Những carbohydrat phức tạp như tinh bột ở thực vật và glycogen ởđộng vật
đều được thủy phân thành những phân tử glucoz trước khi đi vào quá trình hô hấp. Sự hô hấp hoàn toàn một hợp chất giàu năng lượng như glucoz trải qua một chuỗi dài những phản ứng, trong đó có những phản ứng xảy ra không cần sự hiện diện của oxy và có những chuỗi phản ứng lệ thuộc vào oxy.
2.2.1 Đường phân
Ðường phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình hô hấp glucoz xảy ra không cần sự hiện diện của O2. Ðường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống, và là chuỗi phản ứng đã xảy ra ở những sinh vật đầu tiên khi mà trái đất còn chưa có O2
Glucoz là một hợp chất bền vững, ít có xu hướng phân cắt ra thành những chất đơn giản hơn, do đó tế bào muốn lấy năng lượng từ glucoz trước tiên phải đầu tư cho nó một ít năng lượng để hoạt hóa phân tử. Do đó, giai đoạn đầu của đường phân là cung cấp ATP cho phân tử glucoz. Trong các phản ứng chuẩn bị hai phân tử
ATP gắn gốc phosphat cuối cùng của nó vào phân tử glucoz.
(1) C – C - C – C - C – C + ATP P - C – C - C – C - C – C – P + Glucoz Glucoz – 6 – phosphat
Trong phản ứng này hexokinaz xúc tác chuyển một gốc phosphat vào glucoz. Phản ứng kế tiếp là phản ứng chuyển đổi glucoz-6-phosphat thành fructoz-6- phosphat.
(2) C – C - C – C - C – C – P C – C - C – C - C – C – P Glucoz – 6 – phosphat Fructoz – 6 phosphat Sau khi tạo ra sản phẩm trong bước (2), một phân tử ATP nữa được tiêu thụ để thêm một gốc phosphat nữa vào phân tử.
(3) C – C - C – C - C – C – P + ATP P - C – C - C – C - C – C – P Fructo – 6 – phosphat Fructo – 1,6 - biphosphat
Kế tiếp fructoz-1,6-bisphosphat bị cắt đôi ở giữa C thứ ba và C thứ tư tạo ra hai chất 3C tương tự nhau trong bước (4). Một chất là PGAL (phosphoglyceraldehyd) và một chất trung gian thường chuyển đổi ngay thành PGAL trong bước (5). PGAL là một đường trung gian 3C, là chìa khóa trung gian trong cả quá trình đường phân và quang hợp
Ðến giai đoạn này quá trình đường phân đã sử dụng 2 phân tử ATP. Phản ứng kế tiếp, hơi phức tạp hơn, bắt đầu để dẫn đến sự thành lập ATP mới, thật sự là hai phản ứng. Phản ứng đầu là một phản ứng oxy hóa khử: hai điện tử và một ion H+ được lấy từ mỗi phân tử PGAL (như vậy phân tử này bị oxy hóa) bởi phân tử nhận điện tử nicotinamid adenin dinucleotid, hay NAD+, chất này bị khử. NAD+
hexokinaz
phosphoglucoisomeraz
rất gần với NADP+ tìm thấy trong lục lạp. Trong trường hợp này sản phẩm trung gian là NADH thay vì là NADPH.
Phản ứng thứ hai là sự phosphoryl hóa PGAL. Năng lượng được giải phóng từ sự oxy hóa PGAL được dùng để gắn một gốc phosphat vô cơ P vào PGAL, gốc phosphat được gắn vào bằng một cầu nối giàu năng lượng.
Trong phản ứng kế tiếp, gốc phosphat mới được chuyển vào ADP để tạo ra ATP. Trong quá trình này, một gốc phosphat giàu năng lượng được chuyển vào một cơ chất ADP để tạo thành ATP, phản ứng này được gọi là phosphoryl hóa ở mức cơ
chất (substrate-level phosphorylation). Sản phẩm 3C là PGA, một chất trung gian trong chu trình Calvin-Benson, một lần nữa cho thấy sự tương quan giữa hai quá trình:
Ở giai đoạn này, tế bào thu lại được 2 phân tử ATP đã dùng cho sự
phosphoryl hóa glucoz trong lúc bắt đầu đường phân. Năng lượng đầu tư ban đầu đã
được trả lại. Qua phản ứng kế tiếp, cuối cùng là nước được tách ra từ PGA, và sau
đó gốc phosphat được chuyển đổi và được gắn lại bởi cầu nối giàu năng lượng:
Sau phản ứng sắp xếp lại trong bước (9) gốc phosphat được chuyển vào ADP theo sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất để thành lập ATP, kết quả tạo ra hai phân tử
ATP và hai phân tử acidpyruvic:
Vì hai phân tử ATP sử dụng trong bước (1 và 3) đã được lấy lại trong bước (7), nên hai phân tử ATP này là được tổng hợp thêm cho tế bào Các điểm quan trọng cần chú ý trong sựđường phân là:
- Mỗi phân tử glucoz (C6H12O6) bị phân tách thành hai phân tử acid pyruvic (C3H4O3).
- Hai phân tử ATP sử dụng trong lúc đầu của quá trình, sau đó có bốn phân tửđược tạo ra, như vậy tế bào còn được hai phân tử này.
Hình 12. Các phản ứng chính của sự lên men
- Hai phân tử NADH được thành lập.
- Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của O2 hay không.
- Các phản ứng của đường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tế bào, bên ngoài ty thể.
2.2.2 Sự lên men (fermentation)
Trong đường phân, hai phân tử NAD+ được khử thành NADH. Chức năng của phân tử NAD+ trong tế bào là vận chuyển điện tử, trao đổi ion H+ và điện tử
giữa chất này và chất khác. Do đó, NAD+ chỉ là một chất tạm thời tải ion H+ và điện tử, sau khi chuyển ion H+ và điện tử cho chất khác thì nó trở lại làm chất tải tiếp tục. Nếu NADH được thành lập không nhanh chóng loại bỏ ion H+ và điện tử thì NAD+ trong tế bào sẽ thiếu; khi đó bước (6) trong đường phân không thể xảy ra và quá
trình đường phân tạm dừng lại. Như vậy, sự oxy hóa NADH thành NAD+ là cần thiết cho quá trình đường phân tiếp tục.
Trong hầu hết tế bào, nếu có O2, nó sẽ là chất nhận điện tử cuối cùng từ
NADH. Nhưng dưới điều kiện yếm khí, không có O2 để nhận hydro và điện tử thì acid pyruvic được tạo ra trong quá trình đường phân sẽ nhận hydro và điện tử từ
NADH, quá trình này được gọi là sự lên men.
Sự biến dưỡng acid pyruvic trong sự lên men thay đổi theo cơ thể sinh vật. Ở tế bào
động vật và nhiều vi sinh vật sự khử acid pyruvic tạo ra acid lactic:
Ở hầu hết tế bào thực vật và men (yeast), sản phẩm lên men là rượu ethyl và CO2, quá trình này được áp dụng trong sản xuất:
Vì vậy, trong điều kiện yếm khí, NAD+ như con thoi đi qua đi lại giữa bước (6) và bước (11), lấy hydro và điện tử để tạo ra NADH trong bước (6) và trả lại hydro và điện tử trong bước (11). Sự lên men là sự nối tiếp của quá trình đường phân, bằng cách này glucoz được biến đổi thành rượu hay thành acid lactic dưới
điều kiện yếm khí, và tên gọi tùy thuộc vào tên của loại sản phẩm cuối cùng. Dù sản phẩm cuối cùng là chất nào thì sự lên men chỉ lấy được một phần năng lượng rất nhỏ từ glucoz, các sản phẩm của quá trình lên men là các chất còn chứa rất nhiều năng lượng tự do.
Sự lên men của những tế bào men và những vi sinh vật được ứng dụng trong nhiều kỷ nghệ quan trọng như làm bánh mì, pho ma, da ua, sản xuất rượu và các loại thức uống có rượu; một số sản phẩm khác được tạo ra từ các vi sinh vật khác như mùi đặc trưng của pho ma Thụy sỉ là do sản phẩm lên men là acid proprionic.
2.2.3 Sự oxy hóa pyruvic acid (giai đoạn II)
Nếu có sự hiện diện của O2, thì O2 là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH, do đó acid pyruvic sẽ được đưa vào ty thể và ởđây sẽ được tiếp tục biến dưỡng và
đồng thời tạo ra nhiều ATP mới.
Acid pyruvic trong dịch tế bào chất được chuyển vào ngăn trong của ty thể. Qua một chuỗi phản ứng phức tạp, acid pyruvic bị oxy hóa thành CO2 và một gốc
acetyl 2C, chất này gắn với một coenzim được gọi là coenzim A (CoA) tạo ra chất acetyl-CoA. Khi acid pyruvic được oxy hóa, điện tử và ion H+ bị lấy đi, và một lần nữa NAD+ là chất nhận điện tử và ion H+ để tạo ra NADH. Chuỗi phản ứng phức tạp này có thểđược tóm tắt trong phương trình sau:
2 Acid pyruvic + 2CoA + 2NAD+ 2CH3 – C – CoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ Cuối giai đoạn II, 2 trong 6C trong glucoz ban đầu được giải phóng ra dưới dạng CO2.
2.2.4 Chu trình Krebs (giai đoạn III)
Kế tiếp acetyl-CoA đi vào một chuỗi phản ứng của một chu trình gọi là chu trình Krebs (do nhà khoa học người Anh, Hans Krebs, được giải thưởng Nobel nhờ
làm sáng tỏ được chu trình này) hay chu trình acid citric. Những điểm chính trong chu trình được trình bày trong hình 3. Mỗi phân tử acetyl-CoA được tạo ra từ phân tử glucoz ban đầu kết hợp với một hợp chất 4C, acid oxaloacetic, đã hiện diện trong tế bào để tạo ra một hợp chất 6C mới là acid citric. Trong các phản ứng tiếp theo, 2C bị mất đi dưới dạng CO2, như vậy hợp chất chỉ còn 4C và được biến đổi để trở
lại chất 4C ban đầu và chu trình lại tiếp tục. Vì mỗi phân tử glucoz tạo ra hai phân tử acetyl CoA, nên có hai vòng acid citric xảy ra và tổng cộng là có 4C được giải phóng dưới dạng CO2; cộng thêm 2C được giải phóng dưới dạng CO2 trong giai
đoạn II, như vậy tất cả là 6C của phân tử glucoz ban đầu.
Trong một vòng của chu trình, một phân tử ATP được tổng hợp (bởi sự
phosphoryl hóa ở mức cơ chất) và 8 điện tử và 8 ion H+được lấy đi bởi chất nhận
điện tử. 6 điện tử và 6 hydro được dùng để khử 3 phân tử NAD+ (tạo ra 3 phân tử
NADH và 3 ion H+) và 2 điện tử và 2 hydro được nhận bởi hợp chất FAD (tạo ra FADH2). Vì sự oxy hóa một phân tử glucoz trải qua hai vòng chu trình Krebs nên tổng cộng có 2 ATP và 8 phân tử chất khử (6 phân tử NADH và 2 FADH2).
2.2.5 Sự trao đổi năng lượng và điều hòa trong quá trình hô hấp (giai đoạn IV)
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