Mọi biểu hiện của sự sống như sinh trưởng, phát triển, sinh sản... đều cần đến năng lượng. Tế bào sống là một hệ thống đẳng nhiệt, vì vậy nó không thể sử dụng nhiệt với tư cách là nguồn năng lượng để sinh ra công.
Nguồn năng lượng duy nhất đối với cơ thể người, động vật và đasố vi sinh vật là năng lượng hóa học tàng trữ trong các phân tử chất dinh dưỡng. Cơ thể sống "đốt cháy" những phân tử này trong các phản ứng oxy hóa để biến chúng thành khí carbonic và nước, đồng thời sử dụng năng lượng giải phóng trong các phản ứng đó để thỏa mãn các nhu cầu khác nhau của cơ thể. Bản chất của quá trình "đốt cháy" nói trên là một quá trình oxy hóa - khử. Tuy nhiên, đó là các quá trình oxy hóa - khử sinh học; chúng khác một cách cơ bản với oxy hóa - khử hóa học ở chỗ được xúc tác bằng enzyme và năng lượng được giải phóng từ từ.
Phản ứng oxy hóa - khử, như ta đã biết, là những phản ứng
trong đó điện tử được chuyển từ chất cho (donor e-, hay chất khử)
sang chất nhận (acceptor e-, hay chất oxy hóa). Vận chuyển điện
tử trong các quá trình oxy hóa - khử sinh học được thực hiện nhờ
các coenzyme oxy hóa - khử NAD+, NADP+, FAD, Coenzyme Q (CoQ)
v.v... Phản ứng oxy hóa - khử có thể viết dưới dạng:
Chất khử Chất oxy-hóa + ne- (5)
Như vậy, chất khử và chất oxy hóa thường hoạt động liên hợp với nhau, tạo thành cặp chất oxy hóa - khử. (tương tự như cặp chất acid - base liên hợp). Để biểu hiện khả năng cho và nhận
điện tử của các chất oxy hóa - khử, người ta sử dụng đại lượng thế
khử tiêu chuẩn. Thế khử tiêu chuẩn (Eo) là sức điện động (tính
bằng Vol) xuất hiện trong một pin nửa ở trạng thái cân bằng điện tử theo phương trình (5) khi nồng độ chất oxy hóa và chất khử
bằng 1,0 M và T = 25oC.
Người ta quy ước lấy thế khử tiêu chuẩn của phản ứng
H2 H+ + 2e- làm chuẩn để xác định thế khử tiêu chuẩn của
các cặp chất oxy hóa - khử khác. Khi áp suất của khí hydro bằng
1,0 atm, [H+]=1,0 Mol (pH=0), T=25oC thì Eo của phản ứng bằng
không. Tại giá trị pH=7,0 ([H+]=10-7 M) Eo của nó bằng -0,42V.
Đối với các phản ứng oxy-hóa khử sinh học, người ta lấy giá
trị pH=7,0 để tính Eo của nó. Trong trường hợp này ký hiệu Eo
được thay bằng ký hiệu Eo'. Giữa thế khử tiêu chuẩn của một chất
nào đó với thế khử cũng của chất đó trong những điều kiện nhất định liên hệ với nhau bởi phương trình:
RT [dạng oxy-hóa] RT [dạng oxy-hóa]
En = Eo'+ ⎯ ln ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = Eo' + 2,303 ⎯ lg ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (6)
nF [dạng khử] nF [dạng khử]
En là thế khử biểu kiến của một chất trong những điều kiện
nhất định;
Eo' là thế khử tiêu chuẩn được tính tại pH=7,0; T=25o C và
nồng độ chất oxy-hóa và chất khử bằng 1,0M. n là số điện tử được vận chuyển.
F - số Faraday = 23,06 KCal/mol.
Trong các quá trình oxy-hóa khử sinh học phổ biến sự vận
chuyển 2e- , cho nên:
2,303RT/nF = 0,03 > phương trình (6) có thể viết dưới dạng: [dạng oxy-hóa]
E = E ' + 0,03lg n o ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (7)
[dạng khử]
Từ giá trị của Eo' có thể xác định được hướng chuyển động của
dòng điện tử. Theo chiều nhiệt động học, nếu tồn tại hai cấu tử có
Eo khác nhau, chất có Eo (Eo') cao hơn là chất oxy-hóa, chất có Eo
nhỏ hơn là chất khử. Thế khử tiêu chuẩn của một số hệ oxy-hóa khử sinh học được trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. thế khử tiêu chuẩn của một số hệ oxy-hóa khử sinh học Cặp chất oxy-hóa khử Eo' (Vol) * ∆Eo' ∆Go' H2 /2H+ NAD+ /NAD.H FAD/FAD.H2 Cytochrome b: Fe3+/Fe2+ Cytochrome c1: Fe3+/Fe2+ Cytochrome c: Fe3+/Fe2+ Cytochrome a3: Fe3+/Fe2+ 1/2O2 /O2- -0,42 -0,32 -0,10 +0,04 +0,23 +0,26 +0,55 +0,82 +0,22 +O,14 +0,19 +0,03 +0,29 +0,27 -10,1 -6,4 -8,7 -1,4 -12,9 -12,7 * Xác định tại pH =7,0 và nhiệt độ từ 25 đến 37o C.
Có thể xác định được ∆Go' của phản ứng oxy-hóa khử sinh học
theo phương trình ∆Go' = -nF∆Eo' với ∆Eo' là biến thiên năng lượng
tự do tiêu chuẩn giữa chất cho và chất nhận. Bảng 2.2 cũng cho
biết trị số ∆Eo' và ∆Go' khi cặp điện tử được vận chuyển từ NAD.H
đến oxy phân tử. Kiểu phản ứng oxy hóa phổ biến nhất trong tế bào là phản ứng dehydrogen-hóa:
Khi oxy-hóa các hợp chất hữu cơ, hydro tách ra từ các cơ chất khác nhau được chuyển đến chất vận chuyển trung gian và đến chất nhận cuối cùng, có thể là oxy hoặc những chất nhận khác.
Ngoài phản ứng dehydrogen-hóa, trong tế bào còn xảy ra phản ứng kết hợp trực tiếp với oxy vào cơ chất khử theo kiểu:
A + O2 ⎯→ AO2
Phản ứng oxy-hóa kiểu này rất quan trọng đối với tế bào và được xúc tác bởi các enzyme hoạt hóa oxy (oxygenase). Phản ứng oxyhóa trực tiếp tryptophan dưới tác dụng của enzyme tryptophan oxygenase ở vi khuẩn là ví dụ điển hình của kiểu oxy-hóa này:
⎯⎯⎯ CH2 -CH-COOH O NH2 + O2 ⎯→ –C - CH2 - CH- COOH N NH2 H NH - CHO Formylkinurenin
Trong các phản ứng oxy-hóa khử, proton và electron tách ra từ các cơ chất khác nhau dưới dạng các coenzyme khử như NAD.H,
FAD.H2 ... Sau đó nó được chuyển đến chuỗi hô hấp của tế bào.
Chuỗi hô hấp tế bào được tạo thành từ hệ enzyme oxy hóa - khử nằm ở màng trong của ty thể (hình 2.3). Khi điện tử được chuyển từ chất cho đến chất nhận khác nhau, nó mất một phần năng lượng. Ở mắt xích cuối cùng của chuỗi hô hấp, nó được dùng để khử oxy phân tử. Năng lượng giải phóng trong quá trình vận chuyển điện tử nói trên được dự trữ trong các liên kết cao năng của ATP. Các thành phần của chuỗi hô hấp tế bào được sắp xếp theo chiều tăng giá trị dương (hay chiều giảm giá trị âm) của thế khử tiêu chuẩn, đảm bảo cho điện tử được chuyển từ cơ chất đến oxy phân tử.
Malat e- e- e- e- e- e- e- e
Pyruvat→ NAD → FMN → CoQ → Cyt b → Cyt c 1→ Cyt c → Cyt a+a 3→ O2 Isocitrate
e-
Succinat → FAD
Hình 2.3 . Chuỗi hô hấp tế bào.
Khi cho và nhận điện tử, các chất vận chuyển điện tử trung gian bị biến đổi giữa dạng oxy-hóa và dạng khử, nhờ vậy điện tử
được vận chuyển qua chuỗi hô hấp. Ví dụ: NAD+ NAD.H+ H+.
Có thể tính được biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn của quá trình vận chuyển điện tử nói trên nhờ phương trình:
∆Go' = -nF∆Eo'
theo đó ∆Go'=-2 x 23062 x [0,82-(-0,32)]=-52700Calo=-52,7
Kcal.
Như vậy, khi điện tử được vận chuyển qua chuỗi hô hấp sẽ giải phóng một lượng lớn năng lượng. Năng lượng này là nguồn năng lượng cần thiết để tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ.
Quá trình tổng hợp ATP này được gọi là quá trình phosphorylhóa
oxy hóa.
Cơ chế của quá trình phosphorylhóa oxy hóa rất phức tạp. Theo quan điểm phổ biến hiện nay, khi điện tử được vận chuyển theo chuỗi hô hấp, năng lượng giải phóng được dùng để chuyển proton từ matrix của ty thể ra khoảng không gian giữa hai lớp màng của ty thể, tạo thành gradient proton giàu năng lượng theo hướng vuông góc với màng trong của ty thể. Chính gradient proton giàu năng lượng này là nguồn năng lượng trực tiếp để tổng hợp ATP nhờ phức hệ enzyme ATP-ase cố định tại màng trong của ty thể (hình 2.4).
Trung tâm hoạt động củaATP-ase nằm trên kênh chuyển động của dòng proton. Sự chuyển động của proton theo con đường này làm tăng áp lực proton trong trung tâm hoạt động của nó. Hai proton tác dụng với oxy của phosphate vô cơ và tác dụng với nhau tạo thành nước. Kết qủa này luôn làm tăng khả năng kết hợp trực tiếp giữa phosphate vô cơ với ADP để tạo thành ATP.
Hình 2.4. Sơ đồ mô tả cơ chế của qúa trình
phosphoryl-hóa oxyhóa.