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

- Khái niệm phân giải các chất: Phân giải các chất trong tế bào 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 (một phần năng lượng được giải phóng sẽ chuyển thành năng lượng tích lũy trong phân tử ATP và một phần sẽ giải phóng dưới dạng nhiệt năng).

- 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.

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

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

2. Hô hấp tế bào

a) Khái niệm và bản chất của 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.

- Hô hấp tế bào là con đường phân giải mang lại hiệu quả năng lượng cao nhất.

- Bản chất của quá trình hô hấp tế bào là một cuỗi các phản ứng oxy hóa khử, trong đó năng lượng dạng hóa năng trong phân tử đường sẽ được giải phóng từ từ qua các giai đoạn và chuyển thành dạng năng lượng dễ sử dụng hơn trong phân tử ATP, đồng thời giải phóng năng lượng dạng nhiệt năng.

b) Phương trình tổng quát

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

c) Cơ chế

• Ở sinh vật nhân thực, quá trình hô hấp tế bào diễn ra trong tế bào chất và ti thể, gồm ba giai đoạn: đường phân, chu trình Krebs, chuỗi truyền electron.
• 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 (hợp chất 6 carbon) được phân giải thành hai phân tử pyruvate (hợp chất 3 carbon), đồng thời tạo 2 phân tử NADH và 2 phân tử ATP.
• Chu trình Krebs: xảy ra trong chất nền của ti thể. Mỗi phân tử pyruvate chuyển hóa thành một phân tử acetyl-coA đi vào chu trình Krebs giải phóng 2 phân tử CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ và 1 ATP.
• Chuyển truyền electron: diễn ra ở màng trong ti thể, đây là giai đoạn thu được nhiều ATP nhất. Trong đó, các phân tử NADH và FADH₂ được sinh ra trong giai đoạn đường phân và chu trình Krebs sẽ bị oxy hóa qua một chuỗi phản ứng oxy hóa 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.

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

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

• Giai đoạn đường phân (tương tự như hô hấp hiếu khí): xảy ra trong tế bào chất của tế bào. Quá trình này tạo ra được 2 pyruvate, 2 ATP, 2 NADH.
• Giai đoạn lên men: xảy ra trong tế bào chất của tế bào, electron từ glucose qua NADH được truyền đến phân tử hữu cơ khác. Trong đó:

- Quá trình lên men lactate: pyruvate nhận electron từ NADH và tạo ra sản phẩm là muối lactate.

- Quá trình lên men ethanol: phân tử hữu cơ acetaldehyde là chất nhận electron từ NADH để tạo ra sản phẩm cuối cùng là ethanol.

→ Kết quả của quá trình lên men, 1 phân tử glucose chỉ tạo ra 2 phân tử ATP, ít hơn rất nhiều so với hô hấp hiếu khí.

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

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

- Khái niệm: Tổng hợp các chất trong tế bào là sự hình thành hợp chất phức tạp từ các chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng → Quá trình tổng hợp các chất cũng chính là quá trình tích lũy năng lượng trong các liên kết hóa học của sản phẩm mới được tổng hợp.

Ví dụ:

• Các phân tử nucleic acid được hình thành từ phản ứng sinh tổng hợp tạo liên kết phosphodiester giữa các đơn phân nucleotide.
• Các phân tử protein hay các chuỗi polypeptide được tạo thành từ sự kết hợp của nhiều amino acid với nhau bằng các liên kết peptide trong quá trình sinh tổng hợp protein.
• Tinh bột, glycogen, chitin,… được tổng hợp từ các đường đơn như glucose, fructose, galactose,…

- Vai trò: 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 sống, đồng thời, cung cấp cho các hoạt động sống khác.

- Nguồn năng lượng và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp đều bắt nguồn từ các sinh vật tự dưỡng như thực vật, tảo, một số vi khuẩn.

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

a) Khái niệm

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

b) Phương trình tổng quát

- Quang hợp ở thực vật sử dụng khí CO₂ và nước, dưới tác dụng của ánh sáng do diệp lục hấp thụ để tổng hợp nên carbohydrate và giải phóng khí O₂.

c) Cơ chế

- Quá trình quang hợp xảy ra theo hai pha kế tiếp nhau: pha sáng và pha tối.

* 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 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.
• Đồng thời, năng lượng từ các photon ánh sáng cũng làm phân li nước giải phóng electron, H+ và O₂. Electron sẽ bù vào electron đã mất ở diệp lục, H+ được sử dụng tạo ra sự chênh lệch gradient H+ giữa 2 phía màng thylakoid nhờ đó tổng hợp được ATP.

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

* Pha tối

- 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 carbohydrate → Năng lượng trong liên kết kém bền vững từ ATP và NADPH đã được chuyển sang liên kết bền vững hơn ở các phân tử hữu cơ phức tạp.

- Nguyên liệu: CO₂, ATP, NADPH.

- Sản phẩm: C₆H₁₂O₆, ADP, Pi, NADP+.

- Diễn biến:

• 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 1 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,…

- Phương trình tổng quát của chu trình Calvin:

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

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

- Khái niệm: Quang khử (quang hợp không tạo O₂) là quá trình một số vi khuẩn sử dụng năng lượng ánh sáng để khử CO₂ nhưng không dùng H₂O làm nguồn cung cấp H+, electron và không giải phóng ra O2 → Quang khử ở vi khuẩn đã chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học mà không cần đến nước.

- Đại diện: Một số loại vi khuẩn màu lục và màu tía.

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

- Vai trò: Quang khử không chỉ cung cấp nguồn thức ăn cho các sinh vật dị dưỡng mà còn giúp các vi khuẩn quang khử thích nghi với nhiều môi trường sống khác nhau, đồng thời, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường.

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

- Khái niệm: Hóa 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 hóa các hợp chất vô cơ → Trong hóa tổng hợp, năng lượng hóa học trong các phân tử vô cơ đã được chuyển thành năng lượng hóa học trong phân tử hữu cơ.

- Đại diện: Sinh vật hóa tự dưỡng.

- Cơ chế:

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

- Phương trình tổng quát:

* Phân biệt quang hợp, hóa tổng hợp, quang khử:

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

- Tổng hợp và phân giải là hai quá trình trái ngược nhau nhưng lại thống nhất và có liên quan mật thiết với nhau:

• Mặt trái ngược: 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: Sản phẩm của quá trình tổng hợp cung cấp nguyên liệu cho quá trình phân giải. Còn năng lượng và các sản phẩm trung gian được giải phóng ra trong quá trình phân giải lại có thể được sử dụng cho quá trình tổng hợp.