TY THỂ VÀ HOẠT ĐỘNG TỔNG HỢP NĂNG LƯỢNG

Nguồn gốc của ti thể Giả thuyết trước đây cho rằng, trong quá trình tiến hoá của tế bào thì ty thể có nguồn gốc từ sự phân hoá của màng sinh chất ăn sâu vào tế bào, sau đó tách ra và ph

CHỦ ĐỀ 1

TY THỂ

VÀ HOẠT ĐỘNG TỔNG HỢP NĂNG LƯỢNG

Nguồn gốc của ti thể

 Giả thuyết trước đây cho rằng, trong quá trình tiến hoá của tế bào thì ty thể có nguồn gốc từ sự phân hoá của màng sinh chất ăn sâu vào tế bào, sau đó tách ra và phức tạp hoá dần hệ thống các răng lược để hình thành một bào quan độc lập Dẫn chứng cho giả thuyết này là ở nhiều vi khuẩn có cấu trúc ezoxom (là các nếp gấp của màng sinh chất ăn sâu vào tế bào) có chứa enzym

và nhân tố của sự hô hấp hiếu khí Đây được xem là hình ảnh ty thể nguyên thuỷ.

 Ngày nay, người ta công nhận giả thuyết "cộng sinh" về nguồn gốc chủng loại của ty thể Sự xuất hiện của ty thể trong tế bào eucaryota(tế bào nhân chuẩn) là kết quả cộng sinh của vi

khuẩn hiếu khí với tế bào Dẫn chứng thuyết phục nhất là trong ty thể có chứa ADN giống với ADN của vi khuẩn, ribosome của ty thể về kích thước giống với ribosome vi khuẩn Đặc biệt cơ chế và hoạt động tổng hợp protein trong ty thể có nhiều đặc điểm giống với vi khuẩn (acid amin khởi động; là N focmylmethionin, sự tổng hợp bị ức chế bởi cholomphenicol v.v…).

Sơ lược về ty thể

 Ti thể (mitochondrion) là bào quan phổ biến ở các tế bào nhân chuẩn có lớp màng kép và hệ

gen riêng Ty thể được coi là trung tâm năng lượng của tế bào vì là nơi chuyển hóa các chất hữu

cơ thành năng lượng tế bào có thể sử dụng được là ATP

 Trong sinh học tế bào, một ti thể là một tiểu thể (hay còn gọi là cơ quan) được tìm thấy trong hầu hết các tế bào sinh vật nhân chuẩn, bao gồm thực vật, động vật, nấm và nhóm đơn bào Ở một vài nhóm, như là động vật nguyên sinh có một ty thể lớn duy nhất, ngoài ra thông thường một tế bào có hàng trăm cho đến hàng ngàn ty thể Con số chính xác của ty thể phụ thuộc vào mức độ hoạt động chuyển hóa của tế bào: càng nhiều hoạt động chuyển hóa thì càng có nhiều ty thể Ty thể có thể chiếm đến 25% thể tích của bào tương.

 Đôi khi ti thể được miêu tả như "nguồn năng lượng của tế bào ", bởi vì chức năng cơ bản của

nó là chuyển đổi các vật chất hữu cơ thành năng lượng dưới dạng ATP (adenosine

triphosphate).

 Ty thể là những bào quan hình que và có thể được coi là những nhà máy sản xuất năng lượng của tế bào Tại đây xảy ra quá trình hô hấp tế bào chuyển ôxy và chất dinh dưỡng thành

adenosine triphosphate (ATP) ATP là “dòng” năng lượng hóa học của tế bào cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động của đơn vị sự sống này Đây cũng là lý do vì sao động vật cần thở ôxy Không có ty thể, động vật bậc cao đã có thể không tồn tại vì nếu vậy tế bào của chúng chỉ có thể thu nhận năng lượng thông qua hô hấp yếm khí, một quá trình kém hiệu quả hơn nhiều Trên thực tế, ty thể giúp tế bào có thể sản xuất năng lượng nhiều hơn gấp 15 lần so với khi tế bào không có bào quan này Các động vật có cấu trúc phức tạp, bao gồm cả con người, đều cần một lượng lớn năng lượng mới có thể tồn tại được.

Cấu trúc của ty thể

o Tùy thuộc loại tế bào, ti thể có cấu trúc tổng thể khác nhau Quan sát các ti thể có gắn huỳnh quang ở các

tế bào sống cho thấy chúng là các tiểu thể hay bào quan năng động có khả năng thay đổi hình dạng phong phú Ngoài ra ti thể có khả năng liên kết với ti thể khác hoặc tự phân chia thành hai ti thể khác nhau.

o Lớp ngoài của ti thể bao gồm hai màng có chức năng khác biệt nhau: màng ngoài ti thể và màng trong ti thể Màng ngoài bao trùm toàn bộ ti thể, tạo nên ranh giới ngoài của nó Lớp màng trong thì tạo thành các nếp gấp hay còn gọi là mào (cristae), hướng vào tâm Mào này là nơi chứa các nhà máy hay bộ phận cần

thiết cho quá trình hô hấp hiếu khí hay hô hấp ái khí và tổng hợp ATP, và cấu trúc gấp nếp ấy giúp gia tăng diện tích lớp màng trong của ti thể Các màng ti thể chia ti thể thành hai khoang khác biệt nhau: khoang

"chứa chất cơ bản" nằm bên trong ti thể và khoang "liên màng" hay gian màng nằm giữa lớp màng ngoài

và màng trong.

Màng ti thể

 1.1 Lớp màng ngoài

 Lớp màng ngoài, bao bọc toàn bộ ty thể, có tỷ suất protein/phospholipid tương tự như màng bào tương của các tế bào có nhân khác tức là vào khảng 1:1 nếu tính theo khối lượng Màng này chứa các gắn màng gọi là các porin chứa các kênh khá lớn (khoảng 2-3 nm) Các kênh này có thể cho thấm qua tất cả các phân tử có trọng lượng phân tử từ 5000 dalton trở xuống Các phân tử lớn hơn chỉ có thể xuyên qua lớp màng này thông qua phương thức vận chuyển tích cực Màng ngoài ty thể cũng chứa các enzyme tham gia vào rất nhiều hoạt động khác nhau như nối dài mạch acid béo, ôxy hóa và phân hủy

 1.2 Lớp màng trong

 Lớp màng trong của ty thể chưa các protein với bốn chức năng như sau:

 - Các protein thực hiện phản ứng ôxy hóa của chuỗi hô hấp tế bào.

 - Men ATP synthase trong chất nền tổng hợp ATP.

 - Các protein vận chuyển đặc hiệu có chức năng điều hòa sự đi vào hoặc đi ra khỏi chất nền của các chất chuyển hóa.

 - Bộ máy nhập khẩu protein.

 Lớp màng này chứa hơn 100 polypeptide khác nhau và có tỷ suất protein/phospholipid rất cao (hơn 3:1 nếu tính về khối lượng, tương ứng với 1 protein cho mỗi 15 phospholipid nếu tính về số lượng) Ngoài

ra màng trong ty thể còn chứa một lượng lớn một phospholipid không thường gặp đó là cardiolipin Phospholipid này thường là đặc trưng của lớp màng bào tương vi khuẩn Không giống như lớp màng ngoài, màng trong ty thể không có các porin và có tính thấm rất thấp Gần như tất cả các ion và các phân tử đều cần các phân tử vận chuyển màng đặc biệt đẻ đi qua màng này Ngoài ra, hai bên màng tồn tại một hiệu điện thế Lớp màng trong của ty thể lại được chia thành nhiều mào ty thể là cho diện tích của lớp màng trong tăng lên nhiều lần và nhờ đó, khả năng tổng hợp ATP cũng tăng lên

 Khoang cơ bản của ti thể

 Bên cạnh các enzymes, ti thể còn chứa các ribosome và nhiều phân tử DNA Vì vậy ti thể có vật chất di truyền riêng của nó, và các nhà máy để sản xuất ra RNA và protein chính nó DNA không thuộc nhiễm sắc thể này mã hóa cho một số nhỏ peptide của ti thể (13 peptide ở người) và các peptide này được gắn kết vào lớp màng trong, cùng với các polypeptide được mă hóa bởi

các gennằm trong nhân tế bào.

gian bên trong màng trong chứa chất nền (matrix) của ty thể Chất nền này tương đối đậm đặc

và có thể tìm thấy các sợi ADN, ribosome hoặc các hạt nhỏ tại đây Ty thể có thể mã hóa một phần các protein của chúng bằng chính bộ máy di truyền của riêng mình.

 Ty thể có năm khoang khác nhau Đó là lớp màng ngoài, khoảng gian màng (giữa màng ngoài

và màng trong), màng trong, khoảng gian mào ty thể (giữa mỗi một mào ty thể) và chất nền (giữa các mào ty thể về phái trong) Kích thước ty thể thay đổi từ 1 đến 10 μm.

Chất nền của ty thể

 Khoang chất nền là khoảng không gian được bao bọc bởi lớp màng trong Chất nền ty thể chứa một hỗn hợp hàng trăm enzyme ở nồng độ cao và các ribosome ty thể đặc biệt, các tRNA

và một số bản sao DNA ty thể Chức năng chính của các enzyme này bao gồm ôxy hóa pyruvate

và các acid béo cũng như tham gia trong chu trình acid citric.

 Kích thước của chúng cũng rất thay đổi, ở đa số tế bào ty thể có chiều dày tương đối cố định, khoảng 0,5μm, chiều dài thì thay đổi và tối đa là 7μm.

 Số lượng ty thể trong các loại tế bào khác nhau thì khác nhau và ở các trạng thái sinh lý khác nhau cũng khác nhau Ví dụ: trong tế bào gan chuột có đến 2.500, còn trong tinh trùng một số sâu bọ chỉ có 5 - 7 ty thể.



Chức năng của ty thể

 Chức năng quan trọng của ty thể là nơi tổng hợp năng lượng dưới dạng hợp chất cao năng ATP Nhờ chứa hệ thống enzyme chuyền điện tử, enzyme của chu trình Creb và phosphoryll hoá mà ty thể đã thực hiện các quá trình oxy hoá các hydratcacbon, acid béo, các acid amin và một số chất khác như cholin Năng lượng được giải phóng ra trong các quá trình đó được tích vào liên kết phosphat cao năng của ATP theo phản ứng:

ADP + P vô cơ + E (năng lượng) ATP

 Đồng thời ty thể cũng là nơi cung cấp năng lượng chủ yếu cho mọi hoạt động của tế bào Quá trình cung cấp năng lượng thực hiện theo phản ứng:

ATP ADP + P vô cơ + năng lượng

 Ngoài ra, ty thể còn có khả năng tổng hợp các chất chủ yếu, cần thiết cho hoạt động của ty thể như các enzyme hô hấp, protein

 Dù chức năng cơ bản của ti thể là biến các chất hữu cơ thành năng lượng cho tế bào ở dưới dạng ATP, ty thể còn đóng một vai trò quan trọng khác trong nhiều quá

trình chuyển hóa, như là:

- Quá trình tế bào chết được lập trình

- Tổn thương tế bào thần kinh do thoát các chất trung gian Glutamate

- Tăng sinh tế bào

- Điều hòa trạng thái oxi hóa khử của tế bào

- Tổng hợp nhân Heme

- Tổng hợp Steroid

- Tạo nhiệt (giúp giữ ấm cho có thể)

 Một vài chức năng của ti thể chỉ được thực hiện ở một số loại tế bào đặc hiệu nào đó Chẳng hạn như ti thể của tế bào gan chứa các enzymes cho phép loại bỏ độc tính của ammonia, đây là chất thải của quá trình chuyển hóa protein Một sự đột biến các gene điều hòa bất cứ các chức năng này đều có thể gây ra nhiều bệnh ty thể khác nhau.

Vòng đời của ti thể

 Ty thể nhân lên theo phương thức rất giống với tế bào vi khuẩn Khi chúng trở nên quá lớn, chúng bắt đầu chia đôi Quá trình này thực hiện bằng quá trình tạo rãnh bên trong và sau đó là bên ngoài ty thể trông giống như ai đó đang kẹp đôi bào quan này Sau đó hai ty thể con tách đôi nhau Dĩ nhiên trước tiên, các ty thể phải nhân đôi bộ DNA của chúng Đôi khi các ty thể mới được tổng hợp ở các trung tâm giàu protein và polyribosomes cần thiết.

 Ty thể khác với hầu hết các bào quan khác của tế bào vì nó chứa ADN vòng của riêng nó (giống như ADN của các tế bào không nhân) và sinh sản độc lập với tế bào chứa nó

 Ở hầu hết các loài động vật, ty thể dường như chủ yếu được di truyền từ mẹ mặc dù có một vài bằng chứng gần đây cho thấy rằng trong một số trường hợp hiếm, bào quan này cũng được di truyền từ bố Ví dụ điển hình nhất là tinh trùng Giao tử này có thể mang một ít ty thể ở phía đuôi như là một nguồn năng lượng để cho tinh trùng hoạt động trên hành trình dài tìm đến với trứng Khi một tinh trùng nào

đó may mắn gắn được với trứng trong quá trình thụ tinh thì đuôi của nó cũng rụng đi Hệ quả là cơ thể mới được tạo thành chỉ chứa ty thể của mẹ truyền cho Như vậy không giống với ADN của nhân tế bào, vật chất di truyền của ty thể không có hiện tượng trộn lẫn qua mỗi thế hệ do đó nó thay đổi với tốc độ chậm hơn Điều này có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu quá trình tiến hóa của con người.

Hoạt động tổng hợp năng lượng

 Như miêu tả nêu trên, chức năng cơ bản của ti thể là sản xuất ra ATP Điều này được thực hiện nhờ quá trình chuyển hóa các sản phẩm chính như Phân hủy đường , pyruvate và NADH (Phân hủy đường glycolysis được thực hiện ngoài ty thể, trong bào tương) Quá trình chuyển hóa này được thực hiện theo hai con đường khác nhau, tùy thuộc vào loại tế bào và có hay không

có oxygen

 Chu trình Krebs

 Mỗi phân tử pyruvate được tạo ra từ phân hủy glucose được vận chuyển tích cực qua màng trong của ty thể, và vào trong khoang cơ bản, tại đây nó được kết hợp với coenzyme A để tạo

thành acetyl CoA Sau khi được tạo thành, acetyl CoA sẽ đi vào chu trình Krebs, hay còn gọi

là chu trình tricarboxylic acid (TCA) hay là chu trình axít citric Quá trình này tạo ra 3 phân

tử NADH và 1 phân tử FADH2, tất cả chúng sẽ tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử Vậy hai

phân tử pyruvate từ 1 phân tử gluco ban đầu của quá trình đường phân sẽ tạo ra 6 phân

tử NADH và 2 phân tử FADH2 đồng thời giải phóng ra 4 phân tử CO2 của phân tử gluco ban đầu Như vậy kết thúc chu trình Krebs, 6C của phân tử Gluco đã được phân giải hoàn toàn thành 6 CO2 (2 phân tử CO2 được giải phóng trong quá trình oxy hóa 2 pyruvate và 4 phân tử CO2 còn lại được tạo ra trong chu trình Krebs).

 Chuỗi vận chuyển điện từ

chuyển điện tử Các phức hợp protein trong lớp màng trong sẽ thực hiên vận chuyển các năng lượng giải phóng đến các bơm proton(H+) để vận chuyển ngược với chiều gradient (nồng độ của protons trong khoang liên màng thì cao hơn trong khoang cơ bản) Một hệ thống vận chuyển tích cực (cần năng lượng) sẽ bơm các proton ngược chiều với hướng vật lý của chúng (theo chiều "ngược lại") từ khoang cơ bản vào khoang liên màng.

 Khi nồng độ proton tăng lên trong khoang liên màng sẽ tạo ra một gradient khuyếch tán mạnh Lối thoát duy nhất cho các proton này là qua con đường tổng hơp ATP Bằng cách vận chuyển

các proton từ khoang liên màng ngược vào lại khoang cơ bản, phức hợp tổng hợp ATP có thể tạo ra ATP từ ADP và các phosphate vô cơ (Pi) Quá trình này được gọi là tình trạng thẩm thấu

hóa học (chemiosmosis) và đây là ví dụ của quá trình khuếch tán hỗ trợ (facilitated diffusion)

 2.1 Từ quá trình đường phân đến chuỗi vận chuyển điện tử

 Đầu tiên, thức ăn phải được chuyển thành các chất hóa học cơ bản để tế bào có thể sử dụng Nguồn thức ăn cung cấp năng lượng tốt nhất là đường hay carbohydrate Lấy đường làm ví dụ thì các phân tử đường này sẽ được giáng hóa bởi các enzyme

để trở thành dạng đường đơn giản nhất là glucose Sau đó, glucose này sẽ đi vào tế bào nhờ vào các phân tử đặc biệt trên màng tế bào là các chất vận chuyển glucose

 Một khi đã vào bên trong tế bào, glucose được giáng hóa tiếp tục để tạo thành ATP theo hai con đường Con đường thứ nhất không yêu cầu sự hiện diện của ôxy và được gọi là chuyển hóa yếm khí (anaerobic metabolism) Con đường này được gọi là

quá trình đường phân (glycolysis) và xảy ra trong bào tương, bên ngoài ty thể Trong quá trình đường phân, glucose được

giáng hóa thành pyruvate Các thức ăn khác như mỡ cũng có thể được giáng hóa để được sử dụng như một nguồn năng lượng

 Ty thể có thể sử dụng cả pyruvate lẫn acid béo để làm nhiên liệu Cả hai dạng phân tử năng lượng này được vận chuyển qua màng trong ty thể và đều được chuyển thành một dạng trung gian chuyển hóa cực kỳ quan trọng là các acetyl CoA bên trong chất nền Các nhóm acetyl của acetyl CoA sẽ được ôxy hóa tại đây thông qua chu trình Kreb

 2.2 Chu trình Kreb

 Ý nghĩa của quá trình hô hấp tế bào nằm ở chu trình Kreb hay còn gọi là là chu trình acid citric Chu trình này nhằm lấy càng nhiều điện tử năng lượng cao từ thức ăn đưa vào càng tốt Năng lượng được ATP lưu giữ sau đó sẽ được dùng cho tất cả các hoạt động của các chức năng tế bào như vận động, vận chuyển, đưa các sản phẩm đi vào và đi ra, phân chia…

 Để chu trình Kreb hoạt động, cơ thể cần một số phân tử quan trọng cùng với tất cả các enzyme của nó như các chất cho điện

tử (electron donor), các chất mang điện tử (carrier) và các chất tiếp nhận điện tử (acceptor) Trước tiên cơ thể cần pyruvate từ

quá trình đường phân của glucose Tiếp theo, cơ thể cần một số phân tử tử vận chuyển điện tử Có hai loại phân tử vận chuyển điện tử: một loại là nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) và loại kia là flavin adenine dinucleotide (FAD+) Phân tử thứ ba, dĩ nhiên là ôxy

 Pyruvate là một phân tử có 3 carbon Sau khi đi vào ty thể, nó được giáng hóa thành một phân tử chứa hai carbon nhờ một enzyme đặc biệt quá trình này giải phóng CO2 Phân tử chứa hai carbon này là Acetyl CoA và đi vào chu trình Kreb bằng cách gắn với một phân tử 4 carbon là oxaloacetate Một khi hai phân tử này đã liên kết nhau, chúng tạo thành một phân tử chứa 6 carbon là citric acid Chính vì lý do này mà chu trình Kreb còn có tên là chu trình acid citric Acid citric sau đó lại được giáng hóa và biến đổi từng bước và trong quá trình này, ion hydrogen và các phân tử carbon được giải phóng Các phân tử carbon được dùng để tạo nên CO2 và các ion hydrogen được các phân tử NAD cũng như FAD thu nhận Cuối cùng, quá trình này sản xuất trở lại phân tử oxaloacetate chứa 4 carbon Lý do mà quá trình này được gọi là chu trình là vì nó luôn kết thúc ở điểm nó

đã khởi đầu tức là oxaloacetate lại sẵn sàng kết hợp với các phân tử acetyl CoA khác để tiếp tục đi vào quá trình này

 Sản phẩm quan trọng nhất của quá trình này là việc sản xuất ra các điện tử năng lượng cao Các điện tử này được vận chuyển bởi các phân tử NADH và FADH2 Các điện tử này được đưa đến màng trong của ty thể, nơi chúng sẽ đi vào chuỗi vận

chuyển điện tử