Tổng hợp ATP do oxy hóa Hydrogen - Sự Phosphoryl-Oxy hóa

Mặc dù đã qua nhiều quá trình phức tạp (1) đường phân, (2) chu trình citric acid, (3) khử hydrogen và (4) khử carboxyl, vẫn chỉ có một số lượng rất ít ATP được tạo ra trong suốt những quá trình ấy - 2 phân tử ATP trong quá trình đường phân và 2 phân tử khác trong chu trình citric acid là kết quả cho việc chuyển hóa một phân tử glucose. Thay vào đó đến gần 90% lượng ATP tổng hợp được trong qúa trình chuyển hóa glucose sinh ra trong khi oxy hóa hydro nguyên tử, những nguyên tử ðýợc giải phóng từ giai ðoạn ðầu của quá trình thoái hóa glucose. Thật vậy, chức năng chính của tất cả các giai đoạn trước đó là làm cho hydro ở trong phân tử glucose ở dạng sẵn sàng bị oxy hóa.

Quá trình oxy hóa hydro được thực hiện, bởi một chuỗi các phản ứng được xúc tác bởi các enzym trong ty thể. Các phản ứng này (1) biến mỗi nguyên tử hydro thành ion H+ cùng với một electron và (2) sau đó dùng electron này gắn với oxy hòa tan ở trong dịch với các phân tử nước để tạo thành ion hydroxyl. Tiếp theo ion H+ và ion OH- kết hợp với nhau tạo thành phân tử nước. Trong khi xyar ra chuỗi các phản ứng oxy hóa, một lượng lớn năng lượng được giải phóng để tổng hợp ATP. Sự hình thành ATP theo cách này gọi là sự phosphoryl - oxy hóa, nó xảy ra hoàn toàn trong ty thể bởi một quá trình rất đặc trưng gọi là cơ chế thẩm thấu hóa học.

Hình. Cơ chế chemiosmotic của ty thể của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa để tạo thành một lượng lớn ATP. Hình này cho thấy mối quan hệ của các bước oxy hóa và phosphoryl hóa ở màng ngoài và màng trong của ti thể. FeS, protein sunfua sắt; FMN, flavin mononucleotide; Q, ubiquinone.

Cơ chế thẩm thấu hóa học của ty thể để tổng hợp ATP

Sự ion hóa hydro, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình tổng hợp nước. Bước đầu tiên của sự phosphoryl - oxy hóa trong ty thể là ion hóa nguyên tử hydro vừa được tách ra từ cơ chất. Như đã mô tả trong phần trên, nguyên tử hydro bị tách ra theo cặp: một nguyên tử ngay lập tức trở thành ion H+; nguyên tử còn lại gắn với NAD+ để tạo thành nicotinamide adenine dinucleotide (NADH). Số phận tiếp theo của NADH and H+. Tác động ban đầu là giải phóng nguyên tử hydro từ NADH sau đó chuyển thành ion H+; quá trình này sẽ tái tạo lại NAD+ nhằm sử dụng cho nhiều lần tiếp theo.

Electron được tách ra từ nguyên tử hydro để tạo thành ion H+ ngay lập tức đi vào chuỗi vận chuyển điện tử của chất nhận electron (electron transport chain of electron acceptors), thành phần nằm toàn bộ ở màng trong (hay còn gọi là màng shelf) ty thể. Các chất nhận điện tử có thể bị khử hoặc oxy hóa tùy vào việc chúng nhận hay cho electron. những thành phần quan trọng của chuỗi vận chuyển điện tử bao gồm flavoprotein (flavin mononucleotide), sắt sulfide, ubiquinone, and cytochromes B, C1, C, A và A3. Mỗi electron được vận chuyển lần lượt từ chất nhận này sang chất nhận khác cho đến chất cuối cùng là cytochrome A3, cytochrome này được gọi là cytochrome oxidase vì nó có khả năng chuyển 2 electron tới oxy nguyên tử để ion hóa oxy, sau đó ion này gắn với ion H+ để tạo thành nước.

Sự vận chuyển electron qua chuỗi điện tử và cuối cùng được sử dụng bởi cytochrome oxidase để tạo nên phân tử nước. Trong khi vận chuyển electron qua chuỗi vận chuyển điện tử, năng lượng giải phóng ra sẽ được dùng để tổng hợp ATP như sau.

Bơm ion H+ ra khoang ngoài ty thể được thực hiện bằng chuỗi vận chuyển điện tử. Khi electron qua chuỗi vận chuyển điện tử, một lượng lớn năng lượng được giải phóng. Năng lượng này được sử dụng để bơm ion H+ từ chất nền ty thể ra khoang ngoài ở giữa màng trong và màng ngoài (phía bên trái). Quá trình này khiến khoang ngoài có nồng độ cao các ion hydro tích điện dương; đồng thời tạo ra một hiệu điện thế âm lớn ở chất nền.

Hình thành ATP. Bước tiếp theo của sự phosphoryl-oxy hóa là chuyển từ ADP thành ATP. Chuyển hóa này xảy ra là nhờ một phân tử protein lớn, nó nằm trên màng trong ty thể và nhô ra khỏi màng này với một đầu như một cái nắm cửa về phía chất nền của ty thể. Phân tử này là một ATPase. Nó được gọi là ATPsynthetase.

Nồng độ cao các ion hydro tích điện dương ở khoang ngoài và hiệu điện thế chênh lệch lớn giữa qua màng trong khiến cho dòng ion hydro đi vào chất nền thông qua cơ chất của phân tử ATPase. Trong quá trình đó, năng lượng phát sinh từ dòng ion H+ được ATPase sử dụng để chuyển từ ADP thành ATP bằng cách liên kết ADP với một gốc phosphate tự do (Pi), do đó thêm vào phân tử một liên kết phosphate có năng lượng cao.

Bước cuối cùng của quá trình là chuyển ATP từ bên trong ty thể trở lại tế bào chất. Bước này xảy ra bởi phương thức khuyếch tán được thuận hóa qua màng trong ty thể và sau đó là khuyếch tán đơn thuần bằng sự thấm qua màng ngoài ty thể. Đổi lại, ADP liên tiếp được vận chuyển ở những vị trí khác để tiếp tục chuyển hóa thành ATP. Cứ hai electron được vận chuyển hoàn toàn qua chuỗi vận chuyển điện tử (do sự ion hóa của hai nguyên tử hydro), thì lại có 3 phân tử ATP được tổng hợp.

Tổng quan về sự hình thành ATP trong quá trình thoái hóa của Glucose

Bây giờ chúng ta có thể xác định chính xác tổng số phân tử ATP, ở điều kiện tối ưu, có thể được tổng hợp bằng năng lượng từ một phân tử glucose.

1. Trong quá trình đường phân, bốn phân tử ATP được tổng hợp và hai phân tử được chi phí cho sự phosphoryl hóa phân tử glucose ban đầu để duy trì phản ứng, cuối cùng chúng ta có hai phân tử ATP.

2. Trong mỗi chu trình citric acid, một phân tử ATP được tạo ra. Mặc dù vậy, vì mỗi phân tử glucose chia thành hai phân tử pyruvic acid, sẽ có hai chu trình cho mỗi phân tử glucose được chuyển hóa, kết quả chúng ta có hai phân tử ATP.

3. Trong toàn bộ quá trình thoái hóa của glucose, có tổng cộng 24 nguyên tử Hydro được giải phóng trong quá trình đường phân và trong chu trình citric acid. Hai mươi nguyên tử đã được oxy hóa bằng cơ chế thẩm thấu hóa học như trong HÌNH 68-7, với việc giải phóng ra ba phân tử ATP vỡi mỗi hai phân tử hydro được chuyển hóa. Quá trình này thêm vào 30 phân tử ATP.

4. Trong bốn nguyên tử hydro được giải phóng bởi enzym dehydrogenase vào quá trình oxy hóa thẩm thấu hóa học trong ty thể, bên cạnh giai đoạn đầu tiên. Cứ hai nguyên tử hydro được oxy hóa lại giải phóng ra hai phân tử ATP , do đó có tổng cộng là bốn phân tử ATP.

Bây giờ cộng tất cả số phân tử ATP được tổng hợp, chúng ta nhận ra có tối đa 38 phân tử ATP được hình thành sau khi một phân tử glucose thoái hóa thành carbon dioxide và nước. Do đó, 456,000 calo được dùng để tổng hợp ATP, trong khi 686,000 calo được giải phóng khi oxy hóa hoàn toàn một mol phân tử glucose. Kết quả này thể hiện hiệu suất cao nhất của việc chuyển đổi năng lượng là 66%. 34% năng lượng còn lại trở thành nhiệt năng, và vì vậy tế bào không thể sử dụng để thực hiện các chức năng chuyên biệt.

Ảnh hưởng của nồng độ ATP và ADP tế bào trong việc kiểm soát đường phân và oxy hóa glucose

Tiếp tục giải phóng năng lượng từ glucose khi tế bào không cần có thể dẫn đến sự lãng phí vô cùng nghiêm trọng. Thay vào đó, đường phân và quá trình oxy hóa nguyên tử hydro sau đó được kiểm soát một cách phù hợp với nhu cầu ATP của tế bào. Sự điều khiển này có sự tham gia của nhiều cơ chế kiểm soát feedback bởi các phương trình hóa học. Trong số đó những cơ chế quan trọng hơn cả là ảnh hưởng của nồng độ ADP và ATP tế bào trong việc kiểm soát tỷ lệ của những phản ứng hóa học trong chuyển hóa năng lượng.

Một cách quan trọng mà ATP giúp kiểm soát chuyển hóa năng lượng là ức chế enzyme phosphofructokinase. Do enzyme này kích hoạt sự tổng hợp fructose-1,6-diphosphate, một trong những bước đầu tiên của chuỗi phản ứng đường phân, tác động của việc dư thừa ATP trong tế bào là làm giảm, thậm chí là dừng lại quá trình đường phân, đây là cách để dừng phần lớn chuyển hóa carbohydrate. Ngược lại, ADP (và AMP cũng tương tự) gây ra tác dụng ngược lại trên enzym này, gia tăng mạnh mẽ hoạt động của nó. Mỗi lần ATP được sử dụng bởi mô cho hoạt động của phần lớn các phản ứng trong tế bào, việc này sẽ làm giảm sự ức chế của ATP trên enzyme phosphofructokinase và cùng lúc đó tăng hoạt động của nó như là kết quả của sự hình thành quá mức ADP. Do vậy, quá trình đường phân là một quá trình động, và kho dự trữ ATP của tế bào luôn được bổ sung.

Một sự kiểm soát khác là việc tổng hợp các ion citrat trong chu trình citric acid. Một lượng dư thừa ion này sẽ ức chế mạnh enzym phosphofructokinase, do đó ngăn cản quá trình thoái hóa tiếp theo từ việc chu trình citric acid sử dụng pyruvic acid tạo thành từ đường phân.

Cách thứ ba mà hệ thống ATP-ADP-AMP kiểm soát chuyển hóa carbohydrate, cũng như kiểm soát việc giải phóng năng lượng từ protein và chất béo như sau: Nhìn lại tất cả những phản ứng hóa học ðể giải phóng nãng lýợng, chúng ta nhận ra rằng nếu tất cả ADP trong tế bào ðýợc chuyển thành ATP thì một cách đơn giản, ATP sẽ không thể tổng hợp thêm được. Hệ quả là, toàn bộ những quá trình liên quan đến sử dụng thức ăn - glucose, chất béo và proteins - để tổng hợp ATP sẽ dừng lại. Tiếp theo khi ATP được sử dụng bởi tế bào để thực hiện những chức năng sinh lý khác nhau, ADP và AMP mới được tổng hợp lại quay trở lại quá trình năng lượng một lần nữa, ADP và AMP gần như ngay lập tức trở lại dạng ATP. Bằng cách này, một kho dự trữ ATP vần thiết luôn được tự động duy trì ngoại trừ khi tế bào hoạt động liên tục, chẳng hạn như tập luyện với cường độ cao.