I. Năng lượng và sự chuyển hóa năng lượng ở tế bào
1. Các dạng năng lượng trong tế bào
+ Năng lượng hóa học là năng lượng dự trữ trong các liên kết hóa học.
+ Năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt là các dạng năng lượng liên quan đến sự chuyển động của các phần tử vật chất.
2. Sự chuyển hóa năng lượng trong tế bào
- Khái niệm: Sự chuyển hóa năng lượng trong tế bào có thể hiểu 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.
- Đặc điểm: Sự chuyển hóa năng lượng luôn đi kèm với sự chuyển hóa vật chất (toàn bộ các phản ứng đều xảy ra đồng thời với chuyển hóa năng lượng).
- Vai trò: Sự chuyển hóa năng lượng giúp cung cấp các dạng năng lượng cho tế bào sử dụng để thực hiện các hoạt động sống đảm bảo sự tồn tại, sinh trưởng, phát triển và sinh sản.
3. ATP – “đồng tiền” năng lượng
- Hầu hết các hoạt động sống của tế bào đều cần sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, tế bào không thể trực tiếp sử dụng năng lượng tích lũy trong các hợp chất hữu cơ mà phải phân giải các hợp chất hữu cơ để tạo ra dạng năng lượng dễ sử dụng hơn trong các ATP.
- Cấu tạo ATP: ATP gồm 3 thành phần cơ bản là phân tử adenine, phân tử đường ribose và 3 gốc phosphate. Trong đó, liên kết giữa các gốc phosphate là liên kết cao năng.
- Sự tổng hợp và phân giải ATP:
+ Sự phân giải ATP: Để giải phóng năng lượng, liên kết giữa hai gốc phosphate của ATP bị phá vỡ tạo thành ADP và Pi. Năng lượng giải phóng ra được chuyển hóa trực tiếp cho các hoạt động cần năng lượng của tế bào.
+ Sự tổng hợp ATP: ATP được tái tổng hợp bằng cách nhóm Pi liên kết trở lại với ADP để hình thành ATP. Năng lượng cung cấp cho quá trình này được lấy từ sự phân giải các hợp chất dự trữ năng lượng trong tế bào.
- Chức năng của ATP: ATP là “đồng tiền” năng lượng trong tế bào vì ATP dễ dàng giải phóng năng lượng cho tất cả các hoạt động sống cần năng lượng của tế bào như tổng hợp các chất hoá học cần thiết cho tế bào, vận chuyển chủ động các chất qua màng, sinh công cơ học.
II. Enzyme
1. Khái niệm và vai trò của enzyme
- Khái niệm 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.
- Khái niệm cơ chất: Cơ chất là chất tham gia phản ứng do enzyme xúc tác. Ví dụ: Trong phản ứng thủy phân tinh bột do enzyme amylase xúc tác, cơ chất chính là tinh bột.
- Đặc điểm của enzyme:
+ Enzyme có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng trăm nghìn đến hàng triệu tỉ lần so với phản ứng không có enzyme xúc tác.
+ Enzyme có tính đặc hiệu với phản ứng và cơ chất (mỗi enzyme thường chỉ xúc tác cho 1 phản ứng với 1 cơ chất nhất định).
+ Các phản ứng do enzyme xúc tác thường diễn ra trong điều kiện phù hợp với sự sống về nhiệt độ, độ pH, áp suất.
+ Trong tế bào, các phản ứng thường diễn ra theo chuỗi với nhiều loại enzyme cùng phối hợp tham gia và các phản ứng được điều hòa nghiêm ngặt.
2. Cấu trúc và cơ chế tác động của enzyme
2.1. Cấu trúc của enzyme
- Cấu trúc hóa học của enzyme:
+ Hầu hết các enzyme có bản chất là protein.
+ Một số enzyme còn có thêm thành phần không phải là protein, được gọi là cofactor. Cofactor có thể là ion kim loại như Fe2+, Zn2+, Mg2+ và hợp chất hữu cơ (còn gọi là coenzyme) có nguồn gốc từ vitamin như coenzyme như NAD+, FAD.
- Cấu trúc không gian của enzyme: Mỗi enzyme có một trung tâm hoạt động. Trung tâm hoạt động của enzyme là vùng nhỏ có cấu trúc không gian tương ứng với cơ chất, liên kết đặc hiệu với cơ chất, làm biến đổi cơ chất.
- Cơ chế tác động của enzyme:
+ Bước 1: Enzyme kết hợp với cơ chất bằng 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 trung tâm hoạt động thay đổi hình dạng để khớp với cơ chất.
+ Bước 2: Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất thành sản phẩm.
+ Bước 3: 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 sẵn sàng cho cơ chất mới.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động xúc tác của enzyme
3.1. Nồng độ cơ chất
- Khi tăng nồng độ cơ chất, tốc độ phản ứng sẽ tăng nhưng khi đạt đến trạng thái bão hòa cơ chất (khi tất cả các enzyme đều đã liên kết với cơ chất) thì tăng nồng độ cơ chất cũng không làm tăng tốc độ phản ứng.
3.2. Nồng độ enzyme
- Trong điều kiện dư thừa cơ chất, khi tăng nồng độ enzyme thì tốc độ phản ứng sẽ tăng.
3.3. Nhiệt độ
- Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng sẽ tăng và đạt cao nhất ở nhiệt độ tối ưu. Nếu nhiệt độ tăng quá cao vượt qua nhiệt độ tối ưu thì tốc độ phản ứng sẽ giảm do enzyme sẽ bị thay đổi cấu trúc không gian và có thể dẫn đến mất hoạt tính hoàn toàn.
- Ví dụ: Ở người, dải nhiệt độ hoạt động của enzyme là 25 – 40 oC, nhiệt độ tối ưu thường là 37 oC.
3.4. Độ pH
- Khi tăng pH, tốc độ phản ứng sẽ tăng và đạt cao nhất ở độ pH tối ưu, vượt qua pH tối ưu thì tốc độ phản ứng sẽ giảm.
- Enzyme thường hoạt động ở dải pH 6 – 8. Tuy nhiên, một số enzyme hoạt động trong môi trường acid (pepsin) hay kiềm (trypsin).
3.4. Chất hoạt hóa và chất ức chế
- Chất hoạt hóa là một số chất khi được bổ sung vào môi trường phản ứng ở nồng độ phù hợp sẽ làm tăng tốc độ phản ứng của enzyme. Ví dụ: NaCl là chất hoạt hóa amylase.
- Chất ức chế là một số chất làm giảm tốc độ phản ứng của enzyme hoặc dừng phản ứng enzyme. Ví dụ: ion kim loại nặng, một số loại thuốc và sản phẩm của một số phản ứng (ức chế ngược).