Giải Sinh học 10 Bài 13 (Kết nối tri thức): Khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng

Giải bài tập Sinh học lớp 10 Bài 13: Khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng

Mở đầu trang 78 Sinh học 10: 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?

Trả lời:

- Nguồn năng lượng cung cấp cho tế bào và cơ thể sử dụng được lấy từ quá trình hô hấp tế bào. Tế bào thực hiện phân giải chất hữu cơ có nguồn gốc từ thức ăn để tạo ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào và cơ thể.

- Năng lượng tế bào sử dụng ngay khi cần thiết là hóa năng trong ATP.

Dừng lại và suy ngẫm (trang 80)

Câu hỏi 1 trang 80 Sinh học 10: Kể tên một số dạng năng lượng tồn tại trong tế bào sinh vật.

Trả lời:

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 của các cơ quan).

- Điện năng (xung thần kinh, chuỗi truyền electron).

- Hóa năng (năng lượng tích lũy trong các hợp chất hóa học).

Câu hỏi 2 trang 80 Sinh học 10: 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?

Trả lời:

- Cấu tạo của ATP: 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. Khi liên kết giữa các gốc phosphate bị phá vỡ sẽ giải phóng năng lượng.

- Chức năng của ATP: ATP dự trữ năng lượng ngắn hạn để cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào ngay khi cần.

- Phân tử ATP mang năng lượng loại hóa năng (năng lượng được dự trữ ở các liên kết hóa học).

- ATP là “đồng tiền” năng lượng của tế bào vì:

+ Trong tế bào, ATP thường xuyên được tạo ra.

+ Năng lượng trong ATP được sử dụng cho mọi hoạt động sống cần năng lượng của tế bào.

Câu hỏi 3 trang 80 Sinh học 10: 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?

Trả lời:

- 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 trong tế bào, năng lượng được tích lũy chủ yếu trong các liên kết hóa học của các chất (vật chất). Khi năng lượng thay đổi thì thành phần cấu trúc của vật chất cũng thay đổi và ngược lại. Ví dụ, ATP biến đổi thành ADP sẽ giải phóng năng lượng tương đương với năng lượng trong liên kết cao năng được phá vỡ.

Dừng lại và suy ngẫm (trang 83)

Câu hỏi 1 trang 83 Sinh học 10: 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.

Trả lời:

- Khái niệm enzyme: Enzyme là chất xúc tác sinh học được tổng hợp trong các tế bào sống.

- Cấu trúc enzyme:

+ Đa số enzyme được cấu tạo từ protein.

+ Ở một số enzyme, ngoài thành phần protein còn có thêm cofactor là ion kim loại (như Fe²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺...) hoặc các phân tử hữu cơ (nhân heme, biotin, FAD, NAD, các vitamin).

+ Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động. 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 hoạt động enzyme:

+ Enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết đặc hiệu giữa 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.

+ 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:

+ Enzyme xúc tác các phản ứng chuyển hóa năng lượng trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, độ pH bình thường của tế bào và cơ thể.

+ Enzyme đã làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp nhờ đó có thể làm tăng tốc phản ứng.

Câu hỏi 2 trang 83 Sinh học 10: 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?

Trả lời:

- 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.

- Tác động của các yếu tố trên đến hoạt tính của enzyme như sau:

+ Nồng độ enzyme: Nếu nồng 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.

+ Nồng độ 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.

+ Độ pH: 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.

+ Nhiệt độ: 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.

+ Chất điều hòa enzyme: 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.

Câu hỏi 3 trang 83 Sinh học 10: 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.

Trả lời:

Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất thông qua điều khiển những yếu tố sau:

- Điều chỉnh bằng các chất hoạt hóa (những loại phân tử khi liên kết sẽ làm tăng hoạt tính của enzyme) hoặc chất ức chế (những loại phân tử khi liên kết sẽ làm giảm hoặc mất hoạt tính của enzyme).

- Điều chỉnh bằng ức chế ngược: Ức chế ngược là kiểu điều hòa, trong đó sản phẩm của con đường chuyển hóa khi đã đủ nhu cầu của tế bào sẽ quay lại tác động như một chất ức chế làm bất hoạt enzyme xúc tác cho phản ứng ở đầu con đường chuyển hóa để dùng tổng hợp sản phẩm.

Câu hỏi 4 trang 83 Sinh học 10: 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.

Trả lời:

Vì enzyme có bản chất là protein nên khi tăng nhiệt độ lên quá cao sẽ khiến enzyme bị biến tính, từ đó có thể làm giảm hoặc mất hoạt tính của enzyme. Chính vì thế mỗi loại enzyme chỉ hoạt động hiệu quả trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định. Khi nhiệt độ tăng quá cao hoặc quá thấp có thể làm giảm hoặc mất hoạt tính của enzyme.

Luyện tập và vận dụng (trang 84)

Câu hỏi 1 trang 84 Sinh học 10: 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.

Trả lời:

Đáp án đúng là: D

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. Trong phân tử ATP, các gốc phosphate liên kết với nhau bằng các liên kết cao năng dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.

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

Câu hỏi 2 trang 84 Sinh học 10: Phân tích sự phù hợp giữa cấu tạo và chức năng của phân tử ATP.

Trả lời:

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

- ATP cấu tạo gồm các thành phần: phân tử adenine, phân tử đường ribose và 3 gốc phosphate. 3 nhóm phosphate cuối cùng tạo nên 2 liên kết cao năng → ATP là một hợp chất cao năng, liên kết giữa hai nhóm phosphate cuối cùng trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống.

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

Câu hỏi 3 trang 84 Sinh học 10: 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.

Trả lời:

Ý nghĩa của 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:

- Mỗi loại enzyme khác nhau cần có một môi trường hoạt động phù hợp để tạo hiệu suất hoạt động cao nhất.

- 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 giúp tạo ra những môi trường khác nhau (nhiệt độ, độ pH, nồng độ cơ chất,… khác nhau) phù hợp cho hoạt động từng loại enzyme mà vẫn không ảnh hưởng đến sự hoạt động của các enzyme khác.

Câu hỏi 4 trang 84 Sinh học 10: 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.

Trả lời:

Cấu tạo tế bào hay cấu tạo của các enzyme đều có thành phần các nguyên tố khoáng vi lượng, vitamin…, Các chất này sinh vật cần hấp thụ qua quá trình hấp thụ nước và muối khoáng ở thực vật hay tiêu hóa thức ăn ở động vật. Vì vậy, 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 để cây trồng và vật nuôi có đủ vật chất xây dựng tế bào, cơ thể đồng thời có đủ enzyme để quá trình trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng trong cơ thể được diễn ra tốt nhất. Nhờ đó, cây trồng và vật nuôi có thể sinh trưởng tốt nhất, cho năng suất cao nhất.

Lý thuyết Sinh học 10 Bài 13: Khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng

I. 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.

	Khái niệm	Dòng năng lượng tồn tại trong tế bào
Động năng	Năng lượng làm vật khác di chuyển hay thay đổi trạng thái	Nhiệt năng (nhiệt độ cơ thể), cơ năng (sự co cơ), điện năng (xung thần kinh)
Thế năng	Năng lượng tiềm ẩn di vị trí hoặc trạng thái của vật chất tạo ra.	Năng lượng trong các liên kết hóa học, sự chênh lệch điện thế và nồng độ các chất giữa bên trong và bên ngoài tế bào.

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.

II. 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:

Xem thêm lời giải bài tập Sinh học lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Bài 13: Khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng

Bài 14: Phân giải và tổng hợp các chất trong tế bào

Bài 15: Thực hành: Thí nghiệm phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến hoạt tính của enzyme và kiểm tra hoạt tính của enzyme amylase

Bài 16: Chu kì tế bào và nguyên phân

Bài 17: Giảm phân