NĂNG LƯỢNG, ENZIM VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA pot

NĂNG LƯỢNG, ENZIM VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA Hằng triệu người, kể cả các vận động viên nổi tiếng như ngôi sao hockey Wayne Gretzky, Hank Aaron vĩ đại của bóng chày và vô địch Olympic mười môn phối hợp Bruce Jenner đều bị tàn tật bởi bệnh viêm khớp. Cho tới gần đây, các bác sĩ vẫn kê đơn Aspirin cho bệnh nhân để làm dịu sự sưng tấy gây nhức nhối kinh niên ở các khớp viêm. Hàng nghìn năm nay, các thầy thuốc ở các nền văn hóa khác nhau đã biết rằng vỏ cây liễu có tính kháng viêm làm giảm đau và sưng tấy. Vào năm 1829, các nhà hóa học người Đức đã tách được thành phần có hoạt tính trong vỏ cây liễu, và sau này trong thế kỷ đó các nhà hóa học khác đã hiệu chỉnh hóa học nó để tạo ra một dược chất còn hiệu quả hơn-chính là aspirin. Mặc dù loại thuốc này vẫn có tác dụng, nó có một số tác dụng phụ không tốt như gây đau rát ở dạ dày và làm giảm khả năng đông máu. Chỉ khi các nhà hóa sinh học phát hiện ra cơ chế hoạt động của aspirin thì các tác dụng có lợi và các tác dụng không mong muốn của nó mới có thể được giải thích. Họ khám phá ra rằng aspirin gắn kết với một amino acid đặc thù (Serine) ở một protein gọi là Cyclooxygenase, hay COX và gắn vào amino acid này một nhóm Acetyl. Chức năng bình thường của COX trong cơ thể là hoạt động như một enzyme: một chất xúc tác để đẩy nhanh sự chuyển biến một acid béo mạch thẳng thành cấu trúc vòng. Phân tử acid béo đi vào một đường ống trên đại phân tử enzyme, nơi nó trải qua một biến đổi hóa học đặc hiệu, sau đó rời khỏi enzyme. Dạng vòng của acid béo này kích thích hiện tượng viêm ở khớp, sữa chữa các vết thương ở dạ dày và giúp đông máu. Khi serine ở COX bị acetyl hóa bởi phản ứng với aspirin, enzyme không còn đẩy nhanh sự sản xuất cấu trúc vòng nữa. Không có COX sự tạo thành cấu trúc vòng vẫn xảy ra nhưng ở tốc độ rất chậm. Vì vậy khi COX bị ức chế bởi Aspirin, hiện tượng viêm khớp được giảm nhẹ, nhưng kèm theo là sự hủy hoại dạ dày và sự giảm đông máu. Quá trình tìm kiếm tiếp tục để tìm ra một loại thuốc chống viêm "tốt hơn": một loại thuốc chỉ ngăn chặn COX ở khớp. Trong những năm của thập kỷ 90, các nhà hóa sinh đã tình cờ thành công. Họ phát hiện ra rằng thực ra có hai loại enzyme COX, một loại tác động vào dạ dày và các tế bào máu (COX-1) và một loại khác tác động vào khớp (COX- 2). Khi họ xác định trình tự của hai enzyme này, họ phát hiện ra rằng chúng chỉ khác nhau ở một amino acid: COX-1 có một Isoleucine to lớn tại vị trí Valine nhỏ hơn của COX- 2. Valine ở COX-2 làm lộ ra một đường ống bên hông đại phân tử enzyme trong khi đường ống này bị bịt bởi Isoleucine ở COX-1. Các nhà sinh hóa sử dụng kiến thức về thành phần protein và cấu trúc để thiết kế ra các phân tử nhầm mục đích ngăn chặn một cách đặc hiệu đường ống COX-2 mà không có ảnh hưởng gì đến COX-1. Những loại thuốc mới (celecoxib và rofecoxib) làm dịu các triệu chứng viêm khớp mà không gây tác dụng phụ đến dạ dày và máu. Sự phát triển nhanh chóng của các loại thuốc trên đại diện cho một nghiên cứu điển hình trong quá trình thiết kế tân dược: ngăn chặn một sự chuyển biến hóa học cụ thể trong tế bào bằng cách ngăn chặn enzyme đặc hiệu xúc tác cho nó. Hàng ngàn các phản ứng có xúc tác enzyme xảy ra mọi lúc ở mọi cơ thể sinh vật, mỗi phản ứng được xúc tác bởi một protein đặc hiệu có cấu trúc ba chiều đặc thù. Cùng với nhau các phản ứng này tạo nên quá trình chuyển hóa, chính là toàn bộ các hoạt động hóa học của một cơ thể sống; ở bất kỳ thời điểm nào quá trình chuyển hóa đều gồm có hàng nghìn các phản ứng hóa học riêng rẽ. Nhiều phản ứng chuyển hóa có thể được phân loại là phản ứng xây đắp sự phức tạp trong tế bào, sử dụng năng lượng để làm điều đó, hoặc phân hủy các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và giải phóng năng lượng trong quá trình đó. Chương này quan tâm đến năng lượng và các enzyme. Nếu không có chúng, cả chúng ta lẫn các sinh vật khác sẽ không có khả năng thực hiện các chức năng. Trước khi tìm hiểu enzyme thực hiện ma thuật phân tử như thế nào chúng ta sẽ xem xét các nguyên lý chung về năng lượng trong các hệ sinh học. Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng Các nhà vật lý định nghĩa năng lượng là khả năng sinh công, xảy ra khi một lực tác động vào một vật trên một khoảng cách nào đó. Trong hóa sinh sẽ thuận lợi hơn nếu ta xem năng lượng là khả năng thay đổi. Không có tế bào nào tạo ra năng lượng cả-mọi sinh vật sống phải thu lấy năng lượng từ môi trường. Thực ra một trong những định luật cơ bản của vật lý là năng lượng không thể được tạo ra hay bị phá hủy. Tuy nhiên năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác và các tế bào sống thực hiện rất nhiều những chuyển đổi năng lượng như vậy. Các quá trình chuyển đổi năng lượng được liên kết với các chuyển đổi hóa học xảy ra trong tế bào-như sự phá vỡ các liên kết hóa học, sự chuyển động của các chất qua màng v.v. Biến đổi năng lượng liên quan đến biến đổi vật chất Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng: hoá năng, quang năng và cơ năng, nhưng tất cả các dạng này có thể được xếp thành 2 dạng cơ bản : - Động năng gắn với sự chuyển rời vị trí các vật. Động năng phụ thuộc vào sự thay đổi vị trí và trạng thái của vật .Nó có thể tồn tại ở dạng năng lượng nhiệt, điện năng, cơ năng, quang năng, hay các dạng năng lượng khác. - Thế năng gắn với trạng thái và vị trí của vật mang năng lượng . Nó có thể tồn tại trong các liên kết hoá học, như sự chênh lệch nồng độ hay điện thế, hay những dạng khác. Nước bị ngăn trong các đập có thế năng. Khi nước được xả ra từ các đập phần thế năng của chúng chuyển thành dạng động năng, phần năng lượng này được khai thác để sản xuất điện năng phục vụ sản xuất và đời sống.(hình 6.1). Tương tự như vậy axit béo chứa năng lượng hoá học trong trong các liên kết C – H và liên kết C – C của chúng. Năng lượng này có thể được giải phóng để thực hiện công hoá sinh. Trong tất cả các tế bào sinh vật xuất hiện 2 loại phản ứng chuyển hoá: - Quá trình đồng hoá (sự đồng hoá ) liên kết các phân tử đơn giản hình thành các các phân tử phức tạp hơn. Quá trình tổng hợp Protein từ các axitamin là 1quá trình đồng hoá. Quá trình đồng hoá là quá trình tích luỹ năng lượng từ các các liên kết hoá học đã hình thành. - Quá trình dị hoá (sự dị hoá) phá vỡ các đại phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và giải phóng năng lượng. tích luỹ trong các liên kết hoá học. Đông hoá và dị hoá thường diễn ra song song với nhau. Năng lượng được giải phóng trong quá trình dị hoá đựoc sử dụng để đồng hoá tức là thực hiện công sinh học. Các hoạt động của tế bào : phát triển, di chuyển và vận chuyển các ion qua màng… đều cần đến năng lượng, không có quá trình nào được thực hiện mà không cần được cung cấp năng lượng . Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ xem xét các định luật chi phối quá trình chuyển hoá năng lượng, tìm ra năng lượng sẵn có cho quá trình thực hiện công sinh học và xem xét chiều truyền năng lượng. ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT: NĂNG LƯỢNG KHÔNG TỰ NHIÊN SINH RA CŨNG KHÔNG TỰ NHIÊN MẤT ĐI Năng lượng có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác. Ví dụ bằng cách đánh que diêm ta đã biến hóa thế năng thành ánh sáng và nhiệt. Định luật thứ nhất của nhiệt động học nói rằng trong bất kỳ biến đổi năng lượng nào như vậy, năng lượng không sinh ra cũng không bị phá huỷ. Định luật một cho chúng ta biết rằng trong bất kỳ biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, tổng năng lượng trước và sau biến đổi là như nhau (hình 6.2a). Như ta sẽ thấy ở hai chương tiếp theo, hóa thế năng trong các liên kết hóa học của các carbohydrate và lipid có thể được chuyển thành thế năng ở dạng ATP. Năng lượng này sau đó có thể được sử dụng để tạo thế năng ở dạng gradient nồng độ thiết lập bởi vận chuyển chủ động, và có thể được chuyển thành động năng để thực hiện công cơ học, ví dụ co cơ. Không phải tất cả các năng lượng có thể sử dụng và hỗn loạn có xu thế tăng Định luật hai của nhiệt động học nói rằng mặc dù năng lượng không thể được tạo ra hay phá huỷ, khi năng lượng được chuyển từ dạng này sang dạng khác thì một số năng lượng trở thành dạng không có khả năng sinh công (Hình 6.2b). Nói cách khác, không có quá trình vật lý hay hóa học nào là hiệu suất 100% cả và không phải tất cả năng lượng giải phóng đều có thể chuyển thành công. Một số năng lượng bị lấy đi vào dạng liên quan đến sự hỗn loạn. Định luật hai đúng cho tất cả các biến đổi năng lượng nhưng ở đây chúng ta sẽ tập trung vào các phản ứng hóa học trong tế bào sống. KHÔNG PHẢI TẤT CẢ NĂNG LƯỢNG ĐỀU DÙNG ĐƯỢC Trong bất kỳ hệ nào, tổng năng lượng bao gồm năng lượng sử dụng được có thể sinh công và năng lượng không sử dụng được mất đi vào sự hỗn loạn: tổng năng lượng = năng lượng dùng được + năng lượng không dùng đượcTrong các hệ sinh học, tổng năng lượng được gọi là enthalpy (H). Năng lượng sử dụng được có khả năng sinh công gọi là năng lượng tự do (G). Năng lượng tự do là những gì tế bào đòi hỏi cho mọi phản ứng hóa học trong sinh trưởng tế bào, phân bào và duy trì trạng thái khỏe mạnh của tế bào. Năng lượng không sử dụng được được biểu diễn bởi entropy (S), là đại lượng đo độ hỗn loạn của hệ thống, nhân với nhiệt độ tuyệt đối (T). Vì vậy chúng ta có thể viết lại phương trình chữ trên một cách chính xác hơn là H = G + TSVì chúng ta quan tâm đến năng lượng sử dụng được, chúng ta biến đổi biểu thức trên thành: G= H - TSMặc dù chúng ta không thể đo G, H hay S một cách tuyệt đối, chúng ta có thể xác định sự biến đổi của mỗi đại lượng ở nhiệt độ không đổi. Những biến đổi năng lượng này được đo bằng calories (cal) hoặc joules (J)(Xem chương 2). Đại lượng biến đổi trong năng lượng được biễu diễn bằng chữ delta (Δ) [...]... được chuyển hóa và trong quá trình đó chúng được chuyển thành CO2, H2O và các phân tử đơn giản hơn và các biến đổi này đòi hỏi rất nhiều năng lượng Quá trình chuyển hóa này tạo ra nhiều hỗn loạn hơn trật tự trong 1 kg cơ thể Sự sống đòi hỏi sự nạp năng lượng thường xuyên để duy trì trật tự Không có sự trái ngược nào với định luật hai của nhiệt động học cả Sau khi đã thấy các định luật vật lý về năng. .. thể được hoạt hóa hoặc ức chế bằng nhiều cách, vì vậy sự có mặt của enzym không nhất thiết đảm bảo nó hoạt động Có một số quá trình chuyển hóa sẽ thay đổi nếu có một vài enzym xúc tác, chính enzym sẽ điều khiển quá trình chuyển hóa Phần cuối chúng ta nghiên cứu ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, các chất từ môi trường lên hoạt độ enzym Metabolism is organized into pathways QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA ĐƯỢC TỔ CHỨC... cơ chất cho phản ứng tiếp theo Sự đồng hóa một số chất, tổng hợp các chất hữu cơ xây dựng cơ thể Quá trình dị hóa phân giải để giải phóng năng lượng,tạo các chất có trọng lượng phân tử nhỏ, hoặc ức chế các chất độc Sự cân bằng bao gồm đồng hóa và dị hóa, chúng có thể thay đổi tùy theo nhu cầu của tế bào.Vì vậy trong tế bào cần phải điều khiển các quá trình chuyển hóa một cách liên tục Enzyme activity... tất cả chất tham gia được chuyển thành sản phẩm):  Một số phản ứng có xu hướng đi đến tận cùng mà không cần năng lượng Những phản ứng này giải phóng năng lượng và được gọi là phản ứng giải năng và có ΔG âm (Hình 6.3a)  Các phản ứng đi đến tận cùng chỉ khi thêm năng lượng tự do từ môi trường là các phản ứng thu năng và có ΔG dương (Hình 6.3b) Nếu một phản ứng giải phóng năng lượng khi diễn ra theo... này được biết dưới tên gọi cân bằng hóa học Cân bằng hóa học là một trạng thái cân bằng tĩnh, một trạng thái không có sự thay đổi và là một trạng thái trong đó ΔG = 0 Cân bằng hóa học và năng lượng tự do có liên quan đến nhau Mọi phản ứng hóa học đều xảy ra đến một mức độ nào đó, nhưng không nhất thiết đến ATP: Transferring energy in cells ATP: QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO ATP hydrolysis... động học cũng dự đoán rằng, độ hỗn loạn có xu hướng tăng như một hệ quả của sự chuyển đổi năng lượng Biến đổi hóa học, vật lý và các quá trình sinh học tất cả đều có xu hướng tăng entropy và vì vậy có xu hướng đi đến hỗn loạn (Hình 6.2b) Xu hướng đi đến hỗn loạn này cho ta chiều hướng xảy ra của một quá trình vật lý hoặc hóa học Nó giải thích tại sao một số phản ứng xảy ra theo một chiều nào đó mà không... sự biến đổi của năng lượng tổng số và sự biến đổi của entropy (Δ): ΔG = ΔH - TΔSPhương trình này nói cho ta biết năng lượng được giải phóng hay tiêu thụ bởi một phản ứng hóa học:  Nếu ΔG âm (ΔG < 0) năng lượng được giải phóng  Nếu ΔG dương (ΔG > 0) phản ứng đòi hỏi năng lượng (tiêu thụ) Nếu năng lượng tự do không có sẵn thì phản ứng sẽ không tự xẩy ra Dấu và độ lớn của ΔG phụ thuộc vào hai đại lượng... với enzym, làm chậm tốc độ của phản ứng Một vài chất ức chế có sẵn trong tế bào, một số khác do từ bên ngoài Các chất ức chế có sắn trong tế bào thì điều khiển quá trình chuyển hóa, còn từ bên ngoài thì có thể do điều trị bệnh.Có một vài chất ức chế enzym băang cách gắn vào nó.Một vài hiệu quả do chúng tạo ra tức là chúng có thể trở thành tự do.Sự chuyển hóa có sự tham gia của nhữngchất có sẵn trong... enzym Metabolism is organized into pathways QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA ĐƯỢC TỔ CHỨC THÀNH CÁC CON ĐƯỜNG CHUYỂN HÓA Quá trình chuyển hóa được tổ chức bằng nhiều con đường Sự trao đổi chất của một cơ thể sinh vật là tổng hợp tất cả các phản ứng hóa sinh trong phạm vi cơ thể.Trao đổi chất làm thay đổi thức ăn và dự trữ năng lượng để duy trì sự sống của tế bào.Trao đổi chất là do nhiều chuỗi phản ứng với xúc tác... trí hoạt hóa khác của enzyme, nhưng vẫn bất hoạt chức năng enzyme Allosteric effects regulate metabolism CÁC HIỆU ỨNG BIẾN CẤU ĐIỀU HÒA QUÁ TRÌNH CHUYỂN HOÁ Enzymes are affected by their environment ENZYME BỊ TÁC ĐỘNG BỞI MÔI TRƯỜNG Các enzyme cho phép các tế bào thực hiện các phản ứng hóa học và tiến hành các quá trinh phức hợp một c1ch nhanh chóng mà không cần các tác nhân như nhiệt độ và nồng độ . sinh học được chuyển hóa và trong quá trình đó chúng được chuyển thành CO2, H2O và các phân tử đơn giản hơn và các biến đổi này đòi hỏi rất nhiều năng lượng. Quá trình chuyển hóa này tạo ra. định luật chi phối quá trình chuyển hoá năng lượng, tìm ra năng lượng sẵn có cho quá trình thực hiện công sinh học và xem xét chiều truyền năng lượng. ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT: NĂNG LƯỢNG KHÔNG. tạp hơn. Quá trình tổng hợp Protein từ các axitamin là 1quá trình đồng hoá. Quá trình đồng hoá là quá trình tích luỹ năng lượng từ các các liên kết hoá học đã hình thành. - Quá trình dị