Năng lượng tế bào · AP Biology

Chương 3 · Năng lượng của tế bào

enzyme, ánh sáng và hô hấp

Tế bào là một hệ có trật tự cao, và trật tự cần năng lượng. Mọi sinh vật đều cần nguồn năng lượng ổn định, và nhận được nó qua các phản ứng do enzyme thực hiện.

Ở bên trái, lục lạp thu năng lượng ánh sáng và tích trữ trong glucose, giải phóng O₂. Ở bên phải, ti thể phân giải glucose bằng O₂ đó, trở lại thành CO₂ và H₂O, và giữ năng lượng giải phóng trong ATP, phân tử mà tế bào sử dụng.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Quang hợp chạy phương trình này theo chiều ngược lại, nhờ ánh sáng. Vật chất đi vòng quanh chu trình; năng lượng thì không. Nó đi vào dưới dạng ánh sáng và rời đi dưới dạng nhiệt.

Chương này phân tích các enzyme làm cho từng bước diễn ra nhanh, sự ghép đôi giúp ATP chi trả cho công, và hai con đường: quang hợp và hô hấp tế bào.

3.1 · Enzyme

một túi có hình khớp với một cơ chất

Enzyme là chất xúc tác, hầu như luôn là protein, làm tăng tốc một phản ứng mà không bị tiêu hao.

Phân tử mà nó tác dụng lên là cơ chất. Cơ chất gắn vào trung tâm hoạt động, một túi trong protein đã cuộn gấp, được lót bởi các chuỗi bên của amino acid. Để phản ứng xảy ra, hình dạng và điện tích của cơ chất phải tương thích với trung tâm hoạt động: chuỗi bên mang điện dương hút vùng mang điện âm của cơ chất, một vùng không phân cực giữ vùng không phân cực.

Đó là lí do enzyme có tính đặc hiệu. Trong hình, phân tử màu xanh có hình dạng sai; nó trôi qua và không có gì xảy ra.

Khi cơ chất gắn vào, enzyme thay đổi hình dạng một chút và khép quanh nó: khớp cảm ứng. Phức hợp enzyme–cơ chất làm căng liên kết sắp bị phá vỡ, các sản phẩm được giải phóng, và enzyme không thay đổi, sẵn sàng nhận cơ chất khác.

Hình dạng của trung tâm hoạt động đến từ sự cuộn gấp 3-D của protein, nên bất cứ điều gì làm thay đổi sự cuộn gấp đều làm thay đổi khả năng của enzyme (3.2).

3.1 · Hạ thấp rào cản

năng lượng hoạt hóa

Ngay cả một phản ứng giải phóng năng lượng cũng phải được đẩy qua một ngọn đồi trước. Chiều cao của ngọn đồi đó là năng lượng hoạt hóa, E_a.

Hình vẽ năng lượng tự do G dọc theo phản ứng. Khi không có enzyme (màu mực), E_a = 80 kJ/mol; ít phân tử đủ năng lượng để vượt qua, nên phản ứng chậm. Enzyme (màu đỏ) tạo một con đường có E_a = 40 kJ/mol, và nhiều phân tử hơn hẳn vượt qua được.

	không có enzyme	có enzyme
năng lượng hoạt hóa (kJ/mol)	80	40
ΔG của phản ứng (kJ/mol)	−30	−30

Với các rào cản này, ở nhiệt độ cơ thể phản ứng có xúc tác chạy nhanh hơn khoảng 5.5 × 10⁶ lần.

Điều enzyme không thay đổi: năng lượng của chất phản ứng và sản phẩm, nên ΔG vẫn như cũ, và chiều của phản ứng. Enzyme làm nhanh một phản ứng vốn sẽ xảy ra; nó không thể khiến một phản ứng cần năng lượng tự xảy ra.

3.2 · Nhiệt độ và pH

mỗi enzyme có điều kiện tối ưu riêng

Enzyme hoạt động nhanh nhất ở nhiệt độ và pH tối ưu. Lệch khỏi mức đó, tốc độ giảm.

Nhiệt độ. Nóng lên làm phân tử chuyển động nhanh hơn, nên chúng va chạm thường xuyên hơn và với nhiều năng lượng hơn: dưới mức tối ưu, tốc độ tăng, thường khoảng 2× cho mỗi 10 °C. Trên mức đó, nhiệt phá vỡ các liên kết hydrogen và các tương tác yếu khác giữ hình dạng protein, trung tâm hoạt động mất hình dạng, và tốc độ giảm mạnh. Đây là sự biến tính. Trong hình, nhiệt độ tối ưu khoảng 37 °C, điển hình của một enzyme ở người.

Q₁₀. Hệ số mà tốc độ thay đổi qua 10 °C. Nếu một phản ứng chạy ở 3.2 μmol/min tại 15 °C và 6.4 μmol/min tại 25 °C:

Q_{10} = \left(\frac{R_2}{R_1}\right)^{10/(T_2 - T_1)} = \left(\frac{6.4}{3.2}\right)^{10/10} = 2.0

pH. Nồng độ H⁺ làm thay đổi điện tích trên các chuỗi bên, từ đó thay đổi sự cuộn gấp của protein và điện tích trong trung tâm hoạt động. Pepsin hoạt động trong dạ dày (pH tối ưu 2); trypsin trong ruột non (pH tối ưu 8).

Sự biến tính đôi khi có thể đảo ngược: nếu hình dạng trở lại khi điều kiện trở lại, thì hoạt tính cũng trở lại.

3.2 · Nồng độ và chất ức chế

cái gì lấp đầy các trung tâm hoạt động

Khi có nhiều cơ chất hơn, tại mỗi thời điểm có nhiều trung tâm hoạt động được chiếm giữ hơn, nên tốc độ tăng, cho đến khi gần như mọi trung tâm đều bận và tốc độ ổn định ở V_max (ở đây là 10 μmol/min).

Đến lúc đó, chỉ có thêm enzyme mới làm phản ứng nhanh hơn: khi cơ chất dư, tốc độ tỉ lệ thuận với nồng độ enzyme. Sản phẩm tích tụ cũng làm phản ứng thuần chậm lại.

Chất ức chế làm giảm tốc độ.

	gắn vào	thêm cơ chất
cạnh tranh	trung tâm hoạt động	cơ chất thắng thế: V_max không đổi
không cạnh tranh	vị trí khác (dị lập thể)	không giúp ích: V_max giảm

Chất ức chế cạnh tranh giống cơ chất và chiếm trung tâm hoạt động; khi [S] cao, cơ chất giành được hầu hết các trung tâm, nên đường cong màu xanh vẫn tăng dần về 10. Chất ức chế không cạnh tranh gắn vào một vị trí dị lập thể và làm đổi hình dạng enzyme khiến trung tâm hoạt động không còn hoạt động được; đường cong màu đỏ chỉ đạt tối đa 5, dù thêm bao nhiêu cơ chất.

Tế bào tận dụng điều này: sản phẩm cuối của một con đường chuyển hóa thường ức chế dị lập thể enzyme đầu tiên của nó (ức chế ngược). Nhiều enzyme còn cần một cofactor (ion kim loại như Mg²⁺) hoặc coenzyme (phân tử hữu cơ, thường có nguồn gốc từ vitamin) để có hình dạng hoạt động.

3.3 · Năng lượng tế bào

ATP chi trả cho những gì không tự xảy ra

Sự sống có trật tự, và trật tự không tự duy trì. Hệ sống cần nguồn năng lượng liên tục; năng lượng được truyền qua các con đường nối tiếp và một phần mất đi dưới dạng nhiệt ở mỗi bước.

Điều này không vi phạm định luật hai của nhiệt động lực học: tế bào trở nên trật tự hơn trong khi môi trường xung quanh trở nên mất trật tự hơn, với nhiệt và các phân tử đơn giản hơn (CO₂, H₂O) được giải phóng. Khi nguồn năng lượng ngừng, trật tự mất đi và sinh vật chết.

Phản ứng có ΔG < 0 giải phóng năng lượng (tỏa năng lượng) và có thể tự xảy ra. Phản ứng có ΔG > 0 cần năng lượng (thu năng lượng). Tế bào thực hiện phản ứng thu năng lượng bằng cách ghép nó với một phản ứng tỏa năng lượng, thường là sự thủy phân ATP.

Ví dụ. Tạo glutamine từ glutamate và ammonia:

phản ứng	ΔG (kJ/mol)
glutamate + NH₃ → glutamine	+14.2
ATP + H₂O → ADP + P_i	−30.5
phản ứng ghép	14.2 + (−30.5) = −16.3

Sự ghép này diễn ra qua hóa học: ATP chuyển nhóm phosphate cuối cho glutamate, glutamate đã phosphoryl hóa kém bền hơn và phản ứng với NH₃, rồi nhóm phosphate rời ra. Cặp phản ứng này có ΔG < 0 nên xảy ra được.

3.4 · Pha sáng

ánh sáng, chuỗi electron và građien proton

In the thylakoid membranes of the chloroplast, light energy is turned into the chemical energy of ATP and NADPH.

Capturing light. Chlorophylls in photosystem II and photosystem I absorb light, which excites electrons to a higher energy level. Other pigments (chlorophyll b, carotenoids) absorb other wavelengths and pass the energy on; this variety of molecules widens the range of light a plant can use.

The electron transport chain. Excited electrons leave PS II and pass along carriers to PS I, which re-excites them, and then to NADP⁺, making NADPH. PS II replaces its electrons by splitting water: 2 H₂O → 4 H⁺ + 4 e⁻ + O₂. That is where the O₂ comes from.

Chemiosmosis. The electrons’ energy pumps H⁺ into the thylakoid space, and water splitting adds more there. The lumen reaches about pH 5, the stroma about pH 8: 1,000 times more H⁺ inside. H⁺ can only flow back out through ATP synthase; the flow turns its rotor, and the turning makes ATP from ADP and P_i on the stroma side.

Photosynthesis first evolved in prokaryotes (cyanobacteria), whose O₂ changed Earth’s atmosphere; chloroplasts descend from such a cell.

3.4 · Chu trình Calvin

carbon được cố định thành đường

Trong chất nền lục lạp, ATP và NADPH từ các phản ứng sáng cung cấp năng lượng cho chu trình Calvin, chu trình tạo đường từ CO₂.

Cố định. Enzyme rubisco gắn mỗi CO₂ vào một chất nhận 5 carbon (RuBP); sản phẩm tách thành hai phân tử 3 carbon.

Khử. ATP và các electron của NADPH biến chúng thành đường 3 carbon G3P.

Tái tạo. Phần lớn G3P, cùng với thêm ATP, được sắp xếp lại thành chất nhận, nhờ đó chu trình tiếp tục. Phần còn lại rời đi để tạo glucose và các phân tử khác.

Số liệu. Carbon được bảo toàn, nên để xuất ra một G3P 3 carbon, chu trình phải cố định 3 CO₂:

	CO₂	ATP	NADPH
mỗi G3P	3	6 + 3 = 9	6
mỗi glucose (2 G3P)	6	18	12

Các phản ứng sáng và chu trình Calvin phụ thuộc lẫn nhau: chu trình trả lại ADP và NADP⁺ để màng nạp lại năng lượng. Trong bóng tối, ATP và NADPH cạn kiệt và chu trình dừng lại. Tên các chất trung gian chỉ có ở đây để theo dõi carbon; kì thi không hỏi về chúng.

3.5 · Đường phân và chu trình Krebs

phân giải glucose

Hô hấp tế bào giải phóng năng lượng trong glucose từng bước. Các giai đoạn đầu tách carbon của nó ra dưới dạng CO₂ và đưa electron của nó lên các chất mang.

Đường phân, diễn ra ở tế bào chất, tách glucose thành hai phân tử pyruvate 3 carbon. Quá trình này dùng 2 ATP và tạo 4, thu được thuần 2 ATP, và đưa 2 NAD⁺ thành NADH. Nó không cần O₂.

Oxi hóa pyruvate. Pyruvate được vận chuyển vào chất nền ti thể và chuyển thành acetyl-CoA, giải phóng một CO₂ và tạo một NADH.

Chu trình Krebs, diễn ra ở chất nền, oxi hóa nhóm acetyl thành 2 CO₂, tạo ATP, NADH và FADH₂. Chu trình quay hai vòng cho mỗi glucose.

mỗi glucose	ATP	NADH	FADH₂	CO₂
đường phân	2	2	0	0
oxi hóa pyruvate	0	2	0	2
chu trình Krebs	2	6	2	4
tổng	4	10	2	6

Cả sáu carbon của glucose rời đi dưới dạng 6 CO₂ trong phương trình tổng quát. Đến lúc này mới tạo được 4 ATP; phần lớn năng lượng nằm trong 12 chất mang đã được nạp.

3.5 · Phosphoryl hóa oxi hóa

chuỗi chuyền electron, građien và ATP synthase

NADH và FADH₂ chuyển electron của chúng cho chuỗi vận chuyển electron ở màng trong ti thể. Ở sinh vật nhân sơ, chuỗi này nằm ở màng sinh chất.

Các electron đi từ chất mang này sang chất mang khác, mỗi chất mang giữ chúng chặt hơn, và năng lượng chúng giải phóng bơm H⁺ từ chất nền vào khoang giữa hai màng. Ở cuối chuỗi, O₂ là chất nhận electron cuối cùng: nó nhận electron và H⁺ rồi trở thành nước. Một số sinh vật nhân sơ dùng chất nhận cuối cùng khác, như sulfate hoặc nitrate.

Građien đẩy H⁺ chảy ngược qua ATP synthase, làm nó quay và tạo ATP: đó là thẩm thấu hóa học, giống như ở lục lạp. Màng trong gấp nếp thành các mào tạo chỗ cho nhiều chuỗi.

Hiệu suất. Khoảng 2.5 ATP cho mỗi NADH và 1.5 cho mỗi FADH₂:

10(2.5) + 2(1.5) + 4 = 32\ \text{ATP}

Đó là khoảng 34% trong 2870 kJ/mol của glucose được giữ lại dưới dạng ATP (32 × 30.5 kJ/mol); phần còn lại là nhiệt. Không có O₂, chuỗi bị ứ lại và dừng.

Tách cặp. Nếu H⁺ rò ngược qua màng mà không đi qua ATP synthase, sự vận chuyển electron vẫn tiếp tục nhưng năng lượng của građien được giải phóng dưới dạng nhiệt. Mô mỡ nâu làm điều này một cách có chủ đích để giữ ấm cho động vật hằng nhiệt.

3.5 · Lên men

ATP khi không có oxygen

Without O₂, glycolysis can still make 2 ATP per glucose, if it has NAD⁺.

Glycolysis turns NAD⁺ into NADH. With no O₂ to empty the chain, the NADH cannot unload there, and the cell would soon run out of NAD⁺. Fermentation regenerates it: pyruvate (or a product of it) takes NADH’s electrons.

	pyruvate becomes	where
lactic acid fermentation	lactate	muscle cells, some bacteria
alcohol fermentation	ethanol + CO₂	yeast, some bacteria

Fermentation itself makes no ATP; it keeps glycolysis going. With O₂, the same glucose gives about 32 ATP, 16 times as much. A fermenting cell must burn glucose far faster for the same ATP.

Glycolysis is found in nearly every organism and needs no O₂ or membrane-bound organelle, evidence that it evolved early, before O₂ was in the atmosphere.