Tổng hợp và phân giải các chất trong tế bào CD

Bài học: Tổng hợp và phân giải các chất trong tế bào được Khoahoc sưu tầm và tổng hợp các câu hỏi lí thuyết và trắc nghiệm có đáp án đi kèm nằm trong chương trình giảng dạy môn Sinh học lớp 10 sách Cánh diều.

I. Tổng hợp các chất và tích lũy năng lượng trong tế bào

- Khái niệm: Tổng hợp các chất trong tế bào là quá trình chuyển hóa những chất đơn giản thành những chất phức tạp diễn ra trong tế bào với sự xúc tác của enzyme.

- Cơ chế: Tổng hợp có thể chia thành hai giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Tổng hợp chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ. Giai đoạn này được thực hiện thông qua các quá trình như quang tổng hợp, hoá tổng hợp, quang khử.

+ Giai đoạn 2: Tổng hợp các phân tử lớn từ các chất hữu cơ đơn giản. Đây là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ đặc trưng cho tế bào.

Hai giai đoạn tổng hợp các chất trong tế bào

- Vai trò: Quá trình tổng hợp giúp hình thành các chất để xây dựng tế bào, đồng thời tích lũy năng lượng cho tế bào.

1. Quang tổng hợp

- Khái niệm: Quang tổng hợp (quang hợp) là quá trình tế bào sử dụng năng lượng ánh sáng (NLAS) để tổng hợp chất hữu cơ từ vô cơ.

- Trong sinh giới: thực vật, tảo và một số vi khuẩn có khả năng quang hợp.

+  Quá trình quang tổng hợp ở thực vật và tảo diễn ra ở lục lạp và được chia thành hai pha: pha phụ thuộc vào ánh sáng (pha sáng) và pha không phụ thuộc ánh sáng (Chu trình Calvin).

+ Phương trình tổng quát của quá trình quang tổng hợp.

6 H₂O + 6 CO₂ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Sơ đồ tổng quát của quá trình quang tổng hợp diễn ra ở lục lạp

- Vai trò:

+ Chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tích lũy trong các hợp chất hữu cơ (C₆H₁₂O₆) → Cung cấp nguồn năng lượng cho sự sống của sinh vật.

+ Sản phẩm của quá trình quang tổng hợp là nguyên liệu cho quá trình tổng hợp khác → Cung cấp vật chất cho sự sống của sinh vật.

+ Giải phóng O₂ vào khí quyển → Cung cấp dưỡng khó cho sự sống của sinh vật.

a. Pha sáng

- Vị trí diễn ra: trên màng thylakoid của lục lạp.

- Bản chất: Là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong ATP và NADPH.

- Nguyên liệu: H₂O, ADP, Pi, NADP⁺, năng lượng ánh sáng.

- Sản phẩm: ATP, NADPH, H⁺, O₂.

- Diễn biến:

+ Các sắc tố quang hợp nằm trên màng thylakoid thu nhận năng lượng ánh sáng và chuyển cho trung tâm phản ứng, trung tâm phản ứng tiếp nhận năng lượng trở thành dạng kích động và truyền electron cho các chất trong chuỗi truyền electron.

+ Nhờ hoạt động của chuỗi truyền electron quang hợp mà ATP và NADPH được tổng hợp.

+ Đồng thời với chuỗi chuyền electron, quá trình quang phân li nước cũng diễn ra giải phóng O₂ và electron bù lại cho trung tâm phản ứng.

- Phương trình tổng quát của pha sáng trong quang tổng hợp:

H₂O + ADP + Pi + NADP⁺ ATP + NADPH + H⁺ + O₂

Chuỗi truyền electron trong pha sáng của quá trình quang tổng hợp

b. Chu trình Calvin

- Vị trí diễn ra: chất nền lục lạp, pha này không phụ thuộc vào ánh sáng nhưng lại phụ thuộc vào sản phẩm của pha sáng như ATP và NADPH.

- Bản chất: Trong chu trình này, ATP và NADPH cung cấp năng lượng và điện tử tham gia khử phân tử CO₂ thành C₆H₁₂O₆.

- Nguyên liệu: CO₂, ATP, NADPH.

- Sản phẩm: C₆H₁₂O₆, ADP, Pi, NADP⁺.

- Diễn biến:

Chu trình Calvin

+ Ribulose bisphosphate (RuBP) kết hợp với CO₂ tạo ra 3 – phosphoglycerate (3PG).

+ Tiếp theo, 3PG được khử thành glyceraldehyde – 3 – phosphate (G3P) với sự tham gia của ATP và NADPH được tạo ra từ pha sáng.

+ Một phần G3P sẽ được sử dụng cho tái tạo RuBP, phần G3P còn lại sẽ được sử dụng trong tổng hợp glucose.

+ Glucose tạo ra trong quang hợp sẽ cung cấp mạch “xương sống” carbon cho tổng hợp nhiều chất hữu cơ khác cho tế bào như amino acid, acid béo,…

- Phương trình tổng quát của chu trình Calvin:

6 CO₂ + 12 NADPH + 18 ATP → C₆H₁₂O₆ + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP⁺

2. Hóa tổng hợp và quang khử

- Một số vi khuẩn có thể tổng hợp glucose thông qua quá trình hóa tổng hợp hoặc quang khử. Sản phẩm glucose là nguyên liệu xây dựng tế bào và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của vi khuẩn.

a. Hóa tổng hợp

- Khái niệm: Hóa tổng hợp là quá trình tế bào chuyển hóa năng lượng hóa học trong các chất vô cơ thông qua các phản ứng oxi hóa – khử thành năng lượng tích lũy trong các hợp chất hữu cơ.

- Cơ chế: Quá trình này gồm hai giai đoạn:

+ Chuyển hóa năng lượng từ phản ứng oxi hóa – khử thành năng lượng tích lũy trong ATP và NADH.

+ Khử CO₂ thành glucose.

- Ví dụ: Quá trình tổng hợp ở vi khuẩn oxi hóa hydrogen diễn ra theo hai giai đoạn như sau:

+ Giai đoạn tích lũy năng lượng:

H₂ + O₂ + ADP + Pi + NAD⁺ → H₂O + NADH + ATP

+ Giai đoạn khử CO₂:

CO₂ + NADH + ATP → C₆H₁₂O₆ + ADP + Pi + NAD⁺

+ Phương trình tổng quát:

24 H₂ + 6 O₂ + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 18 H₂O

b. Quang khử

- Khái niệm: Quang khử là quá trình quang tổng hợp ở vi khuẩn nhờ các sắc tố quang hợp nằm trên màng sinh chất, được thực hiện trong điều kiện không có O₂.

- Phương trình tổng quát:

6 CO₂ + 12 H₂X C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 12 X

Với H₂X không phải là H₂O mà là hợp chất khác ví dụ như H₂S nên quá trình này không sinh ra khí O₂.

3. Tổng hợp các phân tử lớn trong tế bào

Từ các chất hữu cơ đơn giản do tế bào tự tổng hợp hoặc lấy từ nguồn thức ăn, tế bào sử dụng chúng làm nguyên liệu cho quá trình sinh tổng hợp các phân tử lớn để xây dựng và dự trữ năng lượng trong tế bào.

Ví dụ: Tế bào tổng hợp tinh bột, glycogen hoặc cellulose từ glucose; tổng hợp protein từ các amino acid; tổng hợp triglyceride (lipid) từ glycerol và acid béo.

Sinh tổng hợp các phân tử lớn trong tế bào

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

- Khái niệm: Phân giải các chất trong tế bào là quá trình chuyển hóa các chất phức tạp thành các chất đơn giản diễn ra trong tế bào nhờ sự xúc tác của enzyme.

- Vai trò: Quá trình phân giải sẽ giải phóng ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào đồng thời tạo ra các phân tử nhỏ là nguyên liệu của quá trình tổng hợp.

- Sự phân giải tinh bột: Khi phân giải tinh bột sẽ tạo ra các phân tử glucose → Tế bào hấp thu và phân giải glucose, giải phóng năng lượng theo hai con đường là hô hấp và lên men.

1. Hô hấp tế bào

- Khái niệm: Hô hấp tế bào là chuỗi các phản ứng phân giải hợp chất hữu cơ (glucose) diễn ra trong tế bào. Thông qua các phản ứng này, hợp chất hữu cơ được phân giải thành CO­₂ và H₂O, giải phóng năng lượng tích lũy trong các phân tử ATP.

- Phương trình tổng quát khi phân giải một phân tử C₆H₁₂O₆ qua hô hấp tế bào:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + năng lượng (ATP + Q)

- Vai trò:

+ Giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào và cơ thể.

+ Tạo ra nhiệt năng giúp duy trì thân nhiệt cho sinh vật.

+ Các sản phẩm trung gian của quá trình phân giải cung cấp nguyên liệu cho quá trình tổng hợp.

- Cơ chế:

Ở sinh vật nhân thực, quá trình hô hấp tế bào diễn ra trong bào tương và ti thể, gồm ba giai đoạn: đường phân, oxi hóa pyruvic acid và chu trình Krebs, chuỗi truyền electron.

Sơ đồ tổng quát của hô hấp tế bào

a. Đường phân

- Vị trí diễn ra: tế bào chất.

- Diễn biến: Là quá trình biến đổi phân tử glucose thành pyruvic acid.

- Sản phẩm: từ 1 phân tử glucose sẽ tạo ra 2 phân tử pyruvic acid, 2 phân tử ATP, 2 phân tử NADH. Thực tế đã tạo ra 4 phân tử ATP nhưng do 2 phân tử ATP đã được sử dụng để hoạt hóa glucose nên chỉ thu được 2 ATP.

Sơ đồ tóm tắt giai đoạn đường phân

- Phương trình tổng quát:

Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD⁺ → 2 pyruvic acid + 2 ATP + 2 NADH

b. Giai đoạn oxi hóa pyruvic acid và chu trình Krebs

- Vị trí diễn ra: chất nền ti thể.

- Diễn biến:

+ Pyruvic acid được hình thành trong bào tương được chuyển qua lớp màng kép vào chất nền ti thể. Tại đây, 2 phân tử pyruvic acid sẽ được chuyển hóa thành 2 phân tử acetyl – CoA, đồng thời giải phóng 2 phân tử CO₂ và 2 NADH.

Sơ đồ tóm tắt chu trình Krebs

+ Phân tử acetyl – CoA đi vào chu trình Krebs và bị oxi hóa hoàn toàn. Kết quả là từ một phân tử acetyl – CoA sẽ tạo ra 2 phân tử CO₂, 1 ATP, 1 FADH₂ và 3 NADH.

- Sản phẩm: 6 CO₂, 2 ATP, 8 NADH, 2 FADH₂.

- Phương trình tổng quát:

2 Pyruvic acid + 2 ADP + 2 Pi + 8 NAD⁺ + 2 FAD → 6 CO₂ + 2 ATP + 8 NADH + 2 FADH₂

c. Chuỗi truyền electron và tổng hợp ATP

- Vị trí diễn ra: màng trong ti thể.

- Diễn biến:

+ Trong giai đoạn này, electron từ các phân tử NADH và FADH₂ sẽ được truyền cho các chất nhận electron nằm ở màng trong ti thể và đến chất nhận cuối cùng là O₂. Năng lượng giải phóng từ chuỗi truyền electron hô hấp sẽ được sử dụng cho sự tổng hợp ATP.

+ Khi oxi hóa hoàn toàn 1 phân tử NADH sẽ giải phóng năng lượng tương đương 2,5 ATP; 1 phân tử FADH₂ sẽ giải phóng năng lượng tương đương 1,5 ATP.

Chuỗi truyền electron trong hô hấp tế bào

- Sản phẩm: Đây là giai đoạn thu được nhiều ATP nhất (khoảng 28 ATP).

2. Lên men

- Điều kiện diễn ra: Lên men diễn ra trong điều kiện tế bào không có O₂ (không có chất nhận điện tử cuối cùng của chuỗi truyền electron).

Các con đường phân giải glucos trong tế bào

- Vị trí diễn ra: Diễn ra trong tế bào chất.

- Diễn biến: gồm giai đoạn đường phân và lên men.

+ Giai đoạn đường phân: biến đổi phân tử glucose thành pyruvic acid.

+ Giai đoạn lên men: Pyruvic acid được giữ lại ở bào tương và được chuyển hóa thành lactic acid, ethanol hoặc hợp chất hữu cơ khác theo con đường lên men.

- Hiệu quả năng lượng: Quá trình lên men không oxi hóa hoàn toàn hợp chất hữu cơ nên năng lượng tạo ra sẽ ít hơn rất nhiều so với hô hấp, chỉ có 2 ATP được tạo ra từ giai đoạn đường phân.

III. Mối quan hệ giữa tổng hợp và phân giải các chất trong tế bào

Tổng hợp và phân giải là hai quá trình đối lập nhưng thống nhất trong hoạt động sống của tế bào và sinh vật:

Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa tổng hợp và phân giải

- Mặt đối lập: Quá trình tổng hợp là quá trình tạo ra các hợp chất phức tạp từ các hợp chất đơn giản còn quá trình phân giải là quá trình phân giải các hợp chất phức tạp thành các chất đơn giản. Quá trình tổng hợp là quá trình tích trữ năng lượng còn quá trình phân giải là quá trình giải phóng năng lượng.

- Mặt thống nhất: Quá trình phân giải cung cấp năng lượng và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp. Đồng thời, quá trình phân giải không thể diễn ra nếu không có chất hữu cơ do quá trình tổng hợp tạo ra.