giáo trình hóa sinh học

MỞ ĐẦU LOGICH PHÂN TỬ CỦA VẬT THỂ SỐNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA HÓA SINH HỌC Hóa sinh học có thể được xem như hóa học của các vật thể sống. Mọi vật thể sống đều được cấu tạo từ những phân tử vô sinh song lại có những tính chất rất đặc biệt mà thế giới vô sinh không có. Đó là: Tính phức tạp và mức độ tổ chức cao. Trong cấu trúc phức tạp đó chứa vô số các hợp chất hóa học với các kiểu cấu trúc khác nhau. Trong khi đó môi trường xung quanh là hỗn hợp vô trật tự của các hợp chất khá đơn giản; Mỗi bộ phận tạo thành của cơ thể sống (cơ quan, mô, tế bào, các cấu trúc dưới tế bào và các phân tử hóa học khác nhau) được phân công thực hiện các chức năng xác định; Khả năng tiếp nhận năng lượng và nguyên liệu từ môi trường và biến hóa nó để sử dụng cho việc xây dựng và duy trì cấu trúc phức tạp của mình; trong khi đó các hệ thống vô sinh đều bị phân hủy nếu chúng hấp thụ năng lượng; Khả năng sinh sản, tức tự khôi phục một cách chính xác để tạo ra từ thế hệ này đến thế hệ khác những cá thể giống hệt như mình (nếu tránh được các yếu tố gây biến dị). Là một bộ phận không thể tách rời của tự nhiên, vật thể sống không thể không chịu sự điều khiển của tất cả các quy luật của tự nhiên. Tuy vậy, ngoài những quy luật chung của tự nhiên, các phân tử trong cơ thể sống còn tương tác với nhau và với môi trường xung quanh trên cơ sở một hệ thống các nguyên tắc đặc biệt mà ta có thể gọi chung là logich phân tử của vật thể sống. Đó là một hệ thống những quy luật cơ bản xác định bản chất, chức năng của các phân tử đặc biệt mà ta tìm thấy trong cơ thể sống và sự tương tác giữa chúng mà nhờ đó cơ thể trở nên có khả năng tự tổ chức và tự khôi phục. Phần lớn các thành phần hóa học của cơ thể sống là những hợp chất hữu cơ mà trong đó carbon tồn tại ở dạng có mức độ khử cao. Nhiều phân tử sinh học còn chứa nitơ. Hai nguyên tố này ở thế giới vô sinh ít phổ biến hơn và chỉ tồn tại ở dạng những hợp chất đơn giản như CO2, N2, CO32, NO3 v.v... Các hợp chất hữu cơ trong cơ thể sống rất đa dạng và phần lớn là cực kỳ phức tạp. Thậm chí cơ thể sống đơn giản nhất là vi khuẩn, ví dụ Escherichia coli, cũng đã chứa tới 5000 loại hợp chất hữu cơ khác nhau, trong đó có khoảng 3000 loại protein và 1000 loại acid nucleic. Trong những cơ thể phức tạp hơn – động vật và thực vật – mức độ đa dạng còn cao hơn nhiều. Ví dụ, trong cơ thể người có đến 5 triệu loại protein, trong đó không một loại nào giống hoàn toàn với protein của E. coli, mặc dù một số loại có chức năng giống nhau. Tuy nhiên dù cho các phân tử sinh học có đa dạng và phức tạp đến đâu, tất cả chúng đều có nguồn gốc rất đơn giản: tất cả protein đều được hình thành từ 20 loại aminoacid, toàn bộ acid nucleic – từ 8 loại nucleotide chủ yếu. Những phân tử vật liệu xây dựng đơn giản này được chọn lọc trong quá trình tiến hóa để thực hiện không phải chỉ một mà nhiều chức năng để đảm bảo nguyên tắc tiết kiệm tối đa. Trong cơ thể sống không thể tìm thấy một hợp chất nào mà không đảm nhiệm ít nhất một chức năng nào đó. Từ những điều nói trên có thể rút ra một quy luật: Tính đa dạng và phức tạp của các phân tử sinh học đều có cội nguồn khá đơn giản: mọi cơ thể sống đều có nguồn gốc chung và được tạo nên trên cơ sở tiết kiệm phân tử. Một khía cạnh đặc biệt khác của cơ thể sống là: bằng cách nào cơ thể sống có thể tạo ra và duy trì được tính trật tự và phức tạp của cấu trúc trong khi mọi quá trình vật lý và hóa học, theo định luật thứ hai của nhiệt động học, đều có xu hướng tiến tới chỗ mất trật tự và hỗn loạn, tức hướng về phía tăng entropy? Cơ thể sống không thể không tuân theo các quy luật của tự nhiên, tức chúng không thể xuất hiện một cách tự phát từ sự hỗn loạn. Nó cũng không thể tạo ra năng lượng từ chỗ không có gì, trái với định luật bảo toàn năng lượng. Thế nhưng cơ thể sống có một tính chất đặc thù quan trọng là có khả năng tiếp nhận năng lượng từ môi trường trong những điều kiện nhiệt độ và áp suất cụ thể, biến hóa năng lượng đó thành dạng năng lượng thích hợp cho bản thân chúng. Năng lượng hữu ích mà cơ thể sống có thể sử dụng được gọi là năng lượng tự do. Đó là phần năng lượng có thể tạo ra công trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi. Phần năng lượng mà tế bào thải ra môi trường thường là ở dạng nhiệt. Điều đó góp phần làm tăng entropy của môi trường, tức làm tăng tính hỗn loạn của nó. Vật thể sống là những hệ thống hở (theo cách diễn đạt của nhiệt động học), hay những hệ thống cách ly tương đối (theo cách nói của điều khiển học). Cả hai cách diễn đạt đều có nghĩa là những hệ thống này có sự liên hệ với môi trường xung quanh, trong đó môi trường cần cho cơ thể sống không những như nguồn năng lượng mà còn là nguồn vật liệu xây dựng. Đặc điểm của loại hệ thống này là chúng không thiết lập trạng thái cân bằng với môi trường, mặc dù có thể cảm giác rằng cơ thể tồn tại ở trạng thái cân bằng vì không nhận thấy có sự biến đổi khi quan sát chúng trong một khoảng thời gian nào đó. Trên thực tế thì không phải như vậy. Cơ thể sống chỉ có thể thiết lập trạng thái cân bằng động với môi trường, tức trạng thái mà tốc độ vận chuyển vật chất và năng lượng từ môi trường vào hệ thống cân bằng với tốc độ của dòng ngược lại. Như vậy, tế bào là một hệ thống hở không cân bằng, một chiếc máy tiếp nhận năng lượng tự do từ môi trường để làm tăng tính trật tự của bản thân, đồng thời làm tăng entropy của môi trường. Máy tiếp nhận năng lượng này hoạt động với hiệu suất cao