PHOTPHORIN HÓA OXY HÓA

THỰC HIỆN : VÕ THỊ MINH TÂM
HƯỚNG DẪN: TS. VÕ VĂN TOÀN
Kính chào Thầy và các bạn
Quá trình PHOSPHORYL HÓA OXY HÓA

CÁC NỘI DUNG CHÍNH:
1. Lịch sử nghiên cứu.
2.Phosphoryl hóa oxy hóa.
3.Khái quát về trao đổi năng lượng bằng hóa thẩm thấu.
4.Các phân tử vận chuyển proton và electron.
5.Dây chuyền vận chuyển điện tử ở sinh vật nhân sơ
6. Enzim tổng hợp ATP
7.Các chất oxy phóng xạ.
8. Các chất ức chế.
LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU :

Lĩnh vực nghiên cứu về quá trình phosphoryl hóa oxy hóa đã được Arthur Harden đề cập đầu tiên năm 1906, trong báo cáo về vai trò của phosphat trong quá trình lên men tế bào.
Lúc đầu, người ta hiểu rằng chỉ đường phosphat có liên quan. Tuy nhiên đến những năm đầu của thập niên 40 của thế kỷ XX, sự liên kết giữa quá trình oxy hóa và sự phát sinh ATP đã được khám phá bởi Herman Kalckar
Năm 1941, vai trò trung tâm của sự chuyển đổi năng lượng của ATP đã được Fritz Albert Limann làm sáng tỏ.
Sau đó, năm 1949, Morris Friedkin và Albert Lehninger đã xác định coenzim NADH có liên quan đến con đường trao đổi chất của tế bào chẳng hạn như chu trình acid citrit, và quá trình tổng hợp ATP…
Trong vòng 20 năm nữa, cơ chế tổng hợp ATP về cơ bản vẫn còn nhiều bí ẩn.Các nhà khoa học, nghiên cứu về “trung tâm năng lượng cao”.Tuy nhiên Họ vẫn còn mơ hồ trong việc xác định trung tâm năng lượng cao có được là do sự liên kết giữa các phản ứng oxy hóa và phosphoryl hóa.
Và sự thật mơ hồ này đã được Peter Mitchell giải quyết bằng phát minh ra “lí thuyết hóa thẩm thấu” năm 1961.
Lúc đầu lý thuyết này gây ra sự tranh cãi lớn, nhưng sau đó lí thuyết này đã được chấp nhận và Peter Mitchell đã được nhận giải thưởng Nobel năm 1978
Peter Mitchell
Về sau , có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc tách chiết , thanh lọc và định tính các enzim có liên quan. Người có nhiều đóng góp trong lĩnh vực này là David E. Green về phức hợp dây chuyền vận chuyển điện tử và Efraim Racker về enzim tổng hợp ATP.
Efraim Racker
Một bước tiến có tính chất quyết định, hướng về việc giải quyết cơ chế hoạt động của enzim tổng hợp ATP là phát minh của Paul D. Boyer năm 1973 về cơ chế “ chuyển đổi cấu dạng” của enzim tổng hợp ATP và tiếp theo sau đó là đề nghị hết sức cấp tiến của ông về các chất xúc tác luân chuyển năm 1982.
Thời gian gần đây có nhiều nhiên cứu về cấu trúc các enzim phức tạp trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa của John E. Walker và của Walker với Boyer , và đã được giải thưởng Nobel năm 1997
II. KHÁI QUÁT VỀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG BẰNG HÓA THẨM THẤU
II. KHÁI QUÁT VỀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG BẰNG HÓA THẨM THẤU.
Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa hoạt động bằng việc sử dụng năng lượng giải phóng trong các phản ứng hóa học để điều khiển các phản ứng thu năng.
Một phản ứng có hai chiều gọi là phản ứng đôi. Có nghĩa là nếu phản ứng này không xảy ra thì cũng sẽ không có phản ứng kia.
-Dòng electron theo dây chuyền vận chuyển điện tử từ chất cho là NADH sang chất nhận là oxy là quá trình thải năng lượng.
- Còn quá trình tổng hợp ATP là quá trình thu năng. Nó đòi hỏi phải cung cấp năng lượng.
Cả dây chuyền vận chuyển điện tử và enzim tổng hợp ATP lồng vào nhau, đan xen nhau ở màng. Và năng lượng được chuyển đổi từ dây chuyền vận chuyển điện tử đến enzim tổng hợp ATP bằng việc vận chuyển các proton xuyên qua màng. Quá trình này gọi là hóa thẩm thấu.
Trong thực tế , nó được xem như một mạch điện với 1 dòng proton được chuyển từ cực âm của màng sang cực dương bằng các bơm proton có bản chất là enzim của dây chuyền vận chuyển điện tử. Những enzim này được xem như là chiếc pin.Vì vậy Chúng cho phép hoạt động để điều khiển tức thời trong suốt mạch điện .
Sự chuyển động của các proton tạo nên gradien điện hóa xuyên qua màng gọi là lực đẩy proton . Gradien này được tạo bởi hai yếu tố là:
* sự khác nhau trong việc tập trung các proton
*sự khác nhau về thế hiệu điện giữa cực âm tích điện âm và cực dương tích điện dương.
Năng lượng đươc tích trữ phần lớn khi có sự khác biệt về thế hiệu điện trong ty thể cũng như một pH gradien trong lạp thể.
enzim tổng hợp ATP giải phóng năng lượng tiềm ẩn này bằng việc hoàn thành mạch điện và cho phép proton tràn ngập hạ gradien điện hóa quay trở lại cực âm của màng. Enzim này được xem như là motor điện vì nó dùng lực đẩy proton điều khiển sự xoay tròn của một phần trong cấu trúc cặp đôi của nó , Sự vận động này đã tổng hợp ATP.
Lượng năng lượng được giải phóng trong Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa thì rất cao so với lượng năng lượng được giải phóng trong quá trình lên men yếm khí. Khi lên men yếm khí một phân tử đường chỉ giải phóng hai phân tử ATP nhưng khi oxy hóa một phân tử đường tạo ra cacbondioxit và nước, sẽ tạo ra khoảng 30 – 36 phân tử ATP bằng con đường phosphoryl hóa oxy hóa 10 phân tử NADH và 2 phân tử succinate.
Mức năng lượng nói trên là mức đạt mức cực đại theo lý thuyết, trong thực tế, có một số proton đã rò rỉ qua màng, nên mức ATP giảm hơn so với lý thuyết
III. DÂY CHUYỀN VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ Ở SINH VẬT NHÂN SƠ
Thông tin bổ sung: Trao đổi chất ở vi sinh vật.
Trái ngược với đặc điểm chung trong cấu trúc và chức năng của dây chuyền vận chuyển điện tử ở sinh vật nhân thực,ở vi khuẩn và các nguyên bào khác thường có mặt nhiều loại enzim vận chuyển điện tử. Những enzim này sử dụng nhiều chất hóa học làm chất nền.
Sự vận chuyển điện tử ở sinh vật nhân sơ dùng năng lượng giải phóng trong quá trình oxy hóa chất nền bơm ion qua màng làm phát sinh gradien điện hóa.
Ở vi khuẩn ,Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa của Escherichiacoli đã được biết một cách chi tiết. Trong khi đó ở những vi sinh vật khác , cho đến nay sự hiểu biết về nó hãy còn khá nghèo nàn.
Sự khác nhau cơ bản của Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực là sinh vật nhân sơ dùng nhiều chất nền khác nhau để làm chất cho hay chất nhận điện tử, điều này cho phép sinh vật nhân sơ có thể sinh trưởng, phát triển trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
Ở vi khuẩn E. coli Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa có thể được điều khiển bởi nhiều cặp nhân tố khử và nhân tố oxy hóa được liệt kê trong bảng dưới đây.
Các enzim hô hấp và các chất nền ở E. coli.
Các enzim hô hấp và các chất nền ở E. coli.
Thế năng oxy hóa khử của một chất có thể xác định được bao nhiêu năng lượng được giải phóng khi oxy hóa hay khử, với chất khử có điện thế âm, và chất oxy hóa có điện thế dương.
Như đã nêu trên E.coli có thể sinh trưởng, phát triển bằng nhiều nhân tố khử khác nhau như: fumarate, hydrogen, lactate …là các chất cho điện tử. Các nhân tố: nitrate, DMSO, oxygen là chất nhận điện tử.
Sự khác biệt về thế năng oxy hóa khử giữa chất khử và chất oxy hoá càng lớn thì năng lượng giải phóng càng nhiều khi chúng phản ứng. Trong các hợp chất này , thường là succinate / Fumarat thế năng oxy hóa khử của nó giảm xuống đến zero. Do đó succinate có thể bị oxy hóa đến fumarate nếu có sẳn một chất oxy hóa mạnh như oxy. Hoặc fumarate có thể bị khử đến succinate nếu có sẳn một chất khử mạnh như formate. Những phản ứng thay thế này được xúc tác bởi succinate dehydrogenase hay Fumarat reductase một cách tương ứng
Một số vi sinh vật nhân sơ chỉ dùng cặp phức hợp chất oxy hóa khử mà thế năng oxy hóa khử của nó chỉ có sự chênh lệch rất nhỏ, ví dụ vi khuẩn nitrit hóa ( Nitrobacter) oxy hóa nitrit thành nitrat, cho điện tử tới oxy . Một lượng năng lượng nhỏ giải phóng trong phản ứng chỉ đủ để dùng để bơm proton và tạo ATP, chứ không đủ để sản sinh các hợp chất NADH hay NADPH một cách trực tiếp dùng cho quá trình dị hóa .Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng chất khử oxy của nitrit để tạo ra đủ lực đẩy proton chạy qua một phần của dây chuyền vận chuyển điện tử theo chiều ngược lại, làm cho phức hợp I tạo ra NADH.
Vi khuẩn nhân sơ kiểm soát việc sử dụng các chất cho và nhận điện tử bằng cách biến đổi enzim được tạo ra để đáp ứng lại điều kiện môi trường. Sự linh hoạt uyển chuyển này có được là do chất khử và chất oxy hóa sử dụng là ubiquinol. Và cũng chính điều này đã giúp enzim có thể kết hợp theo nhiều cách để hoạt động với nhau, và thường liên kết bởi các ubiquinol trung gian phổ biến. Do đó dây chuyền hô hấp được thiết kế theo kiểu modul, các hệ enzim có thể dễ dàng chuyển hóa lẫn nhau.
sự có mặt của hàng loạt các enzim đồng đẳng góp phần làm cho sự trao đổi chất thêm đa dạng và enzim khác nhau có thể xúc tác cùng một phản ứng,
ví dụ ở E.coli có hai loại ubiquinol oxydase khác nhau, dùng oxy làm chất nhận điện tử. Trong điều kiện yếm khí cao, tế bào dùng một oxydase với ái lực thấp cho oxy để có thể vận chuyển theo tỷ lệ hai proton, một điện tử. Tuy nhiên , nếu mức oxy hạ tụt xuống, chúng sẽ chuyển sang chất oxy hóa để vận chuyển một proton , một điện tử nhưng có ái lực cao đối với oxy.
Trong tế bào không chỉ có các chất ức chế là các độc tố ngăn chặn quá trình phosphoryl hóa oxy hóa mà còn có các chất có trong mô mỡ màu nâu, là các Protein điều tiết kênh proton, chúng là các protein không cặp đôi có thể không kết cặp với chuỗi hô hấp để tổng hơp ATP.
Quá trình này nhanh chóng tạo nhiệt, và là con đường đặc biệt quan trọng nhằm bảo đảm thân nhiệt cho động vật khi ngủ đông. Mặc khác các protein này còn có chức năng khá hoàn hảo trong việc ngăn chặn trình trạng stress cho tế bào
IV. ENZIM TỔNG HỢP ATP ( Complex V)
MÔ HÌNH CẤU TẠO ATPSYNTHASE
Enzim tổng hợp ATP Gồm có hai miền
Miền Fo có kênh proton và cuống ( trục) dài, màu xanh
Miền F1 có màu đỏ và màng màu xám.
Enzim tổng hợp ATP là một phức hợp lớn có cấu tạo dạng cây nấm. Ở động vật có vú phức hợp này chứa 16 tiểu phần nhỏ,có khối lượng khoảng 600kD.
- Phần lồng vào trong màng gọi là Fo : chứa một vòng các tiểu phần c và kênh proton, một cái cuống và đầu dưới hình cầu như quả banh gọi là F1 và là vị trí mà ATP sẽ được tổng hợp.Ở phía cuối đầu hình quả banh của F1 có chứa 6 phân tử Protein với hai kiểu khác nhau ( 3 tiểu phần alpha và 3 tiểu phần beta.
Còn cái cuống là một protein là chuỗi gamma, có đầu cuối kéo dài đâm sâu vào đầu hình quả banh và các tiểu phần alpha và beta. Cả hai tiểu phần alpha và beta đều liên kết với các nucleotit, nhưng chỉ có tiểu phần beta xúc tác phản ứng tổng hợp ATP. Kéo dài theo phần F1 quay ngược vào màng là một tiểu phần hình gậy cấm sâu vào các tiểu phần alpha và beta vào đến chân đế của enzim
Enzim tổng hợp ATP còn được gọi là complex V, là enzim cuối cùng trong con đường phosphoryl hóa oxy hóa .
Enzim tổng hợp ATP được tìm thấy trong mọi hoạt động sống và hoạt động như nhau ở tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực. Enzim này dùng năng lượng dự trữ từ sự chênh lệch proton ( gradien proton) xuyên qua màng để thúc đẩy sự tổng hợp ATP từ ADP và phosphat vô cơ (Pi). Ước lượng để tổng hợp 1 ATP cần 3-4 proton. Ở một số tế bào có thể thay đổi số lượng này cho phù hợp với những điều kiện khác nhau.
Phản ứng phosphoryl hóa là một hệ cân bằng động, có thể chuyển dịch bằng cách thay đổi lực đẩy proton.
Khi có mặt lực đẩy proton thì phản ứng tổng hợp ATP diễn ra theo chiều từ phải sang trái ( phản ứng nghịch), để phân giải ATP và bơm proton ra khỏi vùng cơ chất (matrix) xuyên qua màng .
Khi lực đẩy proton lớn thì phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại từ trái qua phải , làm cho gradien nồng độ proton hạ xuống và ADP chuyển thành ATP,

Khi proton vào qua màng xuyên qua kênh vào đế của Enzim tổng hợp ATP thì động cơ điều khiển proton Fo quay tròn. Sự xoay này có thể được gây ra bởi sự thay đổi trong quá trình ion hóa các axit amin trong tiểu phần c , gây ra sự tương tác tĩnh điện thúc đẩy vòng c chạy xuyên qua kênh proton. Vòng xoay này đến lượt sẽ điều khiển sự xoay tròn của trục trung tâm ( là tiểu phần gamma) ở giữa hai tiểu phần alpha và beta. hai tiểu phần alpha và beta sẽ bị ngăn sư xoay quay chúng bằng tay đòn ngang hoạt động như một stator của máy phát điện

Sự chuyển động của đầu mút của tiểu phần gamma trong quả cầu alpha và beta cung cấp năng lượng cho hoạt động bên trong tiểu phần beta trải qua một chu kỳ chuyển động sẽ giải phóng ATP.
Cấu trúc các thành phần của Enzim tổng hợp ATP : ATP có màu đỏ, ADP và Pi có màu hồng, còn tiểu phần xoay tròn gamma có màu đen.

Phản ứng tổng hợp ATP là cơ chế chuyển đổi liên kết liên quan đến vai trò tích cực của tiểu phần beta, xoay tròn giữa 3 trạng thái
- Trạng thái mở: ADP và Pi xâm nhập vào trung tâm hoạt động của enzim ( vị trí tích cực) được tô màu nâu trong sơ đồ. Prtein tiến gần đến phân tử và liên kết lỏng lẽo với chúng.
- Trạng thái rời rạc: được tô màu đỏ, enzim thay đổi hình dạng và liên kết các phân tử này với nhau trong trung tâm hoạt động dẫn đến trạng thái chặt.
-Trạng thái chặt : được tô màu hồng, liên kết những phân tử ATP mới hình thành với ái lực cao, cuối cùng trung tâm hoạt động tích cực này quay lại trạng thái mở giải phóng ATP và kết hợp thêm ADP với Pi , sẳn sàng cho chu kỳ tiếp theo
Ở một số vi khuẩn và vi sinh vật khác, sự tổng hợp ATP thường được điều khiển bởi sự chuyển động của các ion Na xuyên qua màng tế bào hơn là sự chuyển động của các proton ví dụ như Methanococcus cũng chứa enzim tổng hợp A1A0 . Cấu trúc của enzim này được cộng thêm vào phần Protein hơi giống với các tiểu phần cấu trúc của Enzim tổng hợp ATP ở vi khuẩn và tế bào nhân thực.
Ở một số loài, cấu trúc A1A0 của enzim là loại Na chuyên biệt điều khiển Enzim tổng hợp ATP, nhưng điều này có thể không đúng cho mọi trường hợp
V. CÁC CHẤT ÔXY PHÓNG XẠ
Thông tin bổ sung: Các chất oxy hóa mạnh và các chất chống oxy hóa.
Phân tử oxy là chất nhận điện tử lí tưởng cuối cùng, bởi vì nó là chất oxy hóa mạnh. Quá trình khử oxy đã tạo ra các chất độc hại trung gian tiềm tàng. Mặc dù sự vận chuyển 4 proton và 4 điện tử khử oxy tạo thành nước là vô hại nhưng vận chuyển một hoặc hai điện tử sẽ sinh ra các hợp chất superoxide và peroxide anion là các chất oxy phóng xạ nguy hiểm.
Chất oxy phóng xạ này và sản phẩm phản ứng của nó như các gốc hydro tự do rất nguy hiểm cho tế bào vì chúng oxy hóa protein, gây đột biến AND, gây lão hóa và nhiều bệnh tật nguy hiểm
Phức hệ cytocrom c oxidase là phức hợp có hiệu quả cao trong sự khử oxy thành nước, giải phóng rất ít sản phẩm khử trung gian.
Tuy nhiên một lượng cơ chất anionsuperoxide và peroxide được sản xuất trong dây chuyền vận chuyển điện tử, đặc biệt là khử của coenzim Q trong phức hệ III là gốc tự do có tính phóng xạ cao được hình thành như là chất trung gian trong chu kỳ Q.
Chất bất ổn định này dẫn đến sự rò rỉ điện tử khi điện tử vận chuyển đến oxy để hình thành superoxide. Khi sản sinh ra các chất oxy phóng xạ bằng các proton này, các phức hệ bơm có mức điện thế màng cao nhất.
Người ta giả định rằng ty thể đã điều tiết các hoạt động của chúng để duy trì điện thế màng trong phạm vi hẹp ở mức cân bằng trong việc tổng hợp ATP và chống lại các chất oxy hóa chẳng hạn như các chất oxy hóa có thể kích hoạt các protein không ghép đôi để làm giảm điện thế màng.
Để trung hòa các chất oxy phóngxạ này tế bào có chứa nhiều hệ chống oxy hóa tương ứng bao gồm vitamin C, vitamin E, các enzim chống oxy hóa như superoxide dismustate, catalase và peroxidases có khả năng giải độc phóng xạ, hạn chế tổn thương tế bào.
VI.CÁC CHẤT ỨC CHẾ:
Có vài loại thuốc và độc tố khá nổi tiếng tốt có khả năng ức chế quá trình phosphoryl hóa oxy hóa . Bất kỳ một chất nào trong số các độc tố cũng có khả năng ức chế chỉ một enzim trong dây chuyền vận chuyển điện tử, và ức chế bất kỳ bước nào trong quá trình này cũng làm chặn đứng phần còn lại của tiến trình
Ví dụ oligomycin ức chế Enzim tổng hợp ATP, proton không thể đi ngược vào trong ty thể, kết quả là bơm proton không thể hoạt động khi gradien trở nên quá lớn cho chúng vượt qua. NADH không còn bị oxy hóa nữa và chu trình acide citrite ngừng hoạt động bởi vì nồng độ NAD+ tụt xuống dưới mức mà các enzim có thể dùng.
Trong tế bào không chỉ có các chất ức chế là các độc tố ngăn chặn quá trình phosphoryl hóa oxy hóa mà còn có các chất có trong mô mỡ màu nâu, là các Protein điều tiết kênh proton, chúng là các protein không cặp đôi có thể không kết cặp với chuỗi hô hấp để tổng hơp ATP.
Quá trình này nhanh chóng tạo nhiệt, và là con đường đặc biệt quan trọng nhằm bảo đảm thân nhiệt cho động vật khi ngủ đông. Mặc khác các protein này còn có chức năng khá hoàn hảo trong việc ngăn chặn trình trạng stress cho tế bào
Xin cám ơn và kính chào tạm biệt