Đại cương cơ sở hóa học của sinh học phân tử

41 trang hapham 1690

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đại cương cơ sở hóa học của sinh học phân tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

dai_cuong_co_so_hoa_hoc_cua_sinh_hoc_phan_tu.pdf

Nội dung text: Đại cương cơ sở hóa học của sinh học phân tử

ĐẠI CƢƠNG CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ Sự sống của tế bào phụ thuộc vào hàng ngàn phản ứng và tương tác hóa học. Những phản ứng và tương tác này phối hợp một cách tinh vi theo không gian, thời gian và do chỉ lệnh di truyền cũng như môi trường chi phối. Nghiên cứu những tương tác và phản ứng như vậy ở mức độ phân tử sẽ giúp chúng ta giải pháp các câu hỏi cơ bản về sự sống của tế bào. Những câu hỏi đó là: Tế bào hấp thụ dinh dưỡng và thông tin từ môi trường như thế nào? Chúng chuyển hóa năng lượng và dự trữ chúng trong chất dinh dưỡng thành hoạt động tế bào ra sao? Tế bào chuyển đổi năng lượng lưu giữ trong dinh dưỡng thành cấu trúc của chúng như thế nào? Tế bào liên kết với nhau tạo thành mô như thế nào? Tế bào giao tiếp với nhau như thế nào để một sinh vật phức tạp có thể tăng trưởng và thích nghi cao với môi trường? Một trong những mục tiêu của sinh học phân tử tế bào là cung cấp đáp án dưới dạng thuộc tính của từng phân tử và ion cho các câu hỏi trên cũng như nhiều câu hỏi khác về cấu trúc, chức năng của tế bào và sinh vật. Hình 1.1: Các phân tử hóa học và tương tác hóa học điển hình trong giới sinh học(Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Ví dụ, các thuộc tính của nước, một trong những phân tử như vậy, đã và đang kiểm soát tiến hóa, cấu trúc và chức năng của tế bào. Bạn sẽ không thể hiểu sinh học phân tử nếu không thực sự thấu hiểu các tính chất của nước đã kiểm soát hóa học của sự sống ra sao. Sự sống đầu tiên được phát
sinh từ môi trường nước. Chiếm 70-80% trọng lượng của hầu hết các loại tế bào, nước là phân tử phong phú nhất trong hệ sinh học. Chính trong môi trường lỏng này các tiểu phân tử và ion (chiếm 7% trọng lượng vật chất) lắp ráp thành đại phân tử, đại phân tử tích hợp thành bộ máy và hình thể của tế bào, tức toàn bộ phần trọng lượng còn lại của cơ thể sinh vật. Các tiểu phân tử gồm amino acid, nucleotide, lipid và đường. Nhiều phân tử sinh học dễ hòa tan trong nước gọi là ưa nước. Các phân tử khác là chất dạng béo, dầu phân tách với nước nên gọi là kị nước. Ngoài ra nhiều phân tử sinh học khác (Ví dụ như phospholipid) chứa cả vùng kị nước và ưa nước nên được gọi là lưỡng phần. Phospholipid cấu thành màng linh động như bức tường bao quanh tế bào và các cơ quan tử. Hoạt động nhịp nhàng của tế bào, mô và sinh vật phụ thuộc vào tất cả các loại phân tử kể trên, từ những phân tử nhỏ nhất đến lớn nhất. Thực vậy, xét trên sự sinh tồn của loài người thì một ion đơn giản (H+) đóng vai trò quan trọng không kém những phân tử DNA khổng lồ mang mã di truyền (Khối lượng DNA trong nhiễm sắc thể số 1 của người gấp 8,6x1010 lần khối lượng proton!). Tương tác hóa học của tất cả các phân tử lớn, nhỏ này với nước và với nhau xác định bản chất của sự sống. Thật may cho chúng ta, trong khi có rất nhiều loại phân tử sinh học tham gia tương tác và phản ứng trong rất nhiều con đường phức tạp để tạo nên tế bào và sinh vật sống thì số nguyên lý hóa học cần để hiểu các quá trình tạo nên mức độ phân tử lại không thay đổi qua hàng triệu năm. Trong chương này, chúng ta xem xét những nguyên tắc then chốt, một số trong đó, hẳn bạn đã biết rõ. Chúng ta bắt đầu với liên kết công hóa trị với vai trò kết nối nguyên tử thành phân tử. Tiếp đến là những liên kết không cộng hóa trị, giúp ổn định nhóm nguyên tử thuộc cấu trúc chức năng bên trong và giữa các phân tử. Sau đó chúng ta đề cập đến những tính chất trọng yếu của các đơn vị cấu trúc hóa học cơ bản tham gia cấu thành đại phân tử và tổ hợp đại phân tử. Sau khi xem xét cân bằng hóa học liên quan đến hầu hết các hệ sinh học chúng ta kết thúc chương với các nguyên lý năng lượng hóa sinh cơ bản, bao gồm vai trò lưu trữ và chuyển hóa năng lượng của ATP (adenosine triphosphate) trong trao đổi chất của tế bào. 1.1 Liên kết cộng hóa trị và tƣơng tác không cộng hóa trị Lực hấp dẫn giữa các nguyên tử là “keo” dính chúng lại với nhau trong phân tử. Các phân tử sinh học cũng tương tác với nhau thông qua lực này. Các lực mạnh tạo thành liên kết cộng hóa trị khi hai nguyên tử dùng chung một (liên kết đơn) hoặc nhiều cặp điện tử (liên kết đôi, liên kết ba ). Lực hấp dẫn yếu trong các tương tác không cộng hóa trị cũng quan trọng không kém bởi chúng xác định tính chất và chức năng của nhiều phân tử sinh học như protein, acid nucleic, carbohydrate, và lipid. Đầu tiên chúng ta sẽ thảo luận về liên kết cộng hóa trị và sau đó đến bốn loại tương tác không cộng hóa trị chính: liên kết ion, liên kết hydrogen, tương tác van der Waals và hiệu ứng kị nước. Cấu hình điện tử của nguyên tử xác định số lượng và tính chất của các liên kết cộng hóa trị mà nó tạo thành Hydrogen, oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, lưu huỳnh là các chất phổ biến nhất trong phân tử sinh học. Những nguyên tử này hiếm khi tồn tại độc lập mà luôn tham gia tạo
liên kết. Chúng dễ dàng hình thành liên kết cộng hóa trị sử dụng điện tử nằm trong orbital lớp ngoài cùng. Số lượng và mô hình liên kết cộng hóa trị mà một nguyên tử có thể tạo thành các nguyên tử khác là đặc trưng cho nguyên tử đó. Kích thước nguyên tử, phân bố diện tích và số điện tích có thể góp chung quyết định mô hình liên kết. Một số nguyên tử (Ví dụ, carbon) luôn tạo thành số liên kết cộng hóa trị bền cố định nhưng số khác (Ví dụ, lưu huỳnh) tạo số liên kết cộng hóa trị bền khác nhau. Carbon là trung tâm tổ chức của tất cả các khối cấu trúc sinh học. Carbon thường hình thành bốn liên kết cộng hóa trị với ba hoặc bốn nguyên tử khác. Ví dụ, carbon của phân tử formaldehyde có thể liên kết với ba nguyên tử trên một mặt phẳng chung. Ở đó, carbon tham gia tạo hai liên kết đơn với hai nguyên tử và một liên kết đôi (sử dụng hai cặp điện tử góp chung) với nguyên tử thứ ba. Khi không bị các hạn chế khá, nguyên tử tham gia liên kết đơn thường quay tự do quanh trục liên kết, trong khi các nguyên tử tham gia liên kết đối thì không thể. Mặt phẳng cố định do liên kết đôi áp đặt có nghĩa vô cùng to lớn đối với hình dạng và độ linh động của các phân tử sinh học như phosphlipid, protein, và acid nucleic. Carbon cũng có thể gắn với bốn nguyên tử như trong phân tử methane (CH4). Trong trường hợp này, góc giữa hai liên kết luôn là 109,5o và các nguyên tử tham gia liên kết nằm tại bốn đỉnh của hình tứ diện. Cấu hình này xác định cấu trúc của nhiều phân tử sinh học. Carbon liên kết với bốn phân tử hoặc các nhóm chức khác nhau theo cấu hình không phẳng gọi là carbon bất đối xứng, tạo ra hai đồng phân là ảnh qua gương của nhau. Đặc tính này có tên tính chất bàn tay (chyrality) và các phân tử như vậy đươc coi là đồng phân quang học, hay đồng phân lập thể. Nhiều phân tử trong tế bào chứa ít nhất một nguyên tử carbon bất đối xướng, thường gọi là nguyên tử carbon bàn tay. Hoạt tính sinh học của các đồng phân lập thể thường hoàn toàn khác biệt. Điều này là do sắp xếp của các nguyên tử trong cấu trúc khác nha nên chúng chỉ có duy nhất một phương thức tương tác và phản ứng hóa học với các phân tử khác. Một số loại thuốc chứa hỗn hợp đồng phân lập thể của các tiểu phân tử nhưng chỉ trong một số đó mang lại hoạt tính sinh học có lợi. Do đó sử dụng duy nhất một đồng phân lập thể tinh khiết có thể đem lại hiệu lực cao hơn và giảm hiệu ứng phụ. Ví dụ một đồng phân lập thể của thuốc chống suy nhược citalopram (Celexa) có hiệu lực cao gấp 170 lần những đồng phân khác. Hoạt tính của một số đồng phân lập thể rất khác nhau. Darvon là thuốc giảm đau trong khi đồng phân lập thể của nó Novrad (Darvon viết ngược lại) là thuốc giảm ho. Một đồng phân lập thể của ketamine là thuốc tê, trong khi đồng phân lập thể khác gây ảo giác.
Hình 1.2 : Trình bày số liên kết cộng hóa trị có thể hình thành bởi các nguyên tử phổ biến. Nguyên tử hydrogen chỉ tạo một số liên kết cộng hóa trị. Nguyên tử oxy thường chỉ tạo hai liên kết cộng hóa trị nhưng vẫn dư hai cặp điện tử để có thể tham gia tương tác không cộng hóa trị. Lưu huỳnh tạo hai liên kết cộng hóa trị trong sunfua hydrogen (H2S) nhưng cũng có thể tạo 6 liên kết cộng hóa trị như trong acid sulfuric (H2SO4) và dẫn xuất lưu huỳnh của nó. nitrogen và phosphorus có 5 điện tử lớp ngoài cùng. Trong amoniac ( NH3), nitrogen (tham gia tạo ba liên kết cộng hóa trị; cặp điện tử còn dư có thể tham gia tương tác không cộng hóa trị. Trong ion + amoni (NH4 ), nitrogen tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị với cấu hình tứ diện. Phospho thường tạo ra 5 liên kết cộng hóa trị như trong acid phosphoric (H3PO4) và các dẫn xuất phosphate tạo thành khung acid nucleic. Các nhóm phosphate gắn cộng hóa trị với protein đóng vai trò chính trong điều hòa hoạt tính của nhiều protein. Phân tử trung tâm trong lĩnh vực năng lượng học của tế bào ATP cũng chứa ba nhóm phosphate (Xem phần 2.4). (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th)
Hình 1.3 : Cấu trúc 3 chiều của Methane và Formaldehyde (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Trong liên kết cộng hóa trị, điện tử góp chung có thể nằm cân bằng hoặc lệch về một phía. Độ âm điện là mức độ mà một nguyên tử có khả năng hút điện tử. Khi hai nguyên tử có độ âm điện bằng nhau hoặc tương tự thì cặp điện tử tham gia liên kết về cơ bản nằm cân bằng giữa hai nguyên tử như trường hợp liên kết C-C và C-H. Liên kết này gọi là không phân cực. Tuy nhiên trong nhiều phân tử, các nguyên tử tham gia liên kết có độ âm điện khác nhau nên cặp điện tử góp chung nằm lệch về một phía. Liên kết giữa chúng được gọi là phân cực. Một đầu của liên kết phân cực có điện tích âm hơn (δ-) và đầu kia có điện tích dương hơn (δ+). Ví dụ trong liên kết O-H, O có độ âm điện lớn hơn H nên các điện tử dành nhiều thời gian để quanh xung quanh nguyên tử O hơn. Do vậy liên kết O-H có tính lưỡng điện tức hai đầu liên kết tích điện ngang bằng nhưng trái dấu. Trong lưỡng cực điện O-H, (δ-) trên O bằng khoảng 25% điên tích của điện tử, giá trị tuyệt đối của nó cũng bằng (δ+) trên H. Bởi vì hai liên kết O-H của nước không nằm đối diện qua O nên phân tử nước (H2O) có tính lưỡng cực và khả năng tạo các tương tác tĩnh điện, không cộng hóa trị với nhau và với phân tử khác. Những tương tác này đóng vai trò trọng yếu trong hầu như mọi tương tác hóa học và do đó là cơ sở cho sinh học tế bào. Độ phân cực của liên kết đôi O=P trong H3PO4 tạo ra cộng hưởng lai hóa (resonance hybrid), một cấu trúc trung gian giữa hai dạng cấu trúc thể hiện dưới đây với cặp dấu chấm đại diện cho các điện tử không tham gia liên kết.
Trong cộng hưởng lai hóa bên phải, một điện tử từ liên kết đôi P=O lệch về phía O làm nó mang điện tích âm và P mang điện tích dương. Các điện tích này rất quan trọng trong tương tác không cộng hóa trị. Liên kết cộng hóa trị mạnh hơn nhiều và bền hơn tương tác không cộng hóa trị. Liên kết cộng hóa trị rất ổn định (tức mạnh) bởi vì năng lượng cần thiết để pahs vỡ chúng lớn hơn nhiều so với nhiệt năng tại nhiệt độ phòng (25oC) hoặc nhiệt độ cơ thể (37oC). Ví dụ, nhiệt năng tại 25oC bằng khoảng 06, Kcal/mol trong khi năng lượng cần để phá vỡ liên kết đơn C-C trong ethane gấp khoảng 140 lần. Do đó tại nhiệt độ phòng (25oC) có ít hơn một phần 1012 phân tử ethane bị phá vỡ thành hai phân tử CH3 chứa điện tử không cặp đôi (gọi là một gốc). Hình 1.4: Phân bố điện tử lớp ngoài cùng tham gia và không tham gia liên kết của nhóm peptide (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Năng lượng liên kết đơn cộng hóa trị trong phân tử sinh học tương đương với năng lượng liên kết C-C của ethane. So với liên kết đơn thì liên kết đôi cần nhiều điện tử góp chung hơn để hình thành nên cũng cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ. Ví dụ, cần 84 Kcal/mol để phá vỡ liên kết đôi C=O. Những liên kết đôi phổ biến nhất trong các phân tử sinh học là C=O, C=N, C=C và P=O.
Hình 1.5: biểu đồ năng lượng của một số liên kết (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Ngược lại, năng lượng liên kết của các tương tác không cộng hóa trị chỉ từ 1 đến 5Kcal/mol, thấp hơn rất nhiều so với của liên kết cộng hóa trị. Thật vậy, tương tác cộng hóa trị yếu đến nổi chúng hình thành và phá vỡ với vận tốc ngang nhau tại nhiệt độ phòng. Mặc dù yếu và tồn tại ngắn ở nhiệt độ sinh lý (24-37oC,nhiều tương tác không cộng hóa trị có thể cùng hoạt động tương hỗ). Điều này tạo ra những kết hợp đặc hiệu và ổn định giữa các thành phần khác nhau của một phân tử lớn hoặc giửa các đại phân tử. Dưới đây chúng ta điểm lại bốn loại tương tác không cộng hóa trị chính, sau đó xem xét vai trò gắn kết các phân tử sinh học với nhau và với các phân tử khác của chúng. Tƣơng tác ion là lực hút giữa các ion chứa điện tích trái dấu. Tương tác ion hình thành từ các ion tích điện dương(cation) và ion tích điện âm (anion). Ví dụ, trong NaCl cặp điện tử góp chung của Na hoàn toàn chuyển tới Cl. Không giống như liên kết cộng hóa trị, tương tác ion không có nhiều cấu hình đặc hiệu hoặc cố định vì trường tĩnh điện xoay quanh ion (lực hút của ion với một điện tích trái dương) đồng nhất theo mọi chiều. Trong NaCl rắn, nhiều ion gắn chặt với nhau theo mô hình sao cho các điện tích trái dấu sắp thẳng hàng và do đó tạo thành mạng lưới tinh thể có tổ chức cao (tinh thể muối). Khi hòa tan trong nước, các ion của NaCl phân tách và được ổn định hóa bởi tương tác với nước. Trong dung dịch, lớp vỏ nước bao quanh các ion đơn giản và có giá trị sinh học như Na+ ,K+,Ca2+,Mg2+, và Cl-. Lớp vỏ này hình thành bởi tương tác ion giữa ion trung tâm và các đầu mang điện tích trái dấu của phân tử nước lưỡng cực. Hiện tượng này gọi là hydrate hóa và năng lượng giải phóng khi các ion liên kết với các phân tử nước gọi là năng lượng hydrate hóa. Hầu hết các ion dễ hòa tan trong nước vì năng lượng hydrate hóa lớn hơn năng lượng mạng lưới (năng lượng ổn định hóa cấu trúc tinh thể). Khi các ion tương tác trực tiếp với protein lớp vỏ hydrate cần được loại bỏ. Ví dụ, lớp vỏ hydrate biến mất khi ion đi qua lỗ protein trên màng tế bào trong dẫn truyền xung thần kinh.
Cường độ tương đối của tương tác giữa ion A- và C+ phụ thuộc vào nồng độ của các ion khác trong dung dịch. Nồng độ các ion khác càng cao ( ví dụ Na+ và Cl-) thì A- và C+ càng có nhiều cơ hội tương tác ion với những ion nay và do đó năng lượng cần để phá vỡ tương tác giữa A- và C+ càng thấp. Kết quả là tăng nồng độ muối (ví dụ NaCl) trong dung dịch chứa các phân tử sinh học có thể làm yếu và thậm chí phá vỡ tương tác ion giữa chúng. Liên kết hydrogen xác định độ hòa tan trong nƣớc của phân tủ không tích điện Liên kết hydrogen là tương tác giữa nguyên tử hydrogen tích điện dương trong phân tử lưỡng cực (ví dụ nước) với điện tử không chia của nguyên tử khác. Liên kết hydrogen có thể hình thành trong cùng một phân tử (nội phân tử) hoặc giữa hai phân tử (liên phân tử). Thông thường nguyên tử hydrogen chỉ tham gia tạo liên kết cộng hóa trị với ngyên tử có độ âm điện (D) sẽ tạo ra phân tử phân cực. Trong phân tử này, H có thể tham gia tạo liên kết hydrogen với nguyên tử nhận (A) có một cặp điện tử chưa liên kết: Liên kết cộng hóa trị D-H lúc này sẽ dài hơn một chút so với khi không có liên kết hydrogen do A kéo H ra xa D. Đặc trưng quan trọng của mọi liên kết hydrogen là tính định hướng. Trong các liên kết hydrogen mạnh nhất , nguyên tử cho, nguyên tử hydrogen và nguyên tử nhận cùng nằm trên một đường thẳng (tuyến tính). Các liên kết hydrogen phi tuyến yếu hơn nhưng nhiều liên kết như vậy giúp ổn định cấu trúc lập thể của protein. Liên kết hydrogen dài hơn và yếu hơn liên kết cộng hóa trị hình thành từ cùng loại nguyên tử. Ví dụ giữa hai phân tử nước, khoảng cách giữa hạt nhân của hydrogen và oxy trong liên kết hydrogen là khoảng 0.27 nm. Giá trị này gấp khoảng hai lần độ dài của liên kết cộng hóa trị O-H trong một phân tử nước. Liên kết hydrogen giữa hai phân tử nước (xấp xỉ 5kcal/mol) mạnh hơn so với liên kết hydrogen tạo thành giữa nhiều phân tử sinh học khác (1-2kcal/mol) nhưng yếu hơn nhiều so với các liên kết cộng hóa trị O-H (gần 110kcal/mol). Liên kết hydrogen hình thành rộng khắp trong nước tạo ra nhiều tính chất trọng yếu của hợp chất này, bao gồm nhiệt độ sôi và nhiệt độ tan bất thường cũng như khả năng tương tác, hòa tan nhiều chất khác.
Hình 1.6: Ion Mg2+ và các phân tử nước xung quanh (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Độ hòa tan của các chất không tích điện trong dung dịch phụ thuộc nhiều vào khả năng tạo liên kết hydrogen với nước. Ví dụ như các nhóm hydroxyl trong ancol và nhóm amin trong amine có thể tạo thành một số liên kết hydrogen nên chúng dễ hòa tan vào nước. Nhìn chung các phân tử chứa liên kết phân cực, các phân tử tích điện và ion có thể tạo liên kết hydrogen nên dễ hòa tan trong nước, hay nói cách khác là chúng ưa nước. Ngoài amin và hydroxyl, nhiều phân tử sinh học khác còn chứa nhóm peptide và ester. Những nhóm này tham gia tạo liên kết hydrogen với nước thông qua cặp điện tử chưa cặp đôi tại oxy của nhóm carbonyl. Chụp ảnh tinh thể dùng tia X kết hợp với phân tích máy tính cho phép đồ họa chính xác phân bố điện tử không chia lớp ngoài cùng của các nguyên tử cũng như điện tử tham gia tạo liên kết cộng hóa trị. Hình 1.7: Một số dạng liên kết hydrogen điển hình Tƣơng tác van der Waals do các lƣỡng cực điện tạm thời gây ra Khi hai nguyên tử lại gần nhau, chúng tạo ra lực hút yếu và không đặc hiệu, gọi là tương tác van der Waals. Nguyên nhân tạo ra những tương tác không đặc hiệu này là do dao động tự do ngắn hạn của điện tử trong nguyên tử tạo ra phân bố điện tích bất đối xứng. Nếu hai nguyên tử liên kết
không cộng hóa trị đủ gần nhau, điện tử của một nguyên tử sẽ xáo trộn điện tử của một nguyên tử khác. Sự xáo trộn này tạo ra lưỡng cực điện tạm thời trong nguyên tử thứ hai và hai lưỡng cực điện này tạo ra lực hút yếu lẫn nhau. Tương tự, liên kết cộng hóa trị phân cực của một phân tử sẽ hút nguyên tử khác theo nhiều lưỡng cực ngược lại. Hình 1.8: Liên kết cộng hóa trị và liên kết Van der Walls Như vậy tương tác Van der Waals là do các lưỡng cực điện tạm thời hoặc cố định gây ra và tồn tại trong mọi loại phân tử, phân cực cũng như không phân cực. Đặc biệt, tương tác Van der Waals giúp cố kết các phân tử không phân cực do chúng không thể tạo ra liên kết hydrogen hoặc tương tác ion với các phân tử khác. Vì cường độ tương tác Van der Waals giảm nhanh chóng khi khoảng cách tăng nhanh nên liên kết này chỉ tạo thành khi các nguyên tử ở rất gần nhau. Tuy nhiên nếu các nguyên tử nằm quá gần, chúng sẽ đẩy nhau ra bởi điện tích âm của nguyên tử. Khi lực hút Van der Waals giữa hai nguyên tử cân bằng chính xác với lực đẩy giữa hai đám mây điện tử (orbital), ta gọi các nguyên tử đang tiếp xúc Van der Waals. Tương tác Van der Walls có cường độ khoảng 1 kcal/mol, yếu hơn liên kết hydrogen điển hình và chỉ lớn hơn một chút so với nhiệt năng của phân tử tại 25oC. Vì vậy cần nhiều tương tác Van der Waals và/hoặc tương tác Van der Waals cùng với các tương tác không cộng hóa trị khác để có thể ảnh hưởng đáng kể tới độ bền của tiếp xúc trong các phân tử. Hiệu ứng kị nƣớc làm các phân tử không phân cực kết tụ Vì các phân tử không phân cực chứa các nhóm tích điện, không có moment lưỡng cực hoặc được hydrate hóa nên chúng không hoặc hầu như không tòa tan trong nước hay nói cách khác, chúng có tính kị nước. C-C và C-H là những liên kết cộng hóa trị không phân cực phổ biết nhất trong hệ sinh học. Hydrocarbon là loại phân tử chỉ chứa carbon và hydrogen và hầu như không tan trong nước. Chất béo động vật và dầu thực vật có bản chất là triacylglycerol lớn (hay triglyceride) cũng không hòa tan trong nước. Như sẽ đề cập dưới đây, thành phần phân tử chính
của chúng là các chuỗi hydrocarbon dài. Sau khi lắc trong nước, triacylglycerol tách pha. Một ví dụ quen thuộc là dầu ăn tách khỏi giấm trong món salad trộn. Hình 1.9: Sơ đồ minh họa hiệu ứng kị nước. Trong dung dịch, nước quanh phân tử không phân cực tạo thành bộ khung có trật tự cao hơn các phân tử nước còn lại. Các phân tử không phân cực tích tụ lại làm giảm số phân tử nước cần cho bộ khung này tạo ra trạng thái entropy cao hơn. Trạng thái này có lợi hơn về mặt năng lượng (bên phải) so với (bên trái). (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Các phân tử không phân cực một phần hoặc hoàn toàn thường có khuynh hướng kết tụ trong nước bởi hiệu ứng kị nước. Do không thể tạo liên kết hydrogen với chất không phân cực nên nước tổ chức thành những chiếc “lồng” tương đối chặt, hình ngũ giác và lục giác với cạnh là các liên kết hydrogen. Hệ thống lồng này vây quanh các phân tử không phân cực. Hình thái này không có lợi về mặt năng lượng vì nó làm giảm mức độ ngẫu nhiên (entropy) của mật độ các phân tử nước. (Vai trò của các hệ thống hóa học sẽ được thảo luận trong phần sau). Nếu các phân tử không phân cực trong dung dịch kết tụ lại sao cho các bề mặt kị nước quay vào nhau thì cùng bề mặt kị nước tiếp xúc với nước sẽ giảm đi. Theo cách này sẽ cần ít nước hơn để tạo thành lồng bao quanh và do đó entropy tăng lên (trạng thái có lợi hơn về mặt năng lượng) tương đối so với trạng thái không kết tụ. Theo một định nghĩa nhất định, nước ép các phân tử không phân cực kết tụ lại với nhau. Thay vì hình thành lực hút như liên kết hydrogen, hiệu ứng kị nước được tạo ra từ việc tránh trạng thái bất ổn định (quá nhiều lồng nước vậy quanh từng phân tử không phân cực).
Phân tử không phân cực cũng có thể không phân ly (mặc dù yếu), nhờ tương tác van der Waals. Kết quả cuối cùng của tương tác kị nước van der Waals là khuynh hướng các phân tử kị nước tương tác rất mạnh với nhau mà không với nước. Diễn đạt một cách đơn giản, những gì giống nhau sẽ tan vào nhau. Các phân tử phân cực hòa tan trong dung môi phân cực như nước, các phân tử không phân cực hòa tan trong dung môi không phân cực như hexane. Độ tương hợp phân tử do các tương tác không cộng hóa trị chi phối cho phép các phân tử sinh học gắn với nhau vừa rất chặt vừa rất đặc hiệu . Cả bên trong lẫn bên ngoài tế bào, các ion lẫn các phân tử thường xuyên ra vào nhau. Nồng độ càng cao, hai phân tử càng dễ chạm trán. Khi hai phân tử tiếp xúc, hầu hết trường hợp chúng đẩy nhau ra vì tương tác không cộng hóa trị nếu có hình thành giữa chúng cũng rất yếu và chỉ tồn tại rất ngắn tại nhiệt độ sinh lý. Tuy nhiên nếu chúng có độ tương hợp phân tử (cấu hình ăn khớp nhau như ổ khóa và chìa khóa) thì điện tích hoặc các tính chất vật lý khác có thể tạo ra nhiều liên kết cộng hóa trị giữa chúng. Hai phân tử với cấu trúc bổ sung như vậy dễ gắn với nhau khi va vào nhau. Hình 1.10: Các protein gắn với nhau theo bổ sung phân tử và nhiều tương tác không cộng hóa trị Hai phân tử có thể gắn chặt (mạnh) hoặc lỏng (yếu) tùy theo số lượng và cường độ tương tác không cộng hóa trị giữa chúng. Điều này quyết định hai protein gắn bền vững hoặc tạm thời với nhau. Ái lực và độ vừa vặn giừa hai phân tử càng cao thì chúng các gắn chặt với nhau do càng nhiều liên kết không cộng hóa trị có thể hình thành. Tham số định lượng ái lực quan trọng là hằng số phân ly Kd sẽ được đề cập sau Hầu như mọi phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào cũng phụ thuộc vào các tính chất gắn của enzyme. Những protein này không chỉ làm tăng tốc (hay xúc tác) phản ứng mà còn làm vậy với tính đặc hiệu cao, tức chúng có khả năng gắn chặt với một hay một số rất ít những phân tử có tính chất gần giống nhau. Tính đặc hiệu của các phản ứng và
tương tác nội phân tử phụ thuộc vào độ bổ sung phân tử, là thiết yếu cho nhiều quá trình quan trọng của sự sống. 1.2 Các đơn vị cấu trúc hóa học của tế bào Một motif phổ quát trong sinh học là sự hình thành các đại phân tử sinh học và cấu trúc từ nhiều tiểu phân tử tương đồng hoặc giống hệt nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị hay không cộng hóa trị. Ba nhóm đại phân tử sinh học phổ biến và quan trọng nhất trong các hệ sinh học là protein, acid nucleic và polysaccharide. Chúng là polymer của các tiếu phân tử (đơn phân) liên kết cộng hóa trị với nhau. Protein là polymer mạch thẳng chứa mười cho tới vài ngàn acid amin gắn với nhau bằng liên kết peptide. Acid nucleic là polymer mạch thẳng chứa hàng trăm cho tới hàng triệu nucleotide gắn với nhau theo liên kết phosphodieste. Polysaccharide là polymer mạch thẳng hay nhánh của các monosaccharide (đường), như glucode, gắn với nhau theo liên kết glycoside. Cơ chế các đơn phân liên kết cộng hóa trị tạo thành phức hệ. Liên kết cộng hóa trị tạo thành giữa hai đơn phân thường làm mất H từ một đơn phân và OH từ đơn phân kia, hay nói cách khác là loại một phân tử nước nên có thể xem như phản ứng dehydrate hóa. Những liên kết này bền dưới điều kiện sinh học bình thường, (ví dụ 37oC, pH trung tính) và do đó các polymer sinh học kể trên khá ổn định và có thể thực hiển rất nhiều nhiệm vụ rất đa dạng trong tế bào (lưu trữ thông tin, xúc tác phản ứng hóa học, thành phần cấu trúc xác định hình thành và vận động của tế bào ).
Hình 1.11: Các khối cấu trúc hóa học chính của stế bào Các đại phân tửa cũng có thể lắp ráp thông qua tương tác không cộng hóa trị. Ví dụ, hàng ngàn tiểu phân tử gọi là phospholipid lắp ráp không cộng hóa trị thành cấu trúc hai lớp của màng tế bào. Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào tính chất của các đơn vị cấu trúc hóa học – acid amin, nucleotide, đường và phosphorlipid. Các chương sau sẽ đề cập đến cấu trúc, chức năng cũng như sự lắp ghép chức năng cũng như sự lắp ghép tạo thành protein, acid nucleic, polysaccharide và màng sinh học. Các acid amin chỉ khác nhau trong phần mạch nhánh cấu thành protein 20 loại acid amin là đơn phân cấu thành protein.sau khi tích hơp thành polymer protein, các acid amin có cấu trúc đặc thù gồm nguyên tử carbon alpha (C ) trung tâm gắn với bốn nhốm hóa học khác: nhóm carboxyl (COOH) (bởi đó có tên là acid amin) nguyên tử Hydrogen và một nhóm biến đổi gọi là mạch nhánh hay nhóm R. trừ glycine, carbon α của các acid amin còn lại có tính bất đối xứng nên tồn tại hai dạng đồng phân là ảnh qua gương của nhau gọi là dạng D (dextro) và L (levo). Không thể hoán chuyển hai đồng phân này mà không phá vỡ sau đó tái tạo liên kêt hóa học nội tại. Ngoài một số rất ít trường hợp, chỉ acid amin dạng L tham gia tạo protein.
Hình 1.12: Cấu trúc 20 amino acid thường gặp Để hiểu cấu trúc lập thể và chức năng củ protein thì cần nhớ một số tính chất đặc thù của acid amin. Mạch nhánh xác định môt phần những tính chất này. Không cần thiết phải nhớ hết cấu trúc chi tiết của mỗi loại mạch nhánh nhưng cần nhớ tính chất chung của từng nhóm acid amin phân theo kích thước, hình dạng, điên tích, tính khử nước và tương tác hóa học của mạch nhánh. Acid amin với mạch nhánh không phân cực có tính kị nước nên hòa tan kém trong nước. Mạch nhánh càng lớn thì độ kị nước càng cao. Mạch nhánh của alanine, valine, leucine, isoleucine đều là hydrogencacbon mạch thẳng và của methionnine (chứa thêm một vòng nguyên tử lưu huỳnh) đều không chứa mạch vòng, không phân cực. Nhóm R của phenylalanine, tyrosine và tryptophan chứa mạch vòng lớn và cồng kềnh. Chương sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết làm thế nào các
nhóm kị nước này, dưới ảnh hưởng của hiệu ứng kị nước, thường vùi vào bên trong hoặc lát bên ngoài bề mặt của các protein vùi trong vùng kị nước của màng sinh học. Acid amin có nhóm R phân cực nằm trong tập hợp các acid amin ưa nước. Tập con của tập hợp này chứa những acid amin có tính ưa nước nhất với nhóm R tích điện (ion hóa) tại pH đặc trưng của dịch sinh học (= 7). Arginine và lysine có mạch nhánh tích điện dương và được gọi là acid amin base. Mạch nhánh của acid aspartic và acid glutamic chứa nhóm COO- nên tích điện âm (dạng ion hóa gọi là aspartate và glutamate)và có tính acid. Vì vậy histidine có thể chuyển từ dạng tích điện dương sang dạng không tích điện phụ thuộc vào những biến đổi nhỏ trong độ acid của môi trường. Do khả năng trên của histidine nên có thể điều khiển hoạt tính của nhiều protein bằng các dịch chuyển độ acid môi trường. Asparagine và glutamine không tích điện nhưng có mạch nhánh chứa nhóm –NH2 phân cực với khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh. Tương tự serine và threonine không tích điện nhưng mang nhóm hydrogenxyl phân cực nên có khả năng tạo liên kết hydrogen với phân tử phân cực khác. Sau cùng, cysteine, glycine và proline có vai trò đặc biệt trong protein vì mạch nhánh của chúng có tính chất đặc biệt. Mạch nhánh của cysteine chưa nhóm sulfhydryl (-SH) hoạt hóa với khả năng oxy hóa để hình thành liên kết disulfide cộng hóa trị (-S-S-) với cysteine thứ hai : Các vùng thuộc một chuỗi protein (nội phân tử) hoặc thuộc các chuổi khác nhau (giữa các phân tử) đôi khi gắn chéo với nhau qua liên kết disulfide. Các liên kết này làm bền cấu trúc gấp nếp của một số protein. Acid amin nhỏ nhất là glycine có nhóm R là một nguyên tử hydrogen, kích thước nhỏ cho phép glycine nằm vừa trong không gian hẹp. Không như các acid amin khác, mạch nhánh của proline uốn lại thành vòng bởi liên kết cộng hóa trị với nguyên tử nito trong nhóm amin gắn Ca. Vì vậy acid amin này rất kém linh động và tạo thành điểm cong cố định trong chuỗi protein, điều này hạn chế vùng khả năng gấp nếp ở vùng protein chứa proline. Một số acid amin có tỷ lệ xuất hiện trong protein cao hơn so với các acid amin khác. Cysteine,
tryptophan, và methionine là các acid amin hiếm. Tỷ lệ xuất hiện của cả 3 loại acid amin trong protein chỉ khoảng 5%. Bốn loại acid amin: leucine, serine, lysine, và acid glutamic có tỷ lệ cao nhất, chiếm 32% tổng số gốc acid amin trong một protein điển hình. Tuy nhiên thành phần acid amin của một protein nhất định có thể rất khác giá trị này. Mặc dù các tế bào sử dụng 20 loại acid amin làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp protein nhưng những phân tích chia tiết cho thấy các protein của tế bào chưa trên 100 loại acid amin. Nguyên nhân của điều này là do acid amin trong protein bị biến đổi hóa học. Nhóm acetyl (CH3CO) và một loạt các nhóm hóa học khác có thể gắn đặc hiệu với các acid amin của protein. Một biến đổi quan trọng là phosphate (PO4, phosphoryl hóa ) gắn thêm vào nhóm hydrogenxyl của serine, threonine, và tyrosine. Chúng ta sẽ gặp rất nhiều ví dụ điều hòa hoạt tính protein bởi phản ứng phosphoryl và khử phosphoryl hóa thuận nghịch. Phosphoryl hóa nito trong mạch nhánh của histidine không có gì lạ ở vi khuẩn, nấm và thực vật nhưng có ít nghiên cứu hơn có thể do histidine đã phosphoryl hóa tương đối không bền và rõ ràng là ít xảy ra hơn ở động vật có vú. Mạch nhánh của asparagines, serine, và threonine là vị trí glycosyl hóa. Các biến đổi acid amin khác bao gồm hydrogenxyl hóa proline và lysine trong collagen, methyl hóa histidine trong thụ thể màng, và –carboxyl hóa glutamate trong các yếu tố đông máu như prothrombin. Acetyl hóa : nhóm acetyl gắn vào nhóm amin đầu N của protein là dạng biến đổi hóa học acid amin phổ biến nhất, xảy ra ở khoảng chừng 80% protein: Biến đổi này đóng vai trò quan sát quan trọng đối với sự tồn tại của protein trong tế bào vì các protein không acetyl hóa nhanh chóng bị phân hủy. Năm loại nucleotide tạo ra acid nucleic Hai loại nucleic có tính chất hóa học tương tự là DNA (acid deoxyribonucleic) và RNA (acid ribonucleic), mang thông tin di truyền của tế bào. Nucleotide là đơn vị cấu thành polymer RNA và DNA. Nucleotide có cấu trúc chung gồm : một nhóm phosphate liên kết phosphoester với đường pentose (đường 5 carbon), đường pentose lại gắn với base nito (mạch vòng chưa carbon và N) tại nguyên tử N. Pentose của RNA là ribose và của DNA là deoxyribose ( ribose có nhóm 2;OH bị thay bằng 2’H). Các base adenine, guanine, và cytosine nằm trong DNA và RNA trong khi thymine chỉ tồn tại ở DNA, và uracil chỉ ở RNA.
Hình 1.13: 4 cấu trúc sống (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Adenine (A) và guanine(G) là purine, chứa hai mạch vòng dung hợp; cytosine (C), thymine (T), và uracil (U) là pyrimidine, chỉ chứa một mạch vòng. Trong nucleotide, carbon 1’ của đường (ribose hay deoxyribose) gắn với nito số 9 của purine (N9), hoặc nito số 1 của pyrimidine (N1). Nhóm phosphate quyết định đặc trưng acid của nucleotide. Dưới các điều kiện nội bào bình thường, nhóm phosphate giải phóng H+ nên tích điện âm. Trong tế bào hầu hết acid nucleotide sử dụng phosphate tích điện âm để tạo liên kết ion với protein.
Hình 1.15: Cấu trúc AMP Tế bào và dịch ngoại bào của sinh vật chứa nucleoside. Nucleoside là hợp chất chứa base và đường và không có phosphate. Nucleoside là nucleoside liên kết ester với một, hai hoặc ba nhóm phosphate tại đầu 5’OH. Nucleoside monophosphate có một phosphate đã ester hóa; nucleoside diphosphate chưa một nhóm pyrophosphate và nucleotic triphosphate có ba nhóm phosphate. Hình 1.16: Liệt kê tên của các nucleoside và nucleotide trong acid nucleic và các dạng nucleoside phosphate. Ngoài ra nucleotide trong tế bào còn có một số chức năng khác. Ví dụ, GTP tham gia vào truyền tín hiệu nội bào và đóng vai trò tích trữ năng lượng, đặc biệt trong tổng
hợp protein, và ATP là chất mang năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào. (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Các monosaccharide liên kết glycoside với nhau tạo nên polysaccharide mạch thẳng và nhánh Đơn vị cấu trúc của polysaccharide là đường đơn hay còn gọi là monosaccharide. Monosaccharide hay còn gọi là carbohydrate có công thức phân tử chung (CH2O)n với n bằng 3, 4,5,6,7. Hexose (n=6) và pentose (n=5) là những monosaccharide phổ biến nhất. Monosaccharide có công thức chưa nhóm hydrogenxyl (-OH) và một nhóm aldehyde hoặc keto: Hình 1.17: Công thức mạch thẳng và đóng vòng 5, vòng 6 của glucose Nhiều loại đường quan trọng về mặt sinh học là đường 6 carbon (hexose), gồm glucose, mannose, và galactose. Mannose giống hết glucose ngoại trừ chiều của các nhóm liên kết với carbon số 2 bị đảo ngược. Tương tự, galactose chỉ khác với carbon số 4. Sự hoán chuyển giữa glucose và mannose hoặc galatose đòi hỏi phá vỡ và tái tạo liên kết công hóa trị. Enzyme epimerases xúc tác những phản ứng như vậy. D-Glucose (C6H12O6) là nguồn năng lượng chính từ bên ngoài của hầu hết tế bào sinh vật bậc cao và có ba dạng tồn tại: một dạng mạch thẳng và hai dạng mạch vòng hemiacetal. Nhóm
aldehyde trên carbon số 5 tạo ra D-glucopyranose, nhóm hydrogenxyl gắn với carbon số 1 “quay xuống dưới” : nhóm hydrogenxyl này của β-anomer và hầu như không có dạng mở vòng. Bởi vì enzyme có thể phân biệt giữ α và β-anomer của D-glucose nên những dạng này có vai trò sinh học khác biệt. Nhóm –OH trên carbon số 4 liên kết với nhóm aldehyde của glucose mạch thẳng sẽ tạo vòng hemiacetal 5 cạnh gọi là S-gluco-furanose. Trong ba dạng D-glucose tồn tại trong hệ sinh học, pyranose phổ biên nhất. Vòng pyranose có dạng phẳng. Trên thực tế do liên kết quanh carbon tuân theo mô hình tứ diện nên cấu hình bền của vòng pyranose có dạng ghế. Trong cấu hình này, mỗi nguyên tử ngoài vòng ví dụ H hoặc O, liên kết trưc giao với carbon trên vòng theo trục X (a) hoặc gần như trong mặt phẳng vòng gọi là vuông theo trục Y(e). Disaccharide (hình thành từ hai monosaccharide) là polysaccharide đơn giản nhất. Lactose (cấu thành galactose và glucose) là đường chính trong sữa, sucrose (cấu thành từ fructose và glucose) là sản phẩm của chính quá trình quang tổng hợp trong thực vật và đươc tinh chế thành đường ăn thông thường. Các polysaccharide lớn hơn chứa hàng chục đến hàng trăm đơn vị monosaccharide với chức năng lưu trữ glucose, thành phần cấu trúc, hoặc chất kết dính tế bào trong mô. Glycogen, polymer dài và nhiều nhánh của glucose là nguồn dự trữ carbonhydrate chính của tế bào động vật. Trọng lượng của glycogen có thể chiếm tới 10% trọng lượng gan. Nguồn dự trữ carbonhydrate chính của tế bào thực vật là tinh bột. Tinh bột cũng là polymer của glucose và có dạng mạch không nhánh (amylose) hoặc ít nhánh (amylopeptin). Glycogen được tạo thành từ glucose dạng α-amomer. Ngược lại, cellulose, yếu tố chính của thành tế bào thực vật là polymer không phân nhánh của glucose dạng β-anomer. Enzyme tiêu hóa của người có thể thủy phân liên kết α glycoside trong tinh bột nhưng không thể phân hủy liên kết β glycosid trong cellulose.
Hình 1.18: Phản ứng tạo disaccharide Các enzyme tạo liên kết glycoside nối monosaccharide thành polysaccharide có nhiều nhóm – OH khả dụng để tạo liên kết glycoside nên về nguyên tắc hai phân tử đường có thể liên kết với nhau theo một số cách. Hơn nữa, một monosaccharide có khả năng liên kết với nhiều hơn hai monosaccharide khác nên có thể tạo các polymer mạch nhánh và polymer phi tuyến tính. Liên kết glycoside thường hình thành giữa chuỗi polysaccharide đang tổng hợp và monosaccharide đã biến đổi. những thay đổi như vậy gồm gắn cộng hóa trị với phosphate (ví dụ, glucose 6- phosphate) hoặc nucleotide (ví dụ, UDP-galatose) Hình 1.19: Sơ đồ các phần cấu trúc của phosphatidylcholine Nhiều loại enzyme epimerase thường thực hiện chuyển hóa các monosaccharide khác nhau sử dụng đường gắn nucleotide hơn là đường không bị biến đổi. Nhiều polysaccharide phức tạp chứa đường đã biến đổi, thường gắn cộng hóa trị với các nhóm nhỏ khác nhau, đặc biệt là nhóm amin, sulfate, và acetyl. Những biến đổi như vậy phổ biến trong glycosaminoglycan, thành phần polysaccharide chính của chất nền ngoài bào sẽ mô tả kĩ sau. Các phospholipid kết hợp không cộng hóa trị với nhau tạo nên cấu trúc lớp kép cơ bản của màng sinh học
Hình 1.20: Cấu trúc palmitate và oleate Màng sinh học là tấm linh động và lớn, có vai trò như những ranh giới giữa tế bào và các cơ quan tử nội bào cũng như tạo thành bề mặt ngoài của một số virus. Màng là biên giới xác định những gì thuộc tế bào (màng ngoài và nội chất trong màng) và những gì bên ngoài tế bào (không gian ngoại bào bên ngoài màng). Không như protein, acid nucleic, và polysaccharide, màng hình thành từ cá đơn vị cấu trúc liên kết không cộng hóa trị với nhau. Đơn vị cấu trúc cơ bản của mọi màng sinh học là phospholipid. Tính chất vật lý của phospholipid là nguyên nhân hình thành cấu trúc dạng tấm của màng. Cấu trúc của phospholipid gồm hai chuỗi acid béo không phân cực dài, gắn (thường liên kết qua ester) với các nhóm nhỏ có độ phân cực cao (gồm phosphate và phân tử hữu cơ ngắn như glycerol, trihydrogenxy propanol). Acid béo là một chuỗi hydrogencarbon gắn với một nhóm carboxyl (-COOH), là nguồn năng lượng quan trọng (giống như glucose) của rất nhiều loại tế bào. Các acid béo phổ biến trong tế bào có số nguyên tử carbon là chẵn, thường là 14,16,18 hoặc 20. Acid béo không chứa nối đôi được gọi là no; nếu chứa ít nhất một nối đôi gọi là không no. acid béo không no chứa nhiều hơn một nối đôi C=C được gọi là không no bậc cao. Hai acid amin không no bậc cao “thiết yếu” là acid linoleic (C18:2) và acid linolenic(C18:3). Động vật có vú có thể tổng hợp các acid béo phổ biến khác nhưng phải thu nhận hai acid này từ thực phẩm. Quanh mỗi nối đôi C=C có thể tồn tại hai đồng phân lập thể cis và trans: Nối cis làm chuỗi acid béo bị gấp khúc và kém linh động. Thông thường, acid béo không no trong hệ sinh học chỉ chứa nối đôi dạng cis. Do không gấp khúc nên acid béo no có thể đóng chặt với nhau hơn và có nhiệt độ nóng chảy cao hơn acid béo không no. Ở nhiệt độ phòng acid béo no thường có thể rắn. Acid béo dạng trans có trong bơ thực vật đã hydrogen hóa (sử dụng làm thỏi bơ rắn) và các sản phẩm thực phẩm không từ tự nhiên khác. Acid béo dạng trans xuất phát từ quá trình xúc tác được sử dụng khi hydrogen hóa. Các acid béo no và dạng trans có tính chất vật lý tương tự, và so với chất béo không no thì sử dụng chat béo no làm tăng tương đối nồng độ cholesterol trong máu. Acid béo có thể gắn cộng hóa trị với phân tử khác bởi phản ứng dehydrate hóa gọi là ester hóa. Phản ứng này loại –OH của nhóm carboxyl trong acid béo và H của nhóm hydrogenxyl trong phân tử kia, tạo thành phẩn tử hợp nhất với phần thu được từ acid béo gọi là nhóm acyl, hay nhóm acyl béo. Dạng phospholipid phổ biến nhất là phssphoglyceride và triacylglycerol (hay còn gọi là triglyceride) minh họa phản ứng này. Phosphoglyceride chứa hai nhóm acyl gắn với hai nhóm –OH của glycerol còn triglyceride chưa ba nhóm acyl ester hóa với glycerol: Các nhóm acyl béo cũng có thể liên kết cộng hóa trị với phân tử chất béo khác hoặc cholesterol tạo thành cholesteryl ester.
Triglyceride và cholesteryl ester cực kì khó tan trong nước. acid béo và cholesterol tương ứng được tích trữ hoặc vận chuyển dưới hai dạng này. Triglyceride là dạng tích trữ của acid béo trong tế bào mỡ của mô mỡ và là thành phần chất béo chính trong bữa ăn. Chất mang đặc biệt gọi là lipoprotein vận chuyển cholesteryl ester và triglyceride theo dòng máu tới mô. Trong phosphoglyceride, một nhóm OH cả glycerol liên kết ester với phosphate trong khi hai nhóm –OH khác thường liên kết ester với hai acid béo. Phospholipid đơn giản nhất là acid phosphatidic, chỉ chưa những thành phần này. Nhóm phosphate của hầu hết phospholipid còn tham gia liên kết ester với nhóm –OH của hợp chất ưa nước khác. Ví dụ choline gắn với phosphate trong phosphatidylcholine. Điện tích âm của phosphate và các nhóm phân cực (hoặc tích điện) liên kết ester với nó có thể tương tác mạnh với nước. Nhóm “đầu” của phospholipid (gồm phosphate và các nhóm liên kết ester với nó) có tính ưa nước trong khi các đuôi acyl béo có tính kị nước. Hình 1.21: Phân tử có hai vùng ưa nước và kị nước như phospholipid được gọi là phân tử lưỡng phần. Chúng ta sẽ thảo luận sau thấy vì sao tính chất lưỡng vùng của phospholipid giúp chúng ta
lắp ráp thành màng sinh học, môt tấm gồm hai lớp với đuôi acyl béo quay vào trung tâm và nhóm đầu quay ra ngoài môi trường lỏng. 1.3 Cân bằng hóa học Trong phân này chúng ta thảo luận về các phản ứng hóa học. Khi các phản ứng hóa học xảy ra, các liên kết (chủ yếu là liên kết cộng hóa trị) các chất tham gia phản ứng bị phá vỡ và các liên kết mới hình thành để tạo sản phẩm. Tại bất kì thời điểm nào, trong tế bào luôn có vài trăm loại phản ứng hóa học xảy ra và trên nguyên tắc nhiều chất có thể trải qua nhiều phản ứng hóa học. Quy mô và tốc độ xảy ra phản ứng xác định thành phần hóa học của tế bào. Khi trộn các chất tham gia phản ứng với nhau (trước khi tạo thành sản phẩm), nồng độ ban đầu của chúng xác định phần nào tốc độ sản phẩm (phản ứng thuận) của phản ứng. Nồng độ này xác định sác xuất các chất tham gia va đập và phản ứng với nhau. Khi sản phẩm của phản ứng tích lũy, nồng độ của mỗi chất tham gia phản ứng và tốc độ phản ứng thuận giảm xuống. Trong khi đó, một số phân tử sản phẩm bắt đầu tham gia vào phản ứng nghịch, tức phản ứng tái tạo chất tham gia (khả năng của phản ứng “quay ngược” trở lại được gọi là tính vi thuận nghịch). Ban đầu phản ứng nghịch diễn ra chậm nhưng sau đó nhanh lên khi nồng độ sản phẩm tăng. Sau cùng, tốc độ của phản ứng thuận và nghịch bằng nhau nên nồng độ của chất tham gia phản ứng và sản phẩm ngừng thay đổi. Hệ thống lúc này gọi là cân bằng hóa học. Khi cân bằng, tỷ lệ giữa nồng độ sản phẩm và chất tham gia gọi là hằng số cân bằng. Giá trị này cố định và không phụ thuộc vào tốc độ tại đó phản ứng xảy ra. Có thể dùng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học. Chất này thúc đẩy các biến đổi hóa học (tạo ra và phá vỡ liên kết cộng hóa trị) nhưng không bị biến đổi vĩnh viễn trong tiến trình phản ứng. Trong phần này chúng ta thảo luận một số khía cạnh của cân bằng hóa học. Trong phần sau chúng ta khảo sát biến thiên năng lượng của phản ứng và mối quan hệ của nó với sự cân bằng. Hằng số cân bằng phản ánh mức độ hoàn toàn của phản ứng hóa học Hằng số cân bằng Keq phụ thuộc vào bản chất của chất tham gia và sản phẩm cũng như nhiệt độ và áp suất (đặc biệt trong các phản ứng liên quan đến chất khí). Dưới các điều kiện vật lý chuẩn 0 (25 C và áp suất 1atm với hệ sinh học), Keq của một phản ứng là hằng số cho dù có hay không có chất xúc tác. Đối với phản ứng thƣờng gặp gồm 3 chất tham gia phản ứng và ba sản phẩm: Với chữ cái viết hoa thể hiện các phân tử hoặc nguyên tử và chữ cái thường là số mỗi nguyên tử hoặc phân tửa trong công thức phản ứng. Hằng số cân bằng là :
Tốc độ thuận và tốc độ nghịch của phản ứng được biểu diễn như sau: Qua biến đổi ta thu được: Các phản ứng hóa học trong tế bào đều ở trạng thái ổn định Dưới các điều kiện thích hợp và đủ thời gian, phản ứng hóa sinh xảy ra trong ống nghiệm cuối cùng sẽ đạt trạng thái cân bằng. Tuy nhiên trong tế bào, nhiều phản ứng hóa học thường kết nối với nhau thành một con đường nhất định. Trong chuỗi phản ứng đó, sản phẩm của một phản ứng là chất tham gia của phản ứng khác hoặc bị đẩy ra khỏi tế bào. Trong trường hợp này nếu một chất có tốc độ tạo ra bằng tốc độ tiêu thụ thì nồng độ chất đó sẽ không đổi, và chuỗi phản ứng thực hiện được điều này gọi là trong trạng thái ổn định. Chuỗi phản ứng như vậy ngăn chặn quá nhiều chất trung gian tích tụ. điều này giúp tế bào được bảo vệ khỏi các hiệu ứng bất lợi do các chất trung gian gây ra nếu nó là chất độc tại nồng độ cao. Hằng số phân ly của các phản ứng gắn kết phản ánh ái lực của các phân tử tham gia tƣơng tác.
Có thể áp dụng các khái niệm cân bằng phản ứng cho quá trình gắn của hai phân tử. Nhiều quá trình tế bào quan trọng phụ thuộc vào các “phản ứng” gắn như vậy. Những phản ứng này tạo ra hay phá vỡ nhiều tương tác không cộng hóa trị thay vì liên kết cộng hóa trị như đề cập ở trên. Một ví dụ phổ biến là phối tử (ví dụ hormone insulin hay adrenaline) gắn với thụ thể trên bề mặt tế bào, tạo thành tập hợp đa phân tử (phức hệ) gây ra đáp ứng sinh học. Ví đụ khác là protein gắn với trình tự đặc hiệu trên DN A, làm tăng hoặc giảm biểu hiện của gene lân cận. Nếu biết hằng số cân bằng của phản ứng gắn, có thể xác định độ bền của phức hệ tạo ra. Để minh họa phương pháp chung dùng để xác định nồng độ của phức hệ liên hợp không cộng hóa trị, chúng ta sẽ tính mức độ một protein (P) gắn với DNA (D) tạo thành phức hệ protein-DNA (PD): P + D ⇄ PD Tính chất của hầu hết các phản ứng gắn được mô tả dưới dạng hằng số phân ly Kd , giá trị nghịch đảo của hằng số cân bằng. Phản ứng trên có hằng số cân bằng là : -10 Phản ứng gắn điển hình giữa protein và trình tự DNA đặc hiệu có Kd=10 M với M là nồng độ phân tử gam. Để liên hệ độ lớn hằng số phân ly với tỷ lệ DNA gắn và không gắn, ta lấy ví dụ đơn giản là tế bào vi khuẩn với dung tích 1,5x10-15l, chứa một phân tử DNA và 10 phân tử -10 protein gắn DNA (P). Trong trường hợp này, từ Kd=10 M suy ra 99% thời gian trình tự DNA đặc hiệu này gắn với một phân tử protein, cho dù tế bào chỉ chứa 10 phân tử protein! Rõ ràng là P gắn rất chặt với D (có áp lực cao). Giá trị hằng số của hằng số phân ly của phản ứng gắn rất -9 thấp phản ánh điều này. Tương tác protein-protein và protein-DNA được coi là chặt nếu Kd =10 -6 -3 M (nanomolar), chặt vừa phải nếu Kd = 10 M ( micromolar) và tương đối yếu nếu Kd = 10 M (millimolar). Do kích thước của các đại phân tử sinh học (như protein) lớn nên trên bề mặt của chúng thường chứa nhiều vị trí có thể tham gia tương tác bổ sung với những phân tử khác. Do vậy nhiều đại phân tử có khả năng gắn đồng thời với một số phân tử khác. Trong một số trường hợp, các phản ứng gắn này độc lập với nhau và từng giá trị Kd là hằng số. Ở các trường hợp khác, phân tử gắn với vị trí A trên đại phân tử có thể làm thay đổi cấu hình lập thể của vị trí B và dẫn đến thay đổi tương tác gắn của vị trí B với một số phân tử khác. Cơ chế này quan trọng do nhờ đó mà một phân tử có thể thay đổi (điều hòa) hoạt tính của phân tử thứ hai (ví dụ protein) bằng cách thay đổi khả năng tương tác của phân tử thứ hai này với phân tử thứ ba. Mỗi loại dịch sinh học có giá trị pH đặc trƣng Dung môi bên trong tế bào và của dịch ngoại bào là nước. Đặc tính quan trọng của bất kỳ dung + - dịch lỏng nào là nồng độ H và OH . Vì là sản phẩm phân ly của H2O nên những ion này là thành
phần của mọi hệ thống sống, và chúng được giải phóng bởi nhiều phản ứng xảy ra giữa các phân tử hữu cơ trong tế bào. H+ và OH- cũng được vận chuyển vào hoặc ra tế bào, như khi lớp tế bào lót dạ dày tiết ra dịch vị có độ acid cao. Khi phân ly, một trong các liên kết H-O phân cực của H2O bị phá vỡ. Ion H+ tạo thành thường gọi là proton và có thời gian tồn tại tự do ngắn do nó nhanh chóng kết hợp với H2O, tạo thành + ion hydrogennium (H3O ). Tuy nhiên để thuận tiện chúng ta chỉ nói đến nồng độ ion hydrogen + + trong dung dịch ([H ]) mặc dù thực chất nó là nồng độ của ion hydrogennium ([H3O ]). Nước phân ly tạo ra ion OH- và H+ theo phản ứng thuận nghịch : Tại 25oC, [H+][ OH-]=10-14 M2 nên nước tinh khiết có [H+]=[ OH-]=10-7 M. Theo quy ước, [H+] trong dung dịch được biểu hiện bằng giá trị pH. pH là âm logarit của [H+]. pH của nước tinh khiết tại = 7: Cần nhớ rằng sai khác một đơn vị pH tương đương với 10 khác biệt trong nồng độ proton. Trên thang pH, 7,0 là pH trung tính, dung dịch acid có độ pH 7,0 ( kiềm tính) (hình 2-25). Ví dụ dung dịch giàu acid HCl có pH khoảng 1 và [H+] của nó gấp khoảng 1 triệu lần [H+] của tế bào chất (pH khoảng 7,2). Tương bào thường có pH khoảng 7,2 nhưng pH bên trong tiêu thể (cơ quan tử của tế bào nhân chuẩn) thấp hơn nhiều (khoảng 4,5). Nhiều enzyme thủy phân của tiêu thể có chức năng tối ưu trong môi trường acid, trong khi hoạt tính của chúng bị kìm hãm tại môi trường gần trung tính của tương bào, điều này cho thấy rằng cần duy trì pH đặc hiệu cho một số cấu trúc tế bào hoạt động chính xác. Mặt khác, pH tế bào biến động mạnh cũng đóng vai trò quan trọng trong điều hòa hoạt tính của tế bào. Ví dụ tế bào chất của trứng chim biển khi chưa thụ tinh (động vật sống dưới nước) có pH 6,6. Tuy nhiên pH tăng tới 7,2 trong vòng một phút sau khi thụ tinh; có nghĩa là [H+] giảm xuống khoảng ¼ giá trị ban đầu. Biến đổi này là cần thiết cho quá trình phát triển và phân chia sau đó của trứng. Acid giải phóng H+ còn base hấp thụ nó Nhìn chung, acid là bất cứ phân tử, ion hoặc nhóm hóa học nào có khả năng giải phóng ion hydrogen (H+). HCl hoặc nhóm cacborxy (-COOH) là acid. Trong đó –COOH có xu hướng phân
ly tạo thành ion carboxylate (-COO-) tích điện âm. Tương tự, base là phân tử, ion hoặc nhóm chức có khả năng nhận H+, ví dụ như ion OH-, NH3 ( tạo thành ion ammonium NH4+); hoặc nhóm amin (-NH2). Khi bổ sung acid vào dung dịch, nồng độ H+ tăng (pH giảm). Ngược lại khi bổ sung base vào dung dịch, nồng độ H+ giảm (pH tăng). Vì [H+][ OH-]=10-14 M2 nên nồng độ H+ tăng lên sẽ làm nồng độ OH- giảm tương ứng và ngược lại. Nhiều phân tử sinh học, chưa cả hai nhóm acid và base. Ví dụ trong dung dịch trung tính (pH=7,0), nhiều acid amin tồn tại phần lớn ở dạng ion hóa kép, trong đó nhóm carboxy mất một proton và nhóm amin nhận một proton. Với R là mạch nhánh không tích điện. Phân tử chứa số ion dương và âm bằng nhau như vậy được gọi là zwitterions. Zwitterions có tổng điện tích bằng không (trung tính). Tại pH rất acid hoặc base, chỉ một trong hai nhóm ion hóa của acid amin tích điện. Có thể viết chương trình phản ứng phân ly của acid (hay nhóm acid trong phân tử lớn) HA là HA = H+ + A-. Hằng số cân bằng của phản ứng này, Ka ( a là viết tắt của acid), được xác định theo + - công thức : Ka = [H ][ A ]/[HA]. Biến đổi phương trình trên sẽ tạo phương trình Henderson- Haselbalch rất hữu dụng, thể hiện tương quan giữa hằng số cần bằng và pH : Với pKa= -log Ka Từ phương trình trên có thể thấy rằng pKa củaacid bằng pH tại đó một số phân tử phân ly và một - - nữa không phân ly. Điều này là do khi [A ]=[HA] thì log ([A ]/[HA])=0, dẫn đến pKa=pH. Phương trình Henderson-Haselbalch cho phép tính độ phân ly của acid khi biết pH của dung dịch và pKa. Trong thực nghiệm, bằng cách đo và theo pH dung dịch, có thể tính pKa của acid và từ đó tính ra hằng số cần bằng Ka của phản ứng phân ly. Đệm duy trì pH của dung dịch nội và ngoại bào Mặc dù tạo ra nhiều sản phẩm trao đổi chat có tính acid như acid lactic và CO2 (CO2 phản ứng với nước tạo thành acid carbonic), tế bào đang phát triển vẫn phải duy trì pH tế bào chất trong khoảng 7,2-7,4. Để thực hiện nhiệm vụ này, tế bào chứa hệ đệm cấu thành từ acid và base yếu. điều này đảm bảo duy trì pH tế bào tương đối không đổi mặc dù nồng độ H+ hoặc OH- luôn dao động nhẹ do trao đổi chất, hấp thụ hoặc tiết các phân tử và ion. Đệm làm điều này bằng cách “hút bớt” H+ hoặc OH- dư khi chúng đi vào tế bào hoặc tạo ra từ quá trình trao đổi chất.
- Nếu bổ sung acid hoặc base vào một đệm có pH bằng pKa của đệm [HA]=[A ] thì pH của dung dịch này sẽ thay đổi ít hơn so với khi không có đệm. Điều này là do H+ giải phóng ra khi thêm acid bị dạng ion hóa của đệm (A-) hấp thụ. Tương tự, khi thêm base, OH- bị trung hòa bởi proton do HA giải phóng. Năng lượng giải phóng hoặc hấp thụ H+ của một chất phụ thuộc vào tương quan giữa pH dung dịch và pKa của chất đó. Khả năng duy trì pH ổn định của đệm gọi là năng lực đệm và phụ thuộc vào nồng độ cũng như tương quan giữa giá trị pKa của đệm với pH và được biểu diễn bằng phương trình Henderson- Hasselbalch. Đồ thị chuẩn độ của acid acetic minh họa hiệu ứng của pH đối với các phân đoạn phân tử ở dạng ion hóa HA và ion hóa (A-). Khi pH kém pKa một đơn vị, 91% phân tử ở dạng A-. Khi pH ở ngoài khoảng pK , năng lực đệm của acid yếu và base yếu giảm nhanh chóng. Nói cách khác, trong trường hợp bổ sung cùng số mol acid vào dung dịch chứa hỗn hợp HA và A-, nếu pH của acid gần bằng pKa thì pH của dung dịch sẽ ít thay đổi hơn so với khi không có HA và A- hoặc khi pH của acid khác xa pKa. Mọi hệ sinh học chứa môt hoặc nhiều loại đệm. Dạng ion hóa của acid phosphoric (các ion phosphate) có khá nhiều trong tế bào và là yếu tố quan trọng để duy trì (hay đệm) pH của tế bào chất. Acid phosphoric(H3PO4) có ba proton với khả năng phân ly độc lập(không cùng lúc). Phản
ứng phân ly của mỗi proton có và pKa riêng. Đồ thị chuẩn độ của acid phosphoric cho thấy pKa phân ly của proton thứ hai là 7,2. Do đó theo phương trình Henderson-Hesselbatch, tại pH 7,2 - khoảng 50% phosphate của tế bào là H2PO4 . Do vậy phosphate là đệm lý tưởng tại pH bằng 7,2 (xấp xỉ pH của tế bào chất). và 7,4 (pH của máu người). 1.4 Năng lƣợng hóa sinh học Quá trình tạo, tích trữ và sử dụng năng lượng là trung tâm của tính hiệu quả của tế bào. Có thể định nghĩa năng lượng là khả năng sinh công, một khái niệm vừa đúng với động cơ ô tô và nhà máy điện trong cuộc sống của chúng ta cũng như với cỗ máy tế bào của thế giới sinh học. Có thể khai thác năng lượng dữ trữ trong liên kết hóa học đẻ cung cấp cho hoạt động hóa học và vận động cơ học của tế bào. Một số hình thức năng lƣợng quan trọng trong hệ sinh học Có hai dạng năng lượng cơ bản : động năng và thế năng. Động năng là năng lượng vận động - ví dụ vận động của các phân tử. Dạng năng lượng thứ hai là thế năng (năng lượng tích trữ), đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu các hệ thống sinh hoặc hóa học.
Nhiệt năng hay nhiệt là một dạng của động năng. Để sinh công, nhiệt cần truyền từ vùng nhiệt độ cao-nơi tốc độ và vận tốc trung bình của phân tử cao hơn tới nơi có nhiệt độ thấp.Mặc dù có thể tồn tại chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên trong và bên ngoài tế bào, gradient nhiệt này thường không phải nguồn năng lượng giúp tế bào hoạt động. Qua tiến hóa, động vật máu nóng có cơ chế điều hòa thân nhiệt và nhiệt năng chúng sử dụng để duy trì thân nhiêt ổn định. Chức năng này rất quan trọng vì tốc độ của nhiều hoạt động tế bào phụ thuộc vào nhiệt độ. Ví dụ, làm lạnh tế bào động vật có vú từ nhiệt độ cơ thể bình thường (37oC) xuống 4oC có thể gần như đóng băng hay dừng nhiều quá trình tế bào (ví dụ vận động màng nội bào). Năng lượng bức xạ là động năng của photon, cũng rất quan trọng đối với sinh học. Năng lượng bức xạ có thể chuyển hóa thành nhiệt năng, ví dụ khi các phân tử hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa năng lượng thành vận động phân tử. Năng lượng phân tử do các phân tử hấp thụ cũng có thể biến đổi cấu hình điện tử của nó, chuyển điện tử tới trạng thái năng lượng cao hơn. Trạng thái năng lượng này sau đó phục hồi bình thường và giải phóng năng lượng sinh công. Ví dụ, khi quang hợp , năng lượng ánh sáng do các phân tử chuyên biệt (ví dụ chất diệp lục) hấp thụ sau đó sẽ chuyển hóa năng lượng liên kết hóa học. Cơ năng là dạng động năng chính trong sinh học, thường do chuyển hóa năng lượng hóa học đã tích trữ từ trước gây ra. Ví dụ, các thay đổi trong chiều dài của tơ khung tế bào tạo ra lực đẩy hoặc kéo màng và các cơ quan tử. Điện năng-năng lƣợng vận động của điện tử hoặc các hạt điện tích khác-cũng là một dạng động năng. Nhiều dạng thế năng có ý nghĩa rất quan trọng trong sinh học. Quan trọng nhất trong sinh học là hóa năng, năng lượng lưu giữ dưới dạng liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử. Thực vậy, hầu hết phản ứng hóa học được mô tả trong cuốn sách này đều liên quan đến thiết lập hoặc phá vỡ ít nhất một liên kết cộng hóa trị. Chúng ta nhận ra năng lượng này khi các chất tham gia phản ứng giải phóng năng lượng. Ví dụ thế năng cao tích tụ trong liên kết cộng hóa trị của glucose có thể được giải phóng bởi phản ứng đốt cháy do enzyme xúc tác. Tế bào khai thác dạng năng lượng này để thực hiện nhiều hoạt động. Dạng thế năng quan trọng thứ hai cho sinh học là năng lượng gradient nồng độ. Gradient nồng độ tồn tại khi một chất có nồng độ khác nhau tại hai bên của rào chắn (ví dụ màng). Mọi tế bào hình thành gradient nồng độ bên trong và bên ngoài dịch bởi trao đổi chọn lọc chất dinh dưỡng, chất thải và ion với môi trường xung quanh. Các cơ quan tử trong tế bào (ty thể, tiêu thể ) cũng thường chứa các ion và phân tử với nồng độ khác nhau. Như sẽ thấy trong phần sau, nồng độ của proton trong tiêu thể gấp khoảng 500 lần trong tế bào chất. Dạng thế năng thứ ba trong tế bào là điện thế, năng lượng phân tách điện tích. Ví dụ, tồn tại gradient điện thế bằng = 200 000 volt/cm qua màng tế bào.
Tế bào có thể chuyển một dạng năng lƣợng thành dạng khác Theo định luật nhiệt động học thứ nhất, năng lượng không tự sinh ra mà cũng không tự mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Ví dụ, trong quang hợp, quang năng được chuyển thành hóa năng. Ở cơ và thần kinh, hóa năng tích trữ trong liên kết cộng hóa trị được chuyển hóa tương ứng thành động năng khi co bóp cơ và điện năng khi truyền xung thần kinh. Trong mọi tế bào chất, thế năng tạo ra khi phá vỡ các liên kết hóa học nhất định được sử dụng để tạo ra thế năng dưới dạng garadient nồng độ và gradient điện thế. Tương tự, năng lượng lưu giữ trong gradient nồng độ hóa học hay gradient điện thế được sử dụng để tổng hợp các liên kết hóa học hoặc để vận chuyển các phân tử qua màng nhằm tạo ra gradient nồng độ. Quá trình sau xảy ra khi vận chuyển chất dinh dưỡng như glucose tới các tế bào nhất định và vận chuyển nhiều chất thải ra khỏi tế bào. Bởi vì ta có thể hoán chuyển tất cả các hình thức năng lượng cho nhau nên có thể dùng chung một đơn vị đo lường. Mặc dù đơn vị chuẩn của năng lượng là J, nhà hóa sinh theo truyền thống thường xuyên sử dụng đơn vị calo (1J= 0,239calo). Xuyên suốt cuốn sách này chúng tôi sử dụng kilocalo để đo biến đổi năng lượng (1kcal=1000calo). Biến thiên năng lƣợng tự do xác định chiều phản ứng hóa học Bởi vì hệ sinh học thường xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi nên có thể tiên đoán chiều phản ứng hóa học dựa trên biến thiên năng lượng tự do G, tên đặt sau khi J.W.Gibbs cho thấy “tất cả các thay đổi trong hệ thống đều theo hướng tối thiểu hóa năng lượng tự do[G]”. Trong trường hợp của một phản ứng hóa học, chât tham gia, sản phẩm, biến thiên năng lượng tự do: Có thể tóm gọn tương quan giữa ∆G và chiều phản ứng bằng ba mệnh đề sau: Nếu ∆G âm, phản ứng thuận sẽ tự xảy ra và thường giải phóng năng lượng (phản ứng tỏa năng lượng). Nếu ∆G dương, phản ứng thuận không tự xảy ra mà cần bổ sung năng lượng cho hệ thống để thúc đẩy chuyển hóa năng chất tham gia thành sản phẩm (phản ứng thu năng lượng). Nếu ∆G bằng 0, phản ứng thuận và nghịch xảy ra tại tốc độ bằng nhau nên nồng độ sản phẩm và chất tham gia không đổi; hệ thống đạt trạng thái cân bằng. Theo quy ước, biến thiên năng lượng tự do chuẩn của phản ứng (∆Go’) là biến thiên năng lượng tự do dưới điều kiện 298 K, áp suất 1atm, pH 7,0 (như trong nước tinh khiết), và nồng độ ban đầu của tất cả chất tham gia và sản phẩm (trừ proton) bằng 1M, proton được giữ tại 10-7M (pH 7,0). Hầu hết các phản ứng sinh học không xảy ra ở điều kiện chuẩn, đặc biệt nồng độ chất tham gia phản ứng thường nhỏ hơn 1M.
Năng lượng tự do của hệ hóa học là G = H- TS, với H là năng lượng liên kết (enthalpy) của hệ thống; T là nhiệt độ theo đơn vị Kevin(K); và S là entropy(thước đo độ ngẫu nhiên hay độ trật tự). Nếu nhiệt độ giữ không đổi, phản ứng chỉ tự diễn ra nếu biến thiên năng lượng tự do ∆G âm. δG = δH- δTS(2-6) Trong phản ứng tỏa nhiệt do năng lượng liên kết của sản phẩm thấp hơn cả chất tham gia nên nưng lượng giải phóng ra thường chuyển hóa thành nhiệt (năng lượng vận động phân tử) và ∆H âm. Trong phản ứng thu nhiệt, năng lượng liên kết của sản phẩm cao hơn của chất tham gia nên nhiệt độ bị hấp thu trong tiến trình phản ứng và ∆H dương. Hiệu ứng tổ hợp của biến thiên enthalpy và entropy xác định dấu của ∆G. Phản ứng tỏa nhiệt (∆H 0) tự xảy ra (∆G 0) sẽ tự xảy ra nếu ∆S tăng sao cho T∆S lớn hơn ∆H. Nhiều phản ứng sinh học dẫn đến tăng độ trật tự và do đó làm giảm entropy (∆S<0). Ví dụ dễ thấy là phản ứng tổng hợp protein từ acid amin. Dung dịch chứa protein có entropy thấp hơn dung dịch chứa đủ các acid amin cấu thành nhưng ở trạng thái không liên kết. Nguyên nhân của điều này là acid amin trong protein gắn với nhau thành chuỗi dài nên bị hạn chế vận động tự do. Thông thường tế bào bù lại sự giảm entropy bằng cách “cặp đôi” các phản ứng tổng hợp (làm giảm entroypy) như vậy với các phản ứng độc lập có giá trị ∆G rất âm (xem dưới đây). Bằng cách này tế bào có thể chuyển đổi nguồn năng lượng trong môi trường thành hoạt động xây dựng các cấu trúc có tổ chức cao và các con đường trao đổi chất thiết yếu cho sự sống. Biến thiên năng lượng tự do ∆G của phản ứng thường không bằng ∆Go’ và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất cũng như nồng độ ban đầu của chất tham gia và sản phẩm. pH dung dịch tác động đến hầu hết các phản ứng sinh học cũng như phản ứng khác xảy ra trong dung dịch. Có thể tính biến thiên năng lượng tự do ở các nhiệt độ khác nhau và nồng độ ban đầu theo phương trình sau: Với R là hằng số khí = 1,987 cal/ (độ.mol), T (K), và Q là tỷ lệ ban đầu của sản phẩm và chất tham gia. Với phản ứng A+B ⇄ C, Q=[C]/[A][B]. Trong trường hợp này, nồng độ ban đầu của A hoặc B tăng sẽ làm tăng ∆G âm hơn và phản ứng xảy ra theo chiều thuận (tạo ra C). Với mọi giá trị ∆Go’ , một phản ứng hóa sinh nhất định sẽ chỉ xảy ra trong tế bào khi ∆G âm, tùy thuộc vào nồng độ nội bào của sản phẩm và chat tham gia. Ví dụ, trong phản ứng chuyển hóa glyceraldhyde-3-phosphate (G3P) thành dihyddrocyacetone phosphate (DHAP) (hai chất này tham gia con đường phân giải glucose) G3P⇄ DHAP
∆Go’ =-1840 cal/ mol. Nếu nồng độ ban đàu cảu G3P= DHAP thì ∆G= ∆Go’ vì RTln 1 =0; trong trường hợp này, phản ứng thuận nghịch sẽ tự xảy ra theo chiều tạo DHPA cho tới khi cân bằng. tuy nhiên,nếu [DHPA] ban đầu = 0,1M và [G3P]= 0,001M thì tại điều kiện chuẩn, Q=0,1/0,001=100, nên ∆G= +887 calo/mol. Dưới các điều kiện này, phản ứng sẽ diễn ra theo chiều tạo G3P. ∆G không phụ thuộc vào tôc độ phản ứng. Thực vậy, dưới các điều kiện sinh lý bình thường, gần như mọi phản ứng hóa sinh cần để duy trì sự sống đều có ít nhất một cơ chế tăng tốc. Tốc độ của phản ứng trong các hệ sinh học thường được xác định bởi hoạt tính của enzyme, protein xúc tác tăng sự tạo thành sản phẩm từ chất tham gia mà không làm thay đổi ∆G. o’ Có thể tính ∆G từ Keq Khi cân bằng, hỗn hợp hóa chất nằm tại trạng thái ổn định với năng lượng tự do nhỏ nhất. Với một hệ thống cân bằng (∆G=0, Q= Keq) dưới điều kiện chuẩn có thể viết: o’ ∆G =-2,3RT logKeq = -1362 log Keq (2-8) Do đó nếu biết nồng độ của chất tham gia và sản phẩm lúc cân bằng (ví dụ Keq) thì có thể tính o’ giá trị G . Ví dụ, Keq của phản ứng chuyển hóa glyrceraldehyde-3-phosphate (G3P DHAP) là 22,2 dưới điều kiện chuẩn. Thay giá trị này vào phương trình 2-8 sẽ dễ dàng tính được ∆Go’ của phản ứng này là 1840 cal/mol. Biến đổi lại phương trình 2-8 suy ra: -( o’/2,3RT) Keq= 10 ∆G (2-9) o’ Từ phương trình này có thể thấy rõ nếu ∆G âm thì số mũ sẽ dương và Keq>1. Do đó lúc cân bằng nồng độ sản phẩm sẽ cao hơn nồng độ chất tham gia hay nói cách khác, phản ứng ưu tiên o’ tạo sản phẩm. Ngược lại, nếu ∆G dương thì số mũ sẽ âm và K eq sẽ <1. Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào năng lƣợng hoạt hóa cần thiết để đƣa chất tham gia tới trạng thái chuyển tiếp Khi phản ứng hóa học bắt đầu, các chất tham gia đập vào nhau và dẫn tới bắt đầu hình thành một số liên kết trong khi phá vỡ một số liên kết khác.một cách để hình dung về các phân tử giai đoạn chuyển tiếp này là có những giới hạn nhất định trong cấu hình điện tử của nguyên tử và liên kết của chúng. Cần cấp năng lượng để một tập hợp các nguyên tử chuyển từ trạng thái chất tham gia tương đối bền thành trạng thái trung gian này trong tiến trình phản ứng. Theo đó, tập hợp nguyên tử có trạng thái năng lượng tạm thời cao hơn tại một số thời điểm. Trong một phản ứng hóa học, trạng thái đó hệ thống nằm ở mức năng lượng cao nhất được gọi là trạng thái chuyển tiếp. Năng lượng để kích thích chất tham gia phản ứng tới trạng thái chuyển tiếp gọi là năng lượng hoạt hóa, kí hiệu là ∆G≠, tương tự với biến thiên năng lượng tự do Gibbs (∆G) đã đề cập. Từ trạng thái
chuyển tiếp, một tập hợp nguyên tử có thể giải phóng năng lượng dưới dạng tạo thành sản phẩm của phản ứng hoặc “lùi lại” mức năng lượng ban đầu. Vận tốc (V) tạo thành sản phẩm từ chất tham gia trong một tập hợp điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất tham gia) sẽ phụ thuộc vào nồng độ của chất tại trạng thái chuyển tiếp. Nồng độ này lại phụ thuộc vào năng lượng hoạt hóa và hằng số tốc độ riêng (v) tại đó trạng thái chuyển tiếp chuyển hóa thành sản phẩm. Năng lượng hoạt hóa càng cao, tỷ lệ chất tham gia đạt tới trạng thái chuyển tiếp càng thấp và tốc độ phản ứng càng chậm. Tương quan giữa nồng độ chất tham gia phản ứng v, và V là: V=V(chất tham gia) X 10-(∆G≠ / 2,3RT) Từ phương trình này có thể thấy rằng giảm năng lượng hoạt hóa, tức giảm năng lượng tự do của trạng thái chuyển tiếp ∆G≠ , sẽ làm tăng tốc độ tổng thể của phản ứng V. Giảm ∆G≠ 1,36kcal /mol dẫn đến tăng 10 lần tốc độ phản ứng, trong khi giảm 2,72kcal/mol dẫn đến tốc độ tăng 100 lần. Do đó những biến đổi tương đối nhỏ của ∆G≠ có thể làm tốc độ tổng thể của phản ứng thay đổi lớn. Các chất xúc tác như enzyme thúc đẩy tốc độ phản ứng bằng cách làm giảm năng lượng tương đối của trạng thái chuyển tiếp và do đó cũng làm giảm năng lượng hoạt hóa.Năng lượng tương đối của chất tham gia và sản phẩm sẽ xác định phản ứng có lợi về mặt nhiệt động học hay không (∆G âm), trong khi đó năng lượng hoạt hóa sẽ xác định sản phẩm dễ tạo ra như thế nào (động học của phản ứng).Phản ứng có lợi về mặt nhiệt động sẽ không xảy ra nếu năng lượng hoạt hóa cao. Sự sống phụ thuộc vào sự cặp đôi giữa các phản ứng tỏa và thu năng lƣợng Nhiều quá trình trong tế bào không thuận lợi về mặt năng lượng (∆G>0) và không tự xảy ra. Các ví dụ bao gồm tổng hợp DNA từ nucleotide và vận chuyển vật chất qua màng từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp. Tế bào có thể thực hiện phản ứng cần năng lượng (thu năng lượng) (∆G1>0) nếu phản ứng tổng có ∆G âm. Ví dụ giả định rằng phản ứng có ∆G = 5 kcal/mol và phản ứng có ∆G = -10 kcal/mol: Khi không có phản ứng thứ hai thì tại cân bằng nồng độ của A sẽ lớn hơn nồng độ của B rất nhiều. Tuy nhiên, vì phản ứng chuyển hóa X thành Y+Z rất có lợi về mặt năng lượng nên nó sẽ đẩy quá trình đầu tiên theo chiều tạo thành B và tiêu thụ A. Trong tế bào, các phản ứng thu năng
lượng thường đi kèm với phản ứng thủy phân ATP giải phóng năng lượng như sẽ thảo luận tiếp đây. ATP bị thủy phân giải phóng năng lƣợng tự do đáng kể và điều khiển nhiều quá trình tế bào Ở hầu hết mọi sinh vật, adenosine triphosphate (ATP) là phân tử quan trọng nhất cho sự bắt giữ, tích trữ tạm thời và sau đó chuyển hóa năng lượng để sinh công (ví dụ sinh tổng hợp, vận động cơ học). Năng lượng của ATP chứa trong liên kết phosphoanhydride. Đây là liên kết cộng hóa trị tạo thành khi hai ATP có hai liên kết phosphoanhydride (còn gọi là phosphodiester). Quá trình thủy phân một liên kết phosphoanhydride (~) ở mỗi phản ứng dưới đây có ∆Go’rất âm, khoảng - 7,3 kcal/mol: 3- Trong các phản ứng này, Pi là phosphate vô cơ (PO4 ) và PPi pyrophosphate (hai nhóm phosphate gắn với nhau bởi liên kết phosphoanhydride) vô cơ. Như thể hiện ở hai phản ứng đầu, ATP bị mất một nhóm phosphate tạo ra adenosine diphosphate (ADP) và mất pyrophosphate tạo ra adenosine monophosphate(AMP). Liên kết phosphoanhydride hoặc những liên kết cao năng khác (thường kí hiệu là ~) về cơ bản là giống như các liên kết cộng hóa trị khác . Khác biệt nằm trong giải phóng năng lượng rất lớn khi liên kết cao năng bị phá vỡ bởi phản ứng thủy phân. Ví dụ, ∆Go’ của phản ứng thủy phân liên kết phosphoanhydride trong ATP (-7,3 Kcal/mol) gấp ba lần ∆Go’ của phản ứng thủy phân liên kết phosphoester (màu đỏ) trong glycerol 3-phosphate(-2,2kcal/mol). Lý do chính của mức độ khác biệt này là ATP và sản phẩm thủy phân của nó (ADP và Pi) tích điện cao tại pH trung tính. Trong quá trình tổng hợp ATP, cần lượng lớn năng lượng để ép các điện tích âm của ADP và Pi lại với nhau. Ngược lại, phản ứng thủy phân ATP thành ADP và Pi sẽ giải phóng rất nhiều năng lượng. Để so sánh, liên kết phosphoester giữa Pi và hydrogenxyl không tích điện trong glycerol cần ít năng lượng hơn đẻ hình thành đồng thời cũng ít năng lượng hơn được giải phóng hơn khi bị thủy phân.
Tế bào đã tiến hóa nhiều cơ chế sử dụng protein để chuyển năng lượng do liên kết phosphoanhydride giải phóng ra khi bị thủy phân tới các phân tử khá, bằng cách này điều khiển các phản ứng không có lợi về mặt năng lượng. Ví dụ, xét phản ứng B+C → D với ∆G dương nhưng nhỏ hơn giá trị tuyệt đối của ∆G của phản ứng thủy phân ATP. Trong trường hợp này, phản ứng này sẽ có chiều từ trái sang phải khi đi kèm với phản ứng thủy phân liên kết phosphoanhydride của ATP. Theo cơ chế cặp đôi năng lượng phổ biến này, năng lượng tích trữ trong liên kết phosphoanhydride sẽ truyền cho một trong các chất tham gia (ví dụ B) khi liên kết ATP bị phá vỡ (giải phóng ra Pi) và liên kết cộng hóa trị giữa Pi với B hình thành. B sau khi phosphoryl hóa theo cách này phản ứng với C tạo ra D+Pi theo phản ứng có ∆G âm: Một số cơ chế cặp đôi năng lượng khác sử dụng năng lượng giải phóng khi thủy phân ATP để biến đổi cấu hình phân tử thành trạng thái nén “\giàu năng lượng”. Sau đó khi phân tử “giãn” trở lại cấu hình không nén nó sẽ giải phóng năng lượng tích trữ. Nếu quá tình giãn bắt cặp cơ hữu với phản ứng khác, năng lượng giải phóng có thể được khai thác để điều khiển các quá trình tế bào quan trọng. Như với nhiều phản ứng sinh tổng hợp, quá trình vận chuyển của các phân tử vào và ra tế bào thường có ∆G dượng và do đó cần bổ sung năng lượng để có thể diễn ra. Các phản ứng vận chuyển đơn giản như vậy không liên quan trực tiếp đến việc tạo ra hay phá vỡ liên kết cộng hóa trị; do đó ∆Go’ = 0. Trong trường hợp chất đi vào tế bào, phương trình 2-7 trở thành: Với [Ctrong] là nồng độ đầu của chất bên trong tế bào và [Cngoài] là nồng độ của chất đó bên ngoài tế bào. Từ phản ứng 2-10 có thể thấy rằng ∆G dương khi chất đi vào tế bào ngược chiều gradient nông độ ([Ctrong] lớn hơn [Cngoài]). Phản ứng thủy phân ATP thường cung cấp năng lượng cho quá trình vận chuyển “lên dốc” như vậy. Ngược lại, ∆G âm khi một chất di chuyển theo chiều gradient nồng độ ( [Ctrong] <[Cngoài]). Vận chuyển xuống dốc như vậy giải phóng năng lượng và cấp năng lượng cho phản ứng cần năng lượng ví dụ như vận động của một chất qua màng ngược chiều gradient nồng độ hay tổng hợp ATP.
Quá trình hô hấp và quang hợp tạo ra ATP Rõ ràng để duy trì hoạt động, tế bào cần được bổ sung ATP liên tục. Trong hầu hết các loại tế bào thực vật và một số vi khuẩn, nguồn năng lượng đầu vào (sau cùng chuyển hóa thành liên kết phosphoanhydride của ATP và liên kết trong các hợp chất khác) là ánh sáng mặt trời. khi quang hợp , thưc vât và một số sinh vật thu giữ năng lượng ánh sáng và sử dụng chúng để tổng hợp ATP từ ADP và Pi. Lượng lớn ATP tạo ra theo quá trình này bị thủy phân đẻ cung cấp năng lượng cho quá trình chuyển hóa CO2 thành đường 6 carbon theo chu kì cố định carbon. Ở động vật, quá trình hô hấp là giải phóng năng lượng tự do trong đường cũng như các phân tử có nguồn gôc thực phẩm khác. Tế bào động vật và vi sinh vật không quang hợp không quang hợp tổng hợp ATP bằng cách chuyển hóa hóa học các hợp chất giàu năng lượng trong thức ăn (ví dụ glucose, tinh bột ). o o’ Phản ứng oxy hóa hoàn toàn glucose tạo ra CO2 có ∆G =-686kcal/mol, traí dấu với ∆G của quá trình cố định carbon khi quang hợp. Tế bào sử dụng một tập hợp phản ứng (thông qua protein) phức tạp để oxy hóa một phân tử đường và tạo ra tới 30 phân tử ATP từ 30 phân tử ADP. Quá trình phân hủy (dị hóa) glucose cân oxy (hiếu khí) này là con đường tổng hợp ATP chính của mọi tế bào động vật, thực vật không quang hợp và nhiều loại vi khuẩn. Dị hóa acid béo cũng là nguồn tạo ATP quan trọng. Năng lượng ánh sáng thu giữu khi quang hợp không phải là nguồn năng lượng hóa học duy nhất cho mọi tế bào. Những vi sinh vật nhất định sống trong hoặc quanh các miệng phun dưới đáy biển sâu(nơi không có ánh sáng mặt trời) oxy hóa một số hợp chất khử vô cơ để thu năng lượng cho phản ứng tổng hợp ATP từ ADP và Pi. Các hợp chất khử này được tạo ra từ sâu dưới lòng đất và theo miêng phun thoát ra ngoài. NAD+ và FAD kết cặp nhiều phản ứng oxy hóa và phản ứng khử sinh học Hình 1.22: Phản ứng khử succinate
Trong nhiều phản ứng hóa học, điện tử chuyển từ một nguyên tử hoặc phân tử tới nguyên tử hoặc phân tử khác. Quá trình này không nhất thiết hình thành liên kết hóa hóa học mới hoặc giải phóng năng lượng để có thể đi kèm với phản ứng khác. Vì phản ứng hóa học không sinh ra cũng không phá vỡ điên tử nên nếu một nguyên tử hoặc phân tử bị oxy hóa thì phân tử khác sẽ bị khử. Ví dụ, ion Fe2+ cho oxy điện tử để tạo thành ion Fe3+. Phản ứng này nằm trong quá trình phân hủy carbonhydrate tại ty thể. Mỗi nguyên tử oxy nhận 2 điện tử từ hai ion Fe2+ 2+ Theo đó, Fe bị oxy hóa và O2 bị khử. Các phản ứng trong đó một nguyên tử bị khử và nguyên tử khác bị oxy hóa gọi là phản ứng oxy hóa khử. Oxy là chất nhận điên tử trong nhiều phản ứng oxy hóa khử của tế bào dưới điều kiện hiếu khí. Hình 1.23: Các coenzyme mang điện tử: NAD+ và FAD+. NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) nhận đồng thời 2 điện tử và một proton và bị khử thành NADH. Trong nhiều phản ứng oxy hóa khử sinh học, một cặp nguyên tử hydro (2 proton và 2 điện tử) tách khỏi phân tử. Trong một số trường hợp, một trong hai proton và cả điện tử chuyển tới NAD+; proton còn lại giải phóng vào dung dịch. FAD (flavin adenin dinucleotide) nhận 2 điện tử và 2 proton để bị khử thành FADH2 khi succinate chuyển hóa thành fumarate. Trong phản ứng hai bước này, một điện tử và một proton thêm vào ban đầu tạo ra trung gian tạm thời (semiquinone). Sau đó semiquinone nhận một điện tử và proton.(Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Nhiều phản ứng oxy hóa và khử quan trọng trong sinh học liên quan đến loại hoặc thêm các nguyên tử hydrogen(chứa proton và điện tử) thay vì truyền điện tử. Phản ứng oxy hóa succinate + thành fumarate trong ti thể là một ví dụ. Proton tan trong dung dịch lỏng (dưới dạng H3O ) nhưng điện tử thì không. Điện tử truyền trực tiếp từ một nguyên tử hoặc phân tử đến nguyên tử hoặc phân tử khác mà không qua bước trung gian hòa tan trong nước. Trong loại phản ứng oxy hóa này điện tử thường được chuyển tới các chất mang diden tử nhỏ , đôi khi gọi là coenzyme. Chất mang điện tử phổ biến nhất là NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) và FAD (flavin
+ adenine dinucleotide). NAD bị khử thành FADH2. Dạng khử của những coenzyme này có thể chuyển proton và điện tử tới các phân tử khác , do đó khử được chúng. 2+ Cách dễ nhất để mô tả phản ứng oxy hóa khử như phản ứng của ion sắt (Fe ) và oxy (O2) là chia thành hai phản ứng Trong trường hợp này , oxy bị khử (O2-) dễ dàng phản ứng với hai proton để tạo thành một phân tử nước (H2O). Khả năng nhận điện tử của một phân tử hoặc nguyên tử gọi là thế khử, ký hiệu E. Thế oxy hóa phản ánh khả năng mất điện tử có cùng dấu giá trị tuyệt đối nhưng trái dấu với thế khử của phản ứng nghịch. Thế khử được đo đơn vị volt(V) với giá trị 0 volt lấy tùy ý, là thế khử của phản ứng sau dưới điều kiện chuẩn (25oC, 1 atm, nồng độ chất tham gia 1M). Giá trị E của một phân tử hoặc nguyên tử dưới điều kiện chuẩn gọi là thế khử chuẩn, E’o. Dưới điều kiện chuẩn, phân tử hoặc ion với E’o dương có ái lực với điện tử cao hơn ion H+. Ngược lại, phân tử hoặc ion với E’o âm sẽ có ái lực với điện tử thấp hơn ion H+ dưới điều kiện chuẩn. Như với giá trị ∆G0’ ,thế khử chuẩn có thể khác với thế khử trong tế bào vì nồng độ của các chất tham gia trong một tế bào không bằng 1M. Trong phản ưng oxy hóa khử, điện tử tự chuyển tới nguyên tử hoặc phân tử có thế khử dương hơn. Nói cách khá, một hợp chất có thế khử âm hơn có thể tự truyền điện tử tới(tức khử) hợp chất có thế khử dương hơn. Trong loại phản ứng này, biến thiên điện thế ∆E là tông thế khử và oxy hóa khử với biến thiên năng lượng tự do ∆G được thể hiện trong phương trình sau: Với n là số điện tử được truyền. Chú ý rằng phản ứng oxy hóa khử với giá trị ∆E dương sẽ có ∆G âm và do đó có chiều từ trái sang phải.