Bài tập khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng

Kiến thức cần nhớ

Khái quát về năng lượng và sự chuyển hóa

1. 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. Năng lượng trong tế bào tồn tại ở 2 dạng: động năng và thế năng.

2. ATP - đồng tiền năng lượng của tế bào:

Nguồn năng lượng phổ biến nhất cho các phản ứng hóa học của tế bào là ATP (adenosine triphosphate). 

Một phân tử ATP được cấu tạo từ 3 thành phần: 1 gốc adenine + 1 gốc đường ribose + 3 gốc phosphate. Năng lượng dự trữ trong phân tử ATP nằm ở chính liên kết hóa học giữa các gốc phosphate.

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 của năng lượng từ dạng này sang dạng khác, tuân theo quy luật nhiệt động học.

Hai quá trình chuyển hóa này luôn đi kèm với nhau.

Enzyme

1. Khái niệm, cấu trúc và cơ chế hoạt động:

Emzyme 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, và không bị biến đổi sau phản ứng.

Hầu hết enzyme được cấu tạo từ protein. Ngoài ra, một số enzyme có thêm cofactor (ion kim loại hoặc phân tử hữu cơ). Cofactor có thể liên kết tạm thời hoặc cố định với enzyme.

Mỗi enzyme có một trung tâm hoạt động - vị trí liên kết đặc hiệu với cơ chất (chất chịu tác động của enzyme) để xúc tác phản ứng diễn ra. Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một hoặc một nhóm phản ứng hóa học nhất định (tính đặc hiệu).

2. Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa

Enzyme khiến phản ứng xảy ra dễ dàng hơn trong cơ thể, giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết để một phản ứng xảy ra, nhờ đó tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme:

Hoạt tính enzyme là tốc độ phản ứng xúc tác bởi enzyme và được đo bằng lượng cơ chất bị chuyển đổi trong một phút ở điều kiện tiêu chuẩn.

a) Nồng độ enzyme và cơ chất:

Nồng độ cơ chất không đổi, lượng enzyme tăng lên thì hiệu suất phản ứng tăng, đến khi biến đổi hết cơ chất.

Nếu lượng enzyme không đổi, tăng nồng độ cơ chất thì hiệu suất phản ứng sẽ tăng đến ngưỡng tất cả các enzyme đều hoạt động hết công suất.

b) Độ pH:

Mỗi loại enzyme đều có khoảng pH phù hợp nhất để hoạt động hiệu quả, ngoài khoảng pH này enzyme không hoạt động (bất hoạt) hoặc giảm hoạt tính.

c) Nhiệt độ: 

Mỗi loại enzyme chỉ hoặc đồng hiệu quả trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Hầu hết enzyme trong cơ thể đều hoạt động tốt ở nhiệt độ 37 độ C. 

d) Chất điều hòa enzyme:

Chất ức chế và chất hoạt hóa ảnh hưởng tới hoạt động của enzyme. Chất hoạt hóa liên kết vào enzyme sẽ làm tăng hoạt tính của enzyme. Chất ức chế liên kết vào enzyme sẽ cản trở enzyme liên kết với cơ chất và làm giảm hoạt tính enzyme.

4. Điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng thông qua enzyme:

Tốc độ của các quá trình chuyển hóa luôn thay đổi tùy thuộc vào giai đoạn phát triển, trạng thái của cơ thể. Vậy nên tế bào điều chỉnh tốc độ của quá trình này bằng cách điều chỉnh hoạt tính của enzyme thông qua chất hoạt hóa và chất ức chế.

Ngoài ra, ức chế ngược là quá trình điều hòa xảy ra khi sản phẩm chuyển hóa được tạo ra đủ nhu cầu sẽ quay lại ức chế enzyme xúc tác để dừng tổng hợp sản phẩm đó.

Mỗi enzyme được định vị ở từng vùng có điều kiện thích hợp trong các cơ quan để chúng hoạt động tối ưu nhất, giúp tăng hiệu quả chuyển hóa.

Sơ đồ tư duy khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng:

Bài tập tự luyện

Bài 1: 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:

- Năng lượng trong tế bào tồn tại ở dưới nhiều dạng khác nhau trong đó hóa năng là dạng năng lượng chính được tích lũy và sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào.

- Năng lượng được chuyển hóa từ dạng này sang dạng mà cơ thể có thể sử dụng ví dụ động năng hoặc hoặc thế năng. Năng lượng tế bào sử dụng ngay khi cần thiết là ATP.

Bài 2: Kể tên một số dạng năng lượng tồn tại trong tế bào sinh vật.

Lời giải:

Một số dạng năng lượng tồn tại trong tế bào sinh vật: nhiệt năng (nhiệt độ cơ thể), cơ năng (sự co cơ, vận động), điện năng (xung thần kinh),...

Bài 3: Quan sát hình 13.2 và cho biết: Enzyme là gì? Nêu cấu trúc, cơ thể tác động và vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng.

Lời giải:

• 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.

• Cấu trúc của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

- Thành phần enzyme có thể là protein hoặc protein kết hợp với cofactor (ion kim loại như Fe²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺) , các phân tử hữu cơ (nhân heme, biotin, FAD, NAD, các vitamin).

- Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động, là một vùng cấu trúc không gian đặc biệt có khả năng liên kết đặc hiệu với cơ chất. Trung tâm hoạt động phải có cấu hình không gian phù hợp với cơ chất.

• Cơ chế tác động của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

Quá trình enzyme tác động tới cơ chất tạo thành sản phẩm là chuỗi biến đổi liên tục. Trải qua 3 giai đoạn:

- Enzyme kết hợp với cơ chất 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 cả hai đều biến đổi cấu hình làm cho liên kết chặt chẽ hơn.

- Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất: Cơ chất bị biến đổi để tạo thành sản phẩm dưới sự xúc tác của enzyme.

- 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.

• Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

- Xúc tác phản ứng sinh hóa trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, độ pH bình thường của tế bào và cơ thể.

- Làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp, nhờ đó làm tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần.

→ Nếu tế bào không có các enzyme thì không thể duy trì các hoạt động sống.

Bài 4: Thế nào là chuyển hóa năng lượng trong tế bào? Vì sao nói chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với chuyển hóa năng lượng?

Phương pháp giải:

Đọc thông tin mục I.3

Lời giải:

Chuyển hóa năng lượng trong tế bào 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 vật chất luôn đi kèm với chuyển hóa năng lượng vì với phân tử ATP, khi năng lượng thay đổi thì thành phần cấu trúc của nó cũng thay đổi, tương tự như vậy thì các phản ứng hóa học trong té bào và cơ thể sống cũng luôn có sự biến đổi về vật chất kèm theo sự biến đổi về năng lượng.

Bài 5: Quan sát hình 13.2 và cho biết: Enzyme là gì? Nêu cấu trúc, cơ thể tác động và vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng.

Lời giải:

• 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.

• Cấu trúc của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

- Thành phần enzyme có thể là protein hoặc protein kết hợp với cofactor (ion kim loại như Fe²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺) , các phân tử hữu cơ (nhân heme, biotin, FAD, NAD, các vitamin).

- Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động, là một vùng cấu trúc không gian đặc biệt có khả năng liên kết đặc hiệu với cơ chất. Trung tâm hoạt động phải có cấu hình không gian phù hợp với cơ chất.

• Cơ chế tác động của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

Quá trình enzyme tác động tới cơ chất tạo thành sản phẩm là chuỗi biến đổi liên tục. Trải qua 3 giai đoạn:

- Enzyme kết hợp với cơ chất 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 cả hai đều biến đổi cấu hình làm cho liên kết chặt chẽ hơn.

- Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất: Cơ chất bị biến đổi để tạo thành sản phẩm dưới sự xúc tác của enzyme.

- 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.

• Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:

- Xúc tác phản ứng sinh hóa trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, độ pH bình thường của tế bào và cơ thể.

- Làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp, nhờ đó làm tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần.

→ Nếu tế bào không có các enzyme thì không thể duy trì các hoạt động sống.

Bài 6: 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?

Phương pháp giải:

Đọc thông tin mục II.3

Lời giải:

Hoạt tính của enzyme chịu ảnh hưởng của những yếu tố: nồng độ enzyme và cơ chất, độ pH, nhiệt độ, chất điều hòa enzyme

Nếu đồng độ cơ chất không đổi lượng enzyme tăng lên thì hiệu suất của phản ứng cũng tăng nhưng chỉ đạt nhưng chỉ đạt ngưỡng nhất định rồi dừng lại do đã sử dụng tối đa lượng cơ chất

Nếu lượng enzyme không đổi và tăng nồng độ cơ chất thì hiệu suất phản ứng tăng và sẽ đạt ngưỡng do lượng enzyme có trong môi trường đã hoạt động tối đa.

Mỗi loại enzyme thường có khoảng pH phù hợp nhất để hoạt động hiệu quả, ngoài ra khoảng pH này enzyme có thể bị giảm hoạt tính hoặc bất hoạt.

Mỗi loại enzyme chỉ hoạt động hiệu quả trong một khoảng nhiệt độ nhất định, ngoài khoảng nhiệt độ đó, hoạt tính enzyme sẽ giảm, thậm chí mất hoàn toàn

Có những loại phân tử khi liên kết sẽ làm tăng hoạt tính của enzyme được gọi là chất hoạt hóa. Ngược lại, có những phân tử khi liên kết sẽ làm giảm hoặc mất hoạt tính của enzyme gọi là chất ức chế.

Bài 7: Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của enzyme bằng những yếu tố nào? Giải thích.

Lời giải:

Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của enzyme bằng điều chỉnh hoạt tính của enzyme thông qua các chất hoạt hóa và ức chế enzyme

Vì enzyme làm tăng tốc độ của các phản ứng hóa học trong cơ thể, tức là làm tăng tốc độ quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào mà tốc độ của quá trình này luôn thay đổi tùy thuộc vào giai đoạn phát triển, trạng thái cơ thể.

Bài 8: 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:

Khi nhiệt độ tăng lên quá cao so với nhiệt độ tối ưu của một enzyme thì hoạt tính của enzyme đó bị giảm hoặc bị mất hoàn toàn là do: Enzyme có bản chất là protein. Mà protein là hợp chất dễ bị biến tính (biến đổi cấu trúc không gian) dưới tác động của nhiệt độ cao. Khi cấu trúc không gian bị biến đổi, trung tâm hoạt động của enzyme không thể liên kết với cơ chế khiến cho enzyme không thể xúc tác biến đổi cơ chất - hoạt tính của enzyme bị giảm, thậm chí là mất hẳn hoạt tính.

Bài 9: 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 hóa 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.

Phương pháp giải:

Đáp án A sai. Mỗi phân tử ATP có cấu tạo gồm ba thành phần cơ bản là: phân tử adenine, phân tử đường ribose và 3 gốc phosphate

Đáp án B sai. Các gốc phosphate liên kết rất chặt chẽ với nhau bằng liên kết liên kết anhydric.

Đáp án C sai. Mỗi phân tử ATP có ba gốc phosphate liên kết với nhau tạo nên hai liên kết cao năng

Đáp án D đúng

Lời giải:

Chọn D.

Bài 10: Phân tích sự phù hợp giữa cấu tạo và chức năng của phân tử ATP.

Lời giải:

ATP cấu tạo gồm các thành phần : ađênin, đường ribôzơ và 3 nhóm phôtphat. Đây là một hợp chất cao năng vì liên kết giữa hai nhóm phôtphat cuối cùng trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.

ATP truyền năng lượng cho các hợp chất khác thông qua chuyển nhóm phôtphat cuối cùng để trở thành ADP (ađênôzinđiphôtphat) rồi gần như ngay lập tức ADP lại được gắn thêm một nhóm phôtphat để trở thành ATP.

Bài 11: 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 hóa năng lượng trong tế bào? Giải thích.

Lời giải:

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 quan trọng trong hoạt động của enzyme và quá trình chuyển hóa năng lượng trong tế bào:

- Tạo môi trường thích hợp cho sự hoạt động của mỗi enzyme: Mỗi loại enzyme khác nhau cần có một môi trường hoạt động phù hợp để tạo hiệu suất hoạt động cao nhất. Như vậy, việc tế bào nhân thực được chia thành nhiều xoang tách biệt bởi hệ thống nội màng và các bào quan có màng bao bọc sẽ tạo ra các môi trường khác nhau thích nghi cho sự hoạt động của các enzyme khác nhau trong cùng một tế bào mà vẫn không ảnh hưởng đến sự hoạt động của các enzyme khác.

- Bảo vệ cấu trúc và hoạt động bình thường của tế bào: Nhiều loại enzyme xúc tác cho quá trình phân hủy các chất, các tế bào già, các phân tử sinh học không còn chức năng,… Vậy nếu các loại enzyme phân hủy này không được bao bọc cẩn thận trong các xoang và các bào quan có màng thì enzyme này có thể phá hủy cấu trúc và sự hoạt động của cả những tế bào, những phân tử sinh học vẫn còn chức năng.

Bài 12: Dựa vào thành phần cấu tạo và cơ chế điều hòa quá trình chuyển hóa 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:

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 vì:

- Năng suất của cây trồng vật nuôi phụ thuộc rất lớn vào tốc độ của quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào (quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng diễn ra tốt sẽ thúc đẩy sinh vật sinh trưởng và phát triển và ngược lại). Tốc độ của quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào lại phụ thuộc vào hoạt tính của enzyme.

- Mà nhiều enzyme, ngoài thành phần protein còn có thêm cofactor là các nguyên tố khoáng vi lượng, viatmin. Mặt khác, nhiều enzyme trong tế bào bình thường ở trạng thái bất hoạt cần phải có sự xúc tác các các nguyên tố khoáng vi lượng hoặc vitamin để trở thành trạng thái hoạt động. Vậy nếu thiếu nguyên tố vi lượng, vitamin sẽ khiến enzyme đó không được hình thành hoặc không hoạt động ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng do enzyme đó xúc tác, ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển bình thường của cây trồng, vật nuôi.

Xem thêm các dạng câu hỏi và bài tập liên quan khác:

30 bài tập về Hô hấp tế bào (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 bài tập về Thông tin giữa các tế bào (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 bài tập về lý thuyết trao đổi chất qua màng tế bào (2024) có lời giải chi tiết nhất

30 bài tập về nguyên phân và giảm phân (2024) có đáp án chi tiết nhất

50 Bài tập phương thức lây truyền, cách phòng chống và ứng dụng của virus (có đáp án)