Phân giải các chất và giải phóng năng lượng

I. Khái niệm phân giải các chất trong tế bào

- Khái niệm: Phân giải chất trong tế bào là quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản hơn nhờ quá trình bẻ gãy các liên kết hóa học. Ví dụ: Phân giải tinh bột thành các phân tử glucose, phân giải nucleic acid thành các nucleotide,…

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

II. Quá trình phân giải hiếu khí

1. Khái niệm phân giải hiếu khí

- Khái niệm: Phân giải hiếu khí (hô hấp tế bào) 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 lũy trong các hợp chất hữu cơ thành dạng năng lượng dễ sử dụng cho tế bào có trong phân tử ATP.

- Phương trình tổng quát:

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

- Đặc điểm:

• 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 oxi hóa khử.
• Tùy vào nhu cầu năng lượng của cơ thể mà tốc độ của quá trình phân giải hiếu khí có thể diễn ra nhanh hay chậm.

2. Các giai đoạn chính

Quá trình phân giải hiếu khí được chia thành 3 giai đoạn: đường phân, oxi hóa pyruvic acid và chu trình Krebs, chuỗi chuyền electron hô hấp.

Quá trình đường phân

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

- Cơ chế: 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 được hoạt hóa bằng 2 phân tử ATP.
• Nhờ enzyme đặc hiệu, phân tử glucose tách thành 2 phân tử pyruvic acid (phân tử 3C).

- Sản phẩm thu được: 2 pyruvic acid, 2 ATP và 2 NADH.

Oxi hóa pyruvic acid và chu trình Krebs

- Vị trí diễn ra: Diễn ra trong chất nền ti thể.

- Cơ chế:

• Oxi hóa pyruvic: 2 phân tử pyruvic acid bị oxi hóa thành 2 phân tử acetyl – coenzyme A (acetyl – CoA), đồng thời sinh ra 2 phân tử CO2, 2 NADH.
• Chu trình Krebs: Khi đi qua chu trình Krebs, mỗi acetyl – CoA bị oxi hóa hoàn toàn tạo thành 2 phân tử CO2, 1 ATP, 3 NADH, 1 FADH2.

- Sản phẩm thu được: 4 phân tử CO2, 2 ATP, 8 NADH, 2 FADH2.

Chuỗi chuyền electron hô hấp

- Vị trí diễn ra: Diễn ra tại màng trong ti thể.

- Cơ chế: Chuỗi chuyền electron hô hấp sẽ chuyển hóa năng lượng được tích trữ trong các phân tử NADH và FADH2 thành năng lượng trong các phân tử ATP. Đây là giai đoạn tạo được nhiều ATP nhất.

• Các phân tử NADH và FADH2 bị oxi hóa thông qua một chuỗi phản ứng oxi hóa khử
• + Electron được giải phóng từ NADH và FADH2 chuyển đến chất nhận electron cuối cùng là phân tử oxygen để tạo thành H2O.

- Sản phẩm thu được: Khi oxi hóa 1 phân tử NADH sẽ tạo được 2,5 phân tử ATP, 1 phân tử FADH2 sẽ tạo được 1,5 phân tử ATP.

III. Quá trình phân giải kị khí

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

- Có hai hình thức lên men phổ biến là lên men rượu và lên men lactic.

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

Pyruvic acid → C2H5OH (rượu ethanol) + 2CO2

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

Pyruvic acid → C2H5COOH (lactic acid)

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

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

- 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 các hoạt động sống của tế bào:

• Quá trình tổng hợp tạo nên các chất cung cấp nguyên liệu cho quá trình phân giải.
• Quá trình phân giải cung cấp năng lượng và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp.