự giải phóng năng lượng trong cơ thể là dần dần, từng bậc; thứ
ba, sự giải phóng năng lượng đi kèm theo sự phosphoryl hóa nghĩa là năng
lượng giải phóng được cố định lại ở liên kết este với phosphoric acid trong
phân tử ATP vốn được gọi là liên kết cao năng. Từ dạng năng lượng trung gian
này (ATP) mà có thể dự trữ và sử dụng năng lượng vào các hoạt động sống; thứ
tư, có thể không sử dụng được năng lượng tự do của tất cả các loại phản ứng phát
nhiệt mà nguồn năng lượng duy nhất cơ thể sử dụng là của các quá trình oxy hóa.
8.2.1. Sự biến đổi năng lượng tự do
Sự thay đổi về đại lượng của năng lượng tự do là một chỉ tiêu quan trọng
nhất của hiệu ứng năng lượng tức là hệ số của tác dụng hữu hiệu của phản ứng.
Có thể định nghĩa năng lượng tự do là lượng năng lượng mà ở một nhiệt độ
nhất định nào đó có thể biến thành công.
Tế bào có thể tạo ra và duy trì được cấu trúc trật tự và phức tạp của mình
nhờ chúng liên tục tiếp nhận năng lượng tự do từ môi trường ở dạng quang
năng hoặc hóa năng và biến hóa nó thành các dạng năng lượng sinh học để
phục vụ cho các quá trình hoạt động sống. Sự biến hóa, tích lũy và sử dụng
năng lượng sinh học xảy ra song song với sự chuyển hóa vật chất và tuân thủ
các nguyên tắc của nhiệt động học.
Những biến đổi năng lượng tự do của hệ thống phản ứng được ký hiệu
bằng UG có giá trị là Kcal/mol. Đại lượng của UG là hiệu số giữa lượng năng
lượng tự do của trạng thái cuối (sau phản ứng) G2 và năng lượng tự do của
trạng thái đầu (trước phản ứng) G1. Nếu UG<0 (có giá trị âm), phản ứng tỏa
nhiệt, có thể xảy ra một cách tự phát. Ví dụ các phản ứng thủy phân đều thuộc
loại phản ứng này. Nếu UG = 0, hệ thống ở trạng thái cân bằng. Nếu UG>0
(có giá trị dương), phản ứng thu nhiệt, muốn thực hiện phản ứng cần phải cung
cấp năng lượng. Các phản ứng thu nhiệt chỉ có thể được thực hiện cùng với các
phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa là việc tăng năng lượng tự do chỉ có thể có được do
các phản ứng liên hợp khác tiến hành với việc giảm năng lượng tự do. Các quá
trình cơ bản gắn liền với hoạt động sống của cơ thể, nhiều kiểu làm việc của tế
bào, các phản ứng tổng hợp đều là những phản ứng thu nhiệt luôn luôn liên hợp
với các phản ứng tỏa nhiệt.
UG được tính theo công thức:
134
UG = UG
0
+ RT lnK
trong đó UG0
là sự biến đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn của phản ứng ở
250
C khi nồng độ của tất cả các chất phản ứng là 1 mol và áp suất là 101,3 KPa
(1atm), R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối, K là hằng số cân bằng của
phản ứng bằng [C]
c
. [D]
d
/[A]
a
[B]
tức là nồng độ của các chất tham gia phản ứng
A + B ' C + D; a, b, c, d là số lượng phân tử A, B, C, D tham gia phản ứng.
Trong hệ thống sinh học, khi tính giá trị UG0
cần chú ý đến pH, ở nồng
độ H+
là 1 mol, pH=0. Trạng thái ion hóa của nhiều hợp chất sinh học bị biến đổi
khi pH thay đổi. Vì vậy, để thuận tiện cho việc tính toán, xem trạng thái chuẩn
của pH là 7 và ký hiệu sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn ở pH 7,0 là UG0
'.
8.2.2. Liên kết cao năng và vai trò của ATP
Các liên kết hóa học giữa các nguyên tử đều là những tác nhân mang chủ
yếu của năng lượng tự do trong các chất hữu cơ. Vì vậy, trong việc biến tạo của
các liên kết hóa học trong phân tử, mức năng lượng tự do của hợp chất sẽ thay
đổi. Xét về mặt năng lượng trong các hợp chất hữu cơ có hai loại liên kết: Liên
kết thường và liên kết cao năng (liên kết giàu năng lượng). Liên kết thường là
liên kết mà khi phân giải hoặc tạo thành nó có sự biến đổi năng lượng vào
khoảng 3 Kcal trên một phân tử gam (Ví dụ như liên kết este); còn đối với liên
kết cao năng sự biến đổi này lớn hơn nhiều từ 7 - 12 kcal/mol. Trong các hoạt
động sống của cơ thể sinh vật, các quá trình tổng hợp các chất phân tử lớn từ
các chất đơn giản, vận chuyển tích cực các chất qua màng tế bào, quá trình vận
động v.v. luôn đòi hỏi năng lượng tự do. Trong hệ thống sống cần có các chất,
các hệ thống nhận năng lượng tự do từ các quá trình này chuyển đến cho các
quá trình khác. ATP là chất phổ biến giữ vai trò này, là chất có vai trò trung
tâm trong trao đổi năng lượng ở tế bào và cơ thể sống, là chất liên kết hoặc có
thể nói là mắt xích giữa hệ thống sử dụng năng lượng và hệ thống sản sinh ra
năng lượng.
Trong phân tử ATP có 3 gốc phosphate, 1 gốc kết hợp với gốc ribose qua
liên kết este, 2 liên kết giữa 3 gốc phosphate là liên kết anhydric. Đó là các liên
kết cao năng được ký hiệu bằng dấu " ~ ". ATP ( Adenosine Tri Phosphate)
được biểu thị một cách khái quát như sau: Adenosine - ~ ~ (trong
đó là các gốc phosphoric acid ). Khi cắt đứt các liên kết cao năng này, sẽ
giải phóng số năng lượng lớn gấp hơn 2 lần so với liên kết este:
P P P
ATP + H2O ' ADP + H3PO4 UG0
= -7 Kcal/mol
P
P
135
ATP + H2O ' AMP + H4P2O7 UG0
= - 8,5 Kcal/mol
( ~ ) P P
Nếu tiếp tục thủy phân liên kết este của AMP để tạo thành adenosine và
phosphate vô cơ, năng lượng tự do được giải phóng của phản ứng này thấp hơn nhiều.
Sự chuyển hóa tương hỗ giữa ATP và ADP có vai trò đặc biệt quan trọng
trong quá trình trao đổi năng lượng của hệ thống sống.
Trong đa số trường hợp thường thấy phosphore hoặc sulphure tham gia
tạo thành liên kết cao năng (Bảng 8.1).
Bảng 8.1. Một số dạng liên kết cao năng thường gặp
Dạng liên kết Kiểu liên kết Có trong các chất UG0
( Kcal/mol)
ATP, GTP....... - 7 - Anhydrid phosphate
(pyro phosphate)
~ O ~ ADP, GDP..... - 7
1,3Diphosphoglyceric
acid
- 10 - Acyl phosphate
O
R - C - O ~
Aminoacyl-AMP - 7
O ~
- Enol phosphate
R - C - O ~
CH2
P P
P
P
Phosphoenol
Pyruvic acid
- 12,8
N ~
- Amid phosphate
( phosphoguanidin)
R - C - NH ~
P
NH
Creatin phosphate
Arginin phosphate
- 10,5
C ~ S
- Thioeste
O
R - C ~ S - R'
Acetyl coenzyme A
Acyl coenzyme A
- 8,8
P
P
136
8.3. Quá trình oxy hóa khử sinh học
Có thể định nghĩa quá trình oxy hóa khử là quá trình trao đổi điện tử. Sự
oxy hóa là sự tách một hay nhiều điện tử, ngược lại sự khử oxy là sự thu điện
tử. Tất cả các chất tham gia vào quá trình oxy hóa khử ở cơ thể sống đều có khả
năng nhường hoặc thu điện tử.
Đó chính là khả năng oxy hóa khử. Song song với sự oxy hóa có sự khử
oxy vì điện tử được chuyển từ chất bị oxy hóa sang chất bị khử:
- 2e L
Ví dụ: 2Fe
2+
+ Cl2 J 2Fe
3+
+ 2Cl
-
Đại lượng đặc trưng cho khả năng oxy hóa khử của mỗi chất gọi là thế
năng oxy hóa khử. Có thể tính được thế năng oxy hóa khử theo công thức sau:
RT [dạng oxy hóa] (1)
nF [ dạng khử]
ln E'n= E'o +
Trong đó: E'n là thế năng oxy hóa khử của một chất nhất định trong
những điều kiện nhất định. E'0 là thế năng oxy hóa khử ở các điều kiện tiêu
chuẩn ( nồng độ của hai dạng bằng nhau)
R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối, F là trị số Faraday
Bảng 8.2 trình bày E'0, hiệu điện thế oxy hóa khử UE'0 và năng lượng tự
do UGo
của mỗi hệ.
Thế năng oxy hóa khử còn dùng để tính năng lượng tự do (ΔGo
) được
giải phóng ra trong qúa trình oxy hóa khử theo phương trình:
ΔGo
= -nF.ΔE'o (2)
(Các ký hiệu đã được giải thích ở công thức tính thế năng oxy hóa khử
và liên quan đến bảng 8.2 ở trên)
* Tiến trình của sự oxy hóa sinh học:
Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phóng năng lượng của tế bào (sự dị
hóa) có thể được chia thành 3 giai đoạn cơ bản:
Ở giai đoạn đầu: các hợp chất cao phân tử bị thủy phân thành các chất
đơn giản có phân tử nhỏ hơn: các glucid (tinh bột, glucogen v.v...) thành các
137
monosaccharid (glucose), các protein thành các amino acid, các lipid thành các
acid béo.
Ở giai đoạn thứ hai: biến những chất đơn giản thành những chất 2 carbon
là acetyl CoA (CH3 - CO∼SCoA) (thiếu). Acetyl CoA được coi là sản phẩm
thoái hóa của các chất glucid, lipid và protein. Nó được hình thành do sự β-oxy
hóa acid béo, do sự oxy hóa của khoảng một nửa số α-amino acid cũng như do
sự oxy hóa hiếu khí glucose.
Bảng 8.2. Thế năng oxy hóa tiêu chuẩn của một số hệ thống
Hệ thống oxy hóa khử
Eo (volt)
pH7, 30o
C
UE'0
(volt)
UGo
(kcal/pH7,
30o
C)
Phosphoryl
hóa
ADP→
ATP
Điện cực hydro 2H+
/ H2 -0,42
NAD+
/ NADH + H+
-0,32
FAD/ FADH2 -0,10 +0,22 -10,1 1
Cytochrome b Fe
3+
/ Fe
2+
+0,04 +0,14 -6,4
Cytochrome c1 Fe
3+
/ Fe
2+
+0,23 +0,19 -8,7 1
Cytochrome c Fe
3+
/ Fe
2+
+0,26 +0,03 -1,4
Cytochrome a Fe
3+
/ Fe
2+
+0,29 +0,03 -1,4
Cytochrome a3 Fe
3+
/ Fe
2+
+0,55 +0,26 -12,0 1
Điện cực oxy 1/2 O2 / O2-
+0,81 +0,26 -12,0
+1,13 -52,0 3
Ở giai đoạn thứ ba: Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn thứ hai sẽ bị
oxy hóa hoàn toàn trong chu trình Szent-Györgyi-Krebs (chu trình citrat) để
hình thành CO2, H2O và giải phóng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải
phóng ra ở giai đoạn thứ ba này (khoảng 2/3)
Trong giai đoạn thứ hai và thứ ba khoảng 30-40% năng lượng hóa học
được biến thành nhiệt, hơn 60% năng lượng này được sử dụng để tổng hợp các
hợp chất cao năng.
138
Trong chu trình citrat, các hydrogen tách ra sẽ được oxy hóa qua chuỗi hô
hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phóng được tích trữ ở các
phân tử ATP. Toàn bộ quá trình có thể được minh họa bằng sơ đồ trên hình 8.3.
Thức ăn
glucid lipid
glucose Acid béo Amino acid
Acetyl CoA
CO2
H2→NAD→FAD→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta→Cyta3
O¯¯
1/2O2
ATP
ADP+P
2H+
H2O
Chu trình
citrat
Hình 8.3. Tiến trình oxy hóa sinh học
8.4. Chuỗi hô hấp tế bào và sự phosphoryl hóa oxy hóa
8.4.1. Chuỗi hô hấp tế bào
Chuỗi hô hấp tế bào là một hệ thống các enzyme xúc tác vận chuyển H+
và eletron từ cơ chất đến phân tử oxygen để tạo H2O. Trong tế bào, oxygen là
chất oxy hóa vạn năng, còn các phân tử hữu cơ khác nhau đóng vai trò chất cho
điện 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
-
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
(Fe
2+
) - dạng khử tới trạng thái sắt ba (Fe
3+
) - 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 Fe
3+
→ 2 cytb Fe
2+
2 cytb Fe
2+
+ 2 cytc1 Fe
3+
→ 2 cytb Fe
3+
+ 2 cytc1 Fe
2+
2 cytc1 Fe
2+
+ 2 cytc Fe
3+
→ 2 cytc1 Fe
3+
+ 2 cytc Fe
2+
2 cytc Fe
2+
+ 2 cyta Fe
3+
→ 2 cytc Fe
3+
+ 2 cyta Fe
2+
2 cyta Fe
2+
+ 2 cyta3 Fe
3+
→ 2 cyta Fe
3+
+ 2 cyta3 Fe
2+
2 cyta3 Fe
3+
+ 1/2 O2 → 2 cyta3 Fe
3+
+ 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
2Fe
2+
2cytb 2Fe
3+
ATP ADP + P
2Fe
3+
2cytc1 2Fe
2+
2Fe
2+
2cytc 2Fe
3+
2H+
2Fe
3+
2cyta 2Fe
2+
ATP ADP + P
2Fe
2+
2cyta3 2Fe
3+
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
G Eo
152,0
06,23.2
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.
Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro