Bài 16: Phân giải các chất và giải phóng năng lượng

I. Khái niệm phân giải các chất trong tế bào

- Phân giải là quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản nhờ quá trình bẻ gãy các liên kết hoá học.

- Thông qua sự phá vỡ các liên kết hoá học trong các chất phức tạp, năng lượng được giải phóng để cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào.

Phân giải các chất trong tế bào là quá trình biến đổi các chất phức tạp thành những chất đơn giản, đồng thời giải phóng năng lượng được tích luỹ trong các chất đó.

II. Quá trình phân giải hiếu khí

1. Khái niệm phân giải hiếu khí

- Phân giải hiếu khí (hô hấp hiếu khí) là quá trình phân giải các chất hữu cơ khi có oxygen thành sản phẩm cuối cùng là CO₂ và H₂O, đồng thời giải phóng năng lượng được tích luỹ trong các hợp chất hữu cơ và chuyển thành dạng năng lượng để sử dụng cho tế bào chứa trong các phân tử ATP.

- Trong phân giải hiếu khí, năng lượng trong các hợp chất hữu cơ được giải phóng từng phần thông qua một chuỗi các phản ứng oxy hoá khử.

- Phương trình tổng quát của quá trình hô hấp với nguyên liệu là phân tử glucose:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Q (ATP + nhiệt)

- Tuỳ vào nhu cầu của cơ thể mà tốc độ của quá trình phân giải hiếu khí có thể diễn ra nhanh hay chậm.

- Quá trình phân giải hiếu khí được chia thành ba giai đoạn: đường phân, oxy hoá pyruvic acid và chu trình Krebs, chuỗi truyền electron.

2. Các giai đoạn chính

a. Quá trình đường phân

- Đường phân là quá trình biến đổi glucose xảy ra trong tế bào chất và không có sự tham gia của oxygen.

- Phân tử glucose hoạt hoá bằng 2 phân tử ATP. Sau đó, nhờ enzyme đặc hiệu, phân tử glucose được tách thành 2 phân tử có 3 carbon (pyruvic acid).

- Sự oxy hoá phân tử glucose đã giải phóng năng lượng để khử NAD⁺ thành NADH, đồng thời một phần năng lượng được tích luỹ trong các phân tử ATP.

b. Oxy hoá pyruvic acid và chu trình Krebs

- Sau khi được hình thành trong tế bào chất, 2 phân tử pyruvic acid được vận chuyển vào chất nền ti thể. Tại đây, 2 phân tử pyruvic acid bị oxy hoá và chuyển thành 2 phân tử acetyl - coenzyme A, đồng thời sản sinh ra 2 phân tử CO₂ và 2 phân tử NADH. Sau đó, phân tử acetyl - CoA này sẽ đi vào chu trình Krebs.

- Sau khi qua trình Krebs, mỗi phân tử acetyl - CoA bị oxy hoá tạo thành 2 phân tử CO₂, năng lượng giải phóng được tích trữ trong 1 phân tử ATP, 3 phân tử NADH và 1 phân tử FADH₂.

c. Chuỗi truyền electron hô hấp

- Mục đích của quá trình phân giải hiếu khí là tạo ATP cung cấp cho cơ thể, do đó năng lượng được tích trữ trong các phân tử NADH và FADH₂ sẽ được chuyển thành năng lượng trong các phân tử ATP thông qua chuỗi truyền electron hô hấp.

- Trong giai đoạn này, các phân tử NADH và FADH₂ sẽ bị oxy hoá thông qua một chuỗi các phản ứng oxy hoá khử diễn ra tại màng trong ti thể. Electron được giải phóng từ NADH và FADH₂ được chuyển đến chất nhận electron cuối cùng là phân tử oxygen để tạo thành nước.

1. Phân giải hiếu khí (hô hấp tế bào) là quá trình chuyển năng lượng trong các hợp chất hữu cơ thành năng lượng của ATP.

2. Phân giải hiếu khí được chia thành ba giai đoạn chính: đường phân, oxy hoá pyruvic acid và chu trình Krebs, chuỗi truyền electron.

III. Quá trình phân giải kị khí

- Khi tế bào không được cung cấp oxygen, chuỗi truyền electron sẽ bị ngừng trệ, các phân tử NADH được tích trữ trong tế bào làm cho hàm lượng NAD⁺ dần cạn kiệt. Kết quả là quá trình đường phân không thể diễn ra.

→ Tế bào sẽ sử dụng pyruvic acid làm chất nhận electron từ NADH và biến đổi thành các sản phẩm cuối cùng nhờ quá trình lên men diễn ra trong tế bào chất.

- Có hai hình thức lên men phổ biến:

• Lên men rượu (có ở đa số vi khuẩn, nấm men):

Pyruvic acid → C₂H₅OH (rượu ethanol) + 2 CO₂

• Lên men lactic (có ở một số vi khuẩn, nấm, động vật):

Pyruvic acid → C₂H₅OCOOH (lactic acid)

- Quá trình phân giải kị khí chỉ tạo được 2 ATP, mức năng lượng này là rất ít so với phân giải hiếu khí.

1. Phân giải kị khí là quá trình phân giải chất hữu cơ trong điều kiện không có oxygen, trong đó chất cho và nhận electron đều là chất hữu cơ.

2. Hai hình thức lên men phổ biến là lên men rượu và lên men lactic.

IV. Mối quan hệ giữa tổng hợp và phân giải các chất 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.

Tổng hợp và phân giải các chất trong tế bào là hai quá trình đối lập nhưng có sự thống nhất với nhau để duy trì hoạt động sống của tế bào.