Hô hấp tế bào

HÔ HẤP TẾ BÀO
CHƯƠNG V
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÔ HẤP

Hô hấp là sự phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện có Oxygen tạo ra năng lượng có hiệu quả cao gấp nhiều lần so với đường phân.
Quá trình phân hủy háo khí háo khí (aerobic) các thức ăn kèm theo tổng hợp ATP được gọi là hô hấp tế bào (cellular respirasition)
Đây là quá trình trải qua nhiều bước do enzyme xúc tác, nhờ đó các tế bào chiết rút năng lượng từ glucose, polysaccharidse, lipit, protein và các chất hữu cơ khác.
Hô hấp nói chung là háo khí, cần phải có Oxygen
Trong hô hấp háo khí hoàn toàn, các chất dinh dưỡng phân hủy thành CO2 và H2O
Một trong các con đường chung của hô hấp là phân cắt glucose với phương trình sau:
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O -->6CO2+ 12H2O + năng lượng
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÔ HẤP
Quá trình hô hấp gồm có ba giai đoạn
Giai đoạn I: sự tiểu hoá (digetion)
-Các phân tử polymer lớn được phân hủy thành các đơn phân Ví dụ : protein thành amino acid
-Các phản ứng này ra chủ yếu ngoài tế bào do các enzyme được tiết ra ngoài.
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÔ HẤP
Giai đoạn II: sự phân hủy ở tế bào chất
Các phân tử nhỏ vừa được tạo ra xâm nhập vào tế bào và chịu sự phân hủy mạch ở tế bào chất
Ở đây xảy ra quá trình đường phân biến các đường glucose thành pyruvate để xâm nhập vào ti thể
Trong ti thể pyruvate chuyển hóa thành nhóm acetyl của hợp chất acetyl-Coenzyme A
Các glycerol của lipit được chuyển hóc thành PGAL (phosphoglyceraldehyd) rồi thành pyruvate
Các acid béo được cắt từng đoạn 2C để gắn vào thành acetyl-Coenzyme A
Sự chuyển hóa protein có nhiều cách khác nhau
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÔ HẤP
Giai đoạn III: sự biến đổi năng lượng trong ti thể
Xảy ra trong ti thể, nhóm acetyl của acetyl-CoA qua chu trình citric acid (chu trình Krebs) và hệ thống chuyền điện tử được oxy hóa hoàn toàn đến CO2 và H2O, tạo ra nhiều ATP
II. CHU TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN
Quá trình phân cắt glucose yếm khí tạo ra pyruvate (acid pyruvic) gọi là đường phân (glycolysis). Đây là giai đoạn đầu yếm khí của hô hấp và cổ nhất, xảy ra ở những sinh vật đầu tiên khi mà trái đất còn chưa có O2, trong chuỗi phản ứng dị hóa.
Xảy ra ở các tế bào vi sinh, thực vật và động vật căn bản giống nhau, chỉ hơi khác ở phản ứng cuối
Các phản ứng đường phân:
Đường phân trải qua 10 bước
II. CHU TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN

C-C-C-C-C-C + ATP P-C-C-C-C-C-C + ADP
Glucoz glucoz-6-phosphat

C-C-C-C-C-C-P C-C-C-C-C-C-P
Gluco-6-phosphat frutoz-6-phosphat

C-C-C-C-C-C-P + ATP P-C-C-C-C-C-C-P + ADP
Fructoz-6-phosphat fructoz-1,6-bisphosphat

P-C-C-C-C-C-C-P 2C-C-C-P
Fructoz-1,6-bisphosphat PGAL

hexokinaz
phosphoglucoisomeraz
aldolaz
Phosphofructokinaz
II.CHU TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN

2C-C-C-P + 2NAD+ + 2Pi 2P~C-C-C-P + 2NADH + 2H+


2P~C-C-C-P + 2ADP 2C-C-C-P + 2ATP


2C-C-C-P 2C-C-C-P + 2H2O


2C-C-C~P + 2ADP 2C-C-C + 2ATP

Acid pyruvic
Phosphoglycerate kinaz
phosphoglyceromutaz
Pyruvate kinaz
dehydrogenaz
II. CHU TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN
Các tính chất quan trọng của đường phân:
Mỗi phân tử glucose (C6H12O6) bị phân tách thành hai phân tử acid pyruvic.
Hai phân tử NADP sử dụng trong lúc đầu của quá trình, sau đó có 4 phân tử được tạo ra. Tổng cộng 2ATP được tạo ra với mức trữ năng lượng 2% của năng lượng phân tử glycose.
Hai phân tử NADH2 (khử) được thành lập.
Vì không sử dụng oxy nên quá trình vẫn xảy ra cho dù có oxy hay không.
Các phản ứng của đường phân xảy ra trong tế bào chất của tế bào.
II. CHU TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN
2. Sự lên men (fermentation) ()
Là quá trình bắt đầu bằng đường phân và kết thúc với sự chuyển hóa yếm khí pyruvic acid thành nhiều chất, điển hình là sự lên men lactic acid, rượu ethanol
Sự lên men được hiểu theo nghĩa rộng gồm các chuyển hóa do vi sinh vật thực hiên nói chung..
III. HÔ HẤP OXY HÓA
Sự đường phân chỉ giải phóng một ít năng lượng từ glucose, sự tiến hóa dẫn đến sự chiết rút năng lượng có hiệu quả hơn với sự hiện diện của O2 dồi dào và xảy ra trong ti thể
Khi có O2, glocose vẫn bị phân hủy yếm khí trong đường phân để tạo pyruvate, song nó không hoạt động như chất nhận điện tử để thành lactic acid hay rượu, mà O2 là chất nhận (acceptor) điện tử, các enzyme của ti thể chuyển điện tử đến Oxygen, giải phóng năng lượng tư do của NADH2
III. HÔ HẤP OXY HÓA
Sự oxy hóa pyruvate thành acetyl-CoA
Sự oxy hóa hiếu khí của pyruvate bắt đầu bằng một loại các phản ứng phức tạp pyruvate 3C thành CO2 và acetic acid (2C) rồi acetic acid gắn với Coenzyme-A (CoA) thành hợp chất aceyl-CoA
Khi phân tử pyruvate được oxy hóa thành acetyl-CoA và CO2, hidro được tách ra và NAD được khử

III. HÔ HẤP OXY HÓA
2. Oxy hoá acetyl-CoA
Phản ứng đầu tiên của chu trình Krebs được thực hiện do sự kết hợp acetyl-CoA co 2C với một chất hiện diện trong ti thể là Oxaloacetate có 4C
Kết quả phản ứng là citrate có 6C được tạo thành và một phân tử CO2 thoát ra, còn CoA thì được hồi phục có thể ti6ép tục oxy hóa pyruvate
3.Chu trình Kerbs
Đây là giai đoạn phân giải hiếu khí sau quá trình đường phân, bắt đầu từ acetyl-CoA, cuối cùng tạo ra CO2, ATP và các hợp chất khử cao năng Acetyl-CoA  CO2 + H2O + Q
Quá trình oxy hóa này xảy ra ở ti thể, qua những chuyển hóa rất phức tạp gồm nhiều phản ứng và enzyme tham gia
Quá trình chuyển hóa này có tính chất chu trình khép kín và năng lương được giải phóng từ từ qua từng bước
Đối với mỗi phân tử glucose vào con đường đường phân sẽ có 2 phân tử acetyl-CoA vào chu trình Kerbs. Mỗi vòng của chu trình chỉ tạo ra 1 phân tử giàu năng lượng khác (các chất mang hydrogen, các chât khử): 3 NADH và 1 FADH2
III. HÔ HẤP OXY HÓA
Acetyl-CoA(2C) + oxalo acetate(4C) Citrate(6C)
Citrate(6C) Isocitrate(6C)
Isocitrate(6C) + NAD+ 2-cetoglutarate + CO2 + NADH + H+
2-cetoglutarate(5C) + NAD+ succinyl-CoA(4C) + CO2 + NADH + H+
Succinyl-CoA(4C) + GDP succinate (4C) + GTP
Succinate(4C) + FAD fumarate(4C) + FADH2
Fumarate(4C) + NAD+ malate(4C)
Malate(4C) + NAD+ oxaloacetate(4C) + NADH + H+
Từ phản ứng này thì chu trình quay lại từ đầu.
Các phản ứng của chu trình Kerbs gồm:
4. Các sản phẩm của chu trình Kerbs
Các phản ứng chu trình Kerbs tạo ra 2 phân tử CO2 và lấy ra 4 cặp điện tử. CO2 khuếch tán ra ngoài ti thể là sản phẩm cuối cùng của hô hấp. Bốn cặp điện tử được chuyển đến các chất nhận, tạo 3 NAD và 1 FAD để vào chuỗi điện tử giải phóng năng lượng.
Một phân tử glucose ban đầu cho 2 acetyl-CoA vào chu trình Kerbs tạo 2 ATP, 6 NADH (1 NADH + H+ sẽ tạo ra 2 ATP) và 2 FADH2 (1 FADH2 tạo 3 ATP)
III. HÔ HẤP OXY HÓA
Tổng cộng quá trình đường phân và chu trình Kerbs tế bào tạo được 4 ATP, tổng năng lượng chỉ đạt 62kcal đối với một phân tử glucose, phần năng lượng còn lại được trữ trong 10 NADH và 2 FADH2 từ một phân tử glucose
Chu trình Kerbs không những là một giai đoạn quan trọng của sự oxy hóa glucose mà còn là nhân tố “thu dọn” các sản phẩm trao đổi chất
5. Chuỗi chuyền điện tử
Sự oxy hóa NADH được thực hiện do chuyển điện tử đến oxy và oxy hoạt động như chất thu nhận điện tử theo phương trình: O2 + NADH+ + H+ 2H2O + NAD+
Qúa trình tích trữ năng lượng ATP ở đây diễn ra với sự có mặt của oxy được gọi là phosphoryl oxy hóa
Tuy nhiên, NADH không chuyển điện tử trực tiếp cho O2. Các điện tử, các protein kèm theo đi đến mục tiêu cuối cùng là Oxy một cách gián tiếp
Năng lượng tạo ra dây chuyền điện tử được tích trữ vào ATP. Theo giả thuyết hóa thẩm thấu, trong quá trình điện tử di chuyển theo chuỗi, năng lượng giải phóng ra được dùng để bơm proton từ bêb trong ti thể xuyên qua màng trong vào khoảng giữa 2 màng ti thể.
III. HÔ HẤP OXY HÓA
6. Tổng năng lượng của hô hấp oxy hóa
Sự phân huỷ glucose qua đường phân chỉ tạo ra năng lượng là 2 ATP
Sự phân hủy qua hô hấp với sự có mặt của oxygen tạo ra thành 34 ATP, tổng cộng là 36 ATP
Lúc đầu tốn 2 ATP, sau đó tạo ra 4 ATP do đường phân và 34 ATP do oxy hóa tiếp tục. Đúng ra tổng ATP là 38 nhưng do có 2 ATP tiêu tốn do vận chuyển nên còn 36
III. HÔ HẤP OXY HÓA
7. Sự điều hòa hô hấp
Các quá trình thoái dưỡng cũng chịu sự điều hòa của tế bào. Nếu tế bào hoạt động mạnh thì, nồng độ ATP giảm thì hô hấp được tăng cường để thỏa mãn nhu cầu năng lượng. Khi tế bào có nhiều ATP, hô hấp chậm lại, các chất hữu cơ có sẵn sẽ được dùng cho những chức năng khác
Sự kiểm soát hô hấp cũng dựa chủ yếu vào điều hóa hoạt tính enzyme ở những điểm trọng yếu trong chu trình trao đổi chất.
Tóm tắt các sản phẩm trong ba giai đoạn I, II, III
Tổng ATP được tạo ra do sự hô hấp một phân tử glucose
IV. SINH TỔNG HỢP
Mỗi tế bào đều tổng hợp các protein, nucleic acid, polysaccharid và những phân tử phức tạp khác riêng cho mình chứ không ở dạng nguyên vẹn
Mỗi bước trong sinh tổng hợp được xúc tác bởi một enzyme riêng
Sự tổng hợp của những chất phức tạp cần năng lượng hóa học ở những điểm khác nhau của chu trình
Quá trình sử dụng các nguyên liệu ban đầu từ một số ít chất như acetyl-CoA, glycine…
Nói chung, các quá trình tổng hợp không phải là sự đảo ngược các quá trình mà phân tư bị phân hủy và các bước tổng hợp hay phân hủy được kiểm soát bởi những enzyme khác nhau
Quá trình sinh tổng hợp bao gồm không chỉ sự hình thành các thành phần đại phân tử từ những tiền chất đơn giản mà còn tập hợp chúng lại thành những cấu trúc như màng.
Các đặc điểm của sinh tổng hợp
2. Sự tích hợp của trao đổi chất
Trao đổi chất trong tế bào là quá trình tích hơp giữa thoái dưỡng và dị dưỡng, tức giữa phân hủy chất hữu cơ tạo năng lượng và tổng hợp các chất phải tiêu tốn năng lượng
Tuy nhiên giữa các quá trình này có mối quan hệ qua nhiều chất trao đổi trung gian. Tuy các mối liên hệ rất phức tạp nhưng tế bào có nhiều cơ chế điều hòa hơp lý để đáp lại những biến đổi của môi trường.
V. Ý NGHĨA CỦA HÔ HẤP
Chuyển hóa năng lượng chứa trong các chất biến dưỡng tạo thành năng lượng trong ATP để sử dụng trong các hoạt động của tế bào
Cung cấp nguyên liệu cấn thiết cho các phản ứng tổng hợp, tế bào có thể nhận vật liệu trực tiếp từ thực phẩm như amino acid hoặc các chất đã qua con đường chuểyn hóa như quá trình đường phân và chu trình Kerbs. Phải ứng tổng hợp các chất này cần phải có ATP
TÓM TẮT CHƯƠNG

Các sinh vật dị dưỡng thu nhận năng lượng bên ngoài ở dạng các hơp chất hữu cơ. Sự phân hủy chất hữu cơ để giải phóng năng lượng trải qua ba giai đoạn.
Giai đoạn I là sự tiêu hóa ở ngoài tế bào do các enzyme được tiết ra
Giai đoại II ở tế bào chất glucose được phân hủy qua quá trình đường phân (glycolysis) dể tạo ra 2 pyruvic acid. Sự đường phân cung cấp ít năng lượng chỉ tạo 2 ATP, 4 NADH.
Giai đoạn III là sự hô hấp oxy hóa ở ti thể. Pyruvic acid được biến đổi thành acetyl-CoA nhập vào chu trình citric acid tạo 6 NADH2 và 2 FADH2, 2 ATP.
Các điện tử và proton H+ gắn với Oxy tạo H2O
Hô hấp cũng chịu sự điều hòa chung của tế bào thông qua kiểm soát hoạt tính enzyme ở những điểm trọng yếu của chu trình trao đổi chất
Chu trình Kerbs diễn ra trong dịch thể. Bước tiếp theo các điện tử và proton H+ được qua chuỗi chuyền điện tử để tiếp tục giải phóng năng lượng. Chuỗi chuyền điện tử nằm ở màng trong của ti thể. Nhờ năng lượng do các điện tử tạo ra, các proton H+ được bơm ra ngoài. Các proton H+ nhờ thang điện hóa xuyên qua mang trong của ti thể, được sử dụng để hoạt hóa enzyme ATP synthetase xúc tác sự tổng hơp phần lớn ATP (34 ATP)
Cơ chế của quá trình hô hấp