NANG LUONG SINH HOC 12

BÀI KIỂM TRA GIỮA KÌ:
MÔN:NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
PHẦN: THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG HÓA HỌC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
GVHD: PGS TS Võ Văn Toàn
HVTH: Phạm Thị Hồng

1.Tổng quan: Sống là làm việc
• Để thực hiện nhiều nhiệm vụ của mình, các tế bào sống cần năng lượng từ nhiều nguồn bên ngoài.
• Năng lượng vào hầu hết các hệ sinh thái là ánh sáng mặt trời và để lại dưới dạng nhiệt.
• Ngược lại, các nguyên tố hóa học cần thiết cho sự sống được tái tạo lại.
• Quang hợp tạo ra oxy và các phân tử hữu cơ, ty thể của sinh vật nhân chuẩn (bao gồm cả thực vật và tảo) sẽ sử dụng chúng làm nhiên liệu cho hô hấp tế bào.
• Các tế bào thu hoạch năng lượng hóa học được lưu trữ trong các phân tử hữu cơ và sử dụng nó để tái tạo ATP, dạng năng lượng dễ sử dụng cho mọi hoạt động sống của tế bào.
• Hô hấp gồm ba con đường chính: đường phân, chu trình acid citric, và oxy hóa phosphoryl hóa.
2. Con đường dị hóa mang lại năng lượng bằng cách ôxi hóa nhiên liệu hữu cơ.
• Con đường trao đổi chất dị hóa sẽ giải phóng năng lượng được lưu trữ trong các phân tử hữu cơ phức tạp.
• Chuyển giao điện tử đóng vai trò chính trong các con đường.
• Sự sắp xếp nguyên tử của các phân tử hữu cơ đại diện cho năng lượng tiềm năng.
• Một phần năng lượng giải phóng được sử dụng vào hoạt đọng của tế bào; phần còn được giải phóng dưới dạng nhiệt.
• Một dạng của quá trình dị hóa là quá trình lên men, quá trình này dẫn đến sự phân giải một phần đường mà không sử dụng oxy.
• Một quá trình dị hóa hiệu quả và phổ biến rộng rãi hơn là hô hấp hiếu khí, quá trình này sử dụng oxy để phân giải hoàn toàn các phân tử hữu cơ.
o Hầu hết các sinh vật nhân chuẩn và nhiều sinh vật nhân sơ có nhân điển hình đều có thể thực hiện hô hấp hiếu khí.
o Một số sinh vật nhân sơ sử dụng các hợp chất khác oxy như chất phản ứng trong một quá trình tương tự được gọi là hô hấp kỵ khí.
o Mặc dù hô hấp tế bào về nguyên tắc bao gồm cả quá trình hiếu khí và kỵ khí, thuật ngữ này được dùng thường chỉ để đề cập đến quá trình hiếu khí.


• Về nguyên tắc hô hấp hiếu khí tương tự như quá trình đốt cháy xăng trong động cơ ô tô sau khi oxy được trộn với nhiên liệu hydrocarbon.
o Thực phẩm là nhiên liệu cho hô hấp. Khí thải là khí carbon dioxide và nước.
• Phương trình tổng quát của quá trình dị hóa:
Hợp chất hữu cơ + O2  CO2 + H2O + năng lượng (ATP + nhiệt).
• Carbohydrates, chất béo và protein đều có thể được sử dụng như nhiên liệu, nhưng hữu ích nhất là đường:
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + năng lượng (ATP + nhiệt)
• Các quá trình dị hóa glucose là thải nhiệt, với ∆G = -686 kcal/mol glucose.
• Các năng lượng này được sử dụng để sản xuất ATP, có thể thực hiện công việc của tế bào.
3. Phản ứng oxi hóa khử giải phóng năng lượng khi các electron di chuyển gần hơn với các nguyên tử âm điện.
• Con đường dị hóa chuyển các điện tử được lưu trữ trong các phân tử thức ăn, giải phóng năng lượng được sử dụng để tổng hợp ATP.
• Các phản ứng mà kết quả trong việc chuyển giao một hoặc nhiều electron (điện tử) từ một chất phản ứng khác là những phản ứng oxy hóa khử, hoặc phản ứng oxi hóa khử.
o Sự mất mát của các electron từ một chất được gọi là quá trình oxy hóa.
o Vổ bổ sung thêm điện tử vào một chất khác được gọi là khử vì các electron mang điện tích âm nên thêm vào một nguyên tử làm giảm lượng điện tích dương của nguyên tử.
• Sự hình thành của muối từ natri và clorua là một phản ứng oxi hóa khử;
Na + Cl  Na + + Cl-
Na bị oxy hóa, và clo bị khử (điện tích của nó giảm từ 0 đến -1).
• Tổng quát hơn: Xe- + Y  X + Ye-.
o X là chất cho điện tử, là tác nhân khử và khử Y bằng cách quyên góp một electron của nó.
o Y là chất nhận điện tử, là tác nhân oxy hóa và oxy hóa X bằng cách loại bỏ điện tử của nó.
• Phản ứng oxi hóa khử đòi hỏi phải có cả chất cho và chất nhận điện tử.
• Phản ứng oxi hóa khử cũng xảy ra khi chuyển giao điện tử không phải là hoàn chỉnh, nhưng liên quan đến một sự thay đổi trong mức độ chia sẻ điện tử trong liên kết hóa trị.
• Trong quá trình đốt cháy khí mêtan để tạo thành nước và carbon dioxide, các liên kết hóa trị không phân cực của metan (C-H) và oxy (O = O) được chuyển đổi thành liên kết hóa trị phân cực (C = O và O-H).
• Khi metan phản ứng với oxy để tạo thành carbon dioxide, electron cuối cùng ở xa hơn so với nguyên tử cacbon và gần với các đối tác liên kết hóa trị mới của mình hơn, các nguyên tử oxy, mang điện tích âm.
o Trong thực tế, các nguyên tử cacbon đã phần nào "mất" điện tử chung của mình. Do đó, khí metan đã được oxy hóa.
• Hai nguyên tử của phân tử oxy (O2) chia sẽ điện tử cho nhau.


• Khi oxy phản ứng với hydro từ khí metan để tạo thành nước, các electron của các liên kết hóa trị được lấy gần hơn với oxy.
o Trong thực tế, mỗi nguyên tử oxy đã phần nào "nhận" điện tử, và vì vậy các phân tử oxy đã được khử.
o Oxy là tích âm điện và là một trong những chất mạnh nhất của tất cả các tác nhân oxy hóa.
• Năng lượng phải được thêm vào để kéo một electron từ một nguyên tử.
• Một electron mất năng lượng tiềm năng khi nó thay đổi từ một nguyên tử có âm điện thấp đến một nguyên tử âm điện cao hơn.
• Một phản ứng oxi hóa khử rằng quyết định chuyển electron gần với oxy, chẳng hạn như việc đốt khí mêtan, giải phóng năng lượng hóa học có thể làm việc.
4. Các phân tử nhiên liệu hữu cơ bị oxy hóa trong quá trình hô hấp tế bào.
• Hô hấp là quá trình oxy hóa glucose và các phân tử khác trong thực phẩm, là một quá trình oxi hóa khử.
• Trong một loạt các phản ứng, glucose bị oxy hóa và oxy bị khử.
• Các electron bị mất năng lượng tiềm năng trên đường đi, và năng lượng được giải phóng.
• Phân tử hữu cơ là nhiên liệu tuyệt vời, nó chứa một lượng hydro phong phú.
• Sự liên kết của các phân tử này là một nguồn "đồi" điện tử, năng lượng có thể được giải phóng như là các điện tử "giảm" xuống một gradient năng lượng khi chúng được chuyển giao cho oxy.
• Khi hydro được chuyển từ glucose tới oxy, trạng thái năng lượng của electron thay đổi

• Trong hô hấp, quá trình oxy hóa glucose chuyển electron vào một trạng thái năng lượng thấp hơn, giải phóng năng lượng có sẵn để tổng hợp ATP.
• Các loại thực phẩm năng lượng chính như carbohydrate và chất béo, là hồ chứa của các điện tử kết hợp với hydro.
• Các phân tử này là ổn định vì rào cản năng lượng hoạt hóa.
o Nếu không có rào cản này, một phân tử thực phẩm như glucose sẽ kết hợp gần như ngay lập tức với O2.
o Nếu năng lượng hoạt hóa được cung cấp bởi đốt cháy glucose, nó đốt cháy trong không khí, giải phóng 686 kcal (2870 kJ) nhiệt mỗi mol glucose (khoảng 180 g).
o Phản ứng này không thể xảy ra ở nhiệt độ cơ thể.
o Thay vào đó, các enzyme trong tế bào giảm các rào cản năng lượng hoạt hóa, cho phép glucose được oxy hóa trong một loạt các bước.
5. "Sự giảm" điện tử trong quá trình hô hấp là theo từng bước, thông qua NAD+ và một chuỗi vận chuyển điện tử.
• Hô hấp tế bào không oxy hóa glucose trong một bước duy nhất mà chuyển tất cả các hydro trong nhiên liệu đến oxy cùng một lúc.
• Thay vào đó, glucose và các nhiên liệu khác được chia nhỏ trong một loạt các bước, từng bước được xúc tác bởi một enzyme cụ thể.
• Tại bước quan trọng, các electron được tách khỏi glucose.
• Trong nhiều phản ứng oxy hóa, điện tử được chuyển giao với một proton, như một nguyên tử hydro.
• Các nguyên tử hydro không được chuyển giao trực tiếp tới oxy, nhưng được truyền đến chất nhận đầu tiên là một coenzyme NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide).
• Là một chất nhận điện tử, NAD + có chức năng như một chất oxi hóa trong quá trình hô hấp.
• Làm thế nào để NAD+ giữ các điện tử từ glucose?
o Enzyme dehydrogenase tách hai nguyên tử hydro từ các chất nền (glucose), do đó oxy hóa nó.
o Các enzyme chuyển hai electron và một proton đến NAD +.
o Proton khác được giải phóng vào dung dịch xung quanh.
• Bằng cách nhận hai electron và chỉ có một proton, điện tích của NAD + được trung hòa khi nó bị khử xuống NADH.
o NAD + có chức năng như các tác nhân oxy hóa trong nhiều bước oxi hóa khử trong quá trình phân hủy glucose.
• Các electron được vận chuyển bởi NADH mất rất ít năng lượng tiềm năng trong quá trình này.
• Mỗi phân tử NADH được hình thành trong quá trình hô hấp tượng trưng cho việc dự trữ năng lượng. Năng lượng này được khai thác để tổng hợp ATP như điện tử "giảm" xuống một gradient năng lượng từ NADH đến oxy.
• Electron tách từ ​​glucose và được lưu trữ trong NADH cuối cùng chuyển đến oxy bằng cách nào?
• Không giống như việc giải phóng bùng nổ năng lượng nhiệt xảy ra khi H2 và O2 được kết hợp (với một tia lửa năng lượng kích hoạt), hô hấp tế bào sử dụng một chuỗi vận chuyển điện tử để phá vỡ sự giảm của các điện tử đến O2 trong nhiều bước.
• Dây chuyền vận chuyển điện tử bao gồm một số phân tử (chủ yếu là protein) được gắn vào màng trong ty thể của tế bào nhân chuẩn và các màng tế bào của sinh vật nhân sơ hiếu khí hô hấp.
• Các electron giải phóng từ thức ăn được NADH chuyển tới “đỉnh” năng lượng cao hơn phần cuối của chuỗi.
• Tại "đáy" cuối cùng năng lượng thấp hơn, oxy nhận các electron cùng với H + để tạo thành nước.
• Chuyển điện tử từ NADH đến oxy là một phản ứng tỏa nhiệt với sự thay đổi năng lượng tự do -53 kcal / mol.

• Mỗi vật cho điện tử đi đưa các điện tử đến các vật nhận mang ái lực nhiều hơn với điện tử, vật nhận này lại tiếp tục chuyển điện tử đến một vật nhận sau nó; cuối cùng điện tử được chuyển đến cho ôxi, vật nhận có ái lực lớn nhất và cũng là vật nhận cuối cùng trong chuỗi chuyển điện tử.
• Tóm lại, trong quá trình hô hấp tế bào, phần lớn các điện tử đi theo chuỗi phản ứng sau: glucose  NADH  chuỗi vận chuyển điện tử  oxy.
6. Các giai đoạn của hô hấp tế bào:
• Hô hấp xảy ra trong ba giai đoạn chuyển hóa: đường phân, chu trình acid citric, và chuỗi vận chuyển electron và phosphoryl hóa oxy hóa.
• Đường phân xảy ra trong bào tương. Nó bắt đầu bằng cách cắt glucose thành hai phân tử pyruvate.
• Các chu trình acid citric xảy ra trong chất nền ti thể của tế bào nhân chuẩn hoặc trong tế bào chất của sinh vật nhân sơ. Nó hoàn thành sự phân hủy glucose bằng cách ôxi hóa một dẫn xuất của pyruvate tới carbon dioxide.
• Một số bước trong đường phân và chu trình acid citric là những phản ứng oxi hóa khử, trong đó các enzym dehydrogenase chuyển các electron từ chất nền đến NAD + tạo thành NADH.
• Trong giai đoạn thứ ba của hô hấp, chuỗi vận chuyển điện tử nhận electron từ các sản phẩm phân hủy của hai giai đoạn đầu tiên (thường qua NADH).
• Trong chuỗi vận chuyển điện tử, các electron di chuyển từ phân tử này tới phân tử khác cho đến khi chúng kết hợp với các ion oxy và hydro để tạo thành phân tử nước.
• Khi các điện tử được truyền dọc theo dây chuyền, năng lượng giải phóng ở mỗi bước trong chuỗi được lưu trữ trong các lớp của ty thể (hoặc tế bào nhân sơ) có thể sử dụng để sản xuất ATP.
• Phương thức tổng hợp ATP này được gọi là oxy hóa phosphoryl hóa bởi vì nó được hỗ trợ bởi các phản ứng oxi hóa khử của chuỗi vận chuyển điện tử.
• Trong các tế bào nhân chuẩn, màng trong ty thể là nơi đặt của chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình này diễn ra trong màng tế bào.
• Gần 90% ATP được tạo ra bởi hô hấp bằng con đường phosphoryl hóa.
• Một số ATP cũng được hình thành trực tiếp trong quá trình đường phân và chu trình acid citric bằng con đường phosphoryl hóa ở mức cơ chất, trong đó một loại enzyme chuyển một nhóm phosphate từ một phân tử chất hữu cơ cho ADP, tạo thành ATP.
• Đối với mỗi phân tử glucose bị chuyển hóa thành carbon dioxide và nước trong hô hấp, làm cho các tế bào có đến 38 ATP, với 7,3 kcal / mol năng lượng tự do.
• Hô hấp sử dụng các bước nhỏ trong con đường hô hấp để phá vỡ các năng lượng lớn có trong glucose thành năng lượng nhỏ dự trữ trong ATP.
o Mức năng lượng trong ATP là thích hợp hơn cho mức năng lượng của các phản ứng cần thiết trong tế bào.
7. Đường phân thu năng lượng hóa học bằng cách ôxi hóa glucose thành pyruvate.
• Trong quá trình đường phân, glucose, một loại đường sáu carbon, được chia thành hai đường ba carbon.
• Sau đó các phân tử đường nhỏ hơn lại bị oxy hóa và sắp xếp lại để tạo thành hai phân tử pyruvate, hình thức ion hóa acid pyruvic.
• Mỗi bước trong đường phân được xúc tác bởi một enzyme cụ thể.
• Các bước có thể được chia thành hai giai đoạn.
1 Trong giai đoạn đầu tư năng lượng, các tế bào tiêu tốn ATP.
2. Trong giai đoạn tiền chi trả năng lượng, đầu tư này được trả với lãi suất. ATP được sản xuất bằng con đường phosphoryl hóa mức cơ chất và NAD + bị khử thành NADH bởi các electron được giải phóng trong quá trình oxy hóa glucose.
• Một phân tử đường qua đường phân tạo ra 2 ATP và 2 NADH.
o CO2 không được sản xuất trong quá trình đường phân.
• Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của oxy hay không.
• Nếu có sự hiện diện của O2,các năng lượng hóa học được lưu trữ trong pyruvate và NADH có thể được tách ra thông qua các chu trình acid citric và phosphoryl hóa oxy hóa.
8. Chu trình acid citric hoàn tất quá trình oxy hóa năng lượng năng suất của các phân tử hữu cơ.
• Hơn ba phần tư năng lượng ban đầu trong đường vẫn còn hiện diện trong hai phân tử pyruvate.
• Nếu oxy phân tử có trong tế bào nhân chuẩn, pyruvate đi vào ty thể, nơi các enzyme của chu trình acid citric hoàn thành quá trình oxy hóa của nhiên liệu hữu cơ để tạo carbon dioxide.
o Trong các tế bào nhân sơ, quá trình này xảy ra trong tế bào chất.
• Pyruvate đi vào ty thể được chuyển thành một hợp chất gọi là acetyl coenzyme A, hoặc acetyl CoA.
• Bước này, tiếp giáp giữa đường phân và chu trình acid citric, được thực hiện bởi một phức hợp đa enzyme xúc tác ba phản ứng.
1. Nhóm cacboxyl được gỡ bỏ là CO2. Carbon dioxide được oxy hóa đầy đủ và do đó nó có năng lượng hóa học nhỏ.
2. Axit pyruvite bị oxi hóa thành CO2 và một gốc acetate. Một loại enzyme chuyển các cặp electron đến NAD+ để tạo thành NADH.
3. Acetate kết hợp với coenzyme A để tạo thành phân tử acetyl CoA
• Do tính chất hóa học của các nhóm CoA, một hợp chất chứa lưu huỳnh có nguồn gốc từ một loại vitamin B nên acetyl CoA có một năng lượng tiềm năng cao. Nói cách khác, phản ứng của acetyl CoA để mang lại các sản phẩm năng lượng thấp thì cao hơn nhiều so vơi phản ứng tỏa nhiệt.
• Các chu trình acid citric cũng được gọi là chu trình acid tricarboxylic hay chu trình Krebs nhằm tôn vinh Hans Krebs,người có công lớn trong việc làm sáng tỏ chu trình này vào những năm 1930.
• Các chu trình acid citric oxy hóa nhiên liệu hữu cơ có nguồn gốc từ pyruvate.
• Ba phân tử CO2 được giải phóng, trong đó có một phân tử được giải phóng trong thời gian chuyển đổi pyruvate thành acetyl CoA.
• Hầu hết các năng lượng hóa học được chuyển giao cho NAD + và FAD coenzyme - một chất mang điện tử có liên quan trong phản ứng oxi hóa khử.Các coenzyme khử, NADH và FADH2, chuyển electron năng lượng cao đến chuỗi vận chuyển điện tử.
• Chu trình acid citric có tám bước, từng bước được xúc tác bởi một enzyme cụ thể.
o Các nhóm acetyl của acetyl CoA tham gia vào chu kỳ bằng cách kết hợp với hợp chất oxaloacetate tạo thành citrate.
o Bảy bước tiếp theo phân hủy citrate trở lại oxaloacetate.
o Đó là sự tái tạo lại oxaloacetate làm cho quá trình này một chu kỳ.

• Đối với mỗi nhóm acetyl đi vào chu kỳ, 3 NAD+ được khử đến NADH.
• Trong một bước, các electron được chuyển giao cho FAD thay vì NAD+.
• Sau đó, FAD nhận 2 electron và 2 proton để trở thành FADH2.
• Trong các tế bào của thực vật, vi khuẩn, và một vài mô động vật, chu trình acid citric tạo thành một phân tử ATP bằng phosphoryl hóa ở mức cơ chất.
• Trong hầu hết các tế bào mô động vật, guanosine triphosphate (GTP) được hình thành bởi quá trình tương tự như phosphoryl hóa ở mức cơ chất.
• GTP có thể được sử dụng để tổng hợp ATP hoặc trực tiếp công trình điện trong tế bào.
• Kết quả của bước này là ATP chỉ được tạo ra trực tiếp bởi các chu trình acid citric.
• Hầu hết các ATP được sản xuất trong quá trình hô hấp bằng con đường phosphoryl hóa oxy hóa như NADH và FADH2 đều được sản xuất bởi các chu trình acid citric chuyển tiếp điện tử chiết xuất từ thực phẩm đến chuỗi vận chuyển điện tử.
• Quá trình này cung cấp năng lượng cần thiết cho phản ứng phosphoryl hóa ADP thành ATP.
9. Trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, sự thẩm thấu hóa học vận chuyển cặp điện tử để tổng hợp ATP.
• Chỉ có 4 trong số 38 ATP cuối cùng được sản xuất bởi hô hấp của glucose được sản xuất bởi phosphoryl hóa mức cơ chất.
o 2 ATP được sản xuất trong quá trình đường phân, và 2 ATP được sản xuất trong chu trình acid citric.
• Hầu hết năng lượng trong NADH và FADH2 được lấy từ glucose.
• Năng lượng này khử coenzyme liên kết glycolysis liên kết và chu trình acid citric để phosphoryl hóa oxy hóa, trong đó sử dụng năng lượng được giải phóng bởi chuỗi vận chuyển điện tử để tổng hợp năng lượng ATP.
10. Màng trong ty thể vận chuyển điện tử tổng hợp ATP.
• Dây chuyền vận chuyển điện tử là một tập hợp của các phân tử gắn vào mào răng lược, màng bên trong gấp nếp của ty thể.
o Ở sinh vật nhân sơ, chuỗi vận chuyển điện tử nằm ở màng tế bào.
• Các nếp gấp của màng trong ty thể tạo thành mào răng lược nhằm làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của nó, cung cấp không gian cho hàng ngàn bản sao của chuỗi trong mỗi ty thể.
• Hầu hết các thành phần của chuỗi là các protein tồn tại trong các phức hệ số I-IV.
• Liên kết chặt chẽ với các protein này là nhóm chân giả, đây là các thành phần cần thiết cho nonprotein xúc tác.
• Các electron giảm năng lượng tự do khi đi xuống chuỗi vận chuyển điện tử.
• Trong quá trình vận chuyển điện tử dọc theo chuỗi, chất mang điện tử có sự khác nhau giữa trạng thái khử và oxy hóa khi chúng nhận và cho điện tử.
o Mỗi thành phần của chuỗi bị khử khi nó nhận electron từ chất lân cận có điện âm điện nhỏ.
o Sau đó trở lại hình thức oxy hóa của nó khi nó nhường electron cho hàng xóm của mình có độ âm điện lớn.
• NADH mang các electron chuyển giao cho các phân tử đầu tiên trong chuỗi vận chuyển điện tử, đó là một flavoprotein.
• Trong phản ứng oxi hóa khử tiếp theo, các điện tử từ hệ thống oxy hóa được trung tâm Fe–S–Pr tiếp nhận và vận chuyển trở lại
• Các protein sắt-lưu huỳnh sau đó vượt qua các điện tử đến một hợp chất gọi là ubiquinone, một phân tử kỵ nước nhỏ và thành viên duy nhất của chuỗi vận chuyển điện tử không phải là một protein.
• Hầu hết các chất mang điện tử còn lại giữa ubiquinone và oxy là các protein được gọi là 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
• Mỗi nguyên tử oxy cũng kết hợp với một cặp ion hydro từ dung dịch để tạo thành nước.
• Chất mang điện tử FADH2 có năng lượng tự do thấp hơn và được bổ sung mức năng lượng thấp hơn so với chất mang NADH.
o Chuỗi vận chuyển điện tử cung cấp ít hơn một phần ba năng lượng để tổng hợp ATP khi chất cho điện tử là FADH2.
• Chuỗi vận chuyển điện tử không tạo ra ATP trực tiếp. Chức năng của nó là phá vỡ năng lượng tự do lớn từ thực phẩm thông qua một loạt các bước rồi đến oxy để tạo ra dạng năng lượng nhỏ hơn có thể sử dụng được.
11. Vận chuyển cặp điện tử trong thẩm thấu hóa học và giải phóng năng lượng tổng hợp ATP.
• Một phức hợp protein trong mào răng lược, ATP synthase, tổng hợp ATP từ ADP và Pi.
• ATP synthase hoạt động như một máy bơm ion theo hướng ngược lại.
o Bơm ion thường sử dụng ATP như là một nguồn năng lượng để vận chuyển ion ngược gradient của chúng.
o Các enzyme có thể xúc tác phản ứng theo hai chiều, tùy thuộc vào ∆G của phản ứng, ∆G bị ảnh hưởng bởi nồng độ của chất phản ứng và sản phẩm.
o Thay vì thủy phân ATP để bơm proton với gradient nồng độ của mình, theo các điều kiện của hô hấp tế bào, ATP synthase sử dụng năng lượng của một gradient ion hiện có để tổng hợp năng lượng ATP.
• Các nguồn năng lượng cho các enzym tổng hợp ATP là một sự khác biệt về nồng độ H+ ở phía bên kia của màng trong ty thể.
o Đây cũng là một gradient pH.
• Quá trình này, trong đó năng lượng được lưu trữ dưới dạng một gradient ion hydro trên một màng được dùng để điều khiển việc di động như sự tổng hợp ATP, được gọi là hoá thẩm thấu. Ở đây, thẩm thấu đề cập đến dòng chảy của H + qua màng.
• Từ việc nghiên cứu cấu trúc của ATP synthase, các nhà khoa học đã hiểu được cách dòng chảy của H+ thông qua quyền hạn lớn thế hệ enzyme ATP này.
• ATP synthase là một phức hợp đa tiểu phần với bốn phần chính, mỗi tạo thành từ nhiều polypeptide.
• Các proton di chuyển thành từng điểm gắn kết vào một trong các bộ phận (cánh quạt), đó là nguyên nhân xúc tác để sản xuất ATP từ ADP và phosphate vô cơ.
o ATP synthase là động cơ quay phân tử nhỏ nhất được biết đến trong tự nhiên.
• Một phần của phức hợp thực sự quay xung quanh màng khi bắt đầu phản ứng theo hướng thủy phân ATP.
• Các nhà hóa sinh học cho rằng cơ chế quay chịu trách nhiệm tổng hợp ATP, nhưng họ không có bằng chứng thực nghiệm.
• Năm 2004, kỹ thuật công nghệ nano (liên quan đến kiểm soát các vấn đề về quy mô phân tử) được sử dụng để chứng minh rằng chiều quay của một phần của khu phức hợp trong mối quan hệ khác là chịu trách nhiệm cho một trong hai: tổng hợp ATP hoặc thủy phân ATP bởi enzyme này.
• Làm thế nào để màng trong ty thể hoặc màng tế bào prokaryote tạo ra và duy trì gradient H+ dùng để tổng hợp ATP trong phức hợp protein ATP synthase?
o Thiết lập gradient H + là chức năng của chuỗi vận chuyển điện tử.
o Chuỗi là một bộ chuyển đổi năng lượng sử dụng dòng chảy của các điện tử thoát nhiệt để bơm H + qua màng từ nội chất vào không gian giữa hai lớp màng.
o H + có xu hướng khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp.
• ATP synthase là nơi duy nhất mà H + có thể khuếch tán trở lại nội chất ty thể.
• Dòng H + thải nhiệt được các enzyme sử dụng để tạo ra ATP.
• khớp nối này của các phản ứng oxi hóa khử của chuỗi vận chuyển điện tử để tổng hợp ATP là một ví dụ về hoá thẩm thấu.
• Chuỗi vận chuyển điện tử bơm proton như thế nào?
o Một số thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử nhận và giải phóng H+ cùng với các electron.
o Tại một số bước dọc theo chuỗi, sự truyền electron làm H + tăng lên và giải phóng vào dung dịch xung quanh.
o Các chất mang điện tử được sắp xếp trên màng, các proton được nhận từ nội chất ti thể và tích tụ trong không gian giữa hai lớp màng.
o Gradient H + là kết quả là của việc di chuyển proton và H+ quay trở lại qua màng thông qua ATP synthases.
• Cơ chế hoá thẩm thấu là một cơ chế năng lượng khớp nối có sử dụng năng lượng lưu trữ trong lớp Gradient H + xuyên qua màng để thực hiện công việc của tế bào.
• Trong ty thể, năng lượng để hình thành Gradient proton đến từ phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt, và tổng hợp ATP là công việc thực hiện.
• Cơ chế hoá thẩm thấu trong lục lạp cũng tạo ra ATP, nhưng ánh sáng khiến các dòng electron chảy xuống một chuỗi vận chuyển điện tử và gradient H + hình thành.
• Ở sinh vât nhân sơ tạo gradient H + thông qua màng tế bào.
• Sinh vât nhân sơ sử dụng năng lượng động cơ - proton không chỉ để tạo ra ATP mà còn để bơm các chất dinh dưỡng và các sản phẩm chất thải qua màng .
Dưới đây là một quá trình sản xuất ATP của hô hấp tế bào.
• Trong quá trình hô hấp tế bào, phần lớn dòng năng lượng sinh ra theo sơ đồ : glucose  NADH  chuỗi vận chuyển điện tử  proton động lực lượng  ATP.
• Hãy xem xét các sản phẩm tạo ra khi hô hấp tế bào oxy hóa một phân tử glucose đến sáu phân tử CO2.
• Bốn phân tử ATP được sản xuất bằng phosphoryl hóa ở mức cơ chất trong quá trình đường phân và chu trình acid citric.
• Nhiều phân tử ATP được tạo ra bởi sự phosphoryl hóa oxy hóa.
• Mỗi NADH từ chu trình acid citric và việc chuyển đổi của pyruvate góp đủ năng lượng cho việc di chuyển proton tạo ra tối đa 3 ATP.
• Có ba lý do chúng ta không thể nêu một cách chính xác các phân tử ATP được tạo ra bởi một phân tử glucose.
1. phosphoryl hóa và các phản ứng oxi hóa khử không được kết nối trực tiếp với nhau, vì vậy tỷ lệ số lượng NADH đến số của ATP không phải là một số nguyên.
Một NADH là kết quả của 10 H+ được vận chuyển qua màng ty thể.
Từ 3 đến 4 H+ phải quay trở lại nội chất ti thể thông qua ATP synthase để tạo ra 1 ATP.
Do đó, 1 NADH tạo ra đủ năng lượng proton-động lực cho quá trình tổng hợp 2,5-3,3 ATP.
Hay nói cách khác 1 NADH tạo ra 3 ATP.
Các chu trình acid citric cũng cung cấp các điện tử để chuỗi vận chuyển điện tử qua FADH2, nhưng vì nó đi vào sau này trong chuỗi, mỗi phân tử của chất mang điện tử này chịu trách nhiệm vận chuyển H+ chỉ đủ để tổng hợp 1,5-2 ATP.
Ngoài ra còn có một sự hao phí năng lượng nhẹ dùng để di chuyển ATP hình thành trong ty thể ra vào bào tương của sinh vật nhân chuẩn, nơi nó sẽ được sử dụng.
2. Sản lượng ATP thay đổi chút ít tùy thuộc vào loại của tàu con thoi sử dụng để vận chuyển các electron từ tế bào chất vào ty thể.
Màng trong ti thể không cho NADH đi qua, do đó, hai electron của NADH được sản xuất trong quá trình đường phân phải được chuyển tải vào ty thể bởi một trong những hệ thống tàu con thoi điện tử.
Trong một số hệ thống tàu con thoi, các electron được chuyển tới NAD +, tạo ra 3 ATP. Trong những người khác, các electron được truyền cho FAD, và chỉ tạo ra 2 ATP.
3. Lực di chuyển proton được tạo ra bởi các phản ứng oxi hóa khử của hô hấp có thể thực hiện các loại công việc khác như ty lạp thể hấp thu pyruvate từ bào tương.
Nếu tất cả các năng lượng proton-động lực tạo ra bởi các chuỗi vận chuyển điện tử được sử dụng để tổng hợp ATP thì một phân tử glucose có thể tạo ra tối đa là 34 ATP do oxy hóa phosphoryl hóa cộng với 4 ATP (net) từ phosphoryl hóa ở mức cơ chất,vì vậy tổng sản lượng là 36-38 ATP (tùy thuộc vào hiệu quả của các tàu con thoi).
• Hô hấp tạo ra ATP có hiệu quả như thế nào?
o Toàn bộ quá trình oxy hóa glucose giải phóng 686 kcal / mol.
o phosphoryl hóa ADP để tạo ATP đòi hỏi ít nhất 7,3 kcal / mol.
o Hiệu quả của hô hấp là 7,3 kcal / mol lần 38 ATP / glucose chia cho 686 kcal/ mol glucose, bằng 0,4, hoặc 40%.
o Khoảng 60% năng lượng từ glucose bị mất dưới dạng nhiệt.
o Một số nhiệt được sử dụng để duy trì nhiệt độ cơ thể cao của chúng ta (37°C).
• Hô hấp tế bào khá hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng.
o Ví dụ, Chuyển đổi năng lượng hiệu quả nhất là ô tô cũng chỉ có khoảng 25% năng lượng được lưu trữ trong xăng dùng làm năng lượng di chuyển xe.
CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE