6.7. HOÁ SINH HÔ HẤP
6.7.3. Chu trình citric acid
Chu trỡnh citric acid xảy ra trong chất nền ty thể, ở phần lớn tế bào; cũn ủược gọi là chu trình Krebs (do Hans Krebs tìm ra năm 1937) hay chu trình các tricarboxylic acid (vì là vòng luân chuyển của các acid có ba nhóm carboxyl). Thông qua chu trình này, các sản phẩm trung gian của quỏ trỡnh thoỏi hoỏ carbohydrate, acid bộo và acid amin ủược ụxy hoỏ hoàn toàn.
Các phản ứng của chu trình citric acid:
- Phản ứng tổng hợp citrate:
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 142 Trong phản ứng ủầu tiờn, acetyl.CoA ngưng tụ với oxaloacetate tạo thành citrate nhờ sự xúc tác của enzyme citrate synthase, thực chất là C trong nhóm methyl của acetyl.CoA gắn với nhóm carbonyl (C-2) của oxaloacetate.
- Phản ứng ủồng phõn hoỏ citrate thành isocitrate:
Enzyme xúc tác là aconitase. Ở trạng thái cân bằng tồn tại 90% citrate, 3% cis-aconitate và 7% isocitrate, do ủú cõn bằng theo hướng citrate.
- Phản ứng khử carboxyl ôxy hoá chuyển isocitrate thành α- ketoglutarate:
Isocitrate bị khử carboxyl ôxy hoá dưới tác dụng của enzyme isocitrate dehydrogenase.
- Phản ứng khử carboxyl ôxy hoá α- ketoglutarate thành succinyl.CoA:
Phản ứng này ủược tổ hợp α- ketoglutarate dehydrogenase xỳc tỏc. Cấu tạo và cơ chế hoạt ủộng của tổ hợp này giống như tổ hợp pyruvate dehydrogenase. Trong quỏ trỡnh ụxy hoỏ, phần lớn năng lượng giải phúng tập trung trong NADH, một phần ủược giữ lại trong liờn kết thioester giàu năng lượng của succinyl.CoA.
- Phản ứng tạo succinate:
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 143 Nhờ sự xúc tác của succinyl.CoA synthetase (còn gọi là succinate thiokinase), succinyl.CoA chuyển thành succinate. Năng lượng giải phóng khi phân giải liên kết thioester của succinyl.CoA ủược chuyển thành năng lượng trong ATP thụng qua sự tạo thành GTP.
GTP tạo thành cú thể chuyển nhúm phosphoryl thứ ba cho ADP ủể tạo ATP. ðõy là phản ứng thuận nghịch, do enzyme nucleoside diphosphate kinase xúc tác:
GTP + ADP ↔ GDP + ATP
- Ôxy hoá succinate thành fumarate: nhờ tác dụng của succinate dehydrogenase.
- Phản ứng hợp nước của fumarate tạo thành malate: dưới tác dụng của fumarase.
- Ôxy hoá malate thành oxaloacetate: ðây là phản ứng cuối cùng, khép lại chu trình, do malate dehydrogenase có coenzyme là NAD+ xúc tác.
Phân tử oxaloacetate hình thành có thể tiếp tục ngưng tụ với phân tử acetyl.CoA mới.
Kết quả của chu trình citric acid:
Chu trình ôxy hoá hoàn toàn gốc acetyl. Trong chu trình có 2 phản ứng khử carboxyl loại CO2 và 4 phản ứng ụxy hoỏ, tỏch ra ủược 4 cặp hydro cao năng (3 NAD.H và 1 FADH2).
Các cặp hydro cao năng này sẽ bị ôxy hoá trong chuỗi hô hấp tế bào và giải phóng năng lượng, tổng hợp ATP; từ NADH tạo ra 2,5 ATP và từ FADH2 tạo ra 1,5 ATP. Năng lượng giải phóng khi phân giải liên kết thioester của succinyl.CoA tạo 1GTP (1ATP). Như vậy, một vũng của chu trỡnh ủốt chỏy hoàn toàn gốc acetyl (2C) sẽ cung cấp năng lượng tương ủương 10 ATP.
Ý nghĩa của chu trình citric acid:
Chu trỡnh citrate ủúng vai trũ trung tõm trong quỏ trỡnh trao ủổi chất và năng lượng, cú ý nghĩa cảủối với cỏc quỏ phõn giải và nhiều quỏ trỡnh sinh tổng hợp cỏc chất.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 144 Chu trình là cơ chế ôxy hoá cuối cùng chung cho nhiều sản phẩm trung gian của sự phân giải carbohydrate, lipid và protein. Tuy chỉ tạo ra trực tiếp 1ATP (từ GTP), song chu trỡnh lại là cơ chế tạo ra cỏc cặp hydro cao năng khỏ hiệu quả; 4 cặp hydro tạo thành sẽủược ụxy hoỏ nhờ chuỗi cỏc enzyme hụ hấp và tạo ra nhiều ATP như sẽ thấy ở phần dưới ủõy. Mặt khác, nhiều sản phẩm trung gian của chu trình có thể là nguyên liệu cho các quá trình sinh tổng hợp.
Hỡnh 6-38. Sơ ủồ tổng quỏt của chu trỡnh citric acid 6.7.4. Sự phosphoryl hoá ôxy hoá
Cỏc cặp hydro cao năng NADH và FAD.H2ủược tạo ra trong quỏ trỡnh ủường phõn, ụxy hoỏ acid bộo và chu trỡnh citric acid ủược ủưa vào chuỗi hụ hấp (chuỗi vận chuyển ủiện tử).
Trong quỏ trỡnh vận chuyển ủiện tử từ NADH và FADH2 tới O2 thụng qua một loạt cỏc thành viờn của chuỗi hụ hấp, năng lượng tự do ủược giải phúng hợp diễn với sự tạo thành ATP.
Khi ụxy hoỏ 1 mol NADH bởi ụxy (chuyển 2 e-) trong cỏc ủiều kiện chuẩn hoỏ sinh giải phóng 52,6 kcal năng lượng tự do. ðể tạo 1mol ATP từ ADP và Pi cần có 7,3 kcal; vậy lượng năng lượng 52,6 kcal núi trờn thừa ủủủể tạo ra nhiều ATP. Chuỗi hụ hấp, gồm nhiều thành viên tạo ra bởi 4 tổ hợp, giúp chia nhỏ số năng lượng tự do trên thành những lượng nhỏ thuận tiện cho phản ứng tạo ATP trong quá trình phosphoryl hoá ôxy hoá.
Cỏc protein gắn ở màng trong của ty thểủược tổ chức thành 4 tổ hợp hụ hấp của chuỗi vận chuyển ủiện tử. Mỗi tổ hợp gồm một số thành viờn là protein và một số nhúm phụ ghộp có hoạt tính ôxy hoá khử với thế khử chuẩn giảm dần (khả năng ôxy hoá tăng dần).
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 145 Hỡnh 8-39. Sơ ủồ ủơn giản của chuỗi hụ hấp (Theo Donal Voet và Judith G. Voet; 1995)
ðiện tửủược chuyển từ tổ hợp I sang tổ hợp III nhờ CoQ và từ tổ hợp III sang tổ hợp IV nhờ cytochrome c. Tổ hợp II (khụng chỉ ra ởủõy) chuyển ủiện tử từ succinate sang CoQ.
Tổ hợp I (NADH- Coenzyme Q reductase): tỏch ủiện tử từ NADH (của cỏc enzyme dehydrogenase khác nhau, tương ứng cho các cơ chất khác nhau) chuyển sang cho CoQ. ðây là tổ hợp lớn nhất, gắn một phõn tử FMN cựng với 6-7 chựm Fe-S, giỳp việc chuyền ủiện tử.
Tổ hợp II (Succinate - CoQ reductase): chuyển ủiện tử từ succinate sang CoQ. Tổ hợp này gồm enzyme succinate dehydrogenase có nhóm ghép FAD, các chùm Fe-S và một cytochrome b560 tham gia chuyển ủiện tử. Năng lượng giải phúng khi chuyển e- từ succinate sang CoQ thấp, khụng ủủủể tạo ATP. Tuy nhiờn, tổ hợp II vẫn quan trọng, vỡ ủõy cũng là một cửa ủưa ủược ủiện tử cao năng vào chuỗi hụ hấp.
Tổ hợp III (CoQ-cytochrome c reductase): gồm hai cytochrome b, một cytochrome c1 và một chựm FeS, chuyển ủiện tử từ CoQH2 (dạng khử) sang cytochrome c.
Cytochrome là những protein chứa nhúm hem, trong ủú sắt thay ủổi hoỏ trị giữa sắt ba và sắt hai khi nhận và nhảủiện tử.
Tổ hợp IV (Cytochrome c oxidase): tỏch ủiện tử từ cytochrome c (dạng Fe2+) ủể chuyển cho ôxy nguyên tử (O2) tạo nước (nhờ H+ lấy từ chất nền).
Hỡnh 6-30.Sơ ủồ giải thớch thuyết hoỏ thẩm thấu của P. Mitchell
(Theo Donal Voet và Judith G. Voet; 1995)
Quỏ trỡnh vận chyển ủiện tử làm H+ bịủẩy từ chất nền ra khoảng giữa hai màng, tạo nờn một sự chờnh lệch nồng vềủộ proton và ủiện tớch, gộp lại là một gradient ủiện hoỏ proton. Khi gradient ủiện hoỏ này bị hoỏ giải do H+ qay về chất nền qua tổ hợp V (ATP- synthase), ATP ủược tạo thành từ ADP và Pi.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Giỏo trỡnh Hoỏ sinh ủại cương...……… …… 146 Sự tổng hợp ATP từ ADP và Pi là một phản ứng thu năng lượng và nguồn cung cấp lấy từ quỏ trỡnh vận chuyển ủiện tử ở chuỗi hụ hấp. Tổ hợp ATP-synthase nằm riờng biệt với chuỗi hô hấp.
Thuyết hoỏ thẩm thấu của Peter Mitchell (1961) là một quan ủiểm hoàn toàn mới mẻ ủối với sự phosphoryl hoỏ ụxy hoỏ và vấn ủề màng sinh học núi chung. Tuy nhiờn, ngày càng cú nhiều thực nghiệm chứng tỏ quan ủiểm này là ủỳng. ðến 1978, P. Mitchell ủó ủược trao giải thưởng Nobel vì công trình này. Dù ở một vài chi tiết còn chưa thật sáng tỏ, nhưng ý tưởng về một gradient ủiện hoỏ proton với tư cỏch là dạng dự trữ trung gian của năng lượng giải phúng ra trong quỏ trỡnh vận chuyển ủiện tử ở chuỗi hụ hấp, ngày nay ủó ủược khảng ủịnh. ðõy là xuất phỏt ủiểm cơ bản cho mọi nghiờn cứu hiện ủại về năng lượng sinh học.
Vấn ủề mấu chốt của thuyết này là: năng lượng tự do của sự vận chuyển ủiện tửủược bảo tồn do sự bơm H+ từ chất nền ty thể ra khoảng không gian giữa hai màng và tạo thành gradient ủiện hoỏ proton qua màng trong ty lạp thể. Sau ủú, thế năng ủiện hoỏ này ủược dựng ủể tổng hợp ATP.