Bài 10. Sự chuyển hóa năng lượng và enzyme

>> Xem chi tiết: Lý thuyết sự chuyển hóa năng lượng và enzyme - Sinh 10 Cánh diều

Mở đầu

Quan sát hình 10.1 và nêu các dạng năng lượng trong quá trình quang hợp. Trong quá trình đó, năng lượng được chuyển hóa từ dạng nào sang dạng nào? Chuyển hóa năng lượng là gì?

Hướng dẫn giải:

 - Năng lượng bao gồm các dạng: Năng lượng điện, năng lượng nhiệt, năng lượng ánh sáng, năng lượng từ, năng lượng hóa học,.....

- Quang hợp là quá trình thực vật tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ (CO₂, O₂) dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời.

Lời giải chi tiết:

- Các dạng năng lượng được sử dụng trong quang hợp: Năng lượng ánh sáng, năng lượng nhiệt, năng lượng hóa học, năng lượng cơ học.

- Trong quá trình đó, năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt và năng lượng hóa học.

- Chuyển hóa năng lượng là quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác.

Câu hỏi 1 

Hoạt động sống của tế bào và cơ thể sử dụng dạng năng lượng nào? Quá trình nào cung cấp năng lượng cho tế bào?

Hướng dẫn giải:

Hoạt động sống của tế bào và cơ thể sử dụng các dạng năng lượng là năng lượng hóa học, năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt.

Lời giải chi tiết:

- Hoạt động sống của tế bào và cơ thể sử dụng các dạng năng lượng là năng lượng hóa học, năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt. Trong đó năng lượng hóa học là dạng năng lượng chủ yếu.

- Hô hấp tế bào tạo ra năng lượng hóa học để cùng cấp năng lượng cho các các hoạt động sống của tế bào.

Câu hỏi 2 

Quan sát hình 10.2 và xác định các dạng năng lượng được chuyển hóa trong hoạt động sống của tế bào.

Hướng dẫn giải:

Các dạng năng lượng có trong tế bào bao gồm năng lượng hóa học, năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt. Trong đó năng lượng hóa học là năng lượng chủ yếu trong tế bào, được dự trữ trong các liên kết hóa học.

Lời giải chi tiết:

a) Sự phân giải chất hữu cơ trong tế bào:

Ở hình a, ta thấy C₆H₁₂O₆, O₂, CO₂, H₂O, ATP là các chất hóa học, do đó chúng dữ trữ năng lượng hóa học, còn Q dữ trữ năng lượng nhiệt. Vậy ở hình a, năng lượng hóa học được chuyển một phần thành năng lượng nhiệt.

b) Sự vận chuyển chủ động:

Ở hình b, ATP mang năng lượng hóa học giải phóng năng lượng để vận chuyển các phân tử qua màng sinh chất. Vậy ỏ hình b, năng lượng hóa học được chuyển thành năng lượng cơ học.

Câu hỏi 3

Ở hình 10.3, năng lượng được chuyển từ dạng nào sang dạng nào? Sự chuyển hóa này có ý nghĩa gì đối với tế bào?

Hướng dẫn giải:

Các phân tử D – glucose, pyruvate, NADH, ATP mang năng lượng hóa học.

Q là năng lượng hóa học

Lời giải chi tiết:

- Trong quá trình phân giải pyruvate, chất phản ứng là D – glucose mang năng lượng hóa học, phân giải tạo ra pyruvate, NADH, ATP mang năng lượng hóa học và một phần bị chuyển hóa thành nhiệt lượng.

Như vậy, ở hình 10.3, năng lượng hóa học đã được chuyển hóa một phần thành năng lượng nhiệt.

- Sự chuyển hóa năng lượng giúp tế bào sử dụng được năng lượng cho các hoạt động sống, đảm bảo sự tồn tại, sinh trưởng, phát triển và sinh sản của tế bào và cả cơ thể.

Luyện tập 1

Nêu một số hoạt động tế bào cần sử dụng năng lượng. Trong các hoạt động đó, năng lượng được chuyển hóa như thế nào?

Hướng dẫn giải:

Năng lượng được sử dụng ở nhiều hoạt động của tế bào. Năng lượng trong các hoạt động dược chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác để các hoạt động sống của tế bào được diễn ra thuận lợi.

Lời giải chi tiết:

Một số hoạt động tế bào cần sử dụng năng lượng như:

- Vận chuyển các chất qua màng hoặc giữa các bào quan: Năng lượng hóa học được chuyển thành năng lượng cơ học

- Duy trì điện cực hai màng tế bào trong điện thế nghỉ: Năng lượng hóa học được chuyển thành năng lượng điện

- Hô hấp tế bào: Năng lượng hóa học được chuyển hóa một phần thành năng lượng nhiệt.

Câu hỏi 4 

Quan sát hình 10.4 và cho biết chức năng của ATP trong tế bào. Giải thích.

Hướng dẫn giải:

ATP có vai trò mang năng lượng, vận chuyển năng lượng tới những nơi cần thiết để tế bào sử dụng. Thông qua ATP, tế bào mới có thể sử dụng được thế năng hóa học cất giấu trong cấu trúc phân tử hữu cơ như tinh bột, glycogen, triglyceride hoặc các đơn phân của chúng.

Lời giải chi tiết:

Chức năng của ATP:

+ Tổng hợp các chất cần thiết cho tế bào.

+ Vận chuyển các chất qua màng

+ Sinh công cơ học

Các hoạt động của tế bào đều cần năng lượng, tuy nhiên tế bào không thế sử dụng trực tiếp các phân tử dự trữ năng lượng như tinh bột, glycogen, triglyceride và các đơn phân của chúng mà phải thông qua ATP.

Luyện tập

Dựa vào hình 10.5 nêu cấu tạo của ATP. ATP được phân giải và tổng hợp như thế nào? Đặc điểm nào để có thể ví ATP là “đồng tiền” năng lượng trong tế bào?

Hướng dẫn giải:

Cấu tạo của ATP gồm 3 thành phần: adenine, đường ribose và 3 nhóm phosphate. ATP giải phóng năng lượng bằng cách thủy phân các liên kết ester ở các nhóm phosphate cao năng, sau đó các liên kết giữa các nhóm phosphate được tái tổng hợp để tạo thành ATP.

Lời giải chi tiết:

- Sự phân giải và tổng hợp ATP:

+ Để phân giải năng lượng, ATP phá vỡ liên kết giữa hai gốc phosphate cuối cùng tạo thành 1 nhóm phosphate Pi và phần còn lại được gọi là ADP. ADP tiếp tục phá vỡ liên kết giữa hai nhóm phosphate còn lại, sản phẩm tạo thành gồm 1 nhóm phosphate và AMP. Sự phá vỡ giữa các liên kết phosphate giúp giải phóng năng lượng cung cấp cho tế bào hoạt động.

+ ATP được tái tổng hợp bằng sự hình thành liên kết giữa các gốc phosphate. Năng lượng để tạo các liên kết phosphate được cung cấp từ sự phân giải các hợp chất dự trữ năng lượng.

- Vì ATP được gọi là “đồng tiền” năng lượng trong tế bào vì ATP dễ dàng truyền năng lượng cho các hợp chất khác thông qua việc phá vỡ các liên kết cao năng giữa các nhóm phosphate.

Câu hỏi 5  

Người ta tiến hành thí nghiệm đun sôi 200 ml dung dịch tinh bột với 5ml chất xúc tác HCl khoảng 1% trong 1 giờ thu được kết quả tinh bột bị phân giải thành đường. Khi nhai cơm ta thấy có vị ngọt vì tinh bột được chuyển thành đường nhờ enzyme amylase. Nhận xét về điều kiện và tốc độ của hai phản ứng.

Hướng dẫn giải:

So sánh về nhiệt độ, lượng cơ chất, pH của cả hai thí nghiệm và nhận xét về tốc độ hai phản ứng.

Lời giải chi tiết:

Xét điều kiện ở hai phản ứng:

 Như vậy, so sánh hai phản ứng ta thấy, ở thí nghiệm có điều kiện nhiệt độ và pH cao hơn so với trong khoang miệng, tuy nhiên tốc độ phản ứng ở trong khang miệng nhanh hơn so với phản ứng ở thí nghiệm.

Luyện tập 3

Nếu không có enzyme, các phản ứng hóa học và quá trình chuyển hóa năng lượng trong tế bào có diễn ra được không? Điều gì sẽ xảy ra nếu trong một chuỗi phản ứng do nhiều enzyme xúc tác, có một enzyme không hoạt động?

Hướng dẫn giải:

Enzyme có vai trò làm tăng phản ứng lên hàng trăm nghìn đến hàng triệu tỉ lần so với phản ứng không có chất xúc tác. Trong tế bào, các phản ứng thường diễn ra theo chuỗi với nhiều loại enzyme cùng phối hợp tham gia.

Lời giải chi tiết:

- Nếu không có enzyme, các phản ứng hóa học và quá trình chuyển hóa năng lượng trong tế bào vẫn sẽ được diễn ra, tuy nhiên sẽ tốn cực kì nhiều thời gian so với có enzyme tham gia,

- Nếu có một enzyme không hoạt động trong chuỗi phản ứng gồm nhiều enzyme tham gia, chuỗi phản ứng đó sẽ diễn ra rất chậm, dẫn đến sự rối loạn chuyển hóa năng lượng.

Câu hỏi 6 

Phản ứng do enzyme xúc tác thay đổi như thế nào khi trung tâm hoạt động của enzyme bị thay đổi hình dạng không phù hợp với cơ chất?

Hướng dẫn giải:

Phân tử enzyme có một vùng nhỏ cấu trúc không gian tương ứng với cơ chất có vai trò liên kết đặc hiệu với cơ chất để biến đổi cơ chất, được gọi là trung tâm hoạt động. Khi cơ chất liên kết vào, trung tâm hoạt động sẽ thay đổi đôi hình dạng để khớp với cơ chất (mô hình “khớp cảm ứng) tạo thành phức hợp enzyme – cơ chất.

Lời giải chi tiết:

Vì mỗi phân tử có một trung tâm hoạt động khác nhau để kết hợp với cơ chất nhất định, do đó khi trung tâm hoạt động bị thay đổi hình dạng không phù hợp với cơ chất thì enzyme sẽ trở nên bất hoạt, không thế biến đổi cơ chất để tạo ra sản phẩm.

Câu hỏi 7 

Dựa vào hình 10.6, mô tả ba bước cơ bản trong cơ chế tác động của enzyme đến phản ứng mà nó xúc tác. 

Hướng dẫn giải:

Quan sát hình 10.6 và đưa ra nhận xét.

Lời giải chi tiết:

Giai đoạn 1: Trung tâm hoạt động gắn với cơ chất để tạo phức hợp enzyme cơ chất.

Khi cơ chất liên kết vào, trung tâm hoạt động sẽ thay đổi đôi hình dạng để khớp với cơ chất (mô hình “khớp cảm ứng) tạo thành phức hợp enzyme – cơ chất. Phức hợp này được tạo bởi các liên kết yếu, tạm thời nhằm tạo điều kiện cho sự biến đổi cơ chất nhanh chóng.

Giai đoạn 2: Enzyme tương tác với cơ chất để tạo ra sản phẩm.

Khi phức hệ enzyme – cơ chất được hình thành, enzyme tiến hành cắt các liên kết có trong cơ chất để tạo thành sản phẩm
Giai đoạn 3: Sản phẩm được giải phóng, enzyme tiếp tục liên kết với cơ chất để tạo sản phẩm.

Sản phẩm sau khi được tạo thánh sẽ được giải phóng, enzyme sẽ tiếp tục gắn vào cơ chất khác để tiến hành biến đổi cơ chất.

Vận dụng 

Khi nhai kĩ cơm, ta thấy có vị ngọt. Hãy giải thích các giai đoạn trong cơ chế tác động của amylase nước bọt.

Hướng dẫn giải:

Tinh bột là thành phần chính của cơm, khi nhai cơm, enzyme amylase của nước bọt sẽ thủy phân tinh bột thành glucose nên khi nhai kĩ cơm, ta thấy có vị ngọt.

Lời giải chi tiết:

Giai đoạn 1: Trung tâm hoạt động gắn với cơ chất để tạo phức hợp enzyme cơ chất

Ở giai đoạn này, enzyme amylase có trong nước bọt sẽ kết hợp với các phân tử tinh bột để tạo thành phức hợp amylase – tinh bột.
Giai đoạn 2: Enzyme tương tác với cơ chất để tạo ra sản phẩm

Khi phức hợp được tạo thành, enzyme amylase cắt các liên kết α - 1- 4 glycosid giữa các phân tử glucose có trong tinh bột, tạo thành các phân tử glucose đơn lẻ
Giai đoạn 3: Sản phẩm được giải phóng, enzyme tiếp tục liên kết với cơ chất để tạo sản phẩm

Các phân tử glucose sau khi được thủy phân sẽ được giải phóng ra, enzyme sẽ tiếp tục liên kết với các phân tử tinh bột khác để tiếp tục tạo ra glucose. Do đó, khi nhai càng kĩ cơm, càng nhiều phân tử glucose được tạo ra, ta càng thấy ngọt.

Sự thủy phân tinh bột dưới tác động của amylase

Câu hỏi 8 

Quan sát hình 10.7 và cho biết khi tăng nồng độ cơ chất hay nhiệt độ, độ pH, tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào? Nhận xét về giá trị tốc độ phản ứng ở nhiệt độ tối ưu và pH tối ưu.

Hướng dẫn giải:

Khi tăng nồng độ cơ chất, tốc độ phản ứng tăng dần đến giá trị cực đại và đạt đỉnh tại giá trị cực đại.

Khi tăng nhiệt độ và pH, tốc độ phản ứng tăng dần đến giá trị cực đại, sau đó giảm dần về không.

Ở pH tối ưu và nhiệt độ tối ưu, tốc độ phản ứng là lớn nhất

Lời giải chi tiết:

- Sự thay đổi tốc độ phản ứng khi:

+ Tăng nồng độ cơ chất: Với một lượng enzim xác định nếu tăng dần lượng cơ chất trong dung dịch thì thoạt đầu hoạt tính của enzim tăng dần, nhưng đến một lúc nào đó thì sự gia tăng về nồng độ cơ chất cũng không làm tăng hoạt tính của enzim.

+ Tăng nhiệt độ: Mỗi enzyme có một nhiệt độ tối ưu. Khi tăng nhiệt độ đến nhiệt độ tối đa sẽ làm tăng tốc độ phản ứng. Tiếp tục tăng nhiệt độ, enzyme sẽ bị biến tính, do đó tốc độ phản ứng sẽ giảm dần và đến nhiệt độ nhất định, toàn bộ enzyme bị bất hoạt và tốc độ phản ứng bằng không.

+ Tăng pH: Tương tự khi tăng nhiệt độ, mỗi enzyme có một độ pH tối ưu nhất định. Khi tăng pH đến pH tối ưu, tốc độ phản ứng tăng dần, nhưng nếu tiếp tục tăng, các liên kết giữa các bộ phận của enzyme hoặc liên kết giữa enzyme với cơ chất bị yếu đi, dần dần bị đứt gãy, nên enzyme cũng sẽ bị bất hoạt, khi đó tốc độ phản ứng sẽ giảm dần về không.

- Tại nhiệt độ tối ưu và pH tối ưu, lượng liên kết giữa enzyme với cơ chất là lớn nhất, do đó tốc độ phản ứng là lớn nhất.

BÁO CÁO THỰC HÀNH