Bài 15: Tổng hợp các chất và tích luỹ năng lượng

I. Khái niệm tổng hợp các chất trong tế bào

- Tổng hợp là sự hình thành hợp chất phức tạp từ các chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng. 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, đồng thời cung cấp cho các hoạt động sống khác. Những đại phân tử sinh học là polymer được tổng hợp từ các đơn phân nhờ các enzyme xúc tác chuyên biệt và nguồn năng lượng ATP.

Tổng hợp các chất trong tế bào là quá trình sử dụng nguyên liệu là các chất đơn giản, dưới sự xúc tác của enzyme để hình thành các hợp chất phức tạp hơn, đồng thời tích luỹ năng lượng.

II. Quang hợp

1. Khái niệm quang hợp

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

- Phương trình:

2. Cơ chế quang hợp

- Quá trình quang hợp xảy ra theo hai pha kế tiếp nhau:

• Pha sáng xảy ra ở màng thylakoid. Trong pha sáng, 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. Quá trình này đã chuyển năng lượng ánh sáng thành điện năng và sau đó là hoá năng trong phân tử ATP và NADPH. Năng lượng từ các photon ánh sáng cũng làm phân li nước giải phóng electron, H⁺ và O₂. Trong quá trình quang phân li nước, năng lượng ánh sáng biến đổi thành thế năng và sau đó là hoá năng trong ATP. Sản phẩm của pha sáng là ATP và NADPH được sử dụng trong chu trình Calvin - chuỗi các phản ứng không sử dụng trực tiếp năng lượng từ ánh sáng (pha tối).

• Pha tối diễn ra theo chu trình Calvin xảy ra ở chất nền của lục lạp. Trong pha tối, CO₂ sẽ bị khử thành carbohydrate. Cứ 3 phân tử CO₂ ddi vaò 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 một 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,...

3. Vai trò của quang hợp

- Tổng hợp các chất và tích luỹ năng lượng.

- Cung cấp nguồn dinh dưỡng nuôi sống gần như toàn bộ sinh giới.

- Cung cấp nguồn nguyên liệu cho sản xuất công nghiệp, xây dựng và y học.

- Điều hoà hàm lượng O₂ và CO₂ trong khí quyển.

1. Quá trình quang hợp gồm pha sáng và pha tối. Pha sáng diễn ra ở thylakoid, biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng trong ATP và NADPH. Pha tối diễn ra ở chất nền lục lạp, sử dụng năng lượng từ pha sáng để đồng hoá CO₂ thành các hợp chất hữu cơ.

2. Quang hợp đóng vai trò rất quan trọng trong việc duy trì sự sống của sinh giới.

III. Hoá tổng hợp và quang tổng hợp ở vi khuẩn

1. Vai trò của hoá tổng hợp ở vi khuẩn

- Hoá 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 hoá các hợp chất vô cơ. Những sinh vật tổng hợp các chất hữu cơ theo con đường này được gọi là sinh vật hoá tổng hợp (hoá tự dưỡng).

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

- Phương trình tổng quát của hoá tổng hợp:

	Đại diện	Hoạt động	Vai trò
Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất của lưu huỳnh	Vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn oxy hoá sulfide	Nhóm vi khuẩn này oxy hoá H2S, S, SO32-,... thành H2SO4 tạo ra năng lượng để vi khuẩn tổng hợp chất hữu cơ.	Làm sạch môi trường nước.
Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa nitrogen	Vi khuẩn nitride hoá: nitrosomonas; vi khuẩn nitrate hoá: nitrobacter	Chuyển hoá NH3 thành HNO2, rồi thành HNO3 tạo ra năng lượng cho vi khuẩn tổng hợp chất hữu cơ.	- Đảm bảo chu trình tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. - Chuyển hoá NH3 thành dạng muối NO3- là dạng thực vật có thể hấp thụ được, làm đất thêm màu mỡ, có lợi cho cây trồng.
Nhóm vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất chứa sắt	Vi khuẩn sắt	Vi khuẩn sắt chuyển hoá Fe2+ thành Fe3+, giải phóng năng lượng cho vi khuẩn tổng hợp chất hữu cơ.	Hình thành mỏ sắt.

2. Vai trò của quá trình quang khử ở vi khuẩn

- Quang khử (quang hợp không tạo O₂): một số vi khuẩn màu lục và màu tía dùng năng lượng ánh sáng để khử CO₂ nhưng không dùng H₂O làm nguồn cung cấp H⁺ và electron như trong quá trình quang hợp ở thực vật mà dùng H₂S, S, H₂ và một số chất hữu cơ khác.

- Vai trò của quang khử: 

• Cung cấp nguồn thức ăn cho các sinh vật dị dưỡng.
• Giúp các vi khuẩn quang khử thích nghi với nhiều môi trường sống khác nhau.
• Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường. 

Quá trình hoá tổng hợp ở vi khuẩn có nhiều vai trò quan trọng như: đảm bảo sự tuần hoàn của chu trình vật chất trong tự nhiên, góp phần làm sạch môi trường nước, tạo ra các mỏ quặng. Quang khử ở vi khuẩn tạo nên lượng sinh khối lớn, góp phần điều hoà khí quyển và làm giảm ô nhiễm môi trường.