TY THỂ
ATP là chất mang năng lượng được tế bào sử dụng cho tất cả các quá trình sống, và hóa năng tích lũy trong suốt chu trình acid citric ở dạng NADH và FADH2 (quá trình oxy hóa – khử tương đương với các điện tử mang năng lượng cao) được chuyển sang cho ATP để thực hiện công hữu ích trong tế bào. Quá trình này phụ thuộc vào O2, được gọi là phosphoryl hóa oxy hóa, xảy ra ở màng trong ty thể.
Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả quá trình mà theo đó mức năng lượng của các điện tử được giảm theo bậc thang và tích lũy dưới hình thức một gradient proton điện hóa qua màng trong ty thể. Mặc dù về cơ bản là tương tự như trong các tế bào hiếu khí, chuỗi vận chuyển điện tử của thực vật (và nấm) có chứa nhiều NAD(P)H dehydrogenase và một oxidase biến thể không được tìm thấy trong ty thểđộng vật có vú.
Chúng ta cũng sẽ xem xét các enzyme sử dụng năng lượng của gradient proton để tổng hợp ATP: FoF1-ATP synthase. Sau khi kiểm tra các giai đoạn khác nhau trong sản phẩm của ATP, chúng ta sẽ tóm tắt các bước tích lũy năng lượng ở
từng giai đoạn, cũng như các cơ chế điều hòa phối hợp các con đường khác nhau.
4.1. Chuỗi vận chuyển điện tử xúc tác một dòng “chảy” điện tử từ NADH tới O2 O2
Đối với mỗi phân tử sucrose bị oxy hóa thông qua con đường đường phân và chu trình acid citric, 4 phân tử NADH được tạo ra trong tế bào chất và 16 phân tử của NADH cộng với 4 phân tử FADH2 (liên kết với succinate dehydrogenase)
được tạo ra trong chất nền ty thể. Các hợp chất khử này phải bị oxy hóa lại hoặc toàn bộ quá trình hô hấp sẽ ngưng.
Chuỗi vận chuyển điện tử xúc tác một dòng điện tử từ NADH (và FADH2) tới oxy, chất nhận điện tử cuối cùng của quá trình hô hấp. Đối với quá trình oxy hóa toàn bộ NADH là chuyển được hai điện tử có thểđược viết như sau:
NADH + H+ + 1/2O2Æ NAD+ + H2O
Sự giảm thế năng khử từ cặp NADH-NAD+(-320 mV) và cặp H2O-1/2O2 (+810 mV), nó có thể được tính toán bằng năng lượng tự do chuẩn được giải phóng trong suốt quá trình phản ứng (-nFΔE0') khoảng 220 kJ mol-1 (52 kcal mol- 1) trên hai điện tử.
Vì thế năng khử của succinate - fumarate cao hơn (+30 mV), chỉ có 152 kJ mol-1 (36 kcal mol-1) năng lượng được giải phóng cho mỗi cặp điện tử được tạo ra trong quá trình oxy hóa succinat. Vai trò của chuỗi vận chuyển điện tử là để thực hiện các quá trình oxy hóa NADH (và FADH2), và trong quá trình, sử dụng năng lượng tự do được giải phóng ra để tạo ra một gradient proton điện hóa (Δμ%H+) qua màng trong ty thể.
Chuỗi vận chuyển điện tử bao gồm tập hợp các chất vận chuyển điện tử
hoạt động liên tục, gần như chúng đều là các protein xuyên màng với các nhóm
được gắn vào có khả năng nhận và cho một hoặc hai điện tử (hình 8). Có ba kiểu vận chuyển điện tử diễn ra trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa: (1) chuyển trực tiếp các điện tử như dạng khử của Fe3+ thành Fe2+; (2) chuyển một nguyên tử
hydro (H+ + e-); (3) chuyển một ion hydride (:H-) có mang 2 điện tử. Các protein vận chuyển điện tử riêng biệt được tổ chức thành phức hệ (được xác định bởi chữ
số La Mã từ I đến IV), tất cảđều được định vịở màng trong ty thể.
Phức hệ I (NADH dehydrogenase): Điện tử từ NADH được sinh ra trong chất nền ty thể trong chu trình acid citric được oxy hóa bởi phức hệ I (NADH dehydrogenase). Các chất mang điện tử trong phức hệ I bao gồm một cofactor liên kết chặt chẽ (flavin mononucleotide [FMN], về mặt hóa học tương tự như
FAD; xem hình 2B) và một số trung tâm Fe-S. Sau đó phức hệ này chuyển điện tử tới ubiquinone. Bốn proton được bơm từ chất nền vào gian màng khi mỗi cặp
điện tử đi qua phức hệ này. Ubiquinone (hay còn gọi là coenzyme Q hoặc đơn giản hơn là Q) là một lipid tan trong benzoquinone với một chuỗi isoprenoid dài có cấu trúc gần giống với plastoquinone (của thực vật) và menaquinone (của vi khuẩn) đóng vai trò tương tự ubiquinone, đó là vận chuyển điện tử trong màng- liên kết với chuỗi vận chuyển điên tử. Ubiquinone có thể nhận một điện tử và trở
thành gốc semiquinone (.QH) hoặc hai điện tửđể hình thành ubiquinol (QH2)
Và giống như flavoprotein, nó có thể hoạt động trung gian giữa một chất cho và một chất nhận điện tử. Vì kích thước phân tử nhỏ và kỵ nước, nên linh
động trong màng lipid kép của màng trong ty thể và có thể khử tương đương kiểu “con thoi” giữa các chất vận chuyển điện tử trong màng. Và với khả năng vận chuyển cả điện tử và proton nên CoQ đóng vai trò trung tâm trong dòng điện tử
và sự vận chuyển proton.
Phức hệ II (Succinate dehydrogenase): Sự oxy hóa succinate trong chu trình acid citric được xúc tác bởi phức hệ này, và sự khử tương đương được chuyển qua FADH2 và một nhóm Fe-S của các protein vào “bể” ubiquinone. Phức hệ này không bơm proton.
Phức hệ III (phức hệ cytocrome bc1): Phức hệ oxy hóa này khử ubiquinone (ubiquinol) và vận chuyển các điện tử qua trung tâm Fe-S, của hai loại cytochrome b (b565, b560), và một cytochrome c1 ở biên của màng tới cytochrome c. 4 proton được bơm bởi phức hệ III khi có 1 cặp điện tử chuyển qua.
Cytocrom C là một protein nhỏ nằm phía mặt ngoài của màng trong ty thể
và hoạt động linh động để vận chuyển điện tử giữa phức hệ II và III.
Phức hệ IV (cytochrome c oxydase): phức hệ này chứa hai trung tâm Cu (CuA và CuB) và cytochrome a và a3. Phức hệ IV là oxidase cuối cùng và mang 4 điện tử
khử tới O2 tạo thành 2 phân tử nước. Hai proton được bơm qua khi mỗi cặp điện tử được vận chuyển qua (hình 8).
Cả về cấu trúc và chức năng, ubiquinone và hệ thống cytochrome bc1 tương tự plastoquinone và hệ thống cytochrome b6f, tương ứng ở chuỗi vận chuyển điện tử quang hợp.
Hình 8: Tổ chức của chuỗi vận chuyển điện tử và tổng hợp ATP ở màng trong ty thể thực vật. Ngoài 5 phức hệ protein chuẩn gần nhưđược tìm thấy ở hầu hết các ty thể, chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể thực vật còn chứa 5 enzyme được đánh dấu màu xanh lá cây. Không có enzyme nào trong 5 enzyme đó bơm proton. Sựức chế cụ thể:
(SHAM) cho oxidase biến thể , là các công cụ rất quan trọng để nghiên cứu chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể thực vật
4.2. Một số enzyme vận chuyển điện tử duy nhất có trong ty thể thực vật
Ngoài các enzyme của chuỗi vận chuyển điện tử được mô tả trong phần trên, ty thể thực vật còn chứa một số thành phần không có trong ty thể động vật có vú (xem hình 8). Lưu ý rằng không có enzyme nào bơm proton và do đó sự
tích lũy năng lượng là thấp hơn bất cứ khi nào chúng được sử dụng:
• Cả hai enzyme NAD(P)H dehydrogenase đều phụ thuộc Ca2+, gắn liền với bề
mặt ngoài của màng trong ty thể phía tiếp xúc với không gian gian màng (gian màng) có thể oxy hóa NADH và NADPH tạo ra trong tế bào chất. Các điện tử từ
enzyme NAD(P)H dehydrogenase ở bề mặt ngoài của màng trong ty thể -NDex (NADH) và NDex (NADPH)- đi vào chuỗi vận chuyển điện tử tại các “bể” ubiquinone.
• Ty thể thực vật có hai con đường oxy hóa NADH chất nền ty thể. Điện tử đi qua phức hệ I, được mô tả trong phần trước, nhạy cảm với sự ức chế bởi một số
hợp chất, bao gồm rotenone và piericidin. Ngoài ra, ty thể thực vật có một dehydrogenase kháng rotenone - NDin (NADH), giúp quá trình oxy hóa của NADH xuất phát từ cơ chất chu trình acid citric. Vai trò của cơ chế này có lợi và xảy ra khi phức hệ I quá tải chẳng hạn như trong điều kiện hô hấp sáng.
• Một enzyme NADPH dehydrogenase, NDin (NADPH), hiện diện trên bề mặt chất nền ty thể. Sự hiểu biết về enzyme này còn rất hạn chế.
• Phần lớn, nếu không phải tất cả, thực vật có một con đường hô hấp “biến thể”
để khử oxy. Con đường này được gọi là oxidase biến thể (alternative oxidase), không giống như cytochrome c oxidase, nhạy cảm với ức chế bởi xyanua, azide, hoặc carbon monoxyde (CO).
Trong phosphoryl hóa oxy hóa, sự vận chuyển các điện tử tới oxy qua phức hệ I đến IV đi đôi với tổng hợp ATP từ ADP và Pi qua ATP synthase (thường gọi là phức hệ V). Số ATP tổng hợp phụ thuộc vào bản chất của chất khửđiện tử.
Trong thí nghiệm được tiến hành với việc sử dụng các ty thể được phân lập, điện tử được xuất phát từ NADH phía chất nền ty thể (tạm gọi là NADH thuộc ty thể), cho giá trị của tỷ lệ ADP:O (số lượng ATP tổng hợp trên hai điện tử được chuyển cho oxy) từ 2,4-2,7 (Bảng 1). Succinate và NADH phía xoang gian màng ty thể (tạm gọi là NADH thuộc tế bào chất) cho giá trị trong khoảng 1,6- 1,8, trong khi ascorbate, thực hiện như là một chất cho điện tử nhân tạo tới cytochrome c cho các giá trị 0,8-0,9. Kết quả như nhau cho cả ty thể thực vật và
động vật, đã dẫn đến khái niệm chung có ba điểm tích lũy năng lượng dọc theo chuỗi vận chuyển điện tử, tại phức hệ I, III, và IV.
Bảng 1: Lý thuyết và thực nghiệm của tỉ lệ ADP:O trong ty thểđộc lập
Cơ chất
Tỉ lệ ADP:O
Lí thuyếta Thực nghiệmb
Malate 2,5 2,4-2,7
Succinate 1,5 1,6-1,8
NADH (bên trong) 1,5 1,6-1,8
Ascorbate 1,0b 0,8-0,9
a: giảđịnh rằng phức hệ I, II, IV bơm tương ứng 4, 4 và 2 H+ trên 2 điện tử; giá trịđể tổng hợp 1ATP là 4H+được bơm vào tế bào chất; và các con đường không phosphoryl không hoạt động. 4H+được bơm vào tế bào chất; và các con đường không phosphoryl không hoạt động.
b: cytochrome c oxidase chỉ bơm 2 proton khi nó được đánh giá với ascorbate là chất cho điện tử. Tuy nhiên, 2 điện tử di chuyển từ bề mặt ngoài của màng trong (nơi cho điện tử) qua màng trong ty thể tới mặt trong,