Sự chuyển hoá năng lượng và enzyme

I. Năng lượng và sự chuyển hoá năng lượng tế bào

1. Các dạng năng lượng tế bào

- Năng lượng trong tế bào tồn tại chủ yếu dưới dạng như năng lượng hoá học, năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt.

2. Sự chuyển hoá năng lượng trong tế bào

- Theo Định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng không tự nhiên được sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.

- Dạng năng lượng chủ yếu trong tế bào là năng lượng hoá học.

- Toàn bộ các phản ứng (sự trao đổi vật chất) đều xảy ra đồng thời với sự chuyển hoá năng lượng.

→ Sự chuyển hoá năng lượng trong tế bào là quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, từ năng lượng trong hợp chất này thành năng lượng trong hợp chất khác.

- Tế bào sử dụng năng lượng thực hiện các hoạt động sống đảm bảo sự tồn tại, sinh trưởng, phát triển và sinh sản.

3. ATP - "đồng tiền" năng lượng

- Tinh bột, glycogen và triglyceride là các phân tử dự trữ năng lượng nhưng sự phân giải các phân tử này và các đơn phân của chúng không thể cung cấp năng lượng trực tiếp cho các hoạt động sống của tế bào mà gián tiếp qua ATP.

- Phân tử ATP có 3 gốc phosphate. Khi liên kết giữa hai gốc phosphate của ATP bị phá vỡ, năng lượng được chuyển hoá trực tiếp cho các hoạt động cần năng lượng của tế bào. Sự phân giải các hợp chất dự trữ năng lượng cung cấp năng lượng cho sự hình thành liên kết giữa các gốc phosphate trong phân tử ATP.

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

II. Enzyme

1. Khái niệm và vai trò của enzyme

- Enzyme là chất xúc tác sinh học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, không bị biến đổi khi kết thúc phản ứng.

- Cơ chất là chất tham gia phản ứng do enzyme xúc tác.

- Enzyme có tính đặc hiệu với phản ứng và cơ chất.

- Trong tế bào, các phản ứng thường diễn ra theo chuỗi với nhiều loại enzyme cùng phối hợp tham gia. Đồng thời, các phản ứng được điều hoà nghiêm ngặt để tạo ra một lượng sản phẩm cần thiết mà không lãng phí cơ chất và không dư thừa sản phẩm.

2. Cấu trúc và cơ chế tác động của enzyme

- Hầu hết các enzyme có bản chất là protein. Một số enzyme còn có thêm thành phần khác là cofactor (có thể là ion kim loại và hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ vitamin).

- Trung tâm hoạt động là một vùng nhỏ trên phân tử enzyme có cấu trúc không gian tương ứng với cơ chất, liên kết đặc hiệu với cơ chất. Khi cơ chất liên kết vào, trung tâm hoạt động thay đổi hình dạng để khớp với cơ chất (mô hình "khớp cảm ứng"). Sự liên kết này thường yếu và tạm thời nhưng tạo điều kiện cho sự biến đổi cơ chất một cách nhanh chóng.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động xác tác của enzyme.

- Hoạt động xúc tác của enzyme chịu tác động bởi các yếu tố sau:

• Nồng độ cơ chất: khi nồng độ cơ chất tăng đến mức nhất định, tốc độ phản ứng không tăng nữa do toàn bộ enzyme đã liên kết với cơ chất.
• Nồng độ enzyme.
• Môi trường: nhiệt độ, độ pH, chất hoạt hoá, chất ức chế. Mỗi enzyme thường hoạt động ở một dải nhiệt độ, pH nhất định. Nếu nhiệt độ tăng cao, enzyme sẽ bị thay đổi cấu trúc không gian và có thể dẫn đến mất hoạt tính hoàn toàn. Enzyme thường hoạt động ở pH 6 - 8.

- Chất hoạt hoá là chất khi được bổ sung vào môi trường phản ứng ở nồng độ phù hợp làm tăng tốc độ phản ứng enzyme.

Ví dụ: NaCl là chất hoạt hoá amylase.

- Chất ức chế là chất làm giảm tốc độ phản ứng enzyme hoặc dừng phản ứng enzyme.

III. Thực hành về enzyme

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của amylase

* Chuẩn bị

- Hoá chất: dung dịch tinh bột 0,5%, dung dịch amylase, thuốc thử Lugol, nước cất.

- Dụng cụ: ống nghiệm, cốc đựng nước đá (0 ^oC), cốc đựng nước ở khoảng 37 ^oC, cốc đựng nước sôi (100 ^oC).

* Tiến hành

- Lấy ba ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.

- Cho 1 mL dung dịch amylase vào mỗi ống nghiệm.

- Đặt ống 1 vào cốc đựng nước đá, ống 2 vào cốc đựng nước ở khoảng 37 ^oC, ống 3 vào cốc đựng nước sôi và để yên trong 10 phút.

- Thêm 1 mL dung dịch tinh bột vào mỗi ống nghiệm, lắc đều và đặt lại vào các cốc tương ứng. Để cố định trong 10 phút.

- Thêm vào mỗi ống 1 giọt thuốc thử Lugol.

- Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.

* Báo cáo: Báo cáo kết quả thí nghiệm theo mẫu và trả lời các câu hỏi sau:

- So sánh màu dung dịch trong các ống nghiệm. Ống nghiệm nào có sự thuỷ phân tinh bột dưới tác dụng của amylase? Giải thích.

- Nhiệt độ nào thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase trong thí nghiệm trên?

2. Ảnh hưởng của độ pH đến hoạt tính của amylase

* Chuẩn bị

- Hoá chất: dung dịch tinh bột 0,5 %; dung dịch amylase; dung dịch HCl 0,1N; dung dịch NaHCO₃ 1%; thuốc thử Lugol; nước cất.

- Dụng cụ: ống nghiệm.

* Tiến hành

Lấy ba ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.

- Cho 1 mL dung dịch amylase vào mỗi ống nghiệm.

- Thêm 1 mL nước cất vào ống 1; 5 giọt dung dịch HCl 0,1N vào ống 2 và 5 giọt dung dịch NaHCO₃ 1% vào ống 3 và lắc đều.

- Thêm 1 mL dung dịch tinh bột vào mỗi ống, lắc đều và để cố định trong 10 phút.

- Thêm vào mỗi ống 1 giọt thuốc thử Lugol.

- Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.

* Báo cáo: Báo cáo kết quả thí nghiệm và trả lời các câu hỏi sau:

- So sánh kết quả màu dung dịch trong các ống nghiệm. So sánh hoạt tính của amylase trong các ống nghiệm và giải thích. Độ pH tối ưu cho hoạt động xúc tác của amylase trong thí nghiệm trên là bao nhiêu?

1. Trong tế bào, năng lượng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau nhưng dạng chủ yếu là năng lượng hoá học. Sự chuyển hoá năng lượng trong tế bào là quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, từ năng lượng trong hợp chất này thành năng lượng trong hợp chất khác.

2. ATP là nucleotide có ba gốc phosphate, là "đồng tiền" năng lượng của tế bào. Khi ATP bị phân giải, năng lượng được chuyển hoá cho các hoạt động của tế bào. ATP được tổng hợp từ sự chuyển hoá năng lượng trong quá trình phân giải các hợp chất.

3. Enzyme là chất xúc tác sinh học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, không bị biến đổi khi kết thúc phản ứng. Enzyme có cấu tạo chủ yếu là protein, ngoài ra có thể thêm cofactor.

4. Khi xúc tác, enzyme liên kết với cơ chất tạp thành phức hợp enzyme- cơ chất và biến đổi cơ chất thành sản phẩm. Hoạt động xúc tác của enzyme chịu tác động bởi nhiều yếu tố như nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme, nhiệt độ, độ pH, chất hoạt hoá và chất ức chế.