Bài học

Hệ số hô hấp RQ — công cụ chẩn đoán cơ chất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tính được hệ số hô hấp RQ từ phương trình oxi hoá hoàn toàn từng loại cơ chất, giải thích được vì sao carbohydrate, lipid và protein cho RQ khác nhau, và dùng giá trị RQ đo được từ thí nghiệm để suy ra cơ chất mà tế bào đang ưu tiên sử dụng.

Cần nhớ trước

Khoá Sinh học 10 đã dạy ba giai đoạn của hô hấp hiếu khí — đường phân, chu trình Krebs, chuỗi truyền electron — cùng phương trình tổng quát của quá trình oxi hoá glucose (same-grade bridge). Bài này không nhắc lại từng giai đoạn đó; nó chỉ dùng đúng một dữ kiện: số mol O2 tiêu thụ và số mol CO2 sinh ra trong một phương trình hô hấp đã cân bằng.

Bài toán mở đầu

Trong phòng thí nghiệm có hai bình kín, mỗi bình chứa một loại hạt đang nảy mầm — một bình dùng chủ yếu tinh bột dự trữ (hạt lúa, hạt ngô), bình còn lại dùng chủ yếu chất béo dự trữ (hạt hướng dương, hạt lạc). Không được mở bình ra kiểm tra. Chỉ bằng cách đo lượng O2 mất đi và CO2 sinh ra, làm sao em biết bình nào đang hô hấp cơ chất nào?

Kĩ thuật vượt chuẩn

Mở rộng dành cho HSG: chương trình chuẩn Sinh học 11 chỉ yêu cầu phân biệt hô hấp hiếu khí với hô hấp yếm khí, không yêu cầu tính hệ số hô hấp RQ. RQ là công cụ định lượng thường gặp trong đề HSG cấp tỉnh và quốc gia, cho phép chẩn đoán cơ chất hô hấp mà không cần phá mẫu — đúng bài toán mở đầu vừa đặt ra.

Hệ số hô hấp RQ là gì

Hệ số hô hấp, viết tắt RQ (respiratory quotient), là tỉ số giữa thể tích CO2 thải ra và thể tích O2 hấp thụ trong cùng một khoảng thời gian, đo ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. Vì tỉ số đó chỉ phụ thuộc vào số mol khí, RQ cũng bằng đúng tỉ số số mol CO2 sinh ra trên số mol O2 tiêu thụ.

Ý nghĩa sinh học nằm ở chỗ: mỗi loại cơ chất — carbohydrate, lipid, protein — mang một tỉ lệ oxygen sẵn có trong phân tử khác nhau. Carbohydrate như glucose đã mang sẵn khá nhiều oxygen trong công thức (C6H12O6), nên cần hấp thụ ít O2 từ bên ngoài hơn để oxi hoá hoàn toàn thành CO2 và H2O. Lipid gần như chỉ gồm C và H, gần như không mang oxygen sẵn có, nên phải lấy nhiều O2 hơn hẳn mới oxi hoá hết được. Hệ quả trực tiếp: RQ của lipid luôn thấp hơn RQ của carbohydrate.

Vì sao tính trực tiếp từ phương trình cân bằng

Muốn biết RQ lí thuyết của một cơ chất, em không cần đo đạc gì cả — chỉ cần viết đúng phương trình oxi hoá hoàn toàn cơ chất đó bằng O2 thành CO2 và H2O, cân bằng phương trình, rồi lấy hệ số CO2 chia cho hệ số O2. Đây là một phép cân bằng phương trình hoá học thuần tuý, dùng lại đúng kĩ năng em đã quen ở môn Hoá học.

Ví dụ

Tính RQ của glucose từ phương trình cân bằng

1
Viết và cân bằng phương trình oxi hoá hoàn toàn 1 phân tử glucose (C6H12O6) bằng oxygen, từ đó tính RQ.
2
Ta có phương trình tổng quát: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + năng lượng. Phương trình đã cân bằng cả số nguyên tử C, H, O ở hai vế, không cần điều chỉnh hệ số. Theo định nghĩa, RQ bằng số mol CO2 sinh ra chia cho số mol O2 tiêu thụ, tức là RQ = 6/6 = 1.
3
Vậy RQ của carbohydrate (glucose) bằng 1 — mỗi nguyên tử carbon trong glucose khi oxi hoá hoàn toàn thành CO2 chỉ cần thêm đúng lượng oxygen tương ứng còn thiếu so với oxygen glucose đã có sẵn.

Ví dụ

Tính RQ của lipid từ phương trình cân bằng

1
Tripalmitin (C51H98O6) là một chất béo tiêu biểu dự trữ trong hạt hướng dương. Viết phương trình oxi hoá hoàn toàn tripalmitin và tính RQ.
2
Ta có phương trình cân bằng: C51H98O6 + 72,5 O2 → 51 CO2 + 49 H2O + năng lượng. Kiểm tra lại: vế trái có 51 C, 98 H, 6 + 145 = 151 O; vế phải có 51 C (từ CO2), 98 H (từ 49 H2O), 51×2 + 49 = 151 O — cân bằng đúng. Theo định nghĩa, RQ = 51/72,5 ≈ 0,7.
3
Vậy RQ của lipid xấp xỉ 0,7 — thấp hơn hẳn carbohydrate, đúng như dự đoán ở phần lí thuyết: lipid nghèo oxygen sẵn có nên phải lấy thêm nhiều O2 từ ngoài mới oxi hoá hết được.

Ví dụ

Xác định cơ chất hô hấp từ số liệu đo thực nghiệm (dạng đề kiểm tra)

1
Một mẫu hạt đang nảy mầm được đặt trong bình kín. Sau 1 giờ, thiết bị ghi nhận mẫu đã hấp thụ 350 mL O2 và thải ra 245 mL CO2 (đo ở cùng điều kiện). Xác định RQ và cho biết cơ chất hô hấp chủ yếu của mẫu này.
2
Ta có RQ = thể tích CO2 thải ra / thể tích O2 hấp thụ = 245/350 = 0,7. So sánh với hai giá trị RQ lí thuyết vừa tính: carbohydrate cho RQ = 1, còn lipid cho RQ ≈ 0,7. Giá trị đo được trùng khớp với RQ lí thuyết của lipid.
3
Vậy mẫu hạt này đang hô hấp chủ yếu bằng chất béo dự trữ — phù hợp với loại hạt giàu dầu như hướng dương hoặc lạc, đúng như tình huống mở đầu bài học.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Bẫy thường gặp

Trên thực tế, mô sống hiếm khi hô hấp thuần một loại cơ chất — RQ đo được thường là giá trị trung bình có trọng số giữa nhiều cơ chất cùng lúc. Một RQ đo được bằng 0,85 không có nghĩa là có một cơ chất bí ẩn nào đó với RQ = 0,85; nhiều khả năng hơn là mô đang hô hấp đồng thời carbohydrate và lipid theo một tỉ lệ nào đó. Đừng vội gán RQ đo được cho đúng một cơ chất duy nhất khi giá trị không khớp rõ với bảng chuẩn.

So sánh RQ giữa bốn nhóm cơ chất — carbohydrate cho RQ gần 1, lipid thấp hơn hẳn vì nghèo oxygen sẵn có, acid hữu cơ có thể vượt 1.

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Hệ số hô hấp RQ là tỉ số CO2 thải ra trên O2 hấp thụ, tính trực tiếp từ hệ số cân bằng của phương trình oxi hoá cơ chất: carbohydrate cho RQ xấp xỉ 1, lipid cho RQ thấp hơn hẳn (khoảng 0,7) vì nghèo oxygen sẵn có trong phân tử. Đo RQ thực nghiệm là cách gián tiếp nhưng đáng tin cậy để suy ra cơ chất tế bào đang ưu tiên sử dụng, miễn là em không quên khả năng hô hấp đồng thời nhiều cơ chất.

RQ chuẩn luôn nằm trong một khoảng hợp lý, từ khoảng 0,7 của lipid đến hơn 1 một chút của acid hữu cơ. Nhưng đôi khi RQ đo được lại cao bất thường, vượt xa mọi giá trị lí thuyết vừa học — dấu hiệu đó tiết lộ một điều hoàn toàn khác đang diễn ra bên trong tế bào. Bài sau sẽ lý giải hiện tượng này.