a. Khái niệm phân giải các chất và các con đường phân giải

– Phân giải 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 luỹ trong phân tử ATP và một phần sẽ giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng.

– Quá trình phân giải đường diễn ra theo ba con đường: (1) Hô hấp tế bào (còn gọi là hô hấp hiếu khí), cần sự tham gia của O₂ (2) Hô hấp kị khí, tương tự hô hấp hiếu khí nhưng không cần tới O₂ (3) Lên men, không có chuỗi truyền electron

Phân giải 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.

 

b. 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

– Phương trình tổng quát của quá trình phân giải hoàn toàn một phân tử đường glucose được biểu diễn như sau:

\({C_6}{H_{12}}{O_6}(glu\cos e) + 2ATP + 6{O_2} \to 6C{O_2} + 6{H_2}0 + 30 – 32ATP\) + Nhiệt năng

– Toàn bộ quá trình phân giải hiếu khí phân tử đường glucose được chia thành ba giai đoạn chính: đường phân, chu trình Krebs và chuỗi truyền electron (H 14.1).

Hình 14.1. Sơ đồ tóm tắt quá trình phân giải hiểu khi phân tử đường glucose trong tế bào nhân thực

– Đường phân xảy ra trong tế bào chất và không có sự tham gia của Oy. 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 ra 2 phân tử NADH và 2 phân tử ATP (Hình 14,2).

– Mỗi phân tử pyruvate (phân tử 3 carbon) chuyển hoá thành một phân tử acetyl-CoA (phân tử 2 carbon) đi vào chu trình Krebs giải phóng ra 2 phân tử CO₂ 3NADH, 1 FADH, và 1 ATP (H 14.3).

Hô hấp tế bào là con đường mang lại hiệu quả năng lượng cao nhất, gồm ba giai đoạn chính là đường phân, chu trình Krebs, chuỗi truyền electron.

 

c. 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 O, và chuỗi truyền electron. Quá trình này gồm hai giai đoạn: đường phân và lên men. Giai đoạn đường phân diễn ra tương tự như hô hấp hiếu khí. Trong giai đoạn lên men, electron từ glucose qua NADH được truyền đến phân tử hữu cơ khác.

– Trong quá trình lên men lactate, pyruvate nhận electron từ NADH và tạo ra sản phẩm là muối lactate (H 14.4a). Còn trong 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 (H 14.4b). Kết quả của quá trình lên men, 1 phân tử glucose chỉ tạo ra 2 phân tử ATP, ít hơn rất nhiều so với hộ hấp hiếu khí.

Lên men gồm hai giai đoạn đường phân và lên men, là con đường mang lại hiệu quả ATP thấp hơn.

a. Khái quát về quá trình 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 các polymer (protein, các nucleic acid và carbohydrate) được tổng hợp từ các đơn phân nhờ các enzyme xúc tác chuyên biệt và nguồn năng lượng ATP.

Tổng hợp là quá trình hình thành hợp chất phức tạp từ những chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng.

 

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

– Quang hợp là quá trình tổng hợp quan trọng nhất đối với hệ thống sống. Đây 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. Quang hợp ở thực vật sử dụng khí CO, và nước, dưới tác dụng của ánh sáng do diệp lục hấp thụ để tổng hợp nên carbohydrate và giải phóng O,. Quá trình này có thể được diễn tả tổng quát như phương trình dưới đây:

– Quá trình quang hợp xảy ra theo hai pha kế tiếp nhau: pha sáng xảy ra ở màng thylakoid và pha tối diễn ra theo chu trình Calvin xảy ra ở chất nền của lục lạp. Mối quan hệ giữa pha sáng và pha tối được thể hiện trong hình 14.5.

– 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. Electron sẽ bù vào electron đã mất ở diệp lục, Hồ được sử dụng tạo ra sự chênh lệch gradient H⁺ giữa hai phía màng thylakoid nhờ đó tổng hợp được ATP (H 14.6a).

Hình 14.6. Sơ đồ cơ chế pha sáng của quá trình quang hợp và sơ đồ tóm tắt chu trinh Calvin

– Trong pha tối, CO₂ sẽ bị khử thành carbohydrate. 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 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,… Như vậy, ở pha tối, 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 (H 14.6).

Quang hợp là quá trình tổng hợp điển hình ở thực vật, gồm hai pha: Pha sáng có vai trò chuyển hoá năng lượng ánh sáng thành hoá năng trong các liên kết hoá học kém bền vững của ATP và NADPH. Pha tối có vai trò cố định CO2 tạo thành đường qua chu trình Calvin, đồng thời chuyển năng lượng từ phân tử ATP và NADPH sang dạng hoá năng bền vững hơn trong phân tử đường

 

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

Một số loại vi khuẩn màu lục và màu tía vẫn dùng năng lượng ánh sáng để khử CO₂ nhưng lại 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. Quá trình quang hợp kiểu này không giải phóng ra O2 nên còn gọi là quang hợp không tạo O₂ hay còn gọi là quang khử. 

d. Vai trò của hoa tổng hợp trong tổng hợp các chất và tích luỹ năng lượng ở vi khuẩn

– 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 vỏ cơ gọi là hoá tổng hợp. Những sinh vật tổng hợp các chất hữu cơ theo con đường này được gọi là sinh vật hoá tổng hợp hay hoá tự dưỡng.

– Phương trình tổng quát của hoá tổng hợp được trình bày như sau:

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

Quá trình tổng hợp sử dụng năng lượng để tạo nên phân tử phức tạp từ các phân tử đơn giản và tích luỹ năng lượng. Quá trình phân giải phá vỡ các phân tử phức tạp thành phân tử đơn giản để giải phóng năng lượng.

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 (H 14.7).

Hình 14.7. Sơ đồ tóm tắt mối liên quan giữa tổng hợp và phân giải

Quá trình tổng hợp cung cấp nguyên liệu cho quá trình phân giải, quá trình phân giải tạo ra năng lượng và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp.