Phản ứng cần năng lượng và phản ứng cung cấp năng lượng
Khi vận động, tổng hợp chất hoặc vận chuyển chất qua màng, tế bào đều cần năng lượng. Năng lượng được chuyển đến nơi sử dụng chủ yếu qua ATP, còn enzyme giúp các phản ứng chuyển hoá diễn ra nhanh trong điều kiện của tế bào.
Chuyển hóa gồm tổng hợp và phân giải
Chuyển hoá vật chất là toàn bộ các phản ứng hoá học diễn ra trong tế bào và luôn đi kèm với chuyển hoá năng lượng.
- **Tổng hợp (đồng hoá):** tạo chất phức tạp từ các chất đơn giản hơn và cần cung cấp năng lượng.
- **Phân giải (dị hoá):** phá vỡ chất thành các sản phẩm đơn giản hơn và giải phóng năng lượng.
Một phần năng lượng do phân giải giải phóng được tích luỹ trong ATP, phần còn lại toả ra dưới dạng nhiệt. Năng lượng và các chất trung gian từ phân giải có thể được dùng cho quá trình tổng hợp.
ATP được tạo và sử dụng liên tục
ATP gồm ba thành phần: adenine, đường ribose và ba nhóm phosphate. Khi ATP chuyển thành ADP và phosphate vô cơ, năng lượng được giải phóng để cung cấp cho tổng hợp chất, vận chuyển chủ động, co cơ và nhiều hoạt động khác.
ATP được tạo ra rồi sử dụng liên tục. Năng lượng từ phân giải chất dinh dưỡng được dùng để gắn phosphate vào ADP, tái tạo ATP. Vì là chất trung gian truyền năng lượng phổ biến và sẵn sàng cung cấp năng lượng khi tế bào cần, ATP được gọi là “đồng tiền năng lượng” của tế bào.
Theo dòng năng lượng
Khi tế bào phân giải chất hữu cơ, một phần năng lượng giải phóng được dùng để tổng hợp ATP. Sau đó ATP cung cấp năng lượng cho một bơm trên màng hoạt động.
Dòng năng lượng có thể biểu diễn ngắn gọn: **năng lượng hoá học trong chất hữu cơ → ATP → hoạt động của bơm màng**. ATP chuyển năng lượng giữa hai quá trình chứ không tự tạo ra năng lượng.
Hiểu đúng chu trình ATP
ATP được thủy phân thành ADP và phosphate, sau đó có thể được tái tạo. Nhận định nào đúng về chu trình này?
Phản ứng tạo ATP cần được cung cấp năng lượng, chẳng hạn từ quá trình phân giải hoặc quang hợp.
Đúng. ATP liên kết các quá trình cung cấp và sử dụng năng lượng, không phải nguồn vô hạn.
Tế bào liên tục tái tạo ATP khi có nguồn năng lượng và điều kiện phù hợp.
Chuyển hóa năng lượng không đạt hiệu suất tuyệt đối; một phần năng lượng phân tán dưới dạng nhiệt.
Lời giải
Thủy phân ATP có thể cung cấp năng lượng cho hoạt động tế bào. Chiều ngược lại, tạo ATP từ ADP và phosphate phải nhận năng lượng từ quá trình khác. Vì vậy chu trình ATP là sự chuyển hóa năng lượng, không sinh năng lượng từ hư không. Chọn B.
Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa
Enzyme là chất xúc tác sinh học được tổng hợp trong tế bào sống. Phần lớn enzyme có bản chất protein; một số RNA cũng có khả năng xúc tác và được gọi là ribozyme.
Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động với cấu hình phù hợp cơ chất. Cơ chất liên kết với enzyme, phản ứng xảy ra, sau đó sản phẩm rời khỏi enzyme. Enzyme trở về trạng thái ban đầu và có thể tiếp tục xúc tác. Một số enzyme cần thêm cofactor là ion kim loại hoặc phân tử hữu cơ để hoạt động.
Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hoá nên phản ứng diễn ra nhanh hơn trong điều kiện sinh lí bình thường. Enzyme không bị tiêu hao sau mỗi phản ứng.
Tính đặc hiệu gắn với cấu trúc
Trung tâm hoạt động có cấu hình không gian và đặc điểm hoá học phù hợp với cơ chất. Vì vậy, một enzyme thường chỉ liên kết với một hoặc một số cơ chất và xúc tác một loại hay một nhóm phản ứng nhất định. Đó là **tính đặc hiệu của enzyme**.
Khi nhiệt độ hoặc pH làm cấu trúc không gian của enzyme thay đổi, trung tâm hoạt động có thể không còn phù hợp với cơ chất và hoạt tính enzyme giảm.
Các yếu tố ảnh hưởng hoạt tính
Hoạt tính enzyme chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố:
| Yếu tố | Ảnh hưởng thường gặp |
|---|---|
| Nhiệt độ | Hoạt tính tăng trong khoảng thích hợp; nhiệt độ quá cao có thể làm enzyme biến tính |
| pH | Mỗi enzyme có một khoảng pH hoạt động thuận lợi |
| Nồng độ cơ chất | Khi lượng enzyme không đổi, tốc độ tăng dần rồi đạt giới hạn do enzyme đã hoạt động tối đa |
| Nồng độ enzyme | Khi cơ chất còn đủ, tăng lượng enzyme có thể làm tốc độ phản ứng tăng |
| Chất điều hoà | Chất hoạt hoá làm tăng, chất ức chế làm giảm hoạt tính enzyme |
Khi khảo sát ảnh hưởng của một yếu tố, cần giữ các yếu tố còn lại như nhau.
Đọc một bảng hoạt tính
Một thí nghiệm dùng cùng lượng enzyme, cơ chất và cùng thời gian, chỉ thay đổi nhiệt độ:
| Nhiệt độ | Lượng sản phẩm, đơn vị tương đối |
|---|---|
| 20°C | 12 |
| 30°C | 25 |
| 40°C | 34 |
| 50°C | 8 |
Trong các nhiệt độ đã khảo sát, enzyme hoạt động mạnh nhất ở 40°C. Khi nhiệt độ tăng lên 50°C, lượng sản phẩm giảm mạnh, phù hợp với hiện tượng enzyme giảm hoạt tính ở nhiệt độ cao.
Nếu lượng sản phẩm tăng từ 2 lên 14 µmol trong 3 phút, tốc độ trung bình trong khoảng đó là:
$$v_{\text{tb}}=\frac{14-2}{3}=4\,\mathrm{\mu mol/phút}.$$
Kết quả trên là tốc độ trung bình trong khoảng thời gian đã đo.
Đọc năng lượng hoạt hóa
Trên đồ thị năng lượng, chất phản ứng ở mức 10 kJ/mol. Đỉnh đường không có enzyme là 70 kJ/mol, còn đỉnh đường có enzyme là 35 kJ/mol; hai đường có cùng mức đầu và mức sản phẩm. Kết luận nào đúng?
Năng lượng hoạt hóa được tính từ mức chất phản ứng tới đỉnh, không lấy thẳng giá trị đỉnh.
Đúng. Cả hai phép tính đều dùng cùng mức đầu 10 kJ/mol.
Đường có enzyme có $E_a=35-10=25$ kJ/mol, không phải 35 kJ/mol.
Enzyme hạ hàng rào năng lượng hoạt hóa, không làm đổi chênh lệch năng lượng đầu–cuối của phản ứng.
Lời giải
Tính từ cùng mức chất phản ứng:
$$E_{a,\,\text{không enzyme}}=70-10=60\,\mathrm{kJ/mol},$$
$$E_{a,\,\text{có enzyme}}=35-10=25\,\mathrm{kJ/mol}.$$
Mức giảm là $60-25=35\,\mathrm{kJ/mol}$. Enzyme không làm thay đổi mức năng lượng đầu và cuối của phản ứng. Chọn B.
Ức chế ngược giúp điều hòa lượng sản phẩm
Xét chuỗi chuyển hoá **A → B → C → D**, mỗi phản ứng do một enzyme xúc tác. Khi sản phẩm D đã được tạo ra đủ nhiều, D quay lại ức chế enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên. Tốc độ tạo D vì thế giảm xuống.
Cơ chế trên được gọi là **ức chế ngược**. Nhờ đó, tế bào tránh tiếp tục tiêu tốn nguyên liệu và năng lượng khi sản phẩm cuối đã đủ nhu cầu.
Đọc thí nghiệm amylase trong dịch hạt nảy mầm
Thí nghiệm dùng dịch chiết hạt nảy mầm để khảo sát khả năng thủy phân tinh bột:
| Mẫu | Bố trí | Ý nghĩa khi so sánh |
|---|---|---|
| A | Dịch chiết giữ ở điều kiện thường | Mẫu có amylase chưa chịu xử lí nhiệt |
| B | Cùng lượng dịch chiết, đun nóng rồi **làm nguội** trước phản ứng | Khảo sát ảnh hưởng của xử lí nhiệt, không so hai nhiệt độ phản ứng khác nhau |
| Đối chứng | Thay dịch chiết bằng cùng thể tích nước | Đối chiếu thay đổi khi không thêm enzyme từ dịch chiết |
Các mẫu cần cùng lượng tinh bột, thời gian, pH và nhiệt độ phản ứng. Vùng tinh bột biến đổi là dấu hiệu để so trong cùng cách làm; đường kính vùng không tự là phép đo tuyến tính lượng enzyme. Báo cáo tách điều quan sát được khỏi lời giải thích và thực hành theo hướng dẫn của giáo viên.
Tính tốc độ trung bình
Trong một phép đo, lượng sản phẩm tăng từ $2\,\mathrm{\mu mol}$ lên $14\,\mathrm{\mu mol}$ trong 3 phút. Tốc độ tạo sản phẩm trung bình trong khoảng này là bao nhiêu?
Đúng. Lấy độ tăng lượng sản phẩm chia cho khoảng thời gian.
Phải trừ lượng sản phẩm ban đầu 2 µmol trước khi chia thời gian.
12 µmol là lượng sản phẩm tăng thêm, chưa chia cho 3 phút.
Không cộng hai số đo đầu và cuối khi tính độ biến thiên.
Lời giải
Độ tăng lượng sản phẩm là $14-2=12\,\mathrm{\mu mol}$. Vì vậy tốc độ trung bình trong 3 phút là
$$v_{\mathrm{tb}}=\frac{14-2}{3}=4\,\mathrm{\mu mol/phút}.$$
Đây là tốc độ trung bình của khoảng đo, không tự cho tốc độ tại từng thời điểm. Chọn A.
Phân biệt vai trò để giải đúng
ATP là chất trung gian truyền năng lượng; enzyme là chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hoá. Hoạt tính enzyme phụ thuộc nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme và các chất điều hoà. Tế bào có thể điều chỉnh chuyển hoá thông qua điều chỉnh hoạt tính enzyme.
Đang học