Hoa sinh thuc vat enzim, trao doi chat

Chương Trao đổi chất lượng sinh học 1.1 Khái niệm chung trao đổi chất Mỗi thể sống tồn môi trường liên hệ mật thiết với mơi trường Hiện tượng thể lấy số chất từ môi trường kiến tạo nên sinh chất thải ngồi chất cặn bã gọi trao đổi chất Sự trao đổi chất giới vô sinh khác với giới hữu sinh Ở giới vô sinh, trao đổi chất làm cho chất hữu vô bị phân huỷ Ví dụ, đá vơi (canxi carbonate) bị xói mòn H2CO3 có nước tác dụng với đá vơi thành canxi bicarbonate, mỡ bị hố thành số chất khác tác dụng với oxy Ở giới sinh vật, thể sống luôn trao đổi chất với môi trường, lấy thức ăn vào chuyển hoá thành chất sử dụng cho thể thải ngồi chất cặn bã Q trình thực biến đổi hố học liên tục xảy thể Toàn biến đổi hố học gọi trao đổi chất Quá trình trao đổi chất gồm nhiều khâu chuyển hoá trung gian Mỗi chuyển hoá mắt xích hai q trình bản: đồng hoá dị hoá Đồng hoá dị hoá hai trình đối lập, lại thống với thể: chúng xảy đồng thời liên quan mật thiết với Các chất tổng hợp nên q trình đồng hố ngun liệu cho qúa trình dị hố (ví dụ gluxit sản phẩm trình quang hợp, nguyên liệu cho qúa trình hơ hấp) Năng lượng giải phóng q trình dị hố sử dụng phần cho trình tổng hợp 1.2 Năng lượng sinh học Hệ thống sống cần lượng để chuyển động, lớn lên, tổng hợp phân tử sinh học, vận chuyển ion phân tử qua màng Tất đòi hỏi lượng đưa vào Các thể lấy lượng từ môi trường sống sử dụng lượng để thực q trình sống có hiệu Để nghiên cứu lượng sinh học đòi hỏi phải có hiểu biết nhiệt động học, số định luật, nguyên lý mô tả nguồn, trao đổi nhiệt, lượng vật chất hệ thống nghiên cứu Nhiệt động học cho xác định q trình hố học phản ứng tự xảy hay không Mặc dù nhiệt động học khái niệm phức tạp, dựa ba định luật tương đối đơn giản dễ hiểu Một vài nguyên lý nhiệt động học đưa chương bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinh entropy, hàm lượng tự mối liên quan entropy thông tin Chương đề cập đến ATP hợp chất cao khác Khái niệm nhiệt động học Bất kỳ quan tâm nhiệt động học phải phân biệt hệ thống môi trường Hệ thống phần vũ trụ mà quan tâm, mơi trường gồm tất lại Có ba trạng thái bản: hệ thống lập, hệ thống đóng hệ thống mở Hệ thống lập: Khơng có trao đổi chất lượng với môi trường Hệ thống đóng: Có trao đổi lượng, khơng có trao đổi chất với mơi trường Hệ thống mở: Có trao đổi chất lượng với môi trường Cơ thể sống hệ thống mở điển hình mà trao đổi chất (dinh dưỡng sản phẩm thải ra) lượng (nhiệt từ trao đổi chất) với môi trường Định luật 1: Nhiệt, công dạng lượng khác Trước phát triển nhiệt động học người ta cho nhiệt độ biến đổi thành dạng lượng khác tất dạng lượng cách biến đổi thành số dạng khác Định luật nói rằng: tổng lượng hệ thống cô lập không thay đổi Các nhà nhiệt động học mơ thành hàm tốn học để nghiên cứu biến đổi nhiệt sử dụng công hệ thống nhiệt động học Hàm gọi lượng nội năng, thường ký hiệu E U Năng lượng phụ thuộc vào trạng thái hệ thống coi hàm trạng thái Năng lượng nội không phụ thuộc vào hệ thống xảy khơng phụ thuộc vào đường hướng Một cách mở rộng suy nghĩ thay đổi hệ thống đường hệ thống trở trạng thái ban đầu lượng nội không thay đổi Năng lượng nội năng, E hệ thống thay đổi nguồn lượng vào khỏi hệ thống dạng nhiệt cơng cho qúa trình biến đổi trạng thái (1) sang trạng thái khác (2) thay đổi lượng nội là: ΔE = E2 - E1 = q + w (1.1) q lượng nhiệt hệ thống hấp thụ từ môi trường w công thực hệ thống môi trường Công học định nghĩa chuyển động từ chỗ đến chỗ khác, gây sử dụng lực Cả hai phải xảy cơng thực Ví dụ: Một tàu chở khách chứa đầy khách không di chuyển, theo định nghĩa nhiệt động học công không thực Trong hệ thống hố sinh học hố học cơng thường liên quan với áp suất thể tích hệ thống Công học xác định w = -PΔV Trong P áp suất, ΔV thay đổi thể tích = V2-V1 Khi cơng xác định theo cách này, ký hiệu bên phải phương trình (1.1) dương (đơi w xác định công thực hệ thống, trường hợp phương trình ΔE = q - w) Cơng thực nhiều dạng: học, điện, từ hoá học ΔE, q, w phải có đơn vị: calorie (cal) kilocalorie (kcal) sử dụng theo truyền thống, theo đơn vị SI: Joule đề nghị nên dùng Enthalpy: Hàm có nhiều tiện lợi cho hệ thống sinh học Nếu định nghĩa công giới hạn công học, trường hợp ΔE thay đổi nhiệt thể tích khơng đổi Vì V khơng đổi, khơng có cơng thực ΔE = q Vì ΔE định lượng tiện lợi q trình thể tích khơng thay đổi ΔE khơng cần thiết biến đổi nhiệt Vì lý nhà hoá sinh học, hoá học xác định hàm đặc biệt phù hợp cho trình áp suất khơng đổi Nó gọi enthalpy, H định nghĩa: H = E + PV (1.2) Nếu áp suất khơng thay đổi có: ΔH = ΔE +PΔV = q + w +PΔV = q - PΔV +PΔV = q (1.3) Rõ ràng ΔH tương đương với biến đổi nhiệt q trình áp suất khơng đổi Vì phản ứng hoá sinh thường xảy thể lỏng rắn thể khí nên thay đổi thể tích nhỏ enthalpy lượng nội thường Để so sánh số nhiệt động học phản ứng khác điều thuận lợi xác định điều kiện tiêu chuẩn Để hoà tan dung dịch trạng thái tiêu chuẩn thường hoạt tính đơn vị (đơn giản nồng độ 1M) Enthalpy, lượng nội định lượng nhiệt động học khác thường đưa xác định cho điều kiện tiêu chuẩn ký hiệu ΔH0, ΔE0 Enthalpy thay đổi q trình hố sinh xác định việc đo nhiệt độ hấp thụ (hoặc toả ra) calorimeter Mặt khác cho trình A ' B trạng thái cân bằng, enthalpy trạng thái tiêu chuẩn thay đổi qúa trình xác định từ phụ thuộc vào nhiệt độ số cân bằng: d (ln Keq) (1.4) ΔH = -d (1/T) 1.1 Sự thay đổi enthapy, ΔH0, cho phản ứng xác định độ dốc sơ đồ RlnKeq ngược với 1/T Để minh họa phương pháp giá trị hai bên 327K (54,50C) nêu Số liệu sử dụng để tính ΔH0 54,50C Ở R số khí = 8.314 J/mol K Ví dụ: nghiên cứu biến tính protein chymotripsinogen (qúa trình thuận nghịch, gây biến tính nhiệt độ) Trạng thái nguyên thuỷ (N) ' Trạng thái biến tính (D) Keq = [D] / [N] John F Brandts đo số cân cho biến tính loạt pH nhiệt độ, số liệu pH = Biểu đồ R (ln Keq) 1/T (sơ đồ Van’t Hoff) hình 1.1 ΔH0 cho q trình biến tính nhiệt độ giá trị âm đường dốc sơ đồ nhiệt độ sơ đồ Giá trị ΔH0 có ý nghĩa biến tính protein? Giá trị dương ΔH0 biểu diễn bẻ gãy liên kết hydro giải phóng nhóm ưa nước từ bên phân tử protein ban đầu qúa trình biến tính, nâng lượng dung dịch protein Độ lớn enthalpy thay đổi (533 kJ/m) 54,50C lớn so với giá trị tương tự ΔH0 protein khác cho loại protein 25 0C (bảng 1.1) Nếu xem xét sự thay đổi enthalpy dương q trình biến tính trạng thái gập tự nhiên thuận lợi, số khác phải giải thích Định luật thứ hai entropy: Một cách trật tự suy nghĩ không trật tự Định luật thứ hai nhiệt động học mô tả thể nhiều cách bao gồm điểm sau: Hệ thống có xu hướng tiến từ trạng thái trật tự sang trạng thái không trật tự (entropy lớn) Entropy hệ thống + môi trường khơng đổi q trình thuận nghịch Entropy hệ thống + mơi trường tăng q trình khơng thuận nghịch Tất trình xảy tự nhiên hướng tới trạng thái cân bằng, trạng thái lượng nhỏ Một số điểm định luật dẫn đến khái niệm entropy, thước đo trật tự ngẫu nhiên hệ thống, trạng thái trật tự trạng thái có entropy cao Entropy xác định theo vài cách Nếu W số cách để xếp thành phần hệ thống mà không thay đổi lượng nội enthalpy (đó số lượng trạng thái kính hiển vi đưa nhiệt độ, ánh sáng tổng vật chất) Entropy tính: S = klnW (1.5) k số Boltzmann = 1,38.10-23 J/K Định nghĩa có lợi cho tính tốn thơng kê, dạng phổ biến liên quan entropy đến biến đổi nhiệt trình dq dS thuận nghịch = -T (1.6) dS thuận nghịch thay đổi entropy hệ thống trình thuận nghịch, q nhiệt độ biến đổi, T nhiệt độ biến đổi nhiệt xảy Định luật 3: Tại sao”0 tuyệt đối” quan trọng vậy? Định luật nhiệt động học nói rằng: entropy chất hồn tồn có trật tự, tinh thể phải tiến đến Ở nhiệt độ tiến đến K T= K entropy xác = Dựa điều có khả thiết lập hệ thống tỷ lệ entropy tuyệt đối, số lượng T S = Cp ∫0 d lnT (1.7) Cp: khả biến đổi nhiệt áp suất không đổi Khả nhiệt chất tổng số nhiệt M dự trữ nhiệt độ chất nâng lên độ Đối với q trình áp suất khơng đổi mơ tả toán học dH Cp = (1.8) dt Nếu khả nhiệt tính tất nhiệt độ K nhiệt độ đó, entropy tuyệt đối tính q trình sinh học thay đổi entropy có nhiều tiện lợi entropy tuyệt đối Thay đổi entropy cho q trình tính thay đổi enthalpy lượng tự biết Năng lượng tự do: Một giả thuyết công cụ tiện lợi Một câu hỏi quan trọng nhà hoá học, đặc biệt nhà hoá sinh học là: Phản ứng xảy theo hướng từ phải sang trái? Gibbs, người xây dựng nên nhiệt động học nhận thấy câu trả lời cho câu hỏi nằm so sánh thay đổi enthalpy thay đổi entropy nhiệt độ đó, lượng tự Gibbs định nghĩa sau: G = H - TS (1.9) Cho trình A ' B nhiệt độ áp suất không đổi Sự thay đổi lượng tự tính: ΔG = ΔH - T ΔS (1.10) Nếu ΔG gần = q trình cân bằng, khơng theo hướng thuận ngược lại ΔG = ΔS = ΔH/T thay đổi enthalpy entropy cân xác Bất kỳ q trình với ΔG khác thực tự động đến trạng thái cuối có lượng tự thấp Nếu ΔG âm trình xảy theo hướng từ trái sang phải Nếu ΔG > phản ứng xảy theo hướng ngược lại (ký hiệu giá trị ΔG cho phép xác định trình xảy nhanh nào) Nếu q trình có ΔG âm q trình tự xảy ra, ΔG dương q trình khơng tự xảy (hay tự xảy theo chiều nghịch) Thay đổi lượng tự tiêu chuẩn Thay đổi lượng tự ΔG cho phản ứng phụ thuộc vào chất tham gia phản ứng sản phẩm phản ứng bị ảnh hưởng điều kiện phản ứng kể nhịêt độ, áp suất pH nồng độ chất phản ứng sản phẩm Như giải thích, tiện lợi để xác định trạng thái tiêu chuẩn cho qúa trình vây Nếu thay đổi lượng tự cho phản ứng nhạy cảm với điều kiện hoà tan, điều đặc biệt có ý nghĩa cho thay đổi lượng tự trạng thái tiêu chuẩn Để trả lời cho câu hỏi xem xét phản ứng hai chất A B để tạo nên sản phẩm C D A + B → C + D (1.11) Thay đổi lượng tự cho nồng độ không trạng thái tiêu chuẩn [C ] [D ] ΔG = ΔG0 + RT ln (1.12) [A] x [B ] [C ] [D ] = Keq [A] x [B ] Ở trạng thái cân ΔG = Chúng ta có ΔG0 = - RT ln Keq (1.13) logarit số 10 ΔG0 = - 2,3 RT/ log 10 Keq (1.14) Nó biến đổi Keq =10 -ΔG/2,3 RT (1.15) Trong dạng mối liên hệ cho phép xác định thay đổi lượng tự tiêu chuẩn cho trình số cân biết Quan trọng hơn, điều nói cân thiết lập cho phản ứng dung dịch hàm thay đổi lượng tự tiêu chuẩn cho trình, nghĩa ΔG0 cách viết khác số cân Ví dụ số cân xác định Brandts số nhiệt độ với biến tính chymotrypsinogen dùng để tính thay đổi lượng tự cho trình biến tính Ví dụ hệ số cân 54,50C 0,27, ΔG0 = - (8,314 J/mol K (327,5K) ln (0,27) ΔG0 = - (2,72 kJ/mol ln (0,27) ΔG0 = 3,56 kJ/mol Ký hiệu dương ΔG0 nghĩa q trình biến tính khơng ưu Dạng gập dạng bền protein 54,50C Mặt khác độ lớn tương đối nhỏ ΔG0 nghĩa dạng gập chiếm ưu nhỏ 1.2 Sự phụ thuộc ΔG0 vào nhiệt nhiệt độ trình biến tính chymotrypsinogen Hình 1.2 phụ thuộc ΔG0 vào nhiệt độ biến tính pH = Tính ΔH0 ΔG0 biến tính chymotrypsin, tính ΔS0 sử dụng phương trình (3.10) (ΔG0 - ΔH0) ΔS0 = -(1.16) T Ở 54,50C (327,5 K) ΔS0 = - (3560 - 533,000 J/mol) / 327,5 K ΔS0 = 1,620J/mol.K Hình 1.3 biểu diễn phụ thuộc ΔS0 vào nhiệt độ biến tính chymotrypsin pH = Giá trị dương ΔS0 dung dịch protein trở nên không trật tự protein bị biến tính So sánh giá trị 1,62 kJ/mol.K với giá trị ΔS0 bảng 1.1 giá trị cho chymotrypsin 54,50C hoàn toàn lớn Ý nghĩa vật lý số nhiệt động học cho biến tính chymotrypsin rõ phần sau Ý nghĩa vật lý đặc tính nhiệt động học Những số nhiệt động học cho ta biết tượng sinh hố gì? Cách tốt để trả lời câu hỏi số riêng rẽ (ví dụ ΔH ΔG ) khơng có nhiều ý nghĩa Một giá trị dương ΔH0 cho biến tính protein phản ánh gãy liên kết hydro protein xuất nhóm ưa nước bên ngồi Tuy so sánh số tiêu nhiệt động học cung cấp hiểu biết bên có ý nghĩa q trình 1.3 Sự phụ thuộc ΔS0 vào nhiệt độ trình biến tính chymotrypsinogen Ảnh hưởng nồng độ đến thay đổi lượng tự thực tế Phương trình (3.12) thay đổi lượng tự phản ứng khác so với giá trị trạng thái tiêu chuẩn nồng độ chất phản ứng sản phẩm khác với nồng độ hoạt động (1M cho dung dịch) Xem xét thuỷ phân phosphocreatine: Phosphocreatine + H2O → Creatine + Pi Phản ứng toả nhiệt mạnh ΔG0 370C -42,8 kJ/mol Nồng độ sinh lý phosphocreatine, creatine Pi thường mM 10 mM Cho nồng độ mM sử dụng phương trình (3.12) ΔG cho thuỷ phân phosphocreatine 10 ... hệ thống mở Hệ thống lập: Khơng có trao đổi chất lượng với mơi trường Hệ thống đóng: Có trao đổi lượng, khơng có trao đổi chất với mơi trường Hệ thống mở: Có trao đổi chất lượng với môi trường... pyruvat Sự thuỷ phân PEP giải phóng lượng sử dụng để phosphoryl hoá ADP thành ATP, trình mà mặt lượng khơng tự xảy 1.2.1 Đặc tính lượng trao đổi chất Năng lượng trình trao đổi chất (năng lượng sinh. .. phân tử bé, có cấu tạo hố học khác có hoạt tính sinh học nhằm đảm bảo cho q trình hố sinh sinh lý thể tiến hành bình thường, đó, có ảnh hưởng lớn trao đổi chất Vitamin không tổng hợp động vật bậc