Sinh học lớp 10 · KNTT · Chương 5

Lý thuyết Sinh học 10 Bài 14: Phân giải và tổng hợp các chất trong tế bào

Chương 5: Chuyển hóa năng lượng trong tế bào · Kết nối tri thức với cuộc sống

Tóm tắt lý thuyết Sinh học 10 Bài 14: Phân giải và tổng hợp các chất trong tế bào theo chương trình SGK Kết nối tri thức với cuộc sống. Hệ thống hoá toàn bộ kiến thức trọng tâm, sơ đồ cấu trúc tế bào sinh học chuẩn xác, bảng biểu so sánh trực quan và câu hỏi củng cố có lời giải chi tiết.

Lớp

10 11 12

Môn

Toán học Vật lý Hóa học Ngữ văn Tiếng Anh Sinh học Lịch sử Địa lý Giáo dục kinh tế & pháp luật Tin học Công nghệ

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).

Minh họa quá trình phân giải tinh bột

- 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.

Sơ đồ tóm tắt quá trình phân giải hiếu khí phân tử đường glucose trong tế bào nhân thực

- 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 C₆H₁₂O₆qua 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.

Sơ đồ đường phân (a) và con đường tổng hợp ATP trong đường phân (b)

- 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.

Sơ đồ tóm tắt chu trình Krebs

- Chuyễn chuyền 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.

Chuỗi truyền electron trong hô hấp tế bào

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.

Sơ đồ tóm tắt 2 con đường lên men lactate và ethanol

+ 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,…

Sinh tổng hợp các phân tử lớn trong tế bào

- 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.

Quang hợp ở thực vật

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.

Mối quan hệ giữa pha sáng và pha tối của quang hợp

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:

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

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:

Chu trình Calvin

+ 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.

- Phương trình tổng quát:

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.

Một số nhóm vi khuẩn hóa tổng hợp

- 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:

Quang hợp	Hóa tổng hợp	Quang khử
- Sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt Trời.	- Sử dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ.	- Sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt Trời.
- Sử dụng H₂O làm nguồn cung cấp H⁺ và electron.	- Sử dụng H₂O hoặc các hợp chất khác làm nguồn cung cấp H⁺ và electron.	- Sử dụng H₂S, S, H₂ và một số chất hữu cơ khác làm nguồn cung cấp H⁺ và electron.
- Có giải phóng O₂.	- Không giải phóng O₂.	- Không giải phóng O₂.

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

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

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.

Câu hỏi ôn tập & củng cố bài học

Trình bày 3 giai đoạn của quá trình hô hấp hiếu khí tế bào và vị trí xảy ra của từng giai đoạn.

Hô hấp tế bào gồm 3 giai đoạn: (1) Đường phân (Glycolysis): xảy ra ở tế bào chất, 1 phân tử Glucose (

6C

) bị phân giải thành 2 phân tử Pyruvate (

3C

), thu được 2 ATP và 2 NADH; (2) Chu trình Krebs: xảy ra ở chất nền ti thể, biến đổi pyruvate thành

CO_2

, tạo ra 2 ATP, 8 NADH và 2

FADH_2

; (3) Chuỗi chuyền electron hô hấp: xảy ra ở màng trong ti thể, electron từ NADH và

FADH_2

truyền qua chuỗi protein vận chuyển đến chất nhận cuối cùng là

O_2

để tạo

H_2O

, năng lượng giải phóng được ATP synthase dùng để tổng hợp khoảng

26 - 28

ATP. Tổng cộng 1 glucose tạo ra khoảng

30 - 32

ATP.

So sánh hiệu quả năng lượng giữa hô hấp hiếu khí và lên men.

Hô hấp hiếu khí có chất nhận electron cuối cùng là oxy tự do (

O_2

), oxy hóa hoàn toàn glucose thành

CO_2

và

H_2O

, giải phóng toàn bộ năng lượng hóa năng, thu được khoảng

30 - 32

phân tử ATP từ mỗi phân tử glucose (hiệu suất

\approx 34\%

). Lên men xảy ra trong điều kiện không có

O_2

, glucose chỉ bị phân giải dở dang ở giai đoạn đường phân tạo ra các chất hữu cơ còn giàu năng lượng như lactic acid (

C_3H_6O_3

) hoặc ethanol (

C_2H_5OH

), chỉ thu được vỏn vẹn 2 ATP từ đường phân (hiệu suất

< 2\%

Trình bày bản chất pha sáng của quang hợp và vai trò của quá trình quang phân ly nước.

Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid của lục lạp, chỉ xảy ra khi có ánh sáng: hệ sắc tố diệp lục hấp thụ năng lượng photon ánh sáng kích động electron, electron truyền qua chuỗi chuyền electron quang hợp để tổng hợp năng lượng hóa học dưới dạng ATP và lực khử NADPH. Quá trình quang phân ly nước diễn ra ở mặt trong màng thylakoid theo phương trình:

2H_2O \xrightarrow{\text{ánh sáng, sắc tố}} 4H^+ + 4e^- + O_2\uparrow

. Vai trò của quang phân ly nước: bù lại electron bị mất cho diệp lục, cung cấp proton

H^+

tạo gradient điện hóa tổng hợp ATP và khử

NADP^+

thành NADPH, đồng thời giải phóng khí

O_2

cho khí quyển.

Pha tối (chu trình Calvin) diễn ra ở đâu và có mối quan hệ phụ thuộc như thế nào với pha sáng?

Pha tối diễn ra ở stroma (chất nền) của lục lạp, không phụ thuộc trực tiếp vào ánh sáng nhưng phụ thuộc chặt chẽ vào các sản phẩm của pha sáng: sử dụng năng lượng ATP và lực khử NADPH do pha sáng cung cấp để cố định phân tử

CO_2

khí quyển qua chu trình Calvin thành hợp chất 3 carbon (G3P), từ đó tổng hợp nên glucose, tinh bột và các chất hữu cơ khác. Ngược lại, pha tối tái tạo

ADP, P_i

và

NADP^+

cung cấp trở lại cho pha sáng.

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

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

🌟 Em đã học (Ghi nhớ kiến thức trọng tâm)

Câu hỏi ôn tập & củng cố bài học