- Nguồn năng lượng cung cấp cho tế bào và cơ thể được lấy từ quá trình hô hấp tế bào (tế bào thực hiện phân giải các chất hữu cơ có nguồn gốc từ thức ăn để cung cấp năng lượng cho cơ thể).

- Để thực hiện hoạt động vận động như các cầu thủ đá bóng, đã có sự chuyển đổi năng lượng từ dạng thế năng (năng lượng trong các liên kết hóa học) thành năng lượng động năng (cơ năng).

Một số dạng năng lượng tồn tại trong tế bào sinh vật là:

- Động năng: là năng lượng làm vật khác di chuyển hay thay đổi trạng thái như nhiệt năng (ví dụ: nhiệt độ cơ thể), cơ năng (ví dụ: sự co cơ, vận động của các cơ quan), điện năng (ví dụ: xung thần kinh, chuỗi chuyền electron).

- Thế năng: là năng lượng tiềm ẩn do vị trí hoặc trạng thái của vật chất tạo ra như năng lượng trong các liên kết hóa học, sự chênh lệch về điện thế và nồng độ các chất giữa bên trong và bên ngoài tế bào.

• 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.

• 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. Các hoạt động sống cần năng lượng ATP như:

- Tổng hợp nên các chất hóa học mới cần thiết cho tế bào: Những tế bào đang sinh trưởng mạnh hoặc những tế bào tiết ra nhiều prôtêin có thể tiêu tốn tới 75% năng lượng ATP mà tế bào tiết ra.

- Vận chuyển các chất qua màng: Vận chuyển chủ động cần tiêu tốn nhiều năng lượng. Ví dụ, tế bào thận của người cần sử dụng tới 80% ATP sinh sản ra để vận chuyển các chất qua màng trong quá trình lọc máu tạo nước tiểu.

- Sinh công cơ học: Sự co của các tế bào cơ tim và cơ xương tiêu tốn một lượng ATP khổng lồ. Khi ta nâng một vật nặng thì gần như toàn bộ ATP của tế bào phải được huy động tức thì.

• ATP là “đồng tiền” năng lượng của tế bào bởi 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,…

- Khái niệm chuyển hóa năng lượng trong tế bào: Chuyển hóa năng lượng là sự chuyển đổi của năng lượng từ dạng này sang dạng khác và luôn tuân theo các quy luật vật lí cơ bản về nhiệt động học.

- Quá trình chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với sự chuyển đổi năng lượng là bởi 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: Với phân tử ATP, khi giải phóng năng lượng thì thành phần cấu trúc của ATP cũng sẽ bị thay đổi (ATP → ADP → AMP).

+ Các phản ứng hóa học trong tế bào và cơ thể cũng luôn có sự biến đổi về vật chất kèm theo sự biến đổi về năng lượng. Các phản ứng chuyển hóa vật chất trong có thể gồm: tổng hợp và phân giải: Các phản ứng tổng hợp các chất (đồng hóa) cần tiêu tốn năng lượng. Các phản ứng phân giải các chất (dị hóa) kèm theo giải phóng năng lượng.

• 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.

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

• Tác động của các yếu tố đến hoạt tính của enzyme:

- Nồng độ cơ chất: Với một lượng enzyme không đổi, nếu tăng dần lượng cơ chất trong dung dịch thì thoạt đầu hoạt tính của enzyme tăng dần, nhưng đến một lúc đó thì sự gia tăng về nồng độ cơ chất cũng không làm tăng hoạt tính của enzyme do lượng enzyme có trong môi trường đã hoạt động tối đa.

- Nồng độ enzyme: Với một lượng cơ chất không đổi, khi nồng độ enzyme càng cao thì hoạt tính của enzyme càng tăng nhưng chỉ đạt ngưỡng nhất định rồi dừng lại do đã sử dụng tối đa lượng cơ chất.

- Độ pH: Mỗi enzyme có một pH thích hợp, ngoài khoảng pH này enzyme có thể bị giảm hoạt tính hoặc bất hoạt. Ví dụ: Enzyme pepsin cần pH = 2.

- Nhiệt độ: Mỗi enzyme có một nhiệt độ tối ưu, tại đó enzyme có hoạt tính tối đa làm cho tốc độ phản ứng xảy ra nhanh nhất. Ngoài khoảng nhiệt độ đó, hoạt tính enzyme sẽ giảm, thậm chí mất hoàn toàn.

- Chất điều hòa enzyme: Một số chất hóa học có thể ức chế sự hoạt động của enzyme. Một số chất khác khi liên kết với enzyme làm tăng hoạt tính của enzyme.

Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của enzyme bằng những yếu tố:

- 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.

Đáp án đúng là: D

A. Sai. Phân tử ATP có cấu tạo từ ba thành phần cơ bản: adenine, đường ribose và 3 gốc phosphate.

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.

C. Sai. Mỗi phân tử ATP có ba gốc phosphate liên kết với nhau tạo nên 2 liên kết cao năng.

D. Đúng. ATP liên tục được tổng hợp, vận chuyển và sử dụng trong tế bào sống.

Sự phù hợp giữa cấu tạo và chức năng của phân tử 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. Các liên kết giữa các gốc phosphate dễ bị phá vỡ sẽ giải phóng năng lượng. Liên kết ngoài cùng thường dễ bị phá vỡ hơn và ATP sẽ chuyển thành ADP. Đôi khi, cả hai liên kết cao năng đều sẽ bị phá vỡ giải phóng lượng năng lượng gấp đôi và ATP chuyển thành AMP.

- Các nhóm phosphate được tách ra từ ATP sau khi được sử dụng sẽ quay trở lại gắn vào ADP, AMP để khôi phục lại ATP để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống tiếp theo.

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.

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.