Lý thuyết Sinh học 10 Bài 10: Sự chuyển hóa năng lượng và enzym
A. Lý Thuyết
I. Năng lượng và sự chuyển hóa năng lượng ở tế bào
1. Các dạng năng lượng trong tế bào
- Một số dạng năng lượng trong tế bào: năng lượng hóa học, năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt.
+ 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.
- Dạng năng lượng tồn tại chủ yếu trong tế bào là năng lượng hóa học.
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).
III. Thực hành về enzyme
1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của amylase
1.1. Chuẩn bị
- 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).
1.2. Tiến hành
- Lấy ba ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.
- Cho 1 mL dung dịch amylase vào mỗi ống nghiệm.
- Đặt ống 1 vào cốc đựng nước đá, ống 2 vào cốc đựng nước ở khoảng 37 oC, ống 3 vào cốc đựng nước sôi và để yên trong 10 phút.
- 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.
- Thêm vào mỗi ống 1 giọt thuốc thử Lugol.
- Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.
1.3. Báo cáo
Báo cáo kết quả thí nghiệm theo gợi ý ở bài 6 và trả lời các câu hỏi sau:
- 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?
2. Ảnh hưởng của độ pH đến hoạt tính của amylase
2.1. Chuẩn bị
- 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).
2.2. Tiến hành
- Cho ba ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.
- Cho 1 mL dung dịch amylase vào mỗi ống nghiệm.
- 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.
- Thêm 1 mL dung dịch tinh bột vào mỗi ống, lắc đều và để cố định trong 10 phút.
- Thêm vào mỗi ống 1 giọt thuốc thử Lugol.
- Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.
2.3. Báo cáo
Báo cáo kết quả thí nghiệm và trả lời các câu hỏi sau:
- 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 enzyme amylase trong thí nghiệm trên là bao nhiêu?
B. Trắc Nghiệm
Câu 1: Dạng năng lượng chủ yếu trong tế bào là
A. năng lượng cơ học.
B. năng lượng hoá học.
C. năng lượng điện.
D. năng lượng nhiệt.
Đáp án đúng là: B
Dạng năng lượng chủ yếu trong tế bào là năng lượng hoá học.
Câu 2: Các dạng năng lượng trong tế bào có liên quan đến sự chuyển động của các phần tử vật chất là
A. năng lượng hoá học, năng lượng nhiệt, năng lượng cơ học.
B. năng lượng hoá học, năng lượng điện, năng lượng cơ học.
C. năng lượng hóa học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt.
D. năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt.
Đáp án đúng là: D
Năng lượng cơ học, năng lượng điện, năng lượng nhiệt là các dạng năng lượng trong tế bào có liên quan đến sự chuyển động của các phần tử vật chất.
Câu 3: Sự chuyển hoá năng lượng trong tế bào là
A. quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác.
B. quá trình biến đổi dạng năng lượng hóa năng thành dạng năng lượng nhiệt năng.
C. quá trình biến đổi năng lượng trong hợp chất này thành năng lượng trong hợp chất khác.
D. 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.
Đáp án đúng là: D
Sự chuyển hoá năng lượng trong tế bào 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.
Câu 4: Các thành phần cấu tạo nên phân tử ATP gồm
A. nitrogenous base adenine, 3 gốc phosphate, đường ribose.
B. nitrogenous base adenine, 2 gốc phosphate, đường ribose.
C. nitrogenous base thymine, 3 gốc phosphate, đường ribose.
D. nitrogenous base thymine, 2 gốc phosphate, đường ribose.
Đáp án đúng là: A
Các thành phần cấu tạo nên phân tử ATP gồm nitrogenous base adenine, 3 gốc phosphate, đường ribose.
Câu 5: ATP là hợp chất cao năng vì
A. liên kết giữa gốc phosphate và đường ribose trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.
B. liên kết giữa hai gốc phosphate trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.
C. liên kết giữa gốc phosphate và base adenine trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.
D. liên kết giữa đường ribose và base adenine trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.
Đáp án đúng là: A
ATP là hợp chất cao năng vì liên kết giữa gốc phosphate và đường ribose trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.
Câu 6: Cho các hoạt động sau:
(1) Tổng hợp các chất hoá học cần thiết cho tế bào.
(2) Vận chuyển chủ động các chất qua màng.
(3) Sinh công cơ học.
(4) Vận chuyển thụ động các chất qua màng.
Số hoạt động cần sử dụng năng lượng ATP là
A. 1.
B. 2.
C. 3.
D. 4.
Đáp án đúng là: C
Trong các hoạt động trên, hoạt động cần sử dụng năng lượng ATP là: (1), (2), (3).
Câu 7: Enzyme là
A. chất xúc tác sinh học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, không bị biến đổi khi kết thúc phản ứng.
B. chất xúc tác hoá học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, không bị biến đổi khi kết thúc phản ứng.
C. chất xúc tác sinh học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, bị biến đổi khi kết thúc phản ứng.
D. chất xúc tác hóa học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, bị biến đổi khi kết thúc phản ứng.
Đáp án đúng là: A
Enzyme là chất xúc tác sinh học đặc hiệu làm tăng tốc độ phản ứng, không bị biến đổi khi kết thúc phản ứng.
Câu 8: Chất tham gia phản ứng do enzyme xúc tác được gọi là
A. cơ chất.
B. chất xúc tác.
C. phức hợp enzyme - cơ chất.
D. trung tâm hoạt động.
Đáp án đúng là: A
Chất tham gia phản ứng do enzyme xúc tác được gọi là cơ chất.
Câu 9: Enzyme là chất xúc tác đặc hiệu vì
A. mỗi enzyme thường xúc tác cho nhiều phản ứng.
B. mỗi enzyme thường xúc tác cho một phản ứng.
C. mỗi enzyme thường xúc tác cho hai phản ứng.
D. mỗi enzyme thường xúc tác cho ba phản ứng.
Đáp án đúng là: B
Enzyme là chất xúc tác đặc hiệu vì mỗi enzyme thường xúc tác cho một phản ứng.
Câu 10: Vùng cấu trúc không gian đặc biệt chuyên liên kết với cơ chất của enzyme được gọi là
A. trung tâm hoạt động.
B. phức hợp enzyme - cơ chất.
C. phức hợp enzyme - sản phẩm.
D. cofactor.
Đáp án đúng là: A
Phân tử enzyme có một vùng nhỏ có cấu trúc không gian tương ứng với cơ chất, liên kết đặc hiệu với cơ chất, làm biến đổi cơ chất được gọi là trung tâm hoạt động.
Câu 11: Hầu hết các enzyme có bản chất là
A. protein.
B. carbohydrate.
C. lipid.
D. nucleic acid.
Đáp án đúng là: A
Hầu hết các enzyme có bản chất là protein.
Câu 12: Cho các giai đoạn sau:
(1) Enzyme xúc tác biến đổi cơ chất để hình thành sản phẩm của phản ứng.
(2) Cơ chất liên kết với trung tâm hoạt động của enzyme bằng các liên kết yếu và tạo thành phức hệ enzyme – cơ chất.
(3) Sau khi phản ứng hoàn thành, sản phẩm rời khỏi enzyme, enzyme trở về trạng thái ban đầu và có thể sử dụng trở lại.
Trình tự sắp xếp đúng thể hiện cơ chế tác động của enzyme đến phản ứng mà nó xúc tác là
A. (1) → (2) → (3).
B. (1) → (3) → (2).
C. (2) → (1) → (3).
D. (2) → (3) → (1).
Đáp án đúng là: C
Cơ chế tác động của enzyme đến phản ứng mà nó xúc tác diễn ra theo 3 giai đoạn là:
- Giai đoạn 1: Cơ chất liên kết với trung tâm hoạt động của enzyme bằng các liên kết yếu và tạo thành phức hệ enzyme – cơ chất.
- Giai đoạn 2: Enzyme xúc tác biến đổi cơ chất để hình thành sản phẩm của phản ứng.
- Giai đoạn 3: Sau khi phản ứng hoàn thành, sản phẩm rời khỏi enzyme, enzyme trở về trạng thái ban đầu và có thể sử dụng trở lại.
Câu 13: Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme gồm
A. chất hoạt hoá, chất ức chế, nồng độ cơ chất.
B. pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất.
C. chất hoạt hoá, chất ức chế, độ pH, nhiệt độ, nồng độ cơ chất.
D. chất hoạt hoá, chất ức chế, độ pH, nhiệt độ, nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme.
Đáp án đúng là: B
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme gồm: chất hoạt hoá, chất ức chế, độ pH, nhiệt độ, nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme.
Câu 14: Khi nhai kĩ cơm thấy có vị ngọt vì
A. tinh bột được chuyển hoá thành đường nhờ enzyme amylase trong nước bọt.
B. tinh bột được chuyển hoá thành đường nhờ enzyme protease trong nước bọt.
C. tinh bột được chuyển hoá thành đường nhờ enzyme pepsin trong nước bọt.
D. tinh bột được chuyển hoá thành đường nhờ enzyme lipase trong nước bọt.
Đáp án đúng là: A
Khi nhai cơm, enzyme amylase trong nước bọt sẽ xúc tác cho quá trình biến đổi tinh bột thành đường tạo ra cảm giác có vị ngọt.
Câu 15:Chuẩn bị 3 ống nghiệm, mỗi ống đều chứa 1 mL dung dịch amylase. Sau đó, đặt ống 1 vào cốc đựng nước đá, ống 2 vào cốc đựng nước ở khoảng 37 oC, ống 3 vào cốc đựng nước sôi và để yên trong 10 phút. 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. Thêm vào mỗi ống 1 giọt thuốc thử Lugol. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về kết quả của thí nghiệm trên?
A. Ống 1 có màu xanh tím đậm nhất, ống 3 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 2 có màu xanh tím nhạt nhất.
B. Ống 2 có màu xanh tím đậm nhất, ống 3 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 1 có màu xanh tím nhạt nhất.
C. Ống 3 có màu xanh tím đậm nhất, ống 2 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 1 có màu xanh tím nhạt nhất.
D. Ống 3 có màu xanh tím đậm nhất, ống 1 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 2 có màu xanh tím nhạt nhất.
Đáp án đúng là: A
Thuốc thử Lugol bắt màu xanh tím với tinh bột, do đó, ống nào có hoạt tính của enzyme càng thấp thì ống đó càng có màu xanh tím đậm. Mà enzyme amylase hoạt động tốt ở nhiệt độ 37 oC, bị giảm hoạt tính ở 0 oC và bị mất hoạt tính ở nhiệt độ 100 oC → Ống 3 có màu xanh tím đậm nhất, ống 1 có màu xanh tím nhạt hơn, ống 2 có màu xanh tím nhạt nhất.
Xem thêm các bài Lý thuyết Sinh học 10 sách Cánh diều hay, chi tiết khác:
Lý thuyết Bài 8: Cấu trúc của tế bào nhân thực
Lý thuyết Bài 9: Trao đổi chất qua màng sinh chất
Lý thuyết Bài 11: Tổng hợp và phân giải các chất trong tế bào
