BÀI 10 - SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG VÀ ENZYME

MỞ ĐẦU

Câu 1: Quan sát hình 10.1 và nêu các dạng năng lượng trong quá trình quang hợp. Trong quá trình đó, năng lượng được chuyển hóa từ dạng nào sang dạng nào? Chuyển hóa năng lượng là gì?

Giải nhanh:

- Các dạng năng lượng trong quá trình quang hợp là năng lượng quang năng và năng lượng hóa học.

  + Năng lượng quang năng là năng lượng ánh sáng mặt trời.

  + Năng lượng hóa học là năng lượng dự trữ trong các liên kết hóa học.

- Trong quá trình quang hợp, năng lượng được chuyển hóa từ năng lượng quang năng sang năng lượng hóa học.

- Khái niệm chuyển hóa năng lượng: Đây 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.

I. NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO

Câu 1: Hoạt động sống của tế bào và cơ thể sử dụng các dạng năng lượng nào? Quá trình nào cung cấp năng lượng cho tế bào?

Giải nhanh:

- Hoạt động của tế bào và cơ thể sử dụng năng lượng từ nhiều nguồn như: năng lượng hóa học, cơ học, điện và nhiệt. Năng lượng hóa học là năng lượng dự trữ trong liên kết hóa học; năng lượng cơ học, điện và nhiệt liên quan đến chuyển động của các phần tử vật chất.

- Quá trình cung cấp năng lượng cho tế bào là quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng.

Câu 2: Quan sát hình 10.2 và xác định các dạng năng lượng được chuyển hóa trong hoạt động sống của tế bào?

Giải nhanh:

Năng lượng trong hoạt động sống của tế bào được chuyển hóa chủ yếu thành năng lượng hóa học, từ C6H12O6 thành ATP.

Câu 3: Ở hình 10.3, năng lượng được chuyển từ dạng nào sang dạng nào? Sự chuyển hóa này có ý nghĩa gì đối với tế bào?

Giải nhanh:

Sự chuyển hóa năng lượng từ glucose thành ATP và nhiệt năng (Q) trong hình 10.3 cung cấp năng lượng cho tế bào thực hiện các hoạt động sống, đảm bảo sự tồn tại, sinh trưởng, phát triển và sinh sản.

Luyện tập 1: Nêu một số hoạt động tế bào cần sử dụng năng lượng. Trong các hoạt động đó, năng lượng được chuyển hóa như thế nào?

Giải nhanh:

Trong một số hoạt động tế bào cần sử dụng năng lượng, bao gồm:

- Sự vận chuyển Ca2+ vào lưới nội chất trơn.

- Vận chuyển H+ vào lysosome, không bào.

- Sự hấp thu các chất dinh dưỡng như glucose, amino acid vào tế bào biểu mô ruột.

- Sự hấp thu khoáng vào tế bào lông hút.

- Sự co cơ để tạo nên sự vận động của cơ thể.

Trong các hoạt động này, năng lượng hóa học trong các chất hữu cơ được chuyển hóa thành năng lượng hóa học trong ATP (được sử dụng dễ dàng) và năng lượng nhiệt.

Câu 4: Quan sát hình 10.4 và cho biết chức năng của ATP trong tế bào. Giải thích?

Giải nhanh:

• Chức năng của ATP trong tế bào:
• Tổng hợp các chất hoá học cần thiết cho tế bào.
• Vận chuyển chủ động các chất qua màng.
• Sinh công cơ học.
• Giải thích:
• Tinh bột, glycogen, 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 thông qua ATP.
• ATP đóng vai trò là “đồng tiền năng lượng của tế bào” vì ATP là hợp chất cao năng, dễ giải phóng năng lượng. Khi liên kết giữa hai gốc phosphate của ATP bị phá vỡ, năng lượng được chuyển hóa trực tiếp cho các hoạt động cần năng lượng của tế bào.

Luyện tập 2: Dựa vào hình 10.5 nêu cấu tạo của ATP. ATP được phân giải và tổng hợp như thế nào? Đặc điểm nào để có thể ví ATP là “đồng tiền” năng lượng trong tế bào?

Giải nhanh:

• 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.
• Sự tổng hợp và phân giải ATP:
• Sự phân giải ATP: Khi tế bào sử dụng ATP, liên kết giữa hai gốc phosphate của ATP bị phá vỡ, năng lượng được chuyển hóa trực tiếp cho các hoạt động cần năng lượng của tế bào. Lúc này, ATP bị phân giải thành ADP và giải phóng một nhóm phosphate.
• Sự tổng hợp ATP: Sau khi hoạt động chức năng, nhóm phosphate liên kết trở lại với ADP để hình thành ATP. 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 trong tế bào 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,…

II. ENZYME

Câu 5: Người ta tiến hành thí nghiệm đun sôi 200 mL dung dịch tinh bột với 5 mL chất xúc tác HCl 1N trong 1 giờ. Kết quả cho thấy tinh bột bị phân giải thành đường. Khi nhai cơm, ta thấy có vị ngọt vì tinh bột được phân giải thành đường nhờ enzyme amylase. Nhận xét về điều kiện và tốc độ của hai phản ứng.

Giải nhanh:

• Phản ứng phân giải tinh bột với chất xúc tác HCl cần điều kiện nhiệt độ (đun sôi) và tốc độ phản ứng diễn ra chậm (trong 1 giờ).
• Phản ứng phân giải tinh bột với chất xúc tác enzyme amylase không cần điều kiện nhiệt độ (nhiệt độ bình thường của cơ thể) và tốc độ phản ứng diễn ra nhanh chóng (chỉ mất một vài phút).

Luyện tập 3: Nếu không có enzyme, các phản ứng hóa học và quá trình chuyển hóa năng lượng trong tế bào có diễn ra được không? Điều gì sẽ xảy ra nếu trong một chuỗi phản ứng do nhiều enzyme xúc tác mà có một enzyme không hoạt động?

Giải nhanh:

- Nếu tế bào thiếu enzyme, các phản ứng hóa học cần chất xúc tác và điều kiện phản ứng sẽ không xảy ra, dẫn đến việc các quá trình chuyển hóa năng lượng trong tế bào không thể diễn ra.

- Trong một chuỗi phản ứng, nếu một enzyme không hoạt động do bất kỳ nguyên nhân gì, không chỉ là các sản phẩm không được tạo thành mà còn có thể tích lũy cơ chất của enzyme đó, gây độc hại cho tế bào và cơ thể.

Câu 6: Phản ứng do enzyme xúc tác thay đổi như thế nào khi trung tâm hoạt động của enzyme bị thay đổi hình dạng không phù hợp với cơ chất?

Giải nhanh:

Để enzyme có thể xúc tác phản ứng, nó phải kết hợp với cơ chất thông qua sự liên kết đặc hiệu. Trung tâm hoạt động của enzyme có cấu trúc không gian phù hợp với cơ chất, tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất. Khi trung tâm hoạt động của enzyme bị thay đổi hình dạng không phù hợp với cơ chất, thì enzyme không thể liên kết với cơ chất và do đó phản ứng xúc tác bởi enzyme sẽ không xảy ra.

Câu 7: Dựa vào hình 10.6, mô tả ba bước cơ bản trong cơ chế tác động của enzyme đến phản ứng mà nó xúc tác.

Giải nhanh:

- Bước 1: Enzyme kết hợp với cơ chất bằng sự liên kết đặc hiệu, trong đó trung tâm hoạt động của enzyme có cấu hình không gian phù hợp với cơ chất, tạo thành phức hợp enzyme – cơ chất. Khi liên kết xảy ra, 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 có cấu hình không gian thay đổi rời khỏi enzyme, và enzyme trở lại hình dạng ban đầu, sẵn sàng cho cơ chất mới.

Vận dụng: Khi nhai kĩ cơm, ta thấy có vị ngọt. Hãy giải thích các giai đoạn trong cơ chế tác động của amylase nước bọt.

Giải nhanh:

Các giai đoạn trong cơ chế tác động của amylase nước bọt:

• Bước 1: Enzyme amylase kết hợp với tinh bột tại trung tâm hoạt động tạo nên phức hợp enzyme – tinh bột.
• Bước 2: Enzyme amylase xúc tác cho phản ứng biến đổi tinh bột thành đường.
• Bước 3: Đường được tạo thành tách khỏi enzyme amylase, trung tâm hoạt động của enzyme amylase sẵn sàng cho phân tử tinh bột mới liên kết vào.

Câu 8: Quan sát hình 10.7 và cho biết khi tăng nồng độ cơ chất hay nhiệt độ, độ pH thì tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào. Nhận xét về giá trị tốc độ phản ứng ở nhiệt độ tối ưu và pH tối ưu.

Giải nhanh:

• Tốc độ phản ứng khi tăng nồng độ cơ chất hay nhiệt độ, độ pH:
• Khi tăng nồng độ cơ chất, tốc độ phản ứng sẽ tăng nhưng khi đạt đến trạng thái bão hòa thì dù tăng nồng độ cơ chất cũng không làm tăng tốc độ phản ứng.
• Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng sẽ tăng và đạt cao nhất ở nhiệt độ tối ưu, vượt qua nhiệt độ tối ưu thì tốc độ phản ứng sẽ giảm.
• 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.
• Nhận xét về giá trị tốc độ phản ứng ở nhiệt độ tối ưu và pH tối ưu: Ở nhiệt độ tối ưu và pH tối ưu tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác là cực đại.

Tìm hiểu thêm:

• Các enzyme trong ống tiêu hóa ở người hoạt động ở pH khác nhau. Nêu ví dụ chứng minh điều này.
• Tìm hiểu tác động của một số loại thuốc đến phản ứng enzyme ví dụ thuốc kháng sinh ampicillin, amoxycillin, cefixime, thuốc điều trị bệnh Gout,…

Giải nhanh:

- Ví dụ:

• Enzyme amylase trong nước bọt hoạt động ở độ pH từ 6,7 – 7.
• Enzyme pepsin trong dạ dày hoạt động ở độ pH từ 1,5 – 2.
• Enzyme trypsin hoạt động ở độ pH từ 7,8 – 8,7.

- Học sinh tìm hiểu tác động của một số loại thuốc đến phản ứng enzyme ví dụ thuốc kháng sinh ampicillin, amoxycillin, cefixime, thuốc điều trị bệnh Gout,…

III. THỰC HÀNH VỀ ENZYME

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

Câu 9:

• So sánh màu dung dịch trong các ống nghiệm. Ống nghiệm nào có sự thủy 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?

Giải nhanh:

• So sánh màu dung dịch trong các ống nghiệm: Ống 3 có màu xanh tím đậm nhất, ống 1 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 2 có màu xanh tím nhạt nhất → Ống nghiệm có sự thủy phân tinh bột dưới tác dụng của amylase là ống 2 và ống 1.
• Giải thích: Tinh bột bắt màu với thuốc thử Lugol sẽ xuất hiện màu xanh tím đặc trưng. Enzyme amylase có hoạt tính phân giải tinh bột thành đường.
• Ở ống 3, nhiệt độ 100^oC là nhiệt độ khiến enzyme amylase bị biến tính (mất hoạt tính xúc tác) → Tinh bột không được phân giải → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột này sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím đậm nhất.
• Ở ống 1, nhiệt độ 0^oC là nhiệt độ không thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase (hoạt tính xúc tác của enzyme amylase bị giảm) → Lượng tinh bột được phân giải thành đường ít → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột còn lại sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím nhạt hơn ống 2.
• Ở ống 2, nhiệt độ 37^oC là nhiệt độ thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase → Lượng tinh bột được phân giải thành đường lớn → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột còn lại ít sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím nhạt nhất.
• Nhiệt độ 37 oC thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase trong thí nghiệm trên.

Báo cáo kết quả thí nghiệm theo gợi ý:

Giải nhanh:

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Tên thí nghiệm: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của amylase

Tên nhóm: ...

1. Mục đích thí nghiệm:

• Thực hiện được thí nghiệm, quan sát và giải thích được sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của amylase.

2. Chuẩn bị thí nghiệm:

• Hóa 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), pipet nhựa (1 – 3 mL).

3. Các bước tiến hành:

• Bước 1: Lấy ba ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.
• Bước 2: Cho 1 mL dung dịch amylase vào mỗi ống nghiệm.
• Bước 3: Đặt ống 1 vào cốc đựng nước đá, ống 2 vào cốc đựng nước khoảng 
• Bước 4: 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.
• Bước 5: Thêm vào mỗi ống 1 giọt thuốc thử Lugol.
• Bước 6: Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.

4. Kết quả thí nghiệm và giải thích:

• Kết quả thí nghiệm: Ống 3 có màu xanh tím đậm nhất, ống 1 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 2 có màu xanh tím nhạt nhất.
• Giải thích thí nghiệm: Tinh bột bắt màu với thuốc thử Lugol sẽ xuất hiện màu xanh tím đặc trưng. Enzyme amylase có hoạt tính phân giải tinh bột thành đường.
• Ở ống 3, nhiệt độ 100^oC là nhiệt độ khiến enzyme amylase bị biến tính (mất hoạt tính xúc tác) → Tinh bột không được phân giải → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột này sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím đậm nhất.
• Ở ống 1, nhiệt độ 0^oC là nhiệt độ không thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase (hoạt tính xúc tác của enzyme amylase bị giảm) → Lượng tinh bột được phân giải thành đường ít → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột còn lại sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím nhạt hơn ống 2.
• Ở ống 2, nhiệt độ 37^oC là nhiệt độ thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase → Lượng tinh bột được phân giải thành đường lớn → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột còn lại ít sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím nhạt nhất.

5. Kết luận:

• Nhiệt độ 37^oC thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase trong thí nghiệm trên.

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

Câu 10:

• 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?

Giải nhanh:

- So sánh kết quả màu dung dịch trong các ống nghiệm: Ống 2 có màu xanh tím đậm nhất, ống 1 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 3 có màu xanh tím nhạt nhất.

- So sánh hoạt tính của amylase trong các ống nghiệm: Ống 3 có hoạt tính của enzyme mạnh nhất, ống 2 có hoạt tính của enzyme thấp nhất.

* Giải thích:

  - Ở ống 2, môi trường pH acid làm enzyme amylase mất hoạt tính xúc tác, do đó tinh bột không phân giải → Khi thêm thuốc thử Lugol, dung dịch có màu xanh tím đậm nhất.

  - Ở ống 1, môi trường pH trung tính làm enzyme hoạt động tốt nhưng không tối đa → Khi thêm thuốc thử Lugol, dung dịch có màu xanh tím nhạt hơn ống 2 nhưng đậm hơn ống 3.

  - Ở ống 3, môi trường pH kiềm yếu làm enzyme amylase hoạt động tối đa → Khi thêm thuốc thử Lugol, dung dịch có màu xanh tím nhạt nhất.

- Độ pH tối ưu cho hoạt động xúc tác của amylase trong thí nghiệm là từ 6,7 đến 7,0.

Báo cáo kết quả thí nghiệm theo gợi ý:

Giải nhanh:

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Tên thí nghiệm: Ảnh hưởng của độ pH đến hoạt tính của amylase

Tên nhóm: ...

1. Mục đích thí nghiệm:

• Thực hiện được thí nghiệm, quan sát và giải thích được sự ảnh hưởng của độ pH đến hoạt tính của amylase.

2. Chuẩn bị thí nghiệm:

• Hóa chất: dung dịch tinh bột 0,5%, dung dịch amylase, dung dịch HCl 0,1 N, dung dịch NaHCO3 1%, thuốc thử Lugol, nước cất.
• Dụng cụ: ống nghiệm, pipet nhựa (1 – 3 mL).

3. Các bước tiến hành:

• Bước 1: Lấy ba ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.
• Bước 2: Cho 1 mL dung dịch amylase vào mỗi ống nghiệm.
• Bước 3: Thêm 1 mL nước cất vào ống 1; 5 giọt dung dịch HCl 0,1 N vào ống 2 và 5 giọt dung dịch NaHCO3 1% vào ống 3 và lắc đều.
• Bước 4: Thêm 1 mL dung dịch tinh bột vào mỗi ống, lắc đều và để cố định trong 10 phút.
• Bước 5: Thêm vào mỗi ống 1 giọt thuốc thử Lugol.
• Bước 6: Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.

4. Kết quả thí nghiệm và giải thích:

• Kết quả thí nghiệm: Ống 2 có màu xanh tím đậm nhất, ống 1 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 3 có màu xanh tím nhạt nhất.
• Giải thích kết quả thí nghiệm:
• Ở ống 2, môi trường pH acid là môi trường pH khiến enzyme amylase bị biến tính (mất hoạt tính xúc tác) → Tinh bột không được phân giải → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột này sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím đậm nhất.
• Ở ống 1, môi trường pH trung tính là môi trường khá thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase → Tinh bột được phân giải thành đường nhưng ít hơn ở ống 3 → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột còn lại sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím nhạt hơn ống 2 nhưng đậm hơn ống 3.
• Ở ống 3, môi trường pH kiềm yếu là môi trường pH thích hợp cho hoạt động xúc tác của amylase → Lượng tinh bột được phân giải thành đường lớn → Khi nhỏ thuốc thử Lugol, lượng tinh bột còn lại ít sẽ khiến dung dịch có màu xanh tím nhạt nhất.

5. Kết luận:

• Độ pH tối ưu cho hoạt động xúc tác của amylase trong thí nghiệm là 6,7 .