1. Tổng quan lý thuyết về hô hấp tế bào
1.1. Khái niệm hô hấp tế bào
Hô hấp tế bào là quá trình xảy ra sự chuyển đổi năng lượng và nó đóng vai trò rất quan trọng đối với tế bào sống. Trong quá trình này thì các phân tử cacbohidrat sẽ bị phân giải tạo thành CO2 và H2O, cùng lúc đó thì năng lượng của chúng cũng được giải phóng và biến đổi thành dạng năng lượng có thể sử dụng dễ dàng và năng lượng đó sẽ được chứa trong các phân tử ATP.
Ở các tế bào nhân thực thì quá trình hô hấp tế bào diễn ra chủ yếu bên trong ti thể.
Phương trình tổng quát của quá trình phân giải một phân tử glucôzơ hoàn toàn sẽ được trình bày như dưới đây:
C6H12O6 + 6O2 —>6CO2 + 6H2O + Năng lượng (ATP + nhiệt)
Hô hấp tế bào mang bản chất là một chuỗi những phản ứng ôxi hóa khử. Thông qua chuỗi của các phản ứng này thì phân tử glucôzơ được phân giải từ từ và năng lượng của nó không có khả năng giải phóng ồ ạt mà được lấy ra từ các phần ở từng giai đoạn khác nhau.
Tốc độ của quá trình hô hấp tế bào chậm hay nhanh còn tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng năng lượng của tế bào đó.
1.2. Vai trò hô hấp tế bào
Hô hấp được coi là một trong những phương thức chính có vai trò hỗ trợ tế bào giải phóng được năng lượng hóa học nhằm cung cấp năng lượng cho các hoạt động tế bào.
Mục đích chính của hô hấp tế bào là sự sản sinh ra một lượng năng lượng giúp cung cấp cho các hoạt động sống của cả tế bào và cơ thể.
1.3. Khái quát quá trình trong hô hấp tế bào - cơ sở trả lời câu hỏi chuỗi truyền electron hô hấp diễn ra ở đâu
Quá trình hô hấp tế bào có thể chia thành 3 giai đoạn đó là quá trình đường phân, chu trình Crep và cuối cùng là chuỗi chuyền electron hô hấp.
a. Đường phân
Đường phân được hiểu đơn giản là quá trình biến đổi phân tử glucôzo. Kết quả là từ 1 phân tử glucôzo ban đầu có thể tạo ra được 2 phân tử axit piruvic (C3H4O3) cùng với 2 phân tử ATP
>>> Xem thêm: Chi tiết về quá trình đường phân trong hô hấp tế bào
b. Chu trình Crep
Hai phân tử axit piruvic được hình thành từ quá trình đường phân sẽ được biến đổi tạo thành 2 axêtyl-CoA và 2 phân tử này sẽ đi vào chu trình Crep để tạo ra tất cả 2 phân tử ATP, 2 phân tử FADH2 và 6 phân tử NADH, đồng thời giải phóng 6 phân tử CO2.
c. Chuỗi truyền electron hô hấp
Trong giai đoạn này, năng lượng sẽ được giải phóng từ quá trình ôxi hoá các phân tử NADH và FADH2 và được sử dụng nhằm tổng hợp các phân tử ATP. Đây chính là giai đoạn mà tế bào thu được nhiều ATP nhất.
Đăng ký ngay để được các thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình học tập THPT vững vàng
2. Chuỗi truyền electron hô hấp
2.1. Khái niệm
Chuỗi chuyền điện tử hay chuỗi truyền electron (có tên tiếng Anh là electron transport chain (ETC)) kết hợp quá trình chuyển giữa vật cho điện tử (ví dụ như phân tử NADH) với một vật nhận điện tử (ví dụ như phân tử ôxi) đến sự trung chuyển của proton H+ thông qua lớp màng sinh chất. Kết quả nhận được là một độ chênh thế điện hóa học được hình thành, năng lượng lưu trữ chứa trong thế này sẽ được ATP synthase chuyển thành năng lượng hóa năng dưới dạng adenosine triphosphate (ATP). Chuỗi chuyền elactron hô hấp là một cơ chế thuộc cấp độ tế bào và được sử dụng để sản sinh ra năng lượng từ các phản ứng oxy hóa khử, ví dụ như là phản ứng oxy hóa của đường.
2.2. Chuỗi truyền electron hô hấp diễn ra ở đâu?
Chuỗi chuyền electron hô hấp diễn ra ở đâu? Chuỗi truyền electron hô hấp diễn ra tại vị trí màng trong của bào quan ti thể. Trong giai đoạn này thì các phân tử NADH và FADH2 là sản phẩm được tạo ra từ những giai đoạn trước sẽ bị ôxi hóa thông qua một chuỗi những phản ứng ôxi hoá khử. Trong phản ứng cuối cùng thì oxy sẽ bị khử và hình thành nên phân tử nước.
Năng lượng được giải phóng thông qua quá trình oxy hoá các phân tử FADH2 và NADH này sẽ được sử dụng nhằm tổng hợp nên các phân tử ATP. Đây cũng được biết đến là giai đoạn chính giúp tế bào có thể thu được nhiều ATP nhất.
3. Câu hỏi luyện tập về chuỗi truyền electron hô hấp
Câu 1: Trong tế bào, bản chất quá trình phân giải cacbohiđrat là gì?
Lời giải:
Trong tế bào, bản chất quá trình phân giải cacbohiđrat là quá trình các mạch cacbon sẽ bị bẻ gãy một cách từ từ để cuối cùng kết quả tạo ra hai sản phẩm chính là CO2 và nước. Song song với quá trình bẻ gãy mạch cacbon này thì nó còn góp mặt trong các liên kết của nguyên liệu hô hấp, năng lượng hóa học sẽ được chuyển hóa thành năng lượng dễ sử dụng hơn. Phân tử ATP được biết là nơi có khả năng tích lũy các năng lượng này.
Câu 2: Tại sao người ta thường thấy khi vận động một cách quá sức thường thấy mỏi cơ?
Lời giải:
Trong điều kiện bị vận động một cách quá sức, việc hít thở không thể cung cấp được cho quá trình hô hấp tế bào với một lượng oxi đủ nhất định. Khi đó thì quá trình lên men kị khí sẽ được dùng trong các tế bào nhằm giúp năng lượng ATP được sinh ra. Và axit lactic cũng là một trong những chất có khả năng tạo ra bởi quá trình lên men này. Axit lactic được tích tụ ở bên trong tế bào và làm xuất hiện hiện tượng đau mỏi cơ.
Câu 3: Hô hấp tế bào gồm mấy giai đoạn và đó là những giai đoạn nào?
Lời giải:
Quá trình hô hấp tế bào có thể được chia thành 3 giai đoạn chính đó là quá trình đường phân, chu trình Crep và cuối cùng là chuỗi chuyền electron hô hấp.
a. Đường phân
Đường phân được hiểu đơn giản là quá trình biến đổi phân tử glucôzo. Kết quả là từ 1 phân tử glucôzơ ban đầu có thể tạo ra được 2 phân tử axit piruvic (C3H4O3) cùng với 2 phân tử ATP
b. Chu trình Crep
Hai phân tử axit piruvic được hình thành từ quá trình đường phân sẽ được biến đổi tạo thành 2 axêtyl-CoA và 2 phân tử này sẽ đi vào chu trình Crep để tạo ra tất cả 4 phân tử ATP, 2 phân tử FADH2 và 6 phân tử NADH.
c. Chuỗi truyền electron hô hấp
Trong giai đoạn này, năng lượng sẽ được giải phóng từ quá trình ôxi hoá các phân tử NADH và FADH2 và được sử dụng nhằm tổng hợp các phân tử ATP. Đây chính là giai đoạn mà tế bào thu được nhiều ATP nhất.
Câu 4: Khi phân giải 1 phân tử glucozo thông qua quá trình hô hấp tế bào sẽ giải phóng được bao nhiêu phân tử ATP?
Lời giải
Về lý thuyết, khi 1 phân tử glucozo đi vào quá trình hô hấp tế bào, và được oxi hóa đến cùng sẽ giải phóng 38 phân tử ATP.
- Đường phân: ở giai đoạn thu năng lượng, 4 ATP được tạo ra tuy nhiên trong giai đoạn trước, glucozo đã được phosphoryl hóa cơ chất bằng 2 ATP nên thực tế chỉ có 2 ATP được tạo ra ở quá trình đường phân
- Chu trình Crep: một chu trình Crep sẽ tạo ra được 2 phân tử ATP khi phân tử hidrocarbo được oxi và electron cùng H+ chiết rút ra từ oxi hóa đường sẽ hình thành 6 phân tử NADH và 2 phân tử FADH2 đi vào chuỗi truyền điện tử
- Thông tính toán và thực nghiệm, các nhà sinh học đã ước lượng được rằng cứ 1 phân NADH đi vào chuỗi truyền điện tử sẽ tổng hợp được 3 phân tử ATP như vậy 6 NADH từ chu trình Crep, 2 NADH từ oxi hóa axit piruvic thành acetylcholin A và 2 NADH từ đường phân sẽ tạo ra 30 phân tử ATP.
- Tương tự thì FADH2 sẽ tổng hợp được 2 phân tử ATP như vậy 2 phân tử FADH2 trải qua chuỗi truyền điện tử sẽ có 4 phân tử ATP được tổng hợp
- Lượng ATP tổng hợp được qua cả 3 giai đoạn là: 2 + 2 + 30 + 4 = 38
Như vậy theo lý thuyết thì mỗi phân tử glucose có thể tạo ra 38 phân tử ATP.
Câu 5: Cho phương trình tổng quát của quá trình hô hấp tế bào:
C6H12O6+ 6O2 —>6CO2 + 6H2O + Năng lượng (ATP + nhiệt)
Oxi được tế bào sử dụng ở giai đoạn nào?
CO2 được sinh ra từ đâu, giai đoạn nào?
Lời giải
- Trong quá trình hô hấp của tế bào, Oxi sẽ đóng vai trò như là một chất oxi mạnh, là chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi truyền điện tử ở màng trong ti thể. Lúc này, phân tử oxi sẽ nhận được electron và H+ để hình thành nước.
1/2O2 + 2e- + 2H+ -> H2O
- CO2 mà hô hấp tế bào thải ra có nguồn gốc từ sự oxi hóa phân tử đường (glucozo), trong quá trình này CO2 được tạo ra khi mà acid pyruvic đi vào chu trình Crep.
1 phân tử Glucozo nếu trải qua hoàn toàn quá trình hô hấp sẽ giải phóng 6 phân tử CO2.
Câu 6: Chuỗi truyền electron hô hấp có bản chất là gì? Electron sẽ vào chuỗi truyền này có nguồn gốc từ đâu và kết thúc ở đâu?
Lời giải
Chuỗi truyền điện tử có bản chất là một loạt các phản ứng oxi hóa khử.
Electron có nguồn gốc từ phân tử đường, trải qua quá trình đường phân và chu trình Crep sẽ được truyền cho các phân tử NAD+ và FAD+ để hình thành NADH và FADH2 đóng vai trò như chất trung chuyển điện tử đến màng trong ty thể, nơi có mặt của chuỗi truyền điện tử.
NADH và FADH2 phần mình sẽ truyền electron và H+ cho phức hệ đầu tiên của chuỗi truyền điện tử. Và electron sẽ được truyền lần lượt qua các phức hệ khác và cuối cùng là Oxi phân tử tạo thành H2O.
Câu 7: Chuyện gì sẽ xảy ra với tế bào nếu ty thể chỉ có một lớp màng?
Lời giải:
- Trường hợp 1: nếu chỉ có lớp màng ngoài
Việc thiếu đi lớp màng trong, nơi chứa các phức hệ protein, enzim ATP synthase đồng nghĩa với việc không còn chuỗi truyền điện tử của hô hấp tế bào nữa. Mà giai đoạn này sử dụng được rất tốt năng lượng hóa học trong các phân tử NADH và FADH2, bằng chứng là hầu hết ATP được tạo thành từ giai đoạn này. Vì thế nếu ty thể mà không có lớp màng trong thì sẽ khiến cho tế bào thiếu năng lượng một cách trầm trọng.
- Trường hợp 2: Chỉ có lớp màng trong
Enzim ATP synthase hoạt động nhờ một lượng H+ nhất định di chuyển từ khoang gian màng vào bên trong chất nền ty thể. Để có được điều này thì ty thể cần phải có nơi để duy trì sự chênh lệch nồng độ H+ với bên trong, nơi có nồng độ H+ cao, đó chính là khoang không gian giữa hai lớp màng. Việc thiếu vắng đi lớp màng bên ngoài sẽ làm cho ty thể không còn khả năng tạo ra sự chênh lệch H+ này nữa và đồng nghĩa rằng ATP synthase không thể tổng hợp ATP, tế bào sẽ không có đủ năng lượng cho các hoạt động sống.
Câu 8: Như chúng ta đã biết, chuỗi truyền điện tử là một giai đoạn quan trọng của hô hấp tế bào, diễn ra ở màng trong ty thể. Tuy nhiên, ở các vi sinh vật, những tế bào không hề có bào quan ty thể, cũng có khả năng hô hấp hiếu khí. Vậy thì chuỗi truyền điện tử của sinh vật nhân sơ sẽ nằm ở đâu và có khác biệt gì so với ở nhân thực?
Lời giải
Tế bào sinh vật nhân sơ có cấu trúc khá đơn giản, không có bào quan chuyên cho việc hô hấp là ty thể như ở tế bào nhân thực. Tuy nhiên, các sinh vật này vẫn có khả năng hô hấp hiếu khí bởi trên màng tế bào chất của chúng có đầy đủ các phức hệ protein của chuỗi truyền điện tử, có enzim xúc tác tổng hợp ATP là ATP synthase.
Điểm khác biệt lớn nhất của sinh vật nhân sơ đối với sinh vật nhân thực đó là chất nhận điện tử cuối cùng, ngoài O2 ra thì chúng còn có thể sử dụng các chất oxi hóa khác như SO4-, NO3-,...
Câu 9: Hãy so sánh sự khác nhau giữa 3 giai đoạn của hô hấp tế bào?
Lời giải:
Giai đoạn
Vị trí xảy ra
Nguyên liệu
Kết quả
Đường phân
Chất tế bào
Glucozo
Tạo ra các sản phẩm bao gồm axit piruvic và năng lượng ATP, NADH
Chu kì Crep
Chất nền của ti thể
Axit piruvic
Tạo ra các sản phẩm bao gồm Axêtyl-CoA và CO2 còn năng lượng được hình thành là ATP, NADH, FADH2
Chuỗi truyền electron hô hấp
Trên màng của ti thể
NADP và FADH2
Tạo ra các sản phẩm là H2O và ATP
Câu 10: Tại sao theo lý thuyết một phân tử glucozo tạo ra 38 ATP sau khi kết thúc hô hấp tế bào, nhưng thực tế lại chỉ tạo ra 36-38 ATP?
Lời giải:
Lượng ATP tạo ra qua quá trình hô hấp tế bào không phải là con số cố định mà chỉ đạt được 36-38 ATP do các lý do sau:
Do loại con thoi được chọn để vận chuyển electron vào ty thể là khác nhau. Các loại con thoi (NADH và FADH2) có khả năng tạo ra lượng ATP khác nhau. NADH tạo ra được 3 ATP còn FADH2 tạo ra 2 ATP. Do đó việc tế bào ưu tiên sử dụng loại con thoi vận chuyển nào sẽ ảnh hưởng đến lượng ATP được tạo ra sau kết thúc chuỗi truyền điện tử.
Thực tế, lượng ATP tạo ra nhờ NADH và FADH2 thực tế không phải số nguyên mà chỉ là khoảng 2.5 với NADH thay vì 3 ATP và 1.5 ATP với FADH2 thay vì 2 ATP.
Do lực proton được sử dụng cho các quá trình khác trung gian mà không tập trung hoàn toàn cho hô hấp tế bào tạo ra ATP do đó khiến lượng sản phẩm sụt giảm.
VUIHOC đã tổng hợp khái quát và dễ hiểu về tất cả các kiến thức về hô hấp tế bào và chuỗi truyền electron cùng với câu trả lời cho câu hỏi chuỗi truyền electron hô hấp diễn ra ở đâu để giúp các em ôn tập tốt nhất phần kiến thức quan trọng này. Để học thêm được nhiều các kiến thức hay và thú vị về Sinh học 10 cũng như Sinh học THPT thì các em hãy truy cập vuihoc.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô VUIHOC ngay bây giờ nhé!
