Mục lục bài họcĐang ở d05-b1
Enzymes, Metabolic Control and Cell Respiration
Enzymes and activation energy
Every reaction needs an activation energy ($E_a$) before it will go. An enzyme binds its substrate in the active site, holds it in the right orientation and stabilises the transition state, so $E_a$ falls and the reaction runs fast at body temperature. An enzyme does not change $\Delta G$, does not move the equilibrium position, and is not used up.
Specificity and induced fit
The active site is complementary to one substrate in shape and in charge. The induced fit model replaces the older lock-and-key picture: the active site is flexible, and as the substrate binds, the enzyme changes conformation to grip it more tightly, straining the bonds that must break.
What changes the rate
- Temperature — rate climbs with kinetic energy up to an optimum, then falls steeply as the enzyme denatures.
- pH — extremes change the ionisation of R-groups and distort the active site.
- Substrate concentration — rate climbs, then plateaus at $V_{\max}$ when every active site is occupied (saturation). $K_m$ is the substrate concentration giving half of $V_{\max}$; a low $K_m$ means high affinity.
Inhibition and the control of pathways
- Competitive inhibitor — resembles the substrate and binds the active site. It raises $K_m$, leaves $V_{\max}$ unchanged, and is overcome by adding more substrate.
- Non-competitive inhibitor — binds an allosteric site and distorts the active site. It lowers $V_{\max}$, leaves $K_m$ unchanged, and is not overcome by adding more substrate.
- End-product inhibition — the last product of a pathway acts as a non-competitive inhibitor of the first enzyme in that pathway, so the cell stops building what it already has. This is negative feedback at the level of metabolism.
Anabolism, catabolism and cell respiration
Anabolic reactions build large molecules from small ones by condensation and require energy; catabolic reactions hydrolyse large molecules and release energy. Cell respiration is the catabolic pathway that transfers energy from $\ce{C6H12O6}$ to ATP in four stages: glycolysis in the cytoplasm (net $2$ ATP, $2$ NADH, $2$ pyruvate), the link reaction and Krebs cycle in the mitochondrial matrix, and the electron transport chain with chemiosmosis at the inner membrane, giving about $30$–$32$ ATP per glucose in total.
Enzyme hạ activation energy, và chỉ hạ có thế
Phản ứng nào cũng phải vượt một rào activation energy ($E_a$, năng lượng hoạt hoá). Enzyme gắn substrate (cơ chất) vào active site (trung tâm hoạt động), giữ đúng tư thế và làm bền trạng thái chuyển tiếp nên rào $E_a$ hạ xuống. Ba điều enzyme không làm, và đề IB hỏi liên tục: không đổi $\Delta G$, không dời vị trí cân bằng, không bị tiêu hao.
Specificity và induced fit
Induced fit (khớp cảm ứng) đã thay hình ảnh ổ khoá – chìa khoá cũ: active site mềm dẻo, khi substrate tới gần thì enzyme đổi hình để ôm chặt hơn, làm căng đúng những liên kết sắp bị bẻ. Đó là lý do enzyme vừa chọn lọc vừa xúc tác được, chứ không chỉ là cái khuôn cứng.
Ba yếu tố đổi tốc độ
- Temperature — tăng dần theo động năng tới optimum rồi đổ dốc vì enzyme denature (biến tính, mất cấu trúc bậc ba).
- pH — pH cực đoan đổi điện tích các nhóm R nên méo active site.
- Substrate concentration — tăng rồi nằm ngang ở $V_{\max}$ khi mọi active site đều bận (saturation, bão hoà). $K_m$ là nồng độ cơ chất cho một nửa $V_{\max}$; $K_m$ nhỏ nghĩa là ái lực mạnh.
Hai kiểu inhibitor và cách phân biệt bằng đồ thị
- Competitive inhibitor giống hình substrate nên chui thẳng vào active site. Hệ quả đọc được trên đồ thị: $K_m$ tăng, $V_{\max}$ giữ nguyên, và đổ thêm cơ chất là gỡ được.
- Non-competitive inhibitor gắn ở allosteric site (vị trí dị lập thể) làm méo active site từ xa. Hệ quả: $V_{\max}$ giảm, $K_m$ giữ nguyên, đổ thêm cơ chất vô ích.
- End-product inhibition (ức chế ngược bởi sản phẩm cuối): sản phẩm cuối chuỗi quay lại ức chế non-competitive enzyme đầu tiên của chuỗi. Đây chính là negative feedback ở mức chuyển hoá — tế bào ngừng sản xuất thứ nó đã có đủ.
Anabolic, catabolic và cell respiration
Anabolic là dựng phân tử lớn từ phân tử nhỏ bằng condensation, tốn năng lượng; catabolic là bẻ nhỏ bằng hydrolysis, giải phóng năng lượng. Cell respiration là con đường catabolic chuyển năng lượng từ $\ce{C6H12O6}$ sang ATP qua bốn chặng: glycolysis ở cytoplasm (lãi ròng $2$ ATP, $2$ NADH, $2$ pyruvate), link reaction và Krebs cycle ở mitochondrial matrix, rồi electron transport chain kèm chemiosmosis ở màng trong ti thể, tổng cộng khoảng $30$–$32$ ATP mỗi phân tử glucose.
Trong một thí nghiệm hô hấp, hạt đậu đang nảy mầm tiêu thụ $12{,}0$ cm3 $\ce{O2}$ và thải ra $9{,}0$ cm3 $\ce{CO2}$ trong cùng $30$ phút. Một mẫu hạt khác cho số liệu như bảng dưới.
| Mẫu | $\ce{O2}$ tiêu thụ (cm3) | $\ce{CO2}$ thải (cm3) |
|---|---|---|
| A — hạt đậu nảy mầm | $12{,}0$ | $9{,}0$ |
| B — hạt ngô nảy mầm | $10{,}0$ | $10{,}0$ |
| C — nấm men trong bình kín | $4{,}0$ | $10{,}0$ |
Tính respiratory quotient (RQ) của cả ba mẫu và suy ra mỗi mẫu đang dùng cơ chất gì, hoặc đang hô hấp kiểu gì.
Công thức: $\text{RQ}=\dfrac{\ce{CO2}\ \text{thải ra}}{\ce{O2}\ \text{tiêu thụ}}$. Đây là tỉ số thể tích nên không cần đổi đơn vị, chỉ cần cùng khoảng thời gian.
Mẫu A: $\text{RQ}=9{,}0/12{,}0=0{,}75$. Giá trị quanh $0{,}7$ là dấu hiệu của lipid: axit béo có tỉ lệ hiđro trên oxi rất cao nên cần nhiều $\ce{O2}$ hơn hẳn so với lượng $\ce{CO2}$ nhả ra. Hạt đậu và hạt hướng dương dự trữ dầu, nên kết quả này hợp lý.
Mẫu B: $\text{RQ}=10{,}0/10{,}0=1{,}00$. Đúng bằng $1$ là chữ ký của carbohydrate, đọc thẳng ra từ phương trình $\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}$: sáu vào, sáu ra. Hạt ngô dự trữ tinh bột.
Mẫu C: $\text{RQ}=10{,}0/4{,}0=2{,}50$. RQ lớn hơn $1$ thì không còn cơ chất nào giải thích nổi — phải có một nguồn $\ce{CO2}$ không đi kèm tiêu thụ $\ce{O2}$. Nguồn đó là anaerobic respiration ở nấm men: $\ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2}$ nhả $\ce{CO2}$ mà không dùng $\ce{O2}$ chút nào. Vậy mẫu C đang hô hấp hỗn hợp, phần lớn là lên men.
Mẹo chấm nhanh: RQ $<1$ thì nghĩ lipid hoặc protein ($0{,}9$); RQ $=1$ thì carbohydrate; RQ $>1$ thì bắt buộc có thành phần kị khí. Nếu bạn ra $1{,}33$ cho mẫu A thì bạn đã lật ngược tử số với mẫu số.
Dựa vào đồ thị Michaelis–Menten ở bài này: một enzyme được thử với chất X, kết quả là $V_{\max}$ vẫn đo được $100$ µmol phút-1 nhưng nồng độ cơ chất cần để đạt $50$ µmol phút-1 tăng từ $2$ lên $6$ mmol dm-3. Với chất Y, $V_{\max}$ chỉ còn $60$ µmol phút-1 trong khi nồng độ cơ chất cho nửa giá trị mới ($30$ µmol phút-1) vẫn là $2$ mmol dm-3. Phân loại X và Y, và giải thích vì sao chỉ một trong hai gỡ được bằng cách đổ thêm cơ chất.
Chất X là competitive inhibitor. Bằng chứng nằm ở chỗ $V_{\max}$ không đổi: nếu đổ đủ cơ chất thì enzyme vẫn chạy hết công suất như khi không có chất ức chế. Cái đổi là $K_m$, từ $2$ lên $6$ — tức phải cần gấp ba lượng cơ chất mới đạt được nửa tốc độ tối đa.
Cơ chế: X có hình dạng giống substrate nên chui vào chính active site. Mỗi thời điểm, cơ chất và X tranh nhau cùng một chỗ. Xác suất active site đang bị X chiếm phụ thuộc vào tỉ lệ nồng độ hai bên, nên đổ thêm cơ chất là đẩy tỉ lệ về phía cơ chất và gỡ được ức chế. Đó là lý do đường đứt nét trên đồ thị vẫn leo tới $100$, chỉ leo chậm hơn.
Chất Y là non-competitive inhibitor. Bằng chứng là $V_{\max}$ giảm còn $K_m$ giữ nguyên. Y gắn ở allosteric site — một vị trí khác hẳn active site — và làm biến dạng enzyme từ xa. Phân tử enzyme nào đã bị Y gắn thì coi như bị loại khỏi cuộc chơi.
Vì sao thêm cơ chất vô ích với Y: cơ chất và Y không tranh nhau chỗ nào cả, chúng gắn hai nơi khác nhau. Đổ thêm cơ chất chỉ làm những enzyme còn lành bận rộn hơn, không hồi phục được những enzyme đã bị méo. Số enzyme lành ít đi thì trần tốc độ thấp đi — đúng nghĩa $V_{\max}$ giảm. Còn ái lực của những enzyme còn lành thì không thay đổi, nên $K_m$ đứng yên ở $2$.
Cách nhớ: competitive tranh chỗ nên gỡ được bằng số đông; non-competitive phá máy nên số đông không cứu được.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme C1–C2 — Enzymes, Metabolism and Cell Signalling gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.