Năng lượng trong chuỗi hô hấp

NĂNG LƯỢNG TRONG CHUỖI HÔ HẤPGiáo viên hướng dẫn: TS.Võ Văn ToànNgười thực hiện: Trần Châu Cẩm HồngLớp Sinh học thực nghiệm khóa X 	Chuỗi hô hấp là quá trình oxi hóa sinh học, nhờ vai trò xúc tác của hệ thống các enzyme.	Thực chất, chuỗi hô hấp là hệ thống các phản ứng oxi hóa khử, trong đó hydro được tách ra từ các chất hữu cơ chuyển đến oxi để tạo thành nước	Việc vận chuyển hydro hay điện tử trong hô hấp là do enzyme xúc tác	Trong phản ứng này, tạo ra một gradient được dùng để sản sinh ATP, hoàn toàn giống như trong lục lạp (chloroplast)	Electron Transport Phosphorylation thông thường sản sinh 32 ATP	ATP được sinh ra bằng cách H+ chuyển xuống trung tâm gradient thông qua một enzyme đặc biệt gọi là ATP synthase KHÁI NIỆM CHUỖI HÔ HẤP	Phân tử NADH hoặc FADH2 đều có chứa một cặp điện tử. Sau đó, phân tử NADH sẽ mang điện tử của mình đến màng ty thể. Tại đây chúng chuyển điện tử cho một phức hệ protein màng NADH-dehdrogenaza và được chuyển đến hệ thống vận chuyển điện tử.	Sự vận chuyển điện tử từ NADH đến O2 thông qua các phức hệ I, III & IV nằm ở màng trong của ty thể, cùng với CoQ và cyt c.	Trong mỗi phức hệ, điện tử được vận chuyển liên tục qua một chuỗi các chất truyền điện tử.	CoQ định cư ở phần lõi lớp lipit của màng và có gắn kết với protein.	Cytochrom c cư trú ở khoảng không gian giữa hai lớp màng. Nó có thể nối với phức hệ III hoặc IV để vận chuyển e-.Chuỗi vận chuyển điện tử của ty thểPage 808Complex II Cấu tạo chuỗi hô hấpPhần vận chuyển hydro có các enzyme: dehydrogenase có coenzyme là pyridinnucleotid, các enzyme flavin và ubiquinon của chuỗi hô hấp.Phần vận chuyển điện tử có các cytochrom và cytochromoxidase. Mỗi phân tử NAD+ , FAD và ubiquinon vận chuyển hai điện tử, còn hệ thống cytochrom hoặc cytochromoxidase vận chuyển một điện tử và oxi phân tử ở tận cùng chuỗi hô hấp bị khử bằng bốn bước, mỗi bước một điện tử theo sơ đồ: Cơ chất SH2  NAD  FAD  Ubiquinon  Cytochrom b  Cytochrom c1  Cytochrom c  Cytochromoxidase  O2Kết quả vận chuyển hydro và điện tử bằng chuỗi hô hấp là tạo thành nước Thành phần của các phức hợp trong chuỗi hô hấp Phức hợp 	 TênSố ProteinNhóm ngoạiINADH - Enzym khử hydro 46FMN, 9 trung tâm Fe-S.IISuccinate-CoQ Enzym khử 5FAD, cyt b560, 3 trung tâm Fe-S.IIICoQ-cyt c Enzym khử 11cyt bH, cyt bL, cyt c1, Fe-S.IVCytochromeEnzym oxy hoá 13cyt a, cyt a3, CuA, CuBCác cytochrome vận chuyển điện tửCác quinol - sequinolCÁC ENZIM TRONG CHUỖI HÔ HẤPNhững chất ức chế trong chuỗi hô hấp: Rotenone (một loại thuốc chuột) ức chế phức hệ I. Antimycin A ức chế vận chuyển điện tử ở phức hệ III. CN- & CO ức chế phức hệ IV. Sự ức chế xảy ra ở một trong những điểm này sẽ làm ngừng quá trình vận chuyển e- từ NADH đến O2.Rotenone Amytal Antimycin A CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ Phức hợp I (Complex I). (NADH- ubiquinon- reductase)Phức hợp enzym NADH dehydrogenasePhức hợp rất lớn Chứa hơn 34 chuỗi polypeptidesVận chuyển e- từ NADH đến UQ.Chứa FMN và một số trung tâm Fe-S.Phần ngoại vi (nhô vào nội chất) chứa FMN - nhận 2e- từ NADH.Các trung tâm Fe-S vận chuyển e- từ FMN đến coenzym QHoạt động của phức hợp I (Complex I)Vận chuyển 2e- từ NADH đến UQ trên màng ty thể. Khi e- đi qua các FMN, FeS và UQ, 4 proton được bơm vào complex I vào không gian giữa 2 lớp màng (inter-membrane space). Khi e- được bơm lên UQ hình thành UQH2.Nguồn gốc của NADH và e- là từ quá trình oxy hóa ketoglurate, malate trong chu trình Krebs (Krebs cycle).Lúc đầu điện tử được vận chuyển như sau: NADH + H+ + FMN  NAD+ + FMNH2 FMNH2 + (Fe-S)ox  FMNH· + (Fe-S)red + H+Sau đó, bị oxy hoá lại bằng cách vận chuyển điện tử vào trung tâm Fe-S kế tiếp theo cách: FMNH· + (Fe-S)ox  FMN + (Fe-S)red + H+ Điện tử đi qua một loạt các trung tâm Fe-S, và cuối cùng được chuyển đến coenzyme Q. Coenzyme Q nhận 2 e- và 2 H+ thành QH2. Hai quá trình đồng thời xảy ra:NADH + H+ + Q  NAD+ + QH2 (thải năng lượng)H+ được bơm từ nội chất (pH cao hơn) đến khoảng không gian giữa hai lớp màng (pH thấp hơn) (thu năng lượng)NADH + 5H+N + Q  NAD+ + QH2 + 4H+PPreviousSƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP IPhức hợp II (Complex II). (Succinate-Coenzyme Q Reductase) Phức hợp enzym Succinate-coenzyme Q reductase.Bao gồm succinate dehydrogenase (Enzym trong chu trình Krebs).Vận chuyển e- từ succinate đến UQ với FAD là chất trung gian	Sự khử hydro của succinate (dehydrogenation of succinate) có giá trị ∆G rất nhỏ cho việc bơm H+, vì thể phức hệ này chỉ sản sinh ra 1 UQH2 cho 1 succinate oxy hóa, và không bơm protons. 	Nó chỉ nhận được 1 electron từ sự khử hydro của succinate , được cung cấp thông qua flavin (FAD) và sắt sunfur (iron-sulfur) gộp lại trong bể chứa UQH2.Hoạt động của phức hợp II (Complex II) FAD là chất nhận điện tử đầu tiên. FAD bị khử thành dạng FADH2 trong quá trình oxy hoá succinat thành fumarat. FADH2 sau đó bị oxy hoá trở lại thành để vận chuyển điện tử qua chuỗi gồm 3 trung tâm Fe-S đến Coenzyme Q, thành QH2. Succinat dehydrogenase của chu trình Krebs cũng được gọi là phức hệ II hay Succinat-CoQ-Reductase. SƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP IIPhức hợp III (Complex III).(cytochrome reductase - oxido reductase). Q cycle (one version) Nó bơm 4 H+/ UQH2 (bao gồm cả complex I hoặc II đến UQ), và sản sinh ra 2 cyt-cRED (reduced cytochrome-c) mỗi UQH2 oxidised. Một Fe trong nhân hem của nhóm b và c cytochromes đi từ Fe3+ đến Fe2+. Phức hệ điều khiển bơm 4 protons theo chu trình Q (Q-cycle), nó phân phối 2 electron từ 1 UQH2 đến 2 phân tử cyt-c, nhưng nó chỉ mang 1 electron.Chu trình Q là một con đường phức tạp ngược để chuyển e- từ UQH2 mang 2 e- đến cytochrome-c (cyt-c) mang 1 e-. 1UQH2 cho 1 protons của nó cho IMS. Một trong những e- được mang bởi FeS và cyt-c1 đến cytochrome-c di động. Electron thứ 2 được mang qua 2 trung tâm cyt-b và được bơm ngược lên UQ để hình thành 1 gốc semiquinone. Sau đó tiến trình tương tự xãy ra với UQH2 xa hơn, sản sinh đầy đủ semiquinone đến UQH2. Lưu ý toàn bộ quá trình này sản sinh 2 UQH2, nhưng sản sinh trở lại 1 UQH2, vì thế mạng lưới oxyhóa chỉ có 1 UQH2.Hoạt động của phức hợp III (Complex III) và chu trình Q	Một electron từ UQH2 được sử dụng để làm biến đổi cyt-c, một electron khác dùng để biến đổi 1/2 UQ trong màng đến semiquinone. Điều này diễn ra đồng thời với sự giải phóng 2 protons/UQH2 vào IMS. Một electron từ UQH2 thứ 2 được dùng làm biến đổi cyt-c, và electron khác được dùng để tái tạo UQH2 trong mạng từ gốc semiquinone sản xuất ra trước, với sự hấp thụ protons từ chất nền. Quá trình này lại xảy ra đồng thời với sự giải phóng 2 protons/UQH2 vào IMS. Cuối cùng, chỉ có một mạng lưới UQH2 bị oxy hóa, nhưng 4 proton đã được bơm.2QH2Cyt. b566Cyt. b560INTERMEMBRANE SPACECyt. C1MATRIXComplex IIIComplete CycleQH2.Q-2H+e-2.Q- 2×1e-Fe-S2×1e-Q2H+ 2×1e-e-Antimycin 2×1e-2Q××SƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP IIIPhức hợp IV (Cytochrome c oxidase).Phân tử lớn (200 kD), có nhiều tiểu phần (6-13 tiểu phần)Tiểu phần lớn nhất được mã hóa bởi ADN của ty thể Có ba tiểu phần ghét nước và ổn địnhVận chuyển điện tủ từ cytocrom đến phân tử oxy 4 Cyt c (red) + 8H+N + O2 4 Cyt c (ox) + 4 H+P + 2 H2O Subunit 1Heme groups (2)Cu ion (CuB)Subunit 2Cu ions (2)Subunit 3	Complex IV bơm 2H+ cho mỗi 2 cyt-cRED, và sản sinh 1 H2O/2 cyt-cRED được oxy hóa. Complex IV nhận electron từ cytochrome-c, Chúng là những protein nhỏ và di động khuếch tán từ complex III đến complex IV. Electrons được di chuyển qua một số cytochrome-a và ion đồng trong trung tâm. CuB và cyt-a3 làm giảm lượng oxy tạo nước. Mỗi NADH oxy hóa tạo 2 electron, và đủ để làm giảm một nữa lượng O2 trong H2O.4 Cyt c (red) + 8H+N + O2  4 Cyt c (ox) + 4 H+P + 2 H2O Hoạt động của phức hợp IV (Complex IV)SƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP IVSƠ ĐỒ MỐI QUAN HỆ PHỨC HỢP I, III, IV.SƠ ĐỒ TÓM TẮT CÁC COMPLEXFMN FMNH2NADH + H+NAD+Fe2+S Fe3+SCoQCoQH2FAD FADH2SuccinateFumarateFe2+S Fe3+SCoQCoQH2Cyt b ox Cyt b redCoQH2CoQFe2+S Fe3+SCyt c1 ox Cyt c1 redCyt c red Cyt b oxCyt a ox Cyt a redCyt c redCyt c oxCyt a3 redCyt a3 oxO2H2OCOMPLEX ICOMPLEX IICOMPLEX IIICOMPLEX IVTóm tắc các phản ứngComplex I:NADH + 5H+N + Q  NAD+ + QH2 + 4H+PComplex III:QH2 + 2 cyt c1 (ox) + 2 H+N  Q + 2 cyt c1 (red) + 4 H+PComplex IV:2 Cyt c (red) + 4H+N + ½ O2  2 Cyt c (ox) + 2 H+P + H2O Summary, continuedH+ transferred from matrix per e- pairComplexPumped into IMSConsumedI45III42IV24TOTALS1011Overall, for each pair of e-,NADH + 11H+N + ½ O2  NAD+ + 10 H+P + H2OCơ chế truyền điện tử của chuỗi chuyền electron hô hấp Phản ứng truyền điện tử: Aox + Bred  Ared + Box Aox : chất oxy hoá Bred : chất khử.Chất truyền điện tử có thể có hai trạng thái: Aox + ne-  Ared Box + ne-  Bred vd: Fe3+ + e-  Fe2+ Tính thế oxy hoá khử theo phương trình Nernt: E = E° – RT/nF (ln [Ck]/[Co])Trong đó:	E: thế oxh-k; Eo: thế cơ sở; 	R: hằng số khí;T: nhiệt độ tuyệt đối; 	F: hằng số Faraday, n: số điện tử; 	Ck: nồng độ chất oxh; C0: nồng độ chất khửDE° = E°chất oxh – E°chất khử = E°chất nhận – E°chất choThế oxh-k chuyển thành năng lượng tự do của phản ứng:	DGo = – nFDE°Trong đó: DGo: năng lượng tự do (Jun) 	 DE°: hiệu số điện thế (volt)	Một phản ứng chuyển điện tử thực hiện được (DG 0.ĐỘNG LỰC CỦA QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬXem xét quá trình vận chuyển 2 điện tử từ NADH đến oxy:a. ½ O2 + 2H+ + 2e-  H2O E° = +0.815 Vb. NAD+ + 2H+ + 2e-  NADH + H+ E° = -0.315 VLấy phản ứng a trừ b: c. ½ O2 + NADH + H+  H2O + NAD+ DE° = +1.13 VDG0 = - nFDEo = – 2(96494)(1.13) = – 218 kJ/molATP  ADP + Pi 	G° = -30.5 kJ/mol SỰ TỔNG HỢP ATP TRONG CHUỖI HÔ HẤPTRONG QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN (GLYCOLYSIS)Glycolysis (glyco = ñöôøng; lysis = beû gaõy)	- Muïc tieâu: beõ gaõy glucose taïo thaønh 2 pyruvate 	- Ñoái töôïng: Taát caû söï soáng treân Traùi Ñaát ñeàu thöïc hieän quaù trình ñöôøng phaân (Glycolysis). 	-Nôi dieãn ra: baøo töông teá baøo. 	-Chu trình Ñöôøng phaân (Glycolysis) taïo ra 4 ATP vaø 2 NADH, nhöng coù 2 ATP ñöôïc duøng trong chu trình,ñeå hoaït hoùa glucose neân keát quaû taïo thaønh 2 ATP vaø 2 NADH. Chuù yù : Tieán trình naøy khoâng ñoøi hoûi O2 vaø khoâng saûn sinh ra nhieàu naêng löôïng. * KREBS CYCLE (citric acid cycle, TCA cycle)	- Mục tiêu: lấy pyruvate và đưa vào chu trình Krebs (Krebs cycle), tạo ra NADH và FADH2.	- Nơi diễn ra: Ty thể (mitochondria). 	- Gồm có 2 giai đoạn: 	 	+ Biến đổi Pyruvate thành Acetyl CoA. 	+ Chu trình Krebs (Krebs Cycle). 	Trong chu trình Krebs, tất cả cacbon, hidro và oxy trong pyruvate tạo thành CO2 và H2O. 	 Chu trình Krebs cộng với sự biến đổi Pyruvate sản sinh ra 2 ATP, 8 NADH, và 2FADH2 từ một phân tử glucose.Sự biến đổi Pyruvate thành Acetyl CoA đi vào chu trình Krebs	- 2 NADH được sinh ra. 	- 2 CO2 được giải phóng. The Krebs Cycle - Krebs Cycle Animation	- 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP được tạo thành.	- 4 CO2 được giải phóng. Do đó đối với mỗi phân tử glucose đi vào chu trình Krebs (bao gồm sự biến đổi ban đầu thành Acetyl CoA), toàn bộ quá trình sản sinh ra: 8 NADH 2 FADH2 2 ATP 6 CO2 Lưu ý, quá trình đường phân glycolysis sản sinh 2 ATP và 2 NADH, vì thế sản phẩm cuối cùng là 4 ATP và10 NADH. CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG QUÁ TRÌNH PHOTPHORIN HÓA - Electron Transport Phosphorylation (Thẩm thấu hóa học - Chemiosmosis)	-Mục tiêu: bẽ gãy NADH và FADH2, bơm H+ vào màng ngoài cùng của ty thể (mitochondria). 	- Nơi diễn ra: ty thể (mitochondria). 	Trong phản ứng này, tạo ra một gradient được dùng để sản sinh ATP, hoàn toàn giống như trong lục lạp (chloroplast).	Electron Transport Phosphorylation thông thường sản sinh 32 ATP.	ATP được sinh ra bằng cách H+ chuyển xuống trung tâm gradient thông qua một enzyme đặc biệt gọi là ATP synthase. TÓM TẮT Glycolysis: 2 ATP Krebs Cycle: 2 ATP Electron Transport Phosphorylation: 32 ATP Một NADH được sinh ra trong Glycolysis có giá trị 2 ATP (2 x 2 = 4) - 1 NADH có giá trị 3 ATP, nhưng nó tốn 1ATP để vận chuyển NADH vào ty thể, vì thế chỉ thu được 2 ATP từ mỗi NADH sản sinh trong gylcolysis Mỗi NADH được sinh ra trong quá trình chuyển đổi của pyruvate thành acetyl CoA và Krebs Cycle có giá trị 3 ATP (8 x 3 = 24) Mỗi FADH2 có giá trị 2 ATP (2 x 2 = 4) 4 + 24 + 4 = 32 Sản phẩm năng lượng cuối cùng: 36 ATP.Một số sách cho rằng giá trị cực đại là 38 ATP – nó chỉ có ở Thực vật (Thực vật không dùng 1 ATP để vận chuyển NADH vào ty thể - ở đây không có sự trái ngược nhau – nên nhớ rằng những con số đó là lý tưởng.  Trong thực tế sự sống, không có gì là hoàn hảo, vì thế bạn sẽ không bao giờ thu được số lượng ATP lớn nhất từ mỗi phân tử glucose. Overview of Aerobic RespirationCYTOPLASMGlycolysisElectron Transfer PhosphorylationKrebsCycle2ATP34 ATP2 CO24 CO2water2 NADH6 NADH2 FADH22 NADH2 pyruvatee- + H+e- + oxygen(2 ATP net)glucoseTypical Energy Yield: 38 ATPe-e- + H+e- + H+4 ATPH+e- + H+2 ATPMITOCHONRIAHiệu suất năng lượng (Energy Yields): Glucose: 686 kcal/mol ATP: 7.5 kcal/mol 7.5 x 36 = 270 kcal/mol từ quá trình sản sinh ATP270 / 686 = 39% năng lượng thu được từ hô hấp hiếu khí