Chỉ có tổng cộng là 4 phân tử ATP mới được lợi ra (2 trong đường phân và 2 trong chu trình Krebs). Năng lượng còn lại được dự trử trong hai chất khử giàu năng lượng là NADH và FADH2, tổng cộng có tất cả 12 phân tử được tổng hợp trong suốt quá trình oxy hóa glucoz: 2 phân tử NADH trong đường phân, 2 phân tử
NADH trong quá trình oxy hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA, 6 phân tử NADH và 2 phân tử FADH2 trong chu trình Krebs.
ATP được tổng hợp bằng cách nào? Dưới điều kiện hiếu khí, NADH chuyển
điện tử đến O2 và sinh ra NAD+. Nói một cách khác, O2 là chất nhận điện tử và hydro cuối cùng để tạo thành nước:
Tuy nhiên, không phải NADH chuyển điện tử đến O2 một cách trực tiếp. Ðiện tử từ NADH được chuyển qua một chuỗi dẫn truyền điện tử, cuối chuỗi là phân tử O2. Các phân tử tải điện tử thường được gọi là chuỗi hô hấp (respiration chain) gắn trên màng trong của ty thể (tương tự sự dẫn truyền điện tử trong chuỗi quang hợp trong lục lạp) tạo ra một gradient hóa điện, được dùng để tổng hợp ATP từ ADP và phosphat vô cơ. Quá trình này được gọi là sự phosphoryl hóa chuyển
điện tử (electron-transport phosphorylation) hay sự phosphoryl oxy hóa (oxydative phosphorylation), bao gồm cả sự hóa thẩm thấu (chemiosmotic) của sự dẫn truyền
điện tử và sự tổng hợp ATP. Protein dẫn truyền điện tử trong hô hấp là thành phần chính trong cho quá trình phosphoryl oxy hóa, tạo ra hầu hết ATP sinh ra do sự oxy hóa glucoz. Sự phosphoryl oxy hóa tương tự sự quang phosphoryl hóa, sử dụng dòng điện tử được chuyển trong chuỗi dẫn truyền điện tửđể bơm ion H+ qua màng, kết quả là sinh ra một gradient hóa điện được dùng để tổng hợp ATP.
Trong sự hô hấp có hai cách để tạo ra ATP: thứ nhất là sự phosphoryl hóa ở
mức cơ chất, trong đó một gốc phosphat được chuyển từ một hợp chất cao năng lượng vào ADP và thứ hai là sự phosphoryl oxy hóa, trong đó năng lượng trong gradient hóa điện H+được khai thác để tổng hợp ATP.
Hình 15. Chuỗi dẫn truyền điện tử hô hấp
Sự tổng hợp ATP trong ty thể tương tự sự tổng hợp ATP trong lục lạp. Những phân tử dẫn truyền điện tử sắp xếp thành 4 phức hợp protein, gắn trên màng trong của ty thể. Chất tải điện tử cơđộng như phân tử protein Q và cytochrom c (Q là một coenzim hòa tan trong lipid và có thể di chuyển xuyên qua màng, cytochrome c (cyt.c) là protein tan trong nước nằm ở mặt ngoài của màng trong của ty thể) chuyển điện tử từ phức hợp này sang phức hợp khác. NADH được tạo ra trong giai đoạn II và III chuyển 2 điện tử và 1 ion H+ của chúng vào phức hợp I và cùng lúc bị oxy hóa thành NAD+. Các điện tửđược tải từ chất tải này sang một chất tải khác theo một trình tựđặc biệt để cuối cùng đến O2. Ðiều này cho thấy vì sao phải cần có O2 trong sự hô hấp hiếu khí. Không có O2 nhận điện tử, chuỗi điện tử
không hoạt động và NAD+ cần thiết cho giai đoạn II và III không được tạo ra từ
NADH. Khi O2 nhận điện tử, nó cũng nhận luôn ion H+ từ chất cơ bản để tạo ra nước, một trong những sản phẩm cuối cùng của sự thoái dưỡng glucoz.
Các nghiên cứu cho thấy chỉ có điện tử được tải qua chuỗi dẫn truyền điện tử, ion H+ không đi cùng. Tuy vậy, 3 trong 4 phức hợp bơm ion H+ từ ngăn trong xuyên qua màng trong để ra ngoài. Kết quả là nồng độ ion H+
ở ngăn ngoài gia tăng, ngăn trong giảm xuống, và bên ngoài của màng trong trở nên có điện tích dương hơn so với bên trong và sinh ra gradient hóa điện xuyên màng.
Năng lượng của gradient hóa điện này được dùng để tổng hợp ATP từ ADP và phosphat vô cơ. Những phức hợp protein đặc biệt, được gọi là ATP synthetaz,
được gắn vào bên trong của màng trong của ty thể, tương tự như trên màng thylakoid. Những phức hợp này vừa là kênh ion H+ cho ion H+ trở vào ngăn trong vừa là một enzim để xúc tác sự tổng hợp ATP. Vì ion H+đi từ nơi có nồng độ cao
đến nơi có nồng độ thấp qua ATP synthetaz nên năng lượng được giải phóng và ATP được tổng hợp. ATP được tổng hợp trong chất cơ bản sẽđược protein tải qua màng ty thểđể vào trong dịch tế bào chất.
Hình 16. Cơ chế của quá trình hô hấp
Các nghiên cứu cho thấy ít nhất phải có 2 ion H+ đi qua phức hợp ATP synthetaz mới tạo ra được một phân tử ATP từ ADP. Vì mỗi cặp điện tử từ NADH
được dẫn truyền qua chuỗi điện tử bơm được khoảng 6 ion H+ đi ra ngăn ngoài (Hình6). Sự oxy hóa một phân tử NADH cho ra khoảng 3 phân tử ATP. Tất cả 8 NADH được sinh ra trong ty thể (2 từ sự oxy hóa acid pyruvic và 6 từ chu trình
Krebs), cho ra tổng cộng 24 phân tử ATP mới. Tuy nhiên, 2 điện tử từ FADH2 có ít năng lượng hơn NADH; những điện tử này đi vào chuỗi điện tửở phức hợp II, nên số ion H+
được bơm ra ít hơn; do đó sự oxy hóa hợp chất này chỉ cho 2 phân tử ATP (tổng cộng được 4 phân tử ATP cho 2 phân tử FADH2).
2 phân tử NADH được tạo ra trong quá trình đường phân ở trong dịch tế bào chất và được chuyển vào bên trong ty thể nhờ một phân tử protein vận chuyển, nhưng năng lượng bị mất đi trong quá trình này. Kết quả là điện tử được đi vào chuỗi hô hấp cùng vị trí với nơi mà điện tử của FADH2 đi vào; do đó cũng chỉ có 2 phân tử ATP được tạo ra cho mỗi phân tử NADH trong tế bào chất (tổng cộng được 4 phân tử ATP cho 2 phân tử NADH).
Tóm lại, sự oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucoz sinh ra 12 phân tử chất khử. Khi các đôi điện tử của chúng đi vào chuỗi hô hấp, 8 phân tử sinh ra ATP nhiều hơn, 3ATP cho mỗi phân tử NADH; 4 phân tử còn lại chỉ tạo được 2 phân tử
ATP cho mỗi phân tử FADH2. Tổng cộng có 32 phân tử ATP được tạo ra từ sự
phosphoryl oxy hóa của chuỗi dẫn truyền điện tử. Như vậy, sự oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucoz cho ra CO2, nước và 36 phân tử ATP mới.
Nếu tính theo tỷ lệ %, thì có khoảng 39% năng lượng tự do ban đầu trong phân tử glucoz được giữ lại, 61% được giải phóng chủ yếu dưới dạng nhiệt. Chỉ có 2 trong số 36 phân tử ATP được tạo ra trong sự biến dưỡng yếm khí (ít hơn 6%), 34 phân tử còn lại được tạo ra do sự hô hấp hiếu khí (hơn 94%). Ðiều này cho thấy tại sao oxy thiết yếu cho con người và hầu hết các sinh vật khác. Dù vậy, trong cơ thể
con người vẫn có các quá trình hô hấp yếm khí xảy ra nhất là trong lúc hoạt động quá nhiều bằng thể lực; lúc này cơ cần rất nhiều năng lượng trong khi O2 cung cấp không đủ. Kết quả là sự lên men tạo ra acid lactic làm mỏi cơ, nhưng sau đó oxy
được cung cấp bình thường trở lại thì acid lactic sẽ được chuyển về gan và sẽ được biến dưỡng trở lại thành glucoz tại đây.
Trong 34 phân tử ATP được tổng hợp trong điều kiện hiếu khí có 32 phân tử
là được tổng hợp từ gradient ion H+ sinh ra bởi sự dẫn truyền điện tử. Cyanid và một số các hợp chất độc khác có thể làm ảnh hưởng trên các protein của chuỗi, do
đó có thể làm ngừng sự dẫn truyền điện tử, hậu quả là các phản ứng của sự hô hấp hiếu khí không thể xảy ra được, tế bào sẽ chết do không được cung cấp đủ năng lượng.
Hình 18. Sự tổng hợp ATP trong ty thể và lục lạp
Quá trình hóa thẩm thấu trong ty thể và lục lạp tương tự nhau. Tuy nhiên, có một vài điểm khác biệt:
- Nguồn năng lượng cho dòng tải điện tử: ở lục lạp ánh sáng mặt trời cung cấp năng lượng, ở ty thể năng lượng lấy từ thức ăn.
- Hướng bơm ion H+: trong thylakoid, ion H+ được bơm vào bên trong thylakoid, ở ty thể ion H+ được bơm ra khỏi màng trong, do đó nồng độ ion H+ bên trong thylakoid cao hơn bên ngoài, trong khi ở ty thể nồng độ ion H+ ở ngăn ngoài cao hơn ngăn trong.
- Ở lục lạp điện tử từ nước qua chuỗi dẫn truyền điện tử đến chất tải là NADP và O2 được tạo ra; trong khi ở ty thể điện tử từ chất tải NADH và FADH2 qua chuỗi dẫn truyền đến O2 và tạo thành nước.
Hình 19. So sánh sự hóa thẩm thấu ở ty thể và lục lạp