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

2022-08-02 01:39 PM

Oxy hóa hydro được thực hiện, bởi một chuỗi các phản ứng được xúc tác bởi các enzym trong ty thể, biến mỗi nguyên tử hydro thành ion H+ cùng với một electron và sau đó dùng electron này gắn với oxy hòa tan.

Biên tập viên: Trần Tiến Phong

Đánh giá: Trần Trà My, Trần Phương Phương

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.

Cơ chế chemiosmotic của ty thể

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.

Bài viết cùng chuyên mục

Chức năng tâm thất giống như bơm

Với cả sự tăng thể tích cuối tâm trương và giảm thể tích cuối tâm thu, thể tích co bóp có thể tăng hơn gấp đôi so với bình thường.

Quan hệ giữa vỏ não với đồi thị và trung tâm dưới vỏ về giải phẫu và chức năng

Các vùng của vỏ não liên hệ với các khu vực cụ thể của đồi thị. Những liên hệ này hoạt động theo hai chiều, gồm cả hướng từ đồi thị tới vỏ não và cả từ vỏ não trở lại, về cơ bản, cùng một khu vực đồi thị.

Sinh lý điều hòa hô hấp

Ở những trạng thái khác nhau của cơ thể, hoạt động của trung tâm hô hấp cần phải điều chỉnh để giữ  PO2, PCO2, pH máu chỉ thay đổi trong giới hạn hẹp.

Chức năng của Mineralocorticoids Aldosterone

Aldosterol chiếm phần lớn hoạt tính mineralocorticoid của hormon vỏ thượng thận, nhưng corticoid là glucocorticoid chính được tiết ở vỏ thượng thận, cũng tham giá đáng kể vào hoạt tính của mineralocorticoid.

Sự lan truyền điện thế hoạt động màng tế bào

Quá trình khử cực di chuyển dọc theo toàn bộ chiều dài dây thần kinh. Sự lan truyền của quá trình khử cực dọc theo một dây thần kinh hoặc sợi cơ được gọi là một xung động thần kinh hay cơ.

Sinh lý cầm máu

Thành mạch bị thương tổn càng nhiều thì co mạch càng mạnh, sự co mạch tại chỗ có thể kéo dài nhiều phút đến vài giờ.

Tái tạo mạch máu để đáp ứng với những thay đổi mãn tính về lưu lượng hoặc áp lực máu

Khi áp lực dòng máu cao trường kì hơn mức bình thường, các động mạch và tiểu động mạch lớn nhỏ cấu trúc lại để thành mạch máu thích nghi với áp lực mạch máu lớn hơn.

Sự lắng đọng và hấp thu canxi và phosphate ở xương cân bằng với dịch ngoại bào

Mặc dù cơ chế làm lắng đọng các muối canxi ở osteoid chưa được hiểu đầy đủ, sự kiểm soát của quá trình này dường như phụ thuộc phần lớn vào pyrophosphate, chất làm ức chế tạo thành tinh thể hydroxyapatite và lắng canxi của xương.

Đơn vị đo độ khúc xạ của một thấu kính “Diopter”: nguyên lý quang học nhãn khoa

Mức độ bẻ cong các tia sáng của thấu kính được gọi là “độ khúc xạ”. Độ khúc xạ có đơn vị là diopter. Độ khúc xạ của một thấu kính bằng 1m chia cho tiêu cự của nó.

Cân bằng dinh dưỡng trong cơ thể

Ngay lập tức sau một bữa ăn gồm cả carbohydrates, protein và chất béo, phần lớn thức ăn được chuyển hóa là carbohydrates, vì thế thương số hô hấp tại thời điểm đó tiệm cận một.

Hô hấp trong tập luyện thể thao

Có một mối quan hệ tuyến tính. Cả tiêu thụ oxy và tổng thông khí phổi tăng gấp khoảng 20 lần từ trạng thái nghỉ ngơi và cường độ tập luyện tối đa ở các vận động viên được tập luyện tốt.

Chất dẫn truyền thần kinh: đặc điểm của nhóm phân tử lớn

Sự hình thành các chất dẫn truyền nhóm phân tử lớn này phức tạp hơn, nên số lượng của chúng nhỏ hơn so với nhóm phân tử nhỏ.

Sinh lý thần kinh tiểu não

Tiểu não có chức năng điều hòa trương lực cơ, qua đó giữ thăng bằng cho cơ thể. Đồng thời, tiểu não được xem là một cơ quan kiểm soát

Kiểm soát mức độ chính xác của co cơ: sự điều hòa ngược của hệ thống cảm giác thân thể tới vỏ não vận động

Tủy sống có thể gây ra các chương trình phản xạ vận động cụ thể có tính cố định. Nhiều những chương trình như vậy cũng có vai trò quan trọng khi các neuron vận động ở sừng trước của tủy sống bị kích thích.

Các yếu tố gây ra điện thế hoạt động

Sự khởi đầu của điện thế hoạt động cũng làm cho cổng điện thế của kênh kali mở chậm hơn một phần nhỏ của một phần nghìn giây sau khi các kênh natri mở.

Mãn kinh ở phụ nữ

Khi mãn kinh, cơ thể người phụ nữ phải điều chỉnh từ trạng thái sinh lý được kích thích bởi estrogen và progesterone sang trạng thái không còn các hormone này.

Hệ thần kinh trung ương: so sánh với máy tính

Trong các máy tính đơn giản, các tín hiệu đầu ra được điều khiển trực tiếp bởi các tín hiệu đầu vào, hoạt động theo cách tương tự như phản xạ đơn giản của tủy sống.

Chất dẫn truyền thần kinh: phân tử nhỏ tốc độ và tái chế

Trong hầu hết các trường hợp, các chất dẫn truyền thần kinh có phân tử nhỏ được tổng hợp tại bào tương của trạm trước synap và được vận chuyển tích cực vào túi chứa chất dẫn truyền.

Truyền suy nghĩ trí nhớ và thông tin khác giữa hai bán cầu đại não: chức năng thể chai và mép trước trong

Hai bán cầu đại não có khả năng độc lập trong ý thức, trí nhớ, giao tiếp và điều khiển chức năng vận động. Thể chai cần thiết cho hai bán cầu trong các hoạt động phối hợp ở mức tiềm thức nông.

Cấu trúc vi tuần hoàn và hệ mao mạch

Tại nơi mỗi mao mạch bắt nguồn từ một tiểu động mạch, chỉ còn một sợi cơ trơn thường vòng từng quãng quanh các mao mạch. Cấu trúc này được gọi là cơ thắt trước mao mạch.

Dẫn truyền tín hiệu từ vỏ não đến tủy sống: nhân đỏ hoạt động như con đường phụ

Những sợi đỏ-tủy tận cùng (tạo synap) chủ yếu ở neuron trung gian ở vùng giữa của chất xám, cùng với các sợi vỏ tủy, nhưng một vài sợi đỏ tủy tận cùng trực tiếp ở neuron vận động (neuron alpha) ở sừng trước.

Hormone tăng trưởng (GH) gây các ảnh hưởng lên chuyển hóa

Hormone tăng trưởng GH tác động trên sự phát triển cơ thể, tác dụng trên phức hợp chuyển hóa, gồm tăng tạo protein, tăng huy động các acid béo từ mô mỡ, làm giảm sử dụng glucose toàn cơ thể.

Dẫn truyền xung động từ tận cùng thần kinh tới sợi cơ vân: Khớp thần kinh cơ

Điện thế hoạt động bắt đầu lan truyền trong các sợi cơ vân bởi các xung thần kinh đi theo cả hai hướng về phía tận cùng sợi cơ.

Đường kính đồng tử: cơ chế quang học của mắt

Khả năng hội tụ tốt nhất có thể đạt được là khi lỗ đồng tử co nhỏ tối đa. Lí giải cho điều đó, với một lỗ đồng tử rất nhỏ, gần như tất cả các tia sáng đi qua trung tâm của hệ thấu kính của mắt.

Chẩn đoán sinh lý đái tháo đường

Các hiệu ứng cơ bản của tình trạng thiếu insulin hoặc kháng insulin đến quá trình chuyển hóa glucose là ngăn chặn sự hấp thu và sử dụng hiệu quả glucose của hầu hết các tế bào của cơ thể, ngoại trừ những tế bào trong não.