Bài 13: Chuyển hoá vật chất và năng lượng trong tế bào

Hoạt động vận động như ở các cầu thủ bóng đá trong hình bên tiêu tốn năng lượng. Vậy nguồn năng lượng đó đã được lấy từ đâu và chuyển đổi thành dạng nào để tế bào và cơ thể có thể sử dụng ngay khi cần thiết?

I. Năng lượng và chuyển hoá năng lượng

1. Các dạng năng lượng 

- 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 hai dạng:

• Động năng: năng lượng làm vật khác di chuyển hay thay đổi trạng thái.
• Thế năng: năng lượng tiềm ẩn do vị trí hoặc trạng thái của vật chất tạo ra.

2. Sự chuyển hoá năng lượng

- Sự chuyển hoá 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.

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

- Quá trình chuyển hoá vật chất luôn đi kèm với sự chuyển đổi năng lượng.

1. Trong tế bào, năng lượng tồn tại dưới các dạng như: hoá năng, nhiệt năng, điện năng. Trong đó, năng lượng được tích luỹ và sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào là hoá năng.

2. Sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác được gọi là sự chuyển hoá năng lượng

3. Sự chuyển hoá vật chất luôn đi kèm với sự chuyển hoá năng lượng.

II. ATP - "đồng tiền" năng lượng của tế bào

1. Cấu tạo và chức năng của ATP

- Nguồn năng lượng phổ biến cho các phản ứng hoá học tồn tại trong phân tử đặc biệt có tên là adenosine triphosphate (ATP).

- Trong tế bào, ATP thường xuyên được sinh ra và ngay lập tức được sử dụng cho mọi hoạt động sống của tế bào.

→ ATP được coi là "đồng tiền" năng lượng của tế bào.

- Mỗi phân tử ATP có cấu tạo gồm ba thành phần cơ bản:

• Phân tử adenine.
• Phân tử đường ribose.
• 3 gốc phosphate.

2. Quá trình tổng hợp và phân giải ATP

- Khi liên kết giữa các gốc phosphate bị phá vỡ sẽ giải phóng năng lượng. Liên kết ngoài cùng dễ bị phá vỡ hơn và ATP sẽ chuyển thành ADP. Đôi khi, cả hai liên kết cao năng đều bị phá vỡ giải phóng lượng năng lượng gấp đôi và ATP sẽ chuyển thành AMP.

1. Phân tử ATP có cấu tạo gồm: adenine, đường ribose và ba nhóm phosphate. Trong đó, liên kết giữa các nhóm phosphate là liên kết cao năng.

2. Quá trình tổng hợp và phân giải ATP gắn liền với sự tích luỹ và giải phóng năng lượng.

3. ATP được sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào.

III. Enzyme

1. Khái niệm, cấu trúc của 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.

- Đa số enzyme được cấu tạo từ protein. Nhiều enzyme còn có thêm cofactor (ion kim loại hoặc các phân tử hữu cơ).

2. Cơ chế tác động của enzyme

- 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 để xúc tác cho phản ứng diễn ra.

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

a. Nồng độ enzyme và cơ chất

- Nếu nồng độ cơ chất không đổi, lượng enzyme tăng lên → hiệu suất của phản ứng tăng nhưng chỉ đạt ngưỡng nhất định rồi dừng lại do đã sử dụng tối đa cơ chất.

- Nếu lượng enzyme không đổi, tăng nồng độ cơ chất → hiệu suất phản ứng tăng và sẽ đạt ngưỡng do lượng enzyme có trong môi trường đã hoạt động tối đa.

b. Độ pH

- Mỗi loại enzyme thường có khoảng pH phù hợp nhất để hoạt động hiệu quả. Ngoài khoảng pH này enzyme có thể bị giảm hoạt tính hoặc bất hoạt.

c. Nhiệt độ

- Mỗi loại enzyme chỉ hoạt động hiệu quả trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ngoài khoảng nhiệt độ đó, hoạt tính enzyme sẽ giảm, thậm chí mất hoàn toàn.

d. Chất điều hoà enzyme

- Các enzyme thường chịu tác động của nhiều loại phân tử có trong môi trường.

• Chất hoạt hoá: là loại phân tử khi liên kết sẽ làm tăng hoạt tính của enzyme.
• Chất ức chế: là loại phân tử khi liên kết sẽ làm giảm hoặc mất hoạt tính của enzyme.

4. Vai trò của enzyme 

- Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hoá cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp, nhờ đó làm tăng tốc độ của 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 hoá xảy ra quá chậm hoặc để phản ứng xảy ra thì năng lượng hoạt hoá đòi hỏi sẽ rất cao, điều này có thể làm tổn thương và gây chết tế bào.

- Enzyme làm tăng tốc độ của các phản ứng hoá học trong cơ thể, tức là làm tăng tốc độ quá trình chuyển hoá vật chất và năng lượng trong tế bào. Tuy nhiên tốc độ của quá trình này luôn thay đổi tuỳ thuộc vào giai đoạn phát triển trạng thái cơ thể.

→ Tế bào có thể điều chỉnh tốc độ chuyển hoá vật chất và năng lượng bằng nhiều cách khác nhau. Một trong những cách đó là điều chỉnh hoạt tính enzyme thông qua các chất hoạt hoá và ức chế enzyme.

1. 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.

2. Enzyme có bản chất là protein. Trung tâm hoạt động của enzyme có cấu trúc không gian của cơ chất. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme: nhiệt độ, pH, nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất,...