Tài liệu ôn tập Lý Sinh. Năng lượng cơ thể sống

BÀI TẬP LỚN LÝ SINH

Câu 1:

Tổng quan : 4 dạng năng lượng chính ( thường xuyên đề cập tới ) : Điện năng, hóa năng, thế năng , cơ năng ; và 2 dạng năng lượng nữa : Quang năng và Năng lượng hạt nhân .

1. Hóa Năng

• Nguồn Gốc:
  • Bên ngoài: Thức ăn chúng ta ăn (Carbohydrate, Lipid, Protein). Năng lượng trong các hợp chất này chính là năng lượng mặt trời được thực vật tích trữ qua quá trình quang hợp.
  • Bên trong: Phân tử ATP (Adenosine Triphosphate). Đây được coi là "đồng tiền năng lượng" của tế bào. Năng lượng không được dự trữ trong các liên kết C-H của glucose mà được chứa trong các liên kết phosphate cao năng của ATP, sẵn sàng để sử dụng ngay lập tức.
• Cơ Chế Hình Thành (Chủ yếu là tạo ATP):
  Cơ thể chuyển hóa hóa năng trong thức ăn thành hóa năng trong ATP qua quá trình Hô Hấp Tế Bào.
• Phân giải chất hữu cơ: Các phân tử lớn như glucose, axit béo, amino acid được bẻ gãy thành các phân tử nhỏ hơn.
• Oxy hóa: Các phân tử nhỏ này bị oxy hóa từ từ qua nhiều giai đoạn (đường phân, chu trình Krebs). Quá trình này giải phóng các electron mang năng lượng cao.
• Chuỗi chuyền Electron: Các electron này được vận chuyển qua một chuỗi protein trên màng trong ti thể, giải phóng năng lượng từng bước một.
• Tổng hợp ATP: Năng lượng giải phóng ra được sử dụng để gắn một nhóm phosphate (P) vào phân tử ADP (Adenosine Diphosphate), tạo thành ATP. Đây là quá trình "sạc pin" năng lượng cho tế bào.

2. Điện Năng

• Nguồn Gốc:
  Bắt nguồn từ sự chênh lệch nồng độ các ion (chủ yếu là Na⁺, K⁺) giữa hai bên màng tế bào. Sự chênh lệch này tạo ra một thế năng điện hóa (giống như một cục pin nhỏ). Nguồn năng lượng để tạo và duy trì sự chênh lệch này chính là hóa năng từ ATP, được sử dụng bởi bơm Na⁺/K⁺-ATPase.
• Cơ Chế Hình Thành:
  Điện năng được tạo ra dưới dạng các xung thần kinh (điện thế hoạt động).
  1. Kích thích: Khi một tế bào thần kinh hoặc cơ được kích thích, các kênh ion trên màng tế bào sẽ mở ra.
  2. Dòng ion: Ion Na⁺ (mang điện tích dương) ồ ạt chảy vào bên trong tế bào, gây ra sự thay đổi điện thế đột ngột (giai đoạn khử cực). Ngay sau đó, ion K⁺ (cũng mang điện tích dương) lại chảy ra ngoài để khôi phục lại trạng thái ban đầu (giai đoạn tái phân cực).
  3. Tạo dòng điện: Sự di chuyển của các hạt mang điện (ion) này chính là một dòng điện sinh học. Dòng điện này lan truyền dọc theo màng tế bào, tạo thành xung thần kinh để truyền thông tin.

3. Cơ Năng

• Nguồn Gốc:
  Bắt nguồn trực tiếp từ hóa năng của phân tử ATP. Cơ bắp là những bộ máy chuyển đổi hóa năng thành cơ năng vô cùng hiệu quả.
• Cơ Chế Hình Thành:
  Cơ năng được tạo ra qua Cơ Chế Trượt Sợi Cơ (Sliding Filament Theory).
  1. Kích hoạt: Một xung điện (điện thế hoạt động) từ thần kinh truyền đến cơ, gây ra sự giải phóng ion Ca²⁺.
  2. Sử dụng ATP: Ion Ca²⁺ làm lộ ra các vị trí hoạt động trên sợi actin. Đầu của các sợi myosin gắn vào đó.
  3. Chuyển đổi năng lượng: Phân tử ATP gắn vào đầu myosin bị thủy phân (ATP → ADP + P), giải phóng năng lượng hóa học.
  4. Co cơ: Năng lượng này làm đầu myosin thay đổi hình dạng, kéo sợi actin trượt vào phía trong. Hàng triệu quá trình này xảy ra đồng thời làm toàn bộ sợi cơ co lại, tạo ra lực và chuyển động.

4. Nhiệt Năng

• Nguồn Gốc:

Nhiệt năng là sản phẩm phụ tất yếu của mọi quá trình chuyển hóa năng lượng trong cơ thể, tuân theo Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học (không có sự chuyển đổi năng lượng nào đạt hiệu suất 100%).

• Cơ Chế Hình Thành:

Từ Hô hấp Tế bào: Quá trình "đốt cháy" glucose để tạo ATP tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể.

Từ Hoạt động Cơ bắp: Đây là nguồn sinh nhiệt lớn nhất. Quá trình chuyển đổi hóa năng thành cơ năng chỉ có hiệu suất khoảng 25-40%. Phần năng lượng còn lại (60-75%) bị thất thoát dưới dạng nhiệt. Đây là lý do chúng ta nóng lên và đổ mồ hôi khi vận động. ( Theo Nguyên Lý thứ 2 Nhiệt động lực học - RMR ) ( Tham khảo : Giáo trình Lý Sinh Y học , trang 42)

Từ Mọi Phản ứng Chuyển hóa: Bất kỳ phản ứng tổng hợp hay phân giải nào trong cơ thể đều giải phóng một lượng nhiệt nhất định (chuyển hóa cơ sở).

5. Quang Năng

• Nguồn gốc :
  - (TH 1): Ánh sáng từ môi trường bên ngoài (mặt trời, đèn, vật thể phản chiếu...).
  - (TH 2): Là một sản phẩm phụ tự nhiên của các phản ứng trao đổi chất diễn ra bên trong mọi tế bào sống.
• Cơ Chế Hình Thành :
• (TH 1) :
  • Tiếp nhận Photon: Một photon ánh sáng đi vào mắt và đập vào các tế bào cảm thụ ánh sáng trên võng mạc (tế bào que và tế bào nón).
  • Kích hoạt Hóa học: Bên trong các tế bào này có chứa các phân tử nhạy sáng gọi là rhodopsin (trong tế bào que) hoặc photopsin (trong tế bào nón). Khi một photon đập vào, nó cung cấp đủ năng lượng để làm thay đổi hình dạng của phân tử này (cụ thể là phần retinal, một dạng của Vitamin A).
  • Tạo tín hiệu Điện: Sự thay đổi hình dạng này kích hoạt một chuỗi các phản ứng hóa học domino bên trong tế bào, dẫn đến việc đóng các kênh ion trên màng tế bào. Điều này làm thay đổi điện thế màng.
  • Tạo xung thần kinh: Sự thay đổi điện thế màng này chính là một tín hiệu điện. Tín hiệu này được xử lý và truyền theo dây thần kinh thị giác lên não, nơi nó được giải mã thành hình ảnh.
• (TH 2) :
• Phản ứng Oxy hóa: Trong quá trình hô hấp tế bào và các phản ứng khác, một số phân tử (đặc biệt là các gốc tự do - reactive oxygen species) được tạo ra ở trạng thái kích thích, có mức năng lượng cao.
• Giải phóng Photon: Để trở về trạng thái năng lượng bền vững hơn, các phân tử này giải phóng năng lượng dư thừa. Hầu hết năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt, nhưng một phần cực kỳ nhỏ được giải phóng dưới dạng một photon ánh sáng.

1. Năng Lượng Hạt Nhân

Được dự trữ trong hạt nhân nguyên tử, khi được phá vỡ, năng lượng này được giải phóng