Lý sinh học phần 4 doc

Ví dụ: Ro+O2→ROOo Độ tăng lượng gốc tự do ở phản ứng dây chuyền nảy nhánh được xác định qua phương trình: dt dn =wo+ϕ.n 2.40 n: Nồng độ gốc tự do wo: Tốc độ tạo trung tâm hoạt động.. Điề

giảm lượng gốc tự do như các chất ức chế sự hình thành gốc tự do sẽ làm giảm tốc độ phản ứng dây chuyền

* Phản ứng dây chuyền nảy nhánh

Phản ứng dây chuyền nảy nhánh là phản ứng ở mỗi mạch của phản ứng khi một gốc tự do tham gia vào phản ứng có thể tạo ra hai hay nhiều gốc

tự do mới Phản ứng ôxy hóa hydro là một phản ứng dây chuyền nảy nhánh:

H2 + O2→ Ho + HOo2 (tạo mạch)

Ho + O2→ OHo + Oo (nảy nhánh)

Oo + H2→ OHo + Ho (tiếp tục mạch phản ứng)

OHo + H2→ H2O + Ho (tiếp tục mạch phản ứng)

Gốc tự do Ho tương tác với thành bình sẽ làm ngắt mạch phản ứng

Một số trường hợp quá trình tạo trung tâm hoạt động có thể không phải do các gốc tự do ban đầu trực tiếp gây nên mà do sản phẩm của phản ứng dây chuyền tạo nên

Ví dụ: Ro+O2→ROOo

Độ tăng lượng gốc tự do ở phản ứng dây chuyền nảy nhánh được xác định qua phương trình:

dt

dn

=wo+ϕ.n (2.40)

n: Nồng độ gốc tự do

wo: Tốc độ tạo trung tâm hoạt động

ϕ=f-g, trong đó f là tốc độ nảy nhánh còn g là tốc độ đứt mạch

Nếu f>g thì nồng độ gốc tự do sẽ được xác định theo công thức:

f g

w

−

Giải phương trình (2.40) sẽ thu được nghiệm:

( )t 1

o e

w

ϕ

Nếu tích số ϕ.t rất lớn hơn 1 thì nghiệm được tính theo công thức:

o e

w

ϕ

* Đặc điểm của phản ứng dây chuyền

Phản ứng dây chuyền có các đặc điểm sau:

- Phản ứng dây chuyền có thời gian tiềm ẩn Trong thời gian này chủ yếu

tạo trung tâm hoạt động đầu tiên

- Phản ứng dây chuyền có hai giới hạn nồng độ Ở giới hạn nồng độ gốc tự

do thấp thì gốc tự do dễ tương tác với thành bình hay với phân tử chất ức

chế nên phản ứng không tiến triển được Ở giới hạn nồng độ gốc tự do quá

cao thì các gốc tự do dễ tương tác với nhau gây ra hiện tượng đứt mạch

nên làm cho tốc độ phản ứng tiến triển chậm lại

- Tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh không tuân theo định luật

Arrhenius Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh

tăng gấp bội so với định luật Arrenius

Taruxop theo cơ chế của phản ứng dây chuyền nảy nhánh đã giải thích

sự tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống Khi chiếu xạ, nếu xét về mặt

năng lượng thì có giá trị rất thấp nhưng lại gây ra hiệu ứng sinh học cao

(gọi là hiệu ứng nghịch lý năng lượng) Điều này được giải thích là do tia

bức xạ đã gây ra hiện tượng ion hóa, tạo ra các trung tâm hoạt động là

những gốc tự do và chính các gốc tự do đã gây ra phản ứng dây chuyền

nảy nhánh, dẫn tới hiệu ứng tổn thương ở sinh vật bị chiếu xạ Taruxop

cũng cho rằng các chất có tác dụng hạn chế tổn thương do tia xạ gây ra

(gọi là các chất bảo vệ phóng xạ) là do nó ngăn chặn được phản ứng dây

chuyền nảy nhánh Phản ứng miễn dịch ở người khi tiêm kháng nguyên,

sau thời gian ủ bệnh (thường từ 3 đến 21 ngày) kháng thể chưa xuất hiện

trong máu, sau đó là giai đoạn nồng độ kháng thể tăng theo hàm số mũ,

không tỷ lệ thuận với lượng kháng nguyên đưa vào cơ thể Theo

E Manuel, phản ứng tạo kháng thể diễn ra theo kiểu phản ứng dây chuyền

nảy nhánh Ví dụ khi tiêm vaccine phòng bệnh bạch cầu, đưa vào cơ thể

người chỉ 0,36mg nhưng sau thời gian ủ bệnh, lượng kháng thể trong máu

đã suất hiện lớn gấp 1 triệu lần so với lượng kháng nguyên E Manuel

cũng cho rằng cơ thể khi bị nhiễm các độc tố như nọc độc của rắn, bò cạp,

iperit, rixin thì phản ứng tạo kháng thể xảy ra theo kiểu phản ứng dây

chuyền nảy nhánh

XII Nhiệt độ và tốc độ phản ứng

Theo lý thuyết động học của các quá trình hoá học thì tốc độ phản ứng

bao giờ cũng phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng và phụ

thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng Ban

đầu được giải thích do tăng số lần va chạm của các nguyên tử hay phân tử tham gia vào phản ứng hoá học Trên cơ sở tính toán xác suất va chạm, nếu va chạm nào giữa các nguyên tử hay phân tử cũng dẫn tới phản ứng thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên từ 102 đến 106 lần so với tốc độ thực tế đo được nếu ta tăng nhiệt độ trong khoảng từ 0oC đến 100oC Từ đó các nhà nghiên cứu cho rằng chỉ một phần trong số các va chạm đó mới có khả năng tạo phản ứng hoá học Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các nguyên tử hay phân tử đạt được một giá trị năng lượng nhất định gọi là năng lượng hoạt hóa Năng lượng hoạt hóa là giá trị năng lượng nhỏ nhất mà nguyên

tử hay phân tử cần phải đạt được mới có thể tham gia vào phản ứng

Các nhà nghiên cứu đã áp dụng hàm phân bố Maxwell - Boltzmann để giải thích mối liên quan giữa tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa Maxwell - Boltzmann đã thiết lập được công thức :

N*=N RT

E

e− (2.44)

N*: Số phân tử đạt giá trị năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng hoạt hóa

N: Tổng số phân tử ban đầu trong một đơn vị thể tích

E: Năng lượng hoạt hóa của phân tử và R là hằng số khí

T: Nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ Kelvin)

Công thức (2.44) biểu diễn trên đồ thị (hình 2.4) gọi là hàm phân bố Boltzmann Đồ thị biểu diễn số phân tử N theo vận tốc v (E=

2

mv2 )

T1 < T2

N

0

a)

N

0

b)

Hình 2.4: Sự phân bố của các phân tử theo năng lượng

Qua đồ thị (hình 2.4a) cho thấy chỉ có một số phân tử có năng lượng bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (Eh) thì mới có khả năng tham gia vào phản ứng Khi nhiệt độ tăng lên (T2>T1) thì đường cong phân

bố Boltzmann dịch chuyển về phía bên phải, tức là số lượng phân tử có E≥Eh tăng lên (phần gạch ngang hình 2.4b) vì vậy tốc độ phản ứng tăng lên

Nhiều phản ứng, nhất là các phản ứng hóa sinh, tuy có nồng độ, nhiệt độ

và năng lượng hoạt hóa giống nhau nhưng tốc độ phản ứng vẫn khác nhau Như vậy, không phải mọi va chạm giữa các nguyên tử hay phân tử có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng hoạt hóa đều dẫn tới phản ứng Điều này được giải thích do tốc độ phản ứng còn liên quan tới cấu trúc hình học của các phân tử va chạm, gọi là yếu tố lập thể (ký hiệu là p)

XIII Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa sinh vào nhiệt độ

Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ được mô tả qua phương trình Arrenius

K= p.z RT

E h

e− (2.45) K: Tốc độ phản ứng

p: Yếu tố lập thể

Eh: Năng lượng hoạt hóa

z: Số lần va chạm

R: Hằng số khí bằng 1,987 KCal/M.độ

T: Nhiệt độ tuyệt đối

Phương trình Arrenius có thể viết dưới dạng logarit:

lnK = ln(p.z) -

RT

Eh (2.46)

Đặt y = lnK ; x =

T

1 ; a =

R

Eh

− ; b = ln(p.z) Phương trình (2.46) có thể viết dưới dạng:

y = a.x + b (2.47)

Đây là phương trình bậc nhất, đồ thị của nó có dạng đường thẳng

(hình 2.5) Dựa vào đồ thị xác định được:

tgα =

R

E h

→ Eh = R.tgα

Biết tgα sẽ xác định được năng lượng hoạt hóa

1/T

lnK

b

α

O

lnK

b

α

O

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của lnK vào nhiệt độ ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ T 1

Năng lượng hoạt hóa là đại lượng để đánh giá khả năng tham gia vào phản ứng của các chất Để đánh giá sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt

độ, đại lượng đặc trưng cho sự tăng (hoặc giảm) tốc độ phản ứng khi tăng (hoặc giảm) nhiệt độ là hệ số VantHoff (còn gọi là hệ số nhiệt phản ứng)

ký hiệu là Q10

Q10=

1

2

K

K

(2.48)

K2: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T±10

K1: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T

Giữa năng lượng hoạt hóa và hệ số Q10 có mối liên quan với nhau Theo phương trình Arrenius (2.45), thay K2=p.z 2

h

T R

E

e− và K1=pz 1

h

T R

E

e− vào phương trình (2.48) ta được:

Q10=pz 2

h

T R

E

e− / pz 1

h

T R

E

e−

Q10= 1

h

T R

E

e 2

h

T R

E

e− = ⎟

⎞

⎜

⎛

−

2 1

h

T

1 T

1 R E

e

Q10 = ⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛ −

2 1 1 2 h

T T T T R E

e thay T2 - T1 = 10 ta được:

Q10 = 1 2

h

T RT 10 E

e → lnQ10 =

2 1

h

T RT

E 10

Eh = 0,1 RT1T2 lnQ10 (2.49)

Thay R=1,987KCal/M.độ và đổi logarit cơ số e (ln) thành logarit cơ số 10 (lg) ta được:

Eh=0,46 T1 T2 lg Q10 (2.50)

Đơn vị tính năng lượng hoạt hóa là KCal/M

Những phản ứng có bản chất khác nhau thường có năng lượng hoạt hóa khác nhau và như vậy hệ số Q10 cũng khác nhau Các phản ứng hoá học

có năng lượng hoạt hóa khoảng vài chục KCal/M, thường có Q10 bằng

2 đến 3 Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng men khoảng từ 4 đến 12KCal/M, Q10 thường nhỏ hơn 2 Quá trình khuyếch tán năng lượng hoạt hóa thấp, Q10 xấp xỉ bằng 1 Đặc trưng của phản ứng men là có năng lượng hoạt hóa thấp nên các phân tử dễ dàng tham gia vào phản ứng Nguyên nhân là do các phân tử men có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa của các phân tử tham gia vào phản ứng khi men kết hợp với phân tử tạo phức chất trung gian, làm cho quá trình phân hủy phức chất diễn ra nhanh hơn Ví dụ phản ứng phân hủy đường saccharose bởi axit có năng lượng hoạt hóa bằng 25,6KCal/M nhưng nếu thủy phân đường saccharose

có sự xúc tác của men amilase thì năng lượng hoạt hóa giảm xuống còn

11 KCal/M

Năng lượng hoạt hóa của đa số các quá trình diễn ra trong hệ sinh vật thường có giá trị thuộc vào một trong ba giá trị là 8; 12; 18 KCal/M Tuy vậy, năng lượng hoạt hóa của các quá trình biến tính lại có năng lượng hoạt hóa rất cao Ví dụ như phản ứng đông tụ hemoglobin có năng lượng hoạt hóa tới 60 KCal/M hay phản ứng tan huyết dưới tác dụng của nước nóng có năng lượng hoạt hóa là 64 KCal/M v.v

Đối với các quá trình sinh vật, ngoài giá trị năng lượng hoạt hóa, hệ số nhiệt Q10 còn được đặc trưng bởi giá trị nhiệt độ thích ứng Theo Klein, nhiệt độ thích ứng là nhiệt độ quá trình xảy ra với tốc độ lớn nhất Cần phân biệt nhiệt độ thích ứng với khoảng nhiệt độ thích ứng Khoảng nhiệt

độ thích ứng là khoảng nhiệt độ mà giá trị Q10 có giá trị không đổi Trong

hệ sinh vật, khoảng nhiệt độ thích ứng rộng hay hẹp là tùy thuộc vào loài Trong hệ sinh vật, động vật ổn nhiệt có nhiệt độ thích ứng khác nhau Ví dụ: người là 37oC, chó là 39,2oC, gà vịt là 42,5oC, bồ câu 44oC v.v

Đối với các phản ứng có sự xúc tác của men thì đường cong phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ có dạng như trên hình 2.6

0

K

T

Hình 2.6: Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng có men xúc tác vào nhiệt độ

Đường cong trên hình 2.6 là kết quả của phản ứng trao đổi hoá học và phản ứng phân hủy cấu trúc Trong khoảng nhiệt độ (0<T<Tu) khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng là do phân tử men vẫn còn giữ được hoạt tính xúc tác

Tu là nhiệt độ tối ưu Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ tối ưu có tốc độ phản ứng lớn nhất Khi nhiệt độ tăng cao hơn giá trị nhiệt độ tối ưu thì các phân

tử men bị phá hủy cấu trúc nên mất hoạt tính xúc tác, dẫn tới tốc độ phản ứng giảm

XIV Phương pháp phức hoạt hóa

Phương pháp phức hoạt hóa là phương pháp lý thuyết để xác định tốc độ của phản ứng hóa sinh đơn giản, dựa trên tính chất của các nguyên tử hay phân tử tham gia vào phản ứng và các tham số nhiệt động như sự thay đổi của entropi, của entanpi Cơ sở của phương pháp phức hoạt hóa là dựa trên quan niệm về sự tồn tại của một phức chất hoạt hóa (còn gọi là ở trạng thái hoạt hóa) và phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các phân tử ở trạng thái hoạt hóa va chạm với nhau Trong phản ứng, sự thay đổi thế năng của các chất tham gia trước và sau khi phản ứng diễn ra được biểu diễn trên hình 2.7

Các nguyên tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng phải đạt mức năng lượng bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (hay nguyên tử hoặc phân tử đã được hoạt hóa) Phân tử chất ban đầu (chất A) có giá trị năng lượng Eo, nếu xảy ra va chạm sẽ không dẫn tới phản ứng Phân tử chất A muốn tham gia vào phản ứng thì phải được hoạt hóa, tức là cung cấp thêm cho nó giá trị năng lượng E1≥Eh Năng lượng E1 dùng để làm giảm thế năng tương tác (tức làm giảm lực hút) giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử để làm giảm năng lượng liên kết bên trong phân tử Nếu phản ứng xảy ra theo chiều thuận thì Eo là giá trị năng lượng của chất ban đầu, E1 là năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận và E1>Eo

Eo

A

E1

E2

A*

P

Hình 2.7: Sự thay đổi năng lượng của các chất tham gia vào phản ứng

Khi các phân tử chất A đã được hoạt hóa (A*) va chạm với nhau sẽ dẫn tới phản ứng tạo sản phẩm P có giá trị năng lượng là E2 Đối với phản ứng thuận E1<E2 nên E1-E2<0 Do vậy, đây là phản ứng tỏa nhiệt Nếu phản ứng diễn ra theo chiều nghịch thì chất P ban đầu phải có giá trị năng lượng hoạt hóa bằng E2 mới dẫn tới phản ứng tạo thành sản phẩm A có giá trị năng lượng là E1 Ở đây E2>E1 nên E2-E1>0 và phản ứng nghịch là phản ứng thu nhiệt

Các nhà nghiên cứu cho rằng giữa các phân tử tham gia vào phản ứng (chất A) và các phân tử ở trạng thái hoạt hóa (A*) luôn có sự cân bằng Phản ứng xảy ra như sau:

A A* → P (sản phẩm)

K*

hoặc: A (A+E) → P (sản phẩm)

E là enzyme còn (A+E) là phức hợp enzym với cơ chất A.thái và được xác định bằng tỉ số nồng độ phân tử ở trạng thái hoạt hóa trên nồng độ phân tử

ở trạng thái ban đầu

[ ]

[ ]A

A K

*

[ ][ ]A.E

E A

K* = +

(2.51) [A]: Nồng độ chất A trước phản ứng

[A*]: Nồng độ chất A ở trạng thái hoạt hóa

[A+E]: Nồng độ phức hợp enzym với cơ chất A

[E]: Nồng độ enzyme

Đại lượng K* liên quan mật thiết tới sự thay đổi nhiệt độ, năng lượng tự

do, entropi của phản ứng tạo phức chất hoạt hóa nên K* được xem như hằng số cân bằng của phản ứng và được xác định theo phương trình:

R.T.lnK* = T.ΔS - ΔH (2.52)

R: Hằng số khí

T: Nhiệt độ tuyệt đối (oK)

ΔS: Sự thay đổi của entropi (nói lên sự thay đổi trật tự của hệ khi bị hoạt hóa)

ΔH: Sự thay đổi của entanpi (nói lên lượng liên kết cần phải phá vỡ để tạo phức hoạt hóa)

Phương trình (2.52) có thể viết lại như sau:

lnK*=

T R

H R

−

Δ

→ K*= R T

H R

S

e e

Δ

− Δ

(2.53) Trong cơ học thống kê đã xác lập được mối quan hệ giữa hằng số cân bằng giữa hai trạng thái là K* và hằng số tốc độ phản ứng là K theo phương trình:

h N

T R (2.54) N: Số Avogadro và h là hằng số Planck

Thay giá trị K* từ phương trình (2.53) vào phương trình (2.54) sẽ được:

T H R S

e e h N

T R

Δ − Δ

So sánh với phương trình Arrenius ở công thức (2.45)

T R

E h

e z

p

Thành phần (p.z) tương đương với thành phần ⎟⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ Δ

R

S

e h N

T R

và sự thay đổi

entanpi (ΔH) tương đương với giá trị năng lượng hoạt hóa (Eh)

Trong cơ thể sống, phần lớn các phản ứng hóa sinh xảy ra đều có sự tham gia của enzyme, tức là đều trải qua giai đoạn tạo phức chất hoạt hóa nên

có thể áp dụng phương pháp phức hoạt hóa

Thuyết phức hoạt hóa có thể giải thích được phản ứng biến tính hay phân hủy của Protein Ví dụ nếu đun nóng dung dịch Protein hay cho vào dung dịch Protein các chất như urê, cồn, axit sẽ làm biến tính hay phân hủy phân tử Protein Khi đó biểu hiện rõ nhất là độ hòa tan của Protein bị giảm xuống còn độ nhớt lại tăng lên Phản ứng biến tính hay phân hủy Protein bình thường không xảy ra vì có năng lượng hoạt hóa rất cao Một nguyên

tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng thì chúng phải được hoạt hóa Năng lượng hoạt hóa phần lớn được dùng vào làm thay đổi trật tự và cấu trúc phân tử (tức liên quan tới yếu tố thay đổi entropi) còn phần nhỏ được dùng vào để phá vỡ các liên kết trong phân tử (tức liên quan tới yếu tố thay đổi entanpi)

Ví dụ: Trong phản ứng phân hủy pepxin có 45.000KCal/M dùng để thay đổi trật tự và cấu trúc phân tử pepxin còn 18.300KCal/M được dùng vào phá vỡ các liên kết của phân tử pepxin

XV Sự điều hòa tốc độ phản ứng trong cơ thể sống

Quá trình đồng hóa thức ăn từ môi trường là một quá trình phức tạp, phải trải qua nhiều giai đoạn biến đổi và mỗi giai đoạn lại được đặc trưng bởi các phản ứng sinh hóa Quá trình biến đổi từ chất A thành chất K để cho tế bào có thể đồng hóa được, gọi là quá trình chuyển hóa Ví dụ: Quá trình chuyển hóa từ Protein thành axit amin, từ Lipit thành axit béo và glixerin,

từ Gluxit thành glucose v.v Trong cơ thể sống, quá trình chuyển hóa không diễn ra một cách đơn lẻ mà giữa các chất tham gia vào quá trình chuyển hóa chúng còn có mối liên hệ với nhau, thể hiện trên hai mặt cơ bản là: nguyên liệu và năng lượng Mối liên quan về mặt nguyên liệu là khả năng chuyển hóa một chất này thành chất kia thông qua một số sản phẩm trung gian chung Ví dụ saccharide dễ dàng chuyển thành Lipit (lipide) thông qua hợp chất trung gian là axetil Coenzym A Mối liên quan

về mặt năng lượng thể hiện khi phân giải một hợp chất nào đó, giải phóng

ra năng lượng và được tích lũy vào ATP Nguồn ATP được dùng để hoạt hóa phân tử (đối với phản ứng thu năng lượng), các quá trình sinh tổng hợp các chất trong cơ thể như sự hoạt hóa các axit amin trong tổng hợp Protein và thực hiện công như quá trình co cơ v.v Cơ chế điều hòa giữa quá trình oxy hóa (giải phóng ra năng lượng) và quá trình photphorin hóa (tích lũy năng lượng) được xác định qua tỉ số nồng độ ADP và photpho vô

cơ trên nồng độ ATP

[ ] [ ]

[ATP]

P ADP

(2.56)