Sự chuyển hóa năng lượng và enzyme CD

Bài học: Sự chuyển hóa năng lượng và enzyme được Khoahoc sưu tầm và tổng hợp các câu hỏi lí thuyết và trắc nghiệm có đáp án đi kèm nằm trong chương trình giảng dạy môn Sinh học lớp 10 sách Cánh diều.

I. Năng lượng và sự chuyển hóa năng lượng ở tế bào

1. Các dạng năng lượng trong tế bào

Một số dạng năng lượng trong tế bào: năng lượng hóa học, năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt.

+ Năng lượng hóa học là năng lượng dự trữ trong các liên kết hóa học.

+ Năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt là các dạng năng lượng liên quan đến sự chuyển động của các phần tử vật chất.

Sự chuyển hóa năng lượng trong một số hoạt động sống của tế bào

- Dạng năng lượng chủ yếu trong tế bào là năng lượng hóa học.

2. Sự chuyển hóa năng lượng trong tế bào

- Khái niệm: Sự chuyển hóa năng lượng trong tế bào có thể hiểu là quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, từ năng lượng trong hợp chất này thành năng lượng trong hợp chất khác.

Quá trình phân giải glucose

- Đặc điểm: Sự chuyển hóa năng lượng luôn đi kèm với sự chuyển hóa vật chất (toàn bộ các phản ứng đều xảy ra đồng thời với chuyển hóa năng lượng).

- Vai trò: Sự chuyển hóa năng lượng giúp cung cấp các dạng năng lượng cho tế bào sử dụng để thực hiện các hoạt động sống đảm bảo sự tồn tại, sinh trưởng, phát triển và sinh sản.

3. ATP – "đồng tiền" năng lượng

- Tinh bột, glycogen và triglyceride là các phân tử dự trữ năng lượng. Tuy nhiên, sự phân giải các phân tử này và các đơn phân của chúng không thể cung cấp năng lượng trực tiếp cho các hoạt động sống của tế bào mà gián tiếp thông qua ATP.

Một số hoạt động cần năng lượng của tế bào

- Phân tử ATP có 3 gốc phosphate. Khi liên kết giữa hai gốc phosphate của ATP bị phá vỡ, năng lượng được chuyển hóa trực tiếp cho các hoạt động năng lượng của tế bào. 

- Sự phân giải các hợp chất dự trữ năng lượng cung cấp năng lượng cho sự hình thành liên kết giữa các gốc phosphate trong phân tử ATP. 

Vì vậy, ATP đóng vai trò là "đồng tiền" năng lượng của tế bào.

Chu trình phân giải và tổng hợp ATP

II. Enzyme

1. Khái niệm và vai trò của enzyme

- Khái niệm enzyme: Enzyme là chất xúc tác sinh học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, không bị biến đổi khi kết thúc phản ứng.

- Khái niệm cơ chất: Cơ chất là chất tham gia phản ứng do enzyme xúc tác.

Ví dụ: Trong phản ứng thủy phân tinh bột do enzyme amylase xúc tác, cơ chất chính là tinh bột.

- Đặc điểm của enzyme:

+ Enzyme có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng trăm nghìn đến hàng triệu tỉ lần so với phản ứng không có enzyme xúc tác.

+ Enzyme có tính đặc hiệu với phản ứng và cơ chất (mỗi enzyme thường chỉ xúc tác cho 1 phản ứng với 1 cơ chất nhất định).

+ Các phản ứng do enzyme xúc tác thường diễn ra trong điều kiện phù hợp với sự sống về nhiệt độ, độ pH, áp suất.

+ Trong tế bào, các phản ứng thường diễn ra theo chuỗi với nhiều loại enzyme cùng phối hợp tham gia và các phản ứng được điều hòa nghiêm ngặt.

Chuỗi phản ứng thủy phân protein dưới sự xúc tác của enzyme

2. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của enzyme

- Cấu trúc hóa học của enzyme:

Cấu tạo của enzyme

+ Hầu hết các enzyme có bản chất là protein.

+ Một số enzyme còn có thêm thành phần không phải là protein, được gọi là cofactor. Cofactor có thể là ion kim loại như Fe²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺ và hợp chất hữu cơ (còn gọi là coenzyme) có nguồn gốc từ vitamin như coenzyme như NAD⁺, FAD.

- Cấu trúc không gian của enzyme: Mỗi enzyme có một trung tâm hoạt động. Trung tâm hoạt động của enzyme là vùng nhỏ có cấu trúc không gian tương ứng với cơ chất, liên kết đặc hiệu với cơ chất, làm biến đổi cơ chất.

- Cơ chế tác động của enzyme:

+ Bước 1: Enzyme kết hợp với cơ chất bằng 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 trung tâm hoạt động thay đổi hình dạng để khớp với cơ chất.

+ Bước 2: Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất thành sản phẩm.

+ Bước 3: 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 sẵn sàng cho cơ chất mới.

Ví dụ về cơ chế tác động của enzyme trong phản ứng phân giải

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động xúc tác của enzyme

Hoạt động xúc tác của enzyme chịu tác đông bởi nồng độ cơ chất, nồng động enzyme và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ pH, chất hoạt hóa, chất ức chế

a. Nồng độ cơ chất

Đồ thị minh họa ví dụ ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác

- Khi tăng nồng độ cơ chất, tốc độ phản ứng sẽ tăng nhưng khi đạt đến trạng thái bão hòa cơ chất (khi tất cả các enzyme đều đã liên kết với cơ chất) thì tăng nồng độ cơ chất cũng không làm tăng tốc độ phản ứng.

- Trong điều kiện dư thừa cơ chất, khi tăng nồng độ enzyme thì tốc độ phản ứng sẽ tăng.

b. Nhiệt độ

Đồ thị minh họa ví dụ ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác

- Mỗi enzyme hoạt động trong một dải nhiệt độ nhất định.

- Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng sẽ tăng và đạt cao nhất ở nhiệt độ tối ưu. Nếu nhiệt độ tăng quá cao vượt qua nhiệt độ tối ưu thì tốc độ phản ứng sẽ giảm do enzyme sẽ bị thay đổi cấu trúc không gian và có thể dẫn đến mất hoạt tính hoàn toàn.

Ví dụ: Ở người, dải nhiệt độ hoạt động của enzyme là 25 – 40^oC, nhiệt độ tối ưu thường là 37^oC.

c. Độ pH

Đồ thị minh họa ví dụ ảnh hưởng của pH đến tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác

- Khi tăng pH, tốc độ phản ứng sẽ tăng và đạt cao nhất ở độ pH tối ưu, vượt qua pH tối ưu thì tốc độ phản ứng sẽ giảm.

- Enzyme thường hoạt động ở dải pH 6 – 8. Tuy nhiên, một số enzyme hoạt động trong môi trường acid (pepsin) hay kiềm (trypsin).

d. Chất hoạt hóa và chất ức chế

- Chất hoạt hóa là một số chất khi được bổ sung vào môi trường phản ứng ở nồng độ phù hợp sẽ làm tăng tốc độ phản ứng của enzyme.

Ví dụ: NaCl là chất hoạt hóa amylase.

- Chất ức chế là một số chất làm giảm tốc độ phản ứng của enzyme hoặc dừng phản ứng enzyme.

Ví dụ: ion kim loại nặng, một số loại thuốc và sản phẩm của một số phản ứng (ức chế ngược).