Năng lượng tự do là năng lượng vốn có của một hệ thống, khi cần nó được dùng để thực hiện công dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Khái niệm về năng lượng tự do được Josiah Willard Gibbs nêu ra đầu tiên nên ký hiệu làG.
Năng lượng tự do Gibbs [34] là năng lượng tối đa tiềm ẩn trong hệ thống. Các chất hóa học đều có chứa năng lượng tự do và tất cả thay đổi trong hệ thống đều theo hướng tối thiểu hóa năng lượng tự do. G được định nghĩa bởi công thức
G = H−T S. (1.4.1)
Chúng ta thấy rằng, G là sự kết hợp của định luật I và II nhiệt động lực học, vì nó liên quan đến cả hai đại lượng enthalpyH và entropy S. Lưu ý rằng, hệ sinh học thường xảy ra trong điều kiện [33] nhiệt độT và áp suấtp không đổi nên có thể tiên đoán chiều phản ứng hóa học dựa trên biến thiên năng lượng tự do. Ta có, độ biến thiên:
∆G= ∆H−T∆S−S∆T. (1.4.2)
Nếu:
• ∆G < 0 : quá trình tự xảy ra, phản ứng xảy ra theo chiều thuận;
• ∆G > 0 : quá trình không tự xảy ra, phản ứng xảy ra theo chiều nghịch;
• ∆G= 0 : phản ứng thuận và nghịch xảy ra tại tốc độ bằng nhau nên nồng độ sản phẩm và chất tham gia không đổi, do đó hệ thống đạt trạng thái cân bằng.
NếuT = const, tức là ∆T = 0, sự thay đổi của thế Gibbs có dạng
∆G= ∆H−T∆S. (1.4.3)
Trong phản ứng tỏa nhiệt do năng lượng liên kết của sản phẩm thấp hơn cả chất tham gia nên năng lượng giải phóng ra thường chuyển hóa thành nhiệt và làm cho ∆H <0. Trong phản ứng thu nhiệt, năng lượng liên kết của sản phẩm cao hơn của chất tham gia nên nhiệt độ bị hấp thụ trong quá trình phản ứng và
∆H > 0. Độ biến thiên enthalpy và entropy xác định dấu của ∆G. Phản ứng
sống là một hệ mở.
tỏa nhiệt ∆H < 0 với entropy tăng ∆S > 0 nên phản ứng tự xảy ra ∆G < 0.
Phản ứng thu nhiệt ∆H >0 với entropy tăng ∆S > 0 nên phản ứng tự xảy ra khi T∆S >∆H.
Thông tin này là rất thú vị cho các nhà sinh học, vì nó đưa ra cho chúng khả năng dự đoán loại biến đổi nào có thể xảy ra mà không cần năng lượng. Các biến đổi tự phát như vậy có thể được lợi dụng để sinh công. Nguyên lý này rất quan trọng trong việc nghiên cứu về quá trình chuyển hóa vật chất, nơi mà mục đích chủ yếu là xác định phản ứng nào có thể cung cấp năng lượng cho hoạt động của tế bào.
Nhiều phản ứng sinh học dẫn đến tăng độ trật tự và do đó làm giảm entropy (∆S < 0). Ví dụ như phản ứng tổng hợp protein từ acid amino. Dung dịch chứa protein có entropy thấp hơn dung dịch chứa đủ các acid amino cấu thành nhưng ở trạng thái không liên kết. Nguyên nhân của điều này là acid amino trong protein gắn với nhau thành chuỗi dài nên bị hạn chế vận động tự do. Thông thường tế bào bù lại sự giảm entropy bằng cách ”cặp đôi” các phản ứng tổng hợp (làm giảm entropy) như vậy với các phản ứng độc lập có giá trị ∆G <0.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 con đường trao đổi chất thiết yếu cho sự sống .
Khi xảy ra phản ứng hóa học, có sự biến đổi năng lượng tự do được ký hiệu bằng
∆G. Đối với hệ đẳng nhiệt, độ tăng công có ích phải nhỏ hơn mức tăng năng lượng hoặc enthalpy (∆H). Khác biệt này được đo bằng độ biến thiên entropy (∆S) và nhiệt độ mà tại đó phản ứng xảy ra. Hay ở điều kiện đẳng nhiệt, hệ có enthalpy xác định, quá trình tự diễn biến trong hệ cô lập xảy ra theo chiều tăng entropy ∆S > 0 nên ∆G < 0 tức năng lượng giảm. T∆S là ” năng lượng đẳng nhiệt không khả dụng”. ∆H chỉ là công tối thiểu cần thiết để xây dựng một hệ từ một trạng thái cân bằng khác.
Giả sử trong quá trình đẳng nhiệt, công chỉ được thực hiện trong một hệ thuận nghịch, có:
∆U =T∆S−p∆V, H =U +pV,
∆H = ∆U+p∆V +V∆p, thay vào phương trình (1.4.2) ta được:
∆G= [(T∆S−p∆V) +p∆V +V∆p]−T∆S−S∆T,
thu gọn ta được:
∆G=V∆p−S∆T. (1.4.4)
Từ phương trình (1.4.1) cho ta thấy rằng khi enthalpy càng nhỏ (năng lượng) thì năng lượng tự do Gibbs G càng nhỏ, và khi entropy càng cao thì G cũng càng nhỏ. Như vậy, năng lượng tự do Gibbs là một chỉ số quan trọng cho biết chiều diễn biến của các quá trình ở hệ sinh vật: Các quá trình luôn diễn biến theo chiều giảm năng lượng tự do của hệ (∆H <0) cho đến khi năng lượng tự do đạt giá trị cực tiểu.
Quá trình hình thành năng lượng tự do trong cơ thể sống: Năng lượng tự do được hình thành trong cơ thể sống là do quá trình phân hủy các chất dinh dưỡng. Theo Crebs và Gonberg quá trình hình thành năng lượng tự do chia làm 3 giai đoạn chính sau đây:
• Phân hủy các cao phân tử sinh học tới monome (đơn phân tử), như từ Protein tới axit amin, từ Gluxit tới glucose, từ Lipit tới glixerin và axit béo. Năng lượng tự do được giải phóng ra ở giai đoạn này chỉ chiếm từ 0.1% đến 0.5% năng lượng dự trữ có trong cao phân tử.
• Sự chuyển hóa của các monome kể trên tới axit Piruvic và axetyl coenzim A (là axit Axetic đã hoạt hóa) và một số hợp chất nằm trong chu trình Crebs đã giải phóng ra năng lượng tự do đạt từ 15% đến 30% năng lượng dự trữ có trong monome.
• Quá trình oxy hóa axetyl coenzim A tới khí CO2 và H2O trong chu trình Crebs, năng lượng tự do được giải phóng ra đạt từ 70% đến 80% năng lượng dự trữ có trong axetyl coenzim A. Hay quá trình oxy hóa axit palmatic, năng lượng tự do được giải phóng ra chiếm 60%.
Sử dụng năng lượng tự do của cơ thể sống:
• Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để cung cấp nhiệt cho cơ thể (ổn định nhiệt độ cơ thể vào mùa hè cũng như mùa đông).
• Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công cơ học (co cơ), công thẩm thấu (hấp thụ hay bài tiết nước và các sản phẩm chất dinh dưỡng), công hô hấp, công điện (duy trì điện thế tĩnh hay phát xung điện thế hoạt động)...
• Quan trọng hơn cả là cơ thể sống có khả năng tích lũy năng lượng tự do ở dạng các hợp chất cao năng (ATP). Hợp chất cao năng ATP chính là nguồn năng lượng vạn năng của mọi cơ thể sống nên được ví là "đồng tiền năng lượng".
CHƯƠNG 2
Các đại phân tử sinh học
Qua sự phân tích của các nhà khoa học, chất sống trung bình có khoảng 75 nước, 10% protein, 2% lipit, 1% gluxit và gần 1% muối và các hợp chất khác. Điều đó có nghĩa thành phần cấu trúc tế bào sinh vật rất đa dạng, mặc dù vậy nhưng các nhà khoa học phân chia thành hai nhóm lớn: nhóm các chất vô cơ và nhóm các chất hữu cơ. Các chất vô cơ trong tế bào tồn tại ở hai dạng : muối vô cơ và nước, dạng muối vô cơ lại bao gồm dạng ít hòa tan trong nước thường có mặt trong các mô và dạng hòa tan thành các ion như các cation N a+, K+, Ca2+. . . và các aionCl−, SO42−. . .Các chất hữu cơ là hợp chất của cacbon (trừ CO2 và cacbonat là các hợp chất vô cơ chứa cacbon). Đó là những phân tử tạo thành do sự liên kết của các nguyên tử cacbon vớiH, O và N theo nhiều cách khác nhau trong đó nguyên tử cacbon đóng vai trò quan trọng là cái khung với 4 electron lớp vỏ ngoài cùng, liên kết với H và O để tao nên cacbohidrat hoặc lipit ; hoặc liên kết với H, O và N tạo nên protein và axit nuclêic là những đại phân tử sinh học, những chất hữu cơ chủ yếu có vai trò quyết định đối với tế bào.
Vì chúng có cấu trúc phức tạp, có chức năng quyết định với tế bào, và là cơ sở cho các lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu của sinh học như: Tế bào học, Sinh lí học thực vật, Sinh lí học động vật, Di truyền học, Tiến hóa. Vì vậy, trong đề tài này tôi đi vào tìm hiểu sâu về các đại phân tử sinh học đặc biệt là protein.