Năng lượng và hô hấp

Tế bào cần nguồn cung cấp năng lượng ổn định, mà chúng nhận được từ hô hấp. Năng lượng cần thiết cho:

• vận chuyển chủ động (di chuyển chất ngược chiều gradient),
• chuyển động (ví dụ co cơ),
• phản ứng tổng hợp — xây dựng các phân tử lớn, chẳng hạn như trong sao chép DNA và tổng hợp protein.

ATP là phân tử mang năng lượng đến nơi cần thiết. Nó được tạo thành từ ADP và một nhóm phosphate; khi nó mất đi nhóm phosphate đó, nó giải phóng một đợt năng lượng nhỏ, có thể sử dụng được. ATP phù hợp tốt với nhiệm vụ này, nên ta gọi nó là tiền tệ năng lượng phổ quát:

• nó giải phóng năng lượng nhanh chóng, với số lượng nhỏ khớp với nhu cầu của tế bào.
• nó dễ dàng được tạo ra và tái tạo, lặp đi lặp lại.
• nó nhỏ và tan trong nước, nên di chuyển dễ dàng quanh tế bào.

ATP được tạo thành theo hai cách: bằng cách chuyển giao trực tiếp nhóm phosphate trong các phản ứng phosphorylation, và bằng chemiosmosis xuyên qua màng của mitochondria và lục lạp.

Một chất nền hô hấp là một phân tử bị phân giải để giải phóng năng lượng. Theo mỗi gam, lipit giải phóng nhiều năng lượng nhất (chúng có nhiều hydro nhất), protein đứng thứ hai và carbohydrate ít nhất.

Hệ số hô hấp (RQ) so sánh các khí trao đổi:

Bạn có thể tính RQ từ phương trình hô hấp. Carbohydrat cho RQ khoảng 1.0, lipid khoảng 0.7 và protein khoảng 0.9.

Ví dụ có hướng dẫn. Tìm RQ cho quá trình hô hấp hiếu khí của glucose: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$.

Đây là lý do tại sao RQ gần $1.0$ gợi ý rằng sinh vật đang hô hấp bằng carbohydrate; RQ thấp hơn (khoảng $0.7$) gợi ý rằng nó đang sử dụng lipid, điều này cần nhiều oxy hơn cho mỗi phân tử $\text{CO}_2$.

Một thiết bị đo hô hấp đo oxy được sinh vật sống như hạt đang nảy mầm hoặc các động vật không xương sống nhỏ hấp thụ, và được dùng để tìm RQ của chúng.

Hô hấp hiếu khí (có oxy) gồm bốn giai đoạn, mỗi giai đoạn diễn ra ở vị trí xác định trong tế bào:

Glycolysis

Glucose (6 carbon) đầu tiên bị phosphoryl hóa, sử dụng 2 ATP, để tạo fructose bisphosphate (6C). Phân tử 6C này bị chia cắt thành hai phân tử triose phosphate (mỗi loại 3C). Sau đó chúng bị oxid hóa thành pyruvate (3C). Glycolysis tạo ra lợi nhuận ròng là 2 ATP và một số NAD bị khử (NAD là một coenzyme, một phân tử trợ giúp).

Phản ứng liên kết

Khi có sẵn oxy, pyruvate đi vào ti thể. Tại đó, mỗi pyruvate mất một carbon dioxide và chuyển thành nhóm acetyl 2-carbon. Nhóm này được mang bởi coenzyme AA để tạo acetyl coenzyme A. Một phần carbon dioxide được giải phóng và NAD bị khử.

Chu kỳ Krebs

Nhóm acetyl 2C kết hợp với phân tử 4 carbon, oxaloacetate, để tạo ra phân tử 6 carbon, citrate. Citrate sau đó được chuyển đổi trở lại thành oxaloacetate qua một loạt các bước nhỏ, sẵn sàng chấp nhận nhóm acetyl tiếp theo. Trong các bước này:

• decarboxylation loại bỏ carbon dưới dạng carbon dioxide.
• dehydrogenation loại bỏ hydro, làm khử các coenzyme NAD và FAD.

NAD và FAD bị khử sau đó mang hydro đến các bộ vận chuyển trên màng trong ti thể.

Phosphoryl hóa oxy hóa

Giai đoạn này tạo ra phần lớn ATP:

1. các nguyên tử hydro tách thành proton và electron năng lượng cao.
2. các electron truyền dọc theo chuỗi truyền electron, giải phóng năng lượng khi di chuyển.
3. năng lượng này được dùng để bơm proton xuyên qua màng trong.
4. các proton chảy ngược trở lại ma trận thông qua một kênh gọi là ATP synthase ATP. Dòng chảy này cung cấp năng lượng để tạo ATP (đây là chemiosmosis).
5. oxy là chất nhận electron cuối cùng: nó kết hợp với electron và proton để tạo nước.

Cấu trúc của ti thể

Màng trong gấp nếp thành cristae, tạo diện tích lớn cho chuỗi truyền electron và ATP synthase. Ma trận bên trong chứa các chất và trợ thủ cho phản ứng liên kết và chu kỳ Krebs.

Khi không có oxy, chỉ có glycolysis mới hoạt động. Để duy trì glycolysis, tế bào phải tiêu thụ NAD bị khử. Điều này xảy ra qua lên men:

• ở động vật có vú, pyruvate được chuyển thành lactate (lên men lactate). Lactate sau đó bị phân hủy khi oxy trở lại.
• ở nấm men, pyruvate được chuyển thành ethanol và carbon dioxide (lên men ethanol).

Hô hấp kỵ khí sinh ra ít năng lượng hơn nhiều so với hô hấp hiếu khí. Hô hấp hiếu khí còn thực hiện chu trình Krebs và phosphoryl hóa oxy hóa, giải phóng rất nhiều ATP, trong khi hô hấp kỵ khí chỉ thu được số lượng nhỏ từ glycolysis.

Cây lúa có thể phát triển với phần rễ dưới nước, nơi có rất ít oxy. Cây thích nghi theo ba cách: nó phát triển aerenchyma (khoảng trống chứa không khí) trong rễ để dẫn không khí xuống; các rễ sử dụng lên men ethanol để tiếp tục sản xuất một ít ATP; và thân cây grows nhanh hơn để vươn lên trên mặt nước.

Một chất chỉ thị redox như DCPIP hoặc methylene blue mất màu khi nhận hydro từ các tế bào đang hô hấp. Màu càng mất nhanh thì nấm men càng hô hấp mạnh, do đó bạn có thể kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ hoặc nồng độ cơ chất. Một respirometer cũng có thể dùng để đo sự thay đổi tốc độ tiêu thụ oxy theo nhiệt độ.

• Nêu vị trí diễn ra mỗi giai đoạn và năng suất ATP: glycolysis (tế bào chất), phản ứng liên kết + Krebs (ma trận), phosphoryl hóa oxy hóa (màng trong, nhiều ATP nhất).
• Giải thích vai trò của NAD/FAD (mang hydro đến chuỗi truyền electron) và của oxy (chất nhận electron cuối cùng).
• RQ $=$ CO2 sinh ra $\div$ O2 tiêu thụ ($\approx 1.0$ carbohydrate, $0.7$ lipid); biết cách respirometer đo RQ.
• Hô hấp kỵ khí tạo lactat (động vật) hoặc ethanol + CO2 (nấm men/cây) và rất ít ATP (chỉ từ glycolysis).