Năng lượng sinh học năng lượng tự do và trao đổi chất

Tuy nhiên, trái với con người, con người tìm kiếm các chất như nhiên liệu hóa thạch để tạo năng lượng cho ngôi nhà và công việc kinh doanh của họ, các tế bào tìm kiếm năng lượng dưới hìn

BÀI 2: NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

1 Năng lượng tự do và trao đổi chất:

1.1 Năng lượng tự do, năng lượng hoạt hóa

Các tế bào, như con người, không thể tự tạo ra năng lượng mà không định vị được một nguồn năng lượng trong môi trường của chúng Tuy nhiên, trái với con người, con người tìm kiếm các chất như nhiên liệu hóa thạch để tạo năng lượng cho ngôi nhà và công việc kinh doanh của họ, các tế bào tìm kiếm năng lượng dưới hình thức các phân tử dinh

dưỡng hay ánh sáng mặt trời Thực tế, mặt trời là nguồn năng lượng cho hầu hết tất cả các

tế bào, bởi vì các vi khuẩn quang dưỡng, tảo và các tế bào thực vật khai thác năng lượng mặt trời và sử dụng nó để tạo thành các phân tử dinh dưỡng hữu cơ phức tạp Các chất này trở thành nguồn cung cấp năng lượng cho các tế bào khác để tăng trưởng lâu dài, tiến hành trao đổi chất và tái sản xuất

Vật thể sống luôn cần năng lượng Nguồn năng lượng này dùng cho sự vận động, tăng trưởng, tổng hợp các phân tử sinh học, vận chuyển các ion và phân tử khác xuyên màng TB… Tất cả vật thể sống đều lấy năng lượng từ môi trường xung quang nó và biến đổi chúng thành dạng năng lượng dễ sử dụng để duy trì sự sống Năng lượng trong tế bào tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như hoá năng, điện năng Ngoài việc giữ nhiệt độ ổn định cho tế bào và cơ thể thì có thể coi nhiệt năng như năng lượng vô ích vì không có khả năng sinh công Sự chênh lệch về nồng độ các ion trái dấu giữa 2 phía của màng có thể tạo ra sự chênh lệch điện thế Năng lượng chủ yếu của tế bào là hoá năng (năng lượng tiềm ẩn trong các liên kết hóa học)

Những phân tử thực phẩm hữu cơ phức tạp như đường, chất béo, protein là những nguồn giàu năng lượng cho tế bào, vì phần lớn năng lượng sử dụng để tạo thành những phân tử này được lưu trữ trong các liên kết hóa học Các quá trình oxy hóa từng bước năng lượng tự do được giải phóng từ đường và được lưu trữ trong ‘phân tử vận chuyển’ của tế bào (ATP và NADH)

Tế bào cần năng lượng để thực hiện các hoạt động sống Bắt đầu bằng các nguồn năng lượng thu được từ môi trường sống như ánh sáng mặt trời và các phân tử thức ăn hữu cơ, tế bào nhân thực tạo ra các phân tử giàu năng lượng như ATP và NADH thông qua các con đường năng lượng bao gồm quang hợp, quá trình đường phân, chu trình acid citric, và oxy hóa phosphoryl hóa Sau đó, năng lượng dư thừa được lưu trữ trong các phân

tử lớn giàu năng lượng như polysaccharides (tinh bột và glycogen) và chất béo

1.2 Sự oxy hóa – khử

Định nghĩa: Phản ứng oxy hóa khử là phản ứng hóa học trong đó có sự trao đổi electron giữa các nguyên tử của các chất tham gia phản ứng do đó làm biến đổi số oxi hóa của chúng

Chất khử: là chất nhường e-(hay chất tăng số oxi hóa, chất bị oxi hóa) chuyển thành dạng oxi hóa liên hợp (hay sản phẩm bị oxi hóa) Sự nhường e (hay sự tăng số oxi hóa) gọi

là sự oxi hóa

Chất oxi hóa: là chất nhận e- (hay chất giảm số oxi hóa, chất bị khử) chuyển thành dạng khử liên hợp (hay sản phẩm bị khử) Sự nhận e (hay sự giảm số oxi hóa) gọi là sự khử

 Quá trình quang hợp:

Về mặt năng lượng: Quang hợp là quá trình tổng hợp chất hữu cơ (đường glucôzơ) từ các chất vô cơ nhờ năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi hệ sắc tố từ thực vật

Về bản chất hóa học: Quang hợp là quá trình oxi hóa khử, trong đó, H2O bị oxi hóa và

CO2bị khử

Ðiểm cần chú ý là: sự khử là sự nhận điện tử, dự trữ năng lượng trong chất bị khử, ngược lại sự oxy hóa là sự mất đi điện tử, giải phóng năng lượng từ chất bị oxy hóa

 Quá trình hô hấp:

Hô hấp là chuỗi các phản ứng oxi hóa khử glucose để tạo ra các hợp chất cao năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào

1.3 ATP – đồng tiền năng lượng của TB

 Cấu tạo

ATP (Adenozin triphosphat): gồm 1 bazonito adenin liên kết với 3 nhóm Photphat và đường ribozo ATP chủ yếu được sinh ra ở ti thể

Liên kết giữa 2 nhóm photphat cuối cùng dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng,

do các nhóm photphat đều mang điện âm nên có xu hướng đẩy nhau Mỗi liên kết cao năng bị phá vỡ giải phóng 7,3kcal

ATP truyền năng lượng cho các hợp chất khác trở thành ADP và lại được gắn thêm nhóm photphat để trở thành ATP Mỗi TB trong mỗi giây tổng hợp và phân hủy tới 10 triệu phân tử ATP

 Chức năng

Cung cấp năng lượng cho các quá trình sinh tổng hợp của TB

Cung cấp năng lượng cho quá trình vận chuyển các chất qua màng (vận chuyển chủ động) Cung cấp năng lượng để sinh công cơ học: hoạt động co cơ, vận động

1.4 Enzym

Enzym còn gọi là men là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein Cho tới nay, người ta đã biết được khoảng 3.000 enzyme Tất cả các enzyme đều được gọi tên

và được xếp vào "Hệ thống phân loại" Mỗi enzym đều có ký hiệu phản ánh các thứ tự phân loại trên Các enzyme hoạt động để phá hủy đường, tinh bột (carbohydrate), chất béo, hoặc các protein thành những miếng nhỏ hơn để cơ thể có thể được hấp thụ và sử dụng

 Phân loại enzym

 Enzyme chuyển hóa: sản sinh trong các tế bào giúp tổng hợp năng lượng và sử dụng

năng lượng Trong lysosom chứa enzyme loại thủy phân (hydrolase) có tác dụng phá vỡ

nhiều loại phân tử lớn như nucleic acid, protein, chất béo và nhiều loại phân tử lớn khác như mucopolysaccharide thành những phân tử nhỏ

 Enzyme tiêu hóa: tiết ra trong tuyến nước bọt, dạ dày, tuyến tụy và ruột non được sinh

ra nhằm giúp cơ thể tiêu hóa thực phẩm Enzymes tiêu hóa (bao gồm 5 enzymes Protease, Amylase, Lactase, Cellulase, Lipase)

 Enzyme thực phẩm: có trong thực phẩm tươi sống được đưa vào cơ thể qua thức ăn còn

gọi là enzyme hữu cơ Chúng giúp enzyme tiêu hóa phá vỡ thức ăn Enzym papain trong

đu đủ, bromelain trong dứa thuộc nhóm protease phân cắt protein thịt

 Tính chất của enzym

Đa số enzym có dạng hình cầu và không đi qua màng bán thấm do có kích thước lớn Enzym có bản chất là protein nên có tất cả thuộc tính lý hóa của protein Tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực khác, không tan trong ete và các dung môi không phân cực

Không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, nhiệt độ cao thì enzym bị biến tính Môi trường axít hay bazơ cũng làm enzym mất khả năng hoạt động

Enzym có tính lưỡng tính: tùy pH của môi trường mà tồn tại ở các dạng: cation, anion hay trung hòa điện

Enzym chia làm hai nhóm: enzym một cấu tử (chỉ chứa protein) như pepsin, amylase… và các enzym hai cấu tử (trong phân tử còn có nhóm không phải protein) Trong phân tử enzym hai cấu tử có hai phần:

 Apo-enzym: phần protein (nâng cao lực xúc tác của enzym, quyết định tính đặc hiệu)

 Co-enzym: phần không phải protein (trực tiếp tham gia vào phản ứng enzym), bản chất là những hợp chất hữu cơ phức tạp

 Vai trò của enzym

Nhờ enzim mà các quá trình sinh hóa trong cơ thể sống xảy ra rất nhạy với tốc độ lớn trong điều kiện sinh lí bình thường Khi có enzim xúc tác, tốc độ của một phản ứng có thể tăng hàng triệu lần Nếu tế bào không có các enzim thì các hoạt động sống không thể duy trì được vì tốc độ của các phản ứng sinh hoá xảy ra quá chậm

Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hoá vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của các enzim bằng các chất hoạt hoá hay ức chế Các chất ức chế đặc hiệu khi liên kết với enzim sẽ làm biến đổi cấu hình của enzim làm cho enzim không thể liên kết được với cơ chất Ngược lại, các chất hoạt hoá khi liên kết với enzim sẽ làm tăng hoạt tính của enzim

Ức chế ngược là kiểu điều hoà trong đó sản phẩm của con đường chuyển hoá quay lại tác động như một chất ức chế, làm bất hoạt enzim xúc tác cho phản ứng ở đầu của con đường chuyển hoá

Khi một enzim nào đó trong tế bào không được tổng hợp hoặc tổng hợp quá ít hay bị bất hoạt thì sản phẩm không những không được tạo thành mà cơ chất của enzim đó cũng

sẽ bị tích luỹ lại gây độc cho tế bào hoặc có thể được chuyển hoá theo con đường phụ thành các chất độc gây nên các triệu chứng bệnh lí Các bệnh đó ở người được gọi là bệnh rối loạn chuyển hoá

 Khi một người không hấp thụ được sữa, chúng ta gọi đó là hiện tượng không dung nạp lactose có khá nhiều người gặp hiện tượng đầy hơi, đau quặn bụng hay khó tiêu hóa sau khi ăn các sản phẩm sữa Ruột non sản xuất lactase giúp phân hủy lactose thành glucose và galactose, để dễ dàng hấp thụ vào máu.Trong trường hợp không có lactase, lactose không tiêu hóa được và chỉ đọng lại ở đại tràng và lên men, gây ra tất

cả các loại tác dụng phụ khó chịu

 Rối loạn chuyển hóa đường galactose Những tình trạng này gây ra do đột biến một gen cụ thể và ảnh hưởng đến các enzyme khác nhau tham gia vào việc cắt đường galactose Rối loạn chuyển hóa đường galactose loại II (thiếu galactokinase) và loại III (thiếu galactose epimerase)

 Bệnh dự trữ glycogen (GSD) là 1 nhóm rối loạn bẩm sinh trong đó 1 lượng hoặc 1 dạng glycogen bất thường được dữ trữ trong gan Nó là hậu quả từ thiếu sót của gan trong vấn đề điều hòa chuyển hóa glycogen và glucose Bệnh này xảy ra khi thiếu enzym glucose-6-phosphatase điều hòa sự chuyển đổi của glucose từ glycogen

 Chứng thiếu hụt enzyme Acyl-CoA Dehydrogenase, một loại rối loạn chuyển hóa khiến cơ thể không thể phân giải chất béo để giải phóng năng lượng, thay vào đó chúng tấn công vào cơ bắp mỗi khi vận động hay căng thẳng gây đau đớn và nước tiểu có màu đen

1.5 Các quá trình sinh hóa

Chuyển hóa vật chất là tập hợp các phản ứng sinh hóa xảy ra bên trong TB giúp TB thực hiện các đặc tính của sự sống như sinh trưởng, phát triển, cảm ứng, sinh sản Chuyển hóa vật chất luôn kèm theo chuyển hóa năng lượng Năng lượng trong TB thường tồn tại tiềm ẩn và chủ yếu ở dạng hóa năng

Chuyển hóa vật chất gồm 2 quá trình: đồng hóa và dị hóa

 Đồng hóa là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ phức tạp từ các chất đơn giản, đồng thời tích lũy năng lượng dạng hóa năng

 Dị hóa là quá trình phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản hơn, đồng thời giải phóng năng lượng

2 Quang hợp:

2.1 Sắc tố quang hợp

Ánh sáng mặt trời có chứa các photon trong một phổ rộng của bước sóng gọi là quang phổ điện từ, các sinh vật chỉ sử dụng 1 phần nhỏ của quang phổ gọi là ánh sáng nhìn thấy (λ 400 – 740nm)

Các sinh vật quang hợp có chứa sắc tố tạo thuận lợi cho việc bắt giữ bước sóng của ánh sáng trong dải ánh sáng nhìn thấy Màu của 1 sắc tố xuất phát từ các bước sóng ánh sáng phản xạ, cây có màu xanh vì chúng phản ánh các bước sóng ánh sáng màu vàng và

màu xanh lá cây, bước sóng màu đỏ và màu xanh dương được hấp thụ nhiều nhất để cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp

Các phản ứng hóa học của quang hợp xảy ra trong tế bào thực vật, bào quan thực hiện là lục lạp đóng vai trò quan trọng trong thế giới thực vật vì nó thực hiện chức năng quang hợp biến năng lượng của ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học để cung cấp cho toàn bộ thế giới sinh vật

2.2 Sự hấp thụ năng lượng ánh sáng, cố định CO 2

Lục lạp là bào quan chuyên việc thu hút ánh sáng năng lượng mặt trời và cacbonic để

1 phần tổng hợp ra ATP, 1 phần tích lũy năng lượng vào trong các phân tử cacbohydrat sản phẩm chính của quá trình quang hợp và giải phóng oxi Quá trình có 2 giai đoạn:

 Giai đoạn tiến hành có ánh sáng gọi là pha sáng (giai đoạn chuyển hóa năng lượng)

 Giai đoạn không cần ánh sáng gọi là pha tối (chu trình Calvin)

2.3 Hai pha của quang hợp

Quá trình quang hợp có 2 giai đoạn, giai đoạn tiến hành có ánh sáng được gọi là pha sáng, giai đoạn tiến hành không có ánh sáng được gọi là pha tối

TIÊU CHÍ PHA SÁNG (giai đoạn chuyển

hóa năng lượng) PHA TỐI (chu trình Calvin)

Khái niệm

Là giai đoạn chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng trong các liên kế hóa học của ATP và NADPH

Là giai đoạn CO2bị khử thành cacbohidrat thông qua 1 loạt các phản ứng có xúc tác enzym

Điều kiện Cần ánh sáng Không cần ánh sáng

Nơi diễn ra Hạt grana/ hệ thống thilacoit Chất nền (stroma)

Nguyên liệu Năng lượng ánh sáng, H2O, ADP,

NADP+ ATP, NADPH, CO2, H2O

Phản ứng

2H2O + 2NADP+ + 2ADP + 2H3PO4–(ánh sáng/dlt) >

2NADPH2 + 2ATP + O2

5NADPH + 6CO2 + 2ATP > 2C3H5O3P + 5NADP + 2ADP +3O2 2C3H5O3P + H2O > C6H12O6 + 2P +

1/2O2

Diễn biến

Năng lượng ánh sáng được chuyển vào chuỗi chuyền electron xúc tác 1 chuỗi các phản ứng oxy hóa ADP và NADP+ tạo thành ATP và NADPH2(hợp chất cao năng lượng)

Sử dụng nguồn năng lượng ATP và NADPH2để khử CO2 thành gluxit và

các chất hữu cơ

2 pha sáng – tối có mối liên hệ mật thiết với nhau Các sản phẩm ATP và NADPH2tạo thành trong pha sáng tạo nên cơ sở năng lượng và lực khử mạnh cho phản ứng chuyển hóa cacbon trong pha tối Ngược lại, sự sử dụng các chất này trong pha tối tạo ra tiền chất cho quá trình phosphoril hóa quang hợp trong pha sáng Chiều

hướng biến đổi của pha sáng là oxy hóa, pha tối là quá trình khử

2.4 Quang hợp ở thực vật C3, C4, CAM

Quá trình quang hợp ở TV C3, C4, CAM giống nhau ở pha sáng chỉ khác nhau ở pha tối Diễn biến đều có tiến hành chu trình Calvin

2.4.1 Thực vật C3

Thực vật C3 phân bố mọi nơi trên TĐ (gồm các loài rêu đến cây gỗ trong rừng)

Pha tối diễn ra trong chất nền (stroma) của lục lạp Cần CO2 và sản phẩm của pha sáng là ATP và NADPH Pha tối ở thực vật C3 chỉ có chu trình Calvin gồm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn cố định CO2

 Chất nhận CO2đầu tiên và duy nhất là hợp chất 5C ribulozo -1,5-diphotphat RiDP

 Sản phẩm đầu tiên ổn định của chu trình là hợp chất 3C acid photphoglyxeric APG

 Enzym xúc tác cho phản ứng là RiPD-caboxylaza

 Giai đoạn khử APG thành AlPG aldehitphosphoglyceric

 Dưới xúc tác của ATP, NADPH khử APG thành ALPG 1 phần ALPG tách ra khỏi chu trình và kết hợp với 1 phân tử triozo-P để hình thành C6H12O6 từ đó hình thành tinh bột, acid amin…

 Giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu là ribulozo -1,5-diphotphat

 Phần lớn AlPG qua nhiều phản ứng cần cung cấp ATP tái tạo nên RiDP để khép kín chu trình, làm nguyên liệu cho các PƯ tiếp theo

2.4.2 Thực vật C4

Gồm 1 số loài sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như: mía, ngô, cao lương… Thực vật C4 sống trong điều kiện nóng ẩm kéo dài, nhiệt độ, ánh sáng cao => tiến hành quang hợp theo chu trình C4

TV C4 ưu việt hơn TV C3: cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2thấp hơn, điểm bão hòa ánh sáng cao hơn, nhu cầu nước thấp hơn => thực vật C4 có năng suất cao hơn TV C3

Chu trình C4 gồm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu theo chu trình C4 diễn ra ở lục lạp của TB nhu mô lá, giai đoạn 2 theo chu trình Calvin diễn ra trong lục lạp của TB bao bó mạch

 Tại TB mô giậu diễn ra giai đoạn cố định CO2đầu tiên:

Chất nhật CO2đầu tiên là hợp chất 3C phosphoenl piruvic – PEP

Sản phẩm ổn định đầu tiên là hợp chất 4C acid oxalo acetic – AOA, sau đó AOA chuyển hóa thành 1 hợp chất 4C khác là acid malic – AM trước khi chuyển vào TB bao bó mạch

 Tại TB bao bó mạch diễn ra giai đoạn cố định CO2lần 2

AM bị phân hủy để giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình Calvin và hình thành nên hợp chất 3C – acid piruvic

Acid piruvic quay lại TB mô giậu để tái tạo lại chất nhận CO2đầu tiên là PEP

Chu trình C3 diễn ra như ở TV C3