Bài 13: Khái quát về chuyển hoá vật chất và năng lượng

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. Khái quát về năng lượng và sự chuyển hoá

1. Các dạng năng lượng trong tế bào

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

- 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.

- 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.

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

- 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.

- 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.

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

- Các phản ứng hoá học được chia thành hai loại:

• Các phản ứng tổng hợp các chất (đồng hoá).
• Các phản ứng phân giải các chất (dị hoá) kèm theo giải phóng năng lượng.

  

II. Enzyme

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

- 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.

2. Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hoá

- 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.

3. Các yếu tố ảnh hưởng 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. Điều hòa quá trình chuyển hoá vật chất và năng lượng thông qua enzyme

- 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. Năng lượng trong tế bào tồn tại ở nhiều dạng khác nhau trong đó hoá năng là dạng năng lượng chính được tích luỹ và sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào.

2. Sự chuyển hoá năng lượng trong tế bào là sự chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác và luôn đi kèm với chuyển hoá vật chất.

3. ATP được cấu tạo từ ba thành phần: phân tử adenine, đường ribose và ba gốc phosphate. ATP dự trữ năng lượng ngắn hạn để cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào khi cần.

4. Enzyme là chất xúc tác sinh học được tổng hợp trong tế bào sống, có tác dụng làm giảm năng lượng hoạt hoá, giúp các phản ứng xảy ra được trong điều kiện sinh lí bình thường của cơ thể.

5. Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động và thường chỉ liên kết với một hay một số chất có cấu hình không gian tương ứng và chỉ xúc tác cho một hoặc một nhóm phản ứng hoá học nhất định.

6. Hoạt tính enzyme chịu ảnh hưởng của một số yếu tố chủ yếu như nhiệt độ, độ pH, nồng độ cơ chất và nồng độ enzyme cũng như các chất điều hoà enzyme.