Bài tập Bài 13: Khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng có đáp án

- Nguồn năng lượng cung cấp cho tế bào và cơ thể được lấy từ quá trình hô hấp tế bào (tế bào thực hiện phân giải các chất hữu cơ có nguồn gốc từ thức ăn để cung cấp năng lượng cho cơ thể).

- Để thực hiện hoạt động vận động như các cầu thủ đá bóng, đã có sự chuyển đổi năng lượng từ dạng thế năng (năng lượng trong các liên kết hóa học) thành năng lượng động năng (cơ năng).

Một số dạng năng lượng tồn tại trong tế bào sinh vật là:

- Động năng: là năng lượng làm vật khác di chuyển hay thay đổi trạng thái như nhiệt năng (ví dụ: nhiệt độ cơ thể), cơ năng (ví dụ: sự co cơ, vận động của các cơ quan), điện năng (ví dụ: xung thần kinh, chuỗi chuyền electron).

- Thế năng: là năng lượng tiềm ẩn do vị trí hoặc trạng thái của vật chất tạo ra như năng lượng trong các liên kết hóa học, sự chênh lệch về điện thế và nồng độ các chất giữa bên trong và bên ngoài tế bào.

• Cấu tạo ATP:

ATP gồm 3 thành phần cơ bản là:

- Phân tử adenine: một cấu trúc vòng bao gồm các nguyên tử C, H và N.

- Phân tử đường ribose: một phân tử đường có 5 Carbon.

- Phần đuôi với 3 gốc phosphate. Khi liên kết giữa các gốc phosphate bị phá vỡ sẽ giải phóng năng lượng.

• Chức năng của ATP: ATP dự trữ năng lượng ngắn hạn để cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào ngay khi cần. Các hoạt động sống cần năng lượng ATP như:

- Tổng hợp nên các chất hóa học mới cần thiết cho tế bào: Những tế bào đang sinh trưởng mạnh hoặc những tế bào tiết ra nhiều prôtêin có thể tiêu tốn tới 75% năng lượng ATP mà tế bào tiết ra.

- Vận chuyển các chất qua màng: Vận chuyển chủ động cần tiêu tốn nhiều năng lượng. Ví dụ, tế bào thận của người cần sử dụng tới 80% ATP sinh sản ra để vận chuyển các chất qua màng trong quá trình lọc máu tạo nước tiểu.

- Sinh công cơ học: Sự co của các tế bào cơ tim và cơ xương tiêu tốn một lượng ATP khổng lồ. Khi ta nâng một vật nặng thì gần như toàn bộ ATP của tế bào phải được huy động tức thì.

• ATP là “đồng tiền” năng lượng của tế bào bởi vì:

- ATP có các liên kết phosphate cao năng dễ bị phá vỡ để giải phóng năng lượng → Điều đó giúp ATP đáp ứng được việc cung cấp năng lượng một cách nhanh chóng, kịp thời cho tế bào.

- Trong tế bào, ATP thường xuyên được sinh ra và ngay lập tức được sử dụng cho mọi hoạt động sống của tế bào như tổng hợp và vận chuyển các chất, co cơ,…

- Khái niệm chuyển hóa năng lượng trong tế bào: Chuyển hóa 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 hóa vật chất luôn đi kèm với sự chuyển đổi năng lượng là bởi vì:

+ Trong tế bào, năng lượng được tích lũy chủ yếu trong các liên kết hóa học của các chất (vật chất). Khi năng lượng thay đổi thì thành phần cấu trúc của vật chất cũng thay đổi và ngược lại. Ví dụ: Với phân tử ATP, khi giải phóng năng lượng thì thành phần cấu trúc của ATP cũng sẽ bị thay đổi (ATP → ADP → AMP).

+ Các phản ứng hóa học trong tế bào và cơ thể cũng luôn có sự biến đổi về vật chất kèm theo sự biến đổi về năng lượng. Các phản ứng chuyển hóa vật chất trong có thể gồm: tổng hợp và phân giải: Các phản ứng tổng hợp các chất (đồng hóa) cần tiêu tốn năng lượng. Các phản ứng phân giải các chất (dị hóa) kèm theo giải phóng năng lượng.

• 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.

• Cấu trúc của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

- Thành phần enzyme có thể là protein hoặc protein kết hợp với cofactor (ion kim loại như Fe$^{2+}$, Mg$^{2+}$, Cu$^{2+}$) , các phân tử hữu cơ (nhân heme, biotin, FAD, NAD, các vitamin).

- 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. Trung tâm hoạt động phải có cấu hình không gian phù hợp với cơ chất.

• Cơ chế tác động của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

Quá trình enzyme tác động tới cơ chất tạo thành sản phẩm là chuỗi biến đổi liên tục. Trải qua 3 giai đoạn:

- Enzyme kết hợp với cơ chất 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 cả hai đều biến đổi cấu hình làm cho liên kết chặt chẽ hơn.

- Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất: Cơ chất bị biến đổi để tạo thành sản phẩm dưới sự xúc tác của enzyme.

- 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.

• Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

- Xúc tác phản ứng sinh hóa trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, độ pH bình thường của tế bào và cơ thể.

- Làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp, nhờ đó làm tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần.

→ Nếu tế bào không có các enzyme thì không thể duy trì các hoạt động sống.