NĂNG LƯỢNG, ENZIM VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA pot

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 h

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)

ΔGphảnứng = Gsảnphẩm - GthamgiaGiá trị của đại lượng biến đổi có thể âm hoặc dương

Ở nhiệt độ không đổi, ΔG được định nghĩa theo 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 bên phải của phương trình:

 ΔH: trong một phản ứng ΔH là tổng năng lượng thêm vào phản ứng (ΔH > 0) hoặc giải phóng (ΔH <0)

 ΔS: Phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ΔS, đại lượng TΔS có thể âm hoặc dương, lớn hoặc nhỏ Nói các khác

trong các hệ thống sống ở nhiệt độ không đổi (T không đổi), độ lớn và dấu của ΔG có thể phụ thuộc rất nhiều vào entropy Biến đổi lớn về entropy làm cho ΔG âm hơn như

đã cho thấy bằng dấu trừ ở trước thừa số TΔS

Nếu một phản ứng hóa học tăng entropy thì sản phẩm của

nó sẽ hỗn loạn hơn chất tham gia phản ứng Nếu có nhiều sản phẩm hơn chất tham gia phản ứng như trong phản ứng thủy phân của một protein thành các amino acid, các sản phẩm có khá nhiều tự do để có thể chuyển động xung

quanh Độ hỗn loạn của một dung dịch amino acid sẽ lớn hơn so với độ hỗn loạn của protein trong đó các liên kết peptide và các lực khác ngăn cản sự chuyển động tự do Vì vậy trong phản ứng thủy phân thay đổi về entropy (ΔS) sẽ dương

Nếu có ít sản phẩm hơn và chúng bị hạn chế chuyển động hơn so với chất tham gia phản ứng thì ΔS sẽ âm Ví dụ một protein lớn liên kết bởi các liên kết peptide ít có tự do trong

di chuyển hơn một dung dịch của hàng trăm hay hàng ngàn amino acid tổng hợp nên nó

Độ hỗn loạn có xu thế tăng

Định luật thứ hai của nhiệt 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 phải chiều khác Định luật hai áp dụng như thế nào đối với các sinh vật? Lấy

cơ thể con người với các cấu trúc có độ phức tạp cao được tạo nên từ những phân tử đơn giản Sự tăng về độ phức tạp

rõ ràng trái với định luật hai Nhưng điều này không phải như ta nghĩ! Tạo nên một 1 kg cơ thể con người đòi hỏi 10

kg vật liệu 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 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 lượng áp dụng cho các sinh vật sống, chúng ta sẽ chuyển sang xem xét các định luật này áp dụng cho các phản ứng hóa học như thế nào

Các phản ứng hóa học giải phóng hoặc hấp thu năng lượng

Trong tế bào các phản ứng đồng hóa có thể chỉ tạo nên một sản phẩm duy nhất, ví dụ protein (một chất có mức trật tự cao) từ nhiều chất tham gia nhỏ hơn, ví dụ amino acid (mức

độ cấu trúc thấp hơn) Những phản ứng như vậy đòi hỏi, tức tiêu thụ năng lượng Các phản ứng dị hóa có thể phá vỡ một chất tham gia có trật tự, như phân tử glucose, thành những những sản phẩm phân tán một cách ngẫu nhiên hơn như carbon dioxide và nước Những phản ứng như vậy giải phóng năng lượng Nói cách khác một số phản ứng giải phóng năng lượng tự do và một số khác tiêu thụ

Lượng năng lượng giải phóng (-ΔG) hay tiêu thụ (+ΔG) bởi một phản ứng liên quan trực tiếp đến xu hướng của một phản ứng đi đến tận cùng (điểm mà tại đó 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 một chiều (ví dụ từ chất tham gia A thành sản phẩm B) thì phản ứng ngược lại (B thành A) đòi hỏi sự cung cấp năng lượng liên tục để có thể xảy ra Nếu A > B là tỏa năng (ΔG<0) thì B >A là thu năng (ΔG>0)

Về nguyên tắc các phản ứng hóa học có thể xảy ra theo hai chiều thuận và nghịch Ví dụ nếu hợp chất A có thể chuyển thành hợp chất B (A >B) thì về nguyên tắc B có thể được chuyển thành A (B >A) và chỉ một trong hai chiều phản

ứng sẽ được ưu tiên Hãy coi một phản ứng tổng cộng là kết quả từ sự cạnh tranh giữa các phản ứng thuận và phản ứng nghịch (A<=>B) Tăng nồng độ của chất tham gia (A) làm tăng tốc độ phản ứng thuận, và tăng nồng độ của sản phẩm (B)tạo thuận lợi cho phản ứng nghịch Ở một nồng

độ nào đó của A và B các phản ứng thuận và nghịch diễn ra

ở cùng tốc độ Ở nồng độ này tổng biến đổi trong hệ thống bằng không mặc dù từng phân tử vẫn hình thành hoặc phân huỷ Sự cân bằng giữa các phản ứng thuận và nghịch 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 releases energy

THỦY PHÂN ATP GIẢI PHÓNG NĂNG LƯỢNG

ATP couples exergonic and endergonic reactions

ATP ĐI KÈM THEO CÁC PHẢN ỨNG GIẢI PHÓNG

VÀ THU NĂNG LƯỢNG