Bài giảng Nguyên lý hoá sinh: Bài 8

David L. Nelson and Michael M. Cox LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition

BÀI. 8 CÁC QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO

© 2016 PGS.TS. BÙI VĂN LỆ

8. CÁC QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO

In Cytosol

Glucose

Pyruvate

In Cytosol

In Mitochondria

In Cytosol

In Mitochondria

Nguồn gốc: 3 trường hợp giống nhau khi sự dịch chuyển proton điều kiển sự tổng hợp ATP

(Phân hủy & tổng hợp glucose và chu trình pentose phosphaste)

In Cytosol

Glucose

Pyruvate

• Glycolysis là một chu trình gần như vạn năng dùng để oxi hóa glucose thành hai phân tử pyruvate với năng lượng dự trử như ATP và NADH.

• Glycolysis xảy ra trong cytosol của tế bào procaryote và eucaryote gồm 10 phản ứng trung gian.

• Glycolysis còn bổ xung chất cho chu trình citric và các chất trung gian cho các quá trình sinh tổng hợp.

Trong giai đoạn đầu glycolysis, ATP được đầu tư để biến glucose thành fructose 1,6-bisphosphate. Liên kết giữa C-3 and C-4 được phá vở để cho hai phân tử triose phosphate. Trong giai đoạn tiếp (payoff phase), Mổi của hai phân tử glyceraldehyde 3-phosphate chuyển hóa từ glucose chịu sự oxid hóa để biến thành pyruvate. Năng lượng phản ứng nầy dùng tạo thành một phân tử NADH và hai ATP.

Phương trình tổng cộng là: Glucose + 2 NAD+ + 2ADP + 2Pi 

2 pyruvate + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O

10 phản ứng glycolysis: Glucose được phosphoryl hóa thành Glucose 6- phosphaste (G6-P) (bởi hexokinase) rồi chuyển thành Fructose 6-phosphaste (F6-P) (bởi phosphoglucoisomerase) và rồi thành Fructose1,6 bisphosphaste (F1,6 BP) (bởi phosphofructokinase, PFK 1).

F1,6 BP chia ra thành 2 phân tử glyceraldehid-3 phosphaste (G3-P) và (DHAP) (bởi aldolase) và hai triose

dihydroxyaceton phosphaste này biến đổi nhau bởi triose phosphaste isomerase.

G3-P thì biến đổi thành 1.3 bisphosphoglycerate (1,3BPG)

và ATP (3-PG) (xúc tác

(bởi glyceraldehyde 3-phosphaste deshydrogenase) rồi phản ứng với ADP bởi 3-phosphoglycerate cho phosphoglycerate kinase). biến phosphoglycerate (2-PG) thành đổi 2 3-PG thì

(bởi phosphoglycerate mutase) và rồi phosphoenolpyruvate (PEP) bởi enolase.

Cuối cùng PEP và ADP phản ứng để tạo thành pyruvate (Pyr) và ATP

(xúc tác bởi pyruvate kinase).

Năng lượng sinh ra trong glycolysis là 2 ATP

The two phases of glycolysis

Vai trò pyruvate và NADH. Trong điều kiện háo khí (aerobic condition) có oxygen Pyruvate có thể biến thành acetyl coenzyme A (acetylCoA) (bởi enzym pyruvate deshydrogenase) để đi vào trong chu trình acid citric (krebs), NADH tiếp tục cung cấp cho dây chuyền điện tử dùng tạo năng lượng, Trong diều kiện kỵ khí (anaerobic condition) Pyruvate bị biến thành lactate (bởi lactate deshydrogenase, LDH). NAD+ phóng thích từ phản ứng trên làm cho sự glycolysis tiếp tục bất chấp sự thiếu oxygen. Khi oxygen thích hợp lactate biến đổi lại Pyr. Trong điều kiện kỵ khí nấm men (yeast) và các vi sinh vật khác tạo ra sự lên men cồn bằng cách biến Pyr thành acetaldehyd và rồi ethanol (cồn), sinh ra NAD+ để quá trình glycolysis tiếp tục.

Các quá trình lên men

Under aerobic conditions NADH transfers its electrons eventually to oxygen, regenerating NAD+. Under anaerobic conditions pyruvate is reduced to lactate to regenerate NAD+ for glycolysis to continue.

Quá trình lên men cồn

Yeast contain the enzyme pyruvate decarboxylase that decarboxylates pyruvate to form acetaldehyde. Acetaldehyde is then reduced to ethanol under anaerobic conditions.

Glycolysis bổ sung các chất trung gian cho các quá trình sinh tổng hợp.

- Glycolysis quan trọng nhất trong sự chuyển hóa carbohydrate bởi vì đường này là một phân tử cung cấp năng lượng quan trọng trong hầu hết các sinh vật. - Nếu sự dự trữ của năng lượng tế bào thấp, glucose sẽ bị phá hủy bởi con đường thủy phân glycogen (ở động vật) hay tinh bột (trong thực vật). Các phân tử glucose không cần thiết để tạo các sản phẩm trung gian cung cấp năng lượng thì sẽ được dự trữ trỡ lại (glycogen hay tinh bột).

Gluconeogenesis

3 Gluconeogenesis (tổng trong glucose) hợp động vật thực vật, nấm và vi sinh vật là một quá trình đồng nhất nhiều bước trong đó pyruvate và các hợp carbon liên chất hoan (lactate, alanine) biến thành glucose.

Bảy trong số các bước của gluconeogenesis được xúc tác cùng enzym dùng trong các bước glycolysis trong các phản ứng thuận nghịch

Ba bước không thuận nghịch trong chu trình glycolysis được thay thế bởi các phản ứng xúc tác enzyme trong gluconeogenesis là:

(1) Biến pyruvate thành PEP qua oxaloacetate được xúc tác

bởi pyruvate carboxylase và PEP carboxykinase;

(2) Sự loại phosphate (dephosphorylation) của fructose 1,6- bisphosphate bởi fructose1,6-bisphosphatase (FBPase1) (3) Sự loại phosphate (dephosphorylation) của glucose 6-

phosphate bởi glucose 6-phosphatase.

Sự tạo thành một phân tử glucose từ pyruvate cần 4 ATP, 2

GTP, và 2 NADH.

Gluconeogenesis

Glucose is made in the liver and transported to the brain in the blood stream.

The human brain consumes over 120 grams of glucose each day

Alternative paths from pyruvate to phosphoenolpyruvate

Trong động vật glucose được tổng hợp trong gan và thận để cung cấp glucose cần dùng trong nảo cơ bắp và hồng cầu (erythrocytes). Pyruvate carboxylase được kích hoạt bởi acetyl-CoA, làm gia tăng bậc tổng hợp glucose khi tế bào được bổ xung các nguồn cơ chất khác để sản xuất năng lượng (như acid béo).

Động vật không biến acetyl-CoA (chất chuyễn hóa từ acid béo) thành glucose (vì phản ứng pyruvate dehydrogenase là không thuận nghịch và tế bào không có chu trình khác để biến acetyl-CoA thành pyruvate).

Trong khi thưc vật và vi sinh vật có chu trình glyoxylate để biến acetyl-CoA thành oxaloacetate vì thế các sinh vật nầy có thể dùng chất béo như vật liệu ban đầu để tổng hợp glucose. Điều nầy rất cần cho các hạt nẫy mầm dùng glucose như nguồn năng lượng trong khi quang hợp chưa thực hiện được.

■ Tổng hợp và phân hủy glucose được điều chỉnh liên hợp để tránh

hao tổn và cả hai được thực hiện cùng thời điểm

120 g glucose/ngày

Cơ chất của gluconeogenesis. Ba cơ chất quan trọng được mô tả là lactate, glycerol và amino acid. Lactate được phóng thích trong tế bào hồng cầu và các tế bào không có ti thể hay có nồng độ oxygen thấp. Trong vận động mảnh liệt, pyruvate được sản xuất bởi glycolysis trong cơ bắp và dược thành lactate bởi lactate deshydrogenase. Lactate khuếch tán trong dòng máu (bloodstream) và được vân chuyển tới gan. Ở đây nó biến thành glucose bởi gluconeogenesis (chu trình cori). Amino acid có thể biến thành chất trung gian của glyco giải (gọi là phân tử glycogenic), alanine là chất quan trọng nhất do khi vận cơ bắp sản sinh ra một lượng lớn pyruvate, một vài phân tử nầy tạo thành bởi phản ứng transamin hóa (transamination) với glutamate. Sau khi vận chuyển tới gan alanine biến thành pyruvate rồi glucose (Chu trình glucose-alanine). Glycerol là sản phẩm chuyển hóa chất béo trong mô mỡ và vận chuyển tới gan trong máu sau đó được biến thành glycerol 3-phosphaste bởi enzym glycerol kinase chỉ có trong gan. Sự oxi hóa của glycerol 3- phosphaste cho DHAP xảy khi nồng độ NAD+ trong bào tan tương đối cao.

Gluconeogenesis

Chu trình Pentose Phosphate oxi hóa glucose

Còn gọi chu trình phosphogluconate hay chu trình hexose monophosphate dùng oxi hóa của glucose để loại CO2 tại C1 của glucose 6-phosphate khử NADP cho NADPH và tạo ra pentose phosphates.

NADPH cung cấp năng lượng khử cho phản ứng quang hợp và ribose 5-phosphate là tiền chất cho phản ứng sinh tổng hợp nucleotide và acid nucleic.

Mô tăng trưởng nhanh chóng và hoạt hoá sinh tổng hợp acid béo, cholesterol hay các hormones steroid cung cấp glucose 6-phosphate qua chu trình pentose nhiều phosphate hơn do mô ít cần dùng đến chu trình và năng lượng khử.

NADPH in high concentrations feedback inhibits the pentose phosphate pathway

Trong giai đoạn đầu của chu trình pentose phosphate hai phản ứng oxi hóa biến glucose 6-phosphate thành ribulose 5-phosphate và khử NADP cho NADPH.

Giai đoạn hai gồm các bước không oxi hóa (nonoxidative thành glucose 6-

steps) biến pentose phosphate phosphate và chu trình trở lại ban đầu.

Trong giai đoạn hai transaldolase (với cofactor TPP) và transketolase xúc tác nội biến đổi của đường 3-4-5-6-7 carbon trong các phản ứng thuận nghĩch của 6 phân tử pentose phosphates cho 5 phân tử hexose phosphates. Trong phản ứng đồng hóa của quang hợp các enzym tương tự xúc tác quá trình ngược gọi là chu trình pentose phosphate khử chuyển 5 phân tử hexose phosphates thành 6 phân từ pentose phosphates.

X 5

X 6

Vai trò chu trình pentose phosphaste trong tế bào

Dựa trên nhu cầu ribose-5-phosphate (cần dùng cho sinh tổng hợp các nucleotids và acid nucleic), NADPH (năng lượng oxi hóa khử), và ATP (năng lượng), của tế bào con đường Pentose Phosphate có thể tiến hành theo nhiều kiểu, để tối đa hóa các sản phẩm khác nhau.

Ribulose-5-P có thể được chuyển thành ribose-5- phosphate, một cơ chất để tổng hợp các nucleotides và nucleic acids. Con đường cũng sinh ra một số NADPH.

2 NADP+ 2 NADPH + CO2 glucose-6-P ribulose-5-P ribose-5-P

Pentose Phosphate Pathway producing NADPH and ribose-5-phosphate

Glyceraldehyde-3-P và fructose-6-P có thể được chuyển thành glucose-6-P để thu hồi về giai đoạn con đường Pentose của thẳng (tuyến tính) Phosphate, tố đa hóa sự tạo thành NADPH.

2 NADP+ 2 NADPH + CO2 glucose-6-P ribulose-5-P ribose-5-P

fructose-6-P, & glyceraldehyde-3-P

Pentose Phosphate Pathway producing maximum NADPH

Glyceraldehyde-3-P và fructose-6-P, được tạo thành từ đường phosphates 5-C, có thể đi vào con đường Glyco giải để tổng hợp ATP. Con đường cũng tạo ra một số NADPH. 2 NADP+ 2 NADPH + CO2 glucose-6-P ribulose-5-P ribose-5-P

fructose-6-P, & glyceraldehyde-3-P

to Glycolysis for production of ATP

Pentose Phosphate Pathway producing NADPH and ATP

Chu trình pentose phosphate oxid hóa ở lục lạp cho phép thực vật tạo NADPH trong bóng tối

Sự thiếu transketolase làm giảm ái lực của TPP là nguyên nhân hội chứng Wernicke- Korsakoff. Sự đưa glucose 6-phosphate vào glycolysis hay chu trình pentose phosphate được qui định bởi nồng độ tương đối của NADP và NADPH.

NADPH in high concentrations feedback inhibits the pentose phosphate pathway

(Năng lượng do hô hấp tế bào: Chu trình acid citric)

Catabolism of proteins, fats, and carbohydrates in the three stages of cellular respiration

Vi sinh vật hiếu khí có một thuận lợi to lớn hơn nhiều so với các vi sinh vật yếm khí, đó là, có một khả năng to lớn để nhận năng lượng từ các phân tử thực phẩm hữu cơ.

Để sử dụng oxygen nhằm tạo năng lượng đòi hỏi các

đường sinh hóa sau: a) Chu trình acid citric. b) Con đường vận chuyển điện tử và c) Sự phosphoryl hóa oxy hóa.

In Cytosol

In Mitochondria

Chu trình acid citric (Krebs,TCA)

Chu trình acid citric là một loạt các phản ứng sinh hóa mà sinh vật hiếu khí sử dụng để giải phóng năng lượng hóa học dự trữ trong acetyl-CoA.

Trong chu trình acid citric, các nguyên tử carbon có nguồn gốc từ nhóm acetyl của acetyl-CoA bị oxide hóa thành CO2. các điện tử cao năng bị loại khỏi các chất trung gian của chu trình acid citric sẽ được đưa đến NAD+ và FAD để tạo thành các coenzyme khử là NADH và FADH2.

Acetyl-CoA là một sản phẩm của các phản ứng dị hóa trong t r ì n h b i ế n d ư ỡ n g q u á carbohydrate, lipid và amino acid. Nó được tổng hợp từ loạt các pyruvate trong một phản ứng. acetyl-CoA cũng là một sản phẩm của quá trình b- oxide hóa các acid béo và các phản ứng nhất định trong quá trình biến dưỡng amino acid.

Pyruvate di chuyển vào ty thể và được oxid hóa thành Acetyl-CoA

Tổng hợp Acetyl-CoA

•

pyruvate + CoASH + NAD+  acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+ Phức hợp Pyruvate Dehydrogenase kích thước 50 nm, MW = 7,000,000, trong chất nền ty thể 3 thành phần:E1 = pyruvate DHase. E2 = dihydrolipoyl transacetylase, E3 = dihydrolipoyl DHase

Overall reaction catalyzed by the pyruvate dehydrogenase (PDH) complex

The pyruvate dehydrogenase complex consists of 3 enzymes The complex utilizes 5 cofactors for catalysis

Pyruvate Dehydrogenase Cofactors

Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+)

an electron carrier. Vitamin required: niacin Flavin Adenine Dinucleotide (FAD)

an electron carrier Vitamin required: riboflavin

Coenzyme A (CoA)

an acyl carrier with a reactive thiol - often acetyl-CoA Vitamin required: pantothenate

Thiamine Pyrophosphate (TPP)

functions in electron transfer Vitamin required: thiamine

Lipoic Acid

has two thiols that can form a disulfide bond

Lipoic Acid is attached to a Lysine of E2 of the PDH complex

Composition of Pyruvate Dehydrogenase Complex

In E. coli:

24 copies of dihydrolipoyl transacetylase (E2)

E2 contains covalently bound lipoate 24 copies of pyruvate dehydrogenase (E1)

E1 contains bound TPP

12 copies of dihydrolipoyl dehydrogenase (E3)

E3 contains bound FAD

The pyruvate dehydrogenase complex is large enough to

be seen with an electron microscope. ~45 nm in diameter

Chu trình acid citric xảy ra trong tám phản ứng.

Trong phản ứng đầu tiên của chu trình acid citric, một nhóm acetyl hai carbon của acetyl-CoA kết hợp với một phân tử bốn carbon của oxaloacetate để hình thành một phân tử sáu carbon là citrate. Trong bảy phản ứng kế tiếp trong đó hai phân tử CO2 được tạo ra và bốn cặp điện tử bị loại khỏi các hợp chất carbon thì citrate được chuyển trở lại oxaloacetate. Một phản ứng của chu trình, phân tử cao năng là guanosine triphosphate (GTP) được sinh ra trong suốt quá trình phosphoryl hóa ở mức cơ chất. Phản ứng chung của chu trình acid citric được biểu diễn như sau: Acetyl-coA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + CoASH + GTP + 3 H+

6 carbons

5 carbons

4 carbons

Enzymes of the Citric Acid Cycle

Structure and Mechanism of catalysis

Oxaloacetate (orange) binds to the enzyme first. This causes a conformational change from “open” to “closed” form.

The conformational change creates a binding site for the second substrate acetyl-CoA (purple).

Citroyl-CoA is formed and another conformational change

puts an Asp side chain in position to cleave citroyl-CoA.

X-ray crystal structure of citrate synthase

Aconitase catalyzes the transformation of citrate to isocitrate

H2O can be added to cis-aconitate in two different ways. Isocitrate is normally formed due to the low concentration of isocitrate, rapidly converted to -ketoglutarate.

Aconitase has a iron-sulfur center that acts in both substrate binding and catalysis.

Succinyl-CoA synthetase uses the energy of a thioester bond to produce GTP from GDP and Pi.

Succinyl-CoA synthetase is phosphorylated on a His residue during catalysis. This phosphoryl group is then transferred to GDP (or ADP) to form GTP (or ATP).

Ngoài vai trò sinh năng lượng, chu trình acid citric còn là những cơ chất trong nhiều phản ứng sinh tổng hợp khác nhau.

Biotin in pyruvate carboxylase is a carrier of one carbon groups as CO2.

CO2 is passed on to pyruvate to form oxaloacetate in a carboxylation reaction.

This reaction requires energy in the form of ATP.

REGULATION OF

THE CITRIC ACID CYCLE

(Gluconeogenesis)

Fatty acids Amino Acids

Glucose

PEP carboxykinase

CO2

Phosphoenolpyruvate

The Glyoxalate Cycle What plants can do and humans cannot

Chu trình glycoxylate Thực vật cũng như một số loài nấm, protozoan và vi khuẩn có thể tăng trưởng bằng cách sử dụng hai các hợp chất hai carbon như ethanol, acetate, acetyl-CoA có nguồn gốc từ acid béo là những cơ chất thông dụng nhất. Các loạt phản ứng đảm nhận khả năng này được gọi là chu trình glycoxylate, là một biến thể của chu trình acid citric. Ở thực vật, chu trình glyoxylate xảy ra trong các bào quan gọi là glyoxysome. Trong các sinh vật khác và vi khuẩn thì enzyme của quá trình glycoxylate xuất hiện trong tế bào chất.

Chu trình glycoxylate gồm năm phản ứng. hai phản ứng đầu là tổng hợp citrate và isocitrate thì rất quen thuộc bởi vì chúng cũng xảy ra trong chu trình acid citric. Tuy nhiên, sự hình thành isocitrate từ oxaloacetate và acetyl- CoA và quá trình đồng phân hóa citrate thành isocitrate được các isozyme đặc hiệu trong glyoxysome xúc tác. Hai phản ứng kế tiếp là duy nhất đối với chu trình glyoxylate. Isocitrate bị cắt thành hai phân tử succinate và glycoxylate bởi isocitrate lyase phân tử bốn carbon succinate bị chuyển thành malate bởi các enzyme ty thể. Phân tử hai carbon glyoxylate phản ứng với phân tử acetyl-CoA thứ hai tạo thành malate trong phả ứng do malate synthase xúc tác. Chu trình hoàn tất khi malate chuyển thành oxaloacetate nhờ malate dehydrogenase.

The Glyoxylate Cycle

Net Production Of Oxaloacetate For Carbohydrate Synthesis (non-vertebrates)

In plants, enzymes of the glyoxylate cycle are in glyoxysomes

Chu trình glyoxylate cho phép tổng hợp các phân tử lớn từ các phân tử hai carbon. Các phản ứng decarboxyl hóa của chu trình citrate mà trong đó hai phân tử CO2 bị mất đi sẽ bị đi vòng. Bằng cách sử dụng hai phân tử acetyl-CoA chu trình glyoxylate sinh ra một phân tử succinate và oxaloacetate. Sản phẩm sucinate được sử dụng trong tổng hợp các phân tử quan trọng trong chuyển hóa mà đáng chú ý nhất là glucose.

Ở động vật không có isocitrate lyase nên quá trình tân tạo glucose luôn liên quan đến các phân tử có ít nhất ba nguyên tử carbon. Ở động vật không có mạng tổng hợp glucose từ acid béo. Sản phẩm oxaloacetate được dùng để duy trì chu trình glyoxylate.

Một số vi khuẩn kỵ khí dùng chu trình acid citric không hoàn toàn để sản xuất các tiền chất sinh tổng hợp. Chúng không có a-cetoglutarate deshydrogenase

Dehydrogenases produced NADH and FADH2 in catabolism via Glycolysis and the Citric Acid Cycle

Q: What happens to the electrons stored in NADH and FADH2?

A: They get transferred to O2 through a series of electron carriers located in the inner membrane of mitochondria.

H+ are pumped out of the mitochondrial matrix.

Therefore a H+ gradient is being built up.

The matrix becomes negatively charged and the intermembrane space becomes positively charged

H+

H+

Dây chuyền vận chuyển điện tử

• Các phân tử NADH và FADH2 được tạo ra trong con đường glycolysis, con đường b-oxy hóa, và chu trình acid citric tạo ra khả năng sử dụng năng lượng trong dây chuyền vận chuyển điện tử (ETC: electron transport chain). Dây chuyền này gồm một loạt các chất mang oxy hoá khử mà có thể nhận điện tử từ NADH và FADH2.

• Ở giai đoạn cuối của dây chuyền vận chuyển điện tử, cùng với các proton, điện tử được đưa đến oxygen để tạo thành nước. Trong quá trình oxy hóa NADH, có 3 bước mà ở đây sự mất năng lượng điện tử để giải thích cho sự tổng hợp ATP. Những bước này, xuất hiện bên trong các phức hợp I , III , IV.

Mitochondria contain two membranes, an outer membrane permeable to small molecules and ions and an impermeable inner membrane.

The inner membrane contains components of the respiratory chain for transfer of electrons to O2. The inner membrane also contains ATP synthase, an enzyme that synthesizes ATP.

Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC- Electron transfer chain)

NADH Q cytb cytc cyt(a+a3)

FADH

Electron Carriers in the Respiratory Chain

NADH – nicotinamide adenine dinucleotide

soluble molecule used by dehydrogenases

Flavoproteins – contain FAD or FMN which can be

reduced to FADH2 and FMNH2

Ubiquinone – also known as coenzyme Q

lipid-soluble molecule with isoprenoid chain

Cytochromes – proteins that contain a heme prosthetic group

Iron-sulfur proteins – coordinate a non-heme iron atom(s)

NADH and NADPH are soluble electron carriers used by enzymes called dehydrogenases

Niacin is a vitamin that is a precursor to NADH and NADPH

Some enzymes use flavin nucleotides for oxidation-reduction

Ubiquinone (Coenzyme Q)

Lipid-soluble molecule with a long isoprenoid side chain. Diffusible in the membrane.

Can accept one electron to become the semiquinone radical QH•.

Can accept two electrons to become ubiquinol QH2.

Cytochromes are proteins that contain heme prosthetic groups

2Fe-2S

4Fe-4S

Iron-sulfur proteins have Fe-S centers containing Fe atoms Each Fe is surrounded by four sulfurs

Q Thu nhận e- từ bốn nguồn hô hấp khác nhau

• (duøng Q mang e- tôùi phöùc hôïp III)

Complex I is NADH dehydrogenase Complex I transfers a hydride ion from NADH to ubiquinone and pumps 4 protons across the inner mitochondrial membrane

H+ are pumped out of the mitochondrial matrix.

Therefore a H+ gradient is being built up.

The matrix becomes negatively charged and the intermembrane space becomes positively charged

H+

H+

Complex II Succinate Dehydrogenase

Complex III: cytochrome bc1 complex Transfers electrons from ubiquinol (QH2) to cytochrome c

The Q Cycle of Complex III

Complex IV

Sự phosphoryl hóa oxid hóa (Oxidative phosphorylation)

• Sự phosphoryl hóa oxy hóa là cơ chế mà sự vận chuyển điện tử được đồng hành với sự tổng hợp ATP. Dựa theo thuyết hóa thẩm thấu, sự tạo một gradient proton sẽ đồng hành với sự vận chuyển điện tử cùng với sự tổng hợp ATP.

Thuyết hóa thẩm thấu

Năm 1961, Peter Mitchell, một nhà sinh hóa người Anh, đã đề xướng một cơ chế cho rằng năng lượng sinh ra trong quá trình vận chuyển điện tử sẽ điều khiển quá trình tổng hợp ATP. Mitchell đề nghị rằng năng lượng tự do thoát ra do sự kết hợp quá trình chuyển điện tử và tổng hợp ATP sẽ bắt cặp với lực dẫn proton do ETC tạo ra. Mô hình mitchell được chấp nhận rộng rãi và được gọi là thuyết hóa thẫm thấu

Chemiosmotic Model

1920-1992 Nobel prize 1978

The release of ATP from ATP synthase is the major energy barrier to catalysis

ATP synthase

Những nghiên cứu ty thể qua kính hiển vi điện tử đã phát hiện ra một lượng lớn những cấu trúc có dạng hình lollipop (kẹo que) khảm ở mặt trong của màng trong ty thể. Những thí nghiệm bắt đầu vào đầu những năm 1960 sử dụng những mẩu tiểu ty thể đã khám phá ra mỗi lillopop là một ATP synthase hoán vị proton. Những nghiên cứu sâu hơn cho thấy ATP synthase được cấu tạo bởi hai phần chính. Đơn vị F1, ATPase hoạt động, có năm tiểu đơn vị khác nhau hiện diện theo tỷ lệ 3, b3, g, , . Có ba vị trí xúc tác gắn với nucleotide trên F1. Đơn vị F0 là một kênh proton xuyên màng có ba tiểu đơn vị với tỷ lệ a1,b2, c10. ATP synthase hoạt động như là một máy quay phân tử mà trong đó dòng proton phóng thích ATP khỏi các tâm xúc tác. Thành phần quay của bộ máy này chứa các tiểu đơn vị g,  và c10 trong khi đó các tiểu đơn vị a1, b2, , 3, b2 tạo thành phần đứng yên. Khi proton đi qua F0 thì sự thay đổi cấu hình sẽ được chuyển sang sự quay vòng giữa các thành phần quay và đứng yên. Quá trình quay đó sẽ giải phóng ATP ra khỏi các tâm xúc tác của enzyme.

F1F0 ATP-Synthase (ATPase)

ATP synthase is a “molecular motor”

The three b subunits are each in a different conformation,

b-empty, b-ADP, or b-ATP.

Each b subunit alternates between conformations, b-empty  b-ADP + Pi  b-ATP.

When protons pass through Fo the c subunits of Fo rotate

and rotate the attached g subunit of F1 along with them.

With each 120º rotation of the g subunit of F1, the g subunit comes in contact with another b subunit, forcing it to release ATP and enter the b-empty conformation.

The empty subunit then binds ADP and Pi and catalyzes

the synthesis of another ATP molecule.

Different organisms have different numbers of c subunits in the C ring of the Fo complex

a – bovine b - yeast

Active transport processes for oxidative phosphorylation

The malate-aspartate shuttle carries NADH electrons into the matrix (liver, kidney, heart)

The glycerol 3- phosphate shuttle carries NADH into the matrix (skeletal muscle, brain)

Kiểm soát quá trình phosphoryl hóa oxide hóa

Kiểm soát quá trình phosphoryl hóa oxide hóa cho phép tế bào chỉ tạo một lượng ATP cần thiết để duy trì hoạt động của nó. Ở những điều kiện bình thường thì sự vận chuyển điện tử và tổng hợp ATP bắt cặp chặt chẽ với nhau. Giá trị của tỷ lệ P/O (Phosphorylated nucleotide/ Oxygen consumed) phản ánh mức độ bắt cặp giữa quá trình vận chuyển điện tử và tổng hợp ATP. Tỷ lệ tối đa đối với quá trình oxide hóa NADH là (10/4) 2,5 ATP và đối với FADH2 là (6/4) 1,5 ATP. Phần lớn NADH từ bào chất (cytosol) tham gia trong quá trình vận chuyển e- qua trung gian hai con thoi: dùng Glycerol 3 phosphaste (G3P) hay malate (con thoi malate-aspartate) để mang e- ngang qua màng để hình thành FADH2 hay NADH. Do đó sự tạo thành năng lượng có khác nhau: giá trị năng lượng sinh ra trong quá trình oxid hóa glucose xảy ra trong ty thể từ 30-32 ATP tùy thuộc vào con thoi G3P hay malate.

Regulation of the ATP-producing pathways

In adipose tissue of newborn mammals, an inner membrane protein, thermogenin, allows protons to flow back into the mitochondrial matrix, producing heat rather than ATP.

Trong E.Coli màng phức tạp và sự vận chuyển điện tử tạo bơm proton

Tạo một sự khác biệt pH và mất cân bằng điện tích

Nguyên

tạp nhận ATP (hướng vào chất) trong bào hay tạo các công cơ học khác

In Cytosol

In Mitochondria

Tổng quát về quang phosphoryl hóa (Photophosphorylation)

Phản ứng sáng của quang hợp tạo dẩn chuyền điện tử từ nước ngang qua chất mang liên kết màng để sản xuất ATP và NADPH

Phản ứng đồng hóa carbon khử CO2 với điện tử

từ NADPH và năng lượng từ ATP

Phản ứng sáng

Photophosphorylation trong lục lạp thực vật xanh và cyanobacteria chuyền điện tử do các phức chất màng.

Trong phản ứng sáng của thực vật, Sự hấp thu các quang tử kích hoạt Chlorophyl và các sắc tố khác tập trung năng lượng trong phản ứng trung tâm trong màng thylakoid.

Trong phản ứng trung tâm quang tử truyển một tác

nhận cho và nhận điện tử

Các phản ứng quang hóa trong quang hợp xảy ra ở các protein gắn màng

thylakoid lumen

outer membrane

inner membrane

stroma

chloroplast

thylakoid membrane

LHC-II (light-harvesting complex II), protein ăng-ten của thực vật là một trimer với 14 chlorophyll và 3 carotenoid ở mỗi tiểu phần protein

Chl-b

Chl-a

carotenoid

Z. Liu et al. Nature 428: 287 (2004); 1rwt.pdb

Chlorophyll

Beta carotene

Hệ thống ăng-ten của vi khuẩn quang hợp tía có ba phức hợp protein sắc tố vòng

Phứ hợp LH1, với 31 peptide xoắn  xuyên màng (vàng) và 30 BChls (màu CPK), xung quanh tâm hoạt động (đỏ, cam & nâu), nơi các phản ứng chuyển electron xảy ra.

Góc nhìn bình thường vuông góc màng

Góc nhìn ngang mặt phẳ`ng màng

A. W. Roszak et al. Science 302: 1969 (2003); 1pyh.pdb

Khi ăng-ten bị kích thích bởi ánh sáng, sự khích thích sẽ được chuyển đến tâm phản ứng trong khoảng ~40 ps

0.1 - 0.2 ps

Phức hợp LH2 nhỏ hơn chuyển năng lượng nhanh chóng cho LH1

LH2

35 ps

RC

1.2 ps

Góc nhìn bình thường trên màng

1 ps = 10-12 s

LH1

PE: Phycoerythrin PC:Phycocyanin AP: Allophycocyanin

Vi khuẩn có một phản ứng trung tâm đơn giản, trong vi khuẩn tía (purple bacteria) có kiểu pheophytin-quinone và trong vi khuẩn lưu huỳnh lục có kiểu Fe-S

Khảo sát cấu trúc của phản ứng trung tâm vi khuẩn tía cho biết các thông tin vẫn chuyển điện tử các phân tử nhận và kích hoạt chlorophyl ngang qua pheophytin và quinone và chuyền qua phức chất cytochrome bc1 rồi trở về phản ứng quang hóa trung tâm

Trong vi khuẩn lưu huỳnh lục điện từ tử khư

quinone tạo NADH

Khi phức hợp được kích thích bởi ánh áng, một electrong di chuyển từ dimer BChl (P870) đến một BPh và sau đó đến một quinone

LIGHT

BChl dimer

3 ps

BChl

1 ps

BPh

200 ps

Q

Fe

Thực vật và Cyanobacteria có hai phản ứng quang hóa trung

tâm khác nhau

• Hệ thống photosystem I thực vật chuyền điện tử từ phản ứng kích hoạt trung tân P700 ngang qua chuổi ferredoxin, để tạo NADPH.

• Phản ứng trung tâm photosystem II, P680 chuyền điện tử đến plastoquinone, và điện tử mất ở P680 được cho bởi are (các phân tử cho khác có thể dùng cho các vi sinh vật khác) • Ánh sáng dùng phá vở H2O được xúc tác phức chất protein chứa Mn để cho O2. Plastoquinone khử mang e- tới phưc chất cytochrome b6 f ở đây chúng chuyển tới plastocyanin và P700 để thay thế điện tử mất đi do quang hoạt hóa.

• Luồng e- ngang qua phưc chất cytochrome b6 f làm cho protons phóng thích qua màng thực hiện một lực proton cung cấp năng lượng cho tổng hợp ATP bởi ATP synthase

PSII COMPLEX PSI COMPLEX

Tổng hợp ATP bởi quang phosphoryl hóa

Trong thực vật cả hai sự phá vở H2O và luồng e- ngang qua cytochrome b6f dẩn tới sự phóng thích H+ qua màng thylakoid. Lực H+ thực hiện sư tổng hợp ATP bởi phức chất CFoCF1 tương tự như phức chất F0F1 trong ty thể.

Luồng e- ngang qua hệ thống quang hợp sản sinh

NADPH và ATP trong tỉ lệ khoảng 2:3.

Một kiểu vận chuyển e- vòng thứ hai (cyclic flow) việc tạo ATP tuỳ theo sự thay đỏi tỷ lệ NADPH và ATP tạo ra

Peter Mitchell: Diffusion

4e–

Ferredoxin

PQ

Photon

Cytochrome complex

Pc

P700

ATP produced via proton motive force

Photosystem I

Mặc dù các quan sát thí nghiệm ở lục lạp đóng vai trò quan trọng trong quá trính phát triển thuyết hóa thẫm thấu như một số ấn bản liên quan đến tổng hợp ATP ở lục lạp vẫn chưa rõ ràng. Điểm nổi bật nhất trong số này là tỷ lệ H+/2e-. Trong phản ứng sáng có tất cả sáu ion H+ được chuyển đi đối với mỗi cặp điện tử. Do sự di chuyển của ba ion H+ thông qua ATP synthase cần cho quá trình tổng hợp một phân tử ATP nên hai phân tử ATP sẽ được sinh ra đối với mỗi phân tử NADPH được tổng hợp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, người ta quan sát thấy tỷ lệ gần đến 4 H+/2e-. Với tỷ lệ này, có khoảng 1,3 phân tử ATP được tổng hợp đối với mỗi phân tử NADPH. Lý do về việc giảm tỷ lệ này vẫn chưa được biết đến. Một số thí nghiệm gần đây cho thấy rằng dưới cường độ ánh sáng cao thì phức hợp cytochrome b6f không có khả năng bơm hai điện tử phụ.

Sự định vị của PSI và PSII có thể thay đổi và được kiểm soát gián tiếp bởi cường độ sáng phân phối sự hấp thu tối đa của hai hệ thống quang hợp.

Lục lạp, ty thể và vi khuẩn là cộng sinh trong trong tế bào eukaryote (thuyết cộng sinh). ATP synthases của eubacteria, cyanobacteria, ty thể và lục lạp thường có nguồn gốc cơ chế như nhau (common enzymatic mechanism).

Nhiều vi khuẩn quang hợp tạo e- cho quang hợp không từ nước mà từ chất cho e- khác như H2S.

Nguồn gốc của ty thể: Từ sự nội cộng sinh của vi khuẩn?