Chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào
I. Năng lượng và chuyển hóa năng lượng
Năng lượng là khả năng sinh công hay khả năng tạo nên sự chuyển động của vật chất.
1. Các dạng năng lượng
- Trong tế bào, năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau:
- Hóa năng: là dạng năng lượng dự trữ trong các liên kết hóa học.
- Nhiệt năng: sinh ra trong quá trình chuyển hóa chất giúp duy trì nhiệt độ cho cơ thể.
- Điện năng: tạo ra khi có sự chênh lệch nồng độ các ion trái dấu ở hai phía của màng tế bào.
- Cơ năng: sinh ra trong quá trình co cơ, vận động của các cơ quan hay sự di chuyển của các chất.
- Trong các dạng năng lượng, hóa năng là dạng năng lượng chủ yếu được sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào.
2. Sự chuyển hóa năng lượng
- Sự chuyển hóa năng lượng là sự biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác.
- Trong tế bào, sự chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với sự chuyển hóa năng lượng.
II. ATP - "Đồng tiền" năng lượng tế bào
Nguồn năng lượng phổ biến nhất cho các phản ứng hóa học của tế bào là ATP (adenosine triphosphate).
1. Cấu tạo và chức năng của ATP
- Cấu tạo: Adenosine triphosphate (ATP) gồm 3 nhóm phosphate, đường ribose và bazo nito Adenine.
- ATP là hợp chất mang năng lượng do các nhóm phosphate chứa liên kết cao năng. Khi các liên kết cao năng là loại liên kết khi bẻ gãy sẽ giải phóng một lượng lớn năng lượng.
- Chức năng: ATP cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào.
2. Quá trình tổng hợp và phân giải ATP
- ATP dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích lũy năng lượng:
- Khi tế bào sử dụng ATP để cung cấp năng lượng, ATP sẽ bị phân giải tạo thành ADP 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 này sẽ liên kết trở lại với ADP để tạo thành ATP.
III. Enzyme
1. Khái niệm và cấu trúc của enzyme
- Khái niệm: Enzyme là chất xúc tác sinh học có vai trò làm tăng tốc độ phản ứng, nhờ đó các hoạt động sống được duy trì.
- Đặc điểm: Enzyme chỉ đẩy nhanh tốc độ phản ứng mà không bị biến đổi sau phản ứng.
- Cấu trúc:
- Enzyme thường có bản chất là protein cho tế bào tổng hợp.
- Trên bề mặt enzyme có vị trí để liên kết với cơ chất gọi là trung tâm hoạt động. Trung tâm hoạt động của enzyme có cấu trúc không gian phù hợp với cấu hình không gian của cơ chất.
- Phân loại: Dựa vào cấu trúc, enzyme gồm hai loại:
- Enzim chỉ có thành phần là protein.
- Enzim có thành phần là protein liên kết với chất không phải protein (cofactor). Cofactor có thể là các ion kim loại (Fe2+, Cu2+, Zn2+,…) hoặc có thể là chất hữu cơ (NAD+, FAD, vitamin,…) có thể liên kết tạm thời hoặc cố định với enzyme.. Trường hợp cofactor là chất hữu cơ thì được gọi là coenzyme.
2. Cơ chế tác động của enzyme
- Vùng trung tâm hoạt động của mỗi enzyme sẽ có cấu cấu hình không gian phù hợp với cấu trúc của cơ chất mà nó xúc tác theo mô hình “khớp cảm ứng”.
- Cơ chất liên kết với trung tâm hoạt động của enzyme bằng các liên kết tạo phức hợp enzyme - cơ chất.
- Enzyme xúc tác phản ứng biến đổi cơ chất để hình thành sản phẩm của phản ứng.
- Khi kết thúc phản ứng, sản phẩm rời khỏi enzyme, enzyme được trở về trạng thái ban đầu và có thể sử dụng lại.
3. Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến hoạt tính enzyme
- Khái niệm 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.
- Hoạt tính của enzyme bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:
- Nhiệt độ: Mỗi enzyme hoạt động ở một khoảng nhiệt độ nhất định, ngoài khoảng nhiệt độ này, enzyme mất dần hoạt tính.
- Độ pH: Độ pH môi trường cũng gây ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme, mỗi loại enzyme thích hợp hoạt động trong giới hạn pH nhất định.
- Nồng độ cơ chất: Khi nồng độ cơ chất tăng thì hoạt tính của enzyme cũng tăng theo. Nhưng khi đạt đến trạng thái bão hòa, dù tăng nồng độ cơ chất thì hoạt tính enzyme cũng không đổi.
- Chất hoạt hóa và chất ức chế: Chất hoạt hóa làm tăng hoạt tính của enzyme, chất ức chế làm giảm hoạt tính của enzyme.
4. Vai trò của enzyme
- Enzyme làm tăng tốc độ phản ứng, nhờ đó, các hoạt động sống được duy trì.
- Tế bào có thể điều chỉnh quá trình chuyển hóa 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 hoặc được điều chỉnh thông qua sự ức chế ngược (sản phẩm quay lại ức chế hoạt tính của enzyme).
- Khi một enzyme không được tổng hợp hoặc được tổng hợp nhưng mất hoạt tính sẽ làm ngưng quá trình chuyển hóa cơ chất tương ứng, gây nên các bệnh rối loạn chuyển hóa.
