Năng lượng nạp vào phân tử ATP để cung cấp cho các hoạt động sống được cơ thể lấy từ quá trình phân giải các phân tử sinh học có giá trị như carbohydrate. Trong quá trình phân giải, một phần năng lượng được giải phóng sẽ chuyển thành năng lượng tích lũy trong phân tử ATP và một phần sẽ được giải phóng ra dưới dạng nhiệt.

- Phân giải các chất trong tế bào là quá trình phá vỡ các liên kết trong các phân tử sinh học để tạo ra các phân tử nhỏ hơn đồng thời giải phóng năng lượng (một phần năng lượng được giải phóng sẽ chuyển thành năng lượng tích lũy trong phân tử ATP và một phần sẽ giải phóng dưới dạng nhiệt năng).

- Ví dụ:

+ Ở người, khi lao động, quá trình hô hấp tế bào (phân giải các chất hữu cơ chủ yếu là đường glucose) diễn ra mạnh để đáp ứng nhu cầu về năng lượng cho cơ thể.

+ Vi sinh vật tiến hành phân giải đường có trong dưa để tạo thành lactic acid tạo độ chua cho dưa muối.

+ Vi sinh vật tiến hành phân giải protein trong cá để tạo thành nước mắm.

Toàn bộ quá trình phân giải hiếu khí phân tử đường glucose được chia thành ba giai đoạn chính: đường phân, chu trình Krebs và chuỗi truyền electron.

- Đường phân: xảy ra trong tế bào chất và không có sự tham gia của O₂. Trong quá trình này, mỗi phân tử đường glucose (hợp chất 6 carbon) được phân giải thành hai phân tử pyruvate (hợp chất 3 carbon), đồng thời tạo 2 phân tử NADH và 2 phân tử ATP.

- Chu trình Krebs: xảy ra trong chất nền của ti thể. Mỗi phân tử pyruvate chuyển hóa thành một phân tử acetyl-coA đi vào chu trình Krebs giải phóng 2 phân tử CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ và 1 ATP.

- Chuyễn chuyền electron: diễn ra ở màng trong ti thể, đây là giai đoạn thu được nhiều ATP nhất. Trong đó, các phân tử NADH và FADH₂ được sinh ra trong giai đoạn đường phân và chu trình Krebs sẽ bị oxy hóa qua một chuỗi phản ứng oxy hóa khử để tạo ra ATP và nước.

- Quá tình lên men gồm 2 giai đoạn: đường phân và lên men.

+ Giai đoạn đường phân: xảy ra trong tế bào chất của tế bào, diễn ra tương tự như trong hô hấp hiếu khí. Quá trình này tạo ra được 2 phân tử axit pyruvate, 2 phân tử ATP (adenosine triphosphate), 2 phân tử NADH (nicotinamide adenine dinucleotide).

+ Giai đoạn lên men: electron từ glucose qua NADH được truyền đến phân tử hữu cơ khác.

- Sự khác biệt giữa lên men rượu và lên men lactate:

+ Quá trình lên men lactate: Pyruvate nhận electron từ NADH và tạo ra sản phẩm cuối cùng là muối lactate.

+ Còn trong quá trình lên men ethanol, phân tử hữu cơ acetaldehyde là chất nhận electron từ NADH để tạo ra sản phẩm cuối cùng là ethanol.

- So sánh hiệu quả năng lượng của quá trình hô hấp hiếu khí và lên men: Kết quả của quá trình lên men, 1 phân tử glucose chỉ tạo được 2 phân tử ATP, ít hơn rất nhiều so với hô hấp hiếu khí.

- Giải thích:

+ Trong quá trình hô hấp hiếu khí, toàn bộ năng lượng hóa học của một phân tử glucose được giải phóng trong quá trình hô hấp hiếu khí sẽ được chuyển sang liên kết hóa học dễ sử dụng (ATP), một phần chuyển thành nhiệt năng.

+ Trong quá trình lên men, năng lượng hóa học của một phân tử glucose không được giải phóng hoàn toàn mà chỉ 1 phần nhỏ được chuyển sang liên kết hóa học dễ sử dụng (ATP) còn lại phần lớn vẫn còn được tích trữ trong sản phẩm hữu cơ cuối cùng của quá trình lên men (lactate, ethanol).

- Tổng hợp các chất trong tế bào là sự hình thành hợp chất phức tạp từ các chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng. Trong tế bào và cơ thể sống, quá trình tổng hợp giúp tạo ra các hợp chất phức tạp xây dựng nên tế bào và cơ thể sống, đồng thời cung cấp cho các hoạt động sống khác.

- Ví dụ minh họa cho quá trình tổng hợp các chất trong tế bào:

+ Các phân tử nucleic acid được hình thành từ phản ứng sinh tổng hợp tạo liên kết phosphodiester giữa các đơn phân nucleotide.

+ Các phân tử protein hay các chuỗi polypeptide được tạo thành từ sự kết hợp của nhiều amino acid với nhau bằng các liên kết peptide trong quá trình sinh tổng hợp protein.

+ Tinh bột, glycogen, chitin,… được tổng hợp từ các đường đơn như glucose, fructose, galactose,…

Quang hợp có vai trò cung cấp năng lượng và nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp các chất và dự trữ năng lượng:

- Các sinh vật tự dưỡng như thực vật, tảo và một số vi khuẩn có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong quá trình tổng hợp đường glucose, rổi từ đó tổng hợp nên các phân tử hữu cơ đặc trưng cho cơ thể chúng.

- Các sinh vật dị dưỡng lại sử dụng các sinh vật tự dưỡng hay dị dưỡng khác làm thức ăn. Thức ăn này lại chính là nguồn cung cấp năng lượng và nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp các chất và dự trự năng lượng ở các cơ thể dị dưỡng đó.

- Điểm khác giữa hóa tổng hợp so với quang hợp ở thực vật là: Quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt Trời. Còn hóa tổng hợp sử dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ.

- Điểm khác giữa quang khử ở vi khuẩn so với quang hợp ở thực vật là:

+ Quang hợp có sử dụng H₂O làm nguồn cung cấp H⁺ và electron. Còn quang khử dùng H₂S, S, H₂ và một số chất hữu cơ khác làm nguồn cung cấp H⁺ và electron.

+ Quang hợp có giải phóng O₂. Còn quang khử thì không giải phóng O₂.

- Quá trình tổng hợp sử dụng năng lượng để tạo nên phân tử phức tạp từ các phân tử đơn giản và tích lũy năng lượng.

- Quá trình phân giải phá vỡ các phân phức tạo thành phân tử đon giản để giải phóng năng lượng.

→ Như vậy, quá trình tổng hợp và phân giải là hai quá trình trái ngược nhau nhưng lại thống nhất và có liên quan mật thiết với nhau: Sản phẩm của quá trình tổng hợp cung cấp nguyên liệu cho quá trình phân giải, còn năng lượng và các sản phẩm trung gian được giải phóng ra trong quá trình phân giải lại có thể được sử dụng cho quá trình tổng hợp.

• Giống nhau:

- Đều là các quá trình tổng hợp hình thành hợp chất phức tạp từ các chất đơn giản và tiêu tốn năng lượng.

- Đều xảy ra quá trình khử CO₂ để tạo thành các chất hữu cơ cần thiết.

- Đều có vai trò tổng hợp ra các chất phức tạp xây dựng nên tế bào và cơ thể, đồng thời cung cấp cho các hoạt động sống khác.

• Khác nhau:

- Điểm khác giữa hóa tổng hợp so với quang hợp ở thực vật là: Quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt Trời. Còn hóa tổng hợp sử dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ.

- Điểm khác giữa quang khử ở vi khuẩn so với quang hợp ở thực vật là:

+ Quang hợp có sử dụng H₂O làm nguồn cung cấp H⁺ và electron. Còn quang khử dùng H₂S, S, H₂ và một số chất hữu cơ khác làm nguồn cung cấp H⁺ và electron.

+ Quang hợp có giải phóng O₂. Còn quang khử thì không giải phóng O₂.

Chứng minh quá trình chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với quá trình chuyển hóa năng lượng thông qua hai quá trình quang hợp và hô hấp:

- Trong quá trình quang hợp, các sinh vật quang hợp có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong quá trình tổng hợp đường glucose từ các chất vô cơ đơn giản. Như vậy, trong quá trình quang hợp, quá trình chuyển hóa vật chất (từ chất đơn giản thành các chất hữu cơ phức tạp) gắn liền với quá trình chuyển hóa năng lượng (từ năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa năng trong các liên kết hóa học của chất hữu cơ phức tạp).

- Trong quá trình hô hấp, các chất hữu cơ phức tạp bị phân giải thành những chất đơn giản. Đồng thời, trong quá trình này, các liên kết hoá học bị bẻ gãy đồng thời giải phóng năng lượng. Như vậy, trong quá trình hô hấp, quá trình chuyển hóa vật chất (từ chất phức tạp thành chất phức tạp) gắn liền với quá trình chuyển hóa năng lượng (từ năng lượng hóa năng trong các liên kết hóa học của chất hữu cơ phức tạp thành năng lượng hóa năng dễ sử dụng trong ATP).

- Hiện tượng đau đầu mỏi cơ khi vận động nhiều là do lượng lactic acid được sản sinh và tích lũy quá nhiều đã gây độc cho cơ, đó là do:

+ Khi tập luyện cường độ cao, cơ thể sẽ tăng cường sản xuất năng lượng thông qua hô hấp hiếu khí (sự hô hấp cần sự tham gia của O₂) để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cơ thể.

+ Tuy nhiên, với cường độ hô hấp hiếu khí cao, cơ thể có thể sẽ không thể cung cấp đủ lượng O₂. Lúc này, hoạt động cơ bắp bắt đầu dựa vào con đường lên men lactate – một quá trình sản xuất năng lượng không cần O₂. Con đường lên men lactate sinh ra lactic acid. Lượng lactic acid được sản sinh và tích lũy quá nhiều đã gây độc cho cơ.

 - Cách phòng tránh hiện tượng đau mỏi cơ:

+ Thực hiện các động tác căng cơ trước và sau khi tham gia các hoạt động thể chất.

+ Bổ sung đầy đủ nước cho cơ thể, nhất là khi vận động nhiều.

+ Tập luyện thể dục thường xuyên, vừa sức.

+ Thực hiện các bài tập hít thở.