Sinh học phân tử dưới góc nhìn hóa học

Các đơn vị cấu trúc hóa học của tế bào

Một motif phổ quát trong sinh học là sự hình thành các đại phân tử sinh học và cấu trúc từ nhiều tiểu phân tử tương đồng hoặc giống hệt nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị hay không cộng hóa trị. Liên kết cộng hóa trị tạo thành giữa hai đơn phân thường làm mất H từ một đơn phân và OH từ đơn phân kia, hay nói cách khác là loại một phân tử nước nên có thể xem như phản ứng dehydrate hóa. Những liên kết này bền dưới điều kiện sinh học bình thường, (ví dụ 37oC, pH trung tính) và do đó các polymer sinh học kể trên khá ổn định và có thể thực hiển rất nhiều nhiệm vụ rất đa dạng trong tế bào (lưu trữ thông tin, xúc tác phản ứng hóa học, thành phần cấu trúc xác định hình thành và vận động của tế bào…).

Các acid amin chỉ khác nhau trong phần mạch nhánh cấu thành protein 20 loại acid amin là đơn phân cấu thành protein.sau khi tích hơp thành polymer protein, các acid amin có cấu trúc đặc thù gồm nguyên tử carbon alpha (C ) trung tâm gắn với bốn nhốm hóa học khác: nhóm carboxyl (COOH) (bởi đó có tên là acid amin) nguyên tử Hydrogen và một nhóm biến đổi gọi là mạch nhánh hay nhóm R. Không cần thiết phải nhớ hết cấu trúc chi tiết của mỗi loại mạch nhánh nhưng cần nhớ tính chất chung của từng nhóm acid amin phân theo kích thước, hình dạng, điên tích, tính khử nước và tương tác hóa học của mạch nhánh. Mạch nhánh của alanine, valine, leucine, isoleucine đều là hydrogencacbon mạch thẳng và của methionnine (chứa thêm một vòng nguyên tử lưu huỳnh) đều không chứa mạch vòng, không phân cực.

Các biến đổi acid amin khác bao gồm hydrogenxyl hóa proline và lysine trong collagen, methyl hóa histidine trong thụ thể màng, và –carboxyl hóa glutamate trong các yếu tố đông máu như prothrombin. Nucleotide có cấu trúc chung gồm : một nhóm phosphate liên kết phosphoester với đường pentose (đường 5 carbon), đường pentose lại gắn với base nito (mạch vòng chưa carbon và N) tại nguyên tử N. Các enzyme tạo liên kết glycoside nối monosaccharide thành polysaccharide có nhiều nhóm – OH khả dụng để tạo liên kết glycoside nên về nguyên tắc hai phân tử đường có thể liên kết với nhau theo một số cách.

Cấu trúc của phospholipid gồm hai chuỗi acid béo không phân cực dài, gắn (thường liên kết qua ester) với các nhóm nhỏ có độ phân cực cao (gồm phosphate và phân tử hữu cơ ngắn như glycerol, trihydrogenxy propanol). Phản ứng này loại –OH của nhóm carboxyl trong acid béo và H của nhóm hydrogenxyl trong phân tử kia, tạo thành phẩn tử hợp nhất với phần thu được từ acid béo gọi là nhóm acyl, hay nhóm acyl béo.

Cân bằng hóa học

Trong trường hợp này nếu một chất có tốc độ tạo ra bằng tốc độ tiêu thụ thì nồng độ chất đó sẽ không đổi, và chuỗi phản ứng thực hiện được điều này gọi là trong trạng thái ổn định. Một ví dụ phổ biến là phối tử (ví dụ hormone insulin hay adrenaline) gắn với thụ thể trên bề mặt tế bào, tạo thành tập hợp đa phân tử (phức hệ) gây ra đáp ứng sinh học. Do kích thước của các đại phân tử sinh học (như protein) lớn nên trên bề mặt của chúng thường chứa nhiều vị trí có thể tham gia tương tác bổ sung với những phân tử khác.

Ở các trường hợp khác, phân tử gắn với vị trí A trên đại phân tử có thể làm thay đổi cấu hình lập thể của vị trí B và dẫn đến thay đổi tương tác gắn của vị trí B với một số phân tử khác. Cơ chế này quan trọng do nhờ đó mà một phân tử có thể thay đổi (điều hòa) hoạt tính của phân tử thứ hai (ví dụ protein) bằng cách thay đổi khả năng tương tác của phân tử thứ hai này với phân tử thứ ba. Nhiều enzyme thủy phân của tiêu thể có chức năng tối ưu trong môi trường acid, trong khi hoạt tính của chúng bị kìm hãm tại môi trường gần trung tính của tương bào, điều này cho thấy rằng cần duy trì pH đặc hiệu cho một số cấu trúc tế bào hoạt động chính xác.

Mặc dù tạo ra nhiều sản phẩm trao đổi chat có tính acid như acid lactic và CO2 (CO2 phản ứng với nước tạo thành acid carbonic), tế bào đang phát triển vẫn phải duy trì pH tế bào chất trong khoảng 7,2-7,4. Khả năng duy trì pH ổn định của đệm gọi là năng lực đệm và phụ thuộc vào nồng độ cũng như tương quan giữa giá trị pKa của đệm với pH và được biểu diễn bằng phương trình Henderson- Hasselbalch. Nói cách khác, trong trường hợp bổ sung cùng số mol acid vào dung dịch chứa hỗn hợp HA và A-, nếu pH của acid gần bằng pKa thì pH của dung dịch sẽ ít thay đổi hơn so với khi không có HA và A- hoặc khi pH của acid khác xa pKa.

Năng lƣợng hóa sinh học

Để sinh công, nhiệt cần truyền từ vùng nhiệt độ cao-nơi tốc độ và vận tốc trung bình của phân tử cao hơn tới nơi có nhiệt độ thấp.Mặc dù có thể tồn tại chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên trong và bên ngoài tế bào, gradient nhiệt này thường không phải nguồn năng lượng giúp tế bào hoạt động. Ví dụ, làm lạnh tế bào động vật có vú từ nhiệt độ cơ thể bình thường (37oC) xuống 4oC có thể gần như đóng băng hay dừng nhiều quá trình tế bào (ví dụ vận động màng nội bào). Tương tự, năng lượng lưu giữ trong gradient nồng độ hóa học hay gradient điện thế được sử dụng để tổng hợp các liên kết hóa học hoặc để vận chuyển các phân tử qua màng nhằm tạo ra gradient nồng độ.

Bởi vì hệ sinh học thường xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi nên có thể tiên đoán chiều phản ứng hóa học dựa trên biến thiên năng lượng tự do G, tên đặt sau khi J.W.Gibbs cho thấy “tất cả các thay đổi trong hệ thống đều theo hướng tối thiểu hóa năng lượng tự do[G]”.  Nếu ∆G dương, phản ứng thuận không tự xảy ra mà cần bổ sung năng lượng cho hệ thống để thúc đẩy chuyển hóa năng chất tham gia thành sản phẩm (phản ứng thu năng lượng). Năng lượng tự do của hệ hóa học là G = H- TS, với H là năng lượng liên kết (enthalpy) của hệ thống; T là nhiệt độ theo đơn vị Kevin(K); và S là entropy(thước đo độ ngẫu nhiên hay độ trật tự).

Trong phản ứng tỏa nhiệt do năng lượng liên kết của sản phẩm thấp hơn cả chất tham gia nên nưng lượng giải phóng ra thường chuyển hóa thành nhiệt (năng lượng vận động phân tử) và ∆H âm. Thông thường tế bào bù lại sự giảm entropy bằng cách “cặp đôi” các phản ứng tổng hợp (làm giảm entroypy) như vậy với các phản ứng độc lập có giá trị ∆G rất âm (xem dưới đây). Bằng cách này tế bào có thể chuyển đổi nguồn năng lượng trong môi trường thành hoạt động xây dựng các cấu trúc có tổ chức cao và các con đường trao đổi chất thiết yếu cho sự sống.

G3P⇄ DHAP

Biến thiên năng lượng tự do ∆G của phản ứng thường không bằng ∆Go’ và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất cũng như nồng độ ban đầu của chất tham gia và sản phẩm. Với mọi giá trị ∆Go’ , một phản ứng hóa sinh nhất định sẽ chỉ xảy ra trong tế bào khi ∆G âm, tùy thuộc vào nồng độ nội bào của sản phẩm và chat tham gia. Ví dụ, trong phản ứng chuyển hóa glyceraldhyde-3-phosphate (G3P) thành dihyddrocyacetone phosphate (DHAP) (hai chất này tham gia con đường phân giải glucose).

Nếu nồng độ ban đàu cảu G3P= DHAP thì ∆G= ∆Go’ vì RTln 1 =0; trong trường hợp này, phản ứng thuận nghịch sẽ tự xảy ra theo chiều tạo DHPA cho tới khi cân bằng. Tốc độ của phản ứng trong các hệ sinh học thường được xác định bởi hoạt tính của enzyme, protein xúc tác tăng sự tạo thành sản phẩm từ chất tham gia mà không làm thay đổi ∆G. Khi phản ứng hóa học bắt đầu, các chất tham gia đập vào nhau và dẫn tới bắt đầu hình thành một số liên kết trong khi phá vỡ một số liên kết khác.một cách để hình dung về các phân tử giai đoạn chuyển tiếp này là có những giới hạn nhất định trong cấu hình điện tử của nguyên tử và liên kết của chúng.

Cần cấp năng lượng để một tập hợp các nguyên tử chuyển từ trạng thái chất tham gia tương đối bền thành trạng thái trung gian này trong tiến trình phản ứng. Năng lượng để kích thích chất tham gia phản ứng tới trạng thái chuyển tiếp gọi là năng lượng hoạt hóa, kí hiệu là ∆G≠, tương tự với biến thiên năng lượng tự do Gibbs (∆G) đã đề cập. Vận tốc (V) tạo thành sản phẩm từ chất tham gia trong một tập hợp điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất tham gia) sẽ phụ thuộc vào nồng độ của chất tại trạng thái chuyển tiếp.