CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ Ở SINH VẬT NHÂN CHUẨN
GIẢNG VIÊN : TS VÕ VĂN TOÀN
HỌC VIÊN : NGUYỄN THỊ KIM HUYỀN
LỚP : CH SINH HỌC THỰC NGHIỆM K11
Nhiều quá trình dị hoá hoá sinh như: đường phân, chu trình axít xitríc và bêta oxy hoá sản sinh ra coenzim khử NADH, coenzim này chứa các điện tử có mức năng lượng cao. Nói cách khác, các điện tử này sẽ giải phóng một lượng lớn năng lượng oxy hoá.
Tuy nhiên, tế bào không giải phóng hết năng lượng này một lần vì đây là một phản ứng không thể điều khiển được.
Vì vậy điện tử được chuyển từ NADH cho oxy qua một hệ thống enzim mà qua đó mỗi enzim giải phóng một lượng nhỏ năng lượng.
Hệ thống enzim này bao gồm từ phức hệ enzim I đến phức hệ enzim IV được gọi là dây chuyền vận chuyển điện tử, chúng được tìm thấy ở màng trong ty thể.
Ở sinh vật nhân chuẩn, các enzim trong dây chuyền vận chuyển điện tử sử dụng năng lượng được giải phóng từ quá trình oxy hoá NADH để bơm H+ (prôton) xuyên qua màng trong ty thể đi vào khoang dịch gian màng.
Quá trình này tạo nên sự khác biệt về điện thế giữa hai bên màng trong. Năng lượng này sau đó được sử dụng để tổng hợp ATP nhờ enzim ATP synthase.
Các loại enzim hô hấp và cơ chất ở sinh vật nhân chuẩn.
Phức hệ NADH-Coenzyme Q oxidoreductase (Phức hệ I)
Phức hệ I ở động vật có vú là một enzim lớn với 46 tiểu phần, nặng khoảng 1000 kilodaltons (Kda).
Cấu trúc của nó được biết chi tiết chỉ trên vi khuẩn còn ở hầu hết sinh vật thì phức hệ này giống như một cái bọc, một “quả bóng” lớn chọc xuyên qua màng ty thể.
Trong giai đoạn đầu của phản ứng và trong suốt dây chuyền điện tử là sự liên kết giữa phân tử NADH với phức hợp I và sự nhường 2 điện tử. Các điện tử này vào phức hệ I qua một nhóm prosthetic (một loại coenzim liên kết rất chặt với enzim của nó) được gắn liền với phức hệ, đó là flavin mononucleotide (FMN).
Gen mã hoá các loại protein của phức hợp này nằm cả trong nhân tế bào và trong hệ gen của ty thể giống như nhiều enzim khác có mặt trong ty thể. Enzim này xúc tác phản ứng khử 2 điện tử bỡi NADH của coenzim Q10 hay ubiquinone (dưới đây gọi là Q)-một loại quinone hoà tan trong lipit được tìm thấy trong màng ty thể.
Khi nhận điện tử, FMN chuyển sang dạng khử đó là FMNH2. Điện tử sau đó được chuyển qua hàng loạt hệ thống Fe-S - một nhóm prosthetic nữa có trong phức hê. Trong phức hệ I có cả hai loại hệ thống Fe-S đó là loại [2Fe-2S] và loại [4Fe-4S].
Khi điện tử đi qua phức hệ này, 4 proton được bơm từ trong cơ chất của ty thể ra khoảng dịch gian màng.
Tuy chưa biết chính xác quá trình này diễn ra như thế nào nhưng dường như chính những thay đổi về cấu trúc của phức hệ I là nguyên nhân làm cho prôton kết hợp với phía N (N-side) của màng và sau đó chuyển chúng cho phía P (P-side) của màng. Cuối cùng điện tử được chuyển từ các hệ thống Fe-S cho một phân tử ubiquinone trên màng.
Sự khử ubiquinone cũng góp phần tái tạo gradient proton (sự chênh lệch nồng độ prôton) khi mà 2 prôton lấy từ trong cơ chất của ty thể được dùng cho quá trình này để chuyển ubiquinone thành dạng khử (ubiquinol hay QH2).
Succinate-Q oxyđoreductase (phức hệ II)
Đây là chất nhận thứ hai trong dây chuyền vận chuyển điện tử.
Phức hệ II bao gồm 4 tiểu phần protêin và chứa đựng một cofactor flavin adenine dinucleotide (FAD), các hệ thống Fe-S và một nhóm heme. Nhóm heme này không tham gia vận chuyển điện tử đến coenzym Q nhưng nó được đánh giá là có vai trò rất quan trọng đối với các sinh vật phản ứng ôxy.
Phức hệ II giữ chức năng oxy hoá succinate thành fumarate và khử ubiquinone. Vì phản ứng này giải phóng ít năng lượng hơn so với phản ứng oxy hoá NADH nên phức hệ II không bơm proton qua màng và không góp phần tạo gradient proton.
Ở một vài loài sinh vật nhân thực như loài giun kí sinh Ascaris suum, có một enzim giống như phức hệ II đó là fumarate reductase (menaquinol: fumarate oxidoreductase hay QFR) có tác dụng ức chế quá trình oxy hoá ubiquinol và khử fumarate. Điều đó cho phép loài giun này sống được trong môi trường yếm khí trong ruột già, đối với quá trình oxy hoá phosphorin hoá yếm khí thì fumarate là chất nhận điện tử. Một chức năng khác thường của phức hệ II được phát hiện ở kí sinh trùng sốt rét Plasmodium falciparum. Trong trường hợp này, hoạt động ức chế phức hệ II đóng vai trò quan trọng trong việc tái tạo ubiquinol, nguyên liệu để kí sinh trùng tiến hành sinh tổng hợp pirimidine.
Chất vận chuyển điện tử
flavoprotein-Q oxyđoreductase
Đây là chất nhận thứ 3 của dây chuyền vận chuyển điện tử. Nó là một enzim nhận điện tử từ chất chuyển điện tử flavoprotein trong cơ chất ty thể và dùng các điện tử này để khử ubiquinone. Enzim này bao gồm một flavin và một hệ thống [4Fe-4S] nhưng nó không giống các phức hợp hô hấp khác, nó liên kết trên bề mặt của màng và không xuyên qua lớp lipit kép.
Electron-Transferring
Flavoprotein
Ở động vật có vú, con đường trao đổi chất này rất quan trọng trong quá trình beta oxy hoá các axit béo, dị hoá axit amin và cholin khi chúng nhận điện tử từ các axetyl-coA dehydrogenase. Ở thực vật, ETF-Q oxidoreductase cũng đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng chuyển hoá giúp chúng tồn tại được trong trường hợp giai đoạn tối kéo dài.
Q-cytochrome c oxidoreductase (phức hợp III)
Ở động vật có vú, enzym này là một lưỡng phân (gồm 2 phần), mỗi phần gồm 11 tiểu phần protein, một hệ thống [2Fe-2S] và 3 cytochrome (một cytochrome c1 và hai cytochrome b).
Mỗi cytochrome là một loại protein vận chuyển điện tử, nó có ít nhất một nhóm heme.
Các nguyên tử Fe trong các nhóm heme của phức hệ III nằm xen kẽ nhau giữa trạng thái khử Fe2+ và trạng thái oxy hoá Fe3+ khi các điện tử được vận chuyển qua protein.
Phức hợp III xúc tác phản ứng oxy hoá một phân tử ubiquinol và phản ứng khử hai phân tử cytochrome c – một loại protein heme liên kết lỏng lẻo với ty thể.
Không như coenzim Q mang 2 điện tử, cytochrome c chỉ mang một điện tử
Trong khi chỉ một trong số các điện tử được vận chuyển từ chất cho QH2 đến chất nhận cytochrome c mỗi lần, cơ chế phản ứng của phức hệ III phức tạp hơn các phức hệ hô hấp khác và nó diễn ra theo hai bước gọi là chu trình Q.
Bước thứ nhất, enzym này kết hợp với ba cơ chất, đầu tiên nó kết hợp với QH2 , sau đó QH2 bị oxy hoá , một điện tử được chuyển cho cơ chất thứ hai là cytochrome c. Hai proton được giải phóng ra từ QH2 sẽ đi vào khoang dịch gian màng.
Cơ chất thứ ba là coenzyme Q, chất này nhận điện tử thứ hai từ QH2 và bị khử thành Q- (gốc tự do ubisemiquinone).
Hai cơ chất đầu được giải phóng còn ubisemiquinone này vẫn giữ nguyên trạng thái.
Bước thứ hai, một phân tử QH2 thứ hai lại chuyển điện tử thứ nhất của nó cho chất nhận cytochrome c.
Điện tử thứ hai được chuyển cho ubisemiquinone và khử nó thành QH2 khi nó nhận được hai proton từ cơ chất của ty thể .
Phân tử QH2 này sau đó được giải phóng ra khỏi enzyme.
Trong khi coenzyme Q bị khử thành ubiquinol ở mặt trong của màng và bị oxy hoá ở mặt ngoài thì xảy ra quá trình vận chuyển proton qua màng tạo nên sự chênh lệch về nồng độ proton (proton gradient). Cơ chế hai bước nêu trên đóng một vai trò quan trọng vì nó làm tăng hiệu quả vận chuyển proton. Nếu không theo chu trình Q như trên , mỗi phân tử QH2 được dùng để khử trực tiếp hai phân tử cytochrome c thì hiệu quả chỉ bằng một nửa, chỉ một proton được vận chuyển cho mỗi lần khử cytochrome c.
Cytochrome c oxydese ( Phức hệ IV)
Là phức hệ protein cuối cùng trong dây chuyền vận chuyển điện tử.
Enzim này ở thú có cấu trúc cực kì phức tạp, nó gồm 13 tiểu phần, 2 nhóm heme và các cofactor đa kim loại – gồm 3 nguyên tử Cu, 1 nguyên tử Mg và 1 nguyên tử Zn.
Enzym này đóng vai trò trung gian trong phản ứng cuối cùng của chuỗi vận chuyển điện tử và chuyển điện tử đến oxy, đồng thời bơm proton qua màng. Chất nhận điện tử cuối cùng là oxy, còn được gọi là chất tận cùng nhận điện tử bị khử thành nước trong bước này. Cả việc bơm trực tiếp proton lẫn việc dùng proton trong cơ chất ty thể để khử oxy đều góp phần tạo nên gradient proton. Phản ứng được xúc tác bỡi enzym này là phản ứng oxy hoá cytochrome c và phản ứng khử oxy.
XEM PHIM VỀ CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ
Các enzyme khử và các enzyme oxy hoá khác
Nhiều loài sinh vật nhân chuẩn có chuỗi vận chuyển điện tử khác với các enzyme ở thú đã được nghiên cứu nhiều và mô tả trên đây. Ví dụ, thực vật có những enzym oxy hoá NADH khác, chúng thường oxy hoá NADH trong tế bào chất hơn là trong cơ chất của ty thể và chuyển các điện tử này cho ubiquinone. Các enzyme này không vận chuyển proton và dĩ nhiên chúng khử ubiquinone mà không làm thay đổi gradient điện thế của hai bên màng trong.
Một ví dụ nữa về dây chuyền vận chuyển điện tử khác là alternative oxydase, enzyme này có ở thực vật, một vài loài nấm, sinh vật đơn bào và một số loài động vật. Enzyme này chuyển điện tử trực tiếp từ ubiquinol đến oxy.
Các enzyme oxy hoá NADH và ubiquinone alternative oxydase này tạo ra các con đường vận chuyển điện tử với mức năng lượng ATP sinh ra thấp hơn so với con đường đầy đủ. Những lợi ích do con đường tắt này tạo ra thì chưa hoàn toàn sáng tỏ. Tuy nhiên, các enzyme alternative oxydase được sản sinh ra để phản ứng lại với các loại stress như lạnh, các loài phản ứng oxy, nhiễm bệnh và các tác nhân khác ức chế chuỗi vận chuyển điện tử đầy đủ. Các con đường khác này có thể giúp tăng cường khả năng chống chịu của sinh vật trước các tổn thương bằng cách giảm stress oxy.
Cách tổ chức của các phức hợp
Mô hình mẫu về cách tổ chức các phức hệ chuỗi hô hấp là làm cho chúng có thể di chuyển một cách tự do và độc lập trên màng ty thể. Tuy nhiên, những dữ liệu gần đây cho thấy rằng các phức hệ có thể hình thành những trật tự cấu trúc cao hơn gọi là các siêu phức hệ hay là các respirasome (thể hô hấp).
Trong mô hình này, các phức hệ khác nhau tồn tại như là các tập hợp có tổ chức các enzyme tương tác nhau. Các liên hợp này có thể cung cấp kênh cơ chất giữa các phức hệ enzyme khác nhau, tăng tốc độ và hiệu quả vận chuyển điện tử. Trong các siêu phức hệ ở động vật có vú , một vài thành phần có mặt với lượng lớn so với các thành phần khác, một vài tư liệu gần đây nói rằng tỉ lệ giữa các phức hệ I/II/III/IV và ATPsynthase xấp xỉ 1:1:3:7:4. Tuy nhiên, cuộc thảo luận về giả thuyết siêu phức hệ này vẫn chưa đưa ra quyết định cuối cùng vì vẫn còn thiếu dữ liệu để hoàn chỉnh mô hình này.
CHÚC THẦY GIÁO CÙNG CÁC BẠN SỨC KHOẺ