Bài 14: Phân giải và tổng hợp các chất trong tế bào

I. Phân giải các chất và giải phóng năng lượng trong tế bào

1. Khái niệm phân giải các chất và các con đường phân giải

- Phân giải là quá trình phá vỡ các liên kết trong các phân tử sinh học để tạo ra các phân tử nhỏ hơn đồng thời giải phóng năng lượng.

- Quá trình phân giải đường diễn ra theo ba con đường:

• Hô hấp tế bào (hô hấp hiếu khí): cần sự tham gia của O₂.
• Hô hấp kị khí: không cần sự tham gia của O₂.
• Lên men: không có chuỗi truyền electron.

2. Hô hấp tế bào

- Hô hấp tế bào là quá trình phân tử đường bị phân giải hoàn toàn thành sản phẩm cuối cùng là CO₂ và nước với sự tham gia của O₂, đồng thời giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động của tế bào.

- Phương trình tổng quát của quá trình phân giải hoàn toàn một phân tử đường glucose:

C₆H₁₂O₆ (glucose) + 2 ATP + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 30 - 32 ATP + Nhiệt năng

- Quá trình phân giải hiếu khí phân tử đường glucose được chia thành ba giai đoạn chính:

• Đường phân: xảy ra trong tế bào chất và không có sự tham gia của O₂. Trong quá trình này, mỗi phân tử đường glucose được phân giải thành 2 phân tử pyruvate, đồng thời tạo ra 2 phân tử NADH và 2 phân tử ATP.

• Chu trình Krebs: mỗi phân tử pyruvate chuyển hoá thành một phân tử acetyl - CoA đi vào chu trình Krebs giải phóng ra 2 phân tử CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ và 1 ATP.

• Chuỗi truyền electron: diễn ra ở màng trong của ti thể. Trong giai đoạn này, các phân tử NADH và FADH₂ được sinh ra trong giai đoạn đường phân và chu trình Krebs sẽ bị oxy hoá qua một chuỗi phản ứng oxy hoá khử để tạo ra ATP và nước.

3. Lên men

- Lên men là quá trình phân giải không hoàn toàn phân tử đường để tạo năng lượng mà không có sự tham gia của O₂ và chuỗi truyền electron.

- Quá trình lên men gồm hai giai đoạn:

• Đường phân.
• Lên men: electron từ glucose qua NADH được truyền đến phân tử hữu cơ khác.

II. Tổng hợp các chất và tích luỹ năng lượng trong tế bào

1. Khái quát về quá trình tổng hợp các chất trong tế bào

- Tổng hợp là sự hình thành hợp chất phức tạp từ các chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng. Trong tế bào và cơ thể sống, quá trình tổng hợp giúp tạo ra các hợp chất phức tạp xây dựng nên tế bào và cơ thể, đồng thời cung cấp cho các hoạt động sống khác. Những đại phân tử sinh học là polymer được tổng hợp từ các đơn phân nhờ các enzyme xúc tác chuyên biệt và nguồn năng lượng ATP.

2. Vai trò của quang hợp trong tổng hợp các chất và tích luỹ năng lượng trong tế bào thực vật

- Quang hợp là quá trình mà thực vật và các sinh vật quang tự dưỡng khác chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học trong các hợp chất hữu cơ giàu năng lượng nhờ tế bào có lục lạp chứa chất diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng.

- Phương trình:

- Quá trình quang hợp xảy ra theo hai pha kế tiếp nhau:

• Pha sáng xảy ra ở màng thylakoid. Trong pha sáng, các photon ánh sáng đập vào các diệp lục làm electron cao năng của chúng bật ra và chuyển qua chuỗi truyền electron tạo ra ATP và NADPH. Quá trình này đã chuyển năng lượng ánh sáng thành điện năng và sau đó là hoá năng trong phân tử ATP và NADPH. Năng lượng từ các photon ánh sáng cũng làm phân li nước giải phóng electron, H⁺ và O₂. Trong quá trình quang phân li nước, năng lượng ánh sáng biến đổi thành thế năng và sau đó là hoá năng trong ATP. Sản phẩm của pha sáng là ATP và NADPH được sử dụng trong chu trình Calvin - chuỗi các phản ứng không sử dụng trực tiếp năng lượng từ ánh sáng (pha tối).

• Pha tối diễn ra theo chu trình Calvin xảy ra ở chất nền của lục lạp. Trong pha tối, CO₂ sẽ bị khử thành carbohydrate. Cứ 3 phân tử CO₂ đi vào chu trình Calvin sẽ được năng lượng của ATP và NADPH chuyển đổi thành một phân tử đường 3 carbon (G3P). Hai phân tử G3P kết hợp lại tạo thành một phân tử glucose. Các phân tử G3P từ chu trình Calvin còn được sử dụng để tổng hợp các phân tử hữu cơ khác cho tế bào như amino acid, lipid,...

3. Vai trò của quang khử trong tổng hợp các chất và tích luỹ năng lượng ở vi khuẩn

- Quang khử (quang hợp không tạo O₂): một số vi khuẩn màu lục và màu tía dùng năng lượng ánh sáng để khử CO₂ nhưng không dùng H₂O làm nguồn cung cấp H⁺ và electron như trong quá trình quang hợp ở thực vật mà dùng H₂S, S, H₂ và một số chất hữu cơ khác.

- Vai trò của quang khử: 

• Cung cấp nguồn thức ăn cho các sinh vật dị dưỡng.
• Giúp các vi khuẩn quang khử thích nghi với nhiều môi trường sống khác nhau.
• Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường. 

4. Vai trò của hoá tổng hợp trong tổng hợp các chất và tích luỹ năng lượng ở vi khuẩn

- Hoá tổng hợp là quá trình cố định CO₂ thành các chất hữu cơ nhờ sử dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng oxy hoá các hợp chất vô cơ. Những sinh vật tổng hợp các chất hữu cơ theo con đường này được gọi là sinh vật hoá tổng hợp (hoá tự dưỡng).

- Các vi khuẩn hoá tổng hợp tiết ra enzyme xúc tác cho các phản ứng oxy hoá các hợp chất vô cơ và giải phóng năng lượng. Một phần năng lượng này được vi khuẩn sử dụng để đồng hoá CO₂ thành các chất hữu cơ cần thiết.

- Phương trình tổng quát của hoá tổng hợp:

	Đại diện	Hoạt động	Vai trò
Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất của lưu huỳnh	Vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn oxy hoá sulfide	Nhóm vi khuẩn này oxy hoá H2S, S, SO32-,... thành H2SO4 tạo ra năng lượng để vi khuẩn tổng hợp chất hữu cơ.	Làm sạch môi trường nước.
Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa nitrogen	Vi khuẩn nitride hoá: nitrosomonas; vi khuẩn nitrate hoá: nitrobacter	Chuyển hoá NH3 thành HNO2, rồi thành HNO3 tạo ra năng lượng cho vi khuẩn tổng hợp chất hữu cơ.	- Đảm bảo chu trình tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. - Chuyển hoá NH3 thành dạng muối NO3- là dạng thực vật có thể hấp thụ được, làm đất thêm màu mỡ, có lợi cho cây trồng.
Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa sắt	Vi khuẩn sắt	Vi khuẩn sắt chuyển hoá Fe2+ thành Fe3+, giải phóng năng lượng cho vi khuẩn tổng hợp chất hữu cơ.	Hình thành mỏ sắt.

5. Mối quan hệ giữa quá trình phân giải và quá trình tổng hợp trong tế bào

- Quá trình tổng hợp sử dụng năng lượng để tạo nên phân tử phức tạp từ các phân tử đơn giản và tích luỹ năng lượng.

- Quá trình phân giải phá vỡ các phân tử phức tạp thành phân tử đơn giản để giải phóng năng lượng.

→ Trong tế bào, tổng hợp và phân giải các chất là hai quá trình trái ngược nhau nhưng lại thống nhất và có liên quan mật thiết với nhau.

1. Phân giải là quá trình phá vỡ các liên kết trong các phân tử sinh học để tạo ra các phân tử nhỏ hơn, đồng thời giải phóng năng lượng.

2. Hô hấp tế bào là con đường mang lại hiệu quả năng lượng cao nhất, gồm ba giai đoạn chính là đường phân, chu trình Krebs, chuỗi truyền electron. Lên men gồm hai giai đoạn đường phân và lên men, là con đường mang lại hiệu quả ATP thấp hơn.

3. Tổng hợp là quá trình hình thành hợp chất phức tạp từ những chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng.

4. Quang hợp là quá trình tổng hợp điển hình ở thực vật, gồm hai pha: Pha sáng có vai trò chuyển hoá năng lượng ánh sáng thành hoá năng trong các liên kết hoá học kém bền vững của ATP và NADPH. Pha tối có vai trò cố định CO₂ tạo thành đường qua chu trình Calvin, đồng thời chuyển năng lượng từ phân tử ATP và NADPH sang dạng hoá năng bền vững hơn trong phân tử đường.

5. Quá trình tổng hợp cung cấp nguyên liệu cho quá trình phân giải, quá trình phân giải tạo ra năng lượng và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp.