Quá trình trao đổi năng lượng trong tế bào

Hô hấp là nguồn cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của cơ thể. Qua hô hấp, năng lượng được chuyển từ dạng năng lượng hoá học tích trữ trong các hợp chất hữu cơ khó sử dụng sang dạng năng lượng chứa đựng trong phân tử ATP dễ sử dụng.

Trong quá trình hô hấp, glucose bị phân huỷ hoàn toàn sẽ giải phóng năng lượng 674Kcalo/M. Khi đốt cháy glucose cũng giải phóng năng lượng tương ứng. Tuy nhiên, bản chất hai quá trình hô hấp và đốt cháy khác nhau.

Trước hết, trong hô hấp chỉ một phần năng lượng thải ra mất đi ở dạng nhiệt, còn phần lớn được tích luỹ lại trong các liên kết cao năng của ATP để cơ thể sử dụng dần.

Điểm khác biệt thứ hai là năng lượng giải phóng ra do hô hấp phân huỷ glucose không ồ ạt, đồng thời một lúc, mà thải ra từ từ qua nhiều chặng, mỗi chặng năng lượng thải ra một ít giúp cơ thể kỵp thời tích lại ở dạng ATP. Thứ ba, quá trình hô hấp được thực hiện một cách chặt chẽ có hiệu quả cao nhờ sự tham gia của hệ enzyme phân huỷ cơ chất hô hấp và hệ enzyme thực hiện việc tích năng lượng thải ra vào ATP. Đồng thời hô hấp xảy ra trong các bào quan, bộ phận của tế bào có cấu trúc chặt chẽ, hợp lý nên hiệu quả năng lượng cao.

1. Oxy hoá khử sinh học

Oxy hoá khử là quá trình có ý nghĩa  quyết định đến trao đổi năng lượng của cơ thể. Trong tế bào có nhiều hình thức oxy hoá - khử khác nhau, các hình thức đó liên quan chặt chẽ với nhau tạo nên chuỗi hô hấp.

- Khử H2 của cơ chất do hệ enzyme dehydrogenase xúc tác. Đây là những phản ứng của giai đoạn đầu của chuỗi hô hấp.

- Trao đổi điện tử giữa các hệ oxy hoá khử. Sự trao đổi này xảy ra chủ yếu là giữa các ion kim loại của các enzyme như Fe⁺³/Fe⁺²; Cu⁺²/Cu⁺¹.

Những phản ứng này thực hiện quá trình chuyển đổi giữa chuỗi hô hấp. Các phản ứng này nhờ oxidase xúc tác.

- Kết hợp với O₂ nhờ oxidase xúc tác. Đây là phản ứng cuối cùng của chuỗi hô hấp.

Phản ứng oxy hoá khử xảy ra bao giờ cũng kèm theo sự biến đổi năng lượng. Biến đổi năng lượng  tự do trong các phản ứng oxy hoá - khử  được thể hiện bằng phương trình:

ΔG’ = - nF . ΔEo (Kcalo/M)

Trong đó: 

ΔG’: mức biến đổi năng lượng tự do của phản ứng.  

 n:  số e- tham gia trao đổi trong phản ứng. 

 F: hằng số Fara.

 ΔEo: chênh lệch điện thế oxy hoá - khử giữa 2 hệ tham gia phản  ứng.

Phản ứng oxy hoá khử sinh học là cơ sở chuyển đổi năng lượng trong tế bào. Có 2 loại oxy hoá liên quan đến năng lượng:

- Oxy hoá tự do: là phản ứng oxy hoá mà năng lượng thải ra từ phản ứng chỉ ở dạng nhiệt. Đây là phản ứng oxy hoá không có ý nghĩa sinh học, nó xảy ra khi tế bào ở trong điều kiện không thuận lợi.

- Oxy hoá liên kết: là phản ứng oxy hoá mà năng lượng thải ra của nó được dùng để tổng hợp các liên kết cao năng trong ATP. Đây là loại phản ứng oxy hoá có ý nghĩa quyết định trong việc chuyển hoá năng lượng hoá học chứa trong các chất hữu cơ sang năng lượng tích trữ trong ATP.

2. Chuỗi vận chuyển điện tử

Chuỗi vận chuyển hô hấp hay chuỗi hô hấp là hệ thống các chất tham gia vận chuyển từ cơ chất đến O2 xảy ra trên màng ty thể. 

Thành phần chuỗi hô hấp gồm 4 tổ hợp: 

- Tổ hợp I: các điện tử từ cơ chất khử như a.pyruvic, a.Izoxitric... trước hết được oxy hoá bởi tổ hợp I. Tổ hợp I chứa NAD - H dehydrogenase xúc tác sự vận chuyển giữa NADH và ubiquinon. 

- Tổ hợp II: tổ hợp II chứa sucxinat - dehydrogenase xúc tác sự chuyển đổi giữa các acid sucxinic và ubiquinon. 

- Tổ hợp III: tổ hợp III gồm các xytocrom B và phức hợp xytocrom C - oxidoreductase. Chức năng của tổ hợp này là oxy hoá UQH (ubiquinon khử) và chuyển đến cho xytocrom C. 

- Tổ hợp IV: tổ hợp IV hoạt động như xytocrom - oxidaza. Thành phần tổ hợp IV gồm xytocrom a, a3 phức hợp Cu - Fe - prôtêin, xytocrom a3 -oxidaza. Tổ hợp này làm nhiệm vụ cuối cùng của chuỗi hô hấp, xúc tác sự vận chuyển từ xytocrom C đển O2 để tạo O- - ... 

Các tổ hợp trên được gắn trên màng ty thể theo vị trí xác định tạo nên chuỗi hô hấp. Vị trí các tổ hợp trong chuỗi do thế oxy hoá của chúng quyết định. Tổ hợp có thế khử thấp đứng sau làm vai trò chất oxy hoá. 

 Sự vận chuyển e- (H+) trong chuỗi là nhờ sự oxy hoá - khử thuận nghịch của các thành phần trong chuỗi. Hệ trước khử hệ sau, hệ sau bị khử sẽ trở thành chất khử để khử tiếp hệ sau đó. 

Quá trình oxy hoá khử thuận nghịch của các thành phần trong chuỗi làm cho e- và H+ tách ra từ cơ chất được chuyển đến để khử O2 tạo nước. Các phản ứng trong chuỗi đầu là phản ứng thải năng lượng. Tuỳ theo chênh lệch điện thế oxy hoá khử của các phản ứng trong chuỗi (ΔEo) mà có năng lượng thải ra (ΔG’) tương ứng. Năng lượng thải ra có thể ở dạng nhiệt nhưng cũng có thể được dùng để tổng hợp ATP. DOWNLOAD: