Hô hấp tế bào

9/20/2017

Bài 3:
NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO ĐỔI
CHẤT – HÔ HẤP TẾ BÀO

ThS. Chu Thị Bích Phượng

NỘI DUNG CHÍNH
• Các quy luật biến đổi năng lượng và trật
tự sinh học
• ATP – hai cơ chế tổng hợp ATP trong tế
bào
• Các giai đoạn của hô hấp tế bào
• Ý nghĩa của hô hấp tế bào

Bài 4 – Hô hấp tế bào

1

1


9/20/2017

Năng lượng và sự trao đổi chất
-Cơ thể sống tạo năng lượng
bằng cách nào?
-Tế bào tạo năng lượng bằng
cách nào?

Bài 4 – Hô hấp tế bào

2

3.1. CÁC QUY LUẬT BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ TRẬT
TỰ SINH HỌC

3.1.1 Quy luật biến đổi năng lượng

Quy
luật
biến
đổi
năng
lượng

Tổng năng lượng = năng lượng hữu ích + năng lượng vô ích
(dạng nhiệt)

-QL1: "Tổng năng lượng của vũ trụ là không đổI”
Bài 4 – Hô hấp tế bào

3

2


9/20/2017

3.1. CÁC QUY LUẬT BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ TRẬT

TỰ SINH HỌC

3.1.1 Quy luật biến đổi năng lượng

Quy
luật
biến
đổi
năng
lượng

QL2: “Thế giới vật chất biến đổi liên tục để
trở thành mất trật tự hay hỗn loạn hơn (tăng
entropy)” = “trong thế giới vật chất tổng
năng lượng tự do giảm”.
Bài 4 – Hô hấp tế bào

4

TRẬT TỰ SINH HỌC
Trật tự sinh học: trật
tự các cấu trúc và
phản ứng hoá học
được duy trì trong cơ
thể.
Tế bào thu năng
lượng ở dạng các
chất hữu cơ từ bên
ngoài vào, rồi thải các
chất bã

 TB ở trạng thái cân
bằng động

Trật tự cấu trúc

5

3


9/20/2017

Trật tự sinh học:

Trật tự phản ứng hoá học
Để duy trì trật tự sinh học, các phản ứng phân hủy được thực
hiện để giải phóng năng lượng tự do đem dùng cho quá trình
tổng hợp các chất.
6
Bài 4 – Hô hấp tế bào

3.2 SỰ TRAO ĐỔI CHẤT
Trao đổi chất = chuyển hoá vật chất và năng lượng
Gồm 2 quá trình đồng hoá và dị hoá

1. Tổng hợp năng lượng tế
bào

2. Sử dụng năng lượng tế bào
Tổng hợp các hợp chất tế bào

7

4


9/20/2017

2. Các khái niệm cơ bản
a. Có 2 loại trao đổi chất trong TB sống: Đồng hóa và dị
hóa
 Đồng hóa: tổng hợp các phân tử phức tạp từ các
phân tử đơn giản
Ví dụ: protein từ amino acid
 Dị hóa: bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân
tử đơn giản
Ví dụ: bẻ gãy phân tử glycogen thành các phân tử
glucose
8

Bài 4 – Hô hấp tế bào

2. Các khái niệm cơ bản

(Dị hóa)

Năng lượng

(phóng thích E
dự trữ trong các
liên kết hóa học)

(Đồng
hóa)
(cần E để hình
thành các liên
kết hóa học)

Bài 4 – Hô hấp tế bào

9

5


9/20/2017

Trao đổi chất tiến hành qua các phản ứng sinh hoá

Mỗi con đường TĐC gồm 1 chuỗi
các phản ứng oxi hóa khử

Mỗi phản ứng được xúc tác bởi 1
loại enzyme

• Mỗi enzyme được mã hoá bởi 1 gen cấu trúc (gen
kiểm soát phản ứng sinh hoá)
• Điều hoà trao đổi chất = điều hoà hoạt tính
enzyme
• Cơ chế điều hoà: ức chế ngược
• Mục đích điều hoà: giữ nội cân bằng

10

3.2.1 ATP – “tiền tệ” năng lượng của tế bào
- ATP: nguồn cung cấp năng lượng sinh học chủ
yếu của mọi cơ thể sinh vật, là cầu nối giữa 2 quá
trình đồng hoá và dị hoá

ATP – adenosine
triphosphate

Bài 4 – Hô hấp tế bào

11

6


9/20/2017

 Sự thủy phân ATP giải phóng năng lượng:
 ATP + H2O = Pi + ADP + năng lượng

 Phản ứng thủy phân cắt đứt 1 liên kết cao năng của 1
nhóm phosphate cuối với 2 nhóm phosphate còn lại tạo
phân tử ADP và 1 phosphate vô cơ
(Liên kết cao
năng)

Bài 4 – Hô hấp tế bào

12

Bài 4 – Hô hấp tế bào

13

7


9/20/2017

 Sự tạo thành phân tử ATP thu năng lượng:
ADP + Pi + năng lượng  ATP + H2O
 Năng lượng hay năng lượng tự do (G) chính là năng
lượng được tích lũy trong các liên kết cộng hóa trị của
các chất

Bài 4 – Hô hấp tế bào

14

Quá trình đồng hóa và các phản ứng
cần năng lượng khác như vận
chuyển chất tích cực qua màng lấy
E từ phản ứng thủy phân ATP

E
Quá trình dị hóa
giải phóng E cung
cấp cho tổng hợp

ATP từ ADP và Pi

E

Chu trình năng
lượng kép

Sự thủy phân ATP
thành ADP và Pi
giải phóng E
15

8


9/20/2017

Sự tổng hợp ATP
 Sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất:
- Xảy ra trong quá trình đường phân và chu trình
Krebs tạo ra 1 lượng nhỏ ATP trong tổng số ATP
được tạo ra trong quá trình hô hấp
- Cơ chế: 1 nhóm phosphate được chuyển đến cho
ADP nhờ các enzyme kinase tạo ra ATP

Bài 4 – Hô hấp tế bào

16

Sự tổng hợp ATP

 Cơ chế hoá thẩm thấu
= sự phosphoryl hoá oxy hoá (ty thể)
= sự quang phosphoryl hoá (lục lạp)
ATP được tạo thành do sự oxy hóa NADH và FADH2
qua chuỗi vận chuyển điện tử và sự hóa thẩm.
Quá trình này tạo ra phần lớn ATP trong tổng số
ATP tạo ra trong quá trình hô hấp

Bài 4 – Hô hấp tế bào

17

9


9/20/2017

 Cơ chế hoá thẩm thấu:
Là khái niệm liên quan đến chuỗi vận chuyển điện
tử, các kênh proton H+ và ATP synthase

Bài 4 – Hô hấp tế bào

18

3.2.2 Các chất chuyên chở hydrogen và điện tử:
 NAD (nicotinamide adenine dinucleotide):
1 coenzyme vận chuyển điện tử e- kèm với H+

Hoạt động vận chuyển hydrogen và điện tử của NAD

Vận chuyển 2 hydrogen từ phân tử
này đến phân tử khác
 Phản ứng khử:

 Phản ứng oxy hóa:

NAD+ + 2 H+ NADH + H+

NADH + H+  NAD+ + 2 H+

 NAD+ : tác nhân oxy hóa

NADH : tác nhân khử
Bài 4 – Hô hấp tế bào

19

10


9/20/2017

3.2.2 Các chất chuyên chở hydrogen và điện tử:
 FAD (flavin adenine dinucleotide):
1 coenzyme vận chuyển điện tử e- kèm với H+

Dạng oxy hóa FAD
Dạng khử FADH2
FAD + 2H+  FADH2

Bài 4 – Hô hấp tế bào

20

3.2.3 Protein chuyển điện tử

Các protein của chuỗi truyền điện tử
Bài 4 – Hô hấp tế bào

21

11


9/20/2017

3.3 HÔ HẤP TẾ BÀO
1. Tổng quát
 Thực vật và VSV quang dưỡng: tự dưỡng  lấy
nguồn năng lượng từ hoạt động quang hợp
 Vi khuẩn, nấm, động vật: dị dưỡng  lấy nguồn
năng lượng từ thực phẩm
E hóa học trong
thực phẩm

E duy nhất tế bào
sử dụng

Bài 4 – Hô hấp tế bào

22

3 giai đoạn:
-Sự tiêu hoá

-Sự phân huỷ ở tế bào
chất
-Sự biến đổi năng lượng
trong ty thể

Sơ đồ quá trình dị hoá các chất

23

12


9/20/2017

1. Tổng quát


Phản ứng chính của hô hấp tế bào từ: glucose
+ ATP

Glucose
trong TB
TV & ĐV

Các con đường

trao đổi chất chính

Mỗi con đường TĐC gồm 1 chuỗi
các phản ứng oxi hóa khử

Hô hấpTB
Lên men

Mỗi phản ứng được xúc tác bởi 1
24
loại enzyme

2. Các giai đoạn sự hô hấp tế bào
Hô hấp tế bào có 3 giai đoạn chính:
1. Sự đường phân (glycolysis)
2. Chu trình acid citric (chu trình Krebs)
3. Sự phosphoryl hóa oxy hóa

Bài 4 – Hô hấp tế bào

25

13


9/20/2017

2. Các giai đoạn sự hô hấp tế bào
Sự đường phân:

Ty thể
(NSC)

- Xảy ra trong
NSC của TB
- Chuyển 1
glucose
2 pyruvate qua
10 phản ứng
- Tạo lượng ít
ATP: 2 ATP bằng
sự phosphoryl
hóa ở mức cơ
chất và 2NADH+
+
26
Bài 4 – Hô hấp tế bào 2H

2. Các giai đoạn sự hô hấp tế bào
Chu trình acid citric:
- Khi có O2
pyruvate đi vào
ty thể

- Trước khi bắt
đầu chu trình
acid citric:
pyruvateacetyl
CoA
- Còn gọi là chu trình Krebs xảy ra trong matrix của ty thể

- Chu trình tạo 1ATP bằng sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất
và các phân tử giàu năng lượng khác: 3 NADH & 1 FADH2
Bài 4 – Hô hấp tế bào

27

14


9/20/2017

2. Các giai đoạn sự hô hấp tế bào
Sự phosphoryl hóa
oxy hóa:
- Sau gđ đường
phân và chu trình
acid citric, năng
lượng từ thức ăn
được tích trữ
trong NADH và
FADH2
- NADH và FADH2 chuyển điện tử đến chuỗi dẫn truyền điện tử
tổng hợp ATP bằng sự phosphoryl hóa oxy hóa
- Sự phosphoryl hóa oxy hóa xảy ra ở màng trong ty thể
Bài 4 – Hô hấp tế bào

28

Bài 4 – Hô hấp tế bào

29

15


9/20/2017

2. Các giai đoạn sự hô hấp tế bào
 Sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất:
- Xảy ra trong quá trình đường phân và chu trình
Krebs tạo ra 1 lượng nhỏ ATP trong tổng số ATP
được tạo ra trong quá trình hô hấp
- Cơ chế: 1 nhóm phosphate được chuyển đến cho
ADP nhờ các enzyme kinase tạo ra ATP

Bài 4 – Hô hấp tế bào

30

2. Các giai đoạn sự hô hấp tế bào
 Sự phosphoryl hóa oxy hóa:
- ATP được tạo thành do sự oxy hóa NADH và FADH2
qua chuỗi vận chuyển điện tử và sự hóa thẩm
- Quá trình tạo ra phần lớn ATP trong tổng số ATP tạo
ra trong quá trình hô hấp

Bài 4 – Hô hấp tế bào

31

16


9/20/2017

 Sự phosphoryl hóa oxy hóa:
- Sự hóa thẩm:
 Là khái niệm liên quan đến chuỗi vận chuyển điện
tử, các kênh proton H+ và ATP synthase
 ATP synthase: phức hợp gồm phần: CF0 , CF1
 Cơ chế:

32

Bài 4 – Hô hấp tế bào

Giai đoạn 1: Sự đường phân (glycolysis)
Enzyme:
1. Hexokinase
1

2. Isomerase

Giai
đoạn
Đầu
tư
năng
lượng

3. Phosphofructo
kinase

2

4. Aldolase
5. Isomerase

3

4

5
Bài 4 – Hô hấp tế bào

33

17


9/20/2017

6

Giai
đoạn
Hoàn
trả
năng
lượng

Enzyme:
6. Triose phosphate
dehydrogenase

7

7.Phosphoglycerate
kinase

8

8.Phosphoglycero
mutase
9. Enolase

9

10. Pyruvate kinase
10

34

Cân bằng tổng thể quá trình đường phân

Sử dụng 2 ATP

Tạo thành 4 ATP

4ATP tạo thành – 2ATP sử dụng

Bài 4 – Hô hấp tế bào

35

18


9/20/2017

Giai đoạn 2: Chu trình acid citric (krebs)
Giai đoạn trung gian
giữa đường phân và
Krebs: Oxy hóa
pyruvate thành
acetyl- CoA

Pyruvate qua chuỗi các phản ứng 1, 2, 3 tạo thành
acetyl-CoA:
Pyruvate + NAD+ + CoA acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+
(2 pyruvate  2 acetyl-CoA)
Bài 4 – Hô hấp tế bào

36

Giai đoạn 2: Chu trình acid citric (krebs)
- Chu trình khép kín gồm 8
phản ứng oxy hóa, mỗi
bước được xúc tác bởi 1
enzyme đặc hiệu

- Đầu tiên acetyl-CoA (2C)
đi vào chu trình, kết hợp
oxaloacetate (4C) tạo thành
citrate 6C (SP đầu tiên)
- 7 phản ứng tiếp theo phân
giải citrate trở lại
oxaloacetate
Bài 4 – Hô hấp tế bào

37

19


9/20/2017

Chu trình Krebs hoàn chỉnh

38

Giai đoạn 2: Chu trình acid citric (krebs)
 Năng lượng được tạo thành trong chu trình Krebs:
 1 chu trình Krebs: từ 1 acetyl-CoA cho 2 CO2 và:
1 ATP tạo ra bằng sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất
3 (NADH + H+)
1 FADH2

Các phân tử giàu năng lượng qua
chuỗi vận chuyển điện tử của sự
phosphoryl hóa oxy hóa tạo ATP

 1 phân tử pyruvate oxy hóa thành 1 acetyl-CoA trước
khi vào chu trình Krebs tạo 1 CO2 và 1 NADH
1 phân tử glucose ban đầu tạo ra 2 phân tử
acetyl-CoA đi vào chu trình Krebs tạo ra ?

39

20


9/20/2017

Giai đoạn 2: Chu trình acid citric (krebs)
 Năng lượng được tạo thành sau chu trình Krebs và
đường phân từ 1 phân tử glucose:
Sản phẩm

Đường
phân

CO2
NADH +

H+

2

Oxy hóa
pyruvate thành

acetyl-CoA

Chu trình
Krebs từ
acetyl-CoA

1* 2
1* 2

2* 2
3* 2

Năng lượng

30 ATP

Năng
lượng
FADH
2

ATP

8 ATP
06 ATP 24 ATP
ATP
1* 2
438
ATP
1 phân tử glucose bắt đầu đi vào đường phân đến khi kết

2 trình Krebs tạo ra 38 ATP
1* 2nhưng do4 2ATP
thúc chu
ATP được
40
sử dụng để vận chuyển pyruvate vào ty thể  36 ATP

Giai đoạn 2: Chu trình acid citric (krebs)
 Ý nghĩa chu trình Krebs:
- Là con đường oxy hóa cuối cùng của sự oxy hóa mọi
chất dinh dưỡng tạo sản phẩm cuối là CO2 và H2O
- Tạo hàng loạt các sản phẩm trung gian tham gia vào
tổng hợp các chất khác: các acid amin, các acid béo…
- Tạo năng lượng dự trữ ATP lớn cho cơ thể

Bài 4 – Hô hấp tế bào

41

21


9/20/2017

Giai đoạn 2: Chu trình acid citric (krebs)
 Ý nghĩa chu trình Krebs:

Chu trình Krebs tạo hàng loạt sản phẩm trung gian cho làm tiền
42
chất cho sự tổng hợp các chất khác

Giai đoạn 3: Sự phosphoryl hóa oxy hóa
1. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
- Là quá trình vận chuyển điện tử từ NADH và FADH2
đến O2. O2 là chất nhận điện tử và kết hợp H+ tạo phân
tử H2O
- Chuỗi gồm:
III,
thể

4 phức hợp protein lớn I, II,
IV cố định màng trong ty
Các protein nhỏ linh động và
các lipid nhỏ: cytochrome c và
ubiquinone
Bài 4 – Hô hấp tế bào

43

22


9/20/2017

Giai đoạn 3: Sự phosphoryl hóa oxy hóa
1. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
 Vai trò các thành phần trong chuỗi:
- 4 phức hợp protein lớn mang chất chuyên chở điện
tử:
Phức hợp I: chứa NADH dehydrogenase nhận H+ và e- trực tiếp

từ NADH + H+
Phức hợp II: chứa succinate dehydrogenase chuyển H+ và e- từ
FADH2 đến ubiquinone
Phức hợp III: chứa cytochrome b-c1 nhận điện tử từ ubiquinone
và chở đến cytochrome c
Phức hợp IV: chứa cytochrome c oxidase (cyt a, cyt a3) nhận
điện tử từ cytochrome c đến O2. O2 nhận điện tử kết hợp H+44tạo
Bài 4 – Hô hấp tế bào
H2O

Giai đoạn 3: Sự phosphoryl hóa oxy hóa
1. Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp:
 Vai trò các thành phần trong chuỗi:
- Cytochrome c: là 1 protein ngoại biên nằm cạnh màng,
chuyển điện tử từ phức hợp III đến phức hợp IV
- Ubiquinone (Q): phức hợp không phải protein, không
phân cực, di động tự do ở phần kỵ nước màng trong ty
thể

Bài 4 – Hô hấp tế bào

45

23


9/20/2017

Giai đoạn 3: Sự phosphoryl hóa oxy hóa
 Cơ chế hoạt động của chuỗi vận chuyển điện tử:

Bài 4 – Hô hấp tế bào

46

Giai đoạn 3: Sự phosphoryl hóa oxy hóa
 Năng lượng của chuỗi vận chuyển điện tử:
 Các
chất chuyên chở luân
phiên chuyển từ trạng thái bị khử
thành bị oxi hóa khi nhận và cho
điện tử
 Dòng điện tử từ chất chuyên
chở này đến chất chuyên chở khác
là 1 chuỗi phản ứng giải phóng E
tự do. Càng về cuối chuỗi các điện
tử càng giảm E tự do và cuối cùng
chuyển điện tử cho O2 tạo H2O

Bài 4 – Hô hấp tế bào

47

24


9/20/2017

Bài 4 – Hô hấp tế bào

48

Giai đoạn 3: Sự phosphoryl hóa oxy hóa
2. Sinh tổng hợp ATP qua cơ chế hóa thẩm:
- Năng lượng từ dòng điện tử chuỗi vận chuyển điện tử
bơm proton H+ ra khỏi matrix vào khoảng giữa 2 màng ty
thể tạo 1 gradient nồng độ H+
- Protein ATP synthase cho phép ion H+ khuếch tán trở lại
matrix theo gradient nồng độ và sử dụng E của sự khuếch
tán tổng hợp ATP từ ADP và Pi
- 1 cặp điện tử từ NADH + H+ vào chuỗi vận chuyển điện
tử và qua sự hóa thẩm tạo 3 ATP

Bài 4 – Hô hấp tế bào

49

25