Sinh năng lượng tế bào

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng: Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì trạng thái cân bằng động (dynamic homeostasis).

Mục tiêu học tập 3.1.A: Giải thích cách enzyme ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh học.

• 3.1.A.1 Cấu trúc và chức năng của enzyme đóng góp vào việc điều chỉnh các quá trình sinh học. Enzyme là protein đóng vai trò xúc tác sinh học, thúc đẩy các phản ứng hóa học trong tế bào bằng cách làm giảm năng lượng kích hoạt.
• 3.1.A.2 Để một phản ứng hóa học do enzyme xúc tác xảy ra, hình dạng và điện tích của cơ chất phải tương thích với trung tâm hoạt động của enzyme. Điều này được minh họa qua mô hình phức hợp enzyme-cơ chất.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng: Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì trạng thái cân bằng động (dynamic homeostasis).

Mục tiêu học tập 3.2.A: Giải thích cách những thay đổi về cấu trúc của enzyme có thể ảnh hưởng đến chức năng của nó.

• 3.2.A.1 Thay đổi cấu trúc phân tử của một thành phần trong hệ thống enzyme có thể dẫn đến thay đổi chức năng hoặc hiệu suất của nó.
  • i. Sự biến tính của protein, chẳng hạn như enzyme, xảy ra khi cấu trúc protein bị phá vỡ do sự thay đổi về nhiệt độ, pH hoặc môi trường hóa học, làm mất khả năng xúc tác phản ứng.
  • ii. Nhiệt độ và pH môi trường nằm ngoài khoảng tối ưu cho một enzyme nhất định sẽ gây ra những thay đổi về cấu trúc (bằng cách phá vỡ liên kết hydro), làm thay đổi hiệu suất xúc tác phản ứng của nó.
• 3.2.A.2 Trong một số trường hợp, sự biến tính của enzyme có thể đảo ngược, cho phép enzyme khôi phục lại hoạt tính.

Mục tiêu học tập 3.2.B: Giải thích cách môi trường tế bào ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme.

• 3.2.B.1 Nồng độ tương đối của cơ chất và sản phẩm quyết định mức độ hiệu quả mà phản ứng enzyme diễn ra.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng: Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì trạng thái cân bằng động (dynamic homeostasis).

Mục tiêu học tập 3.3.A: Mô tả vai trò của năng lượng trong các sinh vật sống.

• 3.3.A.1 Tất cả các hệ thống sống đều yêu cầu đầu vào năng lượng.
• 3.3.A.2 Sự sống đòi hỏi một hệ thống có trật tự cao và không vi phạm định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học.
  • i. Đầu vào năng lượng phải lớn hơn tổn thất năng lượng để duy trì trật tự và cung cấp năng lượng cho các quá trình tế bào.
  • ii. Các quá trình tế bào giải phóng năng lượng có thể được ghép nối với các quá trình tế bào cần năng lượng.
  • iii. Sự mất mát đáng kể trật tự hoặc dòng chảy năng lượng sẽ dẫn đến cái chết.
  • Lưu ý loại trừ: Học sinh sẽ cần hiểu khái niệm về năng lượng, nhưng phương trình năng lượng tự do Gibbs nằm ngoài phạm vi của kỳ thi AP.
• 3.3.A.3 Các con đường liên quan đến năng lượng trong các hệ thống sinh học diễn ra theo chuỗi để cho phép quá trình truyền tải năng lượng được kiểm soát tốt hơn. Sản phẩm của một phản ứng trong một con đường trao đổi chất thường là chất tham gia cho bước tiếp theo trong con đường đó.

Mục tiêu học tập 3.3.B: Giải thích cách các quá trình và đặc điểm chung, được bảo tồn và mang tính nền tảng hỗ trợ khái niệm tổ tiên chung của tất cả các sinh vật.

• 3.3.B.1 Các con đường trao đổi chất cốt lõi (ví dụ: đường phân, phosphoryl hóa oxy hóa) được bảo tồn trên tất cả các miền được công nhận hiện nay (Archaea, Bacteria và Eukarya).

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng: Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì trạng thái cân bằng động (dynamic homeostasis).

Mục tiêu học tập 3.4.A: Mô tả các quá trình quang hợp và các đặc điểm cấu trúc của lục lạp cho phép sinh vật bắt giữ và lưu trữ năng lượng.

• 3.4.A.1 Quang hợp là chuỗi các phản ứng sử dụng carbon dioxide $(\mathrm{CO_2})$, nước $(\mathrm{H_2O})$ và năng lượng ánh sáng để tạo ra carbohydrate và oxy $(\mathrm{O_2})$.
  • i. Các sinh vật quang hợp bắt giữ năng lượng từ mặt trời và tạo ra đường, có thể được sử dụng trong các quá trình sinh học hoặc được lưu trữ.
  • ii. Quang hợp lần đầu tiên tiến hóa ở các sinh vật nhân sơ.
  • iii. Bằng chứng khoa học ủng hộ giả thuyết rằng quá trình quang hợp của sinh vật nhân sơ (cyanobacteria) đã tạo ra khí quyển có oxy.
  • iv. Các con đường quang hợp của sinh vật nhân sơ là nền tảng cho quá trình quang hợp của sinh vật nhân thực.
  • Câu loại trừ: Việc ghi nhớ các bước trong chu trình Calvin, cấu trúc của các phân tử và tên gọi của các enzyme tham gia, ngoại trừ ATP synthase, nằm ngoài phạm vi đề thi AP.
• 3.4.A.2 Stroma và thylakoid nằm bên trong lục lạp.
  • i. Stroma là chất lỏng bên trong màng trong của lục lạp và bên ngoài thylakoid. Các phản ứng cố định carbon (chu trình Calvin) của quang hợp diễn ra trong stroma.
  • ii. Màng thylakoid chứa các sắc tố diệp lục được tổ chức thành hai hệ quang, cũng như các protein vận chuyển electron.
  • iii. Thylakoid được xếp chồng lên nhau thành các khối gọi là grana. Các phản ứng phụ thuộc ánh sáng của quang hợp diễn ra ở grana.
• 3.4.A.3 Các phản ứng phụ thuộc ánh sáng của quang hợp ở sinh vật nhân thực bao gồm một loạt các con đường phản ứng phối hợp nhằm thu nhận năng lượng từ ánh sáng để tạo ra ATP và NADPH, cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất các phân tử hữu cơ trong chu trình Calvin. Điều này cung cấp năng lượng cho các quá trình trao đổi chất.

Mục tiêu học tập 3.4.B: Giải thích cách tế bào thu nhận năng lượng từ ánh sáng và truyền nó vào các phân tử sinh học để lưu trữ và sử dụng.

• 3.4.B.1 Các phản ứng chuỗi vận chuyển electron (ETC) xảy ra trong lục lạp, ti thể và trên màng plasma của sinh vật nhân sơ. Trong quang hợp, các electron đi qua màng thylakoid sẽ được thu nhận và cuối cùng được truyền đến $\mathrm{NADP^+}$, làm khử nó thành NADPH tại hệ quang I.
  • Câu loại trừ: Tên đầy đủ của các chất mang electron cụ thể trong chuỗi vận chuyển electron nằm ngoài phạm vi đề thi AP.
  • Câu loại trừ: Các bước cụ thể, tên enzyme và các chất trung gian của các con đường cho các quá trình này nằm ngoài phạm vi khóa học và đề thi AP.
• 3.4.B.2 Trong quá trình quang hợp, các sắc tố diệp lục hấp thụ năng lượng từ ánh sáng, nâng cao mức năng lượng của electron trong hệ quang I và II. Nước sau đó bị phân ly, cung cấp electron để thay thế những electron đã mất khỏi hệ quang II.
• 3.4.B.3 Hệ quang I và II nhúng trong màng thylakoid của lục lạp và được kết nối với nhau thông qua sự vận chuyển electron qua ETC.
• 3.4.B.4 Khi electron được chuyển giao giữa các phân tử trong một loạt các phản ứng oxy hóa/khử khi đi qua ETC, một gradient điện hóa của proton (ion hydro) được thiết lập trên màng thylakoid. Màng ngăn cách vùng có nồng độ proton thấp bên ngoài màng thylakoid với vùng có nồng độ proton cao bên trong màng thylakoid.
• 3.4.B.5 Sự hình thành gradient proton liên quan đến quá trình tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ thông qua ATP synthase. Dòng chảy ngược của proton qua ATP synthase gắn màng bằng cơ chế hóa thẩm giúp thúc đẩy sự hình thành ATP từ ADP và phosphate vô cơ; đây được gọi là quang phosphoryl hóa.
• 3.4.B.6 Năng lượng được thu nhận trong các phản ứng phụ thuộc ánh sáng và truyền vào ATP và NADPH cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất carbohydrate từ carbon dioxide trong chu trình Calvin. Quá trình này diễn ra trong stroma của lục lạp.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng: Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì trạng thái cân bằng động (dynamic homeostasis).

Mục tiêu học tập 3.5.A: Mô tả các quá trình và đặc điểm cấu trúc của ti thể cho phép sinh vật sử dụng năng lượng được lưu trữ trong các macromolecule sinh học.

• 3.5.A.1 Hô hấp tế bào sử dụng năng lượng từ các macromolecule sinh học để tổng hợp ATP. Hô hấp và lên men là đặc trưng của mọi dạng sống.
• 3.5.A.2 Hô hấp tế bào hiếu khí ở sinh vật nhân thực bao gồm một loạt các phản ứng xúc tác enzyme phối hợp nhằm thu nhận năng lượng từ các macromolecule sinh học.
• 3.5.A.3 ETC vận chuyển electron trong một loạt các phản ứng oxy hóa-khử, thiết lập gradient điện hóa trên các màng.
  • i. Trong hô hấp tế bào, electron do NADH và $\mathrm{FADH_2}$ cung cấp được truyền qua một loạt các chất nhận electron khi chúng di chuyển về phía chất nhận electron cuối cùng là oxy. Sinh vật nhân sơ hiếu khí sử dụng oxy làm chất nhận electron cuối cùng, trong khi sinh vật nhân sơ kỵ khí sử dụng các phân tử khác.
  • ii. Sự vận chuyển electron qua ETC đi kèm với việc hình thành gradient proton trên màng trong ti thể, với màng ngăn cách vùng có nồng độ proton cao bên ngoài màng với vùng có nồng độ proton thấp bên trong màng. Sự gấp nếp của màng trong làm tăng diện tích bề mặt, cho phép tổng hợp nhiều ATP hơn. Ở sinh vật nhân sơ, sự di chuyển của electron đi kèm với sự vận chuyển proton qua màng plasma.
  • iii. Dòng chảy ngược của proton qua ATP synthase gắn màng bằng cơ chế hóa thẩm thúc đẩy sự hình thành ATP từ ADP và phosphate vô cơ. Đây được gọi là oxy phosphoryl hóa trong hô hấp tế bào hiếu khí.
  • iv. Trong hô hấp tế bào hiếu khí, việc tách biệt oxy phosphoryl hóa khỏi vận chuyển electron tạo ra nhiệt. Nhiệt này có thể được các sinh vật nội nhiệt sử dụng để điều hòa thân nhiệt.
  • Câu loại trừ: Tên đầy đủ của các chất mang electron cụ thể trong chuỗi vận chuyển electron nằm ngoài phạm vi đề thi AP.
  • Câu loại trừ: Các bước cụ thể, tên enzyme và các chất trung gian của các con đường cho các quá trình này nằm ngoài phạm vi khóa học và đề thi AP.

Mục tiêu học tập 3.5.B: Giải thích cách tế bào thu nhận năng lượng từ các macromolecule sinh học để cung cấp năng lượng cho các chức năng tế bào.

• 3.5.B.1 Đường phân là một con đường sinh hóa giải phóng năng lượng trong các phân tử glucose để tạo ra ATP (từ ADP và phosphate vô cơ), NADH (từ $\mathrm{NAD^+}$) và pyruvate.
• 3.5.B.2 Pyruvate được vận chuyển từ bào tương vào ti thể nơi xảy ra quá trình oxy hóa. Quá trình này giải phóng electron trong chu trình Krebs (chu trình axit citric), làm giảm $\mathrm{NAD^+}$ thành NADH và FAD thành $\mathrm{FADH_2}$, đồng thời giải phóng $\mathrm{CO_2}$.
• 3.5.B.3 Chu trình Krebs diễn ra trong ma trận ti thể. Trong chu trình Krebs, carbon dioxide được giải phóng từ các chất trung gian hữu cơ, ATP được tổng hợp từ ADP và photphat vô cơ, và electron được truyền bởi các coenzyme $\mathrm{NAD^+}$ và FAD.
• 3.5.B.4 Các electron được thu thập trong các phản ứng của glycolysis và chu trình Krebs được truyền bởi NADH và $\mathrm{FADH_2}$ đến ETC ở màng trong ti thể.
• 3.5.B.5 Khi các electron được truyền giữa các phân tử theo một chuỗi phản ứng khi chúng đi qua ETC, một gradient điện hóa của proton (ion hydro) được thiết lập xuyên qua màng trong ti thể. Độ pH bên trong ma trận ti thể cao hơn so với không gian giữa hai màng.
• 3.5.B.6 Lên men cho phép glycolysis tiếp diễn trong điều kiện thiếu oxy và tạo ra các phân tử hữu cơ như alcohol và axit lactic.
  • Câu loại trừ: Việc ghi nhớ các bước trong glycolysis và chu trình Krebs, cũng như cấu trúc của các phân tử và tên của các enzyme liên quan, nằm ngoài phạm vi của khóa học này và bài thi AP.