Chuỗi chuyền điện tử

Nhìn chung

Chuỗi chuyền điện tử bao gồm những phản ứng ôxi hóa khử xảy ra ở những khoảng không gian khác nhau, trong đó điện tử (electron) được chuyển từ một phân tử cho điện tử tới một phân tử nhận điện tử. Năng lượng cơ bản thúc đẩy các phản ứng này là năng lượng tự do Gibbs của tác chất và sản phẩm. Năng lượng tự do Gibbs là năng lượng có sẵn ("tự do") để làm việc. Bất cứ phản ứng nào làm giảm tổng năng lượng tự do Gibbs của một hệ thống sẽ tự động phát sinh. Sự chuyển điện tử bắt đầu từ một chất cho điện tử tới một chất nhận điện tử.
ATP synthase, một enzyme có cấu trúc được bảo tồn cao, được cung cấp năng lượng bởi một thế điện hóa proton xuyên màng, đó là kết quả của một loạt các phản ứng ôxi hóa khử. Chức năng của chuỗi chuyền điện tử là tạo ra thế điện hóa đó. Thế điện hóa xuyên màng có thể kích hoạt sự vận chuyển các nguyên tử xuyên qua màng sinh chất. Nó cũng có thể kích hoạt các hoạt động cơ học như hoạt động xoay của tiên mao hay sản xuất ATP nhằm cung cấp năng lượng cho các hoạt động của tế bào. Một lượng nhỏ ATP có sẵn ở sự phosphorylate hóa cấp độ chất nền, ví dụ như sự thủy phân glycogen. Trong phần lớn các cơ thể sống, đại bộ phận ATP được sản sinh ra từ chuỗi chuyền điện tử, trong khi một số nhỏ sản sinh ATP từ việc lên men.

Chuỗi chuyền điện tử trong ti thể

Phần lớn các tế bào nhân chuẩn bao hàm ti thể với chức năng sản sinh ATP thông qua chu trình Krebs, sự ôxi hóa axít béo, và sự ôxi hóa axít amin. Ở lớp màng trong của ti thể, điện tử (electron) từ NADH và succinate đi qua chuỗi chuyền điện tử tới ôxi - lúc này ôxi sẽ bị khử thành nước. Chuỗi chuyền điện tử bao hàm một chuỗi hơn 15 vật cho và vật nhận điện tử mang tính enzyme. Mỗi vật cho điện tử đi đưa các điện tử đến các vật nhận mang ái lực nhiều hơn với điện tử, vật nhận này lại tiếp tục chuyển điện tử đến một vật nhận sau nó; cuối cùng điện tử được chuyển đến cho ôxi, vật nhận có ái lực lớn nhất và cũng là vật nhận cuối cùng trong chuỗi chuyền điện tử. Việc chuyển điện tử như vậy giải phóng một năng lượng dùng để tạo nên thế proton (giữa hai không gian ti thể ngăn cách bởi màng ti thể) bằng cách bơm proton vào khoảng không giữa hai màng ti thể, tạo nên một trạng thái nhiệt động lực học mang một điện thế để thực thi các hoạt động. Ở đây, trong khi việc ôxi hóa kiểu "đốt cháy" giải phóng phần nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt, sự ôxi hóa sinh học ở ti thể giải phóng phần lớn năng lượng này ở dạng mà cơ thể có thể sử dụng được, việc này nhờ có những phương tiện cần thiết trong chuỗi chuyền điện tử.
Tuy nhiên, một phần nhỏ các điện tử có thể không kinh qua đầy đủ tất cả các vật cho/vật nhận mà chạy thẳng tới ôxi, hình thành nên các superoxide mang gốc tự do, một loại phân tử có hoạt tính hóa học cực mạnh có thể gây ra ứng kích ôxi hóa và là một trong những yếu tô gây ra lão hóa cùng một số bệnh tật khác.

Các vật mang ôxi hóa khử ti thể

Năng lượng sinh ra từ sự chuyển các điện tử (mũi tên đen) theo chuỗi chuyền điện tử được dùng để bơm proton (mũi tên đỏ) từ chất nền ti thể vào không gian giữa lớp màng kép của ti thể. Việc này khiến tính axít và độ dương điện của chất nền ti thể giảm xuống, tạo ra một sự chênh pH và thế điện màng sinh chất giữa hai môi trường ngăn cách bởi lớp màng ti thể, hai sự chênh lệch này tạo nên một thế proton điện hóa giữa hai không gian đó, gọi là ΔΨ. Thế điện hóa này thực thi một lực vận động proton có độ lớn vào khoảng 180-190mV nhằm kéo proton H⁺ về chất nền. Các proton này đi xuyên qua enzyme ATP synthease (gọi tắt ATP-ase) và giúp nó sản sinh ATP từ adenosine diphosphate (ADP) và phosphate vô cơ.
Phần lớn các protein tham gia vào chuỗi chuyền điện tử được phân thành các phức hợp enzyme hô hấp chính. Phức hợp I (NADH coenzyme Q reductase) nhận điện tử từ vật mang của chu trình Krebs (nicotinamide adenine dinucleotide - NADH) và chuyển chúng sang coenzyme Q (ubiquinone, viết tắt UQ). UQ cũng nhận điện tử từ phức hợp II (succinate dehydrogenase). Sau đó UQ chuyển điện tử sang phức hợp III (phức hợp cytochrome bc₁), phức hợp III lại đưa điện tử sang cytochrome c (viết tắt cyt c). Cyt c đưa điện tử sang phức hợp IV (cytochrome c oxidase), phức hợp IV sẽ dùng điện tử và các proton H₊ để khử ôxi thành nước.
4 phức hợp gắn trên màng sinh chất đã được nhận diện trong ti thể. Mỗi phức hợp này là một cấu trúc cực kỳ phức tạp nằm trong lớp nội màng của ti thể. Ba phức hợp là các bơm proton. Các phức hợp được liên kết bằng lực hút tĩnh điện bởi các vật mang điện tử tan trong chất béo. Nhìn chung chuỗi chuyền điện tử được mô tả như sau:
NADH → Phức hợp I → Q → Phức hợp III → Cytochrome c → Phức hợp IV  → O₂
                   ↑
               Phức hợp II

Phức hợp I

Ở Phức hợp I (NADH-CoQ Reductase, NADH dehydrogenase hay NADH:ubiquinone oxidoreductase; EC 1.6.5.3) hai điện tử nằm trong 1 cặp (ion hyđrua) được lấy đi từ NADH. Do phần lớn các vật mang chỉ có thể mang một điện tử, Flavin mononucleotide (FMN) của phức hợp I đóng vai trò như một vật mang trung gian: FMN có thể chứa cả hai điện tử lấy từ NADH nhưng chỉ có thể nhận một điện tử trong một lần nhận và chuyển từng điện tử một vào nhân FeS của phức hợp I. Từng điện tử đó cũng được chuyển lần lượt sang một vật mang điện tử tan trong chất béo mang tên ubiquinone (Q), nó khử vật mang này thành ubiquinol (QH₂). QH có thể chuyển động tự do lẫn trong màng sinh chất, và phức hợp I chuyển 4 proton (H⁺) xuyên qua màng sinh chất, điều này tạo ra một thế proton.
Phản ứng tổng quát do phức hợp I xúc tác:
NADH + CoQ + 2H⁺ → NAD⁺ + H⁺ + CoQH₂
Chu trình của điện tử diễn ra ở phức hợp I như sau:
NADH bị ôxi hóa thành NAD⁺, bằng cách khử Flavin mononucleotide thành FMNH₂ trong một bước hai điện tử. FMNH₂ bị ôxi hóa trong hai bước một điện tử thông qua một chất trung gian semiquinone. Mỗi điện tử được chuyển từ FMNH₂ tới cụm sắt-lưu huỳnh, và từ cụm này tới ubiquinone (Q). Sự chuyển đổi vị trí của điện tử đầu tiên dẫn đến kết quả trong dạng gốc tự do semiquinone của Q, và sự chuyển điện tử thứ hai khử dạng semiquinone trở thành dạng ubiquinol QH₂. Trong quá trình đó, 4 proton H⁺ đã được chuyển đổi vị trí từ chất nền ti thể sang khoảng không giữa hai màng ti thể, tạo nên một thế proton giúp enzyme ATP synthease sản sinh ATP bằng phản ứng phosphorylate ôxi hóa.
Phức hợp I là một trong 4 vị trí mà điện tử sẽ bị rò rỉ tới ôxi và sản sinh ra các superoxide độc hại.

Phức hợp II

Phức hợp II (Succinate - CoQ Reductase) có thành phần chính là succinate dehydrogenase (EC 1.3.5.1). Enzyme này sẽ nhận riêng một số điện tử và sau đó cũng sẽ chuyển chúng vào quinone (Q), số điện tử này có nguồn gốc từ succinate và được chuyển tới Q thông qua FAD. Như FMN, FAD cũng có thể nhận một hoặc hai điện tử nhưng chúng chỉ chuyển từng điện tử một vào nhân FeS của phức hợp II, đến lượt mình nhân FeS sẽ chuyển các điện tử đó vào Q. Phản ứng tổng quát xảy ra dưới sự xúc tác của phức hợp II là:
Succinate + CoQ → Fumarate + CoQH₂
Phản ứng khử succinate thành fumarate tuy có năng lượng tự do Gibbs (ΔG) mang giá trị âm, nhưng năng lượng do nó tỏa ra không đủ để bơm proton từ chất nền ti thể sang khoảng không giữa hai lớp màng. Vì vậy trái với các phức hợp I, III và IV, không có proton nào được bơm qua phức hợp II.
Phức hợp II bao gồm 4 đơn vị con: SDHA, SDHB, SDHC và SDHD. Một số vật cho điện tử (như axít béo và glycerol 3-phosphate) cũng mang điện tử vào Q thông qua FAD.

Coenzyme Q

Coenzyme Q (ubiquinone) là một loại quinone có đuôi hiđrôcacbon dài. Đuôi này giúp cho các phân tử CoQ có thể khuếch tán dễ dàng trong lớp màng lipid của ti thể. Cả dạng khử (quinol) và dạng ôxi hóa (quinone) của Q có thể di chuyển dễ dàng trong lớp màng lipid. Mỗi lượt coenzyme Q lấy một điện tử từ phức hợp I hoặc II và phân tán vào trong lớp màng ti thể cho đến khi va chạm với phức hợp III - lúc đó điện tử lại được chuyển cho phức hợp III. Chính sự khuếch tán của CoQ cùng với Cytochrome C trong lớp màng ti thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc luân chuyển các điện tử đến các phức hợp kế nhau trong chuỗi chuyền điện tử.

Cytochrome C

Cytochrome C là một phân tử protein lưu động có vai trò như vật mang điện tử. Cytochrome C nằm ở mặt ngoài của màng trong ti thể, tiếp xúc với khoảng không giữa hai lớp màng và có nhiệm vụ chuyển điện tử từ phức hợp III sang phức hợp IV. Như đã nói, chính sự khuếch tán của Cytochrome C cũng như của CoQ trong lớp màng ti thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc luân chuyển các điện tử đến các phức hợp kế nhau trong chuỗi chuyền điện tử.

Phức hợp IV

Trong Phức hợp IV (cytochrome c oxidase; EC 1.9.3.1), cytochrome c chuyển điện tử của nó - mỗi lần chuyển có một phân tử cyt c chuyển một điện tử - cho phức hợp này; đầu tiên điện tử sẽ đi vào một cặp ion đồng (Cuₐ²⁺), tiếp đó chuyển sang cytochrome a, rồi sang một phức hợp chứa ion đồng Cub²⁺, tiếp theo sang cytochrome a₃ và cuối cùng là phân tử ôxi - vật nhận điện tử cuối cùng - để sản sinh ra nước.
Phản ứng tổng quát do phức hợp IV xúc tác:
2Cyt c²⁺ + 2H⁺ + 1/2O₂ → 2Cyt c³⁺ + H₂O
Ứng với mỗi cặp điện tử được chuyển tới phức hợp IV, có 2 proton được phức hợp này bơm vào khoảng không giữa hai màng ti thể.

Chuỗi chuyền điện tử trong quá trình quang hợp

Trong sự phosphorylate ôxi hóa, điện tử được chuyển từ một vật cho điện tử có mức năng lượng cao (ví dụ NADH) đến một vật nhận điện tử (ví dụ O₂) thông qua một chuỗi chuyền điện tử. Trong sự phosphorylate quang hóa, năng lượng ánh sáng mặt trời để "chế tạo" một vật cho điện tử có mức năng lượng cao cùng một vật nhận tương ứng. Điện tử được chuyển từ vật cho sang vật nhận thông qua một chuỗi chuyền điện tử khác.
Các chuỗi chuyền điện tử trong quang hợp có nhiều điểm giống nhau với chuỗi chuyền điện tử ôxi hóa của quá trình hô hấp. Chúng dùng các vật mang lưu động, tan trong chất béo (các quinone) và các vật mang lưu động tan trong nước (các cytochrome...). Chúng cũng bao gồm một bơm proton. Một điều đáng chú ý khác là các bơm proton trong tất cả các chuỗi chuyền điện tử quang hợp đều giống như phức hợp số 3 của ti thể.
Các chuỗi chuyền điện tử trong quang hợp sẽ được đề cập kỹ hơn trong các bài sự phosphorylate quang hóa, quang hợp, trung tâm phản ứng quang hợp và phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng.

Kết quả

Chuỗi chuyền điện tử là các phản ứng ôxi hóa khử trong đó các điện tử được chuyển tử một vật cho đến một vật nhận. Sự chuyển điện tử đi kèm với sự thay đổi vị trí của proton xuyên qua màng sinh chất, tạo ra một thế proton. Thế proton được dùng để tạo năng lượng cho các hoạt động cần thiết.
Sự đi đôi của các phản ứng sinh hóa thuận lợi và không thuận lợi (về mặt nhiệt động lực học) bởi các đại phân tử sinh học là một ví dụ của tính chất mới phát sinh – một tính chất không thể được dự đoán, và thậm chí kiến thức đầy đủ về hệ địa hóa học cổ sơ từ chỗ mà những đại phân tử đó tiến hóa. Nó là một câu hỏi mở về việc những tính chất như vật xuất hiện một cách tình cơ hay chúng xuất hiện như là một kết quả tất yếu của quá trình tiến hóa xảy ra trong các hệ thống sinh địa hóa học lớn, theo các định luật cơ bản của vật lý.