Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
MỞ ĐẦU
Vi sinh vật sử dụng một số con đường trao đổi chất để chuyển hóa glucose và
các đường khác. Do tính đa dạng về trao đổi chất như vậy mà trao đổi chất của
chúng thường rắc rối. Để tránh những rắc rối có thể xảy ra, các vi sinh vật phân giải
đường thành một sản phẩm trung gian -Pyruvate theo các con đường khác nhau:
đường phân, pentose-phosphate hoặc Entner-Doudoroff. Pyruvate có thể được sử
dụng làm tiền chất của quá trình sinh tổng hợp, hoặc cũng có thể bị oxi hóa hoàn
toàn thành CO2 trong điều kiện hiếu khí.
Mặc dù một phần năng lượng có thể thu được từ sự phân giải glucose thành
pyruvate qua các con đường trên nhưng phần lớn năng lượng lại được giải phóng ra
khi pyruvate bị phân giải.
Trong bài này, chúng ta sẽ nghiên cứu quá trình oxi hóa pyruvate, chuỗi truyền
điện tử và sự phosphoryl hóa oxy hóa.
Page |1
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
1.
Phản ứng Oxi hóa loại Carboxyl của Pyruvate (Oxidative decarboxylation
of Pyruvate)
Phức hợp đa enzyme pyruvate dehydrogenase oxi hóa Pyruvate thành CO 2 và
acetyl-CoA khử NAD+ trong điều kiện hiếu khí. Phức hệ đa enzyme pyruvate
dehydrogenase bao gồm 24 phân tử Pyruvate dehyrogenase chứa thiamine
pyrophosphate(TTP),24 phân tử dihydrolipoate acytyltransferase chứa dihydrolipoate và 12 phân tử dihydrolipoate dehydrogenase chứa flavin adenine dinucleotide(FAD). Ngoài ra, NAD+ và coenzyme A tham gia vào phản ứng
Oxidative decarboxylation of Pyruvate by the Pyruvate dehydrogenase
hoàn toàn thành CO2, khử NAD+, NADP+ và FAD. Các chất khử bị oxi hóa qua
chuỗi truyền điện tử và sự phosphoryl hóa oxi hóa tạo ra động lực proton và tổng
hợp ra ATP.
Chu trình TCA không chỉ cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp ATP mà còn tạo
ra tiền chất cho các quá trình tổng hợp. Chu trình TCA hoặc các quá trình trao đổi
chất là không thể thiếu được, cung cấp tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp cho
2.1.
mọi loại tế bào, ngoại trừ mycoplasma.
Tổng hợp acid citrate và chu trình TCA
Citrate synthase tổng hợp citrate từ acetyl-CoA và oxaloacetate. Đây là quá
trình giải phóng năng lương (∆G o’= -32.2 kJ/mol acetyl-CoA) và không thuận
nghịch. Phản ứng nghịch được xúc tác bởi enzyme khác, ATP-citrate lyase, trong
chu trình khử TCA ( Mục 4.2). Citrate được chuyển hóa thành isocitrate được xúc
tác bởi enzyme aconitase. Isocitrate bị oxi hóa thành 2-ketoglutarate bởi isocitrate
dehydrogenase. Trong hầu hết các vi khuẩn, enzyme này phụ thuộc NADP +, nhưng
có 2 enzyme được tìm thấy trong eukaryote sử dụng NADP+ hoặc NAD+.
Page |3
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
Figure : sự oxi hóa acetyl-CoA trong chu trình TCA
1: citrate synthase; 2: caonitase; 3: isocitrate; 4: 2-ketoglutarate dehydrogenase complex; 5: sccinate
thiokinase (succinyl-CoA synthetase); 6: succinate dehydrogenase ; 7: fumarase(fumarate hydratase); 8:
malate dehydrogenase.
Page |4
CH3-CO-CoA +3NAD(P)+ + FAD+ADP+Pi+3H2O
2CO2 +3NAD(P)H+ FADH2+ATP+ 3H++CoA-SH
Chất mang điện tử mang điện tử vào chuỗi truyền điệntử để tổng hợp ATP nhờ
động lực proton (mục 8.)
Page |5
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
2.2.
Sự điều hòa chu trình TCA
Chu trình TCA vừa phục vụ quá trình đồng hóa bằng cách sản xuất ATP, vừa
phục vụ quá trình dị hóa bằng cách cung cấp tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp.
Do đó, nó được điều hòa bởi trạng thái năng lượng của tế bào và nồng độ tiền chất.
Ngoài ra, oxy cũng đóng vai trò điều hòa chu trình bởi vì các chất mang điện tử
được quay ngược lại chu chu trình, sử dụng oxy như là chất nhận điện tử.
Oxi kiểm soát sự biểu hiện của các gene quy định enzyme cho chu trình TCA.
Các sinh vật hiếu khí tùy tiện không tổng hợp 2-ketoglutarate dehydrogenase trong
điều kiện thiếu khí nếu không có chất nhận điện tử cuối cùng như nitrate. Hoạt tính
khi sử dụng nitrate thấp hơn khi sử dụng oxi làm chất nhận điện tử cuối cùng.
Trong vi khuẩn gram âm, bao gồm cả E. coli, các protein điều hòa FNR và Arc điều
khiển quá trình dịch mã của nhiều gene trao đổi chất hiếu khí và kị khí. Một protein
FNR với chức năng đơn giản đã được tìm hiểu trong vi khuẩn Gram dương
Bacillus subtilis.
Citrate synthase được điều hòa nhằm kiểm soát chu trình TCA. Thông thường,
enzyme này bị ức chế trong điều kiện tích lũy NADH và ATP hoặc 2-ketoglutarate.
Điều này có nghĩa là tế bào đã đủ năng lượng và tiền chất cho quá trình sinh tổng
hợp. Vi khuẩn Gram âm chỉ có một enzyme và nó không bị ức chế bởi NADH mà
bị ức chế bởi ATP. Ở một số vi khuẩn, AMP hoạt hóa citrate synthase bị bất hoạt
bởi NADH .
Page |7
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
Enzyme này cần biotin. Acetyl-CoA hoạt hóa enzyme này ở nhiều vi khuẩn ,
cũng như ở động vật, tuy nhiên một số vi khuẩn nhử Pseudômnas aeruginosa có
pyruvate carboxylase không hoạt hóa bằng acetyl-CoA.
Một đột biến PEP carboxylase ở E.coli không thể phát triển trong môi trường
glucosse-muối khoáng, nhưng có thể phát triển khi bổ sung các sản phẩm trung
gian của chu trình TCA. Vi khuẩn này có PEP carboxylase để bổ sung liên tục chứ
không phải pyruvate carboxylase. Tính trạng này được chia sẻ trong rất nhiều loài
vi khuẩn khác như: Bacillus anthracis, Thiobacillus novellus, Acetobacter xylinum
và Azotobacter vinelandii.
PEP carboxylase
PEP +HCO33.2.
oxaloacetate + Pi
Chu trình Glyoxylate
Vi khuẩn sống dựa vào nguồn carbon không được trao đổi chất qua pyruvate
hoặc PEP không thể bổ sung chất trung gian của chu trình TCA thông qua quá trình
làm đầy liên tục, và cần thêm oxaloacetate để tạo ra PEP tổng hợp glucose. Vì vậy,
chúng cần một bộ máy khác, chu trình Glyoxylate.
E.coli sinh trưởng bằng acetate tổng hợp isocitrate lyase và malte synthase để
vận hành chu trình glyoxylate . Những enzyme này biến đổi 2 phân tử acetyl-CoA
Điều hòa chu trình glyoxylate
Khi sinh vật sinh trưởng trên nguồn carbon không được chuyển hóa qua
pyruvate hoặc PEP, chu trình TCA cung cấp năng lượng trong khi chu trình
glyoxylate cung cấp các tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp. Các gene quy định
isocitrate lyase và malte synthase được dịch mã với sự tích lũy của acetyl-CoA.
Protein Cra (Hoạt hóa/ức chế dị hóa) tham gia vào quá trình điều hòa này trong
E.coli. Hoạt tính của isocitrate lyase bị ức chế bởi PEP, succinate và pyruvate.
Bởi vì isocitrate là một điểm nhánh của chu trình TCA và glyoxylate, hoạt
động của isocitrate lyase và isocitrate dehydrogenase phải được điều hòa để kiểm
Page |9
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
soát lượng cơ chất. Vi khuẩn giải quyết vấn đề này bằng ái lực khác nhau với cơ
chất và bằng kiểm soát hoạt tính của enzyme với ái lực cao hơn. Dehydrogenase
(Km=1-2µM) có ái lực với cơ chất cao hơn nhiều so với lyase (K m=3 mM). Khi chu
trình TCA cần tạo ra năng lượng, isocitrate dehydrogenase được hoạt hóa, nhưng
enzyme này bị bất hoạt khi tiền chất để sinh tổng hợp được tổng hợp tổng chu trình
glyoxylate. Một enzyme với hoạt tính kinase-phosphatase điều hòa hoạt động của
isocitrate dehydrogenase. Enzyme kinase-phosphatase loại bỏ nhóm phosphate
trong enzyme isocitrate dehydrogenase phosphate hóa bật hoạt để tăng dòng từ chu
trình TCA khi các chất trao đổi trung gian như isocitrate, PEP, OAA, 2-KG và 3phosphoglycerate ở nồng độ cao, và nhu cầu ATP khi AMP và ADP được tích lũy.
Trong điều kiện ngược lại, enzyme kinase-phosphatase phosphoryl hóa protein
enzyme để bất hoạt nó. Khi NADPH tích lũy, isocitrate được chuyển thẳng vào chu
trình glyoxylate. Ở E.coli, các gene quy định kinase-phosphatase có cùng operon
với các gene quy định citrate lyase và malate synthase.
Chu trình TCA được kiểm soát bởi hoạt tính của citrate synthase, và isocitrate
dehydrogenase được điều hòa để kiểm soát chu trình glyoxylate.
tổng hợp 2-ketoglutarate dehydrogenase.
1: pyruvate dehydrogenase và citrate synthase, 2: aconitase, 3: isocitrate dehydrogenase, 4: PEP carboxylase, 5:
malate dehydrogenase, 6: fumarase, 7: fumarate reductase, 8: succinate –CoA synthesase.
Bởi vì succinate dehydrogenase không thể khử fumarate thành succinate,
fumarate reductase thay thế nó trong phân nhánh TCA không hoàn chỉnh. Fumarate
P a g e | 11
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
reductase là một trong số các enzyme kị khí bị ức chế trong điều kiện hiếu khí ở
E.coli dưới sự kiểm soát của protein điều hòa FNR. Trong điều kiện kị khí, hoạt
tính của các enzyme khác trong chu trình TCA thấp hơn trong điều kiện kị hiếu khí.
Chu trình khử TCA
Chu trình Calvin được dùng trong hầu hết các sinh vật hóa tự dưỡng vô cơ để
4.2.
cố định CO2 nhưng ở một vài sinh vật hóa tự dưỡng vô cơ không thấy những
enzyme của chu trình Calvin, bao gồm cả vi khuẩn quang hợp lưu huỳnh màu lục,
vi khuẩn hóa tự dưỡng vô cơ (Hydrogenobacter thermophilus) và vi khuẩn cổ
(Sulfolobus acidocaldarius). Chúng cố định CO2 bằng một chu trình đảo ngược của
TCA được gọi là chu trình khử TCA. Như đã nói ở trên, ba enzyme của chu trình
TCA không thể xúc tác vác phản ứng nghịch và các enzyme khác thay thế chúng:
• ATP-citrate lyase: thay thế cho citrate synthase.
• 2-ketoglutarate-feredoxin oxidoreductase: thay thế cho 2-ketoglutarate
•
dehydrogenase.
Figure : Quá trình chuyển hóa năng lượng sinh học
5.1.
Năng lượng tự do
Sự thay đổi năng lượng tự do trong một phản ứng tỏa nhiệt trong một phản
ứng tỏa nhiệt được biểu thị bằng một số âm, và trong phản ứng thu nhiệt được biểu
thị bằng một số dương, bởi vì trong phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng đi ra khỏi hệ
thống, còn trong phản ứng thu nhiệt, năng lượng đi vào. Sự thay đổi năng lượng
phụ thuộc vào điều kiện xảy ra phản ứng. Điều kiện phản ứng chuẩn là nồng độ của
chất phản ứng và sản phẩm là 1 đơn vị hoạt động (tất cả ở trạng thái hoạt động,
nồng độ 1M tương ứng với 1 đơn vị hoạt động) ở 25 oC. Năng lượng tự do thay đổi
P a g e | 13
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
ở điều kiện chuẩn được biểu thị là ∆G0 , còn ∆G0’và ∆G mô tả sự thay đổi năng
lượng tự do dưới điều kiện chuẩn ở pH=7, hoặc điều kiện cho sẵn. Vì pH sinh
lý là trung tính, ∆G0’ thường được dùng trong sinh học. ∆Go’ có thể được tính
theo nhiều cách khác nhau.
5.1.1.
∆Go’từ năng lượng tự do của cấu tạo
Năng lượng tự do của cấu tạo(∆G0’) của các hợp chất phổ biến có thể
được tra cứu trong hầu hết các sổ tay hóa học. ∆G 0’ được tính từ ∆Gf0’ sử dụng
phương trình:
5.1.3.
∆G từ ∆G0
∆G0 và ∆G0’biểu thị năng lượng tự do của nồng độ của 1 đơn vị phản ứng
(=1M) chất phản ứng và sản phẩm. Tuy nhiên, nồng độ trong tế bào nhỏ hơn thế
P a g e | 14
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
rất nhiều. ∆G của chất phản ứng và sản phẩm có thể được tính từ ∆G 0’của phản ứng
A +B ↔ C + D sử dụng công thức:
∆G = ∆G0’ + -2.303 Rtlog ([C] [D]/ ([A] [B])
Cho nồng độ của ATP, ADP và Pi là 2.25, 0.25, và 1.65 mM, ∆G của sự thủy
phân ATP thành ADP và Pi có thể tính từ∆G0’ = -30.5kJ/mol ATP:
Sự tính toán này gần với giá trị thu được khi nuôi cấy vi khuẩn. Năng lượng tự
do thay đổi trong quá trình thủy phân ATP trong điều kiện sinh lý được gọi là thế
phosphoryl hóa và được kí hiệu là ∆Gp.(Mục 6.3).
5.1.4.
∆G0’ từ ∆G0
∆G0 của phản ứng bao gồm cả H + là năng lượng tự do thay đổi ở nồng độ
H+=1M (pH=0). Các nhà sinh học thích sử dụng ∆G 0’ hơn ∆G0, có thể quy đổi
bằng công thức ∆G0’= ∆G0 -2.303RT x 7
5.2. Năng lượng tự do của phản ứng oxi hóa khử
Phản ứng oxi hóa khử sinh ra năng lượng. Hô hấp thực chất là 1 chuỗi các
phản ứng oxi hóa khử. Năng lượng sinh ra từ phản ứng oxi hóa khử hô hấp được dự
trữ trong các hệ thống sinh học. Năng lượng sinh ra từ một phản ứng tỉ lệ với thế
oxi hóa khử của chất khử và chất oxi hóa.
5.2.1.
Ở nhiệt độ 30oC, E0’được tính là -0.42 V.
E0’ của một số bán phản ứng được liệt kê trong bảng dưới đây:
Table : Thế oxi hóa khử của một số hợp chất
P a g e | 16
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
Năng lượng tự do từ ∆E0’
Phản ứng oxi hóa khử tạo ra năng lượng tỷ lệ với thế oxi hóa khử của chất oxi
hóa và chất khử (∆E0). Năng lượng tự do có thể được tính từ ∆E0 theo công thức:
∆G0’ = -nF ∆E0’
∆G0’ của sự oxi hóa succinate thành fumarate bằng phân tử oxi có thể được
5.2.2.
tính theo công thức này :
Succinate + ½ O2 fumarate + H2O
P a g e | 17
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
5.3.
Năng lượng tự do từ áp suất thẩm thấu
Hoạt động vận chuyển có thể làm cho nồng độ chất dinh dưỡng bên trong tế
bào cao gấp 100 lần bên ngoài. Sự chênh lệch nồng độ này gây ra một áp suất thẩm
Như trong sơ đồ 10., ATP gồm adnosine với 3 nhóm phosphate gắn với
carbon5’ còn lại của đường ribose. Nhóm phosphate được dặt tên là α, β,γ, từ nhóm
gần nhất với ribose. ATP bị thủy phân tạo ra năng lượng. Trong hầu hết trường hợp,
sự thủy phân ATP đi kèm với phản ứng tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên,
pyrophosphate (PPi) bị thủy phân mà không bảo toàn năng lượng trong hầu hết
trường hợp bởi pyrophosphatase nhằm đẩy phản ứng tiêu thụ năng lượng cùng với
thủy phân ATP thành AMP và PPi. Ở vài vi khuẩn cổ, bao gồm cả Thermoproteus
tenax, PPi được sử dụng ở vị trí của ATP hoặc ADP.
P a g e | 19
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
Figure : Chuyển hóa năng lượng sinh học
P a g e | 20
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
Figure Cấu trúc của ATP
6.1.
Liên kết phosphate cao năng
Năng lượng tự do giải phóng khi phản ứng thủy phân loại bỏ nhóm γ –
phosphate từ ATP và β-phosphate từ ADP. Vì lý do này, liên kết phosphate γ-β và βα trong ATP được gọi là liên kết cao năng. Có một vài chất trao đổi chất trung gian
có liên kết cao năng nữa như trong bảng 2.
tính theo phương trình:
P a g e | 22
Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.
Tử số của phương trình là tổng các liên kết phosphate cao năng trong cấu trúc
dạng ATP và mẫu số là tổng số adenylate chung. EC =1 nghĩa là toàn bộ adenylate
đều ở dạng ATP và không có ở AMP.
Bởi vì phản ứng được xúc tác bởi adenylate kinase là thuận nghị với ∆G 0’=0
kJ/mol, và hoạt tính enzyme cao trong tế bào, nồng độ ATP, ADP và AMP được xác
định bằng EC. ( Sơ đồ 11.) Rất nhiều phản ứng dị hóa bị ức chế bởi ATP và hoạt
hoác bởi ADP và/hoặc AMP : phản ứng đồng hóa được điều khiển bằng một kiểu
duy trì. Các phản ứng được điều hòa không phải bằng nồng độ tuyệt đối của mỗi
adenosine nucleotide, mà bằng tỉ lệ của chúng. Vì vậy, nhì chung trao đổi chất được
điều khiển bởi giá trị EC (Sơ đồ 12.).
Trong khi vi khuẩn sử dụng acetate nhưa là nguồn carbon và năng lượng duy
nhất, acetate có thể được trao đổi qua chu trình TCA trong dị hóa và qua chu trình
glyoxylate trong đồng hóa để cung cấp hợp chất car bon cho sinh tổng hợp (Mục
3.2.). Như đã nói, AMP và ADP hoạt hóa isocitrate dehydrogenase để trao đổi cơ
chất trong chu trình TCA.( Sơ đồ Mục 5.) Hoạt tính không được điểu khiển bởi bản
thân AMP hay ADP mà bởi giá trị EC, hoạt hóa nếu EC <0.8, bất hoạt nếu EC>0.8.
Một enzyme đồng hóa, aspartate kinase, được hoạt hóa ở trị số EC cao và bị ức
chết ở trị số EC thấp. Khi môi trường sống của vi khuẩn chuyển từ trạng thái giàu
dinh dưỡng sang trạng thái nghèo, AMP bị đào thải hoặc thủy phân thành adenosine
hoặc adenine nhằm duy trì trị số EC cao khi tốc độ tổng hợp ATP thấp.
P a g e | 23
Ngoài nồng độ của adnosine nucleotide, ∆Gp phụ thuộc nồng độ của ion kim
loại như là Mg2+ gắn với nucleotide. Sự gắn ion kim loại làm tăng ∆Gp. Nồng độ
của các ion kim loại và Pi khác nhau tùy theo điều kiện sinh trưởng. ∆G 0’ của thủy
phẩn ATP là -30.5 kJ/mol, và của ∆Gp dao động xung quanh mức -51.8 kJ/mol
6.4.
ATP.
Sự chuyển đổi giữa ATP và động lực proton (∆p)
Sơ đồ 9. Cho thấy ATP và ∆p liên kết đồng hóa với dị hóa., và ATP được
chuyển đổi thành ∆p, và ngược lại. Enzyme gắn màng ATPase xúc tác cho quá trình
chuyển đổi này (mục 8.4). Khi vi sinh vật lên men tạo ra ATP thông qua sự
phosphoryl hóa mức độ cơ chất, ATP bị thủy phân để làm tăng ∆p. Ngược lại, ∆p
P a g e | 25
Copyright: Tài liệu đại học ©