Tài liệu Quá trình sản sinh năng lượng trong cơ thể động vật

Chủ đề: QUÁ TRÌNH SẢN SINH NĂNG LƯỢNG TRONG CƠ THỂ ĐỘNG VẬT Hô hấp hiếu khí qua đường phân và chu trình Crebs là con đường chính của hô hấp tế bào, xảy ra phổ biến ở mọi sinh vật và mọi tế bào. Hô hấp theo con đường này xảy ra qua 3 giai đoạn: - Đường phân tiến hành trong tế bào chất. - Chu trình Crebs tiến hành trong cơ chất ty thể. - Sự vận chuyển điện tử xảy ra trong màng ty thể QUÁ TRÌNH ĐƯƠNG PHÂN Đường phân: là giai đoạn phân huỷ phân tử glucose tạo ra axit pyruvic và NADH2. Điểm đặc biệt của quá trình đường phân là không phải phân tử đường tự do phân giải mà phân tử đường đã được hoạt hoá nhờ quá trình photphoryl hoá tạo dạng đường– photphat. Ở dạng đường photphat phân tử trở nên hoạt động hơn dễ bị biến đổi hơn. Đường phân được chia làm 2 giai đoạn, mỗi giai đoạn xảy ra nhiều phản ứng phức tạp: - Giai đoạn đầu tiên là phân cắt đường glucose thành 2 phân tử đường 3C: AlPG và PDA. - Giai đoạn hai là biến đổi các đường 3C thành Axit pyruvic. Kết quả của đường phân có thể tóm tắt như sau: C6H12O6 + 2 NAD + 2ADP + 2H3PO4 => 2CH3COCOOH + 2NADH2 + 2ATP Phản ứng 1: Glucose được phosphoryl hóa ở C6 để cho sản phẩm glucose-6-P, nguồn phosphate là ATP. Trong điều kiện tế bào đây là phản ứng một chiều, được xúc tác bởi enzyme hexokinase. Kinase là tên chung được dùng cho các enzyme xúc tác chuyển gốc phosphate từ ATP cho các chất nhận, lớp phụ của transferase . Hexokinase không những xúc tác sự phosphoryl hóa glucose mà còn xúc tác sự phosphoryl hóa các hexose khác như fructose, manose. Hexokinase, cũng như các kinase khác cần Mg2+ cho hoạt tính của nó vì cơ chất thật của enzyme không phải là ATP4- mà là ATP2Hexokinase phổ biến ở tất cả các loại tế bào. Tế bào gan trưởng thành có chứa hexokinase gọi là hexokinase D hay glucokinase đặc hiệu cho glucose, khác với các dạng khác về động học và tính chất điều hòa. Phản ứng 2: Chuyển hóa glucose-6-P thành fructose-6-P Enzyme phosphohexose isomerase xúc tác sự chuyển hóa đồng phân glucose-6-P thành fructose-6-P, biến một aldose thành một ketose Phản ứng 3: Phosphoryl hóa fructose-6-P thành fructose1,6 biphosphate Trong điều kiện của tế bào phản ứng do PFK-1 xúc tác là phản ứng một chiều. Ở vi sinh vật, sinh vật đơn bào(protista) và hầu hết hay tất cả thực vật đều có phosphofructokinase dùng P~P, không dùng ATP làm nguồn cung cấp phosphate để tạo fructose1,6 biphosphate Mg2+ Fructose-6-P + PPi Fructose1,6 biphosphate + Pi Phản ứng 4: Phân cắt Fructose 1,6 biphosphate Fructose1,6 biphosphate bị phân cắt thành triose phosphate :3-phosphate glyceraldehyde và dihydroxy acetonphosphate. Aldolase của mô động vật có xương không cần cation hóa trị 2, nhưng nhiều aldolase của vi sinh vật cần Zn2+ cho họat động của chúng. Phản ứng 5: Chuyển hóa nội phân tử triose phosphate Chỉ một trong hai triose phosphate là aldose: 3-P glyceraldehyde tham gia tiếp vào quá trình đường phân. Nhưng dihydroxyaceton-P có thể được chuyển hóa thành 3-P glyceraldehyde nhờ triose phosphate isomerase. Phản ứng 6: Oxy hóa 3-P glyceraldehyde thành 1,3 biphosphoglycerate Xúc tác cho phản ứng này là enzyme 3-P glyceraldehyde dehydrogenase, có coenzyme NAD+, trong trung tâm hoạt động có nhóm -SH Cơ chế phản ứng đã được nghiên cứu đầy đủ: Sau khi tạo phức hợp E-S và NADH+H+, là phức không bền nên khi có mặt phosphate vô cơ nó sẽ tạo thành 1,3 biphosphoglycerate và giải phóng enzyme ở trạng thái tự do. Phản ứng 7: Trong phản ứng này gốc phosphate cao năng của 1,3 biphosphoglycerate chuyển cho ADP để tạo ATP ( oxy hóa phosphoryl hóa mức cơ chất) và 3P glycerate Phản ứng 8: Chuyển hóa 3P glycerate thành 2P glycerate (chuyển gốc P nội phân tử) nhờ enzyme phosphoglycerate mutase cần Mg2+ cho hoạt động của nó. Đây là phản ứng thuận nghịch: Phản ứng 9: 2-P glycerate bị loại nước để tạo thành phosphoenolpyruvate, là phản ứng thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme enolase. Phản ứng 10: Chuyển nhóm phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP, phản ứng được xúc tác bởi pyruvat kinase, để tạo ATP và pyruvate. Pyruvat kinase bị kìm hãm bởi ATP, khi nồng độ ATP cao thì nó gây kìm hãm dị không gian. Ở động vật có xương sống pyruvat kinase có ít nhất 3 isozyme, hơi khác nhau trong phân bố ở các mô và trong việc đáp ứng đối với những chất điều hòa (modulator) . Các đường hướng chuyển hoá của pyruvate Pyruvate, sản phẩm của đường phân, là một điểm nối quan trọng trong sự chuyển hoá carbohydrate. Tuỳ thuộc vào loài, điều kiện của cơ thể sinh vật và sự có mặt của các hệ enzyme khác nhau, pyruvate có thể được chuyển hoá theo những đường hướng khác nhau. Sự chuyển hoá glucose trong điều kiện yếm khí (lên men) và trong điều kiện hiếu khí giống nhau cho đến giai đoạn tạo thành pyruvate. Trong điều kiện yếm khí, tùy loài sinh vật, từ pyruvate có thể cho ra các sản phẩm khác nhau. Khi tế bào được cung cấp đầy đủ ôxy (hiếu khí), pyruvate tạo thành sẽ vào ty thể, chuyển thành acetyl.CoA và có thể được ôxy hoá triệt để trong chu trình citric acid Từ pyruvate, tuỳ thuộc mỗi cơ thể, điều kiện môi trường có thể chuyển hóa thành các sản phẩm khác nhau (Động vật, thực vật và nhiều tế bào vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí). Từ pyruvate có thể có 3 khả năng phân giải như trên, ngoài ra nó còn là nguồn để tổng hợp một số chất khác mà ta không đề cập ở đây. Trong điều kiện kị khí, pyruvate có thể lên men tạo lactic acid: Dưới tác dụng của lactate dehydrogenase, pyruvate bị khử thành lactic acid. Phản ứng này xảy ra trong mô cơ động vật sẽ tạo thành L-lactic acid,còn trong quá trình lên men do vi sinh vật gây ra (lên men sữa chua, muối dưa, cà …) sẽ tạo thành D-lactic acid. Lên men rượu: Nấm men và một số vi khuẩn khác có thể chuyển hóa pyruvate thành ethanol và CO2. Quá trình trải qua 2 bước Trong bước 1, pyruvate bị khử cacboxyl-hóa vốn được xúc tác bởi enzyme pyruvate decarboxylase, enzyme này cần Mg2+ và có coenzyme là TPP. Bước 2, acetaldehyde bị khử thành ethanol với NADH+H+được tạo ra từ sự oxy hóa khử 3 P glyceraldehyde. CHU TRÌNH CREPS Chu trình axit citric, còn gọi là chu trình axit tricarboxylic (hay chu trình ATC), chu trình Krebs là một chuỗi các phản ứng hóa học xúc tác bởi enzym có vai trò quan trọng bậc nhất trong mọi tế bào sống có dùng ôxy trong hô hấp tế bào. Ở các sinh vật đơn bào, chu trình axit citric diễn ra ở chất nền của ti thể. Các thành phần và các phản ứng trong chu trình axit citric được Albert Szent-Györgyi và Hans Krebs tìm ra. Chu trình axit citric tạo ra tạo ra ATP cung cấp năng lượngcho mọi hoạt động sống của tế bào, cũng như cho mọi hoạt động của cơ thể. Nó cần nguyên liệu từ quá trình đường phân của glucose. Quá trình phân huỷ axit pyruvic qua chu trình Crebs xảy ra trong cơ chất ty thể nhờ sự xúc tác nhiều hệ enzime. Bản chất của các phản ứng xảy ra trong chu trình Crebs chủ yếu là decacboxyl hoá và dehydro hoá axit pyruvic. Chu trình gồm 2 phần:   Phân huỷ axit pyruvic tạo CO2 và các coenzime khử. Các coenzime khử thực hiện chuỗi hô hấp để tạo H2O và tổng hợp ATP. Chuyển hóa pyruvate thành acetyl-CoA(hiếu khí) Oxy hóa acetyl-CoA qua chu trình Krebs: Do trong chu trình có mặt các sản phẩm trung gian là các di- và tricarboxylic nên chu trình Krebs còn có tên là chu trình tricarboxylic, hay chu trình citric acid. Chu trình Krebs bao gồm 8 phản ứng sau (Hình ??). Hình ??: chu trình Creps Phản ứng 1: Là phản ứng trùng hợp acetyl-CoA và oxaloacetate để tạo thành citrate. Năng lượng cần cho sự trùng hợp do sự phân giải liên kết cao năng trong acetyl-CoA cung cấp. Phản ứng 2: Citrate bị biến đổi thành isocitrate, là quá trình thuận nghịch được xúc tác bởi enzyme aconitase. Cis-aconitate thường không tách khỏi enzyme, ở tế bào thường tạo isocitrate vì isocitrate sẽ được chuyển hóa tiếp theo trong chu trình, dù cân bằng ở pH= 7,4, nhiệt độ 25oC chỉ có it hơn 10% isocitrate. Isocitrate có nhóm H-C-OH, mà chỉ 2 nguyên tử hydro ở vị trí này mới dễ dàng tách khỏi cơ chất để kết hợp với coenzyme NAD+ hoặc NADP+. Phản ứng 3: Kết quả của sự oxy hóa dưới tác dụng xúc tác của enzyme isocitrate dehydrogenase là 2 nguyên tử hydro được chuyền cho NAD(P)+ và 1 nguyên tử C được tách ra khỏi cơ chất dưới dạng CO2. Phản ứng 4: Sản phẩm α ketoglutarate vừa bị oxy hóa vừa bị khử carboyl hóa dưới tác dụng xúc tác của phức enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase. Giống như phản ứng 3, NADH+H+, CO2 và succinyl CoA được tạo thành. Phản ứng 5: Năng lượng trong liên kết cao năng của succinyl CoA được dùng để tạo ATP thông qua GTP. Đây là chặng phản ứng duy nhất của chu trình Krebs xảy ra sự tích lũy năng lượng trong ATP. Phản ứng 6: Ở đây có sự kìm hãm cạnh tranh enzyme giữa succinate và malonate. Coenzyme khử FADH2 qua chuỗi hô hấp tạo ATP. Phản ứng 7: Là phản ứng hydrate hóa fumarate để tạo malate dưới tác dụng của enzyme fumarase. Trạng thái chuyển tiếp Carbanion Fumarase có tính đặc hiệu rất cao, xúc tác sự hydrate hóa nối đôi của fumarate (dạng trans) mà không tác động lên maleate( đồng phân dạng cis của fumarate). Phản ứng 8: Malate tạo ra ở phản ứng 7 sẽ tiếp tục bị oxy hóa để cho ra oxaloacetate, enzyme xúc tác cho phản ứng này là malate dehydrogenase. Như vậy 1 vòng chu trình đã khép kín, oxaloacetate được tạo ra ở đây khác với oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 về thành phần carbon, oxaloacetate mới được bổ sung 2 carbon từ acetyl-CoA. Oxaloacetate mở đầu của phản ứng 1 có 2 carbon tham gia tạo CO2 ở phản ứng 3 và 4. Ý nghĩa của quá trình đường phân và chu trình Krebs 1/ Là các đường hướng phân giải tạo ra các sản phẩm trung gian để tạo thành các cơ chất khác nhau cần cho sự sống. 2/ Tạo các coenzyme khử và ATP. Việc tạo ra năng lượng, sử dụng năng lượng và coenzyme khử qua quá trình đường phân (glycolyis) và chu trình Krebs được tóm tắt như sau: Glucose→glucose 6-phosphate (-1 ATP) Fructose 6-phosphate → fructose 1,6-bisphosphate (-1 ATP) 2 Glyceraldehyde 3-phosphate → 2 1,3-bisphosphoglycerate ( 2 NADH) 2 1,3-Bisphosphoglycerate → 2 3-phosphoglycerate 2 Phosphoenolpyruvate → 2 pyruvate 2 Pyruvate → 2acety-CoA ( 2 ATP) ( 2 ATP) ( 2 NADH) 2 Isocitrate → 2 α-ketoglutarate ( 2 NADH) 2 α-Ketoglutarate → 2 succinyl-CoA ( 2 NADH) 2 Succinyl-CoA → 2 succinate ( 2 ATP) 2 Succinate → 2 fumarate 2 Malate → 2 oxaloacetate ( 2 FADH2) ( 2 NADH) Chu trình Crebs tạo 4NADH2, 1FADH2 và 1 ATP. Các coenzime khử NADH2 và FADH2 thực hiện chuỗi hô hấp sẽ tổng hợp ATP: 4 NADH2 x 3 = 12 ATP 1 FADH2 x 2 = 2 ATP 1 ATP = 1ATP --------------------------------- Tổng : 15ATP Như vậy cứ 1 Axit pyruvic phân huỷ qua chu trình tạo ra được 15 ATP, nên từ 2 A.pyruvic sẽ tạo được 30 ATP. Trong chặng đường phân tạo ra được 2ATP + 2NADH2 cung cấp cho tế => 8ATP. Vậy hô hấp hiếu khí bào 38 ATP khi phân huỷ một phân tử glucose. PHOSPHORYL HÓA OXY HÓA Các cặp hydro cao năng NADH và FAD.H₂ được tạo ra trong quá trình đường phân, ôxy hoá acid béo và chu trình citric acid được ñưa vào chuỗi hô hấp (chuỗi v ận chuyển điện tử). Trong quá trình vận chuyển điện tử từNADH và FADH₂ tới O₂ thông qua một loạt các thành viên của chuỗi hô hấp, năng lượng tự do được giải phóng hợp diễn với sựtạo thành ATP. Khi ôxy hoá 1 mol NADH bởi ôxy (chuyển 2 e-) trong các điều kiện chuẩn hoá sinh giải phóng 52,6 kcal năng lượng tự do. đểtạo 1mol ATP từ ADP và Pi cần có 7,3 kcal; vậy lượng năng lượng 52,6 kcal nói trên thừa đủ để tạo ra nhiều ATP. Chuỗi hô hấp, gồm nhiều thành viên tạo ra bởi 4 tổ hợp, giúp chia nhỏ số năng lượng tự do trên thành những lượng nhỏ thuận tiện cho phản ứng tạo ATP trong quá trình phosphoryl hoá ôxy hoá. Các protein gắn ở màng trong của ty thể được tổchức thành 4 tổ hợp hô hấp của chuỗi vận chuyển điện tử. Mỗi tổ hợp gồm một sốthành viên là protein và một số nhóm phụ ghép có hoạt tính ôxy hoá khử với thế khử chuẩn giảm dần (khả năng ôxy hoá tăng dần). Sơ đồ đơn giản của chuỗi hô hấp (Theo Donal Voet và Judith G. Voet; 1995) Điện tử được chuyển từ tổ hợp I sang tổ hợp III nhờ CoQ và từ tổ hợp III sang tổ hợp IV nhờcytochrome c. Tổ hợp II (không chỉ ra ở đây) chuyển điện tử từ succinate sang CoQ. Tổ hợp I (NADH- Coenzyme Q reductase): tách điện tử từ NADH ( của các enzyme dehydrogenase khác nhau, tương ứng cho các cơ chất khác nhau) chuyển sang cho CoQ. Đây là tổ hợp lớn nhất, gắn một phân tử FMN cùng với 6-7 chùm Fe-S, giúp việc chuyền điện tử. Tổ hợp II (Succinate - CoQ reductase): chuyển điện tử từ succinate sang CoQ. Tổ hợp này gồm enzyme succinate dehydrogenase có nhóm ghép FAD, các chùm Fe-S và một cytochrome b560 tham gia chuyển điện tử. Năng lượng giải phóng khi chuyển e-từ succinate sang CoQ thấp, không đủ để tạo ATP. Tuy nhiên, tổhợp II vẫn quan trọng, vì đây cũng là một cửa đưa được điện tử cao năng vào chuỗi hô hấp. Tổ hợp III (CoQ-cytochrome c reductase): gồm hai cytochrome b, một cytochrome 𝑐1và một chùm FeS, chuyển điện tử từ CoQH2 (dạng khử) sang cytochrome c. Cytochrome là những protein chứa nhóm hem, trong đó sắt thay đổi hoá trị giữa sắt ba và sắt hai khi nhận và nhả điện tử. Tổ hợp IV (Cytochrome c oxidase): tách điện tử từ cytochrome c (dạng Fe²+) để chuyển cho ôxy nguyên tử (O2) tạo nước (nhờ H+lấy từ chất nền) Sơ đồ giải thích thuyết hoá thẩm thấu của P. Mitchell (Theo Donal Voet và Judith G. Voet; 1995) Quá trình vận chyển điện tử làm H+ bị đẩy từ chất nền ra khoảng giữa hai màng, tạo nên một sự chênh lệch nồng về độ proton và điện tích, gộp lại là một gradient điện hoá proton. Khi gradient điện hoá này bị hoá giải do H+ quay về chất nền qua tổ hợp V (ATP- synthase), ATP được tạo thành từ ADP và Pi . Sự tổng hợp ATP từ ADP và Pi là một phản ứng thu năng lượng và nguồn cung cấp lấy từ quá trình vận chuyển điện tử ở chuỗi hô hấp. Tổ hợp ATP-synthase nằm riêng biệt với chuỗi hô hấp. Thuyết hoá thẩm thấu của Peter Mitchell (1961) là một quan ñiểm hoàn toàn mới mẻ đối với sự phosphoryl hoá ôxy hoá và vấn đề màng sinh học nói chung. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều thực nghiệm chứng tỏ quan điểm này là đúng. Đến 1978, P. Mitchell đã được trao giải thưởng Nobel vì công trình này. Dù ở một vài chi tiết còn chưa thật sáng tỏ, nhưng ý tưởng về một gradient điện hoá proton với tư cách là dạng dự trữ trung gian của năng lượng giải phóng ra trong quá trình vận chuyển điện tử ở chuỗi hô hấp, ngày nay đã được khảng định. Đây là xuất phát điểm cơ bản cho mọi nghiên cứu hiện đại về năng lượng sinh học. Vấn đề mấu chốt của thuyết này là: năng lượng tự do của sự ận chuyển điện tử được bảo tồn do sự bơm H+ từ chất nền ty thể ra khoảng không gian giữa hai màng và tạo thành gradient điện hoá proton qua màng trong ty lạp thể. Sau đó, thế năng điện hoá này được dùng để tổng hợp ATP.