Năng lượng sinh học

THUYẾT THẨM THẤU HOÁ HỌC
MÔN: NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

Giáo viên hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn
Người thực hiện : Trương Thị Xuân Trúc
Lớp : Cao học Sinh – Khóa X
NỘI DUNG
Để giải thích việc kết hợp giữa các quá trình vận chuyển điện tử trong chuỗi hô hấp với những phản ứng phosphoryl hoá. Có 3 học thuyết tiêu biểu sau:
►Thuyết kết hợp hoá học:
►Thuyết vận chuyển điện tử nhờ cấu hình:
►Thuyết thẩm thấu hoá học:
1.1. Thuyết kết hợp hóa học
Không giải thích được trong trường hợp màng bị tổn thương khi: quá trình phosphoryl hoá chỉ thực hiện được trên cấu trúc màng nguyên vẹn, khi màng bị tổn thương thì chỉ có oxy hoá mà không có phosphoryl hoá.
Không giải thích được, không đề cập giải thích quá trình photphosrin hóa tiến hành có sự thay đổi liên tục thể tích ty thể.
1. TỒN TẠI CỦA THUYẾT KẾT HỢP HÓA HỌC VÀ VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ NHỜ CẤU HÌNH.
1. 2. Thuyết vận chuyển điện tử nhờ cấu hình:
- Sự biến đổi cấu hình thể tích ty thể có liên quan mức độ tích luỹ và giải phóng năng lượng ATP.
- Thuyết này đề cập cơ chế tổng hợp ATP gắn liền giải phóng năng lượng mà năng lượng đó nhận từ cơ chất trong quá trình oxy hoá
2. THUYẾT THẨM THẤU HÓA HỌC
Giải thích cách tạo ra nguồn năng lượng tự do bởi sự vận chuyển điện tử cùng với chuỗi truyền vận chuyển điện tử để sử dụng sản xuất ATP từ ADP và Pi.
Gọi là Mitchell’s mô hình thẩm thấu hóa học.
Bạn có nhớ cách thức hoạt động của proton phải dùng để tạo ATP synthesis…?
Fig. 19-16

Sự kết hợp của thuyết thẩm thấu học học
Đề xuất của Peter Mitchell, 1961 nguyên thủy 191:144 (giải Nobel, 1978)





“Về mặt hóa học ” - [H+] chênh lệch nồng độ qua IMM
“Về mặt điện hóa” - điện thế màng qua IMM
Lực vận chuyển protôn mà sự di chuyển nhờ ATP synthesis
Peter Mitchell
Sự vận chuyển điện tử và ATP synthesis là sự kết hợp bởi sự chênh lệch nồng độ proton ở màng trong ty
Giả thuyết về “Thẩm thấu hóa học”
Oxy hóa và photphosrin hóa là sự kết hợp qua dòng vận chuyển proton.
Peter Mitchell
“để góp phần cho sự hiểu biết về sự chuyển đổi nguồn năng lượng thuộc về sinh học qua kết quả thiết lập của thuyết thẩm thấu hóa học"
 

Peter Mitchell
Giải Nobel về hóa học, 1978
Điều đó không phải là học thuyết ,đó là một sự thật.
b. Tổng hợp hoá thẩm ATP
Mọi cơ thể đều có mặt các kênh protein xuyên qua màng, có chức năng trong việc bơm proton ra ngoài tế bào.
Sự hình thành ATP bằng phản ứng hoá học do lực khuếch tán tương tự lực thẩm thấu thúc đẩy, nên gọi là tổng hợp hoá thẩm ATP.
Như vậy chính việc dẫn truyền các điện tử cao năng của NADP đến màng là động lực để bơm tổng hợp hoá thẩm ATP.
Peter Mitchell
Thuyết thẩm thấu hoá học dựa trên cơ sở ba điểm sau:
Màng trong ty thể có tính bán thấm proton.
Chuỗi hô hấp có tác dụng như một bơm proton
Tổng hợp ATP thực hiện bằng ATPase hoạt động không đồng thời một hướng.
- Bơm proton: Sự vận chuyển điện tử gắn liền với photphosrin hóa ADP bởi sự vận chuyển proton H+ qua phía trong màng từ nội chất màng vào khoảng không gian giữa hai lớp màng.
Giả thuyết thuyết thẩm thấu hóa học :
a. Tính thấm proton qua màng 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.
- Những ion H+ tạo ra điện thế  Chênh lệch thế năng điện thế
Dòng vận chuyển electron
b. Bơm proton
- Bơm thứ nhất hình thành gradient proton.
- Bơm thứ hai là ATPase có tác dụng tổng hợp ATP
Sự kết hợp giữa dòng vận chuyển proton và thuyết “ Thẩm thấu hóa học”
ATP synthesis là nguồn năng lưụơng cấp bách có thể là sự chênh lệch nồng độ proton và điện tử(chênh lệch điện thế) qua màng.
Chênh lệch nồng độ proton và điện tử có thể gọi là lực chuyển động proton.
Sự kết hợp giữa dòng vận chuyển proton và thuyết “ Thẩm thấu hóa học”
Dòng vận chuyển proton được tạo ra bởi sự di chuyển từng bước của electron cùng với phần mang elẻcton mà dẫn đến việc bơm proton ra khỏi nội chất ty thể.
Oxi hóa của NADH và photphosrin hóa của ADP tăng lên tạo ra sự chêch lệch nồng độ proton.


Sự kết hợp thẩm thấu hóa học với chuỗi vận chuyển điện tử tới ATP
2
2
2
2
2e-
Năng lượng tự do thay đổi trong suốt quá trình vận chuyển electron
FMN Flavin Mononucleotide
FeS Iron Sulfur protein
Q Ubiquinone
Cyt Cytochromes
Giả thuyết
Membrane vesicle
Light driven proton pump
from halobacteria
Purified from beef heart
c. Tổng hợp ATP thực hiện bằng ATPase
ATPase màng trong ty thể vận chuyển các proton theo hướng ngược gradient và kết hợp giữa vận chuyển proton với tổng hợp ATP
ATPase là enzim màng, được tìm thấy ở màng plasma tế bào thực vật, màng thylacoid của lục lạp, màng bên trong ty thể của các tế bào có nhân thật.
ATPase màng trong ty thể vận chuyển các proton theo hướng ngược gradient và kết hợp giữa vận chuyển proton với tổng hợp ATP
ATPase là enzim màng, được tìm thấy ở màng plasma tế bào thực vật, màng thylacoid của lục lạp, màng bên trong ty thể của các tế bào có nhân thật.
c. Tổng hợp ATP thực hiện bằng ATPase
CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG QUÁ TRÌNH PHOTPHORIN HÓA - Electron Transport Phosphorylation (Thẩm thấu hóa học - Chemiosmosis)
-Mục tiêu: bẽ gãy NADH và FADH2, bơm H+ vào màng ngoài cùng của ty thể (mitochondria).
- Nơi diễn ra: ty thể (mitochondria).
Trong phản ứng này, tạo ra một gradient được dùng để sản sinh ATP, hoàn toàn giống như trong lục lạp (chloroplast).
Electron Transport Phosphorylation thông thường sản sinh 32 ATP.
ATP được sinh ra bằng cách H+ chuyển xuống trung tâm gradient thông qua một enzyme đặc biệt gọi là ATP synthase.
Tính chuyển hoá năng lượng không chỉ có ở màng trong ty thể mà còn có cả ở màng lạp thể và màng vi khuẩn.
. Tính thấm proton qua màng ty thể :

Chemiosmosis in a Mitochondrion
Overview of the electron transport chain
Mô tả tổng quát về chuỗi vận chuyển điện tử ở ty thể

* ƯU THẾ CỦA THUYẾT THẨM THẤU HOÁ HỌC
Màng ty thể có khả năng biến đổi năng lượng từ gradient nồng độ thành dạng năng lượng có giá trị sinh học là ATP. Nên màng này được gọi là màng “chuyển hoá năng lượng”.
Bơm proton: Vận chuyển điện tử gắn liền với quá trình photphosrin hóa của ADP bởi sự vận chuyển của proton H+ qua màng trong từ nội chất vào không gian giữa hai lớp màng.
* GIẢ THUYẾT VỀ THUYẾT THẨM THẤU HÓA HỌC.
Giả thuyết về thuyết thẩm thấu hóa học
Điện tử vận chuyển qua chuỗi hô hấp, bắt đầu từ việc bơm proton từ nội chất đến mặt bên của xytoxin của màng trong ty thể.
Nồng độ pH và lực vận chuyển proton có thể cấu thành màng được sử dụng để đảy tới ATP synthesis.
pH outside is 1.4 units
lower than inside
Membrane potential is
0.14V = G of 5.2 kcal
per mole of protons
Tác giả Peter Mitchell, 1961
Sự hình thành ATP ở thuyết thẩm thấu hóa học
Chuỗi vận chuyển điện tử bơm ion H+ vào màng trong ty thể là do:
Chênh lệch nồng độ H+
ATP được hình thành bởi sự khuyếch tán ion H+ qua màng.
KẾT LUẬN
Theo thuyết của Mitchell, cơ sở cho sự liên kết dòng điện tử với sự phosphoryl hoá ATP ở cả lục lạp và ty thể là sự chênh lệch về điện tích và proton ( ion hydro) giữa hai mặt màng của các bào quan trên do sự vận chuyển điện tử và proton qua màng.
ATP được tổng hợp ở phía matrix của các bào quan (ty thể và lục lạp) trong khi diễn ra dòng vận chuyển ngược lại của H+ nhờ chất hoạt động có đinh hướng là ATPase (ATP-synthase).