Chuyên đề Chuyển hóa vật chất và năng lượng: ATP, quang hợp, hô hấp tế bào, cân bằng nội môi

Sáng nay bạn ăn một bát phở, trưa bạn chạy bộ dưới nắng, tối bạn ngồi học bài khuya — ba thời điểm ấy, ba việc rất khác nhau, nhưng trong cơ thể bạn chỉ có một câu chuyện duy nhất đang diễn ra: thức ăn được biến thành chất dinh dưỡng, chất dinh dưỡng được biến thành năng lượng, và năng lượng được dùng để bạn sống, vận động, suy nghĩ.
Một cái cây ngoài sân cũng đang làm chuyện tương tự theo cách của nó: rễ hút nước và muối khoáng từ đất, lá hứng ánh nắng để làm ra đường, rồi cả cây dùng đường ấy để lớn lên, ra hoa, kết quả.
Chuyên đề này nối tất cả những mảnh ấy lại thành một bức tranh duy nhất — chuyển hóa vật chất và năng lượng ở sinh vật — từ đồng tiền năng lượng ATP, quang hợp và hô hấp tế bào, tới dòng nước đi lên trong thân cây, bữa ăn đi qua ống tiêu hóa, và cách cơ thể giữ mọi thứ ổn định dù bên ngoài thay đổi liên tục.
Đọc xong, bạn sẽ hiểu vì sao một phân tử glucose cho 30–32 ATP mà không phải 36 hay 38, vì sao cây héo khi đất quá mặn, vì sao chạy nhanh thì cơ mỏi — những câu mà đề kiểm tra và đề thi tốt nghiệp hỏi đi hỏi lại.

1. Chuyển hóa vật chất và năng lượng là gì — cái khung chung của mọi sự sống

Trao đổi chất là tập hợp các phản ứng hóa học lấy chất từ môi trường, biến đổi chúng trong cơ thể rồi thải chất thừa ra ngoài.
Chuyển hóa vật chất và chuyển hóa năng lượng là hai mặt của cùng một quá trình: khi vật chất biến đổi, năng lượng cũng được thu vào, chuyển dạng, tích trữ hoặc giải phóng.
Cơ thể sống là một hệ thống mở: nó liên tục trao đổi chất và năng lượng với môi trường, đồng thời cảm ứng, sinh trưởng, phát triển và sinh sản.
Có hai nhóm quá trình đối lập nhau nhưng gắn chặt với nhau: đồng hóa là tổng hợp chất phức tạp từ chất đơn giản, cần năng lượng — ví dụ quang hợp tổng hợp glucose; dị hóa là phân giải chất phức tạp thành chất đơn giản, giải phóng năng lượng — ví dụ hô hấp tế bào phân giải glucose.
Năng lượng mà dị hóa giải phóng được dùng cho đồng hóa, còn chất mà đồng hóa tạo ra lại là nguyên liệu cho dị hóa.
Muốn hiểu sâu chuyện này, trước hết phải hiểu đơn vị nhỏ nhất của cơ thể — bạn có thể xem lại chuyên đề tế bào: mọi quá trình chuyển hóa, từ quang hợp trong lục lạp tới hô hấp trong ti thể, đều diễn ra trong tế bào.

Một hình ảnh dễ nhớ: cơ thể giống như một thành phố — quang hợp là nhà máy điện mặt trời, hô hấp tế bào là nhà máy điện đốt nhiên liệu, ATP là đồng tiền mọi cửa hàng đều chấp nhận, mạch gỗ và mạch rây là đường ống dẫn nước và hàng hóa, còn máu là hệ thống xe tải chạy khắp nơi.
Chương 1 của chương trình Sinh học 11, sách Kết nối tri thức, chính là chương nói về câu chuyện này: trao đổi nước và khoáng, quang hợp, hô hấp ở thực vật, rồi dinh dưỡng, tiêu hóa, hô hấp, tuần hoàn, bài tiết và cân bằng nội môi ở động vật.

2. ATP — đồng tiền năng lượng mà mọi tế bào đều dùng

ATP là viết tắt của adenosine triphosphate — một hợp chất cao năng, được gọi là đồng tiền năng lượng của tế bào.
Một phân tử ATP gồm base nitơ adenine, đường ribose và ba nhóm phosphate nối tiếp nhau.
Năng lượng của ATP nằm ở hai liên kết cao năng giữa các nhóm phosphate: khi cắt đứt một liên kết, năng lượng được giải phóng.
Phản ứng thủy phân ATP được viết gọn: ATP → ADP + Pi + năng lượng, trong đó Pi là nhóm phosphate vô cơ, và năng lượng giải phóng khoảng 7,3 kcal cho mỗi mol ATP.
Ngược lại, tế bào gắn thêm một nhóm phosphate vào ADP để tạo thành ATP: ADP + Pi + năng lượng → ATP — ATP không phải kho dự trữ lâu dài mà là đồng tiền lưu thông, làm ra rồi tiêu ngay, suốt ngày đêm.

ATP được dùng ở khắp nơi trong tế bào: co cơ, vận chuyển chủ động các chất qua màng, tổng hợp protein, truyền xung thần kinh, phân chia tế bào — bất cứ hoạt động sống nào cần năng lượng đều tiêu ATP.
Câu hỏi quan trọng nhất của chuyên đề này là: tế bào làm ra ATP bằng cách nào, và làm ra được bao nhiêu? Câu trả lời nằm ở hai quá trình lớn: quang hợp nạp năng lượng vào thế giới sống, hô hấp tế bào rút năng lượng ra dưới dạng ATP.

3. Quang hợp — nơi năng lượng mặt trời bước vào sự sống

Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hóa CO₂ và nước thành hợp chất hữu cơ, chủ yếu là glucose, đồng thời giải phóng O₂.
Phương trình tổng quát của quang hợp: 6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O, với điều kiện có ánh sáng và diệp lục.
Bạn hãy đếm lại cho chắc: vế trái có 6 C, 24 H và 24 O; vế phải có 6 C, 24 H và 24 O — phương trình cân bằng.
Phương trình viết 12H₂O ở vế trái và 6H₂O ở vế phải để nhấn mạnh một sự thật quan trọng: toàn bộ O₂ giải phóng ra có nguồn gốc từ nước, không phải từ CO₂.
Quang hợp diễn ra trong lục lạp, qua hai pha nối tiếp và phụ thuộc lẫn nhau: pha sáng ở màng tilacôit và pha tối ở chất nền lục lạp.

Pha sáng — biến quang năng thành hóa năng.
Pha sáng cần ánh sáng trực tiếp: diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng, quang phân li nước thành O₂, H⁺ và electron, tạo ra ATP, NADPH và O₂ — ATP và NADPH được đưa sang pha tối, còn O₂ thoát ra ngoài qua khí khổng.

Pha tối — cố định CO₂ thành đường.
Pha tối không cần ánh sáng trực tiếp, nhưng cần ATP và NADPH do pha sáng cung cấp.
Ở pha tối, CO₂ được cố định thành hợp chất hữu cơ theo chu trình Calvin, cuối cùng tạo ra glucose và các chất hữu cơ khác.
Thực vật cố định CO₂ theo ba con đường khác nhau: C₃ (lúa, đậu), C₄ (ngô, mía) và CAM (xương rồng, dứa mở khí khổng vào ban đêm để tiết kiệm nước).

Vì sao quang hợp quan trọng đến vậy?
Quang hợp tạo ra khoảng 90–95% chất khô của cây, nên nó quyết định năng suất cây trồng, đồng thời tạo ra thức ăn cho hầu hết sinh vật và giải phóng O₂ — cây xanh là sinh vật sản xuất, đứng ở đầu mọi lưới thức ăn trong chuyên đề sinh thái.
Bài này chỉ nhắc quang hợp ở mức khái quát, vì quang hợp và hô hấp ở thực vật có bài chuyên sâu riêng trong đợt này — ở đó bạn sẽ gặp đầy đủ hai pha, ba con đường C₃, C₄, CAM và các yếu tố ảnh hưởng tới cường độ quang hợp.

4. Hô hấp tế bào — rút năng lượng ra khỏi glucose từng bước một

Hô hấp tế bào là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ, chủ yếu là glucose, thành CO₂ và H₂O, đồng thời giải phóng năng lượng tích trữ dưới dạng ATP cho các hoạt động sống của tế bào.
Phương trình tổng quát của hô hấp hiếu khí: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + năng lượng (ATP + nhiệt).
So với phương trình quang hợp, hai quá trình này ngược nhau gần như hoàn toàn: sản phẩm của quang hợp là nguyên liệu cho hô hấp, sản phẩm của hô hấp lại là nguyên liệu cho quang hợp — một vòng chuyển hóa khép kín.
Hô hấp hiếu khí diễn ra trong tế bào chất và ti thể, gồm ba giai đoạn chính: đường phân, oxi hóa pyruvate và chu trình Krebs, chuỗi chuyền electron.

Giai đoạn 1: đường phân — ở tế bào chất, không cần O₂.
Một phân tử glucose (6 cacbon) bị phân cắt qua nhiều bước thành hai phân tử pyruvate (mỗi phân tử 3 cacbon).
Trong quá trình này, tế bào tạo ra 4 phân tử ATP nhưng phải dùng 2 phân tử ATP để hoạt hóa glucose lúc đầu, nên chỉ thu ròng 2 ATP, kèm theo 2 NADH mang electron vào chuỗi chuyền electron ở giai đoạn cuối.
Tóm lại đường phân: 1 glucose → 2 pyruvate + 2 ATP ròng + 2 NADH — đây là giai đoạn chung cho mọi con đường hô hấp, dù có O₂ hay không.

Giai đoạn 2: oxi hóa pyruvate và chu trình Krebs — ở chất nền ti thể.
Hai phân tử pyruvate đi vào ti thể, mỗi phân tử bị oxi hóa thành một acetyl-CoA, đồng thời giải phóng một CO₂ và tạo ra một NADH — vậy hai pyruvate cho 2 acetyl-CoA, 2 CO₂ và 2 NADH.
Mỗi acetyl-CoA đi vào chu trình Krebs, cuối cùng giải phóng 2 CO₂, tạo ra 3 NADH, 1 FADH₂ và 1 ATP.
Vì một glucose cho hai acetyl-CoA nên chu trình Krebs quay hai vòng: tổng cộng 4 CO₂, 6 NADH, 2 FADH₂ và 2 ATP — ngoài năng lượng, chu trình này còn tạo ra nguyên liệu tổng hợp amino axit và axit béo.

Giai đoạn 3: chuỗi chuyền electron — ở màng trong ti thể, tạo ra nhiều ATP nhất.
NADH và FADH₂ mang electron tới chuỗi chuyền electron trên màng trong ti thể; năng lượng giải phóng khi electron đi qua chuỗi được dùng để bơm H⁺ qua màng, rồi H⁺ chảy ngược trở lại qua enzim ATP synthase để gắn Pi vào ADP tạo thành ATP.
O₂ là chất nhận electron cuối cùng của chuỗi: electron, H⁺ và O₂ kết hợp thành H₂O — nếu không có O₂, chuỗi chuyền electron tắc nghẽn, toàn bộ hô hấp hiếu khí dừng lại.
Quy đổi theo chương trình hiện hành: 1 NADH cho 2,5 ATP, 1 FADH₂ cho 1,5 ATP.
Cộng toàn bộ: ATP trực tiếp 4 phân tử (2 từ đường phân, 2 từ chu trình Krebs), 10 NADH cho 25 ATP, 2 FADH₂ cho 3 ATP — tổng lý thuyết 32 ATP, trừ chi phí vận chuyển 2 NADH của đường phân từ tế bào chất vào ti thể, kết quả thực tế là 30–32 ATP cho một phân tử glucose.

Con số 30–32 ATP này rất quan trọng và rất hay bị viết sai trong tài liệu cũ.
Các sách cũ ghi 36 hoặc 38 ATP vì dùng hệ số quy đổi tròn hơn: mỗi NADH tính bằng 3 ATP, mỗi FADH₂ tính bằng 2 ATP.
Theo cách tính hiện nay, với NADH bằng 2,5 ATP và FADH₂ bằng 1,5 ATP, đáp án đúng là 30–32 ATP — đi thi, hãy viết 30–32, đừng viết 36 hay 38; chuỗi chuyền electron cho 26–28 ATP, tức gần 90% tổng số.

5. Lên men — khi không có oxi, tế bào vẫn phải sống

Không phải lúc nào tế bào cũng có đủ O₂: khi bạn chạy nước rút, cơ bắp tiêu thụ O₂ nhanh hơn máu cung cấp kịp; khi hạt giống nằm trong đất ngập úng, rễ cây thiếu O₂.
Trong những lúc ấy, tế bào chuyển sang con đường lên men: vẫn đường phân để tạo ATP, nhưng pyruvate không đi vào ti thể nữa mà được biến đổi ngay trong tế bào chất để tái tạo NAD⁺, giúp đường phân tiếp tục chạy.
Lên men gồm hai giai đoạn: đường phân rồi lên men.
Ở cơ và một số vi khuẩn, pyruvate biến thành axit lactic — gọi là lên men lactic.
Ở nấm men và một số vi khuẩn, pyruvate biến thành rượu etylic và CO₂ — gọi là lên men rượu.
Cả hai kiểu lên men đều chỉ thu được 2 ATP ròng từ một phân tử glucose — bằng đúng lượng ATP của đường phân, vì giai đoạn lên men không tạo thêm ATP.
So sánh: hô hấp hiếu khí cho 30–32 ATP, lên men chỉ cho 2 ATP — hiệu quả gấp 15–16 lần.
Đó là lí do cơ bắp của bạn mỏi rất nhanh khi chạy nước rút: cơ phải đốt rất nhiều glucose mà chỉ thu được rất ít ATP, lại còn tích tụ axit lactic gây mỏi cơ.
Lên men rượu được con người tận dụng từ hàng nghìn năm nay: nấm men lên men đường trong bột làm bánh mì nở xốp, lên men nước nho thành rượu vang.
Lên men không thay thế được hô hấp hiếu khí — nó chỉ là giải pháp tạm thời, giúp tế bào sống sót qua lúc thiếu O₂.

6. Trao đổi nước và khoáng ở thực vật — dòng nước đi lên trong thân cây

Nước chiếm phần lớn khối lượng cây, là dung môi hòa tan mọi chất, là môi trường cho các phản ứng trao đổi chất, tham gia trực tiếp vào quang hợp và giúp cây điều hòa nhiệt độ.
Muối khoáng tuy cây cần ít hơn nước rất nhiều, nhưng không thể thiếu: nitơ để làm protein, magie để làm diệp lục, kali để đóng mở khí khổng, canxi để làm thành tế bào vững chắc.
Rễ là cơ quan hút nước và muối khoáng, chủ yếu qua các tế bào lông hút ở đầu rễ — lông hút rất nhiều, rất nhỏ, tạo ra diện tích tiếp xúc khổng lồ với đất.
Nước đi từ đất vào tế bào lông hút theo cơ chế thẩm thấu: từ nơi nồng độ chất tan thấp (đất) vào nơi nồng độ chất tan cao (tế bào rễ).
Các ion khoáng đi vào rễ theo hai cơ chế: thụ động theo chiều nồng độ, không tốn năng lượng; và chủ động ngược chiều nồng độ, cần ATP do hô hấp của rễ cung cấp — nhờ vậy cây vẫn hút được ion mà nó cần dù trong đất ion đó rất loãng.
Từ lông hút, nước và ion khoáng đi vào mạch gỗ của rễ theo hai con đường: gian bào (qua thành tế bào và khoảng trống giữa các tế bào) và tế bào chất (xuyên qua các tế bào).
Tới lớp nội bì, đai Caspari chặn con đường gian bào, buộc nước phải đi qua tế bào chất để được kiểm soát — như một trạm kiểm soát chỉ cho những chất cây cần đi qua.

Ba động lực đẩy dòng nước lên lá.
Thứ nhất là áp suất rễ — lực đẩy từ dưới lên, sinh ra do rễ hút nước và khoáng làm tăng áp suất thẩm thấu trong mạch gỗ.
Thứ hai là lực hút do thoát hơi nước ở lá — động lực lớn nhất, đóng vai trò chính.
Thứ ba là lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau và giữa các phân tử nước với thành mạch gỗ — nhờ liên kết hiđro, các phân tử nước bám dính vào nhau thành một cột nước liên tục, kéo nhau đi lên mà không bị đứt.
Ba lực này phối hợp để đưa nước từ rễ lên tới ngọn cây cao hàng chục mét, bất chấp trọng lực kéo xuống.
Lá là cơ quan thoát hơi nước chủ yếu, qua khí khổng: thoát hơi nước tạo lực hút kéo nước lên lá, hạ nhiệt độ của lá dưới nắng gắt, và giúp khí CO₂ khuếch tán vào lá để quang hợp.
Một con số đáng nhớ: khoảng 98% lượng nước cây hút vào bị thoát ra ngoài qua lá, chỉ khoảng 2% được giữ lại — cây là một cái máy bơm nước khổng lồ chạy bằng năng lượng mặt trời.
Muốn kiểm tra nhanh các phép tính về nước, về ATP hay về bất cứ con số nào trong chuyên đề này, bạn có thể dùng máy tính Casio online để bấm lại kết quả tính tay của mình.

Dòng mạch rây — đường đi xuống của chất hữu cơ.
Nếu mạch gỗ chở nước và khoáng đi lên, thì mạch rây chở chất hữu cơ đi xuống và đi khắp cây.
Chất hữu cơ do quang hợp tạo ra ở lá, chủ yếu là đường saccarozơ, được vận chuyển trong mạch rây tới các cơ quan cần dùng hoặc dự trữ: rễ, thân, quả, hạt đang lớn.
Động lực của dòng mạch rây là sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn (lá) và cơ quan chứa (rễ, quả): đường được bơm vào mạch rây ở lá làm tăng áp suất thẩm thấu, nước đi theo vào, tạo áp lực đẩy dòng dịch chảy về phía cơ quan chứa.
Nhờ dòng mạch rây mà cây ăn quả nuôi được quả ở cành cao, củ khoai tây tích được tinh bột dưới đất, hạt lúa đầy đặn dù lá quang hợp ở tận trên ngọn.

7. Dinh dưỡng và tiêu hóa ở động vật — từ miếng ăn thành chất dinh dưỡng

Thực vật tự làm ra chất hữu cơ, còn động vật phải lấy chất hữu cơ từ thức ăn.
Thức ăn chứa bốn nhóm chất chính: chất bột đường (gluxit) cho năng lượng, chất đạm (protein) để xây dựng cơ thể, chất béo (lipit) cho năng lượng dự trữ, vitamin và chất khoáng tuy cần ít nhưng không thể thiếu.
Về năng lượng, mỗi gam gluxit và mỗi gam protein cho khoảng 4 kcal, mỗi gam lipit cho khoảng 9 kcal — thức ăn nhiều mỡ cho năng lượng cao gấp hơn hai lần thức ăn nhiều bột hay nhiều đạm cùng khối lượng.
Tiêu hóa là quá trình biến thức ăn thành chất dinh dưỡng mà cơ thể hấp thụ được, gồm tiêu hóa cơ học (nhai, nuốt, nhào trộn) và tiêu hóa hóa học (enzim cắt phân tử lớn thành phân tử nhỏ).
Ở người, quá trình này đi qua ống tiêu hóa: miệng, hầu, thực quản, dạ dày, ruột non, ruột già, hậu môn, cùng các tuyến tiêu hóa là tuyến nước bọt, gan, tụy, tuyến vị và tuyến ruột.

Từng chặng của ống tiêu hóa người.
Ở miệng, răng nghiền nhỏ thức ăn, nước bọt chứa enzim amilaza bắt đầu tiêu hóa tinh bột thành đường mantozơ.
Ở dạ dày, dịch vị chứa axit HCl với pH khoảng 2 và enzim pepsin: axit làm mềm thức ăn và diệt vi khuẩn, pepsin cắt protein thành các chuỗi ngắn hơn; dạ dày nhào trộn thức ăn thành dạng lỏng sệt rồi chuyển dần xuống ruột non.
Ở ruột non — nơi tiêu hóa và hấp thu chủ yếu — gan tiết mật để nhũ tương hóa lipit thành các giọt nhỏ, tụy tiết dịch tụy chứa trypsin, lipaza và amilaza; thành ruột non có hàng triệu lông ruột làm tăng diện tích hấp thu lên rất lớn, đưa glucose, amino axit, glixerol và axit béo vào máu và mạch bạch huyết.
Ở ruột già, cơ thể hấp thu nước và một số vitamin, vi khuẩn đường ruột tổng hợp một số vitamin nhóm B và vitamin K, phần thức ăn không tiêu hóa được tạo thành phân và thải ra ngoài.
Các hệ cơ quan này phối hợp ra sao trong một cơ thể hoàn chỉnh, bạn có thể xem lại trong chuyên đề cơ thể người: tiêu hóa chỉ là một trong tám hệ cơ quan, nhưng nó là cửa ngõ đưa vật chất từ môi trường vào cơ thể.

Động vật khác nhau, cách tiêu hóa cũng khác nhau.
Động vật ăn thịt có ống tiêu hóa ngắn, dạ dày đơn, răng nanh sắc để xé thịt; động vật ăn cỏ có ống tiêu hóa dài, dạ dày bốn ngăn ở trâu bò để vi sinh vật phân giải xenlulozơ, manh tràng lớn ở ngựa và thỏ; chim không có răng, thức ăn chứa ở diều rồi nghiền ở mề.
Hình thức tiêu hóa luôn phù hợp với loại thức ăn — đó là kết quả của quá trình thích nghi lâu dài, mà chuyên đề tiến hóa sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn.

8. Hô hấp, tuần hoàn và bài tiết ở động vật — đường đi của oxi và chất thải

Thức ăn đã vào máu, nhưng tế bào vẫn chưa dùng được nếu thiếu O₂ — vì vậy động vật cần hô hấp để lấy O₂ và thải CO₂, cần tuần hoàn để chở O₂ và chất dinh dưỡng đi khắp cơ thể, cần bài tiết để thải chất thừa ra ngoài.
Động vật lấy O₂ bằng nhiều cách: cá dùng mang, giun đất dùng da ẩm, côn trùng dùng hệ thống ống khí, chim và thú dùng phổi.
Ở người, phổi chứa khoảng 300 triệu phế nang với tổng diện tích khoảng 70 m²; trao đổi khí diễn ra theo cơ chế khuếch tán: O₂ từ phế nang vào máu, CO₂ từ máu ra phế nang rồi được thở ra ngoài.
Thể tích khí lưu thông mỗi lần hít vào hoặc thở ra lúc bình thường là khoảng 500 ml; tần số hô hấp lúc nghỉ khoảng 12–20 lần mỗi phút, nên thông khí phổi ở tần số 16 lần mỗi phút là 16 × 500 = 8000 ml mỗi phút, tức 8 lít mỗi phút.

Hệ tuần hoàn — xe tải của cơ thể.
Hệ tuần hoàn gồm tim, hệ mạch và máu.
Tim bơm máu đi khắp cơ thể theo hai vòng: vòng tuần hoàn lớn đưa máu giàu O₂ từ tâm thất trái đi nuôi cơ thể rồi đưa máu nghèo O₂ về tâm nhĩ phải; vòng tuần hoàn nhỏ đưa máu nghèo O₂ từ tâm thất phải lên phổi lấy O₂ rồi đưa máu giàu O₂ về tâm nhĩ trái.
Lưu lượng tim (Q) là thể tích máu tim bơm đi trong một phút, tính bằng công thức: Q = nhịp tim × thể tích tâm thu.
Ở người trưởng thành lúc nghỉ, nhịp tim khoảng 75 lần mỗi phút, thể tích tâm thu khoảng 70 ml, nên lưu lượng tim là Q = 75 × 70 = 5250 ml mỗi phút, tức 5,25 lít mỗi phút.
Khi vận động mạnh, nhịp tim có thể lên tới 180 lần mỗi phút, lưu lượng tim có thể đạt 20–25 lít mỗi phút — gấp 4–5 lần lúc nghỉ.
Máu còn chở CO₂ về phổi, chở chất thải về thận, chở hoocmon tới cơ quan đích — mọi chuyến hàng trong cơ thể đều đi bằng máu.

Hệ bài tiết — dọn dẹp để môi trường trong luôn sạch.
Thận là cơ quan bài tiết chính của người: mỗi quả thận chứa khoảng 1 triệu nephron gồm cầu thận và ống thận.
Mức lọc cầu thận là 125 ml mỗi phút, tức mỗi ngày thận lọc khoảng 125 × 60 × 24 = 180000 ml, tức 180 lít dịch lọc.
Dịch lọc đi qua ống thận, khoảng 99% nước và các chất cần thiết như glucose, amino axit và ion được tái hấp thu trở lại máu, các chất độc như urê được bài tiết thêm vào ống thận.
Kết quả: từ 180 lít dịch lọc mỗi ngày, cơ thể chỉ tạo ra khoảng 1,5 lít nước tiểu — tỉ lệ tái hấp thu nước là (180 − 1,5) : 180 × 100% = 99,17%.

9. Cân bằng nội môi — giữ mọi thứ ổn định dù bên ngoài đổi thay

Cân bằng nội môi là duy trì sự ổn định của môi trường trong cơ thể — áp suất thẩm thấu, huyết áp, pH, thân nhiệt, đường huyết — để tế bào luôn làm việc trong điều kiện tốt nhất.
Nhiệt độ cơ thể luôn khoảng 37°C, đường huyết luôn khoảng 0,8–1,2 g/L, pH máu luôn khoảng 7,4, huyết áp bình thường khoảng 120/80 mmHg — dù bạn ăn nhiều hay ít, trời nóng hay lạnh, các chỉ số này vẫn được giữ ổn định.
Cơ chế duy trì cân bằng nội môi gồm ba bộ phận: tiếp nhận kích thích, điều khiển và thực hiện, nối với nhau bằng liên hệ ngược.
Khi một chỉ số lệch khỏi mức bình thường, bộ phận tiếp nhận báo về bộ phận điều khiển, bộ phận điều khiển ra lệnh cho bộ phận thực hiện điều chỉnh, và khi chỉ số trở về bình thường, tín hiệu điều chỉnh dừng lại — như điều hòa nhiệt độ tự ngắt khi phòng đủ mát.

Điều hòa đường huyết — ví dụ điển hình nhất.
Sau bữa ăn, đường huyết tăng lên, tuyến tụy tiết insulin: insulin đưa glucose từ máu vào tế bào, gan nhận glucose dự trữ thành glycogen, đường huyết giảm về mức bình thường.
Khi đói hoặc vận động nhiều, đường huyết giảm xuống, tuyến tụy tiết glucagon: glucagon làm gan phân giải glycogen thành glucose đưa vào máu, đường huyết tăng về mức bình thường.
Hai hoocmon này đối lập nhau nhưng phối hợp nhịp nhàng để đường huyết luôn ổn định quanh 0,8–1,2 g/L.
Nếu thiếu insulin hoặc tế bào không đáp ứng với insulin, đường huyết tăng cao kéo dài gây bệnh đái tháo đường, làm tổn thương mắt, thận và thần kinh.
Cơ thể còn có nhiều vòng điều hòa khác: khi áp suất thẩm thấu tăng, vùng dưới đồi tăng tiết ADH làm thận tái hấp thu nhiều nước hơn và gây cảm giác khát; khi Na⁺ trong máu giảm, tuyến trên thận tăng tiết aldosteron làm thận tái hấp thu Na⁺; khi trời nóng, mạch máu dưới da giãn ra và tuyến mồ hôi tăng tiết để tỏa nhiệt; khi trời lạnh, cơ run để sinh nhiệt.
Khi cân bằng nội môi bị phá vỡ kéo dài — đường huyết tăng cao, huyết áp tăng cao, thận lọc kém — cơ thể sẽ sinh bệnh.

10. Ví dụ giải chi tiết — làm từng bước, không nhảy cóc

Ví dụ 1: Tính ATP từ 2 mol glucose hô hấp hiếu khí.
Đề bài: một tế bào hô hấp hiếu khí hoàn toàn 2 mol glucose. Tính lượng ATP tạo thành.
Bước 1: nhớ con số gốc — 1 mol glucose hô hấp hiếu khí hoàn toàn cho 30–32 mol ATP.
Bước 2: nhân với 2 mol: 2 × 30 = 60 mol, 2 × 32 = 64 mol.
Đáp số: 60–64 mol ATP.

Ví dụ 2: Tính sản phẩm đường phân từ 0,5 mol glucose.
Đề bài: 0,5 mol glucose đi qua đường phân tạo ra bao nhiêu mol pyruvate, bao nhiêu mol ATP ròng và bao nhiêu mol NADH?
Bước 1: nhớ con số gốc — 1 mol glucose qua đường phân cho 2 mol pyruvate, 2 mol ATP ròng và 2 mol NADH.
Bước 2: nhân với 0,5 mol: pyruvate là 0,5 × 2 = 1 mol; ATP ròng là 0,5 × 2 = 1 mol; NADH là 0,5 × 2 = 1 mol.
Đáp số: 1 mol pyruvate, 1 mol ATP ròng, 1 mol NADH.

Ví dụ 3: So sánh hiệu quả lên men và hô hấp hiếu khí.
Đề bài: 3 mol glucose phân giải theo con đường lên men tạo ra bao nhiêu mol ATP? So với hô hấp hiếu khí thì kém hơn bao nhiêu lần?
Bước 1: 1 mol glucose lên men chỉ cho 2 mol ATP, nên 3 mol glucose cho 3 × 2 = 6 mol ATP.
Bước 2: 3 mol glucose hô hấp hiếu khí cho 3 × 30 = 90 mol tới 3 × 32 = 96 mol ATP.
Bước 3: tỉ lệ hiệu quả là 30 : 2 = 15 lần tới 32 : 2 = 16 lần.
Đáp số: lên men cho 6 mol ATP, kém hô hấp hiếu khí 15–16 lần.

Ví dụ 4: Tính năng lượng của một bữa ăn.
Đề bài: một bữa ăn có 50 g gluxit, 20 g protein và 10 g lipit. Tính năng lượng bữa ăn cung cấp.
Bước 1: nhớ hệ số năng lượng — 1 g gluxit cho 4 kcal, 1 g protein cho 4 kcal, 1 g lipit cho 9 kcal.
Bước 2: năng lượng từng nhóm là 50 × 4 = 200 kcal từ gluxit, 20 × 4 = 80 kcal từ protein, 10 × 9 = 90 kcal từ lipit.
Bước 3: cộng lại: 200 + 80 + 90 = 370 kcal.
Đáp số: 370 kcal.

Ví dụ 5: Tính lượng nước cây thoát ra ngoài.
Đề bài: một cây hút 100 lít nước mỗi ngày, khoảng 98% lượng nước này thoát ra ngoài qua lá. Tính lượng nước thoát ra và lượng nước cây giữ lại.
Bước 1: lượng nước thoát ra là 100 × 98 : 100 = 98 lít.
Bước 2: lượng nước giữ lại là 100 − 98 = 2 lít.
Đáp số: thoát ra 98 lít, giữ lại 2 lít.

Ví dụ 6: Tính lượng dịch lọc và tỉ lệ tái hấp thu của thận.
Đề bài: mức lọc cầu thận của một người là 125 ml mỗi phút, lượng nước tiểu là 1,5 lít mỗi ngày. Tính lượng dịch lọc trong một ngày và tỉ lệ nước được tái hấp thu.
Bước 1: lượng dịch lọc trong một ngày là 125 × 60 × 24 = 180000 ml = 180 lít.
Bước 2: lượng nước tái hấp thu là 180 − 1,5 = 178,5 lít.
Bước 3: tỉ lệ tái hấp thu là 178,5 : 180 × 100% = 99,17%.
Đáp số: 180 lít dịch lọc mỗi ngày, tỉ lệ tái hấp thu nước 99,17%.

Ví dụ 7: Tính lưu lượng tim khi vận động.
Đề bài: một người chạy bộ có nhịp tim 80 lần mỗi phút, thể tích tâm thu 70 ml. Tính lưu lượng tim của người đó.
Bước 1: áp dụng công thức Q = nhịp tim × thể tích tâm thu.
Bước 2: Q = 80 × 70 = 5600 ml mỗi phút.
Bước 3: đổi đơn vị: 5600 ml mỗi phút = 5,6 lít mỗi phút.
Đáp số: lưu lượng tim 5,6 lít mỗi phút.

Ví dụ 8: Tính glucose và O₂ từ quang hợp.
Đề bài: một lá cây cố định 12 mol CO₂ trong một buổi sáng. Tính lượng glucose tạo thành và lượng O₂ giải phóng, theo phương trình 6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O.
Bước 1: theo phương trình, 6 mol CO₂ tạo ra 1 mol glucose và 6 mol O₂.
Bước 2: 12 mol CO₂ gấp đôi 6 mol, nên glucose tạo thành là 12 : 6 × 1 = 2 mol.
Bước 3: O₂ giải phóng là 12 : 6 × 6 = 12 mol.
Đáp số: 2 mol glucose, 12 mol O₂.

11. Những lỗi sai hay gặp nhất — biết trước để không mất điểm oan

Lỗi 1: Cho rằng 1 phân tử glucose hô hấp tế bào tạo ra 36 hoặc 38 ATP.
Sai: con số 36 và 38 ATP là giá trị trong các tài liệu cũ, tính theo hệ số quy đổi tròn hơn cho NADH và FADH₂.
Chương trình hiện hành dùng giá trị 30–32 ATP cho một phân tử glucose hô hấp hoàn toàn, với NADH bằng 2,5 ATP và FADH₂ bằng 1,5 ATP.
Cách tránh: nhớ "30–32, không phải 36–38".

Lỗi 2: Cho rằng O₂ do quang hợp thải ra có nguồn gốc từ CO₂.
Sai: toàn bộ O₂ giải phóng trong quang hợp có nguồn gốc từ nước, qua quá trình quang phân li nước ở pha sáng.
CO₂ chỉ cung cấp cacbon để tạo thành glucose, còn O₂ trong CO₂ trở thành một phần của glucose và nước tạo thành.
Cách tránh: nhớ phương trình quang hợp có tới 12 H₂O ở vế trái — O₂ đến từ nước.

Lỗi 3: Nhầm dòng mạch gỗ với dòng mạch rây.
Sai: mạch gỗ vận chuyển nước và muối khoáng đi lên từ rễ tới lá, mạch rây vận chuyển chất hữu cơ từ lá đi nuôi các cơ quan khác.
Nhiều bạn viết ngược lại, hoặc cho rằng cả hai dòng đều đi lên.
Cách tránh: nhớ "gỗ đi lên, rây đi khắp nơi".

Lỗi 4: Nhầm insulin với glucagon.
Sai: insulin làm GIẢM đường huyết, glucagon làm TĂNG đường huyết — hai hoocmon này có tác dụng ngược nhau.
Bệnh đái tháo đường là do thiếu insulin hoặc tế bào không đáp ứng với insulin, nên đường huyết tăng cao.
Cách tránh: nhớ insulin đưa glucose vào tế bào nên đường huyết giảm, glucagon làm ngược lại.

Lỗi 5: Cho rằng đường phân tạo ra 4 ATP ròng, hoặc thận tạo ra 180 lít nước tiểu mỗi ngày.
Sai ở cả hai chỗ: đường phân tạo ra 4 ATP nhưng phải dùng 2 ATP để hoạt hóa glucose lúc đầu, nên chỉ thu ròng 2 ATP; còn 180 lít là lượng dịch lọc thận tạo ra mỗi ngày, không phải lượng nước tiểu — thận tái hấp thu khoảng 99% nước nên chỉ còn khoảng 1,5 lít nước tiểu mỗi ngày.
Cách tránh: nhớ hai cặp số đi cùng nhau — đường phân "tạo 4, dùng 2, ròng 2"; thận "lọc 180 lít, tái hấp thu 99,17%, thải 1,5 lít".

12. Bài tập tự luyện — làm rồi mới xem đáp án nhé

Câu 1. Hô hấp tế bào hoàn toàn một phân tử glucose tạo ra bao nhiêu phân tử ATP theo chương trình hiện hành?
A. 2 ATP
B. 30–32 ATP
C. 36 ATP
D. 38 ATP
→ Đáp án: B. Giải thích: Theo chương trình hiện hành, một phân tử glucose hô hấp hoàn toàn tạo ra 30–32 ATP, với NADH bằng 2,5 ATP và FADH₂ bằng 1,5 ATP. Đáp án A (2 ATP) là lượng ATP ròng của đường phân — chỉ là giai đoạn đầu của hô hấp tế bào. Đáp án C (36 ATP) và D (38 ATP) là các giá trị trong tài liệu cũ, đã lỗi thời.

Câu 2. Một phân tử glucose phân giải theo con đường lên men chỉ thu được bao nhiêu phân tử ATP?
A. 30 ATP
B. 4 ATP
C. 2 ATP
D. 0 ATP
→ Đáp án: C. Giải thích: Lên men gồm đường phân rồi lên men, chỉ thu được 2 ATP ròng — bằng đúng lượng ATP của đường phân, vì giai đoạn lên men không tạo thêm ATP. Đáp án A (30 ATP) là lượng ATP của hô hấp hiếu khí, không phải lên men. Đáp án B (4 ATP) là lượng ATP đường phân tạo ra trước khi trừ 2 ATP dùng để hoạt hóa glucose. Đáp án D (0 ATP) sai vì đường phân vẫn tạo ra ATP ròng dù không có O₂.

Câu 3. Nước được cây hấp thụ chủ yếu qua bộ phận nào của rễ?
A. Tế bào lông hút
B. Lá
C. Thân cây
D. Hoa
→ Đáp án: A. Giải thích: Rễ hút nước chủ yếu qua các tế bào lông hút ở đầu rễ, nhờ diện tích tiếp xúc rất lớn với đất và cơ chế thẩm thấu. Đáp án B sai vì lá là cơ quan thoát hơi nước và quang hợp, không hút nước. Đáp án C sai vì thân chỉ vận chuyển. Đáp án D sai vì hoa là cơ quan sinh sản.

Câu 4. Hoocmon nào sau đây làm giảm đường huyết?
A. Glucagon
B. Adrenalin
C. Cortisol
D. Insulin
→ Đáp án: D. Giải thích: Insulin do tuyến tụy tiết ra, đưa glucose từ máu vào tế bào và dự trữ thành glycogen ở gan nên làm giảm đường huyết. Đáp án A sai vì glucagon làm tăng đường huyết — ngược với insulin. Đáp án B sai vì adrenalin làm tăng đường huyết khi cơ thể căng thẳng. Đáp án C sai vì cortisol cũng làm tăng đường huyết, không làm giảm đường huyết.

Câu 5. Cân bằng nội môi là gì?
A. Duy trì sự ổn định của môi trường trong cơ thể
B. Làm tăng đường huyết mãi mãi
C. Thải hết nước ra khỏi cơ thể
D. Ngừng hô hấp khi trời lạnh
→ Đáp án: A. Giải thích: Cân bằng nội môi là duy trì sự ổn định của môi trường trong cơ thể — áp suất thẩm thấu, huyết áp, pH, thân nhiệt, đường huyết — để tế bào luôn làm việc trong điều kiện tốt nhất. Đáp án B sai vì đường huyết tăng mãi là bệnh đái tháo đường, không phải cân bằng. Đáp án C sai vì cơ thể giữ lại phần lớn nước, chỉ thải khoảng 1,5 lít nước tiểu mỗi ngày. Đáp án D sai vì hô hấp không bao giờ ngừng khi còn sống.

13. Câu hỏi thường gặp về chuyển hóa vật chất và năng lượng

Vì sao ban ngày cây nhả O₂, ban đêm cây lại lấy O₂? Vì ban ngày lá vừa quang hợp vừa hô hấp, mà quang hợp mạnh hơn hô hấp nên cây nhả O₂ nhiều hơn lấy O₂. Ban đêm không có ánh sáng, quang hợp dừng lại, chỉ còn hô hấp nên cây lấy O₂ và thải CO₂. Đó cũng là lí do không nên để quá nhiều cây trong phòng ngủ kín vào ban đêm.

Vì sao chạy nhanh thì cơ mỏi và đau? Vì khi chạy nhanh, cơ bắp tiêu thụ O₂ nhanh hơn máu cung cấp kịp nên tế bào cơ chuyển sang lên men lactic: glucose chỉ cho 2 ATP thay vì 30–32 ATP, lại tích tụ axit lactic gây mỏi cơ. Khi bạn chạy chậm lại và thở đều, O₂ được cung cấp đủ, cơ chuyển về hô hấp hiếu khí và cơn mỏi dịu đi.

Vì sao 1 glucose chỉ cho 30–32 ATP mà không phải 36–38 ATP? Vì con số 36–38 ATP dùng hệ số quy đổi cũ: mỗi NADH tính bằng 3 ATP, mỗi FADH₂ tính bằng 2 ATP. Theo cách tính hiện nay, mỗi NADH cho 2,5 ATP, mỗi FADH₂ cho 1,5 ATP, lại trừ chi phí vận chuyển NADH của đường phân, nên kết quả thực tế là 30–32 ATP.

Vì sao bón quá nhiều phân hoặc đất quá mặn làm cây héo? Vì nước đi vào rễ theo cơ chế thẩm thấu, từ nơi nồng độ chất tan thấp vào nơi nồng độ chất tan cao. Khi đất quá mặn hoặc bón quá nhiều phân, nồng độ chất tan trong đất cao hơn trong tế bào rễ, nước không vào được rễ mà còn bị rút ra khỏi rễ, cây mất nước và héo dù đất vẫn ẩm. Vì vậy bón phân phải đúng liều lượng, đúng lúc, đúng cách.

Vì sao ăn nhiều đồ ngọt dễ làm tăng đường huyết và tăng cân? Vì đồ ngọt chứa nhiều đường hấp thu nhanh, đường huyết tăng vọt sau khi ăn, tuyến tụy phải tiết nhiều insulin. Phần glucose thừa được gan chuyển thành glycogen, khi kho glycogen đầy, glucose thừa tiếp tục được chuyển thành mỡ dự trữ nên cơ thể tăng cân; ăn ngọt nhiều và kéo dài làm tăng nguy cơ đái tháo đường.

Kết luận: chuyển hóa vật chất và năng lượng — sợi chỉ đỏ xuyên suốt Sinh học 11

Đi hết chuyên đề này, bạn đã thấy chuyển hóa vật chất và năng lượng là sợi chỉ đỏ nối mọi bài trong Sinh học 11 lại với nhau: quang hợp nạp năng lượng mặt trời vào thế giới sống, hô hấp tế bào rút năng lượng ấy ra dưới dạng ATP, dòng nước và khoáng nuôi cây lớn lên, bữa ăn và hơi thở nuôi cơ thể bạn, và cân bằng nội môi giữ mọi thứ ổn định.
Chỉ cần nhớ năm con số vàng — 1 glucose hiếu khí cho 30–32 ATP, đường phân cho 2 ATP ròng và 2 NADH, lên men chỉ cho 2 ATP, thận lọc 180 lít và tái hấp thu 99,17%, đường huyết ổn định 0,8–1,2 g/L — bạn có thể giải thích và tính toán được hầu hết các bài tập của chuyên đề này.

Muốn đi xa hơn, hãy nối chuyên đề này với các kiến thức đã học: xem lại chuyên đề tế bào để hiểu ti thể và lục lạp làm việc như thế nào, đọc thêm chuyên đề quang hợp và hô hấp ở thực vật để nắm chắc pha sáng, pha tối và chu trình Calvin, xem lại chuyên đề cơ thể người để thấy tiêu hóa, tuần hoàn và bài tiết phối hợp ra sao, và dùng máy tính Casio online để kiểm tra lại mọi phép tính của mình.
Làm lại 5 câu tự luyện cho đến khi đúng cả 5 câu không cần nhìn đáp án, rồi thử tự tính 5 con số: lượng ATP từ 2 mol glucose, lượng nước cây giữ lại khi hút 100 lít, lượng dịch lọc của thận trong một ngày, lưu lượng tim ở nhịp 80 lần mỗi phút với thể tích tâm thu 70 ml, lượng glucose tạo thành khi cây cố định 12 mol CO₂ — tính đúng cả 5 là bạn đã thực sự làm chủ chuyên đề này.

• Trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng: đồng hóa, dị hóa và vai trò của ATP
• Quang hợp: phương trình tổng quát, pha sáng và pha tối, vai trò với sự sống
• Hô hấp tế bào: đường phân, chu trình Krebs, chuỗi chuyền electron, 30–32 ATP
• Lên men: chỉ 2 ATP, lên men lactic và lên men rượu
• Trao đổi nước và khoáng ở thực vật: lông hút, mạch gỗ, mạch rây, thoát hơi nước
• Dinh dưỡng và tiêu hóa ở động vật: bốn nhóm chất, ống tiêu hóa người
• Hô hấp, tuần hoàn và bài tiết ở động vật: trao đổi khí, lưu lượng tim, lọc thận
• Cân bằng nội môi: insulin, glucagon và điều hòa đường huyết
• Ví dụ giải chi tiết, lỗi sai thường gặp, bài tập tự luyện và FAQ

Làm được như vậy, chuyên đề chuyển hóa vật chất và năng lượng sẽ thực sự là của bạn — và lần tới ăn một bát phở, bạn sẽ không chỉ thấy ngon miệng mà còn hiểu bát phở ấy đang đi đâu trong cơ thể mình, và biến thành năng lượng như thế nào.