TI THể & SỰ CHUYỂN HOÁ NĂNG
LƯỢNG TRONG TẾ BÀO
I. ĐạI CƯƠNG:
Ti thể có trong tất cả
các tế bào eucaryot của
động vật. Là bào quan
khá lớn và rất đa dạng
có thể là hình cầu, bầu
dục, que hay hình trụ kéo dài. Ti thể có đường kính trung bình 0.5-1m. Ti thể được
cấu tạo bởi hai lớp màng, các màng này đóng vai trò quyết định trong hoạt động
chuyển hoá năng lượng.
Từ trong ra ngoài cấu trúc của ti thể bao gồm: khoang chất nền, màng trong, khoang
gian màng và cuối cùng là màng ngoài.
Chất nền là khoảng chiếm bên trong cùng của ti thể. Trong chất nền chứa một hỗn
hợp rất đậm đặc của hàng trăm các men (enzym), gồm các men cần thiết cho sự oxi
hoá pyruvat và các acid béo trong chu trình acid citric. Chất nền chứa cả bản sao ADN
và các men khác cần cho sự biểu hiện các gen của ti thể.
Màng trong có cấu trúc rất đặc biệt tạo nhiều nếp gấp, các nếp gấp làm tăng tổng
diện tích màng kép lên rất nhiều. Trên bề mặt của màng chứa các protein chuyên biệt
đảm nhận 3 chức năng chính:
1. Thực hiện các phản ứng oxi-hoá trong chuỗi hô hấp của tế bào;
2. Một phức hợp men có tên là ATP synthetase tạo ra ATP trong khoang chất
nền;
3. Có các protein vận chuyển đặc biệt
điều hoà sự đi qua của các chất ra ngoài
hoặc vào trong chất nền.
Màng ngoài nhờ các protein tạo kênh
quan trọng nên màng ngoài có tính thấm
với các chất có trọng lượng phân tử ≤
5000 daltons. Các protein khác bao gồm các men tham gia tổng hợp lipid trong ti thể,
các men chuyển hoá lipid sang dạng tham gia trao đổi chất.
Khoang gian màng chứa nhiều men sử dụng ATP từ chất nền tổng hợp chuyển ra để
phosphory hoá các nucleotid khác.
Ti thể là trung tâm tạo năng lượng của tế bào, có chức năng biến đổi năng lượng
thành dạng có ích để hoạt hoá các phản ứng của tế bào.
Ngoài ra ti thể còn có bộ máy di truyền riêng độc lập nên có khả năng tự sinh sản.
II. HÌNH THÁI CỦA TI THỂ:
Ti thể là một bào quan khá lớn nên được phát
hiện từ rất lâu bằng kính hiển vi quang học. Tuy
nhiên, cấu trúc của ti thể chỉ có thể được nghiên cứu
dưới kính hiển vi điện tử và các phương pháp khác
của sinh học phân tử.
Hình dạng ti thể rất phong phú nhưng phổ biến nhất
là hình que, hình elip hoặc uốn cong thành hình vành khuyên… và có thể biến đổi hình
dạng rất nhanh để phù hợp với tế bào chứa chúng khi thay đổi trạng thái hoạt động.
Số lượng và phân bố các ti thể trong tế bào cũng rất thay đổi. Tế bào gan động vật
thường chứa khoảng 1000 - 2000 ti thể, phân bố tương đối đều, chiếm 1/5 thể tích tế
bào. Tế bào tinh trùng chứa ít bào tương, ti thể tập trung ở vùng thân, hình dạng như
vành khuyên bao quanh sợi trục của tinh trùng. Ở hồng cầu không có nhân, ti thể cũng
thoái biến hết.
Tuy ti thể rất đa dạng nhưng tựu chung có cấu tạo từ
ngoài vào trong như sau:
1. Màng ngoài:
Tương đối bằng phẳng, có tỉ lệ protein khoảng 50%. Protein của màng ngoài đơn
điệu, chủ yếu gồm porin. Phân tử porin nằm xuyên màng, tạo thành một kênh cho
phép hầu như mọi phân tử ≤ 5000 daltons được lọt qua không chọn lọc. Như vậy,
màng ngoài ti thể có tính thấm rất cao so với các màng sinh học khác. Màng ngoài như
một cái rây để lọt qua các ion H+, phân tử nhỏ như ATP và các nucleotid khác, co-
enzym, acid amin…., thậm chí cả các protein nhỏ.
Các protein khác của màng ngoài bao gồm các men tham gia tổng hợp lipid trong ti
thể và men biến đổi cơ chất lipid thành dạng chuyển hoá được trong chất nền.
2. Khoang gian màng:
Nằm giữa màng ngoài và màng trong của ti thể có bề rộng khoảng 20nm, chứa
nhiều loại men kinase dùng để vận chuyển ATP của chất nền ra ngoài tham gia
phosporyl hoá các nucleotid khác. Các nucleotid này được khuếch tán tự do qua màng
ngoài vì có trọng lượng phân tử khá thấp. Các ion hydro được bơm liên tục từ khoang
chất nền vào khoang gian màng, tạo thành sự chênh lệch nồng độ điện thế (trong âm,
ngoài dương). Ion hydro không lọt được qua màng trong để trở lại vào chất nền. Từ
khoang gian màng, ion hydro khuếch tán qua màng ngoài để vào bào tương.
3. Màng trong:
Là màng có tỉ lệ protein cao, chiếm đến 3/4 khối lượng, trong khi tỉ lệ này ở màng
tế bào và màng nội bào nói chung là 1/1. Tuy nhiên, tính thấm của nó lại mang tính
chọn lọc như phần lớn các màng sinh học khác. Mặc dù có sự chênh lệch lớn về mật
độ của các ion hydro giữa hai phía của màng trong và mặc dù các ion này có kích
thước nhỏ nhất trong các loại ion, chúng cũng không thể khuếch tán tự do qua màng
trong. Nguyên nhân có thể màng trong ti thể có chứa một loại phospholipid đặc biệt
không thấy ở các màng khác gọi là cardiolipin, chiếm tới 10% tỉ lệ lipid. Ion H+ có độ
hoà tan cực thấp trong cardiolipin.
Trên màng trong có nhiều cấu trúc chứa nhiều protein như:
Phức hợp nhiều men của chuỗi truyền điện tử. Các men này tiếp nhận
năng lượng của NADH và NADH2, dùng năng lượng đó vào việc bơm ion
hydro từ trong ra ngoài tạo thang H+ qua màng.
Thể hình chùy (phức hợp F0F1) sử dụng năng lượng của thang H+ nói
trên vào việc tổng hợp ATP.
Các loại protein tải, vận chuyển các cơ chất và sản phẩm qua các kênh
chọn lọc.
Màng trong ti thể không bằng phẳng mà gấp nếp tạo thành những mào ăn sâu vào
trong chất nền ti thể. Ở các ti thể của các tế bào khác nhau, mào cũng có hình dạng
thay đổi. Nhờ các mào mà diện tiếp xúc giữa màng trong và chất nền ti thể được tăng
lên nhiều lần, vì thế hiệu suất làm việc của ti thể cũng được tăng lên. Ngoài ra, các nếp
gấp ít nhiều còn tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng ATP của tế bào. Ví dụ, đối với tế bào
cơ tim phải tiêu thụ rất nhiều ATP nên các nếp gấp nhiều gấp ba lần trong tế bào gan.
Nhưng trong tế bào gan tổng diện tích màng trong của ti thể nhiều gấp năm lần diện
tích màng ngoài. Nếu cộng tất cả diện tích màng trong của ti thể ở tế bào gan, diện tích
này lớn gấp mười lăm lần so với diện tích màng tế bào.
4. Khoang chất nền:
Là khoảng không gian trong cùng, khoang này chứa hỗn hợp các men và cơ chất
khác nhau tham gia thực hiện chu trình acid citric, chu trình oxi hoá bêta acid béo…
Tại đây cũng có các ADN, ARN và ribosom của ti thể. Đối với tế bào gan có tới 67%
protein của ti thể nằm trong chất nền.
II. QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP ATP VÀ CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO TẾ
BÀO:
1. Năng lượng dự trữ:
Sự chuyển hoá năng lượng trong ti thể không chỉ từ nguyên liệu là pyruvate, sản
phẩm ly giải đường, mà còn từ các acid béo cũng như các protein từ đạm. Pyruvate và
acid béo được vận chuyển chọn lọc từ dịch bào tương vào khoang chất nền ti thể. Tại
đây chúng bị cắt đứt thành những nhóm có hai nguyên tử cacbon acétyl mà quan trọng
nhất là acétyl Co-enzymA (Acétyl-CoA=CoA-S-CO-CH3). Nhóm acétyl tham gia vào
chu trình acid citric (chu trình Krebs) của chuỗi hô hấp tế bào.
Để đảm bảo năng lượng được
cung cấp liên tục, cơ thể dự trữ năng
lượng dưới dạng hoá năng của các
đại phân tử (đường, mỡ và đạm). Ở
tế bào động vật, acid béo dự trữ dưới
dạng mỡ và glucose dưới dạng
glycogen. Ở một người trung bình, năng lượng dự trữ trong mỡ có thể đủ cho cơ thể
sống sót một tháng. Một gam mỡ khi phân hủy cho ra năng lượng gấp sáu lần 1 gam
glucid. Vì vậy, nếu kho dự trữ năng lượng của cơ thể chuyển hết thành glycogen mà
không chuyển thành mỡ thì trọng lượng cơ thể sẽ nặng thêm trung bình 27Kg (60
pounds). Tuy chất đường mà chủ yếu là glycogen chỉ dự trữ đủ năng lượng cho chúng
ta hoạt động được 1 ngày, nhưng đây là nguồn năng lượng quan trọng được huy động
nhanh hơn cả.
Khi nhu cầu năng lượng tăng, tế bào sẽ cắt các
polymer của glycogen thành glucose 1-phosphate
trong bào tương sau đó chúng tham gia vào quá
trình ly giải glucose thành các pyruvate (CH3-CO-
COO-) có ba carbon. Năng lượng này chỉ sử dụng
được sau khi các phân tử pyruvate chuyển từ dịch
bào tương vào chất nền của ti thể. Bên cạnh glycogen còn có mỡ dự trữ trong mô mỡ.
Từ mô mỡ, chúng giải phóng vào trong dòng máu đến các tế bào khác để sử dụng khi
có nhu cầu. Mỗi phân tử mỡ gồm ester của ba phân tử acid béo và một phân tử
glycérol. Các dẫn chất của acid béo từ phân tử mỡ được chuyển vào trong chất nền của
ti thể. Trong chất nền của ti thể mỗi phân tử acid béo vào chu trình oxi hoá acid để tạo
thành acétyl Co-enzym A.
Tại chất nền của ti thể, acétyl Co-enzym A tham gia vào chu trình acid citric tổng
hợp ATP.
2. Năng lượng sử dụng:
Trong phân tử ATP (Adenosin triphosphate) có công thức phân tử C10H16N5O13P3,
có 2 liên kết phospho anhydrid chứa nhiều năng lượng tự do (khoảng 7.3 Kcalo/mol).
Các liên kết này gọi là liên kết cao năng. Khi bị thủy phân, năng lượng tự do của ATP
cung cấp cho tất cả các phản ứng xảy ra trong tế bào như tổng hợp các chất co cơ, vận
chuyển qua màng, hoạt hoá glucose, acid amin, acid béo…
Trong tế bào còn có một số các phân tử khác có liên kết cao năng như phosphoenol
pyruvate (14.8Kcal/mol), creatinphosphate (10.3Kcal/mol). Nhưng các phân tử này
không được sử dụng để cung cấp năng lượng ở mọi nơi và mọi lúc như ATP. Chỉ có
ATP đã được lựa chọn một cách tự nhiên làm vai trò trung tâm dự trữ và chuyển vận
năng lượng cho tế bào. Ngoài ra, các nucleotid này còn tham gia nhiều con đường
chuyển hoá khác rất quan trọng như chuyển hoá acid nucleic, các co-enzym, nguyên
liệu tổng hợp ARN-polymerase. Mặt khác, nếu dùng phosphoeno lpyruvate hay
creatinphosphate để cung cấp năng lượng thì sẽ bị lãng phí nhiều vì năng lượng cần
cung cấp đa số các phản ứng sinh học chỉ nhỏ hơn 3Kcal/mol.
3. Tổng hợp ATP:
Sau khi các nguyên liệu sử dụng là acid béo và pyruvate được vận chuyển vào trong
chất nền ti thể, chúng sẽ biến đổi để cuối cùng tạo thành acétyl Co-enzymA. Tại đây
acétyl CoA là nguyên liệu tiếp theo cho chu trình acid citric. Trong chu trình acid
citric, sự oxi hoá không cần có mặt oxi, chất oxi hoá trong các phản ứng của chu trình
là phân tử NAD (Nicotinamid Adenin Dinucleotid) và FDA (Flavin Adenin
Dinucleotid). Trong mỗi chu trình có ba NAD và một FDA được khử (nhận điện tử và
hydro) tạo thành NADH và FDAH2, và hai phân tử CO2 từ hai nguyên tử các bon.
Cũng trong chu trình này tạo được một phân tử ATP do chuyển trực tiếp một phosphat
từ đường phosphate.
CH3COOH (như acétylCoA) + 2H2O + 3NAD+ + protein mang FAD
2CO2 + 3H+ + 3NADH + FADH2.
Ngoại trừ men succinate dehydrogenase và các cơ chất có chứa CoA, đa số men và
cơ chất của chu trình acid citric hoà tan trong chất nền ti thể. Do vậy, chu trình acid
citric xem như diễn ra trong chất nền ti thể.
4. Chuỗi truyền điện tử:
Các phân tử NADH
và FADH2 khi bị oxi
hoá trực tiếp bởi
oxi hoà tan trong nước có thể giải phóng được 52.6 và 42.4 Kcal/mol, những con số
này đều quá lớn so với năng lượng liên kết cao năng trong phân tử ATP. Vì vậy, ti thể
thực hiện quá trình oxi hoá NADH và FADH2 qua nhiều giai đoạn, trong đó năng
lượng được giải phóng từng ít một. Những phần nhỏ năng lượng này được tích luỹ
bằng cách bơm H+ ngược chiều với gradient và tạo thành năng lượng của thang điện
hoá hydro, với một hiệu suất có ích rất cao. Quá trình giải phóng năng lượng theo
nhiều bậc này diễn ra trên màng trong ti thể, cụ thể trên chuỗi các men gồm trên một tá
các protein khác nhau. Về bản chất, quá trình chuyển hoá năng lượng theo nhiều bậc
này gồm nhiều phản ứng oxi hoá khử nối tiếp nhau và cuối cùng là phosphoryl oxi
hoá, nghĩa là phản ứng cặp đôi hai quá trình oxi hoá và phosphoryl hoá: sự oxi hoá giải
phóng năng lượng và sự phosphoryl hoá ADP tích trữ năng lượng tạo thành ATP. Cứ
mỗi lần vận chuyển 2H đến cơ chất đến oxi thì trung bình tích trữ được 3ATP (2-
4ATP).
Ta hãy xem trạng thái xuất phát các men đều ở dạng oxi hoá. Khi NADH (dạng
khử) được oxi hoá trên men đầu tiên (E1), thì đồng thời E1 cũng bị khử (tiếp nhận điện
tử của NADH). Tiếp theo, E1 truyền điện tử cho men thứ hai E2, có nghĩa là E1 bị oxi
hoá còn E2 bị khử. E2 ở dạng khử đến lượt nó là truyền điện tử cho E3 vv.. Nói cách
khác điện tử truyền qua bậc thang thế năng tới bậc cuối cùng (cytochrome oxidase),
điện tử mới được kết hợp với oxi (cùng với H+) tạo thành nước.
Chuỗi các men làm nhiệm vụ bậc thang thế năng nói trên gọi là chuỗi truyền điện tử
(chuỗi hô hấp tế bào). Chúng gồm ba phức hợp đa men lớn nằm xuyên màng:
Phức hợp NADH dehydrogenase lớn nhất có trọng lượng phân tử 800.000
Dalton với hơn 22 chuỗi polypeptid,
Phức hợp b-c1 cytochrome gồm 8 chuỗi polypeptid với trọng lượng phân tử
500000 Daltons
Phức hợp oxidase cytochrome đặc trưng nhất trong ba phức hợp gồm
khoảng 9 chuỗi polypeptid và trọng lượng phân tử là 300000 Daltons.
Giữa các phức hợp nói trên là các phân tử tương đối linh động trong cấu trúc
tinh thể lỏng của màng bao gồm Co-enzym Q và cytochrome C. Điện tử tiếp nhận từ
NADH được trong dãy có thứ tự. Thứ tự này trùng hợp với thứ tự tăng dần điện thế
oxi hoá khử các thành phần của chuỗi. Khi được truyền đến khâu cuối cùng là phức
hợp cytochrome oxidase, điện tử kết hợp với phân tử oxi hoà tan và 2 ion hidro để tạo
thành nước.
Khi điện tử chạy qua chuỗi và giảm dần năng lượng, năng lượng tự do được giải
phóng thành từng xuất nhỏ và được các phức hợp men của chuỗi sử dụng vào việc
bơm ion H+ từ chất nền ra khoang gian màng.
5. Thang điện hoá hydro:
Mỗi cặp điện tử (lấy của NADH) khi chạy qua chuỗi truyền điện tử gây ra vận
chuyển từ 6-12 (trung bình là 10) ion hydro từ chất nền ra khoang gian màng. Kết quả
là càng có nhiều nguyên liệu được phân hủy bên trong ti thể thì càng tạo được chênh
lệch nồng độ H+ giữa 2 phía của màng.
Khoang chất nền có pH = 8 cao hơn trong dịch bào tương pH = 7. Mặt khác do ion
H+ tích điện dương, chênh lệch nồng độ của nó gây ra chênh lệch điện thế là 160mV
(khoang chất nền âm, khoang gian màng dương). Tổng của hai thành phần thế năng
điện hoá nói trên tương đương với một hiệu điện thế là 200mV. Khi ion H+ được bơm
từ trong ra ngoài, nó phải được cung cấp năng lượng, ngược lại khi H+ di chuyển từ
ngoài vào trong, năng lượng tự do được giải phóng có thể sử dụng được.
6. Tiểu thể hình chùy (phức hợp F0F1):
Mặc dù chịu lực đẩy của điện thế và thang nồng độ lớn giữa hai phía của màng
trong ti thể, ion H+ không thể khuếch tán tự do từ ngoài trở vào chất nền, do màng
trong ti thể có chứa phospholipid cardiolipin có tính thấm rất kém đối với ion H+. Trên
màng trong, có những phức hợp protein đặc biệt cho phép H+ lọt qua đó là phức hợp
F0F1. Kênh H+ này đồng thời làm nhiệm vụ tổng hợp ATP.
Phức hợp F0F1 có hình dạng như cái chùy. Cán chùy (thành phần F0) nằm xuyên
màng còn quả chùy F1 nằm nhô vào khoang chất nền, kích thước ngang là 9nm, có thể
nhìn thấy dưới kính hiển vi có độ phóng đại lớn.
Thành phần F0 gồm 3 hay 4 polypeptid và 1 proteolipid được gắn khá chặt với
màng, chỉ khi nào dùng tác nhân phá hủy màng khá mạnh mới tách được. F0 nằm
xuyên màng tạo thành kênh cho phép H+ đi qua.
Thành phần F1 gồm 9 polypeptid của 5 loại khác nhau, có trọng lượng phân tử
500000 Daltons. Nó như một chiếc nút đậy kín kênh ion hidro của F0 . Phức F1 có hoạt
tính ATP synthetase có thể phân hủy ATPthành ADP và Pi, nhưng đặc biệt khi được
cung cấp năng lượng tự do, nó lại có thể gắn ADP với Pi tạo thành ATP.
Chuyển động của ion hydro từ khoang gian màng trở lại chất nền qua kênh F0 là
chuyển động xuôi chiều thang điện hoá H+, do đó sẽ giải phóng năng lượng tự do.
Năng lượng này làm thay đổi cấu hình không gian của thành phần F1. Ở trạng thái tích
lũy năng lượng và thay đổi cấu hình không gian, F1 thực hiện phản ứng tổng hợp ATP
từ ADP với Pi, còn bản thân quay lại cấu hình xuất phát. Như vậy có thể nói, F0F1 làm
chức năng chuyển hoá năng lượng của thang điện hoá H+ thành hoá năng ATP. Hai
dạng năng lượng nói trên chuyển hoá cho nhau dễ dàng. Trong điều kiện thang H+
giảm thấp và nồng độ ATP trong chất nền khá cao, có thể xãy ra sự phân hủy ATP trên
F1 và bơm ngược H+ qua F0 ra khoang gian màng.
7. Hiệu quả của việc tổng hợp ATP:
Quá trình phosphoryl oxi hoá mỗi cặp điện tử trong NADH cung cấp năng lượng
tạo được 2.5 phân tử ATP và cặp điện tử trong FADH2 cho ra 1.5 phân tử ATP. Nói
chung, có khoảng 10 ATP được tạo ra khi một acétyl CoA vào chu trình acid citric, có
nghĩa là mỗi phân tử glucose tổng hợp được 20 ATP và một phân tử palmitate (acid
béo có 16 nguyên tử các bon) tạo được 84 ATP. Nếu đem oxi hoá hoàn toàn 1 phân tử
glucose và 1 phân tử palmitate trước khi thành lập acetyl CoA, năng lượng tạo ra gần
như tối đa khoảng 30 và 110 ATP. Như vậy hiệu suất hữu ích của toàn bộ quá trình
chuyển hoá năng lượng thường hơn 40%. So với các bộ máy chuyển hoá năng lượng
không sinh học được con người chế tạo ra (thường 10 - 20%) thì hiệu suất chuyển hoá
trong tế bào là hoàn hảo nhất.
Số năng lượng còn lại sau khi oxi hoá trong tế bào được biến thành nhiệt (năng
lượng liên kết). Với động vật máu nóng năng lượng này cũng có ích trong việc duy trì
thân nhiệt. Có nhiệt khi cơ thể tìm cách tăng tỉ lệ toả nhiệt này trong cơ và trong mô
mỡ. Ở động vật ngủ đông, hầu hết năng lượng tiêu thụ vào việc duy trì thân nhiệt. Ở
trẻ sơ sinh, mô mỡ có màu nâu, ti thể của các tế bào mô mỡ chứa một loại protein đặc
biệt tạo thành các kênh rò rỉ ion hydro qua màng trong ti thể mà không kèm theo tổng
hợp ATP. Kết quả là năng lượng giải phóng ra khi phân hủy acétyl CoA được chuyển
hau hết thành nhiệt để sưởi ấmo7 thể.
III. SỰ SINH SẢN CỦA TI THỂ:
Cùng với nhân, ti thể thuộc nhóm bào quan có ADN. Ti thể cũng chứa một hệ thống
tổng hợp protein riêng của nó. Các thành phần này xét theo đặc điểm cấu tạo đều thuộc
loại tế bào procaryote. ADN của ti thể rất ít so với tổng ADN của tế bào. Phân tử ADN
của ti thể hình giống như ở vi khuẩn. ADN ti thể chứa men mã hoá một số protein
(rprotein, protein màng ti thể, một số tiểu đơn vị của men trong chuỗi truyền diện
tử….). Các gen này qui định tính di truyền độc lập với nhân.
Ty thể trong tế bào sinh sản theo kiểu thắt đôi đơn giản.
Các ti thể già được tiêu hủy trong các không bào tự thực. Khi tế bào phân chia, quần
thể các ti thể trong bào tương được phân phối ngẫu nhiên vào các tế bào con cùng với
khối tế bào chất.
CÂU HỎI TỰ LƯỢNG GIÁ:
1. Năng lượng chủ yếu cung cấp cho các phản ứng xảy ra trong tế bào là:
A. Adenosin diphosphat
B. Adenosin triphotphat
C. Phosphoenol pyruvat
D. Creatinphosphat
E. Acetyl co-enzymA
2. Quá trình chuyển hóa năng lượng xảy ra chủ yếu ở:
A. Màng ngoài
B. Khoang gian màng
C. Màng trong
D. Khoang chất nền
E. Không câu nào kể trên
3. Cardiolipin là protein được tìm thấy trên ti thể chủ yếu ở:
A. Màng ngoài
B. Khoang gian màng
C. Màng trong
D. Khoang chất nền
E. Không câu nào kể trên
4. Ti thể có tính chất sau, TRỪ MỘT:
A. Có khả năng tự sinh sản
B. Chứa thông tin di truyền như ở tế bào eucaryot
C. Là cơ quan tổng hợp và dự trữ năng lượng cho tế bào
D. Có số lượng thay đổi tùy theo từng loại tế bào
E. Có thể thay đổi kích thước cho phù hợp hình thái tế bào
