MasterSchool

CHUYÊN ĐỀ 3 · SINH HỌC 10 KẾT NỐI TRI THỨC

Chuyên đề: Quang hợp và Phân chia tế bào — Lý thuyết và Phương pháp giải

Sinh học 10 · Bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống · Chuyên đề toàn diện

Nắm vững toàn diện bản chất hai pha của quang hợp tại lục lạp, các điểm kiểm soát chu trình tế bào, cơ chế nhân đôi biến đổi nhiễm sắc thể qua các kì nguyên phân, giảm phân và thụ tinh.

I. Cơ chế và Ý nghĩa của quá trình Quang hợp

1. Khái niệm và Hệ sắc tố quang hợp

Quang hợp là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để chuyển hóa CO2\mathrm{CO_2} và nước thành chất hữu cơ (glucose), đồng thời giải phóng khí oxy.

Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp

6CO2+12H2O→diệp lụcaˊnh saˊngC6H12O6+6O2↑+6H2O\mathrm{6CO_2 + 12H_2O \xrightarrow[diệp\,lục]{ánh\,sáng} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \uparrow + 6H_2O}

Hệ sắc tố quang hợp: Gồm Chlorophyll (diệp lục a và b) hấp thụ ánh sáng vùng xanh tím và đỏ (tạo màu xanh lục của lá) và Carotenoid (carotene và xanthophyll) hấp thụ ánh sáng xanh tím, truyền năng lượng cho diệp lục a và bảo vệ bộ máy quang hợp.

Sơ đồ hai pha của quá trình quang hợp ở lục lạp
Hình 3.1: Sơ đồ mối quan hệ mật thiết giữa Pha sáng và Pha tối (Chu trình Calvin) trong Lục lạp

2. Hai pha của quá trình quang hợp

Đặc điểm Pha sáng Pha tối (Chu trình Calvin)
Nơi diễn ra Màng Thylakoid của lục lạp. Chất nền Stroma của lục lạp.
Điều kiện Bắt buộc cần ánh sáng mặt trời. Không cần ánh sáng trực tiếp nhưng cần sản phẩm từ pha sáng.
Nguyên liệu Ánh sáng, H2O,NADP+,ADP,Pi\mathrm{H_2O, NADP^+, ADP, P_i}. CO2,ATP,NADPH\mathrm{CO_2, ATP, NADPH} (từ pha sáng).
Bản chất phản ứng Quang hóa: diệp lục hấp thụ photon giải phóng e−e^-; quang phân li nước: 2H2O→4H++4e−+O2↑\mathrm{2H_2O \rightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2 \uparrow} Chu trình Calvin gồm 3 giai đoạn:
1. Cố định CO2\mathrm{CO_2} vào chất nhận RuBP (5C5\mathrm{C}) nhờ enzyme RuBisCO tạo APG (3C3\mathrm{C}).
2. Khử APG thành AlPG (G3P) nhờ ATP\mathrm{ATP} và NADPH\mathrm{NADPH}.
3. Tái tạo chất nhận RuBP và tổng hợp Glucose.
Sản phẩm ATP,NADPH,O2\mathrm{ATP, NADPH, O_2} (khí thoát ra ngoài). Hợp chất hữu cơ (C6H12O6C_6H_{12}O_6), ADP,NADP+\mathrm{ADP, NADP^+} quay lại pha sáng.
Ví dụ minh họa 1 Tính toán lượng CO₂ hấp thụ và O₂ giải phóng trong quang hợp

Bài toán: Trong một ngày nắng, diện tích lá của một cây xanh tiến hành quang hợp tổng hợp được 90 gam Glucose90\text{ gam Glucose} (C6H12O6C_6H_{12}O_6, phân tử khối M=180 g/molM = 180\text{ g/mol}):

a) Tính khối lượng CO2\mathrm{CO_2} (gam) mà cây đã hấp thụ từ không khí.

b) Tính thể tích khí oxy O2\mathrm{O_2} (lít) giải phóng ra môi trường ở điều kiện chuẩn (25∘C25^{\circ}\mathrm{C}, 1 bar1\text{ bar}, Vm=24,79 L/molV_m = 24{,}79\text{ L/mol}).

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Tính số mol Glucose được tổng hợp:

nglucose=mM=90180=0,5 moln_{\text{glucose}} = \frac{m}{M} = \frac{90}{180} = 0{,}5\text{ mol}

Bước 2: Tính lượng CO2\mathrm{CO_2} hấp thụ theo phương trình quang hợp:

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2\mathrm{6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2}

Theo tỉ lệ phản ứng: nCO2=6×nglucose=6×0,5=3,0 moln_{\mathrm{CO_2}} = 6 \times n_{\text{glucose}} = 6 \times 0{,}5 = 3{,}0\text{ mol}.

Khối lượng CO2\mathrm{CO_2} hấp thụ là:

mCO2=3,0×44=132 gamm_{\mathrm{CO_2}} = 3{,}0 \times 44 = 132\text{ gam}

Bước 3: Tính thể tích khí O2\mathrm{O_2} giải phóng:

Số mol O2\mathrm{O_2} giải phóng: nO2=6×nglucose=3,0 moln_{\mathrm{O_2}} = 6 \times n_{\text{glucose}} = 3{,}0\text{ mol}.

Thể tích khí O2\mathrm{O_2} ở điều kiện chuẩn (24,79 L/mol24{,}79\text{ L/mol}):

VO2=3,0×24,79=74,37 lıˊtV_{\mathrm{O_2}} = 3{,}0 \times 24{,}79 = 74{,}37\text{ lít}

Kết luận: Cây đã hấp thụ 132 g CO2132\text{ g }\mathrm{CO_2} và giải phóng 74,37 lıˊt O274{,}37\text{ lít }\mathrm{O_2}.

II. Chu trình tế bào và Quá trình Nguyên phân

1. Chu trình tế bào và Điểm kiểm soát (Checkpoints)

Chu trình tế bào là khoảng thời gian từ khi tế bào được sinh ra từ lần phân bào trước đến khi tế bào phân chia xong, gồm 2 giai đoạn:

  • Kì trung gian (chiếm ≈90%\approx 90\% thời gian chu trình):
    • Pha G1G_1: Tế bào sinh trưởng gia tăng kích thước chất tế bào, tổng hợp protein và bào quan.
    • Pha SS: Nhân đôi ADN dẫn đến nhân đôi nhiễm sắc thể (từ 2n2n đơn →2n\rightarrow 2n kép gồm 2 chromatid dính nhau ở tâm động).
    • Pha G2G_2: Tổng hợp các chất chuẩn bị cho phân bào (protein tubulin tạo thoi phân bào).
  • Pha M (Phân chia tế bào): Gồm phân chia nhân (nguyên phân) và phân chia tế bào chất.
  • Các điểm kiểm soát chu trình tế bào: Điểm G1/SG_1/S (kiểm tra kích thước tế bào và tổn thương ADN), Điểm G2/MG_2/M (kiểm tra sự hoàn tất nhân đôi ADN), Điểm kiểm soát thoi phân bào MM (kiểm tra sự gắn kết NST vào thoi vô sắc). Hiện tượng tế bào thoát khỏi kiểm soát phân chia liên tục vô tổ chức tạo thành khối u ung thư.

2. Diễn biến các kì của Nguyên phân

Kì phân bào Trạng thái & Vận động của Nhiễm sắc thể Số NST trong TB (2n2n) Số Chromatid
Kì đầu NST kép bắt đầu co xoắn, màng nhân và nhân con tiêu biến, thoi phân bào hình thành liên kết với tâm động. 2n2n kép 4n4n
Kì giữa NST kép co xoắn cực đại, xếp thành 1 hàng trên mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào. 2n2n kép 4n4n
Kì sau Tâm động tách đôi, 2 chromatid của mỗi NST kép phân li thành 2 NST đơn đi về 2 cực của tế bào. 4n4n đơn 00
Kì cuối NST dãn xoắn, màng nhân và nhân con tái hiện, thoi phân bào tiêu biến, tế bào chất phân chia tạo 2 tế bào con. 2n2n đơn (mỗi TB) 00

Công thức toán học của quá trình Nguyên phân

Xét aa tế bào sinh dưỡng (2n2n) cùng nguyên phân kk lần liên tiếp:

  • Tổng số tế bào con tạo thành: Ntb con=a×2kN_{\text{tb con}} = a \times 2^k
  • Tổng số NST có trong các tế bào con: NNST con=a×2n×2kN_{\text{NST con}} = a \times 2n \times 2^k
  • Số NST đơn môi trường nội bào cần cung cấp cho quá trình nguyên phân: NNST mt=a×2n×(2k−1)N_{\text{NST mt}} = a \times 2n \times (2^k - 1)
  • Số thoi vô sắc (thoi phân bào) được hình thành và phá hủy: Nthoi=a×(2k−1)N_{\text{thoi}} = a \times (2^k - 1)
Ví dụ minh họa 2 Xác định số tế bào con, số NST môi trường cung cấp trong nguyên phân

Bài toán: Có 3 tế bào sinh dưỡng của loài Cà chua (2n=242n = 24) nguyên phân liên tiếp 4 lần bằng nhau. Hãy tính:

a) Số tế bào con được tạo thành sau 4 lần nguyên phân.

b) Tổng số nhiễm sắc thể môi trường nội bào cần cung cấp cho quá trình phân bào của 3 tế bào trên.

c) Tổng số thoi phân bào đã được hình thành và phá hủy trong toàn bộ quá trình.

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Tính số tế bào con tạo thành:

Áp dụng công thức với a=3a = 3, k=4k = 4:

Ntb con=a×2k=3×24=3×16=48 teˆˊ baˋo conN_{\text{tb con}} = a \times 2^k = 3 \times 2^4 = 3 \times 16 = 48\text{ tế bào con}

Bước 2: Tính số NST môi trường nội bào cung cấp:

Với bộ NST lưỡng bội của cà chua 2n=242n = 24:

NNST mt=a×2n×(2k−1)=3×24×(24−1)=72×15=1080 NST đơnN_{\text{NST mt}} = a \times 2n \times (2^k - 1) = 3 \times 24 \times (2^4 - 1) = 72 \times 15 = 1080\text{ NST đơn}

Bước 3: Tính số thoi phân bào hình thành và biến mất:

Nthoi=a×(2k−1)=3×(16−1)=3×15=45 thoi voˆ sa˘ˊcN_{\text{thoi}} = a \times (2^k - 1) = 3 \times (16 - 1) = 3 \times 15 = 45\text{ thoi vô sắc}

Kết luận: Tạo thành 48 tế bào con; môi trường cung cấp 1080 NST đơn1080\text{ NST đơn}; hình thành 45 thoi phân bào.

III. Quá trình Giảm phân và Thụ tinh

1. Diễn biến và Đặc điểm của quá trình Giảm phân

Giảm phân là hình thức phân chia của tế bào sinh dục chín (2n2n) gồm 2 lần phân bào liên tiếp nhưng nhiễm sắc thể chỉ nhân đôi 1 lần duy nhất ở kì trung gian trước Giảm phân I:

  • Giảm phân I (Phân bào giảm nhiễm):
    • Kì đầu I: Các NST kép trong cặp tương đồng xảy ra hiện tượng tiếp hợp và có thể trao đổi chéo giữa các chromatid khác nguồn gốc →\rightarrow tạo ra các biến dị tổ hợp phong phú.
    • Kì giữa I: Các cặp NST kép tương đồng tập trung xếp thành 2 hàng trên mặt phẳng xích đạo.
    • Kì sau I: Mỗi NST kép trong cặp tương đồng phân li độc lập về 2 cực tế bào (không tách tâm động).
    • Kì cuối I: Tạo ra 2 tế bào con có bộ NST nn kép (giảm đi một nửa so với tế bào mẹ).
  • Giảm phân II (Phân bào nguyên nhiễm): Diễn ra tương tự nguyên phân, các NST kép xếp 1 hàng ở kì giữa II, tách tâm động ở kì sau II →\rightarrow tạo ra 4 tế bào con có bộ NST đơn bội (nn đơn).
So sánh cơ chế phân bào giữa nguyên phân và giảm phân
Hình 3.2: Sơ đồ so sánh cơ chế và kết quả biến đổi NST giữa Nguyên phân và Giảm phân

2. Sự hình thành giao tử và Quá trình Thụ tinh

Loại tế bào sinh dục Kết quả giảm phân Hiệu suất và số hợp tử hình thành
Tế bào sinh tinh (ở con đực) 1 tế bào sinh tinh (2n2n) →\rightarrow 4 tinh trùng (nn) có khả năng thụ tinh. Số tinh trùng tạo thành =4×Ntb sinh tinh= 4 \times N_{\text{tb sinh tinh}}.
Tế bào sinh trứng (ở con cái) 1 tế bào sinh trứng (2n2n) →\rightarrow 1 trứng (nn) và 3 thể cực (nn) tiêu biến. Số trứng tạo thành =1×Ntb sinh trứng= 1 \times N_{\text{tb sinh trứng}}.
Thụ tinh Sự kết hợp giữa 1 giao tử đực (nn) và 1 giao tử cái (nn) tạo thành hợp tử (2n2n). Số hợp tử == Số trứng thụ tinh == Số tinh trùng thụ tinh.
Ví dụ minh họa 3 Xác định số giao tử, hiệu suất thụ tinh và số hợp tử hình thành

Bài toán: Ở một loài động vật lưỡng bội (2n=82n = 8), có 100 tế bào sinh tinh và 200 tế bào sinh trứng tham gia giảm phân bình thường để tạo giao tử. Biết hiệu suất thụ tinh của tinh trùng là 10%10\% và của trứng là 20%20\%:

a) Tính tổng số tinh trùng và tổng số trứng được tạo ra sau giảm phân.

b) Tính số lượng hợp tử được tạo thành và kiểm tra tính phù hợp giữa số lượng tinh trùng thụ tinh với số lượng trứng thụ tinh.

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Tính số giao tử sinh ra:

  • Mỗi tế bào sinh tinh giảm phân tạo 4 tinh trùng: Ntinh truˋng=100×4=400 tinh truˋngN_{\text{tinh trùng}} = 100 \times 4 = 400\text{ tinh trùng}
  • Mỗi tế bào sinh trứng giảm phân tạo 1 trứng (và 3 thể cực tiêu biến): Ntrứng=200×1=200 trứngN_{\text{trứng}} = 200 \times 1 = 200\text{ trứng}

Bước 2: Tính số hợp tử hình thành từ hiệu suất thụ tinh:

  • Số trứng được thụ tinh: Ntrứng thụ tinh=200×20%=40 trứngN_{\text{trứng thụ tinh}} = 200 \times 20\% = 40\text{ trứng}
  • Số tinh trùng được thụ tinh: Ntinh truˋng thụ tinh=400×10%=40 tinh truˋngN_{\text{tinh trùng thụ tinh}} = 400 \times 10\% = 40\text{ tinh trùng}

Bước 3: Đánh giá kết quả:

Vì mỗi hợp tử được tạo thành từ sự kết hợp của đúng 1 tinh trùng và 1 trứng (n+n=2nn + n = 2n), số tinh trùng thụ tinh (4040) bằng đúng số trứng thụ tinh (4040), tạo ra đúng 40 hợp tử40\text{ hợp tử} lưỡng bội (2n=82n = 8).

Kết luận: Tạo ra 400 tinh trùng và 200 trứng; số hợp tử được hình thành là 40 hợp tử.

🌟 Ghi nhớ kiến thức trọng tâm

  • Quang hợp gồm pha sáng (tại màng thylakoid tạo ATP, NADPH, giải phóng O2\mathrm{O_2}) và pha tối (chu trình Calvin tại stroma cố định CO2\mathrm{CO_2} tạo glucose).
  • Chu trình tế bào gồm kì trung gian (G1,SG_1, S nhân đôi ADN/NST, G2G_2) và pha M (phân chia nhân và tế bào chất); các điểm kiểm soát đảm bảo phân bào chính xác.
  • Nguyên phân gồm 1 lần phân bào: từ 1 tế bào mẹ 2n2n tạo 2 tế bào con có bộ NST giống hệt mẹ (2n2n); số tế bào con sau kk lần là 2k2^k, số NST cung cấp là 2n(2k−1)2n(2^k - 1).
  • Giảm phân gồm 2 lần phân bào liên tiếp nhưng ADN chỉ nhân đôi 1 lần: xảy ra tiếp hợp trao đổi chéo ở kì đầu I, tạo 4 giao tử đơn bội (nn) mang tổ hợp biến dị mới.
  • Sự phối hợp nguyên phân, giảm phân và thụ tinh là cơ sở duy trì ổn định bộ NST đặc trưng của loài sinh sản hữu tính qua các thế hệ.

Câu hỏi ôn tập & củng cố kiến thức

Oxy thoát ra trong quá trình quang hợp có nguồn gốc từ đâu và sinh ra ở pha nào?
Khí oxy (O2\mathrm{O_2}) giải phóng trong quang hợp có nguồn gốc hoàn toàn từ phân tử nước (H2O\mathrm{H_2O}) thông qua phản ứng quang phân li nước xảy ra ở pha sáng tại màng thylakoid (2H2O→4H++4e−+O22\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{H^+} + 4e^- + \mathrm{O_2}), không phải từ phân tử CO2\mathrm{CO_2}.
Hiện tượng tiếp hợp và trao đổi chéo ở kì đầu của Giảm phân I có ý nghĩa sinh học gì?
Sự tiếp hợp và trao đổi chéo giữa các chromatid khác nguồn gốc trong cặp NST tương đồng dẫn đến sự hoán vị và tái tổ hợp các gen, tạo ra vô số loại giao tử mang tổ hợp gen mới (biến dị tổ hợp). Đây là nguồn nguyên liệu phong phú cho chọn lọc tự nhiên và tiến hóa của các loài sinh sản hữu tính.
Vì sao trong kì sau của nguyên phân số lượng NST trong tế bào lại tăng lên gấp đôi (4n)?
Ở kì giữa, tế bào có 2n2n NST kép (mỗi NST gồm 2 chromatid dính nhau ở tâm động). Sang kì sau, các tâm động tách đôi đồng loạt, 2 chromatid tách rời nhau trở thành 2 NST đơn độc lập. Vì tế bào chất chưa phân chia, toàn bộ 4n4n NST đơn này vẫn cùng nằm chung trong một tế bào, làm số lượng NST tức thời tăng gấp đôi.
Luyện đề thực chiến

Đề kiểm tra trắc nghiệm: Quang hợp & Phân bào

5 đề theo 5 cấp độ, mỗi đề 22 câu · 90 phút, chỉ gồm kiến thức trong chuyên đề này. Chấm điểm ngay sau khi nộp.

Vào luyện đề ngay →