bài giảng đường phân ái khí

Đặc biệt thoái hoá glycogen ở tổ chức gan còn cung cấp glucose tự do cho máu để điều hoà nồng độ glucose máu - Thoái hoá Glucose ở tế bào có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp năng

ĐƯỜNG PHÂN ÁI KHÍ

Phản ứng 1:

- Phosphoryl hoá Glc tạo Glc_6P , cần ATP thứ nhất, xúc tác Hexokinase hay Glucokinase

Phản ứng 2:

- Đồng phân hoá Glc_6P thành Fru_6P xúc tác P.H.I.M

(Phosphohexoisomerase)

Phản ứng 3:

- Phosphoryl hoá F_6P tạo thành F_1,6DP cần ATP thứ hai, xúc tác

P_Fructokinase là EĐLT hoạt hoá bởi ADP hay AMPv , ức chế bởi ATP và Citrat nồng độ cao

Phản ứng 4:

- Bẻ gãy F_1,6DP dưới tác dụng của Aldolase tạo thành D.O.A.P và G.A.P

Phản ứng 5:

- Đồng phân hoá D.O.A.P (DiOxyAcetonPhosphat) tạo thành G.A.P

(GlyceAldehyd_3Phosphat) nhờ Isomerase

Phản ứng 6:

- G.A.P bị oxy hoá tạo thành 1,3_DPG (h/c cao năng) nhờ GAPDH có CoE là NAD

Phản ứng 7:

- Cắt đứt liên kết cao năng ở C1 của 1,3_DPG tạo 3_PG năng lượng giải phóng chuyển cho ADP tạo ATP xúc tác GAPDH và P_Glyceratkinase

Phản ứng 8:

- Chuyển nhóm ~P từ C3 cho C2 tạo 2_PG xúc tác P_Glyceromutase

Phản ứng 9:

- 2_PG tách nước tạo thành PEP xúc tác PhosphoEnolPyruvat (C2 có liên kết cao năng ~P)

Phản ứng 10:

- Biến đổi PEP thành Pyruvat ,chuyển năng lượng từ ~P cho ADP tạo ATP xúc tác Pyruvatkinase

Phản ứng 11: Gồm 5 giai đoạn

 Giai đoạn 1: Pyruvat tác dụng với TPP của enzym Pyruvat

dehydrogenase (E1), khử CO2 tạo dẫn xuất hydroxy etyl

 Giai đoạn 2: Vận chuyển hai điện tử và nhóm Acetyl của TPP tới

Lipoyl-lysin (dạng oxy hoá S-S) nằm ở trung tâm của enzym

Dihydro lipoyl transacetylase (E2) để tạo Acetyl-thio-este có nhóm khử của Lipoyl (-SH)

 Giai đoạn 3: Chuyển este hoá trong đó nhóm SH của CoA thay

thế cho nhóm –SH của E2 để tạo Acetyl CoA và Lipoyl dạng khử

 Giai đoạn 4: Dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) vận chuyển hai

nguyên tử H của Lipoyl dạng khử của E2 tới nhóm ngoại FAD của

E3, giải phóng Lipoyl-lysin dạng oxy hoá của E2

 Giai đoạn 5: FADH2 khử của E3 chuyển 1 ion hydrua tới NAD+

để tạo NADH NADH tạo ra cung cấp 1 ion hydrua có hai điện tử (: H-) trong chuỗi hô hấp vận chuyển tới O2 để cuối cùng sinh ra 3

phân tử ATP

-Ý NGHĨA

- Thoái biến Glycogen ở các tế bào của tổ chức là nhằm cung cấp G_6P cho

tế bào sử dụng Đặc biệt thoái hoá glycogen ở tổ chức gan còn cung cấp glucose tự do cho máu để điều hoà nồng độ glucose máu

- Thoái hoá Glucose ở tế bào có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho tế bào hoạt động, đồng thời cung cấp các sản phẩm trung gian cho nhiều quá trình chuyển hoá khác trong cơ thể

- Năng lượng tạo ra trong quá trình thoái hoá glucose được tập trung vào các liên kết phosphat giàu năng lượng của phân tử ATP Phần lớn ATP được tạo

từ các phản ứng phosphoryl oxy hoá là do sự oxy hoá trở lại của các

coenzym dạng khử trong chuỗi hô hấp tế bào Một số ATP khác được tạo ra

từ những phản ứng phosphoryl hoá ở mức độ cơ chất Một phân tử glucose khi thoái biến hoàn toàn trong điều kiện hiếu khí sẽ cho 38 ATP và trong điều kiện yếm khí sẽ cho 2 ATP, tương tự thì một phân tử glycogen khi thoái biến hoàn toàn trong điều kiện hiếu khí sẽ cho 39 ATP và trong điều kiện yếm khí sẽ cho 3 ATP

Tế bào cần rất nhiều năng lượng để duy trì sự sống: từ việc sao chép, sửa chửa các cấu trúc di truyền trong nhiễm sắc thể; tạo mới các thành phần cấu tạo trong tế bào, lấy thức ăn vào, thải chất bả ra, giử cho độ pH và nồng độ ion được cân bằng Nếu năng lượng không được cung cấp các phản ứng không thể xảy ra được và sự sống của tế bào sẽ ngừng lại Thật ra, tất cả năng lượng cung cấp cho sự sống ngày nay là từ mặt trời, được cây hấp thu và qua quá trình quang hợp tạo ra hợp chất hữu cơ giàu năng lượng Hầu hết các sinh vật không quang hợp lấy năng lượng bằng cách tiêu hóa các sinh vật quang hợp được và những sinh vật khác Trong tế bào, sự hô hấp tạo ra năng lượng để cung cấp cho tất cả các

hoạt động của tế bào

I ÐẠI CƯƠNG

1 Sự tiến dưỡng và thoái dưỡng

Trong tế bào, năng lượng được dự trử trong các hợp chất được tổng hợp do quá trình quang hợp Năng lượng này được giải phóng qua quá trình hô hấp hiếu khí, trong đó glucoz được chuyển hóa qua nhiều sản phẩm trung gian để đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Năng lượng tự do được tạo ra trong quá trình này được sử dụng như là nguồn năng lượng cho những phản ứng khác xảy ra trong tế bào Tất cả các phản ứng này được gọi là sự biến dưỡng của tế bào (cellular ****bolism) và thường được chia thành hai giai đoạn: sự tiến dưỡng (anabolism) là quá trình những chất hữu cơ phức tạp được tổng hợp

từ những phân tử đơn giản hơn, và sự thoái dưỡng (catabolism) là quá trình trong đó cơ thể sống lấy năng lượng từ thức ăn bằng cách phân cắt những phân tử hữu cơ phức tạp thành những phân tử đơn giản hơn Sự hô hấp hiếu khí (aerobic respiration) là một kiểu thoái dưỡng chính xảy ra trong tế bào

2 Ty thể

Ty thể là bào quan tham gia vào sự hô hấp hiếu khí Dưới kính hiển vi điện tử, mỗi ty thể được bao bọc bởi hai màng, màng ngoài và màng trong chia ty thể ra làm hai ngăn: ngăn ngoài là khoảng giữa của hai màng, ngăn trong từ màng trong trở vào Màng trong là những crista, nên bề mặt tiếp xúc tăng rất nhiều (Hình 8, chương 1) Màng ngoài thấm được những phân tử nhỏ, nhưng màng trong thì không thấm Trên màng trong có các protein kênh, kênh đóng mở, bơm để điều tiết chọn lọc những phân tử đi ra và đi vào ngăn trong Màng trong cũng chứa những protein của chuỗi dẫn truyền điện tử tương tự như chuỗi dẫn truyền điện tử trên màng thylakoid của lục lạp Vì thật ra, sự hô hấp giống như sự quang hợp cũng bao gồm những phản ứng oxy hóa khử

II SỰ HÔ HẤP CARBOHYDRAT

Những carbohydrat phức tạp như tinh bột ở thực vật và glycogen ở động vật đều được thủy phân thành những phân tử glucoz trước khi đi vào quá trình hô hấp Sự hô hấp hoàn toàn một hợp chất giàu năng lượng như glucoz trải qua một chuỗi dài những phản ứng, trong đó có những phản ứng xảy ra không cần

sự hiện diện của oxy và có những chuỗi phản ứng lệ thuộc vào oxy

1 Ðường phân (glycolysis) (giai đoạn I) (Hình 1)

Hình 1 Các phản ứng chính của đường phân

Ðường phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình hô hấp glucoz xảy ra không cần sự hiện diện của O2 Ðường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống, và là chuỗi phản ứng đã xảy ra ở những sinh vật đầu tiên khi mà trái đất còn chưa có O2

Glucoz là một hợp chất bền vững, ít có xu hướng phân cắt ra thành những chất đơn giản hơn, do đó tế bào muốn lấy năng lượng từ glucoz trước tiên phải đầu tư cho nó một ít năng lượng để hoạt hóa phân

tử Do đó, giai đoạn đầu của đường phân là cung cấp ATP cho phân tử glucoz (Hình 1) Trong các phản ứng chuẩn bị hai phân tử ATP gắn gốc phosphat cuối cùng của nó vào phân tử glucoz

Trong phản ứng này hexokinaz xúc tác chuyển một gốc phosphat vào glucoz Phản ứng kế tiếp là phản ứng chuyển đổi glucoz-6-phosphat thành fructoz-6-phosphat

Sau khi tạo ra sản phẩm trong bước (2), một phân tử ATP nữa được tiêu thụ để thêm một gốc phosphat nữa vào phân tử

Kế tiếp fructoz-1,6-bisphosphat bị cắt đôi ở giữa C thứ ba và C thứ tư tạo ra hai chất 3C tương tự nhau trong bước (4) Một chất là PGAL (phosphoglyceraldehyd) và một chất trung gian thường chuyển đổi ngay thành PGAL trong bước (5) PGAL là một đường trung gian 3C, là chìa khóa trung gian trong cả quá trình đường phân và quang hợp

Ðến giai đoạn này quá trình đường phân đã sử dụng 2 phân tử ATP

Phản ứng kế tiếp, hơi phức tạp hơn, bắt đầu để dẫn đến sự thành lập ATP mới, thật sự là hai phản ứng Phản ứng đầu là một phản ứng oxy hóa khử: hai điện tử và một ion H+ được lấy từ mỗi phân tử PGAL (như vậy phân tử này bị oxy hóa) bởi phân tử nhận điện tử nicotinamid adenin dinucleotid, hay NAD+, chất này bị khử NAD+ rất gần với NADP+ tìm thấy trong lục lạp Trong trường hợp này sản phẩm trung gian là NADH thay vì là NADPH

Phản ứng thứ hai là sự phosphoryl hóa PGAL Năng lượng được giải phóng từ sự oxy hóa PGAL được dùng để gắn một gốc phosphat vô cơ P vào PGAL, gốc phosphat được gắn vào bằng một cầu nối giàu năng lượng

Trong phản ứng kế tiếp, gốc phosphat mới được chuyển vào ADP để tạo ra ATP Trong quá trình này, một gốc phosphat giàu năng lượng được chuyển vào một cơ chất ADP để tạo thành ATP, phản ứng này được gọi là phosphoryl hóa ở mức cơ chất (substrate-level phosphorylation) Sản phẩm 3C là PGA, một chất trung gian trong chu trình Calvin-Benson, một lần nữa cho thấy sự tương quan giữa hai quá trình:

Ở giai đoạn này, tế bào thu lại được 2 phân tử ATP đã dùng cho sự phosphoryl hóa glucoz trong lúc bắt đầu đường phân Năng lượng đầu tư ban đầu đã được trả lại Qua phản ứng kế tiếp, cuối cùng là nước được tách ra từ PGA, và sau đó gốc phosphat được chuyển đổi và được gắn lại bởi cầu nối giàu năng lượng:

Sau phản ứng sắp xếp lại trong bước (9) gốc phosphat được chuyển vào ADP theo sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất để thành lập ATP, kết quả tạo ra hai phân tử ATP và hai phân tử acidpyruvic:

Vì hai phân tử ATP sử dụng trong bước (1 và 3) đã được lấy lại trong bước (7), nên hai phân tử ATP này

là được tổng hợp thêm cho tế bào

Các điểm quan trọng cần chú ý trong sự đường phân là:

- Mỗi phân tử glucoz (C6 H12O6) bị phân tách thành hai phân tử acid pyruvic (C3H4O3)

- Hai phân tử ATP sử dụng trong lúc đầu của quá trình, sau đó có bốn phân tử được tạo ra, như vậy tế bào còn được hai phân tử này

- Hai phân tử NADH được thành lập

- Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của O2 hay không

- Các phản ứng của đường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tế bào, bên ngoài ty thể

2 Sự lên men (fermentation) (Hình 2)

Trong đường phân, hai phân tử NAD+ được khử thành NADH Chức năng của phân tử NAD+ trong tế bào là vận chuyển điện tử, trao đổi ion H+ và điện tử giữa chất này và chất khác Do đó, NAD+ chỉ là một chất tạm thời tải ion H+ và điện tử, sau khi chuyển ion H+ và điện tử cho chất khác thì nó trở lại làm chất tải tiếp tục Nếu NADH được thành lập không nhanh chóng loại bỏ ion H+ và điện tử thì NAD+ trong tế bào sẽ thiếu; khi đó bước (6) trong đường phân không thể xảy ra và quá trình đường phân tạm dừng lại Như vậy, sự oxy hóa NADH thành NAD+ là cần thiết cho quá trình đường phân tiếp tục

Trong hầu hết tế bào, nếu có O2, nó sẽ là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH Nhưng dưới điều kiện yếm khí, không có O2 để nhận hydro và điện tử thì acid pyruvic được tạo ra trong quá trình đường phân

sẽ nhận hydro và điện tử từ NADH, quá trình này được gọi là sự lên men

Hình 2 Các phản ứng chính của sự lên men

Sự biến dưỡng acid pyruvic trong sự lên men thay đổi theo cơ thể sinh vật (Hình 2) Ở tế bào động vật

và nhiều vi sinh vật sự khử acid pyruvic tạo ra acid lactic:

Ở hầu hết tế bào thực vật và men (yeast), sản phẩm lên men là rượu ethyl và CO2, quá trình này được

áp dụng trong sản xuất:

Vì vậy, trong điều kiện yếm khí, NAD+ như con thoi đi qua đi lại giữa bước (6) và bước (11), lấy hydro và điện tử để tạo ra NADH trong bước (6) và trả lại hydro và điện tử trong bước (11) Sự lên men là sự nối tiếp của quá trình đường phân, bằng cách này glucoz được biến đổi thành rượu hay thành acid lactic dưới điều kiện yếm khí, và tên gọi tùy thuộc vào tên của loại sản phẩm cuối cùng Dù sản phẩm cuối cùng là chất nào thì sự lên men chỉ lấy được một phần năng lượng rất nhỏ từ glucoz, các sản phẩm của quá trình lên men là các chất còn chứa rất nhiều năng lượng tự do

Sự lên men của những tế bào men và những vi sinh vật được ứng dụng trong nhiều kỷ nghệ quan trọng như làm bánh mì, pho ma, da ua, sản xuất rượu và các loại thức uống có rượu; một số sản phẩm khác

được tạo ra từ các vi sinh vật khác như mùi đặc trưng của pho ma Thụy sỉ là do sản phẩm lên men là acid proprionic

3 Sự oxy hóa pyruvic acid (giai đoạn II)

Nếu có sự hiện diện của O2, thì O2 là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH, do đó acid pyruvic sẽ được đưa vào ty thể và ở đây sẽ được tiếp tục biến dưỡng và đồng thời tạo ra nhiều ATP mới

Acid pyruvic trong dịch tế bào chất được chuyển vào ngăn trong của ty thể Qua một chuỗi phản ứng phức tạp, acid pyruvic bị oxy hóa thành CO2 và một gốc acetyl 2C, chất này gắn với một coenzim được gọi là coenzim A (CoA) tạo ra chất acetyl-CoA Khi acid pyruvic được oxy hóa, điện tử và ion H+ bị lấy đi,

và một lần nữa NAD+ là chất nhận điện tử và ion H+ để tạo ra NADH Chuỗi phản ứng phức tạp này có thể được tóm tắt trong phương trình sau:

Cuối giai đoạn II, 2 trong 6C trong glucoz ban đầu được giải phóng ra dưới dạng CO2