SINH HỌC 10 · CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO — Enzyme, vận chuyển qua màng, quang hợp và hô hấp tế bào
Bài khái niệm Sinh học 10 về chuyển hóa năng lượng trong tế bào, dựng quanh ẩn dụ nhà máy có đồng tiền riêng (ATP), công nhân (enzyme) và cổng kiểm soát…
SINH HỌC 10 · CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Nhà máy tế bào: tiền ATP, công nhân enzyme và cổng màng
Tế bào kiếm, trữ và tiêu năng lượng như thế nào, và màng quyết định ai được vào ra: ATP, enzyme, vận chuyển qua màng, quang hợp, hô hấp tế bào
Mỗi tế bào là một nhà máy chạy không nghỉ. Nhà máy ấy có đồng tiền riêng là ATP: mọi việc tốn sức đều được trả bằng ATP. Nó có công nhân là enzyme: không có họ, hầu hết phản ứng trong tế bào chậm đến mức coi như không xảy ra. Nó có cổng kiểm soát là màng sinh chất: chất nào được vào, chất nào phải ra, đi tự do hay phải trả tiền. Và nó có hai nhà máy điện : lục lạp đổi ánh sáng thành đường; tế bào chất cùng ti thể đổi đường thành ATP (đường phân ở tế bào chất, phần lớn ATP ở ti thể). Bài này dựng cả hệ thống ấy thành một bản đồ, trả lời câu hỏi "tại sao" ở từng khâu, có sơ đồ, câu "em thử xem" và ba phòng thí nghiệm. Mọi tình huống và con số tự đặt đều là hư cấu.
12 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 3 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
BẢN ĐỒ BÀI
Một nhà máy, ba nhân vật, hai nhà máy điện
Câu hỏi trung tâm của bài: tế bào kiếm, trữ và tiêu năng lượng như thế nào, và màng quyết định ai được vào ra? Hãy hình dung tế bào như một nhà máy. Muốn hiểu nhà máy, em cần biết đồng tiền nó dùng (ATP), người làm việc (enzyme), cái cổng (màng), nơi "kiếm tiền" từ ánh sáng (lục lạp) và nơi "đổi tiền" từ nhiên liệu (ti thể).
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Bản đồ bài: tế bào như một nhà máy. Lục lạp dùng ánh sáng tạo đường và O 2 ; đường được đường phân thành pyruvate ở tế bào chất, rồi ti thể oxi hóa pyruvate để nạp phần lớn ATP; ATP được chi cho tổng hợp chất, co cơ, bơm qua màng; enzyme làm việc ở mọi khâu; cuối cùng năng lượng thành nhiệt.
Câu hỏi · Nhân vật trong ẩn dụ · Ở mục
Năng lượng trong tế bào được "trả" bằng gì? Vì sao không dùng thẳng glucose? · ATP: đồng tiền năng lượng · 1
Vì sao phản ứng trong cơ thể xảy ra nhanh ở 37 °C, mà cùng phản ứng ấy, không có enzyme, thì gần như không xảy ra? Vì sao sốt cao nguy hiểm? · Enzyme: công nhân · 2
Vì sao hồng cầu vỡ trong nước cất, rau héo khi ướp muối? Vì sao có chất đi tự do, có chất phải "trả tiền"? · Màng sinh chất: cổng kiểm soát · 3
O 2 do cây thải ra đến từ đâu? "Pha tối" có cần bóng tối không? · Lục lạp: nhà máy điện mặt trời · 4
Một phân tử glucose cho bao nhiêu ATP? Thiếu O 2 thì sao? · Ti thể: nhà máy điện đốt nhiên liệu · 5
Quang hợp và hô hấp có phải là "đảo ngược" của nhau? Khi nào cây thải O 2 , khi nào thải CO 2 ? · Cả nhà máy: vật chất quay vòng, năng lượng đi một chiều · 6
Vuốt ngang để xem hết bảng
Công cụ A · Theo dõi đồng tiền
Ở mỗi quá trình, hỏi: ATP được nạp (tạo ra) hay chi (tiêu đi)? Dị hóa nạp, đồng hóa chi.
Công cụ B · Công nhân và điều kiện
Mọi bước đều có enzyme. Nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất, chất ức chế thay đổi thì tốc độ thay đổi.
Công cụ C · Hai câu hỏi ở cổng
Chất đi xuôi hay ngược chiều nồng độ? Nó qua lớp lipid, qua protein, hay phải dùng túi màng?
Bài này khác bài đã có thế nào? Thư viện đã có bài "Chuyển hóa năng lượng là dòng electron và proton", đi sâu vào quang hợp, hô hấp, lên men và enzyme theo dòng electron – proton. Bài này không lặp lại chiều sâu ấy: phần ATP, enzyme, quang hợp, hô hấp chỉ giữ phần cốt lõi đủ để dựng bản đồ. Trọng tâm mới là cổng màng (mục 3 và Phòng B: thẩm thấu, ba loại dung dịch, thế nước, vận chuyển chủ động), ẩn dụ nhà máy nối mọi khâu thành một hệ, và cán cân quang hợp – hô hấp của cả cái cây (mục 6 và Phòng C: điểm bù ánh sáng, cân bằng 24 giờ). Bài Phân bào và các bài di truyền phân tử cũng đã có; ở đây ti thể, lục lạp chỉ được xét như nơi chuyển hóa năng lượng.
Giả định của bài (dùng suốt bài). (a) Kiến thức theo chương trình Sinh học 10 hiện hành (phần chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào), dùng thuật ngữ sách giáo khoa. (b) Các số thật như năng lượng thủy phân ATP (khoảng 30,5 kJ/mol), năng lượng oxi hóa hoàn toàn glucose (khoảng 2870 kJ/mol), số ATP thu được từ một glucose (khoảng 30–32) là giá trị làm tròn thường dùng, ghi "khoảng". (c) Các đường cong trong phòng thí nghiệm là mô hình quy ước, chỉ đúng về hình dạng định tính.
Về chữ "hư cấu". Mọi ống nghiệm, nồng độ, thông số mô hình và tình huống mẫu trong bài đều do bài tự đặt, được kiểm bằng máy tính, và mang nhãn hư cấu . Các số thật gồm các số ở giả định (b) và vài hằng số quen thuộc của sinh học, chia ba nhóm: giá trị làm tròn, ghi "khoảng" (khoảng 0,04 % CO 2 trong không khí, nhiệt độ và pH tối ưu của enzyme); nồng độ quy ước (nước muối sinh lí 0,9 %); số đếm chính xác theo phương trình (18 ATP và 12 NADPH cho một glucose ở chu trình Calvin). Các số này không mang nhãn hư cấu. Mọi số khác gắn với ống nghiệm, tình huống, mô hình đều là hư cấu. Phần ngoài chương trình bắt buộc mang nhãn MỞ RỘNG .
MỤC 1 · ATP VÀ CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT
Đồng tiền năng lượng của tế bào
Trong tế bào luôn có hàng nghìn phản ứng cùng diễn ra: có phản ứng giải phóng năng lượng, có phản ứng cần năng lượng. Tế bào không để mỗi phản ứng tự lo nguồn năng lượng riêng mà dùng một "đồng tiền chung": phản ứng nào giải phóng năng lượng thì đổi ra ATP, phản ứng nào cần năng lượng thì trả bằng ATP.
1.1 Năng lượng trong tế bào và hai chiều chuyển hóa
Năng lượng tồn tại ở dạng thế năng (dự trữ: trong liên kết hóa học, trong sự chênh lệch nồng độ một chất ở hai bên màng) và động năng (đang sinh công). Trong tế bào, dạng chủ yếu là hóa năng trong liên kết của chất hữu cơ. Mỗi lần năng lượng chuyển dạng, luôn có một phần thành nhiệt mà tế bào không dùng lại để sinh công được; vì thế nhà máy sinh học phải được "nạp" liên tục từ ngoài: ánh sáng (cây xanh) hoặc thức ăn (động vật).
Chuyển hóa vật chất là tập hợp các phản ứng sinh hóa trong tế bào, luôn đi kèm chuyển hóa năng lượng, theo hai chiều ngược nhau:
· Dị hóa · Đồng hóa
Bản chất · phân giải chất phức tạp thành chất đơn giản · tổng hợp chất phức tạp từ chất đơn giản
Năng lượng · giải phóng năng lượng (một phần được tích vào ATP) · cần năng lượng (lấy từ ATP)
Ví dụ · hô hấp tế bào phân giải glucose; phân giải acid béo trong ti thể (tiêu hóa thức ăn cũng là phân giải, nhưng là thủy phân ngoài tế bào, gần như không tạo ATP) · tổng hợp protein từ amino acid; quang hợp tạo glucose; tổng hợp glycogen
Vai trò với ATP · nạp ATP (ADP + Pi → ATP) · chi ATP (ATP → ADP + Pi)
Vuốt ngang để xem hết bảng
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Đồng hóa và dị hóa ghép với nhau qua ATP: dị hóa "đổ dốc" giải phóng năng lượng để nạp ATP; đồng hóa "leo dốc" dùng năng lượng của ATP. Sản phẩm của bên này là nguyên liệu của bên kia.
Vì sao phải ghép đôi? Một phản ứng cần năng lượng (như nối các amino acid thành protein) không tự chạy được; nó phải được "đẩy" bởi một phản ứng giải phóng năng lượng lớn hơn. ATP là chất trung gian ghép hai loại phản ứng ấy, kể cả khi chúng xảy ra ở hai nơi, hai thời điểm khác nhau trong tế bào.
1.2 ATP: cấu tạo và vì sao nó là "tiền"
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. Cấu tạo ATP (adenine, đường ribose, ba nhóm phosphate) và vòng ATP – ADP: tách nhóm phosphate ngoài cùng giải phóng khoảng 30,5 kJ/mol cho công việc; năng lượng từ hô hấp hoặc pha sáng gắn nhóm phosphate trở lại.
ATP (adenosine triphosphate) gồm base nitrogen adenine , đường ribose (5 carbon) và ba nhóm phosphate . Liên kết giữa các nhóm phosphate, nhất là của nhóm ngoài cùng, dễ bị phá vỡ và giải phóng năng lượng; sách thường gọi là liên kết cao năng .
ATP + H 2 O → ADP + Pi + năng lượng (khoảng 30,5 kJ/mol) Pi là nhóm phosphate vô cơ. Chiều ngược lại (ADP + Pi → ATP) cần năng lượng từ hô hấp tế bào hoặc pha sáng của quang hợp.
- Mệnh giá vừa phải. Oxi hóa hoàn toàn 1 mol glucose giải phóng khoảng 2870 kJ, gấp khoảng 94 lần một "đồng ATP" (khoảng 30,5 kJ/mol). Hầu hết việc trong tế bào chỉ cần cỡ một vài ATP; dùng thẳng glucose cho việc nhỏ giống trả tờ tiền rất lớn mà không ai thối lại: phần dư thành nhiệt lãng phí.
- Ai cũng nhận. Hầu hết các quá trình cần năng lượng trong tế bào, ở mọi loài, đều dùng ATP: tổng hợp chất, vận chuyển chủ động qua màng (mục 3), co cơ, chuyển động của lông và roi. Thường ATP chuyển nhóm phosphate cho một phân tử khác (phosphoryl hóa), làm phân tử đó hoạt động hơn.
- Quay vòng nhanh. ATP được tạo ra và dùng hết liên tục; tế bào không cất ATP lâu dài. Kho dự trữ lâu dài là tinh bột, glycogen, lipid.
MỞ RỘNG "Liên kết cao năng" là cách gọi quen, không phải liên kết chứa sẵn một kho năng lượng. Phá vỡ bất kì liên kết nào cũng cần năng lượng. Thủy phân ATP giải phóng năng lượng vì sản phẩm (ADP và Pi) bền hơn ATP: ba nhóm phosphate cùng mang điện âm, đứng sát nhau nên đẩy nhau; tách nhóm ngoài cùng làm lực đẩy giảm. Năng lượng "nằm" trong chênh lệch giữa trạng thái đầu và cuối, không nằm trong riêng một liên kết.
Chốt ý mục 1: dị hóa nạp ATP, đồng hóa chi ATP; ATP ⇌ ADP + Pi quay vòng liên tục Năng lượng trong tế bào chủ yếu là hóa năng; mỗi lần chuyển đổi đều mất một phần thành nhiệt. ATP gồm adenine, ribose, ba nhóm phosphate; tách nhóm ngoài cùng giải phóng khoảng 30,5 kJ/mol. ATP là đồng tiền tiêu ngay, không phải kho dự trữ lâu dài.
đo lượng ATP trong một tế bào cơ lúc nghỉ và lúc đang co, thấy gần như không đổi. Có phải tế bào cơ không dùng ATP khi co? (tình huống hư cấu)
Nghĩ về một tài khoản ngân hàng có tiền vào và tiền ra cùng lúc.
Giải thích. Không. Lượng ATP không đổi chỉ cho biết tốc độ tạo ATP bằng tốc độ dùng ATP. Khi cơ co, ATP bị tiêu rất nhanh, nhưng hô hấp tế bào cũng tăng tốc để tái tạo ATP từ ADP và Pi, giống số dư tài khoản đứng yên dù tiền vào, tiền ra liên tục. Muốn biết tế bào dùng bao nhiêu năng lượng, phải đo tốc độ quay vòng (chẳng hạn lượng O 2 tiêu thụ), không phải lượng ATP tại một thời điểm.
MỤC 2 · ENZYME
Công nhân không bị "tiêu hao" trong phản ứng
Đốt một thìa đường trong không khí cần lửa ở vài trăm độ. Trong tế bào, cùng lượng đường ấy bị phân giải hoàn toàn ở 37 °C, nhẹ nhàng, từng bước. Bí mật là enzyme: những "công nhân" làm cho phản ứng xảy ra nhanh hơn rất nhiều mà bản thân không bị biến đổi.
2.1 Enzyme là gì? Cơ chế gắn, biến đổi, buông ra
Enzyme là chất xúc tác sinh học, phần lớn có bản chất protein : làm tăng tốc độ phản ứng, sau phản ứng vẫn giữ nguyên cấu trúc và được dùng lại nhiều lần. Chất chịu tác dụng của enzyme là cơ chất ; tên enzyme thường là tên cơ chất cộng đuôi "-ase" (amylase, protease, lipase). Mỗi enzyme có một trung tâm hoạt động (vị trí hoạt động): chỗ lõm có cấu hình không gian tương thích với cơ chất. Một số enzyme cần thêm cofactor (ion kim loại như Mg 2+ , Zn 2+ ) hoặc coenzyme (phân tử hữu cơ, nhiều chất có nguồn gốc từ vitamin).
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 4. Cơ chế tác động của enzyme: cơ chất gắn vào trung tâm hoạt động tạo phức hợp enzyme – cơ chất, phản ứng xảy ra, sản phẩm rời đi và enzyme trở lại như cũ. Bên dưới: hai kiểu chất ức chế.
E + S ⇌ ES → E + P E: enzyme; S: cơ chất; ES: phức hợp enzyme – cơ chất; P: sản phẩm. Enzyme xuất hiện ở cả hai vế: nó không bị tiêu hao.
Khớp cảm ứng và tính đặc hiệu. Khi cơ chất đến gần, enzyme hơi đổi hình dạng để ôm khít cơ chất, như bàn tay nắm quanh quả bóng; sự ôm khít kéo căng các liên kết trong cơ chất, làm chúng dễ bị bẻ gãy. Vì phải khớp hình dạng, mỗi enzyme thường chỉ xúc tác một phản ứng hoặc một nhóm phản ứng: amylase thủy phân tinh bột nhưng không thủy phân cellulose, dù cả hai đều là chuỗi glucose, chỉ khác kiểu liên kết.
2.2 Enzyme tăng tốc bằng cách nào?
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 5. Năng lượng hoạt hóa: không có enzyme, các phân tử phải vượt một "ngọn đồi" cao; có enzyme, ngọn đồi thấp hơn. Mức năng lượng đầu (cơ chất) và cuối (sản phẩm) không đổi.
Muốn phản ứng xảy ra, các phân tử cần một lượng năng lượng ban đầu để phá vỡ liên kết cũ: năng lượng hoạt hóa . Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa , nên ở cùng nhiệt độ, nhiều phân tử vượt được "ngọn đồi" hơn hẳn và phản ứng nhanh lên, có thể hàng triệu lần. Enzyme không thay đổi năng lượng của cơ chất và sản phẩm, không làm phản ứng cần năng lượng tự chạy (vẫn phải ghép với ATP), và không bị tiêu hao.
2.3 Điều gì làm công nhân làm nhanh hay chậm?
Yếu tố · Ảnh hưởng · Vì sao
Nhiệt độ · tăng dần tới nhiệt độ tối ưu , vượt qua thì giảm rất nhanh · ấm lên: phân tử chuyển động nhanh, gặp nhau nhiều hơn; quá nóng: cấu trúc không gian của protein bị phá (biến tính), trung tâm hoạt động mất hình dạng