Mục lục bài họcĐang ở d09-b2
Chemiosmosis, Anaerobic Respiration and RQ
Oxidative phosphorylation
Reduced NAD and reduced FAD deliver electrons to a chain of carriers on the inner mitochondrial membrane. As electrons pass down the chain they lose energy, and that energy is used to pump hydrogen ions from the matrix into the intermembrane space. A steep concentration and charge gradient builds up — energy stored as a gradient rather than as a molecule. Hydrogen ions can only return through ATP synthase, and their flow through it drives the synthesis of ATP from ADP and phosphate. This is chemiosmosis. Oxygen is the final electron acceptor: it combines with electrons and hydrogen ions to form water. Without oxygen the chain backs up, no more electrons can pass, reduced NAD cannot be reoxidised, and the whole of the Krebs cycle stops.
Anaerobic respiration
In the absence of oxygen only glycolysis can continue, and it can only continue if NAD is regenerated. In mammalian muscle, pyruvate accepts hydrogen from reduced NAD and becomes lactate; the NAD is freed for reuse and glycolysis carries on giving $2$ ATP per glucose. Lactate is later carried to the liver and oxidised back to pyruvate, which is why an oxygen debt must be repaid. In yeast, pyruvate is decarboxylated to ethanal, which then accepts the hydrogen to become ethanol, releasing carbon dioxide. Both routes have the same purpose: not to make ATP directly, but to regenerate NAD so that glycolysis, which does make ATP, can keep running.
Respiratory quotient
The respiratory quotient is $RQ = \dfrac{\text{volume of carbon dioxide produced}}{\text{volume of oxygen consumed}}$. Carbohydrate gives $RQ = 1.0$, protein about $0.9$ and lipid about $0.7$, because lipid is less oxidised to start with and so needs proportionally more oxygen. An $RQ$ greater than $1.0$ indicates that some anaerobic respiration is occurring, since carbon dioxide is then produced without oxygen being used. In a respirometer, soda lime absorbs all the carbon dioxide produced, so the volume change measures oxygen uptake alone.
Phosphoryl hoá oxi hoá
NAD khử và FAD khử giao electron cho một chuỗi chất mang nằm trên màng trong ti thể. Electron đi dọc chuỗi thì mất dần năng lượng, và năng lượng đó được dùng để bơm ion hydrogen từ chất nền ra khoang gian màng. Một chênh lệch nồng độ và chênh lệch điện tích rất dốc được dựng lên — năng lượng lúc này được tích trữ dưới dạng một gradient, không phải dưới dạng một phân tử. Ion hydrogen chỉ quay về được qua ATP synthase, và dòng chảy qua enzyme đó dẫn động việc tổng hợp ATP từ ADP và phosphate. Đó là chemiosmosis (hoá thẩm). Oxygen là chất nhận electron cuối cùng: nó kết hợp với electron và ion hydrogen tạo nước. Không có oxygen thì chuỗi bị nghẽn, electron không đi tiếp được, NAD khử không được oxi hoá lại, và toàn bộ chu trình Krebs dừng theo.
Hô hấp kỵ khí
Khi không có oxygen, chỉ đường phân còn chạy được, và nó chỉ chạy được nếu NAD được tái tạo. Ở cơ động vật có vú, pyruvate nhận hydrogen từ NAD khử và biến thành lactate; NAD được giải phóng để dùng lại và đường phân tiếp tục cho $2$ ATP mỗi glucose. Lactate sau đó được đưa về gan và oxi hoá trở lại thành pyruvate — đó là lý do phải trả oxygen debt. Ở nấm men, pyruvate bị khử carboxyl thành ethanal, chất này nhận hydrogen để thành ethanol và giải phóng carbon dioxide. Hai con đường có chung một mục đích: không phải để tạo ATP trực tiếp, mà để tái tạo NAD cho đường phân — khâu thực sự tạo ATP — tiếp tục chạy.
Hệ số hô hấp
Respiratory quotient tính bằng $RQ = \dfrac{\text{thể tích carbon dioxide sinh ra}}{\text{thể tích oxygen tiêu thụ}}$. Carbohydrate cho $RQ = 1{,}0$, protein khoảng $0{,}9$ và lipid khoảng $0{,}7$, vì lipid ít bị oxi hoá sẵn nên cần tỉ lệ oxygen cao hơn. $RQ$ lớn hơn $1{,}0$ là dấu hiệu có hô hấp kỵ khí, vì khi đó carbon dioxide sinh ra mà không tiêu oxygen. Trong respirometer, vôi tôi xút hấp thụ hết carbon dioxide sinh ra, nên thay đổi thể tích đo được chỉ phản ánh lượng oxygen đã tiêu thụ.
Một mẫu hạt tiêu thụ $19{,}0\ \text{cm}^3$ oxygen và thải ra $13{,}3\ \text{cm}^3$ carbon dioxide trong cùng khoảng thời gian. Tính $RQ$ và suy ra cơ chất chính đang được dùng. Nếu một mẫu khác cho $RQ = 1{,}4$ thì kết luận gì?
Bước 1 — công thức. $RQ = \dfrac{\text{thể tích carbon dioxide sinh ra}}{\text{thể tích oxygen tiêu thụ}}$. Thứ tự này quan trọng: carbon dioxide ở tử số.
Bước 2 — thay số. $RQ = 13{,}3 \div 19{,}0 = 0{,}70$.
Bước 3 — tra ý nghĩa. Giá trị $0{,}7$ ứng với lipid. Lý do: mạch acid béo gần như thuần carbon và hydrogen, ít oxygen sẵn có, nên cần rất nhiều oxygen từ ngoài để oxi hoá hết. Carbohydrate thì đã mang sẵn nhiều oxygen trong phân tử nên cần ít hơn, và $RQ$ của nó bằng $1{,}0$.
Mẫu có $RQ = 1{,}4$. Không cơ chất nào cho $RQ$ lớn hơn $1$ trong hô hấp hiếu khí. Giá trị vượt $1$ nghĩa là có hô hấp kỵ khí diễn ra song song: lên men rượu thải carbon dioxide mà không tiêu oxygen, nên tử số tăng trong khi mẫu số không đổi.
Cách đo hai đại lượng trong cùng một thí nghiệm. Chạy respirometer hai lần: lần đầu có chất hấp thụ carbon dioxide để đo riêng lượng oxygen tiêu thụ; lần sau không có chất hấp thụ, khi đó thay đổi thể tích bằng hiệu giữa oxygen tiêu thụ và carbon dioxide thải ra. Từ hai số đó suy ra được cả hai đại lượng.
Cyanide chặn chất mang cuối cùng của chuỗi vận chuyển electron. Giải thích vì sao hậu quả không chỉ là mất ATP từ phosphoryl hoá oxi hoá, mà còn làm dừng cả link reaction và chu trình Krebs.
Bước 1 — chuỗi nghẽn từ đầu cuối. Chất mang cuối không giao được electron cho oxygen nữa, nên nó ở lại trạng thái khử. Chất mang ngay trước nó cũng không giao được, và hiệu ứng lan ngược lên suốt chuỗi.
Bước 2 — NAD khử không được tái oxi hoá. NAD khử chỉ trút được hydrogen nếu đầu vào của chuỗi còn trống. Chuỗi đã nghẽn nên NAD khử tích lại và lượng NAD dạng oxi hoá trong chất nền cạn dần.
Bước 3 — Krebs và link reaction dừng. Cả hai giai đoạn này gồm nhiều bước khử hydrogen, và mỗi bước bắt buộc phải có một phân tử NAD trống để nhận. Hết NAD trống thì các bước đó không chạy được, nên toàn bộ chu trình dừng — dù bản thân enzyme của chu trình không hề bị cyanide đụng tới.
Bước 4 — điều gì còn sót lại. Đường phân vẫn chạy được, nhưng chỉ khi NAD của bào tương được tái tạo. Ở cơ, việc đó xảy ra nhờ chuyển pyruvate thành lactate. Nguồn ATP còn lại vì thế chỉ là $2$ mỗi glucose, quá ít so với nhu cầu, nên tế bào chết nhanh.
Bài học tổng quát. Trong một chuỗi chuyển hoá, chặn ở cuối vẫn làm tê liệt phần đầu, miễn là hai đầu dùng chung một chất mang tuần hoàn. Ở đây chất mang đó là NAD, và nó chỉ có một lượng cố định trong ti thể.
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.