Bài tập phân giải và tổng hợp các chất trong tế bào
Kiến thức cần nhớ
Phân giải các chất và giải phóng năng lượng trong tế bào
1. Khái niệm 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 tích lũy trong ATP, một phần biến thành nhiệt năng giải phóng ra môi trường).
Carbohydrate là nguyên liệu chính được tế bào sử dụng để phân giải.
Có 3 con đường phân giải đường: (1) Hô hấp tế bào (hô hấp hiếu khí); (2) Hô hấp kị khí; (3) Lên men.
2. Hô hấp tế bào:
Là quá trình phân giải hoàn toàn phân tử đường thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước với sự tham gia của O2, đồng thời giải phóng năng lượng cho các hoạt động của tế bào.
Phương trình tổng quát của quá trình hô hấp tế bào:
Hô hấp tế bào được chia thành 3 giai đoạn: đường phân, chu trình Krebs, chuỗi truyền electron như hình vẽ:
| Giai đoạn | Đường phân | Chu trình Krebs | Chuỗi truyền electron |
| Nơi xảy ra | Tế bào chất | Chất nền ti thể | Mang trong ti thể |
| Nguyên liệu | 1 phân tử glucose, O2. | 2 phân tử Pyruvate | 8 NADH, 2FADH2, O2. |
| Sản phẩm | 2 phân tử Pyruvate, 2 NADH, 2 ATP | 4CO2, 6NADH, 2FADH2, 2 ATP | 26 - 28ATP, H2O |
Trong điều kiện thực nghiệm tối ưu, một phân tử glucose qua hô hấp hiếu khí có thể tạo được 36 - 38 phân tử ATP.
3. 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 không có chuỗi truyền electron.
Gồm 2 giai đoạn: đường phân và lên men.
Tế bào vi khuẩn có nhiều kiểu lên men, tế bào nhân thực có 2 kiểu lên men chính là lên men lactate và lên men etanol. Ở động vật và người chỉ có kiểu lên men lactate.
Kết quả lên men chỉ tạo ra 2 ATP, ít hơn rất nhiều so với hô hấp hiếu khí.
Tổng hợp các chất và tích lũy năng lượng trong tế bào
1. Khái quát:
Là sự hình thành hợp chất phức tạp từ các chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng. Quá trình tổng hợp giúp xây dựng tế bào và cơ thể.
Tổng hợp các chất chính là quá trình tích lũy năng lượng trong các liên kết hóa học của sản phẩm mới được tổng hợp.
2. Vai trò của quang hợp:
Quang hợp là quá trình tổng hợp quan trọng nhất đối với hệ thống sống. Đây là quá trình thực vật và các sinh vật tự dưỡng chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong các hợp chất hữu cơ nhờ có lục lạp.
Phương trình khái quát của quá trình quang hợp:
Gồm 2 giai đoạn: pha sáng và pha tối.
| Giai đoạn | Pha sáng | Pha tối |
| Nơi xảy ra | Màng thylakoid | Chất nền luck lạp |
| Nguyên liệu | H2O và ánh sáng | CO2, ATP, NADPH |
| Sản phẩm | O2, ATP, NADPH | Glucose( C6H12O6) |
3. Vai trò của quang khử trong tổng hợp các chất và tích lũy năng lượng ở vi khuẩn:
Một số vi khuẩn màu lục và màu tía dùng năng lượng ánh sáng để khử Co2, không dùng H2O mà dùng H2S, H2 để làm nguồn H+. Quá trình quang hợp không giải phóng O2 và gọi là quang khử.
4. Vai trò của hóa tổng hợp trong tổng hợp các chất và tích lũy 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 hóa các hợp chất vô cơ gọi là hóa tổng hợp. Các loại sinh vật thực hiện được quá trình này gọi là sinh vật hóa tổng hợp (sinh vật hóa tự dưỡng). Phương trình tổng quát:
Một số nhóm vi khuẩn hóa tổng hợp và vai trò của chúng:
5. 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 lũy năng lượng. Quá trình phân giải phá vỡ các phân tử phức tạp thành phân tử đơn giản để giải phóng năng lượng.
Hai quá trình này trái ngược nhau nhưng lại thống nhất và liên quan mật thiết với nhau.
Sơ đồ tư duy tổng hợp và phân giải các chất trong tế bào:
Ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1: Kẻ và hoàn thành bảng vào vở theo mẫu sau:
Phương pháp giải:
Đường phân, chu trình Krebs và chuỗi truyền electron là 3 giai đoạn chính của quá trình hô hấp tế bào.
Lời giải:
Ví dụ 2: Chứng minh quá trình chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với quá trình chuyển hóa năng lượng thông qua hai quá trình quang hợp và hô hấp.
Phương pháp giải:
Quá trình chuyển hoá vật chất luôn đi kèm với chuyển hóa năng lượng.
Lời giải:
Chuyển hoá vật chất gồm 2 quá trình vừa trái ngược vừa thống nhất là:
- Quá trình đồng hóa, ví dụ như quang hợp ở thực vật và các sinh vật quang tự dưỡng khác, là quá trình tổng hợp nên phân tử phức tạp từ các phân tử đơn giản. Trong quá trình này, năng lượng ánh sáng được chuyển thành năng lượng hóa 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.
- Quá trình dị hóa, ví dụ như hô hấp tế bào, là quá trình phá vỡ các các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn. Quá trình này đã giải phóng ra năng lượng dưới dạng ATP và một phần năng lượng ở dạng nhiệt năng.
Như vậy, quá trình chuyển hoá vật chất luôn đi kèm với chuyển hóa năng lượng.
Ví dụ 3: Ở người, hiện tượng đau mỏi cơ khi vận động nhiều là do lượng lactic acid được sản sinh và tích lũy quá nhiều đã gây độc cho cơ. Dựa vào hiểu biết về quá trình lên men, hãy giải thích cơ chế gây ra hiện tượng này và cách phóng tránh.
Phương pháp giải:
Ở người, hiện tượng đau mỏi cơ khi vận động nhiều là do lượng lactic acid được sản sinh từ quá trình lên men lactate đã tích lũy quá nhiều đã gây độc cho cơ.
Lời giải:
- Hiện tượng đau đầu mỏi cơ khi vận động nhiều là do lượng lactic acid được sản sinh và tích lũy quá nhiều đã gây độc cho cơ, đó là do:
+ Khi tập luyện cường độ cao, cơ thể sẽ tăng cường sản xuất năng lượng thông qua hô hấp hiếu khí (sự hô hấp cần sự tham gia của O2) để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cơ thể.
+ Tuy nhiên, với cường độ hô hấp hiếu khí cao, cơ thể có thể sẽ không thể cung cấp đủ lượng O2. Lúc này, hoạt động cơ bắp bắt đầu dựa vào con đường lên men lactate – một quá trình sản xuất năng lượng không cần O2. Con đường lên men lactate sinh ra lactic acid. Lượng lactic acid được sản sinh và tích lũy quá nhiều đã gây độc cho cơ.
- Cách phòng tránh hiện tượng đau mỏi cơ:
+ Thực hiện các động tác căng cơ trước và sau khi tham gia các hoạt động thể chất.
+ Bổ sung đầy đủ nước cho cơ thể, nhất là khi vận động nhiều.
+ Tập luyện thể dục thường xuyên, vừa sức.
+ Thực hiện các bài tập hít thở.
Bài tập tự luyện
Bài 1: Mọi hoạt động sống của tế bào và cơ thể đều cần năng lượng ATP. Phân tử ATP giống như viên pin sạc. Vậy năng lượng nạp vào phân tử ATP để cung cấp cho các hoạt động sống được cơ thể lấy từ quá trình nào?
Phương pháp giải:
Mọi hoạt động sống của tế bào và cơ thể đều cần năng lượng ATP. Phân tử ATP giống như viên pin sạc mà năng lượng được dự trữ ở các liên kết hóa học của nó.
Lời giải:
Năng lượng nạp vào phân tử ATP để cung cấp cho các hoạt động sống được cơ thể lấy từ quá trình phân giải các phân tử sinh học, tức là quá trình phá vỡ các liên kết hóa học có trong các phân tử sinh học để tạo ra các phân tử nhỏ hơn và giải phóng năng lượng. Một phần năng lượng giải phóng ra sẽ được tích lũy trong phân tử ATP và một phần giải phóng ra ở dạng nhiệt năng.
Bài 2: Phân giải các chất trong tế bào là gì? Nêu một số ví dụ minh họa
Phương pháp giải:
Phân giải các chất trong tế bào là một quá trình quan trọng để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào và cơ thể.
Lời giải:
- 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 giải phóng ra sẽ được tích lũy trong phân tử ATP và một phần giải phóng ra ở dạng nhiệt năng.
- Ví dụ minh họa:
+ Quá trình phân giải hoàn toàn glucose thông qua hô hấp tế bào, năng lượng dạng hóa năng trong các phân tử đường sẽ được giải phóng từ từ qua các giai đoạn và chuyển thành dạng năng lượng dễ sử dụng hơn trong các phân tử ATP . Sản phẩm cuối cùng của quá trình này là CO2 và nước với sự tham gia của O2, đồng thời trong điều kiện tối ưu thì quá trình này giải phóng năng lượng tương đương 36 đến 38 ATP cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào.
+ Quá trình lên men đường, tức phân giải glucose không hoàn toàn tạo ra 2 ATP cho tế bào sử dụng trong điều kiện thiếu oxy.
Bài 3: Phân giải hiếu khí trong tế bào gồm những giai đoạn chính nào? Đặc trưng của mỗi giai đoạn này là gì?
Phương pháp giải:
Hô hấp tế bào (hay còn gọi là hô hấp hiếu khí) 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 cho các hoạt động sống của tế bào. Bản chất của quá trình này là một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử, trong đó năng lượng dạng hóa năng trong các phân tử đường sẽ được giải phóng từ từ qua các giai đoạn và chuyển thành dạng năng lượng dễ sử dụng hơn trong các phân tử ATP, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt năng.
Lời giải:
Ba giai đoạn chính của phân giải hiếu khí trong tế bào và đặc trưng của mỗi giai đoạn là:
- 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 6 cacbon được phân giải thành 2 phân tử pyruvate 3 cacbon đồng thời tạo ra 2 phân tử NADH và 2 phân tử ATP.
- Chu trình Krebs: 2 pyruvate vừa được tạo ra ở giai đoạn đường phân sẽ đi vào trong chất nền ti thể và mỗi pyruvate (phân tử 3 cacbon) sẽ được chuyển hóa thành một phân tử acetyl-CoA (phân tử 2 cacbon) rồi đi vào chu trình Krebs. Từ mỗi acetyl-CoA sẽ giải phóng ra 2 phân tử CO2, 3 NADH, 1 FADH2 và 1 ATP.
- Chuỗi chuyền electron: diễn ra ở trên màng trong ti thể. Trong giai đoạn này, các phân tử NADH và FADH2 được sinh ra trong 2 giai đoạn trên sẽ bị oxy hóa qua một chuỗi phản ứng oxy hóa để tạo ra ATP và nước. Đây là giai đoạn thu được nhiều ATP nhất trong quá trình phân giải.
Bài 4: Trình bày các giai đoạn của quá trình lên men. Nêu sự khác nhau giữa lên men rượu và lên men lactate.
Phương pháp giải:
Lên men là quá trình phân giải không hoàn toàn các phân tử đường để tạo năng lượng mà không có sự tham gia của oxy và chuỗi truyền electron.
Lời giải:
- Quá tình lên men gồm 2 giai đoạn: đường phân và lên men.
+ Giai đoạn đường phân: xảy ra trong tế bào chất của tế bào, diễn ra tương tự như trong hô hấp hiếu khí. Quá trình này tạo ra được 2 phân tử axit pyruvate, 2 phân tử ATP (adenosine triphosphate), 2 phân tử NADH (nicotinamide adenine dinucleotide).
+ Giai đoạn lên men: electron từ glucose qua NADH được truyền đến phân tử hữu cơ khác.
- Sự khác biệt giữa lên men rượu và lên men lactate:
+ Quá trình lên men lactate: Pyruvate nhận electron từ NADH và tạo ra sản phẩm cuối cùng là muối lactate.
+ 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.
Bài 5: So sánh hiệu quả năng lượng của quá trình hô hấp hiếu khí và lên men. Giải thích sự khác biệt này.
Phương pháp giải:
Phân giải hiếu khí và lên men đều là các quá trình phân giải các chất hữu cơ trong tế bào, tức 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 giải phóng ra sẽ được tích lũy trong phân tử ATP và một phần giải phóng ra ở dạng nhiệt năng.
Lời giải:
- So sánh hiệu quả năng lượng của quá trình hô hấp hiếu khí và lên men: Kết quả của quá trình lên men, 1 phân tử glucose chỉ tạo được 2 phân tử ATP, ít hơn rất nhiều so với hô hấp hiếu khí.
- Giải thích:
+ Trong quá trình hô hấp hiếu khí, toàn bộ năng lượng hóa học của một phân tử glucose được giải phóng trong quá trình hô hấp hiếu khí sẽ được chuyển sang liên kết hóa học dễ sử dụng (ATP), một phần chuyển thành nhiệt năng.
+ Trong quá trình lên men, năng lượng hóa học của một phân tử glucose không được giải phóng hoàn toàn mà chỉ 1 phần nhỏ được chuyển sang liên kết hóa học dễ sử dụng (ATP) còn lại phần lớn vẫn còn được tích trữ trong sản phẩm hữu cơ cuối cùng của quá trình lên men (lactate, ethanol).
Bài 6: Tổng hợp các chất trong tế bào là gì? Nêu một số ví dụ minh họa cho quá trình tổng hợp các chất trong tế bào.
Phương pháp giải:
Tổng hợp các chất là một quá trình quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của tế bào và cơ thể.
Lời giải:
- Tổng hợp các chất trong tế bào là sự hình các 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 trong tế bào là các polymer (protein, các acid nucleic) được tổng hợp từ các đơn phân nhờ các enzyme xúc tác chuyên biệt và nguồn năng lượng ATP.
- Một số ví dụ minh họa cho quá trình tổng hợp các chất trong tế bào là:
+ Các phân tử acid nucleic 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 liên kết peptide trong quá trình sinh tổng hợp protein.
+ Phân tử lipid được tổng hợp từ các phân tử acid béo và glycerol.
Bài 7: Quang hợp có vai trò như thế nào trong tổng hợp các chất và dự trữ năng lượng?
Phương pháp giải:
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 lục lạp chứa chất diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng.
Lời giải:
Trong tổng hợp các chất và dự trữ năng lượng, quang hợp có vai trò vô cùng quan trọng và đây cũng quá trình quan trọng nhất đối với hệ thống sống. Quá trình này giúp chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong các hợp chất hữu cơ giàu năng lượng để dự trữ và cung cấp 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.
Bài 8: Hóa tổng hợp và quang khử ở vi khuẩn có gì khác so với quang hợp ở thực vật?
Phương pháp giải:
- Hóa tổng hợp là quá trình cố định CO2 thành các chất hữu cơ nhờ sử dụng năng lượng từ các phản ứng oxy hóa các chất vô cơ.
- Quang khử là một quá trình vẫn dùng năng lượng ánh sáng để khử CO2 nhưng lại không dùng H2O làm nguồn cung cấp H+ và electron như trong quang hợp ở cây mà dùng H2S, S, H2 và một số chất hữu cơ khác. Quá trình này không giải phóng O2 nên còn gọi là quang hợp không giải phóng O2 hay còn gọi là quang khử.
Lời giải:
- Điểm khác giữa hóa tổng hợp so với quang hợp ở thực vật là: Quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt Trời. Còn hóa tổng hợp sử dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ.
- Điểm khác giữa quang khử ở vi khuẩn so với quang hợp ở thực vật là:
+ Quang hợp có sử dụng H2O làm nguồn cung cấp H+ và electron. Còn quang khử dùng H2S, S, H2 và một số chất hữu cơ khác làm nguồn cung cấp H+ và electron.
+ Quang hợp có giải phóng O2. Còn quang khử thì không giải phóng O2.
Bài 9: Quá trình tổng hợp và phân giải có mối quan hệ với nhau như thế nào?
Phương pháp giải:
Quá trình tổng hợp và phân giải có mối quan hệ trái ngược nhưng thống nhất và mật thiết với nhau trong tế bào.
Lời giải:
Quá trình tổng hợp sử dụng năng lượng để tạo nên phân tử phức tạp từ các phân tử đơn giản và tích lũy năng lượng. Quá trình phân giải phá vỡ các các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản để giải phóng năng lượng.
Như vậy, trong tế bào, tổng hợp và phân giải các chất là hai quá trình có ngược nhau nhưng lại thống nhất với nhau và có mối quan hệ mật thiết với nhau. 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.
Bài 10: So sánh quá trình quang hợp, hóa tổng hợp và quang khử.
Phương pháp giải:
- 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 lục lạp chứa chất diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng.
- Hóa tổng hợp là quá trình cố định CO2 thành các chất hữu cơ nhờ sử dụng năng lượng từ các phản ứng oxy hóa các chất vô cơ.
- Quang khử là một quá trình vẫn dùng năng lượng ánh sáng để khử CO2 nhưng lại không dùng H2O làm nguồn cung cấp H+ và electron như trong quang hợp ở cây mà dùng H2S, S, H2 và một số chất hữu cơ khác. Quá trình này không giải phóng O2 nên còn gọi là quang hợp không giải phóng O2 hay còn gọi là quang khử.
Lời giải:
• Giống nhau:
- Đều là các quá trình tổng hợp hình thành hợp chất phức tạp từ các chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng.
- Đều xảy ra quá trình khử CO2 để tạo thành các chất hữu cơ cần thiết.
- Đều có vai trò tổng hợp ra các chất phức tạp xây dựng nên tế bào và cơ thể, đồng thời cung cấp cho các hoạt động sống khác.
• Khác nhau:
- Điểm khác giữa hóa tổng hợp so với quang hợp ở thực vật là: Quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt Trời. Còn hóa tổng hợp sử dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ.
- Điểm khác giữa quang khử ở vi khuẩn so với quang hợp ở thực vật là:
+ Quang hợp có sử dụng H2O làm nguồn cung cấp H+ và electron. Còn quang khử dùng H2S, S, H2 và một số chất hữu cơ khác làm nguồn cung cấp H+ và electron.
+ Quang hợp có giải phóng O2. Còn quang khử thì không giải phóng O2.
|
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. |
|
- Pha sáng có vai trò chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành hóa năng trong các liên kết hóa học kém bền vững của ATP, NADPH. Pha tối có vai trò cố định CO2 tạo thành đường qua chu trình Calvin, đồng thời chuyển năng lượng từ ATP và NADPH sang dạng hóa năng bền vững hơn trong phân tử đường. |
- 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 này được vi khuẩn sử dụng để đồng hóa CO2 thành các chất hữu cơ cần thiết.
|
- Quang khử đã chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học mà không cần đến nước.
|
Xem thêm các dạng câu hỏi và bài tập liên quan khác:
50 Bài tập trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật (2024) có đáp án chi tiết nhất
50 Bài tập vi sinh vật và các phương pháp nghiên cứu vi sinh vật (2024) có đáp án chi tiết nhất
50 Bài tập công nghệ tế bào (2024) có đáp án chi tiết nhất
