Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Ôn tập: Hô hấp tế bào và quang hợp
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em ghép lại được toàn bộ bức tranh năng lượng của tế bào: ba giai đoạn hô hấp hiếu khí và sản lượng ATP của từng giai đoạn, con đường lên men khi thiếu oxygen, hai pha quang hợp, quy tắc yếu tố giới hạn, và mối quan hệ giữa quang hợp với hô hấp qua điểm bù ánh sáng.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài này không dạy khái niệm mới. Nó gom lại toàn bộ nội dung đã học ở khóa Hô hấp tế bào và quang hợp (same-grade bridge): hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí và lên men, pha sáng, pha tối, các yếu tố ảnh hưởng tới quang hợp, và mối quan hệ giữa quang hợp với hô hấp — cả hai đều dùng chính enzyme và ATP vừa ôn ở Chương 4.
Khởi động
Một cây xanh đặt trong hộp kín, đo nồng độ khí carbon dioxide ba lần: lúc 5 giờ sáng còn tối, giữa trưa nắng gắt, và lúc 8 giờ tối. Ba thời điểm cho ba chiều thay đổi carbon dioxide khác nhau. Điều gì quyết định chiều thay đổi đó ở mỗi thời điểm?
Kiến thức trọng tâm
Hô hấp hiếu khí gồm ba giai đoạn ở ba vị trí khác nhau. Đường phân diễn ra ở tế bào chất, cắt một glucose sáu carbon thành hai pyruvate ba carbon, tiêu tốn 2 ATP để khởi động nhưng tạo ra 4 ATP, lãi ròng 2 ATP trực tiếp. Chu trình Krebs diễn ra ở chất nền ti thể, oxi hoá pyruvate, tạo thêm 2 ATP trực tiếp cùng nhiều NADH và FADH2. Chuỗi truyền electron nằm trên màng trong ti thể, dùng electron từ NADH và FADH2 để bơm ion H+, tạo phần lớn ATP còn lại — ước tính tổng cộng khoảng 36-38 ATP mỗi glucose, con số chỉ mang tính xấp xỉ vì hiệu suất thực tế thay đổi theo loại tế bào.
Khi thiếu oxygen, chuỗi truyền electron ngừng hoạt động, NADH từ đường phân không được oxi hoá trở lại thành NAD+, buộc tế bào chuyển sang lên men để tái tạo NAD+ và duy trì đường phân. Lên men lactic biến pyruvate thành lactate (ở tế bào cơ người vận động mạnh, và vi khuẩn lactic lên men sữa chua); lên men rượu biến pyruvate thành ethanol và carbon dioxide (ở nấm men). Cả hai đều không tạo thêm ATP nào — toàn bộ 2 ATP của con đường lên men vẫn chỉ đến từ đường phân.
Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid: diệp lục hấp thụ ánh sáng, mất electron được bù lại bằng quang phân li nước — nguồn gốc thật sự của oxygen giải phóng — tạo ATP và NADPH. Pha tối (chu trình Calvin) diễn ra ở chất nền lục lạp, dùng ATP và NADPH để khử carbon dioxide thành đường G3P; tên gọi 'pha tối' chỉ nghĩa là không trực tiếp hấp thụ ánh sáng, không có nghĩa chỉ xảy ra ban đêm. Quy tắc yếu tố giới hạn: tốc độ quang hợp bị khống chế bởi đúng yếu tố đang thấp nhất so với nhu cầu — ánh sáng, carbon dioxide, nhiệt độ — dù các yếu tố khác dư thừa tới đâu. Điểm bù ánh sáng là lúc tốc độ quang hợp bằng tốc độ hô hấp; trước điểm bù cây thải carbon dioxide ròng, sau điểm bù cây thải oxygen ròng.
Nhìn theo trục vị trí, bốn quá trình chiếm bốn khoang khác nhau của tế bào: đường phân và lên men nằm ở tế bào chất; chu trình Krebs nằm ở chất nền ti thể; chuỗi truyền electron của hô hấp nằm trên màng trong ti thể; còn quang hợp chiếm trọn lục lạp — pha sáng trên màng thylakoid, pha tối ở chất nền lục lạp. Nhìn theo trục năng lượng, glucose đóng vai trò trung tâm nối hai chiều: chu trình Calvin tổng hợp glucose bằng cách dùng ATP, NADPH của pha sáng để khử carbon dioxide đã cố định — một quá trình đồng hoá đúng nghĩa đã ôn ở Chương 4; đường phân, chu trình Krebs và chuỗi truyền electron sau đó tháo glucose đó ra ngược lại, giải phóng năng lượng để tái tạo ATP — một quá trình dị hoá. Hai chiều này không chạy đồng thời trên cùng một phân tử glucose trong cùng một tế bào tại một thời điểm, nhưng cùng tồn tại song song trong suốt vòng đời của cây, và chính sự đối lập có kiểm soát đó — chứ không phải một quá trình đảo ngược y hệt quá trình kia — là điều một câu hỏi đề thi thường kiểm tra.
Tổng cộng khoảng 38 ATP mỗi glucose — chuỗi truyền electron đóng góp phần lớn, không phải bước đầu tiên.Ở ánh sáng yếu, hai đường trùng nhau — ánh sáng đang giới hạn. Khi ánh sáng đủ mạnh, đường CO2 thấp bão hoà sớm hơn — CO2 trở thành yếu tố giới hạn.
Ví dụ
Ước tính số ATP tạo ra từ một phân tử glucose
1
Một tế bào cơ oxi hoá hoàn toàn một phân tử glucose qua hô hấp hiếu khí. Tính tổng số ATP trực tiếp tạo ra ở đường phân và chu trình Krebs, biết chuỗi truyền electron đóng góp thêm khoảng 34 ATP từ NADH và FADH2 của hai giai đoạn trước.
2
Đường phân lãi ròng 2 ATP trực tiếp (tạo 4, tiêu tốn 2 để khởi động). Chu trình Krebs tạo thêm 2 ATP trực tiếp — tổng cộng qua hai phản ứng ở chất nền ti thể, ứng với hai lượt pyruvate từ một glucose. (1)
3
Từ (1), tổng ATP trực tiếp là 2 + 2 = 4 ATP. Cộng thêm khoảng 34 ATP từ chuỗi truyền electron: 4 + 34 = 38 ATP.
4
Vậy ước tính tổng cộng khoảng 38 ATP được tạo ra từ một phân tử glucose qua hô hấp hiếu khí — nằm trong khoảng 36-38 ATP đã ôn, con số chỉ mang tính xấp xỉ vì hiệu suất thực tế phụ thuộc loại tế bào.
Ví dụ
Chiều trao đổi khí ròng của cây theo thời điểm trong ngày (dạng đề kiểm tra)
1
Một chậu cây đặt trong hộp kín, đo nồng độ carbon dioxide vào ba thời điểm: 5 giờ sáng (chưa có ánh sáng), giữa trưa (ánh sáng mạnh, vượt xa điểm bù), và 8 giờ tối (không còn ánh sáng). Xác định chiều trao đổi khí ròng (hấp thụ hay thải ra oxygen/carbon dioxide) của cây ở mỗi thời điểm.
2
Không có ánh sáng, quang hợp bằng không, chỉ còn hô hấp tế bào hoạt động — hô hấp hấp thụ oxygen và thải carbon dioxide. Vậy ở cả hai thời điểm không có ánh sáng, cây hấp thụ oxygen ròng và thải carbon dioxide ròng. (1)
3
Ánh sáng vượt xa điểm bù ánh sáng, nghĩa là tốc độ quang hợp lớn hơn hẳn tốc độ hô hấp. Quang hợp hấp thụ carbon dioxide và thải oxygen với tốc độ lớn hơn lượng hô hấp cùng lúc thải carbon dioxide và hấp thụ oxygen — nên chiều ròng đảo ngược so với (1). (2)
4
Từ (1) và (2): lúc 5 giờ sáng và 8 giờ tối, cây thải carbon dioxide ròng, hấp thụ oxygen ròng (chỉ có hô hấp). Giữa trưa, cây hấp thụ carbon dioxide ròng, thải oxygen ròng (quang hợp vượt xa hô hấp).
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Sai lầm thường gặp
Sai lầm phổ biến nhất là nghĩ pha tối chỉ xảy ra vào ban đêm — sai, tên gọi chỉ nghĩa là không trực tiếp cần ánh sáng, và trên thực tế diễn ra liên tục khi có đủ ATP, NADPH ngay cả giữa ban ngày. Sai lầm khác là coi quang hợp và hô hấp là hai quá trình đối lập hoàn toàn về cơ chế — chúng chỉ bổ sung nguyên liệu cho nhau, còn diễn ra ở hai bào quan tách biệt.
Bài tiếp theo rời khỏi chuyển hoá năng lượng để ôn lại cách một tế bào lớn lên, nhân đôi vật chất di truyền và phân chia — chu kì tế bào, nguyên phân, giảm phân, và những gì xảy ra khi kiểm soát đó thất bại.
Hô hấp hiếu khí gồm ba giai đoạn ở ba vị trí khác nhau. Đường phân diễn ra ở tế bào chất, cắt một glucose sáu carbon thành hai pyruvate ba carbon, tiêu tốn 2 ATP để khởi động nhưng tạo ra 4 ATP, lãi ròng 2 ATP trực tiếp. Chu trình Krebs diễn ra ở chất nền ti thể, oxi hoá pyruvate, tạo thêm 2 ATP trực tiếp cùng nhiều NADH và FADH2. Chuỗi truyền electron nằm trên màng trong ti thể, dùng electron từ NADH và FADH2 để bơm ion H+, tạo phần lớn ATP còn lại — ước tính tổng cộng khoảng 36-38 ATP mỗi glucose, con số chỉ mang tính xấp xỉ vì hiệu suất thực tế thay đổi theo loại tế bào.
Khi thiếu oxygen, chuỗi truyền electron ngừng hoạt động, NADH từ đường phân không được oxi hoá trở lại thành NAD+, buộc tế bào chuyển sang lên men để tái tạo NAD+ và duy trì đường phân. Lên men lactic biến pyruvate thành lactate (ở tế bào cơ người vận động mạnh, và vi khuẩn lactic lên men sữa chua); lên men rượu biến pyruvate thành ethanol và carbon dioxide (ở nấm men). Cả hai đều không tạo thêm ATP nào — toàn bộ 2 ATP của con đường lên men vẫn chỉ đến từ đường phân.
Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid: diệp lục hấp thụ ánh sáng, mất electron được bù lại bằng quang phân li nước — nguồn gốc thật sự của oxygen giải phóng — tạo ATP và NADPH. Pha tối (chu trình Calvin) diễn ra ở chất nền lục lạp, dùng ATP và NADPH để khử carbon dioxide thành đường G3P; tên gọi 'pha tối' chỉ nghĩa là không trực tiếp hấp thụ ánh sáng, không có nghĩa chỉ xảy ra ban đêm. Quy tắc yếu tố giới hạn: tốc độ quang hợp bị khống chế bởi đúng yếu tố đang thấp nhất so với nhu cầu — ánh sáng, carbon dioxide, nhiệt độ — dù các yếu tố khác dư thừa tới đâu. Điểm bù ánh sáng là lúc tốc độ quang hợp bằng tốc độ hô hấp; trước điểm bù cây thải carbon dioxide ròng, sau điểm bù cây thải oxygen ròng.
Nhìn theo trục vị trí, bốn quá trình chiếm bốn khoang khác nhau của tế bào: đường phân và lên men nằm ở tế bào chất; chu trình Krebs nằm ở chất nền ti thể; chuỗi truyền electron của hô hấp nằm trên màng trong ti thể; còn quang hợp chiếm trọn lục lạp — pha sáng trên màng thylakoid, pha tối ở chất nền lục lạp. Nhìn theo trục năng lượng, glucose đóng vai trò trung tâm nối hai chiều: chu trình Calvin tổng hợp glucose bằng cách dùng ATP, NADPH của pha sáng để khử carbon dioxide đã cố định — một quá trình đồng hoá đúng nghĩa đã ôn ở Chương 4; đường phân, chu trình Krebs và chuỗi truyền electron sau đó tháo glucose đó ra ngược lại, giải phóng năng lượng để tái tạo ATP — một quá trình dị hoá. Hai chiều này không chạy đồng thời trên cùng một phân tử glucose trong cùng một tế bào tại một thời điểm, nhưng cùng tồn tại song song trong suốt vòng đời của cây, và chính sự đối lập có kiểm soát đó — chứ không phải một quá trình đảo ngược y hệt quá trình kia — là điều một câu hỏi đề thi thường kiểm tra.
Sai lầm phổ biến nhất là nghĩ pha tối chỉ xảy ra vào ban đêm — sai, tên gọi chỉ nghĩa là không trực tiếp cần ánh sáng, và trên thực tế diễn ra liên tục khi có đủ ATP, NADPH ngay cả giữa ban ngày. Sai lầm khác là coi quang hợp và hô hấp là hai quá trình đối lập hoàn toàn về cơ chế — chúng chỉ bổ sung nguyên liệu cho nhau, còn diễn ra ở hai bào quan tách biệt.