TI THể & SỰ CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO ppsx

 Các protein khác của màng ngoài bao gồm các men tham gia tổng hợp lipid trong ti thể và men biến đổi cơ chất lipid thành dạng chuyển hoá được trong chất nền.. Các ion hydro được bơm li

TI THể & SỰ CHUYỂN HOÁ NĂNG

LƯỢNG TRONG TẾ BÀO

I ĐạI CƯƠNG:

 Ti thể có trong tất cả các tế bào eucaryot của động vật Là bào quan khá lớn và rất đa dạng

có thể là hình cầu, bầu dục, que hay hình trụ kéo dài Ti thể có đường kính trung bình 0.5-1m Ti thể được cấu tạo bởi hai lớp màng, các màng này đóng vai trò quyết định trong hoạt động chuyển hoá năng lượng

 Từ trong ra ngoài cấu trúc của ti thể bao gồm: khoang chất nền, màng trong, khoang gian màng và cuối cùng là màng ngoài

 Chất nền là khoảng chiếm bên trong cùng của ti thể Trong chất nền chứa một hỗn hợp rất đậm đặc của hàng trăm các men (enzym), gồm các men cần thiết cho sự oxi

hoá pyruvat và các acid béo trong chu trình acid citric Chất nền chứa cả bản sao ADN

và các men khác cần cho sự biểu hiện các gen của ti thể

 Màng trong có cấu trúc rất đặc biệt tạo nhiều nếp gấp, các nếp gấp làm tăng tổng diện tích màng kép lên rất nhiều Trên bề mặt của màng chứa các protein chuyên biệt đảm nhận 3 chức năng chính:

1 Thực hiện các phản ứng oxi-hoá trong chuỗi hô hấp của tế bào;

2 Một phức hợp men có tên là ATP synthetase tạo ra ATP trong khoang chất

nền;

3 Có các protein vận chuyển đặc biệt điều hoà sự đi qua của các chất ra ngoài hoặc vào trong chất nền

 Màng ngoài nhờ các protein tạo kênh quan trọng nên màng ngoài có tính thấm với các chất có trọng lượng phân tử ≤

5000 daltons Các protein khác bao gồm các men tham gia tổng hợp lipid trong ti thể, các men chuyển hoá lipid sang dạng tham gia trao đổi chất

 Khoang gian màng chứa nhiều men sử dụng ATP từ chất nền tổng hợp chuyển ra để phosphory hoá các nucleotid khác

 Ti thể là trung tâm tạo năng lượng của tế bào, có chức năng biến đổi năng lượng thành dạng có ích để hoạt hoá các phản ứng của tế bào

 Ngoài ra ti thể còn có bộ máy di truyền riêng độc lập nên có khả năng tự sinh sản

II HÌNH THÁI CỦA TI THỂ:

 Ti thể là một bào quan khá lớn nên được phát hiện từ rất lâu bằng kính hiển vi quang học Tuy nhiên, cấu trúc của ti thể chỉ có thể được nghiên cứu dưới kính hiển vi điện tử và các phương pháp khác của sinh học phân tử

 Hình dạng ti thể rất phong phú nhưng phổ biến nhất

là hình que, hình elip hoặc uốn cong thành hình vành khuyên… và có thể biến đổi hình dạng rất nhanh để phù hợp với tế bào chứa chúng khi thay đổi trạng thái hoạt động

 Số lượng và phân bố các ti thể trong tế bào cũng rất thay đổi Tế bào gan động vật thường chứa khoảng 1000 - 2000 ti thể, phân bố tương đối đều, chiếm 1/5 thể tích tế bào Tế bào tinh trùng chứa ít bào tương, ti thể tập trung ở vùng thân, hình dạng như

vành khuyên bao quanh sợi trục của tinh trùng Ở hồng cầu không có nhân, ti thể cũng thoái biến hết

 Tuy ti thể rất đa dạng nhưng tựu chung có cấu tạo từ

ngoài vào trong như sau:

1 Màng ngoài:

 Tương đối bằng phẳng, có tỉ lệ protein khoảng 50% Protein của màng ngoài đơn điệu, chủ yếu gồm porin Phân tử porin nằm xuyên màng, tạo thành một kênh cho phép hầu như mọi phân tử ≤ 5000 daltons được lọt qua không chọn lọc Như vậy, màng ngoài ti thể có tính thấm rất cao so với các màng sinh học khác Màng ngoài như một cái rây để lọt qua các ion H+, phân tử nhỏ như ATP và các nucleotid khác, co-enzym, acid amin…., thậm chí cả các protein nhỏ

 Các protein khác của màng ngoài bao gồm các men tham gia tổng hợp lipid trong ti thể và men biến đổi cơ chất lipid thành dạng chuyển hoá được trong chất nền

2 Khoang gian màng:

 Nằm giữa màng ngoài và màng trong của ti thể có bề rộng khoảng 20nm, chứa nhiều loại men kinase dùng để vận chuyển ATP của chất nền ra ngoài tham gia phosporyl hoá các nucleotid khác Các nucleotid này được khuếch tán tự do qua màng ngoài vì có trọng lượng phân tử khá thấp Các ion hydro được bơm liên tục từ khoang chất nền vào khoang gian màng, tạo thành sự chênh lệch nồng độ điện thế (trong âm, ngoài dương) Ion hydro không lọt được qua màng trong để trở lại vào chất nền Từ khoang gian màng, ion hydro khuếch tán qua màng ngoài để vào bào tương

3 Màng trong:

 Là màng có tỉ lệ protein cao, chiếm đến 3/4 khối lượng, trong khi tỉ lệ này ở màng

tế bào và màng nội bào nói chung là 1/1 Tuy nhiên, tính thấm của nó lại mang tính chọn lọc như phần lớn các màng sinh học khác Mặc dù có sự chênh lệch lớn về mật

độ của các ion hydro giữa hai phía của màng trong và mặc dù các ion này có kích thước nhỏ nhất trong các loại ion, chúng cũng không thể khuếch tán tự do qua màng trong Nguyên nhân có thể màng trong ti thể có chứa một loại phospholipid đặc biệt không thấy ở các màng khác gọi là cardiolipin, chiếm tới 10% tỉ lệ lipid Ion H+ có độ hoà tan cực thấp trong cardiolipin

 Trên màng trong có nhiều cấu trúc chứa nhiều protein như:

 Phức hợp nhiều men của chuỗi truyền điện tử Các men này tiếp nhận năng lượng của NADH và NADH2, dùng năng lượng đó vào việc bơm ion hydro từ trong ra ngoài tạo thang H+ qua màng

 Thể hình chùy (phức hợp F0F1) sử dụng năng lượng của thang H+ nói trên vào việc tổng hợp ATP

 Các loại protein tải, vận chuyển các cơ chất và sản phẩm qua các kênh chọn lọc

 Màng trong ti thể không bằng phẳng mà gấp nếp tạo thành những mào ăn sâu vào trong chất nền ti thể Ở các ti thể của các tế bào khác nhau, mào cũng có hình dạng thay đổi Nhờ các mào mà diện tiếp xúc giữa màng trong và chất nền ti thể được tăng lên nhiều lần, vì thế hiệu suất làm việc của ti thể cũng được tăng lên Ngoài ra, các nếp gấp ít nhiều còn tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng ATP của tế bào Ví dụ, đối với tế bào

cơ tim phải tiêu thụ rất nhiều ATP nên các nếp gấp nhiều gấp ba lần trong tế bào gan Nhưng trong tế bào gan tổng diện tích màng trong của ti thể nhiều gấp năm lần diện tích màng ngoài Nếu cộng tất cả diện tích màng trong của ti thể ở tế bào gan, diện tích này lớn gấp mười lăm lần so với diện tích màng tế bào

4 Khoang chất nền:

 Là khoảng không gian trong cùng, khoang này chứa hỗn hợp các men và cơ chất khác nhau tham gia thực hiện chu trình acid citric, chu trình oxi hoá bêta acid béo… Tại đây cũng có các ADN, ARN và ribosom của ti thể Đối với tế bào gan có tới 67% protein của ti thể nằm trong chất nền

II QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP ATP VÀ CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO TẾ BÀO:

1 Năng lượng dự trữ:

 Sự chuyển hoá năng lượng trong ti thể không chỉ từ nguyên liệu là pyruvate, sản phẩm ly giải đường, mà còn từ các acid béo cũng như các protein từ đạm Pyruvate và acid béo được vận chuyển chọn lọc từ dịch bào tương vào khoang chất nền ti thể Tại đây chúng bị cắt đứt thành những nhóm có hai nguyên tử cacbon acétyl mà quan trọng nhất là acétyl Co-enzymA (Acétyl-CoA=CoA-S-CO-CH3) Nhóm acétyl tham gia vào chu trình acid citric (chu trình Krebs) của chuỗi hô hấp tế bào

 Để đảm bảo năng lượng được cung cấp liên tục, cơ thể dự trữ năng lượng dưới dạng hoá năng của các đại phân tử (đường, mỡ và đạm) Ở

tế bào động vật, acid béo dự trữ dưới dạng mỡ và glucose dưới dạng

glycogen Ở một người trung bình, năng lượng dự trữ trong mỡ có thể đủ cho cơ thể sống sót một tháng Một gam mỡ khi phân hủy cho ra năng lượng gấp sáu lần 1 gam glucid Vì vậy, nếu kho dự trữ năng lượng của cơ thể chuyển hết thành glycogen mà không chuyển thành mỡ thì trọng lượng cơ thể sẽ nặng thêm trung bình 27Kg (60 pounds) Tuy chất đường mà chủ yếu là glycogen chỉ dự trữ đủ năng lượng cho chúng

ta hoạt động được 1 ngày, nhưng đây là nguồn năng lượng quan trọng được huy động nhanh hơn cả

 Khi nhu cầu năng lượng tăng, tế bào sẽ cắt các polymer của glycogen thành glucose 1-phosphate trong bào tương sau đó chúng tham gia vào quá trình ly giải glucose thành các pyruvate (CH3 -CO-COO-) có ba carbon Năng lượng này chỉ sử dụng được sau khi các phân tử pyruvate chuyển từ dịch bào tương vào chất nền của ti thể Bên cạnh glycogen còn có mỡ dự trữ trong mô mỡ

Từ mô mỡ, chúng giải phóng vào trong dòng máu đến các tế bào khác để sử dụng khi

có nhu cầu Mỗi phân tử mỡ gồm ester của ba phân tử acid béo và một phân tử glycérol Các dẫn chất của acid béo từ phân tử mỡ được chuyển vào trong chất nền của

ti thể Trong chất nền của ti thể mỗi phân tử acid béo vào chu trình oxi hoá acid để tạo thành acétyl Co-enzym A

 Tại chất nền của ti thể, acétyl Co-enzym A tham gia vào chu trình acid citric tổng hợp ATP

2 Năng lượng sử dụng:

 Trong phân tử ATP (Adenosin triphosphate) có công thức phân tử C10H16N5O13P3,

có 2 liên kết phospho anhydrid chứa nhiều năng lượng tự do (khoảng 7.3 Kcalo/mol) Các liên kết này gọi là liên kết cao năng Khi bị thủy phân, năng lượng tự do của ATP cung cấp cho tất cả các phản ứng xảy ra trong tế bào như tổng hợp các chất co cơ, vận chuyển qua màng, hoạt hoá glucose, acid amin, acid béo…

 Trong tế bào còn có một số các phân tử khác có liên kết cao năng như phosphoenol pyruvate (14.8Kcal/mol), creatinphosphate (10.3Kcal/mol) Nhưng các phân tử này không được sử dụng để cung cấp năng lượng ở mọi nơi và mọi lúc như ATP Chỉ có ATP đã được lựa chọn một cách tự nhiên làm vai trò trung tâm dự trữ và chuyển vận năng lượng cho tế bào Ngoài ra, các nucleotid này còn tham gia nhiều con đường chuyển hoá khác rất quan trọng như chuyển hoá acid nucleic, các co-enzym, nguyên liệu tổng hợp ARN-polymerase Mặt khác, nếu dùng phosphoeno lpyruvate hay creatinphosphate để cung cấp năng lượng thì sẽ bị lãng phí nhiều vì năng lượng cần cung cấp đa số các phản ứng sinh học chỉ nhỏ hơn 3Kcal/mol

3 Tổng hợp ATP:

 Sau khi các nguyên liệu sử dụng là acid béo và pyruvate được vận chuyển vào trong chất nền ti thể, chúng sẽ biến đổi để cuối cùng tạo thành acétyl Co-enzymA Tại đây acétyl CoA là nguyên liệu tiếp theo cho chu trình acid citric Trong chu trình acid

citric, sự oxi hoá không cần có mặt oxi, chất oxi hoá trong các phản ứng của chu trình

là phân tử NAD (Nicotinamid Adenin Dinucleotid) và FDA (Flavin Adenin Dinucleotid) Trong mỗi chu trình có ba NAD và một FDA được khử (nhận điện tử và hydro) tạo thành NADH và FDAH2, và hai phân tử CO2 từ hai nguyên tử các bon Cũng trong chu trình này tạo được một phân tử ATP do chuyển trực tiếp một phosphat

từ đường phosphate

CH3COOH (như acétylCoA) + 2H2O + 3NAD+ + protein mang FAD

2CO2 + 3H+ + 3NADH + FADH2

 Ngoại trừ men succinate dehydrogenase và các cơ chất có chứa CoA, đa số men và

cơ chất của chu trình acid citric hoà tan trong chất nền ti thể Do vậy, chu trình acid citric xem như diễn ra trong chất nền ti thể

4 Chuỗi truyền điện tử:

 Các phân tử NADH

và FADH2 khi bị oxi

hoá trực tiếp bởi

oxi hoà tan trong nước có thể giải phóng được 52.6 và 42.4 Kcal/mol, những con số này đều quá lớn so với năng lượng liên kết cao năng trong phân tử ATP Vì vậy, ti thể thực hiện quá trình oxi hoá NADH và FADH2 qua nhiều giai đoạn, trong đó năng lượng được giải phóng từng ít một Những phần nhỏ năng lượng này được tích luỹ bằng cách bơm H+ ngược chiều với gradient và tạo thành năng lượng của thang điện hoá hydro, với một hiệu suất có ích rất cao Quá trình giải phóng năng lượng theo nhiều bậc này diễn ra trên màng trong ti thể, cụ thể trên chuỗi các men gồm trên một tá các protein khác nhau Về bản chất, quá trình chuyển hoá năng lượng theo nhiều bậc này gồm nhiều phản ứng oxi hoá khử nối tiếp nhau và cuối cùng là phosphoryl oxi hoá, nghĩa là phản ứng cặp đôi hai quá trình oxi hoá và phosphoryl hoá: sự oxi hoá giải phóng năng lượng và sự phosphoryl hoá ADP tích trữ năng lượng tạo thành ATP Cứ mỗi lần vận chuyển 2H đến cơ chất đến oxi thì trung bình tích trữ được 3ATP (2-4ATP)

 Ta hãy xem trạng thái xuất phát các men đều ở dạng oxi hoá Khi NADH (dạng khử) được oxi hoá trên men đầu tiên (E1), thì đồng thời E1 cũng bị khử (tiếp nhận điện

tử của NADH) Tiếp theo, E1 truyền điện tử cho men thứ hai E2, có nghĩa là E1 bị oxi hoá còn E2 bị khử E2 ở dạng khử đến lượt nó là truyền điện tử cho E3 vv Nói cách khác điện tử truyền qua bậc thang thế năng tới bậc cuối cùng (cytochrome oxidase), điện tử mới được kết hợp với oxi (cùng với H+) tạo thành nước

 Chuỗi các men làm nhiệm vụ bậc thang thế năng nói trên gọi là chuỗi truyền điện tử (chuỗi hô hấp tế bào) Chúng gồm ba phức hợp đa men lớn nằm xuyên màng:

 Phức hợp NADH dehydrogenase lớn nhất có trọng lượng phân tử 800.000 Dalton với hơn 22 chuỗi polypeptid,

 Phức hợp b-c1 cytochrome gồm 8 chuỗi polypeptid với trọng lượng phân tử

500000 Daltons

 Phức hợp oxidase cytochrome đặc trưng nhất trong ba phức hợp gồm khoảng 9 chuỗi polypeptid và trọng lượng phân tử là 300000 Daltons

Giữa các phức hợp nói trên là các phân tử tương đối linh động trong cấu trúc tinh thể lỏng của màng bao gồm Co-enzym Q và cytochrome C Điện tử tiếp nhận từ NADH được trong dãy có thứ tự Thứ tự này trùng hợp với thứ tự tăng dần điện thế oxi hoá khử các thành phần của chuỗi Khi được truyền đến khâu cuối cùng là phức hợp cytochrome oxidase, điện tử kết hợp với phân tử oxi hoà tan và 2 ion hidro để tạo thành nước

 Khi điện tử chạy qua chuỗi và giảm dần năng lượng, năng lượng tự do được giải phóng thành từng xuất nhỏ và được các phức hợp men của chuỗi sử dụng vào việc bơm ion H+ từ chất nền ra khoang gian màng

5 Thang điện hoá hydro:

 Mỗi cặp điện tử (lấy của NADH) khi chạy qua chuỗi truyền điện tử gây ra vận chuyển từ 6-12 (trung bình là 10) ion hydro từ chất nền ra khoang gian màng Kết quả

là càng có nhiều nguyên liệu được phân hủy bên trong ti thể thì càng tạo được chênh lệch nồng độ H+ giữa 2 phía của màng

 Khoang chất nền có pH = 8 cao hơn trong dịch bào tương pH = 7 Mặt khác do ion

H+ tích điện dương, chênh lệch nồng độ của nó gây ra chênh lệch điện thế là 160mV (khoang chất nền âm, khoang gian màng dương) Tổng của hai thành phần thế năng điện hoá nói trên tương đương với một hiệu điện thế là 200mV Khi ion H+ được bơm

từ trong ra ngoài, nó phải được cung cấp năng lượng, ngược lại khi H+ di chuyển từ ngoài vào trong, năng lượng tự do được giải phóng có thể sử dụng được

 Mặc dù chịu lực đẩy của điện thế và thang nồng độ lớn giữa hai phía của màng trong ti thể, ion H+ không thể khuếch tán tự do từ ngoài trở vào chất nền, do màng trong ti thể có chứa phospholipid cardiolipin có tính thấm rất kém đối với ion H+ Trên màng trong, có những phức hợp protein đặc biệt cho phép H+ lọt qua đó là phức hợp

F0F1 Kênh H+ này đồng thời làm nhiệm vụ tổng hợp ATP

 Phức hợp F0F1 có hình dạng như cái chùy Cán chùy (thành phần F0) nằm xuyên màng còn quả chùy F1 nằm nhô vào khoang chất nền, kích thước ngang là 9nm, có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi có độ phóng đại lớn

 Thành phần F0 gồm 3 hay 4 polypeptid và 1 proteolipid được gắn khá chặt với màng, chỉ khi nào dùng tác nhân phá hủy màng khá mạnh mới tách được F0 nằm xuyên màng tạo thành kênh cho phép H+ đi qua

 Thành phần F1 gồm 9 polypeptid của 5 loại khác nhau, có trọng lượng phân tử

500000 Daltons Nó như một chiếc nút đậy kín kênh ion hidro của F0 Phức F1 có hoạt tính ATP synthetase có thể phân hủy ATPthành ADP và Pi, nhưng đặc biệt khi được cung cấp năng lượng tự do, nó lại có thể gắn ADP với Pi tạo thành ATP

 Chuyển động của ion hydro từ khoang gian màng trở lại chất nền qua kênh F0 là chuyển động xuôi chiều thang điện hoá H+, do đó sẽ giải phóng năng lượng tự do Năng lượng này làm thay đổi cấu hình không gian của thành phần F1 Ở trạng thái tích lũy năng lượng và thay đổi cấu hình không gian, F1 thực hiện phản ứng tổng hợp ATP