3. HÔ HẤP TẾ BÀO
3.2. Hô hấp hiếu khí
Bào quan chuyên trách cho hô hấp hiếu khí là ty thể. Quá trình hô hấp hiếu khí bao gồm 4 giai đoạn chính là đường phân, decarboxyl oxy hoá pyruvic acid, chu trình Krebs và dẫn truyền điện tử tạo ATP.
3.2.1.Đường phân
Ở giai đoạn này, glucose 6 carbon bị tách làm đôi thành hai phân tử pyruvic acid 3 carbon. Phản ứng nhờ các enzyme có trong bào tương. Phản ứng tổng quát như sau:
51
- Giai đoạn 6 carbon: đây là pha đầu tư năng lượng, tế bào biến đổi glucose thành 2 phân tử có 3 carbon là glyceraldehyde-3-phosphate (G3P). Quá trình này tiêu tốn 2ATP.
- Giai đoạn 3 carbon: đây là pha giải phóng năng lượng. Mỗi phân tử G3P được biến đổi thành một phân tử pyruvic acid. Ở giai đoạn này, 3 trong số 5 phản ứng là giải phóng năng lượng. Trong 2 phản ứng, năng lượng được sử dụng để tổng hợp ATP theo phương thức phosphoryl hoá mức cơ chất. Một phản ứng còn lại có sự tách điện tử, H+ từ cơ chất và kết hợp với NAD+ để tạo ra NADH. Ở giai đoạn đầu, mỗi một phân tử glucose phân tách thành 2 phân tử G3P nên sản phẩm thu được gồm 2 phân tử pyruvic acid, 2 phân tử NADH và 4 phân tử ATP. Do đã sử dụng 2 ATP cho pha đầu tư năng lượng nên kết thúc đường phân, lượng ATP còn lại là 2 phân tử.
Quá trình đường phân diễn ra trong tế bào chất nên quá trình này có ở cả tế bào Eukaryote và Prokaryote.
52
Quá trình đường phân không có Oxy nên có thể diễn ra ở cả hô hấp kỵ khí và hô hấp hiếu khí. Sự khác nhau giữa hô hấp hiếu khí và kỵ khí nằm ở những giai đoạn sau. Với sự có mặt của oxy không khí, pyruvic acid được phân giải tiếp thành CO2, H2O và sinh ATP. Còn nếu không có oxy, pyruvic acid sẽ được chuyển hoá thành các chất hữu cơ khác. Lượng ATP thu được trong hô hấp kỵ khí chủ yếu nằm ở quá trình đường phân.
Ngoài đường phân, ở sinh vật còn tồn tại nhiều con đường khác để biến đổi glucose thành pyruvic acid như con đường KDPG (2- keto-3 deoxy-6-phosphate gluconate), con đường PP (pentose-phosphat). Việc sử dụng con đường nào tùy thuộc vào nguồn carbohydrat mà tế bào sử dụng.
3.2.2.Decarboxyl – oxy hóa pyruvic acid
Sau khi được tạo ra trong tế bào chất, pyruvic acid sẽ được chuyển vào trong chất nền ty thể. Tại đây, pyruvic acid sẽ được biến đổi thành acetyl coenzymeA (acetyl-CoA) theo phương trình sau:
CH3-CO-COOH + HS-CoA + NAD+ CH3-CO-S-CoA + CO2 + NADH Đây là một quá trình gồm nhiều công đoạn và được xúc tác bởi một phức hệ đa enzyme có tên là pyruvat-oxydase hay pyruvat- decarboxylase. Kết quả của chuỗi phản ứng là từ phân tử pyruvic acid có 3 carbon, kém hoạt động đã trở thành phân tử có 2 carbon là acetyl-CoA ở dạng hoạt hoá do có chứa liên kết cao năng trong phân tử. Chất này tiếp đó sẽ đi vào chu trình Krebs. Bên cạnh đó, quá trình decarboxyl-oxy hoá pyruvat còn giúp tạo nên NADH để tổng hợp ATP về sau.
Acetyl-CoA là hợp chất có vai trò quan trọng trong tế bào. Nó là điểm trung gian nối nhiều con đường trao đổi chất khác nhau. Trong trường hợp thiếu năng lượng, tế bào có thể phân giải các amino acid hay các acid béo thành acetyl-CoA rồi từ đó đi vào chu trình Krebs để tiếp tục thực hiện quá trình biến đổi tạo ra ATP. Acetyl-CoA cũng có vai trò như là một đơn vị cấu trúc để từ đó xây dựng nên rất nhiều hợp chất phức tạp cần thiết cho tế bào như tổng hợp các acid béo, steroid, aceto acetat...
3.2.3.Chu trình Krebs
Tiếp sau của quá trình decarboxyl-oxy hoá pyruvic acid, phân tử acetyl-CoA sẽ đi vào một chu trình khép kín, gọi là chu trình Krebs.
53
Chu trình Krebs gồm 9 phản ứng chia làm hai giai đoạn: giai đoạn chuẩn bị gồm 3 phản ứng, giai đoạn chiết rút năng lượng gồm 6 phản ứng còn lại.
Khởi đầu của chu trình, acetyl-CoA sẽ kết hợp với oxaloacetic acid để tạo nên citric acid dưới sự xúc tác bởi enzyme citrat synthetase. Trong phản ứng này, coenzymeA có vai trò quan trọng bởi nó tham gia vào thành phần cấu tạo trung tâm hoạt động của enzyme. Nhờ có chứa coenzymeA, gốc acetyl trong phân tử acetyl-CoA có thể dễ dàng gắn với enzyme để thực hiện kết hợp với oxaloacetic acid. Tiếp đó, sau hai bước loại và thêm nước, citric acid được biến đổi thành isocitric acid. Đến đây kết thúc giai đoạn chuẩn bị. Trong các phản ứng còn lại, acid isocitric từng bước được phân giải và tái tạo lại oxaloacetic acid. Mỗi một phân tử acetyl-CoA khi đi qua chu trình Krebs sẽ thu được 2CO2, 3NADH, 1FADH2 và 1ATP.
Năng lượng giải phóng ra trong quá trình phân giải glucose, phần nhỏ ở dưới dạng nhiệt để sưởi ấm tế bào, còn lại phần lớn được tích trữ trong các liên kết hóa học. Trong các sản phẩm quan trọng của chu trình Krebs, ATP chỉ chiếm một lượng nhỏ, còn phần lớn là NADH và FADH2. Về sau, các hợp chất này cũng sẽ được sử dụng để biến đổi thành ATP, sản phẩm cuối cùng của hô hấp.
54
Không chỉ thực hiện phân giải glucose, chu trình Krebs còn là điểm đến của quá trình phân giải các amino acid, acid béo. Bên cạnh đó, chu trình còn cung cấp tiền chất để tế bào tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết. Ví dụ, α-ketoglutarat và oxaloacetat thường là nguyên liệu để tổng hợp các amino acid glutamat và aspartat; NADH ngoài việc sử dụng để tổng hợp ATP còn được dùng để khử các liên kết kép, các nhóm carbonyl, amin trong các phản ứng của quá trình trao đổi chất... Có thể nói rằng, chu trình Krebs là đường hướng chính để phân giải các hợp chất hữu cơ và cũng là điểm giao lưu của nhiều con đường trao đổi chất trong tế bào.
3.2.4.Chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể
Chuỗi truyền điện tử được định vị tại màng trong của ty thể. Chúng thực hiện tiếp nhận điện tử và H+ từ NADH và FADH2 đã được sản sinh ra trong các giai đoạn trước để tổng hợp ATP. Tuy nhiên, năng lượng của quá trình tiếp nhận này không được dùng để tổng hợp trực tiếp ATP ngay mà được dùng để bơm chủ động các ion H+ từ chất nền ty thể vào xoang gian màng. Quá trình này tạo nên sự chênh lệch lớn về nồng độ ion H+ cũng như điện tích giữa hai bên màng trong ty thể. Những chênh lệch về nồng độ và điện tích sẽ khiến cho các ion H+ có xu hướng khuếch tán ngược trở lại chất nền thông qua các kênh đặc biệt có dạng hạt hình nấm (có cuống) cũng được định vị ở màng trong ty thể. Trong các hạt này có chứa phức hệ enzyme ATP synthetase. Mỗi khi các ion H+ đi qua hạt, phức hệ enzyme sẽ được kích hoạt để lắp ráp ADP và gốc phosphate tạo nên phân tử ATP. Cứ 2 ion H+ qua màng thì tổng hợp được 1 phân tử ATP. Đây chính là sự tổng hợp ATP theo phương thức hóa thẩm.
Nằm đầu tiên của chuỗi truyền điện tử là phức hệ enzyme NADH dehydrogenase. Enzyme này tiến hành tiếp nhận điện tử và H+ của NADH, NAD+ giải phóng ra được tái sử dụng lại trong chuỗi trao đổi chất. Sau khi tiếp nhận, NADH dehydrogenase sẽ đưa H+ vào xoang gian màng, còn điện tử sẽ được chuyển đến cho một chất mang gọi là ubiquinon. Đến lượt ubiquinon sẽ chuyển điện tử cho một phức hệ protein quan trọng gọi là cytocrom b-c1.
Các cytocrom trong phức hệ sẽ lần lượt truyền điện tử cho nhau. Bên trong cấu trúc của mỗi cytocrom là nhân hem chứa ion Fe3+. Việc cho và nhận điện tử sẽ khiến cho các nhân hem luân phiên bị khử và oxy hóa.
55
Một số bước trong chuỗi oxy hóa khử sẽ giải phóng năng lượng và được dùng để bơm ion H+ qua màng. Sau khi đi qua cytocrom b-c, điện tử sẽ được chuyển đến một chất mang khác là cytocrom C. Chất này sẽ đem điện tử đến cho phức hệ cytocrom oxidase. Tại đây cũng xảy ra chuỗi oxy hóa khử dẫn đến bơm ion H+ qua màng như ở cytocrom b-c1. Tuy nhiên, chuỗi oxy hóa khử sẽ kết thúc bằng phản ứng kết hợp điện tử với O2 và H+ để tạo nên H2O. Ở đây, O2 đóng vai trò là chất nhận điện tử cuối cùng. Trong trường hợp thiếu O2, chuỗi truyền điện tử và chu trình Krebs sẽ bị ức chế và tế bào không thể thực hiện hô hấp hiếu khí.
Như vậy, kết quả của sự dẫn truyền điện tử là việc bơm ion H+ qua màng và dẫn đến tổng hợp ATP. Khi chất cho điện tử và H+ là NADH, mỗi phân tử NADH sẽ giúp tổng hợp nên 3 ATP. Còn khi chất cho là FADH2, lượng ATP tổng hợp được chỉ là 2.
3.2.5. Tổng kết năng lượng khi oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucose
Về tổng cộng, lượng ATP được tạo thành là 40 phân tử. Trong quá trình đường phân đã sử dụng 2ATP để hoạt hóa. Ngoài ra, có tài liệu cho rằng, khi pyruvic acid được
Hình 2.12. Chuỗi truyền điện tử ở ty thể
Hình 2.13. Lượng ATP sinh ra khi oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử glucose trong hô hấp hiếu khí
56
chuyển từ tế bào chất vào chất nền ty thể, quá trình này đã tiêu tốn thêm 2 ATP nữa. Vì vậy mà số ATP thu được còn 36 phân tử.
Ta biết rằng, khi oxy hóa hoàn toàn 1 mol glucose sẽ thu được 2870kJ, tương đương với 686kcal (1cal = 4,184J). Để tổng hợp ATP từ ADP và gốc phosphate cần 8 → 10kcal/mol. Vậy tính về mặt lý thuyết, khi oxy hóa hoàn toàn 1 mol glucose sẽ thu được khoảng 76 mol ATP. Trong khi đó, thực tế thu được 36 ATP. Như vậy, hiệu suất của hô hấp hiếu khí là gần 50%. Hơn 50% năng lượng còn lại được giải phóng ra dưới dạng nhiệt.
3.2.6.Sự điều hòa hô hấp hiếu khí trong tế bào
Cũng giống như nhiều quá trình khác, hô hấp chịu sự điều hòa của tế bào để sao cho lượng ATP được sản sinh ra ở mức vừa đủ cho các hoạt động sống, không thừa mà cũng không thiếu. Theo Atkinson (1970), nhân tố điều hòa quá trình hô hấp là tỷ lệ của 3 thành phần ATP, ADP và AMP trong tế bào. Ông đưa ra khái niệm về tỷ số điện tích năng lượng, viết tắt là EC (EC - energy charge). EC được tính theo công thức:
𝐸𝐶 = 𝐴𝑇𝑃 +
1
2𝐴𝐷𝑃
𝐴𝑇𝑃 + 𝐴𝐷𝑃 + 𝐴𝑀𝑃
Khi tế bào ở trạng thái cân bằng, ta có EC = 0,85. Với EC < 0,85, ta có lượng ATP sản sinh ra thấp hơn lượng ATP tiêu thụ, tế bào ở trạng thái thiếu năng lượng. Còn ngược lại, với EC > 0,85, tế bào tổng hợp ra nhiều ATP hơn là sử dụng. Do ATP được tạo nên từ ADP và AMP nên nếu coi tổng 3 thành phần này là một số không đổi, ta có thể thấy rằng khi tế bào hoạt động mạnh, lượng ATP sẽ bị giảm đi trong khi ADP và AMP tăng lên. Ngược lại, khi ATP được tổng hợp mạnh, lượng ADP và AMP lại giảm đi. Trong mỗi trường hợp, nồng độ của ba thành phần trên sẽ làm thay đổi cường độ quá trình hô hấp theo những chiều hướng khác nhau.
Nồng độ ATP quá cao sẽ ức chế một số enzyme của quá trình đường phân và chu trình Krebs, ví dụ enzyme phosphor fructo kinase xúc tác cho phản ứng biến đổi fructose-6-phosphate thành fructose-1,6-diphosphat. ATP lúc này đóng vai trò là chất ức chế không cạnh tranh và làm giảm hoạt tính của các enzyme mà nó tác động. Kết quả của sự ức chế là làm giảm hô hấp và lượng ATP được tạo thành ít đi. Sự ức chế do sản phẩm cuối này được gọi là ức chế liên hệ ngược, một trong những
57
hình thức điều hòa phổ biến của tế bào. Trong trường hợp lượng ADP và AMP cao, chúng lại trở thành chất hoạt hóa làm tăng cường quá trình hô hấp để bù vào lượng ATP ATP bị thiếu hụt. Bên cạnh đó, nồng độ AMP cao còn kích thích sự biến đổi glycogene thành glucose, nguồn nguyên liệu quan trọng để sản sinh ra ATP.