NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO ĐỔI CHẤT

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

Ch.V Năng lượng trao đổi chất 75 PHẦN II NĂNG LƯỢNG HỌC CỦA TẾ BÀO CHƯƠNG V NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO ĐỔI CHẤT I NĂNG LƯỢNG Khái quát quy luật biến đổi lượng & trật tự sinh học a Các quy luật biến đổi lượng Chúng ta biết quy luật thứ nhiệt động học hay quy luật bảo tồn lượng nói : "Tổng lượng vũ trụ khơng đổi" Nói cách khác, lượng khơng tự tạo không tự Quy luật nhiệt động học thứ hai khó hiểu hơn, diễn đạt theo nhiều cách, hiểu đơn giản "Thế giới vật chất biến đổi liên tục để trở thành trật tự hay hỗn loạn hơn" (tăng entropy) Entropy phần lượng vơ ích, ví dụ nhiệt biến thành điện phần nhiệt không tạo điện Các biến đổi vật chất không tránh khỏi entropy Quy luật nhiệt động học thứ hai cịn phát biểu "trong giới vật chất tổng lượng tự giảm" Sở dĩ lượng biến đổi tỏa nhiệt mà nhiệt không thực công b Trật tự sinh học Các cấu trúc phản ứng hóa học thể trì theo trật tự định gọi trật tự sinh học (biological order) Ví dụ, người ăn thịt bị protein thịt bị bị phân hủy thành amino acid làm nguyên liệu để tổng hợp nên protein chuyên biệt cho thể người Để trì trật tự sinh học, phản ứng phân hủy giải phóng lượng tự dùng cho trình tổng hợp chất Cả hai loại phản ứng phân hủy tổng hợp tỏa nhiệt ngồi làm tăng rối loạn mơi trường bên Như tế bào tuân theo quy luật nhiệt động học thứ hai tức trật tự sinh học trì làm mơi trường bên ngồi hỗn loạn Các q trình phản ứng khơng ngừng xảy tế bào, chúng thu lượng dạng chất hữu từ bên vào, thải chất bả Tế bào trạng thái cân động có luồng vật chất vào ra, chúng hệ thống hở Nhưng lượng từ phải cung cấp thường xuyên cho tế bào nên chúng hệ thống hở không cân hay lệch Năng lượng tự a Thế lượng tự ? Năng lượng tự (Free energy) lượng vốn có hệ thống, cần dùng để thực cơng điều kiện áp suất định Ví dụ, bồn chứa nhiều nước để cao có tích lượng tự : thực cơng mở vòi cho nước chảy xuống thấp Khái niệm lượng tự ông J.W.Gibbs nêu nên ký hiệu G Nó lượng tối đa tiềm ẩn hệ thống Các chất hóa học có chứa lượng tự Khi xảy phản ứng hóa học, có biến đổi lượng tự ký hiệu G Năng lượng tự tích lũy liên kết hóa trị chất đường glucose hay điện tử kích thích lên qui đạo cao (quang hợp) Hàng nghìn phản ứng hóa học tế bào phụ thuộc vào biến đổi lượng tự Một số phản ứng tự động xảy ra, số khác thực kèm với phản ứng hỗ trợ lượng b Phản ứng tỏa nhiệt thu nhiệt Một quy luật chung hóa học tế bào phản ứng có tự động xảy hay khơng, phụ thuộc vào biến đổi lượng tự kèm theo phản ứng Nói cách khác, q trình xảy phản ứng phụ thuộc vào chỗ lượng tự nằm liên kết cộng hóa trị chất phản ứng lớn hay nhỏ lượng tự nằm liên kết cộng hóa trị sản phẩm Sự biến đổi lượng tự G đánh giá hàng loạt điều kiện: nhiệt độ 25oC, áp suất atm, pH =7 chất phản ứng sản phẩm nồng độ mol/lít Có thể viết phương trình phản ứng sau : Trạng thái ban đầu A+B C+D Gi Gf (G = Gf - Gi) Trạng thái cuối Trong A, B chất phản ứng, C D sản phẩm Gi (i từ chữ initial - ban đầu) lượng tự chất phản ứng Gf (f từ chữ final - cuối cùng) lượng tự sản phẩm Nếu phản ứng tạo sản phẩm với lượng tự liên kết mà chất phản ứng có được, phản ứng xảy cách tự động Nếu chất phản ứng giải phóng nhiệt phản ứng gọi tỏa nhiệt (exergonic), có G < số âm Ngược lại, sản phẩm chứa nhiều lượng tự hơn, phản ứng không tự động thực hiện, cần nhận thêm lượng nên gọi thu nhiệt (endergonic), G > số dương Ch.V Năng lượng trao đổi chất 76 Sự oxy hóa khử a Phản ứng Oxy hóa-khử Sự giải phóng lượng từ chất dự trữ glucose xảy nhờ hai trình diễn song song oxy hóa (oxidation) khử (reduction) Lúc đầu thuật ngữ thêm vào hay tách Oxy phản ứng Ví dụ, đốt khí methane CH4, chất phản ứng methane bị oxy hóa thêm Oxy, chất phản ứng Oxy bị khử bị lấy nguyên tử phân tử Oxy Kết Carbon methane kết hợp với oxy thành CO 2, H methane kết hợp với O thành H2O theo phương trình: CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O Ngày thuật ngữ dùng cho phản ứng khơng có tham gia Oxy Tất phản ứng oxy hóa - khử có điểm chung : khử ln ln có nghĩa thêm vào hay nhiều điện tử (e- electron) riêng điện tử hay kết hợp với proton (H+) nguyên tử Hydro; oxy hóa có nghĩa chuyển hay nhiều điện tử (e-) đơn độc hay kèm H+ (sự thêm Oxy có hiệu tương Oxygen có điện tích âm mạnh tách điện tử khỏi nguyên tử ban đầu) Vì hai phản ứng phải xảy đồng thời nên gọi chung oxy hóa khử (redox reactions) đặc tính biểu thị bảng IV.1 sau: Bảng 4.1 Các phản ứng oxy hóa - khử Oxy hóa – – – – Thêm Oxygen Chuyển Hydrogen Chuyển điện tử Giải phóng lượng Khử – – – – Chuyển Oxygen Thêm Hydrogen Thêm điện tử Trữ lượng Vấn đề quan trọng khử tích trữ lượng chất bị khử, oxy hóa giải phóng lượng từ chất bị oxy hóa Sự phân bố lượng dễ nhìn thấy phương trình lượng sống: – Quang hợp : 6CO2 + 6H2O + ánh sáng  6O2 + C6H12O6 – Glucose bị oxy hóa : C6H12O6 + O2  6CO2 + 6H2O (G = – 670 Kcal/mole) Sự khử CO2 quang hợp tích lũy lượng dạng glucose Sự oxy hóa glucose giải phóng lượng, (G biểu thị khác biệt lượng tự do, giá trị âm lượng giải phóng ra) b Sự oxy hóa tế bào Trong tế bào dị dưỡng, đường glucose oxy hóa để cuối tạo CO2 + H2O Phản ứng coi ngược lại với quang hợp Tuy nhiên, khác với oxy hóa cháy lượng tỏa nhanh, oxy hóa thể xảy qua nhiều bước trung gian, số lượng tự glucose tích lại dạng hóa để sau tế bào sử dụng Phần lớn phản ứng oxy hóa sinh học xảy khơng có tham gia trực tiếp oxy thực chất làm Hydrogen (dehydrogenation) Chất coi bị oxy hóa bị lấy hai nguyên tử hydro, hai nguyên tử chuyển sang chất khác chất khử Q trình giải phóng lượng tế bào trải qua nhiều bứơc trung gian, bước có xúc tác enzyme tích trữ phần lượng dạng hợp chất hữu ATP để cung cấp lượng cho phản ứng khác Ngồi ra, Oxy trực tiếp phản ứng với chất điện tử chuyển qua nhiều chất trung gian Năng lượng hoạt hóa Trong thiên nhiên thể sinh vật, nhiều chất có đủ lượng tự không tự động thực phản ứng với Khi trộn lẫn H O2 phản ứng khơng xảy ra, có lửa xảy nổ tạo H 2O Các phản ứng thu nhiệt tỏa nhiệt cần lượng bổ sung để phản ứng thực Năng lượng gọi lượng hoạt hóa (activation energy) Hịn đá nằm đỉnh đồi có chứa lượng tự do, phải có lực đẩy ban đầu cho dịch chuyển lăn xuống dốc thực công Lực đẩy ban đầu vào hịn đá lượng hoạt hóa Có thể nói cách hình tượng chất phản ứng có vật cản Vật cản phải vượt qua nhờ lượng hoạt hóa phản ứng xảy mơ tả hình 5.1 Ở mức lượng tự G không thay đổi phản ứng thực có lượng hoạt hóa Nếu khơng có cản lượng hoạt hóa nhiều chất giàu lượng carbohydrate, lipid cần cho tế bào không bền vững dễ dàng xảy phản ứng Thường phản ứng xảy tỏa nhiệt tạo phản ứng dây chuyền Một vài củi đống củi cháy tỏa nhiệt làm cháy lan hết đống củi Nhưng tế bào có nhiệt độ khơng cao, khoảng 37 oC động vật có vú, phản ứng hóa học xảy điều kiện đẳng nhiệt, nên cần chiến lược riêng vượt qua lượng hoạt hóa cách đặc hiệu có chọn lọc Ch.V Năng lượng trao đổi chất 77 Hình 5.1 Năng lượng hoạt hóa Năng lượng mặt trời Trong sinh giới, thực vật xanh vi khuẩn quang hợp có khả thu nhận lượng ánh sáng mặt trời qua q trình quang hợp (photosynthesis), mà nhờ lượng lượng tử ánh sáng chuyển thành lượng liên kết hóa học Phản ứng tổng quát phương trình quang hợp thực vật xanh sau : Quang + CO2 + H2O  carbohydrate + O2 Nhờ cấu trúc phức tạp tinh vi mình, thực vật sử dụng chất nghèo lượng tự gần trơ để tạo nên carbohydrate (glucose) giàu lượng Các carbohydrate sử dụng hay tích trữ dạng tinh bột Các sinh vật quang hợp gọi sinh vật tự dưỡng (autotroph), chúng tự dinh dưỡng lượng mặt trời chất vơ cơ, muối khống đơn giản Các sinh vật khác không quang hợp, động vật, nhiều vi sinh vật phải sử dụng lượng hợp chất hữu thực vật tạo ra, gọi sinh vật dị dưỡng (heterotroph) Các động vật ăn thực vật lượng mặt trời thực vật thu nhận chuyển sang động vật Như dòng lượng thực vật chuyển sang nhiều sinh vật nối tiếp tạo dây chuyền lượng Suy cho lượng mặt trời nguồn lượng cho sống hành tinh Cũng cần nhấn mạnh thêm sinh vật quang hợp nhân tố hành tinh có khả thu nhận lượng mặt trời tích lũy để sử dụng lâu dài Đất, đá, nước hấp thu lượng mặt trời nóng lên, tắt nắng tỏa nhiệt nguội lại Nhờ sinh vật quang hợp có khả tích trữ lượng mặt trời nên nguồn lượng đến gián đoạn theo chu kỳ (ngày có, đêm không) sống diễn liên tục Các kiểu dinh dưỡng Để thu nhận lượng, sinh vật hấp thụ chất dinh dưỡng nhiều cách khác Đa số VSV đơn bào nên chúng nhận chất dinh dưỡng hấp thụ (absorbtion) trực tiếp qua bề mặt tế bào Trong đó, thực vật đa bào tự dưỡng (autotrophic), hút chất khoáng từ đất CO2 từ khơng khí; cịn động vật nội tiêu hoá (ingestion) nhận thức ăn qua miệng ống tiêu hoá Phụ thuộc vào nguồn lượng, có nhiều kiểu dinh dưỡng đa dạng : – Quang tự dưỡng (Photoautotroph) : Các sinh vật dùng lượng ánh sáng khử CO2 vi khuẩn tía (purple bacteria), vi khuẩn lam (Cyanobacteria), tảo thực vật – Quang dị dưỡng (Photoheterotroph) : Các vi khuẩn dùng lượng ánh sáng để khử hợp chất hữu vi khuẩn tía lục khơng lưu huỳnh (purple nonsulfur and green nonsulfur bacteria) – Hoá tự dưỡng (Chemoautotroph) : Các vi khuẩn thường dùng điện tử từ hợp chất vô để khử CO2 vi khuẩn hydrogen, sulfur, sắt nitrit hoá (hydrogen, sulfur, iron and nitrifying bacteria) – Hoá dị dưỡng (Chemoheterotroph) : Các sinh vật thường dùng điện tử từ hợp chất hữu để khử hợp chất hữu phần lớn vi khuẩn, nấm động vật Đa phần sinh vật sử dụng glucose làm chất cung cấp lượng chủ yếu – Hoá thạch dưỡng (Chemolithotroph) : Các vi khuẩn dùng chất vô (như H2S, H2, Fe2+, NH3) làm chất cho điện tử Chúng sinh vật háo khí điển hình, bắt đầu với oxi hố chất vơ Các vi khuẩn có kiểu dinh dưỡng đa dạng hơn, số có khả cố định Nitơ (nitrogen fixation) khơng khí Đặc biệt, số vi khuẩn lam có khả vừa quang hợp, vừa cố định Nitơ Ngoài ra, điều kiện yếm khí háo khí có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu đồng hoá thức ăn Ch.V Năng lượng trao đổi chất 78 Sự tiến hóa chuyển hóa lượng Nhờ kiến thức tích lũy được, ngày đa số cho sống xuất cách 3,5 tỷ năm Các sinh vật sống điều kiện chưa có oxy phải sử dụng hợp chất hữu có sẵn làm nguồn lượng Như trình phân hủy yếm khí để giải phóng lượng từ hợp chất hữu có sẵn có trước cổ Nguồn cung cấp chất hữu có sẵn cho sinh vật bị giới hạn, nhóm sinh vật cổ tiến lên sử dụng lượng khác, lúc đầu chưa phải lượng mặt trời mà từ liên kết cộng hóa trị phân tử hydro Các sinh vật thu nhận lượng từ nguồn chất vô gọi la hóa dưỡng (chemotrophic) Một số sinh vật hóa dưỡng cổ xưa thực phản ứng qua nhiều bước trung gian để có phương trình tổng qt sau: CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Do kết phản ứng số lượng trữ liên kết H giải phóng để thực công tế bào Một loạt phản ứng khác giải phóng lượng từ H có sử dụng sulfur (lưu huỳnh - S) Trên thực tế, nhiều vi khuẩn có phát triển nước thải giàu S suối nước nóng, cống rãnh (gần 100 oC) đáy đại dương gần miệng núi lửa Chúng tạo khí thối H2S: H2 + S  H2S + lượng Các sinh vật thuở sơ khai hấp thu thức ăn gặp phải, khả dự trữ cho sử dụng lâu dài Sự tiến hóa sinh vật hóa dưỡng theo hướng hồn thiện hệ enzyme tổng hợp hợp chất hữu phức tạp nhờ tích trữ lượng cho sử dụng lâu dài Chất dự trữ lượng thơng dụng glucose, mà cần sử dụng nhờ đường phân (glycolysis) hay đường phân giải đường (glycolytic pathway) Cách khoảng tỷ năm, kiện sinh hóa vơ quan trọng xảy ra: trình quang hợp Tiếp theo khoảng 2,5 tỷ năm, tiến quan trọng chuổi phản ứng hóa học xuất trình hơ hấp Trong q trình này, mà giai đoạn đầu đường phân, lượng tiếp tục rút nhiều với tham gia O Tuy nhiên O2 tăng dần diện với số lượng đáng kể nhờ sinh vật quang hợp bắt đầu tạo chúng sản phẩm phụ trình trình quang hợp Như vậy, khoảng 2,3 tỷ năm trước O tích tụ nhiều lên dần khí Sự tích tụ nhiều O2 dẫn đến tạo tầng ozone (O3) khí hạn chế tác hại tia X tia tử ngoại từ mặt trời tạo thuận lợi cho phát triển sinh vật bề mặt trái đất Cách 1,5 tỷ năm sinh vật nhân thực (Eukaryotae) xuất nhịp độ tiến hóa ngày nhanh Sự dồi O khí làm cho hơ hấp trở thành đường dị hóa vượt trội, chiết rút lượng từ phân tử glucose nhiều gần gấp 20 lần so với riêng có đường phân II SỰ TRAO ĐỔI CHẤT Tồn phản ứng tế bào gọi chung trao đổi chất (metabolism, từ chữ Hi lạp metabole có nghĩa chuyển đổi) bao gồm hai trình xảy song song tác động tương hỗ lẫn nhau: đồng hóa (anabolism) q trình tổng hợp nên phân tử hữu phức tạp dị hóa hay thối dưỡng (catabolism) q trình phân hủy thức ăn giải phóng lượng cho tế bào Đặc điểm chuyển hóa lượng tế bào Suy cho lượng cho sống trái đất ánh sáng mặt trời sinh vật tự dưỡng (autotroph) thu nhận trình quang hợp, cụ thể thực vật xanh dùng lượng ánh sáng mặt trời để tạo nên hợp chất giàu lượng glucose Các sinh vật dị dưỡng (heterotroph) động vật, nấm nhiều vi sinh vật khômg thu nhận trực tiếp từ lượng mặt trời, mà phải nhận lượng gián tiếp dạng thức ăn chất hữu sinh vật quang hợp tạo Năng lượng chứa chất hữu thường giải phóng thơng qua q trình hơ hấp (respiration) Oxy glucose kết hợp để tạo CO nước Ở lượng sử dụng để thực tất phản ứng enzyme xúc tác tế bào Các phản ứng biến đổi lượng tế bào tuân theo quy luật hóa học thơng thường, có đặc điểm sau: – Dạng lượng chủ yếu chuyển hóa lượng hóa học hợp chất hữu Tế bào thực vật thu nhận lượng ánh sáng mặt trời biến thành lượng hóa học để luân chuyển giới sinh vật – Quá trình oxy hóa giải phóng lượng qua nhiều phản ứng trung gian nên chất thường không tiếp xúc trực tiếp với oxy Do trước tìm hiểu phản ứng, phải biết rõ ATP chất trung gian chuyển đổi lượng chất khác làm nhiệm vụ nhận H chuyền điện tử Adenosine triphosphate (ATP) Một hợp chất sống Adenosine triphosphate gọi tắt ATP Nó giữ vai trị chủ chốt tất q trình chuyển hóa lượng hoạt động sống Phân tử ATP nucleotide, tạo thành từ Adenine, đường ribose phosphate PO4 Adenine gắn với ribose tạo Adenosine Adenosine gắn với phosphate gọi AMP (Adenosin-Mono-Phosphate), gắn với phosphate gọi ADP (Adenosin-Di-Phosphate) ATP (Adenosine-Tri-Phosphate (có phosphate) Theo qui ước P Ch.V Năng lượng trao đổi chất 79 nguyên nhóm phosphate, dấu gợn sóng ~ P1 P2, P2 P3 liên kết gọi giàu lượng (high-energy bonds) (tên gọi dễ gây hiểu lầm, lượng khơng trữ liên kết mà nhóm phosphate giải phóng liên kết) Nếu liên kết bị thủy giải, lượng lớn nhiều so với liên kết khác phân tử ATP bị gãy Hình 5.2 Cấu trúc phân tử ATP, ADP biến đổi thuận nghịch chúng để chuyển đổi lượng Một tính chất quan trọng phân tử ATP dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng tích trữ lượng (hình 5.2) Khi ATP thủy giải tạo ADP (2 phosphate) Pi - phosphate vô cơ: enzyme ATP + H2O  ADP + Pi + lượng Nếu ADP tiếp tục thủy giải thành AMP Ngược lại ATP tổng hợp nên từ ADP Pi có đủ lượng cho phản ứng: enzyme ADP + Pi + lượng  ATP + H2O Q trình gắn thêm nhóm phosphate gọi phosphoryl hóa (phosphorylation) Enzyme thủy giải ATP gọi ATP-ase, tổng hợp nên ATP gọi ATP synthetase ATP thường coi “tiền tệ lượng” chung tất loại tế bào từ vi khuẩn đến người Các tế bào trước tiên dự trữ lượng hợp chất carbohydrate glucose, lipid Nhưng lượng phân tử glucose lớn nhiều phản ứng : 670 Kcal/mole Trong đó, thủy giải ATP thành ADP tạo 7,3 Kcal/mole ATP ví “tiền lẻ” dùng cho phản ứng tế bào để sinh tổng hợp chất, vận chuyển qua màng, co cơ, truyền xung thần kinh Các chất chuyên chở Hydro Tham gia vào chuyển hóa lượng cịn có chất chun chở Hydro như: NAD +, NADH2, FAD, NADP NADPH2 Nicotine amide AMP Ch.V Năng lượng trao đổi chất 80 Hình 5.3 Các cấu trúc NAD+ NADP+, hai chất chuyển hydro quan trọng phản ứng dị hóa NAD nucleotide, viết tắt Nicotineamide adenosine dinucleotide (hình 5.3) Phần vịng nicotine amide giữ vai trò quan trọng vận chuyển H Nửa phân tử Adenosine monophosphate (AMP) NAD+ dạng oxy hóa, có biến đổi thuận nghịch sang NADH + H+ (gọi NAD-khử) Chúng hai chất chuyển Hydro quan trọng phản ứng dị hóa NADP có cấu trúc tương tự NAD có nhóm phosphate Phần quan trọng (phía trên) nicotine amide, nơi xảy biến đổi, giữ vai trị vận chuyển H Giữa NADH NAD+ có biến đổi thuận nghịch mơ tả phía gốc bên phải hình 5.3 NADP có cấu trúc tương tự NAD có thêm nhóm phosphate Tham gia chuyển Hydro cịn có FAD , nucleotide, Flavine adenosine dinucleotide Nó dễ dàng biến sang dạng FADH2 (hình 5.4) Các chất chuyền điện tử Từ năm 1925, cytochrome phát hiện, chất có màu chứa nhân hème tương tự hème hemoglobine Nguyên tử sắt nhân hème dễ dàng chuyển đổi thuận nghịch từ sắt (Fe 3) sang sắt (Fe2), nhờ chuyền điện tử sang phần tử kế cận (hình 5.5) Hình 5.4 Cấu trúc FADH2 FAD+ Hình 5.5 Cấu trúc cytochrome C Khung hème có sắt (Fe) Hiện nay, có 40 protein phát hệ thống chuyền điện tử Các cytochrome chia thành loại a, b, c Sự phân chia không quan trọng mặt chức Ch.V Năng lượng trao đổi chất 81 Có cytochrome trung tâm hoạt động sắt - lưu huỳnh Một chất vận chuyển điện tử có cấu tạo đơn giản ubiquinone hay coenzyme Q Nó nhận hai điện tử Các phản ứng hóa học chuyển lượng từ chất phản ứng sang sản phẩm q trình hơ hấp biến đổi glucose có phương trình khái qt : C6H12O6 + 6O2 6CO2 + H2O + lượng III ENZYME HỌC (ENZYMEOLOGY) Đại cương enzyme a Các chất xúc tác Các nhà hóa học phát số chất làm tăng tốc độ phản ứng chất khác Ví dụ, trộn lẫn đơn giản Hydro Oxy không gây phản ứng, cung cấp đủ lượng hoạt hóa (như có lửa) hỗn hợp nổ Phản ứng nổ xảy thêm vào hỗn hợp platin phản ứng thực xong platin không đổi Một chất làm tăng tốc độ phản ứng tự khơng biến đổi sau phản ứng thực xong (thậm chí biến đổi thời q trình phản ứng) gọi chất xúc tác (catalyst) Chất xúc tác tác động lên tốc độ phản ứng; đơn giản làm phản ứng hóa học có khả xảy mặt nhiệt động học Tương tự nhiệt, chất xúc tác không thay đổi hướng phản ứng, trạng thái cân lượng sử dụng phản ứng Chúng làm giảm lượng hoạt hóa cần cho phản ứng thực hiện, làm tăng phần chất phản ứng đủ lượng để tác động với Năng lượng hoạt hóa cần thiết để phản ứng bắt đầu giảm nhiều có chất xúc tác Các enzyme làm giảm lượng hoạt hóa tạo thuận lợi cho thực phản ứng hóa học sống Năng lượng tự ( G) không thay đổi xúc tác Để phản ứng hóa học thực nhanh chất tham gia phải tiếp xúc trực tiếp với Chất xúc tác làm điều cách gắn chất tham gia phản ứng vào trạng thái trung gian mà chúng định hướng xác với liên kết quan trọng bên chúng bị yếu Nhờ gắn vào chất trung gian xúc tác, phản ứng có điều kiện thuận lợi để xảy Ví dụ : Platin xúc tác phản ứng H O2 Do lớp điện tử vịng ngồi platin tạo liên kết yếu với H O Sự gắn đưa H O lại vị trí gần mà liên kết bên H O bị yếu Thêm vào đó, khoảng cách phân tử platin tạo thuận lợi cho H O gắn với dễ dàng H gắn với O tạo thành H2O theo công thức: 2H2 + O2 + 6Pt  4HPt + 2OPt  2H2O + 6Pt Platin chất xúc tác làm cho phản ứng thực dễ dàng, mà thân khơng biến đổi b Enzyme ? Từ hàng nghìn năm trước đây, lồi người sử dụng enzyme tự nhiên để chế biến thực phẩm nước giải khát Năm 1897, E.Buchner thu dịch nấm men nghiền nát quan sát thấy có hoạt tính lên men rượu Ơng gọi chất có hoạt tính enzyme (từ tiếng Hy lạp: en (trong) zyme (nấm men) có nghĩa nấm men) Các chất xúc tác vô platin tác động không chọn lọc chúng tạo bề mặt tiếp xúc hỗ trợ cho chất tham gia phản ứng Chọn lọc tự nhiên tạo lượng lớn enzyme chất xúc tác hữu có tính đặc hiệu cao nhờ cấu trúc không gian ba chiều đại phân tử sinh học Hình 5.6 Sự biến đổi lượng có enzyme Cũng giống chất xúc tác khác, enzyme hạ thấp lượng hoạt hóa cần thiết ,sao cho lượng động học phân tử chất trở nên đủ để phản ứng xảy (hình 5.6) Enzyme làm tăng tốc độ phản ứng hoạt động với hiệu cao Một phân tử enzyme làm cho hàng nghìn chí hàng trăm nghìn phân tử chất kết hợp thành sản phẩm giây Enzyme catalase thực phân hủy triệu phân tử H 2O2 phút 0oC Hiệu cao gấp nhiều lần so với chất xúc tác vô Nhờ có enzyme, phản ứng hóa học thực tế bào sống với hoàn hảo tuyệt vời, có đặc điểm sau : – Phản ứng thực gần có hiệu 100 % khơng kèm theo phụ phẩm thừa (dĩ nhiên phải tuân theo quy luật cân vật chất tức chất phản ứng cạn kiệt) – Đồng thời xảy nhiều phản ứng độc lập khác nhau, mà không bị rối sản phẩm phụ Điều có nhờ enzyme chuyên hóa cao cho loại phản ứng Ch.V Năng lượng trao đổi chất 82 – Các phản ứng thường thực theo dây chuyền, sản phẩm phản ứng đầu làm nguyên liệu sơ khởi cho phản ứng sau nhờ enzyme xếp theo hệ thống dây chuyền – Các phản ứng chịu điều hòa hợp lý tiết kiệm nhất, – Tiêu tốn lượng tối thiểu Một đặc tính quan trọng enzyme q trình thực phản ứng khơng bị phá hủy Khi phản ứng xúc tác kết thúc, chúng tự tiếp tục xúc tác phân tử chất Do có vai trị quan trọng cho sống nên nghiên cứu enzyme trọng tâm Hoá sinh học, mà Enzyme học (Enzymeology) chuyên ngành Có người cho rằng: “Sự sống định nghĩa hệ thống tích hợp (integrated), điều phối (cooperating) phản ứng enzyme” Cấu tạo enzyme Đến người ta biết 3.000 nghìn enzyme, tất có chất protein Đa phần protein khối cầu có kích thước thường lớn chất chúng tác động Cấu trúc không gian ba chiều loại enzyme xác định tính chất chúng Có enzyme đơn giản gồm có protein có enzyme phức tạp ngồi protein có thêm nhóm bổ sung protein : – Cofactor ion kim loại gắn vào protein – Coenzyme (hay coferment) nhóm chất hữu phức tạp (như NAD, FAD, ) gắn với phần protein enzyme để thực chức Các coenzyme làm vật trung gian chuyển điện tử hay nhóm chức (như phân tử H, nhóm amin, methyl hay acetyl) từ chất sang chất khác Nhiều coenzyme chứa phân tử vitamin Điều giải thích tầm quan trọng vitamin hoạt động sống – Nhóm prosthetic nhóm chất hữu gắn chặt với protein enzyme nhóm heme cytochrome Phức hợp enzyme tự nhiên với nhóm bổ sung gọi holoenzyme, cịn phần protein khơng có hoạt tính sau tách nhóm gọi apoenzyme Bản chất protein enzyme xác nhận nhiều chứng cứ: – Khi protein biến tính tức cấu trúc khơng gian bị phá vỡ, hoạt tính enzyme Thơng thường protein bị biến tính 50 - 60oC, nhiều enzyme hoạt tính nhiệt độ Tuy nhiên, có enzyme đặc biệt chịu đựng nhiệt độ 100oC amylase dùng công nghiệp dệt – Các enzyme nhạy cảm với pH có hoạt tính cao giới hạn định enzyme có pH tối ưu riêng Sự thay đổi pH làm đứt nhiều liên kết yếu giữ vai trò ổn định cấu trúc không gian phân tử protein, đồng thời dẫn đến hình thành liên kết hóa học làm thay đổi cấu hình phân tử protein Trên thực tế, hoạt tính enzyme phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường nhiệt độ, pH, dễ làm thay đổi cấu trúc không gian protein Tính đặc hiệu (specificity) Khác với chất xúc tác vơ cơ, enzyme có tính chọn lọc cao Một enzyme nói chung tương tác đặc hiệu với loại phản ứng cặp chất phản ứng (reactants) thường gọi chất (substrates) Trong thời gian dài nhiều nhà sinh hóa học cho điều mấu chốt chức enzyme hoạt động bề mặt (surface activity) giống chất xúc tác vô Tuy nhiên, đa số enzyme protein cầu (globular) có cấu trúc khơng gian ba chiều phức tạp; loại có kiểu hình học bề mặt riêng Có lý cho enzyme định tương tác với chất mà cấu hình khơng gian phân tử chúng (hình dạng vị trí nhóm tích điện) "lấp vừa vặn" bề mặt enzyme Như tính đặc hiệu enzyme xem phụ thuộc cấu trúc không gian phân tử ba chiều chúng Đặc hiệu phản ứng : enzyme tác động chất có mang loại liên kết hóa học định Ví dụ : Lipase tuyến tụy tiết cắt liên kết ester nối glycerol acid béo nhiều loại lipid khác Ví dụ : Enzyme Thrombin (làm tan máu) tác động với số protein điểm đặc hiệu Nó "nhận biết" liên kết amino acid arginine glycine lúc thủy giải chúng Đặc hiệu chất : enzyme thể tácđộng chuyên biệt cho chất định.Ví dụ, protease serine trypsin, chymotrypsin elastase có điểm gắn với chất (substrate binding sites) khác (hình 5.7) Ví dụ khác : enzyme urease phân hủy urea thành ammonia CO 2, không tác dụng chất khác Các enzyme phân biệt chất chí giống nhau, đồng phân (Isomer) Ví dụ, enzyme sucrase phân hủy saccharose (sucrose) thành glucose fructose, không tác dụng đồng phân khác maltose lactose Ch.V Năng lượng trao đổi chất 83 Hình 5.7 Sơ đồ điểm gắn với chất protease serine trypsin (a), chymotrypsin (b) elastase (c) Trong nhiều trường hợp, khó phân biệt tính đặc hiệu kiểu phản ứng chất Tính đặc hiệu enzyme dựa sở cấu trúc không gian ba chiều phân tử protein Có hai quan điểm enzyme chất : a) lấp vào tương tự ống khóa chìa khóa (lock-key model) b) cảm ứng -lấp kín (iduced-fit model) enzyme gắn vào làm biến đổi chất (hình 5.8) Hình 5.8 Sự gắn chất vào enzyme : a) mơ hình ống khóa- chìa khóa b) lấp kín cảm ứng Trung tâm hoạt động Chỉ có vùng giới hạn phân tử enzyme thực gắn với chất, gọi trung tâm hoạt động (active site) Thường trung tâm hoạt động tạo nên số amino acid enzyme, số khác phân tử protein đảm bảo khung để tăng cường cấu trúc không gian trung tâm Điều kiện để kiểu phân tử chất liên kết với enzyme đặc biệt, phụ thuộc vào amino acid tạo nên trung tâm hoạt động, vào nhóm R nhơ amino acid chi tiết xếp tương đối chúng với Mơ hình trung tâm hoạt động enzyme ribonuclease (xúc tác cắt RNA) (hình 5.9) minh họa rõ tương tác trung tâm-cơ chất Trung tâm mô tả khe mà phân tử chất (Uracil RNA) lấp vào Cơ chất hình thành số liên kết yếu : gốc R amino acid threonin 45 serine 123 tạo nên trung tâm Điều chứng tỏ cuộn lại phức tạp phân tử protein để hình thành cấu trúc bậc ba kéo amino acid từ điểm xa mạch polypeptide đến gần mặt không gian để hình thành trung tâm hoạt động enzyme, thường gồm amino acid khơng kề Hình 5.9 Trung tâm hoạt động ribonuclease Các số thứ tự amino acid bao quanh trung tâm Uracil chất Các enzyme có trung tâm hoạt động mà chất lấp kín vào để hình thành phức hợp enzyme - chất (ES) Sự gắn chất vào làm biến đổi cấu trúc khơng gian để lấp kín tối đa dẫn đến trạng thái dễ phản ứng Enzyme trở lại cấu trúc ban đầu sau sản phẩm phóng thích Sự bổ sung mặt không gian tiền đề cho tương tác enzyme - chất Một đòi hỏi khác enzyme chất phải hợp mặt hóa học có khả hình thành nhiều liên kết yếu với Các tính chất dị lập thể enzyme Tốc độ phản ứng enzyme chịu tác động chất kết hợp với enzyme vị trí khác với trung tâm hoạt động Chất gọi chất điều chỉnh (allosteric modulator), chất biến thể (modifier) hay chất hiệu lực (effector) dị hình hay dị lập thể (allosteric) điểm gắn chúng enzyme gọi điểm dị lập thể (allosteric site) Về mặt cấu trúc, phần lớn enzyme di lập thể protein đa phân (oligomeric) tức gồm nhiều polypeptide cấu trúc không gian ba chiều chúng dễ thay đổi cấu hình (conformation) để nhanh chóng biến dạng chuyển từ hoạt tính sang khác Các enzyme loại thường có hai dạng cấu trúc khơng gian, dạng có hoạt tính, dạng không Ch.V Năng lượng trao đổi chất 84 Về chức chất biến thể tác động hợp tác (cooperation) trường hợp Oxygen gắn vào hemoglobin; ức chế gọi ức chế dị tập thể (allosteric inhibition) Một ví dụ thường gặp sản phẩm tổng hợp dư thừa, phân tử sản phẩm gắn vào enzyme làm hoạt tính để q trình tổng hợp sản phẩm dừng lại Kiểu ức chế gọi ức chế nghịch (feedback inhibition) Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme Các enzyme phân tử protein mà cấu trúc không gian tự nhiên xác định nhiều liên kết yếu, chúng nhạy cảm với nhiều yếu tố khác – Tốc độ phản ứng : Mối quan hệ tạo thành sản phẩm thời gian phản ứng mô tả hình 5.10 Nồng độ enzyme ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng : nồng độ enzyme tăng tốc độ phản ứng tăng đến cực đại Hình 5.10 Mối quan hệ tạo thành sản phẩm thời gian phản ứng Hình 5.11 Ảnh hưởng nồng độ chất đến tốc độ phản ứng – Nồng độ chất : Ở nồng độ chất thấp có tương quan tỉ lệ thuận nồng độ tốc độ phản ứng (hình 5.11) Nếu tiếp tục tăng nồng độ chất đến lúc mà tốc độ phản ứng khơng cịn phụ thuộc nồng độ chất Ở nồng độ cao, enzyme bão hòa chất nên không tăng tốc độ phản ứng – Chất kìm hãm : Phần lớn enzyme bị kìm hãm hay ức chế (inhibition) thuận nghịch hay không thuận nghịch Một kiểu ức chế cạnh tranh (competitive inhibition) xảy chất ức chế tương tự chất nên kết hợp thuận nghịch với trung tâm hoạt động, chất ức chế khơng biến đổi tiếp tục Phản ứng cạnh tranh biểu thị sau : E + I  EI làm giảm phản ứng : E + S  ES  E + P Trong I (inhibitor) chất kìm hãm Sự kết hợp EI làm giảm ES (enzyme-cơ chất) Ví dụ: CO gây độc, cạnh tranh với Oxy gắn vào trung tâm hoạt động hemoglobin Kiểu ức chế thứ hai thuận nghịch gọi ức chế không cạnh tranh (noncompetitive inhibition) Trong trường hợp này, enzyme thường có hai loại trung tâm hoạt động, loại chất bám vào, loại chất ức chế gắn vào Một dạng ức chế không cạnh tranh thường gặp ức chế dị tập thể Các chất kìm hãm khơng thuận nghịch thường gắn với nhóm hoạt động làm biến đổi liên tục hay phá hủy chúng Phần lớn chất độc chất kìm hãm khơng thuận nghịch Chất độc cyanid kìm hãm cytochrome oxydase làm khơng chuyển điện tử đến Oxy Nhiều chất diệt cỏ trừ sâu thuốc trị bệng chất kìm hãm khơng thuận nghịch enzyme Ví dụ, thuốc kháng sinh penicillin ức chế enzyme transpeptidease vi khuẩn cản trở tạo vách tế bào Bản thân enzyme thành chất độc, đặt sai khu vực hoạt động chúng thể Chỉ cần 1mg trypsin tinh thể tiêm vào mạch máu đủ để giết chết chuột thí nghiệm Do vậy, enzyme protease phân hủy protein đa phần tổng hợp dạng tiền chất (precursors) có kích thước lớn thân enzyme, đóng gói cẩn thận để chuyển Tiền chất đến nơi thực chức biến đổi thành dạng có hoạt tính Có thể xảy quan hệ hợp tác (cooperativity) trường hợp hemoglobin Hemoglobin có khả gắn với phân tử Oxy Khi phân tử Oxy gắn vào hemoglobin biến đổi cấu trúc không gian bậc bốn tạo thuận lợi để phân tử oxy khác gắn vào với hiệu cao – Nhiệt độ : Nhiệt độ tác động đến phản ứng enzyme, phản ứng xúc tác Nhiều enzyme có tốc độ phản ứng nhanh nhiệt độ tối ưu (hình 5.12) Nhiệt độ cao làm biến tính protein dẫn đến hoạt tính enzyme Ở nhiệt độ thấp tốc độ phản ứng chậm Cá biệt có enzyme chịu nhiệt độ cao amylase dùng công nghiệp dệt (có thể chịu 100oC) Hình 5.12 Ảnh hưởng nhiệt độ Ch.V Năng lượng trao đổi chất 85 Hình 5.13 Ảnh hưởng pH – pH : Mỗi enzyme có hoạt tính tối ưu giới hạn pH thích hợp (hình 5.13) Pepsin trypsin enzyme thủy giải protein Tuy nhiên, pepsin có hoạt tính cao điều kiện acid mạnh (tối ưu pH = 2), trypsin điều kiện trung hòa kiềm (tối ưu pH = 8,5) Phân loại enzyme Có khoảng 3000 enzyme biết đến Những enzyme phân loại thành nhóm sau dựa loại phản ứng mà chúng xúc tác – Nhóm Oxido-reductase Vai trị oxi hóa hay khử nhờ chuyển hóa hydrogen hay electron a Dehydrogenase SH2 + A ––> S + AH2 (S: 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 Transferase Chuyển nhóm chức có chứa C-, N-, hay S- nhóm chứa aldehyde cetone, glycosil, acyl, phosphate sulfur AX + B ––> A +BX Ví dụ: Hexokinase: D-hexose + ATP –> D-hexose-6-phosphate + ADP – Nhóm Hydrolase Thủy phân ester, anhydride, glycoside, nối peptid, nối C-N khác Ví du, Cholesterol esterase: cholesterol ester+H2O –> cholesterol + acid béo Glucoamylase : amylose + nH2O ––> n B-D-glucose – Nhóm Lyase Vai trị thêm vào nối đơi : –C=C–, –C=O–, –C=N– – Nhóm Isomerase Ví dụ: Glucose isomease biến glucose thành fructose ngược lại : D-glucose –> D-fructose – Nhóm Ligase Vai trị tách bỏ nối C-C, C-O, C-N, C-S, C-halogen mà khơng cần thủy phân hay oxy hóa, đa phần cần ATP Ví dụ: Pyruvate carboxylase: Pyruvate + HCO3– +ATP ––> oxaloacetate + ADP + Pi Qua liệt kê lọai enzyme phản ứng chúng xúc tác, thấy rõ đa dạng nhiều lọai phản ứng hóa học khác enzyme xúc tác Việc sử dụng enzyme vi sinh vật làm xúc tác sinh học hóa hữu hấp dẫn nhà khoa học từ cuối kỷ 19 Các chất xúc tác sinh học làm ngạc nhiên nhiều hệ nhà hóa học sinh học đặc biệt lĩnh vực công nghệ gọi “ chuyển hóa sinh học” (Biotransformation hay Biocoversion), dùng enzyme thực hiệncác phản ứng hoá học Ngay từ đầu kỷ 20, đạt nhiều kết ban đầu tiếp tục phát triển hình thành nên Công nghệ enzyme (Enzyme technology) với hàng loạt ứng dụng Y học, thực phẩm, nông nghiệp, Một xu hướng quan trọng phát triển công nghệ hóa học sử dụng enzyme để tạo sản phẩm mà đảm bảo an tồn mơi trường tiêu tốn lượng Ngồi sử dụng lọai phản ứng đặc hiệu khác làm cảm biến sinh học (biosensor) Tóm lại, enzyme chất xúc tác sinh học có chất protein; chúng xúc tác phản ứng với tính đặc hiệu hiệu cao Chúng động lực phản ứng sinh học, công cụ phân tử thực hóa thơng tin di truyền chứa DNA Các gen thông qua enzyme thực việc tổng hợp phân tử nhỏ đại phân tử sinh học Các phản ứng sinh hóa tế bào thể phức tạp đưọc điều hịa thơng qua hoạt tính enzyme biểu gen (chi tiết chương VIII, XII) IV CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG TẾ BÀO Sau tìm hiểu thành phần cấu trúc loại phân tử, đặc điểm phản ứng trao đổi chất điểm qua nét đặc thù phản ứng hóa học thiên hình vạn trạng diễn tế bào, mà diễn biến cụ thể chi tiết trình bày chương sau Ch.V Năng lượng trao đổi chất 86 Thu nhận Để tồn tại, tế bào phải thu nhận lượng, vật liệu trao đổi thơng tin với mơi trường bên ngồi Cơng việc thực cách chủ động, tinh vi với nhiều chế khác mối quan hệ tương tác hài hịa với mơi trường Sự chủ động thể qua vài ví dụ : – Hóa định hướng (Chemotaxis) : vi khuẩn di chuyển hướng đến nguồn hóa chất dinh dưỡng hay rễ mọc hướng đến nguồn phân – Enzyme ngoại bào : tế bào không hấp thu trực tiếp đai phân tử bột, protein nên tiết enzyme ngoại bào protease, amylase cắt chúng thành đơn phân để ngấm vào tế bào Sự tinh vi thể qua ví dụ hấp thu sắt (Fe) Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ghi nhận thiếu sắt (Fe) thể biểu 30% dân số toàn cầu (chủ yếu ăn gạo) gây bệnh thiếu máu Vấn đề chỗ : tế bào có chế hấp thu sắt, đồng thời có biện pháp chống dư thừa sắt Phytic acid chất ngăn cản hấp thu sắt, đối lại tế bào có enzyme phytase phân hủy phytic acid Trong gạo không thiếu sắt, enzyme phytase gạo khơng chịu nhiệt, bị hỏng nấu cơm chín nên không phá huỷ phytic acid chất ngăn cản hấp thu sắt thể Đáng kinh ngạc tế bào hấp thu sử dụng nguyên tố cách tinh vi xác Các định hướng chung Các phản ứng hóa học tế bào thực theo định hướng chiến lược sau : – Trật tự sinh học : Các cấu trúc phản ứng hóa học thể trì theo trật tự định gọi trật tự sinh học (biological order) Hơn nữa, diễn biến phản ứng tuân theo chương trình phát triển cá thể cách xác Ví dụ : Vì người khơng mọc trán hay đầu gối chẳng hạn, mà mọc hai hàm với đủ loại cửa, nanh cấm đối xứng hai phía khớp cách xác hàm Lúc sinh chưa có răng, sau mọc răng, thay trưởng thành rắn rụng khơng thay Như vậy, chất vô Ca tổng hợp số lượng chất lượng; phân bố xác khơng gian thời gian theo chương trình phát triển điều hồ mức thể – Mối quan hệ : Phân tử, gen tế bào Sự tổng hợp phân tử bị chi phối gen, mà biểu gen dựa vào hệ thống tế bào mối quan hệ bên với mơi trường bên ngồi – Dựa vào cấu trúc phức tạp tổ chức tinh vi : Một nguyên tắc hoạt động sống tế bào thống cấu trúc chức tất mức tổ chức Xét mặt hố học tế bào tận dụng cấu trúc nguyên tố cofactor kim loại (sắt Fe, kẽm Zn,…) nhiều enzyme Ví dụ, thay đổi hoá trị sắt thành sắt dùng hệ chuyền điện tử Ở cấp độ đại phân tử protein, biết vai trò liên kết yếu, kiểu mãng motif, domain tạo đa dạng cấu túc protein Ở mức tế bào hàng loạt bào quan có cấu trúc phức tạp thực nhiều chức chuyên biệt khác Tế bào chuyển lượng xuyên màng qua hoá thẩm thấu (xem ch VI), tức dựa vào cấu trúc Cách thực phản ứng hoá học tế bào Để tồn tại, tế bào phải thu nhận lượng sinh tổng hợp chất Cơng việc thực nhờ hàng nghìn, hàng vạn phản ứng hố học diễn liên tục theo trình tự nghiêm nhặt, nhanh nhạy chuẩn xác, ví nhà máy hoá học đặc biệt Hoá học tế bào có đặc tính ưu việt nhờ cách thực phản ứng rất đặc biệt – Điều kiện thực phản ứng : đẳng nhiệt, đẳng áp, tức phản ứng hoá học diễn điều kiện nhiệt độ áp suất không cao khơng dao động Ví dụ : phản ứng hoá học thể người diễn 37 OC Hao tốn lượng phản ứng hoá học tế bào tối thiểu Trong phịng thí nghiệm hố học thơng thường, khó thực phản ứng với điều kiện tiêu tốn lượng – Các chất xúc tác enzyme : có tính đặc hiệu cao hiệu nêu phần – Trao đổi chất diễn liên tục tự động hóa cao : Các phản ứng trao đổi chất diễn liên tục để phân hủy chất dinh dưỡng cung cấp lượng cho sinh tổng hợp Ví dụ : glucose hấp thu vào tế bào bị phân hủy, dư thừa tổng hợp thành glycogen, mà thiếu cắt nhỏ thành glucose để sử dụng Các protein sau hình thành tự động di chuyển đến tiêu điểm nhờ tín hiệu có phân tử – Sự đa dạng phản ứng : Số loại phản ứng hoá học thực tế bào lớn Đến người ghi nhận hàng nghìn loại phản ứng hố học khác giới sinh vật Hầu tất loại phản ứng hoá học diễn thể sống oxy hoá khử, methyl hoá, amin hoa, , phản ứng có tính đặc hiệu cao chuyển hố sinh học (biotransformation) Tín hiệu tế bào Những thành tựu Sinh học phân tử tế bào gen soi sáng thêm nhiều chi tiết phức tạp hoá học tế bào sống, mà tín hiệu tế bào (Cell signalling) ví dụ Có tín hiệu cho vận chuyển nội bào (intracellular traffic) tín hiệu tế bào (intercellular signals) Các phân tử thông tin ngoại bào (extracellular informative molecules), thực mối quan hệ tế bào, chất trung gian gồm loại phụ thuộc vào khoảng cách tác động (xem ch.XIV) Ch.V Năng lượng trao đổi chất 87 Có thể nói, tế bào tắm mơi trường với nhiều tín hiệu hố học : phân tử phóng thích từ tế bào khác (các hormone, nhân tố tăng trưởng,…) chất ngoại lai thuốc hay độc tố,… Tiếp nhận tín hiệu, máy tế bào đáp lại cách đặc hiệu, tổng hợp loại protein Trong hoá học, thuờng quen với kiểu phản ứng chất A kết hợp với B thành AB Tế bào phản ứng phức tạp nhiều : tín hiệu phát di chuyển xa, có định hướng mục tiêu để kích thích hoạt động phức hợp gồm chục protein nhằm đáp lại Thử hình dung, phân tử protein cầu kích thước 5nm (5 phần triệu milimet) di chuyển đến khoảng cách 300mm (30cm) độ dài di chuyển gấp 300 triệu lần Nếu người cao 1,5 m di chuyển khoảng cách tương ứng 450 triệu met = 450000km, gấp rưỡi khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng Hoạt động sống tế bào phức tạp, xác ! Trên tế bào có mức tổ chức cao mơ, quan, thể Tất có mối liên hệ bên với mơi trường ngồi phức tạp thơng qua tín hiệu tế bào Cơ thể điều hoà chế : – Các chất nội tiết hormone, có tác động chậm – Các xung thần kinh có tác động nhanh Ngồi ra, thiên nhiên vốn hài hồ, phản hố học tế bào gây nhiễm, lại làm mơi trường góp phần đáng kể bảo vệ mơi sinh TÓM TẮT CHƯƠNG Tế bào hệ thống hở cân động lệch phải thường xuyên thu nhận lượng từ dạng ánh sáng mặt trời hay hợp chất hữu Các biến đổi lượng tế bào tuân theo quy luật nhiệt động học, với đặc điểm qua nhiều bước trung gian, có chất chuyển đổi lượng ATP Quá trình trao đổi chất phức tạp diễn tế bào cung cấp lượng cho hoạt động sống xúc tác enzyme Các enzyme chất xúc tác sinh học có chất protein, cấu trúc không gian ba chiều phân tử đóng vai trị quan trọng, nên chúng nhạy cảm với tác động môi trường nồng độ chất, nồng độ enzyme, nhiệt độ, pH chất kìm hãm Hoạt động sống tế bào điều hịa thơng qua hoạt tính enzyme Hố học tế bào có nhiều đặc tính ưu việt khác với hố học thơng thường nhiều điểm mà tín hiệu tế bào ví dụ NHỮNG ĐIỂM CẦN NHỚ Các quy luật nhiệt động học trật tự sinh học Năng lượng tự do, phản ứng tỏa nhiệt thu nhiệt Sự oxy hóa- khử ATP Các chất chuyên chở hydro chuyền điện tử Enzyme : protein, trung tâm phản ứng, tính đặc hiệu nhân tố tác động Sự điều hòa trao đổi chất: thay đổi hoạt tính enzyme, bố trí khơng gian hợp lý phức hệ enzyme Các đặc điểm hoá học tế bào Tín hiệu tế bào CÂU HỎI ƠN TẬP 10 11 12 13 Để trì trật tự sinh học tế bào phải sử dụng lượng ? Phản ứng tỏa thu nhiệt phụ thuộc lượng chất phản ứng ? Phản ứng giải phóng phản ứng tích trữ lượng ? Sự giải phóng lượng tế bào có đặc điểm gì? Oxy hóa tế bào thực chất gì? Sự trao đổi chất gồm hai trình nào? ATP có đặc điểm cấu trúc giử vai trị gì? Kể số chất chun chở hydro Enzyme có đặc điểm cấu trúc gì? Vì enzyme dễ nhạy cảm với biến đổi môi trường Tính đặc hiệu enzyme biểu nào? Tác động enzyme phụ thuộc vào yếu tố ? Quá trình trao đổi chất điều hòa ? 14 Các phức hệ enzyme bố trí để thực chuỗi phản ứng? ... lượng hoạt hóa cách đặc hiệu có chọn lọc Ch.V Năng lượng trao đổi chất 77 Hình 5.1 Năng lượng hoạt hóa Năng lượng mặt trời Trong sinh giới, thực vật xanh vi khuẩn quang hợp có khả thu nhận lượng. .. dụng lượng ? Phản ứng tỏa thu nhiệt phụ thuộc lượng chất phản ứng ? Phản ứng giải phóng phản ứng tích trữ lượng ? Sự giải phóng lượng tế bào có đặc điểm gì? Oxy hóa tế bào thực chất gì? Sự trao đổi. .. nêu phần – Trao đổi chất diễn liên tục tự động hóa cao : Các phản ứng trao đổi chất diễn liên tục để phân hủy chất dinh dưỡng cung cấp lượng cho sinh tổng hợp Ví dụ : glucose hấp thu vào tế bào