ĐẠI CƢƠNG CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ Sự sống tế bào phụ thuộc vào hàng ngàn phản ứng tương tác hóa học Những phản ứng tương tác phối hợp cách tinh vi theo không gian, thời gian lệnh di truyền môi trường chi phối Nghiên cứu tương tác phản ứng mức độ phân tử giúp giải pháp câu hỏi sống tế bào Những câu hỏi là: Tế bào hấp thụ dinh dưỡng thông tin từ môi trường nào? Chúng chuyển hóa lượng dự trữ chúng chất dinh dưỡng thành hoạt động tế bào sao? Tế bào chuyển đổi lượng lưu giữ dinh dưỡng thành cấu trúc chúng nào? Tế bào liên kết với tạo thành mô nào? Tế bào giao tiếp với để sinh vật phức tạp tăng trưởng thích nghi cao với mơi trường? Một mục tiêu sinh học phân tử tế bào cung cấp đáp án dạng thuộc tính phân tử ion cho câu hỏi nhiều câu hỏi khác cấu trúc, chức tế bào sinh vật Hình 1.1: Các phân tử hóa học tương tác hóa học điển hình giới sinh học(Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Ví dụ, thuộc tính nước, phân tử vậy, kiểm sốt tiến hóa, cấu trúc chức tế bào Bạn hiểu sinh học phân tử không thực thấu hiểu tính chất nước kiểm sốt hóa học sống Sự sống phát sinh từ môi trường nước Chiếm 70-80% trọng lượng hầu hết loại tế bào, nước phân tử phong phú hệ sinh học Chính mơi trường lỏng tiểu phân tử ion (chiếm 7% trọng lượng vật chất) lắp ráp thành đại phân tử, đại phân tử tích hợp thành máy hình thể tế bào, tức tồn phần trọng lượng cịn lại thể sinh vật Các tiểu phân tử gồm amino acid, nucleotide, lipid đường Nhiều phân tử sinh học dễ hòa tan nước gọi ưa nước Các phân tử khác chất dạng béo, dầu phân tách với nước nên gọi kị nước Ngoài nhiều phân tử sinh học khác (Ví dụ phospholipid) chứa vùng kị nước ưa nước nên gọi lưỡng phần Phospholipid cấu thành màng linh động tường bao quanh tế bào quan tử Hoạt động nhịp nhàng tế bào, mô sinh vật phụ thuộc vào tất loại phân tử kể trên, từ phân tử nhỏ đến lớn Thực vậy, xét sinh tồn loài người ion đơn giản (H+) đóng vai trị quan trọng phân tử DNA khổng lồ mang mã di truyền (Khối lượng DNA nhiễm sắc thể số người gấp 8,6x1010 lần khối lượng proton!) Tương tác hóa học tất phân tử lớn, nhỏ với nước với xác định chất sống Thật may cho chúng ta, có nhiều loại phân tử sinh học tham gia tương tác phản ứng nhiều đường phức tạp để tạo nên tế bào sinh vật sống số ngun lý hóa học cần để hiểu trình tạo nên mức độ phân tử lại không thay đổi qua hàng triệu năm Trong chương này, xem xét nguyên tắc then chốt, số đó, hẳn bạn biết rõ Chúng ta bắt đầu với liên kết cơng hóa trị với vai trò kết nối nguyên tử thành phân tử Tiếp đến liên kết khơng cộng hóa trị, giúp ổn định nhóm nguyên tử thuộc cấu trúc chức bên phân tử Sau đề cập đến tính chất trọng yếu đơn vị cấu trúc hóa học tham gia cấu thành đại phân tử tổ hợp đại phân tử Sau xem xét cân hóa học liên quan đến hầu hết hệ sinh học kết thúc chương với nguyên lý lượng hóa sinh bản, bao gồm vai trị lưu trữ chuyển hóa lượng ATP (adenosine triphosphate) trao đổi chất tế bào 1.1 Liên kết cộng hóa trị tƣơng tác khơng cộng hóa trị Lực hấp dẫn nguyên tử “keo” dính chúng lại với phân tử Các phân tử sinh học tương tác với thông qua lực Các lực mạnh tạo thành liên kết cộng hóa trị hai nguyên tử dùng chung (liên kết đơn) nhiều cặp điện tử (liên kết đôi, liên kết ba…) Lực hấp dẫn yếu tương tác khơng cộng hóa trị quan trọng khơng chúng xác định tính chất chức nhiều phân tử sinh học protein, acid nucleic, carbohydrate, lipid Đầu tiên thảo luận liên kết cộng hóa trị sau đến bốn loại tương tác khơng cộng hóa trị chính: liên kết ion, liên kết hydrogen, tương tác van der Waals hiệu ứng kị nước Cấu hình điện tử nguyên tử xác định số lượng tính chất liên kết cộng hóa trị mà tạo thành Hydrogen, oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, lưu huỳnh chất phổ biến phân tử sinh học Những nguyên tử tồn độc lập mà tham gia tạo liên kết Chúng dễ dàng hình thành liên kết cộng hóa trị sử dụng điện tử nằm orbital lớp ngồi Số lượng mơ hình liên kết cộng hóa trị mà nguyên tử tạo thành nguyên tử khác đặc trưng cho nguyên tử Kích thước ngun tử, phân bố diện tích số điện tích góp chung định mơ hình liên kết Một số ngun tử (Ví dụ, carbon) ln tạo thành số liên kết cộng hóa trị bền cố định số khác (Ví dụ, lưu huỳnh) tạo số liên kết cộng hóa trị bền khác Carbon trung tâm tổ chức tất khối cấu trúc sinh học Carbon thường hình thành bốn liên kết cộng hóa trị với ba bốn nguyên tử khác Ví dụ, carbon phân tử formaldehyde liên kết với ba nguyên tử mặt phẳng chung Ở đó, carbon tham gia tạo hai liên kết đơn với hai nguyên tử liên kết đơi (sử dụng hai cặp điện tử góp chung) với nguyên tử thứ ba Khi không bị hạn chế khá, nguyên tử tham gia liên kết đơn thường quay tự quanh trục liên kết, nguyên tử tham gia liên kết đối khơng thể Mặt phẳng cố định liên kết đơi áp đặt có nghĩa vơ to lớn hình dạng độ linh động phân tử sinh học phosphlipid, protein, acid nucleic Carbon gắn với bốn nguyên tử phân tử methane (CH4) Trong trường hợp này, góc hai liên kết ln 109,5o nguyên tử tham gia liên kết nằm bốn đỉnh hình tứ diện Cấu hình xác định cấu trúc nhiều phân tử sinh học Carbon liên kết với bốn phân tử nhóm chức khác theo cấu hình khơng phẳng gọi carbon bất đối xứng, tạo hai đồng phân ảnh qua gương Đặc tính có tên tính chất bàn tay (chyrality) phân tử đươc coi đồng phân quang học, hay đồng phân lập thể Nhiều phân tử tế bào chứa nguyên tử carbon bất đối xướng, thường gọi nguyên tử carbon bàn tay Hoạt tính sinh học đồng phân lập thể thường hoàn toàn khác biệt Điều xếp nguyên tử cấu trúc khác nha nên chúng có phương thức tương tác phản ứng hóa học với phân tử khác Một số loại thuốc chứa hỗn hợp đồng phân lập thể tiểu phân tử số mang lại hoạt tính sinh học có lợi Do sử dụng đồng phân lập thể tinh khiết đem lại hiệu lực cao giảm hiệu ứng phụ Ví dụ đồng phân lập thể thuốc chống suy nhược citalopram (Celexa) có hiệu lực cao gấp 170 lần đồng phân khác Hoạt tính số đồng phân lập thể khác Darvon thuốc giảm đau đồng phân lập thể Novrad (Darvon viết ngược lại) thuốc giảm ho Một đồng phân lập thể ketamine thuốc tê, đồng phân lập thể khác gây ảo giác Hình 1.2 : Trình bày số liên kết cộng hóa trị hình thành nguyên tử phổ biến Nguyên tử hydrogen tạo số liên kết cộng hóa trị Nguyên tử oxy thường tạo hai liên kết cộng hóa trị dư hai cặp điện tử để tham gia tương tác khơng cộng hóa trị Lưu huỳnh tạo hai liên kết cộng hóa trị sunfua hydrogen (H2S) tạo liên kết cộng hóa trị acid sulfuric (H2SO4) dẫn xuất lưu huỳnh nitrogen phosphorus có điện tử lớp Trong amoniac ( NH3), nitrogen (tham gia tạo ba liên kết cộng hóa trị; cặp điện tử cịn dư tham gia tương tác khơng cộng hóa trị Trong ion amoni (NH4+), nitrogen tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị với cấu hình tứ diện Phospho thường tạo liên kết cộng hóa trị acid phosphoric (H3PO4) dẫn xuất phosphate tạo thành khung acid nucleic Các nhóm phosphate gắn cộng hóa trị với protein đóng vai trị điều hịa hoạt tính nhiều protein Phân tử trung tâm lĩnh vực lượng học tế bào ATP chứa ba nhóm phosphate (Xem phần 2.4) (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Hình 1.3 : Cấu trúc chiều Methane Formaldehyde (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Trong liên kết cộng hóa trị, điện tử góp chung nằm cân lệch phía Độ âm điện mức độ mà nguyên tử có khả hút điện tử Khi hai nguyên tử có độ âm điện tương tự cặp điện tử tham gia liên kết nằm cân hai nguyên tử trường hợp liên kết C-C C-H Liên kết gọi không phân cực Tuy nhiên nhiều phân tử, nguyên tử tham gia liên kết có độ âm điện khác nên cặp điện tử góp chung nằm lệch phía Liên kết chúng gọi phân cực Một đầu liên kết phân cực có điện tích âm (δ-) đầu có điện tích dương (δ+) Ví dụ liên kết O-H, O có độ âm điện lớn H nên điện tử dành nhiều thời gian để quanh xung quanh nguyên tử O Do liên kết O-H có tính lưỡng điện tức hai đầu liên kết tích điện ngang trái dấu Trong lưỡng cực điện O-H, (δ-) O khoảng 25% điên tích điện tử, giá trị tuyệt đối (δ+) H Bởi hai liên kết O-H nước không nằm đối diện qua O nên phân tử nước (H2O) có tính lưỡng cực khả tạo tương tác tĩnh điện, khơng cộng hóa trị với với phân tử khác Những tương tác đóng vai trị trọng yếu tương tác hóa học sở cho sinh học tế bào Độ phân cực liên kết đôi O=P H3PO4 tạo cộng hưởng lai hóa (resonance hybrid), cấu trúc trung gian hai dạng cấu trúc thể với cặp dấu chấm đại diện cho điện tử không tham gia liên kết Trong cộng hưởng lai hóa bên phải, điện tử từ liên kết đôi P=O lệch phía O làm mang điện tích âm P mang điện tích dương Các điện tích quan trọng tương tác khơng cộng hóa trị Liên kết cộng hóa trị mạnh nhiều bền tương tác khơng cộng hóa trị Liên kết cộng hóa trị ổn định (tức mạnh) lượng cần thiết để pahs vỡ chúng lớn nhiều so với nhiệt nhiệt độ phòng (25oC) nhiệt độ thể (37oC) Ví dụ, nhiệt 25oC khoảng 06, Kcal/mol lượng cần để phá vỡ liên kết đơn C-C ethane gấp khoảng 140 lần Do nhiệt độ phịng (25oC) có phần 1012 phân tử ethane bị phá vỡ thành hai phân tử CH3 chứa điện tử không cặp đơi (gọi gốc) Hình 1.4: Phân bố điện tử lớp ngồi tham gia khơng tham gia liên kết nhóm peptide (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Năng lượng liên kết đơn cộng hóa trị phân tử sinh học tương đương với lượng liên kết C-C ethane So với liên kết đơn liên kết đơi cần nhiều điện tử góp chung để hình thành nên cần nhiều lượng để phá vỡ Ví dụ, cần 84 Kcal/mol để phá vỡ liên kết đôi C=O Những liên kết đôi phổ biến phân tử sinh học C=O, C=N, C=C P=O Hình 1.5: biểu đồ lượng số liên kết (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Ngược lại, lượng liên kết tương tác khơng cộng hóa trị từ đến 5Kcal/mol, thấp nhiều so với liên kết cộng hóa trị Thật vậy, tương tác cộng hóa trị yếu đến chúng hình thành phá vỡ với vận tốc ngang nhiệt độ phòng Mặc dù yếu tồn ngắn nhiệt độ sinh lý (24-37oC,nhiều tương tác khơng cộng hóa trị hoạt động tương hỗ) Điều tạo kết hợp đặc hiệu ổn định thành phần khác phân tử lớn giửa đại phân tử Dưới điểm lại bốn loại tương tác khơng cộng hóa trị chính, sau xem xét vai trò gắn kết phân tử sinh học với với phân tử khác chúng Tƣơng tác ion lực hút ion chứa điện tích trái dấu Tương tác ion hình thành từ ion tích điện dương(cation) ion tích điện âm (anion) Ví dụ, NaCl cặp điện tử góp chung Na hồn tồn chuyển tới Cl Khơng giống liên kết cộng hóa trị, tương tác ion khơng có nhiều cấu hình đặc hiệu cố định trường tĩnh điện xoay quanh ion (lực hút ion với điện tích trái dương) đồng theo chiều Trong NaCl rắn, nhiều ion gắn chặt với theo mơ hình cho điện tích trái dấu thẳng hàng tạo thành mạng lưới tinh thể có tổ chức cao (tinh thể muối) Khi hòa tan nước, ion NaCl phân tách ổn định hóa tương tác với nước Trong dung dịch, lớp vỏ nước bao quanh ion đơn giản có giá trị sinh học Na+ ,K+,Ca2+,Mg2+, Cl- Lớp vỏ hình thành tương tác ion ion trung tâm đầu mang điện tích trái dấu phân tử nước lưỡng cực Hiện tượng gọi hydrate hóa lượng giải phóng ion liên kết với phân tử nước gọi lượng hydrate hóa Hầu hết ion dễ hịa tan nước lượng hydrate hóa lớn lượng mạng lưới (năng lượng ổn định hóa cấu trúc tinh thể) Khi ion tương tác trực tiếp với protein lớp vỏ hydrate cần loại bỏ Ví dụ, lớp vỏ hydrate biến ion qua lỗ protein màng tế bào dẫn truyền xung thần kinh Cường độ tương đối tương tác ion A- C+ phụ thuộc vào nồng độ ion khác dung dịch Nồng độ ion khác cao ( ví dụ Na+ Cl-) A- C+ có nhiều hội tương tác ion với ion lượng cần để phá vỡ tương tác A- C+ thấp Kết tăng nồng độ muối (ví dụ NaCl) dung dịch chứa phân tử sinh học làm yếu chí phá vỡ tương tác ion chúng Liên kết hydrogen xác định độ hòa tan nƣớc phân tủ khơng tích điện Liên kết hydrogen tương tác nguyên tử hydrogen tích điện dương phân tử lưỡng cực (ví dụ nước) với điện tử khơng chia ngun tử khác Liên kết hydrogen hình thành phân tử (nội phân tử) hai phân tử (liên phân tử) Thông thường nguyên tử hydrogen tham gia tạo liên kết cộng hóa trị với ngyên tử có độ âm điện (D) tạo phân tử phân cực Trong phân tử này, H tham gia tạo liên kết hydrogen với nguyên tử nhận (A) có cặp điện tử chưa liên kết: Liên kết cộng hóa trị D-H lúc dài chút so với khơng có liên kết hydrogen A kéo H xa D Đặc trưng quan trọng liên kết hydrogen tính định hướng Trong liên kết hydrogen mạnh , nguyên tử cho, nguyên tử hydrogen nguyên tử nhận nằm đường thẳng (tuyến tính) Các liên kết hydrogen phi tuyến yếu nhiều liên kết giúp ổn định cấu trúc lập thể protein Liên kết hydrogen dài yếu liên kết cộng hóa trị hình thành từ loại nguyên tử Ví dụ hai phân tử nước, khoảng cách hạt nhân hydrogen oxy liên kết hydrogen khoảng 0.27 nm Giá trị gấp khoảng hai lần độ dài liên kết cộng hóa trị O-H phân tử nước Liên kết hydrogen hai phân tử nước (xấp xỉ 5kcal/mol) mạnh so với liên kết hydrogen tạo thành nhiều phân tử sinh học khác (1-2kcal/mol) yếu nhiều so với liên kết cộng hóa trị O-H (gần 110kcal/mol) Liên kết hydrogen hình thành rộng khắp nước tạo nhiều tính chất trọng yếu hợp chất này, bao gồm nhiệt độ sôi nhiệt độ tan bất thường khả tương tác, hòa tan nhiều chất khác Hình 1.6: Ion Mg2+ phân tử nước xung quanh (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Độ hịa tan chất khơng tích điện dung dịch phụ thuộc nhiều vào khả tạo liên kết hydrogen với nước Ví dụ nhóm hydroxyl ancol nhóm amin amine tạo thành số liên kết hydrogen nên chúng dễ hịa tan vào nước Nhìn chung phân tử chứa liên kết phân cực, phân tử tích điện ion tạo liên kết hydrogen nên dễ hịa tan nước, hay nói cách khác chúng ưa nước Ngoài amin hydroxyl, nhiều phân tử sinh học khác cịn chứa nhóm peptide ester Những nhóm tham gia tạo liên kết hydrogen với nước thông qua cặp điện tử chưa cặp đôi oxy nhóm carbonyl Chụp ảnh tinh thể dùng tia X kết hợp với phân tích máy tính cho phép đồ họa xác phân bố điện tử khơng chia lớp ngồi nguyên tử điện tử tham gia tạo liên kết cộng hóa trị Hình 1.7: Một số dạng liên kết hydrogen điển hình Tƣơng tác van der Waals lƣỡng cực điện tạm thời gây Khi hai nguyên tử lại gần nhau, chúng tạo lực hút yếu không đặc hiệu, gọi tương tác van der Waals Nguyên nhân tạo tương tác không đặc hiệu dao động tự ngắn hạn điện tử nguyên tử tạo phân bố điện tích bất đối xứng Nếu hai ngun tử liên kết khơng cộng hóa trị đủ gần nhau, điện tử nguyên tử xáo trộn điện tử nguyên tử khác Sự xáo trộn tạo lưỡng cực điện tạm thời nguyên tử thứ hai hai lưỡng cực điện tạo lực hút yếu lẫn Tương tự, liên kết cộng hóa trị phân cực phân tử hút nguyên tử khác theo nhiều lưỡng cực ngược lại Hình 1.8: Liên kết cộng hóa trị liên kết Van der Walls Như tương tác Van der Waals lưỡng cực điện tạm thời cố định gây tồn loại phân tử, phân cực không phân cực Đặc biệt, tương tác Van der Waals giúp cố kết phân tử không phân cực chúng tạo liên kết hydrogen tương tác ion với phân tử khác Vì cường độ tương tác Van der Waals giảm nhanh chóng khoảng cách tăng nhanh nên liên kết tạo thành nguyên tử gần Tuy nhiên nguyên tử nằm gần, chúng đẩy điện tích âm nguyên tử Khi lực hút Van der Waals hai nguyên tử cân xác với lực đẩy hai đám mây điện tử (orbital), ta gọi nguyên tử tiếp xúc Van der Waals Tương tác Van der Walls có cường độ khoảng kcal/mol, yếu liên kết hydrogen điển hình lớn chút so với nhiệt phân tử 25oC Vì cần nhiều tương tác Van der Waals và/hoặc tương tác Van der Waals với tương tác khơng cộng hóa trị khác để ảnh hưởng đáng kể tới độ bền tiếp xúc phân tử Hiệu ứng kị nƣớc làm phân tử khơng phân cực kết tụ Vì phân tử khơng phân cực chứa nhóm tích điện, khơng có moment lưỡng cực hydrate hóa nên chúng khơng khơng tịa tan nước hay nói cách khác, chúng có tính kị nước C-C C-H liên kết cộng hóa trị khơng phân cực phổ biết hệ sinh học Hydrocarbon loại phân tử chứa carbon hydrogen không tan nước Chất béo động vật dầu thực vật có chất triacylglycerol lớn (hay triglyceride) khơng hịa tan nước Như đề cập đây, thành phần phân tử Có thể áp dụng khái niệm cân phản ứng cho trình gắn hai phân tử Nhiều trình tế bào quan trọng phụ thuộc vào “phản ứng” gắn Những phản ứng tạo hay phá vỡ nhiều tương tác khơng cộng hóa trị thay liên kết cộng hóa trị đề cập Một ví dụ phổ biến phối tử (ví dụ hormone insulin hay adrenaline) gắn với thụ thể bề mặt tế bào, tạo thành tập hợp đa phân tử (phức hệ) gây đáp ứng sinh học Ví đụ khác protein gắn với trình tự đặc hiệu DN A, làm tăng giảm biểu gene lân cận Nếu biết số cân phản ứng gắn, xác định độ bền phức hệ tạo Để minh họa phương pháp chung dùng để xác định nồng độ phức hệ liên hợp khơng cộng hóa trị, tính mức độ protein (P) gắn với DNA (D) tạo thành phức hệ protein-DNA (PD): P + D ⇄ PD Tính chất hầu hết phản ứng gắn mô tả dạng số phân ly Kd , giá trị nghịch đảo số cân Phản ứng có số cân : Phản ứng gắn điển hình protein trình tự DNA đặc hiệu có Kd=10-10M với M nồng độ phân tử gam Để liên hệ độ lớn số phân ly với tỷ lệ DNA gắn không gắn, ta lấy ví dụ đơn giản tế bào vi khuẩn với dung tích 1,5x10-15l, chứa phân tử DNA 10 phân tử protein gắn DNA (P) Trong trường hợp này, từ Kd=10-10 M suy 99% thời gian trình tự DNA đặc hiệu gắn với phân tử protein, cho dù tế bào chứa 10 phân tử protein! Rõ ràng P gắn chặt với D (có áp lực cao) Giá trị số số phân ly phản ứng gắn thấp phản ánh điều Tương tác protein-protein protein-DNA coi chặt Kd =10-9 M (nanomolar), chặt vừa phải Kd = 10-6 M ( micromolar) tương đối yếu Kd = 10-3 M (millimolar) Do kích thước đại phân tử sinh học (như protein) lớn nên bề mặt chúng thường chứa nhiều vị trí tham gia tương tác bổ sung với phân tử khác Do nhiều đại phân tử có khả gắn đồng thời với số phân tử khác Trong số trường hợp, phản ứng gắn độc lập với giá trị Kd số Ở trường hợp khác, phân tử gắn với vị trí A đại phân tử làm thay đổi cấu hình lập thể vị trí B dẫn đến thay đổi tương tác gắn vị trí B với số phân tử khác Cơ chế quan trọng nhờ mà phân tử thay đổi (điều hịa) hoạt tính phân tử thứ hai (ví dụ protein) cách thay đổi khả tương tác phân tử thứ hai với phân tử thứ ba Mỗi loại dịch sinh học có giá trị pH đặc trƣng Dung môi bên tế bào dịch ngoại bào nước Đặc tính quan trọng dung dịch lỏng nồng độ H+ OH- Vì sản phẩm phân ly H2O nên ion thành phần hệ thống sống, chúng giải phóng nhiều phản ứng xảy phân tử hữu tế bào H+ OH- vận chuyển vào tế bào, lớp tế bào lót dày tiết dịch vị có độ acid cao Khi phân ly, liên kết H-O phân cực H2O bị phá vỡ Ion H+ tạo thành thường gọi proton có thời gian tồn tự ngắn nhanh chóng kết hợp với H2O, tạo thành ion hydrogennium (H3O+) Tuy nhiên để thuận tiện nói đến nồng độ ion hydrogen dung dịch ([H+]) thực chất nồng độ ion hydrogennium ([H3O+]) Nước phân ly tạo ion OH- H+ theo phản ứng thuận nghịch : Tại 25oC, [H+][ OH-]=10-14 M2 nên nước tinh khiết có [H+]=[ OH-]=10-7 M Theo quy ước, [H+] dung dịch biểu giá trị pH pH âm logarit [H+] pH nước tinh khiết = 7: Cần nhớ sai khác đơn vị pH tương đương với 10 khác biệt nồng độ proton Trên thang pH, 7,0 pH trung tính, dung dịch acid có độ pH7,0 ( kiềm tính) (hình 2-25) Ví dụ dung dịch giàu acid HCl có pH khoảng [H+] gấp khoảng triệu lần [H+] tế bào chất (pH khoảng 7,2) Tương bào thường có pH khoảng 7,2 pH bên tiêu thể (cơ quan tử tế bào nhân chuẩn) thấp nhiều (khoảng 4,5) Nhiều enzyme thủy phân tiêu thể có chức tối ưu mơi trường acid, hoạt tính chúng bị kìm hãm mơi trường gần trung tính tương bào, điều cho thấy cần trì pH đặc hiệu cho số cấu trúc tế bào hoạt động xác Mặt khác, pH tế bào biến động mạnh đóng vai trị quan trọng điều hịa hoạt tính tế bào Ví dụ tế bào chất trứng chim biển chưa thụ tinh (động vật sống nước) có pH 6,6 Tuy nhiên pH tăng tới 7,2 vòng phút sau thụ tinh; có nghĩa [H+] giảm xuống khoảng ¼ giá trị ban đầu Biến đổi cần thiết cho trình phát triển phân chia sau trứng Acid giải phóng H+ cịn base hấp thụ Nhìn chung, acid phân tử, ion nhóm hóa học có khả giải phóng ion hydrogen (H+) HCl nhóm cacborxy (-COOH) acid Trong –COOH có xu hướng phân ly tạo thành ion carboxylate (-COO-) tích điện âm Tương tự, base phân tử, ion nhóm chức có khả nhận H+, ví dụ ion OH-, NH3 ( tạo thành ion ammonium NH4+); nhóm amin (-NH2) Khi bổ sung acid vào dung dịch, nồng độ H+ tăng (pH giảm) Ngược lại bổ sung base vào dung dịch, nồng độ H+ giảm (pH tăng) Vì [H+][ OH-]=10-14 M2 nên nồng độ H+ tăng lên làm nồng độ OH- giảm tương ứng ngược lại Nhiều phân tử sinh học, chưa hai nhóm acid base Ví dụ dung dịch trung tính (pH=7,0), nhiều acid amin tồn phần lớn dạng ion hóa kép, nhóm carboxy proton nhóm amin nhận proton Với R mạch nhánh khơng tích điện Phân tử chứa số ion dương âm gọi zwitterions Zwitterions có tổng điện tích khơng (trung tính) Tại pH acid base, hai nhóm ion hóa acid amin tích điện Có thể viết chương trình phản ứng phân ly acid (hay nhóm acid phân tử lớn) HA HA = H+ + A- Hằng số cân phản ứng này, Ka ( a viết tắt acid), xác định theo công thức : Ka = [H+][ A-]/[HA] Biến đổi phương trình tạo phương trình HendersonHaselbalch hữu dụng, thể tương quan số cần pH : Với pKa= -log Ka Từ phương trình thấy pKa củaacid pH số phân tử phân ly không phân ly Điều [A-]=[HA] log ([A-]/[HA])=0, dẫn đến pKa=pH Phương trình Henderson-Haselbalch cho phép tính độ phân ly acid biết pH dung dịch pKa Trong thực nghiệm, cách đo theo pH dung dịch, tính pKa acid từ tính số cần Ka phản ứng phân ly Đệm trì pH dung dịch nội ngoại bào Mặc dù tạo nhiều sản phẩm trao đổi chat có tính acid acid lactic CO2 (CO2 phản ứng với nước tạo thành acid carbonic), tế bào phát triển phải trì pH tế bào chất khoảng 7,2-7,4 Để thực nhiệm vụ này, tế bào chứa hệ đệm cấu thành từ acid base yếu điều đảm bảo trì pH tế bào tương đối khơng đổi nồng độ H+ OH- dao động nhẹ trao đổi chất, hấp thụ tiết phân tử ion Đệm làm điều cách “hút bớt” H+ OH- dư chúng vào tế bào tạo từ trình trao đổi chất Nếu bổ sung acid base vào đệm có pH pKa đệm [HA]=[A-] pH dung dịch thay đổi so với khơng có đệm Điều H+ giải phóng thêm acid bị dạng ion hóa đệm (A-) hấp thụ Tương tự, thêm base, OH- bị trung hịa proton HA giải phóng Năng lượng giải phóng hấp thụ H+ chất phụ thuộc vào tương quan pH dung dịch pKa chất Khả trì pH ổn định đệm gọi lực đệm phụ thuộc vào nồng độ tương quan giá trị pKa đệm với pH biểu diễn phương trình Henderson- Hasselbalch Đồ thị chuẩn độ acid acetic minh họa hiệu ứng pH phân đoạn phân tử dạng ion hóa HA ion hóa (A-) Khi pH pKa đơn vị, 91% phân tử dạng A- Khi pH khoảng pK , lực đệm acid yếu base yếu giảm nhanh chóng Nói cách khác, trường hợp bổ sung số mol acid vào dung dịch chứa hỗn hợp HA A-, pH acid gần pKa pH dung dịch thay đổi so với khơng có HA Ahoặc pH acid khác xa pKa Mọi hệ sinh học chứa môt nhiều loại đệm Dạng ion hóa acid phosphoric (các ion phosphate) có nhiều tế bào yếu tố quan trọng để trì (hay đệm) pH tế bào chất Acid phosphoric(H3PO4) có ba proton với khả phân ly độc lập(không lúc) Phản ứng phân ly proton có pKa riêng Đồ thị chuẩn độ acid phosphoric cho thấy pKa phân ly proton thứ hai 7,2 Do theo phương trình Henderson-Hesselbatch, pH 7,2 khoảng 50% phosphate tế bào H2PO4- Do phosphate đệm lý tưởng pH 7,2 (xấp xỉ pH tế bào chất) 7,4 (pH máu người) 1.4 Năng lƣợng hóa sinh học Quá trình tạo, tích trữ sử dụng lượng trung tâm tính hiệu tế bào Có thể định nghĩa lượng khả sinh công, khái niệm vừa với động ô tô nhà máy điện sống với cỗ máy tế bào giới sinh học Có thể khai thác lượng trữ liên kết hóa học đẻ cung cấp cho hoạt động hóa học vận động học tế bào Một số hình thức lƣợng quan trọng hệ sinh học Có hai dạng lượng : động Động năng lượng vận động - ví dụ vận động phân tử Dạng lượng thứ hai (năng lượng tích trữ), đặc biệt quan trọng nghiên cứu hệ thống sinh hóa học Nhiệt hay nhiệt dạng động Để sinh công, nhiệt cần truyền từ vùng nhiệt độ cao-nơi tốc độ vận tốc trung bình phân tử cao tới nơi có nhiệt độ thấp.Mặc dù tồn chênh lệch nhiệt độ môi trường bên bên tế bào, gradient nhiệt thường nguồn lượng giúp tế bào hoạt động Qua tiến hóa, động vật máu nóng có chế điều hòa thân nhiệt nhiệt chúng sử dụng để trì thân nhiêt ổn định Chức quan trọng tốc độ nhiều hoạt động tế bào phụ thuộc vào nhiệt độ Ví dụ, làm lạnh tế bào động vật có vú từ nhiệt độ thể bình thường (37oC) xuống 4oC gần đóng băng hay dừng nhiều q trình tế bào (ví dụ vận động màng nội bào) Năng lượng xạ động photon, quan trọng sinh học Năng lượng xạ chuyển hóa thành nhiệt năng, ví dụ phân tử hấp thụ ánh sáng chuyển hóa lượng thành vận động phân tử Năng lượng phân tử phân tử hấp thụ biến đổi cấu hình điện tử nó, chuyển điện tử tới trạng thái lượng cao Trạng thái lượng sau phục hồi bình thường giải phóng lượng sinh cơng Ví dụ, quang hợp , lượng ánh sáng phân tử chuyên biệt (ví dụ chất diệp lục) hấp thụ sau chuyển hóa lượng liên kết hóa học Cơ dạng động sinh học, thường chuyển hóa lượng hóa học tích trữ từ trước gây Ví dụ, thay đổi chiều dài tơ khung tế bào tạo lực đẩy kéo màng quan tử Điện năng-năng lƣợng vận động điện tử hạt điện tích khác-cũng dạng động Nhiều dạng có ý nghĩa quan trọng sinh học Quan trọng sinh học hóa năng, lượng lưu giữ dạng liên kết hóa học nguyên tử phân tử Thực vậy, hầu hết phản ứng hóa học mơ tả sách liên quan đến thiết lập phá vỡ liên kết cộng hóa trị Chúng ta nhận lượng chất tham gia phản ứng giải phóng lượng Ví dụ cao tích tụ liên kết cộng hóa trị glucose giải phóng phản ứng đốt cháy enzyme xúc tác Tế bào khai thác dạng lượng để thực nhiều hoạt động Dạng quan trọng thứ hai cho sinh học lượng gradient nồng độ Gradient nồng độ tồn chất có nồng độ khác hai bên rào chắn (ví dụ màng) Mọi tế bào hình thành gradient nồng độ bên bên dịch trao đổi chọn lọc chất dinh dưỡng, chất thải ion với môi trường xung quanh Các quan tử tế bào (ty thể, tiêu thể ) thường chứa ion phân tử với nồng độ khác Như thấy phần sau, nồng độ proton tiêu thể gấp khoảng 500 lần tế bào chất Dạng thứ ba tế bào điện thế, lượng phân tách điện tích Ví dụ, tồn gradient điện = 200 000 volt/cm qua màng tế bào Tế bào chuyển dạng lƣợng thành dạng khác Theo định luật nhiệt động học thứ nhất, lượng không tự sinh mà không tự mà chuyển hóa từ dạng sang dạng khác Ví dụ, quang hợp, quang chuyển thành hóa Ở thần kinh, hóa tích trữ liên kết cộng hóa trị chuyển hóa tương ứng thành động co bóp điện truyền xung thần kinh Trong tế bào chất, tạo phá vỡ liên kết hóa học định sử dụng để tạo dạng garadient nồng độ gradient điện Tương tự, lượng lưu giữ gradient nồng độ hóa học hay gradient điện sử dụng để tổng hợp liên kết hóa học để vận chuyển phân tử qua màng nhằm tạo gradient nồng độ Quá trình sau xảy vận chuyển chất dinh dưỡng glucose tới tế bào định vận chuyển nhiều chất thải khỏi tế bào Bởi ta hốn chuyển tất hình thức lượng cho nên dùng chung đơn vị đo lường Mặc dù đơn vị chuẩn lượng J, nhà hóa sinh theo truyền thống thường xuyên sử dụng đơn vị calo (1J= 0,239calo) Xuyên suốt sách sử dụng kilocalo để đo biến đổi lượng (1kcal=1000calo) Biến thiên lƣợng tự xác định chiều phản ứng hóa học Bởi hệ sinh học thường xảy điều kiện nhiệt độ áp suất khơng đổi nên tiên đốn chiều phản ứng hóa học dựa biến thiên lượng tự G, tên đặt sau J.W.Gibbs cho thấy “tất thay đổi hệ thống theo hướng tối thiểu hóa lượng tự do[G]” Trong trường hợp phản ứng hóa học, chât tham gia, sản phẩm, biến thiên lượng tự do: Có thể tóm gọn tương quan ∆G chiều phản ứng ba mệnh đề sau:    Nếu ∆G âm, phản ứng thuận tự xảy thường giải phóng lượng (phản ứng tỏa lượng) Nếu ∆G dương, phản ứng thuận không tự xảy mà cần bổ sung lượng cho hệ thống để thúc đẩy chuyển hóa chất tham gia thành sản phẩm (phản ứng thu lượng) Nếu ∆G 0, phản ứng thuận nghịch xảy tốc độ nên nồng độ sản phẩm chất tham gia không đổi; hệ thống đạt trạng thái cân Theo quy ước, biến thiên lượng tự chuẩn phản ứng (∆Go’) biến thiên lượng tự điều kiện 298 K, áp suất 1atm, pH 7,0 (như nước tinh khiết), nồng độ ban đầu tất chất tham gia sản phẩm (trừ proton) 1M, proton giữ 10-7M (pH 7,0) Hầu hết phản ứng sinh học không xảy điều kiện chuẩn, đặc biệt nồng độ chất tham gia phản ứng thường nhỏ 1M Năng lượng tự hệ hóa học G = H- TS, với H lượng liên kết (enthalpy) hệ thống; T nhiệt độ theo đơn vị Kevin(K); S entropy(thước đo độ ngẫu nhiên hay độ trật tự) Nếu nhiệt độ giữ không đổi, phản ứng tự diễn biến thiên lượng tự ∆G âm δG = δH- δTS(2-6) Trong phản ứng tỏa nhiệt lượng liên kết sản phẩm thấp chất tham gia nên nưng lượng giải phóng thường chuyển hóa thành nhiệt (năng lượng vận động phân tử) ∆H âm Trong phản ứng thu nhiệt, lượng liên kết sản phẩm cao chất tham gia nên nhiệt độ bị hấp thu tiến trình phản ứng ∆H dương Hiệu ứng tổ hợp biến thiên enthalpy entropy xác định dấu ∆G Phản ứng tỏa nhiệt (∆H0) tự xảy (∆G0) tự xảy ∆S tăng cho T∆S lớn ∆H Nhiều phản ứng sinh học dẫn đến tăng độ trật tự làm giảm entropy (∆S1 Do lúc cân nồng độ sản phẩm cao nồng độ chất tham gia hay nói cách khác, phản ứng ưu tiên tạo sản phẩm Ngược lại, ∆Go’ dương số mũ âm K eq 0) khơng tự xảy Các ví dụ bao gồm tổng hợp DNA từ nucleotide vận chuyển vật chất qua màng từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp Tế bào thực phản ứng cần lượng (thu lượng) (∆G1>0) phản ứng tổng có ∆G âm Ví dụ giả định phản ứng có ∆G = kcal/mol phản ứng có ∆G = -10 kcal/mol: Khi khơng có phản ứng thứ hai cân nồng độ A lớn nồng độ B nhiều Tuy nhiên, phản ứng chuyển hóa X thành Y+Z có lợi mặt lượng nên đẩy trình theo chiều tạo thành B tiêu thụ A Trong tế bào, phản ứng thu lượng thường kèm với phản ứng thủy phân ATP giải phóng lượng thảo luận tiếp ATP bị thủy phân giải phóng lƣợng tự đáng kể điều khiển nhiều trình tế bào Ở hầu hết sinh vật, adenosine triphosphate (ATP) phân tử quan trọng cho bắt giữ, tích trữ tạm thời sau chuyển hóa lượng để sinh cơng (ví dụ sinh tổng hợp, vận động học) Năng lượng ATP chứa liên kết phosphoanhydride Đây liên kết cộng hóa trị tạo thành hai ATP có hai liên kết phosphoanhydride (cịn gọi phosphodiester) Q trình thủy phân liên kết phosphoanhydride (~) phản ứng có ∆Go’rất âm, khoảng 7,3 kcal/mol: Trong phản ứng này, Pi phosphate vô (PO43-) PPi pyrophosphate (hai nhóm phosphate gắn với liên kết phosphoanhydride) vơ Như thể hai phản ứng đầu, ATP bị nhóm phosphate tạo adenosine diphosphate (ADP) pyrophosphate tạo adenosine monophosphate(AMP) Liên kết phosphoanhydride liên kết cao khác (thường kí hiệu ~) giống liên kết cộng hóa trị khác Khác biệt nằm giải phóng lượng lớn liên kết cao bị phá vỡ phản ứng thủy phân Ví dụ, ∆Go’ phản ứng thủy phân liên kết phosphoanhydride ATP (-7,3 Kcal/mol) gấp ba lần ∆Go’ phản ứng thủy phân liên kết phosphoester (màu đỏ) glycerol 3-phosphate(-2,2kcal/mol) Lý mức độ khác biệt ATP sản phẩm thủy phân (ADP Pi) tích điện cao pH trung tính Trong trình tổng hợp ATP, cần lượng lớn lượng để ép điện tích âm ADP Pi lại với Ngược lại, phản ứng thủy phân ATP thành ADP Pi giải phóng nhiều lượng Để so sánh, liên kết phosphoester Pi hydrogenxyl khơng tích điện glycerol cần lượng đẻ hình thành đồng thời lượng giải phóng bị thủy phân Tế bào tiến hóa nhiều chế sử dụng protein để chuyển lượng liên kết phosphoanhydride giải phóng bị thủy phân tới phân tử khá, cách điều khiển phản ứng lợi mặt lượng Ví dụ, xét phản ứng B+C → D với ∆G dương nhỏ giá trị tuyệt đối ∆G phản ứng thủy phân ATP Trong trường hợp này, phản ứng có chiều từ trái sang phải kèm với phản ứng thủy phân liên kết phosphoanhydride ATP Theo chế cặp đôi lượng phổ biến này, lượng tích trữ liên kết phosphoanhydride truyền cho chất tham gia (ví dụ B) liên kết ATP bị phá vỡ (giải phóng Pi) liên kết cộng hóa trị Pi với B hình thành B sau phosphoryl hóa theo cách phản ứng với C tạo D+Pi theo phản ứng có ∆G âm: Một số chế cặp đơi lượng khác sử dụng lượng giải phóng thủy phân ATP để biến đổi cấu hình phân tử thành trạng thái nén “\giàu lượng” Sau phân tử “giãn” trở lại cấu hình khơng nén giải phóng lượng tích trữ Nếu q tình giãn bắt cặp hữu với phản ứng khác, lượng giải phóng khai thác để điều khiển trình tế bào quan trọng Như với nhiều phản ứng sinh tổng hợp, trình vận chuyển phân tử vào tế bào thường có ∆G dượng cần bổ sung lượng để diễn Các phản ứng vận chuyển đơn giản không liên quan trực tiếp đến việc tạo hay phá vỡ liên kết cộng hóa trị; ∆Go’ = Trong trường hợp chất vào tế bào, phương trình 2-7 trở thành: Với [Ctrong] nồng độ đầu chất bên tế bào [Cngồi] nồng độ chất bên ngồi tế bào Từ phản ứng 2-10 thấy ∆G dương chất vào tế bào ngược chiều gradient nơng độ ([Ctrong] lớn [Cngồi]) Phản ứng thủy phân ATP thường cung cấp lượng cho trình vận chuyển “lên dốc” Ngược lại, ∆G âm chất di chuyển theo chiều gradient nồng độ ( [Ctrong]