Ý nghĩa sinh học của Quá trình hô hấp tế bào là gì

Hô hấp hiếu khí bắt buộc phải có oxy [O2] để tạo ra ATP. Mặc dù carbohydrate, chất béo và protein đều có thể sử dụng làm chất phản ứng, phương pháp "ưa thích" của tế bào là tạo ra pyruvate trong đường phân và pyruvate đó sẽ đi vào ty thể để được oxy hóa hoàn toàn bởi chu trình Krebs. Các sản phẩm của quá trình này là carbon dioxide và nước, năng lượng có được sẽ sử dụng để phá vỡ liên kết trong ADP trong khi nhóm phosphate thứ ba được thêm vào để tạo nên ATP [adenosine triphosphate], theo phương pháp phosphoryl hóa mức cơ chất. Ngoài ra, sản phẩm còn có NADH và FADH2

ΔG âm chỉ ra rằng phản ứng này có thể xảy ra một cách tự phát.

Thế năng của NADH và FADH2 được chuyển đổi thành nhiều ATP hơn thông qua một chuỗi vận chuyển điện tử với oxy là "chất nhận điện tử cuối cùng". Hầu hết ATP được sản xuất bởi hô hấp hiếu khí được tạo ra bởi quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Phương thức này hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng giải phóng từ pyruvate để tạo ra một thế năng điện hóa bằng cách bơm proton qua màng. Thế năng này sau đó được sử dụng để làm quay ATP synthase và tạo ra ATP từ ADP và một nhóm phosphate. Sách giáo khoa sinh học thường viết có 38 phân tử ATP có thể được tạo ra cho mỗi phân tử glucose oxy hóa trong quá trình hô hấp tế bào [2 từ đường phân, 2 từ chu trình Krebs, và khoảng 34 từ hệ thống vận chuyển electron].[2] Tuy nhiên, sản lượng tối đa này không bao giờ đạt được do thất thoát vì màng bị rò rỉ cũng như chi phí năng lượng để vận chuyển pyruvate và ADP vào chất nền ty thể, và ước tính hiện tại thì chỉ có khoảng 29 đến 30 ATP trên mỗi glucose.[2]

Hô hấp hiếu khí có hiệu quả gấp 15 lần so với hô hấp kỵ khí [tạo ra 2 phân tử ATP trên 1 phân tử glucose]. Tuy nhiên, một số sinh vật yếm khí, chẳng hạn như vi sinh vật sinh methane có thể tiếp tục hô hấp kỵ khí, 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 đi chung con đường ban đầu của quá trình chuyển hóa đường phân nhưng chỉ hô hấp hiếu khí mới tiếp tục với chu trình Krebs và phosphoryl hóa oxy hóa. Các phản ứng sau đường phân diễn ra trong ti thể trong các tế bào nhân chuẩn, và trong tế bào chất trong tế bào nhân sơ.

Tổng quan hô hấp hiếu khíSửa đổi

1. Đường phân:

--- 2 ATP + Glucose → 2 Acid Pyruvic + 4 Hydro + 4 ATP

2. Hình thành Acetyl CoA:

--- 2 Acid Pyruvic + 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 điện tử:

--- 12 Hydro + 3 O2 → 6 nước + 32 ATP

Phương trình tổng quát:

--- Glucose + 6 O2 → 6 Carbon Dioxide + 6 nước + 36 ATP

Đường phânSửa đổi

Xem thêm: Đường phân

Đường phân là con đường trao đổi chất diễn ra trong bào tương ở tất cả các sinh vật sống. Con đường này có thể diễn ra trong cả điều kiện hiếu khí và yếm khí. Ở người, điều kiện hiếu khí tạo ra pyruvate và yếm khí tạo ra axit lactic. Trong điều kiện hiếu khí, một phân tử glucose sẽ được biến đổi thành hai phân tử pyruvate [axit pyruvic], và thu về năng lượng dưới dạng hai phân tử ATP. Trên thực tế, thì mỗi glucose có thể tạo ra bốn phân tử ATP, tuy nhiên, hai phân tử được tiêu thụ như là một phần của giai đoạn chuẩn bị. Sự phosphoryl hóa glucose ban đầu là cần thiết để hoạt hóa glucose [làm giảm độ ổn định] để phân tử này có thể được tách thành hai phân tử pyruvate bởi enzyme aldolase. Trong giai đoạn thu hồi năng lượng của đường phân, bốn nhóm phosphate được chuyển đến ADP theo cơ chế phosphoryl hóa mức cơ chất để tạo ra bốn ATP, và hai NADH được tạo ra khi pyruvate bị oxy hóa. Phản ứng tổng thể có thể được viết như sau:

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

Bắt đầu với glucose, 1 ATP được sử dụng để chuyển một nhóm phosphate đến glucose để tạo ra glucose 6-phosphate. Glycogen cũng có thể được chuyển thành glucose 6-phosphate với sự giúp đỡ của enzyme glycogen phosphorylase. Trong quá trình chuyển hóa năng lượng, glucose 6-phosphate được biến đổi thành fructose 6-phosphate. Một ATP bổ sung được sử dụng để phosphoryl hóa fructose 6-phosphate thành fructose 1,6-disphosphate nhờ enzyme phosphofructokinase. Fructose 1,6-diphosphate sau đó được phân tách thành hai phân tử được phosphoryl hóa với mạch khung ba carbon và tiếp tục được biến đổi thành pyruvate.

Đường phân có thể được dịch theo nghĩa đen là "tách đường"[3]

Khử carboxyl hóa oxy hóa pyruvateSửa đổi

Pyruvate tiếp theo bị oxy hóa thành acetyl-CoA và CO2 bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase [PDC]. PDC chứa nhiều bản sao của ba enzyme và nằm trong ti thể của các tế bào nhân chuẩn và trong bào tương của sinh vật nhân sơ. Trong quá trình chuyển đổi pyruvate thành acetyl-CoA, một phân tử NADH và một phân tử CO2 cũng được tạo thành.

Chu trình acid citricSửa đổi

Xem thêm: Chu trình Krebs

Chu trình này cũng được gọi là chu trình Krebs hoặc chu trình axit tricarboxylic. Khi có oxy, pyruvate tạo ra từ quá trình đường phân sẽ được chuyển đổi thành acetyl-CoA. Khi acetyl-CoA được hình thành, hô hấp hiếu khí hoặc kỵ khí có thể xảy ra.[4] Khi có oxy, ti thể sẽ trải qua hô hấp hiếu khí dẫn đến chu trình Krebs. Tuy nhiên, nếu không có oxy, phân tử pyruvate sẽ đi theo con đường lên men. Trong trường hợp có oxy, sau khi acetyl-CoA được tạo ra, phân tử này sẽ đi vào chu trình axit citric [chu trình Krebs] bên trong chất nền ty thể, và bị oxy hóa thành CO2 trong khi đồng thời khử NAD thành NADH. NADH có thể được sử dụng bởi chuỗi vận chuyển điện tử để tạo thêm ATP như một phần của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Để oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucose, hai acetyl-CoA phải được chuyển hóa bởi chu trình Krebs. Hai sản phẩm "thừa" tế bào, H2O và CO2, cũng được tạo ra trong chu kỳ này.

Chu trình axit citric là một chu trình gồm 8 bước liên quan đến 18 loại enzyme và co-enzyme khác nhau.[4] Trong chu trình này, acetyl-CoA [mạch khung có: 2 nguyên tử cacbon] + oxaloacetat [4 nguyên tử cacbon] tạo ra citrate [6 nguyên tử cacbon], được sắp xếp lại thành dạng phản ứng có tên gọi isocitrate [6 nguyên tử cacbon]. Isocitrate được biến đổi thành α-ketoglutarate [5 nguyên tử cacbon], succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate và cuối cùng là oxaloacetate.

Năng lượng thực tế thu được từ một chu kỳ là 3 NADH, 1 FADH2 và 1 GTP; GTP sau đó có thể được sử dụng để sản xuất ATP. Như vậy, tổng sản lượng từ 1 phân tử glucose [2 phân tử pyruvate] là 6 NADH, 2 FADH2 và 2 ATP.

Phosphoryl hóa oxy hóaSửa đổi

Xem thêm: ATP synthase và Chuỗi chuyền điện tử

Ở sinh vật nhân thực, phosphoryl hóa oxy hóa xảy ra trong các mào [cristae] của ti thể. Quá trình này bao gồm chuỗi vận chuyển điện tử giúp tạo ra một gradient proton [thế năng hóa học] giữa hai bên màng trong ty thể bằng cách oxy hóa NADH được tạo ra từ chu trình Krebs. ATP được tổng hợp bởi enzyme tổng hợp ATP khi gradient hóa thẩm được sử dụng để điều khiển sự phosphoryl hóa của ADP. Các electron cuối cùng được chuyển tới oxy ngoại sinh và, nhờ việc bổ sung hai proton, nước được tạo ra.