Giáo án NLS Sinh học 10 kết nối Bài 13: Khái quát về chuyển hoá vật chất và năng lượng

Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu khái niệm, cấu trúc và cơ chế hoạt động của enzyme

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV cho HS: Thực hiện thí nghiệm trực quan:

+ Chọn 3 nhóm HS có sức khoẻ tương đương: một nhóm dùng tay không, một nhóm dùng kìm tuốt dây điện (có hình dạng tương tự bóc vỏ hạt nhưng vị trí kẹp không vừa với hạt), nhóm còn lại dùng dụng cụ bóc vỏ.

+ Ba nhóm sẽ cùng bóc vỏ hạt sau 5 phút và kiểm tra số hạt bóc được (không được ăn). Diễn giải về sự giảm thiểu năng lượng sử dụng để làm phá vỡ cấu trúc hạt để thu hạt còn nguyên vẹn hoặc tương đối nguyên vẹn.

- GV giải thích: Kẹp cần mở ra để đưa được hạt vào, sau khi làm vỡ vỏ thì kẹp không thay đổi cấu trúc nhưng lại có thể thay đổi hình dạng để tiếp nhận hạt mới. Cấu trúc và chức năng của enzyme trong xúc tác các phản ứng hoá học cũng tương tự như vậy. 

- GV yêu cầu HS: Hoạt động nhóm 4 – 6 HS, nghiên cứu thông tin và quan sát các hình ảnh mục II.1 (SGK tr.80 - 81) để tìm hiểu về khái niệm, cấu trúc và cơ chế hoạt động của enzyme.

- GV yêu cầu các nhóm: Thảo luận và trả lời các câu hỏi:

+ Enzyme là gì? Enzyme có vai trò gì? 

+ Điều kiện cho các phản ứng enzyme như thế nào?

+ Trong tế bào, enzyme hoạt động như thế nào?

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- Các nhóm tích cực tham gia hoạt động, nghiên cứu thông tin SGK, thảo luận để trả lời các câu hỏi của GV.

- GV theo dõi, hỗ trợ HS khi cần thiết.

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm trả lời các câu hỏi.

- Các nhóm khác lắng nghe, nhận xét, bổ sung ý kiến (nếu có). GV khuyến khích HS tranh luận để hiểu bài sâu hơn.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét câu trả lời của HS, chuẩn kiến thức, chuyển sang nhiệm vụ tiếp theo.

Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV giữ nguyên nhóm như trong hoạt động trước, yêu cầu các nhóm đọc thông tin, quan sát hình ảnh mô tả mục II.2 (SGK tr.81) để tìm hiểu về vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa.

- GV đưa ra câu hỏi thảo luận: 

+ Trình bày vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa.

+ Nếu không có các enzyme thì tế bào có thể duy trì các hoạt động sống được không? Vì sao?

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- Các nhóm nghiên cứu thông tin và quan sát hình ảnh SGK, thảo luận để trả lời các câu hỏi của GV.

- GV theo dõi, hỗ trợ HS khi cần thiết. 

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm trình bày kết quả thảo luận.

- Những HS còn lại lắng nghe, nhận xét, bổ sung ý kiến (nếu có). GV khuyến khích HS tranh luận, phản biện để hiểu sâu hơn nội dung bài.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét câu trả lời của HS, chuẩn kiến thức, chuyển sang nội dung tiếp theo.

Nhiệm vụ 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS: Hoạt động nhóm, đọc thông tin, quan sát các đồ thị minh họa mục II.3 (SGK tr.81 – 82) để tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme.

- GV yêu cầu các nhóm: Phân tích đồ thị, rút ra ảnh hưởng của các nhân tố: nhiệt độ, độ pH, nồng độ enzyme và cơ chất, chất hoạt hóa, chất ức chế.

- GV giới hạn thời gian thảo luận là 10 phút, sau đó yêu cầu các nhóm lập bảng (vẽ sơ đồ tư duy trên Canva) các nhân tố ảnh hưởng tới hoạt tính của enzyme.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- Các nhóm nghiên cứu thông tin và quan sát các đồ thị SGK, thảo luận và thực hiện yêu cầu của GV.

- GV theo dõi, hỗ trợ HS khi cần thiết. 

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV yêu cầu các nhóm: Trưng bày bảng và báo cáo trước lớp.

- Các nhóm còn lại lắng nghe, nhận xét, bổ sung ý kiến (nếu có).

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV nhận xét, đánh giá câu trả lời của HS, chốt kiến thức và chuyển sang nhiệm vụ tiếp theo.

Nhiệm vụ 4: Điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng thông qua enzyme.

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đưa ra tình huống dẫn dắt: Theo em, tốc độ quá trình chuyển hóa vật chất trong cơ thể khi ngủ và khi hoạt động thể chất mạnh có gì khác nhau? Có phải khi hoạt động thể chất, chúng ta sẽ cảm thấy nhanh đói hơn khi ngủ?

- GV khuyến khích HS: Đưa ra những câu trả lời dự đoán.

- GV yêu cầu HS: Hoạt động nhóm, đọc thông tin, quan sát hình ảnh minh họa (SGK tr.83) để tìm hiểu về sự điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng thông qua enzyme.

- GV đưa ra câu hỏi thảo luận cho HS: 

+ Tế bào và cơ thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng như thế nào?

+ Cho biết các cơ chế điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào.

- GV cho các nhóm thi đua trả lời câu hỏi phần Dừng lại và suy ngẫm (SGK tr.83).

* Gợi ý:

- 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. 

- Cơ chế tác động của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng: là chuỗi biến đổi liên tục, trải qua 3 giai đoạn.

+ Enzyme kết hợp với cơ chất tạo nên phức hợp enzyme – cơ chất.

+ Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất.

+ Sản phẩm được tạo thành tách khỏi enzyme.

- 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..

2. 

• 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.

3. 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.

4. Khi nhiệt độ tăng lên quá cao so với nhiệt độ tối ưu của một enzyme thì hoạt tính của enzyme đó bị giảm hoặc bị mất hoàn toàn là do: Enzyme có bản chất là protein. Mà protein là hợp chất dễ bị biến tính (biến đổi cấu trúc không gian) dưới tác động của nhiệt độ cao. Khi cấu trúc không gian bị biến đổi, trung tâm hoạt động của enzyme không thể liên kết với cơ chế khiến cho enzyme không thể xúc tác biến đổi cơ chất - hoạt tính của enzyme bị giảm, thậm chí là mất hẳn hoạt tính.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- Các nhóm nghiên cứu thông tin và quan sát hình  minh họa SGK, thảo luận và trả lời các câu hỏi của GV.

- GV theo dõi, hỗ trợ HS khi cần thiết. 

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- Đại diện các nhóm xung phong trả lời các câu hỏi của GV.  

- Các nhóm còn lại lắng nghe, nhận xét, bổ sung ý kiến (nếu có).

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV nhận xét, đánh giá câu trả lời của HS, chốt kiến thức.

- GV hướng dẫn HS đọc phần kiến thức cốt lõi (SGK tr. 84) và chuyển sang hoạt động tiếp theo.

II. ENZYME

1. Khái niệm, cấu trúc và cơ chế hoạt động của enzyme

- Enzyme là chất xúc tác sinh học được tổng hợp trong các tế bào sống.

- Cấu trúc enzyme: được cấu tạo từ protein, ngoài ra còn có thành phần là protein và cofactor là ion kim loại (như Fe2+, Mg2+, Cu2+...) hoặc các phân tử hữu cơ (như phân tử heme, biotin...). Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động

- Cơ chế hoạt động enzyme:

+ Trung tâm hoạt động có cấu hình không gian phù hợp liên kết với cơ chất làm cho cả hai biến đổi cấu hình.

+ 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.

2. Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa

Enzyme có vai trò xúc tác các phản ứng chuyển hóa năng lượng trong quá trình chuyển hóa, enzyme đã làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp nhờ đó có thể làm tăng tốc phản ứng

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme

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.

4. Điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng thông qua 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.