Chuỗi hô hấp là gì?

Định nghĩa

Chuỗi hô hấp là một quá trình tạo ra năng lượng trong các tế bào cơ thể của chúng ta. Nó tham gia vào chu trình axit citric và là bước cuối cùng trong quá trình phân hủy đường, chất béo và protein. Chuỗi hô hấp nằm ở màng trong của ti thể. Trong chuỗi hô hấp, các đương lượng khử (NADH + H + và FADH2) đã hình thành trong thời gian chờ đợi bị oxy hóa trở lại (các điện tử được trao ra), do đó một gradient proton có thể được hình thành. Điều này cuối cùng được sử dụng để tạo thành chất mang năng lượng phổ quát ATP (adenosine triphosphate). Oxy cũng cần thiết để chuỗi hô hấp có thể hoạt động hoàn toàn.

Trình tự của chuỗi hô hấp

Chuỗi hô hấp được tích hợp vào màng trong ty thể và bao gồm tổng cộng năm phức hợp enzyme. Nó tiếp tục từ chu trình axit xitric, trong đó các đương lượng khử NADH + H + và FADH2 được hình thành. Các chất tương đương khử này tạm thời lưu trữ năng lượng và bị oxy hóa trở lại trong chuỗi hô hấp. Quá trình này diễn ra ở hai phức hợp enzym đầu tiên trong chuỗi hô hấp.

Phức hợp 1: NADH + H + đạt đến phức hợp thứ nhất (NADH ubiquinone oxidoreductase) và giải phóng hai điện tử. Đồng thời, 4 proton được bơm từ không gian ma trận vào không gian nội màng.

Phức hợp 2: FADH2 giải phóng hai điện tử của nó tại phức hợp enzyme thứ hai (succinate-ubiquinone-oxidoreductase), nhưng không có proton nào xâm nhập vào không gian giữa màng.

Phức hợp 3: Các điện tử được giải phóng được chuyển cho phức hợp enzyme thứ ba (ubiquinone cytochrome c oxidoreductase), nơi 2 proton khác được bơm từ không gian ma trận vào không gian nội màng.

Phức hợp 4: Cuối cùng, các điện tử đi đến phức hợp thứ tư (cytochrome c oxidase). Tại đây, các điện tử được chuyển đến oxy (O2), do đó với hai proton bổ sung, nước (H2O) được tạo ra. Trong quá trình này, 2 proton lại đi vào không gian nội màng.

Phức hợp 5: Tổng cộng tám proton bây giờ đã được bơm từ không gian ma trận vào không gian nội màng. Yêu cầu cơ bản đối với chuỗi vận chuyển điện tử là độ âm điện của phức hợp enzym tăng dần. Điều này có nghĩa là khả năng hút điện tử âm của phức hợp enzyme ngày càng mạnh.
Ngoài sản phẩm cuối cùng đầu tiên là nước, một gradient proton đã được hình thành trong không gian nội màng thông qua chuỗi hô hấp. Điều này dự trữ năng lượng được sử dụng để tạo ATP (adenosine triphosphate). Đây là công việc của phức hợp enzyme thứ năm và cuối cùng (ATP synthase). Phức hợp thứ năm kéo dài qua màng ty thể như một đường hầm. Thông qua đó, do sự khác biệt về nồng độ, các proton chảy ngược trở lại không gian ma trận. Điều này tạo ra ATP từ ADP (adenosine diphosphate) và phosphate vô cơ, có sẵn cho toàn bộ sinh vật.

Bơm proton làm gì?

Bơm proton là phức hợp enzym thứ năm và cuối cùng trong chuỗi hô hấp. Thông qua đó, các proton chảy ngược lại từ không gian màng vào không gian ma trận. Điều này chỉ có thể thực hiện được nhờ sự chênh lệch nồng độ đã được thiết lập trước đó giữa hai không gian phản ứng. Năng lượng lưu trữ trong gradient proton được sử dụng để tổng hợp ATP (adenosine triphosphate) từ phosphate và ADP.
ATP là chất mang năng lượng chung của cơ thể chúng ta và cần thiết cho nhiều loại phản ứng. Vì nó được tạo ra ở bơm proton nên nó còn được gọi là ATP synthase.

Cân bằng của chuỗi hô hấp

Sản phẩm cuối cùng quyết định của chuỗi hô hấp là ATP (adenin triphosphat), là chất mang năng lượng phổ quát trong cơ thể. ATP được tổng hợp với sự trợ giúp của một gradient proton phát sinh trong chuỗi hô hấp. NADH + H + và FADH2 có hiệu suất khác nhau. NADH + H + bị oxy hóa trở lại thành NAD + trong chuỗi hô hấp tại phức hợp enzyme đầu tiên và bơm tổng cộng 10 proton vào không gian nội màng. Khi FADH2 bị oxy hóa, hiệu suất thấp hơn, vì chỉ có 6 proton được vận chuyển vào không gian nội màng. Điều này là do FADH2 được đưa vào chuỗi hô hấp ở phức hợp enzym thứ hai và do đó bỏ qua phức hợp thứ nhất. Để tổng hợp một ATP, 4 proton phải chạy qua phức hợp thứ năm.
Do đó, mỗi NADH + H + 2,5 ATP (10/4 = 2,5) và mỗi FADH2 1,5 ATP (6/4 = 1,5) được tạo ra.
Khi một phân tử đường bị phân hủy thông qua quá trình đường phân, chu trình axit xitric và chuỗi hô hấp, tối đa 32 ATP có thể được tạo ra, sẵn có cho sinh vật.

Ti thể có vai trò gì?

Ti thể là bào quan tế bào có ở sinh vật động vật và thực vật. Các quá trình năng lượng khác nhau diễn ra trong ti thể, bao gồm cả chuỗi hô hấp. Vì chuỗi hô hấp là quá trình quyết định để tạo ra năng lượng, nên ty thể còn được gọi là "nhà máy điện của tế bào". Chúng có một màng kép, do đó có tổng số hai không gian phản ứng riêng biệt được tạo ra. Bên trong là không gian ma trận và không gian nội màng giữa hai màng. Hai không gian này là nền tảng cho dòng chảy của chuỗi hô hấp. Chỉ bằng cách này, gradient proton mới có thể được hình thành, điều này rất quan trọng cho quá trình tổng hợp ATP.

Đọc thêm về chủ đề trong bài viết này: Cấu trúc của ti thể

Xyanua làm gì trong chuỗi hô hấp?

Xyanua là chất độc nguy hiểm, bao gồm các hợp chất của hydro xyanua. Họ có thể đưa chuỗi hô hấp vào bế tắc.
Cụ thể, xyanua liên kết với sắt của phức hợp thứ tư của chuỗi hô hấp. Kết quả là, các điện tử không còn có thể được chuyển sang oxy phân tử. Kết quả là toàn bộ dây chuyền hô hấp không còn chạy được nữa.
Kết quả là thiếu nguồn năng lượng ATP (adenosine triphosphate) và cái gọi là "ngạt thở bên trong" xảy ra. Các triệu chứng như nôn mửa, bất tỉnh và chuột rút xảy ra rất nhanh sau khi ngộ độc xyanua và nếu không được điều trị sẽ dẫn đến tử vong nhanh chóng.

Dị tật chuỗi hô hấp là gì?

Dị tật chuỗi hô hấp là một bệnh chuyển hóa hiếm gặp, thường biểu hiện ở thời thơ ấu. Nguyên nhân là do những thay đổi trong thông tin di truyền (DNA). Các ty thể bị hạn chế chức năng của chúng và chuỗi hô hấp không hoạt động bình thường. Điều này đặc biệt dễ nhận thấy ở các cơ quan tiêu thụ nhiều năng lượng dưới dạng ATP (adenosine triphosphate).
Một triệu chứng điển hình là, ví dụ, đau cơ hoặc yếu cơ.
Việc điều trị bệnh này rất khó vì đây là bệnh di truyền. Cần đảm bảo rằng có đủ năng lượng cung cấp (ví dụ: qua glucose). Nếu không, điều trị triệu chứng hoàn toàn là thích hợp.