TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA CƠ THỂ SỐNG 1. Trao đổi chất và năng lượng la` điều kiện tồn tại, phát triển của cơ thể sống Trao đổi chất và năng lượng la` đặc trưng cơ bản của sự sống. Nhờ có trao đổi chất thường xuyên với môi trường bên ngoài, sinh vật mới tồn tại, phát triển, sinh sản và thực hiện được mọi hoạt động sống. Sinh vật lấy thức ăn từ môi trường vào cơ thể để bu` đắp, thay thế các tế bào chất, vật chất bị phân huỷ, xây dựng các tế bào mới đảm bảo cho cơ thể sinh trưởng và phát triển; đồng thời tạo ra năng lượng cần thiết cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Nếu sự trao đổi chất ngừng tiếp diễn thì sinh vật cũng không tồn tại được nữa. 2. Sự trao đổi chất qua màng tế bào Sự trao đổi chất giữa tế bào và môi trường được thực hiện qua màng tế bào theo các cơ chế sau: * Khuếch tán dựa vào sự chênh lệch nồng độ giữa các chất ở hai bên màng tế bào gồm: - Thẩm thấu là sự khuếch tán của các phân tử dung môi. - Thẩm tách là sự khuếch tán của các chất tan * Hoạt tải qua màng tế bào Màng tế bào sống có thể chủ động hấp thụ hoặc thải một số chất theo nhu cầu của tế bào hoặc của cơ thể ngược với sự khuếch tán lý học. Đó là khả năng hoạt tải của màng tế bào nhờ có các thể tải hoặc chất mang và cần năng lượng. * Ngoài ra, những chất có kích thước lớn có thể được trao đổi qua màng tế bào theo cơ chế thực bào hoặc ẩm bào. 3. Quá trình chuyển hoá năng lượng trong tế bào * Sự đồng hoá: là quá trình tổng hợp các chất đặc trưng của tế bào từ các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ đơn giản và tích luỹ năng lượng. Quá trình tổng hợp các chất đòi hỏi cung cấp năng lượng. Năng lượng này là năng lượng mặt trời hoặc năng lượng lấy từ các quá trình dị hoá. Vật chất được tổng hợp nên có tích năng lượng dạng thế năng. Không có đồng hoá sẽ không có vật chất sử dụng trong dị hoá. * Sự dị hoá: Là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ (được tổng hợp trong quá trình đồng hoá) thành những hợp chất đơn giản và giải phóng năng lượng. Năng lượng được giải phóng dùng cho mọi hoạt động sống của tế bào, trong đó có sự tổng hợp các chất mới trong quá trình đồng hoá tiếp theo Không có dị hoá thì không có năng lượng cung cấp cho quá trình đồng hoá và các hoạt động sống của tế bào. Đồng hoá và dị hoá là hai quá trình đối lập (mâu thuẫn) nhưng lại gắn bó, liên kết mật thiết với nhau: không có đồng hoá thì không có dị hoá và ngược lại. 4. Vai trò của enzim trong sự trao đổi chất và năng lượng Enzim là những chất xúc tác sinh học cho các phản ứng tổng hợp và phân giải các chất xảy ra liên tục trong tế bào. Về bản chất, enzim là những phân tử prôtêin. Trong tế bào sống của cơ thể chứa rất nhiều loại enzim khác nhau và mỗi loại tham gia một phản ứng nhất định. Ngoài prôtêin, một số enzim còn có thêm một phần tử hữu cơ nhỏ gọi là côenzim chứa vitamin. Côenzim có vai trò làm cầu nối giữa enzim và chất tham gia phản ứng. Côenzim còn có thể là các ion kim loại như Mg ++ , Fe ++ , Zn ++ , Cu ++ , Các chất tham gia phản ứng, chịu tác dụng của enzim gọi là cơ chất. Cơ chế hoạt động của enzim: thoạt đầu, enzim liên kết với cơ chất để tạo thành một hợp chất trung gian gọi là “enzim – cơ chất”. Cuối phản ứng, hợp chất đó sẽ cho phân huỷ để cho sản phẩm của phản ứng và giải phóng enzim nguyên vẹn. Enzim được giải phóng lại có thể xúc tác phản ứng trên cơ chất mới. Đặc tính của enzim la` đẩy mạnh tốc độ phản ứng, có hoạt tính cao và có tính chuyên hoá cao. 5. Các phương thức trao đổi chất và năng lượng của sinh vật Toàn bộ sinh giới được chia thành hai nhóm chính: sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng. a) Sinh vật tự dưỡng: gồm tất cả cây xanh, một số vi khuẩn và tảo có khả năng sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời hoặc năng lượng từ các phản ứng hoá học tạo ra để tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể từ các chất vô cơ đơn giản Năng lượng sử dụng trong quá trình tổng hợp là năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) nhờ có chất diệp lục (cây xanh ) hoặc năng lượng được tạo ra từ các phản ứng hoá học (hoá năng) do một số vi khuẩn thực hiện. Sinh vật tự dưỡng được chia làm 2 nhóm. Đó là: - Nhóm sinh vật quang tổng hợp: cây xanh, vi khuẩn lam và tảo. - Nhóm sinh vật hoá tổng hợp: một số vi khuẩn. b) Sinh vật dị dưỡng: gồm tất cả động vật, một số nấm, virut và phần lớn vi khuẩn. Chúng không có khả năng tự tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể mà phải lấy các chất hữu cơ có sẵn do các sinh vật tự dưỡng chế tạo, cung cấp một cách trực tiếp hay gián tiếp. Năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ đặc trưng cho cơ thể lấy từ năng lượng được tích luỹ trong thức ăn có nguồn gốc là cây xanh. Các sinh vật dị dưỡng được chia thành nhiều nhóm: - Nhóm dị dưỡng toàn phần gồm: các sinh vật ăn thực vật, các sinh vật ăn động vật và các sinh vật ăn tạp - Nhóm cộng sinh - Nhóm hoại sinh - Nhóm kí sinh 6. Quá trình quang hợp Quang hợp là một chuỗi dài phản ứng phức tạp, có thể tóm tắt một cách tổng quát như sau: 6CO 2 + 6H 2 O + năng lượng ánh sáng  C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Nhờ lấy năng lượng ánh sáng (khoảng 674kcal), cây đã tổng hợp được 1 phân tử glucô từ 6 phân tử H 2 O và 6 phân tử CO 2 . Quá trình quang hợp gồm 2 chuỗi phản ứng: phản ứng sáng, xảy ra trong grana và phản ứng tối, xảy ra trong strôma. a) Chuỗi phản ứng sáng (cần ánh sáng và nước) Năng lượng ánh sáng làm một số điện tử của diệp lục bị bật ra khỏi quĩ đạo quen thuộc, để bắt đầu một chuỗi di chuyển qua một loạt chất truyền điện tử. Sự di chuyển đó sẽ tạo thế năng. Một phần thế năng được dùng để tổng hợp các phân tử ATP (ađenozin triphophat). Các điện tử bị bật ra khỏi diệp lục một cách liên tục, được lần lượt thay thế bằng các điện tử lấy từ nước đã bị ánh sáng “quang phân”. b) Chuỗi phản ứng tối ( cần khí CO 2 ) Đó là các “phản ứng enzim” nhằm sử dụng năng lượngdo ATP cung cấp để tổng hợp glucô (hoặc tinh bột) từ CO 2 lấy trong khí trời qua một chu trình gọi là “chu trình Canvin”. 7. Hoá tổng hợp Cũng như quang tổng hợp, hoá tổng hợp là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể của các sinh vật tự dưỡng từ các chất vô cơ đơn giản ở môi trường xung quanh. Tuy nhiên, năng lượng sử dụng trong quang tổng hợp là do cây xanh (có diệp lục) lấy từ ánh sáng. Còn năng lượng sử dụng trong hoá tổng hợp lại do các phản ứng hoá học tạo ra ở một số loại vi khuẩn. Ví dụ: - Các vi khuẩn nitrit hoá, như vi khuẩn Nitrôzômônat, ôxi hoá amôniac thành axit nitrơ để lấy năng lượng: 2NH 3 + 3O 2  2HNO 2 + 2H 2 O + 158kcal Axit nitrơ gặp các bazơ trong đất sẽ cho các muối nitrit - Các vi khuẩn nitrat hoá, như Nitrôbacte, ôxi hoá nitrit thành các muối nitrat hoà tan, là dạng thực vật có thể hấp thụ được NaNO 2 + ½O 2  NaNO 3 + 38 kcal - Vi khuẩn lưu huỳnh ôxi hoá sunfua hiđrô thành axit sunfuric, rồi thành các muối sunfat. 2H 2 S + O 2  2H 2 O + 2S + 115 kcal Năng lượng được giải phóng ở các phản ứng trên, được vi khuẩn sử dụng để tạo glucôzơ từ CO 2 . Chẳng hạn, ở vi khuẩn lưu huỳnh: 12H 2 S + 6CO 2  C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 12S 8. Hô hấp và lên men Hô hấp là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ (chủ yếu là glucôzơ) để giải phóng năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể sinh vật. Chuỗi phản ứng phức tạp của hô hấp có thể tóm tắt trong phản ứng: C 6 H 12 O 6 + 6O 2  6CO 2 + 6H 2 O + 674kcal Năng lượng được giải phóng trong quá trình hô hấp thường chuyển thành dạng dễ sử dụng chứa trong hợp chất có liên kết cao năng là ATP. Lên men (hô hấp yếm khí): một số vi sinh vật có khả năng phân giải glucôzơ giải phóng năng lượng mà không cần ôxi. Đó là những vi sinh vật lên men thối, vi sinh vật lên men rượu và vi sinh vật lên men lactic. Khi có đủ ôxi một nhóm vi sinh vật ôxi hoá glucôzơ thành CO 2 và H 2 O như trong hô hấp và thu được nhiều năng lượng để đẩy mạnh sự tổng hợp chất sống. Tuy nhiên, trong môi trường yếm khí, những vi sinh vật đó chỉ chuyển hoá đường thành rượu êtylic và CO 2 theo phương trình: C 6 H 12 O 6  2CO 2 + 2C 2 H 5 OH + 25kcal (glucôzơ) (rượu) [...]...Cũng trong điều kiện yếm khí, một nhóm vi sinh vật khác có thể chuyển hoá glucôzơ thành 2 phân tử axit lactic và giải phóng 38 kcal: C6H12O6  2C3H6O3 + 38kcal (glucôzơ) (axit lactic) Trong các trường hợp trên, năng lượng thu được chỉ bằng 1/20 so với khi ôxi hoá đường . TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA CƠ THỂ SỐNG 1. Trao đổi chất và năng lượng la` điều kiện tồn tại, phát triển của cơ thể sống Trao đổi chất và năng lượng la` đặc trưng cơ bản của. hoạt động sống của cơ thể. Nếu sự trao đổi chất ngừng tiếp diễn thì sinh vật cũng không tồn tại được nữa. 2. Sự trao đổi chất qua màng tế bào Sự trao đổi chất giữa tế bào và môi trường. chất đòi hỏi cung cấp năng lượng. Năng lượng này là năng lượng mặt trời hoặc năng lượng lấy từ các quá trình dị hoá. Vật chất được tổng hợp nên có tích năng lượng dạng thế năng. Không có đồng