HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA HÔ HẤP TẾ BÀO VỚI NGUYÊN LIỆU LÀ AXIT BÉO Trần Mạnh Hùng - Trường THPT chuyên Hà Tĩnh Đề thi giải máy tính cầm tay cấp quốc gia, năm 2009 có câu sau: Đường axit béo hợp chất cung cấp lượng cho phần lớn hệ thống sống Giả sử người sử dụng axit palmitic (A) Glucose (B) hợp chất sinh học cung cấp lượng cho thể Hãy viết phương trình phân giải axit palmitic glucôzơ để trả lời câu hỏi sau: a Hiệu suất ATP (tính theo mol) tương ứng với oxi phản ứng A bao nhiêu? b Hiệu suất ATP (tính theo mol) tương ứng với oxi phản ứng B bao nhiêu? c Hiệu suất ATP (tính theo mol) tương ứng với gam chất cho lượng phản ứng A bao nhiêu? d Hiệu suất ATP (tính theo mol) tương ứng với gam chất cho lượng phản ứng B bao nhiêu? Đáp án thức: 129 Pi + 129ADP 129 ATP (A) C15H31COOH + 23 O2 38 Pi + 129ADP (B) C6H12O6 + O2 16 CO2 + 16 H2O 38 ATP CO2 + H2O - Hiệu suất ATP tính theo mol tương ứng với mol oxi phản ứng A là: 129 : 23 = 5,6522 - Hiệu suất ATP tính theo mol tương ứng với mol oxi phản ứng B là: 38 : = 6,3333 - Hiệu suất ATP tính theo mol tương ứng với gam chất cho lượng phản ứng A 129 : (12x16 + 32 + 16x2) = 0,5039 - Hiệu suất ATP tính theo mol tương ứng với gam chất cho lượng phản ứng B 38 : (12x6 + 12 + 16x6) = 0,2111 Đáp án đơn giản để tìm đáp án thực vấn đề khó HS phổ thông chế phân giải axit béo tế bào không đề cập SGK Hơn nữa, nhiều GV bồi dưỡng HS ý đến vấn đề Thực tế tế bào việc sử dụng axit béo làm nguyên liệu hô hấp hiếm, tế bào thiếu glucôzơ Ngoài ra, nhiều hạt có dầu chủ yếu chứa lipit, thế, hạt nảy mầm nguyên liệu chủ yếu cho hô hấp đương nhiên axit béo Do đó, dù vấn đề không trình bày kỹ SGK nói toán ý phản ánh thực tế phổ biến tự nhiên Muốn thấy rõ chất số 129 ATP mà đáp án đưa phản ứng phân giải axit Palmitic, cần nắm rõ chế sinh hóa trình tế bào Cơ chế trình bày kĩ giáo trình hóa sinh học Tuy nhiên, để tiện cho việc tính toán, tác giả tổng hợp số tài liệu liên quan, xây dựng công thức tính hiệu lượng trình phân giải axit béo nói chung, xin nêu để người tham khảo Công thức xây dựng viết áp dụng tính toán hiệu hô hấp loại axit béo Con đường chung trình phân giải chất hữu tế bào Các chất hữu dùng để thu lượng bao gồm: protein, lipit polisacarit Con đường phân giải chất theo sơ đồ sau: Protein Polisacari t axit amin Lipit Đường đơn Glyxerol, axit béo ATP Axit Pyruvic Axêtyl CoA Chu trình Krebs Vận chuyển electron ATP O2 -NH2 H2 O CO2 Như vậy, đường phân giải chất chung giai đoạn chu trình Krebs chuỗi vận chuyển electron Do đó, biết chế chuyển hóa chất khác thành Acetyl CoA hoàn toàn tính hiệu lượng trình phân giải protein hay lipit Hiệu lượng hô hấp tế bào phân giải hoàn toàn phân tử Acetyl coA: Một phân tử Acetyl CoA vào chu trình Krebs tạo NADH , FADH ATP Khi vào chuỗi chuyền electron, NADH tạo ATP FADH tạo ATP Vì thế, phân tử Acetyl CoA bị phân giải hoàn toàn cho tổng cộng: 3NADH x + FADH2 x + = 12 ATP Cơ chế phân giải axit béo tế bào Axit béo tế bào phân giải theo đường β oxi hóa Nghĩa phân tử axit béo mạch dài cắt dần mạch Cacbon qua nhiều giai đoạn, giai đoạn, axit béo bị cắt ngắn mẫu Cacbon Quá trình có bước: Hoạt hóa axit béo β oxi hóa Bước xảy xoang hai màng ty thể, phân tử axit béo hoạt hóa tạo thành phân tử Acyl CoA sau vận chuyển vào chất ty thể R - CH2 - CH2 - COOH + CoASH + ATP → R - CH2 - CH2 - COSCoA + AMP + 2Pi Bước 2: β oxi hóa xảy chất ty thể Giai đoạn trải qua phản ứng sau đây: Phản ứng 1: R - CH2 - CH2 - CH2 - COSCoA + FAD → R - CH2 - CH = CH - COSCoA + FADH2 Phản ứng 2: R - CH2 - CH = CH - COSCoA + H2O → R - CH2 - CHOH - CH2 - COSCoA Phản ứng 3: R - CH2 - CHOH - CH2 - COSCoA + NAD+ → R - CH2 - CO - CH2 - COSCoA + NADH Phản ứng 4: R - CH2 - CO - CH2 - COSCoA + CoA-SH → R - CH2 - COSCoA + CH3 - COSCoA Phương trình tổng quát cho vòng β oxi hóa: R - CH2 - CH2 - CH2 - COSCoA + FAD + H 2O + NAD+ + CoA-SH → R - CH - COSCoA + CH3 - COSCoA + FADH2 + NADH Chú ý: + Như vậy, cắt mẫu C axit béo tạo Acetyl CoA, NADH FADH2 + Phân tử R - CH2 - COSCoA sau tạo tiếp tục thực phản ứng βoxi hóa để cắt mẫu Cacbon Số lần β oxi hóa phụ thuộc vào số nguyên tử C axit béo số phân tử FADH2 tạo thành phụ thuộc vào số liên kết đôi có phân tử axit béo Hiệu lượng phân giải axit béo bão hòa có số C chẵn Theo chế β oxi hóa axit amin bão hòa có số C chẵn (2n) sau oxi hóa tạo ra: + n phân tử Acetyl CoA + (n -1) phân tử NADH + (n -1) phân tử FADH2 Sở dĩ có n-1 phân tử NADH FADH2 mẫu 2C cuối không cần phải thực phản ứng β oxi hóa Các sản phẩm vào chuỗi hô hấp tế bào tạo số phân tử ATP là: n x 12 + (n -1) x + + (n -1) x = (17n - 5) ATP Do giai đoạn hoạt hóa tiêu dùng ATP nên tính chung số phân tử ATP tạo là: 17n - (xét mặt vật chất giai đoạn hoạt hóa tiêu tốn ATP xét mặt lượng ATP phân giải thành AMP liên kết cao đồng nghĩa với ATP) Vậy phân giải hoàn toàn axit béo bão hòa có 2n C phân tử tạo tối đa (17n - 7) ATP Hiệu lượng phân giải axit béo bão hòa có số C lẻ Quá trình phân giải axit béo bão hòa có số C lẻ diễn theo chế β oxi hóa Tuy nhiên, cắt mạch C đến C cuối phân giải thành Acetly CoA phân tử propionyl CoA (3C) Sau phân tử nhận thêm CO để tạo thành Succinyl CoA (4C) vào chu trình Krebs Phương trình sau: CH3 - CH2 - CO-SCoA + CO2 + ATP → HOOC - CH2 - CH2 - CO - SCoA + AMP + 2Pi Như vậy, sau trình oxi hóa, axit béo bão hòa có (2n+1) C tạo ra: + (n-1) phân tử Acetyl CoA + (n -1) phân tử NADH + (n -1) phân tử FADH2 + phân tử Succinyl CoA Succinyl CoA vào chu trình Krebs tạo ra: ATP, 1NADH FADH2 Vậy, tổng số ATP tạo là: 12 x (n-1) + x n + x n) + = (17n - 11) ATP Giai đoạn hoạt hóa hình thành Succinyl CoA tiêu tốn ATP Từ suy ra: Hiệu lượng phân giải hoàn toàn phân tử axit béo bão hòa có (2n + 1) C là: 17n - 11 - = 17n - 15 Phân giải axit béo không bão hòa Các axit béo không bão hòa phân giải nhờ trình β oxi hóa Tuy nhiên, cắt đến C có chứa liên kết đôi phản ứng giai đoạn β oxi hóa không cần diễn ra, số phân tử FADH2 tạo giảm Hiệu lượng: + Với axit béo có số C 2n, có m liên kết đôi gốc R: 17n - - 2m + Với axit béo có số C 2n + 1, có m liên kết đôi gốc R: 17n - 15 - 2m KẾT LUẬN Hiệu suất hô hấp tế bào số quan trọng thường ý đề thi, phản ánh tính ưu việt hệ thống sống việc sử dụng lượng môi trường Đối với loại chất cho lượng, tế bào có đường phân giải riêng, khó khăn cho việc tính toán hiệu suất hô hấp cho loại nguyên liệu Bài viết cung cấp cho HS giáo viên công thức tổng quát để dễ dàng tính toán hiệu suất hô hấp chất cho lượng phổ biến axit béo Hy vọng viết giúp ích nhiều cho HS bạn đồng nghiệp!