Mục lục bài họcĐang ở d09-b1
ATP, Glycolysis, the Link Reaction and Krebs
Why ATP and not glucose
ATP is adenine, ribose and three phosphate groups. Hydrolysis of the terminal phosphate releases about $30.6\ \text{kJ mol}^{-1}$ — a small, usable packet. Glucose holds far more energy but releasing it takes many steps, so a cell cannot spend glucose directly on a single reaction. ATP is the universal intermediate: made in one place, used anywhere, in one step, with no waste heat from an oversized packet. It is not a store: a cell holds only a few seconds' worth and turns it over continuously.
Glycolysis
Glycolysis happens in the cytoplasm and needs no oxygen. Glucose is first phosphorylated twice, using $2$ ATP — an investment that makes the molecule reactive and stops it leaving the cell. The $6$-carbon sugar is split into two $3$-carbon molecules, each of which is oxidised to pyruvate. Each oxidation reduces a molecule of NAD and produces $2$ ATP by substrate-level phosphorylation. Per glucose the totals are: $4$ ATP made, $2$ used, so a net gain of $2$ ATP, plus $2$ reduced NAD and $2$ pyruvate.
The link reaction and the Krebs cycle
Pyruvate is actively transported into the mitochondrial matrix. In the link reaction it is decarboxylated, losing one carbon as carbon dioxide, and dehydrogenated, reducing NAD; the remaining $2$-carbon acetyl group joins coenzyme A. In the Krebs cycle acetyl CoA combines with a $4$-carbon compound to give a $6$-carbon compound, which is then decarboxylated and dehydrogenated round the cycle back to the $4$-carbon acceptor. Per turn: $2$ carbon dioxide, $3$ reduced NAD, $1$ reduced FAD and $1$ ATP. Because one glucose gives two pyruvate, everything in the link reaction and Krebs cycle happens twice per glucose.
Vì sao phải có ATP, mà không dùng thẳng glucose
ATP gồm adenine, ribose và ba nhóm phosphate. Thuỷ phân nhóm phosphate cuối giải phóng khoảng $30{,}6\ \text{kJ mol}^{-1}$ — một gói năng lượng nhỏ và dùng được ngay. Glucose chứa nhiều năng lượng hơn rất nhiều, nhưng muốn lấy ra thì phải qua hàng chục bước, nên tế bào không thể chi glucose trực tiếp cho một phản ứng đơn lẻ. ATP là chất trung gian phổ quát: tạo ở một chỗ, dùng được ở mọi chỗ, chỉ một bước, và không phí nhiệt vì gói quá to. Nó không phải chất dự trữ: tế bào chỉ giữ lượng đủ dùng vài giây và quay vòng liên tục.
Đường phân
Đường phân diễn ra trong bào tương và không cần oxygen. Glucose trước hết bị phosphoryl hoá hai lần, tiêu $2$ ATP — một khoản đầu tư làm phân tử trở nên hoạt động hơn và đồng thời ngăn nó rời khỏi tế bào. Đường $6$ carbon bị tách thành hai phân tử $3$ carbon, và mỗi phân tử bị oxi hoá thành pyruvate. Mỗi lần oxi hoá đó khử một phân tử NAD và tạo $2$ ATP bằng phosphoryl hoá mức cơ chất. Tính trên một glucose: tạo $4$ ATP, tiêu $2$, nên lãi ròng $2$ ATP, cộng $2$ NAD khử và $2$ pyruvate.
Phản ứng trung gian và chu trình Krebs
Pyruvate được vận chuyển chủ động vào chất nền ti thể. Trong link reaction, nó bị khử carboxyl — mất một carbon dưới dạng carbon dioxide — và bị khử hydrogen làm khử một NAD; nhóm acetyl $2$ carbon còn lại gắn vào coenzyme A. Trong chu trình Krebs, acetyl CoA kết hợp với hợp chất $4$ carbon thành hợp chất $6$ carbon, rồi lần lượt bị khử carboxyl và khử hydrogen vòng quanh cho tới khi trở lại chất nhận $4$ carbon. Mỗi vòng cho: $2$ carbon dioxide, $3$ NAD khử, $1$ FAD khử và $1$ ATP. Vì một glucose cho hai pyruvate, mọi thứ trong link reaction và chu trình Krebs đều diễn ra hai lần trên mỗi glucose.
Tính tổng số phân tử NAD khử, FAD khử, ATP tạo bằng phosphoryl hoá mức cơ chất, và carbon dioxide sinh ra từ một phân tử glucose đi hết đường phân, link reaction và chu trình Krebs.
Đường phân. Tiêu $2$ ATP ở khâu phosphoryl hoá, tạo $4$ ATP, nên lãi ròng $2$ ATP. Tạo $2$ NAD khử. Không sinh carbon dioxide nào — đây là chỗ nhiều bài làm ghi nhầm.
Link reaction. Mỗi pyruvate cho $1$ carbon dioxide và $1$ NAD khử. Vì có hai pyruvate nên nhân đôi: $2$ carbon dioxide, $2$ NAD khử. Không có ATP.
Chu trình Krebs. Mỗi vòng cho $2$ carbon dioxide, $3$ NAD khử, $1$ FAD khử và $1$ ATP. Hai vòng cho mỗi glucose: $4$ carbon dioxide, $6$ NAD khử, $2$ FAD khử, $2$ ATP.
Cộng lại. NAD khử $= 2 + 2 + 6 = 10$. FAD khử $= 2$. ATP mức cơ chất $= 2 + 0 + 2 = 4$. Carbon dioxide $= 0 + 2 + 4 = 6$.
Hai phép kiểm tra nhanh. Thứ nhất, số carbon dioxide phải bằng $6$ vì glucose có sáu carbon và cả sáu đều bị thải ra. Thứ hai, mọi thứ sau đường phân đều phải nhân hai; quên nhân hai là lỗi phổ biến nhất của chương, và nó cho ra $6$ hoặc $7$ NAD khử thay vì $10$.
Đường phân tiêu $2$ ATP trước khi tạo ra ATP nào. Giải thích hai lý do vì sao bước đầu tư này là cần thiết, và giải thích vì sao tế bào vẫn có lãi.
Lý do thứ nhất — làm phân tử hoạt động hơn. Glucose là phân tử khá bền. Gắn hai nhóm phosphate làm phân tử mang thêm điện tích âm và trở nên kém ổn định hơn, tức hạ năng lượng hoạt hoá cho các bước cắt và oxi hoá tiếp theo. Không có bước này thì phản ứng chạy quá chậm để có ích.
Lý do thứ hai — khoá phân tử lại trong tế bào. Glucose qua màng được nhờ protein mang. Glucose đã phosphoryl hoá thì mang điện tích và không khớp với protein mang đó nữa, nên không rời tế bào được. Đồng thời việc này giữ nồng độ glucose tự do bên trong luôn thấp, nên gradient hướng vào tế bào vẫn dốc và glucose tiếp tục đi vào.
Vì sao vẫn có lãi. Hai phân tử $3$ carbon sinh ra từ việc cắt đôi mỗi phân tử đều tạo $2$ ATP, nên tổng thu là $4$. Trừ $2$ ATP đã đầu tư, lãi ròng là $2$.
Điều đáng nhớ hơn con số. Thu nhập thật của đường phân không nằm ở $2$ ATP đó mà nằm ở $2$ NAD khử. Khi có oxygen, hai phân tử này đi vào chuỗi vận chuyển electron và cho ra nhiều ATP hơn hẳn phần lãi trực tiếp. Đó cũng là lý do hô hấp hiếu khí có hiệu suất cao hơn kỵ khí tới hàng chục lần trong khi khâu đường phân thì y hệt nhau.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Energy and Respiration gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.