Thứ Hai, 27 tháng 6, 2011

CHƯƠNG 4 : ATP VÀ SỰ TỔNG HỢP ATP

Chương 4 :  ATP và sự tổng hợp ATP
4.1. ATP - Trung tâm của trao đổi chất tế bào
Tên gọi chung của tất cả các quá trình trao đổi chất trung gian là hiệu quả năng lượng của những biến đổi các chất hữu cơ, trong đó ATP được coi là dạng năng lượng dự trữ, nó có thể tham gia trao đổi trong các quá trình hoá học khác nhau. Phần lớn là các quá trình phản ứng hoạt hoá như trao đổi hydratcarbon, trao đổi axit béo, trao đổi các hợp chất chứa nitơ (axit amin, protein, axit nucleic...)..đều có tham gia của ATP.
Như vậy, ATP vừa là chất tích luỹ năng lượng; đồng thời vừa là chất cung cấp năng lượng. Những công trình nghiên cứu gần đây đã chứng minh ATP còn giữ vai trò là chất gây ra biến đổi năng lượng. ATP có thể chuyển năng lượng dạng tĩnh của các liên kết hoá học thành năng lượng dạng động, nghĩa là năng lượng kích thích các phân tử làm cho các phân tử có thể phản ứng với nhau. Ví dụ : ATP tham gia vào các quá trình hình thành các nhóm hoạt động. Do đó, người ta có thể nói : "ATP là trung tâm của trao đổi chất tế bào".
5.1.1.Đặc trưng cấu trúc và tính chất của hệ thống adenylic
Vào năm 1847, Liebig, người đầu tiên phát hiện axit inosinic, đây là dấu hiệu mở đầu cho việc nghiên cứu nucleotid. Một trăm năm sau, năm 1940, người ta tìm được khoảng 10 liên kết thuộc nhóm nucleotid này, nhưng chỉ khoảng thời gian hai mươi năm tiếp theo, năm 1960, người ta đã biết tới trên 150 nucleotid khác nhau. Từ những sự kiện này là cơ sở để đẩy mạnh việc nghiên cứu chính xác những phản ứng tế bào quan trọng nhất, như vòng tuần hoàn hydro (Warburg), vòng tuần hoàn phosphat (Engelhardt) và nhóm điện thế (Lipmann).
Nucleotid tự do có chức năng cực kỳ quan trọng trong trao đổi chất tế bào, đặc biệt chúng tham gia vào các quá trình vận chuyển các nhóm khác nhau. Dựa vào kết quả xác định hàm lượng thay đổi của các nucleotid mà người ta có thể phán đoán được đặc trưng chuyển hoá của mô hay cơ quan. Cho nên có thể coi nucleotid là chỉ thị của sự chuyển hoá tế bào.
Trong số các nucleotid đã phát hiện thì trong tế bào có nhiều nucleotid -polyphosphat. Ví dụ như các liên kết giữa ađenosin với ortophosphat là AMP, ADP và ATP. Lohmann là người đầu tiên đã phát hiện và phân lập được ATP cách đây hơn 50 năm. Sau đó Marrion cũng đã phân lập được adenosin-5'-tetraphosphat và adenosin-5'-pentaphosphat là những dẫn xuất từ ATP. Tuy nhiên các tetra- và pentaphosphat chưa được chứng minh về ý nghĩa sinh học của chúng một cách chắc chắn.


 










Hình 4.1.Cấu trúc của hệ thống adenylic.
Adenosin-5'-triphosphat (ATP) là một mononucleotid gồm có các thành phần :
Bazơ chứa nitơ là adenin.
Đường pentose là ribose và
Ba gốc phosphat nằm thẳng hàng với nhau.
Liên kết giữa các gốc phosphat là liên kết kiểu anhydrid (Lohmann)
Những chất tương tự ATP, nhất là các adenosinnucleotid mà có hai gốc phosphat là adenosin-5'-diphosphat (ADP) và một gốc phosphat là adenosin-5'-monophosphat (AMP). Các liên kết này có ý nghĩa tổng hợp trong việc vận chuyển nhóm và năng lượng, đặc biệt là vận chuyển kết hợp giữa phosphat với năng lượng.
Do bản chất hoá học của ATP mà nó có vai trò vô cùng quan trọng trong trao đổi chất tế bào. Dựa vào hàm lượng năng lượng của liên kết O-P mà Lipmann đề nghị dùng dấu ngã (~) để phân biệt với các liên kết không giàu năng lượng khác. Ông cho rằng năng lượng giải phóng khi thuỷ phân hai liên kết cao năng trong phân tử ATP vào khoảng 8-12 kcal/mol.
Ngày nay, người ta qui định những liên kết, khi thuỷ phân cho từ 5 kcal/mol trở lên đều gọi là liên kết cao năng (liên kết thế năng cao hay liên kết giàu năng lượng ). Những nghiên cứu đầ đủ và chính xác cho thấy rằng trong các điều kiện tiêu chuẩn mà ở pH=7,0 thì thuỷ phân liên kết phosphat ở giữa là 9,40kcal/mol. Kết quả đó có thấp hơn so với mức năng lượng sử dụng để tổng hợp chúng. Tất nhiên trong hệ thống sinh học ít có thể đạt được các điều kiện tiêu chuẩn, nên kết quả thu được có khác (ví dụ điều kiện sinh lý thì ATP/ADP=100:1 và H3PO4 là 0,001M), do đó khi thuỷ phân ATP thành ADP và H3PO4 giải phóng tới 14,60 kcal/mol.
Những điều vừa trình bày trên cũng chưa thể nói hết vai trò của ATP trong quá trình vận chuyển phosphat và năng lượng, cũng như phân tử ATP có tính chất phản ứng nhiều mặt. Khi đi sâu nghiên cứu, người ta thấy: Sở dĩ hàm lượng năng lượng của những liên kết phosphat cao năng trong ATP là do hai nguyên tử oxy của γ và β-phosphat tích điện dương lớn hơn là nguyên tử oxy của α-phosphat (theo B.và A.Pullmann).


 





Hình 4.2.Kiến trúc điện tích trên phân tử ATP
Chính sự phân phối điện tích khác nhau như vậy trong phân tử ATP đã tạo ra cho ATP có khả năng tham gia vào nhiều phản ứng trao đổi chất và trao đổi năng lượng khác nhau trong hệ thống sinh học.
Phản ứng của ATP có thể xảy ra theo bốn khả năng, trong đó một mặt là vận chuyển ortophosphat hay pyrophosphat và mặt khác là vận chuyển nhóm adenylic hoặc adenosin.
Như vậy chứng tỏ ATP có tác dụng lên đa số các phản ứng trao đổi chất. Đặc biệt ATP là chất mang phosphat và năng lượng trong chuỗi hô hấp  và đường phân (glycolyse). Nó có vai trò hoạt hoá axit amin, hoạt hoá axit béo, hoạt hoá các nucleotid,v.v...đối với các quá trình tổng hợp và phân giải các chất này. Ngoài ra ATP còn có vai trò trong việc tạo thành "sunfat", "methyl" hoạt động,v.v...Bên cạnh đó, ATP còn có chức năng sinh học trực tiếp trong hiện tượng co cơ, tham gia trực tiếp vào vận chuyển ion, các quá trình hấp phụ và phản hấp phụ khác nhau. Bởi vì ATP không chỉ là cơ chất để tổng hợp axit nucleotid mà còn là chất chế biến năng lượng cho các phản ứng kích thích tổng hợp và phân giải các chất. Mặt khác ATP là sản phẩm phosphoryl hoá trực tiếp của ADP, do đó nó cod tính axit mạnh và có nhiều nhóm hydroxyl (-OH), vì vậy nó có thể đảm nhiệm chức năng phản ứng nhiều mặt trong hệ thống sống.
4.1.2. Vai trò của ATP trong trao đổi chất
Như ta đã biết, adenosintriphosphat là một chất chế biến và vận chuyển năng lượng. Nó được tạo thành trong quá trình phân giải các chất khác nhau như oxy hoá các chất trong ty thể, đường phân và lên men, quang hợp ở diệp lục của thực vật xanh và các quá trình vận chuyển ion ở vi khuẩn,...Ngược lại, ATP cũng là chất cung cấp năng lượng cho các quá trình tổng hợp của cơ thể sinh vật. Đó là các phản ứng gắn liền với phân giải phân tử ATP, công co cơ, sinh tổng hợp các chất protein, axit nucleic,...cũng như sản sinh và duy trì tính phân bố không đều các chất giữa tế bào với môi trường xung quanh.
Trong các phần trước cho thấy, sự thay đổi năng lượng tự do âm, khi thuỷ phân nhóm phosphat tận cùng của ATP lớn hơn là khi thuỷ phân liên kết esterphosphat. Ví dụ khi thuỷ phân phosphat tận cùng của ATP năng lượng giải phóng vào khoảng DG0 = - 32,7 kJ/mol, còn thuỷ phân liên kết esterphosphat của glucose-6-phosphat chỉ giải phóng năng lượng tự do vào khoảng DG0 = - 12,6 kJ/mol.
 Khác biệt này, do năng lượng tự do tích luỹ trong liên kết năng lượng và liên kết cao năng khác nhau. Đa số, các liên kết giàu năng lượng là các liên kết phosphat có cấu trúc anhydrid (như ATP, ADP, acetyphosphat, aminoacetyl-adenylat, pyrophosphat,...), có cấu trúc enolphosphat (phosphoenolpyruvat), và cấu trúc phosphoguanidinphosphat (creatinphosphat), cũng như thioester (ví dụ acetyl-CoA) và S-adenosylmethionin (methionin hoạt động). Còn các liên kết nhiệt lượng thì khi thuỷ phân, nhiệt năng giải phóng nhỏ hơn -16 kJ/mol, thường là các sản phẩm trung gian của đường phân như glucose -6-phosphat, fructose-6-phosphat, glycerat-3-phosphat,v.v...
Vận chuyển một liên kết esterphosphat từ chất cho phosphat đến chất nhận phosphat có ý nghĩa quan trọng trong trao đổi chất. Quá trình này gọi là chuyển phosphoryl hoá. Dựa vào ý nghĩa của các phản ứng vận chuyển như vậy, người ta đề xuất khái niệm “Thế năng nhóm vận chuyển “.
Những liên kết giàu năng lượng có thế năng vận chuyển nhóm cao, ví dụ như hai phản ứng chuyển phosphat mô tả ở trên mà có ATP là chất cho phosphat. Khi chuyển esterphosphat tận cùng của ATP lên glucose là chất nhận (tạo thành esterphosphat với thế năng vận chuyển phosphat thấp) làm giảm năng lượng tự do và phản ứng không thuận nghịch. Còn chuyển phosphat từ ATP đến AMP hay từ ATP đến creatin dẫn đến tạo thành các liên kết phosphat giàu năng lượng (ADP hoặc A-R-P~P hay creatin~P). Như vậy, các phản ứng này xảy ra giữa các liên kết có thế năng vận chuyển nhóm cao, nghĩa là không thải nhiệt tự do và xảy ra thuận nghịch.
4.1.3. Những liên kết giàu năng lượng với phản ứng phối hợp
Những biến đổi vật chất trong cơ thể sống được chia làm ba nhóm :
-Các phản ứng tiêu hao năng lượng (các quá trình endergone, phần lớn là các phản ứng tổng hợp).
-Các phản ứng cung cấp năng lượng (các quá trình endergone, phần lớn là các phản ứng phân giải).
-Những biến đổi vật chất mà không có biểu hiện năng lượng cơ bản.
Kết hợp giữa những phản ứng tổng hợp - tiêu hao năng lượng với các phản ứng phân giải cung cấp năng lượng, thực hiện bằng chất mang năng lượng. Những liên kết có chức năng mang năng lượng thường có hàm lượng năng lượng cao (thế năng hoá học cao). Người ta còn gọi các liên kết này là liên kết giàu năng lượng hay liên kết thế năng vận chuyển nhóm cao. Hàm lượng năng lượng cao của các liên kết này trình bày trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Giá trị AG0 khi thuỷ phân các liên kết cao năng.
Liên kết
AG0 (kJ/mol)
Liên kết
AG0 (kJ/mol)
Pyrophsphat
25,1
Acetylphosphat
36,4
Acetyl-Coenzym A
26,4
Creatinphosphat
41,0
Adenosindiphosphat
27,2
Phosphoenlpyrovat
51,9
Adenosintriphosphat
32,7
Aminoacyladenylat
54,4

 Những dẫn liệu này là kết quả thuỷ phân các liên kết cung cấp năng lượng tự do cao. Bảng 4.1. khái quát về các hợp chất tiêu biểu nhất, cũng như những thay đổi năng lượng tự do khi thuỷ phân các liên kết này trong các điều kiện tiêu chuẩn. Còn khi thuỷ phân các liên kết esterphosphat thông thường chỉ giải phóng 10-16 kJ/mol.
Từ bảng 4.1 cho thấy, các liên kết giàu năng lượng đều có chứa gốc phosphat. Các gốc phosphat này hoặc là gắn với axit phosphoric hay gắn với một gốc axit yếu khác theo kiểu liên kết anhydrid. Trong số các liên kết phosphat này thì adenosintriphosphat (ATP) là hợp chất quan trọng nhất. Từ đó, tế bào có thể sử dụng ATP để thực hiện các phản ứng tiêu hao năng lượng trong quá trình tồn tại, sinh trưởng và phát triển của chúng, trong đó gốc phosphat được chuyển đến các chất nhận thích hợp và sử dụng thế năng vận chuyển nhóm cao của ATP.
            4.2. Quá trình tổng hợp ATP
4.2.1. Sơ lược về sự tổng hợp ATP ở tế bào
Nồng độ ATP bên trong tế bào thường 10-10 mM. ATP có thể được sản xuất bởi các phản ứng khử bằng cách sử dụng các loại đường đơn giản và phức tạp (carbohydrates) hoặc lipid. Đối với ATP được tổng hợp từ các loại nhiên liệu phức tạp, trước tiên chúng được thủy phân thành các thành phần đơn giản. Carbohydrates được thuỷ phân thành đường đơn, như glucose và fructose. Chất béo (triglycerides) được chuyển hóa để cung cấp cho các axit béo và glycerol.
Quá trình oxy hóa glucose thành CO2 và H2O được gọi là hô hấp tế bào và có thể tạo ra từ 34-38 phân tử ATP từ một phân tử glucose. ATP được sản xuất bởi các quá trình riêng biệt của tế bào. Ba con đường chính được sử dụng để tạo ra năng lượng trong các sinh vật eukaryotic là glycolysis; chu trình acid citric, oxy hóa phosphoryl hóa và beta-oxy hóa. Phần lớn ATP trong các tế bào có nhân thật được tổng hợp  trong ty thể qua quá trình hố hấp hiếu khí.
 + Quá trình đường phân (Glycolysis)
 Trong glycolysis, glucose và glycerol được chuyển hóa thành pyruvate. Trong hầu hết các sinh vật, quá trình này xảy ra trong tế bào chất, nhưng trong một số động vật nguyên sinh như kinetoplastid được thực hiện trong một cơ quan chuyên biệt gọi là glycosome. Glycolysis tạo ra hai phân tử ATP thông qua quá trình phosphoryl hóa cơ chất và được xúc tác bởi hai enzymes: PGK và pyruvate kinase. Hai phân tử NADH cũng được tạo ra và chúng được oxy hóa qua các chuỗi vận chuyển điện tử và tạo ra ATP qua enzym ATP synthase. Các phân tử pyruvate tham gia vào chu trình Krebs.
+Chu trình acid citric và oxy hóa phosphoryl hóa
Trong ty thể, pyruvate bị ôxi hóa tạo thành acetyl CoA dưới sự xúc tác của enzym pyruvate dehydrogenase, sau đó bị ôxi hóa thành CO2 và H2O qua  chu trình acid citric (còn gọi là chu trình Krebs). Mỗi chu kỳ tạo ra hai phân tử của CO2 , một phân tử ATP (GTP) thông qua quá trình phosphoryl hóa cơ chất; ba phân tử NADH và một phân tử các FADH2 . NADH và FADH2 tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử tạo ra ATP qua enzym ATP Synthase.   Mỗi phân tử NADH tổng hợp được từ 2-3 phân tử ATP và mỗi phân tử  FADH2 tổng hợp khoảng 1,5 phân tử ATP.  Phần lớn ATP được tạo ra bởi quá trình này. Mặc dù chu trình acid citric không liên quan đến phân tử oxy, nó là một quá trình yếm khí. Tuy nhiên,  vì O2 cần thiết cho việc tái tạo  FAD+ và NAD+ nên ảnh hưởng đến chu trình Krebs. Thiếu oxy sẽ làm cho chu trình acid citric sẽ ngừng lai vì thiếu NAD+ và FAD+.
NADH từ tế bào chất vào ty thể qua các con thoi malat-aspartate (hoặc con thoi glycerol-phosphate) bởi vì các màng ty thể là không thấm với NADH và NAD+. Thay vận chuyển NADH qua màng, một enzyme dehydrogenase malat oxaloacetate chuyển hóa thành malat, malat thấm vào nội chất ty thể. Dưới sự xúc tác của enzym malat dehydrogenase, malat được biến đổi ngược lại, tạo ra oxaloacetate và NADH. Sau đó oxaloacetate được vận chuyển trở lại qua màng đến tế bào chất.
Trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, việc chuyển giao các điện tử từ NADH và FADH2 qua chuỗi vận chuyển điện tử đã tạo ra bơm proton từ nội chất ty thể đến không gian giữa hai lớp màng. Điều này tạo ra một động lực proton hay một gradient pH và một gradient điện thế giữa hai lớp màng ty thể. Dòng các proton sẽ vận chuyển từ không gian giữa hai lớp màng đến nội chất ty thể tạo ra động lực cho sự tổng hợp của ATP của enzym ATP synthase. Enzyme này chứa một tiểu đơn vị có thể quay trong quá trình tổng hợp ATP.
+ Beta hóa
Các axit béo được phân cắt để tạo thành acetyl-CoA bởi quá trình beta oxy hóa. Mỗi vòng của chu kỳ làm giảm độ dài của chuỗi acyl hai nguyên tử carbon và tạo một phân tử NADH và FADH2, chúng cũng được sử dụng để tạo ra ATP bằng cách phosphoryl hóa oxy hóa. Bởi vì NADH và FADH2 là các phân tử giàu năng lượng,  rất nhiều phân tử ATP có thể được tạo ra bởi quá trình oxy hóa-beta của một chuỗi acyl. Điều này giải thích tại sao chất béo cho nhiều năng lượng.
+ Sự hô hấp yếm khí
Hô hấp hoặc lên men kỵ khí là quá trình ôxi hóa không có O2 như một nguồn tiếp nhận electron. Trong hầu hết các sinh vật nhân chuẩn, glucose được sử dụng như chất tạo năng lượng và tạo ra điện tử. Phương trình oxy hóa glucose thành acid lactic như sau:
C6H12O6  à    2CH3CH(OH)COOH + 2ATP
Ở sinh vật nhân sơ, các chất nhận điện tử có thể được sử dụng trong hô hấp kỵ khí. Chúng bao gồm nitrat, sulfat hoặc carbon dioxide. Các quá trình này dẫn đến các quá trình sinh thái quan trọng như nitrat hóa, giảm sulfate và acetogenesis.
+Sự bổ sung ATP bởi diphosphate kinaza nulceosit
ATP cũng có thể được tổng hợp bổ sung qua phản ứng xúc tác bởi các enzyme của kinase nucleoside diphosphate (NDKs), trong đó sử dụng Diphosphates nucleoside khác như là nguồn cung cấp phosphate giàu năng lượng cao để tạo ATP:
ADP + ADP à ATP + AMP
+ ATP sản xuất trong quá trình quang hợp.
Ở thực vật, ATP được tổng hợp trong màng thylakoid của lục lạp trong khi các phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng của quang hợp trong quá trình gọi là photophosphorylation. Ở đây, năng lượng ánh sáng được sử dụng để bơm proton qua màng lục lạp. Điều này tạo ra một động lực proton và làm quay các tiểu phần của ATP synthase, như quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.  Các phân tử ATP được sản xuất trong các lạp lục được tiêu thụ trong chu trình Calvin, tạo ra đường triose.
+ Sự tái tạo ATP.
Các phân tử ATP được tổng hợp từ  ADP qua các quá trình đã nói ở trên. Vì thế, ở bất kỳ thời điểm nào, trong tế bào tổng lượng ATP và ADP là tương đối ổn định. Hàng ngày, năng lượng các tế bào của con người sử dụng qua sự thủy phân khoảng 50-70 kg ATP. Như vậy, một người sẽ sử dụng hết khối lượng ATP tương đương khối lượng cơ thể trong một ngày. Điều này có nghĩa là mỗi phân tử ATP được tái chế 1000-1500 lần trong một ngày (100/0,1=1.000). ATP không thể được lưu trữ, do đó nó được sử dụng ngay sau khi tổng hợp ra.
4.2.2. Thuyết thẩm thấu hóa học
Thuyết hóa thẩm thấu dựa trên tính thấm proton H+ qua màng ty thể.  Quá trình vận chuyển e- trong chuỗi hô hấp tạo thành gradient proton ở màng trong ty thể. Chính sự hình thành gradient này đã làm cho các thành phần của chuỗi hô hấp “thay đổi trạng thái và chức năng đặc biệt”, không xếp theo trình tự. Kết quả của quá trình này là tạo nên một vùng vận chuyển proton ở màng trong ty thể. Hai proton của phân tử hydro đã tách ra từ NADH2 được đi vào không gian giữa hai lớp màng nhờ bơm proton, các e- từ hệ thống oxy hóa được trung tâm Fe–S–Pr tiếp nhận và vận chuyển trở lại. Như vậy, sự xuất hiện gradient proton là động lực thúc đẩy tổng hợp ATP.
Thuyết hóa thẩm thấu dựa vào 3 quan điểm sau đây:
-Màng trong ty thể có tính bán thấm proton.
-Chuỗi hô hấp có tác dụng như một bơm proton.
-Tổng hợp ATP thực hiện bằng ATPsynthase hoạt động không đồng thời một hướng.
Màng trong ty thể có 2 bơm proton: một hình thành do gradient proton, còn bơm thứ hai là ATPsynthase có tác dụng tổng hợp ATP:     ATP  + Pi à ATP. Như vậy, bơm proton hoạt động nhờ hệ thống oxy hóa khử chuỗi hô hấp. Khi chuyển từ trạng thái kị khí sang trạng thái hiếu khí thì ty thể tạo ra dòng proton ty thể.
Luận điểm cơ bản của thuyết thẩm thấu hóa học là màng ty thể thuộc nhóm màng có khả năng biến đổi gradient nồng độ H+ thành năng lượng  sinh học là ATP. Tính chất đặc biệt này không chỉ riêng ở ty thể mà còn có ở màng lạp thể và màng vi khuẩn.  Màng ty thể có khả năng chuyển hóa năng lượng oxy hóa hydro thành năng lượng sinh học ATP. Đây là một nguyên tắc chuyển hóa năng lượng đặc biệt trong tự nhiên.  Năng lượng gradient proton có nguồn gốc sinh hóa học, không cần phải tạo thành ATP trung gian. Từ đó có thể suy luận rằng: vi khuẩn cũng có những quá trình vận chuyển nhất định và màng ngoài có khả năng tổng hợp ATP trực tiếp bằng gradient proton hay kết hợp với gradient điện thẩm hóa hoc.
Người ta đã tiến hành 2 thí nghiệm để chứng minh sự thẩm thấu hóa học kèm theo quá trình tổng hợp ATP.
Thí nghiệm 1 đã chứng minh giả thuyết tổng hợp ATP là kết quả của một gradient proton H+ ở màng trong ty thể. Trong thí nghiệm này, màng trong ty thể không cần nguồn vận chuyển điện tử để tổng hợp ATP khi các nhà nghiên cứu tạo ra sự chênh lệch nồng độ H+. Một mẫu của ty thể bị cô lập đã được tiếp xúc với một nồng độ H+ thấp đã đột ngột đưa vào môi trường với sự tập trung H+ với nồng độ cao. Màng ngoài ty thể không giống như màng trong, tự do thấm H+, do đó, H+ nhanh chóng khuếch tán vào trong không gian màng. Điều này tạo ra một gradient nhân tạo qua màng trong ty thể và quá trình tổng hợp ATP từ ADP và Pi được diễn ra. Điều này hỗ trợ giả thuyết và cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho cơ chế tổng hợp ATP.
Thí nghiệm 2 đã kiểm tra giả thuyết rằng enzyme ATP synthase kết hợp với gradien proton để tổng hợp ATP. Trong thí nghiệm này, bơm proton được cô lập từ một loại vi khuẩn được bổ sung vào các túi màng nhân tạo. Khi một nguồn năng lượng được cung cấp, H+ được bơm vào bên trong những cái túi, tạo ra gradient. Người ta đã gắn ATPsynthase được tách ra từ ty thể của động vật có vú vào màng nhân tạo này và quá trình tổng hợp ATP đã xảy ra. Kết quả này đã chứng minh enzyme ATP synthase trên màng đã xúc tác cho phản ứng tổng hợp ATP.
4.2.3.Cấu tạo và cơ chế hoạt động của enzym ATPsynthase
Enzim ATPsynthase gồm có hai miền: Miền Fo có  kênh proton và trục; miền F1 có màu đỏ và màng màu xám.  Enzim tổng hợp ATP còn được gọi là complex V, là enzim cuối cùng trong con đường phosphoryl hóa oxy hóa . Enzim tổng hợp ATP được tìm thấy trong mọi hoạt động sống và hoạt động như nhau ở tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực. Enzim này dùng năng lượng dự trữ từ sự chênh lệch proton (gradien proton) xuyên qua màng  để thúc đẩy sự tổng hợp ATP từ ADP và  phosphat vô cơ (Pi). Để tổng hợp 1 ATP cần 3-4 proton. Ở một số tế bào số lượng proton để tổng hợp 1 phân tử ATP có thể thay đổi:
ADP + Pi + 4H+ (cytosol) à  ATP + H2O + 4H+ (matrix) 
Phản ứng phosphoryl hóa là một hệ cân bằng động, có thể chuyển dịch bằng cách thay đổi lực đẩy proton. Khi có mặt lực đẩy proton thì phản ứng tổng hợp ATP diễn ra theo chiều từ phải sang trái (phản ứng nghịch), để phân giải ATP và bơm proton ra khỏi vùng cơ chất (matrix)  xuyên qua màng. Khi lực đẩy proton lớn thì  phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại từ trái qua phải, làm cho gradien nồng độ proton hạ xuống và ADP chuyển thành ATP
Enzim tổng hợp ATP là một phức hợp lớn có cấu tạo dạng cây nấm. Ở động vật có vú phức hợp này chứa 16 tiểu phần nhỏ, có khối lượng khoảng 600kD. Phần nằm trong màng gọi là Fo: chứa một vòng các tiểu phần c và kênh proton, một cái cuống và đầu dưới hình cầu như quả banh gọi là F1 và là vị trí mà ATP sẽ được tổng hợp. Ở phía cuối  đầu hình quả banh của F1 có chứa 6 phân tử Protein với hai kiểu khác nhau ( 3 tiểu phần  alpha và 3 tiểu phần beta)
          Còn cái cuống là một protein chuỗi gamma, có đầu cuối kéo dài đâm sâu vào đầu hình quả banh và các tiểu phần  alpha và  beta. Cả hai tiểu phần alpha và  beta đều liên kết với các nucleotit, nhưng chỉ có tiểu phần beta xúc tác phản ứng tổng hợp ATP. Kéo dài theo phần F1 quay ngược vào màng là một tiểu phần hình gậy cấm sâu vào các  tiểu phần  alpha và  beta  vào  đến chân đế của enzim.
Khi các proton xâm nhập vào, chúng qua màng xuyên qua kênh vào đế của  enzim tổng hợp ATP thì động cơ điều khiển proton Fo quay tròn. Sự xoay này có thể được gây ra bởi sự thay đổi trong quá trình ion hóa các axit amin trong tiểu phần c , gây ra sự tương tác tĩnh điện thúc đẩy vòng c chạy xuyên qua kênh proton. Vòng xoay này đến lượt sẽ điều khiển  sự xoay tròn của trục trung tâm (là tiểu phần gamma) ở giữa  hai tiểu phần alpha và  beta. Hai tiểu phần alpha và  beta sẽ bị ngăn sự xoay quay chúng bằng tay đòn ngang hoạt động như một stator của máy phát điện. Sự chuyển động của đầu mút  của tiểu phần gamma trong quả cầu alpha và  beta cung cấp năng lượng cho hoạt động bên trong tiểu phần beta trãi qua một chu kỳ chuyển động sẽ giải phóng ATP.
Cấu trúc các thành phần của  Enzim tổng hợp ATP : ATP có màu đỏ, ADP và Pi có màu hồng, còn tiểu phần xoay tròn gamma có màu đen.
Phản ứng tổng hợp ATP là cơ chế chuyển đổi liên kết liên quan đến vai trò tích cực của tiểu phần beta, xoay tròn giữa 3 trạng thái:
- Trạng thái mở: ADP và Pi xâm nhập vào trung tâm hoật động của enzim (vị trí tích cực). Protein tiến gần đến phân tử và liên kết lỏng lẽo với chúng.
- Trạng thái rời rạc:  enzim  thay đổi hình dạng và liên kết các phân tử này với nhau trong trung tâm hoạt động dẫn đến trạng thái chặt.
-Trạng thái chặt : liên kết những phân tử ATP mới hình thành với ái lực cao, cuối cùng trung tâm hoạt động tích cực này quay lại trạng thái mở giải phóng ATP và kết  hợp thêm ADP với Pi , sẳn sàng cho chu kỳ tiếp theo.
2.2.4.Các chất ức chế quá trình tổng hợp ATP
Có vài loại thuốc và độc tố có khả năng ức chế quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Bất kỳ một chất nào trong số các độc tố cũng có khả năng ức chế chỉ một enzim trong dây chuyền vận chuyển điện tử, và ức chế bất kỳ bước nào trong quá trình này cũng làm chặn đứng phần còn lại của tiến trình.
Ví dụ  oligomycin ức chế  Enzim tổng hợp ATP, proton không thể đi ngược vào trong ty thể, kết quả là bơm proton không thể hoạt động khi gradien trở nên quá lớn cho chúng vượt qua. NADH không còn bị oxy hóa nữa và chu trình acide citrite ngừng hoạt động bởi vì nồng độ NAD+  tụt xuống dưới mức mà các enzim có thể hoạt động.
Các hợp chất
Cách dùng
Hiệu lực trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa
Cyanide
Cacbonmonoxide
Thuốc độc
Ức chế dây chuyền vận chuyển điện tử,bằng cách liên kết mạnh oxy vào trung tâm Fe-Cu trong cytocrom oxidase, ngăn chặn sự khử oxy
Oligomycin
Kháng sinh
Ức chế  Enzim tổng hợp ATP bằng cách ngăn chặn dòng proton đi qua tiểu phần Fo
CCCP
2,4- Dinitrophenol
Thuốc độc
Ion hóa nhằm bẻ gãy gradien proton bằng cách vận chuyển các proton đi qua màng .Bơm các proton ion  hóa  không  kết cặp trong  tổng hợp ATP bởi vì nó mang proton qua màng trong ty thể
Rotenone
Trừ côn trùng gây hại
Ngăn chặn dây chuyền vận chuyển điện tử từ phức hệ I tới ubiquinone bằng cách chặn các vị trí liên kết ubiquinone
Malonate và
oxaloacetate

Cạnh tranh với các chất ức chế của  succinate dehydrogenase  ( phức hệ II)

Trong tế bào không chỉ có các  chất ức chế  là các độc tố  ngăn chặn quá trình phosphoryl hóa oxy hóa  mà còn có các chất có trong mô mỡ màu nâu, là các protein điều tiết kênh proton, chúng là các protein không cặp đôi có thể không kết cặp với chuỗi hô hấp để tổng hơp ATP. Quá trình này nhanh chóng tạo nhiệt, và là con đường đặc biệt quan trọng  nhằm bảo đảm thân nhiệt cho động vật khi ngủ đông. Mặc khác các protein này còn có chức năng quan trọng trong việc ngăn chặn trình trạng stress cho tế bào.


CHUONG 3 CẤU TẠO CHUỖI HÔ HẤP TẾ BÀO

Chương 3 :                  Cấu tạo chuỗi hô hấp tế bào
3.1. Cấu tạo ty thể
Trong tế bào, ty thể  là một bào quan màng kép được tìm thấy hầu hết ở các tế bào có nhân chuẩn. Đây là những bào quan có đường kính 0,5-10 μm. Ty thể đôi khi được mô tả như là "nhà máy điện của tế bào" bởi vì nó tạo ra hầu hết  nguồn năng lượng cung cấp cho tế bào là ATP, ATP được sử dụng như một nguồn năng lượng hóa học. Ngoài việc cung cấp năng lượng cho tế bào, ty thể còn tham gia vào các quá trình khác như: tín hiệu, sự khác biệt tế bào, sự chết tế bào, cũng như kiểm soát chu kỳ tế bào và sự tăng trưởng của tế bào. Ty thể còn liên quan đến  một vài căn bệnh ở người bao gồm các rối loạn ty   thể và rối loạn chức năng tim, và có thể có vai trò trong quá trình lão hóa. Từ ty thể có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp μίτος  hoặc mitos, thread + χονδρίον hoặc chondrion, hạt.
Một số đặc tính làm cho ty thể là bào quan duy nhất. Số lượng ty  thể trong một tế bào có sự thay đổi lớn tuỳ thuộc vào loài sinh vật và loại mô. Nhiều tế bào  có duy nhất một ty   thể, trong khi có  những loại tế bào khác có thể chứa đến vài ngàn ty   thể. Ty thể gồm có các vùng thực hiện các chức năng chuyên hoá. Những vùng hoặc khu vực bao gồm: màng ngoài, không gian giữa hai lớp màng, màng trong, răng lược và nội chất ty thể. Protein của ty thể khác nhau tùy thuộc vào loại  mô và loài sinh vật. Ở người, có 615 loại protein khác nhau có từ ty thể tim, trong khi đó ở chuột đã phát hiện được 940 protein mã hóa bởi gen khác nhau. Các protein của ty thể y có khả năng vận chuyển và thay đổi một cách linh động. Mặc dù hầu hết ADN của tế bào nằm trong nhân tế bào, ty thể có hệ gen độc lập với hệ gen của tế bào. Hơn thế nữa ,ADN của ty   thể có sự giống nhau đáng kể với bộ gen của vi khuẩn.
Ty thể bao gồm màng ngoài được cấu tạo bởi lớp photpholipit kép và lớp protein.Tuy nhiên hai màng có đặc tính khác nhau. Bởi vì tổ chức màng kép này có năm vùng riêng biệt trong ty   thể. Đó là màng  ngoài của ty thể, không gian giữa hai lớp màng (không gian giữa màng ngoài và màng trong), màng trong của ty   thể,  không gian của răng lược (được hình thành bởi sự gấp nếp của màng trong), và nội chất ( không gian bên trong của màng trong).
Màng ngoài của ty thể bao bọc toàn bộ bên ngoài, có tỷ lệ  protein/lipid  tương tự như của  màng sinh chất trong tế bào nhân chuẩn (khoảng 1:1 theo khối lượng). Nó chứa một số lượng lớn  protein xuyên màng gọi là lỗ. Những lỗ này tạo ra các kênh cho phép các phân tử có khối lượng phân tử 5.000 Dalton hoặc các phân tử có kích thước nhỏ  tự do khuếch tán từ một phía của màng đến phía bên kia. Các protein có kích thước lớn hơn có thể đi vào trong ty thể. Gây phá vỡ màng ngoài cho phép protein từ không gian giữa hai lớp màng đi vào trong tế bào chất, làm tế bào chết. Màng ngoài ty thể có thể kết hợp với màng lưới nội chất tạo cấu trúc được gọi là MAM (ty thể liên kết màng lưới nội chất). Điều này là quan trọng trong  tín hiệu canxi ở lưới nội chất-ty thể và tham gia vào việc vận chuyển các lipid giữa lưới nội chất và các ty thể.
Không gian giữa hai lớp màng là khoảng không gian giữa  màng ngoài và màng trong ty thể. Bởi vì màng ngoài được tự do thấm các phân tử nhỏ, nồng độ của các phân tử nhỏ như ion và đường trong không gian giữa hai lớp màng giống như trong tế bào chất. Tuy nhiên, các protein có kích thước lớn phải có một chuỗi tín hiệu cụ thể để được vận chuyển qua màng ngoài .Thành phần protein của không gian giữa hai lớp màng khác với thành phần protein trong tế bào chất. Một protein mà được xác định ở không gian giữa hai lớp màng  theo cách này là cytochrome c.
Màng trong  ty   thể  có chứa năm loại protein với các chức năng sau:
Thực hiện các phản ứng photphoryl hoá oxy hóa; tạo ra ATP trong nội chất; vận chuyển các chất cần thiết cho ty thể, phân giải các loại protein khác. Do đó nó chứa hơn 100 polypeptide khác nhau và có một tỷ lệ  protein /lipid rất cao (hơn 3:1 theo khối lượng).
Màng trong ty   thể chứa khoảng 1/5 tổng số protein của ty thể. Ngoài ra, màng trong ty thể rất giàu phospholipid, cardiolipin. Loại phospholipid này đã được phát hiện trong tim bò vào năm 1942. Cardiolipin chứa bốn axít béo chứ không phải hai và có thể giúp cho màng trong có tính thấm. Không giống như màng ngoài, màng trong ty thể không chứa lổ màng và nó cho tất cả các phân tử thấm qua. Hầu như tất cả các ion và các phân tử đều có những chất mang đặc biệt để có thể vào hoặc thoát ra khỏi nội chất. Ngoài ra, màng trong ty thể có sự hoạt động của các enzym trong chuỗi vận chuyển điện tử.
Màng trong của ty thể ngăn cách thành nhiều răng lược do đó làm tăng diện tích bề mặt của màng trong ty thể, tăng cường khả năng sản xuất ATP. Đối với ty thể tế bào gan, màng bên trong lớn hơn khoảng năm lần so với màng ngoài của ty thể. Tỷ lệ này có thể thay đổi và ty thể của các tế bào có nhu cầu ATP lớn, chẳng hạn như tế bào cơ thì chứa nhiều răng lược hơn. Những nếp gấp được gắn trên đó  các hạt tròn nhỏ mà chúng ta đã biết đó là các hạt F1 hoặc oxysomes. Đây không phải là gấp đơn giản  ngẫu nhiên mà là sự gấp nếp của màng trong ty thể, sự gấp nếp này có thể ảnh hưởng đến chức năng hoá sinh học.
Nội chất là không gian được bao bọc bởi màng trong. Nó chứa khoảng 2/3  tổng số protein của ty thể. Nội chất có vai trò quan trọng trong việc sản xuất  ATP với sự tham gia của enzym ATP synthase ở trên màng trong của ty thể. Nội chất là hỗn hợp chứa hàng trăm enzym, đặc biệt ở ty thể là ribosome, tARN và nhiều bản sao của bộ gen ADN ty thể. Các enzym có chức năng chính là oxy hóa các acid béo và pyruvate và chu trình axit citric.
Ty thể có vật liệu di truyền riêng và do đó có thể tổng hợp ARN và protein. Một chuỗi AND ty thể của người được có 16.569 cặp base nó mã hóa 37 gen: 22 tARN, 2 rARN và 13 gen peptide. 13 peptide trong ty thể ở người được tích hợp vào trong màng trong ty thể, cùng với các protein mã hóa bởi gen trong  nhân tế bào  chủ .
3.2.Cấu tạo chuỗi hô hấp
Chuỗi hô hấp là quá trình oxy hoá sinh học, nhờ vai trò xúc tác của hệ thống các enzym. Hay nói cách khác, nó là một hệ thống các phản ứng oxy hoá khử, trong đó hydro được tách ra từ các chất hữu cơ chuyển đến oxy để tạo thành nước. Việc vận chuyển hydro hay điện tử trong chuỗi hô hấp là do enzym xúc tác. Còn tiếp nhận oxy của tế bào sống - tế bào hô hấp là dấu hiệu bên ngoài của oxy hoá sinh học. Về bản chất hoá học của oxy hoá sinh học là một phản ứng kết hợp khí. Nhưng thực chất nó không phải chỉ xảy ra một giai đoạn và không thuộc loại kết hợp khí mà là phản ứng xảy ra từng bước giải phóng năng lượng.
Phần vận chuyển hydro có các enzym: dehydrogenase có coenzym là pyridinnucleotid, các enzym flavin và ubiquinon của chuỗi hô hấp. Phần vận chuyển điện tử có các cytochrom và cytochromoxidase. Mỗi phân tử NAD+, FAD+ và ubiquinon vận chuyển hai điện tử (gọi tắt là phần vận chuyển hai điện tử ), còn hệ thống cytochrom hoặc cytochromoxidase vận chuyển một điện tử (gọi tắt là vận chuyển một điện tử ) và oxy phân tử ở tận cùng chuỗi hô hấp bị khử bằng bốn bước, mỗi bước một điện tử :
Cơ chất SH2 Þ   NAD Þ  FAD Þ  Ubiquinon  ®  Cytochrom b ®Cytochrom c1® Cytochrom c® Cytochromoxidase ® O2
Kết quả vận chuyển hydro và điện tử bằng chuỗi hô hấp là tạo thành nước.
Căn cứ vào thế oxy hoá khử trong bảng 2.1. thì các tiểu phần chuỗi hô hấp sắp xếp phù hợp với thế oxy hoá khử của chúng, nghĩa là quá trình hô hấp diễn ra hàng loạt thế oxy hoá sinh học. Hệ thống này, sắp xếp theo trình tự từ cặp NADH/NAD+ có điện thế âm nhỏ nhất đến các cặp có điện thế tăng dần, cuối cùng là cặp O2/O2- có điện thế dương lớn nhất. Có thể nói hệ thống oxy hoá khử O2/O2- có khả năng oxy hoá tất cả thế năng của các chất trong sơ đồ. Do đó, người ta phân chia chuỗi hô hấp thành hai phần :
-Phần vận chuyển hydro
-Phần vận chuyển điện tử
E0   DG    SH2
            Volt   kJ/mol              NAD+
                                 FAD
      50     S    NADH2                                             Q          
                               FADH2                 2Fe3+
                                           QH2                                  2Fe3+
       62                                                  Cyt.b         2Fe3+  
                                                2Fe2+      Cyt.C1
                                                                  2H+                2Fe2+            Cyt.c    2Fe3+
105                                                                2Fe2+                    a-Cu-a3       ẵO2                                             2Fe2+      
                          O2

     
Hình 3.1.Sơ đồ mô tả chuỗi hô hấp (dựa theo Chance)
3.2.1. Phần vận chuyển hydro của chuỗi hô hấp
a) Các enzym có coenzym là pyridinnucleotid
Hydro được vận chuyển bởi một số coenzym, bao gồm nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD+) và nicotinamid-adenin-dinucleotid-phosphate (NADP+); cũng như các dẫn xuất của riboflavin là FMN (flavin-mononucleotid) và FAD (flavin-adenin-dinucleotid).
+NAD+ được tạo thành từ adenosin -5’-monophosphat với nicotinamit-ribosephosphat. Còn NADP+ được hình thành từ adenosin-5’-diphosphat với nicotinamitribosephosphat.
Nhờ chức năng vận chuyển hydro của các coenzym này mà chúng có thể tồn tại dưới hai dạng oxy hoá hay dạng khử tương ứng. Ở trạng thái oxy hoá thì Nitơ-pyridin của NAD+ hay NADP+ tích điện dương (dạng pyridinium); còn khi tiếp nhận hydro chúng chuyển thành trạng thái khử
Pyridinnucleotid khi thay đổi trạng thái oxy hoá hay khử thì đồng thời làm thay đổi hấp thụ quang phổ của các coenzym này. Chính vì vậy, vào năm 1936, Warburg đã phát hiện tổ hợp quang, mà ngày nay người ta sử dụng rất rộng rãi trong các phương pháp sinh hoá. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào cơ sở hai pyridinnucleotid NADH và NADPH ở dạng khử có tác dụng là coenzym của nhiều phản ứng enzym và hấp thụ cực đại ở bước sóng 340nm; ngược lại các dạng oxy hoá là NAD+ và NADP+ không hấp thụ bước sóng trong khoảng từ 300 đến 400 nm. Do đó, người ta có thể do thay đổi độ giảm sắc (Extinxtion) của từng phản ứng dehydrogenase ở bước sóng 340nm hay ở một chiều dài sóng khác như 334 và 366nm. Bằng phương pháp quang học, cho phép chúng ta nghiên cứu dễ dàng mối quan hệ giữa coenzym với protein - enzym. Cơ sở của vấn đề này là dựa vào sự biến đổi hấp thụ quang do liên kết coenzym đối với một vài dehydrogenase. Còn các phản ứng enzym khác không phụ thuộc vào pyridinnucleotid thì có thể do phối hợp với một hệ thống dehydrogenase tương ứng trong tổ hợp quang có trong trao đổi chất tế bào.
Ngày nay, người ta đã phát hiện khoảng trên 200 loại protein- enzym có coenzym hoặc là NAD+ hay NADP+ hoặc là cả hai pyridinnucleotid này. Các enzym này có trong tế bào chất và trong ty thể. Tuy số  dehydrogenase rất nhiều mà số phản ứng dehydro hoá lại có hạn.
Người ta cho rằng các pyridinnucleotid hydro hoá dưới dạng NADH chủ yếu tham gia vào các quá trình oxy hoá bên trong chuỗi hô hấp, còn NADPH tham gia chính là để thực hiện các quá trình tái tổng hợp. Trong chuỗi hô hấp NADH bị oxy hoá bằng các enzym flavin tiếp theo.
b) Các enzym flavin
Các flavinnucleotid gồm có flavin-mononucleotid (FMN) và flavin-adenin-dinucleotid (FAD) là những nhóm ngoại của các “enzym vàng” (flavo protein hay flavin-enzym ) có cấu tạo như sau :
Chúng đều là dẫn xuất của riboflavin và là những coenzym có chức năng vận chuyển hydro. Trong phân tử của FMN không chứa ribose mà là rượu ribitol (khác với các nucleotid khác), còn phân tử FAD gồm một nửa là FMN và nửa kia là AMP. Phần isoallosazin của cả hai coenzym này là hệ thống azaquinoid - thường tồn tại dưới ba dạng là :
      -Dạng oxy hoá : flavoquinon
      -Dạng bán khử : flavosemiquinon.
      -Dạng khử         : leucoflavin.
Khi đo quang phổ hồng ngoại và nghiên cứu đường hướng điện tử cho thấy : khi oxy hoá NADH bằng các enzym flavin xảy ra ở nhóm ngoại của chúng, lúc đó từ trạng thái flavoquinon chuyển qua trạng thái có tính chất “bán khử” là flavosemiquinon và cuối cùng tạo thành trạng thái khử hoàn toàn là leucoflavin
Quá trình khử xảy ra từng bước, trong đó từ vận chuyển hai điện tử nhanh chóng chuyển sang vận chuyển một điện tử. Cho nên, các flavin có khả năng tham gia vận chuyển hai hay một điện tử trong chuỗi hô hấp.
Đáng chú ý là đa số các enzym flavin có quan hệ chặt chẽ với các enzym NADH-dehydrogenase và succinatdehydrogenase. Chúng là những enzym quan trọng nhất của chuỗi hô hấp và là cầu nối những phản ứng dehydro hoá cơ chất với hệ thống vận chuyển điện tử giới hạn. Bên cạnh hai enzym này, người ta còn thấy trong chuỗi hô hấp có glycerin -1-phosphatdehydrogenase ty thể phụ thuộc vào FAD ( xem chuyên đề enzym) và cholindehydrogenase không mô tả trong chuyên đề enzym).
Không chỉ NADH - dehydrogenase mà còn cả succinatdehydrogenase cũng có cấu trúc và chức năng nên quan hệ chặt chẽ với hệ thống vận chuyển điện tử. Chúng là hệ thống thường xuyên thay đổi và là thành phần quan trọng gắn liền với màng trong ty thể. Do đó, việc tinh sạch và nghiên cứu đặc trưng sinh hoá của hai enzym này rất khó khăn. Người ta cho rằng NADH - dehydrogenase ty thể cơ tim liên kết chặt chẽ với nhóm ngoại FMN, còn succinathydrogenase lại liên kết chặt chẽ với FAD. Các coenzym này liên kết cộng hoá trị với protein - enzym.
Như đã đề cập trên, NADH - dehydrogenase bị khử bằng hydro của NADH, còn succinatdehydrogenase lại bị khử bằng axit malic (sản phẩm trung gian của chu trình Krebs). Cả hai enzym này đều bị oxy hoá bằng ubiquinon (coenzym Q). Người ta thường sử dụng chất nhận điện tử nhân tạo để nghiên cứu các enzym này. Kết quả cho thấy ferricyanid có tác dụng với NADH-dehydrogenase, còn phenazinmethio-sunfat có tác dụng với succinat-dehydrogenase, vì chúng là những enzym chuyên hoá cao. Ngoài ra, cả hai enzym này còn chứa một thành phần khác là sắt, nhưng không liên kết theo kiểu "Hem".
Trong những năm gần đây, người ta đã nghiên cứu sơ bộ về cấu trúc và liên kết hoá học của hai enzym này. Kết quả cho thấy NADH-dehydrogenase có khối lượng phân tử tối thiểu vào khoảng 70.000 (trên mỗi phân tử FMN) và mỗi đơn vị FMN có chứa sắt (Fe) và lưu huỳnh (S) với tỷ lệ 1:1:4 (FMN-Fe-S). Còn succinatdehydrogenase (chứa FAD) có trong lượng phân tử khoảng 97.000, do hai dưới đơn vị cấu thành. Một dưới đơn vị là flavoprotein vào khoảng 70.000, cho nên theo nguyên tắc trên một phân tử FAD liên kết nguyên tử với 4 nguyên tử sắt và 4 nguyên tử lưu huỳnh, còn dưới đơn vị kia là một sắt - lưu huỳnh -protein với khối lượng phân tử 27.000.
c) Ubiquinon ( coenzym  Q)
Các enzym flavin làm nhiệm vụ vận chuyển hydro từ NADH và succinat đến ubiquinon là thành phần tiếp theo của chuỗi hô hấp. Ubiquinon nằm giữa các enzym flavin và hệ thống cytochrom. Ubiquinon còn có tên gọi là coenzym  Q. Nó là hệ thống quinon chính của chuỗi hô hấp.
Lần đầu tiên, người ta phân lập ubiquinon từ ty thể tim bò. Còn trong ty thể nấm men và vi khuẩn là các dạng đồng phân, các đồng phân này tuỳ thuộc vào số đơn vị isopreoid mà có tên gọi tương ứng : Q7, Q8, Q9, Q10,.



Như trên đã nói, coenzym Q là giai đoạn  chính, vị trí cửa ngõ của hai con đường vận chuyển hydro chủ yếu của chuỗi hô hấp:

                                                                                          .......
                                                                                            

Con đường thứ nhất gọi là hệ thống NADH - CoQ - reductase và con đường thứ hai gọi là hệ thống malatdehydrogenase-CoQ- reductase. Cả hai con đường đều có sự tham gia của các flavoprotein, trong đó con đường thứ nhất phụ thuộc FMN, còn con đường thứ hai phụ thuộc FAD. Bên cạnh các flavoprotein, trong thành phần của cả hai hệ thống đều có các "Trung tâm sắt - lưu huỳnh" và được mô tả tương tự hệ thống oxy hoá khử và có lẽ chúng là thành phần bắt buộc của chuỗi hô hấp. Chúng có cấu tạo protein rất đơn giản mà sắt không có kiểu liên kết như sắt ở nhân "Hem". Protein này có ý nghĩa lớn lao đối với quá trình chế biến năng lượng.
Hệ thống NADH-CoQ-reductase có ý nghĩa quan trọng đối với thí nghiệm làm ngừng hô hấp bằng các chất amytal, rotenol và picricidin A. Những chất này có ý nghĩa rất lớn trong nghiên cứu chuỗi hô hấp và nhất là nghiên cứu trình tự các tiểu phần chuỗi hô hấp.
3.2.2. Phần vận chuyển điện tử của chuỗi hô hấp
Hệ thống cytochrom - chặng đường kết thúc vai trò của ubiquinon. Tiếp theo ubiquinon có thể là cytochrom b. Tại đây là bước ngoặt giữa hai pha chuỗi hô hấp - điểm làm thay đổi từ vận chuyển hai điện tử sang vận chuyển một điện tử. Hydro được tách ra từ các cơ chất khác nhau vận chuyển qua các giai đoạn trung gian đến ubiquinon, nhưng đến hệ thống cytochrom chỉ còn vận chuyển điện tử.
Phần vận chuyển điện tử của chuỗi hô hấp bao gồm từ các cytochrom b, c1, c, cytochromoxidase và oxy là chất nhận điện tử cuối cùng.
Những công trình nghiên cứu của Macmunn 1885-1886 về tế bào đã phát hiện các nhân tố gọi là tế bào "Hemin" hay "Cytohemin" hoặc còn gọi là "Histohematin". Đến 1925 thì Keilin, phát hiện lại nguồn gốc của các chất nói trên và mãi đến 1937 Keilin và Harter mới phân lập được cytochrom đầu tiên, đó là cytochrom c. Từ đó, việc phát hiện và nghiên cứu các cytochrom ngày càng được mở rộng.
Các cytochrom chỉ khác nhau ở các chuỗi bên. Nguyên tử trung tâm của hệ thống vòng porphyrin là sắt (dạng Fe2+ hay Fe3+) và có thể trao đổi hoá trị và thực chất nó là chất vận chuyển điện tử (bảng 3.2.)
Những liên kết giữa sắt porphyrin của từng cytochrom có tính chất chuyên hoá đối với hấp thụ ánh sáng. Hấp thu quang phổ chuyên hoá này có ý nghĩa quan trọng trong việc sắp xếp và nghiên cứu đặc trưng của các cytochrom.
Hàng loạt kết quả nghiên cứu cytochrom trong chuỗi hô hấp chủ yếu là xác định thế oxy hoá khử của chúng. Tuy nhiên về vị trí của một vài cytochrom còn chưa được giải thích thoả đáng. Người ta cho rằng ở vi khuẩn thì các cytochrom liên kết với màng vi khuẩn.
a) Cytochrom b
Cytochrom b nằm ở vị trí giữa ubiquinon và cytochrom c. Nó có khối lượng phân tử vào khoảng 17.000 (monomer) và có khuynh hướng tự ngưng tụ mạnh mẽ để tạo thành dạng trùng hợp cao phân tử với khối lượng có thể lên tới trên 4 triệu Cytochrom b liên kết rất chặt chẽ với màng trong ty thể.
Trong microsom, người ta phát hiện thấy có loại cytochrom b khác gọi là cytochrom b5. Nó có thể bị khử bằng NADH tạo thành phức hợp NADH-cytochrom b5-reductase. Sau đó cytochrom b5 bị oxy hoá bằng cytochrom c. Khi xác định quang phổ, người ta thấy cytochrom b5 không mang màu.
Nhóm cytochrom cũng tương tự như cytochrom a, bản chất của chúng có biểu hiện như là các lipoprotein.
b) Cytochrom c1
Cytochrom c1 cũng giống như cytochrom c, nhưng không thể thay thế cho nhau trong hệ thống vận chuyển điện tử. Hai cytochrom này khác nhau về bước sóng hấp thụ quang và nhiệt độ hoạt động tối ưu.
Vị trí của cytochrom c1 trong chuỗi hô hấp còn chưa rõ ràng. Theo những nghiên cứu đángtin cậy thì nó có thể chiếm một vị trí trên con đường chính của chuỗi hô hấp. Cytochrom c1 do có cấu trúc đặc biệt, nên khó hoà tan hơn cytochrom c. Cytochrom c1 có khối lượng phân tử vào khoảng 30.600.
c) Cytochrom c
Cytochrom c là một cytochrom được nghiên cứu nhiều hơn cả. Người ta đã nghiên cứu cấu trúc bậc nhất của cytochrom c. Nhân "Hem" liên kết cộng hoá trị với protein bằng những liên kết thioester. Cụ thể là liên kết xảy ra ở các gốc cystein 14 và 17 của chuỗi polypeptid với các nhóm 2 và 4 của "Hem". Do cấu trúc đặc biệt của nhân "Hem", nên có ảnh hưởng sâu sắc đến sự tạo thành xoắn ốc của protein. Khác với các cytochrom c dễ hoà tan trong nước nhưng trong ty thể nó lại có thể liên kết với các lipoprotein.
d) Cytochromoxidase (Cytochrom a + a3)
Cytochromoxidase còn gọi là enzym hô hấp Warburg, nó có thể coi là enzym tận cùng của chuỗi hô hấp, đứng về mặt oxy mà nói. Nó có ái lực rất lớn với oxy, cho nên nó bị oxy hoá bằng oxy với tốc độ lớn hơn nhiều so với các cytochrom b, c1 và c, và bị kìm hãm hoạt động mạnh bằng cyanid hay carbonmonoxid phản ứng với dạng hoá trị 2 của sắt (Fe2+) ở "Hem".
Mặc dù, cytochromoxidase liên kết rất chặt chẽ với màng trong ty thể, nhưng gần đây người ta cũng đã phân lập được loại enzym này. Kết quả cho thấy cytochromoxidase là những chuỗi polypeptid có độ lớn rất khác nhau và có khối lượng phân tử vào khoảng trên dưới 20.000. Cụ thể, cytochromoxidase của cơ tim được cấu thành từ 12 dưới đơn vị có khối lượng phân tử 6.000 và 36.000. Cho nên, khối lượng phân tử enzym hoàn chỉnh vào khoảng 170.000. Cấu trúc bậc nhất của các dưới đơn vị cũng đã được giải thích đầy đủ. Tuy nhiên, về phương diện cấu trúc bậc bốn của cytochromoxidase chưa được rõ ràng và còn ít tài liệu đề cập tới.
Mỗi phân tử enzym nguyên thể (170.000) có chứa hai nhóm "Hem" và hai ion đồng, đó là trung tâm oxy hoá khử của enzym giống như trung tâm oxy hoá khử sắt của các cytochrom khác, nhưng các ion đồng chỉ trao đổi hoá trị (Cu22+ + e- Cu+ ) và tham gia vào chức năng của cytochromoxidase.
Cytochromoxidase không chỉ là enzym oxy hoá khử mà còn là bơm ion (xem cơ chế phosphoryl hoá). Nó làm nhiệm vụ bơm proton qua màng ty thể từ trong ra ngoài, tạo thành một kênh ion qua màng ty thể để vận chuyển proton định vị. Cấu tạo phức tạp của enzym như vậy phù hợp với vai trò tác dụng kép (hai chức năng) của enzym là vận chuyển điện tử và bơm ion".
3.2.3. Chất nhận điện tử của chuỗi hô hấp
Trong những điều kiện sinh lý nhất định, các điện tử trong chuỗi hô hấp được chuyển đến oxy. Oxy lúc đó bị khử trở thành ion oxy (O2-), do đó phản ứng với proton (H+) đã hình thành từ đầu đến giai đoạn ubiquinon (xem sơ đồ chuỗi hô hấp ) để tạo thành nước. Như vậy, oxy là chất nhận điện tử giới hạn và đến đây kết thúc quá trình vận chuyển hydro và điện tử của chuỗi hô hấp.
3.2. Các phức hợp trong chuỗi hô hấp
Bằng các phương pháp khác nhau, người ta có thể sắp xếp chuỗi hô hấp thành bốn phần phức hợp enzym, mỗi phần đó được coi là các "vùng" (tiểu hệ thống ) của chuỗi hô hấp. Chúng có thể đặc trưng bằng những mức độ dưới đây :
-Phức hợp   I : Hệ thống NADH-ubiquinon-reductase.
                   II : Hệ thống succinat-ubiquinon-reductase.
                   III : Hệ thống ubiquinon-cytochrom c -reductase.
                   IV : Hệ thống cytochrom c-cytochromoxidase.
Các phức hợp này là những đơn vị chức năng quan trọng của màng trong ty thể. Về phương diện hàm lượng thì mỗi phức hợp có quan hệ chặt chẽ với các enzym, coenzym và nhóm ngoại. Trong qúa trình vận chuyển hydro và điện tử thì các phức hợp này cùng có tác dụng phối hợp.
Việc phân chia này dựa vào thế oxy hoá khử của các thành phần sắt-lưu huỳnh-protein trong mỗi giai đoạn riêng khác nhau. Do đó, mỗi phức hợp có khả năng vận chuyển điện tử và dự trữ năng lượng riêng. Những hệ thống vận chuyển như vậy còn gọi là các "kênh" truyền năng lượng (energietransducer- component). Ngoài các trung tâm "Fe-S-Pr", người ta thấy trong các phức hợp này còn có thể có các kim loại khác như molypden, mangan hay đồng và chúng cũng có vai trò vận chuyển điện tử và năng lượng như hệ thống "Fe-S".
Ngày nay, thông qua các phương pháp hiện đại như quang phổ, động học và kỹ thuật laze, các hệ thống oxy hoá khử này đang được nghiên cứu tích cực và khẩn trương. Từ những kỹ thuật hiện đại đó cho phép người ta có thể nghiên cứu một cách chi tiết và cụ thể trong từng giai đoạn vận chuyển hydro, vận chuyển điện tử và giải phóng năng lượng.
-Phức hợp I (NADH -ubiquinon-reductase): tiểu phần có khối lượng trên 500.000 và có chứa ít nhất 16 chuỗi polypeptid, nó được phân lập từ ty thể tim bò. Hai trong chúng có thể là flavoprotein phụ thuộc FMN và có thể có ba trung tâm sắt- lưu huỳnh-protein, tất nhiên cũng như các dưới đơn vị khác, hiện nay cũng chưa có những giải thích đầy đủ. Từ đó cho thấy, thực tế ty thể nguyên vẹn thì không thể oxy hoá NADH bên ngoài ty thể. Cho nên người ta cho rằng trung tâm oxy hoá NADH của phức hợp này (I) phải nằm bên trong ty thể, vì màng trong ty thể có hệ thống enzym nhận biết NADH.
-Phức hợp II (succinat-ubiquinon-reductase): thực chất là succinat - dehydrogenase gồm có hai chuỗi polypeptid liên kết cộng hoá trị với một phân tử FAD và có một trung tâm "sắt-lưu huỳnh-protein ". Enzym này còn thấy có trong nội chất màng trong ty thể, nghĩa là enzym có thể di chuyển vào màng trong ty thể.
Ubiquinon có tác dụng là chất tiếp nhận hydro trong phức hợp I và phức hợp II. Nó là phân tử kỵ nước (hydrophob) trong lớp lipit kép của màng ty thể. Bằng hình thức như vậy, ubiquinon thực hiện đầy đủ chức năng kết hợp giữa các đoạn vận chuyển hydro và điện tử của chuỗi hô hấp hiệu quả cao nhất.
-Phức hợp III (ubiquinon-cytochrom c-reductase): có khối lượng tiểu phần vào khoảng 300.000 (protein + lipid) và có 6 đến 8 chuỗi polypeptid cấu thành. Trong đó, hai hay ba chuỗi polypeptid có chứa cytochrom b, một chuỗi chứa cytochrom c1 và một chuỗi chứa trung tâm sắt-lưu huỳnh-protein; một chuỗi polypeptid có thể liên kết với atimycin và các chuỗi còn lại chưa rõ chức năng.
Protein của cytochrom b rất kỵ nước và người ta cho rằng : chất truyền điện tử này cũng giống như ubiquinon là định vị giữa lớp lipid kép của màng trong ty thể. Cytochrom trong phức hợp III hình như được chuyển ra phía ngoài màng ty thể. Như vậy, nó có vai trò là chất truyền điện tử tương tự như cytochrom c. Cytochrom c, cũng sắp xếp ở vùng ngoại vi, nghĩa là nó định vị ở mặt ngoài của màng trong ty thể.
-Phức hợp IV (cytochrom c-oxidase) : truyền dẫn qua màng trong ty thể, nghĩa là nó có thể truyền từ phía ngoài vào phía trong. Cytochrom a có thể nằm ở phía ngoài và tại đó tiếp nhận điện tử từ cytochrom c; phức hợp này phản ứng với phần phản ứng với phần phản ứng oxy hướng vào phía bên trong - nơi có cytochrom a3. Giữa hai phần thấy có hai nguyên tử đồng nằm bên trong lớp lipid kép và được coi là chất truyền điện tử giữa các nhóm "Hem" từ a đến a3. Như vậy, oxy đã oxy hoá cytochrom a3 phải vượt qua màng ty thể và có thể phản ứng với cytochrom này.
3.3. Mối quan hệ giữa ty thể và hô hấp
3.3.1. Thay đổi thể tích ty thể
Ty thể có hai kiểu biến đổi thể tích : một là biến đổi thể tích bị động và hai là biến đổi thể tích chủ động.
Biến đổi thể tích bị động do tính thấm của môi trường quyết định. Vì ty thể dễ cảm ứng với áp suất thẩm thấu, cho nên trong môi trường ưu trương có hiện tượng co hẹp lại và trong những dung dịch nhược trương lại trương lên, cuối cùng có thể vỡ tung ra. Khi trương phồng dẫn đến giải phóng protein -enzym và NAD+ đã liên kết, kết quả làm kìm hãm phosphoryl hoá oxy hoá. Các enzym chủ đạo có thể bị thay đổi hoạt động trong quá trình trương phồng ( ví dụ ATPase). Hiện tượng trương phồng có thể theo dõi bằng thay đổi độ đục của huyền phù ty thể.
Ngược lại, biến đổi thể tích chủ động phụ thuộc vào năng lượng và có liên quan chặt chẽ với vận chuyển điện tử và phosphoryl hoá. Ví dụ, các ty thể gan chuột ở bước 4 theo Chance (có nghĩa là dư thừa cơ chất và oxy mà thiếu ADP thì vẫn giảm hô hấp) thì bị trương phồng. Hiện tượng này mất đi, khi người ta thêm ADP vào bước 3 (nghĩa là dư thừa cơ chất, oxy và ADP làm cho hô hấp tăng mạnh ), như vậy làm giảm trương phồng. Qua thí nghiệm này, chứng tỏ ty thể có loại trừ dịch lỏng một cách chủ động. Quá trình trình diễn ra như trên, gọi là "Chu trình trương phồng - co hẹp", nghĩa là chu trình này bao gồm hai quá trình biến đổi thể tích chủ động là " trương phồng chủ động và co hẹp chủ động ".
Người ta thấy các chất có khả năng làm trương phồng ty thể là Ca2+, phosphat vô cơ, axit béo tự do, thyroxin, oxytoxin, vasopressin,v.v..Ngoài ra, đa số các kháng sinh có tác dụng vận chuyển điện tử trong ty thể thì cũng có tác dụng làm trương phồng ty thể tương tự như qúa trình trương phồng phụ thuộc năng lượng.
Những ty thể đã trương phồng, co hẹp lại mức độ bình thường là nhờ xảy ra phosphoryl hoá oxy hoá. Còn khi thêm ATP vào những ty thể đã trương phồng, gây nên co hẹp, đặc biệt rõ ràng, khi có mặt các ion Mg2+ hay Mn2+. Nguyên nhân co hẹp này có lẽ do ATP bị thuỷ phân. Một phân tử ATP có thể loại đi đến 2000 phân tử nước từ ty thể đã bị trương phồng.
3.3.2.Hoạt tính của ATPase ty thể
ATPase xúc tác phản ứng thuỷ phân ATP và như vậy nó có vai trò điều hoà hô hấp tế bào. Trong các ty thể nguyên vẹn, thì hoạt động của ATPase rất yếu, nhưng khi ty thể bị tổn thương hoặc trong môi trường nhược trương hay ưu trương, hoạt động của enzym này tăng lên. Hoạt động của ATPase phụ thuộc vào trạng thái oxy hoá khử của các thành phần chuỗi hô hấp. Khi có phản ứng khử quá mạnh, ATPase bị kìm hãm 100%. ATPase tăng hoạt động, khi ủ ty thể ở 370C và không có mặt các adeninnuclotid và cơ chất oxy hoá. Đa số các chất loại trừ kết hợp, cũng như già hoá ty thể làm tăng hoạt động của ATPase, còn ATP kìm hãm hoạt động của enzym này. Như vậy, phản ứng của ATPase là ngược với phosphoryl hoá oxy hoá .
3.3.3. Tính thấm qua màng ty thể
Màng trong ty thể được coi như một bức tường ngăn cách giữa bên trong với bên ngoài ty thể. Người ta đã chứng minh rằng các chất pyruvat và b-hydroxybuterat có thể thấm qua màng ty thể, còn các chất di-, tricarboxylic của chu trình Crebs, cũng như dẫn xuất của coenzym A lại không thấm qua màng ty thể một cách tự do. Còn các adeninnucleotid, pyridinnucleotid và phosphat vô cơ thấm qua màng ty thể với mức độ nhất định.
Nếu NADH thêm từ bên ngoài vào ty thể nguyên vẹn thì chỉ bị oxy hoá, khi thêm cytochrom c vào. Bằng cách oxy hoá như vậy, thấy xảy ra phosphoryl hoá. Nhưng sau một cái Schock thẩm thấu, thấy tính thấm của màng tăng lên, còn NADH bị oxy hoá trong ty thể mà không thêm cytochrom c vào thì lại thấy tổng hợp ATP.
gười ta cho rằng các chất làm trương phồng ty thể thì cũng làm tăng tính thấm của màng và làm hao hụt pyridinnucleotid trong ty thể, trong đó NAD+ nhờ hỗ trợ của ATP. Ngăn ngừa tạo thành NADH tế bào chất hoặc các chất khử tương đương ty thể là do nhiều hệ thống vận chuyển chịu trách nhiệm. Hai trong số các hệ thống vận chuyển được trình bày như sau . Những hệ thống vận chuyển hydro khác là hệ thống Oxalacetat - malate và oxalacetat - aspartat.
Còn vận chuyển adeninnucleotid qua màng trong ty thể là nhờ những chất mang nhất định. ADP được vận chuyển từ tế bào chất vào ty thể nhờ chất mang tương ứng của nó và sau đó tạo thành lại nhờ chính chất mang ADP vận chuyển ATP ra ngoài ty thể. Vận chuyển là một quá trình  trao đổi bắt buộc, vì cứ mỗi phân tử ADP vận chuyển theo chiều thuận vào trong thì phải mang một phân tử ATP theo chiều ngược lại ra ngoài. Do đó mà tổng số adeninnucleotid của ty thể luôn luôn là một hằng số. Các chất glucosid-atractylosid là một chất kìm hãm đặc hiệu của vận chuyển adeninnucleotud.
Trong những ty thể có kết hợp thì vận chuyển ADP vào tỷ lệ nghịch với ATP, nhưng các ty thể loại trừ kết hợp thì vận chuyển giữa hai nucleotid không khác nhau. Mối tương quan này trong hệ thống vận chuyển dẫn đến phân chia cân đối của ADP với ATP ở hai phía của màng. Tỷ lệ ATP/ADP bên ngoài ty thể lớn hơn bên trong.
3.3.4.Tính chất của hệ thống vận chuyển ion
Ty thể không những có khả năng vận chuyển anion mà còn vận chuyển cả cation về hai phía của màng. Vận chuyển ion của ty thể có ý nghĩa lớn lao đối với điều hoà và phối hợp chặt chẽ giữa các quá trình trao đổi chất bên trong với bên ngoài ty thể. Những nghiên cứu đầu tiên về tthr cho thấy rằng các quá trình hô hấp và phosphoryl hoá có khả năng duy trì hàm lượng các cation và anion hoá trị I cũng như hoá trị 2 của chúng và ty thể được coi như một acqui-ion (bình tích ion).
Người ta thấy rằng trong có thể sinh vật có nhiều chất kháng ion khác nhau trong đó quan trọng nhất là các chất như ATP, ADP, AMP, pyridinnucleotid và phosphat vô cơ. Khi vắng mặt các cơ chất oxy hoá hay trong môi trường nhược trương thì thực tế ty thể mất K+ và Na+ hoàn toàn, trong khi đó hàm lượng Mg2+ và Ca2+ còn khoảng một nửa so với bình thường và ở dạng liên kết cấu trúc trong ty thể.
Như đã nói trên màng trong ty thể có thể coi là một chướng ngại vật đối với quá trình vận chuyển ion vào ty thể, cụ thể là đối với vận chuyển các ion H+ và HO-. Người ta cho rằng các hiện tượng hạn chế quá trình oxy hoá và phosphoryl hoá thải nhiệt ở màng trong là những quá trình tích điện ngược với gradien nồng độ.
Đặc biệt đáng chú ý là vận chuyển Ca2+ của ty thể. Theo Lehninger, quá trình vận chuyển Ca2+ dựa vào tính chất chuyên hoá rộng rãi, ái lực cao, tích tụ nhiều Ca2+ có ý nghĩa đối với chu trình co cơ cũng như đối với những quá trình calcium hoá phân tử .Về phương diện cung cấp năng lượng thì acqui Ca2+ có thể coi là thời điểm để giàu năng lượng trong hàng loạt các phản ứng sinh năng lượng của phosphoryl hoá chuỗi hô hấp.