nghiên cứu quá trình oxi hóa pyruvate, chuỗi truyền điện tử và sự phosphoryl hóa oxy hóa

nghiên cứu quá trình oxi hóa pyruvate, chuỗi truyền điện tử và sự phosphoryl hóa oxy hóa

Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. MỞ ĐẦU Vi sinh vật sử dụng một số con đường trao đổi chất để chuyển hóa glucose và các đường khác. Do tính đa dạng về trao đổi chất như vậy mà trao đổi chất của chúng thường rắc rối. Để tránh những rắc rối có thể xảy ra, các vi sinh vật phân giải đường thành một sản phẩm trung gian -Pyruvate theo các con đường khác nhau: đường phân, pentose-phosphate hoặc Entner-Doudoroff. Pyruvate có thể được sử dụng làm tiền chất của quá trình sinh tổng hợp, hoặc cũng có thể bị oxi hóa hoàn toàn thành CO2 trong điều kiện hiếu khí. Mặc dù một phần năng lượng có thể thu được từ sự phân giải glucose thành pyruvate qua các con đường trên nhưng phần lớn năng lượng lại được giải phóng ra khi pyruvate bị phân giải. Trong bài này, chúng ta sẽ nghiên cứu quá trình oxi hóa pyruvate, chuỗi truyền điện tử và sự phosphoryl hóa oxy hóa. Page |1 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. 1. Phản ứng Oxi hóa loại Carboxyl của Pyruvate (Oxidative decarboxylation of Pyruvate) Phức hợp đa enzyme pyruvate dehydrogenase oxi hóa Pyruvate thành CO 2 và acetyl-CoA khử NAD+ trong điều kiện hiếu khí. Phức hệ đa enzyme pyruvate dehydrogenase bao gồm 24 phân tử Pyruvate dehyrogenase chứa thiamine pyrophosphate(TTP),24 phân tử dihydrolipoate acytyltransferase chứa dihydrolipoate và 12 phân tử dihydrolipoate dehydrogenase chứa flavin adenine dinucleotide(FAD). Ngoài ra, NAD+ và coenzyme A tham gia vào phản ứng Oxidative decarboxylation of Pyruvate by the Pyruvate dehydrogenase complex. Figure : Pyruvate dehydrogenase (E1) khử Carboxyl của Pyruvate và TTP gắn với nhóm hydroxylethyl, nhóm hydroxylethel này gắn với lipoate(Lip) của dihydrolipoate acetyltransferase (E2), làm đứt cầu disulfide. E2 chuyển nhóm acetyl tới coenzyme A tạo ra acetyl-CoA. Dihydrolipoate dehydrogenase (E3)chuyển điển tử bị khử từ lipoate tới NAD+ Page |2 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Đây là phản ứng không thuận nghịch, xảy ra trong ty thể của tế bào eukaryote. Ta có thể công thức hóa phản ứng như sau: Pyruvate + CoA-SH +NAD+  acetyl-coA +NADH + H+ (∆Go’= -33.5kJ/mol Pyruvate) Phức hệ Pyruvate dehydrogenase chia sẻ tài nguyên với các phức hệ 2-keto acid dehydrogenase tạo ra acyl-CoA như là 2-ketoglutarate dehydrogenase và 2ketobutyrate dehydrogenase, nhưng hoạt tính của chúng được kiểm soát theo những cách khác nhau. Hoạt tính của Pyruvate dehydrogenase được kiểm soát bởi cơ chất, sản phẩm và nguồn năng lượng từ adenyl. Pyruvate và AMP hoạt hóa hoạt tính enzyme, còn acetyl-CoA, NADH và ATP ứng chế chúng. Pyruvate và acetyl-CoA là tiền chất để tổng hợp amino acid và acid béo. 2. Chu trình acid tricarboxylic (TCA cycle) Chu trình chuyển hóa này được Krebs và các sinh viên của ông phát hiện ra ở tế bào động vật, được gọi là chu trình acid tricarboxylic (TCA), chu trình Krebs, hay chu trình acid citric. Acetyl-CoA tạo ra bởi pyruvate dehydrogenase bị oxi hóa hoàn toàn thành CO2, khử NAD+, NADP+ và FAD. Các chất khử bị oxi hóa qua chuỗi truyền điện tử và sự phosphoryl hóa oxi hóa tạo ra động lực proton và tổng hợp ra ATP. Chu trình TCA không chỉ cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp ATP mà còn tạo ra tiền chất cho các quá trình tổng hợp. Chu trình TCA hoặc các quá trình trao đổi chất là không thể thiếu được, cung cấp tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp cho 2.1. mọi loại tế bào, ngoại trừ mycoplasma. Tổng hợp acid citrate và chu trình TCA Citrate synthase tổng hợp citrate từ acetyl-CoA và oxaloacetate. Đây là quá trình giải phóng năng lương (∆G o’= -32.2 kJ/mol acetyl-CoA) và không thuận nghịch. Phản ứng nghịch được xúc tác bởi enzyme khác, ATP-citrate lyase, trong chu trình khử TCA ( Mục 4.2). Citrate được chuyển hóa thành isocitrate được xúc tác bởi enzyme aconitase. Isocitrate bị oxi hóa thành 2-ketoglutarate bởi isocitrate dehydrogenase. Trong hầu hết các vi khuẩn, enzyme này phụ thuộc NADP +, nhưng có 2 enzyme được tìm thấy trong eukaryote sử dụng NADP+ hoặc NAD+. Page |3 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Figure : sự oxi hóa acetyl-CoA trong chu trình TCA 1: citrate synthase; 2: caonitase; 3: isocitrate; 4: 2-ketoglutarate dehydrogenase complex; 5: sccinate thiokinase (succinyl-CoA synthetase); 6: succinate dehydrogenase ; 7: fumarase(fumarate hydratase); 8: malate dehydrogenase. Page |4 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Phức hợp enzyme 2-ketoglutarate dehydrogenase oxi hóa cơ chất của nó thành succinyl-coA. Cũng như với phức hợp Pyruvate dehydrogenase, phức hợp enzyme này bao gồm nhiều peptide và cofactor, và xúc tác sự oxi hóa decarboxyl tạo ra acyl-CoA. Đây lại là một phản ứng không thuận nghịch nữa trong chu trình TCA. Phản ứng nghịch được xúc tác bởi 2-ketoglutarate synthase (2-ketoglutarateferredoxin oxido reducetase) trong chu trình khử TCA để cố định CO 2 (mục 4.2). Một số vi khuẩn lên men kị khí không có enzyme này. Chúng cung cấp tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp thông qua một nhánh không hoàn chỉnh của TCA (mục 4.1) Glutamate và các amino acid liên quan được tổng hợp từ 2-ketoglutarate. Succinyl-CoA là tiền chất cho quá trình tổng hợp sắc tố tạo nhân cho sắc tố tế bào và diệp lục. Cả hai carbon của acetyl-CoA đều được giải phóng thành CO 2 trong hai phản ứng khử. Giống như các dẫn xuất của acyl-CoA, succinyl-CoA có liên kết cao năng. Năng lượng này được chuyển hóa thành ATP trong phản ứng succinate thiokinase (succinyl-CoA synthetase) tạo ra succinate. Đây là một ví dụ về sự phosphoryl hóa mức độ cơ chất. Guanosine triphosphate (GTP) được tông rhợp trong ti thể của tế bào eukariote bằng những phản ứng này. Succinate bị oxi hóa thành fumarate bởi succinate dehydrogenase. Vì thế oxi hóa khử của fumarate/succinate (-0.03V) cao hơn NAD +/NADH (-0.32V), NAD(P) + không bị khử trong phản ứng này. Nhóm FAD của succinate dehydrogenase bị khử. Điện tử của sccn dehydrogenase được chuyển tới coenzyme Q trong chuỗi truyền điện tử. (Mục 8.2). Fumarate bị hydrate hóa bởi fumarase trước khi bị khử thành oxaloacetate bởi malate dehydrogenase khử NAD+. Oxaloacetate sau đó kết hợp với acetyl-CoA cho chu trình tiếp theo. Oxaloacetate được sử dụng để tổng hợp các amino acid, và bị decarboxyl thành phosphoenol-pyruvate (PEP) trong quá trình hình thành glucose. Chu trình TCA có thể được công thức hóa như sau: CH3-CO-CoA +3NAD(P)+ + FAD+ADP+Pi+3H2O 2CO2 +3NAD(P)H+ FADH2+ATP+ 3H++CoA-SH Chất mang điện tử mang điện tử vào chuỗi truyền điệntử để tổng hợp ATP nhờ động lực proton (mục 8.) Page |5 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. 2.2. Sự điều hòa chu trình TCA Chu trình TCA vừa phục vụ quá trình đồng hóa bằng cách sản xuất ATP, vừa phục vụ quá trình dị hóa bằng cách cung cấp tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp. Do đó, nó được điều hòa bởi trạng thái năng lượng của tế bào và nồng độ tiền chất. Ngoài ra, oxy cũng đóng vai trò điều hòa chu trình bởi vì các chất mang điện tử được quay ngược lại chu chu trình, sử dụng oxy như là chất nhận điện tử. Oxi kiểm soát sự biểu hiện của các gene quy định enzyme cho chu trình TCA. Các sinh vật hiếu khí tùy tiện không tổng hợp 2-ketoglutarate dehydrogenase trong điều kiện thiếu khí nếu không có chất nhận điện tử cuối cùng như nitrate. Hoạt tính khi sử dụng nitrate thấp hơn khi sử dụng oxi làm chất nhận điện tử cuối cùng. Trong vi khuẩn gram âm, bao gồm cả E. coli, các protein điều hòa FNR và Arc điều khiển quá trình dịch mã của nhiều gene trao đổi chất hiếu khí và kị khí. Một protein FNR với chức năng đơn giản đã được tìm hiểu trong vi khuẩn Gram dương Bacillus subtilis. Citrate synthase được điều hòa nhằm kiểm soát chu trình TCA. Thông thường, enzyme này bị ức chế trong điều kiện tích lũy NADH và ATP hoặc 2-ketoglutarate. Điều này có nghĩa là tế bào đã đủ năng lượng và tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp. Vi khuẩn Gram âm chỉ có một enzyme và nó không bị ức chế bởi NADH mà bị ức chế bởi ATP. Ở một số vi khuẩn, AMP hoạt hóa citrate synthase bị bất hoạt bởi NADH . 3. Sự bổ sung các sản phẩm trung gian của chu trình TCA Một số sản phẩm trung gian của chu trình TCA được sử dụng làm tiền chất của quá trình sinh tổng hợp. Để điều khiển hiệu quả chu trình, những sản phẩm trung gian đó phải được bổ sung khi nồng độ oxaloacetate quá thấp để khởi động chu trình TCA. Oxaloacetate được bổ sung thông qua một quá trình làm đầyliên tục. 3.1. Quá trình làm đầy liên tục Page |6 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Vi khuẩn phát triển trên carbohydrate tổng hợp oxaloacetate từ Pyruvate hoặc PEP. Nhiều sinh vật, từ vi khuẩn đến động vật có vú carboxyl hóa pyruvate thành oxaloacetate và quá trình này được xúc tác bởi pyruvate carboxylase tiêu thụ ATP: Pyruvate carboxylase 3 Pyruvate + HCO + ATP oxaloacetate +ADP +Pi Figure : Quá trình làm đầy liên tục ở vi khuẩn phát triển trên nguồn carbohydrate. 1: PEP carboxylase, 2: pyruvate carboxylase Page |7 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Enzyme này cần biotin. Acetyl-CoA hoạt hóa enzyme này ở nhiều vi khuẩn , cũng như ở động vật, tuy nhiên một số vi khuẩn nhử Pseudômnas aeruginosa có pyruvate carboxylase không hoạt hóa bằng acetyl-CoA. Một đột biến PEP carboxylase ở E.coli không thể phát triển trong môi trường glucosse-muối khoáng, nhưng có thể phát triển khi bổ sung các sản phẩm trung gian của chu trình TCA. Vi khuẩn này có PEP carboxylase để bổ sung liên tục chứ không phải pyruvate carboxylase. Tính trạng này được chia sẻ trong rất nhiều loài vi khuẩn khác như: Bacillus anthracis, Thiobacillus novellus, Acetobacter xylinum và Azotobacter vinelandii. PEP carboxylase PEP +HCO33.2. oxaloacetate + Pi Chu trình Glyoxylate Vi khuẩn sống dựa vào nguồn carbon không được trao đổi chất qua pyruvate hoặc PEP không thể bổ sung chất trung gian của chu trình TCA thông qua quá trình làm đầy liên tục, và cần thêm oxaloacetate để tạo ra PEP tổng hợp glucose. Vì vậy, chúng cần một bộ máy khác, chu trình Glyoxylate. E.coli sinh trưởng bằng acetate tổng hợp isocitrate lyase và malte synthase để vận hành chu trình glyoxylate . Những enzyme này biến đổi 2 phân tử acetyl-CoA thành một phân tử malate trong sự liên kết với các enzyme của chu trình TCA. Acetyl-CoA được chuyển hóa thành isocitrate trong chu trình TCA, và isocitrate lyase tách isocitrate thành succinate và glyoxylate: Isocitrate lyase Isocitrate succinate +glyoxylate Succinate bị oxi hóa thành oxaloacetate trong chu trình TCA, và glyoxylate được sử dụng để tổng hợp malate bằng malate synthase với phân tử acetyl-CoA thứ hai: Isocitrate lyase Page |8 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Glyoxylate + acetyl-CoA malate + CoA-SH Chu trình glyoxylate có thể được công thức hóa như sau: 2CH3-CO-CoA + 3H2O + FAD C4H6O5 + FADH2 + 2CoA-SH Figure : Chu trình glyoxylate bổ sung chất trung gian cho chu trình TCA 3.2.1. Điều hòa chu trình glyoxylate Khi sinh vật sinh trưởng trên nguồn carbon không được chuyển hóa qua pyruvate hoặc PEP, chu trình TCA cung cấp năng lượng trong khi chu trình glyoxylate cung cấp các tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp. Các gene quy định isocitrate lyase và malte synthase được dịch mã với sự tích lũy của acetyl-CoA. Protein Cra (Hoạt hóa/ức chế dị hóa) tham gia vào quá trình điều hòa này trong E.coli. Hoạt tính của isocitrate lyase bị ức chế bởi PEP, succinate và pyruvate. Bởi vì isocitrate là một điểm nhánh của chu trình TCA và glyoxylate, hoạt động của isocitrate lyase và isocitrate dehydrogenase phải được điều hòa để kiểm Page |9 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. soát lượng cơ chất. Vi khuẩn giải quyết vấn đề này bằng ái lực khác nhau với cơ chất và bằng kiểm soát hoạt tính của enzyme với ái lực cao hơn. Dehydrogenase (Km=1-2µM) có ái lực với cơ chất cao hơn nhiều so với lyase (K m=3 mM). Khi chu trình TCA cần tạo ra năng lượng, isocitrate dehydrogenase được hoạt hóa, nhưng enzyme này bị bất hoạt khi tiền chất để sinh tổng hợp được tổng hợp tổng chu trình glyoxylate. Một enzyme với hoạt tính kinase-phosphatase điều hòa hoạt động của isocitrate dehydrogenase. Enzyme kinase-phosphatase loại bỏ nhóm phosphate trong enzyme isocitrate dehydrogenase phosphate hóa bật hoạt để tăng dòng từ chu trình TCA khi các chất trao đổi trung gian như isocitrate, PEP, OAA, 2-KG và 3phosphoglycerate ở nồng độ cao, và nhu cầu ATP khi AMP và ADP được tích lũy. Trong điều kiện ngược lại, enzyme kinase-phosphatase phosphoryl hóa protein enzyme để bất hoạt nó. Khi NADPH tích lũy, isocitrate được chuyển thẳng vào chu trình glyoxylate. Ở E.coli, các gene quy định kinase-phosphatase có cùng operon với các gene quy định citrate lyase và malate synthase. Chu trình TCA được kiểm soát bởi hoạt tính của citrate synthase, và isocitrate dehydrogenase được điều hòa để kiểm soát chu trình glyoxylate. Figure : Điều hòa hoạt tính của enzyme isocitrate dehydrogenase bằng enzyme kinase-phosphatase 4. Phân nhánh TCA không hoàn chỉnh và chu trình khử TCA Chu trình TCA là quá trình trao đổi chất cung cấp cho cả đồng hóa và dị hóa. Một phần của chu trình TCA, còn được gọi là phân nhánh TCA không hoàn chỉnh, tồn tại ở cả tế bào lên men không thể sử dùng NADH để tạo ra ATP thông qua quá trình phosphoryl hóa oxi hóa để mà thu được tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp. Cyanobacteria tổng hợp ATP bằng con đường vận chuyển điện tử quang hợp như là P a g e | 10 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. một kiểu đơn giản. Trong một số sinh vật hóa dưỡng vô cơ, CO 2 được cố định trong chu trình khử TCA. 4.1. Phân nhánh TCA không hoàn chỉnh Chu trình TCA không hoạt động ở một số vi khuẩn trong một số điều kiện xác định. Vi khuẩn đường ruột, bao gồm cả E.coli, không tổng hợp 2-ketoglutarate dehydrogenase trong điều kiện lên men bởi vì NADH không thể tái sử dụng sau khi phosphoryl hóa oxi hóa trong điều kiện này. Tiền chất cung cấp bởi chu trình TCA thu được gồm một phân nhánh oxi hóa tạo ra 2-ketoglutarate và một nhánh khử tổng hợp succinyl-CoA. Figure : Phân nhánh TCA không hoàn chỉnh cung cấp tiền chất tiền chất cho sinh tổng hợp ở sinh vật không tổng hợp 2-ketoglutarate dehydrogenase. 1: pyruvate dehydrogenase và citrate synthase, 2: aconitase, 3: isocitrate dehydrogenase, 4: PEP carboxylase, 5: malate dehydrogenase, 6: fumarase, 7: fumarate reductase, 8: succinate –CoA synthesase. Bởi vì succinate dehydrogenase không thể khử fumarate thành succinate, fumarate reductase thay thế nó trong phân nhánh TCA không hoàn chỉnh. Fumarate P a g e | 11 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. reductase là một trong số các enzyme kị khí bị ức chế trong điều kiện hiếu khí ở E.coli dưới sự kiểm soát của protein điều hòa FNR. Trong điều kiện kị khí, hoạt tính của các enzyme khác trong chu trình TCA thấp hơn trong điều kiện kị hiếu khí. Chu trình khử TCA Chu trình Calvin được dùng trong hầu hết các sinh vật hóa tự dưỡng vô cơ để 4.2. cố định CO2 nhưng ở một vài sinh vật hóa tự dưỡng vô cơ không thấy những enzyme của chu trình Calvin, bao gồm cả vi khuẩn quang hợp lưu huỳnh màu lục, vi khuẩn hóa tự dưỡng vô cơ (Hydrogenobacter thermophilus) và vi khuẩn cổ (Sulfolobus acidocaldarius). Chúng cố định CO2 bằng một chu trình đảo ngược của TCA được gọi là chu trình khử TCA. Như đã nói ở trên, ba enzyme của chu trình TCA không thể xúc tác vác phản ứng nghịch và các enzyme khác thay thế chúng: • ATP-citrate lyase: thay thế cho citrate synthase. • 2-ketoglutarate-feredoxin oxidoreductase: thay thế cho 2-ketoglutarate • dehydrogenase. Fumarate reductase: thay thế cho succinate dehydrogenase. Cơ chế cố định CO2 này chỉ được biết đến ở prokaryote. Các con đường cố định CO2 khác chỉ thấy ở prokaryote là con đường acetyl-CoA (con đường carbon monoxide dehydrogenase) và con đường 3-hydroxypropionate. 5. Chuyển hóa năng lượng ở prokaryotes Có thể tưởng tượng sự sống như là một quá trình biến đổi vật chất khả dụng từ môi trường thành các thành phần tế bào nhờ thông tin di truyền. Sự biến đổi vật chất cũng gắn liền với sự chuyển hóa năng lượng. Năng lượng cần thiết không chỉ cho quá trình tăng trưởng và sinh sản mà còn dùng cho các quá trình duy trì sự sống bao gồm sinh tổng hợp, vận chuyển, chuyển động và nhiều quá trình khác. Sinh vật sử dụng nguồn năng lượng sẵn có trong môi trường. Quang năng và hóa năng được biến đổi thành năng lượng sinh học cho sự sinh trưởng và duy trì sự sống. Quang năng được dùng cho quang hợp và hóa năng dùng trong quá trình lên men mà hô hấp. Các hợp chất hữu cơ được tạo ra từ quang hợp được dùng cho các sinh vật khác lên men và hô hấp. Vì vậy, quang hợp được coi là quá trình sản xuất P a g e | 12 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. sơ cấp. Các chất vô cơ bị khử cũng được sử dụng làm nguồn năng lượng của các sinh vật hóa tự dưỡng. Sơ đồ 7 cho ta thấy quá trình chuyển hóa năng lượng trong hệ thống sống. Trong các quá trình này, năng lượng tự do được lưu trữ trong các phản ứng tỏa nhiệt và được sử dụng trong các phản ứng thu nhiệt. Để hiểu rõ những phản ứng sinh học này trên cơ sở nhiệt động học, cần phải hiểu rõ mối quan hệ giữa phản ứng sinh học và sự biến đổi năng lượng tự do Figure : Quá trình chuyển hóa năng lượng sinh học 5.1. Năng lượng tự do Sự thay đổi năng lượng tự do trong một phản ứng tỏa nhiệt trong một phản ứng tỏa nhiệt được biểu thị bằng một số âm, và trong phản ứng thu nhiệt được biểu thị bằng một số dương, bởi vì trong phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng đi ra khỏi hệ thống, còn trong phản ứng thu nhiệt, năng lượng đi vào. Sự thay đổi năng lượng phụ thuộc vào điều kiện xảy ra phản ứng. Điều kiện phản ứng chuẩn là nồng độ của chất phản ứng và sản phẩm là 1 đơn vị hoạt động (tất cả ở trạng thái hoạt động, nồng độ 1M tương ứng với 1 đơn vị hoạt động) ở 25 oC. Năng lượng tự do thay đổi P a g e | 13 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. ở điều kiện chuẩn được biểu thị là ∆G0 , còn ∆G0’và ∆G mô tả sự thay đổi năng lượng tự do dưới điều kiện chuẩn ở pH=7, hoặc điều kiện cho sẵn. Vì pH sinh lý là trung tính, ∆G0’ thường được dùng trong sinh học. ∆Go’ có thể được tính theo nhiều cách khác nhau. 5.1.1. ∆Go’từ năng lượng tự do của cấu tạo Năng lượng tự do của cấu tạo(∆G0’) của các hợp chất phổ biến có thể được tra cứu trong hầu hết các sổ tay hóa học. ∆G 0’ được tính từ ∆Gf0’ sử dụng phương trình: ∆G0’=∑∆Gf0’ của sản phẩm -∑∆Gf0’ của chất phản ứng. Ví dụ, ∆G0’ của phản ứng oxi hóa glucose: C6H12O6 + 6CO2  6 CO2 + 6 H2O Trong đó, năng lượng tự do của cấu tạo của mối thành phần là: ∆Gf0’ glucose = -917.22 kJ ∆Gf0’ O2= -0 kJ ∆Gfo’ H2O = -237.18 kJ ∆Gf0’ CO2 = -386.02 kJ ∆G0’ = [(-237.18 x 6) + (-386.02 x 6)] – (-917.22) = -2821.98 kJ/mol glucose 5.1.2. ∆Go’từ hằng số cân bằng Hằng số cân bằng (K’eq) của một phản ứng A +B ↔ C + D được biểu diễn bằng công thức: • • • K’eq= ([C] [D]/ ([A] [B]) K’eq cho ta biết chiều hướng của phản ứng tại pH=7.0 trong điều kiện chuẩn: Nếu K’eq >1.0, ∆G0’ 10), protein nghịch tải Na+/H+ làm tăng thế màng. P a g e | 29 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Một protein nghịch tải Na+/H+ cũng được biết đến ở vi sinh vật ưa trung tính là E. coli. Đột biến ở protein nghịch tải làm giảm sức chịu kiềm hơn so với chủng dại. Protein nghịch tải Na+/H+ làm cho vi sinh vật ưa trung tính có một vài đặc tính kháng kiềm. Động lực Natri không chỉ thấy ở vi sinh vật ưa kiềm mà còn thấy ở cổ khuẩn ưa mặn. Một vài decarboxylase có tính phụ thuộc Na+ (Mục 8.6). 8. Chuỗi vận chuyển điện tử phosphoryl hóa (oxi hóa) Chất mang điện tử, như là NAD(P) +, FAD và PQQ bị khử trong quá trình đường phân và chu trình TCA. Điện tử từ các chất mang đi vào chuỗi truyền điện tử ở các cấp độ khác nhau. Chất mang điện tử là các bị oxi hóa, khử phân tử oxxi 8.1. thành nước qua ETP để tích trữ năng lượng dưới dạng động lực proton (∆p). Thuyết hóa thẩm Phải mất nhiều năm người ta mới làm sáng tỏ được tại sao năng lượng tự do sinh ra từ ETP lại có thể được tích trữ trong ATP. Các hợp chất liên kết cao năng không có ở ETP như trong phosphoryl hóa mức độ cơ chất. ATP được tổng hợp chỉ với màng nguyên vẹn hoặc các màng túi, và sự tổng hợp ATP bị ức chế bởi sự có mặt của chất phân tách hoặc thể mang ion. Từ những quan sát đó, một mô hình hóa thẩm được xây dựng. Theo đó, sự xuất hạt mang điện gắn liền với phản ứng oxi hóa khử để tạo nên gradient điện hóa dùng để tổng hợp ATP. H + là hạt mang điện được xuất đi, và gradient điện hóa là động lực proton, bao gồm gradient H + (∆pH) xuyên màng và thế màng (∆ψ). Màng phospholipid không thấm H + hay OH- vì thế nó thích hợp để duy trì gradient proton. Hầu hết các chất mang điện tử liên quan đến ETP nằm trên màng, mà enzyme gắn màng ATP synthase tổng hợp ATP từ ADP và 8.2. Pi sử dụng gradient proton. Chất mang điện tử và chuỗi truyền điện tử Các chất mang điện tử liên quan đến việc truyền điện tử từ NADH tới phân tử oxy nằm ở màng trong ty thể ở tế bào eukaryote và trognng màng tế bào chất của 8.2.1. prokaryote. Chuỗi truyền điện tử ở ty thể Ta xem xét chuỗi truyền điện tử ở Eukaryote theo kiểu so sánh với chuỗi truyền điện tử ở Prokaryote. Chuỗi truyền điện tử ở ty thể gồm các phức hệ I, II, III P a g e | 30 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. và IV. Phản ứng tổng thể có thể tóm tắt là các enzyme dehydrogenase ( phức hệ I và II) và enzyme oxidase ( phức hệ IV) liên kết bằng quinone (phức hệ III). Figure . Chuỗi truyền điện tử nằm ở màng trong ty thể NADH dehydrogenase oxi hóa NADH, bị khử trong các con đường dị hóa khác nhau , thành NAD+. Enzyme này chứa FMN như là một nhóm giả và tạo với các protein [Fe-S] một phức gọi là phức hệ I hay NADH-ubiquinone reductase. FMN bị khử với sự oxi hóa NADH và các protein [Fe-S] gián tiếp chuyển điện tử và proton từ FMNH2tới coenzyme Q. Phản ứng này sinh ra đủ năng lượng để tổng hợp ATP, và điện tử chuyển từ NADH tới ubiquinone (coezyme Q) được coi là ở vùng 1 của ETP. Trong ti thể và hầu hết vi khuẩn, các proton được thay đổi vị trí bởi phức này, nhưng ion natri được xuất đi bởi phức hệ I của một số vi khuẩn, như là Vibrio algiolyticus. Một bước của chu trình TCA, succinate dehydrogenase oxi hóa succinate thành fumarate, khử nhóm giả FAD của nó, trước khi điện tử được chuyển tới coenzyme . Enzyme này cấu tạo nên phức hệ II (còn gọi là phức hệ succinateubiquinone reductase) của ETP với [Fe-S] dehydrogenase chứa FAD làm nhóm giả khử coenzyme Q theo cách tương tự.. Nó bao gồm cả glycerol-3-phosphate dehydrogenase và acyl-coA dehydrogenase. Điện tử từ coenzyme được chuyển tới một chuỗi protein màu nâu đỏ gọi là sắc tố tế bào. Sắc tố tế bào ở trong chuỗi truyền điện tử ty thể là b562,b566,c1,c và aa3 P a g e | 31 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. như trong sơ đồ 15.Hai phức hệ protein riêng biệt làm trung gian chuyển điện tử từ coenzyme Q tới phân cử oxy trong sắc tố tế bào. Đó là các ubiquinol-cytochrome c reductase (phức hệ III) và cytochrome oxidase (phức hệ IV). Phức hệ III chuyển điện tử từ coenzyme Q vào sắc tố c. Phức hệ này cấu thành từ [Fe-S] protein, và các sắc tố b562,b566,c1 . Ở bước này, năng lượng là các proton xuất đi lưu trữ (vùng 2). Phức hệ enzyme cytochrome oxidase làm trung gian chuyển điện tử từ các sắc tố c bị bị khử đến phân tử oxi. Năng lượng cũng được dự trữ lại ở bước này (vùng 3). Phức hệ oxidase cuối cùng chứa sắc tố a và sắc tố a3. 8.2.2. Chất mang điện tử Sự vận chuyển điện tử bao gồm nhiều chất mang điện tử khác nhau bao gồm flavoprotein, quinone, [Fe-S] protein và các sắc tố tế bào. Flavo proteinlà các protein chứa các nhóm giả là dẫn xuất của riboflavin (vitamin B 2). Chúng là FMN (flavin mononucleotide) và FAD (flavin adenine dinucleotide). Thế oxi hóa khử của flavoprotein thay đổi không phải vì cấu trúc của flavin và vì sự khác nhau về thành phần protein. Hai quinone khác nhau về cấu trúc nằm trong quá trình truyền điện tử là ubiquinone và menaquinone, được dùng ở coenzyme Q. Các quinone là các chất mang điện tử lipid, có tính kị nước cao và di động trong màng sinh chất. Như sơ đồ 16., quinone có một mạch bên 6,8, hoặc 10 đơn vị isoprenoid. Chúng được gọi là Q6, Q8 , Q10 tùy theo số đơn vị isoprenoid. Ubiquinone được tìm thấy trong ti thể còn trong vi khuẩn thìthấy menaquinone. Cả hai dạng quinone đều thấy ở vi khuẩn Gram âm kị khí tùy tiện. Cấu trúc của coenzyme Q có thế sử dụng làm 1 đặc điểm để phân loại vi khuẩn. Quinone có thể mang proton hoặc điện tử. Figure : cấu trúc của ubiquinone (a) và menaquinone (b) P a g e | 32 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. [Fe-S] protein chứa một hoặc nhiều cụm [Fe-S], thường là [2Fe-2S], [4Fe-4S]. Các sắt non-heme bám vào các sulfide còn lại của các cysteincủa protein và acid labile sulfur. Figure : Cấu trúc của [4Fe-4S] Acid labile sulfur giải phóng thành H 2S trong điều kiện pH acid. [Fe-S] protein tham gia truyền điện tử có thể mang cả proton hoặc điện tử. Có rất nhiều protein [Fe-S] khác nhau làm không chỉ làm trung gian truyền điện tử ở màng mà cả trong các phản ứng oxi hóa khử ở tế bào chất. thế oxi hóa khử của các [Fe-S] từ -410mV đến + 350mV. Rất nhiều enzyme xúc tác phản ứng oxi hóa khử là [Fe-S] protein bao gồm cả hydrogenase, fumarate dehydrogenase, pyruvate-ferredoxin oxidoreductase và nitrogenase. Các sắc tố tế bào là các hemoprotein. Chúng được phân loại dựa trên các cấu trúc các nhóm giả heme (Sơ đồ 18) và hấp phụ ánh sáng ở bước sóng 550-650nm. Cytochrome b562 là một cytochrome b hấp phụ ánh sáng cực đại ở bước sóng 562nm. Heme liên kết cộng hóa trị với protein ở sắc tố c, và các heme liên kết P a g e | 33 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. không cộng hóa trị với các sắc tố khác. Bởi vì các sắc tố chỉ mang 1 điện tử, điện tử truyền từ coenzyme Q bị khử đến sắc tố phải trải qua 2 bước. Figure : Cấu trúc các heme của cytochrome 8.2.3. Sự đa dạng của chuỗi truyền điện tử ở prokaryote Cũng giống như trong ty thể, chuỗi truyền điện tử ở prokaryote cũng gồm có dehydrogenase và oxidase liên kết với nhau bằng quinone. Tuy nhiên, chuỗi truyền điện tử ở prokaryote đa dạng hơn rất nhiều vì chúng sử dụng các chất cho và nhận điện tử khác nhau mà ở eukaryote không có. Ở đây chúng ta chỉ xem xét chuỗi truyền điện tử tương tự như ở prokaryote. Chất mang điện tử trong chuỗi truyền điện tử prokaryote khá đa dạng. Như đã nói ở trên, menaquinone được dùng làm coenzyme Q cùng với cả ubiquinone và P a g e | 34 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. các sắc tố khác nhau tham gia chuỗi truyền điện tử prokaryote phần lớn có liên quan đến enzyme oxidase cuối cùng, dẫn đến sự phân nhánh chuỗi truyền điện tử theo sự có mặt của oxi. Một số vi khuẩn như là Paracoccus denitrificans và Alcaligenes eutrophus có hệ thống truyền điện tử rất giống với tý thể. Chúng có sắc tố aa3 là oxidase cuối cùng trong khi các loài khác sử dụng sắc tố d hoặc o ở vị trí này. Sắc tố o có heme kiểu b, và sắc tố d có một cấu trúc heme khác ( Sơ đồ 18.). Chúng không chỉ khác nhau về cấu trúc mà còn khác nhau về cảm ứng với chất kìm hãm hô hấp, và tạo nên các nhánh con đường truyền điện tử. (Sơ đồ 19). Sắc tố d giữ nồng độ O2 nội bào ở mắc thấp để bảo vệ O2- labile nitrogenase. Figure : Sự so sánh hệ thông truyền điện tử trong ty thể và prokariote Trong phân nhánh hệ thống truyền điện tử vi khuẩn, số vùng tích lũy năng lượng ít hơn ở ty thể. (Mục 8.4). Điều này có lẽ là một chiến lược sống sót trong các điều kiện nhất định tránh sự tiêu tốn năng lượng khử. P a g e | 35 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Trừ một số ít ngoại lệ, enzyme dehydrogenase của sinh vật hóa tự dưỡng khử quinone hoặc sắc tố và kéo theo sự oxi hóa của chất cho điện tử vô cơ. Chúng không thể trực tiếp khử NAD(P)+, thứ rất cần cho sinh tổng hợp. Chúng chuyển điện tử từ quinone hoặc sắc tố bị khử đến NAD(P) + theo một phản ứng đường dốc, sử dụng động lực proton, còn gọi là sự vận chuyển bảo toàn điện tử. Vận chuyển bảo toàn điện tử có thể xảy ra là nhờ các phức hệ I và III có thể xúc tác cho phản ứng bảo toàn. Phức hệt IV không thể xúc tác được phản ứng bảo toàn sử dụng nước làm nguồn cho điện tử. Nước được dùng làm chất cho điện tử trong quang hợp oxy theo một phản ứng khác. 8.2.4. Các chất ức chế ETP Các chất ức chế ETP được chia làm 3 loại dựa vào phương thức hoạt động của chúng: ức chế vận chuyển điện tử, uncoupler và chất ức chế ATPase. Chất ức chế vận chuyển điện tử gây trở ngại với các enzyme và chất mang điện tử trong chuỗi truyền điện tử. Chúng ức chế không chỉ sự tổng hợp ATP mà còn ức chế cả sự tiêu thụ oxi.Thuốc trừ sâu, amytal và piericidin A ức chế NADH dehydrogenase , và 2-n-heptyl-4-hydrroquinoline-N-oxide (HQNO), antimycin A, cyanide và azide có nhưng vùng ức chế đặc hiệu riêng. P a g e | 36 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Figure . Chất ức chế electron và vị trí hoạt động Uncoupler làm tăng H+ thấm qua màng gây ra sự mất động lực proton. Động lực proton trở nên quá ít để tổng hợp ATP khi có mặt uncoupler, nhưng tỉ suất tiêu thụ O2 tăng. Thuật ngữ uncoupler nghĩa là sự tổng hợp ATP không kéo theo sự sử dụng O2. Chất ức chế ATP synthase khóa các ATPase bám màng ngăn cản sự tổng hợp ATP ngay cả khi động lực proton ở mức cao. N, N’-dicyclohexylcarbodiimide (DCCD) và oligomycin là những chất ức thế ATPase được nghiên cứu kỹ. Chúng bám vào phần Fo của liên kết màng-F1Fo-ATPase 8.2.5. Transhydrogenase Nicotinamide nucleotide transhydrogenase được biết tới ở nhiều prokaryote và xúc tác cho phản ứng : Mặc dù ∆Go’ = 0 kJ/mol, phản ứng sinh năng lượng trong điều kiện sinh lý vì trong tế bào tỷ lệ NADP+/NADPH thấp và NAD+/NADH cao. Phản ứng này kéo theo sự đẩy H+ ra làm tăng động lực proton. Phản ứng này xảy ra ở vùng 0 của ETP. P a g e | 37 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. 8.3. Sự sắp xếp của chất mang điện tử trong sự di chuyển của H+ màng tế bào Hiện vẫn chưa rõ làm thế nào proton di chuyển kéo theo sự vận chuyển điện tử, nhưng có sự thống nhất rằng, các proton di chuyển bằng cách lợi dụng sự khác nhau về đặc tính của các chất mang điện tử (Q-loop và Q-cycle) và thông qua bơm proton. Trong các chất mang điện tử, [Fe-S] protein và sắc tố chỉ mang điện tử, trong khi coenzyme Q có thể mang cả điện tử và proton. Chúng sắp xếp theo một cách làm cho H+ được xuất ra trong quá trình ETP. (Sơ đồ 21.a). Vị trí của các protein màng này đã được nghiên cứu bằng các kỹ thuật khác nhau như: sử dụng kính hiển vi điện tử, miễn dịch học và sử dụng chất ức chế và enzyme phân giải protein. Các nghiên cứu này đã định vị được NADH dehydrogenase ở phía tế bào chất (chất nền ở ti thể), sắc tố c ở phía màng chu chất. Figure : Thông tin về động lực proton và sự tổng hợp ATP trong quá trình ETP 8.3.1. Q-cycle và Q- loop Để mô tả sự di chuyển của H+ ở vùng 2 xúc tác bởi ubiquinol-cytochrome c reductase (phức hợp III), người ta đề xuất ra cơ chế Q-cycle và Q-loop. Theo cơ chế Q-loop, FMN và NADH dehydrogenase bị khử thành FMNH 2 bằng cách oxi P a g e | 38 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. hóa NADH ở mặt trong màng Điện tử từ FMNH 2 chuyển tới [Fe_S] proteinở mặt ngoài màng đưa 2 H+ đi ra thông qua sắc tố b (Sơ đồ 21.a). Cơ chế Q-loop phù hợp với các kết quả thí nghiệm thu được trên nhiều loại vi khuẩn khác nhau, nhử E.coli, trong khi 2 H+ được di chuyển bởi ubiquinolcytochrome c reductase (phức hệ III). Tuy nhiên, trong ty thể và trong một số vi khuẩn, 4 H+ được di chuyển bởi phức hệ III. Để giải thích tại sao có thêm 2 H + nữa, Q-cycle được đề xuất. Theo cơ chế này, coenzyme Q bị khử (QH 2) được oxi hóa thành semiquinol (QH) khử [Fe-S] protein trước khi bị oxi hóa hoàn toàn thành Q, chuyển điện tử đến sắc tố b. [Fe-S]protein bị khử chuyển điện tử tới sắc tố c , và sắc tố b bị khử đưa điện tử trở lại Q mà đã nhận thêm 1 H + để bị khử thành QH. QH bị khử hoàn toàn thành QH2nhận 1 điện tử từ [Fe-S] protein và tiêu thụ 1 H + ở mặt trong tế bào. (Sơ đồ 22.). Theo giả thuyết này, 2 H + được chuyển trong chu trình QH2QHQQHQH2, chuyển 1 điện tử từ Q vào sắc tố c. Figure . Sự di chuyển của H+ trong Q-cycle xúc tác bởi phức hệ ubiquinol-cytochrome retuctase trong quá trình ETP P a g e | 39 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. 8.3.2. Bơm proton Phức hệ I (NADH-ubiquinone reductase) và IV (cytochrome oxidase) chuyển H+ , nhưng cơ chế tương tự như Q-loop hay Q-cycle không được biết tới ở các phức hệ này. Người ta tin rằng các phức hệ này là các bơm proton và chắc chắn đẩy H + 8.4. bằng sự thay đổi hình dáng protein. Sự tổng hợp ATP ATP synthase liên kết màng (ATPase) tổng hợp ATP sử dụng động lực proton (Sơ đồ21.) 8.4.1. ATP synthase Enzym này nằm ở màng trong của ti thể hoặc phía màng tế bào chất của prokaryote. Nó chứa 1 phần gắn vào màng là F0 và phần F1 nhô ra phía tế bào chất. Fo là 1 lỗ để H+ có thể đi qua, được tạo nên bởi 3 loại peptide : a,b,c., và sự tổng hợp hay thủy phân ATP được xúc tác bởi phần F 1 chứ 5 loại pepptide (α3β3γσε)(Sơ đồ 23.) Figure . Mô hình F1Fo-ATP synthase Oligomycin và dicyclohexylcarbodiimide(DCCD) ức chế ATP synthase bằng cách ngăn cản H+ di chuyển qua lỗ của Fo. Fo là vị trí gắn olygomycin. ATPase nằm P a g e | 40 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. ở màng trong ti thể và màng sinh chất vi khuẩn được gọi là F 1Fo-ATPase, FATPase hoặc H+-ATPase. Chức năng chính của enzyme này là tông rhợp ATP sử dụng động lực proton.Ở nhiều vi khuẩn, mộit enzyme tương tự ATPase tổng hợp ATP nhưng sử dụng động lực Natri. Được gọi là Na+-ATPase. Một ATPase có cấu trúc khác được tìm thấy ở eurokaryote và các bào quan khác như lục lạp và ti thể. Chức năng của enzyme này là tạo ra động lực proton sử dụng quá trình tổng hợp ATP ở ti thể và lục lạp. Enzyme này được nhận dạng đầu tiên ở không bào của eukaryote và đặt tên là V-ATPase. 8.4.2. Tỷ lệ H+/O Không chỉ cơ chế đồng dịch chuyển giữa proton và điện tử chưa được làm rõ, mà ngay cả số lượng proton dịch chuyển cũng vậy. Người ta thường cho rằng phức hợp NADH-ubiquinone reductase đẩy ra 4 proton, ubiquinol-cytochrome c reductase đẩy ra 2 hoặc 4 proton, và cytochrome oxidase đẩy ra 2 proton tiêu thụ 2 điện tử (Sơ đồ 21.a). Bởi vì cả 2 điện tử khử 1 nguyên tử oxi, nó làm liên tưởng đến 1 tỉ lệ H+/O. Tỷ lệ bằng 10 được chấp nhận ở ty thểm và tỷ lệ bằng hoặc nhỏ hơn 10 8.4.3. ở prokaryote, phụ thuộc và chất mang điện tử trong ETP. Hệ số tỷ lượng H+/ATP ATPase xúc tác cho phản ứng tổng hợp và thủy phân ATP sử dụng hoặc tạo ra động lực proton. Hiện nay vẫn chưa rõ bao nhiêu proton di chuyển qua 1 enzyme để tạo ra 1 ATP (hệ số tỷ lượng H +/ATP). Hệ số này phụ thuộc vào thế phosphoryl hóa và độ lớn của động lực proton. Nhiều thí nghiệm đã tiến hành chỉ ra rằng hệ số 8.5. tỉ lượng này nằm trong khoảng 2-5, và thường công nhận hệ số tỉ lượng này bằng 3. Các Uncoupler Rất nhiều hợp chất có thể ức chế sự tổng hợp ATP mà vẫn làm tăng sự tiêu thụ oxi trong hô hấp. Chúng được gọi là các uncoupler. Đó là các acid yếu hoặc bazơ yếu, có thể thấm qua màng vì chúng kị nước ở cả dạng không phân ly hay phân ly.Trong tế bào đang hô hấp, pH bên trong cao hơn pH bên ngoài tế bào. Uncouplers không phân ly ở pH thấp khuếch tán vào trong tế bào, kéo theo H + đi vào. Điều này làm giảm ∆p. (Sơ đồ 24.) P a g e | 41 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Figure : Sự giảm ∆p gây ra bởi uncoupler Với sự có mặt của uncoupler, ATP không thể được tổng hợp ở ∆p thấp, và tế bào cần nhiều oxi hơn để làm tăng ∆p. Các chất hóa học có thể làm tăng tính thấm của các ion được gọi là thể mang ion (ionphore). Uncoupler là 1 thể mang ion cho H +. Hoặc, có thể gọi nó là thể mang proton. Sơ đồ 25 cho ta thấy một số ví dụ về uncoupler. Figure : Cấu trúc của một số uncoupler 8.6. Bơm H+(Na+) sơ cấp trong trao đổi chất lên men P a g e | 42 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Năng lượng tự do thay đổi trạng thái từ phản ứng oxi hóa khử vào hoo hấp và quang hợp được tích trữ dưới dạng ∆p. Ngoài oxi, prokaryote còn sử dụng các chất nhận điện tử khác để hô hấp. Thuật ngữ hô hấp yếm khí dùng để chỉ quá trình tích lũy năng lượng sử dụng chất nhận điện tử không phải là oxi. Một số quá trình vận chuyển H+(Na+) sơ cấp đã biết trong vi khuẩn lên men khi chất nhận điện tử bên 8.6.1. trong được sử dụng. Fumarate reductase Các loài trong chi Propionibacterium lên men lactate thành propionate theo con đường succinate-propionate. Fumarate reductase của con đường này khử fumarate thành succinate, đẩy ra proton. Một quá trình tích lũy năng lượng tương tự được biết đến ở Vibrio succinogené, Desulfovibrio gigas, Clostridium formicoacetium. Enzyme bám màng này sử dụng H 2 và formate là chất cho điện tử và cần menaquinone và sắc tố b làm coenzyme (Sơ đồ 26) Figure : Sự tổng hợp ATP thông qua fumarate reductase P a g e | 43 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Cần phải nói rằng, ở ví dụ vừa rồi là một quá trình hô hấp kị khí vì chất nhận 8.6.2. điện tử cuối cùng, fumarate, được cung cấp từ bên ngoài. Na+-dependent carboxylase Klebsiella pneumoniae có một enzyme Na+- dependent methymalonyl-CoA decarboxylase. Enzyme này gắn màng, đẩy Na+ đồng thời với phản ứng decarboxyl. Năng lượng tự do của quá trình decarboxyl được dự trữ dưới dạng động lực Na+, rồi được chuyển thành ∆p bằng protein nghịch tải Na +/H+để tổng hợp ATP. Tương tự như thế, năng lượng được dự trữ bằng glutaconyl-CoA decarboxylase ở Acidamicoccus fermentans và Clostridium symbiosum, và bằng succinate decarboxylase ở Veillonella parvula. Figure .:Sự tạo thành ∆p do Na+-dependent decarboxylase 8.6.3. ∆p trong quá trình lên men/ đồng tải H+ Ở vi khuẩn lactic, Lactococcus cremoris, H+ được đẩy ra bằng hệ đồng tải lactate/H+, tận dụng thế năng tạo ra bởi gradient lactate gây ra bỏi nồng độ lactate cao bên trong tế bào. Khi lactate tích lũy trong môi trường, H +không thể đồng tải với lactate. Trong sự lên men malolactic ở vi khuẩn lactic, một protein nghịch tải P a g e | 44 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. malate2-/lactate- nhập malate vào và đẩy lactate ra. Phản ứng này sinh ra ∆ψ vì malate2- đi vào và lactate- đi ra. Ngoài ra, phản ứng decarboxyl hóa malate tiêu tốn H+ (Sơ đồ 5.28) P a g e | 45 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Figure 28.: Hệ thống nghịch tải malate2-/lactate- ở vi khuẩn lactic 9. Các quá trình chuyển hóa năng lượng sinh học khác Sơ đồ 7 minh họa quá trình chuyển hóa năng lượng ở các vi sinh vật. Các sinh vật hóa dưỡng chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng sinh học, còn các sinh vật quang dưỡng sử dụng quang năng. Năng lượng sinh học dưới dạng ATP và ∆p được dành cho các quá trình đòi hỏi năng lượng bao gồm cả vận chuyển, sinh tổng hợp, và vận động. Trong sơ đồ không đề cập đến sự phát quang sinh học được tìm thấy ở một số vi khuẩn. 9.1. Sự phát quang sinh học của vi khuẩn Các vi khuẩn phát quang chuyển hóa năng lượng sinh học thành ánh sáng. Trong đó, một số là cộng sinh và số khác sống tự do. Photobacterium fischerii sống cộng sinh trên bộ phận phát sáng của một loài cá, trong khi đó, Xenorhabdus nematophilus sống cộng sinh với một loại giun tròn. Một số thành viên của chi Vibriosống tự do trong hệ sinh thái nước mặ và nước ngọt. Ánh sáng được phát ra khi mật độ tế bào đạt tới một ngưỡng nào đó. Vi khuẩn phát quang tiết ra N-acyl homoserine lactone như là một chất cảm sinh. Các thành phần của phản ứng phát quang chỉ được sinh ra khi nồng độ chất cảm sinh này đạt ngưỡng trong môi trường. Điều này dựa vào sự thụ cảm tối thiểu và phản ứng hoàn toàn phụ thuộc vào O2. Sự oxy hóa FMNH2 cung cấp năng lượng cho sự phát quang. Enzyme luciferase của vi khuẩn tạo ra một phức hợp liên kết FMNH 2, O2, và một chuỗi dài aliphatic aldehyde để phát ra ánh sáng. Enzyme luciferase là một loại monooxygenase, và cần có aldehyde để tạo ra ánh sáng. Aldehyde bị oxi hóa thành acid béo bởi luciferase và được tái tạo đồng thời với sự oxi hóa NADH. (Sơ đồ 29) P a g e | 46 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Figure 29.: Sự phát sáng của Photobacterium fischerii L: Luciferase, R-CHO: aliphatic aldehyde 9.2. Các vi khuẩn sử dụng điện năng làm nguồn năng lượng Các sinh vật hóa dưỡng chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng sinh học, còn các sinh vật quang dưỡng sử dụng quang năng. Hóa năng và quang năng được chuyển hóa thành năng lượng sinh học được dùng cho các chức năng sinh học khác nhau, bao gồm : sinh tổng hợp (hóa năng), vận chuyển (thế năng), vận động (cơ năng) và phát quang (quang năng). Ở các loài cá điện, năng lượng sinh học được chuyển hóa thành điện năng. Có một số bằng chứng cho thấy điện năng được sử dụng làm nguồn năng lượng cho sự khử nitơ. Các chủng của Geobacter khử nitrate với một điện cực cho điện tử. Có thể tạo môi trường làm giàu bằng cách sử dụng một điện cực cho electron và nitrate làm chất nhận điện tử. Vi khuẩn có thể phát triển trong một thiết bị điện hóa được bổ sung nitrate làm chất nhận điện tử. P a g e | 47 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Vi khuẩn oxi hóa các chất mang điện tử nhân tạo như methyl viologen, methyl đỏ trung tính đã bị khử điện hóa tạo ra nhiều sản phẩm khử hơn. Các chất mang điện tử nhân tạo làm trung gian chuyển điện tử từ điện cực tới tế bào vi khuẩn. Brevibacterium flavum tạo ra nhiều glutamate hơn nếu có thêm methyl đỏ trung tính trong thiết bị điện hóa. Tương tự như vậy, vi khuẩn kị khí như Clostridium acetobutylicum, Desulfovibrio desulfuricans và Propionibacterium freudenreichii hợp nhất các điện tử do thiết bị điện hóa cung cấp với các điện tử trong quá trình trao đổi chất thông thường của nó. Các chất mùn được biết như là con thoi vận chuyển điện tử từ bề mặt đất đến tế bào vi khuẩn trong hệ sinh thái. P a g e | 48 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. KẾT LUẬN Hầu hết vi sinh vật sử dụng một trong hai nguồn năng lượng: quang năng, hóa năng để chuyển hóa thành năng lượng sinh học, sử dụng cho các chức năng sống. Quá trình dị hóa của vi sinh vật là một chuỗi các phản ứng, bắt đầu với rất nhiều loại phân tử khác nhau, ở mỗi giai đoạn số lượng và sự đa dạng của chúng lại giảm đi. Nghĩa là, các phân tử được chuyển thành các chất trung gian trao đổi chất với số lượng liên tục nhỏ hơn cho tới khi, cuối cùng, chúng đi vào chu trình Tricarboxylic acid, một con đường chung thường phân giải nhiều phân tử tương tự, chẳng hạn nhiều loại đường khác nhau. Nó là một chuỗi phản ứng, được xúc tác bằng các enzyme, được sắp xếp sao cho sản phẩm của phản ứng này sẽ là cơ chất cho phản ứng tiếp theo. Khi một phân tử glucose bị oxy hóa thành 6 phân tử CO 2 qua con đường đường phân và chu trình TCA thì chỉ khoảng 4 phân tử ATP được tạo thành, còn hàu hết ATP thu được là từ sự oxi hóa NADH và FADH2 trong chuỗi vận chuyển điện tử. Đó là một dãy các chất mang điện tử hoạt động phối hợp với nhau để vận chuyển điện tử từ các chất cho khác nhau như NADH và FADH 2 tới các chất nhận điện tử. Năng lượng từ sự vận chuyển điện tử được dùng để tổng hợp ATP được gọi là phosphoryl hóa oxi hóa. Động lực proton bao gồm một gradient proton và một hiệu thế màng do sự phân bố không đều của điện tích được coi là động lực cho quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. P a g e | 49 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Tài liệu tham khảo: 1. Nguyễn Lân Dũng, Bùi Thị Việt Hà, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty, Phạm Thành Hổ, Lê Văn Hiệp, Chung Chí Thành, Lê Thị Hòa.(2011). Vi 2. sinh vật học , Phần II. Byung Hong Kim , Geoffrey Michael Gadd (2008). Bacterial Phiosology and Metabolism, Chapter 5. P a g e | 50 [...]... mang điện tử trong chuỗi truyền điện tử prokaryote khá đa dạng Như đã nói ở trên, menaquinone được dùng làm coenzyme Q cùng với cả ubiquinone và P a g e | 34 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa các sắc tố khác nhau tham gia chuỗi truyền điện tử prokaryote phần lớn có liên quan đến enzyme oxidase cuối cùng, dẫn đến sự phân nhánh chuỗi truyền điện tử theo sự có... của phản ứng oxi hóa khử Phản ứng oxi hóa khử sinh ra năng lượng Hô hấp thực chất là 1 chuỗi các phản ứng oxi hóa khử Năng lượng sinh ra từ phản ứng oxi hóa khử hô hấp được dự trữ trong các hệ thống sinh học Năng lượng sinh ra từ một phản ứng tỉ lệ với thế oxi hóa khử của chất khử và chất oxi hóa 5.2.1 Thế oxi hóa khử Sự oxi hóa là sự mất điện tử, còn sự khử là sự nhận điện tử Vì điện tử không thể... theo kiểu so sánh với chuỗi truyền điện tử ở Prokaryote Chuỗi truyền điện tử ở ty thể gồm các phức hệ I, II, III P a g e | 30 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa và IV Phản ứng tổng thể có thể tóm tắt là các enzyme dehydrogenase ( phức hệ I và II) và enzyme oxidase ( phức hệ IV) liên kết bằng quinone (phức hệ III) Figure Chuỗi truyền điện tử nằm ở màng trong ty... điện tử liên quan đến ETP nằm trên màng, mà enzyme gắn màng ATP synthase tổng hợp ATP từ ADP và 8.2 Pi sử dụng gradient proton Chất mang điện tử và chuỗi truyền điện tử Các chất mang điện tử liên quan đến việc truyền điện tử từ NADH tới phân tử oxy nằm ở màng trong ty thể ở tế bào eukaryote và trognng màng tế bào chất của 8.2.1 prokaryote Chuỗi truyền điện tử ở ty thể Ta xem xét chuỗi truyền điện tử. .. một vài đặc tính kháng kiềm Động lực Natri không chỉ thấy ở vi sinh vật ưa kiềm mà còn thấy ở cổ khuẩn ưa mặn Một vài decarboxylase có tính phụ thuộc Na+ (Mục 8.6) 8 Chuỗi vận chuyển điện tử phosphoryl hóa (oxi hóa) Chất mang điện tử, như là NAD(P) +, FAD và PQQ bị khử trong quá trình đường phân và chu trình TCA Điện tử từ các chất mang đi vào chuỗi truyền điện tử ở các cấp độ khác nhau Chất mang điện. .. Thế oxi hóa khử ở điều kiện chuẩn kí hiệu là ∆E 0 và ở điều kiện chuẩn, pH =7 là ∆E0’ P a g e | 15 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa Figure : Xác định thế oxi hóa khử 1 bình được đổ đầy với dung dịch chứa 1M dạng oxi hóa và dạng khử của 1 hợp chất đã biết thế oxi hóa khử, bình kia đổ đầy dung dịch chứa 1M dạng oxi hóa và dạng khử của hợp chất cần tính Một điện. .. dehydrogenase và acyl-coA dehydrogenase Điện tử từ coenzyme được chuyển tới một chuỗi protein màu nâu đỏ gọi là sắc tố tế bào Sắc tố tế bào ở trong chuỗi truyền điện tử ty thể là b562,b566,c1,c và aa3 P a g e | 31 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa như trong sơ đồ 15.Hai phức hệ protein riêng biệt làm trung gian chuyển điện tử từ coenzyme Q tới phân cử oxy trong... cytochrome 8.2.3 Sự đa dạng của chuỗi truyền điện tử ở prokaryote Cũng giống như trong ty thể, chuỗi truyền điện tử ở prokaryote cũng gồm có dehydrogenase và oxidase liên kết với nhau bằng quinone Tuy nhiên, chuỗi truyền điện tử ở prokaryote đa dạng hơn rất nhiều vì chúng sử dụng các chất cho và nhận điện tử khác nhau mà ở eukaryote không có Ở đây chúng ta chỉ xem xét chuỗi truyền điện tử tương tự như... ra năng lượng tỷ lệ với thế oxi hóa khử của chất oxi hóa và chất khử (∆E0) Năng lượng tự do có thể được tính từ ∆E0 theo công thức: ∆G0’ = -nF ∆E0’ ∆G0’ của sự oxi hóa succinate thành fumarate bằng phân tử oxi có thể được 5.2.2 tính theo công thức này : Succinate + ½ O2  fumarate + H2O P a g e | 17 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa 5.3 Năng lượng tự do từ... giả heme (Sơ đồ 18) và hấp phụ ánh sáng ở bước sóng 550-650nm Cytochrome b562 là một cytochrome b hấp phụ ánh sáng cực đại ở bước sóng 562nm Heme liên kết cộng hóa trị với protein ở sắc tố c, và các heme liên kết P a g e | 33 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa không cộng hóa trị với các sắc tố khác Bởi vì các sắc tố chỉ mang 1 điện tử, điện tử truyền từ coenzyme ... mang điện tử mang điện tử vào chuỗi truyền điệntử để tổng hợp ATP nhờ động lực proton (mục 8.) Page |5 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử trình phosphoryl hóa oxi hóa 2.2 Sự điều hòa chu trình. .. với oxi hóa khử chất khử chất oxi hóa 5.2.1 Thế oxi hóa khử Sự oxi hóa điện tử, khử nhận điện tử Vì điện tử “trôi nổi” dung dịch, phản ứng oxi hóa phản ứng khử liền với Một chất chất oxi hóa. .. oxi hóa khử số hợp chất P a g e | 16 Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử trình phosphoryl hóa oxi hóa Năng lượng tự từ ∆E0’ Phản ứng oxi hóa khử tạo lượng tỷ lệ với oxi hóa khử chất oxi hóa