Khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng

I. Khái quát về năng lượng và chuyển hóa

1. Các dạng năng lượng trong tế bào

- Khái niệm: Năng lượng là khả năng sinh công hay khả năng tạo nên sự chuyển động của vật chất.

- Năng lượng trong tế bào tồn tại ở 2 dạng: động năng và thế năng.

• Động năng: là năng lượng làm vật khác di chuyển hay thay đổi trạng thái như nhiệt năng (ví dụ: nhiệt độ cơ thể), cơ năng (ví dụ: sự co cơ, vận động của các cơ quan), điện năng (ví dụ: xung thần kinh, chuỗi chuyền electron).
• Thế năng: là năng lượng tiềm ẩn do vị trí hoặc trạng thái của vật chất tạo ra như năng lượng trong các liên kết hóa học, sự chênh lệch về điện thế và nồng độ các chất giữa bên trong và bên ngoài tế bào.

- Trong các dạng năng lượng của tế bào, hóa năng là dạng năng lượng chính được tích lũy và sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào.

2. ATP – “đồng tiền” năng lượng của tế bào

Nguồn năng lượng phổ biến nhất cho các phản ứng hóa học của tế bào là ATP (adenosine triphosphate).

a) Cấu tạo ATP

- ATP gồm 3 thành phần cơ bản là:

• 1 phân tử adenine: một cấu trúc vòng bao gồm các nguyên tử C, H và N.
• 1 phân tử đường ribose: một phân tử đường có 5 Carbon.
• 3 gốc phosphate: Khi liên kết giữa các gốc phosphate bị phá vỡ sẽ giải phóng năng lượng.

b) Chức năng của ATP

- ATP dự trữ năng lượng ngắn hạn để cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào ngay khi cần. Các hoạt động sống cần năng lượng ATP như:

• Tổng hợp nên các chất hóa học mới cần thiết cho tế bào: Những tế bào đang sinh trưởng mạnh hoặc những tế bào tiết ra nhiều prôtêin có thể tiêu tốn tới 75% năng lượng ATP mà tế bào tiết ra.
• Vận chuyển các chất qua màng: Vận chuyển chủ động cần tiêu tốn nhiều năng lượng. Ví dụ, tế bào thận của người cần sử dụng tới 80% ATP sinh sản ra để vận chuyển các chất qua màng trong quá trình lọc máu tạo nước tiểu.
• Sinh công cơ học: Sự co của các tế bào cơ tim và cơ xương tiêu tốn một lượng ATP khổng lồ. Khi ta nâng một vật nặng thì gần như toàn bộ ATP của tế bào phải được huy động tức thì.

→ Trong tế bào, ATP thường xuyên được sinh ra và ngay lập tức được sử dụng cho mọi hoạt động sống của tế bào, chính vì vậy, ATP được coi là "đồng tiền" năng lượng của tế bào.

3. Sự chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào

- Khái niệm chuyển hóa vật chất: Sự chuyển hóa vật chất là tập hợp tất cả các phản ứng hóa học xảy ra bên trong tế bào làm chuyển đổi chất này thành chất khác.

- Khái niệm chuyển hóa năng lượng: Chuyển hóa năng lượng là sự chuyển đổi của năng lượng từ dạng này sang dạng khác và luôn tuân theo các quy luật vật lí cơ bản về nhiệt động học.

- Mối quan hệ giữa chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào: Quá trình chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với sự chuyển đổi năng lượng.

• Trong tế bào, năng lượng được tích lũy chủ yếu trong các liên kết hóa học của các chất (vật chất). Khi năng lượng thay đổi thì thành phần cấu trúc của vật chất cũng thay đổi và ngược lại.
• Các phản ứng hóa học trong tế bào và cơ thể cũng luôn có sự biến đổi về vật chất kèm theo sự biến đổi về năng lượng: Các phản ứng tổng hợp các chất (đồng hóa) cần tiêu tốn năng lượng. Các phản ứng phân giải các chất (dị hóa) kèm theo giải phóng năng lượng.

II. Enzyme

1. Khái niệm, cấu trúc và cơ chế hoạt động của enzyme

a) Khái niệm enzyme

- Enzyme là chất xúc tác sinh học được tổng hợp trong các tế bào sống, có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng trong điều kiện sinh lí bình thường của cơ thể nhưng không bị biến đổi sau phản ứng.

b) Cấu trúc của enzyme

- Thành phần enzyme có thể là protein hoặc protein kết hợp với cofactor (ion kim loại như Fe2+, Mg2+, Cu2+) , các phân tử hữu cơ (nhân heme, biotin, FAD, NAD, các vitamin).

Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động, là một vùng cấu trúc không gian đặc biệt có khả năng liên kết đặc hiệu với cơ chất. Trung tâm hoạt động phải có cấu hình không gian phù hợp với cơ chất

→ Mỗi enzyme chỉ có thể tác động lên một hay một số chất có cấu hình không gian tương ứng (tính đặc hiệu của enzyme).

c) Cơ chế hoạt động của enzyme

Quá trình enzyme tác động tới cơ chất tạo thành sản phẩm là chuỗi biến đổi liên tục. Trải qua 3 giai đoạn:

- Enzyme kết hợp với cơ chất sự liên kết đặc hiệu (trung tâm hoạt động của enzyme có cấu hình không gian phù hợp với cơ chất) tạo nên phức hợp enzyme – cơ chất. Khi liên kết xảy ra thì cả hai đều biến đổi cấu hình làm cho liên kết chặt chẽ hơn.

- Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất: Cơ chất bị biến đổi để tạo thành sản phẩm dưới sự xúc tác của enzyme.

- Sản phẩm được tạo thành tách khỏi enzyme: Sau khi phản ứng xảy ra, sản phẩm tạo thành sẽ có cấu hình không gian thay đổi và rời khỏi enzyme, enzyme trở lại hình dạng ban đầu.

2. Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa

- Enzyme có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa trong tế bào:

• Xúc tác phản ứng sinh hóa trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, độ pH bình thường của tế bào và cơ thể.
• Enzyme khiến phản ứng xảy ra dễ dàng hơn trong cơ thể, làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp, nhờ đó làm tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần.

→ Nếu tế bào không có các enzyme thì không thể duy trì các hoạt động sống do tốc độ các phản ứng sinh hóa xảy ra quá chậm hoặc để phản ứng xảy ra thì năng lượng hoạt hóa đòi hỏi sẽ rất cao khiến tổn thương và gây chết tế bào.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme

- Hoạt tính của enzyme chịu ảnh hưởng bởi những yếu tố như nồng độ enzyme và cơ chất, độ pH, nhiệt độ, chất điều hòa enzyme.

a) Nồng độ enzyme và cơ chất

- Nồng độ cơ chất: Với một lượng enzyme không đổi, nếu tăng dần lượng cơ chất trong dung dịch thì thoạt đầu hoạt tính của enzyme tăng dần, nhưng đến một lúc đó thì sự gia tăng về nồng độ cơ chất cũng không làm tăng hoạt tính của enzyme do lượng enzyme có trong môi trường đã hoạt động tối đa.

- Nồng độ enzyme: Với một lượng cơ chất không đổi, khi nồng độ enzyme càng cao thì hoạt tính của enzyme càng tăng nhưng chỉ đạt ngưỡng nhất định rồi dừng lại do đã sử dụng tối đa lượng cơ chất.

b) Độ pH

- Mỗi enzyme có một pH thích hợp, ngoài khoảng pH này enzyme có thể bị giảm hoạt tính hoặc bất hoạt.

Ví dụ: Enzyme pepsin cần pH = 2.

c) Nhiệt độ

- Mỗi enzyme có một nhiệt độ tối ưu, tại đó enzyme có hoạt tính tối đa làm cho tốc độ phản ứng xảy ra nhanh nhất. Ngoài khoảng nhiệt độ đó, hoạt tính enzyme sẽ giảm, thậm chí mất hoàn toàn.

d) Chất điều hòa enzyme

- Chất ức chế và chất hoạt hóa ảnh hưởng tới hoạt động của enzyme:

• Chất ức chế khi liên kết với enzyme sẽ làm giảm hoặc mất hoạt tính của enzyme.
• Chất hoạt hóa khi liên kết với enzyme sẽ làm tăng hoạt tính của enzyme.

4. Điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng thông qua enzyme

- Tốc độ của các quá trình chuyển hóa luôn thay đổi tùy thuộc vào giai đoạn phát triển, trạng thái của cơ thể.

- Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của enzyme theo nhiều cơ chế như:

• Điều chỉnh bằng các chất hoạt hóa hoặc chất ức chế.
• Điều chỉnh bằng ức chế ngược: Ức chế ngược là kiểu điều hòa, trong đó sản phẩm của con đường chuyển hóa khi đã đủ nhu cầu của tế bào sẽ quay lại tác động như một chất ức chế làm bất hoạt enzyme xúc tác cho phản ứng ở đầu con đường chuyển hóa để dùng tổng hợp sản phẩm.

- Ngoài ra, trong tế bào sống, các enzyme thường được định vị ở những vùng có các điều kiện thích hợp hoặc trong các bào quan để cho chúng hoạt động được tối ưu nhất, giúp gia tăng hiệu quả chuyển hóa.