Giáo trình Sinh học tế bào: Phần 2 - Hoàng Đức Cự

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

219
lượt xem 67
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nối phần 1, phần 2 gồm nội dung chương 4 đến chương 6, trình bày về năng lượng và sự trao đổi chất, tế bào thu hái năng lượng như thế nào, quang hợp. Giáo trình không những cần cho sinh viên ngành Sinh học, Nông nghiệp, Y dược, học sinh trung học phổ thông mà còn cho học viên cao học, giáo viên trung học và cả cho cán bộ giảng dạy, cán bộ nghiên cứu của các trường Đại học và các Viện nghiên cứu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Sinh học tế bào: Phần 2 - Hoàng Đức Cự

Chương IV NĂNG LƯỢNG VÀ sự TRAO Đ ổ l CHẤT KHÁI NIỆM CHƯNG 4.1. Định luật nhiệt động học cho biết năng lượng biến đổi như thế nào ♦ Dòng năng lượng trong sinh vật: th ế năng có trong các điện tử của nguyên tử và như vậy có thể được truyền từ nguyên tử này đến nguyên tử khác. ♦ Các định luật của nhiệt động học. Năng lượng không bao giò bị m ất đi nhưng khi nó được dẫn truyền, ngày càng nhiểu năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. ♦ Năng lượng tự do; trong một phản ứng hoá học, năng lượng được giải phóng ra hoặc được cung cấp là hiệu trong năng lượng của liên kết hoá học giữa chất phản ứng và sản phẩm, được hiệu chính cho sự hỗn độn. ♦ Năng lượng hoạt hoá: để b ắt đầu một phản ứng hoá học, cần một lượng nhỏ năng lượng để phá vỡ tính ổn định của các liên kết hoá học vốn có. 4.2. Emym là chất xúc tác sinh học ♦ Enzym. Protein hình cầu gọi là enzyra c6 chức năng xúc tác các phản ứng hoá học trong tế bào. ♦ Hoạt động của enzym: enzym được tạo hình để khớp hoàn toàn vói cơ chất, thúc đẩy các nhóm phản ứng hoá học vào đủ gần để phản ứng xảy ra nhanh chóng. ♦ Các nhân tố ảnh hưởng lên hoạt tính enzym: enzym hoạt động hiệu quả nhất ở nhiệt độ và pH tối ưu. ♦ Nhóm ngoại của enzym: ion kim loại và các chất khác thưòng có tác dụng hỗ trỢ enzym thực hiện sự xúc tác. ♦ Enzym cần nhiều dạng. Một số enzym kết hỢp theo các nhóm phức hợp, chất xúc tác khác thậm chí không phải protein. 117
4.3. ATP là tiền tệ năng lượng cùa sự sống ♦ ATP là gì? Tế bào dự trữ và giải phóng năng lượng từ các liên kết photphat của ATP - tiền tệ năng lượng của tế bào. 4.4. Trao đổi chất là đời sống hoá học của tế hào ♦ Các con đưòng sinh hoá. Đơn vị tổ chức của quá trình trao đổi chất (chuyển hoá vật chất). Con đường sinh hoá là đơn vị tổ chức của quá trình trao đổi chất. ♦ Sự tiến hoá của quá trìn h trao đổi chất. Các quá trình chuyển hoố chủ yếu đã tiến hoá trên một chu kỳ dài, dựa vào giả thuyết cái gì xuất hiện trước. Có thể coi sự sống như một dòng năng lượng liên tục được sinh vật chuyển tải để sinh công hữu ích cho hoạt động sông. Mỗi đặc điểm quan trọng mà nhò đó chúng ta định nghĩa sự sống - đó là tính trậ t tự, sự sinh trưởng, sinh sản, trạng thái phản ứng và sự điểu chỉnh nội sinh - đểu đòi hỏi sự cung cấp năng lượng thường xuyên. Nếu nguồn năng lượng bị mất đi thì sự sống sẽ dừng lại. Do đó, sẽ không thể có một phân tích toàn diện về sự sống nếu không bàn luận về vấn đề năng lượng sinh học {bioenergetics) - sự phân tích vể năng lượng được cung cấp như thế nào cho hoạt động của các hệ thống sốhg. Trong chưđng này, chúng ta sẽ tập trung vể năng lượng mà sinh vật hấp thụ, dự trữ và sử dụng như th ế nào trong đòi sống của mình. 4.1. Các định ỉuật nhiệt động học nói rõ năng lượng biến đổi như thế nào 4.1.1. Dòng năng lượng trong sinh vật Năng lượng được định nghĩa như khả năng để sinh công. Có thể coi năng lượng tồn tại dưới hai dạng: động năng và th ế năng. Động năng (kinetic energy) là năng lượng của sự vận động. Vật đang chuyển động thực hiện công nhò làm cho vật khác chuyển động. Thế năng (potential energy) là năng lượng dự trữ. Các vật không vận động chủ động nhưng có khả năng thực hiện vận động vì chúng có thế năng. Một tảng đá đưỢc đặt trên đỉnh núi có th ế năng, khi nó bắt đầu lăn xuốhg núi thì một phần thế năng chuyển hoá thành động năng. Nhiều hoạt động mà cơ thể sấng thực hiện là quá trình biến đổi thế năng thành động năng. Năng lượng có thể có nhiều dạng; cơ năng, nhiệt năng, âm năng, điện năng, ánh sáng hoặc tia phóng xạ. Do năng lượng có thể tồn tại trong nhiều dạng như vậy nên có nhiều phương pháp để đo năng lượng. Thuận tiện nhất là cách đo theo nhiệt lượng bởi vì tất cả các dạng năng lượng khác có thể biến đổi thành nhiệt năng. Thực thế, nghiên cứu về năng lượng được gọi là nhiệt động học {thermo dynamics) là giải thích về các biến đổi của nhiệt năng. Đơn vị của nhiệt đưỢc sử dụng phổ biến nhất trong sinh học là kilocalo {kilocalorie = kcal). 1 kilocalo bằng 1000 calo (cal) và 1 118
calo là lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ của một gam nước lên một độ bách phân (“C). (Điểu quan trọng là không nhầm lẫn calo với thuật ngữ có liên quan với khẩu phần và sự dinh dưỡng cũng là Calo vối chữ viết hoa C). Đơn vỊ năng lượng khác thường được dùng trong vật lý là jun Ụoule). Một jun bằng 0,239 calo. Sự oxi hoá • khử: Dồng nảng lượng trong cơ thể sống Từ m ặt tròi, năng lưỢng chảy vào giới sinh vật. Mặt tròi chiếu ánh sáng liên tục vào trái đất. Ngưòi ta đã tính rằng mặt tròi cung cấp cho trái đất vối hơn 13.10^^ calo/năm hoặc (40 triệu tỷ calo/giây). Thực vật, tảo và một số loại vi khuẩn nhất định hấp thụ một phần năng lượng này thông qua quá trình quang hợp. Trong quang hỢp, năng lượng thu đưỢc từ ánh sáng mặt tròi được sử dụng để kết hỢp các phân tử nhỏ (nước và khí cacbonic) thành phân tử phức tạp hơn (đường). Năng lượng được dự trữ dưới dạng th ế năng trong các liên kết cộng hoá trị giữa các nguyên tử trong phân tử đường. Ai cũng biết một nguyên tử gồm một nhân trung tâm được bao quanh bằng một hoặc nhiều điện tử quỹ đạo và một liên kết cộng hoá trị tạo nên khi hai nhân nguyên tử góp chung điện tử. Việc phá vỡ một liên kết như vậy cần năng lượng để phá võ h ạt nhân. Thực vậy, lực của một liên kết cộng hoá trị đo được là tương đương năng lượng cần để phá vỡ nó. Thí dụ, cần 98,8 kcaỉ để phá vd một phân tử gam (6,023.10^®) của liên líết cacbon - hidro (C-H). Trong một phản ứng hoá học, năng lượng dự trữ trong các liên kết hoá học có thể chuyển đến các liên kết mới. Trong một số phản ứng này, điện tử thực sự chuyển từ một nguyên tử hoặc phân tử đến nguyên tử, phân tử khác. Khi một nguyên tử hoặc phân tử m ất điện tử thì nó bị oxi hoá và quá trình này được gọi là sự oxi hoá (oxidation). T huật ngữ này phản ánh sự thật cho rằng trong các hệ sinh học thì oxi có tác dụng h ú t điện tử mạnh là chất nhận điện tử phổ biến nhất. Ngược lại, khi một nguyên tử hoặc phân tử nhận điện tử thì nó bị khử và quá trình gọi là sự khử {reduction). Sự oxi hoá và khử luôn luôn xảy ra với nhau, bởi vì mỗi điện tử bị m ất ở một nguyên tử thông qua sự oxi hoá thì được một số nguyên tử khác thu nhận thông qua sự khử. Do đó, phản ứng hoá học thuộc loại này được gọi là phản ứng oxi hoá - khử (oxidation reduction reactions: redox reactions) (Hình 4.1). Năng lượng được chuyển từ một phân tử đến phân tử khác thông qua phản ứng oxi hoá khử. Do đó, dạng khử của một phân tử có một mức năng lượng cao hơn 8 0 vối dạng oxi hoá. c Hình 4.1. Phản ứng oxi hoá S ư m ftdiệntử (sự _o x i hoá)-------- khử, 0x1 hoé là w tó t aiệr lừ, w khử là sự nhận điện tử. Trong thí dụ này, đlộn tích của phân tử A và Ễ------ ^ B được biểu thị bằng vòng tròn nhỏ ỏ ph(a trôn bên phải của mỗi „ , . , , , phân tử. Phân tử Ã mất năng Sự nhận diện tử (sự khử) f iưọng khi nó mát mội điện tử. GDNăng lượng thấp khi phân tử B nhận’ năng ■■Năng iư ^ g cao '^"9 119
Phản ứng oxi hoá khử đóng vai trò chủ yếu trong dòng năng lượng thông qua hệ thống sinh vật, do điện tử được chuyển từ nguyên tử này đến nguyên tử kia có mang theo nàng lượng. Lượng năng lượng mà một điện tử c6 đưỢc phụ thuộc vào khoảng cách của nó tói h ạ t nhân và h ạ t nhân h ú t nó với lực m ạnh như th ế nào. Ánh sáng (và các dạng năng lượng khác) có thể nhưòng năng lượng cho một điện tử và nâng nó đến một mức năng lượng cao hơn. Khi điện tử này rồi khỏi một nguyên tử (sự oxi hoá) và chuyển đến nguyên tử khác (sự khử), năng lượng được gia tăng của điện tử được chuyển theo nó và điện tử chuyển động trên quỹ đạo của nhân điện tử thứ 2 ỏ mức năng lượng cao hdn. Năng lượng gia tăng được dự trữ như là th ế năng hoá học và về sau ngruyên tử có thể giải phóng khi điện tử quay lại mức năng lượng ban đầu của nó. Năng lượng là khả năng để sinh công hoặc hoạt động (động năng) hoặc đưực dự trữ để sử dụng về sau (thế năng). Năng lưựng thường dược truyền cùng với diện tử. Oxi hoá ỉà sự mất diện tử, sự khử là sự nhện diện tử. 4.1.2. Các định luật của nhiệt động học Tất cả các hoạt động trong vũ trụ từ sự sống và cái chết của tế bào, sự chạy, suy nghĩ, ca h át và mọi hoạt động của con người... cho đến các vụ nổ bom nguyên tử, một phản ứng trong nhà máy điện h ạt nhân, sự sống và cái chết của các ngôi sao... tấ t cả đểu trải qua các biến đổi năng lượng và chịu sự chi phối, điều khiển của hai định luật năng lượng - các định lu ật nhiệt động học. 4.1.2.1, Định lu ậ t th ứ n h ấ t n h iệt động học Theo định luẠt th ứ n h ất của nhiệt động học, cũng được gọi ỉà định luật bảo toàn năng ỉượng {the law of cpnservation ofenergy), năng lượng của vũ trụ là không đổi. Cũng như vậy, tổng năng lượng của bất kỳ hệ thống nào, nghĩa ỉà của bất kỳ vật nào và môi trường xung quanh nó giữ không đổi. Từ môi trưòng xung quanh muốn nói tôi phần còn lại của vũ trụ. Khi một vật trải qua một biến đểi thì nó có thể nhận năng lượng từ môi trưòng xung quanh (vật xung quanh) hoặc phân tán năng ỉượng vào môi trưòng xung quanh. Sự khác nhau về hàm lượng năng lượng của vật trong giai đoạn ban đầu và cuổì cừng phải bằng nhau do một biến đổi tương ứng trong hàm lượng năng lượng của môi tnlòng xung quanh. Định luật thứ n h ất về nhiệt động học cho rằng trong các quá trìn h hoá học hoặc vật lý bình thường, năng lượng có thể được chuyển đổi về dạng thí dụ từ th ế năng thành động năng nhưng không bao giò có thể bị m ất đi, cũng không thể tạo ra năng lượng mới. Tổng năng lượng trong vũ trụ giữ không đổi bỏi vì vũ trụ là một hệ thống kín khi nó trao đổi năng lượng. Như chúng ta đã biết, năng lượng được hình thành khoảng 20 tỷ năm trưốc, nhưng nó không thể được cộng thêm hoặc bị trừ đi. 120
Mặc dù sinh vật không thể tạo ra cũng không thể phá huỷ năng lượng nhưng nó có thể hấp th u năng lượng từ môi trường và dùng nàng lượng đó theo yêu cầu riêng của nó. Sinh vật cũng có thể biến năng lượng từ dạng này thành dạng khác. Thí dụ, trong quá trình quang hợp, tế bào thực vật biến năng lượng ánh sáng thành điện năng và vể sau thành hoá năng được dự trữ trong các liên kết hoá học của các chất hữu cơ như hidratcacbon, protein, lipit... trong các cđ quan của thực vật. Một số động vật ăn thực vật lại biến hoá năng này thành cđ năng của sự co cơ hoặc một số dạng cần thiết khác. Khi các quá trình biến đổi aăng lượng này xảy ra thì một số năng lượng bị biến thành nhiệt năng và bị tiêu tán vào môi trưòng và sinh vật không bao giờ có thể sử dụng trỏ lại năng Iượng đó. Và như vậy, dòng năng Iượng liên tục thông qua giới sinh vật theo một chiều vói năng lượng mói từ m ặt tròi thưòng xuyên đi vào hệ thống để thay thế cho năng lượng bị tiêu tán dưối dạng nhiệt Ợieat). N hiệt là sôT đo về sự chuyển động hỗn độn của phân tử (và do đó là số đo của một dạng động năng). Rõ ràng, năng lượng thực sự không bị "mất đi", nó vẫn tồn tại trong môi trưòng vật lý bao quanh. Có thể lợi dụng nhiệt để sinh công chỉ khi có một gradient nhiệt, nghĩa là có một hiệu nhiệt giữa hai vùng (như hoạt động của động cơ hơi nưôc). Tế bào là quá bé để duy trì hiệu nhiệt cao ỏ bên trong, do đó nhiệt năng không có khả năng để sinh công của tế bào. Mặc dù, tổng năng lượng trong vũ trụ giữ không đổi, nhưng năng lượng sẵn sàng để sinh công giảm xuống, trong khi ngày càng nhiều năng lượng tiêu tán dưới dạng nhiệt. Qua những gì đã trình bày ỏ trên, định luật thứ nhất giải thích tại sao sinh vật không thể tạo năng lượng mà phải vay mượn nó liên tục từ một nơi nào đó. Bỏi vì mỗi tế bào, mỗi cá thể sinh vật hay toàn bộ th ế giói sống đều là hệ thống hỏ nhưng tồii tại trong vũ trụ - một hệ thống kín với tổng năng lượng luôn không đổi. 4.I.2.2. Định lu ậ t thử hai nhiệt động họe Định luật thứ hai nhiệt động học nói về sự biến đổi của th ế năng thành nhiệt hay sự chuyển động hỗn độn của phân tử. Nó khẳng định rằng tính hỗn độn (được đo bằng entropy) trong vũ trụ liên tục tăng lên. Có thể định nghĩa entropy như một trạng thái hỗn độn của năng lượng mà không dùng được để sinh công. Định luật thứ hai khẳng định các quá trình vật lý và hoá học tiến hành theo cách mà entropy của hệ thống tăng lên. Trong hầu như tấ t cả các quá trình biến đổi năng lượng thì có sự m ất một số năng lượng dưới dạng nhiệt vào môi trưòng. Do đó, năng lượng bị m ất không còn sinh công được nữa. Thực ra, nhiệt là năng lượng của sự vận động hỗn độn của các phân tử và là dạng năng lượng vô tổ chức nhất. Nhiệt có thể dùng để sinh công chỉ khi xuất hiện một gradient nhiệt độ (một hiệu nhiệt: temperature difference) làm cho nó chuyển từ vùng ấm hơn đến vùng lạnh hơn. Trong một tế bào sống thì nhiệt độ tại rtiọi điểm là như nhau, do vậy nhiệt không thể được dùng để sinh công sinh học. 121
Điều quan trọng ta hiểu được rằng định luật thứ hai của nhiệt động học phù hỢp vói định luật thứ nhất. Tổng năng lượng trong vũ trụ không giảm theo thời gian, nhưng năng lượng sẵn có để sinh công bị suy thoái th àn h chuyển động phân tử hỗn độn. Định luật thứ hai về nhiệt động học còn cho rằng năng lượng không thể biến đổi từ dạng này thành dạng khác mà không có sự m ất năng lượng có ích và không c6 quá trình nào yêu cầu nống lượng luôn luôn đạt hiệu quả 100%. Thực thế, sự sử dụng năng lượng của tế bào đạt hiệu quả khoảng 55% còn 45% năng lượng bị m ất đi dưối dạng nhiệt. Các quá trìn h sinh học đó rấ t hiệu quả nếu 8 0 sánh với phần lớn máy do con ngưòi sử dụng, th í dụ như động cơ dùng xăng chỉ đạt hiệu quả từ 17% đến 25%, hoá năng của xăng biến thành sự chuyển động của xe và phần hoá năng còn lại bị m ất đi dưới dạng nhiệt. T ất nhiên, nhiệt là một dạng của năng lượng, nhưng nhiệt là dạng năng lượng hỗn độn nhất và nhanh chóng tiêu tán vào môi trưòng. ở động vật, sự co cơ biến hoá năng trong ATP th àn h cđ năng, một số năng lượng này ngay lập tức biến thành nhiệt. Với sự biến đổi năng lượng liên tiếp như vậy, cuối cùng tấ t cả dạng năng lượng có ích đều biến thành nhiệt tiêu tán vào môi trưòng và không thể biến đổi trỏ lại thành một dạng của th ế năng. Vì cơ thể sông có tổ chức cao, chúng rấ t không ổn định. Thực thế, sự sống là một cuộc đấu tran h không ngừng chống lại định luật thứ hai của nhiệt động học. Sự sống còn của cá thể sinh vật cũng như của các hệ sinh thái phụ thuộc vào sự bổ sung năng lượng liên tục. Do đó, các sinh vật sản xuất phải tiến hành quá trình quang hỢp, còn sinh vật tiêu thụ và sinh vật phân huỷ phải ăn thực vật và ăn lẫn nhau mới tồn tại đưỢc. 4.I.2.3. Entropy Entropy là thước đo về tính hỗn độn của hệ thống, như vậy định luật thứ hai của nhiệt động học cố thể ph át biểu đơn giản như là "sự tăng entropy". Dạng năng lượng hữu ích, có tổ chức thì có entropy thấp, còn dạng năng lượng vô tổ chức, ít ổn định hơn như nhiệt thì có entropy cao. Một phồng ở ngăn nắp, gọn gàng có entropy thấp hơn nhiều so với phòng hỗn độn, bừa băi. Chúng ta biết rằng phòng ngăn nắp luôn luôn có khuynh hướng hướng đến tính hỗn độn. Theo cách đó, cuối cùng các quá trình biến đểỉ năng ỉượng đều sinh ra nhiệt và do đó entropy của vũ trụ luôn luôn tăng lên. Nói chung, các quá trìn h biến đổi năng lượng tiến hành một cách tự phát để chuyển hoá vật chết từ dạng có trậ t tự nhưng ít ổn định thành dạng ít trậ t tự hơn nhưng ổn định hơn. Một xã hội văn m inh như chúng ta đang sử dụng nhiều năng lượng có entropy thấp. Năng lượng của nhiên liệu hoá thạch như than”đẵ và dầu mỏ đưỢc sử dụng để phát triển và xử lý lương thực mà chúng ta cần và được sử dụng để duy trì môi trưòng củạ chúng ta có tổ chức. Việc xây dựng các toà cao ốc, trưòng học và đường sá đều đòi hỏi việc chi tiêu năng lượng có ích'mà cuối cùng biến th àn h nhiệt. Xã hội 122
vàn minh của chúng ta ngày nay đang ngày càng làm tăng entropy của vũ trụ ỏ một tốc độ cao hơn nhiều so với bất kỳ xã hội nào đã qua. Định luật th ứ n h ấ t của nhiệt dộng học giải thich rằng nảng lượng không thể được tạo ra hoặc không thể bị phá huỳ. Nó chỉ có thể trải qua sự biến đổi từ dạng này thành dạng khác. Định luật thứ hai của nhiệt động học cho rằng tính hỗn độn (entropy) trong vũ trụ đang tăng lên. Sự sống biến náng lượng từ mặi trời thành các dạng năng lượng khác để hỗ trỢ các quá trình sống. Năng lượng không bao giờ bỉ m ất đi nhưng khi nó được sử dụng thì ngày càng nhiều năng lượng bị biến th àn h nhiệt - năng lượng của sự chuyển động phân tử hỗn độn. Như vậy, các định lu ật nhiệt động giải thích tại sao entropy của vũ trụ tăng lên một cách tự phát và tại sao các sinh vật cần sự cung cấp thưòng xuyên năng lượng có ích để duy trì tổ chức của chúng. 4.1.3. Năng lượng tự do Lực phát động tấ t cả các quá trình trong hệ thống sống và không sống là khuynh hướng của hệ thống để đạt điều kiện của entropy cực đại. Năng lượng ở dạng nhiệt được giải phóng hoặc được vật hấp thụ làm cho hệ thống đạt trạng thái entropy cực đại. Tổng nhiệt hàm {total heat content) hay entanpy H của một hệ thống là tổng th ế năng của nó. Trong một phản ứng hoá học, entanpy của các chất phản ứng hay các sản phẩm bằng với tổng năng lượng của liên kết hoá học. Khi liên kết được hình thành hay bị phá vỡ, entanpy được hấp thụ hoặc được phóng thích. Entropy và entanpy có quan hệ theo phương diện thứ ba của năng lượng gọi là năng lượng tự do (free energy). Chúng ta có thể coi năng lượng tự do như là thành phần của tổng năng lượng của một hệ thống sẵn có để sinh công dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi. Do đó, năng lượng tự đo là khía cạnh nhiệt động học đáng chú ý nh ất trong sinh học. Entropy và năng lượng tự do có quan hệ theo tỷ lệ nghịch. Hai đại lượng có quan hệ theo phưđng trìn h sau: AG = AH - TAS Trong đó: S: entropy G: nănglượng tự do H: entanpy của hệ thống T: nhiệt độ tuyệt đ â theo độ Kelvin A: ổó nghĩa "biến đổi" T ất cả các quá trìn h vật lý và hoá học đểu tiến hành theo sự giảm năng lượng tự do cho đến khi chúng đạt trạng thái cân bằng, ở đó năng lượng tự do của hệ 123
thống là cực tiểu và entropy là cực đại. Năng lượng tự do là năng lượng có ích trong các hệ sinh học, entropy là trạn g thái năng lượng bị phân ră, vô ích. Sự biến đổi năng lượng tự do (hay àG) là tính chất cđ bản của các phản ứng hoá học. Trong một số phản ứng, AG là dương. Điều đó có nghĩa là các sản phẩm của phản ứng chứa nhiều năng lượng tự do hơn so vói chất phản ứng, năng lượng liên kết (H) cao hđn hay tính hỗn độn (S) trong hệ thống thấp hơn. Các phản ứng kiểu nàý không tự ph át tiến hành. Chúng đòi hỏi sự cung cấp năng ỉượng và do đó là phản ứng thu nhiệt {endergonic reaction = "invuard energy"). Trong các phản ứng khác, ÂG là âm. Các sản phẩm của phản ứng chứa ít năng ỉượng tự do hdn chất phản ứng, hoặc năng ỉượng liên kết thấp hơn hoặc tính hỗn độn cao hơn hoặc cả hai. Phản ứng như vậy có khuynh hưóng tiến hành tự phát. Bất kỳ phản ứng hoá học nào sẽ có khuynh hướng tiến hành tự phát nếu hiệu trong tính hỗn độn (TAS) lốn hơn hiệu trong năng lượng liên kết giữa chất phản ứng và sản phẩm (AH). Các phản ứng này giải phóng năng lượng tự do dôi ra dưới dạng nhiệt và do đó gọi là phản ứng th u nhiệt {exergonic reaction = "cutivard energy"). H ình 4.2 tóm tắ t các phản ứng này. oc ạ | | I z ■e Thu nhiệt (a) (b) Hlnh 4.2. Năng lượng trong các phản úng hoá học (a) Trong phản ứng thu nhiệt (thu nâng lượng), sản phẩm của phản úng chứa nhiéu nãng lượng hơn so VỚI chất phản úng và nang lượng d6i ra phải được bổ sung cho phản ứng để tiến hành (b) Trong phản ứng phát nhiệt, sản phẩm chứa ít năng lượng hơn so với chất phản ứng và nãng lượng dối ra được giải phóng Náng lượng tự do là n á n g lượng sẵn cỏ đ ể sinh công. T rong các p h ả n ứng h o á học được tiế n h à n h bên tro n g tế bào, sự biến dổi n ả n g lượng tự do (AG) là h iệu tro n g n ản g iượng liên k ế t giữa c h ấ t p h ả n ứng và 124
sản phẩm (ÂH), trừ đi bất kỳ sự biến đổi nào trong mức độ của tính hỗn độn của hệ thông (TẢS). Bất kỳ phản ứng nào mà sản phẩm của nó chứa ít năng lượng tự do hơn so với chất phàn ứng (AG âm) sẽ có khuynh hướng tiến hành tự phát. 4.1.4. N ă n g lư ợ n g h o ạ t h o á : s ự c h u ẩ n b ị p h â n tử đ ể h o ạ t đ ộ n g Nếu tấ t cả các phản ứng hoá học giải phóng năng lưỢng tự do đều có khuynh hướng tiến hành một cách tự phát, vậy tại sao tất cả các phản ứng đó đều không xảy ra? Lý do mà chúng không xảy ra là do phần lổn phản ứng đó cần cung cấp năng lượng để khỏi động phản ứng. Trước khi phản ứng tạo các liên kết hoá học mối, ngay cả các liên kết chứa ít năng lưỢng thì trước tiên nó cần phá vỡ các liên kết vốn có trong phân tử chất phản ứng nên nó cần chi dùng nàng lượng. Năng lượng phụ trội (năng lượng phụ thêm = extra energy) cần để phá võ các liên kết hoá học vốn có và khỏi động một phản ứng hoá học gọi là năng lượng hoạt hoá (activation energy) (Hình 4.3a). oc ^ I s Năng õó ^ lượng II hoạt hoá 0c Chất \ phản tỉiig % li i ì 0« ĩ s I; zI Sẩnph&n (a) Hình 4.3. Năng lượng hoạt hoá và sự xúc tác (a) Phản ứng phảt nhiệt không cán tiến hành nhanh chóng do năng lượng phải được cung cấp để phá vỡ (làm mất ổn định) các liên kết hoá học vốn có. Nang lượng phụ thôm này là năng lượng hoạt hoá cho phản ứng (b) Chất xúc tác làm tăng tốc các phản ứng riêng nhờ làm giảm lượng năng lượng hoạt hoá cần để khỏi động phản ứng Tốc độ của phản ứng phát nhiệt phụ thuộc vào năng lượng hoạt hoá cần để phản ứng bắt đầu. Các phản ứng với năng lượng hoạt hoá lớn hơn có khusmh hướng tiến hành chậm hơn do có ít các phân tử thành công trong việc vượt qua hàng rào năng lượng ban đầu. Song, năng lượng hoạt hoá không phải là hằng số không đổi. 125
Gây một tác động nào đó lên các liên kết hoá học riêng có thể làm cho chúng dễ bị phá vd hờn. Quá trin h tác động lên các liên kết hoá học theo cách làm giảm năng lượng hoạt hoá cần để khỏi động một phản ứng gọi là sự xúc tác (catalysis) và chất thực hiện quá trìn h này đưỢc gọi là chất xúc tác (catalỵsts) (Hình 4.3b). C hất xúc tác không th ể vi phạm định luật cđ bản của nhiệt động học. Thí dụ, chúng không thể làm cho m ột phàn ứng thu nhiệt tiến h àn h m ột cách tự phát. Nhò làm giảm năng ỉượng hoạt hoá, chất xúc tác làm tăng tốc cả phản ứng thuận và nghịch chính xác theo cùng mức độ và từ đó, nó không làm th ay đổi tỷ lệ cuối cùng của chất phản ứng biến th à n h sản phẩm. Để nắm được điểu này, ta hình dung c6 một quả bóng gỗ nằm trong một hố nông trên một phía dãy núi. Chỉ một vành đất hẹp ở dưới quả bóng có tác dụng chặn bóng lăn xuống núi. Bây giò ta bỏ vành đất hẹp ấy đi thì quả bóng sẽ bắt đầu lăn xuống; nhưng việc ỉoại bỏ đất ỏ phía dưói quả bóng sẽ không bao giò làm cho quả bóng ỉăn ngưỢc ỉên núi. Việc loại bỏ mép đất đơn giản chỉ cho phép quả bóng vận động tự do và trọng lực xác định chiều hướng nó lăn xuống chân núi như th ế nào. Làm giảm lực cản đối vói 8ự vận động của quả bóng sẽ c6 tác dụng kích thích sự vận động có hưống nhò vị trí của bóng trên quả núi. Như vậy, chiều hưống để một phản ứng hoá học tiến h àn h chỉ được xác định nhò hiệu trong năng lượng tự do. Giống như việc bỏ vành đ ất nằm dưói quả bóng gỗ trên núi, chất xúc tác làm giẳm hàng rào năng lượng ngăn cản p h ản ứng không tiến hành. C hất xúc tác không tạo b ất kỳ ưu tiên thuận ỉợi nào cho phản ứng thu nhiệt hơn là việc đào bỏ vành đ ất dưới quả bóng gỗ giả định để nó lăn ngưỢc lên núi. Chỉ phàn ứng phát nhiệt tiến hàn h tự phát và chất xúc tác không th ể làm thay đổi quy luật đó. Điều mà chất xúc tác có thể làm là khiến cho phản ứng tiến hàn h nhanh hơn nhiều mà thôi. TỐCđộ của ph&n ứng phụ thuộc vào n&ng lượng hoạt hoá cần đế khởi động nó. C h ất xúc tá c làm giảm n&ng lưựng h o ạ t h o á và n h ư vậy làm tả n g tốc độ p h ả n ứng, m ặc dù chú n g không làm th a y dổi tỳ lệ cu ếi cù n g củ a c h ấ t p h ả n ứ ng và sản phẩm p h ản ứng. 4.2. Enzym ỉà chất xúc tác sinh học 4.2.1. Enzym: "người thợ cần mẫn" của tế bào Các phẳn ứng hoá học bên trong cơ thể sống đưỢc điểu hoà nhò sự điều tiết các vỊ trí xảy ra 8ự xúc tác. Do đó, bản thân sự sấng đưỢc điều chỉnh bằng các chất xúc tác. Các tác nhân thực hiện phần lôn sự xúc tác trong cơ thể sống là các protein mang tên enzym ịẹmymes). (Nhưng enzym protein không phải là chất xúc tác duy nhất trong cơ thể sống. Năm 1989, Thomas Cech và Sidney A ltm an đổng nhận giải Nobel về hoá học cho công trìn h chứng minh ARN đóng vai trò như một enzym mà hai ông gọi là ribozim. Do đó, không phải mọi enzym đều là protein). Dạng cấu trúc 126
không gian ba chiều đặc biệt của enzym khiến cho nó có vai trò làm ổn định kết hỢp tạm thòi giữa các phân tử cơ chất (phân tử sẽ trải qua phản ứng). Nhò m ang hai phân tử cơ chất cùng vôi nhau theo chiều hưống chính xác, hoặc nhò gây tác động lên các liên kết hoá học riêng của cơ chất, nên enzym làm giảm năng lượng hoạt hoá cần để tạo các liên kết mối. Do đó, phản ứng tiến hành nhanh chóng hơn nhiều so vối trưòng hỢp không có enzym xúc tác. Do bản thân enzym không bị biến đổi hoặc bị tiêu th ụ trong quá trìn h phản ứng nên cìn cần một lượng nhỏ enzym là đủ và nó có thể được sử dụng lặp đi lặp lại. Để giải thích enzym hoạt động như thế nào, ta hãy xem phản ứng của khí cacbonic và nước để tạo axit cacbonic. Phản ứng có enzym xúctác quan trọng này xảy ra trong tế bào hồng cầu của động vật có xương sống: CO2 H2O —> H2CO3 khí cacbonic nước axit cacbonic Phản ứng này có thể tiến hành theo cả hai chiểu, nhưng do nó có năng lượng hoạt hoá lốn, phản ứng tiến hành rấ t chậm khi thiếu enzym; trong một giò chỉ có khoảng 200 phân tử axit cacbonic đưỢc hình thành trong tế bào. Kiểu phản ứng chậm này ít được sử dụng trong tế bào. Tế bào vượt qua vấn đề này nhò tuyển chọn một enzym bên trong tế bào chất gọi là cacbonic anhidraza (carbonic anhydrase). Dưới cùng điều kiện, nhưng trong sự có m ặt của cacbonic anhidraza có đến khoảng 100.000 phân tử axit cacbonic hình thành mỗi giây. Do đó, enzym làm tăng tốc độ phản ứng hơn 10 triệu lần. Đã biết hàng nghìn loại enzym khác nhau và mỗi loại xúc tác cho một hoặc một vài phản ứng hoá học đặc hiệu. Nhò xúc tác các phản ứng hoá học riêng nên enzym trong tế bào quyết định tiến trìn h trao đổi chất - tập hỢp toàn bộ phản ứng hoá học trong tế bào đó. Các loại tế bào khác nhau chứa các tập hợp enzym khác nhau và sự sai khác này dẫn đến các biến đổi vể cấu trúc và chức năng giữa các loại tế bào. Phản ứng hoá học xảy ra trong tế bào hồng cầu khác vói phản ứng xảy ra trong tế bào th ần kinh, một phần do tế bào chất và màng của tế bào hồng cầu, tế bào thần kinh chứa các hệ enzym khác nhau. Tế bào sử dụng các protein gọi là enzym như là chất xúc tác để iàm giảm nầng lượng hoạt hoá. 4.2.2. Enz3rm hoạt động như thế nào? Phần lốn enzym là protein hình cầu vối một hoặc nhiều túi hoặc khe trên bề m ặt gọi là vỊ trí hoạt động (active sites) (Hình 4.4). Cơ chất liên kết với enzym ỏ vị tr í hoạt động này, tạo phức hệ enzym - cơ chất {ernym - substrate complex). Để cho sự xúc tác xảy ra bên trong phức hệ, phân tử cđ chất phải khớp chính xác vào vỊ trí hoạt động.'* Đồng thòi các nhóm bên axit amin của enzym tiếp xúc trực tiếp với các ỉiên kết của cơ chất. Các nhóm bên này tương tác hoá học với cơ chất, thưòng gầy 127
tác động hoặc làm méo mó liên kếỂ riêng nào đó và do đó làm giảm năng lượng hoạt hoá cần để phá vở liên kết. Lúc này cơ chất biến th àn h sản phẩm và tiếp đó tách khỏi enzym. Hinh 4.4. Enzym phân giải (lysozyme) hoạt động như thế nào? (a) Rãnh xuyên qua enzym phân giải kháp với dạng polisaccarít (một chuỗi đường) tạo vách tế bào vi khuẩn (b) Khi chuỗi đường đó di chuyển đến rãnh và xâm nhập vào rãnh làm cho protein enzym biến đổi hỉnh dạng và ôm lấy phân tử cơ chất một cách chạt chẽ hơn. VỊ trí khớp cảm ứng này xảy ra ở gốc axit glutamic trong protein bên cạnh liên kết giữa hai đường lăn cận và axit glutamic 'cướp đoạr một điện tử khỏi liên kết làm phân giải phân tử cơ chẩt ( D Cơ chất. saccaroz. gồm glucoz Fructoz ----- và fructoz liên kết V(M nhau (2)cơchất liên kết \ổ i enzym. Liên kết tạo phút hệ enzym - cơ chất ( 4) Sản phẩm được giẩi phóng. enzym tự đo liên kết vổỉ ỉcác cơ chất khác V ị trí @ S ự liên kết hoạt động cơ chất và enzym ^ gẫy tắc động lên liên kết gluc02-fruct Enzym và liên kết bị phá vỡ Hlnh 4.5. Chu trinh xúc tác của enzym. Enzym làm tăng vận tổc nhờ đó xảy ra phản ứng hoá học. Trong phản ứng được minh hoạ ở đây, enzym sucraza tách đường saccaroz (có trong phần lớn bánh ngọt) thành hai đường đan giản hớn; glucoz và fructoz. (1) Đẩu tiên, cơ chất saccaroz Hôn kết vào vị trí hoạt động của enzym, khớp vào khe iỗm trong bể mặt enzym (2) Sự l^n kết ó ỉa saccaroz với vị bf hoạt động tạo nèn phúc hệ enzym-cơ chát, gãy tác động cảm ứng lên phân tử sucraza làm nó ttiay đổi hình dạng, khớp chặt hơn xung quanh saccaroz (3) Các gốc axit amin trong vị trf phản ứng tiếp cận sát vào liên kết giữa thành phần glucoz và fructoz của saccaroz, phá vỡ liên kết (4) Enzym giải phóng các mảnh glucoz và fructoz (là sản phẩm của phản ứng), vể sau enzym sẵn sàng liên kết với phân tử saccaroz khác và thông qua chu trình xúc tác một lần nữa. Chu trinh này thường được tóm tắt bằng phương trình E + s «-♦ [ES] ♦-* E + p, ỏ đây E: enzym, S: co chất, ES; phức hệ enzym - cơ chất và P: sản phẩm 128
Protein không phải là dạng phân tử cứng n h ấ t mà sống động. Sự liên kết của cơ chất làm enzym cảm ứng để điều chỉnh hình dạng nào đó, dẫn đến một khóp cảm ứng (induced fit) tốt hơn giữa enzym và cơ chất (Hình 4.5). Sự tương tác này cũng có th ế thúc đẩy sự liên kết của các cơ chất khác và trong các trường hỢp đó, bản th â n cơ chất "hoạt hoá" enzym để nhận các cơ chất khác. Enzym thường chỉ xúc tác cho một hoặc một vài phản ứng hoá học tương tự do chúng dặc hiệu trong cách chọn lựa cơ chất. Tinh đặc hiệu này là do vị tri hoạt động của enzym mà tạo hình saơ cho chỉ một phân tử cơ chất nhất định sẽ lắp khớp vào nó. 4.2.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzym Bất kỳ nhân tố hoá học hay vật lý nào làm biến đổi hình dạng ba chiểu của en^ym như nhiệt độ, pH, nồng độ muối và sự liên kết của các phân tử điều chỉnh đặc hiệu đều có thể ản h hưdng lên khả năng xúc tác phản ứng của enzyrn. 4.2.3.I. N hiệt độ Khi không có xúc tác, nhiệt độ tăng Nhiệt độ tôl ưu Nhiệt độ tôi ưu của sẽ làm tốc độ phản ứng tăng do sự vận của enzym người enzym vi khuẩn động hỗn độn của phân tử tăng lên. Tốc sud aước nốog độ của phản ứng có enzym xúc tác cũng tăn g lên khi tăng nhiệt độ, nhưng chỉ lên đến một điểm gọi là nhiệt độ tối ưu {temperature optimum) (Hình 4.6a). Dưói nhiệt độ này, các liên kết hidro và các tương tác kỵ nước xác định hình Nhiệt độ của phản ứhg (°C) (a) dạng của enzym là không đủ linh động để cho phép xảy ra khỏp cảm ứng mà pH tôl ưu pH tôì ưu làm cho sự xúc tác đạt tối ưu. Trên nhiệt độ tô'i ưu thì các lực này là quá I i Où cho pepsin cho ữypsin vếii để duy trì hình dạng của enzym a ị chống lại sự vận động hỗn độn tăng lên củ.a các nguyên tử trong enzym. ở các nhiệt độ cao hơn này, enzym biến tính. Phần lớn enzym của người có nhiệt độ tô'ii ưu từ 35”C đến 40°c - nhiệt độ bình (b) ị pH cúa phẩn ứbg thường của cơ thể cũng nằm trong Hlnh 4.6. Enzym mẫn cảm với môi trường khoảng nhiệt độ này. Vi khuẩn sông ỏ sống. Hoạt động của enzym chịu tác động bỏi suối nước nóng có enzym ổn định hơn cả (a) nhiệt độ và (b) pH. Phần lớn enzym của và nhiệt độ tối ưu cho các enzym này có người như enzytn phân giải protein trípsin th ể lên đến 70°c hay cao hơn. hoạt động tổt nhất ở nhiệt độ khoảng 40“c và trong phạm vl pH từ 6 - 8 129
4.2.3.2, p H Tương tác ion giữa các gốc axit amin tích điện trái dấu như axit glutamic (-) và lizin (+) cũng có tác dụng giữ enzym lại với nhau. Các tương tác này nhạy cảm vói nồng độ ion hidro của dịch mà enzym hoà tan do nó làm biến đổi nồng độ làm chuyển dịch cân bằng giữa các gốc axit amin tích điện dương và điện âm. Vì lý do đó, nên phần lớn enzym có pH tối ưu (pH optimum) thường nằm trong khoảng pH 6-8. Các enzym nào có thể hoạt động trong môi trưòng rấ t axit là protein có thể duy trì dạng ba chiều thậm chí khi có m ặt nồng độ ion hidro cao. Thí dụ, enzym pepsin tiêu hoá protein trong dạ dày ở pH = 2, môi trường mang tính axit (Hình 4.6b). 4.2.3.3. Chất ức c h ế và ch ấ t hoạt hoá Hoạt động của enzym nhạy cảm vâi sự có m ặt của các chất đặc hiệu có tác dụng liên kết với enzym và làm biến đổi hình dạng của nó. Thông qua các chất này, tế bào có thể điều chỉnh enzym nào hoạt động và enzym nào không hoạt động ỏ một thòi gian nào đó. Điều đó cho phép tế bào làm tăng hiệu quả hoạt động và điều tiết các biến đổi về đặc tính trong quá trình phát triển. Chất liên kết với enzym và làm giảm (decrease) hoạt tính enzym gọi lằ chất ức chế (inhibitor). Sản phẩm cuối cùng của con đường sinh hoá hoạt động như một chất ức chế của phản ứng đầu tiên trong con đưòng đó - quá trình này được gọi là sự ức chế liên hệ ngược ifeedback inhibition). Sự ức chế enzym xảy ra theo hai cách: chất ức chế cạnh tran h {competitive inhihitor) thì cạnh tran h với cơ chất ỏ cùng vỊ trí liên kết, làm đổi chỗ một tỷ lệ phân tử cđ chất khỏi enzym; trong khi đó, chất ức chế không cạnh tran h Sự tfc chế cạnh ưanh Sự tfc chếkhdog cạnh ưanh Chât úfc chếcạnh ữanh gây nhièu loạn vị ưí hoạt động ciỉa enzym khiếíi cho cđ chết không thể liên kết Chết ứt chế df lập thể làm úia đ â hlnh dạng cda enzym khiáỉ nó không (a) (b) thể liên kết vđi cơ chất Hlnh 4.7. Erưym c6 thể bị ức chế thế nào? (a) Trong ức chế cạnh tranh, chất ức chế gây nhiễu loạn vỊ tri hoạt động của enzym (b) Trong ức chế khổng cạnh tranh, chất ức chế liôn kết với«nzym ỏ một vị trí ngoài vj trí hoạt động, gây tác động làm b^n đổi cấu hình trong enzym khiển cho enzym khổng thể liên kết với cơ chất được nữa 130
(noncompetitive inhibitor) liên kết với enzym ỏ một vị trí khác ngoài vị trí hoạt động, có tác dụng làm biến đổi hình dạng của enzym và làm cho enzym không thể liên kết với cơ chất (Hình 4.7). Phần lốn chất ức chế không cạnh tranh liên kết vối một phần đặc hiệu của enzym gọi là vỊ trí dị lập thể (allosteric site). Các vỊ trí này có chức năng như cái chuyển mạch on/off hoá học: sự liên kết của một chất vào vỊ trí có thể chuyển enzym giữa cấu dạng hoạt động và không hoạt động. Chất liên kết vào vỊ trí dị lập thể và làm giảm hoạt tính enzym gọi là chất ức chế dị lập thể (allosteric inhibitor) (Hình 4.7b). Còn chất hoạt hoá liên kết với vị trí dị lập thể và duy trì hoạt tính enzym, nhò đó làm tăng hoạt tính enzym. Enzym có một nhiệt dộ và pH tối ưu, ò dó enzym hoạt động hiệu quả nhất. Các chất ức chế làm giảm hoạt tính enzym còn chất hoạt hoá ỉàm tăng hoạt động. 4.2.4. Các nhóm ngoại của enzym Hoạt động của enzym thưòng được hỗ trỢ nhò có thêm các thành phần hoá học gọi là nhóm ngoại (fiofactor). Thí dụ, vỊ trí hoạt động của nhiều enzym chứa ion kim loại có tác dụng giúp hút điện tử khỏi phân tử cơ chất. Enzym cacboxipeptidaza tiêu hoá protein nhò sử dụng ion kẽm (Zn*0 trong vỊ trí hoạt động để loại bỏ điện tử khỏi các liên kết nổi các axit amin. Các nguyền tố khác như molipden và mangan cũng được sử dụng như các nhóm ngoại. Giống như kẽm, các chất này cần với một lượng nhỏ trong khẩu phần thức ăn. Khi nhóm ngoại là một phân tử hữu cơ không phải protein, nó được gọi là coenzym (coemyme). Nhiều vitamin là thành phần của coenzym. Trong nhiều phản ứng oxi hoá - khử được enzym xúc tác, điện tử được chuyển thành đôi từ vị trí hoạt động của enzym đến coenzym có chức năng như chất nhận điện tử. Về sau, coenzym chuyển điện tử cho một enzym khác giải phóng chúng (và nàng lượng chúng mang) cho cơ chất trong phản ứng khác. Thông thưòng, các điện tử cặp đôi với proton (H*) dưối dạng nguyên tử hidro. Theo cách này, coenzym làm con thoi năng lượng (shuttle energy) dưới dạng nguyên tử hidro từ enzym này đến enzym khác trong tế bào. Một trong những coenzym quan trọng n h ất là châ't nhận hidro nicotinamit adenin dinucleotit (NADO (Hình 4.8). Phân tử NAD* gồm hai nucleotit liên kết với nhau. Nucleotit là một đưòng 5 cacbon vối một hoặc nhiều nhóm photphat gắn vào một đầu và một bazơ hữu cơ gắn vào đầu kia. Hai nucleotit có chức năng khác nhau trong phân tử NAD*: AMP hoạt động như cái lõi (nhân) tạo nên hình dạng để nhiểu enzym nhận diện, còn NMP là phần hoạt động của phân tử, đóng góp vỊ trí dễ bị khử (dễ nhận điện tử). Khi NAD* nhận điện tử và nguyên tử hidro (gồm hai điện tử và một proton) từ vỊ trí hoạt động của enzym, nó bị khử thành NADH. Lúc này, phân tử NADH mang hai điện tử cao năng và proton. Sự oxi hoá của các phân tử chứa năng lượng có tác 131
dụng cung cấp năng lượng cho tế bào, kèm theo việc tước bỏ điện tử khỏi các phân tử đó và chuyển chúng cho NAD* và trong hoạt động trao đổi chất của tế bào thì nhiều năng lượng của NADH được chuyển cho phân tử khác. Hoạt động của enzym thường được các nhốm ngoại hỗ trỢ mà có thể iả các ion kim loại hoặc các chất khác. Nhỏm ngoại là cốc phân tử hữu cơ không phải protein được gọi là coenzym. ỹ C -N H . Nhóm 0 phản ứng 1 NMP 0 = P - 0 — CHo 0 o = P -0 1 0 Hlnh 4.8. Cấu trúc hoá học của nlcotinamlt adenin dlnudeotil (NAD*). Nhóm ngoại chủ yếu này gổm hal nucleotit NMP và AMP gắn đẩu vào nhau 4.2.5. Enzym có nhiều dạng Trong khi nhiều enzym trôi nổi trong tế bào chất của tế bào, tự do vận động và không gắn kết với bất kỳ cấu trúc nào, thì các enzym khác hoạt động như là bộ phận kết hỢp của các cấu trúc và bào quan tế bào. 132
4.2.5.1. Các phức hệ đa em ym Trong tế bào, một số enzym xúc tác các bước khác nhau của một chuỗi phản ứng kết hỢp lỏng lẻo với nhau trong tổ hỢp liên kết không cộng hoá trị gọi là phức hệ đa enzym (multi emyme complexes). Thí dụ trong hình 4.9, phức hệ đa enzym mang tên piruvat dehidrogenaza vi khuẩn chứa các enzym thực hiện ba phản ứng kế tiếp nhau trong quá trình chuyển hoá oxi hoá. Mỗi phức hệ có nhiều bản sao của một trong ba enzym gồm tất cả 60 tiểu đđn vỊ protein. Nhiều tiểu đơn vỊ kết hỢp hoạt động với nhau giống như một nhà máy con. (a) Hlnh 4.9. Enzym piruvat dehidrogenaza (a) Enzym (mô hình) tiến hành oxi hoá piruvat là một trong số các enzym phức tạp nhát đâ biết, nó có 60 tiểu đơn vị (b) Nhiểu trong đó c6 thể thấy trong ảnh hiển vi điện tử (200.000X) Các phức hệ đa enzym thể hiện những ưu điểm quan trọng trong hiệu quả xúc tác: 1. Vận tốc của phản ứng có enzym được giối hạn nhò tần sô' mà enzym bắt gặp cơ chất của nó. Nếu một loạt các phản ứng kế tiếp nhau xảy ra bên trong một phức hệ đa enzym, sản phẩm của một phản ứng có thể được phân phát cho enzym tiếp theo mà không giải phóng nó để khuếch tán đi ra khỏi chuỗi phản ứng. 2. Do cơ chất phản ứng không bao giờ rời khỏi phức hệ trong quá trình thông qua loạt phản ứng nên xác suất của các phản ứng phụ không mong muốn bị loại bỏ. 3. Tất cả các phản ứng xảy ra bên trong phức hệ đa enzym có thể được điều tiết như môt đơn vị. 133
Ngoài piruvat dehidrogenaza điều tiết 8ự thâm nhập vào chu trìn h Krebs, một 8ố các quá trình chủ yếu khác trong tế bào được các phức hệ đa enzym xúc tác. Một hệ thống đưỢc nghiên cứu tốt là phức hệ synthetaza Ịixit béo có chức năng xúc tác quá trình tổng hỢp các axit béo từ các chất tiền th ân hai cacbon. Có bảy enzym khác nhau trong phức hệ đa enzym này và các chất trung gian của phản ứng vẫn kết hỢp với phức hệ cho toàn bộ loạt phản ứng. 4.2.S.2. Không p h ả i tấ t cả các ch ấ t xúc tác sinh học là p ro tein Cho đến một vài năm trước đây, phần lớn các sách giáo khoa sinh học đểu cho rằng "Enzym là chất xúc tác của các hệ sinh học" và "protein là đại phân tử xúc tác duy nhất trong hệ sinh học". Song khái niệm này đã bị phủ nhận vối việc phát hiện các phân tử ARN xúc tác đầu tiên hay ribozim (Cech, T.R etal, 1981; G uerrier - Takadạ, c , etal, 1983). Theo Cech và cộng sự thì các phản ứng kéo theo phân tử ARN được xúc tác bồi bản th ân ARN, chứ không phải nhò enzym. Quan điểm ban đầu này đã được khẳng định nhò bổ sung các thí dụ về sự xúc tác của ARN trong một số năm qua. Thực nghiệm cho thấy ribozim kích thích m ạnh vận tốc các phản ứng sinh hoá riêng biệt và thể hiện tính đặc hiệu đặc biệt với các cơ chất mà chúng tác động trên đó. Như trong phần 4.2.1 đã trình bày về enzym, vói phát hiện mới này cùng nhiều thực nghiệm về sau, đến năm 1989, Thomas Cech và Sidney Altman đã dành giải Nobel hoá học về ARN đóng vai trò như một enzym thực th ụ mà họ gọi là ríbozim. Cố ít nhất hai loại ribozim. Ribozim thực hiện phản ứng xúc tác nội phân tử (ỉntramolecular catalysis) có cấu trúc gấp nếp thì xúc tác phản ứng trên bản th ân mình. Còn ribozim nào thực hiện sự xúc tác giữa các phân tử (intermolecular catalysỉs) thì hoạt động trên các phân tử khác và không tự biến đổi trong quá trình. Nhiều phản ứng tế bào quan trọng kéo theo cốc phân tử nhổ ARN bao gồm các phản ứng cắt bỏ đoạn không cần thiết khỗi các bẳn saò ARN của gen. Đó là phản ứng tự cắt bỏ intron nhóm I (intron là đoạn nucleotit không đưỢc mã hoá trong phân tử ARN thông tin sd cấp trong nhân để tạo mARN chính thức) chuẩn bị cho ribosom tổng hỢp protein. Ribozim cũng thúc đẩy quá trìn h sao chép ADN bên trong ty thể. Trong tấ t cả các trưòng hỢp này, khả năng xúc tác của ÁRN đang đưỢc nghiên cứu m ạnh mẽ. Đặc biệt trong quá trình quang hỢp phức tạp mà cả enzym và ARN đều đóng vai trò xúc tác quan trọng. Khả năng cùa ARN, một phân tử thông tin hoạt động như một chất xúc tác, đã kích thích niềm hưng phấn lớn giữa các nhà sinh học và có liên quan với nguồn gốc tự phát (tự sinh) của giả thuyết về sự sống. Cái ^ xuất hiện đầu tiên, protein hay axit nucleic? Giò đây, ít ra cũng có thể cho rằng ARN c6 thể đã tiến hoá đầu tiên và đã xúc tác cho sự hình th àn h các protein đầu tiên. 134
Không phải mọi chất xúc tác sinh học lơ lửng tự do trong tế bào chất. Một số là bộ phận của các cấu trúc khác và một số thậm chi không phải protein. 4.3. ATP là tiền tệ năng ỉượng của sự sống ♦ ATP là gì? Tiển tệ năng lượng chủ yếu mà tất cả tế bào sử dụng là phân tử adenozin triphotphate (ATP). Khôi năng lượng mà cây thu được trong quá trình quang hỢp được chuyển giao để sản xuất ATP như phần lón năng lượng dự trữ trong chất béo và tinh bột. Tế bào dùng ATP dự trữ để cung cấp hầu hết mọi quá trình cần năng lượng chúng thực hiện từ việc cung cấp năng lượng hoạt hoá cho các phản ứng học và quá trình dẫn truyền chủ động vật chất qua màng đến việc vận động qua môi trưòng và sinh trưỏng. 4.3.1. Cấu trúc của phân tử ATP Mỗi phân tử ATP gồm ba thành phần nhỏ hơn (Hình 4.10). Thành phần đầu tiên là đưòng 5 cacbon riboz, có chức năng như bộ khung để hai tiểu đđn vị khác gắn vào. Thành phần thứ hai là adenin - một phân tử hữu cơ gồm hai vòng cacbon - nitơ. Mỗi nguyên tử nitơ trong vòng có một đôi điện tử không góp chung và hút yếu ion hidro. Do đó, adenin hoạt động hoá học như một bazơ và thưòng được nói đến như là một bazơ nitđ (nó là một trong bốn bazơ nitơ có m ặt trong ADN). Thành phần thứ ba của ATP là nhóm triphotphat (ba gốc photphat liên kết thành một chuỗi). 4.3.2. ATP dự trữ năng ỉượng như thế nào? Điều mấu chốt để giải thích ATP dự trữ nầng lượng như th ế nào nằm ỏ nhóm triphotphat của phân tử. Các nhóm photphat ỉà nhóm tích điện âm cao, nên chúng đẩy nhau rấ t mạnh. Do lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm photphat tích điện nên hai liên kết cộng hoá trị nôl các gốc photphat không ổn định, Phân tỏ ATP thường được ví như là một "lò xo xoắn ốc" icoiled spring)y các nhóm photphat bị kéo căng ra xa nhau. Các liên kết không ổn định giữ các photphat vối nhau trong phân tử ATP có năng lượng hoạt hoá thấp và dễ dàng bị phá võ. Khi bị phá vỡ, chúng có thể chuyển một lượng năng lượng lốn. Trong phần lân phản ứng có ATP tham gia thì chỉ liên kết photphat cao năng ngoài cùng bị thuỷ phân, tách riêng nhóm photphat ỏ đầu cuốỉ. Khi điều này xảy ra, ATP biến thành adenozin diphotphat (ADP) và năng lượng tương đương 7,3 kcal/mol được giải phóng dưới điểu kiện tiêu chuẩn. Nhóm photphat đưỢc giải phóng thưòng gắn tạm thòi với một sô' phân tử trung gian. Khi phần tử này loại nhóm photphat (dephosphorylated), nhóm photphat được giải phóng dưới dạng photphat vô cơ (Pi). 135
Nhóm triphotphat o- 1 0 = p— o~ Các liên kết cao năng 0 = p —o - Adenỉne - L õi A M P 0 = p —o 0“ (b) Hlnh4.10. PhântửATP (a) Mỏ hình (b) Sơ đổ cấu trúc đều chứng tỏ rằng giống như NAD*. ATP có lỗi AMP. Song trong trường hợp này, nhóm phản ứng được bổ sung vào đầu cuối của nhóm photphat AMP không phải là nucleotit khác mà đúng hơn là một chuỗi gổm hai nhóm thèm photphat. Các liên kết nối hai nhóm photphat với nhau và với AMP là các Hên kết dự trữ nâng lượng 4.3.3. ATP cung cấp năng lượng cho các phản ứng cần năng lượng như thế nào? Tế bào dùng ATP để thúc đẩy các phản ứng thu nhiệt. Các phản ứng đó không tiến hành tự phát do sản phẩm của chúng có năng lượng tự do nhiều hơn chất phản ứng. Song, nếu 8ự tách liên kết cao năng tận cùng của ATP giải phóng nhiểu nàng lượng hơn phản ứng tiêu th ụ năng lượng thì sự biến đổi năng lượng chung của hai phản ứng liên kết sẽ phát nhiệt (giải phóng năng lượng) và chúng sẽ cùng tiến hành. Do hầu như mọi phản ứng th u nhiệt cần ít năng lượng hơn so vói năng lượng 136