Sự tích trữ năng lượng

            Các quá trình dị hóa cung cấp năng lượng được sử dụng có ích cho các hoạt động sống. Năng lượng không thể tồn tại ở dạng nhiệt bởi vì tế bào có chức năng ổn định nhiệt độ. Năng lượng dạng nhiệt chỉ hữu ích khi truyền từ cơ thể nóng sang cơ thể lạnh.
Năng lượng từ sự hô hấp phải bảo tồn hoặc biến đổi tích lũy trong các chất hóa học. Chủ yếu năng lượng hóa học tồn tại ở dạng ATP. ATP là mối liên kết giữa phản ứng tỏa và thu nhiệt. ATP được tạo thành từ adenosin và đường ribo với nhóm 3 gốc photphat nối nhau bằng liên kết photpho este.

Tầm quan trọng của ATP mà chúng ta phải chú ý đó là nơi dự trữ khoảng 7 Kcal/mol năng lượng trong liên kết của gốc photphat, giữa liên kết thứ nhất và thứ hai trong nhóm photphat. Mối quan hệ về năng lượng của sự hình thành và thủy phân ATP được minh họa bằng phương trình sau:

a.     Phân giải: ATP + H₂O → ADP + P + năng lượng

b.     Tổng hợp: ADP + P + năng lượng → ATP + H₂O

 Dưới điều kiện nào đó ATP có thể thủy phân trực tiếp thành AMP

          ATP + H₂O → AMP + P P + năng lượng

Có những sự chuyển hóa phân tử photphat khác mà tích lũy hoặc cung cấp năng lượng cần thiết. Một ví dụ thêm nữa là sự thủy phân creatin photphat trong tế bào cơ cũng giải phóng năng lượng.

Phản ứng thuận nghịch:

Có nhiều phản ứng sinh hóa kết quả là năng lượng tỏa ra dạng nhiệt, trong khi nhiều phản ứng khác cần năng lượng (thu nhiệt). Để cho cả hai quá trình xảy ra có hiệu quả, chúng phải thuận nghịch. Thường một phản ứng thuận nghịch sẽ cần ATP hoặc 1 vài phân tử giống nó. Một phản ứng thuận nghịch là nơi 2 phản ứng xảy ra gần cùng lúc (đồng thời). Phản ứng đầu tiên phải tỏa nhiệt và giải phóng năng lượng. Phản ứng thứ hai là phản ứng thu nhiệt và ngay lập tức sử dụng năng lượng được sản xuất ra từ phản ứng thứ nhất.

Một ví dụ của phản ứng thuận nghịch là sự thủy phân ATP và sự co bóp của tế bào cơ. Hai loại protein và actin và myosin ở dạng phức hợp không bền gọi là actomyosin. Khi ATP được thêm vào 1 actomyosin đơn độc, các sợi protein co lại. Sự thủy phân ATP giải phóng năng lượng mà được sử dụng cho sự co cơ. Phản ứng thuận nghịch đó là:

a.     ATP + H₂O → ADP + P + năng lượng

b.     Cơ giãn + năng lượng → Cơ co

 Khi ATP được sử dụng bởi cơ, thêm nữa sự cung cấp năng lượng được giải phóng từ creatin photphat. Một ví dụ khác của phản ứng thuận nghịch là sự thủy phân creatin photphat để giải phóng năng lượng mà được dùng để tổng hợp nhiều hơn ATP. Phản ứng thuận nghịch là:

a.     Creatin → PO₃ + H₂O → Creatin H + HPO₄^3- + năng lượng

b.     ADP + HPO₄^3- + năng lượng → ATP + H₂O

Trong suốt giai đoạn hoạt động chậm của cơ, phản ứng được đảo ngược để bổ sung ATP và creatin photphat thay thế. Năng lượng cho sự tổng hợp ATP được cung cấp bởi phản ứng trao đổi chất khác.

Sự tổng hợp ATP:

Tế bào sử dụng hệ thống bơm proton tạo thành từ protein xuyên màng trong ty thể để tạo ra ATP. Tổng hợp ATP là quá trình thuận nghịch oxi hóa NADH và khử O₂ trong chuỗi vận chuyển điện tử (2 chủ đề sẽ học trong tương lai). Có 3 bước chủ yếu trong quá trình này.

a.     Electron được chuyển từ NADH qua chuỗi vận chuyển điện tử đến O₂.

b.     Sự chuyển điện tử bởi chuỗi vận chuyển điện tử tạo ra 1 chênh lệch nồng độ proton H⁺ ở màng trong ty thể.

c.      Khi H⁺ tự động khuếch tán trở lại qua màng trong ty thể ATP được tổng hợp.

Enzim ATP Synthetase chuyển năng lượng tự do từ sự chênh lệch nồng độ proton sang năng lượng hóa học dưới dạng ATP. Nó gồm 2 bộ phận chính cấu thành:

ATP Synthetase (nhiều màu) có 2 bộ phận cấu thành: 1 kênh proton (màu đỏ tươi) nơi cho phép khuếch tán proton đến nơi có nồng độ thấp, từ trong khoảng không gian màng và 1 tiểu phần xúc tác (F1) để xúc tác tổng hợp ATP trong sáu đơn vị alpha beta (nhiều màu) trong tranh vẽ bên trái.

Mỗi 3 proton được bơm qua kênh, tiểu phần F1 quay 120 độ. Sự tổng hợp xảy ra (Sự tạo thành liên kết giữa ADP và gốc photphat vô cơ được xúc tác bởi đúng sự thay đổi của enzym, xảy ra như là 1 kết quả của sự quay.

Điểm then chốt đó là chuyển động quay tiểu phần beta chứa ADP + P_i đến một vị trí mới. Trong vị trí mới tiểu phần beta sẽ gắn chặt ATP hơn và vì thế xúc tác tổng hợp ATP từ ADP và P_i. ATP mới tạo được giải phóng với sự vận chuyển của 1 proton thêm vào. 3 proton phải được vận chuyển để tạo 1 ATP. Hãy xem 1 hoặc nhiều hơn các đoạn hoạt hình dưới đây để có sự mô tả hoàn hảo hơn.

Năng lượng cho cơ thể người:

Cung cấp đủ năng lượng hỗ trợ cho hoạt động của cơ thể trong công việc và giải trí là một trong chức năng chủ yếu của thức ăn. Năng lượng này đến từ chất béo, cacbonhidrat và protein trong thức ăn của bạn. Trong số 3 loại trên, chất béo tập trung nhiều nhất năng lượng bởi vì nó cung cấp hơn 2 lần năng lượng cho trọng lượng cơ thể so với protein hoặc cacbonhidrat.

Năng lượng yêu cầu thường biểu lộ bằng calo. Calo sử dụng trong dinh dưỡng được cho là một lượng lớn calo. Thực tế là 1 kilocalo – là 1 lượng năng lượng dạng nhiệt cần để tăng nhiệt độ của 1 kilogram (khoảng 1 lít Anh) của nước lên 1 độ C.

Năng lượng cung cấp cho người được chia làm 2 phần: Năng lượng cung cấp cho hoạt động TĐC cơ bản và năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống.Tốc độ trao đổi chất cơ bản là sức nóng tỏa ra từ cơ thể lúc nghỉ ngơi khi nhiệt độ cơ thể ở trạng thái bình thường. Trung bình 1 người cần 2.000 đến 2.400 calo/ngày. Trong khi 1 người lớn làm việc nặng có thể cần trên 6.000 calo/ngày.

        Ba nhóm thức ăn chính cung cấp 1 lượng năng lượng như sau: Cacbonhidrat và protein cung cấp khoảng 4 calo/gram; chất béo cung cấp khoảng 9 calo/gram. Khi bạn chọn thức ăn cung cấp nhiều năng lượng hoặc calo hơn bạn cần, năng lượng thừa được dự trữ dưới dạng mỡ trong cơ thể, kết quả là tăng cân. Nếu ăn ít thức ăn sẽ đối mặt với sự đỏi hỏi năng lượng, mỡ dự trữ của cơ thể cung cấp như là 1 nguồn năng lượng, kết quả sẽ giảm cân. Trọng lượng cơ thể không đổi nếu năng lượng từ thức ăn phù hợp với năng lượng cơ thể yêu cầu.

Dòng năng lượng trong sinh quyển:

Tất cả các quá trình hóa học của tế bào gọi là sự trao đổi chất. Sự làm vỡ hoặc biến chất của phức hợp hữu cơ phân tử để tạo ra phân tử đơn giản và năng lượng gọi là dị hóa. Đồng hóa là tất cả các quá trình sinh tổng hợp nơi mà lượng lớn phức hợp phân tử được tạo thành từ các phân tử đơn giản. Sự đồng hóa là quá trình yêu cầu phải cung cấp năng lượng bởi vì yêu cầu là có sự tạo thành và việc cần thiết phải thực hiện. Trên hết cả hai quá trình của sự trao đổi chất phải diễn ra đồng thời vì dị hóa cung cấp năng lượng cần thiết cho đồng hóa.

Cây xanh sử dụng năng lượng từ mặt trời qua quá trình quang hợp để tổng hợp lượng lớn phân tử từ các phân tử nhỏ. Mặt khác động vật và con người sử dụng thực vật làm thức ăn, lượng lớn phân tử được phân giải để cung cấp năng lượng.

Nếu bạn nhớ lại định nghĩa cho 1 phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng mà năng lượng được giải phóng ra và phản ứng thu nhiệt là phản ứng cần năng lượng.

Sử dụng năng lượng trong tế bào:

Cơ thể người và tế bào cần cung cấp 1 lượng không đổi năng lượng có nhiều lý do khác nhau. Năng lượng cần để thực hiện công cơ học bao gồm thay đổi vị trí hoặc sự định hướng của 1 phần cơ thể hoặc tự tế bào. Một ví dụ điển hình đó là năng lượng cần thiết cho sự co cơ.

Sự vận chuyển phân tử cũng cần năng lượng. Sự vận chuyển phân tử từ 1 nơi có nồng độ thấp đến 1 nơi có nồng độ cao yêu cầu năng lượng, kể từ khi sự vận chuyển này ngược với sự vận chuyển bình thường của phân tử. Quá trình này cũng được gọi là hoạt động vận chuyển. Ví dụ bao gồm sự vận chuyển dinh dưỡng cần thiết (dinh dưỡng thô) vào trong tế bào và vận chuyển thải chất thải ra khỏi tế bào.

Công điện học cũng bao gồm vận chuyển phân tử kể từ khi nó thiết lập 1 sự tập trung khác nhau của ion xuyên màng được sử dụng để tạo nên 1 thế hiệu điện. kết quả của công điện học là sự kích thích và thúc đẩy độ dẫn trong dây thần kinh và tế bào cơ.

Cuối cùng, năng lượng được cần cho sự tổng hợp của phức hợp sinh hóa mới. Sinh tổng hợp bao gồm sự tạo thành của nhiều phân tử mới từ những phân tử đơn giản. Nguyên liệu, vật liệu mới của tế bào được sản xuất không chỉ trong suốt hoạt động giai đoạn sinh trưởng mà còn trong cấu trúc hiện tại để sửa chữa và thay thế phân tử bị tổn hại. 

(Sưu Tầm)