Năng lượng và chức năng của tế bào

Tế bào điều khiển hàng loạt các chức năng trong không gian nhỏ bé của chúng như là sự tăng trưởng, sự di chuyển, giữ nhà (housekeeping) và hơn thế, và hầu hết các hoạt động đều đòi hỏi năng lượng. Nhưng làm thế nào các tế bào có thể nhận được nguồn năng lượng này từ nơi đầu tiên? Và làm thế nào chúng sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất?

Tế bào chứa năng lượng ở nơi nào?

Các tế bào, như con người, không thể tự tạo ra năng lượng mà không định vị được một nguồn năng lượng trong môi trường của chúng. Tuy nhiên, trái với con người, con người tìm kiếm các chất như nhiên liệu hóa thạch để tạo năng lượng cho ngôi nhà và công việc kinh doanh của họ, các tế bào tìm kiếm năng lượng dưới hình thức các phân tử dinh dưỡng hay ánh sáng mặt trời. Thực tế, mặt trời là nguồn năng lượng cho hầu hết tất cả các tế bào, bởi vì các vi khuẩn quang dưỡng, tảo và các tế bào thực vật khai thác năng lượng mặt trời và sử dụng nó để tạo thành các phân tử dinh dưỡng hữu cơ phức tạp. Các chất này trở thành nguồn cung cấp năng lượng cho các tế bào khác để tăng trưởng lâu dài, tiến hành trao đổi chất và tái sản xuất (hình 1).

Dinh dưỡng tế bào đến từ nhiều dạng, bao gồm đường và chất béo. Để cung cấp năng lượng cho tế bào, các phân tử này phải vượt qua màng tế bào có chức năng như một hàng rào chắn, nhưng không phải là không thể vượt qua. Như bức tường bên ngoài của ngôi nhà, màng plasma là một màng bán thấm. Cũng giống như các cửa ra vào và cửa sổ cho phép những thứ cần thiết đi vào nhà, một số protein nối với màng tế bào cho phép các phân tử đặc thù đi vào bên trong tế bào mặc dù chúng có thể đòi hỏi một ít năng lượng đầu vào để hoàn thành nhiệm vụ này (hình 2).

Trùng amip này, là một sinh vật đơn bào, thu năng lượng bằng cách nuốt chửng các chất dinh dưỡng trong hình dạng của một tế bào nấm men (màu đỏ). Thông qua quá trình thực bào, các amip bao lấy các tế bào nấm men bằng màng tế bào của nó. Đặc biệt, các protein màng của amip (màu xanh) tham gia vào hành động thực bào, và kết thúc vai trò của mình sau khi các chất dinh dưỡng đã hoàn toàn bị nuốt chửng.

Những phân tử thực phẩm hữu cơ phức tạp như đường, chất béo, protein là những nguồn giàu năng lượng cho tế bào, vì phần lớn năng lượng sử dụng để tạo thành những phân tử này được lưu trữ trong các liên kết hóa học. Các nhà khoa học có thể đo lường được năng lượng lưu trữ trong các loại thực phẩm qua một thiết bị gọi là bom nhiệt lượng. Với kỹ thuật này, thực phẩm được đặt bên trong nhiệt lượng kế và gia nhiệt đến khi cháy. Lượng nhiệt thoát ra bên ngoài từ phản ứng tỷ lệ thuận với năng lượng có trong thực phẩm.

So sánh các quá trình oxy hóa từng bước (trái) với việc đốt trực tiếp phân tử đường (bên phải). Qua một chuỗi các bước nhỏ, năng lượng tự do được giải phóng từ đường và được lưu trữ trong ‘phân tử vận chuyển’ của tế bào (ATP và NADH). Bên phải, quá trình đốt cháy trực tiếp phân tử đường cần phải có một năng lượng kích hoạt lớn hơn. Trong phản ứng này, cùng tổng năng lượng tự do được phát hành như trong quá trình oxy hóa từng bước, nhưng không được lưu trữ trong các phân tử vận chuyển, vì vậy hầu hết nó sẽ bị mất (năng lượng). Do đó việc đốt trực tiếp là rất không hiệu quả, vì nó không khai thác năng lượng để sử dụng sau này.

Trong thực tế, các tế bào không làm việc giống như một nhiệt lượng kế. Thay vì đốt cháy tất cả năng lượng trong một phản ứng lớn, các tế bào giải phóng năng lượng được lưu trữ trong các phân tử dinh dưỡng thông qua một loạt các phản ứng oxy hóa. Quá trình oxy hóa mô tả một loại phản ứng hóa học trong đó các electron được chuyển từ phân tử này sang các phân tử khác, làm thay đổi thành phần, hàm lượng của năng lượng của cả phân tử cho và nhận. Những phân tử dinh dưỡng là chất cho điện tử. Trong mỗi phản ứng oxy hóa, các sản phẩm của phản ứng có hàm lượng năng lượng thấp hơn so với phân tử cho electron trong phản ứng. Đồng thời, các phân tử nhận điện tử bắt tích thêm số năng lượng từ các phân tử dinh dưỡng trong mỗi phản ứng oxy hóa và lưu trữ để sử dụng. Cuối cùng, khi các nguyên tử carbon từ một phân tử dinh dưỡng hữu cơ phức tạp được oxy hóa hoàn toàn, vào cuối chuỗi phản ứng, được giải phóng như là chất thải ở dạng khí carbon dioxide (Hình 3)

Các tế bào không sử dụng năng lượng từ phản ứng oxy hóa ngay sau khi nó được giải phóng. Thay vào đó, tế bào chuyển đổi năng lượng thành những phân tử nhỏ, giàu năng lượng như ATP và nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), những dạng năng lượng này có thể được sử dụng trong suốt quá trình chuyển hóa tế bào năng lượng và hình thành các thành phần khác của tế bào. Ngoài ra, protein xúc tác phản ứng hóa học (được gọi là enzyme) sử dụng năng lượng hóa học này để xúc tác, hoặc tăng tốc, những phản ứng hóa học trong tế bào mà nếu không có enzyme thì các quá trình sẽ diễn ra rất chậm. Đối với một phản ứng cần chất xúc tác để xảy ra; enzyme chỉ đơn giản là giảm các rào cản năng lượng cần thiết để cho phản ứng có thể bắt đầu (Hình 4).

Các enzyme giúp giảm năng lượng kích hoạt cần thiết để chuyển một chất phản ứng thành một sản phẩm. Bên trái là một phản ứng không được xúc tác bởi một enzyme (màu đỏ), và bên phải là phản ứng được xúc tác bởi enzyme (màu xanh lá cây). Trong phản ứng có enzyme xúc tác, một loại enzyme sẽ liên kết với chất phản ứng và tạo điều kiện để chuyển đổi thành một sản phẩm. Do đó, một phản ứng enzyme xúc tác chỉ cần vượt qua một rào cản năng lượng nhỏ hơn (năng lượng kích hoạt) trước khi các phản ứng xảy ra.

Mỗi tế chuyển hóa năng lượng theo cách nào phụ thuộc phần lớn vào việc tế bào đó là tế bào nhân thực (eukaryote) hay tế bào nhân sơ (prokaryote). Tế bào nhân thực sử dụng ba quá trình chính để chuyển đổi năng lượng từ các liên kết hóa học trong phân tử thực phẩm thành dạng dễ sử dụng hơn – thường là phân tử mang năng lượng cao. Adenosine 5′-triphosphate, hay ATP, là phân tử mang năng lượng phong phú nhất trong các tế bào. Phân tử này được cấu tạo từ một base nitơ (adenine), một đường ribose, và ba nhóm phosphate. Adenine cùng với đường ribose tạo thành adenosine. Liên kết giữa nhóm phosphate thứ hai và thứ ba là một liên kết mang năng lượng cao.

Ở tế bào nhân thực, quá trình bắt đầu là đường phân, “tách đường”. Trong đường phân, đơn phân tử glucose bị tách ra và chuyển thành hai phân tử pyruvate; do phân tử đường glucose có sáu nguyên tử carbon nên mỗi pyruvate chỉ có ba nguyên tử cacbon. Đường phân thực chất là một chuỗi mười phản ứng hóa học, cần hai phân tử ATP tham gia. Hai phân tử ATP được sử dụng, để sau này tạo ra bốn phân tử ATP mới, điều đó có nghĩa là sau quá trình đường phân đã tăng thêm hai ATP. Đường phân cũng tạo ra hai phân tử NADH – phân tử vận chuyển điện tử cho các phản ứng sinh hóa khác trong tế bào.

Đường phân là một quá trình cổ xưa, sản xuất ATP xảy ra ở hầu hết tất cả các tế bào cả tế bào eukaryote và prokaryote. Quá trình này còn được gọi là quá trình lên men, diễn ra trong tế bào chất và không cần oxy. Tuy nhiên, số phận của pyruvate từ quá trình đường phân phụ thuộc vào sự hiện diện của oxy. Khi vắng mặt oxy, pyruvate không thể bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, nên tạo nhiều sản phẩm trung gian khác nhau. Ví dụ, khi nồng độ oxy thấp, tế bào cơ vân dựa vào đường phân để đáp ứng nhu cầu năng lượng mãnh liệt của mình. Kết quả đường phân này là sự tích tụ các chất trung gian – axit lactic, chất có thể khiến người ta cảm thấy như thể cơ bắp của mình đang “bốc cháy”. Tương tự như vậy, nấm men – một sinh vật nhân thực đơn bào – sản xuất rượu (thay vì CO2) khi không đủ oxy.

Ngược lại, khi oxy có sẵn, các pyruvates được sản xuất từ đường phân trở thành đầu vào cho các phần tiếp theo của chu trình chuyển hóa năng lượng ở tế bào nhân chuẩn. Trong giai đoạn này, mỗi phân tử pyruvate từ tế bào chất chuyển vào ty thể, nơi nó được chuyển thành acetyl-CoA – một phân tử mang năng lượng có  hai carbon – và carbon thứ ba của nó kết hợp với oxy, thoát ra ngoài dưới dạng CO2. Đồng thời, một phân tử  NADH cũng được tạo ra. Acetyl-CoA sau đó đi vào chu trình acid citric (chu trình Krebs), chuyển hóa năng lượng lớn thứ hai được các tế bào sử dụng. Chu trình axit citric tám bước tạo ra ba phân tử NADH và hai phân tử mang khác: FADH2 và GTP (Hình 6, giữa)

Quá trình quan trọng thứ ba trong con đường tổng hợp năng lượng có liên quan đến một chuỗi chuyển điện tử, được xúc tác bởi các phức hợp protein nằm ở lớp màng trong của ti thể. Quá trình này được gọi là sự oxy hoá phosphoryl hoá, chuyển những electron từ NADH và FADH2 xuyên qua các phức hợp protein màng, và cuối cùng đến với oxy, nơi chúng kết hợp để tạo thành nước. Khi các electron di chuyển xuyên qua các phức hợp protein trong chuỗi, một gradient các ion hydro, hay proton được tạo thành xuyên qua lớp màng của ti thể. Các tế bào khai thác gradient proton này để tạo thành 3 phân tử ATP với mỗi electron di chuyển qua chuỗi. Về tổng thể, sự kết hợp của chu trình acid citric và chuỗi chuyển điện tử tạo ra năng lượng nhiều gấp 15 lần so với qua trình lên men đối với mỗi phân tử glucose được sử dụng! Những quá trình này xảy ra cùng với nhau bên trong ti thể, chu trình acid citric và sự oxy hoá phosphoryl hoá được xem là sự hô hấp, một thuật ngữ dùng để chỉ các quá trình gắn liền sự nhận oxy và sản sinh CO2 (Hình 6).

Chuỗi chuyển điện tử trong lớp màng ti thể không phải là quá trình duy nhất sinh năng lượng trong tế bào sống. Ở thực vật và các tế bào quang hợp khác, lục lạp cũng có chuỗi chuyển điện tử khai thác năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Kể cả khi không có lục lạp và ti thể, các sinh vật nhân sơ có những dạng khác của chuỗi chuyển điện tử sinh năng lượng bên trong màng sinh chất của chúng và cũng tạo ra năng lượng.

Tế bào dự trữ năng lượng như thế nào?

Khi thừa năng lượng, các tế bào nhân thực tạo ra các phân tử lớn chứa đầy năng lượng để giữ lại năng lượng dư thừa đó. Các sản phẩm đường và chất béo, hay polysaccharides và lipid, được giữ lại trong các “kho” bên trong tế bào, một số có thể quan sát dưới kính hiển vi điện tử.

Tế bào động vật có thể tổng hợp mạch polymer phân nhánh của glucose là glycogen, tập trung thành cụm có thể quan sát được qua kính hiển vi điện tử. Tế bào có thể nhanh chóng sử dụng các hạt này bất cứ khi nào cần năng lượng. Vận động viên bổ sung nguồn carbon bằng cách ăn mì vào đêm trước khi thi đấu để tăng lượng glycogen dự trữ của họ. Tuy nhiên, bình thường chúng ta chỉ trữ một lượng glycogen vừa đủ để cung cấp năng lượng cho một ngày. Tế bào thực vật không tạo glycogen, chúng lưu trữ một polymer glucose khác ở dạng hạt gọi là tinh bột.

Ngoài ra, cả tế bào thực vật và động vật đều lưu trữ năng lượng bằng cách đưa glucose vào con đường tổng hợp chất béo. Một gam chất béo chứa năng lượng gấp sáu lần so với năng lượng mà một gam glycogen có thể chứa, nhưng năng lượng có sẵn từ chất béo ít hơn năng lượng có sẵn từ glycogen. Tuy nhiên, mỗi cơ chế lưu trữ đều quan trọng vì các tế bào cần cả năng lượng dự trữ có thể dùng nhanh chóng và dài hạn. Chất béo được lưu trữ trong các giọt nhỏ trong tế bào chất; tế bào mỡ chuyên để lưu trữ vì chúng có chứa những giọt mỡ lớn bất thường. Con người thường dự trữ đủ chất béo để cung cấp cho tế bào trong khoảng vài tuần (Hình 7).

Kết luận

Tế bào cần năng lượng để thực hiện các hoạt động sống. Bắt đầu bằng các nguồn năng lượng thu được từ môi trường sống như ánh sáng mặt trời và các phân tử thức ăn hữu cơ, tế bào nhân thực tạo ra các phân tử giàu năng lượng như ATP và NADH thông qua các con đường năng lượng bao gồm quang hợp, quá trình đường phân, chu trình acid citric, và oxy hóa phosphoryl hóa. Sau đó, năng lượng dư thừa được lưu trữ trong các phân tử lớn giàu năng lượng như polysaccharides (tinh bột và glycogen) và chất béo.

Nhóm Molecular & Cell (lược dịch)

Nguồn: http://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-energy-and-cell-functions-14024533

Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả.