Mục lục bài họcĐang ở d05-b2
Aerobic and anaerobic respiration
Aerobic respiration
Aerobic respiration is the release of a relatively large amount of energy by the breakdown of glucose using oxygen.
$$\text{glucose}+\text{oxygen}\rightarrow\text{carbon dioxide}+\text{water}$$$$\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}$$Energy is released, not "produced" or "made" — and it does not appear in the balanced equation, because energy is not a chemical substance.
Anaerobic respiration
Anaerobic respiration is the release of a relatively small amount of energy by the breakdown of glucose without oxygen. It takes two different forms:
In human muscle:
$$\text{glucose}\rightarrow\text{lactic acid}$$In yeast (fermentation):
$$\text{glucose}\rightarrow\text{ethanol}+\text{carbon dioxide}$$Both release far less energy per glucose molecule than aerobic respiration does, because the glucose is only partly broken down — the products still contain a lot of unreleased chemical energy. Lactic acid and ethanol are both still fuels; carbon dioxide and water are not.
Oxygen debt
During hard exercise, the muscles cannot get oxygen fast enough, so they respire anaerobically as well, and lactic acid builds up. Lactic acid causes muscle fatigue and pain.
Afterwards, the person keeps breathing deeply and quickly. This extra oxygen — the oxygen debt — is used to break down the lactic acid that accumulated. That is why the breathing rate stays high for some minutes after the exercise has stopped.
Uses of fermentation
- bread — the carbon dioxide makes the dough rise; the ethanol evaporates during baking;
- beer and wine — the ethanol is the product wanted; the carbon dioxide gives the fizz.
Same reaction, same two products — the two industries simply want different halves of it.
Respiration never stops
Every living cell respires all the time, day and night. A plant respires at night and during the day; it simply photosynthesises faster than it respires while the sun is up.
Hô hấp hiếu khí. Hô hấp hiếu khí là sự giải phóng một lượng năng lượng lớn bằng cách phân giải glucozơ có dùng oxy.
$$\text{glucozơ}+\text{oxy}\rightarrow\text{cacbon đioxit}+\text{nước}$$$$\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}$$Năng lượng được giải phóng, không phải “tạo ra” hay “sản xuất” — và nó không xuất hiện trong phương trình cân bằng, vì năng lượng không phải một chất hoá học.
Hô hấp kị khí. Hô hấp kị khí là sự giải phóng một lượng năng lượng nhỏ bằng cách phân giải glucozơ không dùng oxy. Nó có hai dạng khác nhau:
Ở cơ người:
$$\text{glucozơ}\rightarrow\text{axit lactic}$$Ở nấm men (lên men):
$$\text{glucozơ}\rightarrow\text{etanol}+\text{cacbon đioxit}$$Cả hai giải phóng ít năng lượng hơn hẳn so với hô hấp hiếu khí trên cùng một phân tử glucozơ, vì glucozơ chỉ bị phân giải một phần — sản phẩm vẫn còn chứa nhiều năng lượng hoá học chưa được lấy ra. Axit lactic và etanol vẫn là nhiên liệu; cacbon đioxit và nước thì không.
Nợ oxy. Khi vận động mạnh, cơ không nhận đủ oxy kịp, nên nó hô hấp kị khí thêm, và axit lactic tích tụ lại. Axit lactic gây mỏi cơ và đau.
Sau khi dừng vận động, người ta vẫn tiếp tục thở sâu và nhanh. Lượng oxy thêm này — gọi là nợ oxy — được dùng để phân giải axit lactic đã tích tụ. Đó là lý do nhịp thở còn cao thêm vài phút sau khi đã ngừng vận động.
Ứng dụng của lên men.
- làm bánh mì — cacbon đioxit làm bột nở; etanol bay hơi hết khi nướng;
- làm bia và rượu vang — etanol mới là sản phẩm cần; cacbon đioxit tạo bọt ga.
Cùng một phản ứng, cùng hai sản phẩm — hai ngành chỉ đơn giản cần hai nửa khác nhau của nó.
Hô hấp không bao giờ dừng. Mọi tế bào sống đều hô hấp suốt ngày lẫn đêm. Cây hô hấp vào ban đêm và cả ban ngày; nó chỉ quang hợp nhanh hơn hô hấp trong lúc có nắng.
Giải thích vì sao hô hấp kị khí giải phóng ít năng lượng hơn hô hấp hiếu khí trên cùng một phân tử glucozơ, dựa vào sản phẩm của mỗi loại.
Bằng chứng nằm ngay ở sản phẩm.
Hô hấp hiếu khí tạo ra cacbon đioxit và nước. Cả hai chất này không cháy được và không chứa năng lượng hoá học nào có thể lấy ra thêm. Glucozơ đã bị phân giải hoàn toàn.
Hô hấp kị khí ở cơ tạo ra axit lactic. Chất này vẫn là một phân tử hữu cơ lớn, vẫn cháy được, và vẫn chứa phần lớn năng lượng vốn có trong glucozơ.
Hô hấp kị khí ở nấm men tạo ra etanol và cacbon đioxit. Etanol thì rõ ràng vẫn còn năng lượng — nó chính là cồn dùng làm nhiên liệu.
Kết luận. Kị khí chỉ phân giải glucozơ một phần rồi dừng, để lại một sản phẩm vẫn còn nhiều năng lượng chưa được lấy ra. Hiếu khí phân giải hết mức, tới tận cacbon đioxit và nước.
Chênh lệch rất lớn: hiếu khí giải phóng khoảng gấp mười lần năng lượng so với kị khí trên cùng một phân tử glucozơ.
Vì sao cơ thể vẫn dùng kị khí. Nó có đúng một ưu điểm, và ưu điểm đó đủ quan trọng: nó không cần oxy và diễn ra rất nhanh.
Khi chạy nước rút, tim và phổi không kịp cấp oxy tới cơ. Kị khí cho phép cơ tiếp tục hoạt động trong vài chục giây, đổi lại là hiệu suất kém và axit lactic tích tụ gây mỏi.
Đây là một sự đánh đổi giữa tốc độ và hiệu suất — cơ thể chọn tốc độ khi cần gấp và trả giá sau bằng nợ oxy.
Sau khi chạy nước rút, một vận động viên vẫn thở gấp trong vài phút dù đã ngừng vận động. Giải thích hiện tượng này.
Điều gì đã xảy ra trong lúc chạy.
Cơ hoạt động rất mạnh cần nhiều năng lượng, nhưng tim và phổi không cấp oxy kịp tới cơ.
Cơ vì thế phải hô hấp kị khí thêm bên cạnh hiếu khí, và sản phẩm là axit lactic. Axit lactic tích tụ trong cơ gây mỏi và đau.
Vì sao vẫn thở gấp sau khi dừng.
Axit lactic là chất độc với tế bào và vẫn còn chứa nhiều năng lượng chưa dùng. Cơ thể phải phân giải nó, và việc đó cần oxy.
Lượng oxy thêm cần cho việc dọn dẹp này gọi là nợ oxy — cơ thể đã “vay” trong lúc chạy và bây giờ phải “trả”.
Vận động viên tiếp tục thở sâu và nhanh cho tới khi axit lactic được phân giải hết. Nhịp thở khi đó mới trở về bình thường.
Vì sao đây là chỗ hay bị hiểu sai. Nhiều bài làm giải thích rằng thở gấp là “để bù oxy đã thiếu lúc chạy”, và dừng ở đó. Câu đó chưa đủ điểm vì nó không nói oxy được dùng vào việc gì.
Câu trả lời trọn điểm phải nêu rõ: oxy thêm được dùng để phân giải axit lactic đã tích tụ.
Những thay đổi đi kèm khi vận động. Ngoài nhịp thở, độ sâu mỗi nhịp thở cũng tăng, và nhịp tim tăng — cả ba đều nhằm đưa oxy tới cơ nhanh hơn và mang $\ce{CO2}$ đi nhanh hơn.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Gas Exchange and Respiration gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.