Những điểm quan trọng cho hô hấp tế bào

Tóm tắt những ý chính trong Hô hấp tế bào Chương 13: Đường phân và lên men  Các con đường trao đổi chất : - Quá trình đồng hóa anabolic, hay quá trình tổng hợp chất - Quá trình dị h

Tóm tắt những ý chính trong

Hô hấp tế bào

Chương 13:

Đường phân và lên men

 Các con đường trao đổi chất :

- Quá trình đồng hóa (anabolic), hay quá trình tổng

hợp chất

- Quá trình dị hóa (catabolic), hay quá trình phân giải

chất

- Quá trình dị hóa cung cấp năng lượng cần thiết để

các quá trình đồng hóa được diễn ra

Chương 13:

Đường phân và lên men

 ATP: chất mang năng lượng “toàn cầu”

- ATP là phân tử mang năng lượng phổ biến nhất trong tế

bào

- ATP chứa hai liên kết phosphoanhydride giàu năng

lượng Quá trình thủy phân ATP tạo ADP và một gốc

photphat là quá trình phát năng với mức biến thiên năng

lượng tự do là -7.3 kcal/mol

- ATP hoạt động như chất cho gốc phophat còn ADP là

chất nhận gốc photphat

ATP is an important intermediate in cellular

energy metabolism

 ATP can serve as a

phosphate donor in

some biological

reactions

 ADP can serve as a

phosphate acceptor in

other reactions

Chương 13:

Đường phân và lên men

 Sự trao đổi năng lượng ở sinh vật dị

dưỡng

- Hầu hết các sinh vật dị dưỡng tổng hợp ATP từ các quá

trình dị hóa các chất dinh dưỡng như: carbonhydrate,

chất béo và protein Quá trình tổng hợp này được thực

hiện bằng phản ứng lên men (trong điều kiện thiếu oxy)

hoặc bằng sự hô hấp hiếu khí khi có mặt oxy

- Quá trình đường phân hay còn gọi là quá trình phân giải

glucoz giải phóng năng lượng dự trữ trong phân tử ATP

“What happen to the sugars?”

 Food are broken down in three stages:

- Stage 1: Digestion - occurs either out of the cells (intestine) or in a specified

organelle in the cells (lysosome)

- Stage 2: Glycolysis – occurs in cytosol, convert each molecule of glucose into two

smaller molecules of pyruvate

- Stage 3: citric acid cycle – occurs in mitochondria (aerobic respiration)

or

fermentation – occurs in cytosol (anaerobic respiration)

Chương 13:

Đường phân và lên men

 Đường phân và lên men: sự tổng hợp

ATP không liên quan đến oxy

- Quá trình dị hóa glucoz ở các sinh vật kỵ khí và hiếu khí

đều bắt đầu bằng đường phân: đây là một quá trình bao

gồm 10 bước để chuyển hóa glucoz thành pyruvat

Trong hầu hết các trường hợp, quá trình này đều dẫn đến

sự tổng hợp 2 phân tử ATP/ 1 phân tử glucoz

- Kết thúc quá trình đường phân sẽ tạo nên hai phân tử

pyruvate

Glycolysis

 Glycolytic pathway consist of 10

reactions (Gly -1 through Gly -10) with

10 enzymes that catalyze the reactions

Considered in

three phases

• generates ATP by catabolizing

Glucose to pyruvate

Phase 2: oxidation and ATP generation

The two molecules of glyceraldehyde-3-phosphate are oxidized to 3-phosphoglycerate

Some of the energy from this oxidation is conserved as two ATP and two NADH

molecules are produced

In phase 2: ATP production is linked directly to the oxidation of

glyceraldehyde-3-phosphate to 3-phosphoglycerate which is highly exergonic

Chương 13:

Đường phân và lên men

 Đường phân và lên men: sự tổng hợp

ATP không liên quan đến oxy

- Trong điều kiện không có oxy, NADH (chất mang hydro

dạng khử) được tổng hợp trong quá trình đường phân sẽ

bị oxy hóa trong quá trình lên men pyruvate, để tái tạo

phân tử NAD

- Sản phẩm cuối của quá trình lên men là lactate hoặc

ethanol và CO2

- Hiệu suất chuyển hóa năng lượng trong quá trình lên

men là khá thấp (khoảng 7%)

Chương 13:

Đường phân và lên men

 Cơ chất thay thế của quá trình đường

phân:

- Quá trình đường phân có thể sử dụng một số cơ chất

thay thế khác như: fructoz, galactoz, và mannoz Các cơ

chất này sẽ trải qua một số bước chuyển hóa trung gian

trước khi tham gia vào đường phân

- Quá trình đường phân cũng được sử dụng để chuyển hóa

glucose-1-phosphate tổng hợp bởi quá trình bẻ gãy các

polysacharide dự trữ (như tinh bột hoặc glycogen)

Chương 13:

Đường phân và lên men

 Sự tổng hợp glucoz:

- Trong một số loại tế bào, glucoz được tổng hợp từ các

hợp chất chứa 3 hoặc 4 carbon như pyruvate Quá trình

này ngược lại với quá trình đường phân nhưng không

hoàn toàn là quá trình đường phân đảo ngược

- Hai quá trình đều sử dụng chung 7 loại enzyme Tuy

nhiên quá trình tổng hợp glucoz đòi hỏi phản ứng thủy

phân 4 ATP và 2GTP

Chương 13:

Đường phân và lên men

 Chu trình Cori:

- Là quá trình trong đó phân tử lactate được tổng hợp từ

hô hấp kị khí trong mô cơ sẽ được đưa đến gan và

chuyển hóa thành glucoz Phân tử glucoz này sau đó lại

được vận chuyển đến cơ, tham gia vào đường phân và

hô hấp kị khí và chuyển hóa thành lactate

“What happen to the sugars?”

Aerobic respiration consist of 5

stages

 Stage 1: Glycolysis

 Stage 2: Pyruvate oxidation

 Stage 3: The citric acid cycle (the TCA

cycle)

 Stage 4: Electron transport

Chương 13+14: Hô hấp hiếu khí

suất cao nhất

- So với quá trình lên men, hô hấp hiếu khí tạo nên nhiều

phân tử ATP hơn bằng việc sử dụng phân tử oxy là chất

nhận điện tử cuối cùng

- Quá trình chuyển hóa hoàn toàn glucose được bắt đầu

bằng quá trình đường phân trong tế bào chất, tạo nên

pyruvat Pyruvat được đưa đến ty thể Tại đây nó được

chuyển hóa thành acetyl CoA và giải phóng CO2

Acetyl CoA sau đó sẽ được oxy hóa hoàn toàn thành

CO2 bởi hệ enzym của chu trình TCA (citric or Krebs)

Ti thể: là nơi diễn ra sự hô hấp hiếu khí

- Ty thể là bào quan luôn có mặt trong tất cả các tế bào nhân

chuẩn, số lượng thay đổi tùy loại tế bào; có thể tồn tại ở dạng

bào quan riêng lẻ hay tập hợp thành mạng lưới

- Được bao bọc bởi hai lớp màng Lớp màng ngoài có các lỗ để

trao đổi các ion hoặc phân tử nhỏ Lớp màng trong có các

kênh vận chuyển đặc hiệu một số phân tử như pyruvat, axit

béo và một số phân tử hữu cơ khác vào chất nền

- Lớp màng trong cuộn lại thành các nếp gấp giống như răng

lược hướng vào chất nền, làm tăng diện tích bề mặt màng, do

đó tăng khả năng mang các phức hệ hô hấp như FoF1, hoặc

các phức hệ vận chuyển protein cần thiết cho chức năng hô

hấp

Chương 13+14: Hô hấp hiếu khí

Chương 13+14: Hô hấp hiếu khí

Chu trình citric: một vòng quá trình oxy hóa

- Pyruvat được chuyển hóa thành acetyl CoA, tổng hợp nên

NADH và giải phóng CO2 Acetyl CoA tham gia vào chu

trình citric bằng cách kết hợp với oxaloacetate để tạo thành

citrate

- Citrate được chuyển hóa thành succinate, giải phóng 2 CO2,

1 ATP và 2 NADH Succinate sau đó được oxy hóa và

chuyển hóa thành oxaloacetate đồng thời tổng hợp nên

FADH2 và NADH

- Chu trình citric cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình

phân giải lipit và protein để giải phóng năng lượng Axit béo

được chuyển hóa trong chất nền của ty thể, tạo nên acetyl

CoA tham gia vào chu trình

- Protein được phân giải thành các axit amin, rồi chuyển hóa

thành các chất trung gian cho quá trình đường phân hoặc chu

Citric acid cycle (or TCA – tricarboxylic acid cycle)

The final

oxidative

reactions of the

TCA cycle

Generate

FADH2 and

NADH

Chương 13+14: Hô hấp hiếu khí

Chuỗi truyền điện tử: Electron được vận

chuyển từ chất mang điện tử đến oxy

- Hầu hết năng lượng giải phóng trong quá trình hô hấp hiếu khí

được dự trữ trong NADH và FADH2 Các phân tử này sau đó

bị tái oxy hóa trong chuỗi truyền điện tử Hệ thống này bao

gồm các phức hệ hô hấp riêng biệt, đó là các phức hệ protein

nằm trên màng trong ty thể

- Chất trung gian quan trọng trong chuỗi truyền điện tử là

coenzyme Q và cytochrome c, có nhiệm vụ vận chuyển

electron giữa các phức hệ trong chuỗi

- Ở sinh vật hiếu khí, oxy là chất nhận điện tử cuối cùng và

H2O là sản phẩm của quá trình khử oxy

Electrons are transferred through three respiratory

enzyme complexes in the inner mitochondrial membrane

The electron carriers function in a sequence determined

by their reduction potentials

 Reduction potential: is a

measure of the affinity that

the oxidized form of a

redox pair has for electrons

 Most of the carriers are

organized into four large

respiratory complexes (i.e

cytochrome oxidase

complex…)

The electrochemical proton

gradient: key to energy coupling

Chương 13+14: Hô hấp hiếu khí

The electrochemical proton gradient và sự tổng

hợp ATP

- Trong bốn phức hệ hô hấp chính trong chuỗi truyền điện tử, ba

phức hệ I, III và IV đi kèm với sự bơm proton ra khoảng gian

màng của ty thể Điều này tạo nên một gradient “hóa điện

proton” thúc đẩy sự tổng hợp ATP

- Phức hệ tổng hợp ATP bao gồm: thành phần vận chuyển

proton - Fo có mặt trên màng trong ty thể, và ATP synthase

F1 nằm ở mặt trong của màng trong ty thể, hướng về phía

chất nền

- ATP được tổng hợp tại F1 khi lực sinh ra từ gradient proton

đẩy proton qua Fo Như vậy, một cách nào đó, gradient “hóa

điện proton” và ATP là dạng hoán đổi của năng lượng dự trữ

The proton gradient drives ATP

synthesis

ATP synthesis involves phosphorylation events that are linked to

oxygen-dependent electron transport, the process is called

oxidative-phosphorylation

The protons have a thermodynamic

tendency to return to the matrix =

Proton-motive force

The proton move back into the matrix through the F o F 1 ATP synthase

driving

ATP synthesis

ATP synthase

 ATP synthase is a large,

multisubunit protein The

enzymatic portion project on

the matrix ide of the inner

mitochondrial membrane

 The enzyme composed of a

head portion, called the F1

ATPase, and a

transmembrane H+ carrier,

called Fo

ADP+Pi ATP

ATP

ATP ADP +Pi

+ Pi

ATP

open tight

binding

loose

binding

repeat Binding Change Mechanism

Open State – releases any ATP

Loose State – ADP and Pi

molecules enter the subunit

Tight State – the subunit contracts

to bind molecules and make ATP

Chương 13+14: Hô hấp hiếu khí

Tổng hợp hô hấp hiếu khí:

- Sự oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucoz tạo thành 6 phân tử CO2

và tổng hợp nên 10 NADH, 2 FADH2, và 4 ATP

- Mỗi phân tử NADH sau khi bị oxy hóa trong chuỗi truyền điện tử

tạo nên 3 ATP, với FADH2 là 2 ATP

- Như vậy, số lượng ATP lớn nhất có thể đạt được trong hô hấp hiếu

khí là 38 ATP/một phân tử glucoz Tuy nhiên, trong một số tế bào,

số lượng ATP thực tế được tổng hợp là 36 phân tử do NADH tổng

hợp từ đường phân trong tế bào chất đã chuyển electron cho

FADH2 ty thể thông qua phân tử con thoi phosphate glycerol

- ATP được tổng hợp bằng hai cách: photphoryl hóa cơ chất

(substrate-level phosphorylation) và sự photphoryl hóa –oxy hóa

(oxidative-phosphorylation)