zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Tài Liệu Phổ Thông

» Trung học phổ thông

NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO ĐỔI CHẤT

Chia sẻ: Huỳnh Hữu Việt | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:14

Báo xấu

202
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chúng ta đều biết quy luật thứ nhất của nhiệt động học hay quy luật bảo tồn năng lượng nói rằng : "Tổng năng lượng của vũ trụ là không đổi". Nói cách khác, năng lượng không tự tạo ra cũng không tự mất đi. Quy luật nhiệt động học thứ hai khó hiểu hơn, có thể diễn đạt theo nhiều cách, hiểu đơn giản là "Thế giới vật chất

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO ĐỔI CHẤT

PHẦN II NĂNG LƯỢNG HỌC CỦA TẾ BÀO CHƯƠNG V NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO ĐỔI CHẤT I. NĂNG LƯỢNG 1. Khái quát các quy luật biến đổi năng lượng & trật tự sinh học a. Các quy luật biến đổi năng lượng Chúng ta đều biết quy luật thứ nhất của nhiệt động học hay quy luật bảo tồn năng lượng nói rằng : "Tổng năng lượng của vũ trụ là không đổi". Nói cách khác, năng lượng không tự tạo ra cũng không tự mất đi. Quy luật nhiệt động học thứ hai khó hiểu hơn, có thể diễn đạt theo nhiều cách, hiểu đơn giản là " Thế giới vật chất biến đổi liên tục để trở thành mất trật tự hay hỗn loạn hơn" (tăng entropy). Entropy là phần năng lượng mất vô ích, ví dụ nhiệt năng biến thành điện năng thì một phần nhiệt mất đi không tạo ra điện. Các biến đổi vật chất không tránh khỏi entropy. Quy luật nhiệt động học thứ hai còn có thể phát biểu là "trong thế giới vật chất tổng năng lượng tự do giảm". Sở dĩ như vậy vì bất kỳ năng lượng nào khi biến đổi đều tỏa nhiệt mà nhiệt này không thực hiện công. b. Trật tự sinh học Các cấu trúc và phản ứng hóa học trong cơ thể được duy trì theo một trật tự nhất định được gọi là trật tự sinh học (biological order). Ví dụ, con người ăn thịt bò thì các protein của thịt bò bị phân hủy thành các amino acid làm nguyên liệu để tổng hợp nên những protein chuyên biệt cho mỗi cơ thể người. Để duy trì trật t ự sinh h ọc, các ph ản ứng phân hủy giải phóng năng lượng tự do dùng cho quá trình tổng hợp các chất. Cả hai loại phản ứng phân hủy và tổng hợp đều tỏa nhiệt ra ngoài sẽ làm tăng sự rối loạn của môi trường bên ngoài. Như vậy t ế bào cũng tuân theo quy luật nhiệt động học thứ hai tức trật tự sinh học được duy trì khi làm môi trường bên ngoài hỗn loạn hơn. Các quá trình phản ứng không ngừng xảy ra trong tế bào, chúng thu năng lượng ở dạng các chất hữu c ơ t ừ bên ngoài vào, r ồi thải các chất bả. Tế bào ở trạng thái cân bằng động có luồng vật chất vào và ra, chúng là hệ thống hở. Nhưng năng lượng từ ngoài phải được cung cấp thường xuyên cho tế bào nên chúng là hệ thống hở không cân bằng hay lệch. 2. Năng lượng tự do a. Thế nào là năng lượng tự do ? Năng lượng tự do (Free energy) là năng lượng vốn có của một hệ thống , khi cần nó được dùng để thực hiện công dưới các điều kiện và áp suất nhất định. Ví dụ, một bồn chứa nhiều nước để trên cao có tích năng lượng tự do : có thể thực hiện công khi mở vòi cho nước chảy xuống thấp. Khái niệm năng lượng tự do được ông J.W.Gibbs nêu ra đầu tiên nên ký hiệu G. Nó là năng lượng tối đa tiềm ẩn trong hệ thống. Các chất hóa học đều có chứa năng lượng tự do. Khi xảy ra phản ứng hóa học, có sự biến đổi năng lượng tự do được ký hiệu bằng ∆ G. Năng lượng tự do được tích lũy trong các liên kết hóa trị của các chất như đường glucose hay các điện tử được kích thích lên qui đạo cao hơn (quang hợp). Hàng nghìn phản ứng hóa học trong tế bào đều phụ thuộc vào sự biến đổi năng lượng tự do. Một số phản ứng có thể tự động xảy ra, số khác thực hiện kèm với các phản ứng h ỗ tr ợ năng lượng. b. Phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt Một quy luật chung của hóa học tế bào là phản ứng có tự động xảy ra hay không, chỉ phụ thuộc vào s ự biến đổi năng lượng tự do kèm theo phản ứng. Nói cách khác, quá trình xảy ra phản ứng phụ thuộc vào chỗ năng lượng tự do nằm trong các liên kết cộng hóa trị của chất phản ứng lớn hơn hay nhỏ hơn năng lượng t ự do nằm trong các liên kết cộng hóa trị của các sản phẩm. Sự biến đổi năng lượng tự do ∆ G được đánh giá trong hàng loạt điều kiện: nhiệt độ 25oC, áp suất 1 atm, pH =7 và cả các chất phản ứng và sản phẩm ở nồng đ ộ 1 mol/lít. Có th ể vi ết ph ương trình phản ứng như sau : Trạng thái ban đầu Trạng thái cuối cùng A+B C+D ∆ Gi ∆ Gf (∆ G = ∆ Gf - ∆ Gi) Trong đó A, B là các chất phản ứng, C và D là sản phẩm Gi (i từ chữ initial - ban đầu) là năng lượng tự do của các chất phản ứng và Gf (f từ chữ final - cuối cùng) là năng lượng tự do của sản phẩm.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 76 Nếu phản ứng tạo ra các sản phẩm với năng lượng tự do ít hơn trong các liên kết mà các chất phản ứng có được, phản ứng có thể được xảy ra một cách tự động. Nếu các chất phản ứng giải phóng nhiệt thì ph ản ứng đ ược gọi là tỏa nhiệt (exergonic), có ∆ G < 0 là số âm. Ngược lại, nếu các sản phẩm chứa nhiều năng lượng tự do hơn, phản ứng không được tự động thực hiện, cần nhận thêm năng lượng nên gọi là thu nhiệt (endergonic), ∆ G > 0 là số dương. 3. Sự oxy hóa và khử. a. Phản ứng Oxy hóa-khử. Sự giải phóng năng lượng từ các chất dự trữ như glucose xảy ra nhờ hai quá trình diễn ra song song là sự oxy hóa (oxidation) và khử (reduction). Lúc đầu các thuật ngữ này chỉ sự thêm vào hay tách Oxy trong phản ứng. Ví dụ, khi đốt khí methane CH4, chất phản ứng methane bị oxy hóa do thêm Oxy, trong khi đó chất phản ứng Oxy bị khử do bị lấy đi một nguyên tử của mỗi phân tử Oxy. Kết quả là Carbon của methane kết hợp với oxy thành CO 2, trong khi đó H của methane kết hợp với O thành H2O theo phương trình: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O . Ngày nay các thuật ngữ này cũng được dùng cho cả các phản ứng trong đó không có sự tham gia của Oxy. Tất cả các phản ứng oxy hóa - khử đều có điểm chung : sự khử luôn luôn có nghĩa thêm vào một hay nhiều điện tử (e- - electron) hoặc riêng điện tử hay kết hợp với proton (H +) như nguyên tử Hydro; trong khi đó sự oxy hóa có nghĩa chuyển đi một hay nhiều điện tử (e-) đơn độc hay kèm H+ (sự thêm Oxy có hiệu quả tương tự vì Oxygen có điện tích âm mạnh nó tách các điện tử khỏi các nguyên tử ban đầu). Vì cả hai phản ứng phải xảy ra đồng thời nên gọi chung là oxy hóa - khử (redox reactions) và các đặc tính được biểu thị trên bảng IV.1 sau: Bảng 4.1. Các phản ứng oxy hóa - khử. Khử Oxy hóa Chuyển Oxygen. – Thêm Oxygen – Chuyển Hydrogen – – Thêm Hydrogen. Chuyển điện tử Thêm điện tử. – – Giải phóng năng lượng Trữ năng lượng. – – Vấn đề quan trọng là sự khử tích trữ năng lượng trong các chất bị khử, còn oxy hóa giải phóng năng lượng từ các chất bị oxy hóa. Sự phân bố năng lượng đó dễ nhìn thấy ở các phương trình năng lượng của sự sống: – Quang hợp : 6CO2 + 6H2O + ánh sáng → 6O2 + C6H12O6 – Glucose bị oxy hóa : C6H12O6 + O2 → 6CO2 + 6H2O (∆ G = – 670 Kcal/mole) Sự khử CO2 trong quang hợp đã tích lũy năng lượng ở dạng glucose. Sự oxy hóa glucose giải phóng năng lượng, (∆ G biểu thị sự khác biệt trong năng lượng tự do, giá trị âm chỉ năng lượng được giải phóng ra). b. Sự oxy hóa trong tế bào. Trong các tế bào dị dưỡng, đường glucose được oxy hóa để cuối cùng tạo ra CO 2 + H2O. Phản ứng này coi như ngược lại với quang hợp. Tuy nhiên, khác với sự oxy hóa khi cháy năng lượng tỏa nhanh, sự oxy hóa trong cơ thể xảy ra qua nhiều bước trung gian, một số năng lượng tự do của glucose được tích lại ở dạng hóa năng để sau đó tế bào sử dụng. Phần lớn các phản ứng oxy hóa sinh học được xảy ra không có sự tham gia trực tiếp của oxy và thực chất là làm mất Hydrogen (dehydrogenation). Chất được coi là bị oxy hóa khi nó bị lấy mất hai nguyên tử hydro, hai nguyên tử này được chuyển sang chất khác là chất khử. Quá trình giải phóng năng lượng trong tế bào trải qua nhiều bứơc trung gian, mỗi bước có sự xúc tác c ủa enzyme và sự tích trữ của một phần năng lượng ở dạng hợp chất hữu cơ như ATP đ ể cung c ấp năng l ượng cho các phản ứng khác. Ngoài ra, Oxy ít trực tiếp phản ứng với cơ chất và các điện t ử đ ược chuyển qua nhi ều ch ất trung gian. 4. Năng lượng hoạt hóa Trong thiên nhiên cũng như trong cơ thể sinh vật, nhiều chất có đủ năng lượng tự do nhưng không t ự đ ộng thực hiện được phản ứng với nhau. Khi trộn lẫn H 2 và O2 phản ứng không xảy ra, nhưng có lửa xảy ra nổ tạo ra H2O. Các phản ứng thu nhiệt cũng như tỏa nhiệt đều cần năng lượng bổ sung đ ể phản ứng thực hi ện đ ược. Năng lượng đó được gọi là năng lượng hoạt hóa (activation energy). Hòn đá nằm trên đỉnh đồi có chứa năng lượng tự do, nhưng phải có lực đẩy ban đầu cho nó dịch chuyển lăn xuống dốc mới thực hiện đ ược công. Lực đ ẩy ban đ ầu vào hòn đá chính là năng lượng hoạt hóa. Có thể nói một cách hình tượng là giữa các chất phản ứng có vật cản. Vật cản phải được vượt qua nhờ năng lượng hoạt hóa thì phản ứng mới xảy ra như mô tả trên hình 5.1. Ở đây mức năng lượng tự do ∆ G không thay đổi nhưng phản ứng chỉ thực hiện được khi có năng lượng hoạt hóa.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 77 Nếu không có sự cản của năng lượng hoạt hóa nhiều chất giàu năng lượng như carbohydrate, lipid c ần cho t ế bào sẽ không bền vững và dễ dàng xảy ra phản ứng. Thường khi phản ứng đã xảy ra nó tỏa nhiệt có thể tạo các phản ứng dây chuyền. Một vài cây củi trong đống củi cháy tỏa nhiệt làm cháy lan hết đống củi. Nhưng tế bào có nhiệt độ không cao, khoảng 37 oC ở động vật có vú, các phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện đẳng nhiệt, nên cần chiến lược riêng vượt qua năng lượng hoạt hóa một cách đặc hiệu có chọn lọc. Hình 5.1. Năng lượng hoạt hóa. 5. Năng lượng mặt trời Trong sinh giới, thực vật xanh và các vi khuẩn quang hợp có khả năng thu nhận năng l ượng ánh sáng mặt tr ời qua quá trình quang hợp (photosynthesis), mà nhờ nó năng lượng lượng tử của ánh sáng được chuyển thành năng lượng của các liên kết hóa học. Phản ứng tổng quát của phương trình quang hợp ở thực vật xanh như sau : → carbohydrate + O2 Quang năng + CO2 + H2O Nhờ các cấu trúc phức tạp và tinh vi của mình, thực vật sử dụng các chất nghèo năng lượng tự do gần như trơ để tạo nên các carbohydrate (glucose) giàu năng lượng. Các carbohydrate có thể được sử dụng ngay hay được tích trữ ở dạng tinh bột. Các sinh vật quang hợp còn được gọi là các sinh vật tự dưỡng (autotroph), vì chúng tự dinh dưỡng bằng năng lượng mặt trời và các chất vô cơ, muối khoáng đơn giản. Các sinh vật khác không quang h ợp, nh ư đ ộng vật, và nhiều vi sinh vật phải sử dụng năng lượng các hợp chất hữu cơ do thực vật t ạo ra, g ọi là sinh vật dị dưỡng (heterotroph). Các động vật ăn thực vật thì năng lượng mặt trời được thực vật thu nhận chuyển sang đ ộng vật. Như vậy dòng năng lượng bắt đầu từ thực vật được chuyển sang nhiều sinh vật nối tiếp tạo dây chuyền năng lượng. Suy cho cùng năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng cho sự sống hiện tại trên hành tinh chúng ta. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng các sinh vật quang hợp là nhân tố duy nhất trên hành tinh có kh ả năng thu nhận năng lượng mặt trời và tích lũy được để sử dụng lâu dài. Đất, đá, nước hấp thu năng lượng mặt trời nóng lên, khi tắt nắng tỏa nhiệt nguội lại. Nhờ các sinh vật quang hợp có khả năng tích trữ năng l ượng mặt trời nên ngu ồn năng lượng đến gián đoạn theo chu kỳ (ngày có, đêm không) nhưng sự sống vẫn diễn ra liên tục. 6. Các kiểu dinh dưỡng Để thu nhận năng lượng, các sinh vật hấp thụ chất dinh dưỡng bằng nhiều cách khác nhau. Đa số VSV là đ ơn bào nên chúng nhận các chất dinh dưỡng bằng hấp thụ (absorbtion) trực tiếp qua bề mặt tế bào. Trong khi đó, thực vật đa bào là tự dưỡng (autotrophic), hút chất khoáng từ đất và CO2 từ không khí; còn động vật là nội tiêu hoá (ingestion) nhận thức ăn qua miệng và ống tiêu hoá. Phụ thuộc vào nguồn năng lượng, có nhiều kiểu dinh dưỡng đa dạng : – Quang tự dưỡng (Photoautotroph) : Các sinh vật dùng năng lượng ánh sáng khử CO2 như ở các vi khuẩn tía (purple bacteria), vi khuẩn lam (Cyanobacteria), tảo và thực vật. – Quang dị dưỡng (Photoheterotroph) : Các vi khuẩn dùng năng lượng ánh sáng để khử các hợp chất hữu cơ như ở các vi khuẩn tía và lục không lưu huỳnh (purple nonsulfur and green nonsulfur bacteria). – Hoá tự dưỡng (Chemoautotroph) : Các vi khuẩn thường dùng các điện tử từ các hợp chất vô cơ để khử CO2 như ở các vi khuẩn hydrogen, sulfur, sắt và nitrit hoá (hydrogen, sulfur, iron and nitrifying bacteria).
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 78 – Hoá dị dưỡng (Chemoheterotroph) : Các sinh vật thường dùng các điện tử từ các hợp chất hữu cơ để khử các hợp chất hữu cơ như ở phần lớn các vi khuẩn, nấm và động vật. Đa phần các sinh vật này sử dụng glucose làm chất cung cấp năng lượng chủ yếu. – Hoá thạch dưỡng (Chemolithotroph) : Các vi khuẩn dùng các chất vô cơ (như H2S, H2, Fe2+, NH3) làm chất cho điện tử. Chúng là các sinh vật háo khí điển hình, nhưng bắt đầu với oxi hoá các chất vô cơ. Các vi khuẩn có kiểu dinh dưỡng đa dạng hơn, một số có khả năng cố định Nitơ (nitrogen fixation) không khí. Đặc biệt, một số vi khuẩn lam có khả năng vừa quang hợp, vừa cố định Nitơ. Ngoài ra, các điều kiện yếm khí và háo khí có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả đồng hoá thức ăn. 7. Sự tiến hóa của chuyển hóa năng lượng Nhờ những kiến thức tích lũy được, ngày nay đa số cho rằng sự sống xuất hiện cách nay ít nhất 3,5 t ỷ năm. Các sinh vật đầu tiên sống trong điều kiện chưa có oxy và phải sử dụng các hợp chất hữu cơ có s ẵn làm ngu ồn năng lượng. Như vậy các quá trình phân hủy yếm khí để giải phóng năng lượng từ các hợp chất hữu cơ có sẵn là có trước và cổ hơn. Nguồn cung cấp chất hữu cơ có sẵn cho những sinh vật đầu tiên sẽ dần dần bị giới hạn, một nhóm sinh vật cổ đã tiến lên sử dụng năng lượng khác, lúc đầu chưa phải là năng lượng mặt trời mà từ các liên kết cộng hóa trị của phân tử hydro. Các sinh vật thu nhận năng lượng từ nguồn chất vô cơ đ ược gọi la hóa dưỡng (chemotrophic). Một số sinh vật hóa dưỡng cổ xưa đã thực hiện phản ứng qua nhiều bước trung gian để có phương trình t ổng quát sau: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Do kết quả phản ứng một số năng lượng trữ trong các liên kết của H 2 được giải phóng để thực hiện công trong tế bào. Một loạt phản ứng khác giải phóng năng lượng từ H 2 có sử dụng sulfur (lưu huỳnh - S). Trên thực tế, nhiều vi khuẩn hiện có đã phát triển ở nước thải giàu S của suối nước nóng, cống rãnh (gần 100 oC) và ở dưới đáy đại dương gần miệng núi lửa. Chúng tạo ra khí thối H2S: → H2S + năng lượng. H2 + S Các sinh vật thuở sơ khai hấp thu thức ăn nào gặp phải, nhưng ít khả năng dự trữ cho sử dụng lâu dài. Sự tiến hóa của các sinh vật hóa dưỡng theo hướng hoàn thiện các hệ enzyme tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp hơn nhờ đó tích trữ năng lượng cho sử dụng lâu dài. Chất dự trữ năng lượng thông dụng hiện nay là glucose, mà khi c ần có thể sử dụng nhờ đường phân (glycolysis) hay con đường phân giải đường (glycolytic pathway). Cách nay khoảng 3 tỷ năm, một sự kiện sinh hóa vô cùng quan trọng đã xảy ra: quá trình quang hợp. Tiếp theo khoảng 2,5 tỷ năm, một tiến bộ quan trọng nữa trong chuổi phản ứng hóa học là sự xuất hiện quá trình hô hấp. Trong quá trình này, mà giai đoạn đầu là đường phân, năng lượng được tiếp t ục rút ra nhiều hơn với s ự tham gia c ủa O 2. Tuy nhiên O2 được tăng dần và hiện diện với số lượng đáng kể nhờ các sinh vật quang hợp bắt đầu tạo ra chúng như sản phẩm phụ của quá trình của quá trình quang hợp. Như vậy, khoảng 2,3 tỷ năm tr ước đây O 2 được tích tụ nhiều lên dần trong khí quyển. Sự tích tụ nhiều O2 dẫn đến tạo tầng ozone (O3) của khí quyển hạn chế tác hại của tia X và tia tử ngoại từ mặt trời tạo thuận lợi cho sự phát triển của sinh vật trên bề mặt trái đất. Cách nay 1,5 tỷ năm các sinh vật nhân thực (Eukaryotae) xuất hiện và nhịp độ tiến hóa ngày càng nhanh hơn. Sự dồi dào của O 2 trong khí quyển làm cho hô hấp trở thành con đường dị hóa vượt trội, vì nó chiết rút năng lượng từ phân tử glucose nhiều gần gấp 20 lần so với chỉ riêng có đường phân. II. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT. Toàn bộ các phản ứng trong tế bào được gọi chung là sự trao đổi chất (metabolism, từ chữ Hi lạp metabole có nghĩa là chuyển đổi) bao gồm hai quá trình xảy ra song song và tác động tương hỗ lẫn nhau: sự đồng hóa (anabolism) là quá trình tổng hợp nên các phân tử hữu cơ phức tạp và sự dị hóa hay thoái dưỡng (catabolism) là quá trình phân hủy các thức ăn giải phóng năng lượng cho tế bào. 1. Đặc điểm chuyển hóa năng lượng trong tế bào. Suy cho cùng năng lượng cho sự sống trên trái đất là ánh sáng mặt trời đ ược các sinh vật tự dưỡng (autotroph) thu nhận trong quá trình quang hợp, cụ thể là thực vật xanh dùng năng lượng ánh sáng mặt tr ời đ ể t ạo nên các h ợp chất giàu năng lượng như glucose. Các sinh vật dị dưỡng (heterotroph) như động vật, nấm và nhiều vi sinh vật khômg thu nhận trực tiếp được từ năng lượng mặt trời, mà phải nhận năng lượng gián tiếp ở dạng thức ăn là các ch ất h ữu cơ do các sinh vật quang hợp tạo ra. Năng lượng chứa trong các chất hữu cơ thường được giải phóng ra thông qua quá trình hô hấp (respiration) trong đó Oxy và glucose được kết hợp để tạo ra CO2 và nước. Ở đây năng lượng được sử dụng để thực hiện tất cả các phản ứng do enzyme xúc tác trong tế bào. Các phản ứng biến đổi năng lượng trong tế bào cũng tuân theo các quy luật hóa học thông thường, nh ưng có những đặc điểm sau: – Dạng năng lượng chủ yếu được chuyển hóa là năng lượng hóa học các hợp chất hữu cơ. Tế bào thực vật đã thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời biến nó thành năng lượng hóa học để rồi luân chuyển trong thế giới sinh vật. – Quá trình oxy hóa giải phóng năng lượng qua nhiều phản ứng trung gian nên các cơ chất thường không tiếp xúc trực tiếp với oxy.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 79 Do đó trước khi tìm hiểu các phản ứng, phải biết rõ về ATP là chất trung gian chuyển đ ổi năng l ượng và các chất khác làm nhiệm vụ nhận H và chuyền điện tử. 2. Adenosine triphosphate (ATP). Một trong những hợp chất căn bản của sự sống là Adenosine triphosphate gọi tắt là ATP. Nó giữ vai trò chủ chốt trong hầu như tất cả các quá trình chuyển hóa năng lượng của mỗi hoạt động sống. Phân tử ATP là một nucleotide, được tạo thành từ Adenine, đường ribose và 3 phosphate PO4. Adenine gắn với ribose tạo ra Adenosine. Adenosine gắn với 1 phosphate gọi là AMP (Adenosin-Mono-Phosphate), gắn với 2 phosphate gọi là ADP (Adenosin-Di-Phosphate) và ATP (Adenosine-Tri-Phosphate (có 3 phosphate). Theo qui ước P được chỉ nguyên nhóm phosphate, và dấu gợn sóng ~ giữa P1 và P2, giữa P2 và P3 chỉ các liên kết được gọi là giàu năng lượng (high-energy bonds) (tên gọi này dễ gây hiểu lầm, vì năng lượng không trữ ở liên kết mà trong nhóm phosphate và được giải phóng như các liên kết). Nếu các liên kết này bị thủy giải, một năng lượng lớn hơn nhi ều so v ới các liên kết khác trong phân tử ATP bị gãy ra. Hình 5.2. Cấu trúc phân tử ATP, ADP và sự biến đổi thuận nghịch giữa chúng để chuyển đổi năng lượng. Một tính chất quan trọng của phân tử ATP là dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích trữ năng lượng (hình 5.2). Khi ATP thủy giải nó sẽ tạo ra ADP (2 phosphate) và Pi - phosphate vô cơ: enzyme ATP + H2O → ADP + Pi + năng lượng Nếu ADP tiếp tục thủy giải sẽ thành AMP. Ngược lại ATP sẽ được tổng hợp nên t ừ ADP và Pi nếu có đ ủ năng lượng cho phản ứng: enzyme ADP + Pi + năng lượng → ATP + H2O Quá trình gắn thêm một nhóm phosphate gọi là sự phosphoryl hóa (phosphorylation). Enzyme thủy giải ATP gọi là ATP-ase, còn tổng hợp nên ATP gọi là ATP synthetase. ATP thường được coi là “tiền tệ năng lượng” chung của tất cả các loại tế bào từ vi khuẩn đến con người. Các tế bào trước tiên dự trữ năng lượng ở các hợp chất carbohydrate như glucose, lipid. Nhưng năng lượng c ủa một phân tử glucose khá lớn đối với nhiều phản ứng : 670 Kcal/mole. Trong khi đó, sự thủy giải ATP thành ADP ch ỉ t ạo 7,3 Kcal/mole. ATP ví như “tiền lẻ” có thể dùng cho mọi phản ứng của t ế bào đ ể sinh t ổng hợp các ch ất, v ận chuyển qua màng, co cơ, truyền xung thần kinh. 3. Các chất chuyên chở Hydro. Tham gia vào chuyển hóa năng lượng còn có các chất chuyên chở Hydro như: NAD +, NADH2, FAD, NADP và NADPH2.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 80 Nicotine amide AMP Hình 5.3. Các cấu trúc NAD+ và NADP+, hai chất chuyển hydro quan trọng nhất trong các phản ứng dị hóa. NAD là nucleotide, viết tắt của Nicotineamide adenosine dinucleotide (hình 5.3). Phần trên là vòng nicotine amide giữ vai trò quan trọng trong vận chuyển H. Nửa dưới phân tử là Adenosine monophosphate (AMP). NAD+ là dạng oxy hóa, có sự biến đổi thuận nghịch sang NADH + H+ (gọi NAD-khử). Chúng là hai chất chuyển Hydro quan trọng nhất trong các phản ứng dị hóa. NADP có cấu trúc tương tự NAD nhưng có nhóm phosphate. Phần quan trọng (phía trên) là nicotine amide, nơi xảy ra biến đổi, nó giữ vai trò chính trong vận chuyển H. Giữa NADH và NAD+ có sự biến đổi thuận nghịch như mô tả ở phía trên gốc bên phải của hình 5.3. NADP có cấu trúc tương tự NAD nhưng có thêm 1 nhóm phosphate. Tham gia chuyển Hydro còn có FAD , cũng là nucleotide, Flavine adenosine dinucleotide. Nó dễ dàng biến sang dạng FADH2 (hình 5.4). 4. Các chất chuyền điện tử Từ năm 1925, các cytochrome được phát hiện, đó là các chất có màu do chứa nhân hème tương tự như hème ở hemoglobine. Nguyên tử sắt ở giữa nhân hème dễ dàng chuyển đổi thuận nghịch t ừ sắt 2 (Fe 3) sang sắt 3 (Fe2), nhờ đó nó chuyền các điện tử sang phần tử kế cận (hình 5.5). Hình 5.4. Cấu trúc của FADH 2 và FAD+.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 81 Hình 5.5. Cấu trúc của cytochrome C. Khung hème ở giữa có sắt (Fe) Hiện nay, có hơn 40 protein được phát hiện ở hệ thống chuyền điện tử. Các cytochrome chia thành 3 loại a, b, c. Sự phân chia này không quan trọng về mặt chức năng. Có cytochrome ở trung tâm hoạt động là sắt - lưu huỳnh. Một chất vận chuyển điện tử có cấu tạo đơn giản là ubiquinone hay coenzyme Q. Nó có thể nhận một hoặc hai điện tử. Các phản ứng hóa học chuyển năng lượng từ các chất phản ứng sang các sản phẩm trong quá trình hô hấp biến đổi glucose có phương trình khái quát : 6CO2 + 6 H2O + năng lượng. C6H12O6 + 6O2 III. ENZYME HỌC (ENZYMEOLOGY) 1. Đại cương về enzyme a. Các chất xúc tác Các nhà hóa học đã phát hiện rằng một số chất có thể làm tăng tốc độ phản ứng của các chất khác. Ví dụ, sự trộn lẫn đơn giản giữa Hydro và Oxy không gây ra phản ứng, nhưng nếu cung cấp đ ủ năng lượng hoạt hóa (nh ư có lửa) hỗn hợp sẽ nổ. Phản ứng nổ như vậy sẽ xảy ra khi thêm vào hỗn hợp một ít platin và khi ph ản ứng th ực hi ện xong platin vẫn không đổi. Một chất làm tăng tốc độ phản ứng nhưng tự nó không biến đổi sau khi phản ứng thực hiện xong (thậm chí nó có thể biến đổi nhất thời trong quá trình phản ứng) được gọi là chất xúc tác (catalyst). Chất xúc tác chỉ tác động lên tốc độ phản ứng; nó chỉ đơn giản làm các phản ứng hóa học có khả năng xảy ra về mặt nhiệt đ ộng học. Tương t ự như nhiệt, chất xúc tác không thay đổi hướng phản ứng, trạng thái cân bằng hoặc năng lượng sử dụng trong phản ứng. Chúng làm giảm năng lượng hoạt hóa cần cho phản ứng thực hiện, như vậy làm tăng phần các chất phản ứng đủ năng lượng để tác động với nhau. Năng lượng hoạt hóa cần thiết để phản ứng bắt đầu sẽ giảm nhiều khi có chất xúc tác. Các enzyme cũng làm giảm năng lượng hoạt hóa tạo thuận lợi cho thực hiện các phản ứng hóa học của sự sống. Năng lượng tự do ( ∆ G) không thay đổi do xúc tác. Để phản ứng hóa học được thực hiện nhanh các chất tham gia phải tiếp xúc trực tiếp với nhau. Chất xúc tác đã làm điều đó bằng cách gắn các chất tham gia phản ứng vào trạng thái trung gian mà trong đó chúng đ ịnh h ướng chính xác cái này với cái kia và các liên kết quan trọng bên trong chúng bị yếu đi. Nhờ sự gắn vào chất trung gian là xúc tác, phản ứng có các điều kiện rất thuận lợi để xảy ra. Ví dụ : Platin xúc tác phản ứng H2 và O2. Do lớp điện tử vòng ngoài platin tạo liên kết yếu với cả H và O. Sự gắn đó đưa H và O lại vị trí gần nhau mà các liên kết bên trong của H và O bị yếu đi. Thêm vào đó, kho ảng cách c ủa các phân tử platin tạo thuận lợi cho H và O gắn với nhau dễ dàng hơn. H gắn với O tạo thành H2O theo công thức: 2H2 + O2 + 6Pt → 4HPt + 2OPt → 2H2O + 6Pt. Platin là chất xúc tác làm cho phản ứng thực hiện dễ dàng, mà bản thân nó không biến đổi. b. Enzyme là gì ? Từ hàng nghìn năm trước đây, loài người đã sử dụng các enzyme tự nhiên để chế biến thực phẩm và nước giải khát. Năm 1897, E.Buchner thu được dịch nấm men nghiền nát và quan sát thấy nó có hoạt tính lên men r ượu. Ông gọi những chất có hoạt tính đó là enzyme (từ tiếng Hy lạp: en (trong) zyme (nấm men) có nghĩa trong nấm men). Các chất xúc tác vô cơ
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 82 như platin tác động không chọn lọc chúng chỉ tạo bề mặt tiếp xúc hỗ trợ cho các chất tham gia phản ứng. Chọn lọc tự nhiên đã tạo ra một lượng lớn các enzyme là những chất xúc tác hữu cơ có tính đặc hiệu cao nhờ cấu trúc không gian ba chiều của các đại phân tử sinh học. Hình 5.6. Sự biến đổi năng lượng khi có enzyme Cũng giống các chất xúc tác khác, enzyme hạ thấp năng lượng hoạ t hóa cần thiết ,sao cho năng lượng động học của các phân tử cơ chất trở nên đủ để phản ứng xảy ra (hình 5.6). Enzyme chỉ làm tăng tốc độ phản ứng và hoạt động với hiệu quả rất cao. Một phân tử enzyme có thể làm cho hàng nghìn thậm chí hàng trăm nghìn phân tử cơ chất kết hợp thành sản phẩm trong mỗi giây. Enzyme catalase thực hiện phân hủy 5 triệu phân t ử H 2O2 trong 1 phút ở 0oC. Hiệu quả cao hơn gấp nhiều lần so với các chất xúc tác vô cơ. Nhờ có enzyme, các phản ứng hóa học được thực hiện trong tế bào sống với sự hoàn hảo tuyệt v ời, có các đặc điểm sau : – Phản ứng thực hiện gần như có hiệu quả 100 % và không kèm theo phụ phẩm thừa (dĩ nhiên phải tuân theo quy luật cân bằng vật chất tức một chất phản ứng đã cạn kiệt). – Đồng thời có thể xảy ra nhiều phản ứng độc lập khác nhau, mà không bị rối bởi các sản phẩm phụ. Điều này có được nhờ mỗi enzyme chuyên hóa cao cho một loại phản ứng. – Các phản ứng thường được thực hiện theo dây chuyền, sản phẩm của phản ứng đầu có thể làm nguyên liệu sơ khởi cho phản ứng sau nhờ các enzyme xếp theo hệ thống dây chuyền. – Các phản ứng chịu sự điều hòa hợp lý và tiết kiệm nhất, – Tiêu tốn năng lượng là tối thiểu. Một đặc tính rất quan trọng nữa của enzyme là trong quá trình thực hiện phản ứng nó không bị phá h ủy. Khi phản ứng xúc tác kết thúc, chúng được tự do và tiếp tục xúc tác các phân tử cơ chất mới. Do có vai trò quan trọng như vậy cho sự sống nên nghiên cứu enzyme là một trọng tâm c ủa Hoá sinh h ọc, mà Enzyme học (Enzymeology) là một chuyên ngành. Có người cho rằng: “ Sự sống có thể định nghĩa là hệ thống tích hợp (integrated), được điều phối (cooperating) của các phản ứng enzyme”. 2. Cấu tạo của enzyme Đến nay người ta đã biết được hơn 3.000 nghìn enzyme, tất cả đều có bản chất protein. Đa phần là các protein khối cầu có kích thước thường lớn hơn cơ chất do chúng tác động. Cấu trúc không gian ba chi ều c ủa t ừng lo ại enzyme xác định những tính chất căn bản của chúng. Có enzyme đơn giản chỉ gồm có protein và có enzyme phức tạp ngoài protein có thêm nhóm bổ sung không phải là protein như : – Cofactor là các ion kim loại gắn vào protein. – Coenzyme (hay coferment) là các nhóm chất hữu cơ phức tạp (như NAD, FAD,...) gắn với phần protein c ủa enzyme để thực hiện chức năng. Các coenzyme làm các vật trung gian chuyển điện tử hay các nhóm chức năng (như các phân tử H, các nhóm amin, methyl hay acetyl) từ cơ chất này sang cơ chất khác. Nhiều coenzyme chứa các phân tử vitamin. Điều này giải thích tầm quan trọng của vitamin trong các hoạt động sống. – Nhóm prosthetic là nhóm chất hữu cơ gắn rất chặt với protein của enzyme như nhóm heme trong các cytochrome. Phức hợp enzyme tự nhiên với các nhóm bổ sung được gọi holoenzyme, còn phần protein không có hoạt tính sau khi tách nhóm gọi là apoenzyme. Bản chất protein của các enzyme được xác nhận bởi nhiều chứng cứ: – Khi protein biến tính tức cấu trúc không gian bị phá vỡ, hoạt tính enzyme sẽ mất. Thông thường protein bị biến tính ở 50 - 60oC, nhiều enzyme mất hoạt tính ở nhiệt độ này. Tuy nhiên, có những enzyme đặc biệt có thể chịu đựng nhiệt độ hơn 100oC như amylase dùng trong công nghiệp dệt. – Các enzyme rất nhạy cảm với pH và có hoạt tính cao chỉ trong một giới hạn nhất định và mỗi enzyme có pH tối ưu riêng. Sự thay đổi pH làm đứt nhiều liên kết yếu giữ vai trò ổn đ ịnh c ấu trúc không gian c ủa các phân t ử protein, và đồng thời dẫn đến hình thành các liên kết hóa học mới làm thay đổi cấu hình phân tử protein. Trên thực tế, hoạt tính của enzyme phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường như nhiệt đ ộ, pH,... dễ làm thay đổi cấu trúc không gian của protein. 3. Tính đặc hiệu (specificity) Khác với các chất xúc tác vô cơ, các enzyme có tính chọn lọc rất cao. Một enzyme nói chung tương tác đặc hiệu chỉ với một loại phản ứng hay là cặp chất phản ứng (reactants) thường gọi là cơ chất (substrates).
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 83 Trong một thời gian dài nhiều nhà sinh hóa học cho rằng điều mấu chốt trong chức năng enzyme là hoạt động bề mặt (surface activity) giống như ở các chất xúc tác vô cơ. Tuy nhiên, đa số enzyme là các protein cầu (globular) có cấu trúc không gian ba chiều phức tạp ; mỗi loại có kiểu hình học bề mặt riêng. Có lý hơn khi cho rằng một enzyme nhất định chỉ tương tác với các cơ chất mà cấu hình không gian phân tử của chúng (hình dạng và v ị trí các nhóm tích điện) "lấp vừa vặn" bề mặt enzyme đó. Như vậy tính đặc hiệu của các enzyme có thể xem như phụ thuộc cấu trúc không gian phân tử ba chiều của chúng. Đặc hiệu phản ứng : enzyme chỉ tác động đối với cơ chất có mang một loại liên kết hóa học nhất đ ịnh. Ví dụ 1 : Lipase do tuyến tụy tiết ra chỉ cắt liên kết ester nối glycerol và acid béo của nhiều loại lipid khác nhau. Ví dụ 2 : Enzyme Thrombin (làm tan máu) tác động chỉ với một số protein và chỉ ở những điểm đ ặc hi ệu. Nó "nhận biết" liên kết giữa các amino acid arginine và glycine và lúc đó thủy giải chúng. Đặc hiệu cơ chất : enzyme thể hiện tácđộng chuyên biệt cho những cơ chất nhất định.Ví dụ, 3 protease serine là trypsin, chymotrypsin và elastase có những điểm gắn với cơ chất (substrate binding sites) khác nhau (hình 5.7). Ví dụ khác : enzyme urease chỉ phân hủy urea thành ammonia và CO 2, nhưng không tác dụng đối với các chất khác. Các enzyme có thể phân biệt được những cơ chất thậm chí rất giống nhau, như các đồng phân (Isomer). Ví dụ, enzyme sucrase chỉ phân hủy saccharose (sucrose) thành glucose và fructose, nhưng không tác dụng đối với 2 đồng phân khác là maltose và lactose. Hình 5.7. Sơ đồ những điểm gắn với cơ chất của 3 protease serine là trypsin (a), chymotrypsin (b) và elastase (c). Trong nhiều trường hợp, khó phân biệt tính đặc hiệu kiểu phản ứng và cơ chất. Tính đ ặc hiệu enzyme d ựa trên cơ sở cấu trúc không gian ba chiều của phân tử protein. Có hai quan điểm về enzyme và c ơ chất là : a) l ấp vào nhau tương tự như ống khóa và chìa khóa (lock-key model) và b) cảm ứng -lấp kín (iduced-fit model) khi enzyme gắn vào làm biến đổi cơ chất (hình 5.8). Hình 5.8. Sự gắn cơ chất vào enzyme : a) mô hình ống khóa- chìa khóa và b) lấp kín do cảm ứng. 4. Trung tâm hoạt động. Chỉ có một vùng giới hạn của phân tử enzyme thực sự gắn với cơ chất, gọi là trung tâm hoạt động (active site). Thường trung tâm hoạt động được tạo nên do một số amino acid của enzyme, còn số khác của phân tử protein đảm bảo khung để tăng cường cấu trúc không gian của trung tâm. Điều kiện để một ki ểu phân t ử c ơ chất liên kết với enzyme rất đặc biệt, nó phụ thuộc vào các amino acid tạo nên trung tâm hoạt động, vào các nhóm R nhô ra của các amino acid đó và các chi tiết của sự sắp xếp tương đối giữa chúng với nhau. Mô hình trung tâm hoạt động của enzyme ribonuclease (xúc tác cắt RNA) (hình 5.9) minh họa rõ tương tác trung tâm-cơ chất. Trung tâm được mô tả như một khe mà phân tử cơ chất (Uracil của RNA) có thể lấp vào. Cơ chất hình thành một số liên kết yếu : các gốc R của các amino acid threonin 45 và serine 123 tạo nên trung tâm. Điều này chứng tỏ rằng sự cuộn lại phức tạp của phân tử protein để hình thành cấu trúc bậc ba đã kéo các amino acid từ những điểm xa nhau của mạch polypeptide đến gần về mặt không gian để hình thành trung tâm hoạt động của enzyme, thường gồm các amino acid không kề nhau. Hình 5.9. Trung tâm hoạt động của ribonuclease. Các số chỉ thứ tự các amino acid bao quanh trung tâm . Uracil ở giữa là cơ chất.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 84 Các enzyme có trung tâm hoạt động mà các cơ chất có thể lấp kín vào để hình thành phức hợp enzyme - cơ chất (ES). Sự gắn cơ chất vào làm biến đổi cấu trúc không gian để lấp kín tối đa và dẫn đến trạng thái dễ phản ứng. Enzyme sẽ trở lại cấu trúc ban đầu sau khi sản phẩm được phóng thích. Sự bổ sung nhau về mặt không gian chỉ là một tiền đề cho tương tác enzyme - cơ chất. Một đòi hỏi khác là enzyme và cơ chất phải hợp nhau về mặt hóa học và có khả năng hình thành nhiều liên kết yếu với nhau. 5. Các tính chất dị lập thể của enzyme Tốc độ của phản ứng enzyme có thể chịu tác động của một chất kết hợp với enzyme ở vị trí khác với trung tâm hoạt động. Chất đó được gọi là chất điều chỉnh (allosteric modulator), chất biến thể (modifier) hay chất hiệu lực (effector) dị hình hay dị lập thể (allosteric) và điểm gắn của chúng trên enzyme gọi là điểm dị lập thể (allosteric site). Về mặt cấu trúc, phần lớn các enzyme di lập thể là protein đa phân (oligomeric) tức gồm nhiều polypeptide và cấu trúc không gian ba chiều của chúng dễ thay đổi cấu hình (conformation) để nhanh chóng biến dạng chuyển từ hoạt tính này sang cái khác. Các enzyme loại này thường có hai dạng cấu trúc không gian, một dạng có hoạt tính, một dạng không. Về chức năng thì chất biến thể có thể tác động hợp tác (cooperation) như trường hợp Oxygen gắn vào hemoglobin; hoặc ức chế gọi là ức chế dị tập thể (allosteric inhibition). Một ví dụ thường gặp là khi sản phẩm được tổng hợp dư thừa, các phân tử sản phẩm có thể gắn vào enzyme làm mất hoạt tính đ ể quá trình t ổng h ợp s ản ph ẩm dừng lại. Kiểu ức chế này còn gọi là ức chế nghịch (feedback inhibition). 6. Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme Các enzyme là những phân tử protein mà cấu trúc không gian tự nhiên được xác đ ịnh do nhiều liên kết y ếu, chúng rất nhạy cảm với nhiều yếu tố khác nhau. – Tốc độ phản ứng : Mối quan hệ giữa tạo thành sản phẩm và thời gian phản ứng được mô tả trên hình 5.10. Nồng độ enzyme ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng : khi nồng độ enzyme tăng tốc độ phản ứng tăng đến cực đại. Hình 5.11. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến Hình 5.10. Mối quan hệ giữa sự tạo thành sản tốc độ phản ứng. phẩm và thời gian phản ứng. – Nồng độ cơ chất : Ở nồng độ cơ chất thấp có sự tương quan tỉ lệ thuận giữa nồng độ và tốc độ phản ứng (hình 5.11). Nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất sẽ đến lúc mà tốc đ ộ phản ứng không còn phụ thu ộc nồng đ ộ c ơ chất. Ở nồng độ cao, các enzyme đã bão hòa cơ chất nên không tăng tốc độ phản ứng. – Chất kìm hãm : Phần lớn các enzyme có thể bị kìm hãm hay ức chế (inhibition) thuận nghịch hay không thuận nghịch. Một trong các kiểu là ức chế cạnh tranh (competitive inhibition) xảy ra do chất ức chế tương tự cơ chất nên có thể kết hợp thuận nghịch với trung tâm hoạt động , nhưng chất ức chế không biến đổi tiếp tục. Phản ứng cạnh tranh có thể biểu thị như sau : E + I → EI làm giảm phản ứng : E + S → ES → E + P Trong đó I (inhibitor) là chất kìm hãm. Sự kết hợp EI làm giảm ES (enzyme-cơ chất). Ví dụ: CO gây độc, vì nó cạnh tranh với Oxy gắn vào các trung tâm hoạt động của hemoglobin. Kiểu ức chế thứ hai thuận nghịch được gọi là ức chế không cạnh tranh (noncompetitive inhibition). Trong trường hợp này, các enzyme thường có hai loại trung tâm hoạt động, một loại cơ chất bám vào, còn loại kia chất ức chế gắn vào. Một dạng ức chế không cạnh tranh thường gặp là ức chế dị tập thể. Các chất kìm hãm không thuận nghịch thường gắn với nhóm hoạt động làm biến đ ổi liên tục hay phá h ủy chúng. Phần lớn các chất độc là những chất kìm hãm không thuận nghịch. Chất đ ộc cyanid kìm hãm cytochrome oxydase làm không chuyển được điện tử đến Oxy. Nhiều chất diệt cỏ trừ sâu và thuốc trị bệng là những chất kìm hãm không thuận nghịch đối với enzyme. Ví dụ, thuốc kháng sinh penicillin ức chế enzyme transpeptidease của vi khuẩn cản trở tạo vách tế bào. Bản thân các enzyme có thể thành chất độc, nếu đặt sai khu vực hoạt động của chúng trong cơ thể. Chỉ c ần 1mg trypsin tinh thể tiêm vào mạch máu đủ để giết chết con chuột thí nghiệm. Do vậy, các enzyme protease phân hủy protein đa phần được tổng hợp ở dạng tiền chất (precursors) có kích thước lớn hơn bản thân enzyme, được đóng gói cẩn thận để chuyển đi. Tiền chất đến đúng nơi thực hiện chức năng mới được biến đổi thành dạng có hoạt tính. Có thể xảy ra quan hệ hợp tác (cooperativity) như trường hợp ở hemoglobin. Hemoglobin có khả năng gắn với 4 phân tử Oxy. Khi phân tử Oxy đầu tiên gắn vào hemoglobin nó biến đổi cấu trúc không gian bậc b ốn t ạo thu ận l ợi để các phân tử oxy khác gắn vào với hiệu quả cao hơn.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 85 – Nhiệt độ : Nhiệt độ cũng tác động đến các phản ứng enzyme, như các phản ứng không có xúc tác. Nhiều enzyme có tốc độ phản ứng nhanh nhất ở một nhiệt độ tối ưu (hình 5.12). Nhiệt độ cao quá sẽ làm biến tính protein dẫn đến mất hoạt tính enzyme. Ở nhiệt độ thấp tốc độ phản ứng chậm. Cá biệt có những enzyme chịu đ ược nhi ệt độ cao như amylase dùng trong công nghiệp dệt (có thể chịu trên 100oC). Hình 5.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ. Hình 5.13. Ảnh hưởng của pH . – pH : Mỗi enzyme đều có hoạt tính tối ưu trong một giới hạn pH thích hợp (hình 5.13). Pepsin và trypsin đ ều là các enzyme thủy giải protein. Tuy nhiên, pepsin có hoạt tính cao trong điều kiện acid mạnh (tối ưu ở pH = 2), còn trypsin dưới các điều kiện trung hòa hoặc hơi kiềm (tối ưu ở pH = 8,5). 7. Phân loại enzyme Có khoảng 3000 enzyme đã được biết đến. Những enzyme này được phân loại thành 6 nhóm sau đây dựa và loại phản ứng mà chúng xúc tác. – Nhóm 1. Oxido-reductase Vai trò oxi hóa hay khử nhờ chuyển hóa hydrogen hay electron. a. Dehydrogenase SH2 + A ––> S + AH2 (S: cơ chất, A: chất nhận) Ví du, Lactat dehydrogenase : L-lactate + NAD –> pyruvate + NADH + H+ b. Oxidase SH2 + 1/2O2 ––> S + H2O SH2 + O2 ––> S + H2O2 Ví dụ: Glucose oxidase : B-D-glucose + O2 –> gluconolactone + H2O2 c. Peroxidase 2SH + H2O2 ––> 2S + 2H2O 2S + 2H+ + H2O2 2S+ +2H2O ––> Ví du, Horseradish peroxidase : 2[Fe(CN)6]4– + 2H+ –> 2[Fe(CN)6)3– + 2H2O d. Oxygenase SH + DH + O2 ––> S-OH + D + H2O Ví dụ, Lactate 2-monooxygenase : L-lactate+O2 ––> acetate + CO2 + H2O – Nhóm 2. Transferase Chuyển các nhóm chức năng có chứa C-, N-, hay S- như các nhóm chứa aldehyde và cetone, glycosil, acyl, phosphate và sulfur. AX + B ––> A +BX Ví dụ: Hexokinase: D-hexose + ATP –> D-hexose-6-phosphate + ADP – Nhóm 3. Hydrolase Thủy phân ester, anhydride, glycoside, nối peptid, và nối C-N khác. Ví du, Cholesterol esterase: cholesterol ester+H2O –> cholesterol + acid béo Glucoamylase : amylose + nH2O ––> n B-D-glucose – Nhóm 4. Lyase Vai trò thêm vào các nối đôi như : –C=C–, –C=O–, –C=N– – Nhóm 5. Isomerase Ví dụ: Glucose isomease biến glucose thành fructose và ngược lại : D-glucose –> D-fructose. – Nhóm 6. Ligase Vai trò tách bỏ các nối C-C, C-O, C-N, C-S, C-halogen mà không cần thủy phân hay oxy hóa, đa phần chỉ cần ATP. Ví dụ: Pyruvate carboxylase: Pyruvate + HCO3– +ATP ––> oxaloacetate + ADP + Pi Qua liệt kê các lọai enzyme và các phản ứng do chúng xúc tác, chúng ta thấy rõ sự đa dạng của nhiều lọai phản ứng hóa học khác nhau do enzyme xúc tác. Việc sử dụng các enzyme và vi sinh vật làm xúc tác sinh h ọc trong hóa hữu cơ đã hấp dẫn các nhà khoa học từ cuối thế kỷ 19. Các chất xúc tác sinh học đã làm ngạc nhiên nhiều thế hệ các nhà hóa học và sinh học. đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ mới gọi là “ chuyển hóa sinh học” (Biotransformation hay Biocoversion), dùng enzyme thực hiệncác phản ứng hoá học. Ngay từ đầu thế kỷ 20, nó đã đ ạt đ ược nhiều kết quả ban đầu và tiếp tục phát triển cho đến nay hình thành nên Công nghệ enzyme (Enzyme technology) với hàng loạt ứng dụng trong Y học, thực phẩm, nông nghiệp,...
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 86 Một xu hướng quan trọng trong phát triển công nghệ hóa học hiện nay là sử dụng enzyme để tạo sản phẩm mà vẫn đảm bảo an toàn về môi trường và ít tiêu tốn năng lượng hơn. Ngoài ra có thể sử dụng các lọai phản ứng đặc hiệu khác nhau làm các bộ cảm biến sinh học (biosensor). Tóm lại, enzyme là các chất xúc tác sinh học có bản chất protein; chúng xúc tác các phản ứng với tính đặc hiệu và hiệu quả cao. Chúng là động lực của các phản ứng sinh học, là công cụ phân tử hiện thực hóa thông tin di truyền chứa trên DNA. Các gen thông qua enzyme thực hiện việc tổng hợp các phân tử nhỏ và các đ ại phân t ử sinh học. Các phản ứng sinh hóa trong tế bào và cơ thể rất phức tạp nhưng đưọc điều hòa thông qua hoạt tính enzyme và sự biểu hiện các gen (chi tiết ở các chương VIII, XII). IV. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG TẾ BÀO Sau khi tìm hiểu về thành phần và cấu trúc các loại phân tử, đặc điểm của các phản ứng trao đổi chất chúng ta điểm qua các nét đặc thù của các phản ứng hóa học thiên hình vạn trạng diễn ra trong tế bào, mà diễn biến cụ thể và chi tiết hơn sẽ trình bày trong các chương sau. 1. Thu nhận Để tồn tại, tế bào phải thu nhận năng lượng, vật liệu và trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài. Công việc này được thực hiện một cách chủ động, tinh vi với nhiều cơ chế khác nhau trong mối quan hệ tương tác hài hòa với môi trường. . Sự chủ động thể hiện qua vài ví dụ : – Hóa định hướng (Chemotaxis) : các vi khuẩn di chuyển hướng đến nguồn hóa chất dinh dưỡng hay rễ cây mọc hướng đến nguồn phân. – Enzyme ngoại bào : tế bào không hấp thu trực tiếp các đai phân tử như bột, protein nên tiết các enzyme ngoại bào như protease, amylase cắt chúng thành đơn phân để ngấm vào tế bào. Sự tinh vi thể hiện qua ví dụ hấp thu sắt (Fe). Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ghi nhận sự thiếu sắt (Fe) của cơ thể biểu hiện ở 30% dân số toàn cầu (chủ yếu ăn gạo) gây bệnh thiếu máu. Vấn đề là ở chỗ : tế bào có cơ chế hấp thu sắt, đồng thời cũng có biện pháp chống dư thừa sắt. Phytic acid là chất ngăn cản hấp thu sắt, nhưng đối lại tế bào có enzyme phytase phân hủy phytic acid. Trong gạo không thiếu sắt, nhưng enzyme phytase của gạo không chịu nhiệt, bị hỏng khi nấu cơm chín nên không phá huỷ phytic acid là chất ngăn cản hấp thu sắt của cơ thể. Đáng kinh ngạc là tế bào hấp thu và sử dụng các nguyên tố một cách tinh vi và chính xác.. 2. Các định hướng chung Các phản ứng hóa học trong tế bào thực hiện theo các định hướng chiến lược như sau : – Trật tự sinh học : Các cấu trúc và phản ứng hóa học trong cơ thể được duy trì theo một trật tự nhất định được gọi là trật tự sinh học (biological order). Hơn thế nữa, diễn biến của các phản ứng tuân theo chương trình phát triển cá thể một cách chính xác. Ví dụ : Vì sao răng người không mọc ở trán hay đ ầu gối chẳng hạn, mà mọc ở hai hàm với đủ 3 loại răng cửa, răng nanh và răng cấm đối xứng hai phía và khớp nhau một cách chính xác giữa hàm trên và dưới. Lúc mới sinh chưa có răng, sau đó mọc răng, thay răng và khi trưởng thành răng r ắn chắc h ơn nh ưng răng r ụng thì không được thay. Như vậy, một chất vô cơ như Ca được tổng hợp đúng số lượng và chất lượng; phân bố chính xác trong không gian và thời gian theo chương trình phát triển được điều hoà ở mức cơ thể. – Mối quan hệ : Phân tử, gen và tế bào. Sự tổng hợp các phân tử bị chi phối bởi các gen, mà sự biểu hiện các gen dựa vào hệ thống tế bào trong mối quan hệ bên trong và với môi trường bên ngoài. – Dựa vào cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi : Một trong những nguyên tắc của hoạt động sống trong tế bào là sự thống nhất giữa cấu trúc và chức năng ở tất cả các mức tổ chức. Xét về mặt hoá học thì tế bào tận dụng cấu trúc của từng nguyên tố như các cofactor kim loại (sắt Fe, kẽm Zn,…) trong nhiều enzyme. Ví dụ, sự thay đổi hoá trị sắt 2 thành sắt 3 được dùng trong hệ chuyền điện tử. Ở cấp độ đại phân tử như protein, chúng ta đã biết về vai trò của các liên kết yếu, các kiểu mãng motif, các domain trong tạo ra sự đa dạng về cấu túc và protein. Ở mức tế bào thì hàng loạt bào quan có cấu trúc phức tạp thực hiện nhiều chức năng chuyên biệt khác nhau. Tế bào có thể chuyển năng lượng xuyên màng qua hoá thẩm thấu (xem ch. VI), tức dựa vào một cấu trúc. 3. Cách thực hiện các phản ứng hoá học của tế bào Để tồn tại, tế bào phải thu nhận năng lượng và sinh tổng hợp các chất. Công việc đó đ ược th ực hi ện nh ờ hàng nghìn, hàng vạn các phản ứng hoá học diễn ra liên tục theo trình tự nghiêm nhặt, nhanh nhạy và rất chuẩn xác, ví như một nhà máy hoá học đặc biệt. Hoá học của tế bào có những đặc tính ưu việt như trên là nhờ cách thực hiện phản ứng rất rất đặc biệt. – Điều kiện thực hiện phản ứng : đẳng nhiệt, đẳng áp, tức các phản ứng hoá học diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không cao và không dao động. Ví dụ : các phản ứng hoá học trong cơ thể người di ễn ra ở 37 OC. Hao tốn năng lượng của các phản ứng hoá học trong tế bào là tối thiểu. Trong các phòng thí nghiệm hoá h ọc thông th ường, khó có thể thực hiện các phản ứng với những điều kiện và tiêu tốn năng lượng như vậy. – Các chất xúc tác là enzyme : có tính đặc hiệu cao và hiệu quả như đã nêu ở phần trên.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 87 – Trao đổi chất diễn ra liên tục và tự động hóa cao : Các phản ứng trao đổi chất diễn ra liên tục để phân hủy các chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng cho sinh tổng hợp. Ví dụ : glucose được hấp thu vào t ế bào b ị phân h ủy, nếu dư thừa được tổng hợp thành glycogen, mà khi thiếu được cắt nhỏ thành glucose để sử dụng. Các protein sau khi hình thành đã tự động di chuyển đến đúng tiêu điểm nhờ các tín hiệu có ngay trên mỗi phân tử. – Sự đa dạng các phản ứng : Số loại phản ứng hoá học được thực hiện trong tế bào rất lớn. Đến nay con người ghi nhận hàng nghìn loại phản ứng hoá học khác nhau trong thế giới sinh vật. Hầu như tất cả các loại phản ứng hoá học diễn ra trong cơ thể sống như oxy hoá khử, methyl hoá, amin hoa,..., và cả những phản ứng có tính đ ặc hi ệu cao nh ư chuyển hoá sinh học (biotransformation). 4. Tín hiệu tế bào Những thành tựu của Sinh học phân tử tế bào và các bộ gen soi sáng thêm nhiều chi tiết phức tạp về hoá học của tế bào sống, mà tín hiệu tế bào (Cell signalling) là một ví dụ. Có những tín hiệu cho vận chuyển nội bào (intracellular traffic) và các tín hiệu giữa các tế bào (intercellular signals). Các phân tử thông tin ngoại bào (extracellular informative molecules), thực hiện mối quan hệ giữa các tế bào, là những chất trung gian gồm 3 loại phụ thuộc vào khoảng cách tác động (xem ch.XIV). Có thể nói, mỗi một tế bào tắm mình trong môi trường với nhiều tín hiệu hoá học : các phân tử phóng thích từ các tế bào khác (các hormone, nhân tố tăng trưởng,…) và các chất ngoại lai như thuốc hay đ ộc tố,… Tiếp nhận tín hi ệu, bộ máy tế bào đáp lại một cách đặc hiệu, như tổng hợp một loại protein. Trong hoá học, chúng ta thuờng quen với kiểu phản ứng chất A kết hợp với B thành AB. Tế bào phản ứng ph ức tạp hơn nhiều : tín hiệu phát ra di chuyển rất xa, có định hướng đúng mục tiêu để kích thích hoạt động của một phức hợp gồm cả chục protein nhằm đáp lại. Thử hình dung, 1 phân tử protein cầu kích thước 5nm (5 phần triệu milimet) di chuyển đến khoảng cách 300mm (30cm) thì độ dài di chuyển gấp 300 triệu lần. Nếu một người cao 1,5 m di chuyển như vậy thì khoảng cách tương ứng là 450 triệu met = 450000km, hơn gấp rưỡi khoảng cách t ừ Trái đ ất đ ến Mặt trăng. Hoạt động sống của tế bào phức tạp, nhưng chính xác biết bao ! Trên tế bào có các mức tổ chức cao hơn là mô, cơ quan, cơ thể... Tất cả đều có các mối liên hệ bên trong và với môi trường ngoài rất phức tạp thông qua các tín hiệu tế bào. Cơ thể được điều hoà bởi 2 cơ chế : – Các chất nội tiết như hormone,.. có tác động chậm. – Các xung thần kinh có tác động nhanh. Ngoài ra, thiên nhiên vốn hài hoà, các phản hoá học của tế bào ít gây ô nhiễm, lại làm sạch môi tr ường góp phần đáng kể bảo vệ môi sinh. TÓM TẮT CHƯƠNG Tế bào là một hệ thống hở cân bằng động nhưng lệch do phải thường xuyên thu nhận năng lượng từ ngoài ở dạng ánh sáng mặt trời hay các hợp chất hữu cơ. Các bi ến đ ổi năng l ượng trong tế bào tuân theo các quy luật nhiệt động học, nhưng với các đ ặc đi ểm như qua nhi ều b ước trung gian, có chất chuyển đổi năng lượng như ATP. Quá trình trao đổi chất phức tạp diễn ra trong tế bào cung cấp năng lượng cho hoạt động sống được xúc tác bởi các enzyme. Các enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein, cấu trúc không gian ba chiều của phân tử đóng vai trò rất quan trọng, nên chúng nhạy cảm với các tác động của môi trường như nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme, nhiệt độ, pH và các chất kìm hãm. Hoạt động s ống của t ế bào đ ược điều hòa thông qua hoạt tính enzyme. Hoá học tế bào có nhiều đặc tính ưu việt và khác với hoá học thông thường ở nhiều điểm mà tín hiệu tế bào là một ví dụ. NHỮNG ĐIỂM CẦN NHỚ 1. Các quy luật nhiệt động học và trật tự sinh học. 2. Năng lượng tự do, các phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt. 3. Sự oxy hóa- khử. 4. ATP. 5. Các chất chuyên chở hydro và chuyền điện tử. 6. Enzyme : protein, trung tâm phản ứng, tính đặc hiệu và các nhân tố tác đ ộng. 7. Sự điều hòa trao đổi chất: thay đổi hoạt tính enzyme, bố trí không gian hợp lý các ph ức hệ enzyme. 8. Các đặc điểm của hoá học tế bào. 9. Tín hiệu tế bào. CÂU HỎI ÔN TẬP Để duy trì trật tự sinh học tế bào phải sử dụng năng lượng gì ? 1. Phản ứng tỏa và thu nhiệt phụ thuộc năng lượng gì của chất phản ứng ? 2. Phản ứng nào giải phóng và phản ứng nào tích trữ năng lượng ? 3. Sự giải phóng năng lượng trong tế bào có những đặc điểm gì? 4. Oxy hóa trong tế bào thực chất là gì? 5. Sự trao đổi chất gồm hai quá trình nào? 6. ATP có những đặc điểm cấu trúc và giử vai trò gì? 7.
Ch.V. Năng lượng và sự trao đổi chất 88 Kể một số chất chuyên chở hydro. 8. Enzyme có những đặc điểm cấu trúc gì? 9. Vì sao enzyme dễ nhạy cảm với các biến đổi của môi trường. 10. Tính đặc hiệu của enzyme biểu hiện như thế nào? 11. Tác động của các enzyme phụ thuộc vào những yếu tố nào ? 12. Quá trình trao đổi chất được điều hòa như thế nào ? 13. Các phức hệ enzyme được bố trí như thế nào để thực hiện chuỗi phản ứng? 14.

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.