Hồ Trung Thông

Hồ Trung Thông

7.1 Mối quan hệ giữa đồng hóa và dị hóa

Trao đổi chất là tổng hợp tất cả các quá trình hóa học diễn ra trong tế bào hoặc trong cơ thể động vật vốn được xúc tác bởi nhiều enzyme để tạo thành các đại phân tử: protein, nucleic acid, polysaccharide, tổng hợp và phân giải các phân tử sinh học cần thiết cho các chức năng của tế bào như lipid màng, enzyme, hormone, … . Trao đổi chất bao gồm hàng loạt phản ứng khác nhau được xúc tác bởi enzyme. Sinh vật sống có thể được chia thành hai nhóm lớn khác nhau dựa trên nguồn carbon mà chúng thu nhận: sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng. Sinh vật tự dưỡng như vi khuẩn quang tổng hợp và thực vật có thể sử dụng carbon dioxide từ không khí làm nguồn carbon cho tế bào và cơ thể, từ nguồn carbon này chúng có thể kiến tạo nên các phân tử sinh học chứa carbon. Một số sinh vật tự dưỡng khác như cyanobacteria còn có thể sử dụng nitơ không khí để chuyển thành nitơ của chính tế bào. Sinh vật dị dưỡng không thể sử dụng carbon dioxide từ không khí và phải lấy carbon từ môi trường xung quanh dưới dạng các hợp chất hữu cơ phức tạp như glucose. Động vật đa bào thuộc nhóm sinh vật dị dưỡng. Trong tự nhiên, sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng cùng chung sống và có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau.  

Bảng 7.1: Mối quan hệ giữa con đường đồng hóa và dị hóa

7.2 Trao đổi năng lượng

Nhiều nghiên cứu của các nhà vật lý và hóa học ở thế kỷ 19 về việc chuyển hóa năng lượng đã dẫn đến sự ra đời của các định luật cơ bản của nhiệt động học. Định luật thứ nhất về nguyên lý của nhiệt động học: tất cả mọi sự thay đổi vật lý và hóa học, tổng năng lượng của vạn vật không thay đổi, năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc có thể được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác nhưng không thể tăng lên hoặc mất đi. Định luật thứ hai của nhiệt động học: trong tất cả các quá trình tự nhiên, entropy gia tăng (điều này có nghĩa là vạn vật có xu hướng gia tăng sự mất trật tự).

Các tổ chức sống có nhiều loại phân tử khác nhau, được tổ chức chặt chẽ hơn nhiều so với các vật chất trong môi trường xung quanh mà từ các vật chất này sinh vật sống kiến tạo nên chúng. Các sinh vật duy trì sự ổn định, tuy vậy chúng sống không phải không tuân theo định luật thứ hai của nhiệt động học. Tế bào sống hoặc sinh vật sống là các hệ thống mở, chúng trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Tuy vậy, các hệ thống sống không bao giờ thăng bằng (equilibrium) với môi trường xung quanh.

7.3 ATP và các hợp chất cao năng

7.3.1 ATP và vòng luân hồi ATP trong tế bào

Tế bào dị dưỡng sử dụng năng lượng tự do dưới dạng hóa học thông qua sự phân giải các chất dinh dưỡng và sử dụng năng lượng này để tổng hợp ATP từ ADP và Pi (H₃PO₄). Sau đó ATP cung cấp một phần hóa năng của nó cho các quá trình thu năng lượng như quá trình tổng hợp các chất chuyển hóa trung gian và các đại phân tử từ các tiền chất ban đầu, vận chuyển các chất qua màng và ngược chiều gradient nồng độ, vận động cơ học. Sự cung cấp năng lượng từ ATP thường dẫn đến việc tạo thành ADP (adenosine diphosphate) và Pi, trong một số trường hợp tạo thành AMP (adenosine monophosphate) (hình 7.1) và 2Pi. Hầu hết các phản ứng được cung cấp năng lượng bởi ATP không phải chỉ đơn giản là thủy phân ATP mà có sự liên quan đến quá trình chuyển nhóm phosphoryl. Sự thay đổi năng lượng tự do từ quá trình chuyển ATP thành ADP và Pi trong điều kiện tiêu chuẩn là -30,5 kJ/mol. Năng lượng tự do thực sự (ΔG) của quá trình thủy phân ATP trong tế bào sống rất khác nhau vì nồng độ của ATP, ADP và Pi trong tế bào không giống nhau và thấp hơn rất nhiều so với nồng độ 1,0M trong điều kiện tiêu chuẩn (bảng 7.3). Ngoài ra, ATP và ADP ở trong tế bào chất tồn tại ở dạng liên kết với Mg⁺⁺ (hình 7.1) và đối với các phản ứng có enzyme xúc tác trong đó ATP là chất cho nhóm phosphoryl, cơ chất thực sự của enzyme là MgATP^--. Đối với các tế bào sống, ΔG của sự thủy phân ATP (thường được ký hiệu là ΔG_p) âm hơn rất nhiều so với ΔG'^o và thường biến động từ -65 đến -50 kJ/mol. ΔG_p thường được gọi là thế phosphoryl hóa. Sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn thường được sử dụng để thuận tiện cho việc so sánh. Tuy vậy cần lưu ý rằng trong tế bào sống ΔG là giá trị phù hợp đối với sự thủy phân ATP cũng như tất cả các phản ứng khác và giá trị này có thể hoàn toàn khác so với ΔG'^o.

Do các quá trình sử dụng năng lượng từ ATP, tỉ lệ ATP/ADP thay đổi tùy theo trạng thái của tế bào. Lượng ATP đã bị tiêu thụ sẽ được bù đắp từ các quá trình sản sinh năng lượng bằng phản ứng tổng hợp ATP từ ADP và Pi, phản ứng này thường được gọi là sự phosphoryl hóa.

Bảng 7.3: Nồng độ của adenine nucleotide, phosphate vô cơ

và phosphocreatine trong một số tế bào

ATP cung cấp năng lượng cho nhiều phản ứng hoặc cho các quá trình chuyển hóa khác nhau. Sự tham gia của ATP vào các phản ứng hóa học thường được tóm tắt như ở hình 7.2 (a) thể hiện một cách đơn giản ATP  ADP + Pi. Từ phương trình này, dường như ATP chỉ bị thủy phân một cách đơn giản bằng cách tác dụng với một phân tử nước để giải phóng ADP và Pi (hoặc AMP và PPi). Trên thực tế, trong nhiều trường hợp, sự tham gia của ATP phức tạp hơn nhiều vì nếu sự thủy phân ATP một cách đơn giản sẽ giải phóng nhiệt. Năng lượng dưới dạng nhiệt không thể tạo ra một phản ứng hóa học nào trong một hệ đẳng nhiệt. Sự tham gia của ATP trong các phản ứng hóa học thường diễn ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất, ATP nhường gốc phosphoryl cho cơ chất hoặc cho một gốc amino acid của enzyme, như vậy sẽ hình thành liên kết cộng hóa trị với cơ chất hoặc enzyme và làm tăng năng lượng tự do của nó. Sau đó, ở bước thứ hai, gốc phosphate có nguồn gốc từ ATP trong cơ chất hoặc trong phân tử enzyme sẽ được giải phóng để hình thành Pi (hoặc PPi). Tuy nhiên, một số quá trình liên quan trực tiếp đến sự thủy phân ATP (hoặc guanosine triphosphate: GTP). Ví dụ, quá trình thủy phân ATP (hoặc GTP) để tạo thành ADP (hoặc GDP) và Pi có thể cung cấp năng lượng làm cho một số protein có thể chuyển đổi giữa hai loại hình dạng khác nhau và dẫn đến sự vận động cơ học. Sự thủy phân này diễn ra khi co cơ và trong quá trình di chuyển của enzyme dọc theo DNA hoặc của ribosome dọc theo mRNA. Cơ chế truyền tín hiệu bởi hormone và của một số yếu tố ngoại bào khác thông qua việc thủy phân trực tiếp GTP để làm thay đổi hình dạng protein.

 Trong cơ thể sinh vật, các hợp chất phosphate có thể phân thành hai loại dựa vào mức năng lượng tự do tiêu chuẩn khi thủy phân chúng. Hợp chất giàu năng lượng (hợp chất cao năng) có ΔG'^o của sự thủy phân âm hơn -25 kJ/mol còn hợp chất nghèo năng lượng có ΔG'^o của sự thủy phân ít âm hơn -25 kJ/mol. Dựa trên tiêu chí này, ΔG'^o của sự thủy phân ATP là -30,5 kJ/mol, do đó ATP là hợp chất cao năng, còn hợp chất glucose 6-phosphate là hợp chất nghèo năng lượng (bảng 7.2). Thuật ngữ "liên kết phosphate cao năng" được sử dụng trong một thời gian dài để mô tả liên kết P-O bị bẻ gãy trong phản ứng thủy phân là không đúng và dẫn đến sự hiểu nhầm vì từ thuật ngữ này có thể hiểu rằng bản thân liên kết chứa năng lượng. Thực tế, để bẻ gãy bất cứ liên kết hóa học nào cũng cần được cung cấp năng lượng. Năng lượng tự do được giải phóng từ phản ứng thủy phân hợp chất phosphate không phải từ liên kết bị bẻ gãy mà nó là do sản phẩm của phản ứng có chứa năng lượng tự do thấp hơn so với chất tham gia phản ứng. Tuy vậy, để đơn giản, người ta vẫn sử dụng thuật ngữ "hợp chất phosphate cao năng" để chỉ ATP và hợp chất phosphate khác có năng lượng tự do tiêu chuẩn của phản ứng thủy phân âm hơn -25 kJ/mol. Khi các tiền chất đơn giản được sử dụng để tổng hợp nên các hợp chất polymer có phân tử lượng lớn và có trình tự đã được xác định (như DNA, RNA, protein) cần có sự cung cấp năng lượng cho cả quá trình tạo thành các đơn vị xây dựng và cả quá trình sắp xếp của chúng để tạo thành hợp chất polymer. Tiền chất để tổng hợp DNA và RNA là nucleoside triphosphate. Sự polymer hóa diễn ra do quá trình tách liên kết phosphoanhydride giữa phosphate  và  của các nucleoside triphosphate và giải phóng PPi. Adenylate (AMP), guanylate (GMP), cytidylate (CMP) hoặc uridylate (UMP) sẽ được gắn vào chuỗi polymer đang được sinh tổng hợp (đối với sinh tổng hợp RNA) (đối với sinh tổng hợp DNA, TMP thay thế UMP). Sự hoạt hóa amino acid cần có quá trình gắn nhóm adenylate từ ATP và nhiều bước của sự tổng hợp protein cần có GTP.   

ATP có thể cung cấp năng lượng để vận chuyển ion hoặc một phân tử xuyên qua màng để vào trong tế bào hoặc vào một bộ phận của tế bào, nơi nồng độ của nó cao hơn. Tế bào dùng phần lớn năng lượng cho vận chuyển, ví dụ, ở thận và não người, khoảng 2/3 tổng năng lượng tiêu thụ trong trạng thái nghỉ là dành cho việc bơm Na⁺ và K⁺ qua màng nguyên sinh thông qua hệ thống Na⁺K⁺ATPase. Sự vận chuyển Na⁺ và K⁺ qua màng được thực hiện nhờ phản ứng phosphoryl hóa và khử phosphoryl hóa của protein vận chuyển, trong đó ATP là chất cho nhóm phosphoryl. Phản ứng phosphoryl hóa (phụ thuộc Na⁺) của Na⁺K⁺ATPase tạo ra sự thay đổi hình dạng của protein, phản ứng khử phosphoryl hóa (phụ thuộc K⁺) làm cho protein trở về hình dạng ban đầu. Cứ mỗi vòng của chu kỳ vận chuyển tạo ra một ADP + Pi từ ATP. Năng lượng của ATP sẽ được dùng để thay đổi hình dạng của protein và do đó có tác dụng bơm Na⁺ và K⁺. Ở tế bào cơ xương, myosin và actin là protein được biệt hóa để chuyển hóa năng của ATP thành sự vận động. ATP gắn chặt với dạng thứ nhất của myosin nhưng không phải bằng liên kết cộng hóa trị. Khi liên kết giữa myosin và ATP bị phá vỡ, ADP và Pi được tách ra từ myosin và myosin chuyển sang dạng thứ hai của nó, dạng này tồn tại cho đến khi phân tử ATP khác gắn vào. Sự liên kết của ATP vào myosin và sự thủy phân ATP cung cấp năng lượng làm thay đổi cấu trúc của phần đầu phân tử myosin. Sự thay đổi về cấu trúc của nhiều phân tử myosin khác nhau sẽ dẫn đến sợi myosin trượt trên sợi actin.

Sự chuyển nhóm phosphoryl từ ATP sẽ dẫn đến sự tích tụ ADP. Ví dụ, khi cơ co mạnh sẽ dẫn đến tích tụ ADP và sự tích tụ này sẽ cản trở hoạt động của tế bào cơ. Trong những giai đoạn mà nhu cầu ATP của tế bào quá lớn, nồng độ ADP sẽ được giảm xuống và đồng thời tạo thành ATP, quá trình này do sự xúc tác của adenylate kinase. Phản ứng này là hoàn toàn thuận nghịch, do đó khi nhu cầu ATP không lớn nữa, enzyme có thể chuyển AMP thành ADP, sau đó ADP có thể được phosphoryl hóa để tạo thành ATP ở trong ti thể thông qua cơ chế phosphoryl hóa oxy hóa.

7.3.2 Một số hợp chất cao năng khác

7.3.2.1 Phosphocreatine

Mg⁺⁺

Khi nhu cầu năng lượng của tế bào rất lớn làm suy giảm ATP, kho dự trữ PCr sẽ được sử dụng để bổ sung ATP với tốc độ nhanh hơn tốc độ tổng hợp ATP từ các con đường dị hóa. Ngược lại, khi nhu cầu năng lượng giảm xuống, ATP được sản sinh từ quá trình dị hóa sẽ được sử dụng để tổng hợp PCr thông qua phản ứng nghịch do creatine kinase xúc tác. Một số sinh vật bậc thấp không có PCr nhưng chúng sử dụng các phân tử tương tự PCr để dự trữ năng lượng, những chất này được gọi là phosphagens. 

7.3.2.2 Hệ thống các nucleoside

Tất cả các nucleoside triphosphate khác (GTP: guanosine triphosphate, UTP: uridine triphosphate, CTP: cytidine triphosphate) và tất cả các deoxynucleoside triphosphate (dATP, dGTP, dTTP,dCTP) đều có năng lượng tương đương ATP. Sự thay đổi năng lượng tự do gắn liền với sự thủy phân liên kết phosphoanhydride của các nucleoside triphosphate này đều rất giống với sự thay đổi năng lượng tự do khi thủy phân ATP. Sự tạo thành các nucleoside triphosphate (NTP) do phản ứng chuyển nhóm phosphoryl tới các nucleoside diphosphate và nucleoside monophosphate tương ứng. ATP là hợp chất phosphate cao năng sơ cấp được tạo thành từ quá trình dị hóa thông qua các con đường đường phân, phosphoryl hóa oxy hóa. Sau đó enzyme vận chuyển nhóm phosphoryl từ ATP sang các nucleotide khác. Enzyme nucleoside diphosphate kinase được tìm thấy ở tất cả các loại tế bào và xúc tác cho phản ứng sau:

Mg⁺⁺

Mặc dầu phản ứng trên là thuận nghịch, khi tỉ lệ nồng độ ATP/ADP trong tế bào tương đối lớn, phản ứng vẫn thường được diễn ra theo chiều từ trái sang phải và dẫn đến việc gia tăng NTP (hoặc dNTP). Các nucleoside triphosphate giữ nhiều vai trò quan trọng khác nhau trong cơ thể sống; ví dụ, UTP tham gia trong việc tổng hợp glycogen, GTP tham gia trong việc tổng hợp protein.

7.3.2.3 Các hợp chất được phosphoryl hóa và thioester

Nhiều hợp chất được phosphoryl hóa khi thủy phân sẽ tạo ra sự thay đổi lớn và âm về năng lượng tự do tiêu chuẩn. Ví dụ, phosphoenolpyruvate có một liên kết ester phosphate khi thủy phân để tạo thành pyruvate sẽ giải phóng nhiều năng lượng (ΔG'^o = -61,9 kJ/mol). Hợp chất 1,3-bisphosphoglycerate chứa một liên kết anhydride, sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn khi thủy phân hợp chất này là - 49,3 kJ/mol. Đối với phosphocreatine, liên kết P-N có thể bị thủy phân để tạo thành creatine tự do và Pi. Sự thay đổi năng lượng tự do khi thủy phân phosphocreatine là -43,0 kJ/mol. Khi thủy phân thioester (một nguyên tử lưu huỳnh thay thế oxy ở liên kết ester) cũng có sự thay đổi năng lượng tự do lớn. Acetyl-CoA là một trong số các thioester quan trọng trong quá trình trao đổi chất. Sự thủy phân acetyl-CoA sẽ giải phóng acetate và sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn từ phản ứng này là -31,4 kJ/mol.  

7.4 Hô hấp mô bào (oxy hóa khử sinh học)

Oxy hóa khử là quá trình chung diễn ra ở cả thế giới vô sinh và thế giới hữu sinh. Bản chất của quá trình này là sự trao đổi điện tử giữa các chất tham gia phản ứng. Chất cho điện tử gọi là chất khử hay chất bị oxy hóa, chất nhận điện tử gọi là chất oxy hóa hay chất bị khử. Lavoisier đã nghiên cứu quá trình đốt cháy các hợp chất hữu cơ và đã kết luận: "sự cháy và sự hô hấp đều giống nhau ở chỗ chúng đều sử dụng oxy và giải phóng khí carbonic và nước". Một thời gian dài sau Lavoisier người ta vẫn quan niệm rằng thức ăn là nhiên liệu, phổi là lò đốt các nhiên liệu đó, sự đốt cháy một hợp chất hữu cơ trong cơ thể cũng không có gì khác sự đốt cháy chất đó ở trong tự nhiên. Với những quan niệm xưa, người ta không thể giải thích được vì sao quá trình đốt cháy trong cơ thể lại tiến hành được trong điều kiện nhiệt độ không cao (37-39^oC), môi trường nước, với nhiệt lượng tỏa ra như vậy mà sinh vật vẫn sống được. Ngoài ra, sinh vật kị khí sống không cần oxy của không khí và thậm chí sự có mặt của oxy phân tử (O₂) lại có hại đối với sự phát triển của chúng. Ngày nay người ta đã biết rõ các sinh vật sống đốt cháy các hợp chất hữu cơ hoàn toàn khác với sự đốt cháy ngoài cơ thể. Quá trình đốt cháy chất hữu cơ trong không khí diễn ra mạnh, nhanh, có ngọn lửa, tỏa nhiệt mạnh, xảy ra trong môi trường không có nước, oxy không khí tác dụng trực tiếp với carbon và hydro của chất hữu cơ.

Quá trình hô hấp hay quá trình đốt cháy chất hữu cơ xảy ra trong cơ thể được tiến hành nhanh nhưng rất trật tự, xảy ra từng bước, năng lượng tiềm tàng được giải phóng ra từ từ và được tích trữ lại, không có ngọn lửa, xảy ra trong môi trường nước, oxy không khí thở vào không trực tiếp phản ứng với carbon và hydro của chất hữu cơ, quá trình hô hấp tiến hành được là nhờ sự xúc tác của các enzyme đặc hiệu chứ không phải tự nó diễn ra. Khi nghiên cứu thành phần máu động mạch và máu tĩnh mạch người ta thấy rằng máu động mạch chứa nhiều oxy và máu tĩnh mạch chứa nhiều khí CO₂, từ đó đã dẫn đến kết luận: chính các mô bào đã sử dụng oxy và thải khí CO₂. Như vậy, phổi là nơi thu nhận oxy và thải khí CO₂ nhưng quá trình oxy hóa khử không chỉ xảy ra ở phổi mà chủ yếu là xảy ra ở các mô bào khác. Từ những lý do đó đã dẫn đến khái niệm hô hấp mô bào như sau: hô hấp mô bào là một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong tế bào được xúc tác bởi một hệ thống enzyme liên hoàn nhằm khai thác năng lượng từ các hợp chất hữu cơ theo một quá trình nghiêm ngặt và chặt chẽ, các thành viên tham gia vào sự hô hấp mô bào tạo thành chuỗi hô hấp. Hô hấp mô bào diễn ra ở ti thể của tế bào. 

7.4.1 Cấu trúc của ti thể

Năm 1948, Eugene Kennedy và Albert Lehninger đã phát hiện ra rằng ti thể (mitochondria) là nơi diễn ra quá trình phosphoryl hóa oxy hóa ở tế bào eukaryote. Sự phát hiện này đã đánh dấu giai đoạn hiện đại của việc nghiên cứu năng lượng sinh học. Ti thể (giống như vi khuẩn gram âm) có hai lớp màng (hình 7.4). Các phân tử có kích thước nhỏ (M_r < 5.000) và ion có thể thấm qua màng ngoài của ti thể. Các phân tử và ion này có thể tự do đi qua màng ngoài thông qua các kênh nằm xuyên màng được tạo ra bởi các phân tử protein nằm xuyên màng gọi là porin. Màng trong là một màng không thấm đối với hầu hết các phân tử và ion có kích thước nhỏ bao gồm cả H⁺. Do đó để đi qua được màng này cần có chất vận chuyển đặc hiệu. Màng trong chứa các thành phần của chuỗi hô hấp và ATP synthase. Chất nền (matrix) của ti thể được bao bọc bởi màng trong và chứa phức hợp pyruvate dehydrogenase, các enzyme của chu trình citric acid, của con đường -oxy hóa acid béo và của các con đường oxy hóa amino acid (tất cả các con đường oxy hóa trừ đường phân diễn ra ở bào tương). Tính thấm có chọn lọc của màng trong ti thể đã ngăn cách các chất chuyển hóa trung gian và các enzyme của các con đường trao đổi chất trong tế bào chất với các chất chuyển hóa trung gian và các enzyme của các con đường trao đổi chất diễn ra trong chất nền ti thể. Tuy vậy, các chất vận chuyển đặc hiệu vận chuyển pyruvate, acid béo và amino acid hoặc dạng -keto của nó vào trong chất nền để đi vào chu trình citric acid. ADP và Pi được vận chuyển vào trong chất nền vì ATP mới được tổng hợp được vận chuyển ra ngoài ti thể. Ở màng trong của ti thể còn có nhiều enzyme ATP synthase hay còn gọi là ATPase có dạng hình nấm và được kí hiệu là FoF1. Phần Fo của ATP synthase gắn vào màng trong của ti thể còn phần F1 hướng ra phía chất nền của ti thể (xem thêm ở phần: Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa dự trữ năng lượng).

7.4.2 Các enzyme của chuỗi hô hấp mô bào

Tế bào chuyển glucose và các hợp chất hữu cơ khác thành CO₂ và H₂O không phải bằng một phản ứng đơn giản và giải phóng nhiều năng lượng mà bằng một loạt các phản ứng được kiểm soát một cách chặt chẽ, trong đó có một số phản ứng oxy hóa. Điện tử được tách ra từ các bước oxy hóa này được chuyển cho các coenzyme đã được biệt hóa để vận chuyển điện tử.

7.4.2.1 Dehydrogenase có coenzyme là NAD⁺ và NADP⁺

Nicotinamide adenine dinucleotide (ở dạng oxy hóa là NAD⁺) và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP⁺) được tạo thành từ hai nucleotide liên kết với nhau bởi liên kết phosphoanhydride giữa các gốc phosphate (hình 7.5). Vì vòng nicotinamide giống pyrimidine, do đó nó còn được gọi là pyrimidine nucleotide. Vitamin niacin là nguyên liệu tổng hợp nên nicotinamide nucleotide. Cả hai coenzyme này đều có thể thực hiện phản ứng khử thuận nghịch tại vòng nicotinamide. Khi một phân tử cơ chất bị oxy hóa (khử hydro), hai nguyên tử hydro (2e^- + 2H⁺) được tách ra từ cơ chất. NAD⁺ (hoặc NADP⁺) có thể nhận 2e^- và 1H⁺ để tạo thành dạng khử NADH (hoặc NADPH). Một H⁺ thứ hai sẽ được hòa tan vào môi trường nước.

NAD⁺ + 2e^- + 2H⁺  NADH + H⁺ 

NADP⁺ + 2e^- + 2H⁺  NADPH + H⁺ 

Trong hầu hết các mô bào, tổng nồng độ NAD⁺ và NADH khoảng 10^-5M, còn tổng nồng độ NADP⁺ và NADPH khoảng 10^-6M. Đối với hầu hết các tế bào và mô bào, tỉ lệ NAD⁺/NADH cao, do đó thuận lợi cho việc chuyển điện tử và H⁺ từ cơ chất sang NAD⁺ để tạo thành NADH. Ngược lại, nồng độ NADPH thường lớn hơn so với nồng độ NADP⁺ và nồng độ này thuận lợi cho việc chuyển điện tử và H⁺ từ NADPH sang cơ chất. Điều này phản ánh vai trò đã được biệt hóa của hai coenzyme này trong trao đổi chất: NAD⁺ thường có chức năng trong các phản ứng oxy hóa, thường là một bộ phận của phản ứng dị hóa còn NADPH thường là coenzyme của các phản ứng khử và gần như luôn luôn là một phần của phản ứng đồng hóa. Các quá trình trong đó có sự tham gia của hai loại coenzyme này được cô lập ở các bộ phận khác nhau của tế bào eukaryote: oxy hóa các nhiên liệu như pyruvate, acid béo, -keto acid của amino acid diễn ra trong chất nền ti thể trong khi đó các quá trình sinh tổng hợp như tổng hợp acid béo diễn ra ở bào tương của tế bào. Sự biệt hóa về chức năng và vị trí này cho phép tế bào duy trì các nhóm chất vận chuyển điện tử khác nhau với các chức năng khác nhau. Người ta đã biết rằng có đến 200 enzyme xúc tác phản ứng trong đó NAD⁺ (hoặc NADP⁺) nhận 2e^- và H⁺ từ cơ chất ở dạng khử hoặc NADPH (hoặc NADH) nhường 2e^- và H⁺ cho một cơ chất ở dạng oxy hóa. Phương trình chung là:

AH₂ + NAD⁺  A + NADH + H⁺

A+ NADPH + H⁺  AH₂ + NADP⁺

trong đó, AH₂ là cơ chất dạng khử còn A là cơ chất dạng oxy hóa. Tên gọi chung của enzyme xúc tác kiểu phản ứng này gọi là oxidoreductase hay thường gọi là dehydrogenase. Ví dụ, alcohol dehydrogenase xúc tác phản ứng đầu tiên của quá trình phân giải ethanol trong đó ethanol bị oxy hóa thành acetaldehyde (CH₃CH₂OH + NAD⁺  CH₃CHO + NADH + H⁺). Trong phản ứng này, một nguyên tử carbon của ethanol bị tách hydro và ethanol bị oxy hóa thành aldehyde Sự liên kết giữa một enzyme dehydrognase với NAD⁺ hoặc NADP⁺ không chặt chẽ. Coenzyme có thể khuyếch tán từ một enzyme này sang một enzyme khác và hoạt động như một chất mang hòa tan trong nước để mang điện tử từ một chất này sang một chất khác. Ví dụ, sự tạo thành alcohol trong quá trình lên men glucose của tế bào nấm men, một ion hydride (:H^- tức 2e^- + 1H⁺) được tách ra khỏi glyceraldehyde 3-phosphate bởi enzyme glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase và được vận chuyển tới NAD⁺ để tạo thành NADH. NADH mới được hình thành sẽ rời khỏi enzyme và khuyếch tán sang một enzyme khác (alcohol dehydrogenase), enzyme này sẽ chuyển ion hydride sang cho acetaldehyde để tạo thành ethanol.

Hình 7.6: Cấu tạo của niacin, nicotine, nicotinamide và tryptophan

Các vòng có cấu tạo tương tự pyrimidine của NAD⁺ và NADP⁺ được tổng hợp từ vitamin niacin (nicotinic acid). Vitamin niacin được tổng hợp từ tryptophan. Cơ thể người không thể tổng hợp đủ vitamin này, đặc biệt khi hàm lượng tryptophan thấp trong khẩu phần (ví dụ, khi tỉ lệ ngô cao trong khẩu phần). Sự thiếu hụt niacin sẽ ảnh hưởng đến tất cả các hoạt động của các dehydrogenase có coenzyme là NAD⁺ hoặc NADP⁺ và gây ra bệnh nguy hiểm ở người: bệnh da sần sùi (pellagra) và bệnh liên quan ở chó: lưỡi đen. Các bệnh này được đặc trưng bởi: viêm da, tiêu chảy, mất trí và nhiều trường hợp dẫn đến chết. Pellagra còn tìm thấy ở những người nghiện rượu. Ở những người này, khả năng hấp thu niacin của ruột bị giảm mạnh đồng thời nhu cầu năng lượng của những người này thường được đáp ứng đủ từ rượu - là loại đồ uống hầu như không có vitamin, trong đó kể cả niacin.  

7.4.2.2 Các flavoprotein

Flavoprotein là những enzyme có coenzyme flavin mononucleotide (FMN) hoặc flavin adenine dinucleotide (FAD) xúc tác các phản ứng oxy hóa khử (hình 7.7). Các coenzyme flavin nucleotide này có nguồn gốc từ vitamin riboflavin. FAD hoặc FMN có thể nhận một nguyên tử hydro để tạo thành dạng semiquinone hoặc nhận hai nguyên tử hydro để tạo thành FADH₂ hoặc FMNH₂. Vì khả năng của FAD và FMN có thể vận chuyển một hoặc hai nguyên tử hydro, do đó các flavoprotein có thể tham gia vào nhiều phản ứng hơn so với các dehydrogenase có coenzyme là NAD⁺ hoặc NADP⁺. Trong hầu hết các flavoprotein, flavin nucleotide liên kết tương đối chặt chẽ với phần protein và trong một số enzyme, như succinate dehydrogenase, liên kết giữa flavin nucleotide và protein của enzyme bằng liên kết cộng hóa trị. Trong trường hợp liên kết cộng hóa trị, flavin nucleotide thường được gọi là nhóm prosthetic. Chúng không chuyển điện tử bằng cách khuyếch tán từ enzyme này sang enzyme khác mà flavoprotein có thể tạm thời giữ điện tử khi nó xúc tác chuyển điện tử từ một cơ chất dạng khử sang một chất nhận điện tử. Cấu trúc của flavoprotein thường rất phức tạp. Bên cạnh flavin nucleotide, một số flavoprotein còn có thêm các ion vô cơ (ví dụ sắt hoặc molypden), các ion này giúp flavoprotein tham gia vào vận chuyển điện tử. Một số flavoprotein có chức năng hoàn toàn khác, ví dụ cryptochrome là một họ flavoprotein phân bố rộng rãi ở ngành có nhân (eukaryotic phyla) và tham gia vào cơ chế ảnh hưởng của ánh sáng vào sự phát triển của thực vật và cơ chế ảnh hưởng của ánh sáng đến nhịp ngày đêm của động vật có vú. Photolyase cũng là một họ flavoprotein sử dụng năng lượng ánh sáng hấp thu được để sửa chữa các sai sót của DNA.

7.4.2.3 Ubiquinone

Ubiquinone còn gọi là coenzyme Q là một benzoquinone hòa tan trong lipid có một chuỗi isoprenoid dài (hình 7.8). Các hợp chất có cấu trúc tương tự là plastoquinone của lục lạp thực vật và menaquinone của vi khuẩn có vai trò tương tự ubiquinone, là thành viên của chuỗi vận chuyển điện tử. Ubiquinone có thể nhận một điện tử để trở thành dạng ^QH hoặc hai điện tử để trở thành QH₂. Giống như các flavoprotein, ubiquinone có thể hoạt động như là một cầu nối giữa một chất cho hai điện tử và một chất nhận một điện tử. Vì ubiquinone vừa nhỏ vừa hòa tan trong nước, nó có thể khuyếch tán một cách tự do giữa lớp kép lipid của màng trong ti thể và có thể hoạt động như con thoi giữa các chất vận chuyển điện tử kém lưu động ở trong màng. Ngoài ra, vì ubiquinone có thể mang điện tử và proton (H⁺) do đó nó đóng vai trò trung tâm trong việc kết nối giữa dòng điện tử với sự di chuyển của H⁺.       

7.4.2.4 Cytochrome

Cytochrome là các phân tử protein có nhóm ghép là nhân heme chứa sắt. Ti thể có ba loại cytochrome được kí hiệu là a, b và c. Các loại cytochrome được phân biệt nhau bởi sự khác nhau về phổ hấp thụ ánh sáng. Để phân biệt các cytochrome có liên quan chặt chẽ với nhau, thỉnh thoảng bước sóng hấp thụ cực đại được sử dụng đi kèm trong tên gọi, ví dụ cytochrome b₅₆₂. Nhóm ghép của các cytochrome là nhân heme, tuy vậy cấu tạo không hoàn toàn giống nhau (hình 7.9). Nhóm ghép của cytochrome a và b liên kết chặt chẽ (nhưng không phải bằng liên kết cộng hóa trị) với protein còn nhân heme của cytochrome c được gắn với phần protein thông qua liên kết cộng hóa trị với gốc cysteine của protein. Các cytochrome a, b và một số cytochrome c là những protein nội màng của màng trong ti thể, loại trừ cytochrome c của ti thể là một protein hòa tan gắn với mặt ngoài của màng trong ti thể bằng tương tác tĩnh điện. Sự chuyển đổi từ Fe⁺⁺ sang Fe⁺⁺⁺ và ngược lại là cơ chế vận chuyển điện tử của các cytochrome.

 

7.4.2.5 Sắt - Sulfur protein (Fe-S-Protein)

Sắt không phải liên kết với nhân heme mà liên kết với nguyên tử lưu huỳnh vô cơ hoặc với nguyên tử lưu huỳnh của gốc cysteine của phần protein hoặc cả hai trường hợp trên. Cấu trúc của các trung tâm sắt-sulfur (Fe-S) này rất khác nhau, từ đơn giản với chỉ một nguyên tử sắt đơn giản liên kết với bốn nhóm Cys-SH đến các trung tâm Fe-S phức tạp với hai hoặc bốn nguyên tử sắt (hình 7.10). Ngoài ra, phát hiện của John S. Rieske cho thấy rằng trung tâm Fe-S còn được cấu tạo do sự liên kết của một nguyên tử sắt với hai gốc histidine chứ không phải hai gốc cysteine.  

7.4.3 Đặc điểm, mục đích và cơ chế của chuỗi hô hấp mô bào

7.4.3.1 Điện tử từ cơ chất được chuyển vào một số chất nhận điện tử phổ biến

Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa được bắt đầu bằng việc điện tử đi vào chuỗi hô hấp. Hầu hết các điện tử đi vào chuỗi hô hấp là do sự hoạt động của dehydrogenase. Các enzyme dehydrogenase sẽ thu gom điện tử từ các con đường dị hóa để đưa vào các chất nhận điện tử phổ biến là các nicotinamide nucleotide (NAD⁺ hoặc NADP⁺) hoặc các flavin nucleotide (FMN hoặc FAD). Các enzyme dehydrogenase có coenzyme là các nicotinamide nucleotide xúc tác cho các phản ứng thuận nghịch sau: 

Cơ chất dạng khử + NAD⁺   Cơ chất dạng oxy hóa + NADH + H⁺

Cơ chất dạng khử + NADP⁺  Cơ chất dạng oxy hóa + NADPH + H⁺

Các enzyme dehydrogenase có coenzyme là NAD⁺ tách hai nguyên tử hydro từ cơ chất. Một trong hai nguyên tử hydro này được chuyển cho NAD⁺ dưới dạng ion hydride (:H^-) còn một nguyên tử hydro khác được giải phóng vào môi trường dưới dạng H⁺. NADH và NADPH là những chất vận chuyển điện tử hòa tan trong nước và liên kết thuận nghịch với dehydrogenase. NADH vận chuyển điện tử từ các phản ứng dị hóa đến enzyme tiếp theo của chuỗi hô hấp, còn NADPH thường cung cấp điện tử cho các phản ứng đồng hóa. Cả NADH và NADPH đều không thể đi qua màng trong ti thể nhưng điện tử của chúng có thể đi qua một cách gián tiếp.  

7.4.3.2 Điện tử được chuyền qua nhiều chất mang điện tử nằm ở màng trong của ti thể

Chuỗi hô hấp mô bào bao gồm nhiều chất mang điện tử khác nhau. Hầu hết những chất mang này là protein nội màng có nhóm ghép có khả năng nhận hoặc nhường một hoặc hai điện tử. Có ba cách vận chuyển điện tử: (1) chuyển điện tử trực tiếp (ví dụ khử Fe⁺⁺⁺ thành Fe⁺⁺), (2) vận chuyển dưới dạng nguyên tử hydro (H⁺ + e^-) và (3) vận chuyển dưới dạng ion hydride (:H^-). Ngoài NAD⁺ và các flavoprotein tham gia trong chuỗi hô hấp mô bào còn có ba loại phân tử vận chuyển điện tử: ubiquinone (còn gọi là coenzyme Q hay Q), Fe-S-protein và các cytochrome. Trong phản ứng tổng quát của chuỗi hô hấp ti thể, điện tử di chuyển từ NADH, succinate hoặc từ các chất cho điện tử khác  flavoprotein  ubiquinone  Fe-S-Protein  cytochrome b  cytochrome c₁  cytochrome c  cytochrome a  cytochrome a₃  O₂.      

7.4.3.3 Các chất mang điện tử hoạt động theo các phức hợp multienzyme

Các chất mang điện tử của chuỗi hô hấp được tổ chức thành các phức hợp. Phức hợp I và II xúc tác cho việc chuyển điện tử tới ubiquinone từ nhiều chất cho điện tử khác nhau: NADH (phức hợp I) và succinate (phức hợp II). Phức hợp III chuyển điện tử từ ubiquinone đến cytochrome c và phức hợp IV hoàn tất quá trình vận chuyển điện tử bằng việc vận chuyển điện tử từ cytochrome c đến O₂. 

- Phức hợp I: NADH đến Ubiquinone

Hình 7.12 mô tả mối quan hệ giữa phức hợp I, phức hợp II và ubiquinone. Phức hợp I còn được gọi là NADH:ubiquinone oxidoreductase hoặc NADH dehydrogenase là một enzyme được tạo thành từ 42 chuỗi polypeptide khác nhau bao gồm một flavoprotein chứa FMN và tối thiểu có sáu trung tâm Fe-S. Với kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao, người ta có thể xác định phức hợp I có dạng chữ L với một đầu của chữ L nằm trong màng và phần còn lại nằm trong chất nền (hình 7.13). Phức hợp I xúc tác cho hai quá trình diễn ra đồng thời và bắt buộc. Quá trình thứ nhất: chuyển một ion hydride (:H) từ NADH và một proton (H⁺) từ chất nền của ti thể đến ubiquinone để tạo thành Ubiquinone-H₂.

NADH + H⁺ + Q  NAD⁺ + QH₂

Quá trình thứ hai: chuyển bốn H⁺ từ chất nền ti thể vào khoảng giữa hai lớp màng. Do đó phức hợp I là bơm proton. Bơm proton này hoạt động được nhờ năng lượng được giải phóng trong quá trình vận chuyển điện tử và quá trình mà nó xúc tác là có định hướng (vector): nó chuyển proton theo một hướng đặc trưng từ chất nền ti thể (làm cho chất nền tích điện âm do sự ra đi của các proton) đến khoảng giữa hai lớp màng (do đó khoảng giữa hai lớp màng tích điện dương). Để nhấn mạnh bản chất vector của quá trình, phương trình tổng quát thường được viết có chỉ số dưới dòng (subscript) để chỉ vị trí của proton: P tức mặt dương (positive) của màng trong (khoảng giữa hai lớp màng) và N tức là mặt âm (negative) (chất nền của ti thể).

NADH + 5H⁺_N + Q    NAD⁺ + QH₂  + 4H⁺_P

Amytal (một loại thuốc an thần), rotenone (một sản phẩm từ thực vật thường được sử dụng như một loại thuốc diệt côn trùng) và piericidin A (một loại kháng sinh) ức chế dòng điện tử từ các trung tâm Fe-S của phức hợp I tới ubiquinone, do đó có thể khóa toàn bộ quá trình phosphoryl hóa bằng cách oxy hóa. Ubiquinol (QH₂) khuyếch tán ở trong màng trong của ti thể từ phức hợp I sang phức hợp III, tại đó nó bị oxy hóa thành ubiquinone (Q) trong quá trình này H⁺ di chuyển từ trong chất nền đến khoảng giữa hai lớp màng. 

Phức hợp II được đề cập đến trong phần chu trình citric dưới tên gọi của enzyme succinate dehydrogenase, là một enzyme duy nhất gắn với màng trong chu trình citric. Mặc dầu nhỏ và đơn giản hơn phức hợp I, phức hợp II chứa năm nhóm prosthetic và bốn tiểu đơn vị protein (protein subunit). Các đơn vị protein này được ký hiệu là A, B, C, D. Protein C và D là những protein nội màng, mỗi phân tử có ba đoạn peptide xuyên màng có cấu trúc xoắn -helix. Protein C và D chứa một nhân heme (heme b) và một vị trí liên kết với ubiquinone. Ubiquinone là chất nhận điện tử cuối cùng trong các phản ứng được xúc tác bởi phức hợp II. Protein A và B kéo dài về phía chất nền ti thể (đối với vi khuẩn: về phía bào tương), các protein này chứa ba trung tâm Fe-S và một FAD đồng thời có một vị trí để liên kết với cơ chất đó chính là succinate. Con đường vận chuyển điện tử từ vị trí liên kết succinate tới FAD sau đó đến các trung tâm Fe-S và tới vị trí liên kết với ubiquinone dài trên 40Å nhưng vì nó được chia thành nhiều đoạn nhỏ, do đó khoảng cách từng đoạn vận chuyển điện tử không vượt quá 11Å là khoảng cách hợp lý để đảm bảo tốc độ vận chuyển điện tử nhanh.

Điện tử của một số cơ chất khác đi vào chuỗi hô hấp mô bào thông qua ubiquinone nhưng không thông qua phức hợp II. Phản ứng đầu tiên của quá trình -oxy hóa acid béo được xúc tác bởi acyl-CoA dehydrogenase (một flavoprotein) diễn ra quá trình vận chuyển điện tử từ cơ chất đến FAD của enzyme dehydrogenase, sau đó đến electron-transferring protein (ETF) và đến ETF:Ubiquinone oxidoreductase rồi đến ubiquinone. Ngoài ra, glycerol 3-phosphate  được hình thành từ glycerol (do thoái hóa triacylglycerol) hoặc từ sự khử dihydroxyacetone phosphate  trong quá trình đường phân sẽ được xúc tác bởi enzyme glycerol 3-phosphate dehydrogenase. Enzyme này là một flavoprotein nằm ở mặt ngoài của màng trong ti thể. Giống với succinate dehydrogenase và acyl-CoA dehydrogenase, enzyme này đưa điện tử vào chuỗi hô hấp mô bào bằng cách chuyển cho ubiquinone. Như vậy, nhờ nhiều enzyme vận chuyển điện tử khác nhau mà QH₂ được tạo thành sau đó QH₂ sẽ bị oxy hóa bởi phức hợp III.

- Phức hợp III: Ubiquinone đến Cytochrome c

Phức hợp III còn gọi là phức hợp cytochrome bc₁ hoặc ubiquinone:cytochrome c oxidoreductase có nhiệm vụ vận chuyển điện tử từ QH₂ đến cytochrome c đồng thời có sự vận chuyển H⁺ từ chất nền (matrix) của ti thể vào khoảng giữa hai lớp màng. Phương trình chung của phản ứng oxy hóa khử như sau:

QH₂ + 2 cyt c₁ (dạng bị oxy hóa) + 2H⁺_N  Q + 2 cyt c₁ (dạng bị khử) + 4H⁺_P

Chu trình Q đã tạo ra sự chuyển đổi giữa chất vận chuyển hai điện tử là ubiquinone sang chất vận chuyển một điện tử là các cytochrome. Mặc dầu, con đường vận chuyển điện tử ở phức hợp này là phức tạp, ảnh hưởng thực sự của toàn bộ quá trình vận chuyển có thể được hiểu một cách đơn giản: QH₂ bị oxy hóa thành Q và hai phân tử cytochrome c bị khử. Cytochrome c là một protein hòa tan nằm ở khoảng giữa hai lớp màng. Sau khi nhân heme của nó nhận một điện tử từ phức hợp III, cytochrome c di chuyển đến phức hợp IV và nhường điện tử cho một trung tâm chứa đồng. 

Trong bước cuối cùng của chuỗi hô hấp mô bào, phức hợp IV (còn được gọi là cytochrome oxidase) vận chuyển điện tử từ cytochrome c đến oxy và khử nó thành H₂O. Phức hợp IV là một enzyme có kích thước lớn (13 tiểu phần) nằm ở màng trong của ti thể. Tế bào vi khuẩn có dạng phức hợp IV đơn giản hơn nhiều, với chỉ có ba hoặc bốn tiểu phần nhưng vẫn có khả năng xúc tác vận chuyển điện tử và bơm H⁺. Trong chuỗi hô hấp mô bào của ti thể, tiểu phần 2 chứa hai ion Cu liên kết với các nhóm - SH của hai gốc cysteine trong một trung tâm có hai hạt nhân (binuclear center) (Cu_A). Trung tâm này giống với hai trung tâm Fe-S của các protein sắt-sulffur. Tiểu phần 1 của phức hợp này chứa hai nhân heme được ký hiệu là a và a₃ và một ion đồng (Cu_B). Heme a₃ và Cu_B hình thành một trung tâm có hai nhân thứ hai, trung tâm này nhận các điện tử từ heme a và chuyển chúng đến O₂. Thứ tự vận chuyển điện tử trong phức hợp IV như sau: từ cytochrome c  trung tâm Cu_A  heme a  trung tâm heme a₃-Cu_B  O₂. Cứ bốn điện tử được vận chuyển qua phức hợp này thì sẽ có 4H⁺ từ chất nền (mặt N) được sử dụng để chuyển O₂ thành H₂O. Cứ một điện tử đi qua phức hợp, năng lượng từ phản ứng oxy hóa khử được sử dụng để bơm một proton từ chất nền sang khoảng giữa hai lớp màng ti thể (mặt P). Phản ứng tổng quát được xúc tác bởi phức hợp IV: 4Cyt c (dạng bị khử) + 8H⁺_N + O₂  4Cyt c (dạng bị oxy hóa) + 4H⁺_P + H₂O.  

7.5 Tổng hợp ATP

Gradient nồng độ H⁺ và dòng H⁺ liên quan như thế nào đến quá trình phosphoryl hóa bằng cách oxy hóa trong việc tổng hợp ATP ? Theo mô hình hóa thẩm thấu (chemiosmotic model) của Peter Mitchell đề xuất, năng lượng điện hóa của sự khác nhau về nồng độ H⁺ và sự tích điện khác dấu giữa hai mặt của màng trong ti thể đã dẫn đến sự tổng hợp ATP do proton đi vào chất nền của ti thể qua kênh proton tại enzyme ATP synthase (hình 7.15). Thuật ngữ hóa thẩm thấu dùng để chỉ phản ứng do enzyme xúc tác có liên quan đồng thời giữa một phản ứng hóa học và một quá trình vận chuyển. Vì quá trình oxy hóa cơ chất sẽ cung cấp năng lượng cho việc tổng hợp ATP, do đó các chất ức chế vận chuyển điện tử đến O₂ (ví dụ: cyanide, carbon monoxide, antimycin A) cũng sẽ ngăn chặn sự tổng hợp ATP. Một số chất khác có khả năng gây li diễn quá trình oxy hóa và quá trình phosphoryl hóa, do đó quá trình vận chuyển điện tử vẫn diễn ra nhưng quá trình tổng hợp ATP không diễn ra do làm mất gradient H⁺ giữa hai mặt của màng trong ti thể, ví dụ: 2,4-dinitrophenol (DNP), carbonylcyanide-p-trifluoromethoxyphenyl-hydrazone (FCCP), acid yếu có tính ưa nước, valinomycine, … .   

ATP synthase có hai vùng chức năng là F_o và F₁ và xúc tác cho quá trình hình thành ATP từ ADP và P_i xảy ra đồng thời với quá trình di chuyển của dòng proton từ khoảng giữa hai lớp màng vào trong chất nền của ti thể. Enzyme ATP synthase còn được gọi là phức hợp V có hai phần khác nhau: phần F₁ là một protein ngoại vi (rìa màng) và phần F_o nằm trọn trong màng (o có nghĩa là phần nhạy cảm với oligomycin - là chất có thể làm cho kênh proton của ATP synthase bị khóa lại). Phần F₁ của ATP synthase có chín tiểu phần với năm loại khác nhau: ba tiểu phần , ba tiểu phần , một tiểu phần , một tiểu phần  và một tiểu phần  (₃₃). Mỗi tiểu phần  có một vị trí xúc tác cho sự tổng hợp ATP. Các tiểu phần  và  sắp xếp luân phiên nhau (-----). Tiểu phần  chạy xuyên phần F₁ của ATP synthase và một miền (domain) của nó liên kết với một trong ba chuỗi . Phần F_o được tạo thành từ một tiểu phần a, hai tiểu phần b và 10 đến 12 tiểu phần c (ab₂c_10-12). Tiểu phần c là một polypeptide nhỏ và rất kị nước. 

ATP synthase thực hiện quá trình xúc tác quay vòng (rotational catalysis), trong quá trình này ba vị trí hoạt động của phần F₁ sẽ luân phiên xúc tác tổng hợp ATP. Một tiểu phần  sẽ khởi đầu quá trình xúc tác, nó liên kết với ADP và Pi từ môi trường xung quanh để tạo ra dạng -ADP. Sau đó tiểu phần này sẽ tạo thành dạng -ATP, dạng này liên kết chặt với ATP. Cuối cùng, tiểu phần này chuyển thành dạng tự do và ATP mới được tổng hợp sẽ rời khỏi bề mặt của enzyme và một vòng xúc tác mới lại bắt đầu khi tiểu phần này trở thành dạng -ADP và liên kết với ADP và P_i.

Số lượng H⁺ được bơm ra khỏi chất nền ti thể khi một cặp điện tử được vận chuyển từ NADH đến O₂ là 10 và từ succinate đến O₂ là 6. Kết quả của hầu hết các thí nghiệm đều cho rằng cứ một phân tử nước được hình thành (½O₂ tiêu tốn) sẽ có từ 2-3 ATP được tổng hợp trong trường hợp NADH là chất cho điện tử hoặc 1-2 ATP trong trường hợp succinate là chất cho điện tử. Các giá trị 3 ATP đối với NADH và 2 ATP đối với succinate thường được sử dụng để tính số ATP được tạo thành. Gradient H⁺ cung cấp năng lượng cho sinh tổng hợp ATP còn ảnh hưởng đến lực di chuyển H⁺ (proton-motive force) dẫn tới nhiều quá trình vận chuyển khác nhau đặc biệt quan trọng đối với quá trình phosphoryl hóa bằng cách oxy hóa (hình 7.18). NADH dehydrogenase của màng trong ti thể của tế bào động vật chỉ có thể tiếp nhận điện tử từ NADH trong chất nền.

Tuy vậy, màng trong ti thể không có khả năng thấm NADH, vậy bằng cách nào mà NADH được tạo thành từ quá trình đường phân trong bào tương có thể bị oxy hóa thành NAD⁺ bởi O₂ thông qua chuỗi hô hấp ? Hệ thống các con thoi đặc biệt sẽ vận chuyển NADH trong bào tương vào ti thể. Con thoi NADH hoạt động tích cực nhất tồn tại trong ti thể tế bào gan, thận và tim là con thoi malate-aspartate (hình 7.19). Tế bào cơ xương và não sử dụng con thoi NADH khác với tế bào gan, thận và tim. Chúng sử dụng con thoi glycerol 3-phosphate (hình 7.20).     

 

Tài liệu tham khảo

Tài liệu tiếng Việt

Nguyễn Hữu Chấn, Nguyễn Thị Hà, Nguyễn Nghiêm Luật, Hoàng Bích Ngọc, Vũ Thị Phượng, 2001. Hóa sinh. NXB Y học, Hà Nội.

 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, 1999. Hóa sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội.

 Đỗ Đình Hồ, 2005. Khái niệm về chuyển hóa các chất. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường; trang 235-242. NXB Y học, tp. Hồ Chí Minh.

Đoàn Trọng Phụ, 2000. Đại cương chuyển hóa và sự oxi hóa khử sinh học. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Hoàng Quang (chủ biên), Nguyễn Đình Độ, Trương Thị Minh Đức, Bạch Vọng Hải, Phan Hải Nam, Đoàn Trọng Phụ; trang 59-86. NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội.

Trần Lan Thanh Phương, 2005. Chuyển hóa năng lượng. Trong: Hóa sinh y học; biên soạn bởi Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Đông Thị Hoài An, Nguyễn Thị Hảo, Phạm Thị Mai, Trần Thanh Lan Phương, Đỗ Thị Thanh Thủy, Lê Xuân Trường; trang 243-267. NXB Y học, tp. Hồ Chí Minh.

Phillips, W. D., Chilton, T. J., 1991. Biology - A. level. Oxford unversity press. Người dịch: Nguyễn Bá, Nguyễn Mộng Hùng, Trịnh Hữu Hằng, Hoàng Đức Cự, Phạm Văn Lập, Nguyễn Xuân Huấn, Mai Đình Yên, NXB Giáo dục, 2003. 

Nguyễn Xuân Thắng, 2004. Trao đổi chất, oxy hóa sinh học, chu trình Krebs. Trong: Hóa sinh học; biên soạn bởi Nguyễn Xuân Thắng (chủ biên), Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng; trang 255-287. NXB Y học, Hà Nội.

Lê Thị Kim Thu, 2002. Hóa sinh lâm sàng. NXB Y học, Hà Nội.

 

Tài liệu Tiếng Đức

Lodish H., Baltimore D., Berk A., Zipursky S. L., Matsudaira P., Darnell J., 1996. Molekulare Zellbiologie, 2. Auflage. Uebersetzung von Traeger L. in Zusammenarbeit mit  Traeger R., Bruell N., Ernsberger U., Kaemper U., Lange C., Mahlke K., Schuppert A. A. de Gruyter, Berlin, Germany.

Loeffler G., 1998. Bioenergetik und Enzymologie. In: Biochemie und Pathobiochemie, 6. Auflage (Loeffler G., Petrides P. E., eds.), pp. 83-105. Springer Verlag, Berlin, Germany.

Loeffler G., 1998. Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung. In: Biochemie und Pathobiochemie, 6. Auflage (Loeffler G., Petrides P. E., eds.), pp. 495-518. Springer Verlag, Berlin, Germany.

Petrides P., 1998. Grundlagen des Intermediaerstoffwechsels. In: Biochemie und Pathobiochemie, 6. Auflage (Loeffler G., Petrides P. E., eds.), pp. 359-374. Springer Verlag, Berlin, Germany.

Petry H., 2000. Energiestoffwechsel. In: Physiologie der Haustiere (Engelhardt W. v., Breves G., eds), pp 435-445. Enke im Hippokrates Verlag GmbH, Stuttgart, Germany.

 

Tài liệu tiếng Anh

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

White A., Handler P., Smith E. L., 1964. Principles of Biochemistry, Third Edition. McGraw-Hill Inc. New York, USA.

CHUYỂN HÓA LIPID

            Nguyễn Thị Lộc

Lipid là những hợp chất hữu cơ có trong tế bào sống, không hòa tan trong nước, nhưng tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực như ether, chloroform, benzen, toluen, … Lipid có 2 chức năng chính: sản sinh năng lượng và xây dựng cấu trúc tế bào và mô. Ngoài ra một số lipid phức tạp liên quan đến đặc tính của màng tế bào, hormone steroid, prostaglandin và giữ vai trò sinh lý đặc biệt trong sự kiểm soát quá trình chuyển hóa. Việc nghiên cứu sự chuyển hóa lipid sẽ cung cấp cho ta những hiểu biết về nhiều quá trình như vỗ béo gia súc, cải tạo làm tăng lượng bơ trong sữa, tích lũy dầu ở thực vật. Đồng thời những hiểu biết này cũng giải thích được các trạng thái bệnh lý như ketone huyết, ketone niệu, ...