Chi tiết về quá trình đường phân trong hô hấp tế bào - VUIHOC Sinh 10

1. Lý thuyết về đường phân

1.1. Đường phân là gì?

Đường phân (có tên tiếng Anh là Glycolysis) có ý nghĩa là “tách đường”. Đây được xem là một quy trình giải phóng năng lượng ở trong đường.

1.2. Quá trình đường phân là gì?

Vậy quá trình đường phân là gì? Ta có thể hiểu đường phân là một quá trình giúp chuyển hóa vật chất mà không phụ thuộc đến sự tham gia của nguồn oxy, tức là chúng có khả năng xảy ra mọi nơi dù ở đó môi trường có oxy hay không có oxy. Quá trình này là một con đường phổ biến nhất và chung nhất cho cả quá trình hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí hay quá trình lên men. 

Quá trình đường phân thông thường sẽ chia thành 2 giai đoạn chủ yếu là:

• Giai đoạn “đầu tư” năng lượng đầu vào: 2 phân tử ATP sẽ bị phân hủy để tạo thành ADP và Pi (nhóm phosphate PO43- vô cơ).

• Giai đoạn “thu hồi” năng lượng ra: tạo ra được 4 phân tử ATP từ ADP và Pi từ môi trường.

Qua quá trình đường phân, sản phẩm cuối cùng nhận được là 2 phân tử axit piruvic, 2 phân tử NADH (nicotinamide adenine dinucleotide), 2 phân tử ATP (adenosine triphosphate) và 2 phân tử nước ( H₂O)

1.3. Quá trình đường phân xảy ra ở đâu?

Phần lớn quá trình đường phân xảy ra ở tế bào chất (hay cụ thể hơn là ở bào tương) của tế bào.

1.4. Ý nghĩa của quá trình đường phân đối với hoạt động hô hấp tế bào

- Glycolysis là quá quá trình hết sức quan trọng trong tế bào vì glucose chính là nguồn cung cấp những nhiên liệu chính cho các mô ở trong cơ thể. 

- Đường phân được biết đến là con đường trao đổi chất đầu tiên trong quá trình hô hấp tế bào giúp sản xuất năng lượng dưới dạng phân tử ATP. Qua hai giai đoạn chính khác nhau, vòng 6 carbon của glucose được cắt ra và chia thành 2 phân tử đường 3 carbon của pyruvate thông qua hàng loạt các phản ứng của các enzym khác nhau.

2. 10 bước diễn ra quá trình đường phân trong hô hấp tế bào

Bước 1: Glucose trong tế bào chất sẽ được gắn thêm một nhóm phosphat (quá trình này được gọi là phosphoryl hóa cơ chất) xúc tác bởi enzim Hexokinase.

Ở bước này sẽ tiêu tốn 1 phân tử ATP, 1 nhóm photphat của ATP này được gắn vào vị trí Carbon 6 của glucose tạo thành glucose 6-phosphat và giải phóng 1 phân tử ADP.

Bước 2: Enzyme phosphoglucomutase xúc tác thay đổi phân bố electron và các nguyên tố làm đồng phân hóa glucose 6-phosphat thành fructose 6-phosphate (đồng phân của nó).

Bước 3: Ở bước này, enzim kinase phosphofructokinase xúc tác phản ứng phosphoryl hóa fructose 6-phosphate để hình thức fructose 1,6-bisphosphate. Như vậy đến bước này thì 2 ATP đã bị tiêu tốn.

Bước 4: Enzim aldolase một enzim then chốt của quá trình đường phân sẽ xúc tác phản ứng cắt fructose 1,6-bisphosphate thành 2 phân tử lần lượt là dihydroxyacetone phosphate (DHAP) và glyceraldehyde 3-phosphate (GADP).

Bước 5: DHAP và GADP là những đồng phân này có thể biến đổi cho nhau nhờ enzim triose-phosphate isomerase. Và GADP là chất sẽ được sử dụng tiếp ở bước sau trong con đường đường phân. Như vậy 1 phân tử glucose đến bước này sẽ bị cắt và tạo ra 2 phân tử GADP đi vào giai đoạn tiếp theo.

Bước 6: Hai phân tử GADP sẽ được enzim glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) xúc tác trải qua 2 quá trình là khử hydro và phosphoryl hóa.

Đầu tiên, GADP bị khử bằng cách chuyển electron và proton (H⁺) của nó sang chất oxy hóa nicotinamide adenine dinucleotide (NAD⁺) để tạo thành NADH + H⁺.

Kế tiếp, GAPDH xúc tác thêm một nhóm phosphat tự do ở dịch tế bào vào GAP để tạo thành 1,3-bisphosphoglycerate (BPG). 

Bước 7: Mỗi phân tử BPG đều được enzyme phosphoglycerokinase xúc tác chuyển một nhóm phosphat đến một phân tử ADP để tạo thành ATP. Như vậy đã có 2 phân tử ATP được tạo ra cho tới bước này đồng thời để lại 2 phân tử phân tử 3-phosphoglycerate (3 PGA).

Bước 8: Ở bước này enzyme phosphoglyceromutase xúc tác chuyển nhóm phosphat của hai phân tử 3 PGA từ vị trí C3 sang vị trí C2, hình thành 2 PGA.

Bước 9: Một phân tử H20 từ 2-phosphoglycerate bị loại để tạo thành phosphoenolpyruvate (PEP). Quá trình này xảy được xúc tác bởi enzim enolase.

Bước 10: Cuối cùng, PEP là một hợp chất cao năng vì thế năng lượng khi thủy phân nhóm phosphat của chất này sẽ được dùng để tạo nên ATP. Quá trình này được xúc tác bởi enzim pyruvate kinase tạo thành axit pyruvic và ATP.

3. Phương trình hóa học khái quát quá trình đường phân

Phương trình tổng quát của quá trình đường phân:

Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2H2O

\

Kết luận:

- Đường phân bản chất là một quá trình oxi hóa, chất oxi hóa là đường và NAD+ đóng vai trò như là chất khử, nhận e- và H+ từ quá trình này.

- Nhìn vào sơ đồ phản ứng chung ta có thể thấy ở giai đoạn thu hồi năng lượng, đường phân đã tạo ra được 4 phân tử ATP nhưng vì ban đầu đã lấy từ môi trường 2 phân tử ATP nên thực tế, quá trình này chỉ tạo ra được 2 ATP.

- Sản phẩm của quá trình đường phân là  từ một phân tử glucose bị phân cắt và oxi hóa hình thành nên 2 phân tử axit pyrivic, 2 phân tử ATP cùng với 2 phân tử NADH, đồng thời nó còn giải phóng các phân tử nước và proton H+.

4. Câu hỏi luyện tập về quá trình đường phân - Sinh 10

Câu 1: Quá trình đường phân có thực sự được bảo toàn trong điều kiện diễn ra thường xuyên của tiến hóa không?

Lời giải chi tiết:

Hầu hết các phân tử ATP được tạo ra thông qua quá trình hô hấp hiếu khí đều khác so với những phân tử ATP được tạo ra từ quá trình đường phân do chúng được hình thành bởi quá trình phosphoryl hóa ở mức cơ chất. Điều này rất phù hợp với thực tế rằng đường phân được bảo tồn cao trong sự thay đổi thường xuyên của quá trình tiến hóa, chúng trở nên phổ biến đối với hầu hết tất cả các sinh vật sống.

Câu 2: Hãy nêu vai trò của quá trình đường phân đối với các loài thực vật

Lời giải chi tiết:

Quá trình đường phân có chức năng chính trong việc oxy hóa hexoses giúp cung cấp phân tử ATP, làm giảm năng lượng và pyruvate, đồng thời sản xuất ra tiền chất cho quá trình đồng hóa. Ở các loài thực vật, quá trình trao đổi chất này diễn ra bên trong tế bào và lạp thể của cả các cơ quan quang hợp lẫn cơ quan không quang hợp.

Câu 3: Quá trình đường phân diễn ra ở đâu?

Lời giải chi tiết:

Quá trình đường phân xảy ra ở trong tế bào chất (cụ thể là bào tương), quá trình đường phân bao gồm rất nhiều phản ứng trung gian và có sự góp mặt của nhiều loại enzim tham gia, năng lượng sẽ được hình thành dần dần qua nhiều phản ứng đó, kết thúc quá trình đường phân thì sẽ thu được sản phẩm là  2 ATP và 2 NADH .

Câu 4: Sản phẩm của quá trình đường phân là gì? 

Lời giải chi tiết:

Quá trình đường phân sẽ tạo ra được các sản phẩm là 2 phân tử axit pyruvate, 2 phân tử ATP (adenosine triphosphate), 2 phân tử NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) và 2 phân tử nước (H2O).

Câu 5: Quá trình đường phân chia thành mấy giai đoạn? Đó là những giai đoạn nào? 

Lời giải chi tiết:

Quá trình đường phân thông thường sẽ chia thành 2 giai đoạn chủ yếu là:

• Giai đoạn “đầu tư” năng lượng đầu vào: 2 phân tử ATP sẽ bị phân hủy để tạo thành ADP và Pi (nhóm phosphate PO43- vô cơ).

• Giai đoạn “thu hồi” năng lượng ra: tạo ra được 4 phân tử ATP từ ADP và Pi từ môi trường.

Câu 6: Một phân tử glucôzơ trải qua quá trình đường phân sẽ giải phóng bao nhiêu phân tử ATP?

Lời giải chi tiết:

Dựa vào phương trình tổng quát của quá trình đường phân:

Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2H2O

Có thể thấy rằng, quá trình đường phân sẽ tạo ra 2 phân tử ATP

Câu 7: Nêu các bước của quá trình đường phân?

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Glucose trong tế bào chất sẽ được gắn thêm một nhóm phosphat (quá trình này được gọi là phosphoryl hóa cơ chất) xúc tác bởi enzim Hexokinase.

Ở bước này sẽ tiêu tốn 1 phân tử ATP, 1 nhóm phosphot của ATP này được gắn vào vị trí Carbon 6 của glucose tạo thành glucose 6-phosphat và giải phóng 1 phân tử ADP.

Bước 2: Enzim phosphoglucomutase xúc tác thay đổi phân bố electron và các nguyên tố làm đồng phân hóa glucose 6-phosphat thành fructose 6-phosphate (đồng phân của nó).

Bước 3: Ở bước này, enzim kinase phosphofructokinase xúc tác phản ứng phosphoryl hóa fructose 6-phosphate để hình thức fructose 1,6-bisphosphate. Như vậy đến bước này thì 2 ATP đã bị tiêu tốn.

Bước 4: Enzim aldolase một enzim thên chốt của quá trình đường phân sẽ xúc tác phản ứng cắt fructose 1,6-bisphosphate thành 2 phân tử lần lượt là dihydroxyacetone phosphate (DHAP) và glyceraldehyde 3-phosphate (GADP).

Bước 5: DHAP và GADP là những đồng phân này có thể biến đổi cho nhau   nhờ enzim triose-phosphate isomerase. Và GADP là chất sẽ được sử dụng tiếp ở bước sau trong con đường đường phân. Như vậy 1 phân tử glucose đến bước này sẽ bị cắt và tạo ra 2 phân tử GADP đi vào giai đoạn tiếp theo.

Bước 6: Hai phân tử GADP sẽ được enzim glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) xúc tác trải qua 2 quá trình là khử hydro và phosphoryl hóa.

Đầu tiên, GADP bị khử bằng cách chuyển electron và proton (H⁺) của nó sang chất oxy hóa nicotinamide adenine dinucleotide (NAD⁺) để tạo thành NADH + H⁺.

Kế tiếp, GAPDH xúc tác thêm một nhóm phosphat tự do ở dịch tế bào vào GAP để tạo thành 1,3-bisphosphoglycerate (BPG). 

Bước 7: Mỗi phân tử BPG đều được enzyme phosphoglycerokinase xúc tác chuyển một nhóm phosphat đến một phân tử ADP để tạo thành ATP. Như vậy đã có 2 phân tử ATP được tạo ra cho tới bước này đồng thời để lại 2 phân tử phân tử 3-phosphoglycerate (3 PGA).

Bước 8: Ở bước này enzyme phosphoglyceromutase xúc tác chuyển nhóm phosphat của hai phân tử 3 PGA từ vị trí C3 sang vị trí C2, hình thành 2 PGA.

Bước 9: Một phân tử H20 từ 2-phosphoglycerate bị loại để tạo thành phosphoenolpyruvate (PEP). Quá trình này xảy được xúc tác bởi enzim enolase.

Bước 10: Cuối cùng, PEP là một hợp chất cao năng vì thế năng lượng khi thủy phân nhóm phosphat của chất này sẽ được dùng để tạo nên ATP. Quá trình này được xúc tác bởi enzim pyruvate kinase tạo thành axit pyruvic và ATP.

Câu 8: Trong toàn bộ quá trình đường phân, có bao nhiêu enzim tham gia và đó là những loại enzim nào?

Lời giải chi tiết:

Các enzim tham gia xúc tác cho các phản ứng trong quá trình đường phân lần lượt là: 

- Hexokinase: phosphoryl hóa Glucose

- Phosphoglucomutase: chuyển glucose 6-phosphat thành fructose 6-phosphate

- Phosphofructokinase: Phosphoryl hóa fructose 6-phosphate tạo thành fructose 1,6-bisphosphate

- Aldolase: cắt phân tử fructose 1,6-bisphosphate thành dihydroxyacetone phosphate (DHAP) và glyceraldehyde 3-phosphate (GADP).

- Triose-phosphate isomerase: chuyển đổi DHAP thành GADP và ngược lại

- Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase: loại bỏ H+ và đồng thời gắn nhóm P vô cơ vào GADP tạo thành 1,3-bisphosphoglycerate

- Phosphoglycerokinase: chuyển P của 1,3-bisphosphoglycerate cho ADP tạo thành ATP và 3-phosphoglycerate 

- Phosphoglyceromutase: xúc tác chuyển nhóm P từ C3 của 3-phosphoglycerate sang C2 hình thành phân tử 2-phosphoglycerate 

- Enolase: loại 1 phân tử H20 của 2-phosphoglycerate để tạo ra phosphoenolpyruvate (PEP)

- Pyruvate kinase: chuyển nhóm P của PEP cho ADP để hình thành ATP

Câu 9: So sánh sự khác nhau của quá trình đường phân với chu trình Crep về nơi xảy ra, nguyên liệu, sản phẩm tạo ra và năng lượng.

Lời giải chi tiết:

Câu 10: Tế bào thu được bao nhiêu phân tử ATP từ quá trình đường phân và chu trình Crep? Theo em, số phân tử ATP đó có mang toàn bộ năng lượng của phân tử glucose lúc đầu hay không? Nếu không thì phần năng lượng còn lại đã đi đâu?

Lời giải chi tiết:

- Quá trình đường phân tạo ra 2 phân tử ATP, chu trình Crep cũng tạo ra 2 phân tử ATP.

- Trong khi đó khi phân giải hoàn toàn 1 phân tử glucose ta có thể thu được 36 - 38 ATP. Như vậy các phân tử ATP được tạo ra từ 2 quá trình đó không phải mang toàn bộ năng lượng của phân tử glucose lúc đầu.

- Năng lượng còn lại nằm ở trong các phân tử NADH và FADH2, chúng sẽ đi vào chuỗi vận chuyển điện tử và hình thành nên các ATP còn lại.

- Mặt khác, khoảng 50% số năng lượng hình thành từ 1 phân tử glucozơ, khi hô hấp hiếu khí sẽ bị thoát ra ở dạng nhiệt năng.

Đăng ký ngay để được các thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình học tập THPT vững vàng

VUIHOC đã tổng hợp đầy đủ và chi tiết tất cả các kiến thức về quá trình đường phân để giúp các em ôn tập tốt nhất phần kiến thức quan trọng này. Để học hỏi thêm 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!

>>> Bài viết liên quan:

Bài 16 Sinh 10: Lý thuyết và bài tập về hô hấp tế bào

Chuỗi truyền electron hô hấp điễn ra ở đâu? Lý thuyết Sinh 10 VUIHOC