nghiên cứu quá trình oxi hóa pyruvate, chuỗi truyền điện tử và sự phosphoryl hóa oxy hóa

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

complex.
Figure

:

Pyruvate dehydrogenase (E1) khử Carboxyl của Pyruvate và TTP gắn với nhóm hydroxylethyl, nhóm
hydroxylethel này gắn với lipoate(Lip) của dihydrolipoate acetyltransferase (E2), làm đứt cầu disulfide.
E2 chuyển nhóm acetyl tới coenzyme A tạo ra acetyl-CoA. Dihydrolipoate dehydrogenase (E3)chuyển
điển tử bị khử từ lipoate tới NAD+

Page |2


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Đây là phản ứng không thuận nghịch, xảy ra trong ty thể của tế bào eukaryote.
Ta có thể công thức hóa phản ứng như sau:
Pyruvate + CoA-SH +NAD+  acetyl-coA +NADH + H+
(∆Go’= -33.5kJ/mol Pyruvate)
Phức hệ Pyruvate dehydrogenase chia sẻ tài nguyên với các phức hệ 2-keto
acid dehydrogenase tạo ra acyl-CoA như là 2-ketoglutarate dehydrogenase và 2ketobutyrate dehydrogenase, nhưng hoạt tính của chúng được kiểm soát theo những
cách khác nhau.
Hoạt tính của Pyruvate dehydrogenase được kiểm soát bởi cơ chất, sản phẩm
và nguồn năng lượng từ adenyl. Pyruvate và AMP hoạt hóa hoạt tính enzyme, còn
acetyl-CoA, NADH và ATP ứng chế chúng. Pyruvate và acetyl-CoA là tiền chất để
tổng hợp amino acid và acid béo.
2. Chu trình acid tricarboxylic (TCA cycle)
Chu trình chuyển hóa này được Krebs và các sinh viên của ông phát hiện ra ở
tế bào động vật, được gọi là chu trình acid tricarboxylic (TCA), chu trình Krebs,
hay chu trình acid citric. Acetyl-CoA tạo ra bởi pyruvate dehydrogenase bị oxi hóa

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

Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Phức hợp enzyme 2-ketoglutarate dehydrogenase oxi hóa cơ chất của nó thành
succinyl-coA. Cũng như với phức hợp Pyruvate dehydrogenase, phức hợp enzyme
này bao gồm nhiều peptide và cofactor, và xúc tác sự oxi hóa decarboxyl tạo ra
acyl-CoA. Đây lại là một phản ứng không thuận nghịch nữa trong chu trình TCA.
Phản ứng nghịch được xúc tác bởi 2-ketoglutarate synthase (2-ketoglutarateferredoxin oxido reducetase) trong chu trình khử TCA để cố định CO 2 (mục 4.2).
Một số vi khuẩn lên men kị khí không có enzyme này. Chúng cung cấp tiền chất
cho quá trình sinh tổng hợp thông qua một nhánh không hoàn chỉnh của TCA (mục
4.1) Glutamate và các amino acid liên quan được tổng hợp từ 2-ketoglutarate.
Succinyl-CoA là tiền chất cho quá trình tổng hợp sắc tố tạo nhân cho sắc tố tế bào
và diệp lục. Cả hai carbon của acetyl-CoA đều được giải phóng thành CO 2 trong
hai phản ứng khử. Giống như các dẫn xuất của acyl-CoA, succinyl-CoA có liên kết
cao năng. Năng lượng này được chuyển hóa thành ATP trong phản ứng succinate
thiokinase (succinyl-CoA synthetase) tạo ra succinate. Đây là một ví dụ về sự
phosphoryl hóa mức độ cơ chất. Guanosine triphosphate (GTP) được tông rhợp
trong ti thể của tế bào eukariote bằng những phản ứng này.
Succinate bị oxi hóa thành fumarate bởi succinate dehydrogenase. Vì thế oxi
hóa khử của fumarate/succinate (-0.03V) cao hơn NAD +/NADH (-0.32V), NAD(P)
+

không bị khử trong phản ứng này. Nhóm FAD của succinate dehydrogenase bị

khử. Điện tử của sccn dehydrogenase được chuyển tới coenzyme Q trong chuỗi
truyền điện tử. (Mục 8.2). Fumarate bị hydrate hóa bởi fumarase trước khi bị khử
thành oxaloacetate bởi malate dehydrogenase khử NAD+. Oxaloacetate sau đó kết
hợp với acetyl-CoA cho chu trình tiếp theo. Oxaloacetate được sử dụng để tổng hợp
các amino acid, và bị decarboxyl thành phosphoenol-pyruvate (PEP) trong quá
trình hình thành glucose. Chu trình TCA có thể được công thức hóa như sau:

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 .

3.

Sự bổ sung các sản phẩm trung gian của chu trình TCA
Một số sản phẩm trung gian của chu trình TCA được sử dụng làm tiền chất

của quá trình sinh tổng hợp. Để điều khiển hiệu quả chu trình, những sản phẩm
trung gian đó phải được bổ sung khi nồng độ oxaloacetate quá thấp để khởi động
chu trình TCA. Oxaloacetate được bổ sung thông qua một quá trình làm đầyliên
tục.
3.1.

Quá trình làm đầy liên tục
Page |6


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Vi khuẩn phát triển trên carbohydrate tổng hợp oxaloacetate từ Pyruvate hoặc
PEP.
Nhiều sinh vật, từ vi khuẩn đến động vật có vú carboxyl hóa pyruvate thành
oxaloacetate và quá trình này được xúc tác bởi pyruvate carboxylase tiêu thụ ATP:
Pyruvate carboxylase
3

Pyruvate + HCO + ATP

oxaloacetate +ADP +Pi

Figure : Quá trình làm đầy liên tục ở vi khuẩn phát triển trên nguồn carbohydrate.
1: PEP carboxylase, 2: pyruvate carboxylase

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

thành một phân tử malate trong sự liên kết với các enzyme của chu trình TCA.
Acetyl-CoA được chuyển hóa thành isocitrate trong chu trình TCA, và isocitrate
lyase tách isocitrate thành succinate và glyoxylate:
Isocitrate lyase

Isocitrate

succinate +glyoxylate

Succinate bị oxi hóa thành oxaloacetate trong chu trình TCA, và glyoxylate
được sử dụng để tổng hợp malate bằng malate synthase với phân tử acetyl-CoA thứ
hai:

Isocitrate lyase

Page |8


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Glyoxylate + acetyl-CoA

malate + CoA-SH

Chu trình glyoxylate có thể được công thức hóa như sau:
2CH3-CO-CoA + 3H2O + FAD C4H6O5 + FADH2 + 2CoA-SH

Figure : Chu trình glyoxylate bổ sung chất trung gian cho chu trình TCA

3.2.1.

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.

Figure : Điều hòa hoạt tính của enzyme isocitrate dehydrogenase bằng enzyme kinase-phosphatase

4.

Phân nhánh TCA không hoàn chỉnh và chu trình khử TCA

Chu trình TCA là quá trình trao đổi chất cung cấp cho cả đồng hóa và dị hóa.
Một phần của chu trình TCA, còn được gọi là phân nhánh TCA không hoàn chỉnh,
tồn tại ở cả tế bào lên men không thể sử dùng NADH để tạo ra ATP thông qua quá
trình phosphoryl hóa oxi hóa để mà thu được tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp.
Cyanobacteria tổng hợp ATP bằng con đường vận chuyển điện tử quang hợp như là
P a g e | 10


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

một kiểu đơn giản. Trong một số sinh vật hóa dưỡng vô cơ, CO 2 được cố định trong
chu trình khử TCA.
4.1.

Phân nhánh TCA không hoàn chỉnh
Chu trình TCA không hoạt động ở một số vi khuẩn trong một số điều kiện xác
định. Vi khuẩn đường ruột, bao gồm cả E.coli, không tổng hợp 2-ketoglutarate
dehydrogenase trong điều kiện lên men bởi vì NADH không thể tái sử dụng sau khi
phosphoryl hóa oxi hóa trong điều kiện này. Tiền chất cung cấp bởi chu trình TCA
thu được gồm một phân nhánh oxi hóa tạo ra 2-ketoglutarate và một nhánh khử
tổng hợp succinyl-CoA.

Figure : Phân nhánh TCA không hoàn chỉnh cung cấp tiền chất tiền chất cho sinh tổng hợp ở sinh vật không

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.

Fumarate reductase: thay thế cho succinate dehydrogenase.

Cơ chế cố định CO2 này chỉ được biết đến ở prokaryote. Các con đường cố định
CO2 khác chỉ thấy ở prokaryote là con đường acetyl-CoA (con đường carbon
monoxide dehydrogenase) và con đường 3-hydroxypropionate.
5.

Chuyển hóa năng lượng ở prokaryotes
Có thể tưởng tượng sự sống như là một quá trình biến đổi vật chất khả dụng từ
môi trường thành các thành phần tế bào nhờ thông tin di truyền. Sự biến đổi vật
chất cũng gắn liền với sự chuyển hóa năng lượng. Năng lượng cần thiết không chỉ
cho quá trình tăng trưởng và sinh sản mà còn dùng cho các quá trình duy trì sự
sống bao gồm sinh tổng hợp, vận chuyển, chuyển động và nhiều quá trình khác.
Sinh vật sử dụng nguồn năng lượng sẵn có trong môi trường. Quang năng và
hóa năng được biến đổi thành năng lượng sinh học cho sự sinh trưởng và duy trì sự
sống. Quang năng được dùng cho quang hợp và hóa năng dùng trong quá trình lên
men mà hô hấp. Các hợp chất hữu cơ được tạo ra từ quang hợp được dùng cho các
sinh vật khác lên men và hô hấp. Vì vậy, quang hợp được coi là quá trình sản xuất
P a g e | 12


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

sơ cấp. Các chất vô cơ bị khử cũng được sử dụng làm nguồn năng lượng của các
sinh vật hóa tự dưỡng.
Sơ đồ 7 cho ta thấy quá trình chuyển hóa năng lượng trong hệ thống sống.
Trong các quá trình này, năng lượng tự do được lưu trữ trong các phản ứng tỏa
nhiệt và được sử dụng trong các phản ứng thu nhiệt. Để hiểu rõ những phản ứng
sinh học này trên cơ sở nhiệt động học, cần phải hiểu rõ mối quan hệ giữa phản ứng
sinh học và sự biến đổi năng lượng tự do

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:

∆G0’=∑∆Gf0’ của sản phẩm -∑∆Gf0’ của chất phản ứng.
Ví dụ, ∆G0’ của phản ứng oxi hóa glucose:
C6H12O6 + 6CO2  6 CO2 + 6 H2O
Trong đó, năng lượng tự do của cấu tạo của mối thành phần là:
∆Gf0’ glucose = -917.22 kJ
∆Gf0’ O2= -0 kJ
∆Gfo’ H2O = -237.18 kJ
∆Gf0’ CO2 = -386.02 kJ
∆G0’ = [(-237.18 x 6) + (-386.02 x 6)] – (-917.22)
= -2821.98 kJ/mol glucose

5.1.2.

∆Go’từ hằng số cân bằng
Hằng số cân bằng (K’eq) của một phản ứng A +B ↔ C + D được biểu
diễn bằng công thức:

•
•
•

K’eq= ([C] [D]/ ([A] [B])
K’eq cho ta biết chiều hướng của phản ứng tại pH=7.0 trong điều kiện chuẩn:
Nếu K’eq >1.0, ∆G0’ <0 phản ứng đi theo phía bên phải
Nếu K’eq =1.0, ∆G0’ =0 tốc độ phản ứng cả 2 chiều bằng nhau
Nếu K’eq <1.0, ∆G0’ >0 phản ứng đi theo phía bên trái
Có thể dùng hằng số cân bằng để tính ∆G0’ sử dụng công thức sau:
∆G0’ = -2.303 RTlog K’eq
R : hằng số khí (8.314J/mol.K)
T : nhiệt độ Kelvin (25oC= 298 K)

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.

Thế oxi hóa khử
Sự oxi hóa là sự mất điện tử, còn sự khử là sự nhận điện tử. Vì điện tử không
thể “trôi nổi” trong dung dịch, phản ứng oxi hóa và phản ứng khử luôn đi liền với
nhau. Một chất có thể là chất oxi hóa trong phản ứng này, và là chất khử trong phản
ứng khác. Điều này phụ thuộc vào ái lực của hợp chất với điện tử so với các hợp
chất khác. Ái lực đó được gọi là thế oxi hóa khử.
Coi thế oxi hóa khử của bán phản ứng ½ H 2 ↔H+ + e- là 0V và các giá trị cân
đối với phản ứng này được gọi là thế oxi hóa khử của bán phản ứng cần tính (Sơ đồ
8). Thế oxi hóa khử ở điều kiện chuẩn kí hiệu là ∆E 0 và ở điều kiện chuẩn, pH =7 là
∆E0’

P a g e | 15


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Figure : Xác định thế oxi hóa khử
1 bình được đổ đầy với dung dịch chứa 1M dạng oxi hóa và dạng khử của 1 hợp chất đã biết thế oxi hóa khử, bình
kia đổ đầy dung dịch chứa 1M dạng oxi hóa và dạng khử của hợp chất cần tính. Một điện cực platinum được đặt vào
mỗi bình. Hai bình nối với nhau bằng một cầu muối KCl và các điện cực nối với nhau bằng một máy đo thế. Dựa vào
sự khác nhau trong xu hướng chuyển điện tử đến các điện cực trong mỗi bình người ta tính được thế oxi hóa khử.
Máy đo thế cho biết sự khác nhau giữa thế oxi hóa khử của các hợp chất. 1 dung dịch chứa 1M H+ (dạng đã bị oxi
hóa) được sục H2áp suất 1atm ( dạng khử), được coi là có thế oxi hóa khử = 0V

Các nhà sinh học thường thích sử dụng giá trị E 0’hơn vì pH sinh lý =7,0.
E0’được tính từ E0 theo công thức:
E0’= E0- 2.303 (RT /nF) x 7
n : số điện tử tham gia phản ứng
F: hằng số Faraday (96487 J/V.mol)
E0’ của bán phản ứng H+ /H2 được tính:

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

thấu trên qua màng tế bào. Có thể biểu diễn áp suất này dưới dạng năng lượng tự
do bằng công thức. Năng lượng tự do gây ra bởi áp suất thẩm thấu là năng lượng
cần thiết để vận chuyển 01 mol chất tan trong điều kiện cho trước. Công thức:
∆G0 = 2.303 RT log [S]i/[S]o

P a g e | 18


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

[S]i,[S]o : nồng độ chất tan bên trong và bên ngoài tế bào
5.4. Tổng năng lượng thay đổi trong chuỗi phản ứng
Quá nhiệt sẽ gây hại đến tế bào, do đó , hầu hết các phản ứng sinh học đều
được xúc tác qua nhiều bước. Tổng năng lượng sau chuỗi phản ứng bằng với năng
lượng thu được khi phản ứng đó xảy ra trực tiếp. Ví dụ, khi glucose được trao đổi
thành 2 pyruvate cũng theo con đường EMP hay ED thì năng lượng thu được cũng
là như nhau.
6.

Vai trò của ATP trong quá trình chuyển hóa năng lượng sinh học
Phản ứng sinh học được chia thành 2: đồng hóa tiêu thụ năng lượng và dị hóa
sinh năng lượng. Năng lượng sinh ra trong quá trình dị hóa được tích trữ dưới dạng
ATP và động lực proton (mục 7.) và được tiêu thụ trong quá trình đồng hóa. Do
vậy, có thể nói ATP và động lực proton đóng vai trò trung tâm trong trao đổi chât
sinh học, liên kết giữa đồng hóa và dị hóa. ATP được sử dụng để cung cấp năng
lượng cho quá trình sinh tổng hợp và được vận chuyển theo con đường ABC, khi
vận chuyển chủ động, sự vận chuyển và đảo nược quá trình truyền điện tử sử dụng
động lực proton. ATP phù hợp cho vai trò này bởi vì năng lượng cần để tổng hợp nó
thấp hơn năng lượng khả dụng từ hầu hết phản ứng dị hóa và lớn hơn hầu hết phản
ứng đồng hóa. Ngoài ra, ATP còn là trung gian chung để tổng hợp acid nucleic.

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.

Phosphoenolpyruvate và 1,3-diphosphoglycerate là chất trung gian của con
đường EMP được sử dụng để tổng hợp ATP từ ADP từ sự phosphoryl hóa cấp độ cơ
chất (SLP). Quá trình SLP là phản ứng sinh năng lượng bởi vì năng lượng tự do
thay đổi từ phản ứng lớn hơn năng lương tự do để tổng hợp ATP. Rất nhiều phản
ứng đồng hóa sử dụng ATP là phản ứng sinh năng lượng. Bởi vì cả đồng hóa và dị
hóa đều kéo thưo sự tổng hợp và thủy phân ATP là phản ứng sinh năng lượng, phản
ứng trao đổi ATP-trung gian thuận tiện về mặt nhiệt động học.
∆G0’ của sự thủy phân ATP là -30.5 kJ/mol. ∆G lớn hơn ∆G 0’ rất nhiềutỷong
điều kiện sinh lý, khi mà nồng độ ATP cao hơn nồng độ ADP cùng với sự có mặt
của Mg2+. Các muối của Mg2+ và ATP, ADP làm tăng năng lượng tự do của phản
ứng thủy phân.
ATP được tổng hợp từ ADP, và ATP bị thủy phân ra AMP và PPi trong các
phản ứng tiêu thụ năng lượng nào đó. AMP được phosphoryl hóa thành ADP bởi
enzyme adenylate kinase.
P a g e | 21


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Bởi vì ∆G0’ của phản ứng là 0 kJ, xu hướng của phản ứng được quyết định bởi
nồng độ nội bào của ATP, ADP và AMP, phản ánh trạng thái năng lượng của tế bào.

Table Các chất trao đổi chất trung gian có liên kết cao năng

6.2.

Độ nạp năng lượng adenylate
Nồng độ ATP cao có nghĩa là trạng thái năng lượng tốt, và khi năng lượng
cung cấp không đủ, ADP và AMP có nồng độ cao. Độ nạp năng lượng (EC)
adenylate là một thuật ngữ mô tả trạng thái năng lượng của tế bào. EC có thể được

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

Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Figure Mối quan hệ giữa EC và nồng độ ATP, ADP, AMP

Trong môi trường nuôi cấy vi khuẩn có EC khoảng 0.8-0,95, sau đó dần dần hạ
xuống quanh ngưỡng 0.5 và ngay sau đó bỏ đói. Môi trường nuôi vi khuẩn có EC
nhỏ hơn 0.5 không tạo được khuẩn lạc mới. Điều này không có gì là lạ bởi vì ATP
rất cần thiết cho sự sống. Bởi vì EC không có đơn vị đo, nó không cho bất kì thông
tin nào về lượng adenylate, nồng độ của mỗi adenosine nucleotide hoặc sự luân
chuyển. Vì giá trị EC điều khiển toàn bộ quá trình trao đổi chất được quan sát trong
suốt quá trình sinh trưởng, giá trị EC tương tự được mong chờ trong môi trường
sinh trưởng nhanh và sinh trưởng chậm, mặc dù môi trường sinh trưởng nhanh có
lượng adenylate lớn hơn và tỷ lệ luân chuyển cao hơn môi trường sinh trưởng
chậm.

P a g e | 24


Chu trình TCA, chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa.

Figure . Sự điều hòa đồng hóa và dị hóa của EC

6.3.

Thế phosphoryl hóa
Năng lượng tự do cần thiết để tổng hợp ATP hoặc giải phóng nó bằng thủy
phân trong tế bào được gọi là thế oxi hóa (∆Gp) được xác định bằng nồng độ ATP,
ADP và Pi theo phương trình:

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