Hô hấp

SINH HỌC B
Giảng viên: GVC. ThSĩ Nguyễn Thị Sáu
Khoa : Công nghệ Thực phẩm


TP.HCM, Tháng 3 năm 2010
Chương IV: HÔ HẤP
I. So sánh cấu trúc và chức năng của lạp thể và ty thể:
II. Ðại cương
1. Hiện tượng chuyển hóa trong tế bào
Tế bào cần rất nhiều năng lượng để duy trì sự sống: các hoạt động như việc sao chép, sửa chữa các cấu trúc di truyền trong nhiễm sắc thể, tạo mới các thành phần cấu tạo trong tế bào, lấy thức ăn vào, thải chất bã ra, giữ cho độ pH và nồng độ ion được cân bằng... Nếu năng lượng không được cung cấp thì các phản ứng không thể xảy ra được và sự sống của tế bào sẽ ngừng lại.
Tất cả năng lượng cung cấp cho sự sống là từ mặt trời, được cây hấp thu qua quá trình quang hợp tạo ra hợp chất hữu cơ giàu năng lượng. Các sinh vật không có khả năng quang hợp thì lấy năng lượng bằng cách tiêu hóa các sinh vật quang hợp được và những sinh vật khác.
Trong tế bào, sự hô hấp tạo ra năng lượng để cung cấp cho tất cả các hoạt động của tế bào. Năng lượng này được dự trữ trong các hợp chất được tổng hợp do quá trình quang hợp và được giải phóng qua quá trình hô hấp hiếu khí, trong đó glucoz được chuyển hóa qua nhiều sản phẩm trung gian để đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Năng lượng tự do được tạo ra trong quá trình này được sử dụng cho những phản ứng khác xảy ra trong tế bào.
Tất cả các phản ứng này được gọi là sự chuyển hóa (biến dưỡng) của tế bào và thường được chia thành hai giai đoạn.
Giai đoạn 1 là sự đồng hóa (hay sự tiến dưỡng - anabolism), đó là quá trình tổng hợp những chất hữu cơ phức tạp từ những phân tử đơn giản hơn.
Giai đoạn 2 là sự dị hóa (hay là sự thoái dưỡng), đó là quá trình lấy năng lượng từ thức ăn bằng cách phân cắt những phân tử hữu cơ phức tạp thành những phân tử đơn giản hơn xẩy ra trong đó tế bào.
Sự hô hấp hiếu khí là một kiểu dị hóa chính xảy ra trong tế bào.
2. Ty thể
Ty thể là bào quan tham gia vào sự hô hấp hiếu khí. Dưới kính hiển vi điện tử, mỗi ty thể được bao bọc bởi hai màng, màng ngoài và màng trong chia ty thể ra làm hai ngăn: ngăn ngoài là khoảng giữa của hai màng, ngăn trong từ màng trong trở vào. Màng trong là những tấm lược khiến cho bề mặt tiếp xúc được tăng rất nhiều. Màng ngoài thấm được những phân tử nhỏ, nhưng màng trong thì không thấm. Trên màng trong có các protein kênh, có chức năng đóng mở, bơm để điều tiết chọn lọc những phân tử đi ra và đi vào ngăn trong. Màng trong cũng chứa những protein của chuỗi dẫn truyền điện tử tương tự như chuỗi dẫn truyền điện tử trên màng thylakoid của lục lạp. Vì thật ra, sự hô hấp giống như sự quang hợp cũng bao gồm những phản ứng oxy hóa khử.
Màng tế bào chất
Dịch ngoài tế bào
Ty thể

Tế bào chất
III. Sự hô hấp carbohydrat
Những carbohydrat phức tạp như tinh bột ở thực vật và glycogen ở động vật đều được thủy phân thành những phân tử glucoz trước khi đi vào quá trình hô hấp. Sự hô hấp hoàn toàn một hợp chất giàu năng lượng như glucoz trải qua một chuỗi dài những phản ứng, trong đó có những phản ứng không cần có oxy (giai đoạn đường phân) và có những chuỗi phản ứng lệ thuộc vào oxy.


1. Sự đường phân (giai đoạn 1)
Ðường phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình hô hấp glucoz xảy ra không cần sự hiện diện của O2, xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống.
Glucoz là một hợp chất bền vững, ít có xu hướng phân cắt ra thành những chất đơn giản hơn, do đó tế bào muốn lấy năng lượng từ glucoz trước tiên phải có một ít năng lượng để hoạt hóa phân tử.
Do đó, giai đoạn đầu của đường phân là cung cấp ATP cho phân tử glucoz. ATP gồm 3 hợp phần cơ sở là chuỗi triphosphat để gắn vào phần cuối đối diện của đường 5 C và adenin.
Nhóm triphosphat
Adenin
Đường
Hình 5.2 Cấu trúc phân tử ATP
Trong các phản ứng chuẩn bị, hai phân tử ATP gắn gốc phosphat cuối cùng của nó vào phân tử glucoz. Trong phản ứng này hexokinaz xúc tác chuyển một gốc phosphat vào glucoz.
Phản ứng kế tiếp là phản ứng chuyển đổi glucoz-6-phosphat thành fructoz-6-phosphat. Sau khi tạo ra sản phẩm, một phân tử ATP nữa được tiêu thụ để thêm một gốc phosphat nữa vào phân tử. Kế tiếp fructoz-1,6-bisphosphat bị cắt đôi ở giữa C thứ ba và C thứ tư tạo ra hai chất 3C tương tự nhau, một chất là PGAL (phosphoglyceraldehyd) và một chất trung gian thường chuyển đổi ngay thành PGAL. PGAL là một đường trung gian 3C, là chìa khóa trung gian trong cả quá trình đường phân và quang hợp. Đến giai đoạn này quá trình đường phân đã sử dụng 2 phân tử ATP. 
Tiếp theo gồm hai phản ứng phức tạp hơn, dẫn đến sự thành lập ATP mới.
Phản ứng đầu là một phản ứng oxy hóa khử: hai điện tử và một ion H+ được lấy từ mỗi phân tử PGAL (phân tử PGAL là chất bị oxy hóa) bởi phân tử nhận điện tử nicotinamid adenin dinucleotid, hay NAD+ (chất này bị khử). NAD+ rất gần với NADP+ tìm thấy trong lục lạp. Trong trường hợp này sản phẩm trung gian là NADH thay vì là NADPH.
Phản ứng thứ hai là sự phosphoryl hóa PGAL. Năng lượng được giải phóng từ sự oxy hóa PGAL được dùng để gắn một gốc phosphat vô cơ P vào PGAL, gốc phosphat được gắn vào bằng một cầu nối giàu năng lượng.
Hình 5.3 Sự chuyển ATP và gắn gốc phospho
PGAL
Trong phản ứng kế tiếp, gốc phosphat mới được chuyển vào ADP để tạo ra ATP.
Trong quá trình này, một gốc phosphat giàu năng lượng được chuyển vào một cơ chất ADP để tạo thành ATP, phản ứng này được gọi là phosphoryl hóa ở mức cơ chất.
Hình 5.4 Mức độ phosphryl hóa cơ chất
Một số phân tử như phosphoenolpyruvat (PEP), quá trình hình thành liên kết năng lượng cao giống như liên kết trong ATP. Trong khi đó nhóm phosphate được chuyển enzym đến ATP, năng lượng của liên kết được bảo toàn và ATP tăng lên
PGAL
  Sản phẩm 3C là PGA, một chất trung gian trong chu trình Calvin-Benson, một lần nữa cho thấy sự tương quan giữa hai quá trình: Ở giai đoạn này, tế bào thu lại được 2 phân tử ATP đa dùng cho sự phosphoryl hóa glucoz trong lúc bắt đầu đường phân. Năng lượng đầu tư ban đầu đa được trả lại.
Qua phản ứng kế tiếp, cuối cùng là nước được tách ra từ PGA, và sau đó gốc phosphat được chuyển đổi và được gắn lại bởi cầu nối giàu năng lượng. Sau đó gốc phosphat được chuyển vào ADP theo sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất để thành lập ATP, kết quả tạo ra hai phân tử ATP và hai phân tử acid pyruvic. Vì hai phân tử ATP sử dụng trước đây đã được bù lại, nên hai phân tử ATP này là được tổng hợp thêm cho tế bào. 
Hình 5.5 Các phản ứng chính của đường phân
Năm phản ứng đầu tiên biến đổi một phân tử glucoz thành 2 phân tử G3P. Năm phản ứng thứ 2 chuyển hóa G3P thành pyruvat 1. Phosphoryl hóa bằng ATP; 2-3. Sự sắp xếp lại để cho phépphosphoryl hóa lần thứ 2; 4-5.Phân tử 6 carbon phân ly thành 2 phân tử: một là G3P, một là chuyển hóa G3P tham gia vào phản ứng khác; 6. Sự oxy hóa được thực hiện bởi phosphoryl hóa hình thành 2 phân tử NADP và 2 phân tử 3PG mà mỗi phân tử có một liên kết cao năng; 7.Chuyển phosphat có năng lượng cao đến 2 phân tử ADP để tạo thành 2 phân tử ATP và tách khỏi 2 phân tử 3GP; 8-9. Chuyển 2 phân tử nước để tạo thành 2 phân tử PEP, mỗi phân tử có một liên kết cao năng; 10. Chuyển phosphat có năng lượng cao đến ADP để tạo thành 2 phân tử ATP và 2 phân tử pyruvat.
Các điểm quan trọng cần chú ý trong sự đường phân là:
1) Mỗi phân tử glucoz (C6H12O6) bị phân tách thành hai phân tử acid pyruvic (C3H4O3).
2) Hai phân tử ATP sử dụng trong lúc đầu của quá trình, sau đó có bốn phân tử được tạo ra, như vậy tế bào còn được hai phân tử này.
3) Hai phân tử NADH được thành lập.
Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của O2 hay không. Các phản ứng của đường phân xảy ra trong dịch tế bào, ngoài ty thể.
Glucoz 6 carbon
Nguyên liệu ban đầu
Đường 6 carbon diphosphat
Đường 6 carbon diphosphat
Đường 3 carbon phosphat
Đường 3 carbon phosphat
Hình 5.6 Tổng quát về sự đường phân
1. Các phản ứng đầu tiên Đường phân bắt đầu với việc cung cấp năng lượng. Hai phosphat cao năng từ 2 phân tử ATP gắn vào đường glucoz có 6 carbon, tạo thành đường 6 carbon với 2 phosphát.
2. Phản ứng phân cắt Sau đó đường 6 carbon với 2 phosphat được phân ly thành 2 tạo thành đường phosphat có 3 carbon.
3. Phản ứng thu năng lượng Cuối cùng của chuỗi phản ứng, mỗi phân tử đường phosphat có 3 carbon chuyển hóa thành pyruvat. Trong quá trình hydro giàu năng lượng được thu nhận như NADH và 2 phân tử ATP được tạo thành.
2. Sự lên men
Trong đường phân, hai phân tử NAD+ được khử thành NADH. Chức năng của phân tử NAD+ trong tế bào là vận chuyển điện tử, trao đổi ion H+ và điện tử giữa chất này và chất khác. Do đó, NAD+ chỉ là một chất tạm thời tải ion H+ và điện tử, sau khi chuyển ion H+ và điện tử cho chất khác thì nó trở lại làm chất tải tiếp tục. Nếu NADH được thành lập không nhanh chóng loại bỏ ion H+ và điện tử thì NAD+ trong tế bào sẽ thiếu, khi đó bước tiếp theo trong đường phân không thể xảy ra và quá trình đường phân tạm dừng lại. Như vậy, sự oxy hóa NADH thành NAD+ là cần thiết cho quá trình đường phân tiếp tục.
Trong hầu hết tế bào, nếu có O2, nó sẽ là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH. Nhưng dưới điều kiện yếm khí, không có O2 để nhận hydro và điện tử thì acid pyruvic được tạo ra trong quá trình đường phân sẽ nhận hydro và điện tử từ NADH, quá trình này được gọi là sự lên men. Sự chuyển hóa acid pyruvic trong lên men thay đổi theo cơ thể sinh vật.
Hình 5.7 Sự chuyển hóa acid pyruvic trong sự lên men
Chu trình
Kreb
Hình 5.7 Sự chuyển hóa acid pyruvic trong sự lên men
Khi có mặt của oxy, pyruvat bị oxy hóa tạo thành acetyl- CoA, chất này đi vào chu trình Kreb. Khi không có mặt oxy, pyruvat bị khử nhanh chóng, nhận điện tử thải ra trong quá trình đường phân được mang bởi NADH. Khi pyruvat bị khử trực tiếp, như ở trong tế bào cơ, thì sản phẩm là axit lactic. Khi CO2 lần đầu tiên chuyển từ pyruvat và sản phẩm (acetaldehyd) thì sau đó bị khử, như trong tế bào nấm men thì sản phẩm là ethanol.
Ở tế bào động vật và nhiều vi sinh vật sự khử acid pyruvic tạo ra acid lactic, ở hầu hết tế bào thực vật và nấm men, sản phẩm lên men là rượu ethyl và CO2, quá trình này được áp dụng trong sản xuất rượu.
Trong điều kiện yếm khí, NAD+ lấy hydro và điện tử để tạo ra NADH và trả lại hydro và điện tử. Sự lên men là sự nối tiếp của quá trình đường phân, bằng cách này glucoz được biến đổi thành rượu hay thành acid lactic dưới điều kiện yếm khí, và tên gọi tùy thuộc vào tên của loại sản phẩm cuối cùng. Dù sản phẩm cuối cùng là chất nào thì sự lên men chỉ lấy được một phần năng lượng rất nhỏ từ glucoz, các sản phẩm của quá trình lên men là các chất còn chứa rất nhiều năng lượng tự do.
Sự lên men của những tế bào men và những vi sinh vật được ứng dụng trong nhiều kỷ nghệ quan trọng như làm bánh mì, pho ma, da ua, sản xuất rượu và các loại thức uống có rượu, một số sản phẩm khác được tạo ra từ các vi sinh vật khác như mùi đặc trưng của pho ma Thụy sĩ là do sản phẩm lên men là acid proprionic.

3. Sự oxy hóa pyruvic acid (giai đoạn 2) Nếu có sự hiện diện của O2, thì O2 là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH, do đó acid pyruvic sẽ được đưa vào ty thể và ở đây sẽ được tiếp tục chuyển hóa và đồng thời tạo ra nhiều ATP mới. Acid pyruvic trong dịch tế bào chất được chuyển vào ngăn trong của ty thể. Qua một chuỗi phản ứng phức tạp, acid pyruvic bị oxy chuyển hóa thành CO2 và một gốc acetyl 2C, chất này gắn với một coenzim được gọi là coenzim A (CoA) tạo ra chất acetyl-CoA. Khi acid pyruvic được oxy hóa, điện tử và ion H+ bị lấy đi, và một lần nữa NAD+ là chất nhận điện tử và ion H+ để tạo ra NADH. Chuỗi phản ứng phức tạp này có thể được tóm tắt trong sơ đồ của hình 5.8. Cuối giai đoạn II, 2 trong 6C trong glucoz ban đầu được giải phóng ra dưới dạng CO2.
Hình 5.8 Sự oxy hóa pyruvat
Phản ứng phức hợp này khử NAD+ thành NADH và đó là tín nhiệu nguồn của sự chuyển hóa năng lượng. Sản phẩm của nó, acetyl- CoA, là nguyên liệu ban đầu cho chu trình Kreb. Tất cả các phân tử này bị dị hóa cho năng lượng được giữ trong acetyl- CoA, sau đó đi vào kênh tổng hợp chất béo hay sản phẩm ATP
4. Chu trình Krebs (giai đoạn 3)
Kế tiếp acetyl-CoA đi vào một chuỗi phản ứng của chu trình Krebs hay chu trình acid citric.
Hình 5.10 Khái quát về chu trình Kreb
1. Chu trình Kreb bắt đầu khi phân tử 2 carbon được chuyển từ acetyl - CoA đến phân tử 4 carbon (nguyên liệu ban đầu). 2. Sau đó phân tử 6 carbon mới tạo thành bị oxy hóa (một nguyên tử hydro chuyển để tạo thành NADH) và decarbocyl hóa (một phân tử carbon được chuyển để tạo thành CO2). Tiếp theo phân tử 5 carbon bị oxy hóa và bị decarbocyl hóa lần nữa và phản ứng kép phát sinh ATP. 3. Cuối cùng hình thành phân tử 4 carbon và bị oxy hóa (nguyên tử hydro được chuyển để tạo thành FADH2 và NADH). Sự tái tạo nguyên liệu 4 carbon ban đầu này đa hoàn thành chu trình
Oxy hóa pyruvat
Hình 5.9 Chu trình Kreb: Chuỗi phản ứng này thực hiện trong cơ chất của ty thể. Để hòan thành sự bẻ gẫy phân tử glucoz, 2 phân tử acetyl -CoA được sản xuất bởi sự đường phân và pyruvat oxy hóa sẽ đi vào chu trình Kreb. Theo những carbon khác nhau qua chu trình và chú ý sự thay đổi xây ra ở carbon chuỗi của phân tử vì chúng tiếp tục theo chu trình.
phân tử 4C
phân tử 4C
phân tử 4C
phân tử 6C
phân tử 6C
phân tử 4C
phân tử 5C

Mỗi phân tử acetyl-CoA được tạo ra từ phân tử glucoz ban đầu kết hợp với một hợp chất 4C (acid oxaloacetic), đã có trong tế bào để tạo ra một hợp chất 6C mới là acid citric. Trong các phản ứng tiếp theo, 2C bị mất đi dưới dạng CO2, như vậy hợp chất chỉ còn 4C và được biến đổi để trở lại chất 4C ban đầu và chu trình lại tiếp tục. Vì mỗi phân tử glucoz tạo ra hai phân tử acetyl CoA, nên có hai vòng acid citric xảy ra và tổng cộng là có 4C được giải phóng dưới dạng CO2, cộng thêm 2C được giải phóng dưới dạng CO2 trong giai đoạn II, như vậy tất cả là 6C của phân tử glucoz ban đầu.
Trong một vòng của chu trình, một phân tử ATP được tổng hợp (bởi sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất) và 8 điện tử và 8 ion H+ được lấy đi bởi chất nhận điện tử. 6 điện tử và 6 hydro được dùng để khử 3 phân tử NAD+ (tạo ra 3 phân tử NADH và 3 ion H+) và 2 điện tử và 2 hydro được nhận bởi hợp chất FAD (tạo ra FADH2). Vì sự oxy hóa một phân tử glucoz trải qua hai vòng chu trình Krebs nên tổng cộng có 2 ATP và 8 phân tử chất khử (6 phân tử NADH và 2 FADH2). Chu trình Kreb được trình bày ở hình 5.10 ở trên.
5. Sự trao đổi và điều hòa năng lượng trong hô hấp (giai đoạn 3)
Chỉ có tổng cộng là 4 phân tử ATP mới được lợi ra (2 trong đường phân và 2 trong chu trình Krebs). Năng lượng còn lại được dự trữ trong hai chất khử giàu năng lượng là NADH và FADH2, tổng cộng có tất cả 12 phân tử được tổng hợp trong suốt quá trình oxy hóa glucoz: 2 phân tử NADH trong đường phân, 2 phân tử NADH trong quá trình oxy hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA, 6 phân tử NADH và 2 phân tử FADH2 trong chu trình Krebs. ATP được tổng hợp bằng cách nào? Dưới điều kiện hiếu khí, NADH chuyển điện tử đến O2 và sinh ra NAD+. Nói một cách khác, O2 là chất nhận điện tử và hydro cuối cùng để tạo thành nước:
O2 + 2NADH + 2ion H+  2H2O + 2NaD+
Tuy nhiên không phải NADH chuyển điện tử đến O2 một cách trực tiếp. Điện tử từ NADH được chuyển qua một chuỗi dẫn truyền điện tử, cuối chuỗi là phân tử O2
Các phân tử tải điện tử thường được gọi là chuỗi hô hấp (respiration chain) gắn trên màng trong của ty thể (giống sự dẫn truyền điện tử trong chuỗi quang hợp trong lục lạp) tạo ra một gradient hóa điện, được dùng để tổng hợp ATP từ ADP và phosphat vô cơ. Quá trình này được gọi là sự phosphoryl hóa chuyển điện tử (electron-transport phosphorylation) hay sự phosphoryl oxy hóa (oxydative phosphorylation), bao gồm cả sự hóa thẩm thấu (chemiosmotic) của sự dẫn truyền điện tử và sự tổng hợp ATP (hình 5.12). Protein dẫn truyền điện tử trong hô hấp là thành phần chính trong cho quá trình phosphoryl oxy hóa, tạo ra hầu hết ATP sinh ra do sự oxy hóa glucoz.
Sự phosphoryl oxy hóa tương tự sự quang phosphoryl hóa, sử dụng dòng điện tử được chuyển trong chuỗi dẫn truyền điện tử để bơm ion H+ qua màng, sinh ra một gradient hóa điện được dùng để tổng hợp ATP. Trong sự hô hấp có hai cách để tạo ra ATP: thứ nhất là sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất và thứ hai là sự phosphoryl oxy hóa, trong đó năng lượng trong gradient hóa điện H+ được khai thác để tổng hợp ATP.
NADH được tạo ra trong giai đoạn 2 và 3 chuyển 2 điện tử và 1 ion H+ của chúng vào phức hợp I và cùng lúc bị oxy hóa thành NAD+. Các điện tử được tải từ chất tải này sang một chất tải khác theo một trình tự đặc biệt để cuối cùng đến O2. Ðiều này cho thấy vì sao phải cần có O2 trong sự hô hấp hiếu khí. Không có O2 nhận điện tử, chuỗi điện tử không hoạt động và NAD+ cần thiết cho giai đoạn 2 và 3 không được tạo ra từ NADH. Khi O2 nhận điện tử, nó cũng nhận luôn ion H+ từ chất cơ bản để tạo ra nước, một trong những sản phẩm cuối cùng của sự dị hóa glucoz.
Người ta thấy rằng ít nhất phải có 2 ion H+ đi qua phức hợp ATP synthetaz mới tạo ra được một phân tử ATP từ ADP. Vì mỗi cặp điện tử từ NADH được dẫn truyền qua chuỗi điện tử bơm được khoảng 6 ion H+ đi ra ngăn ngoài. Sự oxy hóa một phân tử NADH cho ra khoảng 3 phân tử ATP. Tất cả 8 NADH được sinh ra trong ty thể (2 từ sự oxy hóa acid pyruvic và 6 từ chu trình Krebs), cho ra tổng cộng 24 phân tử ATP mới. Tuy nhiên, 2 điện tử từ FADH2 có ít năng lượng hơn NADH, những điện tử này đi vào chuỗi điện tử ở phức hợp 2, nên số ion H+ được bơm ra ít hơn, do đó sự oxy hóa hợp chất này chỉ cho 2 phân tử ATP (tổng cộng được 4 phân tử ATP cho 2 phân tử FADH2). Hai phân tử NADH được tạo ra trong quá trình đường phân ở trong dịch tế bào chất và được chuyển vào bên trong ty thể nhờ một phân tử protein vận chuyển, nhưng năng lượng bị mất đi trong quá trình này. Kết quả là điện tử được đi vào chuỗi hô hấp cùng vị trí với nơi mà điện tử của FADH2 đi vào, do đó cũng chỉ có 2 phân tử ATP được tạo ra cho mỗi phân tử NADH trong tế bào chất (tổng cộng được 4 phân tử ATP cho 2 phân tử NADH).


Tóm lại, sự oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucoz sinh ra 12 phân tử chất khử. Khi các đôi điện tử của chúng đi vào chuỗi hô hấp, 8 phân tử sinh ra ATP nhiều hơn, 3ATP cho mỗi phân tử NADH, 4 phân tử còn lại chỉ tạo được 2 phân tử ATP cho mỗi phân tử FADH2. Tổng cộng có 32 phân tử ATP được tạo ra từ sự phosphoryl oxy hóa của chuỗi dẫn truyền điện tử. Như vậy, sự oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucoz cho ra CO2, nước và 36 phân tử ATP mới.
Đường
phân
Chu trình
Kreb