Khái quát về trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng SVIP

I. Vai trò của trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng

Sinh vật lấy các chất từ môi trường cung cấp cho quá trình tạo chất sống của cơ thể, hình thành tế bào, cơ quan, cơ thể, đồng thời tích lũy và giải phóng năng lượng phục vụ cho các hoạt động sống như vận động, sinh sản, cảm ứng, sinh trưởng và phát triển.

Chất thải, chất độc hại hoặc dư thừa sinh ra từ quá trình chuyển hóa được cơ thể thải ra môi trường. Các chất này nếu ứ đọng trong cơ thể sẽ gây rối loạn các hoạt động sống, thậm chí gây tử vong.

II. Các dấu hiệu đặc trưng của trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở sinh vật

1. Tiếp nhận các chất từ môi trường và vận chuyển các chất

Thực vật lấy chất khoáng, nước, CO₂ và năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể. Hệ vận chuyển đưa các chất hữu cơ đến tế bào cơ thể, đồng thời vận chuyển nước, chất khoáng hấp thụ từ rễ lên lá.

Hầu hết động vật lấy chất dinh dưỡng từ thức ăn nhờ hệ tiêu hóa và lấy O₂ từ không khí nhờ hệ hô hấp. Chất dinh dưỡng và O₂ được vận chuyển đến các tế bào cơ thể nhờ hệ tuần hoàn.

2. Biến đổi các chất kèm theo chuyển hóa năng lượng ở tế bào

Các chất tiếp nhận từ môi trường được vận chuyển đến tế bào và tham gia vào quá trình đồng hóa và dị hóa.

Quá trình đồng hóa tổng hợp chất hữu cơ phức tạp từ các chất đơn giản, kèm theo tích lũy năng lượng trong các liên kết hóa học.

Quá trình dị hóa phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, kèm theo giải phóng năng lượng từ các liên kết hóa học.

3. Thải các chất vào môi trường

Quá trình trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng luôn được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu của cơ thể thông qua hormone ở thực vật hoặc hormone và hệ thần kinh ở động vật.

III. Các giai đoạn chuyển hóa năng lượng trong sinh giới

1. Giai đoạn tổng hợp

Nguồn năng lượng khởi đầu trong sinh giới là năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng). Chất diệp lục của cây xanh thu nhận quang năng để tổng hợp chất hữu cơ từ các phân tử CO₂ và nước. 

Cây xanh đã chuyển hóa quang năng thành hóa năng tích lũy trong các liên kết hóa học ở các phân tử hữu cơ.

Động vật không có khả năng nhận năng lượng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời để tổng hợp chất hữu cơ, chúng lấy năng lượng (hóa năng) sẵn có trong thức ăn.

2. Giai đoạn phân giải

Các liên kết hóa học trong phân tử hữu cơ chứa năng lượng ở dạng thế năng, nhờ quá trình hô hấp mà thế năng này biến đổi thành động năng.

Hô hấp thực chất là những biến đổi vật chất kèm theo sự biến đổi về năng lượng trong tế bào. Quá trình hô hấp làm biến đổi các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn, đồng thời năng lượng tích lũy trong các liên kết hóa học ở các phân tử lớn chuyển sang năng lượng tích lũy trong các liên kết hóa học của các phân tử nhỏ ở dạng dễ chuyển đổi và sử dụng.

3. Giai đoạn huy động năng lượng

Năng lượng tạo ra từ hô hấp tế bào (chủ yếu là ATP) được sử dụng cho các hoạt động sống như tổng hợp chất sống, vận động, sinh sản, cảm ứng, sinh trưởng và phát triển,... Các liên kết giữa các gốc phosphate trong phân tử ATP sẽ bị phá vỡ, giải phóng năng lượng. Các dạng năng lượng khác nhau cuối cùng đều chuyển thành nhiệt năng và tỏa ra môi trường.

IV. Mối quan hệ giữa trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở cấp độ tế bào và cơ thể

Chất dinh dưỡng cơ thể lấy vào được chuyển tới tế bào. Tại đây các chất tham gia vào quá trình đồng hóa tổng hợp nên chất hữu cơ xây dựng cơ thể và dự trữ năng lượng. Một phần chất hữu cơ được phân giải, giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào và cơ thể. Chất thải sinh ra từ quá trình dị hóa tế bào được thải ra ngoài môi trường.

V. Các phương thức trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng

1. Tự dưỡng

Tự dưỡng gồm quang tự dưỡng và hóa tự dưỡng.

Quang tự dưỡng là phương thức sinh vật sử dụng chất vô cơ, nước, CO₂ và năng lượng ánh sáng để tổng hợp nên các chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể và tích lũy năng lượng.

Hóa tự dưỡng là phương thức sinh vật sử dụng nguồn carbon và nguồn năng lượng từ chất vô cơ như H₂S, NO₃^-, NH₄⁺ để tổng hợp nên các chất hữu cơ và tích lũy năng lượng.

Vai trò của sinh vật tự dưỡng trong sinh giới:

• Cung cấp O₂, đảm bảo cho hoạt động sống của hầu hết sinh vật.
• Cung cấp thức ăn, nơi ở và nơi sinh sản cho động vật.
• Điều hòa khí hậu: tạo nhiệt độ, độ ẩm thuận lợi cho sự tồn tại và phát triển của sinh vật.

2. Dị dưỡng

Dị dưỡng là phương thức sinh vật lấy chất hữu cơ trực tiếp từ sinh vật dị dưỡng hoặc từ động vật khác, thông qua tiêu hóa, hấp thụ và đồng hóa các chất để xây dựng cơ thể, tích lũy và sử dụng năng lượng cho mọi hoạt động sống.

1. Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng giúp sinh vật tồn tại và phát triển.

2. Các dấu hiệu đặc trưng của trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở sinh vật gồm: tiếp nhận, vận chuyển các chất từ môi trường sống, chuyển hóa các chất kèm theo chuyển hóa năng lượng ở tế bào và thải các chất thải vào môi trường.

3. Chuyển hóa năng lượng trong sinh giới gồm 3 giai đoạn: tổng hợp, phân giải và huy động năng lượng.

4. Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở cấp độ tế bào và cơ thể sinh vật liên quan chặt chẽ với nhau.

5. Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở cấp độ tế bào là cơ sở cho quá trình trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng của cơ thể sinh vật.

6. Phương thức trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở sinh vật là tự dưỡng và dị dưỡng.