Nghiên cứu về năng lượng sinh học là lĩnh vực nghiên cứu về sự biến đổi năng lượng diễn ra kèm với các phản ứng sinh hoá trong cơ thể. Giống như các phản ứng hoá học, phản ứng sinh hoá là quá trình một hoặc một vài cơ chất này được chuyển hoá thành một hoặc một vài cơ chất khác. Trong cơ thể sinh vật, đại đa số các phản ứng sinh hoá này đều diễn ra với sự có mặt của các chất xúc tác.
1.1. Sự biến đổi năng lượng tự do
Sự biến đổi năng lượng tự do (∆G) là sự biến đổi năng lượng diễn ra trong một phản ứng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi (điều kiện thông thường của các phản ứng sinh hoá).
∆G có thể mang giá trị âm, dương hoặc bằng không. Phản ứng có ∆G dương được gọi là thu nhiệt (endergonic). Trong phản ứng này, mức năng lượng tự do của sản phẩm cao hơn mức năng lượng tự do của các chất tham gia phản ứng. Bởi vậy, để phản ứng diễn ra được cần có sự cung cấp năng lượng từ môi trường bên ngoài. Phản ứng có ∆G âm được gọi là phản ứng phát nhiệt (exegonic). Lúc này, mức năng
39
lượng tự do của sản phẩm thấp hơn các chất tham gia phản ứng. Một phản ứng có ∆G âm thường có xu thế diễn ra một cách tự phát.
1.2. Năng lượng hoạt hóa
Mặc dù phản ứng phát nhiệt có xu thế diễn ra tự phát nhưng có thể thấy rằng chúng ít khi xảy trong điều kiện bình thường. Ví dụ như các phản ứng cháy, xăng hay cồn đều không thể tự bốc cháy mà cần có một nhiệt lượng ban đầu để khơi mào phản ứng. Năng lượng dùng để khơi mào phản ứng đó được gọi là năng lượng hoạt hoá. Vận tốc của một phản ứng không phụ thuộc vào việc chúng giải phóng ra bao nhiêu năng lượng mà phụ thuộc vào mức năng lượng để hoạt hoá. Các phản ứng có mức năng lượng hoạt hoá lớn hơn thường có khuynh hướng diễn ra chậm hơn.
Vai trò của năng lượng hoạt hoá là giúp phá vỡ các liên kết vốn có của phân tử chất tham gia phản ứng để từ đó hình thành nên các liên kết có mức năng lượng thấp hơn. Năng lượng hoạt hoá không phải là một hằng số cố định. Chúng phụ thuộc vào trạng thái của các liên kết trong phân tử. Nếu có một tác động nào đó khiến cho các liên kết này bị yếu đi thì năng lượng hoạt hoá cần thiết cũng sẽ thấp hơn. Tác động này được gọi là sự xúc tác. Trong cơ thể sinh vật, chất xúc tác được gọi là các enzyme.
1.3. ATP – Tiền tệ năng lượng của tế bào
Nguồn năng lượng cung cấp hằng ngày cho cơ thể con người cũng như các sinh vật khác được lấy từ sự oxy hoá các hợp chất hữu cơ mà quan trọng nhất là glucose. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 mol glucose, bên cạnh sản phẩm CO2 và H2O, ta có năng lượng
Hình 2.1. Mức năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong điều kiện bình thường và khi có enzymexúc tác
40
giải phóng ra là 2870kJ (∆Go = - 2870kJ). Số năng lượng này không giải phóng ra cùng một lúc mà diễn ra một cách từ từ và phần lớn được sử dụng để tổng hợp phân tử ATP (adenosin triphosphate), một hợp chất được coi là tiền tệ năng lượng của cơ thể.
1.3.1.Cấu trúc và chức năng phân tử ATP
ATP là một hợp chất giàu năng lượng, có vai trò như một người cung cấp năng lượng hoá học cho các hoạt động của tế bào như vận chuyển ion, vận động tế bào hay các phản ứng sinh tổng hợp v.v…
Về mặt cấu tạo, phân tử ATP được hình thành từ ba phần là: - Gốc adenine
- Đường ribose.
- Ba gốc phosphate liền nhau.
Ba gốc phosphate là thành phần mấu chốt quyết định đặc tính của phân tử ATP. Chúng được nối với nhau bởi các liên kết giàu năng lượng. Năng lượng được giải phóng thông qua sự phân tách phân tử ATP thành ADP và gốc phosphate.
Năng lượng được giải phóng ra nhiều nhất khi liên kết giữa hai gốc phosphate ngoài cùng bị phá vỡ, tương đương khoảng 30kJ/mol. Năng lượng này nhiều gấp hai lần năng lượng hoạt hoá trung bình của các phản ứng trong tế bào.
Thông thường, phản ứng phân tách ATP (phản ứng toả nhiệt) và phản ứng cần năng lượng (phản ứng thu nhiệt) được kết hợp với nhau theo cặp, tức là diễn ra cùng nhau, cùng thời gian, tại cùng địa điểm và được xúc tác bởi cùng một phức hệ enzyme. Năng lượng giải phóng ra sẽ được sử dụng để gắn gốc phosphate với chất tham gia phản ứng, chuyển chúng thành dạng hoạt động. Quá trình này được gọi là sự phosphoryl hoá.
41
1.3.2.Phương thức tổng hợp ATP trong tế bào
Trong tế bào, ATP được tạo ra theo hai cách là phosphoryl hóa mức cơ chất và tổng hợp hoá thẩm.
a. Phosphoryl hóa mức cơ chất
Là sự hình thành ATP thông qua việc gắn ADP với gốc phosphate lấy từ một hợp chất hữu cơ. Phản ứng này diễn ra dưới sự xúc tác của enzyme.
Ví dụ:
Phosphoenolpyruvate + ADP Pyruvate + ATP
Phản ứng trên được xúc tác bởi enzyme pyruvate kinase. Đây là một phản ứng có ∆G âm. Năng lượng chứa trong liên kết giữa gốc phosphate cao năng và phân tử pyruvat là 62kJ/mol, trong khi liên kết giữa gốc phosphate và ADP chỉ là 30kJ/mol. Bởi vậy, phản ứng xảy ra không khó khăn. Tổng hợp ATP theo phương thức phosphoryl hoá mức cơ chất là quá trình có ở mọi loại tế bào.
b. Tổng hợp hoá thẩm
Đây là quá trình tổng hợp ATP thông qua sự thẩm thấu của ion H+ qua màng các bào quan chuyên biệt trong tế bào (ví dụ: ty thể, lục lạp). Theo quá trình này, tế bào sẽ sử dụng các điện tử cao năng để bơm và tạo sự chênh lệch về nồng độ ion H+ giữa hai bên màng. Các điện tử cao năng được sử dụng có thể bắt nguồn từ phản ứng oxy hoá các hợp chất hữu cơ trong quá trình hô hấp hoặc qua quá trình hấp thụ năng lượng ánh sáng Mặt Trời trong quang hợp. Sau khi thiết lập sự chênh lệch về mặt nồng độ, các ion H+ sẽ có xu hướng khuếch tán ngược trở lại, từ nơi có nồng độ cao quay về nơi có nồng độ thấp hơn. Quá trình khuếch tán của ion H+ không được thực hiện trực tiếp qua lớp màng phospholipid mà thông qua các kênh đặc biệt có sự kết hợp với enzyme sinh tổng hợp ATP. Sự vận động của các ion H+ qua kênh sẽ tạo động lực để enzyme gắn ADP với gốc phosphate vô cơ và tạo nên phân tử ATP.
So với tổng hợp theo phương thức phosphoryl hoá mức cơ chất, tổng hợp hoá thẩm có hiệu suất cao hơn rất nhiều. Phần lớn ATP của tế bào Eukaryote đều được tổng hợp theo phương thức hoá thẩm và ty thể là bào quan chịu trách nhiệm chính trong việc thực hiện quá trình này.
42