– Tổng hợp 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. Đây chính là quá trình hình thành các chất để xây dụng tế bào, đồng thời tích luỹ năng lượng cho tế bào.

– Tổng hợp có thể chia thành hai giai đoạn (hình 11.2) Giai đoạn 1 được thực hiện thông qua các quá trình như quang tổng hợp, hóa tổng hợp hoặc quang khử. Giai đoạn 2 là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ đặc trưng cho tế bào, ví dụ như polysaccharide, protein, lipid,…

Hình 11.2. Hai giai đoạn tổng hợp các chất trong tế bảo

a. Quang tổng hợp

– Quang tổng hợp (quang hợp) là quá trình tế bào sử dụng năng lượng ánh sáng (NLAS) để tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vỏ cơ. Như vậy, quang tổng hợp có vai trò chuyển năng lượng ánh sáng thanh năng lượng hoá học tích luỹ trong hợp chất hữu cơ (C H,O) và giải phóng O, vào khí quyển Sản phẩm của quả trình quang tổng hợp là nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp khác, đồng thời là nguồn cung cấp năng lượng cho tế bảo. Trong sinh giới thực vật, tảo và một số vi khuẩn có khả năng quang tong hop.

– Quá trình quang tổng hợp ở thực vật vả tảo diễn ra ở lục lạp và được chia thành hai pha pha phụ thuộc ảnh sảng (pha sáng) và pha không phụ thuộc ảnh sáng (chu trình Calvin) (hinh 11.3).

+ Phương trình tổng quát của quá trình quang tổng hợp: \(6C{O_2} + 6{H_2}O\xrightarrow[{Diệp lục}]{{ánh sáng}}{C_6}{H_{12}}{O_6} + 6{O_2}\)

Hình 11.3. Sơ đồ tổng quát của quá trình quang tổng hợp diễn ra ở lục lạp

Pha sáng

Các sắc tổ quang hợp (STQH) năm trên mảng 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

– Năng lượng ánh sáng 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 truyền electron, quá trình quang phân li nước cũng diễn ra giải phóng 0, và electron bu lại cho trung tâm phản ứng (hinh 11.4)

– Pha sáng trong quang hợp được tóm tắt bằng phương trình:

\({H_2}O + ADP + Pi + NADP{\text{ }}\xrightarrow[{STQH}]{{NLAS}}{\text{  }}ATP + NADPH{\text{ }} + {\text{ }}{H^ + }{\text{ +  }}1/2{\text{ }}{{\text{O}}_{\text{2}}}\)

Hình 11.4. Chuỗi truyền electron trong pha sáng của quá trình quang tổng hợp

Chu trình Calvin

– Chu trình Calvin diễn ra ở chất nền của lục lạp, pha này không phụ thuộc vào ánh sáng nhưng lại phụ thuộc vào các sản phẩm của pha sang như ATP và NADPH. Trong chu trình này, ATP và NADPH cung cấp năng lượng và điện tử tham gia khử phân tử CO₂ thành C₆H₁₂O₆

– Chất kết hợp với CO₂ đầu tiên là ribulose bisphosphate (RuBP) và tạo ra 3-phosphoglycerate (3PG). Hợp chất ba carbon được tạo ra đầu tiên nên chu trình này còn có tên gọi khác là chu trinh C3. Tiếp theo 3PG được khi thanh glyceraldehyde–3 phosphate (G3P), giai đoạn này có sự tham gia của ATP và NADPH được tạo ra từ pha sáng. Một phần G3P sẽ được sử dụng cho tái tạo RuBP, phan G3P còn lại sẽ được sử dụng trong tổng hợp glucose.

Hình 11.5. Chu trình Calvin

– Glucose tạo ra trong quang hợp sẽ cung cấp mạch khung “xương sống” carbon trong tổng hợp nhiều chất hữu cơ khác cho tế bảo.

– Phương trình tổng quát của chu trình Calvin:

\(6{\text{ }}C{O_2}\; + 12{\text{ }}NADPH{\text{ }} + {\text{ }}18{\text{ }}ATP{\text{ }}{C_6}{H_{12}}{O_{6\;}} + {\text{ }}18{\text{ }}ADP + {\text{ }}18{\text{ }}Pi{\text{ }} + {\text{ }}12{\text{ }}NAD{P^ + }\)

b. Hoá tổng hợp và quang khử

– Một số vi khuẩn có thể tổng hợp glucose thông qua quá trình hoa 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

Hoá tổng hợp

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

– Quá trình này gồm hai giai đoạn chuyển hoa năng lượng từ phản ứng oxi hóa – khử thành năng lượng tích luỹ trong ATP và NADH, giai đoạn khi CO, thành glucose.

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

+ Giai đoạn tích lũy năng lượng: \({H_2} + {O_2} + ADP + Pi + NA{D^ + } \to {H_2}O + NADH + ATP\)

+ Giai đoạn khử CO₂: \(C{O_2} + NADH + ATP \to {C_6}{H_{12}}{O_6} + ADP + Pi + NA{D^ + }\)

+ Phương trình tổng quát: \(24{H_2} + 6{O_2} + 6C{O_2} \to {C_6}{H_{12}}{O_6} + 18{H_2}O\)

Quang khử

– Quang khử là quá trình quang tổng hợp ở vi khuẩn nhờ các sắc tổ quang hợp nằm trên mảng tế bào. Khác với quang hợp, quá trình cố định CO₂ trong trường hợp này thường được thực hiện trong điều kiện không có O₂theo phương trình tổng quát

\(C{O_2} + 12{H_2}X\xrightarrow[{STQH}]{{NLAS}}{C_6}{H_{12}}{O_6} + {H_2}O + 12X\)

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

c. 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 bảo. Ví dụ: tế bào tổng hợp tỉnh bột, glycogen hoặc cellulose từ glucose, tổng hợp protein từ các amino acid; tổng hợp triglyceride (lipid) ti glycerol và acid béo (hình 11.6).

Hình 11.6. Sinh tổng hợp các phân tử lớn trong tế bào

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, hóa tổng hợp và quang khử.

– Phân giải các chất trong tế bảo là quá trình chuyển hoá các chất phức tạp thành các chất đơn gian diễn ra trong tế bao nhớ sự xúc tác của enzyme. Quá trình này sẽ giải phóng ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào. Bên cạnh chức năng giải phóng năng lượng cho tế bào, quá trình phân giải tạo ra các phân tử nhỏ, đó là nguyên liệu của quá trình tổng hợp.

– Tinh bột là dạng dự 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 bao hấp thụ và phân giải glucose, giải phóng năng lượng theo hai con đường hô hấp và lên men.

a. Hô hấp tế bào

Hô hấp tế bào là chuỗi các phản ứng oxi hoá – khử diễn ra trong tế bào, thông qua các phản ứng này, hợp chất hữu cơ được phân giải thành CO₂ và H₂O đồng thời giải phóng năng lượng tích luỹ trong các phân tử ATP Phương trình tổng quát của quá trình phân giải một phân tử \({C_6}{H_{12}}{O_6}\) thông qua hô hấp tế bảo là

\({C_6}{H_{12}}{O_6} + 6{O_2} \to 6C{O_2} + 6{H_2}O + \)  + năng lượng (ATP + Q)

Ở sinh vật nhân thực, quá trình hô hấp tế bảo diễn ra trong tế bào chất và tỉ thể, gồm 3 giai đoạn đường phân, oxi hoa pyruvic acid và chu trình Krebs, chuỗi truyền electron (hình 11.7)

Hình 11.7. Sơ đồ tổng quát của hô hấp tế bào

Đường phân 

Đường phân là quả trình biến đổi phân tử glucose xảy ra trong tế bào chất. Kết quả là từ 1 phân tử glucose sẽ tạo ra 2 phân tử pyruvic acid, 2 phân tử ATP và 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 hoa glucose nên chỉ thu được 2 ATP. Giai đoạn đường phần được tóm tắt bằng sơ đồ hinh 11.8

Hình 11.8. 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

Giai đoạn oxi hoá pyruvic acid và chu trình Krebs

– Pyruvic acid được hình thành trong tế bảo chất được chuyển qua lớp mảng kép vào chất nền của ti thể. Tại đây, 2 phân tử pyruvic acid sẽ được chuyển hoa 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 hoa hoàn toàn Kết quả là từ 1 phân tử acetyl – CoA sẽ tạo ra 2 phân tử CO₂, 1 ATP, 1 FADH₂ và 3 NADH (hinh 11.9).

– Phương trình tổng quát

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

Hình 11.9. Sơ đồ tóm tắt chu trình Krebs

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 mảng 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 (hinh 11.10).

– Khi oxi hoá hoàn toàn 1 phân tử NADH sẽ hình thành khoảng 2,5 ATP; 1 phân tử FADH sẽ tạo ra khoảng 1,5 ATP

Hình 11.10. Chuỗi truyền electron trong hô hấp tế bào

b. 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 cũng dùng lại. Khi đó pyruvic acid được giữ lại ở tế bào chất và được chuyển hóa thành lactic acid, ethanol hoặc hợp chất hữu cơ khác theo con dường lên men (hình 11.11). Quá trình lên men không oxi hoa hoàn toàn hợp chất hữu cơ nên năng lượng tạo ra sẽ ít hơn rất nhiều so với hô hấp.

Hình 11.11. Các con đường phân giải glucose trong tế bào

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.

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 lương. Ngược lại, quá trình phân giải cung cấp năng lượng và nguyên liệu phù hợp cho quá trình tổng hợp. Như vậy, tổng hợp và phân giải là hai quá trình đối lập nhưng thống nhất trong hoạt động sống của sinh vật. Mối quan hệ giữa tổng hợp và phân giải được thể hiện tóm tắt trong hình 11.12.

Hình 11.12. Sơ đồ tổng quát thể hiện mối quan hệ giữa tổng hợp và phân giải

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