Câu hỏi mở đầu

Đề bài: Hoạt động vận động như ở các cầu thủ bóng đá trong hình bên cần tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Vậy, nguồn năng lượng đó đã được lấy từ đâu và chuyển đổi thành dạng nào để tế bào và cơ thể có thể sử dụng ngay khi cần thiết như vậy?

Lời giải:

• Nguồn năng lượng cung cấp cho cơ thể đến từ thức ăn (carbohydrate, lipid, protein). Năng lượng được tích luỹ trong các chất hữu cơ này dưới dạng hoá năng (năng lượng trong liên kết hoá học).
• Trong tế bào, các chất hữu cơ được phân giải (chủ yếu qua quá trình hô hấp tế bào) → giải phóng năng lượng.
• Năng lượng giải phóng được tích luỹ trong phân tử ATP (adenosine triphosphate). ATP được xem là “đồng tiền năng lượng” của tế bào.
• Khi cơ thể cần năng lượng (ví dụ: co cơ khi chạy, sút bóng), ATP bị phân giải → giải phóng năng lượng tức thì cho tế bào sử dụng cho các hoạt động sống.

→ Như vậy, năng lượng từ thức ăn được chuyển hoá thành ATP để cơ thể có thể sử dụng nhanh chóng bất cứ khi nào cần.

I. Khái quát về năng lượng và sự chuyển hoá

Câu 1 trang 80

Đề bài: Kể tên một số dạng năng lượng tồn tại trong tế bào sinh vật.

Lời giải:

Năng lượng trong tế bào tồn tại ở hai dạng chính:

• Động năng:
  • 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 truyền electron).
• Thế năng:
  • Năng lượng tích luỹ trong các liên kết hoá học.
  • Sự chênh lệch điện thế và nồng độ các chất giữa bên trong và bên ngoài tế bào.

Câu 2 trang 80

Đề bài: Quan sát hình 13.1, nêu cấu tạo và chức năng của ATP. Phân tử ATP mang năng lượng loại nào? Vì sao nói ATP là “đồng tiền” năng lượng của tế bào?

Lời giải:

a) Cấu tạo của ATP: Mỗi phân tử ATP gồm 3 thành phần:

• 1 phân tử adenine.
• 1 phân tử đường ribose.
• 3 gốc phosphate, trong đó 2 liên kết giữa các gốc phosphate là liên kết cao năng (giàu năng lượng, dễ bị phá vỡ).

b) Chức năng: dự trữ và cung cấp năng lượng ngay lập tức cho mọi hoạt động sống của tế bào (tổng hợp và vận chuyển chất, co cơ,…).

c) Loại năng lượng ATP mang: thế năng (năng lượng tích trữ trong các liên kết hoá học giữa các gốc phosphate).

d) Vì sao ATP là “đồng tiền” năng lượng của tế bào:

• ATP thường xuyên được sinh ra và sử dụng ngay cho các hoạt động sống.
• Khi cần năng lượng → liên kết cao năng dễ dàng bị phá vỡ để giải phóng năng lượng (giống như “tiêu tiền”).
• Khi có nguồn năng lượng từ dinh dưỡng → tế bào lại tổng hợp ATP để dự trữ (giống như “nạp tiền”).

→ ATP được “lưu thông” liên tục trong tế bào giống như đồng tiền trong nền kinh tế.

Câu 3 trang 80

Đề bài: Thế nào là chuyển hoá năng lượng trong tế bào? Vì sao nói chuyển hoá vật chất luôn đi kèm với chuyển hoá năng lượng?

Lời giải:

a) Chuyển hoá năng lượng trong tế bào: là sự chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác và luôn tuân theo các quy luật vật lí cơ bản về nhiệt động học.

b) Chuyển hoá vật chất luôn đi kèm chuyển hoá năng lượng vì:

Mọi phản ứng hoá học (chuyển hoá vật chất) đều kèm theo sự biến đổi năng lượng:

• Phản ứng tổng hợp (đồng hoá): tiêu tốn năng lượng.
• Phản ứng phân giải (dị hoá): giải phóng năng lượng.

→ Khi vật chất biến đổi thì năng lượng cũng biến đổi theo, hai quá trình luôn đi đôi với nhau.

II. Enzyme

Câu 1 trang 83

Đề bài: Quan sát hình 13.2 và cho biết: Enzyme là gì? Nêu cấu trúc, cơ chế tác động và vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hoá năng lượng.

Lời giải:

a) Khái niệm enzyme:

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.

b) Cấu trúc:

• Đa số enzyme được cấu tạo từ protein.
• Nhiều enzyme ngoài protein còn có thêm cofactor: ion kim loại ($\text{Fe}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$,…) hoặc phân tử hữu cơ (vitamin, FAD, NAD,…).
• Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động – vùng có cấu hình không gian liên kết đặc hiệu với cơ chất.

c) Cơ chế tác động (3 giai đoạn):

1. Enzyme kết hợp với cơ chất tại trung tâm hoạt động.
2. Enzyme xúc tác cho phản ứng (cơ chất bị biến đổi).
3. Sản phẩm tách khỏi enzyme, enzyme trở lại hình dạng ban đầu và tiếp tục xúc tác cho phản ứng tiếp theo.

d) Vai trò trong chuyển hoá năng lượng:

• Làm giảm năng lượng hoạt hoá cần thiết → các phản ứng xảy ra dễ dàng ở điều kiện sinh lí bình thường (không cần nhiệt độ cao, áp suất lớn).
• Tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần → duy trì các hoạt động sống của tế bào.

Câu 2 trang 83

Đề bài: Hoạt tính của enzyme chịu ảnh hưởng của những yếu tố nào và chúng có tác động như thế nào đến hoạt tính của enzyme?

Lời giải:

Hoạt tính enzyme chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

a) Nồng độ enzyme và cơ chất:

• Khi nồng độ cơ chất không đổi, tăng lượng enzyme → hiệu suất phản ứng tăng nhưng chỉ đến một ngưỡng nhất định.
• Tương tự, nếu lượng enzyme không đổi, tăng cơ chất → hiệu suất tăng đến ngưỡng do lượng enzyme đã hoạt động tối đa.

b) Độ pH: Mỗi enzyme có một khoảng pH phù hợp để hoạt động hiệu quả nhất. Ngoài khoảng pH này, enzyme có thể bị giảm hoạt tính hoặc bất hoạt.

c) Nhiệt độ: Mỗi enzyme chỉ hoạt động hiệu quả trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ngoài khoảng đó, hoạt tính enzyme sẽ giảm, thậm chí mất hoàn toàn.

d) Chất điều hoà enzyme:

• Chất hoạt hoá: liên kết với enzyme làm tăng hoạt tính enzyme.
• Chất ức chế: liên kết với enzyme làm giảm hoặc mất hoạt tính enzyme (có thể cạnh tranh với cơ chất ở trung tâm hoạt động, hoặc liên kết ở vị trí khác làm biến đổi cấu hình trung tâm hoạt động).

Câu 3 trang 83

Đề bài: Tế bào có thể điều hoà quá trình chuyển hoá vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của enzyme bằng những yếu tố nào? Giải thích.

Lời giải:

Tế bào điều hoà hoạt tính enzyme bằng các cách sau:

• Sử dụng chất hoạt hoá và chất ức chế:
  • Khi cần tăng tốc độ chuyển hoá → tạo các chất hoạt hoá để tăng hoạt tính enzyme.
  • Khi sản phẩm đã đủ → sản phẩm cuối cùng quay lại ức chế ngược enzyme ở đầu chuỗi chuyển hoá để dừng tổng hợp sản phẩm.
• Điều chỉnh điều kiện môi trường nơi enzyme hoạt động. Ví dụ: các bơm trên màng lysosome bơm $\text{H}^+$ vào bên trong làm giảm pH → hoạt hoá enzyme khi cần.
• Định vị enzyme tại những vùng/bào quan nhất định trong tế bào → sản phẩm của phản ứng trước trở thành cơ chất của phản ứng sau diễn ra nhanh chóng, hiệu quả chuyển hoá tăng cao.

Câu 4 trang 83

Đề bài: Giải thích vì sao khi tăng nhiệt độ lên quá cao so với nhiệt độ tối ưu của một enzyme thì hoạt tính của enzyme bị giảm, thậm chí là mất hẳn hoạt tính.

Lời giải:

• Đa số enzyme có bản chất là protein.
• Khi nhiệt độ tăng quá cao, các liên kết yếu (liên kết hydrogen, tương tác kị nước,…) duy trì cấu trúc không gian của protein bị đứt gãy.
• → Protein enzyme bị biến tính, cấu hình của trung tâm hoạt động bị thay đổi → không còn khả năng liên kết đặc hiệu với cơ chất.

→ Do đó, hoạt tính enzyme bị giảm hoặc mất hoàn toàn.

Luyện tập và vận dụng

Câu 1 trang 84

Đề bài: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về phân tử ATP?

A. Phân tử ATP có cấu tạo từ ba thành phần cơ bản: adenine, đường deoxyribose và muối phosphate. B. Trong phân tử ATP, các gốc phosphate liên kết rất chặt chẽ với nhau bằng liên kết cộng hoá trị. C. Mỗi phân tử ATP có ba gốc phosphate liên kết với nhau tạo nên ba liên kết cao năng. D. ATP liên tục được tổng hợp, vận chuyển và sử dụng trong tế bào sống.

Lời giải:

Đáp án: D.

Giải thích các phương án sai:

• A sai: ATP cấu tạo từ adenine, đường ribose (không phải deoxyribose) và 3 gốc phosphate (không phải muối phosphate).
• B sai: Các gốc phosphate trong ATP liên kết với nhau bằng liên kết cao năng dễ bị phá vỡ (không phải “rất chặt chẽ”).
• C sai: 3 gốc phosphate liên kết với nhau tạo thành 2 liên kết cao năng (không phải 3).
• D đúng: ATP được sinh ra và sử dụng liên tục trong tế bào sống.

Câu 2 trang 84

Đề bài: Phân tích sự phù hợp giữa cấu tạo và chức năng của phân tử ATP.

Lời giải:

• Cấu tạo của ATP: 1 phân tử adenine + 1 đường ribose + 3 gốc phosphate, trong đó 2 liên kết giữa các gốc phosphate là liên kết cao năng (dễ bị phá vỡ).
• Chức năng của ATP: dự trữ và cung cấp năng lượng ngay lập tức cho các hoạt động sống của tế bào.

Sự phù hợp giữa cấu tạo và chức năng:

• 2 liên kết cao năng giữa các gốc phosphate dễ bị phá vỡ → khi cần năng lượng, ATP nhanh chóng giải phóng năng lượng cho tế bào sử dụng.
• Khi liên kết bị phá vỡ → ATP chuyển thành ADP (hoặc AMP), gốc phosphate tách ra → các sản phẩm này dễ dàng được tái tổng hợp trở lại thành ATP khi tế bào có năng lượng từ nguồn dinh dưỡng.

→ Nhờ cấu trúc đặc biệt này, ATP đảm nhận tốt vai trò “đồng tiền” năng lượng: dễ dàng “chi tiêu” và “nạp lại” liên tục để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào.

Câu 3 trang 84

Đề bài: Tế bào nhân thực được chia thành nhiều xoang tách biệt bởi hệ thống nội màng và các bào quan có màng bao bọc, điều này có ý nghĩa gì trong hoạt động của enzyme và quá trình chuyển hoá năng lượng trong tế bào? Giải thích.

Lời giải:

• Mỗi enzyme có điều kiện hoạt động tối ưu khác nhau (về pH, nhiệt độ, nồng độ ion,…).
• Hệ thống nội màng và các bào quan có màng bao bọc chia tế bào thành nhiều xoang/vùng riêng biệt, mỗi xoang có điều kiện môi trường đặc thù phù hợp cho từng loại enzyme.

Ý nghĩa:

• Mỗi enzyme được định vị ở vùng/bào quan thích hợp → hoạt động ở điều kiện tối ưu → đạt hiệu quả cao nhất.
• Các enzyme cùng tham gia một chuỗi chuyển hoá được sắp xếp gần nhau theo trình tự → sản phẩm của phản ứng trước trở thành cơ chất của phản ứng sau diễn ra nhanh chóng.
• Các chuỗi chuyển hoá khác nhau không bị ảnh hưởng lẫn nhau (do được tách biệt) → đảm bảo các quá trình chuyển hoá diễn ra nhịp nhàng, hiệu quả.

Câu 4 trang 84

Đề bài: Dựa vào thành phần cấu tạo và cơ chế điều hoà quá trình chuyển hoá vật chất và năng lượng của enzyme, hãy giải thích vì sao trong trồng trọt và chăn nuôi, muốn thu được năng suất cao, con người phải chú ý bổ sung đầy đủ các nguyên tố khoáng vi lượng, vitamin vào chế độ dinh dưỡng cho cây trồng và vật nuôi.

Lời giải:

• Nhiều enzyme cần có cofactor mới có thể hoạt động xúc tác. Cofactor có thể là:
  • Ion kim loại ($\text{Fe}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$,…) – chính là các nguyên tố khoáng vi lượng.
  • Các phân tử hữu cơ như nhân heme, biotin, FAD, NAD và các vitamin.
• Nếu thiếu cofactor → enzyme không hoạt động được → các phản ứng chuyển hoá vật chất và năng lượng trong cơ thể cây trồng, vật nuôi bị rối loạn → sinh trưởng kém, năng suất thấp.

→ Vì vậy, trong trồng trọt và chăn nuôi, cần bổ sung đầy đủ các nguyên tố khoáng vi lượng và vitamin để các enzyme hoạt động bình thường, đảm bảo các quá trình chuyển hoá diễn ra hiệu quả → cây trồng và vật nuôi phát triển tốt, cho năng suất cao.

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