Giáo trình trao đổi vật chất và năng lượng phần 2 mai xuân lương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
F7G

GIÁO TRÌNH

TRAO ĐỔI CHẤT VÀ
NĂNG LƯNG

GS.TS. MAI XUÂN LƯƠNG

2005




Trao đổi chất và năng lượng

- 31 -

CHƯƠNG 4. TRAO ĐỔI CARBOHYDRATE TRONG QUÁ
TRÌNH HÔ HẤP.
Glucid là những thành phần cấu tạo đầu tiên của tế bào được tạo ra bởi các
cơ thể quang hợp từ CO2 và H2O nhờ năng lượng ánh sáng. Quá trình trao đổi
glucid xảy ra sau đó trong những cơ thể này dẫn đến sự hình thành hàng loạt các
hợp chất hữu cơ khác nhau mà rất nhiều trong số chúng được cơ thể động vật dùng
làm thức ăn. Động vật tiếp nhận một số lượng lớn glucid để dùng làm chất dinh
dưỡng dự trữ, hoặc oxy-hóa và thu nhận năng lượng ở dạng ATP, hoặc chuyển hóa
thành lipid với mục đích tích lũy được nhiều năng lượng hơn, hoặc tổng hợp hàng
loạt các thành phần cấu tạo của tế bào. Chỉ có một phần nhỏ glucid thực vật là có
ích cho dinh dưỡng của con người, bởi vì trong bộ máy tiêu hóa của con người
không có những enzyme cần thiết để

phân hủy cellulose và một số
polyssaccharide thực vật thành monosaccharide. Những glucid chủ yếu có giá trò
dinh dưỡng đối với con người là tinh bột, glycogen, các disaccharide như
saccharose, lactose và maltose. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét bằng cách
nào các loại đường, mà chủ yếu là glucose, được hấp thụ, vận chuyển vào tế bào
và sau đó được sử dụng để sản sinh năng lượng và tạo ra hàng loạt các hợp chất
hữu cơ cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của cơ thể sống.

I. SỰ TIẾP NHẬN VÀ HÌNH THÀNH GLUCOSE TRONG TẾ BÀO.

Bước đầu tiên của trao đổi glucose là biến nó thành glucoso-6-phosphate sau
khi nó đi vào tế bào. Glucoso-6-phosphate là một ngã tư quan trọng của trao đổi
glucose vì nó tham gia vào một số con đường trao đổi tiếp theo: 1/ tổng hợp và
phân hủy glycogen, 2/ sản sinh lactate và ATP (glycolys), 3/ gluconeogenes, và 4/
tổng hợp pentose và các hexose khác. Thủy phân glucoso-6-phosphate thành
glucose và Pi cũng là một hướng chuyển hóa của glucoso-6-phosphate xảy ra
trong gan, thận và đường ruột và là biện pháp chủ yếu để duy trì hàm lượng bình
thường của glucose trong máu. Vì vậy, trước hết cần phải xem xét cơ chế vận
chuyển glucose vào tế bào, các enzyme xúc tác các quá trình hình thành và thủy
phân glucoso-6-phosphate và các cơ chế điều hòa các quá trình này.

1. Sự thâm nhập của glucose vào tế bào.

trong khi đó nồng độ glucose trong máu là vào khoảng 5mM, tức khoảng
90mg trong một dl máu. Vì vậy sự thâm nhập glucose vào tế bào xảy ra theo chiều
gradient nồng độ. Tuy nhiên nó không xảy ra bằng cách khuếch tán đơn giản và
thụ động mà cần có một hệ thống vận chuyển đặc hiệu. Có hai kiểu hệ thống vận
chuyển chủ yếu được ghi nhận: phụ thuộc và không phụ thuộc insulin.

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 32 -

Các hệ thống vận chuyển không phụ thuộc insulin được tìm thấy trong tế bào
gan (hepatocyte), tế bào hồng cầu (erythrocyte) và não. Trong hepatocyte tốc độ
tiếp nhận D-glucose bò ức chế bởi florizin, một glycoside của một độc tố
polyphenol thực vật, và cytochalasin B. Galactose và fructose cũng được tiếp nhận
bởi hệ thống này với tốc độ thấp hơn so với glucose. Sự tiếp nhận glucose trong
erythrocyte cũng bò phlorizin ức chế nhưng không có quan hệ với lisulin. Người ta
cho rằng chất vận chuyển glucose trong erythrocyte là một protein (MW=200.000)
cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vò có kích thước như nhau. Cơ chế vận chuyển hexose
trong hepatocyte cũng rất giống với cơ chế trong erythrocyte.
Các hệ thống vận chuyển phụ thuộc insulin: Tế bào cơ và tế bào tạo mỡ
(adipocyte) có các hệ thống vận chuyển glucose phụ thuộc insulin. Các nghiên cứu
với adipocyte cho thấy insulin làm tăng Vmax nhưng không làm thay đổi hằng số
cân bằng của phản ứng vận chuyển glucose. Hơn nữa, nếu gắn insulin với receptor
của glucose trên màng tế bào chất, quá trình vận chuyển glucose sẽ bò ảnh hưởng
theo hai cách khác nhau: 1/ chuyển các protein vận chuyển glucose từ màng
microsome nội bào đến màng tế bào chất và bằng cách đó làm tăng số lượng
protein vận chuyển glucose trên màng tế bào chất; và 2/ sau khi di chuyển, hoạt
tính của protein vận chuyển tăng lên khoảng hai lần so với trường hợp không xử lý
insulin.
Tế bào vi khuẩn cũng có một số hệ thống vận chuyển glucose thuộc cả hai

loại: cần cung cấp năng lượng và không cần cung cấp năng lượng. Loại hệ thống
cần cung cấp năng lượng được tìm thấy trong Escherichia coli, Salmonella
typhimurium và Staphylococcus aureus, và sử dụng phosphoenolpyruvate làm
nguồn năng lượng với sự tham gia của ba loại protein khác nhau. Ở bước thứ nhất
của quá trình này do enzyme I xúc tác phospho-enolpyruvate phản ứng với một
protein trong bào tương (MW=9.400) có tên là HPr để tạo ra phospho-HPr:
Enzyme I
Phosphoenolpyruvate + HPr ––––––––> Pyruvate + P ~ HPr
Mg2+
Để được vận chuyển, glucose phản ứng với P ~ HPr, tạo ra glucoso-6phosphate với sự xúc tác của enzyme II:
P ~ HPr + Glucose –––––––––> glucoso-6-phosphate + HPr
Bằng cách này glucose ngoại bào trở thành glucoso-6-phosphate nội bào.

2. Phosphoryl-hóa glucose. Hexokinase và glucokinase.

Mọi tế bào cần trao đổi glucose đều chứa các enzyme kinase để xúc tác
phản ứng phosphoryl hóa glucose thành glucoso-6-phosphate với sự tham gia của
ATP.
Có hai loại kinase tham gia trong quá trình này là hexokinase và glucokinase.

Cả hai cùng xúc tác một phản ứng nhưng có các tính chất phân tử và động học khác

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 33 -

nhau. Phức hệ Mg2+-ATP được sử dụng như một cơ chất và phản ứng không có tính
thuận ngòch, với ∆Go'= -5Kcal/mol, do mức năng lượng của glucoso-6-phosphate
thấp hơn và trạng thái của phức hệ Mg2+-ADP ổn đònh hơn so với phức hệ Mg2+ATP.
Hexokinase được tìm thấy trong tất cả các mô và tồn tại ở 3 dạng
isoenzyme I, II và III. Trong não chủ yếu chứa dạng I, còn trong cơ vân chủ yếu
chứa dạng II, nhưng trong tất cả các mô, trừ gan, đều có mặt cả 3 dạng với số lượng
khác nhau. Tính chất động học của 3 dạng rất giống nhau, có gía trò Km thấp đối
với glucose (từ 8 đến 30 micromol). Mỗi dạng đều có thể sử dụng các
monosaccharide khác làm cơ chất để tạo ra các 6-phosphate tương ứng. Glucoso-6phosphate là chất ức chế đối với cả 3 dạng và tác dụng ức chế thể hiện khi chất
này gắn với một trung tâm không phải là trung tâm hoạt động. Dạng hexokinase II
chủ yếu có mặt trong bào tương, trong khi dạng I vừa nằm trong bào tương vừa gắn
với ty thể.
Khác với các dạng hexokinase của động vật có vú chỉ chứa một phần dưới
đơn vò với MW-100.000, hexokinase nấm men chứa hai phần dưới đơn vò giống
nhau (MW=50.000), và hoạt tính của nó không chòu ảnh hưởng của glucoso-6phosphate.
Glucokinase, thường được gọi là hexokinase IV, là một protein monomer
(MW=48.000), hầu như chỉ có mặt trong gan. Chỉ có glucose và mannose là cơ chất
tự nhiên của nó và giá trò Km tương ứng đối với hai cơ chất này là 12 và 33 mM.
Cùng với gía trò Km khá cao đối với glucose, glucokinase còn khác hexokinase ở
chỗ hoạt tính của nó không bò glucoso-6-phosphate ức chế. Các tính chất này thể
hiện qua sự khác nhau giữa vận chuyển glucose vào gan và vào các mô khác. Mặc
dù quá trình trao đổi bình thường của glucose trong gan chòu ảnh hưởng của insulin,
gan không đòi hỏi insulin để tiếp nhận glucose. Tế bào gan dễ dàng cho phép
glucose di chuyển ra vào. Hơn nữa, khác với các mô như cơ và mô mỡ, trong đó sự
tiếp nhận glucose phụ thuộc insulin, glucose chỉ được gan tiếp nhận trong điều kiện
đường huyết cao. Như vậy, glucokinase có vai trò như một cái bẫy đối với lượng
glucose-huyết dư thừa trong gan, không chòu sự chi phối của nồng độ glucoso-6phosphate, và bằng cách đó cho phép tích lũy glucose ở dạng glycogen hoặc acid

béo sau khi nó được tiếp tục chuyển hóa. Rõ ràng là tính chất của enzyme hoàn
toàn thích nghi với vai trò của nó trong trao đổi chất tế bào.
Hàm lượng glucokinase trong gan phụ thuộc tuổi, chế độ ăn uống và trạng
thái hormone của cơ thể động vật. Trong gan của bào thai chỉ chứa hexokinase;
hàm lượng của nó giảm xuống sau khi sinh cùng với sự xuất hiện glucokinase. Điều
này có thể liên quan với đời sống của bào thai mà trong đó glucose được cung cấp
qua nhau. Hàm lượng glucokinase cũng rất phụ thuộc vào việc sử dụng glucid trong
chế độ ăn uống: cung cấp glucose cho động vật là một yếu tố kích thích tổng hợp
glucokinase. Nguyên nhân của bệnh tiểu đường cũng có thể là do insulin ảnh
hưởng đến việc tổng hợp protein enzyme. Một số hormone khác cũng có tác dụng
điều hòa mức độ glucokinase: epinephrine và glucagon ức chế sự khôi phục
glucokinase trong các động vật nhòn đói sau khi phục hồi cung cấp glucose, trong
khi đó các hormone corticoid của tuyến vỏ thượng thận giúp nhanh chóng khôi phục
việc tổng hợp glucokinase của gan khi tiếp tục cung cấp thức ăn.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 34 -

3. Dephosphryl-hóa glucose. Glucoso-6-phosphatase.

Glucoso-6-phosphate có tác dụng góp phần duy trì nồng độ glucose trong máu
khi nó bò thủy phân thành glucose và phosphate vô cơ. Enzyme glucoso-6phosphatase : xúc tác phản ứng

Mg2+
Glucoso-6-phosphate + H2O ––––––> Glucose + Pi
được tìm thấy trong gan, thận và đường ruột, tức ba cơ quan có vai trò trong việc
cung cấp bổ sung glucose cho máu.
Glucoso-6-phosphatase là một enzyme liên kết với màng của mạng nội chất
nhám và là một hệ thống gồm 4 thành phần, như mô tả trong hình 10. Hệ thống
này bao gồm: 1/ glucoso-6-phosphate translocase, ký hiệu là T1, có nhiệm vụ vận
chuyển glucose từ bào tương vào khoang của mạng nội chất; 2/ phosphatase, nằm
về phía khoang của mạng nội chất, làm nhiệm vụ thủy phân glucoso-6-phosphate;
3/ một loại phosphate translocase vô cơ, ký hiệu là T2 , giúp vận chuyển Pi từ
mạng nội chất ra bào tương và 4/ glucose translocase, ký hiệu là T3 , giúp glucose
di chuyển từ khoang của mạng nội chất ra phía bào tương một cách dễ dàng. Trong
chuỗi phản ứng có sự tham gia của carbamoyl-phosphate (CP).

Hình10. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống glucoso-6-phosphatase

II. GLYCOLYS.
Nghiên cứu quá trình dò hóa trong tế bào, theo truyền thống, thường được bắt
đầu bằng việc tìm hiểu các quá trình lên men, hay hô hấp trong điều kiện kỵ khí,
mà cơ sở của nó là quá trình glycolys , trong đó bao gồm một trật tự các phản ứng
phân giải glucose thành acid pyruvic. Truyền thống này có ba lý do: Thứ nhất là cơ
thể sống có lẻ xuất hiện trên Trái đất vào lúc mà bầu khí quyển không có oxy, nên
hô hấp kỵ khí được xem là dạng đơn giản nhất của cơ chế sinh học cho phép thu
nhận năng lượng từ các chất dinh dưỡng. Thứ hai là đa số những cơ thể hiếu khí
tồn tại ngày nay đều còn giữ được khả năng tích lũy năng lượng lấy từ glucose
bằng phương pháp đơn giản này với tư cách là giai đoạn chuẩn bò để oxy-hóa tiếp
tục các sản phẩm hình thành trong giai đoạn này trong điều kiện có oxy. Thứ ba là
các giai đoạn phản ứng enzyme của quá trình phân hủy glucose trong điều kiện kỵ
khí và cơ chế tích lũy năng lượng trong quá trình này đã được hiểu biết khá chi tiết.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 35 -

Với những lý do đó glycolys có thể là một mô hình quan trọng để nghiên cứu các
quá trình phức tạp hơn.

1. Glycolys là cơ sở của các quá trình lên men.

Tất cả các cơ thể dò dưỡng đều thu nhận năng lượng từ các phản ứng oxy-hóa
khử. Trong quá trình lên men (hô hấp kỵ khí) vai trò của chất nhận điện tử cuối
cùng được thực hiện bởi một phân tử hữu cơ nào đó hình thành trong quá trình lên
men. Như vậy, lên men là một quá trình oxy-hóa khử nội bộ. Mức độ oxy-hóa tổng
quát của sản phẩm oxy-hóa trong quá trình này không khác với mức độ oxy-hóa
của các chất bò lên men.
Trong số nhiều kiểu lên men mà cơ chất là glucose, quan trọng nhất là hai
kiểu lên men có quan hệ chặt chẽ với nhau sau đây:
- Lên men lactic dẫn đến sự hình thành hai phân tử acid lactic từ một phân tử
glucose. Kiểu lên men này đặc trưng cho nhiều vi sinh vật và tế bào của động vật
bậc cao, kể cả động vật có vú.
- Lên men rượu dẫn đến sự hình thành hai phân tử ethanol và hai phân tử CO2
từ một phân tử glucose.
Cả hai kiểu lên men này đều xảy ra với sự xúc tác của hệ enzyme glycolys.

Sự khác nhau giữa chúng chỉ thể hiện ở giai đoạn cuối cùng, sau khi hình thành
acid pyruvic. Trong lên men lactic acid pyruvic bò khử thành acid lactic, còn trong
lên men rượu phản ứng này được thay bằng hai phản ứng khác để dẫn đến sự hình
thành ethanol và CO2 .
Mặc dù trong cả hai quá trình lên men này đều không có sự tham gia của oxy
phân tử, song trong chúng đều xảy ra các phản ứng oxy-hóa khử. Chính vì vậy mà
trong hai sản phẩm của quá trình lên men rượu CO2 là chất có mức độ oxy-hóa cao
hơn, còn ethanol - có mức độ khử cao hơn; hoặc trong acid pyruvic - sản phẩm cuối
cùng duy nhất của quá trình lên men lactic, một đầu mức độ khử cao, còn đầu kia
có mức độ oxy-hóa cao. Trong khi đó ở hợp chất ban đầu (glucose) các nguyên tử
hydro được phân bố đều đặn hơn.
Đặc điểm quan trọng thứ hai của hai quá trình lên men này, hay nói chung,
của glycolys là chúng kèm theo tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ. Nếu
không có các phản ứng phosphoryl-hóa ADP đồng thời này thì glycolys và lên men
nói chung không thể xảy ra.
Phương trình tổng quát của lên men lactic và lên men rượu có thể viết dưới
dạng sau:
- Lên men lactic:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi –––> 2 CH3 -CHOH-COOH + 2 ATP + 2H2O
- Lên men rượu:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi ––––> 2 CH3 -CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2H2O
Để phân tích sự biến thiên năng lượng của glycolys, ta tách quá trình tổng
quát trên đây thành hai bộ phận: chuyển hóa glucose thành acid lactic (quá trình
giải phóng năng lượng) và tổng hợp ATP từ ADP và Pi (quá trình hấp thu năng
lượng):
Glucose ––––> 2 Lactate,
∆Go'1 = -47,0 Kcal/mol

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 36 -

2 ADP + 2 Pi ––––> 2 ATP
∆Go'2 = 2 x 7,3 = 14,6 Kcal/mol.
Từ đó biến thiên năng lượng tự do tổng số của glycolys là
∆Go' S = ∆Go'1 + ∆Go'2 = -47,0 + 14,6 = -32,4 Kcal/mol
Từ các số liệu này có thể thấy rằng sự phân giải glucose thành acid lactic
kèm theo giải phóng một số năng lượng thừa để phosphoryl-hóa ADP thành ATP.
Có thể tính được một cách dễ dàng rằng trong hai phân tử ATP này tích lũy được
14,6 x 100/47,0 = 31% năng lượng tự do giải phóng khi phân giải glucose thành acid
lactic. Con số này thu được với nồng độ 1,0M. Nếu lưu ý đến nồng độ thực của các
chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng trong tế bào, thì hiệu suất của
glycolys còn có thể lớn hơn. Nếu trừ đi số năng lượng đã tích lũy trong hai phân tử
ATP, năng lượng tự do của glycolys vẫn còn giảm 32,4 Kcal. Điều này cho thấy tại
sao trên thực tế là quá trình không thuận nghòch, mà trạng thái cân bằng lệch hẵn
về phía hình thành acid lactic. Tuy nhiên, đa số giai đoạn của quá trình này đều có
giá trò biến thiên năng lượng tự do không lớn, và do đó chúng là những phản ứng
thuận nghòch. Chiều ngược của những phản ứng này được tế bào sử dụng trong
việc tổng hợp lại glucose từ acid lactic.

2. Các phản ứng của glycolys.

Tập hợp các phản ứng kế tiếp nhau của glycolys được xem là giai đoạn đầu

tiên trong số 5 giai đoạn của quá trình hô hấp hiếu khí. Toàn bộ quá trình glycolys
xảy ra trong bào tương và có thể chia làm hai giai đoạn như mô tả trong hình 11.
Ở giai đoạn 1 glucose được phosphoryl-hóavà sau đó bò phân giải thành hai
phân tử glyceraldehyde-3-phosphate. Ở giai đoạn 2 glyceraldehyde-3-phosphate
chuyển hóa thành acid pyruvic. Nếu quá trình xảy ra trong điều kiện kỵ khí thì, như
ta đã biết, acid pyruvic tiếp tục chuyển hóa thành acid lactic hoặc ethanol. Giai
đoạn thứ nhất được xem như giai đoạn chuẩn bò. Ở giai đoạn này mọi hexose đều
được lôi cuốn vào quá trình glycolys bằng cách được phosphoryl-hóa nhờ ATP để
sau đó tạo ra sản phẩm chung là glyceraldehyde-3-phosphate. Giai đoạn thứ hai
bao gồm các phản ứng oxy-hóa - khử và cơ chế tích lũy năng lượng, trong đó ADP
được phosphoryl-hóa thành ATP.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 37 -

Toàn bộ quá trình glycolys bao gồm ba kiểu phản ứng hóa học mà các con
đường của chúng liên quan mật thiết với nhau:

Glucose

ATP
ADP

Tích lũy các dạng
đường đơn giản và
chuyển hóa chu
thànhvglyceraldehyde
3-phosphate

+

Pvc

Glycogen, tinh bột

Glucoso-1-phosphate
Glucoso-6-phosphate
Fructoso-6-phosphate
ATP

ADP
Fructoso-1,6-diphosphate

2 (Glyceraldehyde-3-phosphate)

2 NAD
Pvc

2 (1,3-Diphosphoglycerate)

2 ADP

2 NAD.H

2ATP
Oxyhóa khử và
tồng hợp ATP;
Hình thành
acid lactic

2 (3-Phosphoglycerate)
2 (2-Phosphoglycerate)
2 (Phosphoenolpyruvate)
2 ADP
2 ATP
+

2NAD

2 (Pyruvate)

2(Lactate)

Hình 11: Sơ đồ tổng quát của quá trình glycolys
* Các phản ứng của giai đoạn I.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng

- 38 -

1/ Phản ứng phân giải bộ khung carbon của glucose thành acid pyruvic (con
đường của các nguyên tử carbon);
2/ Phản ứng mà trong đó phosphate vô cơ trở thành nhóm phosphate tận
cùng của phân tử ATP (con đường của các nhóm phosphate);
3/ Phản ứng oxy-hóa - khử (con đường vận chuyển điện tử).
* Các phản ứng của giai đoạn I.
1/ Phosphoryl-hóa D-glucose.
Mg2+
α-D-Glucose + ATP ––––>
α -D-Glucoso-6-phosphate + ADP
∆Go' = -4Kcal/mol
Phản ứng này được xem như phản ứng khởi động của glycolys, trong đó phân
tử glucose kém hoạt động nhận gốc phosphate tận cùng của ATP và phân bố lại
điện tử trong các liên kết, nhờ đó được hoạt hóa ở dạng glucoso-6-phosphate để có
thể tham gia vào các chuyển hóa tiếp theo. Trong số 7,3Kcal do ATP cung cấp, 4,0
Kcal được giải phóng ở dạng nhiệt, còn 3,3Kcal được tích lũy ở dạng hóa năng
trong phân tử glucoso-6-phosphate hoạt động.
Xúc tác phản ứng là các enzyme hexokinase và glucokinase mà chúng ta
đã được làm quen trong mục trước. Do năng lượng tự do giảm đáng kể, nên phản
ứng chỉ xảy ra theo chiều thuận. Quá trình ngược lại được xúc tác bởi một enzyme
khác - α-D-glucoso-6-phosphatase:
α-D-Glucoso-6-phosphate + H2O ––> α-D-Glucose + P i
∆Go ' = -3,3 Kcal/mol.
2/ Chuyển hóa glucoso-6-phosphate thành fructoso-6-phosphate.
α-D-Glucoso-6-(P) –––> β-D-Fructoso-6-(P)
∆Go' = + 0,4Kcal/mol

Phản ứng đồng phân hóa này được thực hiện nhờ enzyme phosphogucoisomerase. Nó dễ dàng xảy ra theo cả hai chiều. Trong glycolys mặc dù phản ứng
thuận có ∆Go' > 0 song vẫn xảy ra được là nhờ giá trò âm của phản ứng trước đó.
Biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn của cả hai phản ứng (1) và (2) gộp lại vẫn
còn giá trò âm (-3,6Kcal/mol).
3/ Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate thành fructoso-1,6-diphosphate.
Mg2+
β-D-Fructoso-6-(P) + ATP –––> β-D-Fructoso-1,6-di(P) + ADP
∆Go' = -3,4Kcal/mol
Phản ứng này được xem là phản ứng khởi động thứ hai, trong đó sử dụng
thêm một phân tử ATP để phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate ở vò trí C-1. Trong
số 7,3Kcal của ATP 3,9Kcal được tích lũy lại, còn 3,4Kcal được giải phóng. Nếu
cộng ∆Go' của cả 3 phản ứng, ta có giá trò -7,0Kcal, tức K'eq của cả 3 phản ứng >
105 .
Phosphoryl-hóa fructoso-6-phosphate là giai đoạn rất quan trọng, vì sự điều
hòa quá trình glycolys được thực hiện thông qua điều hòa hoạt tính của enzyme
phospho-fructokinase xúc tác phản ứng này. Hoạt tính của nó bò ức chế bởi ATP và
citrate (ở nồng độ cao) và được kích thích bởi ADP và AMP.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 39 -

Giá trò âm cao của ∆Go' cho thấy phản ứng trong tế bào không thể xảy ra theo

chiều ngược. Phản ứng ngược được xúc tác bởi một enzyme khác. Đó là diphosphofructosophosphatase:
Fructoso-1,6-di(P) + H2O ––> Fructoso-6-(P) + Pi
4/ Phản ứng phân giải fructoso-1,6-diphosphate thành glyceraldehyde-3phosphate và dioxyacetonephosphate:
D-Fructoso-1,6-di(P) ––> Dioxyacetone-(P) + Glyceraldehyde-3-(P)
∆Go' = +5,73Kcal/mol
Phản ứng được xúc tác bởi enzyme aldolase. Do ∆Go' có giá trò dương khá cao
nên rất khó hình dung rằng phản ứng có thể xảy ra theo chiều thuận. Tuy nhiên,
nhờ tổng biến thiên năng lượng tự do của 3 phản ứng trước đó có giá trò âm khá cao
(-7,0Kcal/mol), cũng như nhờ sức kéo nhiệt động học của các phản ứng sau nó nên
phản ứng xảy ra một cách dễ dàng.
5/ Phản ứng chuyển hóa tương hỗ giữa các dạng triosophosphate:
Dioxyacetonephosphate ––> Glyceraldehyde-3-phosphate
∆Go' = +1,83 Kcal/mol
Phản ứng do enzyme triosophosphate isomerase xúc tác. Nó cần thiết cho
glycolys vì trong hai loại triosophosphate xuất hiện khi phân giải fructoso-1,6diphosphate chỉ có D-glyceraldehyde-3-phosphate có thể chuyển hóa tiếp tục. Phản
ứng này kết thúc giai đoạn I của glycolys. ∆Go' của hai phản ứng sau cùng cộng lại
có giá trò khoảng +7,5Kcal/mol. Nếu cộng ∆Go' của cả 5 phản ứng của giai đoạn
chuẩn bò trên đây, ta có giá trò +0,5Kcal/mol. Để glycolys có thể tiếp tục xảy ra,
các phản ứng kế tiếp phải là những phản ứng giải phóng nhiều năng lượng tự do để
tạo ra một sức kéo nhiệt động học.
* Các phản ứng của giai đoạn II.
6/ Phản ứng oxy-hóa glyceraldehyde-3-phosphate thành acid 1,3diphosphoglyceric.
Đây là một trong những giai đoạn quan trọng nhất của glycolys, vì năng lượng
giải phóng khi oxy-hóa aldehyde 3-phosphoglyceric được giữ lại ở dạng sản phẩm
cao năng 1,3-diphosphoglycerate. Việc phát hiện cơ chế này do Warburg thực hiện
trong những năm 1937-1938 được xem là một trong những phát minh quan trọng
nhất của sinh học hiện đại. Lần đầu tiên trong lòch sử sinh hóa đã phát hiện được cơ
chế của các phản ứng enzyme cho phép năng lượng giải phóng trong phản ứng oxy
hóa các phân tử hữu cơ có thể được tích lũy lại trong các phân tử ATP. Toàn bộ
quá trình này được xúc tác bởi enzyme glyceraldehyde 3-phosphate

dehydrogenase. Đây là một enzyme có cấu trúc phức tạp. Enzyme thu nhận được từ
nấm men có trọng lượng phân tử 140.000 và được cấu tạo từ 4 phần dưới đơn vò
giống nhau, mỗi phần dưới đơn vò là một chuỗi polypeptide chứa khoảng 330 gốc
aminoacid. Phương trình tổng quát của phản ứng có thể viết dưới dạng sau đây:
2 -Glyceraldehyde-3-phosphate + 2NAD+ + 2Pi ––>
––> 2(1,3-diphosphoglycerate) + 2NAD.H + 2H+
∆Go' = 2 x 1,5Kcal/mol + 3,0 Kcal.
Trong phản ứng này chức aldehyde của glyceraldehyde-3-phosphate bò
oxy-hóa thành chức carboxyl. Tuy nhiên, thay cho acid 3-phosphoglyceric đã hình
thành acid 1,3-diphosphoglyceric, mà như ta đã biết, có giá trò âm của ∆Go' còn cao

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 40 -

hơn cả ATP. Phản ứng có giá trò dương của ∆Go' không lớn lắm nên có thể xảy ra
theo cả hai chiều, tùy thuộc vào nồng độ của các chất ban đầu và sản phẩm của
phản ứng.
Trong khi phần lớn các phản ứng oxy-hóa là những phản ứng giải phóng
năng lượng thì phản ứng này lại có ∆Go' > 0. Để hiểu được sự diễn biến năng lượng
của nó, cần phải tách nó thành hai quá trình riêng biệt. Ký hiệu glyceraldehyde-3phosphate là R-CHO, còn acid 1,3-diphosphoglyceric là R-COOPO32- , hai quá
trình riêng biệt này có thể được viết ở dạng như sau:
1/ R-CHO + H2O + NAD+ ––> R-COO- + NAD.H + H+

∆Go' = -10,3Kcal/mol;
2/ RCOO- + Pi –––––––––––> RCOOPO32- + H2O
∆Go' = +11,8Kcal/mol.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 41 -

Như vậy, ∆Go's = ∆Go'1 + ∆Go'2 = -10,3 + 11,8 = +1,5Kcal/mol
Nếu tính cả số năng lượng tích
lũy lại trong phân tử NAD.H với giá
trò khoảng 50Kcal/mol (năng lượng
này chỉ có ý nghóa trong điều kiện
hiếu khí), ta sẽ thấy tầm quan trọng to
lớn về phương diện năng lượng của
phản ứng oxy hóa - khử này.
Nếu xem xét sự biến thiên năng
lượng đơn thuần qua các giá trò ∆Go'
thì cho đến phản ứng này tổng giá trò
∆Go' bằng +3,5Kcal/ mol, tức chuyển về
phía bất lợi cho glycolys. Cơ chế của
quá trình oxy-hóa quan trọng này đã
được nghiên cứu khá chi tiết. Kết qủa

thu được cho phép xây dựng sơ đồ mô
tả trong hình 12.
Mỗi một trong 4 phần dưới đơn
vò giống hệt nhau của enzyme liên kết
với một phân tử NAD+ và có một trung
Hình 12. Sơ đồ diễn biến của phản ứng
tâm hoạt động mà thành phần rất quan
oxy hóa glyceraldehyde-3-phosphate
trọng của nó là nhóm -SH.
thàng acid 1,3-diphosphoglyceric.
Trước tiên, enzyme kết hợp với NAD+ và vì thế nhóm -SH bò phong toả. Sau
đó chức aldehyde của cơ chất tương tác với nhóm -SH, tạo ra một thiosemiacetal. Giai đoạn tiếp theo là vận chuyển nguyên tử hydro vốn liên kết đồng
hóa trò với glyceraldehyde-3-phosphate đến NAD+ liên kết, khử nó thành NAD.H,
đồng thời hình thành thioester giữa nhóm -SH của enzyme với nhóm carboxyl của
cơ chất. Phân tử NAD ở trạng thái khử vẫn không tách khỏi enzyme mà nhường
hydro (và điện tử) của mình cho phân tử NAD+ (có trong môi trường) để được trở
lại trạng thái oxy-hóa. Phức hệ giữa cơ chất và enzyme ở giai đoạn này được gọi
là acyl-enzyme. Gốc acyl sau đó được chuyển từ nhóm -SH của enzyme sang
phân tử phosphate vô cơ để tạo ra sản phẩm oxy-hóa 1,3-diphosphoglycerate,
đồng thời giải phóng enzyme tự do ở dạng oxy-hóa để xúc tác chu kỳ phản ứng
tiếp theo.
7/ Phản ứng vận chuyển nhóm phosphate từ 1,3-diphosphoglycerate đến
ADP:
1,3-Diphosphoglycerate hình thành trong phản ứng trên tiếp tục phản ứng với
ADP để tổng hợp ATP:
2(1,3-Diphosphoglycerate) + 2ADP⎯⎯> 2(3-Phosphoglycerate) + 2ATP
∆Go' = -4,5Kcal/mol x 2 = -9,0Kcal
Phản ứng được xúc tác bởi enzyme phosphoglycerate kinase. Giá trò âm khá
cao của phản ứng này là yếu tố thúc đẩy phản ứng xảy ra rước đó. Đến đây hai
phân tử ATP được phục hồi, đồng thời tổng giá trò ∆Go' đã chuyển về phía có lợi (5,5Kcal/mol).

8/ Phản ứng chuyển hóa 3-phosphoglycerate thành 2-phosphoglycerate:

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 42 -

Mg2+
2(3-phosphoglycerate) ⎯⎯> 2(2-phosphoglycerate)
∆Go' = +0,75Kcal/mol x 2 = +1,5Kcal
Xúc tác phản ứng là enzyme phosphoglyceromutase. Trong phản ứng gốc
phosphate từ vò trí C-3 trong acid glyceric được chuyển sang vò trí C-2, nhờ đó làm
tăng tính hoạt động của gốc phosphate trong phân tử. Do biến thiên năng lượng tự
do tiêu chuẩn tương đối thấp nên phản ứng xảy ra theo cả hai chiều.
Enzyme phosphoglyceromutase tồn tại ở hai dạng. Một trong hai dạng này
tạo ra sản phẩm trung gian của phản ứng là 2,3-diphosphoglycerate, tức tương tự
như cơ chế tác dụng của phosphoglucomutase trong phản ứng chuyển hóa tương hỗ
giữa glucoso-6-phosphate và glucoso-1-phosphate.
9/ Phản ứng dehydrate-hóa
2(2-Phosphoglycerate) ⎯⎯> 2(Phosphoenolpyruvate) + 2H2O
∆Go' = +0,2Kcal/mol x 2 = +0,4Kcal
Đây là phản ứng thứ hai của glycolys mà trong đó xuất hiện liên kết cao
năng. Nó được xúc tác bởi enzyme enolase. Hoạt động của enzyme đòi hỏi có mặt
Mg2+ hoặc Mn2+. Mặc dù phản ứng về mặt hình thức là tách phân tử nước từ các

nguyên tử carbon thứ hai và thứ ba của 2-phosphoglycerate, song nó cũng được
xem là một quá trình oxy-hóa - khử trong nội bộ phân tử, vì khi tách bỏ phân tử
nước, mức độ oxy-hóa của nguyên tử C-2 tăng lên, còn của C-3 giảm xuống. Phản
ứng không làm biến đổi đáng kể năng lượng tự do tiêu chuẩn. Tuy nhiên, việc tách
gốc phosphate từ chất ban đầu (2-phosphoglycerate) và từ sản phẩm (2phosphoenolpyruvate) kèm theo những giá trò biến thiên năng lượng tự do tiêu
chuẩn hoàn toàn khác nhau (-4,2Kcal đối với 2-phosphoglycerate và -14,8Kcal đối
với 2-phosphoenolpyruvate). Như vậy, rõ ràng là phản ứng dehydrate-hóa 2phosphoglycerate thành phosphoenol-pyruvate kèm theo sự bố trí lại năng lượng
trong phân tử.
10/ Phản ứng vận chuyển gốc phosphate từ phosphoenolpyruvate đến ADP:
2 Phosphoenolpyruvate + 2ADP ⎯⎯> 2 Pyruvate + 2ATP
∆Go' = -7,5Kcal/mol x 2 = -15,0Kcal
Phản ứng được xúc tác bởi enzyme pyruvate kinase. Rõ ràng phản ứng cuối
cùng này của glycolys rất thuận lợi về năng lượng và K'eq của nó > 109 . Hơn thế
nữa, hai phân tử ATP lại được hình thành là phần lợi nhuận thu được của tế bào
nhờ glycolys. Ta có thể tính được tổng biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn của
toàn bộ quá trình là -19,4Kcal/mol glucose.

3. Các phản ứng sau glycolys.

Glycolys với tư cách là giai đoạn đầu của quá trình hô hấp hiếu khí được xem
là kết thúc với sự hình thành acid pyruvic. Chất này tùy thuộc vào điều kiện môi
trường (có mặt hay vắng mặt oxy) và tùy thuộc vào tứng loại tế bào (ví dụ tế bào
vi khuẩn, động vật, thực vật hay nấm men) có thể tiếp tục trải qua các con đường
biến hóa khác nhau.
Như ta đã biết, trong điều kiện kỵ khí, acid pyruvic có thể chuyển hóa
thành acid lactic (ở vi khuẩn lactic) hoặc thành ethanol (ở nấm men). Sự chuyển
hóa acid pyruvic thành các chất này được xem như là các cơ chế thích nghi của sinh
vật đối với điều kiện thiếu oxy.

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 43 -

Như ta đã thấy ở trên, trong chuỗi các phản ứng của glycolys hai phân tử
NAD bò khử thành NAD.H. Chức năng của NAD trong tế bào là vận chuyển năng
lượng. Nó hoạt động như một con thoi để chuyển các điện tử giàu năng lượng từ
chất này đến chất khác. Sau khi tiếp nhận điện tử từ cơ chất, nó nhanh chóng
chuyển điện tử đó cho một chất nhận khác để lại tiếp tục vận chuyển các điện tử
khác. Tế bào chỉ có một số lượng phân tử NAD hạn chế và vì vậy những phân tử
này cần phải được sử dụng đi sử dụng lại liên tục. Giả sử các phân tử NAD.H hình
thành trong glycolys không nhanh chóng trút bỏ các điện tử nhận được (tức được
oxy-hóa ngược lại thành NAD+) thì toàn bộ các phân tử NAD của tế bào đã biến
hết thành dạng khử và glycolys phải dừng lại ở phản ứng thứ 6.
Như đã thảo luận trên đây về phản ứng 6, hơn 50Kcal/mol năng lượng tự do
được tích lũy trong các phân tử NAD.H. Để tế bào gặt hái được số năng lượng dồi
dào này, NAD.H cần phải chuyển điện tử đến các mức năng lượng thấp hơn thuộc
một chất nhận có khả năng tích nhiều điện tích âm hơn nào đó. Trong điều kiện
hiếu khí oxy là chất nhận điện tử sau cùng. Nhưng trong điều kiện kỵ khí chính acid
pyruvic sẽ nhận điện tử từ NAD.H và bò khử thành acid lactic:
Pyruvate + NAD.H + H+ ⎯⎯>
Lactate + NAD+
∆Go' = -6,0 Kcal/mol
Xúc tác phản ứng là enzyme lactate dehydrogenase, một enzyme có cấu trúc

khá phức tạp. Ở động vật bậc cao nó tồn tại ít nhất ở 5 dạng isoenzyme có ái lực
khác nhau với cơ chất. Do ∆Go' có giá trò âm khá cao nên phản ứng lệch hẵn về
phía hình thành acid lactic.
Acid lactic được xem là sản phẩm cuối cùng của glycolys (trong điều kiện
kỵ khí). Sau khi hình thành, nó có thể thấm qua màng tế bào để được giải phóng ra
môi trường như một sản phẩm bò loại. Ở động vật bậc cao, khi tế bào cơ hoạt động
quá mạnh trong điều kiện thiếu oxy, một lượng khá lớn acid lactic được đưa vào
máu. Trong gan nó được chuyển hóa ngược lại thành glucose trong một quá trình có
tên gọi là gluconeogenez. Cảm giác mỏi hoặc tê cơ là do sự tích lũy acid lactic làm
cho độ pH bò lệch về phía acid.
Trong một số trường hợp khác acid pyruvic không trực tiếp nhận điện tử từ
NAD.H mà nó chỉ làm công việc này sau khi bò decarboxyl-hóa thành
acetaldehyde:
Pyruvate ––––> Acetaldehyde + CO2
Xúc tác cho phản ứng không thuận nghòch này là enzyme pyruvate
decarboxylase. Hoạt động của enzyme đòi hỏi sự có mặt của thyamine
pyrophosphate với tư cách là coenzyme và ion Mg2+ .
Cuối cùng, với sự xúc tác của enzyme alcohol dehydrogenase acetaldehyde
nhận điện tử từ NAD.H để bò khử thành ethanol, đồng thời khôi phục phân tử
NAD+ :
Acetaldehyde + NAD.H + H+ ––––> Ethanol + NAD+
+

4. Các phản ứng lôi cuốn các loại carbohydrate khác vào quá trình glycolys.
* Glycogen và tinh bột được lôi cuốn vào quá trình glycolys nhờ hai enzyme
glycogen phosphorylase (hay phosphorylase tinh bột) và phosphogluco- mutase.

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 44 -

Glycogen phosphorylase và phosphorylase tinh bột là những đại diện của nhón
enzyme α-1,4-glucanphosphorylase, xúc tác phản ứng
(Glucose) n + HPO32- ––––> (Glucose) n-1 + glucoso-1-phosphate
Trong phản ứng này liên kết α-1,4-glycoside ở đầu tận cùng không khử của
mạch glycogen (hoặc tinh bột) bò tách ra khỏi mạch với sự tham gia của phosphate
vô cơ để tạo ra sản phẩm glucoso-1-phosphate. Phản ứng tiếp tục cho đến khi gặp
mạch nhánh, tức liên kết α-1,6-glycoside mà chúng không thể phân giải được. Để
glycogen phosphorylase tiếp tục thực hiện tác dụng của mình. cần phải có sự hỗ trợ
của enzyme thủy phân α-1,6-glucosidase để phân giải liên kết 1,6 tại điểm phân
nhánh.
Glucoso-1-phosphate tiếp tục chuyển hóa thành glucoso-6-phosphate nhờ
enzyme phosphoglucomutase:
Glucoso-6-phosphate ––––> Glucoso-1-phosphate
Enzyme này chứa gốc serine và nhóm -OH của gốc serine đó trong quá trình
xúc tác gắn bằng liên kết ester với acid phosphoric. Hoạt động của enzyme cần
Mg2+ và glucoso-1,6-diphosphate với tư cách là sản phẩm trung gian của phản ứng:
Phosphoenzyme + Glucoso-1-(P) ––––> Dephosphoenzyme + Glucoso-1,6-di(P)
Dephosphoenzyme + Glucoso-1,6-di(P)–––> Phosphoenzyme + Glucoso-6-(P).
* D-Mannose và D-fructose để tham gia quá trình glycolys, trước hết cần
được phosphoryl-hóa nhờ hexokinase thành D-mannoso-6-phosphate và D-fructoso6-phosphate. D-fructoso-6-phosphate đã là một sản phẩm trung gian của glycolys;
còn D-mannoso-6-phosphate cần phải được tiếp tục chuyển hóa thành D-fructoso-6phosphate nhờ enzyme phosphomannoizomerase.
* D-Galactose được phosphoryl-hóa nhờ galactokinase thành galactoso-1phosphate. Sau đó chất này được epimer-hóa thành D-glucoso-1-phosphate. Bước

chuyển hóa sau cùng này được thực hiện qua một số giai đoạn với sự tham gia của
UTP.
* Các pentose cũng được lôi cuốn vào quá trình glycolys sau khi sơ bộ
chuyển hóa thành glyceraldehyde-3-phosphate trong chu trình pentoso-phosphate.
* Glycerine và glycerol-3-phosphate - sản phẩm phân giải của triacylglycerine và glycerophospholipid - cũng có thể được lôi cuốn vào quá trình
glycolys. Glycerine được phosphoryl-hóa thành glycerol-3-phosphate nhờ
glycerokinase:
Glycerol + ATP –––> Glycerol-3-phosphate + ADP.
Glycerol-3-phosphate sau đó bò oxy-hóa với sự xúc tác của glycerophosphate
dehydrogenase thành dioxyacetonephosphate - một sản phẩm trung gian của
glycolys:
Glycerol-3-phosphate + NAD+ ––––> dioxyacetonephosphate + NAD.H + H+

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 45 -

III. DECARBOXYL-HÓA OXY-HÓA ACID PYRUVIC VÀ CHU
TRÌNH ACID TRICARBOXYLIC
Trong điều kiện có oxy phân tử acid pyruvic không cần thiết phải hoạt động
như một chất nhận điện tử. Các điện tử giàu năng lượng trong các phân tử NAD.H
được chuyển cho oxy, còn acid pyruvic tiếp tục bò oxy-hóa thành khí carbonic và
nước. Nhờ đó một số rất lớn năng lượng chứa trong phân tử acid pyruvic

(590Kcal/mol) tiếp tục được giải phóng để tổng hợp thêm nhiều ATP hơn. Ngay cả
acid lactic cũng có thể được chuyển hóa ngược lại thành acid pyruvic (đồng thời
khôi phục phân tử NAD.H đã sử dụng) để tiếp tục bò oxy-hóa.

1. Decarboxyl-hóa oxy-hóa acid pyruvic.
Giai đoạn thứ hai của quá trình hô hấp hiếu khí bao gồm các phản ứng
decarboxyl-hóa oxy-hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA. Phương trình tổng quát của
các phản ứng này có dạng:
Pyruvate + NAD+ + CoA-SH –––> Acetyl-S-CoA + NAD.H + H+ + CO2
∆Go’= -8,0Kcal/mol.
Trong phản ứng này coenzyme A đóng vai trò vận chuyển nhóm acyl tương
tự như ATP là chất vận chuyển phosphate. Liên kết thioester trong acetyl-CoA là
một kiểu liên kết cao năng. Biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn của phản ứng
thủy phân acetyl-CoA có giá trò âm khá cao:
Acetyl-CoA + H2O –––> Acetate + CoA-SH
∆Go' = -7,52Kcal/mol
Hệ thống pyruvate dehydrogenase xúc tác cho quá trình decarboxyl-hóa oxyhóa acid pyruvic bao gồm 3 enzyme và 5 coenzyme khác nhau tập hợp lại thành
một cơ cấu thống nhất. Vai trò của mỗi thành phần trong hệ thống được tình bày
trong hình 13.

Hình 13 . Cơ chế hoạt động của hệ thống pyruvate dehydrogenase.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 46 -

Toàn bộ quá trình có thể được chia thành 5 giai đoạn. Ở giai đoạn I acid
pyruvic bò decarboxyl-hóa cới sự xúc tác của enzyme pyruvate decarboxylase (E1)
có nhóm hoạt động là thyamine pyrophosphate (TPP). Trong phản ứng này
pyruvate sau khi mất CO2 biến thành dẫn xuất oxyethyl ở trạng thái liên kết với
nhóm thyamine pyrophosphate của E1. Ở giai đoạn II nhóm oxyethyl được chuyển
đến cho một trong hai nguyên tử lưu huỳnh của nhóm disulfide vòng của acid
lipoic. Acid lipoic là một acid béo no, trong đó các nguyên tử C-6 và C-8 gắn với
nhóm disulfide và tạo nên mạch vòng 5 cạnh (hình 14). Nó dễ dàng bò khử thành
acid dihydrolipoic. Lúc đó nhóm disulfide biến thành hai nhóm -SH. Acid lipoic tồn
tại ở trạng thái liên kết đồng hóa trò với enzyme dihydrolipoyl transacetylase (E2)
bằng cách tạo nên liên kết peptide với nhóm ε-amine của lysine trong thành phần
của phân tử enzyme.
Khi chuyển nhóm oxyethyl từ
thyamine-pyrophosphate đến acid lipoic
cũng xảy ra đồng thời phản ứng oxy-hóa
khử: nhóm oxyethyl bò oxy-hóa thành
nhóm acetyl do mất hai nguyên tử hydro,
trong đó một nguyên tử gắn với acid lipoic
để khử nó thành dạng dithiol. Ở giai đoạn
III nhóm acetyl được chuyển từ gốc acid
lipoic cho nhóm -SH của coenzyme A để
tạo ra acetyl-CoA, tách chất này ra khỏi
Hình 14. Cấu tạo của acid
enzyme E2. Ở giai đoạn IV xảy ra phản
lipoic
ứng tái oxy hóa dạng dithiol của acid
lipoic thành dạng

disulfide với sự xúc tác của enzyme dihydrolipoyl- dehydrogenase (E3) mà
coenzyme là FAD. Trong phản ứng FAD trong thành phần của E3 bò khử thành
FAD.H2 . Ở giai đoạn cuối cùng E3 -FAD.H2 bò tái oxy-hóa với sự tham gia của
NAD+. Kết qủa là khôi phục trạng thái oxy-hóa của E3 -FAD và NAD+ bò khử
thành NAD.H .
Phức hệ pyruvate dehydrogenase đã tách được từ ty thể của tim lợn và từ E.
coli có M=4,0x106. Nó bao gồm 24 phân tử pyruvate dehydrogenase (M=90.000),
mỗi phân tử chứa một gốc thyamine pyrophosphate, một phân tử dihydrolipoyl
transacetylase (cấu tạo từ 24 chuỗi polypeptide, mỗi chuỗi có M=36.000, chứa một
gốc acid lipoic, và 12 phân tử dihydrolipoyl dehydrogenase (M=55.000), mỗi phân
tử gắn với một gốc FAD. Đường kính của phức hệ này vào khoảng 350 ± 50⊕ , cao
225 ±25 ⊕
Phức hệ pyruvate dehydrogenase bò ức chế bởi các hợp chất của arsen do
những chất này phản ứng với hai nhóm thiol của acid lipoic, tạo ra cấu trúc vòng
không hoạt động. Phức hệ enzyme còn bò ức chế bởi ATP. Khi hàm lượng ATP
trong tế bào bắt đầu vượt quá mức độ nhất đònh, hệ thống pyruvate dehydrogenase

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 47 -

sẽ lập tức ngừng hoạt động để dình chỉ việc cung cấp chất đốt (acetyl-CoA) cho chu
trình acid tricarboxylic.

2. Các phản ứng của chu trình acid tricarboxylic.
Các phản ứng của chu trình acid tricarboxylic được xem là giai đoạn thứ ba
của hô hấp hiếu khí. Các phản ứng của chu trình này được mô tả trong hình 15.
Chu trình acid tricarboxylic là đoạn đường chung của các quá trình dò
hóa oxy-hóa của tất cả các loại "chất đốt" tế bào trong điều kiện hiếu khí. Trong
chu trình này các nhóm acetyl bò phân giải để giải phóng CO2 và các nguyên tử
hydro. Những nguyên tử hydro này (hay những điện tử tương ứng với chúng) được
lôi cuốn vào chuỗi hô hấp mà ta sẽ xét tới sau.
đây:

Phương trình tổng quát của chu trình tricarboxylic có thể viết dưới dạng sau
CH3 - COOH + 2H2O –––> 2CO2 + 8H

Từ phương trình này ta thấy tất cả oxy phân tử, phosphate vô cơ và ATP đều
không tham gia trực tiếp vào chu trình. Chức năng chủ yếu của chu trình là
dehydrogen-hóa acid acetic để cuối cùng tạo ra hai phân tử CO2 và 4 cặp hydro.
Tất cả enzyme của chu trình acid tricarboxylic cũng như của các phản ứng
decarboxyl-hóa oxy-hóa acid pyruvic và các phản ứng của chuỗi hô hấp đều đònh
vò trong cơ chất của ty thể. Một số enzyme của chu trình acid tricarboxylic cũng
được phát hiện trong bào tương (aconitase, fumarase, malate dehydrogenase). Tuy
nhiên, những enzyme này tác dụng lên các con đường trao đổi chất khác.

Hình 15 . Chu trình citrate (Chu trình acid tricarboxylic,

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng

- 48 -

chu trình Krebs).
Toàn bộ chu trình acid tricarboxylic bao gồm 7 phản ứng sau đây:
1/ Phản ứng citrate synthase.
C=O-S-CoA
CH3
(Acetyl-CoA)

O=C-S-CoA

+ ––––––>
O

CH2
HO-C-COOH

COOH
––––––>

CH2

+

CoA-SH

HO-C-COOH

C-COOH

CH2

CH2

CH2

COOH

COOH

COOH
(Acid oxaloacetic)

(Acid citric)

Phản ứng nghiêng hẵn về phía tổng hợp acid citric, vì cắt đứt liên kết cao
năng thioester dẫn đến giảm đáng kể năng lượng tự do (∆Go'= -7, 7Kcal/ mol).
Citrate syntase là một enzyme điều hòa, vì nó bò ức chế bởi ATP và NAD.H.
2/ Phản ứng aconitase.
Enzyme aconitase (aconitate hydratase) thực hiện sự chuyển hóa tương hỗ
giữa citrate, cis-aconitate và isocitrate:
COOH
COOH
COOH
CH2
CH2

CH2
HO-C-COOH –––>
C-COOH ––––>
HC-COOH
CH2
<–––
H-C
<––––
HO-C-H
COOH
COOH
COOH
(Acid citric)
(Acid cis-aconitic)
(Acid isocitric)
3/ Phản ứng isocitrate dehydrogenase.
Trong phản ứng này acid isocitric bò oxy-hóa và decarboxyl-hóa thành acid
α-cetoglutaric:
Isocitrate + NAD+ ⎯⎯> α-cetoglutarate + CO2 + NAD.H + H+
Ở nhiều loại động thực vật bậc cao có hai loại isocitrate dehydrogenase: một
loại sử dụng chất nhận điện tử là NAD+ , còn loại kia - NADP+. Cả hai enzyme
đều có mặt trong ty thể, song loại thứ hai (phụ thuộc NADP) còn có mặt trong bào
tương. Tìm hiểu chức năng của hai enzyme này, người ta đã đi đến kết luận là chỉ
có enzyme phụ thuộc NAD tham gia trong chu trình acid tricarboxylic, còn enzyme
thứ hai chủ yếu phục vụ cho các phản ứng sinh tổng hợp liên quan đến chu trình
này.
Isocitrate dehydrogenase phụ thuộc NAD cần Mg2+ và Mn2+ cho hoạt động
của mình. Phản ứng do nó xúc tác kèm theo việc giảm đáng kể năng lượng tự do.
Đây là một enzyme dò lập thể. Hoạt tính của nó được tăng cường nhờ ADP do chất
này gây hiệu ứng dò lập thể lên enzyme. Trong khi đó AMP và các nucleoside 5'-

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 49 -

phosphate khác (trừ dADP) không gây hiệu ứng này. Ngược lại, NAD.H và ATP có
tác dụng ức chế hoạt tính của enzyme.
Khi hàm lượng của ADP trong tế bào tăng lên vì một lý do nào đó (ví dụ vì
ATP bò phân giải quá nhanh trong các phản ứng sử dụng năng lượng), tốc độ oxyhóa acid citric tự động tăng lên, làm tăng tốc độ của toàn bộ chu trình acid
tricarboxylic. Tăng tốc độ của các phản ứng của chu trình sẽ dẫn đến việc tăng
nhanh quá trình vận chuyển điện tử và phosphoryl-hóa oxy-hóa, tức chuyển hóa
ADP thành ATP. Khi tăng hàm lượng ATP trong tế bào, hàm lượng của ADP sẽ bò
giảm, và do đó hoạt động của isocitrate dehydrogenase sẽ bò ức chế. Sự tích lũy
NAD.H trong ty thể cũng có tác dụng tương tự.
4/ Phản ứng oxy-hóa acid α- cetoglutaric thành acid succinic.
Oxy-hóa acid α-cetoglutaric thành acid succinic là một quá trình gồm hai giai
đoạn. ở giai đoạn đầu acid α-cetoglutaric bò decarboxyl-hóa oxy-hóa thành
succinyl-CoA:
α-Cetoglutarate + NAD+ + CoA-SH ⎯> Succinyl-CoA + CO2 + NAD.H + H+
∆Go' = -8,0Kcal/mol
Phản ứng này giống như phản ứng oxy-hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA và
CO2. Cơ chế của hai phản ứng hầu như giống nhau. Trong cả hai thường hợp đều
cần có các coenzyme TPP, acid lipoic, CoA-SH, NAD+ và FAD. Phức hệ αcetoglutarate dehydrogenase về cấu trúc rất giống với phức hệ pyruvate

dehydrogenase.
Sản phẩm cuối cùng của phản ứng này - succinyl-CoA - là một thioester
cao năng. Ở giai đoạn kế tiếp nó bò mất nhóm CoA-SH trong phản ứng với sự tham
gia của GDP và phosphate vô cơ. Năng lượng giải phóng trong phản ứng tích lũy lại
trong liên kết phosphate tận cùng của GTP:
Succinyl-CoA + Pi + GDP ⎯→ Succinate + CoA-SH + GTP
∆Go' = -0,7Kcal/mol
Phản ứng này được xúc tác bởi enzyme succinyl thiokinase (succinyl-CoA
synthetase). GTP sau đó nhường gốc phosphate tận cùng cho ADP để tạo ra phân tử
ATP.
5/ Phản ứng succinate dehydrogenase.
Enzyme succinate dehydrogenase xúc tác phản ứng này là một flavoprotein:
Succinate + E-FAD ⎯→ Fumarate + E-FAD.H2
Enzyme này có một số tính chất của enzyme dò lập thể. Nó được hoạt hóa bởi
phosphate, succinate và fumarate; trong khi đó nó bò ức chế cạnh tranh bởi
oxaloacetate và malonate.
6/ Phản ứng fumarase.
Với sự xúc tác của enzyme fumarase (fumarate hydratase) xảy ra với sự
chuyển hóa thuận nghòch acid fumaric thành acid malic. Biến thiên năng lượng tự
do của phản ứng không lớn nên nó dễ dàng xảy ra theo cả hai chiều. Trọng lượng
phân tử của enzyme vào khoảng 200.000. Phân tử được cấu tạo từ 4 phần dưới đơn
vò. Mỗi phần dưới đơn vò riêng lẻ không có hoạt tính xúc tác. Phản ứng không đòi
hỏi coenzyme. ATP làm giảm ái lực của fumarase với fumarate và do đó ức chế
phản ứng khi nồng độ fumarate thấp hơn mức độ bão hòa.
7/ Phản ứng malate dehydrogenase.

GS.TS. Mai Xuân Lương

Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 50 -

L-Malate + NAD+ ⎯→ Oxaloacetate + NAD.H + H+
∆Go' = 7,1Kcal/mol
Mặc dù phản ứng có ∆Go' > O, song trong tế bào nó dễ dàng xảy ra theo
chiều thuận do sản phẩm của phản ứng oxaloacetate và NAD.H nhanh chóng được
sử dụng.
Tế bào của các cơ thể bậc cao có hai loại malate dehydrogenase. Loại thứ
nhất đònh vò trong ty thể, còn loại thứ hai - trong bào tương. Chúng có trọng lượng
phân tử giống nhau nhưng khác nhau bởi thành phần aminoacid, đặc điểm điện di
và hoạt tính xúc tác. Enzyme trong ty thể lại bao gồm ít nhất 5 dạng khác nhau
cùng có hoạt tính xúc tác như nhau nhưng có cấu trúc không giống nhau.
Xem xét toàn bộ các phản ứng của chu trình acid tricarboxylic, ta có thể thấy
từ một phân tử glucose ở giai đoạn này của hô hấp tạo ra bốn phân tử CO2, hai
phân tử ATP và 16 nguyên tử hydro. Nhờ 16 nguyên tử hydro này mà sau hai vòng
của chu trình sẽ hình thành 6 phân tử NAD.H và 2 phân tử FAD.H2. Ý nghóa của
chu trình sẽ được thấy rõ khi xem xét các giai đoạn tiếp theo của hô hấp. Tuy
nhiên, ý nghóa của chu trình không chỉ hạn chế ở khía cạnh năng lượng. Chu trình
acid tricarboxylic liên quan không những với dò hóa mà với cả đồng hóa với tư cách
là nguồn cung cấp vật liệu xây dựng cũng như năng lượng cho các quá trình sinh
tổng hợp. Có hàng loạt các phản ứng liên quan với nó, mà nhờ đó một số sản phẩm
trung gian của chu trình, như α-cetoglutarate, succinate, oxaloacetate có thể được
đưa ra khỏi chu trình và được sử dụng để tổng hợp aminoacid. Mặt khác, do phần
lớn phản ứng của chu trình là thuận nghòch nên chúng đồng thời được sử dụng để
tạo ra các sản phẩm trung gian của chu trình từ aminoacid. Bình thường, các phản

ứng mà nhờ đó những sản phẩm trung gian nhất đònh được đưa ra khỏi chu trình,
hoặc ngược lại, được đưa vào chu trình thiết lập trạng thái cân bằng động với nhau,
nhờ đó nồng độ của những sản phẩm trung gian này trong ty thể được giữ ở mức độ
ổn đònh. Trong việc giữ thế ổn đònh này có sự tham gia của một số phản ứng
enzyme đặc biệt thường được gọi là các phản ứng bù đắp. Những phản ứng này làm
nhiệm vụ bổ sung nguồn dự trữ các sản phẩm trung gian của chu trình acid
tricarboxylic. Đáng lưu ý hơn cả là các phản ứng bù đắp sau đây:
Phản ứng pyruvate carboxylase.
Mg 2+
Pyruvate + CO2 + ATP ⎯→ Oxaloacetate + ADP + Pi
∆Go' = -0,5Kcal/mol
Khi chu trình acid tricarboxylic bò thiếu oxaloacetate hoặc thiếu các sản
phẩm trung gian khác, nhờ phản ứng này mà dự trữ oxaloacetate được tăng lên.
Ngược lại, khi thừa oxaloacetate, nó có thể bò decarboxyl-hóa thành pyruvate và
CO2 . Là một enzyme dò lập thể, hoạt tính của nó chòu ảnh hưởng của acetyl-CoA.
Khi vắng mặt acetyl-CoA, tốc độ của phản ứng thuận rất thấp. Khi acetyl-CoA có
dư, phản ứng sẽ được kích thích để tạo ra nhiều oxaloacetate hơn, tức tạo điều kiện
để oxy-hóa được nhiều acetyl-CoA hơn. Phản ứng này chủ yếu phát huy tác dụng
trong gan và thận của động vật bậc cao.
Trong các mô khác, ví dụ cơ tim, chức năng bù đắp được thực hiện nhờ hai
phản ứng khác với sự xúc tác của hai enzyme: malic-enzyme và phosphoenolpyruvate carboxylase:

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 51 -

L-Malate + NADP+ ⎯→ Pyruvate + CO2 + NADP.H + H+
và Phosphoenolpyruvate + CO2 + IDP ⎯→ Oxaloacetate + ITP
Chức năng bù đắp cho chu trình acid tricarboxylic ở thực vật và nhiều vi sinh
vật được thực hiện nhờ một chu trình biến dạng của chu trình acid tri- carboxylic có
tên là chu trình glyoxilate.

IV. PHOSPHORYL HÓA OXY HÓA.

Trong trật tự các phản ứng dò hóa glucose mà ta đã xem xét trên đây xó 4
phân tử ATP được hình thành trong các phản ứng liên hợp với các phản ứng oxy
hóa aldehyde 3-phosphoglyceric và acid α-cetoglutaric. Số phân tử ATP này mới
chỉ là một phần nhỏ năng lượng sản sinh trong toàn bộ quá trình phân hủy một phân
tử glucose thành khí carbonic và nước. Số năng lượng còn lại một phần được giải
phóng ở dạng nhiệt vốn cần để thúc đẩy quá trình phản ứng, một phần khác được
tích lũy trong các coenzyme khử NAD.H và FAD.H2 vốn có thế khử tiêu chuẩn rất
cao và do đó là những hợp chất rất giàu năng lượng (bảng III.2). Như ta đã thấy, có
tất cả 12 phân tử thuộc loại này được hình thành khi phân hủy một phân tử glucose,
bao gồm 2 NAD.H trong glycolis, 2 NAD.H trong phản ứng decarboxyl hóa oxy
hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA và 6 NAD.H cùng 2 FAD.H2 trong chu trình acid
tricarboxylic.
Trong điều kiện hiếu khí những hợp chất giàu năng lượng này sẽ chuyển điện
tử của mình cho oxy không khí để khôi phục lại trạng thái oxy hóa NAD+ và FAD.
Tuy nhiên, oxy không trực tiếp nhận điện tử từ các coenzyme khử. Các điện từ
cùng với proton vốn gắn liền với chúng được đưa đến chất nhận cuối cùng qua một
chuỗi chất vận chuyển trung gian đònh vò trên màng trong của ty thể, có tên gọi là
chuỗi hô hấp. Năng lượng giải phóng trong quá trình vận chuyển điện tử này sau đó
được hệ enzyme ATP-ase cũng đònh vò trên màng trong của ty thể dùng để tổng

hợp ATP trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.
Sự hiểu biết của con người hiện nay về phosphoryl hóa oxy hóa (và cả
phosphoryl hóa quang hợp) dựa trên giả thuyết hóa thẩm thấu do Peter Mitchell đề
xuất năm 1961, theo đó hiệu số nồng độ proton giữa hai phía của màng trong của ty
thể (và màng thylacoid của lục lạp) là động lực quan trọng cho quá trình sinh tổng
hợp ATP từ ADP và Pvc.
Có 3 điểm giống nhau cơ bản giữa phosphoryl hóa oxy hóa và phosphoryl hóa
quang hợp:
1/ Cả hai quá trình đều gắn với dòng điện tử xuyên qua một chuỗi các chất
vận chuyển trung gian ở dạng khử gắn với màng, bao gồm các hợp chất quinone,
cytochrome và các protein chứa sắt – lưu huỳnh;
2/ Năng lượng tự do giải phóng do dòng điện tử “đi xuống” gắn liền với sự
vận chuyển proton “đi lên” xuyên qua hệ thống màng không thấm đối với proton.
Sự phối hợp này giúp tích lũy một phần năng lượng ở dạng thế điện hóa xuyên
màng;
3/ Dòng proton xuyên màng theo chiều giảm nồng độ của chúng xảy ra xuyên
qua các kênh đặc hiệu, dẫn đến sự cung cấp năng lượng cho sinh tổng hợp ATP.
Trong mục này chúng ta xem xét trước quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, bắt
đầu bằng sự mô tả các thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử trên màng trong

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 52 -

của ty thể, trật tự các chất vận chuyển được tổ chức thành các phức hệ chức năng
để hoạt động, đồng thời, sẽ xét tới cơ chế hoá thẩm thấu mà nhờ đó sự vận chuyển
điện tử trong chuỗi hô hấp dẫn đến sinh tổng hợp ATP.
Ty thể được phân cách khỏi các cơ quan tử khác của tế bào bởi lớp màng kép.
Màng ngoài cho phép các phân tử nhỏ và các ion xuyên qua. Các kênh xuyên
màng cấu tạo từ protein cho phép phần lớn các phân tử vớ M < 5000 qua lại dễ
dàng. Trong khi đó màng trong không xuyên thấm đối với phần lớn các phân tử nhỏ
và ion, kể cả ion H+. Trên màng này đònh vò các thành phần của chuỗi hô hấp và
phức hệ enzyme làm nhiệm vụ tổng hợp ATP.
Trong thành phần của chuỗi hô hấp ngoài NAD và các flavoprotein còn có 3
nhóm vận chuyển điện tử khác. Đó là benzoquione kỵ nước (ubiquinone) và hai
nhóm protein chứa sắt là các cytochrome và Fe-S-protein.

Hình 16. Sơ đồ mô tả chuỗi hô hấp và hoạt động của quá
trình phosphoryl hóa oxy hóa.
Trong tất cả các phản ứng xảy ra trên chuỗi hô hấp các điện tử di chuyển từ
NAD.H, succinate hoặc một số chất cho điện tử sơ cấp khác, xuyên qua các
flavoprotein, ubiquinone Fe-S-protein và các cytochrome để cuối cùng đến với O2
(hình 16).
Dựa vào thế khử của chúng có thể sắp xếp các chất vận chuyển theo trật tự:
NAD.H, UQ, cytochrome b, cytochrome c1, cytochrome c, cytochrome a+a3.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học

Trao đổi chất và năng lượng

- 53 -

Bảng IV.1. Thành phần protein của chuỗi vận chuyển điện tử trong ty thể
Phức hệ enzyme

Khối
lượng (kDa)
850

Số
lượng
Các nhóm
phần dưới đơn vò
thêm
> 25
FMN,Fe-S

NAD.Hdehydrogenase
Succinate
140
4
FAD, Fe-S
dehydrogenase
Heme,
Ubiquinone,
Fe-S
10
250

cytochrome c
oxydoreductase
Heme
1
13
Cytochrome c
Cytochrome c
oxydase
160
6-13
Heme, CuA,CuB
Xử lý nhẹ màng trong của ty thể bằng chất tẩy rửa, cho phép phát hiện 4 phức
hệ vận chuyển điện tử, Mỗi phức hệ có thành phần rất đặc trưng (bảng IV.1). Mỗi
phức hệ có khả năng xúc tác vận chuyển điện tử qua một khu vực của chuỗi hô
hấp. Các phức hệ I và II xúc tác vận chuyển điện tử đến ubiquinone từ hai chất cho
khác nhau là NAD.H (phức hệ I) và succinate (phức hệ II). Phức hệ III vận chuyển
điện tử từ ubiquinone đến cytoxhrome c, còn phức hệ IV tiếp tục vận chuyển điện
tử từ cytochrome c đến O2.
Ngoài 4 phức hệ trên, trên màng trong của ty thể còn có hẹâ enzyme sinh tổng
hợp ATP, ký hiệu là phức hệ FoF1, hay đôi khi còn được gọi là phức hệ V.
Qua hình 16 ta có thể thấy rõ các điện tử đạt đến UQ qua các phức hệ I và II.
UQ.H2 làm nhiệm vụ như một chất vận chuyển linh động đối với điện tử và proton.
Nó chuyển điện tử cho phức hệ III để sau đó phức hệ III chuyển tiếp cho
cytochrome c. Phức hệ IV chuyển điện tử từ cytochrome c đến O2. Dòng điện tử
xuyên qua các phức hệ I, III và IV kèm theo dòng proton từ cơ chất của ty thể đi ra
khoảng không gian giữa 2 màng tạo ra gradient proton xuyên màng – động lực để
hệ enzyme ATP-ase sử dụng trong việc sinh tổng hợp ATP sau đó.
Như vậy, nhờ hoạt động của chuỗi hô hấp mà toàn bộ năng lượng tích lũy
trong các coenzyme khử NAD.H và FAD.H2 đã được giải phóng. Phần lớn số năng
lượng đó, như ta đã thấy, đã chuyển hóa thành năng lượng của gradient proton giữa

hai phía của màng trong của ty thể. Gradient này hình thành được là nhờ tính không
xuyên thấm của ion H+ qua màng này. Ngăn trong bò mất H+ sẽ tính điện âm, còn
ngăn ngoài có nhiều ion H+ nên tích điện dương. Kết quả xuất hiện một hiệu số
điện thế. Phức hệ FoF1 là nơi duy nhất cho phép ion H+ quay ngược từ ngăn ngoài
vào ngăn trong. Khi dòng điện (ở đây là dòng H+ chứ không phải là dòng e-) chạy
qua, phức hệ này sẽ được cấp năng lượng để tổng hợp ATP từ ADP và Pvc. Như
vậy, nhờ có sự hòa hợp giữa phức hệ FoF1 với chuỗi hô hấp mà năng lượng giải
phóng trong các phản ứng oxy hóa NAD.H và FAD.H2 có thể được dùng để tổng
hợp ATP. Vì vậy kiểu tổng hợp ATP này được gọi là phosphoryl hóa oxy hóa trong
chuỗi hô hấp.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học


Trao đổi chất và năng lượng

- 54 -

Ngoài tác dụng làm nguồn năng lượng trực tiếp để tổng hợp ATP, gradient
proton còn được sử dụng để bơm các phân tử ATP từ trong cơ chất của ty thể ra tế
bào chất.
Trên cơ sở mức chênh lệch năng lượng giữa NAD.H, FAD.H2 với dạng oxy
hóa tương ứng (NAD+ và FAD) người ta cho rằng khi nhường điện tử của mình cho
oxy phân tử qua chuỗi hô hấp cho phép tạo ra 3 ATP từ NAD.H và 2 ATP từ
FAD.H2. Riêng các phân tử NAD.H hình thành trong quá trình glycolis vốn xảy ra
trong tế bào chất chỉ cho phép tạo ra số phân tử ATP tương đương với FAD.H2 trong

ty thể. Đó là do kết quả của một cơ chế vận chuyển các đương lượng khử từ tế bào
chất vào ty thể có tên là cơ chế con thoi glycerophoosphate. Theo cơ chế này
NAD.H của tế bào chất được dùng để khử dioxyacetone phosphate thành
glycerophosphate. Sau đó glycerophosphate đi vào ty thể. Tại đó với sự tham gia
của FAD nó bò oxy hóa ngược lại thành dioxyacetone phosphate, còn FAD bò khử
thành FAD.H2. Cả hai phản ứng đều được xúc tác bởi glycerophosphate
dehydrogenase nhưng với sự tham gia của hai coenzyme khác nhau. Kết quả là các
đương lượng khử trong tế bào chất ở dạng NAD.H được chuyển vào ty thể ở dạng
FAD.H2.
Nhờ hoạt động của chuỗi hô hấp liên hợp với phức hệ FoF1 mà năng lượng tự
do giải phóng từ một phân tử glucose trong quá trình glycolis có thể dẫn đến sự
hình thành thêm 4 phân tử ATP, nâng tổng số ATP của giai đoạn này lên 6 phân tử.
Trong khi đó ở giai đoạn hiếu khí tiếp theo ngoài 2 ATP xuất hiện trực tiếp trong
chu trình acid tricarboxilic còn hình thành thêm (6x3) + (2x2) = 28 phân tử ATP
nữa. Do đó khi oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucose thành khí carbonic và nước
tạo ra được 36 phân tử ATP, trong đó 6 phân tử ở giai đoạn kỵ khí và 30 phân tử ở
giai đoạn hiếu khí. Trong mỗi phân tử ATP tích lũy 7,3 Kcal. Như vậy trong 36
phân tử ATP tích lũy được 7,3 x 36 = 263 Kcal.
Trong khi đó biến thiên năng lượng tự do của phản ứng C6H12O6 + 6O2 ⎯→
6CO2 + 6H2O là 686 Kcal. Từ đó ta có thể thấy rõ hiệu suất tích lũy năng lượng của
phản ứng này là 263 x 100 / 686 = 38%.

GS.TS. Mai Xuân Lương



Khoa Sinh học