ATP. NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

CHUỖI HÔ HẤP VÀ PHẢN ỨNG
CỦA CHUỖI HÔ HẤP
CẤU TẠO CHUỖI HÔ HẤP
1. Phần vận chuyển hiđro của chuỗi hô hấp
2. Phần vận chuyển điện tử của chuỗi hô hấp
3. Chất nhận điện tử của chuỗi hô hấp
CÁC PHẦN CỦA CHUỖI HÔ HẤP
MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể.
2. Thay đổi thể tích của ty thể.
3. Hoạt tính của ATP ase của ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion
HỆ SỐ HÔ HẤP
CẤU TẠO CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Chuỗi hô hấp là một quá trình oxi hoá sinh học, nhờ vai trò xúc tác của hệ thống các enzym. Nói cách khác, nó là một hệ thống các phản ứng oxi hoá khử, trong đó hidro được tách ra từ các chất hữu cơ chuyển đến oxi để tạo thành nước.việc vận chuyển hidro hay điện tử trong chuỗi hô hấp là do ezym thực hiện. Còn tiếp nhận ôxi của tế bào sống - tế bào hô hấp là dấu hiệu bên ngoài của oxi hoá sinh học. Về bản chất hoá học thì oxi hoá sinh học là một phản ứng kết hợp khí. Nhưng thực chất nó không phải chỉ xảy ra một giai đoạn và không thuộc loại kết hợp khí ( phản ứng nổ) mà là phản ứng xảy ra từng bước giải phóng năng lượng.
Căn cứ vào thế oxi hoá khử thì các tiểu phần chuỗi hô hấp sắp xếp phù hợp với thế oxi hoá khử của chúng, nghĩa là quá trình hô hấp diễn ra hàng loạt thế oxi hoá sinh học.Hệ thống này sắp xếp theo trình tự từ cặp NADH/NAD+ có điện thế âm nhỏ nhất đến các cặp có điện thế tăng dần, cuối cùng là cặp O2/O2- có khả năng ôxi hoá tất cả thế năng của các chất trong sơ đồ.Do đó người ta phân chia chuỗi hô hấp thành hai phần: Phần vận chuyển hidro và phần vận chuyển điện tử
1. PHẦN VẬN CHUYỂN HYDRÔ CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Bản chất của coenzym có thể là những chất khác nhau, song trong phạm vi chuyên đề này chúng ta chỉ đề cập đến một vài côenzym có liên quan đến quá trình truyền năng lượng.
Nicotinamid – adenin – dinucleôtid ( NAD+ )
Nicotinamid – adenin – dinucleôtid – phosphate ( NADP+ )
Cũng như các dẫn xuất của riboflavin là FMN và FAD
CẤU TẠO CỦA CHUỖI HÔ HẤP
a. Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit
b.Các enzym flavin:
c. Ubiquinon
( coenzym Q )
* NAD+ được tạo thành từ adenosin 5’- monophosphat với nicotinamit-ribosephosphat. Còn NADP+ được hình thành từ adenosin-5’- diphosphat với nicotinamitribosephosphat, chúng có cấu tạo như sau:
Nhờ chức năng vận chuyển hidro của các coenzym này mà chúng có thể tồn tại dưới hai dạng oxy hoá và dạng khử tương ứng. Ở trạng thái oxy hoá thì nitơ- pyridin của NAD+ hay NADP+ tích điện dương, còn khi tiếp nhận hidro chúng chuyển thành trạng thái khử
a. Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit
1. PHẦN VẬN CHUYỂN HYDRÔ CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit
CẤU TẠO CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit
b. Các enzym flavin:
c. Ubiquinon
( coenzym Q
Pyridinucleotit khi thay đổi trạng thái oxy hoá hay khử thì đồng thời làm thay đổi hấp thụ quang phổ của các coenzym này. Chính vì vậy vào năm 1936 Warburg đã phát hiện tổ hợp quang, mà ngày nay người ta sử dụng rất rộng rãi trong các phương pháp sinh hoá. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào cơ sở hai pyridinucleotit NADH, NADPH ở dạng khử có tác dụng là coenzym của nhiều phản ứng enzym và hấp thụ cực đại ở bước sóng 340nm, ngược lại các dạng oxy hoá là NAD+ và NADP+ không hấp thụ bước sóng trong khoảng từ 300-400 nm
Ngày nay người ta đã phát hiện trên khoảng 200 loại protein-enzym có côenzym hoặc là NAD+ hay NADP+ hoặc là cả hai loại này. Các enzym này có trong tế bào chất và trong ty thể. Người ta cho rằng các pyridinucleotid hydro hoá dưới dạng NADH chủ yếu tham gia vào các quá trình oxy hoá bên trong chuỗi hô hấp, còn NADP tham gia chính là để thực hiện các quá trình tái tổng hợp.
Trong chuỗi hô hấp NADH bị oxy hoá bằng các enzym flavin tiếp theo
1. PHẦN VẬN CHUYỂN HYDRÔ CỦA CHUỖI HÔ HẤP
b. Các enzym flavin:
Các flavinnucleotid gồm có:
+ Flavin – mononuclêôtid ( FMN)
+ Flavin – adenin- dinuclêôtid ( FAD)
Chúng có cấu tạo như sau.
CẤU TẠO CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit
b. Các enzym flavin:
c. Ubiquinon
( coenzym Q )
* Đa số các enzym flavin có quan hệ chặt chẽ với các enzym NADH-dehidrogenase. Chúng là những enzym quan trọng nhất của chuỗi hô hấp và là cầu nối những phản ứng đề hidro hoá cơ chất với hệ thống vận chuyển điện tử giới hạn
* NADH-dehidrogenase bị khử bằng hidro của NADH, còn succinatdehydrogenase lại bị khử bằng axit malic. Cả hai enzym này đều bị oxy hoá bằng enzym ubiquinon.
1. PHẦN VẬN CHUYỂN HYDRÔ CỦA CHUỖI HÔ HẤP
c.Ubiquinon ( coenzym Q )
CẤU TẠO CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit
b. Các enzym flavin:
c. Ubiquinon
( coenzym Q )
Các enzym flavin làm nhiệm vụ vận chuyển hidro từ NADH và succinat đến quinon là phần tiếp theo của chuỗi hô hấp. Ubiquinon nằm giữa các enzym flavin và hệ thống xytochcrom. Ubiquinon còn có tên là coenzym Q. Nó là hệ thống quinon chính của chuỗi hô hấp.
Lần đầu tiên người ta phân lập ubiquinon từ ty thể tim bò. Còn trong ty thể nấm men và vi khuẩn là các dạng đồng phân, các đồng phân này tuỳ thuộc vào số đơn vị isoprenoid mà có tên gọi tương ứng: Q7, Q8, Q9, Q10…
Coenzym Q là giai đoạn chính, vị trí cửa ngỏ của hai con đường vận chuyển hidro chủ yếu của chuỗi hô hấp
NADH
Malat
Coenzym Q
Cytochrom b
1. PHẦN VẬN CHUYỂN HYDRÔ CỦA CHUỖI HÔ HẤP
c.Ubiquinon ( coenzym Q )
CẤU TẠO CỦA CHUỖI HÔ HẤP
Các enzym có coenzym là pyridinnucleotit
b. Các enzym flavin:
c. Ubiquinon
( coenzym Q )
Con đường thứ nhất là hệ thống NADH-CoQ-reductase và con đường thứ hai gọi là hệ thống malatdehidrogennase- Co Q- reductase. Cả hai con đường đều có sự tham gia của các flavoprotein, trong đó con đường thứ nhất phụ thuộc FMN, còn con đường thứ hai phụ thuộc FAD
Bên cạnh các flavoprotein, trong thành phần của cả hai hệ thống đều có các trung tâm sắt – lưu huỳnh và được mô tả tương tự hệ thống oxy hoá khử và có lẽ chúng là thành phần bắt buộc của chuỗi hô hấp. Chúng có cấu tạo protein rất đơn giản mà sắt không có kiểu liên kết như sắt ở nhân hem. Protein này có ý nghĩa lớn lao đối với qua trình vận chuyển năng lượng.
Hệ thống NADH-CoQ –reductase có ý nghĩa quan trọng đối với thí nghiệm làm ngừng hô hấp bằng các chất amytal, rotenol và picricidin A.
Những chất này có ý nghĩa rất lớn trong nghiên cứu chuỗi hô hấp và nhất là nghiên cứu trình tự các tiểu phần chuỗi hô hấp.
2. Phần vận chuyển điện tử của chuỗi hô hấp;
Khái niệm chung:
b. Cytochrom b
c. Cytochrom c1
d. Cytochrom c
e. Cytochromoxydase (cytochrom a + a3)
a. Khái niệm chung.
Hệ thống cytochrom- chặng đường kết thúc vai trò của ubiquinon. Tiếp theo ubiquinon có thể là cytochrom b. Tại đây là bước ngoặt giữa hai pha chuỗi hô hấp- điểm làm thay đổi từ vận chuyển từ hai điện tử sang vận chuyển một điện tử. Hiđro được tách từ các cơ chất khác nhau vận chuyển qua các giai đoạn trung gian đến ubiquinon, nhưng đến hệ thống cytochrom chỉ còn vận chuyển điện tử.
Phần vận chuyển điện tử của chuỗi hô hấp bao gồm các cytochrom b, c1, c, cytochromoxidase và oxi là chất nhận điện tử cuối cùng.
Năm 1937, Keilin và Harter mới phân lập được cytochrom đầu tiên đó là cytochrom c. Từ đó việc phát hiện và nghiên cứu các cytochrom ngày càng được mở rộng.
b. Cytochrom b:
Có thể nó nằm giữa ubiquinon và cytochrom c. Nó có trọng lượng phân tử vào khoảng 17000 (monomer) và có khuynh hướng tự ngưng tụ mạnh mẽ tạo thành dạng trùng hợp cao phân tử với trọng lượng lên tới 4 triệu Cytôcrom b liên kết rất chặt chẽ với màng trong ty thể.
Trong microsom người ta còn phát hiện thấy có loại cytochrom b khác gọi là cytochrom b5. Nó có thể bị khử bằng NADH tạo thành phức hợp NADH- cytochrom b5- reductase. Sau đó cytochrom b5 bị oxy hoá bằng cytochrom c
Nhóm này có bản chất như là lipoprotein.
d. Cytochrom c1:
Giống như cytochrom c nhưng không thể thay thế cho nhau trong hệ thống vận chuyển điện tử. Hai cytochrom này khác nhau về bước sóng hấp thụ quang và nhiệt độ hoạt động tối ưu.
Vị trí của cytochrom c1 trong chuỗi hô hấp còn chưa rõ ràng . Theo những nghiên cứu đáng tin cậy thì nó có thể chiếm một vị trí trên con đường chính của chuỗi hô hấp. Cytochrom c1 do có cấu trúc đặc biệt, nên khó hoà tan hơn cytochrom c. Cytochrom c1 có trọng lượng phân tử vào khoảng 30.600
c. Cytochrom c:
Được nghiên cứu nhiều hơn cả, người ta đã nghiên cứu cấu trúc bậc nhất của cytochrom c. Nhân hem liên kết cộng hoá trị với prrotein bằng những liên kết thioeste. Cụ thể là liên kết xảy ra ở các gốc cystein 14 và 17 của chuỗi polipeptit với các nhóm 2 và 4 của hem. Do có cấu trúc đặc biệt của nhân hem nên có ảnh hưởng sâu sắc đến sự tạo thành xoắn ốc của protein.
Khác với các cytochrom khác nó có thể tách ra khỏi màng ty thể dễ dàng.mặc dù chúng dễ hòa tan trong nước nhưng trong ty thể nó lại có thể liên kết với các lipoprotein.
e. Cytochromoxidase ( Cytochrom a + a3):
Đứng về mặt oxi mà nói nó có thể xem là enzym tận cùng của chuỗi hô hấp.Nó có ái lực lớn với oxi nên nó bị oxi hóa bằng ôxi với tốc độ lớn hơn nhiều so với các cytochrom b, c1 và c.
Bị kìm hãm hoạt động mạnh bằng cyanid hay carbonmonoxid ( CO)

Cytochromoxidase không chỉ là enzym oxy hoá khử mà còn là bơm ion. Nó là nhiệm vụ bơm proton qua màng ty thể từ trong ra ngoài, tạo thành một kênh ion qua màng ty thể để vận chuyển proton định vị. Cấu tạo phức tạp của enzym như vậy phù hợp với vai trò tác dụng kép của enzym là vận chuyển điện tử và bơm ion.
Truyền điện tử từ cytochrom c qua cytochromoxxydase xẩy ra ở phía màng trong ty thể.
½ O2 H2O
3. Chất nhận điện tử của chuỗi hô hấp
Trong điều kiện sinh lý nhất định các điện tử trong chuỗi hô hấp được chuyển đến oxi. Oxi đó bị khử thành ion oxi ,do đó phản ứng với prrôton ( H+) đã hình thành từ đầu đến giai đoạn ubiquinon để tạo thành nước.
Vậy oxi là chất nhận điện tử giới hạn và đến đây kết thúc quá trình vận chuyển hydro và vận chuyển điện tử của chuỗi hô hấp.

HỆ THỐNG HÓA CÁC PHẦN CHUỖI HÔ HẤP
Có thể sắp xếp chuỗi hô hấp thành 4 phần phức hợp enzim, mỗi phần đó được coi là các “vùng” của chuỗi hô hấp. Chúng có thể đặc trưng bằng những mức độ dưới đây :
- Phức hợp I : Hệ thống NADH- ubiquinon-reductase
Phức hợp II : Hệ thống succinat- ubiquinon-reductase
Phức hợp III : Hệ thống ubiquinon- cytochorom c- cytochromoxidase
Phức hợp IV : Cytochrom c - oxidase
Các phức hợp này là những đơn vị chức năng quan trọng của màng ty thể. Trong quá trình vận chuyển hydro và điện tử thì các phức hợp này cùng có tác dụng phối hợp.
Việc phân chia này dựa vào thế oxy hóa khử các thành phần sắt – lưu huỳnh – prôtêin trong mỗi giai đoạn riêng khác nhau, do đó mỗi phức hợp có khả năng vận chuyển điện tử và dự trữ năng lượng riêng.
Bơm proton
Phức hợp I ( NADH- ubiquinon-reductase) :
Tiểu phần có trọng lượng trên 500.000 và có chứa ít nhất 16 chuỗi polypeptit. Hai trong chúng có thể là flavoprotein phụ thuộc FMN và có thể có 3 trung tâm sắt – lưu huỳnh – protein.
Trung tâm oxy hoá NADH của phức hợp I phải nằm bên trong ty thể, vì màng trong ty thể có hệ thống enzim nhận biết NADH
Phức hợp II succinat- ubiquinon-reductase :
Thực chất là succinat – dehydrogenase gồm có 2 chuỗi polypeptit liên kết cộng hoá trị với một phân tử FAD và có một trung tâm “ sắt – lưu huỳnh – protein ”. Enzim này còn thấy có trong nội chất có trong nội chất màng ty thể, nghĩa là enzim có thể di chuyển vào màng trong ty thể.
Ubiquinon có tác dụng là chất tiếp nhận hydro trong phức hợp I và phức hợp II. Nó là phần tử kỵ nước trong lớp lipit kép của màng ty thể. Bằng hình thức như vậy, Ubiquinon thực hiện đầy đủ chức năng kết hợp giữa các đoạn vận chyển hydro và điện tử của chuỗi hô hấp với hiệu quả cao nhất.
Phức hợp III ubiquinon- cytochorom c-
Cytochromoxidase có trọng lượng tiểu phần vào khoảng 300.000 ( protein + lipit ) và có từ 6 đến 8 chuỗi polypeptit cấu thành. Trong đó, hai hay ba chuỗi polypeptit có chứa cytochrom b, một chuỗi chứa cytochrom c1 và một chuỗi chứa trung tâm sắt – lưu huỳnh – protein; một chuỗi polypeptit có thể liên kết antimycin và các chuỗi còn lại chưa rõ chức năng
Protein của cytochrom b rất kỵ nước và người ta cho rằng chất truyền điện tử này cũng giống như ubiquinon là định vị giữa lớp lipit kép của màng trong ty thể. Cytochrom trong phức hợp III hình như được chuyển ra phía ngoài màng ty thể. Như vậy nó có vai trò là chất truyền điện tử tương tự như cytochrom c. Cytochrom c cũng sắp xếp ở vùng ngoại vi, nghĩa là nó định vị ở mặt ngoài của màng ty thể
Phức hợp IV ( cytochrom c- oxidase )
Truyền dẫn qua màng trong ty thể, nghĩa là nó có thể truyền điện tử từ phía ngoài vào phía trong. Cytochrom a nằm ở phía ngoài và tại đó tiếp nhận điện tử từ cytochrom c. Phức hợp này phản ứng với phần phản ứng oxi hướng vào phía bên trong , nơi có cytochrom a. Giữa hai phần thấy có hai nguyên tử đồng nằm bên trong lớp lipti kép và được coi là chất truyền điện tử giữa các nhóm “ Hem ”từ a đến a3. Như vậy oxy đã oxy hóa cytochrom a3 phải vượt qua màng ty thể và có thể phản ứng với cytochrom này.
MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion
3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể
2. Thay đổi thể tích ty thể.
MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể
b. Khoảng trống giữa hai màng gồm có các enzim như màng ngoài và có thêm hệ thống adenylatkinase.
Màng ngoài nhẵn bóng, có chiều dày ra phía ngoài và có hệ thống enzim: NADH-cytochrom c- reductase cảm ứng rotenol, monoaminooxidase cũng như các enzim tổng hợp axit béo và photpholipit .
Ty thể có dạng hình que, tròn hay hình oval với kích thước từ 0.5 – 3,0mn x 0,1 - 0,5nm. Hình dạng ty thể phụ thuộc vào trạng thái, chức năng của từng loại tế bào, phụ thuộc cách phân lập cũng như phương pháp cố định, phương pháp nhuộm màu… Ty thể được bao bọc bằng một màng kép với các thành phần như sau :
beta– Hydroxybuteratdehydrogenase
Nhiều dehydrogenase phụ thuộc pridinnucleotid của chu trình Crebs
Succinatdehydrogenase
Glutamatdehydrogenase
Đặc trưng hai lớp màng ty thể đều có cấu trúc hai lớp lipit với protein. Thành phần lipit chủ yếu là photpholipit,

c. Màng trong có gấp nếp và được coi là như bộ khung của ty thể. Màng trong có hệ thống enzim chuỗi hô hấp từ phức hợp I đến phức hợp IV. Ngoài ra còn có các hệ thống enzim như :
Trong lòng ty thể được giới hạn bằng màng trong là một hệ thống mạng lưới chằng chịt, gọi là hệ thống vách ngăn. Hệ thống vách ngăn có cấu trúc protein kiểu actin và myozin. Bên trong hệ thống vách ngăn là pha lỏng có các coenzim NAD+ và coenzim ADN
Một số thông tin về số lượng ty thể trong tế bào.
Số lượng ty thể phụ thuộc vào loại sinh vật :
Tinh trùng khoảng 20 – 24
Amoebe ( Amip ) Chaos chaos khoảng 500.000
Tế bào gan trung bình là 800
Tế bào thận trung bình là 300
Các tế bào khối u thường ít hơn tế bào bình thường.
Trung bình ty thể chiếm khoảng 18,6% thể tích chung của tế bào gan và khoảng 22% thể tích tế bào chất.
Ngày nay, người ta tìm ra rất nhiều phương pháp khác nhau để tinh ty thể từ các mô khác nhau. Tât cả các phương pháp đều nhằm mục đích phân lập được ty thể còn nguyên vẹn và đều tiến hành trong môi trường giống môi trừng sinh lý tế bào.
MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.


3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.

4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.

5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

2. Thay đổi thể tích ty thể
Có hai cách để biến đổi thể tích :
Biến đổi thể tích bị động:
Do tính thấm của môi trường quyết định. Vì ty thể dễ cảm ứng với áp suất thẩm thấu, nên trong môi trường ưu trương có hiện tượng co hẹp lại và trong những dung dịch nhược trương lại trương phồng lên, cuối cùng có thể vỡ tung ra. Khi trương phồng có thể giải phóng protein –enzim và NAD+ đã liên kết, kết quả làm kìm hãm phosphoryl hóa oxy hóa. Các enzim chủ đạo có thể bị thay đổi hoạt động trong quá trình trương phồng (ví dụ ATPase)
b. Biến đổi thể tích chủ động
MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
2. Thay đổi thể tích ty thể
Biến đổi thể tích bị động:
b. Biến đổi thể tích chủ động
Phụ thuộc vào năng lượng và có liên quan chặt chẽ tới vận huyển điện tử và photphoryl hóa
Ví dụ các ty thể gan chuột ở bước 4 theo Chance (có nghĩa là dư thừa cơ chất và oxi mà thiếu ADP thì vẫn giảm hô hấp) thì bị trương phồng. Hiện tượng này mất đi khi người ta thêm ADP vào bước 3 (nghĩa là dư thừa cơ chất, oxi và ADP làm cho hô hấp tăng mạnh) như vậy làm giảm trương phồng. Qua thí nghiệm này chứng tỏ ty thể có loại trừ dịch lỏng một cách chủ động
Qúa trình diễn ra như trên gọi là “ Chu trình trương phồng – co hẹp “, nghĩa là chu trình này bao gồm hai quá trình biến đổi thể tích chủ động là trương phồng chủ động và co hẹp chủ động.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.


3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.

4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.

5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
2. Thay đổi thể tích ty thể
Biến đổi thể tích bị động:
b. Biến đổi thể tích chủ động
Các chất có khả năng làm trương phồng ty thể là Ca2+, phosphat vô cơ, axit béo tự do, thyroxin, cytoxin, vasopressin … ngoài ra đa số các kháng sinh có tác dụng vận chuyển điện tử trong ty thể thì cũng có tác dụng làm trương phồng ty thể tương tự quá trình trưng phồng phụ thuộc năng lượng.
Những ty thể đã trương phồng, co hẹp lại mức độ bình thường là nhờ xảy ra phosphoryl hóa oxy hóa. Còn khi thêm ATP vào những ty thể đã trưng phồng, gây nên co hẹp, đặc biệt rõ ràng , khi có mặt Mg2+ hay Mn2+. Nguyên nhân co hẹp này có lẽ do ATP bị thủy phân. Một ATP có thể loại đến 2000 phân tử nướctừ ty thể đã bị trương phồng.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.


3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.

4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.

5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
3. Hoạt tính của ATPase ty thể
Hoạt động của enzim này phụ thuộc vào trạng thái oxy hoá khử của các thành phần chuỗi hô hấp.
Khi có phản ứng khử quá mạnh, ATPase bị kìm hãm 100%
Khi ủ ty thể ở 370C và không có mặt các adeninnucleotid và cơ chất oxi hoá thì ATPase tăng cường hoạt động.
Đa số các chất loại trừ kết hợp, cũng như già hoá ty thể làm tăng hoạt động của ATPase, còn ATP kìm hãm hoạt động của enzim này. Như vậy, phản ứng của ATPase là ngược với phosphoryl hoá oxy hoá
ATPase xúc tác phản ứng thuỷ phân ATP và như vậy nó có vai trò điều hoà hô hấp tế bào
Trong các ty thể nguyên vẹn, thì hoạt động của ATPase rất yếu, nhưng khi ty thể bị tổn thương hoặc trong môi trường ưu trương hay môi trường nhược trương, hoạt động của enzim này tăng lên
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.


3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.

4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.

5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

3.3. MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
3.3.3. Hoạt tính của ATPase ty thể

1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
Màng trong ty thể, được coi như một bức tường ngăn cách giữa bên trong với bên ngoài ty thể. Người ta đã chứng minh rằng các chất pyruvat và bêta- hydroxybutyrat có thể thấm qua màng ty thể
- Các chất đi, tri cacboxylic của chu trình Crebs, các dẫn xuất của côenzim ADN lại không thấm qua màng ty thể một cách tự do
- Các adeninnucleotid, pyridinucleotid và phosphat vô cơ thấm qua màng ty thể với mức độ nhất định (tương đối)
Người ta cho rằng các chất làm trương phồng ty thể thì cũng làm tăng tính thấm của màng và làm hao hụt pyridinucleotid trong ty thể, trong đó NAD+ maast nhanh nhất. Những ty thể có hàm lượng NAD+ có thể cung cấp NAD+ nhờ hỗ trợ của ATP.
Ngăn ngừa tạo thành NADH tế bào chất hoặc các chất tương đương trong ty thể là do nhiều hệ thống vận chuyển chịu trách nhiệm
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
Hai trong số các hệ thống được trình bày ở sơ đồ sau: dòng vận chuyển hiđro đi từ tế bào chất vào ty thể.
Oxalacetat – malate và oxalacetat - aspartat
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
Vận chuyển Ađeninnucleotit qua màng trong ty thể là nhờ những chất mang nhất định. ADP được vận chuyển từ tế bào chất vào ty thể nhờ chất mang tương ứng của nó và sau đó lại nhờ chính chất mang của nó vận chuyển ATP ra ngoài ty thể.
* Vận chuyển là một quá trình trao đổi bắt buộc, vì cứ mỗi phân tử ADP vận chuyển theo chiều thuận vào trong thì phải mang một phân tử ATP theo chiều ngược ra ngoài . Do đó mà tổng số Ađeninnucleotid của ty thể luôn luôn là một hằng số . Các chất glucosid-atractylosid là một chất kìm hãm đặc hiệu của vận chuyển adeninnucleotid.
* Trong những ty thể có kết hợp thì vận chuyển ADP vào tỷ lệ nghịch với ATP, nhưng các ty thể loaị trừ kết hợp thì vận chuyển giữa hai nucleôtid không khác nhau. Mối tương quan này trong hệ thống vận chuyển dẫn đến phân chia cân đối của ADP với ATP ở hai phía của màng. Tỷ lệ ATP/ADP bên ngoài ty thể lớn hơn bên trong.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Ty thể không những có khả năng vận chuyển anion mà còn vận chuyển cả cation về hai phía của màng. Vận chuyển ion của ty thể có ý nghia lớn lao đối với điều hoà và phối hợp chặt chẽ giữa các quá trình trao đổi chất bên trong với bên ngoài ty thể. Đối với tính chất của hệ thống vận chuyển ion chúng ta quan tâm đến những vấn đề sau:
* Vấn đề 1: Sự vận chuyển các catoin hoá trị 1 và cation hoá trị 2
* Vấn đề 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển các catoin
Một số lưu ý về sự vận chuyển ion trong ty thể.
* Vấn đề 3: Sự vận chuyển các anion.
* Vấn đề 4: Các hệ thống enzim
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

* Vấn đề 1: Sự vận chuyển các catoin hoá trị 1 và cation hoá trị 2.
- Các quá trình hô hấp và phosphoryl hoá có khả năng duy trì hàm lượng cation và anion hoá trị 1 cũng như hoá trị 2 của chúng và ty thể được coi như là một acquy-ion (bình tích ion)
- Tham khảo bảng hàm lượng cation của ty thể gan chuột tươi:
Qúa trình vận chuyển các cation vào trong ty thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Vấn đề 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển các catoin
* Màng trong ty thể có thể coi là chướng ngại vật đối với quá trình vận chuyển ion vào trong ty thể, cụ thể là đối với vận chuyển các ion H+ và OH-. Người ta cho rằng các hiện tượng hạn chế quá trình oxy hoá và phosphoryl hoá thải nhiệt ở màng trong là những quá trình tích điện ngược với gradien nồng độ.
* Người ta thấy rằng trong ty thể có nhiều chất kháng ion khác nhau, trong đó quan rọng nhất là các chất như ATP, ADP, AMP, pyridinucleotid và phosphat vô cơ. Khi vắng mặt các cơ chất oxy hoá hay trong môi trường nhược trương thì thực tế ty thể mất K+ và Na+ hoàn toàn, rong khi đó hàm lượng Mg2+, Ca2+ còn khoảng một nửa so với bình thường và ở dạng liên kết cấu trúc trong ty thể.
* Đặc biệt đáng chú ý là vận chuyển Ca2+ của ty thể. Theo Lehninger, quá trình vận chuyển Ca2+ dựa vào tính chất chuyên hoá rộng rãi, ái lực cao tích tụ nhiều Ca+ có ý nghĩa đối với chu trình co cơcũng như đối với những quá trình calcium hoá phân tử.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Vấn đề 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển các catoin
Về phương diện cung cấp năng lượng thì acqui-Ca2+ có thể coi là thời điểm để phosphoryl hoá oxy hoá. Cả hai quá rtình cạnh tranh lên cùng một sản phẩm trung gian giàu năng lượng trong hàng loạt các phản ưngsinh năng lượng của phosphoryl hoá chuỗi hô hấp.
* Cũng như ADP, Ca2+ có thể làm tăng tiếp nhận oxy của ty thể nguyên vẹn. Khi tiếp nhận Ca2+ chủ động dẫn đến lôi cuốn proton ra ngoài ty thể làm cho môi trường bên trong ty thể trở nên kiềm. Trong trường hợp này có mặt phosphat thì ty thể bị trương phồng đồng thời tiếp nhận Ca2+ . Còn khi bổ sung ATP vào làm cho cá c ty thể tích điện ngưng tụ thành cục, đó là kết tủa hạt phosphatcalcium Ca3(PO4)2
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Vấn đề 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển các catoin
* Đặc biệt khi vận chuyển cation, người ta cũng cần quan tâm đến đòi hỏi vận chuyển K+ của ty thể. Người ta đa biết tính thấm bình hường của K+ ở gan chuột sống và chứng minh K+ có thể tích luỹ một lượng khá lớn khi có cơ chất ion hoá và nguồn năng lượng. Khi vận chuyển K+ thì xảy ra thuỷ phân ATP. Mỗi đượng lượng gam ATP mất đi thì vận chuuyển được khoảng 7 đương lượng gam K+.
* Người ta thấy rằng những ty thể hay các phần ty thể đã phân lập, khi hô hấp hay cho thêm ATP vào, thấy có tác dụng thu nhận proton. Còn rong điều kiện kị khí lại có hiện tượn bài xuất proton. Như vây chứng tỏ có mối quan hệ chặt chẽ giữa dòng proton với dòng anion ở ty thể. Sự phân chia anion ở hai phía của màng ty thể được xác định bằng hiệu số pH của màng.
Một trong những chất ion hoá như vậy là chất kháng sinh valinomycin. Chức năng của nó có thể mô tả như sau;
Valinomycin tạo phức hợp với ion kiềm theo cách chọn đặc hiệu. Ví dụ nó chỉ kết hợp với K+ mà không kết hợp với Na+
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Vấn đề 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển các catoin
Trong phức hợp đó thì caton được hiđrat hoá bằng cách bao bọc xung quanh một hệ thống oxy nguyên tử tích điện âm. Phức hợ như vậy có bản chất hoà tan vào lipit và đwocj ổn định bằng cách bao quanh hai hằng số lưỡng điện thấp, ví dụ như phần lipít của màng. Không gian của phức hợp này có cấu trúc vòng tròn.
Trong môi trường nước thì phức hợp này có tính chất phân li thuận nghịch, do đó các hợp chất ion hoá như depsipeptit vòng lớn có thể vận chuyển qua màng tự nhiên và màng phospholipit nhân tạo.
Những chất ion hoá được chia làm hai nhóm:
A. Nhóm thứ nhất tích điện âm để cation kết hợp thành phức hợp như valinomycin.
B. Nhóm thứ hai là những nhóm chức cacboxin và dẫn xuất của chúng, có những ion khác trung hoà về điện và quay ra phía ngoài.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Vấn đề 3: Sự vận chuyển các anion.
- Kiểm tra bằng những liên kết tương đối bền vững của cation (chủ yếu là K+ vào vách ngăn ty thể có tính chất tương tự như trao đổi anion. Những anion tích điện tương ứng trong hệ thống tương đối không chuyên hoá được tụ lại, ngoài ra chúng còn cạnh tranh với nhau lên các vị trí tích điện dương.
*Tính thấm của anion trong của ty thể có ý nghĩa sinh học vô cùng quan trọng. Vì đa số các chất chuyển hoá của ty thể (sản phẩm trung gian của các chu trình kreps, phosphat, axit béo và adeninucleotid) trong điều kiện sinh lí chúng đều bị oxy hoá. Qúa trình vận chuển anion qua màng ty thể được kiểm tra bằng hai nhóm nhân tố dưới đây
- Màng trong ty thể tối thiểu phải có tới 7 loại khác nhau và có tính chất chuyên hoá đối với những hệ thống hỗ trợ vận chuyển anion.
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
3.3.5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Vấn đề 4:Các hệ thống enzym trong ty thể
Phosphoryl hoá chuỗi hô hấp
Chu trình Creps
-oxy hóa axit béo
Trong ty thể người ta phát hiện có 3 hệ thống enzym quan trọng nhất, đó là các hệ thống:
Mỗi hệ thống này sử dụng các nhóm chuyên hoá riêng của cơ chế vận chuyển anion. Đối với các ion khác nhau thì có các hệ thống vận chuyển khác nhau:
1. Phosphat hay là arsenat: hệ thống này có thể bị kìm hãm bằng nhóm (– SH) riêng biệt.
2. Anion của các axit đicacboxylic (malát, succinát): bị kìm hãm bằng n-butyl-malonát
3. Anion của các axit tricacboxylic (xitrat, isocitrat, sis-aconitat)
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

MỐI QUAN HỆ GIỮA TY THỂ VÀ HÔ HẤP
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion.

Vấn đề 4:Các hệ thống enzym trong ty thể
4.  -xetoglutarat
5. Glutamat
6.Aspartat
7. Adeninnucleotit
Song cần nhớ rằng không phải mọi ty thể đều có hệ thống vận chuyển như nhau.
Ví dụ arcosom côn trùng không thấy có các hệ thống đi-tri cacboxylic mà chỉ thấy có hệ thống vận chuyển phosphat, adeninnucleotit
Ty thể tim bò có các hệ thống vận chuyển anion tri cacboxylic
Ty thể thận hay khối u lại vận chuyển anion glutamat rất yếu ớt
1. Đặc trưng cấu trúc của ty thể

2. Thay đổi thể tích ty thể.

3. Hoạt tính của ATP ase ty thể.
4. Biểu hiện tính thấm qua màng ty thể.
5. Tính chất của hệ thống vận chuyển ion

HỆ SỐ HÔ HẤP
Căn cứ vào tỷ lệ thể tích giữa CO2 thải ra và O2 nhận vào đối với mỗi chất dinh dưỡng là khác nhau.
Chúng ta gọi tỉ lệ CO2 tạo thành chia cho O2 tiêu hao là hệ số hô hấp, kí hiệu là RQ. Hệ số này đối với hiđrat cacbon là 1; phương trình
C6H1206 + 6O2 → 6C02 + 6 H20


Đối với chất béo thì hệ số hô hấp nhỏ hơn, ví dụ như đốt cháy palmitin:
C51H9806 + 72,5 02 → 51 CO2 + 49 H20
Do đó hệ số hô hấp là: 51 CO2/72,5 O2 = 0,703


Đối với protein thì hệ số hô hấp trung bình khoảng 0,8

Hệ số hô hấp
Bảng nhiệt lượng và hệ số hô hấp của chất dinh dưỡng.
Khi đánh giá hệ số hô hấp cần chú ý đến giá trị trung bình, vì nó là kết quả của các quá trình khác nhau trong cơ thể. Tất nhiên giá trị RQ của mỗi cơ quan riêng sẽ sai khác với giá trị RQ chung
Từ hệ số hô hấp cho phép ta tính toán được hỗn hợp trao đổi chất bằng cách đốt cháy, khi biết mức độ chủ yếu đối với protein thêm vào. Mức độ này xác định được bằng cách đo nitơ bài xuất
Coenzymes of the Electron Transport Chain:
The Universal Electron Acceptors
Coenzymes of the Electron Transport Chain:
The Universal Electron Acceptors
Chúng đều là dẫn xuất của riboflavin và là những coenzym có chức năng vận chuyển hidro. Trong phân tử của FMN không chứa ribose mà là rượu ribitol (khác với các nucleotit khác). Còn phân tử FAD gồm một nữa là FMN và nửa kia là AMP
Phức hợp I ( NADH- ubiquinon-reductase)
Phức hợp II succinat- ubiquinon-reductase :
Phức hợp III ubiquinon- cytochorom c-
Phức hợp IV ( cytochrom c- oxidase )
Các electron vận chuyển trong màng trong của ty thể
Hoạt động của chuỗi vận chuyển điện tử là cơ chế hóa học sử dụng năng lượng tích lũy trong các e- để bơm H+ vào màng trong .
Figure 6.12
Figure 6.12
Protein
complex
Electron
carrier
Inner
mitochondrial
membrane
Electron
flow
Electron transport chain
ATP synthase
Những ion H+ tạo ra điện thế  Chênh lệch thế năng điện thế
Bơm Proton qua chuỗi hô hấp ở màng trong ty thể
Các cytochrom và cytochromoxydase là các Hemoprotein, nghĩa là chúng có nhân hem là nhóm ngoại liên kết với protein. Bộ khung cơ bản của nhân hem là porphyrin (sử dụng nhân Fe để mang điện tử)
Chức năng của ATP synthase?
Đầu tiên là do có gradien ion Hydro
Ion Hydro (Protons ) được vận chuyển về một phía của màng
Sau đó protons được di chuyển trong kênh của động cơ enzyme bằng các tiểu phần protein quay