Sharing Chemistry with the Community

Năng lượng được tế bào sản xuất như thế nào?

Có một điều khá thú vị là ai cũng biết rằng mỗi khi đói bụng, thì cơ thể trở nên yếu ớt và thiếu sức sống. Trong khi nếu bạn được ăn uống đầy đủ, thì cơ thể trở nên đầy năng lượng và sức sống. Vậy đâu là nguyên nhân tạo nên sự khác biệt này? Có phải chăng tế bào sản sinh ra năng lượng? Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, mời bạn đọc bài viết sau đây nhé!

Trong sinh học tế bào, chuỗi vận chuyển điện tử là một trong những bước quan trọng trong quá trình tế bào của bạn, tạo ra năng lượng từ các loại thực phẩm bạn ăn.

Đây là bước thứ ba của sự hô hấp tế bào hiếu khí. Sự hô hấp tế bào là thuật ngữ sử dụng cho cách các tế bào của cơ thể tạo ra năng lượng từ thức ăn tiêu thụ. Chuỗi vận chuyển điện tử là nơi mà hầu hết các tế bào năng lượng được tạo ra. “Chuỗi” này thực sự là một loạt các phức hợp protein và các phân tử mang điện tử trong màng bên trong của ty thể tế bào, còn được gọi là nhà máy điện của tế bào.

Vậy làm thế nào năng lượng được sinh ra?

Oxy là cần thiết cho hô hấp hiếu khí khi chuỗi kết thúc với sự đóng góp của các điện tử để oxy. Và khi các electron di chuyển dọc theo một chuỗi, chuyển động hoặc động lượng được sử dụng để tạo ra adenosine triphosphate (ATP). ATP là nguồn năng lượng chính cho nhiều quá trình tế bào bao gồm co cơ và phân chia tế bào.

Năng lượng được giải phóng trong quá trình chuyển hóa tế bào khi ATP thủy phân. Điều này xảy ra khi các electron được truyền dọc theo chuỗi từ phức hợp protein này đến phức hợp protein khác, cho đến khi chúng được tặng cho oxy tạo thành nước. ATP phân hủy hóa học thành adenosine diphosphate (ADP) bằng cách phản ứng với nước. Sau đó, ADP lần lượt được sử dụng để tổng hợp ATP.

Cụ thể hơn, khi các electron được truyền dọc theo một chuỗi từ phức hợp protein đến phức protein, năng lượng được giải phóng và các ion hydro (H+) được bơm ra khỏi chất gian bào của ty thể (ngăn trong màng bên trong) và vào xoang gian màng (đây là không gian choáng giữa ngăn giữa màng trong và ngoài).

Tất cả các hoạt động này tạo ra cả một gradient hóa học (đây là sự khác biệt trong nồng độ dung dịch) và gradient điện (đây là sự khác biệt về điện tích) ngang qua màng trong. Khi nhiều ion H+ được bơm vào xoang gian màng, nồng độ của các nguyên tử hydro cao hơn sẽ tích tụ và chảy ngược trở lại chất gian bào, đồng thời cấp năng lượng cho quá trình sản xuất ATP hoặc ATP synthase.

ATP synthase sử dụng năng lượng sinh ra từ sự chuyển động của ion H+ vào chất gian bào để chuyển đổi ADP thành ATP. Quá trình oxy hóa các phân tử này tạo ra năng lượng cho quá trình sản xuất ATP, được gọi là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.

Các bước của quá trình hô hấp tế bào

Bước đầu tiên của quá trình hô hấp tế bào là glycolysis (đây là quá trình thủy phân glucose). Glycolysis xảy ra trong tế bào chất và liên quan đến việc tách một phân tử glucose thành hai phân tử của hợp chất hóa học pyruvate. Nói nôm na là có hai phân tử ATP và hai phân tử NADH (năng lượng cao, phân tử mang điện tử) được tạo ra.

Glycolysis có thể xảy ra có hoặc không có oxy. Trong sự hiện diện của oxy, glycolysis là giai đoạn đầu tiên của hô hấp tế bào hiếu khí. Không có oxy, glycolysis cho phép các tế bào tạo ra một lượng nhỏ ATP. Quá trình này được gọi là hô hấp kỵ khí hoặc lên men. Quá trình lên men cũng tạo ra axit lactic, có thể tích tụ trong các mô cơ gây đau và cảm giác nóng rát.

Bước thứ hai, được gọi là chu trình axit citric hoặc chu kỳ Krebs, bắt đầu sau khi hai phân tử của ba đường carbon sản xuất trong glycolysis được chuyển thành một hợp chất hơi khác (acetyl CoA). Quá trình này xảy ra khi pyruvate được vận chuyển qua màng ty thể bên ngoài và bên trong vào chất gian bào của ty thể. Sau đó, pyruvate tiếp tục bị oxy hóa trong chu trình Krebs tạo ra hai phân tử ATP, cũng như các phân tử NADH và FADH2.

Chu trình axit citric chỉ xảy ra khi có oxy nhưng không sử dụng oxy trực tiếp. Các electron từ NADH và FADH2 được chuyển đến bước thứ ba của quá trình hô hấp tế bào, đó là chuỗi vận chuyển electron/phosphoryl hóa oxy hóa.

Phức hợp protein trong chuỗi

Có bốn phức hợp protein là một phần của chuỗi vận chuyển điện tử có chức năng truyền các electron xuống chuỗi. Một phức hợp protein thứ năm phục vụ để vận chuyển các ion hydro trở lại vào chất gian bào. Những phức hợp này được gắn vào trong màng ty thể bên trong.

Phức hợp I (complex I)

NADH chuyển hai electron đến phức hợp I để tạo ra bốn ion H+ được bơm qua màng bên trong. Lúc này, NADH bị oxy hóa thành NAD+, được tái chế trở lại chu kỳ Krebs. Các electron được chuyển từ phức hợp I sang phân tử mang ubiquinone (Q), được giảm xuống ubiquinol (QH2). Ubiquinol mang các electron đến Complex III.

Phức hợp II (complex II)

FADH2 chuyển các electron đến Complex II và các electron được truyền tới ubiquinone (Q). Q được giảm xuống ubiquinol (QH2), mang các electron đến complex III. Không có ion H+ nào được vận chuyển đến không gian liên màng trong quá trình này.

Phức hợp III (complex III)

Việc truyền electron đến phức hợp III giúp vận chuyển bốn ion H+ trên màng bên trong. QH2 bị oxy hóa và các electron được chuyển tới một protein mang điện tử khác là cytochrome C.

Phức hợp IV (complex IV)

Cytochrome C chuyển electron vào phức hợp protein cuối cùng trong chuỗi, complex IV. Hai ion H+ được bơm qua màng trong. Các electron sau đó được truyền từ phức hợp IV sang phân tử oxy (O2), làm cho phân tử bị phân chia. Các nguyên tử oxy thu được nhanh chóng lấy các ion H+ để tạo thành hai phân tử nước.

ATP synthase

ATP synthase di chuyển ion H+ được bơm ra khỏi chất gian bào bởi chuỗi vận chuyển electron trở lại chất gian bào. Năng lượng từ dòng proton vào chất gian bào được sử dụng để tạo ra ATP bằng cách phosphoryl hóa (bổ sung phosphate) của ADP. Sự chuyển động của các ion trên màng ty thể có thể chọn lọc và xuống gradient điện hóa của chúng được gọi là hóa thẩm.

NADH tạo ra ATP nhiều hơn FADH2. Đối với mỗi phân tử NADH bị oxy hóa, 10 ion H+ được bơm vào không gian màng ngăn. Điều này mang lại khoảng ba phân tử ATP. Bởi vì FADH2 đi vào chuỗi ở giai đoạn sau (Phức tạp II), chỉ có sáu ion H+ được chuyển đến xoang gian màng. Điều này chiếm khoảng hai phân tử ATP. Tổng cộng có 32 phân tử ATP, C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ~32 ATP, được tạo ra trong vận chuyển electron và phosphoryl hóa oxy hóa.

Quá trình sản xuất năng lượng từ tế bào có vẻ phức tạp đúng không nào? Tuy nhiên, lại một lần nữa hóa học cũng góp phần vào trong cơ chế này. Hi vọng bài viết sẽ giúp ích cho các bạn trong tương lai.

Tham khảo ThoughtCo.

Leave a Reply