Bài 11. Tổng hợp và phân giải các chất trong tế bào

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

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

⇒ Đây là quá trình hình thành các chất để xây dựng tế bào, đồng thời tích luỹ năng lượng cho tế bào.

- Tổng hợp được chia thành hai giai đoạn:

• Giai đoạn 1: thực hiện thông qua các quá trình như quang tổng hợp, hoá tổng hợp hoặc quang khử.
• Giai đoạn 2: quá trình tổng hợp các chất hữu cơ đặc trưng cho tế bào.

1. Quang tổng hợp

- Quang tổng hợp là quá trình tế bào sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ.

- Vai trò: chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tích luỹ trong hợp chất hữu cơ và giải phóng O₂ vào khí quyển.

- Sản phẩm của quá trình quang tổng hợp là nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp khác và là nguồn cung cấp năng lượng cho tế bào.

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

- Nơi diễn ra: lục lạp.

- Quá trình quang tổng hợp được chia thành hai pha:

• Pha sáng: phụ thuộc vào ánh sáng.
• Chu trình Calvin: không phụ thuộc vào ánh sáng.

- Phương trình tổng quát của quá trình quang tổng hợp:

* Pha sáng

- 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.

* Chu trình Calvin

- Nơi diễn ra: chất nền của lục lạp.

- Chu trình Calvin phụ thuộc vào các sản phẩm của pha sáng như ATP và NADPH.

- Phương trình tổng hợp của chu trình Calvin:

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

2. Hoá tổng hợp và quang khử

* Hoá tổng hợp

- Hoá tổng hợp là quá trình tế bào chuyển hoá năng lượng từ các phản ứng oxi hoá - khử thành năng lượng tích luỹ trong hợp chất hữu cơ.

- Gồm hai giai đoạn:

• Chuyển hoá năng lượng từ phản ứng oxi hoá - khử thành năng lượng tích luỹ trong ATP và NADH.
• Giai đoạn khử CO₂ thành glucose.

- Ví dụ: quá trình hoá tổng hợp ở vi khuẩn oxi hoá hydrogen diễn ra theo 2 giai đoạn sau:

• Giai đoạn tích luỹ 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

* Quang khử

- Quang khử là quá trình quang tổng hợp ở vi khuẩn nhờ các sắc tố quang hợp nằm trên màng tế bào.

- Quá trình cố định CO₂ thường được thực hiện trong điều kiện không có O₂ theo phương trình tổng quát:

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 cho tế bào.

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

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

- Vai trò:

• Giải phóng ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào.
• Tạo ra các phân tử nhỏ (nguyên liệu cho quá trình tổng hợp).

- Tinh bột là dạng dữ trữ carbon chủ yếu ở cơ thể thực vật và cũng là nguồn cung cấp năng lượng chính cho cơ thể động vật. 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

- Hô hấp tế bào là chuỗi phản ứng oxi hoá - khử diễn ra trong tế bào.

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

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

- 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; oxi hoá pyruvic acid và chu trình Krebs; chuỗi truyền electron.

* Đường phân

- Đường phân là quá trình biến đổi phân tử glucose xảy ra trong tế bào chất. Kết quả từ 1 phân tử glucose sẽ tạo ra 2 phân tử pyruvic acid, 2 phân tử ATP và 2 phân tử NADH.

- Phương trình tổng quát:

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

* Giai đoạn oxi hoá pyruvic acid và chu trình Krebs

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

- Phân tử acetyl - CoA sẽ đi vào chu trình Krebs và bị oxi hoá hoàn toàn. Kết quả từ 1 phân tử acetyl - CoA sẽ tạo ra 2 phân tử CO_2, 1 ATP, 1 FADH₂ và 3 NADH.

- Phương trình tổng quát:

2 Pyrucvic acid + 2 ADP + 2 Pi + 8 NAD⁺ + 2 FAD⁺ ➝ 6 CO₂ + 2 ATP + 8 NADH + 2 FADH₂

* Chuỗi truyền electron

- 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 hoá hoàn toàn 1 phân tử NADH sẽ hình thành khoảng 2,5 ATP; 1 phân tử FADH₂ sẽ tạo ra khoảng 1,5 ATP.

2. Lên men

- Khi trong tế bào không có O₂ nghĩa là không có chất nhận điện tử cuối cùng của chuỗi truyền electron.

⇒ Chuỗi truyền electron không diễn ra và chu trình Krebs dừng lại. Khi đó, pyruvic accid được giữ lại ở tế bào chất và được chuyển hoá thành lactic acid, ethanol hoặc hợp chất hữu cơ khác theo con đường lên men.

- Quá trình lên men không oxi hoá hoàn toàn hợp chất hữu cơ nên năng lượng tạo ra sẽ ít hơn so với hô hấp.

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

- Thông qua quá trình tổng hợp, sinh vật tạo ra các hợp chất phức tạp để xây dựng tế bào và dự trữ năng lượng. Quá trình tổng hợp cần có các nguyên liệu phù hợp và tiêu tốn năng lượng.

- Quá trình phân giải cung cấp năng lượng và nguyên liệu phù hợp cho quá trình tổng hợp.

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

1. Tổng hợp là quá trình chuyển hoá những chất đơn giản thành chất phức tạp diễn ra trong tế bào nhờ sự xúc tác của enzyme. Trong quá trình đó, năng lượng được tích luỹ trong các hợp chất hữu cơ. Tổng hợp các chất được thực hiện thông qua các con đường: quang tổng hợp, hoá tổng hợp và quang khử.

2. Phân giải là quá trình chuyển hoá các chất phức tạp thành các chất đơn giản diễn ra trong tế bào nhờ sự xúc tác của enzyme. Quá trình phân giải sẽ giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào. Phân giải được thực hiện theo 2 con đường: hô hấp, lên men.

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