Khái niệm Phương trình tổng quát bản chất và các giai đoạn chính của quá trình hô hấp tế bào
- Hô hấp tế bào là quá trình chuyển đổi năng lượng rất quan trọng của tế bào sống. Show - Trong hô hấp, các phân tử hiđratcacbon bị phân giải thành nhiều sản phẩm trung gian, cuối cùng đến CO2 và H2O, đồng thời giải phóng năng lượng ở dạng các phân tử ATP. - Quá trình hô hấp tế bào diễn ra chủ yếu ở ti thể. - Phương trình tổng quát quá trình phân giải hoàn toàn một phân tử glucozơ: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6O2 + Nhiệt + ATP - Hô hấp tế bào là một chuỗi các phản ứng ôxi hóa khử. Thông qua chuỗi các phản ứng này, phân tử glucôzơ được phân giải dần dần và năng lượng của nó không được giải phóng ồ ạt mà lấy ra từng phần ở các giai đoạn khác nhau. (Ảnh: Internet) II. CÁC GIAI ĐOẠN CHÍNH CỦA HÔ HẤP TẾ BÀOQuá trình hô hấp tế bào gồm 3 giai đoạn chính: Đường phân, Chu trình Crep và Chuỗi truyền điện tử hô hấp. 1. Đường phân - Là quá trình biến đổi phân tử đường glucôzơ, xảy ra trong tế bào chất. - Nguyên liệu: 1 C6H12O6, 2ATP (để hoạt hóa glucôzơ ở giai đoạn đầu), 4ADP, 2NAD+, 4Pi. - Sản phẩm: 2 axit piruvic (C3H4O3), 2NADH và 4ATP, 2ADP. (Tế bào chỉ thu được 4-2=2ATP) 2. Chu trình Crep - Xảy ra trong chất nền của ti thể. - Nguyên liệu: axit piruvic axêtyl-CoA và tạo ra 2 phân tử NADH và 2 phân tử CO2. - Axêtyl-CoA đi vào chu trình Crep bị phân giải hoàn toàn tới CO2. - Kết quả: tạo ra 6NADH, 2ATP, 2FADH2, 4CO2. 3. Chuỗi chuyền điện tử hô hấp - Xảy ra trên màng trong của ti thể. - Nguyên liệu: 10NADH, 2FADH2, 6O2 Êlectron được truyền từ NADH và FADH2 tới ôxi qua một chuỗi các phản ứng ôxi hóa khử kế tiếp nhau. Trong phản ứng cuối cùng, ôxi bị khử tạo ra H2O. 1NADH 3 ATP; 1FADH2 2ATP - Sản phẩm: 34ATP, 6H2O. 4. Sơ đồ tổng quát: (Ảnh: Internet) III. QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI CÁC CHẤT KHÁC- Phân giải prôtêin: prôtêin được phân giải thành axit amin rồi biến đổi thành axêtyl–CoA đi vào chu trình Crep. - Phân giải lipit: lipit được phân giải thành axit béo và glixêrol rồi biến đổi thành axêtyl–CoA và đi vào chu trình Crep. (Ảnh: Internet)
a. Khái niệm hô hấp tế bào - Hô hấp tế bào là quá trình chuyển đổi năng lượng. Trong đó, các phân tử cacbohidrat bị phân giải đến CO2 và H2O, đồng thời năng lượng được giải phóng và một phần năng lượng đó được tích lũy trong ATP. Hình 16.1 Quá trình hô hấp tế bào b. Bản chất của hô hấp tế bào C6H12O6 +6O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Q (ATP + nhiệt) Hình 16.2 Phương trình hô hấp - Hô hấp là một chuỗi các phản ứng ôxi hóa khử, trải qua nhiều giai đoạn và năng lượng được sinh ra ở nhiều giai đoạn khác nhau. a. Đường phân - Đường phân: Là quá trình phân giải Glucozo đến axit piruvic- Nơi diễn ra: tế bào chất- Nguyên liệu: glucozo, 2ATP, 2NADH - Diễn biến:
Glucôzơ (6C) → 2 axit piruvic (3C) + 4ATP + 2NADH (1NADH = 3ATP) NADH: Nicôtinamit ađênin đinuclêôtit. → Như vậy, kết thúc quá trình đường phân thu được 2ATP và 2 NADH. Hình 16.3 Quá trình đường phân b. Chu trình Crep - Nơi diễn ra: trong chất nền của ti thể.- Nguyên liệu: 2C3H4O3 bị oxy hóa thành 2 axetyl-coenzymA. - Diễn biến:
- Kết quả: tạo 6CO2, 2ATP, 2 FADH2 và 8 NADH. Hình 16.4 Chu trình Crep c. Chuỗi chuyền electron hô hấp - Diễn ra ở màng trong ti thể. Hình 16.5 Chuỗi truyền Electron - Kết quả: Một phân tử glucozo qua phân giải hiếu khí giải phóng ra 38 ATP và nhiệt lượng. d. Tổng năng lượng hô hấp của tế bào Hình 16.6 Tổng năng lượng hô hấp của tế bào B. TRẢ LỜI CÂU HỎI SGK Câu 1 trang 66 SGK Sinh học 10: Thế nào là hô hấp tế bào? Quá trình hít thở của con người có liên quan như thế nào với quá trình hô hấp tế bào? Lời giải: Hô hấp tế bào là quá trình chuyển đổi năng lượng rất quan trọng của tế bào sống. Trong quá trình đó các phân tử chất hữu cơ bị phân giải đến CO2 và H2O, đồng thời năng lượng được giải phóng chuyển thành dạng năng lượng dễ sử dụng chứa trong phân tử ATP. Ở tế bào nhân thực, quá trình này diễn ra trong ti thể. Quá trình hít thở của con người là quá trình hô hấp ngoài. Quá trình này giúp trao đổi O2 và CO2 cho quá trình hô hấp tế bào.
Lời giải: Quá trình hô hấp tế bào từ một phân tử glucôzơ được chia thành ba đoạn chính: đường phân, chu trình Crep và chuỗi chuyền electron hô hấp. Câu 3 trang 66 SGK Sinh học 10: Quá trình hô hấp tế bào của một vận động viên đang tập luyện diễn ra mạnh hay yếu? Vì sao? Lời giải: Quá trình hô hấp tế bào của một vận động viên đang tập luyện diễn ra mạnh mẽ, vì khi tập luyện các tế bào cơ bắp cần nhiều năng lượng ATP, do đó quá trình hô hấp tế bào phải được tăng cường. Chúng ta có thể thấy biểu hiện của việc tăng quá trình hô hấp tế bào thông qua việc tăng hô hấp ngoài do tăng cường hấp thụ ôxi và thải CO2 (ta có thể thấy những người tập luyện phải thở mạnh hơn). Trong trường hợp tập luyện quá sức, nhiều khi quá trình hô hâp ngoài không cung cấp đủ ôxi cho quá trình hô hấp tế bào, các tế bào cơ phải sử dụng quá trình lên men để tạo ra ATP. Khi đó có sự tích lũy axit lactic trong tế bào dẫn đến hiện tượng đau mỏi cơ ta không thể tiếp tục tập luyện được nữa, cần phải nghỉ ngơi, xoa bóp thải axit lactic ra ngoài cơ thể mới luyện tập tiếp được. Hô hấp tế bào là một tập hợp các phản ứng và quá trình trao đổi chất diễn ra trong các tế bào của sinh vật để chuyển đổi năng lượng hóa học có trong chất dinh dưỡng thành adenosine triphosphate (ATP), và sau đó giải phóng các chất thải.[1] Các phản ứng liên quan đến hô hấp là các phản ứng dị hóa, phá vỡ các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn, giải phóng năng lượng trong quá trình, do liên kết yếu "cao năng" sẽ được thay bằng liên kết mạnh hơn trong các sản phẩm. Hô hấp là một trong những phương thức chính giúp tế bào giải phóng năng lượng hóa học để cung cấp năng lượng cho các hoạt động tế bào. Hô hấp tế bào được coi là phản ứng oxy hóa-khử và giải phóng nhiệt. Phản ứng tổng thể được thực hiện thông qua một loạt các bước khác nhau, hầu hết trong số đó là phản ứng oxy hóa-khử. Hô hấp tế bào, nếu nói về mặt kỹ thuật là một phản ứng đốt cháy, nhưng thực chất thì không như vậy. Khi hô hấp tế bào xảy ra trong tế bào sống, năng lượng được giải phóng từ từ qua hàng loạt các phản ứng, chứ không bùng nổ nhiệt như phản ứng cháy thông thường.
Các chất dinh dưỡng thường được sử dụng bởi các tế bào động vật và thực vật cho hô hấp có thể kể đến như đường, amino acid và axit béo, và chất oxy hóa phổ biến nhất (chất nhận điện tử) là oxy phân tử (O2). Năng lượng hóa học được lưu trữ trong ATP (nhóm phosphate thứ ba của nó liên kết yếu với phần còn lại của phân tử và bị phá vỡ một cách dễ dàng cho phép hình thành liên kết mạnh hơn, do đó chuyển năng lượng cho tế bào sử dụng) có thể được sử dụng để thúc đẩy các quá trình đòi hỏi năng lượng, bao gồm sinh tổng hợp, vận động hoặc vận chuyển các phân tử qua màng tế bào. Hô hấp hiếu khí bắt buộc phải có oxy (O2) để tạo ra ATP. Mặc dù carbohydrate, chất béo và protein đều có thể sử dụng làm chất phản ứng, phương pháp "ưa thích" của tế bào là tạo ra pyruvate trong đường phân và pyruvate đó sẽ đi vào ty thể để được oxy hóa hoàn toàn bởi chu trình Krebs. Các sản phẩm của quá trình này là carbon dioxide và nước, năng lượng có được sẽ sử dụng để phá vỡ liên kết trong ADP trong khi nhóm phosphate thứ ba được thêm vào để tạo nên ATP (adenosine triphosphate), theo phương pháp phosphoryl hóa mức cơ chất. Ngoài ra, sản phẩm còn có NADH và FADH2
ΔG âm chỉ ra rằng phản ứng này có thể xảy ra một cách tự phát. Thế năng của NADH và FADH2 được chuyển đổi thành nhiều ATP hơn thông qua một chuỗi vận chuyển điện tử với oxy là "chất nhận điện tử cuối cùng". Hầu hết ATP được sản xuất bởi hô hấp hiếu khí được tạo ra bởi quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Phương thức này hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng giải phóng từ pyruvate để tạo ra một thế năng điện hóa bằng cách bơm proton qua màng. Thế năng này sau đó được sử dụng để làm quay ATP synthase và tạo ra ATP từ ADP và một nhóm phosphate. Sách giáo khoa sinh học thường viết có 38 phân tử ATP có thể được tạo ra cho mỗi phân tử glucose oxy hóa trong quá trình hô hấp tế bào (2 từ đường phân, 2 từ chu trình Krebs, và khoảng 34 từ hệ thống vận chuyển electron).[2] Tuy nhiên, sản lượng tối đa này không bao giờ đạt được do thất thoát vì màng bị rò rỉ cũng như chi phí năng lượng để vận chuyển pyruvate và ADP vào chất nền ty thể, và ước tính hiện tại thì chỉ có khoảng 29 đến 30 ATP trên mỗi glucose.[2] Hô hấp hiếu khí có hiệu quả gấp 15 lần so với hô hấp kỵ khí (tạo ra 2 phân tử ATP trên 1 phân tử glucose). Tuy nhiên, một số sinh vật yếm khí, chẳng hạn như vi sinh vật sinh methane có thể tiếp tục hô hấp kỵ khí, tạo ra nhiều ATP hơn bằng cách sử dụng các phân tử vô cơ khác (không phải oxy) làm chất nhận điện tử cuối cùng trong chuỗi vận chuyển điện tử. Hai quá trình này đi chung con đường ban đầu của quá trình chuyển hóa đường phân nhưng chỉ hô hấp hiếu khí mới tiếp tục với chu trình Krebs và phosphoryl hóa oxy hóa. Các phản ứng sau đường phân diễn ra trong ti thể trong các tế bào nhân chuẩn, và trong tế bào chất trong tế bào nhân sơ. Tổng quan hô hấp hiếu khí1. Đường phân: --- 2 ATP + Glucose → 2 Acid Pyruvic + 4 Hydro + 4 ATP 2. Hình thành Acetyl CoA: --- 2 Acid Pyruvic + 2 CoA → 2 Acetyl CoA + 2 Carbon Dioxide + 2 Hydro 3. Chu trình Krebs: --- 2 Acetyl CoA + 3 O2 → 6 Hydro + 4 Carbon Dioxide + 2 ATP 4. Chuỗi truyền điện tử: --- 12 Hydro + 3 O2 → 6 nước + 32 ATP Phương trình tổng quát: --- Glucose + 6 O2 → 6 Carbon Dioxide + 6 nước + 36 ATP Đường phânXem thêm: Đường phân Đường phân là con đường trao đổi chất diễn ra trong bào tương ở tất cả các sinh vật sống. Con đường này có thể diễn ra trong cả điều kiện hiếu khí và yếm khí. Ở người, điều kiện hiếu khí tạo ra pyruvate và yếm khí tạo ra axit lactic. Trong điều kiện hiếu khí, một phân tử glucose sẽ được biến đổi thành hai phân tử pyruvate (axit pyruvic), và thu về năng lượng dưới dạng hai phân tử ATP. Trên thực tế, thì mỗi glucose có thể tạo ra bốn phân tử ATP, tuy nhiên, hai phân tử được tiêu thụ như là một phần của giai đoạn chuẩn bị. Sự phosphoryl hóa glucose ban đầu là cần thiết để hoạt hóa glucose (làm giảm độ ổn định) để phân tử này có thể được tách thành hai phân tử pyruvate bởi enzyme aldolase. Trong giai đoạn thu hồi năng lượng của đường phân, bốn nhóm phosphate được chuyển đến ADP theo cơ chế phosphoryl hóa mức cơ chất để tạo ra bốn ATP, và hai NADH được tạo ra khi pyruvate bị oxy hóa. Phản ứng tổng thể có thể được viết như sau: Glucose + 2 NAD+ + + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ + 2 H2O + nhiệt Bắt đầu với glucose, 1 ATP được sử dụng để chuyển một nhóm phosphate đến glucose để tạo ra glucose 6-phosphate. Glycogen cũng có thể được chuyển thành glucose 6-phosphate với sự giúp đỡ của enzyme glycogen phosphorylase. Trong quá trình chuyển hóa năng lượng, glucose 6-phosphate được biến đổi thành fructose 6-phosphate. Một ATP bổ sung được sử dụng để phosphoryl hóa fructose 6-phosphate thành fructose 1,6-disphosphate nhờ enzyme phosphofructokinase. Fructose 1,6-diphosphate sau đó được phân tách thành hai phân tử được phosphoryl hóa với mạch khung ba carbon và tiếp tục được biến đổi thành pyruvate. Đường phân có thể được dịch theo nghĩa đen là "tách đường"[3] Khử carboxyl hóa oxy hóa pyruvatePyruvate tiếp theo bị oxy hóa thành acetyl-CoA và CO2 bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase (PDC). PDC chứa nhiều bản sao của ba enzyme và nằm trong ti thể của các tế bào nhân chuẩn và trong bào tương của sinh vật nhân sơ. Trong quá trình chuyển đổi pyruvate thành acetyl-CoA, một phân tử NADH và một phân tử CO2 cũng được tạo thành. Chu trình acid citricXem thêm: Chu trình Krebs Chu trình này cũng được gọi là chu trình Krebs hoặc chu trình axit tricarboxylic. Khi có oxy, pyruvate tạo ra từ quá trình đường phân sẽ được chuyển đổi thành acetyl-CoA. Khi acetyl-CoA được hình thành, hô hấp hiếu khí hoặc kỵ khí có thể xảy ra.[4] Khi có oxy, ti thể sẽ trải qua hô hấp hiếu khí dẫn đến chu trình Krebs. Tuy nhiên, nếu không có oxy, phân tử pyruvate sẽ đi theo con đường lên men. Trong trường hợp có oxy, sau khi acetyl-CoA được tạo ra, phân tử này sẽ đi vào chu trình axit citric (chu trình Krebs) bên trong chất nền ty thể, và bị oxy hóa thành CO2 trong khi đồng thời khử NAD thành NADH. NADH có thể được sử dụng bởi chuỗi vận chuyển điện tử để tạo thêm ATP như một phần của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Để oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucose, hai acetyl-CoA phải được chuyển hóa bởi chu trình Krebs. Hai sản phẩm "thừa" tế bào, H2O và CO2, cũng được tạo ra trong chu kỳ này. Chu trình axit citric là một chu trình gồm 8 bước liên quan đến 18 loại enzyme và co-enzyme khác nhau.[4] Trong chu trình này, acetyl-CoA (mạch khung có: 2 nguyên tử cacbon) + oxaloacetat (4 nguyên tử cacbon) tạo ra citrate (6 nguyên tử cacbon), được sắp xếp lại thành dạng phản ứng có tên gọi isocitrate (6 nguyên tử cacbon). Isocitrate được biến đổi thành α-ketoglutarate (5 nguyên tử cacbon), succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate và cuối cùng là oxaloacetate. Năng lượng thực tế thu được từ một chu kỳ là 3 NADH, 1 FADH2 và 1 GTP; GTP sau đó có thể được sử dụng để sản xuất ATP. Như vậy, tổng sản lượng từ 1 phân tử glucose (2 phân tử pyruvate) là 6 NADH, 2 FADH2 và 2 ATP. Phosphoryl hóa oxy hóaXem thêm: ATP synthase và Chuỗi chuyền điện tử Ở sinh vật nhân thực, phosphoryl hóa oxy hóa xảy ra trong các mào (cristae) của ti thể. Quá trình này bao gồm chuỗi vận chuyển điện tử giúp tạo ra một gradient proton (thế năng hóa học) giữa hai bên màng trong ty thể bằng cách oxy hóa NADH được tạo ra từ chu trình Krebs. ATP được tổng hợp bởi enzyme tổng hợp ATP khi gradient hóa thẩm được sử dụng để điều khiển sự phosphoryl hóa của ADP. Các electron cuối cùng được chuyển tới oxy ngoại sinh và, nhờ việc bổ sung hai proton, nước được tạo ra.
Mặc dù theo lý thuyết thì mỗi phân tử glucose có thể tạo ra 38 phân tử ATP trong quá trình hô hấp tế bào, nhưng con số này thường ít hơn trên thực tế do tổn thất năng lượng như chi phí vận chuyển pyruvate (từ đường phân), phosphate và ADP (chất tổng hợp ATP) vào ty thể. Tất cả đều được vận chuyển chủ động bằng các chất mang sử dụng năng lượng được lưu trữ trong gradient điện hóa proton.
Kết quả của các quá trình vận chuyển bằng cách sử dụng gradient điện hóa proton là cần hơn 3 H+ (như trong lý thuyết) mới có thể tạo ra 1 ATP. Rõ ràng điều này làm giảm hiệu quả lý thuyết của toàn bộ quá trình và tối đa cũng chỉ có thể thu được 28-30 phân tử ATP.[2] Trong thực tế, hiệu quả có thể thậm chí còn thấp hơn vì màng bên trong của ti thể còn "rò rỉ" một lượng nhỏ proton.[5] Các yếu tố khác cũng có thể tác động vào gradient proton làm ti thể "rò rỉ" nhiều proton hơn. Một protein không kết cặp gọi là thermogenin được biểu hiện trong một số loại tế bào và là một kênh có thể vận chuyển proton. Khi protein này hoạt động ở màng trong ti thể, nó làm ngắt mạch nối giữa chuỗi vận chuyển electron và tổng hợp ATP. Thế năng từ gradient proton không được sử dụng để tạo ra ATP nhưng tạo ra nhiệt. Điều này đặc biệt quan trọng cho quá trình sinh nhiệt ở mô mỡ nâu của những động vật có vú sơ sinh hoặc ngủ đông. Theo một số nguồn thông tin mới hơn, hiệu suất ATP trong hô hấp hiếu khí không phải là 36–38, mà chỉ có khoảng 30–32 phân tử ATP / 1 phân tử glucose [6], vì:
Vì vậy, định lượng hóa học cuối cùng là 1 NADH+H+: 10 H +: 10/4 ATP = NADH+H+: 2,5 ATP 1 FADH2: 6 H +: 6/4 ATP = 1 FADH2: 1,5 ATP
Vì vậy, cuối cùng chúng ta có, mỗi phân tử glucose: Phosphoryl hóa mức cơ chất: 2 ATP từ đường phân + 2 ATP (trực tiếp từ GTP) từ chu trình Krebs Oxy hóa phosphoryl 2 NADH+H+ từ đường phân: 2 × 1.5 ATP (nếu dùng con thoi glycerol phosphate) hoặc 2 × 2.5 ATP (con thoi malate-aspartate) 2 NADH+H+ từ quá trình decarboxyl hóa oxy hóa của pyruvate và 6 từ chu kỳ Krebs: 8 × 2.5 ATP 2 FADH2 từ chu kỳ Krebs: 2 × 1,5 ATP Tổng cộng tất cả cho 4 + 3 (hoặc 5) + 20 + 3 = 30 (hoặc 32) ATP trên mỗi phân tử glucose Tổng lượng ATP trong quá trình lên men ethanol hoặc lên men lactic chỉ là 2 phân tử đến từ quá trình đường phân, vì pyruvate không được chuyển vào ty thể để oxy hóa thành carbon dioxide (CO2), mà bị khử thành ethanol hoặc axit lactic trong tế bào chất.[6]
Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Hô_hấp_tế_bào&oldid=68325201” |