4.5 Hoá sinh hô hấp
4.5.4 Hô hấp háo khí (chu trinh Krebs)
Chu trình tricarboxylic, hay là chu trình Krebs được giải thích bởi Hans Krebs, và Schueler Otto Warburg. Nhờ phát minh này mà Krebs nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1953.
Chu trình này xảy ra ở trong ty thể. Cơ quan tử này có thể so sánh được với lục lạp, thực ra nó nhỏ hơn lục lạp (đường kính 0.5-1 m), tuy nhiên về cấu tạo và chức năng chúng tương tự nhau (hình 4.22)
.
Hình 4.22 Sơ đồ cấu tạo của ty thể: hình phía trên là sơ đồ cắt ngang qua ty thể, hình phía dưới là cắt một phần ty thể
Người ta cho rằng cũng như ở lục lạp, các ty thể đã xuất hiện trước đây khoảng 109 năm trong những cơ thể độc lập, trong quá trình tiến hoá chúng được sinh vật nhân chuẩn “bắt” và hoà nhập. Những tế bào có sự biến đổi năng lượng lớn chứa nhiều ty thể, như tế bào mô cơ hoặc tế bào gan, chúng có hơn 1000 ty thể trong một tế bào. Ty thể xuất hiện dưới kính hiển vi là những hạt nhỏ hoặc sợi.
Tuy nhiên, dưới kính hiển vi điện tử, ty thể được bao bọc bởi màng ngoài và bên trong là một hệ thống màng kéo dãn với nhiều sự uốn cong vào. Nhờ cấu trúc này mà màng trong có diện tích bề mặt lớn hơn màng ngoài khoảng 5 lần. Màng ngoài cho những phân tử có trọng lượng lớn (đến 10.000 Da) thấm qua, vì màng này chứa những protein như là những kênh vận chuyển. Màng trong khó thấm qua hơn và vận chuyển các chất có tính chọn lọc. Màng trong bao quanh stroma, trong stroma chứa các enzyme của chu trình Krebs và enzyme phân giải chất béo (hình 4.22).
Ngược lại trên màng trong ty thể có các enzyme và hệ thống oxy hoá. Ở đây tương tự như lục lạp, chuỗi vận chuyển e- định vị trên màng thylacoid và các enzyme của chu trình Calvin trong matrix.
Màng ngoài
Màng trong
Matrix Khoảng giữa hai màng
Khoảng giữa hai màng Matrix
Màng ngoài Màng trong
Cơ chất của chu trình Krebs, pyruvate là sản phẩm của quá trình đường phân. Nó được vận chuyển từ tế bào chất qua màng trong ty thể đến stroma và ở đây nó được khử carboxyl hoá oxy hoá nhờ enzyme pyruvate dehydrogenase. Pyruvate dehydrogenase là một ví dụ về đa enzyme, gồm một phức hệ chứa carboxylase, transacetylase và dehydrogenase. Bên cạnh đó trong phản ứng còn có các nhóm prostetic là thyaminpyrophosphate, liponic acid, coenzyme NAD+ và Coenzyme A. Sau đây là các bước cụ thể của chu trình Krebs (hình 4.23). Pyruvate bị khử carboxyl hoá oxy hoá trước khi đi vào chu trình.
Tương tự quá trình đường phân chu trình Krebs là một ví dụ nói lên rằng trong cơ thể sống các phản ứng phân giải các chất chứa nhiều năng lượng thực hiện theo từng bước. Ở mỗi chu trình Krebs lấy vào 1 phân tử acetyl CoA.
1. Pyruvic acid được chuyển thành acetyl CoA bằng phản ứng khử carboxyl hoá oxy hoá. Ở phản ứng oxy hoá năng lượng giải phóng ra được liên kết trong NADH và trong liên kết cao năng của acetyl-CoA.
2. Năng lượng chứa trong liên kết cao năng của acetyl-CoA đủ để gắn acetate vào oxaloacetate tạo thành citrate.
3. Qua sự ngưng tụ này 1 phân tử có 6 nguyên tử C được tạo nên. Phản ứng được xúc tác bởi enzyme citrate synthetase. Bằng phản ứng 3 và 4 citric acid được biến đổi thành isocitric acid qua aconitic acid.
OH
CH2 – C – CH2 + CoASH
COOH COOH COOH Citric acid
+ H2O
Oxaloacetic acid
O C SCoA O
CH2 – C + HCH2 -
COOH COOH
CO ~ SCoA
CH3
Acetyl - CoA COO H
C = O
CH3
Pyruvic acid
CoASH + NAD+ NADH + H+ + CO2
4. Dưới tác dụng của aconitase (hydratase) xảy sự kết hợp với nước.
Ở trạng thái cân bằng citric acid chiếm 91%, aconitic acid 3% và isocitric acid 6%.
5. Ở hình 4.23, phản ứng 5 và 6 được thực hiện bởi enzyme isocitrate dehydrogenase. Trước hết isocitric acid được oxy hoá thành oxalosuccinic acid và sau đó được khử carboxyl hoá thành axit - cetoglutaric acid.
6. Có hai dạng isocitrate dehydrogenase, 1 dạng cùng với NAD+ và 1 dạng cùng với NADP+. Ở ty thể isocitrate dehydrogenase dạng NAD+ quan trọng hơn.
7. Bằng phản ứng khử carboxyl hoá oxy hoá - cetoglutaric acid được biến đổi thành succinyl-CoA. Enzyme xúc tác là 1 phức hệ - cetoglutarate dehydrogenase. Phản ứng và enzyme tương tự sự khử carboxyl hoá oxy hoá pyruvic acid.
COOH
CH2
CH2 COOH
CH2
CH2
NAD+ NADH + H+
+ CO2
+ CoA-SH CH2 - COOH
CH - COOH
H OC H - COOH Isocitric acid
CH2 - COOH
CH - COO H
O=C - COOH Oxalosuccinic acid
COOH
CH2
CH2
C=O
COOH -cetoglutaric acid NAD+ NADH + H+
CO2
CH2 - COOH
CH - COOH
HOCH - COOH Isocitric acid CH2 - COOH
HO C - COOH
H CH - COOH Citric acid
CH2 - COOH
CH - COOH
CH - COOH Aconitic acid
- H2O + H2O
8. Từ succinyl-CoA, succinic acid được tạo thành. Liên kết giàu năng lượng của succinyl-CoA được bẻ gãy, năng lượng giải phóng ra dùng để tổng hợp guanosintriphosphate (GTP) từ guanosindiphosphate (GDP) và phosphate vô cơ. Trong cơ thể thực vật GTP được tạo thành tương tự như ATP.
9. Dưới tác dụng của FAD succcinate bị oxy hoá để tạo thành fumarate.
Enzyme này là một flavoprotein, có nhóm prostetic là FAD được gọi là succinate dehydrogenase. Ở sự oxy hoá succinate thành fumarate năng lượng giải phóng không đủ để khử NAD+. Tuy nhiên nó đủ để khử FAD (xem thế khử tiêu chuẩn).
10. Dưới tác dụng của H2O, fumarate biến thành malate
COOH
CH
CH
COOH Fumaric acid COOH
HC H
HC H
COOH Succinic acid
FAD NADH2
COOH
CH2
CH2
COOH Succinic acid
GDP + P GTP
COOH
CH2
CH2
O C SCoA
Succinyl-CoA
11. Malate dehydrogenase khử malate thành oxaloacetate, là chất khởi đầu của 1 chu trình mới.
Những phản ứng cơ bản trong chu trình Krebs là sự khử carboxyl hoá và phản ứng oxy hoá. Nếu tính phản ứng từ pyruvate đến acetyl-CoA vào chu trình Krebs thì có 3 vị trí khác nhau CO2 được giải phóng (phản ứng 1,6,7) và 5 vị trí khác nhau cơ chất bị oxy hoá (phản ứng 1,5,7,9 và 11). Ở những phản ứng oxy hoá luôn luôn có 1 coenzyme (NAD+) hoặc 1 nhóm prostetic (FAD) tham gia. Chúng chuyển thành dạng khử bằng phản ứng oxy hoá. Năng lượng được giải phóng ra do sự oxy hoá cơ chất được sử dụng cho việc khử coenzyme cũng như prostetic. Quan trọng là năng lượng ở phản ứng 8 được dùng để tổng hợp 1 phân tử GTP, tương đương với 1 ATP, vì GTP có thể phản ứng với ADP như sau:
GTP + ADP ATP + GDP
Từ hình 4.23 rút ra rằng, trong chu trình, CO2 được tách ra nhưng O2
không được tiếp nhận vào. Nguyên tử O có trong CO2 không phải là oxy cho hô hấp. Ý nghĩa của chu trình Krebs là cung cấp những coenzyme khử (NADH, FADH2), những chất khử này là cần thiết cho hô hấp. Ngoài ra
COOH
CH2
HCOH
COOH
COOH
CH2
C=O
COOH
NAD+ NADH + H+
Malic acid Oxaloacetic acid
COOH
CH2
HCOH
COOH Malic acid COOH
CH
CH
COOH Fumaric acid
+ H2O
các acid khác nhau của chu trình còn tham gia vào những quá trình trao đổi chất khác.
Hình 4.23 Chu trình Krebs
Qua chu trình Krebs chuỗi carbon từ carbohydrate đến trao đổi lipid và trao đổi của aminoacid, protein.