I. Lý thuyết trọng tâm

1. Khái quát về năng lượng và sự chuyển hóa

1.1. Khái niệm năng lượng và các dạng năng lượng trong tế bào

Năng lượng là khả năng sinh công hay khả năng tạo nên sự chuyển động của vật chất. Trong tế bào, năng lượng tồn tại ở hai dạng chính (phân chia dựa trên trạng thái tồn tại):

Trọng tâm: Năng lượng được tích lũy và sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào chủ yếu ở dạng hóa năng – năng lượng tiềm ẩn trong các liên kết hóa học của các chất hữu cơ. Hóa năng thuộc dạng thế năng.

1.2. ATP – “Đồng tiền” năng lượng của tế bào

a) Cấu trúc ATP

ATP (Adenosine triphosphate) gồm ba thành phần:

• Phân tử adenine (base nitơ).
• Phân tử đường ribose (đường 5 carbon).
• 3 gốc phosphate, trong đó có 2 liên kết cao năng (kí hiệu ~) nối giữa các gốc phosphate.

Lưu ý: Đường trong ATP là ribose (không phải deoxyribose). Năng lượng của ATP tích lũy ở hai liên kết phosphate ngoài cùng (hai liên kết cao năng), không phải cả 3 gốc phosphate.

b) Cơ chế hoạt động

• Khi liên kết giữa các gốc phosphate bị phá vỡ → giải phóng năng lượng.
• Liên kết ngoài cùng dễ bị phá vỡ nhất: ATP → ADP (Adenosine diphosphate) + $P_i$ + năng lượng.
• Đôi khi cả 2 liên kết cao năng đều bị phá vỡ: ATP → AMP (Adenosine monophosphate) + $2P_i$ + năng lượng gấp đôi.
• Ngược lại, ADP có thể nhận gốc phosphate + năng lượng từ nguồn dinh dưỡng → tái tạo ATP.

→ ATP hoạt động như viên pin sạc: liên tục được tổng hợp, vận chuyển và sử dụng ngay trong tế bào.

c) Vai trò của ATP

ATP cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống:

• Tổng hợp các chất hóa học cần thiết cho tế bào.
• Vận chuyển các chất qua màng (vận chuyển chủ động).
• Sinh công cơ học (co cơ, vận động).

ATP mang năng lượng ở trạng thái dễ chuyển hóa, dễ huy động, có thể sử dụng ngay khi cần và tái nạp nhiều lần → vì vậy ATP được xem là “đồng tiền” năng lượng của tế bào.

1.3. Sự chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào

Chuyển hóa vật chất là tập hợp tất cả các phản ứng hóa học xảy ra bên trong tế bào, làm chuyển đổi chất này thành chất khác.

Chuyển hóa năng lượng là sự chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, luôn tuân theo các quy luật nhiệt động học.

Nguyên tắc quan trọng: Chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với chuyển hóa năng lượng. Khi vật chất biến đổi thì năng lượng cũng biến đổi theo (ví dụ: ATP thay đổi cấu trúc ↔ năng lượng thay đổi).

Bản chất của chuyển hóa vật chất gồm hai quá trình:

Hầu hết các phản ứng trong tế bào là phản ứng oxi hóa – khử và cần có sự xúc tác của enzyme.

2. Enzyme

2.1. Khái niệm

Enzyme là chất xúc tác sinh học được tổng hợp trong 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.

Lưu ý: Một số ít phân tử RNA cũng có khả năng xúc tác, được gọi là ribozyme.

2.2. Cấu tạo

Đa số enzyme được cấu tạo từ protein. Dựa vào thành phần, chia thành 2 loại:

• Enzyme 1 thành phần: Chỉ có protein. Ví dụ: enzyme pepsin trong dịch vị dạ dày.
• Enzyme 2 thành phần: Protein + cofactor. Cofactor có thể là:
  • Ion kim loại: $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$,…
  • Phân tử hữu cơ: nhân heme, biotin, FAD, NAD, các vitamin.

Cofactor liên kết cố định hoặc tạm thời với enzyme và rất cần thiết cho hoạt động xúc tác.

Trung tâm hoạt động là vùng cấu trúc không gian đặc biệt trên enzyme, có khả năng liên kết đặc hiệu với cơ chất (chất chịu tác động của enzyme). Cấu hình không gian của trung tâm hoạt động phải tương thích với cấu hình cơ chất (như ổ khóa với chìa khóa).

Cơ chất là chất tham gia phản ứng do enzyme xúc tác (không phải chất tạo nên enzyme, cũng không phải sản phẩm).

2.3. Cơ chế hoạt động (3 giai đoạn)

$$E + S \longrightarrow E\text{–}S \longrightarrow E\text{–}P \longrightarrow E + P$$

• Giai đoạn 1: Enzyme (E) kết hợp với cơ chất (S) tạo phức hợp enzyme – cơ chất (E–S). Cả hai đều biến đổi cấu hình để liên kết chặt chẽ hơn.
• Giai đoạn 2: Enzyme xúc tác cho phản ứng (phân giải hoặc tổng hợp).
• Giai đoạn 3: Sản phẩm (P) tạo thành có cấu hình thay đổi → tách khỏi enzyme. Enzyme trở lại hình dạng ban đầu, sẵn sàng xúc tác tiếp.

Tính đặc hiệu: Do trung tâm hoạt động chỉ tương thích với một hoặc một nhóm cơ chất có cấu hình phù hợp → enzyme chỉ xúc tác cho một loại hoặc một nhóm phản ứng nhất định. Đặc tính này gọi là tính chuyên hóa (tính đặc hiệu) của enzyme.

2.4. Vai trò của enzyme trong chuyển hóa

Bên ngoài cơ thể, nhiều phản ứng hóa học đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất lớn, pH đặc biệt). Trong cơ thể sinh vật, nhờ enzyme, các phản ứng tương tự vẫn diễn ra ở điều kiện bình thường.

Cơ chế: Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho phản ứng xuống mức rất thấp → tốc độ phản ứng tăng lên nhiều lần.

Nếu không có enzyme: Tốc độ phản ứng sinh hóa quá chậm, hoặc năng lượng hoạt hóa đòi hỏi quá cao → có thể tổn thương và gây chết tế bào.

2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme

Hoạt tính enzyme = tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác, đo bằng lượng cơ chất bị chuyển đổi (hoặc sản phẩm tạo thành) trong 1 phút ở điều kiện tiêu chuẩn.

a) Nồng độ enzyme và cơ chất

• Giữ nguyên cơ chất, tăng enzyme → hiệu suất tăng → đạt ngưỡng rồi dừng (hết cơ chất).
• Giữ nguyên enzyme, tăng cơ chất → hiệu suất tăng → đạt ngưỡng rồi dừng (enzyme hoạt động tối đa).

b) Độ pH

Mỗi enzyme có khoảng pH tối ưu riêng. Ngoài khoảng đó, enzyme giảm hoạt tính hoặc bất hoạt.

• Pepsin (dạ dày): pH tối ưu ~ 2 (môi trường acid mạnh).
• Trypsin (ruột non): pH tối ưu ~ 8 (môi trường kiềm nhẹ).
• Arginase: pH tối ưu ~ 9,5–10.

c) Nhiệt độ

Mỗi enzyme hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ nhất định. Khi nhiệt độ tăng quá cao so với nhiệt độ tối ưu → protein enzyme bị biến tính (mất cấu trúc không gian) → trung tâm hoạt động biến dạng → enzyme mất hoạt tính.

• Trypsin bò: nhiệt độ tối ưu ~ 37°C.
• Trypsin cá tuyết Đại Tây Dương: nhiệt độ tối ưu ~ 25°C (thấp hơn do cá sống ở nước lạnh).

d) Chất điều hòa enzyme

• Chất hoạt hóa: Phân tử khi liên kết làm tăng hoạt tính enzyme.
• Chất ức chế: Phân tử khi liên kết làm giảm hoặc mất hoạt tính enzyme. Chất ức chế có thể:
  • Cạnh tranh với cơ chất để liên kết vào trung tâm hoạt động.
  • Liên kết vị trí khác → biến đổi cấu hình trung tâm hoạt động → enzyme không hoạt động.

2.6. Điều hòa chuyển hóa vật chất và năng lượng thông qua enzyme

Tốc độ chuyển hóa luôn thay đổi tùy giai đoạn phát triển và trạng thái cơ thể. Tế bào điều chỉnh bằng nhiều cách, trong đó quan trọng nhất là điều chỉnh hoạt tính enzyme qua chất hoạt hóa và ức chế.

Ức chế ngược (feedback inhibition): Khi sản phẩm cuối cùng của chuỗi chuyển hóa đã tạo đủ nhu cầu → sản phẩm quay lại ức chế enzyme đầu chuỗi → dừng tổng hợp. Enzyme đầu chuỗi có vị trí đặc biệt để liên kết với sản phẩm cuối, khi liên kết thì enzyme mất khả năng liên kết với cơ chất.

Định vị enzyme: Trong tế bào, enzyme được bố trí ở vùng có điều kiện thích hợp hoặc trong bào quan chuyên biệt để hoạt động tối ưu. Ví dụ: enzyme trong lysosome bình thường ở trạng thái bất hoạt; khi cần, các bơm trên màng lysosome bơm $\text{H}^+$ vào bên trong làm giảm pH → enzyme được hoạt hóa.

Việc sắp xếp enzyme theo trình tự trong chuỗi chuyển hóa tại vị trí nhất định giúp sản phẩm phản ứng trước trở thành cơ chất cho phản ứng sau → chuỗi chuyển hóa diễn ra nhanh chóng và ít chịu ảnh hưởng bởi môi trường.

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú