Hô hấp tế bào hiếu khí, tiêu thụ O₂ và hiệu suất tổng hợp ATP

Mục tiêu: Khảo sát định lượng quá trình hô hấp tế bào hiếu khí phân giải glucose, tỉ lệ trao đổi khí O₂/CO₂ (RQ = 1,00), sự chênh lệch hiệu suất ATP giữa hô hấp hiếu khí (~30–32 ATP) với đường phân kị khí (2 ATP) và ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ enzyme ti thể.

Lý thuyết: Hô hấp tế bào hiếu khí gồm 3 giai đoạn nối tiếp: (1) Đường phân ở bào tương tạo 2 ATP và 2 NADH; (2) Oxy hóa pyruvate và chu trình Krebs trong chất nền ti thể tạo 2 ATP, 8 NADH và 2 FADH₂; (3) Chuỗi truyền electron và phosphoryl hóa oxy hóa tại màng trong ti thể sử dụng O₂ làm chất nhận electron cuối cùng để tổng hợp thêm ~26–28 ATP. Tổng thu hoạch thực tế đạt khoảng 30–32 ATP/phân tử glucose, đồng thời tiêu thụ 6 O₂ và thải 6 CO₂ (thương số hô hấp RQ = ΔCO₂/ΔO₂ = 1,00).

Giả thuyết: Nếu tăng độ bão hòa O₂ từ mức thiếu oxy (< 15%) lên mức bão hòa sinh lý (80–100%) ở 37 °C, chuỗi truyền electron ti thể hoạt động tối đa làm tốc độ tổng hợp ATP tăng vọt dù tốc độ tiêu thụ glucose thay đổi ít hơn.

Biến độc lập: Nồng độ cơ chất glucose [G] (mM), độ bão hòa oxy hòa tan [O₂] (%) và nhiệt độ T (°C)

Biến phụ thuộc: Tốc độ tổng hợp ATP v_ATP (µmol/g·phút), tốc độ tiêu thụ O₂ và thải CO₂ (µmol/g·phút), hiệu suất ATP/glucose

Biến kiểm soát: Cơ chất chuẩn là glucose tinh khiết (RQ = 1,00), pH nội bào chuẩn 7,2 và mật độ ti thể không đổi

Dụng cụ: Buồng hô hấp kế vi sai (Respirometer) đo đồng thời tốc độ tiêu thụ O₂ và thải CO₂; Cảm biến phát quang sinh học theo dõi tốc độ tổng hợp ATP nội bào; Bể ổn nhiệt sinh học điều chỉnh nhiệt độ từ 10 °C đến 48 °C

1. Bước 1: Giữ T = 37 °C và [G] = 5,0 mM, tăng dần độ bão hòa [O₂] từ 5% lên 90% để so sánh hiệu suất ATP giữa trạng thái thiếu oxy (hypoxia) và đủ oxy (normoxia).
2. Bước 2: Giữ [O₂] = 80% và T = 37 °C, thay đổi nồng độ glucose [G] từ 0,5 mM đến 15 mM để quan sát đường cong bão hòa cơ chất.
3. Bước 3: Tăng nhiệt độ T từ 15 °C qua ngưỡng tối ưu 37 °C lên 46 °C để quan sát sự suy giảm hoạt tính do biến tính nhiệt enzyme.

Hướng dẫn quan sát: Quan sát sơ đồ ti thể và buồng hô hấp kế: đối chiếu dòng O₂ đi vào với dòng CO₂ đi ra (tỉ lệ 6:6) và bộ đếm hiệu suất ATP/glucose.

Giải thích kết quả: Khi đủ O₂ và glucose ở 37 °C, trên 90% lượng ATP được tổng hợp tại màng trong ti thể. Khi thiếu O₂ (< 20%), hiệu suất ATP/glucose sụt giảm mạnh về gần mức đường phân (2 ATP). Khi T > 41 °C, tốc độ hô hấp giảm nhanh do biến tính protein enzyme.