Vì sao cần cung cấp năng lượng cho tế bào?

Tế bào có nhiều chức năng quan trọng trong cơ thể sống, bao gồm phát triển, di chuyển, quản lý,… và hầu hết các chức năng đó đều cần năng lượng. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là làm thế nào để tế bào có được năng lượng này ngay từ đầu? Và cung cấp năng lượng cho tế bào như thế nào? 

1. Cách tế bào nhận và giải phóng năng lượng

Tế bào cũng tương tự như con người, không thể tự tạo ra năng lượng nếu không được cung cấp các nguồn năng lượng từ môi trường bên ngoài. Việc cung cấp năng lượng cho tế bào dưới dạng các phân tử thức ăn hoặc từ nguồn ánh sáng mặt trời. 

Trên thực tế, mặt trời là nguồn năng lượng cuối cùng cho hầu hết các tế bào, các sinh vật nhân sơ quang hợp, tảo và tế bào thực vật khai thác năng lượng mặt trời và sử dụng nó để tạo ra các phân tử thức ăn hữu cơ phức tạp mà các tế bào khác dựa vào để có năng lượng cần thiết nhằm mục đích phát triển, trao đổi chất và sinh sản.

Các chất dinh dưỡng trong tế bào có nhiều dạng bao gồm đường và chất béo. Để cung cấp năng lượng cho tế bào, các phân tử này phải đi qua màng tế bào, có chức năng như một rào cản và lớp màng plasma này là màng bán thấm. Tương tự như cách cửa ra vào và cửa sổ cho phép các nhu cầu thiết yếu đi vào nhà, nhiều loại protein trải dài trên màng tế bào cho phép các phân tử cụ thể đi vào tế bào, mặc dù chúng có thể cần một số năng lượng đầu vào để hoàn thành nhiệm vụ này.

1.1. Cách tế bào nhận năng lượng

Các phân tử thực phẩm hữu cơ phức tạp như đường, chất béo và protein là nguồn cung cấp năng lượng cho tế bào. Nguyên nhân là do phần lớn năng lượng được sử dụng để hình thành các phân tử này thực sự được lưu trữ trong các liên kết hóa học giữ chúng lại với nhau. 

Các nhà khoa học có thể đo lượng năng lượng được lưu trữ trong thực phẩm bằng một thiết bị gọi là nhiệt lượng kế bom. Với kỹ thuật này, thực phẩm được đặt bên trong nhiệt lượng kế và được đun nóng cho đến khi cháy. Lượng nhiệt dư thừa được giải phóng bởi phản ứng tỷ lệ thuận với lượng năng lượng chứa trong thực phẩm.

Quá trình đầu tiên trong con đường cung cấp năng lượng cho tế bào của sinh vật nhân chuẩn là quá trình đường phân, được hiểu theo nghĩa đen là “phân tách đường”. Đường phân là một con đường cung cấp năng lượng ATP cho tế bào chính xảy ra ở hầu hết các tế bào, cả sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ. Quá trình này, còn được gọi là lên men, diễn ra trong tế bào chất và không cần oxy. Quá trình đường phân thực chất là một chuỗi mười phản ứng hóa học đòi hỏi đầu vào là hai phân tử ATP. Hai phân tử NADH cũng được tạo ra; các phân tử này đóng vai trò là chất mang điện tử cho các phản ứng sinh hóa khác trong tế bào.

Quá trình giải phóng năng lượng thứ hai được thực hiện khi có oxy là chu trình axit citric. Quá trình này bắt đầu từ pyruvate được tạo ra bởi quá trình đường phân trở thành đầu vào cho phần tiếp theo của con đường năng lượng của sinh vật nhân chuẩn. Trong giai đoạn này, mỗi phân tử pyruvate trong tế bào chất đi vào ty thể, tại đây nó được chuyển đổi thành acetyl CoA, một chất mang năng lượng hai carbon, và carbon thứ ba của nó kết hợp với oxy và được giải phóng dưới dạng carbon dioxide. Đồng thời, một chất mang NADH cũng được tạo ra. Sau đó, acetyl CoA đi vào một con đường gọi là chu trình axit citric, đây là quá trình năng lượng chính thứ hai được tế bào sử dụng. Chu trình axit citric gồm tám bước tạo ra thêm ba phân tử NADH và hai phân tử mang khác: FADH2 và GTP

Quá trình chính thứ 3 trong con đường năng lượng của sinh vật nhân chuẩn được gọi là phosphoryl hóa oxy hóa. Quá trình này chuyển những electron từ NADH và FADH2 thông qua các phức hợp protein màng và cuối cùng là oxy, tại đó chúng kết hợp để tạo thành nước. Khi các electron di chuyển qua các phức hợp protein trong chuỗi, một gradient các ion hydro hoặc proton hình thành trên màng ty thể. 

Các tế bào khai thác năng lượng của gradient proton này để tạo ra ba phân tử ATP bổ sung cho mỗi electron di chuyển dọc theo chuỗi. Nhìn chung, sự kết hợp của chu trình axit citric và phosphoryl hóa oxy hóa tạo ra nhiều năng lượng hơn nhiều so với quá trình lên men – gấp 15 lần năng lượng đối với mỗi phân tử glucose.

Chuỗi vận chuyển electron trong màng ty thể không phải là cung cấp năng lượng cho tế bào sống. Trong tế bào thực vật và các tế bào quang hợp khác, lục lạp cũng có chuỗi vận chuyển electron thu thập năng lượng mặt trời. Mặc dù không chứa ty thể hoặc lục lạp, nhưng sinh vật nhân sơ vẫn có các loại chuỗi vận chuyển điện tử tạo ra năng lượng khác bên trong màng sinh chất của chúng, cũng tạo ra năng lượng.

1.2. Cách tế bào giải phóng năng lượng

Con đường năng lượng cụ thể mà một tế bào sử dụng phụ thuộc phần lớn vào việc tế bào đó là sinh vật nhân chuẩn hay sinh vật nhân sơ. Các tế bào nhân chuẩn sử dụng ba quá trình chính để chuyển đổi năng lượng được lưu giữ trong các liên kết hóa học của các phân tử thức ăn thành các dạng dễ sử dụng hơn — thường là các phân tử mang năng lượng giàu năng lượng. Adenosine 5′-triphosphate, hay ATP, là phân tử mang năng lượng dồi dào nhất trong tế bào. Phân tử này có cấu trúc hóa học là một bazơ nitơ cùng với một loại đường ribose và ba nhóm phosphate. 

Tế bào giải phóng năng lượng được lưu trữ trong các phân tử thực phẩm của chúng thông qua một loạt các phản ứng oxy hóa diễn ra trong cơ thể. Phản ứng oxy hóa được định nghĩa là một loại phản ứng hóa học mà các electron được chuyển từ phân tử này sang phân tử khác, qua đó, làm thay đổi thành phần cũng như năng lượng của cả phân tử cho và nhận. Trong mỗi phản ứng oxy hóa liên quan đến quá trình phân hủy thực phẩm, sản phẩm của phản ứng có hàm lượng năng lượng thấp hơn phân tử cho trước đó trong quá trình này. 

Đồng thời, các phân tử nhận điện tử thu một phần năng lượng bị mất từ ​​phân tử thức ăn trong mỗi phản ứng oxy hóa và lưu trữ để sử dụng sau. Cuối cùng, khi các nguyên tử cacbon từ một phân tử thức ăn hữu cơ phức tạp bị oxy hóa hoàn toàn ở cuối chuỗi phản ứng, chúng được giải phóng dưới dạng chất thải dưới dạng carbon dioxide hay còn gọi là CO2.

Những tế bào trong cơ thể không sử dụng luôn toàn bộ năng lượng từ các phản ứng oxy hóa ngay khi nó được giải phóng. Thay vào đó, chúng chuyển đổi nó thành các phân tử nhỏ, giàu năng lượng như ATP và nicotinamide adenine dinucleotide (NADH). Các phân tử này có thể được sử dụng trong toàn bộ tế bào để tế bào cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất và xây dựng các thành phần tế bào mới. 

Ngoài ra, các loại enzyme sử dụng năng lượng hóa học này tác dụng để xúc tác hoặc đẩy nhanh các phản ứng hóa học bên trong tế bào. Nếu không có sự xuất hiện của các enzym xúc tác này thì các phản ứng hóa học sẽ diễn ra với tốc độ rất chậm. Enzyme có công dụng hạ thấp rào cản năng lượng cần thiết tác dụng để kích hoạt phản ứng bắt đầu.

2. Vì sao cần cung cấp năng lượng cho tế bào?

Cơ thể cần cung cấp năng lượng cho tế bào do tế bào cần năng lượng để hoàn thành nhiệm vụ của sự sống. Các nguồn năng lượng thu được từ môi trường sống dưới dạng ánh sáng mặt trời và các phân tử thức ăn hữu cơ. Sau đó, tế bào nhân chuẩn tạo ra các phân tử giàu năng lượng như ATP và NADH thông qua các con đường năng lượng bao gồm quang hợp, chu trình đường phân, chu trình axit citric và quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Bất kỳ năng lượng dư thừa nào sau đó được lưu trữ trong các phân tử lớn hơn, giàu năng lượng như polysaccharides (tinh bột và glycogen) và lipid.

Khi năng lượng dồi dào, tế bào nhân chuẩn tạo ra các phân tử lớn hơn, giàu năng lượng để lưu trữ năng lượng dư thừa của chúng. Các sản phẩm của các quá trình là năng lượng được giữ trong các kho chứa bên trong tế bào, một số kho chứa đủ lớn để có thể quan sát qua kính hiển vi điện tử.

Ngoài ra, cả tế bào thực vật và động vật đều dự trữ năng lượng bằng cách chuyển glucose vào các con đường tổng hợp chất béo. Một gam chất béo chứa gần gấp sáu lần năng lượng của cùng một lượng glycogen, nhưng năng lượng từ chất béo ít có sẵn hơn năng lượng từ glycogen. Tuy nhiên, mỗi cơ chế lưu trữ đều quan trọng vì các tế bào cần cả kho năng lượng nhanh và dài hạn. Chất béo được lưu trữ trong các giọt trong tế bào chất; các tế bào mỡ chuyên biệt cho loại lưu trữ này vì chúng chứa các giọt mỡ lớn bất thường. Con người thường lưu trữ đủ chất béo để cung cấp cho tế bào của họ năng lượng trong vài tuần.

3. Các điểm cần lưu ý

ATP có vai trò cung cấp năng lượng cho tế bào và có công dụng đối với quá trình sinh hoá của hầu hết các loại tế bào của cơ thể. Tác dụng của ATP là hỗ trợ giấc ngủ ngon và cải thiện chất lượng giấc ngủ, giảm tình trạng ngủ không ngon giấc. Ngoài ra, ATP cũng đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều trong lĩnh vực y hoc. Adenosine có thể được sử dụng tác dụng trong điều trị và chẩn đoán chứng rối loạn nhịp tim. Do khả năng điều tiết tế bào tốt, ATP cũng có công dụng làm giảm đau đớn đối với những trường hợp sau phẫu thuật, tác dụng trong việc điều trị bệnh đau dây thần kinh.

Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng ATP cũng cần lưu ý adenosine chỉ là một thành phần phụ trong các mỹ phẩm, với số lượng rất nhỏ, nồng độ thường dưới 0,1%. 

Tóm lại, bài viết đã trả lời câu hỏi ATP có vai trò cung cấp năng lượng để làm gì và cách thức ATP cung cấp năng lượng cho cơ thể. Nhớ rằng, ATP là “đồng tiền năng lượng” của tế bào. Bất cứ hoạt động nào của cơ thể, từ suy nghĩ, co cơ cho đến tiêu hóa, đều cần đến ATP. Tuy nhiên, việc bổ sung ATP trực tiếp là không cần thiết và không hiệu quả. Thay vào đó, chúng ta nên tập trung vào việc xây dựng một lối sống lành mạnh để cơ thể tự sản xuất đủ ATP.

Tài liệu tham khảo: Nature.com, Ncbi.nlm.nih.gov