Quá trình hô hấp tế bào

Hô hấp tế bào bao gồm các phản ứng và quá trình trao đổi chất diễn ra trong tế bào của sinh vật nhằm chuyển hóa năng lượng hóa học từ chất dinh dưỡng thành adenosine triphosphate (ATP) và thải ra các sản phẩm phụ. Các phản ứng liên quan đến hô hấp là các phản ứng phân hủy, phá vỡ các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn, giải phóng năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ liên kết yếu 'cao năng' sang liên kết mạnh hơn trong sản phẩm. Đây là cách chủ yếu để tế bào giải phóng năng lượng hóa học cung cấp cho các hoạt động của nó. Hô hấp tế bào được xem là phản ứng oxy hóa-khử và giải phóng nhiệt. Phản ứng tổng quát thực hiện qua nhiều bước khác nhau, chủ yếu là các phản ứng oxy hóa-khử. Mặc dù hô hấp tế bào có thể được coi là phản ứng đốt cháy từ góc độ kỹ thuật, nhưng thực tế không phải như vậy. Trong tế bào sống, năng lượng được giải phóng dần dần qua một chuỗi các phản ứng thay vì bùng nổ nhiệt như trong phản ứng cháy thông thường.

Các chất dinh dưỡng mà tế bào động vật và thực vật thường sử dụng cho quá trình hô hấp bao gồm đường, amino acid và axit béo, trong khi oxy phân tử (O₂) là chất nhận điện tử phổ biến nhất. Năng lượng hóa học lưu trữ trong ATP (nhóm phosphate thứ ba liên kết yếu với phần còn lại của phân tử và dễ dàng bị phá vỡ để tạo liên kết mạnh hơn, cung cấp năng lượng cho tế bào) có thể được dùng để thúc đẩy các quá trình đòi hỏi năng lượng như tổng hợp sinh học, vận động hoặc vận chuyển các phân tử qua màng tế bào.

Hô hấp hiếu khí

Hô hấp hiếu khí yêu cầu có oxy (O₂) để tổng hợp ATP. Dù carbohydrate, chất béo và protein đều có thể được sử dụng làm nguyên liệu, tế bào ưu tiên tạo pyruvate qua đường phân, rồi pyruvate này được đưa vào ty thể để oxy hóa hoàn toàn trong chu trình Krebs. Quá trình này tạo ra carbon dioxide và nước, năng lượng thu được dùng để phá vỡ liên kết trong ADP, thêm nhóm phosphate thứ ba để tạo thành ATP (adenosine triphosphate) qua phosphoryl hóa mức cơ chất. Ngoài ra, còn tạo ra NADH và FADH₂

ΔG âm cho thấy phản ứng có khả năng xảy ra tự phát.

Thế năng của NADH và FADH₂ được chuyển hóa thành ATP thông qua chuỗi vận chuyển điện tử với oxy làm 'chất nhận điện tử cuối cùng'. Hầu hết ATP trong hô hấp hiếu khí được sản xuất qua phosphoryl hóa oxy hóa, sử dụng năng lượng từ pyruvate để tạo ra thế năng điện hóa bằng cách bơm proton qua màng. Thế năng này làm quay ATP synthase, tạo ATP từ ADP và nhóm phosphate. Sách giáo khoa sinh học thường nói rằng có thể tạo ra 38 phân tử ATP từ mỗi phân tử glucose trong hô hấp tế bào (2 từ đường phân, 2 từ chu trình Krebs và khoảng 34 từ hệ thống vận chuyển electron). Tuy nhiên, sản lượng tối đa này không bao giờ đạt được do mất mát do màng bị rò rỉ và chi phí năng lượng để vận chuyển pyruvate và ADP vào chất nền ty thể, hiện ước tính chỉ có khoảng 29 đến 30 ATP trên mỗi glucose.

Hô hấp hiếu khí hiệu quả gấp 15 lần so với hô hấp kỵ khí (tạo ra 2 phân tử ATP từ 1 phân tử glucose). Tuy nhiên, một số sinh vật yếm khí như vi sinh vật sinh methane có thể tiếp tục hô hấp kỵ khí và tạo ra nhiều ATP hơn bằng cách sử dụng các phân tử vô cơ khác (không phải oxy) làm chất nhận điện tử cuối cùng trong chuỗi vận chuyển điện tử. Hai quá trình này chia sẻ con đường chuyển hóa đường phân, nhưng chỉ hô hấp hiếu khí tiếp tục với chu trình Krebs và phosphoryl hóa oxy hóa. Các phản ứng sau đường phân xảy ra trong ti thể ở tế bào nhân chuẩn và trong tế bào chất ở tế bào nhân sơ.

Khái quát về hô hấp hiếu khí

1. Quá trình đường phân:

--- 2 ATP + Glucose → 2 Pyruvate + 4 Hydro + 2 ATP

2. Tạo Acetyl CoA:

--- 2 Pyruvate + 2 CoA → 2 Acetyl CoA + 2 Carbon Dioxide + 2 Hydro

3. Chu trình Krebs:

--- 2 Acetyl CoA + 3 O2 → 6 Hydro + 4 Carbon Dioxide + 2 ATP

4. Chuỗi truyền electron:

--- 12 Hydro + 3 O2 → 6 nước + 34 ATP

Phương trình tổng kết:

--- Glucose + 6 O2 → 6 Carbon Dioxide + 6 nước + 38 ATP

Quá trình đường phân

Đường phân là quá trình trao đổi chất xảy ra trong tế bào chất của tất cả các sinh vật, có thể diễn ra trong cả môi trường có oxy và không có oxy. Ở người, khi có oxy, quá trình này tạo ra pyruvate, còn khi thiếu oxy, nó tạo ra axit lactic. Trong điều kiện có oxy, một phân tử glucose sẽ được chuyển hóa thành hai phân tử pyruvate (axit pyruvic) và sinh ra hai phân tử ATP. Mặc dù thực tế mỗi phân tử glucose có thể tạo ra bốn phân tử ATP, nhưng hai phân tử ATP bị tiêu thụ trong giai đoạn chuẩn bị. Phosphoryl hóa glucose ban đầu là cần thiết để kích hoạt glucose, giúp phân tử này tách thành hai phân tử pyruvate nhờ enzyme aldolase. Trong giai đoạn thu hồi năng lượng, bốn nhóm phosphate được chuyển đến ADP qua cơ chế phosphoryl hóa mức cơ chất để tạo ra bốn ATP, và hai NADH được sinh ra khi pyruvate bị oxy hóa. Phản ứng tổng quát có thể viết như sau:

Glucose + 2 NAD + + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H + 2 H₂O + nhiệt

Bắt đầu từ glucose, 1 ATP được sử dụng để thêm một nhóm phosphate vào glucose tạo thành glucose 6-phosphate. Glycogen cũng có thể chuyển thành glucose 6-phosphate với sự hỗ trợ của enzyme glycogen phosphorylase. Trong quá trình chuyển hóa, glucose 6-phosphate chuyển thành fructose 6-phosphate. Một ATP bổ sung được dùng để phosphoryl hóa fructose 6-phosphate thành fructose 1,6-diphosphate nhờ enzyme phosphofructokinase. Fructose 1,6-diphosphate sau đó phân tách thành hai phân tử phosphoryl hóa có ba carbon, tiếp tục chuyển hóa thành pyruvate.

Đường phân có thể được hiểu là 'phân cắt đường'

Khử carboxyl hóa oxy hóa pyruvate

Pyruvate được chuyển hóa thành acetyl-CoA và CO₂ thông qua phản ứng của phức hợp pyruvate dehydrogenase (PDC). Phức hợp PDC, chứa nhiều bản sao của ba enzyme, nằm trong ti thể của tế bào eukaryote và trong bào tương của tế bào prokaryote. Quá trình này không chỉ tạo ra acetyl-CoA mà còn sinh ra một phân tử NADH và một phân tử CO₂.

Chu trình acid citric

Chu trình acid citric, còn gọi là chu trình Krebs hay chu trình axit tricarboxylic, diễn ra khi pyruvate từ quá trình đường phân được chuyển đổi thành acetyl-CoA. Trong điều kiện có oxy, acetyl-CoA đi vào chu trình Krebs trong ti thể, nơi nó bị oxy hóa thành CO₂ đồng thời chuyển NAD thành NADH. NADH sau đó tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử để tạo thêm ATP qua phosphoryl hóa oxy hóa. Nếu không có oxy, pyruvate sẽ chuyển hóa qua con đường lên men. Để hoàn tất quá trình oxy hóa một phân tử glucose, hai acetyl-CoA phải trải qua chu trình này. Các sản phẩm phụ của chu trình bao gồm H₂O và CO₂.

Chu trình acid citric bao gồm 8 bước và liên quan đến 18 loại enzyme và co-enzyme khác nhau. Trong chu trình, acetyl-CoA (2 nguyên tử carbon) kết hợp với oxaloacetat (4 nguyên tử carbon) để tạo ra citrate (6 nguyên tử carbon). Citrate sau đó được chuyển đổi thành isocitrate (6 nguyên tử carbon), rồi biến đổi thành α-ketoglutarate (5 nguyên tử carbon), tiếp theo là succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate và cuối cùng trở lại oxaloacetate.

Mỗi chu trình tạo ra 3 phân tử NADH, 1 phân tử FADH₂ và 1 phân tử GTP; GTP có thể được chuyển đổi thành ATP. Vì vậy, từ một phân tử glucose (tương ứng với 2 phân tử pyruvate), tổng sản lượng là 6 NADH, 2 FADH₂ và 2 ATP.

Phosphoryl hóa oxy hóa

Trong tế bào eukaryote, phosphoryl hóa oxy hóa diễn ra tại các mào (cristae) của ti thể. Quá trình này bao gồm chuỗi vận chuyển điện tử tạo ra gradient proton (thế năng hóa học) giữa hai bên màng trong ti thể bằng cách oxy hóa NADH từ chu trình Krebs. Enzyme ATP synthase sử dụng gradient proton để tổng hợp ATP từ ADP và phosphate. Các electron cuối cùng được chuyển đến oxy, và cùng với hai proton, nước được hình thành.

Hiệu suất tổng hợp ATP

Dù lý thuyết cho rằng mỗi phân tử glucose có thể tạo ra 38 ATP trong quá trình hô hấp tế bào, thực tế thường thấp hơn do tổn thất năng lượng trong quá trình vận chuyển pyruvate, phosphate và ADP vào ti thể. Các chất này được vận chuyển chủ động nhờ vào năng lượng từ gradient điện hóa proton.

• Pyruvate được chuyển vào chất nền của ti thể nhờ một chất mang chuyên biệt, với chỉ số Km thấp giúp quá trình oxy hóa bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase diễn ra hiệu quả.
• Chất mang phosphat (PiC) hoạt động theo cơ chế đối cảng (vận chuyển hai chất ngược chiều nhau) để đưa phosphate (H₂PO₄; Pi) và OH vào màng trong, hoặc vận chuyển đồng cảng (vận chuyển hai chất cùng chiều nhau) để đưa phosphate và proton (H +) vào ti thể. Động lực của quá trình này là lực đẩy proton và cả hai quá trình đều trung hòa về điện.
• ATP-ADP translocase (còn gọi là adenine nucleotide translocase, ANT) là một chất mang đối cảng vận chuyển ADP và ATP qua màng trong ti thể. Động lực của quá trình này là do ATP (−4) có điện tích âm hơn ADP (−3), làm giảm một phần điện của gradient điện hóa.

Khi sử dụng gradient điện hóa proton, để tạo ra 1 ATP cần hơn 3 proton (như lý thuyết). Thực tế, điều này giảm hiệu quả lý thuyết của toàn bộ quá trình, với sản lượng tối đa chỉ đạt 28-30 ATP. Thực tế, hiệu quả có thể thấp hơn do màng bên trong ti thể bị 'rò rỉ' proton. Các yếu tố khác cũng có thể làm tăng hiện tượng 'rò rỉ' này. Một protein không kết cặp gọi là thermogenin, có thể vận chuyển proton, được biểu hiện trong một số loại tế bào và khi hoạt động ở màng trong ti thể, nó ngắt mạch nối giữa chuỗi vận chuyển electron và tổng hợp ATP, biến thế năng từ gradient proton thành nhiệt. Điều này đặc biệt quan trọng cho quá trình sinh nhiệt ở mô mỡ nâu của các động vật có vú sơ sinh hoặc ngủ đông.

Các nguồn thông tin mới cho thấy hiệu suất ATP trong hô hấp hiếu khí không phải là 36–38 mà chỉ khoảng 30–32 phân tử ATP cho mỗi phân tử glucose vì:

• Tỷ lệ ATP: NADH+H và ATP: FADH₂ trong phosphoryl hóa oxy hóa không phải là 3 và 2 như lý thuyết, mà thực tế chỉ là 2,5 và 1,5 tương ứng. Khó thiết lập tỷ lệ này trong quá trình phosphoryl hóa ở mức cơ chất.
• ATP synthase tạo ra 1 ATP từ 3 proton. Tuy nhiên, quá trình trao đổi ATP với ADP và Pi qua trung gian bởi ATP-ADP translocase và chất mang phosphate tiêu tốn 1 proton cho mỗi ATP, do đó tỷ lệ thực tế là 1 ATP: 4 proton.
• 1 NADH + H+ có thể chuyển 10 proton (4 + 2 + 4) và 1 FADH₂ có thể chuyển 6 proton (2 + 4) qua màng trong chuỗi chuyền điện tử.

Do đó, định lượng hóa học cuối cùng là

1 NADH+H: 10 proton +: 10/4 ATP = 1 NADH+H: 2,5 ATP

1 FADH₂: 6 proton +: 6/4 ATP = 1 FADH₂: 1,5 ATP

• Tỷ lệ ATP: NADH+H trong đường phân khi phosphoryl hóa oxy hóa là
• 1,5 nếu các nguyên tử hydro (2H+ 2e) được chuyển từ NADH+H tế bào chất vào FAD của ti thể qua hệ thống con thoi glycerol phosphate nằm trong màng ti thể.
• 2,5 nếu hệ thống con thoi malate-aspartate chuyển các nguyên tử hydro từ NADH+H tế bào chất đến NAD của ti thể.

Do đó, tổng kết lại, mỗi phân tử glucose sẽ tạo ra:

Phosphoryl hóa mức cơ chất: 2 ATP từ đường phân cộng với 2 ATP (trực tiếp từ GTP) từ chu trình Krebs

Oxy hóa phosphoryl hóa

2 NADH+H từ đường phân: 2 × 1,5 ATP (với hệ thống con thoi glycerol phosphate) hoặc 2 × 2,5 ATP (với hệ thống con thoi malate-aspartate)

2 NADH+H từ quá trình khử carboxyl hóa pyruvate và 6 NADH từ chu trình Krebs: 8 × 2,5 ATP

2 FADH₂ từ chu trình Krebs: 2 × 1,5 ATP

Tổng cộng cho 4 + 3 (hoặc 5) + 20 + 3 = 30 (hoặc 32) ATP trên mỗi phân tử glucose

Trong quá trình lên men ethanol hoặc lactic, tổng lượng ATP chỉ đạt 2 phân tử từ đường phân, vì pyruvate không được chuyển vào ty thể để chuyển hóa thành carbon dioxide (CO2), mà bị chuyển hóa thành ethanol hoặc axit lactic trong tế bào chất.

Chú thích