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.