Chuỗi vận chuyển electron

Chuỗi vận chuyển electron được nghiên cứu kỹ nhất là chuỗi ở ti thể. Chuỗi bao gồm một dãy các chất mang electron hoạt động phối hợp với nhau để vận chuyển electron từ các chất cho như NADH và FADH₂ tới các chất nhận như O₂ (Hình 13).

Các electron di chuyển từ các chất mang với thế khử âm hơn tới các chất mang với thế khử dương hơn, cuối cùng kết hợp với O₂ và H⁺ tạo thành nước. Các electron vận chuyển xuôi theo gradien thế năng tương tự như nước chảy xuôi qua một dãy thác ghềnh. Sự khác nhau trong thế khử giữa O₂ và NADH là lớn, khoảng 1,14V giúp cho việc giải phóng một lượng lớn năng lượng. Sự thay đổi thế năng ở một số điểm trong chuỗi đủ lớn để cung cấp năng lượng cho việc tạo thành ATP tương tự như năng lượng từ thác nước chảy xuống các bánh xe dùng để sản xuất điện. Chuỗi vận chuyển electron đã phân tách toàn bộ năng lượng thoát ra thành các bước nhỏ. Một phần năng lượng giải phóng được bảo tồn ở dạng ATP. Việc vận chuyển electron ở những bước này có thể tạo ra các gradien proton và gradien điện tích. Sau đó các gradien này có thể hướng dẫn tổng hợp ATP.

Các chất mang trong chuỗi vận chuyển electron nằm bên trong màng trong của ti thể hoặc màng sinh chất ở vi khuẩn. Sở dĩ vậy vì: (1) Các chất này cần ở sát gần nhau để thuận tiện cho việc chuyền các electron cho nhau; (2) Mục đích của chuỗi là bơm H⁺ qua màng để tạo thành gradient H⁺, do đó nếu không có màng cũng sẽ không có gradient. Hệ thống ti thể được sắp xếp thành 4 phức hợp các chất mang, mỗi phức hợp có thể vận chuyển một phần của các electron của con đường tới O₂ (Hình 14). Coenzyme Q và Cytochrome c liên kết các phức hợp với nhau.

Quá trình nhờ đó năng lượng từ sự vận chuyển electron được dùng để tổng hợp ATP được gọi là phosphoryl hoá oxy hoá. Do đó cứ 3 phân tử ATP có thể được tạo thành từ ADP và Pi mỗi khi một cặp electron chuyển từ NADH tới một nguyên tử của O₂. Điều này cũng chi như nói tỉ lệ của phosphorus đối với oxy (P/O) là bằng 3. Vì các electron từ FADH₂ chỉ đi qua hai điểm phosphoryl hoá oxy hoá nên tỉ lệ P/O cực đại đối với FADH₂ là 2. Ở ti thể tỉ lệ P/O thực sự có thể nhỏ hơn 3 và 2.

Mặc dù một số chuỗi hô hấp ở vi khuẩn tương tự như ở ti thể nhưng nói chung chúng rất khác. Chẳng hạn các chất mang electron (ví dụ các Cytochrome) thường không chi nhau và các chuỗi ở vi khuẩn có thể phân nhánh mạnh mẽ. Các electron thường có thể đi vào chuỗi ở một số điểm và rời khỏi chuỗi qua một số oxydase tận cùng. Các chuỗi ở vi khuẩn cũng có thể ngắn hơn và có tỉ lệ P/O thấp hơn các chuỗi ở ti thể. Như vậy, các chuỗi vận chuyển electron ở sinh vật nhân nguyên thuỷ và sinh vật nhân thật khác nhau trong chi tiết về cấu trúc mặc dù chúng đều hoạt động theo các nguyên tắc cơ bản chi nhau.

Những sự khác nhau trong chuỗi vận chuyển electron thể hiện rõ rệt ở E. coli và Paracoccus denitrificans. Hình 15 là sơ đồ đơn giản chuỗi vận chuyển electron ở E. coli. Mặc dù vi khuẩn này vận chuyển các electron từ NADH tới các chất nhận và vận chuyển các proton qua màng sinh chất nhưng chuỗi vận chuyển ở E. coli hoàn toàn khác với ở ti thể. Chẳng hạn, chuỗi ở E. coli phân nhánh và chứa các Cytochrome rất khác nhau. CoQ hoặc ubiquinol cung cấp các electron cho cả hai nhánh nhưng chúng hoạt động dưới các điều kiện sinh trưởng khác nhau. Nhánh Cytochrome d có ái lực rất cao đối với oxy và hoạt động ở nồng độ oxy thấp. Nhánh này hoạt động kém hiệu quả hơn nhánh Cytochrome o vì không chủ động bơm proton. Nhánh Cytochrome o có ái lực cao trung bình đối với oxy,là một bơm proton và hoạt động ở nồng độ oxy cao hơn.

Paracoccus denitrificans là một vi khuẩn đất, gram âm, kị khí không bắt buộc, có thể sinh trưởng dị dưỡng với hàng loạt chất dinh dưỡng hoặc tự dưỡng với H₂ và CO₂ nhờ là chất nhận electron. Chuỗi vận chuyển electron hiếu khí gồm 4 phức hợp chi như ở ti thể (hình 16a). Ngoài các chất cho như NADH, succinat vi khuẩn nói trên còn oxy hoá metanol, metylamin như nguồn carbon duy nhất cho sinh trưởng. Các electron đi vào chuỗi ở vị trí Cytochrome c. Metanol bị oxy hoá thành formaldehit, chất này được chuyển thành CO₂ và đi vào chu trình Calvin. Khi vi khuẩn sinh trưởng kỵ khí với là chất nhận electron chuỗi sẽ được sắp xếp hoàn toàn khác (Hình 16b).

Phức hợp Cytochrome aa3 không hoạt động. Các electron từ Cytochrome c của chuỗi được chuyển tới nitrite -, oxyd nitric - và oxyd nitro reductase. Nitrate reductase nhận electron từ CoQ. Số lượng proton tách khỏi màng sắp xếp theo kiểu này là không lớn nhưng nhờ vậy vi khuẩn có khả năng sinh trưởng kỵ khí.

Phosphoryl hoá oxy hoá

Mặc dù đã được nghiên cứu tích cực trong nhiều năm nhưng chỉ gần đây cơ chế của phosphoryl hoá oxy hoá mới được chấp nhận rộng rãi theo giả thuyết hoá thẩm thấu (chemiosmosis) do nhà sinh hoá người Anh Peter Mitchell đề xuất đầu tiên vào năm 1951. Theo giả thuyết này chuỗi vận chuyển electron được sắp xếp sao cho các proton được đẩy từ chất nền ti thể ra phía ngoài, còn các electron thì được vận chuyển bên trong chuỗi (hình 17). Sự di chuyển của proton có thể xuất phát từ các núm (loop) của chất mang (hình 14) hay từ tác dụng của các bơm proton đặc biệt thu được năng lượng nhờ sự vận chuyển electron. Kết quả là xuất hiện một động lực proton (proton motive force, PMF) bao gồm một gradien proton và một thế hiệu màng do sự phân bố không đều của điện tích. Khi các proton di chuyển trở lại chất nền ti thể nhờ PMF ATP sẽ được tổng hợp ngược chiều với phản ứng thuỷ phân ATP (hình 17).

Ở vi khuẩn cũng diễn ra quá trình tương tự: dòng electron tạo điều kiện cho các proton di chuyển ra phía ngoài qua màng sinh chất (Hình 15 và 16) sau đó ATP được tổng hợp khi các proton này khuếch tán trở lại tế bào. PMF cũng có thể hướng dẫn vận chuyển các phân tử qua màng cũng như sự quay của tiên mao nghĩa là đóng vai trò trung tâm trong sinh lý học của vi khuẩn (Hình 18). Giả thuyết hoá thẩm thấu được chấp nhận bởi hầu hết các nhà vi sinh vật học. Việc tạo thành gradien proton và gradien điện tích qua màng đã được chứng minh rõ rệt. Tuy nhiên, chứng cớ gradien proton là động lực trực tiếp của phosphoryl hoá oxy hoá vẫn chưa được khẳng định. Ở một số vi khuẩn biển ưa mặn các ion natri có thể được dùng để hướng dẫn tổng hợp ATP.

Màng sinh chất Chất nền

Dù cơ chế nào là chính xác, việc tổng hợp ATP đều diễn ra trên F₁F₀ ATPase hoặc ATP-synthase (Hình 19). Thành phần F₁ ở ti thể có cấu trúc hình cầu gắn vào bề mặt màng bên trong ti thể bởi một cuống, còn thành phần F₀ được lắp vào màng. F₁F₀ - ATPase ở vi khuẩn lại nằm ở bề mặt bên trong của màng sinh chất. F₀ tham gia vào việc di chuyển của proton qua màng và việc di chuyển này qua một rãnh trong F₀ có thể dùng để hướng dẫn phosphoryl hoá oxy hoá. F₁ là một phức hợp lớn chứa 3 dưới - đơn vị α luân phiên với 3 dưới - đơn vị β. Dưới - đơn vị γ kéo dài từ phức hợp α₃β₃ xuống phía dưới. Dưới - đơn vị này bao gồm một phần của cuống và tương tác với F₀. Dưới - đơn vị δ cũng nằm ở phần cuống. Phần lớn dưới - đơn vị γ gặp ở trung tâm của F₁ được bao quanh bởi các dưới - đơn vị α và β. Dưới - đơn vị  quay nhanh theo hướng trái chiều kim đồng hồ bên trong phức hợp α₃β₃ tựa như trục quay ô tô và gây ra những thay đổi hình thể hướng dẫn tổng hợp ATP ở các vị trí hoạt động trên các dưới - đơn vị β (Hình 19b). Do đó ATP - synthase là một động cơ quay nhỏ nhất hiện biết, nhỏ hơn nhiều so với tiên mạo vi khuẩn.

Ở nồng độ đủ cao nhiều hoá chất kìm hãm tổng hợp ATP trong điều kiện hiếu khí và thậm chí có thể giết chết tế bào. Các chất kìm hãm này, nói chung, có thể được phân thành hai loại. Một số ngăn cản trực tiếp việc vận chuyển electron. Chất kháng sinh pierixidin cạnh tranh với CoQ; chất kháng sinh antimixin A cản trở việc vận chuyển electron giữa các Cytochrome b và c; xianit và azit làm ngừng việc vận chuyển electron giữa Cytochrome a và O₂ do chúng có cấu trúc tương tự với O₂.

Một nhóm chất kìm hãm khác gọi là chất cách li (uncoupler) có tác dụng đình chỉ tổng hợp ATP nhưng không ức chế việc vận chuyển electron. Trên thực tế, các chất cách li cũng có thể nâng cao tốc độ di chuyển của electron. Thông thường, sự vận chuyển electron liên kết chặt chẽ với phosphoryl hoá oxy hoá sao cho tốc độ tổng hợp ATP điều hoà tốc độ vận chuyển electron. Tổng hợp ATP trong phosphoryl hoá oxy hoá diễn ra càng nhanh thì chuỗi vận chuyển electron hoạt động để cung cấp năng lượng cần thiết cũng càng nhanh. Các chất cách li tách riêng phosphoryl hoá oxy hoá khỏi vận chuyển electron. Vì vậy, năng lượng do chuỗi thải ra sẽ ở dạng nhiệt chứ không phải ATP. Nhiều chất cách li như dinitrophenol và valinomixin có thể cho phép các ion H⁺, K⁺ và các ion khác qua màng mà không hoạt hoá F₁F₀-ATPase. Kết quả là các gradien pH và ion bị phá huỷ. Valinomixin cũng có thể liên kết trực tiếp với F₁F₀-ATPase và kìm hãm hoạt tính của enzyme này.

Sản lượng của ATP trong đường phân và hô hấp hiếu khí

Sản lượng cực đại của ATP ở các sinh vật nhân thật trong quá trình đường phân, chu trình TCA và vận chuyển electron có thể được tính toán dễ dàng. Sự chuyển hoá glucose thành 2 pyruvate trong đường phân cho 2NADH và 2 ATP. Vì 1 NADH ở tế bào chất có thể sản ra cực đại 2-3 ATP trong vận chuyển electron và phosphoryl hoá oxy hoá (tỉ lệ P/O = 2 hoặc 3), tổng sản lượng ATP khi có mặt O₂ của con đường phân là 6-8 phân tử.

Khi O₂ có mặt và chuỗi vận chuyển electron hoạt động pyruvate sẽ bị oxy hoá tiếp thành Acetyl-CoA tức cơ chất cho chu trình TCA. Phản ứng này sản ra 2NADH vì 2 pyruvate xuất hiện từ một glucose, do đó 6ATP nữa được tạo thành. Việc oxy hoá một phân tử Acetyl-CoA trong chu trình TCA sản ra 1GTP (hoặc ATP), 3NADH và 1FADH₂ nghĩa là nếu 2 phân tử Acetyl - CoA bị oxy hoá trong chu trình trên thì sẽ xuất hiện 2GTP (ATP), 6NADH và 2FADH₂. Theo bảng 9.2 việc oxy hoá NADH và FADH₂ trong chu trình thông qua chuỗi vận chuyển electron sẽ cung cấp tối đa là 38ATP. Tuy nhiên, những tính toán được tóm tắt và trình bày ở bảng 9.2 chỉ là lý thuyết và dựa vào tỉ lệ P/O (số lượng ATP tạo thành khi một nguyên tử oxy bị khử bởi 2 electron trong sự vận chuyển electron) là 3 đối với việc oxy hoá NADH và 2 đối với việc oxy hoá FADH₂. Trên thực tế tỉ lệ P/O có lẽ vào khoảng 2,5 đối với NADH và 1,5 đối với FADH₂. Như vậy tổng sản lượng ATP trong điều kiện hiếu khí có thể xấp xỉ chỉ 30 hơn là 38ATP.

Vì các hệ thống vận chuyển electron ở vi khuẩn thường có tỉ lệ P/O thấp hơn hệ thống ở ti thể nên sản lượng ATP ở vi khuẩn trong điều kiện hiếu khí có thể ít hơn. Chẳng hạn, E. coli với chuỗi vận chuyển electron ngắn có tỉ lệ P/O khoảng 1,3 khi sử dụng nhánh cytochrome bo ở nồng độ oxy cao và chỉ 0,67 khi sử dụng nhánh Cytochrome bd (Hình 15) ở nồng độ oxy thấp. Trong trường hợp này việc tạo thành ATP thay đổi tuỳ theo điều kiện môi trường. Có lẽ vì thường sống ở những nơi như đường ruột rất giàu chất dinh dưỡng mà E. coli không cần phải tổng hợp ATP thật hiệu quả. Chuỗi vận chuyển electron chỉ hoạt động khi E. coli sống trong môi trường nước ngọt, hiếu khí giữa các vật chủ.

Rõ ràng, hô hấp hiếu khí hiệu quả hơn rất nhiều so với các quá trình kỵ khí không bao gồm sự vận chuyển electron và phosphoryl hoá oxy hoá. Chẳng hạn, dưới điều kiện kỵ khí khi NADH không bị oxy hoá bởi chuỗi vận chuyển electron chỉ 2ATP được tạo thành trong sự phân giải glucose thành pyruvate. Khi chuyển từ điều kiện kỵ khí sang điều kiện hiếu khí nhiều vi sinh vật giảm mạnh mẽ tốc độ phân giải đường và chuyển sang hô hấp hiếu khí. Đây là một hiện tượng điều chỉnh được gọi là hiệu ứng Pasteur. Hiệu ứng này có lợi rõ ràng cho vi sinh vật vì chỉ cần phân giải một lượng đường ít hơn mà vẫn thu được sản lượng ATP như nhau do quá trình hiếu khí đem lại hiệu quả hơn.