Sinh học 10 Chân trời sáng tạo Bài 13: Chuyển hoá vật chất và năng lượng trong tế bào

a. Các dạng năng lượng

- Trong tế bào, năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như hóa năng, nhiệt năng, điện năng.

- Hóa năng là dạng năng lượng dự trữ trong các liên kết hoá học, điện năng được tạo ra khi có sự chênh lệch nồng độ các ion trái dấu ở hai phía của màng tế bào, nhiệt năng được sinh ra trong quá trình trao đổi chất. Trong đó hóa năng là dạng năng lượng được ta sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào.

b. Sự chuyển hoá năng lượng

Chuyển hoá năng lượng là sự biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Ví dụ: hoá năng chuyển hoá thành nhiệt năng (trong hô hấp tế bào), quang năng chuyển hoá thành hoá năng (trong quang hợp)... Trong tế bào, sự chuyển hoá vật chất luôn đi kèm với sự chuyển hoá năng lượng.

Hình 13.1. Sự chuyển hóa năng lượng

a. Cấu tạo và chức năng của ATP

- Adenosine triphosphate (ATP) là hợp chất mang năng lượng do có các nhóm phosphate chứa liên kết cao năng.

- Liên kết cao năng là loại liên kết khi bẻ gây sẽ giải phóng một lượng lớn năng lượng.

Hình 13.2. Cấu tạo phân tử ATP

b. Quá trình tổng hợp và phân giải ATP phân giải đối thuận nghịch để giải phóng

- Tính chất quan trọng của ATP là dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích luy năng lượng.

Hình 13.3. Sự biến đổi thuận nghịch của ATP trong tế bào

- Khi tế bào sử dụng ATP để cung cấp năng lượng, ATP sẽ bị phân giải tạo thành ADP (Adenosine diphosphate) và giải phóng một nhóm phosphate. Nhóm phosphate này sẽ liên kết với chất cần được cung cấp năng lượng. Sau khi hoạt động chức năng, nhóm phosphate liên kết trở lại với ADP để hình thành ATP.

a. Khái niệm và cấu trúc của enzyme

- Enzyme là chất xúc tác sinh học thường có bản chất là protein do tế bào tổng hợp. Enzyme chỉ đẩy nhanh tốc độ phản ứng mà không bị biến đổi sau phản ứng.

- Dựa vào cấu trúc, người ta chia enzyme thành hai loại là enzyme chỉ có thành phần là protein và enzyme có thành phần là protein liên kết với chất không phải protein, được gọi là cơ factor. Cofactor có thể là các ion kim loại (Fe2+, Cu, Zn, Mn) hoặc có thể là chất hữu cơ (NAD, FAD, vitamin,..). Trường hợp cofactor là chất hữu cơ thì được gọi là coenzyme. Trong cấu trúc của enzyme, protein là thành phần quy định chức năng của enzyme.

- Trên bề mặt enzyme có vị trí để liên kết với cơ chất (chất chịu tác động của enzyme) được gọi là trung tâm hoạt động. Tại đây, cơ chất liên kết tạm thời với enzyme, nhờ đó phản ứng được xúc tác.

Hình 13.4. Enzyme và cơ chất tương ứng

b. Cơ chế tác động của enzyme

- Vùng trung tâm hoạt động của mỗi enzyme có cấu hình không gian phù hợp với cấu trúc của cơ chất mà nó xúc tác theo mô hình "khớp cảm ứng". Khi cơ chất liên kết với trung tâm hoạt động của enzyme bằng các liên kết yếu tạo phức hệ enzyme – cơ chất. Enzyme xúc tác phản ứng biến đổi cơ chất để hình thành sản phẩm của phản ứng. Sau khi phản ứng hoàn thành, sản phẩm rời khỏi enzyme, enzyme được trở về trạng thái ban đầu và có thể được sử dụng lại.

Hình 13.5. Cơ chế tác động của enzyme

c. Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến hoạt tính của enzyme

- Hoạt tính của enzyme là tốc độ phản ứng được xúc tác bởi enzyme đó và được đo bằng lượng sản phẩm hình thành sau phản ứng. Tốc độ phản ứng diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào hoạt tính của enzyme mạnh hay yếu. Hoạt tính của enzyme bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Mỗi enzyme hoạt động ở một khoảng nhiệt độ nhất định, ngoài khoảng nhiệt độ này, enzyme sẽ mất dần hoạt tính. Ví dụ: các enzyme ở người hoạt động ở nhiệt độ từ 25 – 40 °C, nhiệt độ tối ưu là 37 °C.

- Độ pH của môi trường cũng gây ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme. Ví dụ: enzyme amylase ở người có hoạt tính tối đa ở pH= 7, trong môi trường acid hoặc kiếm thì hoạt tính của enzyme giảm. Khi nồng độ cơ chất tăng thì hoạt tính enzyme cũng tăng theo. Khi đạt trạng thái bão hoà (tất cả các phân tử enzyme đều đã liên kết với cơ chất), dù tăng nồng độ cơ chất thì hoạt tính của enzyme cũng không đổi. Lúc này, nếu tăng nồng độ enzyme thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên.

Như vậy, mỗi enzyme hoạt động tối ưu ở một số điều kiện cụ thể. Ngoài các yếu tố nếu ở Hình 13.6. hoạt tính của enzyme còn bị ảnh hưởng bởi chất hoạt hoá làm tăng hoạt tính của enzyme, ngược lại, chất ức chế làm giảm hoạt tính của enzyme.

Hình 13.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme

d. Vai trò của enzyme

- Sự xúc tác của enzyme làm tốc độ phản ứng được tăng lên hàng triệu lần, nhờ đó các hoạt động sống được duy trì.

- Tế bào có thể điều chỉnh quá trình chuyển hoá vật chất để thích ứng với môi trường thông qua điều chỉnh hoạt tính của enzyme nhờ sự thay đổi các yếu tố ảnh hưởng. Ngoài ra, hoạt tinh của enzyme có thể được điều chỉnh thông qua sự ức chế ngược.

Hình 13.7. Sơ đó mình họa cơ chế ức chế ngược

Khi một enzyme nào đó không được tổng hợp hoặc được tổng hợp nhưng mất hoạt tính sẽ làm ngừng quá trình chuyển hoá, cơ chất của enzyme đó bị tích luỹ hoặc có thể được chuyển hoá thành chất khác gây độc cho tế bào và cơ thể. Các bệnh liên quan đến enzyme được gọi là bệnh rối loạn chuyển hoá.