Hằng triệu người, kể cả các vận động viên nổi tiếng như ngôi sao hockey Wayne Gretzky, Hank Aaron vĩ đại của bóng chày và vô địch Olympic mười môn phối hợp Bruce Jenner đều bị tàn tật bởi bệnh viêm khớp. Cho tới gần đây, các bác sĩ vẫn kê đơn Aspirin cho bệnh nhân để làm dịu sự sưng tấy gây nhức nhối kinh niên ở các khớp viêm. Hàng nghìn năm nay, các thầy thuốc ở các nền văn hóa khác nhau đã biết rằng vỏ cây liễu có tính kháng viêm làm giảm đau và sưng tấy. Vào năm 1829, các nhà hóa học người Đức đã tách được thành phần có hoạt tính trong vỏ cây liễu, và sau này trong thế kỷ đó các nhà hóa học khác đã hiệu chỉnh hóa học nó để tạo ra một dược chất còn hiệu quả hơn-
chính là aspirin. Mặc dù loại thuốc này vẫn có tác dụng, nó có một số tác dụng phụ không tốt như gây đau rát ở dạ dày và làm giảm khả năng đông máu.
Chỉ khi các nhà hóa sinh học phát hiện ra cơ chế hoạt động của aspirin thì các tác dụng có lợi và các tác dụng không mong muốn của nó mới có thể được giải thích. Họ khám phá ra rằng aspirin gắn kết với một amino acid đặc thù (Serine) ở một protein gọi là
Cyclooxygenase, hay COX và gắn vào amino acid này một nhóm Acetyl. Chức năng bình thường của COX trong cơ thể là hoạt động như một enzyme: một chất xúc tác để đẩy nhanh sự chuyển biến một acid béo mạch thẳng thành cấu trúc vòng. Phân tử acid béo đi vào một đường ống trên đại phân tử enzyme, nơi nó trải qua một biến đổi hóa học đặc hiệu, sau đó rời khỏi enzyme. Dạng vòng của acid béo này kích thích hiện tượng viêm ở khớp, sữa chữa các vết thương ở dạ dày và giúp đông máu. Khi serine ở COX bị acetyl hóa bởi phản ứng với aspirin, enzyme không còn đẩy nhanh sự sản xuất cấu trúc vòng nữa. Không có COX sự tạo thành cấu trúc vòng vẫn xảy ra nhưng ở tốc độ rất chậm. Vì vậy khi COX bị ức chế bởi Aspirin, hiện tượng viêm khớp được giảm nhẹ, nhưng kèm theo là sự hủy hoại dạ dày và sự giảm đông máu.
Quá trình tìm kiếm tiếp tục để tìm ra một loại thuốc chống viêm "tốt hơn": một loại thuốc chỉ ngăn chặn COX ở khớp. Trong những năm của thập kỷ 90, các nhà hóa sinh đã tình cờ thành công. Họ phát hiện ra rằng thực ra có hai loại enzyme COX, một loại tác động vào dạ dày và các tế bào máu (COX-1) và một loại khác tác động vào khớp (COX-2). Khi họ xác định trình tự của hai enzyme này, họ phát hiện ra rằng chúng chỉ khác nhau ở một amino acid: COX-1 có một Isoleucine to lớn tại vị trí Valine nhỏ hơn của COX-2. Valine ở COX-2 làm lộ ra một đường ống bên hông đại phân tử enzyme trong khi đường ống này bị bịt bởi Isoleucine ở COX-1.
Các nhà sinh hóa sử dụng kiến thức về thành phần protein và cấu trúc để thiết kế ra các phân tử nhầm mục đích ngăn chặn một cách đặc hiệu đường ống COX-2 mà không có ảnh hưởng gì đến COX-1. Những loại thuốc mới (celecoxib và rofecoxib) làm dịu các triệu chứng viêm khớp mà không gây tác dụng phụ đến dạ dày và máu. Sự phát triển nhanh chóng của các loại thuốc trên đại diện cho một nghiên cứu điển hình trong quá trình thiết kế tân dược: ngăn chặn một sự chuyển biến hóa học cụ thể trong tế bào bằng cách ngăn chặn enzyme đặc hiệu xúc tác cho nó.
Hàng ngàn các phản ứng có xúc tác enzyme xảy ra mọi lúc ở mọi cơ thể sinh vật, mỗi phản ứng được xúc tác bởi một protein đặc hiệu có cấu trúc ba chiều đặc thù. Cùng với nhau các phản ứng này tạo nên quá trình chuyển hóa, chính là toàn bộ các hoạt động hóa học của một cơ thể sống; ở bất kỳ thời điểm nào quá trình chuyển hóa đều gồm có hàng nghìn các phản ứng hóa học riêng rẽ. Nhiều phản ứng chuyển hóa có thể được phân loại là phản ứng xây đắp sự phức tạp trong tế bào, sử dụng năng lượng để làm điều đó, hoặc phân hủy các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và giải phóng năng lượng trong quá trình đó.
Chương này quan tâm đến năng lượng và các enzyme. Nếu không có chúng, cả chúng ta lẫn các sinh vật khác sẽ không có khả năng thực hiện các chức năng. Trước khi tìm hiểu
enzyme thực hiện ma thuật phân tử như thế nào chúng ta sẽ xem xét các nguyên lý chung về năng lượng trong các hệ sinh học.