Đại cương cơ sở hóa học của sinh học phân tử

Chia sẻ: Tieppham Tieppham | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

129
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Đại cương cơ sở hóa học của sinh học phân tử có nội dung giới thiệu đến bạn đọc một số kiến thức hữu ích như: Liên kết cộng hóa trị và tương tác không cộng hóa trị, tương tác ion là lực hút giữa các ion chứa điện tích trái dấu, liên kết hydrogen xác định độ hòa tan trong nƣớc của phân tủ không tích điện, tương tác van der Waals do các lưỡng cực điện tạm thời gây ra, hiệu ứng kị nước làm các phân tử không phân cực kết tụ,... Mời các bạn tham khảo để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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