Giáo trình sinh học tế bào phần 2 hoàng đức cự

Định luật nhiệt động học cho biết năng lượng biến đổi như th ế nào ♦ Dòng năng lượng trong sinh vật: th ế năng có trong các điện tử của nguyên tử và như vậy có thể được truyền từ nguyên

Chương IV

KHÁI NIỆM CHƯNG

4.1 Định luật nhiệt động học cho biết năng lượng biến đổi như th ế nào

♦ Dòng năng lượng trong sinh vật: th ế năng có trong các điện tử của nguyên tử

và như vậy có thể được truyền từ nguyên tử này đến nguyên tử khác.

♦ Các định lu ật của nhiệt động học Năng lượng không bao giò bị m ất đi nhưng

khi nó được dẫn truyền, ngày càng nhiểu năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.

♦ Năng lượng tự do; trong một phản ứng hoá học, năng lượng được giải phóng ra

hoặc được cung cấp là hiệu trong năng lượng của liên kết hoá học giữa chất phản ứng và sản phẩm, được hiệu chính cho sự hỗn độn.

♦ Năng lượng hoạt hoá: để b ắ t đầu một phản ứng hoá học, cần một lượng nhỏ

năng lượng để phá vỡ tính ổn định của các liên kết hoá học vốn có.

4.2 Emym là chất xúc tác sinh học

♦ Enzym Protein h ìn h cầu gọi là enzyra c6 chức năng xúc tác các phản ứng hoá

học trong tế bào.

♦ H oạt động của enzym: enzym được tạo hình để khớp hoàn toàn vói cơ chất,

thúc đẩy các nhóm phản ứng hoá học vào đủ gần để phản ứng xảy ra nhanh chóng.

♦ Các nhân tố ảnh hưởng lên hoạt tính enzym: enzym hoạt động hiệu quả nh ất

ở nhiệt độ và pH tối ưu.

♦ Nhóm ngoại của enzym: ion kim loại và các chất khác thưòng có tác dụng hỗ

trỢ enzym thực hiện sự xúc tác.

♦ Enzym cần nhiều dạng Một số enzym kết hỢp theo các nhóm phức hợp, chất

xúc tác khác thậm chí không phải protein.

4.3 ATP là tiền tệ năng lượng cùa sự sống

♦ ATP là gì? Tế bào dự trữ và giải phóng năng lượng từ các liên k ết photphat của ATP - tiền tệ năng lượng của tế bào.

4.4 Trao đổi chất là đời sống hoá học của tế hào

♦ Các con đưòng sinh hoá Đơn vị tổ chức của quá trìn h trao đổi chất (chuyển

hoá vật chất) Con đường sinh hoá là đơn vị tổ chức của quá trình trao đổi

chất.

♦ Sự tiến hoá của quá trìn h trao đổi chất Các quá trìn h chuyển hoố chủ yếu đã

tiến hoá trên một chu kỳ dài, dựa vào giả thuyết cái gì x u ất hiện trước.

Có thể coi sự sống như một dòng năng lượng liên tục được sinh vật chuyển tải

để sinh công hữu ích cho hoạt động sông Mỗi đặc điểm quan trọng mà nhò đó

chúng ta định nghĩa sự sống - đó là tín h tr ậ t tự, sự sinh trưởng, sinh sản, trạng

thái phản ứng và sự điểu chỉnh nội sinh - đểu đòi hỏi sự cung cấp năng lượng

thường xuyên Nếu nguồn năng lượng bị mất đi thì sự sống sẽ dừng lại Do đó, sẽ

không thể có một phân tích toàn diện về sự sống nếu không bàn luận về vấn đề

năng lượng sinh học {bioenergetics) - sự phân tích vể năng lượng được cung cấp như

thế nào cho hoạt động của các hệ thống sốhg Trong chưđng này, chúng ta sẽ tập

trung vể năng lượng mà sinh v ật hấp thụ, dự trữ và sử dụng như th ế nào trong đòi

sống của mình.

4.1 Các định ỉuật nhiệt động học nói rõ năng lượng biến đổi như

th ế nào

4.1.1 Dòng năng lượng trong sinh vật

Năng lượng được định nghĩa như khả năng để sinh công Có th ể coi năng lượng

tồn tại dưới hai dạng: động năng và th ế năng Động năng (kinetic energy) là năng

lượng của sự vận động Vật đang chuyển động thực hiện công nhò làm cho vật khác

chuyển động T hế năng (potential energy) là năng lượng dự trữ Các vật không vận

động chủ động nhưng có khả năng thực hiện vận động vì chúng có thế năng Một

tảng đá đưỢc đ ặt trên đỉnh núi có th ế năng, khi nó b ắt đầu lăn xuốhg núi thì một

phần thế năng chuyển hoá thành động năng Nhiều hoạt động mà cơ thể sấng thực

hiện là quá trình biến đổi thế năng thành động năng.

Năng lượng có thể có nhiều dạng; cơ năng, nhiệt năng, âm năng, điện năng,

ánh sáng hoặc tia phóng xạ Do năng lượng có thể tồn tại trong nhiều dạng như vậy

nên có nhiều phương pháp để đo năng lượng Thuận tiện nhất là cách đo theo nhiệt

lượng bởi vì tất cả các dạng năng lượng khác có thể biến đổi thành nhiệt năng Thực

thế, nghiên cứu về năng lượng được gọi là nhiệt động học {thermo dynamics) là giải

thích về các biến đổi của n h iệt năng Đơn vị của nhiệt đưỢc sử dụng phổ biến nhất

trong sinh học là kilocalo {kilocalorie = kcal) 1 kilocalo bằng 1000 calo (cal) và 1

1 1 8

calo là lượng n h iệt cần để nâng nhiệt độ của một gam nước lên một độ bách phân (“C) (Điểu quan trọng là không nhầm lẫn calo với thuật ngữ có liên quan với khẩu phần và sự dinh dưỡng cũng là Calo vối chữ viết hoa C) Đơn vỊ năng lượng khác thường được dùng trong vật lý là jun Ụoule). Một jun bằng 0,239 calo.

Sự oxi hoá • khử: Dồng nảng lượng trong cơ thể sống

Từ m ặt tròi, năng lưỢng chảy vào giới sinh vật Mặt tròi chiếu ánh sáng liên tục vào trá i đất Ngưòi ta đã tính rằng m ặt tròi cung cấp cho trái đất vối hơn 13.10^^ calo/năm hoặc (40 triệu tỷ calo/giây) Thực vật, tảo và một số loại vi khuẩn nhất định hấp th ụ một phần năng lượng này thông qua quá trìn h quang hợp Trong

quang hỢp, năng lượng thu đưỢc từ ánh sáng mặt tròi được sử dụng để kết hỢp các

phân tử nhỏ (nước và khí cacbonic) thành phân tử phức tạp hơn (đường) Năng lượng được dự trữ dưới dạng th ế năng trong các liên kết cộng hoá trị giữa các nguyên tử trong phân tử đường Ai cũng biết một nguyên tử gồm một nhân trung tâm được bao quanh bằng một hoặc nhiều điện tử quỹ đạo và một liên kết cộng hoá trị tạo nên khi hai nhân nguyên tử góp chung điện tử Việc phá vỡ một liên kết như vậy cần năng lượng để phá võ h ạ t nhân Thực vậy, lực của một liên kết cộng hoá trị

đo được là tương đương năng lượng cần để phá vỡ nó Thí dụ, cần 98,8 kcaỉ để phá

vd một phân tử gam (6,023.10^®) của liên líết cacbon - hidro (C-H).

Trong một phản ứng hoá học, năng lượng dự trữ trong các liên kết hoá học có thể chuyển đến các liên kết mới Trong một số phản ứng này, điện tử thực sự chuyển từ một nguyên tử hoặc phân tử đến nguyên tử, phân tử khác Khi một nguyên tử hoặc phân tử m ất điện tử thì nó bị oxi hoá và quá trìn h này được gọi là

sự oxi hoá (oxidation). T h u ật ngữ này phản ánh sự th ậ t cho rằng trong các hệ sinh học thì oxi có tác dụng h ú t điện tử m ạnh là chất nhận điện tử phổ biến nhất Ngược lại, khi một nguyên tử hoặc phân tử nhận điện tử thì nó bị khử và quá trìn h gọi là

sự khử {reduction). Sự oxi hoá và khử luôn luôn xảy ra với nhau, bởi vì mỗi điện tử

bị m ất ở một nguyên tử thông qua sự oxi hoá thì được một số nguyên tử khác thu nhận thông qua sự khử Do đó, phản ứng hoá học thuộc loại này được gọi là phản ứng oxi hoá - khử (oxidation reduction reactions: redox reactions) (Hình 4.1) Năng lượng được chuyển từ một phân tử đến phân tử khác thông qua phản ứng oxi hoá khử Do đó, dạng khử của một phân tử có một mức năng lượng cao hơn 8 0 vối dạng oxi hoá.

nhỏ ỏ ph(a trôn bên phải của mỗi

„ , , , , phân tử Phân tử Ã mất năng

Sự nhận diện tử (sự khử) f iưọng khi nó mát mội điện tử.

Phản ứng oxi hoá khử đóng vai trò chủ yếu trong dòng năng lượng thông qua

hệ thống sinh vật, do điện tử được chuyển từ nguyên tử này đến nguyên tử kia có mang theo nàng lượng Lượng năng lượng mà một điện tử c6 đưỢc phụ thuộc vào khoảng cách của nó tói h ạ t nhân và h ạ t nhân h ú t nó với lực m ạnh như th ế nào Ánh sáng (và các dạng năng lượng khác) có th ể nhưòng năng lượng cho một điện tử

và nâng nó đến một mức năng lượng cao hơn Khi điện tử này rồi khỏi một nguyên

tử (sự oxi hoá) và chuyển đến nguyên tử khác (sự khử), năng lượng được gia tăng của điện tử được chuyển theo nó và điện tử chuyển động trên quỹ đạo của nhân điện tử thứ 2 ỏ mức năng lượng cao hdn Năng lượng gia tăn g được dự trữ như là

th ế năng hoá học và về sau ngruyên tử có thể giải phóng khi điện tử quay lại mức năng lượng ban đầu của nó.

Năng lượng là khả năng để sinh công hoặc hoạt động (động năng)

hoặc đưực dự trữ để sử dụng về sau (thế năng) Năng lưựng thường

dược truyền cùng với diện tử Oxi hoá ỉà sự mất diện tử, sự khử là sự

nhện diện tử.

4.1.2 Các định luật của nhiệt động học

Tất cả các hoạt động trong vũ trụ từ sự sống và cái chết của tế bào, sự chạy, suy nghĩ, ca h á t và mọi hoạt động của con người cho đến các vụ nổ bom nguyên

tử, một phản ứng trong nhà máy điện h ạ t nhân, sự sống và cái chết của các ngôi sao tấ t cả đểu trải qua các biến đổi năng lượng và chịu sự chi phối, điều khiển của hai định lu ật năng lượng - các định lu ậ t nhiệt động học.

4.1.2.1, Đ ịnh lu ậ t th ứ n h ấ t n h iệt động học

Theo định luẠt th ứ n h ấ t của n h iệt động học, cũng được gọi ỉà định lu ậ t bảo toàn năng ỉượng {the law of cpnservation ofenergy), năng lượng của vũ trụ là không đổi Cũng như vậy, tổng năng lượng của bất kỳ hệ thống nào, nghĩa ỉà của b ấ t kỳ vật nào và môi trường xung quanh nó giữ không đổi Từ môi trưòng xung quanh muốn nói tôi phần còn lại của vũ trụ Khi một vật trả i qua một biến đểi thì nó có thể nhận năng lượng từ môi trưòng xung quanh (vật xung quanh) hoặc phân tán năng ỉượng vào môi trưòng xung quanh Sự khác nhau về hàm lượng năng lượng của vật trong giai đoạn ban đầu và cuổì cừng phải bằng n h au do m ột biến đổi tương ứng trong hàm lượng năng lượng của môi tnlòng xung quanh.

Định lu ậ t thứ n h ấ t về nhiệt động học cho rằng trong các quá trìn h hoá học hoặc vật lý bình thường, năng lượng có thể được chuyển đổi về dạng thí dụ từ th ế năng th àn h động năng nhưng không bao giò có th ể bị m ất đi, cũng không thể tạo ra năng lượng mới Tổng năng lượng trong vũ trụ giữ không đổi bỏi vì vũ trụ là một hệ thống kín khi nó trao đổi năng lượng N hư chúng ta đã biết, năng lượng được hình

th àn h khoảng 20 tỷ năm trưốc, nhưng nó không thể được cộng thêm hoặc bị trừ đi.

120

Mặc dù sinh vật không thể tạo ra cũng không thể phá huỷ năng lượng nhưng

nó có th ể hấp th u năng lượng từ môi trường và dùng nàng lượng đó theo yêu cầu riêng của nó Sinh vật cũng có thể biến năng lượng từ dạng này thành dạng khác Thí dụ, trong quá trìn h quang hợp, tế bào thực vật biến năng lượng ánh sáng thành điện năng và vể sau th àn h hoá năng được dự trữ trong các liên kết hoá học của các chất hữu cơ như hidratcacbon, protein, lipit trong các cđ quan của thực vật Một

số động vật ăn thực vật lại biến hoá năng này thành cđ năng của sự co cơ hoặc một

số dạng cần th iết khác Khi các quá trình biến đổi aăng lượng này xảy ra thì một số

năng lượng bị biến th àn h nhiệt năng và bị tiêu tán vào môi trưòng và sinh vật không bao giờ có thể sử dụng trỏ lại năng Iượng đó Và như vậy, dòng năng Iượng liên tục thông qua giới sinh vật theo một chiều vói năng lượng mói từ m ặt tròi thưòng xuyên đi vào hệ thống để thay thế cho năng lượng bị tiêu tán dưối dạng nhiệt Ợieat). N hiệt là sôT đo về sự chuyển động hỗn độn của phân tử (và do đó là số

đo của một dạng động năng) Rõ ràng, năng lượng thực sự không bị "mất đi", nó vẫn tồn tại trong môi trưòng vật lý bao quanh.

Có th ể lợi dụng nhiệt để sinh công chỉ khi có một gradient nhiệt, nghĩa là có một hiệu nhiệt giữa hai vùng (như hoạt động của động cơ hơi nưôc) T ế bào là quá

bé để duy trì hiệu nhiệt cao ỏ bên trong, do đó nhiệt năng không có khả năng để sinh công của tế bào Mặc dù, tổng năng lượng trong vũ trụ giữ không đổi, nhưng năng lượng sẵn sàng để sinh công giảm xuống, trong khi ngày càng nhiều năng lượng tiêu tá n dưới dạng nhiệt Qua những gì đã trình bày ỏ trên, định lu ật thứ nhất giải thích tại sao sinh vật không thể tạo năng lượng mà phải vay mượn nó liên tục từ một nơi nào đó Bỏi vì mỗi tế bào, mỗi cá thể sinh vật hay toàn bộ th ế giói sống đều là hệ thống hỏ nhưng tồii tại trong vũ trụ - một hệ thống kín với tổng năng lượng luôn không đổi.

4.I.2.2 Đ ịnh lu ậ t thử h ai n h iệt động họe

Đ ịnh lu ậ t thứ hai nhiệt động học nói về sự biến đổi của th ế năng thành nhiệt hay sự chuyển động hỗn độn của phân tử Nó khẳng định rằng tính hỗn độn (được

đo bằng entropy) trong vũ trụ liên tục tăng lên Có th ể định nghĩa entropy như một trạng thái hỗn độn của năng lượng mà không dùng được để sinh công Định luật thứ h ai khẳng định các quá trìn h vật lý và hoá học tiến hành theo cách mà entropy của hệ thống tăn g lên Trong hầu như tấ t cả các quá trình biến đổi năng lượng thì

có sự m ất một số năng lượng dưới dạng nhiệt vào môi trưòng Do đó, năng lượng bị

m ất không còn sinh công được nữa.

Thực ra, nhiệt là năng lượng của sự vận động hỗn độn của các phân tử và là dạng năng lượng vô tổ chức nhất Nhiệt có thể dùng để sinh công chỉ khi xuất hiện một gradient n h iệt độ (một hiệu nhiệt: temperature difference) làm cho nó chuyển

từ vùng ấm hơn đến vùng lạnh hơn Trong một tế bào sống th ì nhiệt độ tại rtiọi điểm là như nhau, do vậy nhiệt không thể được dùng để sinh công sinh học.

Điều quan trọng ta hiểu được rằng định lu ậ t thứ hai của nhiệt động học phù

hỢp vói định luật thứ nhất Tổng năng lượng trong vũ trụ không giảm theo thời

gian, nhưng năng lượng sẵn có để sinh công bị suy thoái th à n h chuyển động phân

tử hỗn độn.

Định lu ật thứ hai về nhiệt động học còn cho rằng năng lượng không thể biến đổi từ dạng này th àn h dạng khác mà không có sự m ất năng lượng có ích và không c6 quá trình nào yêu cầu nống lượng luôn luôn đ ạt hiệu quả 100% Thực thế, sự sử dụng năng lượng của tế bào đ ạt hiệu quả khoảng 55% còn 45% năng lượng bị m ất

đi dưối dạng nhiệt Các quá trìn h sinh học đó rấ t hiệu quả nếu 8 0 sánh với phần lớn máy do con ngưòi sử dụng, th í dụ như động cơ dùng xăng chỉ đ ạt hiệu quả từ 17% đến 25%, hoá năng của xăng biến th àn h sự chuyển động của xe và phần hoá năng còn lại bị m ất đi dưới dạng nhiệt T ất nhiên, nhiệt là một dạng của năng lượng, nhưng nhiệt là dạng năng lượng hỗn độn n h ất và nhanh chóng tiêu tán vào môi trưòng ở động vật, sự co cơ biến hoá năng trong ATP th à n h cđ năng, một số năng lượng này ngay lập tức biến th àn h nhiệt Với sự biến đổi năng lượng liên tiếp như vậy, cuối cùng tấ t cả dạng năng lượng có ích đều biến th àn h n h iệt tiêu tán vào môi trưòng và không thể biến đổi trỏ lại th àn h một dạng của th ế năng.

Vì cơ th ể sông có tổ chức cao, chúng rấ t không ổn định Thực thế, sự sống là một cuộc đấu tra n h không ngừng chống lại định lu ật thứ hai của nhiệt động học Sự sống còn của cá thể sinh v ật cũng như của các hệ sinh th á i phụ thuộc vào sự bổ sung năng lượng liên tục Do đó, các sinh vật sản xu ất phải tiến hành quá trìn h

quang hỢp, còn sinh vật tiêu thụ và sinh vật phân huỷ phải ăn thực vật và ăn lẫn nhau mới tồn tại đưỢc.

4.I.2.3 Entropy

Entropy là thước đo về tính hỗn độn của hệ thống, như vậy định luật thứ hai của nhiệt động học cố th ể p h á t biểu đơn giản như là "sự tăng entropy" Dạng năng lượng hữu ích, có tổ chức th ì có entropy thấp, còn dạng năng lượng vô tổ chức, ít ổn định hơn như nhiệt thì có entropy cao Một phồng ở ngăn nắp, gọn gàng có entropy thấp hơn nhiều so với phòng hỗn độn, bừa băi Chúng ta biết rằn g phòng ngăn nắp luôn luôn có khuynh hướng hướng đến tín h hỗn độn Theo cách đó, cuối cùng các quá trìn h biến đểỉ năng ỉượng đều sinh ra nhiệt và do đó entropy của vũ trụ luôn luôn tăng lên Nói chung, các quá trìn h biến đổi năng lượng tiến h àn h một cách tự phát để chuyển hoá vật ch ết từ dạng có tr ậ t tự nhưng ít ổn định th àn h dạng ít tr ậ t

tự hơn nhưng ổn định hơn.

Một xã hội văn m inh như chúng ta đang sử dụng nhiều năng lượng có entropy

thấp Năng lượng của nhiên liệu hoá thạch như than”đẵ và dầu mỏ đưỢc sử dụng để

p h át triển và xử lý lương thực mà chúng ta cần và được sử dụng để duy trì môi trưòng củạ chúng ta có tổ chức Việc xây dựng các toà cao ốc, trưòng học và đường

sá đều đòi hỏi việc chi tiêu năng lượng có ích'm à cuối cùng biến th à n h nhiệt Xã hội

122

vàn m inh của chúng ta ngày nay đang ngày càng làm tăng entropy của vũ trụ ỏ một tốc độ cao hơn nhiều so với bất kỳ xã hội nào đã qua.

Định lu ậ t th ứ n h ấ t của n h iệt dộng học giải thich rằ n g nảng lượng

không thể được tạo ra hoặc không thể bị phá huỳ Nó chỉ có thể trải

qua sự biến đổi từ dạng này thành dạng khác Định luật thứ hai của

nhiệt động học cho rằng tính hỗn độn (entropy) trong vũ trụ đang

tăng lên Sự sống biến náng lượng từ mặi trời thành các dạng năng

lượng khác để hỗ trỢ các quá trình sống Năng lượng không bao giờ

bỉ m ất đi nhưng khi nó được sử dụng thì ngày càng nhiều năng

lượng bị biến th à n h n h iệt - năng lượng của sự chuyển động phân tử

hỗn độn.

Như vậy, các định lu ậ t nhiệt động giải thích tại sao entropy của vũ trụ tăng lên một cách tự p h át và tại sao các sinh vật cần sự cung cấp thưòng xuyên năng lượng có ích để duy trì tổ chức của chúng.

4.1.3 Năng lượng tự do

Lực phát động tấ t cả các quá trình trong hệ thống sống và không sống là khuynh hướng của hệ thống để đạt điều kiện của entropy cực đại Năng lượng ở dạng nhiệt được giải phóng hoặc được vật hấp thụ làm cho hệ thống đạt trạn g thái entropy cực đại Tổng nhiệt hàm {total heat content) hay entanpy H của một hệ thống là tổng th ế năng của nó Trong một phản ứng hoá học, entanpy của các chất phản ứng hay các sản phẩm bằng với tổng năng lượng của liên kết hoá học Khi liên kết được hình th àn h hay bị phá vỡ, entanpy được hấp thụ hoặc được phóng thích Entropy và entanpy có quan hệ theo phương diện thứ ba của năng lượng gọi là năng lượng tự do (free energy). Chúng ta có thể coi năng lượng tự do như là thành

phần của tổng năng lượng của một hệ thống sẵn có để sinh công dưới điều kiện

nhiệt độ và áp su ất không đổi Do đó, năng lượng tự đo là khía cạnh nhiệt động học đáng chú ý n h ấ t trong sinh học.

Entropy và năng lượng tự do có quan hệ theo tỷ lệ nghịch H ai đại lượng có quan hệ theo phưđng trìn h sau:

AG = AH - TAS Trong đó:

S: entropy

G: nănglư ợ ng tự do

H: entanpy của hệ thống

T: nhiệt độ tuyệt đ â theo độ Kelvin

A: ổó nghĩa "biến đổi"

T ất cả các quá trìn h vật lý và hoá học đểu tiến hành theo sự giảm năng lượng

tự do cho đến khi chúng đ ạt trạng thái cân bằng, ở đó năng lượng tự do của hệ

thống là cực tiểu và entropy là cực đại Năng lượng tự do là năng lượng có ích trong các hệ sinh học, entropy là trạ n g thái năng lượng bị phân ră, vô ích.

Sự biến đổi năng lượng tự do (hay àG) là tính chất cđ bản của các phản ứng hoá học Trong một số phản ứng, AG là dương Điều đó có nghĩa là các sản phẩm của phản ứng chứa nhiều năng lượng tự do hơn so vói chất phản ứng, năng lượng liên kết (H) cao hđn hay tín h hỗn độn (S) trong hệ thống th ấp hơn Các phản ứng kiểu nàý không tự p h á t tiến hành Chúng đòi hỏi sự cung cấp năng ỉượng và do đó

là phản ứng th u n h iệt {endergonic reaction = "invuard energy"). Trong các phản ứng khác, ÂG là âm Các sản phẩm của phản ứng chứa ít năng ỉượng tự do hdn chất phản ứng, hoặc năng ỉượng liên kết thấp hơn hoặc tín h hỗn độn cao hơn hoặc cả hai Phản ứng như vậy có khuynh hưóng tiến hành tự phát Bất kỳ phản ứng hoá học nào sẽ có khuynh hướng tiến hành tự phát nếu hiệu trong tín h hỗn độn (TAS) lốn hơn hiệu trong năng lượng liên kết giữa chất phản ứng và sản phẩm (AH) Các phản ứng này giải phóng năng lượng tự do dôi ra dưới dạng nhiệt và do đó gọi là phản ứng th u nhiệt {exergonic reaction = "cutivard energy"). H ình 4.2 tóm tắ t các phản ứng này.

Hlnh 4.2 Năng lượng trong các phản úng hoá học

(a) Trong phản ứng thu nhiệt (thu nâng lượng), sản phẩm của phản úng chứa nhiéu nãng lượng hơn so VỚI chất phản úng và nang lượng d6i ra phải được bổ sung cho phản ứng để tiến hành

(b) Trong phản ứng phát nhiệt, sản phẩm chứa ít năng lượng hơn so với chất phản ứng

và nãng lượng dối ra được giải phóng

N áng lượng tự do là n á n g lượng sẵ n cỏ đ ể sin h công T ro n g các p h ả n

ứng h o á học được tiế n h à n h b ên tro n g t ế bào, sự biến dổi n ả n g lượng

tự do (AG) là h iệ u tro n g n ả n g iượng liên k ế t giữa c h ấ t p h ả n ứ ng và

124

sản phẩm (ÂH), trừ đi bất kỳ sự biến đổi nào trong mức độ của tính

hỗn độn của hệ thông (TẢS) Bất kỳ phản ứng nào mà sản phẩm của

nó chứa ít năng lượng tự do hơn so với chất phàn ứng (AG âm) sẽ có

khuynh hướng tiến h àn h tự phát.

4.1.4 N ă n g lư ợ n g h o ạ t h o á : s ự c h u ẩ n b ị p h â n t ử đ ể h o ạ t đ ộ n g

Nếu tấ t cả các phản ứng hoá học giải phóng năng lưỢng tự do đều có khuynh hướng tiến hành một cách tự phát, vậy tại sao tất cả các phản ứng đó đều không xảy ra? Lý do mà chúng không xảy ra là do phần lổn phản ứng đó cần cung cấp năng lượng để khỏi động phản ứng Trước khi phản ứng tạo các liên kết hoá học mối, ngay cả các liên kết chứa ít năng lưỢng thì trước tiên nó cần phá vỡ các liên kết vốn có trong phân tử chất phản ứng nên nó cần chi dùng nàng lượng Năng lượng phụ trội (năng lượng phụ thêm = extra energy) cần để phá võ các liên kết hoá học vốn có và khỏi động một phản ứng hoá học gọi là năng lượng hoạt hoá

(activation energy) (Hình 4.3a).

(a)

Hình 4.3 Năng lượng hoạt hoá và sự xúc tác (a) Phản ứng phảt nhiệt không cán tiến hành nhanh chóng do năng lượng phải được cung cấp để phá vỡ (làm mất ổn định) các liên kết hoá học vốn có Nang lượng phụ thôm này là năng lượng hoạt hoá cho phản ứng

(b) Chất xúc tác làm tăng tốc các phản ứng riêng nhờ làm giảm lượng năng lượng hoạt hoá cần để khỏi động phản ứng

Tốc độ của phản ứng ph át nhiệt phụ thuộc vào năng lượng hoạt hoá cần để

phản ứng b ắ t đầu Các phản ứng với năng lượng hoạt hoá lớn hơn có khusmh hướng tiến h àn h chậm hơn do có ít các phân tử thành công trong việc vượt qua hàng rào năng lượng ban đầu Song, năng lượng hoạt hoá không phải là hằng số không đổi.

Gây m ột tác động nào đó lên các liên kết hoá học riêng có th ể làm cho chúng dễ bị phá vd hờn Quá trin h tác động lên các liên kết hoá học theo cách làm giảm năng lượng hoạt hoá cần để khỏi động một phản ứng gọi là sự xúc tác (catalysis) và chất

thực hiện quá trìn h này đưỢc gọi là chất xúc tác (catalỵsts) (Hình 4.3b).

C hất xúc tác không th ể vi phạm định lu ậ t cđ bản của n h iệt động học Thí dụ, chúng không thể làm cho m ột phàn ứng th u nhiệt tiến h à n h m ột cách tự phát Nhò

làm giảm năng ỉượng h o ạt hoá, chất xúc tác làm tăn g tốc cả p h ản ứng th u ận và

nghịch chính xác theo cùng mức độ và từ đó, nó không làm th a y đổi tỷ lệ cuối cùng của chất phản ứng biến th à n h sản phẩm.

Để nắm được điểu này, ta hình dung c6 một quả bóng gỗ nằm trong một hố nông trê n một phía dãy núi Chỉ một vành đ ất hẹp ở dưới quả bóng có tác dụng chặn bóng lăn xuống núi Bây giò ta bỏ vành đ ất hẹp ấy đi thì quả bóng sẽ bắt đầu lăn xuống; nhưng việc ỉoại bỏ đ ấ t ỏ phía dưói quả bóng sẽ không bao giò làm cho quả bóng ỉăn ngưỢc ỉên núi Việc loại bỏ mép đ ất đơn giản chỉ cho phép quả bóng vận động tự do và trọng lực xác định chiều hướng nó lăn xuống chân núi như th ế nào Làm giảm lực cản đối vói 8ự vận động của quả bóng sẽ c6 tác dụng kích thích

sự vận động có hưống nhò vị trí của bóng trên quả núi.

Như vậy, chiều hưống để một phản ứng hoá học tiến h à n h chỉ được xác định nhò hiệu trong năng lượng tự do Giống như việc bỏ vành đ ấ t nằm dưói quả bóng gỗ trên núi, chất xúc tác làm giẳm hàng rào năng lượng ngăn cản p h ả n ứng không tiến hành C hất xúc tác không tạo b ấ t kỳ ưu tiên th u ận ỉợi nào cho p h ản ứng th u nhiệt hơn là việc đào bỏ vành đ ấ t dưới quả bóng gỗ giả định để nó lăn ngưỢc lên núi Chỉ phàn ứng ph át n h iệt tiến h à n h tự ph át và chất xúc tác không th ể làm th ay đổi quy

lu ậ t đó Điều mà ch ất xúc tác có thể làm là khiến cho p h ản ứng tiến h à n h nhanh hơn nhiều mà thôi.

TỐC độ của ph&n ứng phụ thuộc vào n&ng lượng hoạt hoá cần đế khởi

đ ộ n g nó C h ấ t x ú c tá c làm giảm n&ng lưựng h o ạ t h o á và n h ư v ậy làm

tả n g tốc độ p h ả n ứ n g , m ặc dù ch ú n g k h ô n g làm th a y d ổ i tỳ lệ c u ế i

c ù n g củ a c h ấ t p h ả n ứ n g v à sả n p h ẩm p h ả n ứng.

4.2 Enzym ỉà chất xúc tác sinh học

4.2.1 Enzym: "người thợ cần mẫn" của tế bào

Các phẳn ứng hoá học bên trong cơ th ể sống đưỢc điểu hoà nhò sự điều tiết các

vỊ trí xảy ra 8ự xúc tác Do đó, bản th ân sự sấng đưỢc điều chỉnh bằng các chất xúc tác Các tác nhân thực hiện phần lôn sự xúc tác trong cơ th ể sống là các protein mang tên enzym ịẹmymes). (Nhưng enzym protein không phải là ch ất xúc tác duy

n h ất trong cơ th ể sống N ăm 1989, Thomas Cech và Sidney A ltm an đổng nhận giải Nobel về hoá học cho công trìn h chứng minh ARN đóng vai trò như một enzym mà hai ông gọi là ribozim Do đó, không phải mọi enzym đều là protein) D ạng cấu trúc

1 2 6

không gian ba chiều đặc biệt của enzym khiến cho nó có vai trò làm ổn định k ết hỢp tạm thòi giữa các p h ân tử cơ ch ất (phân tử sẽ trải qua phản ứng) Nhò m ang hai phân tử cơ ch ất cùng vôi n h au theo chiều hưống chính xác, hoặc nhò gây tác động lên các liên k ết hoá học riêng của cơ chất, nên enzym làm giảm năng lượng hoạt hoá cần để tạo các liên k ết mối Do đó, phản ứng tiến hành nhanh chóng hơn nhiều

so vối trưòng hỢp không có enzym xúc tác Do bản thân enzym không bị biến đổi hoặc bị tiêu th ụ trong quá trìn h phản ứng nên cìn cần một lượng nhỏ enzym là đủ

và nó có th ể được sử dụng lặp đi lặp lại.

Để giải thích enzym hoạt động như th ế nào, ta hãy xem phản ứng của khí cacbonic và nước để tạo axit cacbonic Phản ứng có enzym xúc tác quan trọng này xảy ra trong tế bào hồng cầu của động vật có xương sống:

CO2 H2O —> H2CO3

kh í cacbonic nước axit cacbonic

P hản ứng này có th ể tiến h àn h theo cả hai chiểu, nhưng do nó có năng lượng hoạt hoá lốn, phản ứng tiến h àn h rấ t chậm khi thiếu enzym; trong một giò chỉ có khoảng 200 phân tử axit cacbonic đưỢc hình thành trong tế bào Kiểu phản ứng chậm này ít được sử dụng trong tế bào Tế bào vượt qua vấn đề này nhò tuyển chọn một enzym bên trong tế bào ch ất gọi là cacbonic anhidraza (carbonic anhydrase)

Dưới cùng điều kiện, nhưng trong sự có m ặt của cacbonic anhidraza có đến khoảng 100.000 phân tử axit cacbonic hình th àn h mỗi giây Do đó, enzym làm tăn g tốc độ phản ứng hơn 10 triệ u lần.

Đã biết hàng nghìn loại enzym khác nhau và mỗi loại xúc tác cho m ột hoặc một vài phản ứng hoá học đặc hiệu Nhò xúc tác các phản ứng hoá học riêng nên enzym trong tế bào quyết đ ịnh tiến trìn h trao đổi chất - tập hỢp toàn bộ phản ứng hoá học trong tế bào đó Các loại tế bào khác nhau chứa các tập hợp enzym khác n h au và sự sai khác này dẫn đến các biến đổi vể cấu trúc và chức năng giữa các loại tế bào Phản ứng hoá học xảy ra trong tế bào hồng cầu khác vói phản ứng xảy ra trong tế bào th ầ n kinh, một phần do tế bào chất và màng của tế bào hồng cầu, tế bào th ần kinh chứa các hệ enzym khác nhau.

Tế bào sử dụng các protein gọi là enzym như là chất xúc tác để iàm

giảm nầng lượng hoạt hoá.

4.2.2 Enz3 rm hoạt động như thế nào?

P hần lốn enzym là protein hình cầu vối một hoặc nhiều túi hoặc khe trê n bề

m ặt gọi là vỊ tr í hoạt động (active sites) (Hình 4.4) Cơ chất liên k ết với enzym ỏ vị

tr í hoạt động này, tạo phức hệ enzym - cơ chất {ernym - substrate complex). Để cho

sự xúc tác xảy ra bên trong phức hệ, phân tử cđ chất phải khớp chính xác vào vỊ trí hoạt động.'* Đồng thòi các nhóm bên axit amin của enzym tiếp xúc trực tiếp với các ỉiên kết của cơ chất Các nhóm bên này tương tác hoá học với cơ chất, thưòng gầy

tác động hoặc làm méo mó liên kếỂ riêng nào đó và do đó làm giảm n ăn g lượng hoạt hoá cần để phá vở liên kết Lúc này cơ ch ất biến th à n h sản phẩm và tiếp đó tách khỏi enzym.

Hinh 4.4 Enzym phân giải (lysozyme) hoạt động như thế nào?

(a) Rãnh xuyên qua enzym phân giải kháp với dạng polisaccarít (một chuỗi đường) tạo vách tế bào vi khuẩn

(b) Khi chuỗi đường đó di chuyển đến rãnh

và xâm nhập vào rãnh làm cho protein enzym biến đổi hỉnh dạng và ôm lấy phân tử cơ chất một cách chạt chẽ hơn VỊ trí khớp cảm ứng này xảy ra ở gốc axit glutamic trong protein bên cạnh liên kết giữa hai đường lăn cận và axit glutamic 'cướp đoạr một điện tử khỏi liên kết làm phân giải phân tử cơ chẩt

( D Cơ chất saccaroz gồm glucoz

- và fructoz liên kết V(M nhau

Liên kết

V ị trí

hoạt động

tạo phút hệ enzym - cơ chất

tự đo liên kết vổỉ

các cơ chất khác

Enzym

cơ chất và enzym gẫy tắc động lên liên kết gluc02-fruct

và liên kết bị phá vỡ

Hlnh 4.5 Chu trinh xúc tác của enzym Enzym làm tăng vận tổc nhờ đó xảy ra phản ứng

hoá học Trong phản ứng được minh hoạ ở đây, enzym sucraza tách đường saccaroz (có

trong phần lớn bánh ngọt) thành hai đường đan giản hớn; glucoz và fructoz.

(1) Đẩu tiên, cơ chất saccaroz Hôn kết vào vị trí hoạt động của enzym, khớp vào khe iỗm

trong bể mặt enzym

(2) Sự l^n kết ó ỉa saccaroz với vị bf hoạt động tạo nèn phúc hệ enzym-cơ chát, gãy tác động

cảm ứng lên phân tử sucraza làm nó ttiay đổi hình dạng, khớp chặt hơn xung quanh saccaroz

(3) Các gốc axit amin trong vị trf phản ứng tiếp cận sát vào liên kết giữa thành phần

glucoz và fructoz của saccaroz, phá vỡ liên kết

(4) Enzym giải phóng các mảnh glucoz và fructoz (là sản phẩm của phản ứng), vể sau

enzym sẵn sàng liên kết với phân tử saccaroz khác và thông qua chu trình xúc tác một lần

nữa Chu trinh này thường được tóm tắt bằng phương trình E + s «-♦ [ES] ♦-* E + p, ỏ đây E:

enzym, S: co chất, ES; phức hệ enzym - cơ chất và P: sản phẩm

128

Protein không phải là dạng phân tử cứng n h ấ t mà sống động Sự liên kết của

cơ ch ất làm enzym cảm ứng để điều chỉnh hìn h dạng nào đó, dẫn đến một khóp cảm ứng (induced fit) tốt hơn giữa enzym và cơ chất (Hình 4.5) Sự tương tác này cũng

có th ế thúc đẩy sự liên k ết của các cơ ch ất khác và trong các trường hỢp đó, bản

th â n cơ chất "hoạt hoá" enzym để nhận các cơ ch ất khác.

Enzym thường chỉ xúc tác cho một hoặc một vài phản ứng hoá học

tương tự do chúng dặc hiệu trong cách chọn lựa cơ chất Tinh đặc

hiệu này là do vị tri hoạt động của enzym mà tạo hình saơ cho chỉ

một phân tử cơ chất nhất định sẽ lắp khớp vào nó.

Nhiệt độ tôl ưu

của enzym người

Nhiệt độ tôi ưu của enzym vi khuẩn sud aước nốog

4.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzym

Bất kỳ nhân tố hoá học hay v ật lý nào làm biến đổi h ình dạng ba chiểu của en^ym như nhiệt độ, pH, nồng độ muối và sự liên kết của các phân tử điều chỉnh đặc hiệu đều có thể ản h hưdng lên khả năng xúc tác p h ản ứng của enzyrn.

tă n g lên khi tăng nhiệt độ, nhưng chỉ

lên đến một điểm gọi là nhiệt độ tối ưu

{temperature optimum) (Hình 4.6a).

Dưói nhiệt độ này, các liên k ết hidro và

các tương tác kỵ nước xác định hình

dạng của enzym là không đủ linh động

để cho phép xảy ra khỏp cảm ứng mà

làm cho sự xúc tác đ ạt tối ưu Trên

n h iệt độ tô'i ưu thì các lực này là quá

vếii để duy trì hình dạng của enzym

chống lại sự vận động hỗn độn tăn g lên

củ.a các nguyên tử trong enzym ở các

n h iệt độ cao hơn này, enzym biến tính.

P hần lớn enzym của người có n h iệt độ

tô'ii ưu từ 35”C đến 40°c - nhiệt độ bình

thường của cơ thể cũng nằm trong

khoảng nhiệt độ này Vi k h u ẩn sông ỏ

suối nước nóng có enzym ổn định hơn

và nhiệt độ tối ưu cho các enzym này có

th ể lên đến 70°c hay cao hơn.

(a) Nhiệt độ của phản ứhg (°C)

4.2.3.2, p H

Tương tác ion giữa các gốc axit amin tích điện trái dấu như axit glutam ic (-) và lizin (+) cũng có tác dụng giữ enzym lại với nhau Các tương tác này nhạy cảm vói nồng độ ion hidro của dịch mà enzym hoà tan do nó làm biến đổi nồng độ làm chuyển dịch cân bằng giữa các gốc axit amin tích điện dương và điện âm Vì lý do

đó, nên phần lớn enzym có pH tối ưu (pH optimum) thường nằm trong khoảng pH 6-8 Các enzym nào có th ể hoạt động trong môi trưòng rấ t axit là protein có thể duy trì dạng ba chiều thậm chí khi có m ặt nồng độ ion hidro cao Thí dụ, enzym pepsin tiêu hoá protein trong dạ dày ở pH = 2, môi trường mang tính axit (Hình 4.6b).

Sự ức chế enzym xảy ra theo hai cách: chất ức chế cạnh tra n h {competitive inhihitor) thì cạnh tra n h với cơ chất ỏ cùng vỊ trí liên kết, làm đổi chỗ một tỷ lệ

phân tử cđ chất khỏi enzym; trong khi đó, chất ức chế không cạnh tra n h

Sự tfc chế cạnh ưanh Sự tfc chếkhdog cạnh ưanh

Chât úfc chếcạnh ữanh

gây nhièu loạn vị ưí

hoạt động ciỉa enzym

khiếíi cho cđ chết

không thể liên kết

(a)

Chết ứt chế df lập thể làm úia

đ â hlnh dạng cda enzym khiáỉ nó không (b) thể liên kết vđi cơ chất Hlnh 4.7 Erưym c6 thể bị ức chế thế nào?

(a) Trong ức chế cạnh tranh, chất ức chế gây nhiễu loạn vỊ tri hoạt động của enzym

(b) Trong ức chế khổng cạnh tranh, chất ức chế liôn kết với«nzym ỏ một vị trí ngoài vj trí hoạt động, gây tác động làm b^n đổi cấu hình trong enzym khiển cho enzym khổng thể liên kết với cơ chất được nữa

1 3 0

(noncompetitive inhibitor) liên kết với enzym ỏ một vị trí khác ngoài vị trí hoạt động, có tác dụng làm biến đổi hình dạng của enzym và làm cho enzym không thể liên kết với cơ chất (Hình 4.7) Phần lốn chất ức chế không cạnh tran h liên kết vối một phần đặc hiệu của enzym gọi là vỊ trí dị lập th ể (allosteric site). Các vỊ trí này

có chức năng như cái chuyển mạch on/off hoá học: sự liên kết của một chất vào vỊ trí có thể chuyển enzym giữa cấu dạng hoạt động và không hoạt động Chất liên kết vào vỊ trí dị lập th ể và làm giảm hoạt tính enzym gọi là chất ức chế dị lập thể

(allosteric inhibitor) (Hình 4.7b) Còn chất hoạt hoá liên kết với vị trí dị lập thể và duy trì hoạt tín h enzym, nhò đó làm tăng hoạt tín h enzym.

nhất Các chất ức chế làm giảm hoạt tính enzym còn chất hoạt hoá

ỉàm tăng hoạt động.

4.2.4 Các nhóm ngoại của enzym

H oạt động của enzym thưòng được hỗ trỢ nhò có thêm các th àn h phần hoá học gọi là nhóm ngoại (fiofactor). Thí dụ, vỊ trí hoạt động của nhiều enzym chứa ion kim loại có tác dụng giúp h ú t điện tử khỏi phân tử cơ chất Enzym cacboxipeptidaza tiêu hoá protein nhò sử dụng ion kẽm (Zn*0 trong vỊ trí hoạt động để loại bỏ điện tử khỏi các liên kết nổi các axit amin Các nguyền tố khác như molipden và mangan cũng được sử dụng như các nhóm ngoại Giống như kẽm, các chất này cần với một lượng nhỏ trong khẩu phần thức ăn Khi nhóm ngoại là một phân tử hữu cơ không phải protein, nó được gọi là coenzym (coemyme). Nhiều vitam in là th àn h phần của coenzym.

Trong nhiều phản ứng oxi hoá - khử được enzym xúc tác, điện tử được chuyển

th àn h đôi từ vị trí hoạt động của enzym đến coenzym có chức năng như chất nhận điện tử Về sau, coenzym chuyển điện tử cho một enzym khác giải phóng chúng (và nàng lượng chúng mang) cho cơ chất trong phản ứng khác Thông thưòng, các điện

tử cặp đôi với proton (H*) dưối dạng nguyên tử hidro Theo cách này, coenzym làm

con thoi năng lượng (shuttle energy) dưới dạng nguyên tử hidro từ enzym này đến enzym khác trong tế bào.

Một trong những coenzym quan trọng n h ấ t là châ't nhận hidro nicotinamit adenin dinucleotit (NADO (Hình 4.8) Phân tử NAD* gồm hai nucleotit liên kết với nhau Nucleotit là một đưòng 5 cacbon vối một hoặc nhiều nhóm photphat gắn vào một đầu và một bazơ hữu cơ gắn vào đầu kia Hai nucleotit có chức năng khác nhau trong phân tử NAD*: AMP hoạt động như cái lõi (nhân) tạo nên hình dạng để nhiểu enzym nhận diện, còn NMP là phần hoạt động của phân tử, đóng góp vỊ trí dễ bị khử (dễ nhận điện tử).

Khi NAD* nhận điện tử và nguyên tử hidro (gồm hai điện tử và một proton) từ

vỊ trí hoạt động của enzym, nó bị khử th àn h NADH Lúc này, phân tử NADH mang hai điện tử cao năng và proton Sự oxi hoá của các phân tử chứa năng lượng có tác

dụng cung cấp năng lượng cho tế bào, kèm theo việc tước bỏ điện tử khỏi các phân

tử đó và chuyển chúng cho NAD* và trong hoạt động trao đổi chất của tế bào thì nhiều năng lượng của NADH được chuyển cho phân tử khác.

Hoạt động của enzym thường được các nhốm ngoại hỗ trỢ mà có thể

iả các ion kim loại hoặc các chất khác Nhỏm ngoại là cốc phân tử

hữu cơ không phải protein được gọi là coenzym.

0 1

1 3 2

Trong tế bào, một số enzym xúc tác các bước khác nhau của một chuỗi phản ứng kết hỢp lỏng lẻo với nhau trong tổ hỢp liên kết không cộng hoá trị gọi là phức

hệ đa enzym (multi emyme complexes). Thí dụ trong hình 4.9, phức hệ đa enzym mang tên piruvat dehidrogenaza vi khuẩn chứa các enzym thực hiện ba phản ứng

kế tiếp nhau trong quá trìn h chuyển hoá oxi hoá Mỗi phức hệ có nhiều bản sao của một trong ba enzym gồm tấ t cả 60 tiểu đđn vỊ protein Nhiều tiểu đơn vỊ kết hỢp hoạt động với nhau giống như một nhà máy con.

4.2.5.1 Các phức hệ đa em ym

(a)

Hlnh 4.9 Enzym piruvat dehidrogenaza (a) Enzym (mô hình) tiến hành oxi hoá piruvat là một trong số các enzym phức tạp nhát

đâ biết, nó có 60 tiểu đơn vị

(b) Nhiểu trong đó c6 thể thấy trong ảnh hiển vi điện tử (200.000X)

Các phức hệ đa enzym thể hiện những ưu điểm quan trọng trong hiệu quả xúc tác:

1 Vận tốc của phản ứng có enzym được giối hạn nhò tầ n sô' mà enzym b ắt gặp

cơ chất của nó Nếu một loạt các phản ứng kế tiếp nhau xảy ra bên trong một phức

hệ đa enzym, sản phẩm của một phản ứng có thể được phân ph át cho enzym tiếp theo mà không giải phóng nó để khuếch tán đi ra khỏi chuỗi phản ứng.

2 Do cơ chất phản ứng không bao giờ rời khỏi phức hệ trong quá trìn h thông qua loạt phản ứng nên xác su ất của các phản ứng phụ không mong muốn bị loại bỏ.

3 T ất cả các phản ứng xảy ra bên trong phức hệ đa enzym có thể được điều tiết như môt đơn vị.

Ngoài piruvat dehidrogenaza điều tiết 8ự thâm nhập vào chu trìn h Krebs, một 8ố các quá trìn h chủ yếu khác trong tế bào được các phức hệ đa enzym xúc tác Một

hệ thống đưỢc nghiên cứu tốt là phức hệ synthetaza Ịixit béo có chức năng xúc tác

quá trìn h tổng hỢp các axit béo từ các chất tiền th â n hai cacbon Có bảy enzym khác nhau trong phức hệ đa enzym này và các chất tru n g gian của phản ứng vẫn

kết hỢp với phức hệ cho toàn bộ loạt phản ứng.

4.2.S.2 Không p h ả i tấ t cả các c h ấ t xúc tá c sin h học là p ro te in

Cho đến một vài năm trước đây, phần lớn các sách giáo khoa sinh học đểu cho rằng "Enzym là chất xúc tác của các hệ sinh học" và "protein là đại phân tử xúc tác duy n h ất trong hệ sinh học" Song khái niệm này đã bị phủ nhận vối việc ph át hiện các phân tử ARN xúc tác đầu tiên hay ribozim (Cech, T.R etal, 1981; G uerrier - Takadạ, c , etal, 1983) Theo Cech và cộng sự th ì các phản ứng kéo theo phân tử ARN được xúc tác bồi bản th â n ARN, chứ không phải nhò enzym Quan điểm ban đầu này đã được khẳng định nhò bổ sung các th í dụ về sự xúc tác của ARN trong một số năm qua Thực nghiệm cho thấy ribozim kích thích m ạnh vận tốc các phản ứng sinh hoá riêng biệt và th ể hiện tín h đặc hiệu đặc biệt với các cơ chất mà chúng tác động trên đó Như trong p h ần 4.2.1 đã trìn h bày về enzym, vói p h át hiện mới này cùng nhiều thực nghiệm về sau, đến năm 1989, Thomas Cech và Sidney Altman đã dành giải Nobel hoá học về ARN đóng vai trò như một enzym thực th ụ

mà họ gọi là ríbozim.

Cố ít n h ất h ai loại ribozim Ribozim thực hiện phản ứng xúc tác nội phân tử

(ỉntramolecular catalysis) có cấu trúc gấp nếp thì xúc tác phản ứng trên bản th â n mình Còn ribozim nào thực hiện sự xúc tác giữa các phân tử (intermolecular catalysỉs) thì hoạt động trê n các phân tử khác và không tự biến đổi trong quá trình Nhiều phản ứng tế bào quan trọng kéo theo cốc phân tử nhổ ARN bao gồm các phản ứng cắt bỏ đoạn không cần th iết khỗi các bẳn saò ARN của gen Đó là phản

ứng tự cắt bỏ intron nhóm I (intron là đoạn nucleotit không đưỢc mã hoá trong

phân tử ARN thông tin sd cấp trong nhân để tạo mARN chính thức) chuẩn bị cho

ribosom tổng hỢp protein Ribozim cũng thúc đẩy quá trìn h sao chép ADN bên trong ty thể Trong tấ t cả các trưòng hỢp này, khả năng xúc tác của ÁRN đang đưỢc

nghiên cứu m ạnh mẽ Đặc biệt trong quá trìn h quang hỢp phức tạp mà cả enzym và ARN đều đóng vai trò xúc tác quan trọng.

Khả năng cùa ARN, một phân tử thông tin hoạt động như một ch ất xúc tác, đã kích thích niềm hưng p h ấn lớn giữa các nhà sinh học và có liên quan với nguồn gốc

tự phát (tự sinh) của giả th u y ết về sự sống Cái ^ xu ất hiện đầu tiên, protein hay axit nucleic? Giò đây, ít ra cũng có th ể cho rằng ARN c6 th ể đã tiến hoá đầu tiên và

đã xúc tác cho sự h ình th à n h các protein đầu tiên.

134

Không phải mọi chất xúc tác sinh học lơ lửng tự do trong tế bào

chất Một số là bộ phận của các cấu trúc khác và một số thậm chi

không phải protein.

4.3 ATP là tiền tệ năng ỉượng của sự sống

♦ ATP là gì?

Tiển tệ năng lượng chủ yếu mà tấ t cả tế bào sử dụng là phân tử adenozin triphotphate (ATP) Khôi năng lượng mà cây thu được trong quá trìn h quang hỢp được chuyển giao để sản xu ất ATP như phần lón năng lượng dự trữ trong chất béo

và tin h bột T ế bào dùng ATP dự trữ để cung cấp hầu hết mọi quá trìn h cần năng lượng chúng thực hiện từ việc cung cấp năng lượng hoạt hoá cho các phản ứng học

và quá trìn h dẫn truyền chủ động vật chất qua màng đến việc vận động qua môi trưòng và sinh trưỏng.

4.3.1 Cấu trúc của phân tử ATP

Mỗi phân tử ATP gồm ba th àn h phần nhỏ hơn (Hình 4.10) T hành phần đầu tiên là đưòng 5 cacbon riboz, có chức năng như bộ khung để hai tiểu đđn vị khác gắn vào Thành phần thứ hai là adenin - một phân tử hữu cơ gồm hai vòng cacbon - nitơ Mỗi nguyên tử nitơ trong vòng có một đôi điện tử không góp chung và h ú t yếu ion hidro Do đó, adenin hoạt động hoá học như một bazơ và thưòng được nói đến như là một bazơ nitđ (nó là một trong bốn bazơ nitơ có m ặt trong ADN) Thành phần thứ ba của ATP là nhóm triphotphat (ba gốc photphat liên k ết th àn h một chuỗi).

4.3.2 ATP dự trữ năng ỉượng như thế nào?

Điều m ấu chốt để giải thích ATP dự trữ nầng lượng như th ế nào nằm ỏ nhóm triphotphat của phân tử Các nhóm photphat ỉà nhóm tích điện âm cao, nên chúng đẩy nhau r ấ t m ạnh Do lực đẩy tĩn h điện giữa các nhóm photphat tích điện nên hai liên k ết cộng hoá trị nôl các gốc photphat không ổn định, Phân tỏ ATP thường được

ví như là một "lò xo xoắn ốc" icoiled spring)y các nhóm photphat bị kéo căng ra xa nhau.

Các liên k ết không ổn định giữ các photphat vối nhau trong phân tử ATP có năng lượng hoạt hoá th ấp và dễ dàng bị phá võ Khi bị phá vỡ, chúng có thể chuyển một lượng năng lượng lốn Trong phần lân phản ứng có ATP tham gia thì chỉ liên kết photphat cao năng ngoài cùng bị thuỷ phân, tách riêng nhóm photphat ỏ đầu cuốỉ Khi điều này xảy ra, ATP biến thành adenozin diphotphat (ADP) và năng lượng tương đương 7,3 kcal/mol được giải phóng dưới điểu kiện tiêu chuẩn Nhóm photphat đưỢc giải phóng thưòng gắn tạm thòi với một sô' phân tử trung gian Khi phần tử này loại nhóm photphat (dephosphorylated), nhóm photphat được giải

phóng dưới dạng photphat vô cơ (Pi).

(b) Sơ đổ cấu trúc đều chứng tỏ rằng giống như NAD* ATP có lỗi AMP Song trong trường hợp này, nhóm phản ứng được bổ sung vào đầu cuối của nhóm photphat AMP không phải là nucleotit khác mà đúng hơn là một chuỗi gổm hai nhóm thèm photphat Các liên kết nối hai nhóm photphat với nhau và với AMP là các Hên kết dự trữ nâng lượng

4.3.3 ATP cung cấp năng lượng cho các phản ứng cần năng lượng như thế nào?

Tế bào dùng ATP để thúc đẩy các phản ứng thu nhiệt Các phản ứng đó không tiến hành tự phát do sản phẩm của chúng có năng lượng tự do nhiều hơn chất phản ứng Song, nếu 8ự tách liên k ết cao năng tậ n cùng của ATP giải phóng nhiểu nàng lượng hơn phản ứng tiêu th ụ năng lượng thì sự biến đổi năng lượng chung của hai phản ứng liên kết sẽ p h át nhiệt (giải phóng năng lượng) và chúng sẽ cùng tiến hành Do hầu như mọi phản ứng th u nhiệt cần ít năng lượng hơn so vói năng lượng

1 3 6

được giải phóng nhò tách ATP, ATP có thể cung cấp phần lớn năng lượng mà tế bào cần dùng.

Nét đặc trư ng của ATP không những là chất cho năng lượng hiệu quả mà còn

có tính không ổn định của các liên kết photphat, nhưng ATP không phải là phân tử

dự trữ năng lượng dài hiệu quả Các chất béo và hidratcacbon thực hiện chức năng này tô"t hdn Phần lớn tế bào không duy trì kho dự trữ lớn của ATP Thay vào đó, chúng thường chỉ có một vài sự cung cấp ATP thứ yếu ở bất kỳ thòi gian nào và chúng liên tục tạo nhiều ATP từ ADP và Pj.

Tinh không ổn định cùa các liên kết photphat khiến cho ATP trd

thành một chất cho năng lượng tuyệt vời.

4,4 Trao đổi ch ấ t là đời sống hoá học của tế bào

4.4.1 C ác co n đ ư ờ n g s in h h o á : đ ơ n vị tổ ch ứ c c ủ a tr a o đổi c h ấ t

Hoá học sự sống, đó là toàn bộ

các phản ứng hoá học đưỢc sinh vật

thực hiện gọi là sự trao đổi châ't

(metabolism) hay chuyển hoá vật

chất Phản ứng nào tiêu thụ năng

lượng để tạo ra hay để biến đổi các

liên kết hoá học gọi là phản ứng đồng

hoá (anabolic reaction) hay sự đồng

hoá {anabolism). Các phản ứng thu

năng lượng khi các liên kết hoá học bị

phá võ gọi là phản ứng dị hoá

{cataboỉic reaction) hay sự dị hoá

(catabolỉsm).

Sinh vật chứa rấ t nhiều loại

enzym khác nhau xúc tác cho vô số

phản ớng Các phản ứng trong tế bào

tạo th àn h chuỗi gọi là con đường sinh

hoá {biochemical pathiuays). Trong

các con đường đó, sản phẩm của phản

ứng này trở th à n h cơ châ^t cho phản

ững tiếp theo (Hình 4.11) Con đường

sinh hoá là đơn vị tổ chức của quá

trìn h trao đổi ch ất - yếu tố mà một

sinh vật điều tiế t để đ ạt được hoạt

động chặt chẽ của quá trìn h trao đổi

Q Cơ chất

Sản phẩm

Hình 4.11 Con đường sinh hoá

Co chất đầu tiên được hoạt hoá nhờ enzym 1, biến đổí CX3 chất thành dạng mới và được nhận biết nhờ enzym 2 Trong con đường này, mỏỉ

enzym lại hoạt hoá sản phẩm của gỉaỉ đoạn ỉrước

chất Trong con đường sinh hoá xảy ra ỗ các xoang (ngăn) chuyên hoá của tế bào, phần lốn các bưổc mà enzym xúc tác đều đi theo trìn h tự, th í dụ các bưổc của chu trìn h axit xitric (chư(»ig^) xảy ra bên trong ty thể Nhờ xác định nhiều enzym xúc tác các bước này định vị ở đâu, chúng ta có th ể "minh hoạ" (mạp out) 8Ơ đồ các quá trình chuyển hoá vật ch ất trong tế bào.

4A.1.1 Các con đường sìn h hoá đ ã tiến hoá n h ư t h ế nào?

ở những tế bào nguyên thuỷ nhất, các quá trìn h sirih hoá ban đầu có lẽ bao gồm nhũng phân tử giàu năng lượng được lấy từ môi trưòng H ầu h ết các phân tử cần cho quá trìn h này tồn tạ i trong "món súp hữu cơ" của các đại dương nguyên thuỷ Các phản ứng được xúc tác đầu tiên th ì đđn giản, các p h ản ứng một bước thì mang những phân tử cùng nhau trong lứỉiều liên k ết khác nhau Cuối cùng, các phân tử giàu nảng lượng ỏ môi trưòng ngoài trỏ nên cạn kiệt, chỉ những sinh vật nào tiến hoá theo cách tạo ra những phân tủ giàu năng ỉượng từ các cơ ch ất khác trong môi trưòng mới có th ể tồn tại Do đó, có phản ứng giả định:

E -► F

+ -♦ H

G Khi 8ự cung cấp của E lại trỏ nên cạn kiệt, các sinh v ật có th ể tạo ra nó từ một

sấ tiền chất sẵn có khác (D) Khi D bị cạn kiệt, các sinh v ậ t đó lại được th ay th ế bằng những sinh vật có khả năng tổng hỢp D từ phân tử khác (C):

+ -► H

G Con đưòng sinh hoá giả định này tiến hoá chậm theo thòi gian, vởi phản ứng cuối cùng thì xảy ra trưóc tiên, còn các phản ứng phía trưốc lại tiến hoá sau N hìn

vào con đưòng này, ta sẽ thấy rằng sinh vật, bắt đầu với hỢp chất c , có thể tổng hợp

H qua nhiều bước Con đưồng sinh hoá trong cơ th ể sinh v ật đưỢc cho rằn g đã tiến hoá không phải ngay lập tức, m à từng bước một, lùi lại theo thòi gian.

1 3 8

Để con đưòng sinh hoá hoạt động hiệu quả, tế bào phải điểu phối và điều chỉnh

hoạt động đó T ế bào không nhất thiết phải tổng hỢp một hợp chất khi có mặt lượng

lón chất đó, vì làm như vậy sẽ tạo ra nhiều năng lượng và nguyên liệu thô mà tế

bào có thể đưa đi sử dụng ở nơi khác Do đó, điểu quan trọng đối với một tế bào là ức chế tạm thòi con đưòng sinh hoá khi sản phẩm của chúng chưa cần th iết cho tế bào.

4.4.I.2 Các con đường sinh hoá được điều chỉnh như th ế n à o f

Hlnh 4.12 Sự ức chế liốn hệ ngưạc (a) Con đường sinh hoá khỏng có ứ c chế liỗn hộ nguọc

(b) Con đường sinh hoá trong đó sản phẩm cuổi cùng trỏ thành chất tác động d| lập thể đối VỚI enzym đầu tiôn trong con đường Nói cách khác, sự hình thành sản phám cuối cùng của con đường làm ngừng con đường

Sự điều chỉnh con đường sinh hoá đơn giản thưòng phụ thuộc vào cơ chế liên hệ ngược tinh tế: sản phẩm cuối cừng của con đường liên kết với vỊ tr í dị lập thể trên enzym xúc tác phản ứng đầu tiên trong con đưdng Trong con đưòng giả định mà chúng ta vừa trìn h bày, enzym xúc tác phản ứng c -> D phải có vị trí dị lập thể đối vói H (sản phẩm cuối cùng của con đưòng) Khi con đường sản xu ất hàng loạt sản

phẩm và lượng H trong tế bào tăng lên thì tấ t yếu một trong những phần tử H sẽ bắt gặp vị trí dị lập th ể trên enzym c D Nếu sản phẩm H hoạt động như một ức chế dị lập thể của enzym thì sự liên kết của nó vổi enzym sẽ ức chế phản ứng c ->

D Sự ức chế phản ứng này - phản ứng đầu tiên trong con đường sẽ ức chế một cách hiệu quả toàn bộ con đưòng Do đó, khi tế bào sản xu ất ra lượng sản phẩm H ngày càng tăng thì tế bào sẽ tự động ức chế khả năng tạo ra nhiều sản phẩm hđn Đây là

mô hình điều chỉnh m ang tên sự ức chế liên hệ ngược (Hình 4.12).

Con đường sin h hoá là một loạt các phản ứng có tổ chức thường

đưỢc điểu ch ỉn h n h ư m ột đơn vị.

4.4.2 Sự tiến hoá của quá trình trao đổi chất

Quá trìn h trao đổi ch ất hay chuyển hoá vật chất đã th ay đổi nhiều khi sự sống trên trái đất đã p h át triển Đó là sự th ậ t hiển nhiên về các phản ứng mà sinh vật

sử dụng để hấp th ụ năng lượng từ m ặt tròi để tổng hỢp các phân tử hữu cơ (sự đồng hoá) và về sau phân giải các phân tử hữu cơ để th u n h ận năng lượng (sự dị hoá) Hai quá trìn h này đã tiến hoá trong mốỉ quan hệ với n h au và đây chính là chủ đề của hai chương tiếp theo.

4.4.2.1 Sự p h â n huỷ

Dạng nguyên thuỷ n h ấ t của sự sốhg n h ận năng lượng hoá học nhò sự phân huỷ

idegrading) hay phân giải (breaking doivn) các phân tử hữu cđ do các quá trình không sống tạo ra.

Sự kiện chủ yếu đầu tiên trong quá trìn h tiến hoá của sự trao đổi chất là nguồn gốc của khả năng khai thác để sản xu ất năng lượng liên kết hoá học ở giai

đoạn đầu tiên, sinh v ậ t b ắ t đầu dự trữ năng lượng này trong các liên kết của ATP -

chất mang năng lượng được mọi sinh vật sử dụng.

4.4.2.2 Quá trìn h đường p h â n

Sự kiện chính th ứ h ai trong sự tiến hoá của quá trìn h trao đổi chất là đưòng phân (glycolysis) - sự phân giải đầu tiên của glucoz Khi protein đã ph át triển các chức năng xúc tác đa dạng, tế bào có khả năng th u nhận phần lớn năng lượng của

các liên kết hoá học trong các phân tử hữu cơ nhò phân giải các liên kết hoá học

trong loạt các bước T hí dụ, sự phân giải từ từ đưòng 6-cacbon glucoz th àn h phân tử 3-cacbon được thực hiện qua 10 bưôc, tạo hai phân tử ATP N ăng lượng để tổng hợp ATP là nhò phân giải các liên kết hoá học và hình th à n h các liên kết mới với năng lượng liên kết nhỏ hơn và hiệu năng lượng giữa hai trạn g th á i được chuyển giao để tổng hỢp ATP Con đưòng sinh hoá này được gọi là đưòng phân.

Không nghi ngò gì nữa, đưòng phân đă tiến hoá r ế t sóm trong lịch sử của sự sống trên hành tinh, từ khi con đưòng sinh hoá này có trong mọi sinh vật sống Đó

là một quá trìn h hoá học mà không bị biến đổi trong suốt 3 tỷ năm qua.

140

4.4.2.3 Q uang hỢp kỵ k h i

Sự kiện chủ yếu thứ ba trong quá trình tiến hoá của sự trao đổi chất là quang hợp kỵ khí {anaerobic photosynthesis). ở giai đoạn đầu, một số sinh vật đã tiến hoá theo một phương thức khác của quá trình sản sinh ATP gợi là quang hỢp Đó là việc nhận năng lượng để tổng hỢp ATP nhò thay đôì các liên kết hoá học như trong đưòng phân Các sinh vật này đã ph át triển khả năng dùng ánh sáng để bơm các proton (HO ra ngoài tế bào và dùng gradient proton có đưọc để cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hỢp ATP - quá trìn h này được gọi là sự hoá thẩm (chemiosmosis).

Quang hỢp đã tiến hoá khi không có oxi và hoạt động tốt trong trưồng hdp đó

H2S hoà tan có trong các đại dưđng, ở bên dưới tầng khí quyển không có khí oxi và HgS có chức năng như một nguồn nguyên tử hidro sẵn có để tổng hỢp các phân tử hữu cơ Lưu huỳnh tự do được tạo ra như một sản phẩm phụ cúa phản ứng này.

4.4.2.4 Sư c ố đin h n itơ• •

Cố định nitơ là bưốc chủ yếu thứ tư trong con đưòng tiến hoá của quá trình trao đổi chất Protein và axit nucleic không thể được tổng hợp từ các sản phẩm của quang hỢp, vì cả hai phân tử sinh học quan trọng này đều chứa nitơ Việc thu nhận nguyên tử nitơ từ khí N2, quá trìn h này gọi là sự cố định nitơ (nitrogen fixation), đòi hỏi sự phân giải liên kết ba NsN Phản ứng quan trọng này đã tiến hoá đầu tiên trong bầu khí quyển giàu hidro, không có oxi của quả đất Oxi hoạt động như một chất độc đối vôi sự cố định ni tơ nên quá trình này chỉ xảy ra trong môi trường không có oxi hoặc bên trong các xoang không có oxi của một sô' vi khuẩn nào đấy.

4.4.2.5 Q uang hợp g iả i p h ó n g oxi (quang hỢp hình thành oxi)

Sự thay th ế H2O cho H2S trong quang hỢp là sự kiện chủ yếu thứ năm trong lịch sử của quá trìn h trao đổi chất Quang hđp giải phóng oxi do dùng H2O chứ không phải HịS như một nguồn nguyên tử hidro và điện tử kết hỢp Vì quang hỢp

th u nguyên tử hidro từ oxi khử hơn là từ lưu huỳnh khử, cho nên nó ph át sinh khí oxi chứ không tạo lưu huỳnh tự do.

Hđn hai tỷ năm trước, các tế bào bé nhỏ có thể thực hiện quá trìn h quang hỢp tạo oxi này như khuẩn lam, bỏi vì đó là dạng sống ưu thế trên hành tinh Khí oxi bắt đầu tích luỹ trong kh í quyển Đó là sự bắt đầu của một chuyển biến lốn làm biến đổi vĩnh viễn điều kiện trên trá i đất Giò đây, khí quyển của chúng ta có 20,9% oxi và mỗi phân tử được b ắ t nguồn từ một phản ứng quang hợp tạo oxi.

hidro và các điện tử kết hỢp của chúng không phải nhận từ H 2 S hay H 2 O như trong quang hỢp mà đúng hơn là từ sự phân giải các phân tử hữu cơ.

Các nhà sinh học cho rằng khả năng để thực hiện quang hỢp không có H2S đã tiến hoá đầu tiên trong các vi khuẩn tía không lưu huỳnh ịpurple nonsulỷur hacterừi)

do chúng đã thu hidro từ các hỢp chất hữu cơ Điểu chắc chắn xảy ra là trong số các

th ế hệ con cháu của vi khuẩn quang hỢp hô hấp này, một sô' sẽ không hoàn toàn

quang hỢp và tồn tại nhò năng lượng và hidro b ắt nguồn từ sự phân giải các phân

tử hữu cơ Ty thể trong tấ t cả tế bào nhân thực được xem là con cháu của chúng.

Sáu sự đểi mới chủ yếu đã nêu b ật sự tiến hoá của quá trìn h tra o đểi

ch ất như chúng ta biết ngày nay.

TÓM TẮT KHÁI NIỆM 4.1 Định luật nhiệt động học cho biết năng lượng biến đổi như th ế nào

♦ Năng lượng là khả năng để gây ra biến đổi, tạo ra sự vận động chống lại một lực hoặc sinh công.

♦ Động năng tham gia chủ động trong việc sinh công, còn th ế năng có khả năng

để thực hiện điều đó Nhiều sự biến đổi năng lượng của sinh vật kéo theo sự biến đổi của th ế năng th àn h động năng.

♦ Phản ứng oxi hoá khử (redox reaction) là phản ứng trong đó điện tử được lấy

từ một nguyên tử hoặc phân tử (oxi hoá) và chuyển cho chất khác (khử).

♦ Định luật thứ n h ấ t nhiệt động học khẳng định lưỢng năng lượng trong vũ trụ không đổi Năng lượng không bị m ất đi và cũng không được tạo ra.

♦ Định luật thứ hai nhiệt động học khẳng định tín h hỗn độn trong vũ trụ (entropy) có khuynh hướng tăng lên Kết quả là, năng lượng biến đổi tự phát

th àn h các dạng ít tr ậ t tự hđn.

♦ Bất kỳ phản ứng hoá học nào mà sản phẩm của chúng chứa ít năng lượng tự

do hơn chất phản ứng ban đầu sẽ có khuynh hướng tự p hát Song, hiệu (sự sai khác) trong năng lượng tự do không xác định tốc độ của phản ứng.

♦ Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào lượng năng lượng hoạt hoá cần để phá võ các liên kết vốn có.

♦ Xúc tác là quá trìn h làm giảm năng lượng hoạt hoá nhò tác động lên các liên kết hoá học.

♦ T ế bào chứa nhiều enzym khác nhau và mỗi enzym xúc tác một phản ứng đặc hiệu.

♦ Tính chuyên hoá của một enzym là do vị tr í hoạt động của enzym chỉ khớp vối một hoặc m ột vài loại phân tử cơ chất.

4J3 ATP ỉà tiền tệ năng lượng của sự sống

♦ Tế bào nhận năng lượng từ quang hỢp và oxi hoá các phân tử hữu cơ, dùng năng lượng giải phóng ra để tạo ATP từ ADP và photphat.

♦ Năng lượng dự trữ trong ATP đưỢc sử dụng để thúc đẩy các phản ứng thu nhiệt.

4.4 Sự trao đổi chất hay chuyển hoá vật chất là đời sống hoá học của tế bào

♦ Nói chung, các phản ứng cuối cùng của một con đưòng sinh hoá đã tiến hoá đầu tiên, các phản ứng xảy ra trưốc trong con đường được bổ sung về sau mỗi lần một bước.

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

1 A c tiv a tio n e n e r g y (năng lượng hoạt hoá): Năng lượng cần được cung cấp để phá vỡ tính ổn định của các liên kết hoá học vốh có và để khỏi động một phản ứng hoá học Ngay cả phản ứng tự phát cũng yêu cầu năng lưỢng hoạt hoá ban đầu này.

2 E n e rg y (năng lượng): Mọi hoạt động của tế bào được thúc đẩy bằng năng lượng được m ặt tròi cung cấp hoặc chứa trong các liên kết hoá học.

3 C a ta ỉy s is (sự xúc tác); Sự gia tăng tốc độ của phản ứng hoá học nhò làm giảm năng lượng ho ạt hoá.

4 C o en zy m e (coenzym): Phân tử hữu cơ không phải protein, đóng vai trò phụ trỢ trong phản ứng có enzym xúc tác và thưòng hoạt động như một chất cho hay chất n h ận điện tử NAD^ là một coenzym.

5 E n d e rg o n ic r e a c t io n (phản ứng thu nhiệt): Phản ứng hoá học phải có nguồn năng lượng bên ngoài cung cấp trước khi phản ứng tiến hành - ngược với phản ứng p h át nhiệt.

6 E n tr o p y (entropy): số đo về tính hỗn độn hoặc vô tr ậ t tự của hệ thống Trong tế bào, entropy là một sô' đo giải thích có bao nhiêu năng lượng bị p h át tán (thường

là nhiệt phân bố đồng đều) mà nó không còn sinh công đưỢc nữa.

Entropy còn được hiểu như là năng lượng biến đổi tự ph át th àn h dạng ít trậ t tự hơn Do đó, mốỉ quan hệ giữa các phân tử có khuynh hướng trở nên vô

tr ậ t tự nhiều hơn (entropy tăn g lên) khi năng lượng hướng đến dạng có tổ chức nhỏ n h ấ t - đó là sự vận động phân tử hỗn độn như nhiệt chẳng hạn.

7 E x e rg o n ic r e a c tio n (phản ứng phát nhiệt): Một phản ứng hoá học tạo nàng lượng P hản ứng phát nhiệt có khuynh hướng tiến h àn h tự ph át mặc dù năng lượng hoạt hoá là cần để khởi động chúng.

8 F re e e n e rg y (năng lượng tự do): Năng lượng có sẵn để sinh công Năng lượng tự

do có m ặt trong các liên kết hoá học của phân tử là năng lượng tự do của phân

tử trừ đi năng lượng vô ích do sự vô trậ t tự Một cách chung hđn, năng lượng tự

do là năng lượng sẵn có để sinh công.

9 K ilo c a lo rie (kilocalo = 1000 calo): Một calo là nhiệt cần để nâng nhiệt độ của 1 gam nưốc lên 1 độ (1°C).

10 E n zy m e s p e c ific ity (tính chuyên hoá của enzym): Một enzym chỉ xúc tác cho một hoặc một vài phản ứng riêng do chỉ các phân tử cơ chất nh ất định có thể khớp chặt vào các rãnh hay hốc (vỊ trí hoạt động của enzym) trên bê m ặt của enzym.

11 M e ta b o lism (sự chuyển hoá vật chất hay sự trao đổi chất): Bao gồm tấ t cả các phản ứng hoá học trong tế bào sống, cho phép sinh vật nắm bắt và hấp th ụ năng lượng.

12 O x id a tio n (sự oxi hoá) là sự m ất điện tử ở nguyên tử hay phân tử Nó xảy ra đồng thời với sự khử một số nguyên tử hoặc phân tử khác do điện tử bị m ất d một nguyên tử thì được nguyên tử khác nhận.

13 R e d u c tio n (sự khử) là sự nhận điện tử ở một nguyên tử hay phân tử Phản ứng oxi hoá - khử là một phương thức quan trọng của quá trìn h truyền năng lượng bên trong hệ thống sốhg.

14 S u b s tr a te (cơ chất) là phần tử mà enzym tác động, chất phản ứng ban đầu trong phản ứng có enzym xúc tác.

15 L ysozym e (enzym gây tan): Enzym phân huỷ polysaccarit trong vách tế bào Enzym phân bô' rộng trong thể thực khuẩn, lòng trắng trứ ng và nước m ắt ngưòi

Nó xúc tác phản ứng thuỷ phân các liên kết đặc hiệu giữa các gốc trong polysaccarit Do đó, chúng có vai trò phân giải vách tế bào, dẫn đến tiêu huỷ và làm vi khuẩn chết.

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Trình bày sự khác nhau giữa quá trìn h đồng hoá và dị hoá.

2 Hai trạng thái cơ bản trong đó năng lượng có thể tồn tại là gì? Chúng khác nhau như th ế nào?

3 Định nghĩa sự oxi hoá và sự khử Tại sao hai phản ứng này phải luôn luôn xảy ra

144

4 Trình bày định lu ậ t th ứ n h ấ t và thứ hai của nhiệt động học

5 Trình bày định nghĩa nhiệt, entropy và năng lượng tự do.

6 Sự khác nhau giữa phản ứng phát nhiệt và phản ứng thu nhiệt là gì? Loại phản ứng nào có khuynh hướng tiến hành tự phát?

7 Năng lượng hoạt hoá là gì? Nó có liên quan với tôc độ phản ứng như th ế nào? Chất xúc tác ảnh hưỏng lên năng lượng hoạt hoá, tốic độ phản ứng và ảnh hưởng lên tỷ lệ cuối cùng của chất phản ứng biến thành sản phẩm như th ế nào?

8 Tốic độ của phản ứng có enzym xúc tác chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, pH như th ế nào? Cơ sỏ phân tử về các tác động của các điều kiện này lên tốc độ phản ứng là gì?

9 Sự khác nhau giữa vỊ trí hoạt động và vị trí dị lập thể trên enzym là gì? Chất ức chế cạnh tran h hoạt động của enzym khác với chất ức chế không cạnh tranh như th ế nào?

10 Nhóm ngoại và coenzym tham gia trong phản ứng hoá học xảy ra bên trong tế bào như th ế nào?

11 Phần nào của phân tử ATP chứa liên kết được dùng để cung cấp năng lượng cho phần lớn các phản ứng th u nhiệt trong tế bào?

12 Con đưòng sinh hoá là gì? ứ c chế liên hệ ngược điều chỉnh hoạt động của con đưòng sinh hoá như th ế nào?

CÂU HỎI SUY LUẬN

1 Hầu như không có án h sáng m ặt tròi thâm nhập vào đại dương sâu thẳm Song nhiểu loài cá sông ồ đó hấp dẫn con mồi vầ giâõ phối m ạnh nhò tạo ấnh sáng riêng của chúng Vậy án h sáng này bắt nguồn từ đâu? Sự p h át sinh ánh sáng đó

có cần nàng lượng không?

2 Các phản ứng oxi hoá khử có thể kéo theo nhiều loại phân tử Tại sao hidro và oxi tham gia trong phản ứng này lại có tầm quan trọng sống còn trong các hệ sinh học?

3 Một số ngưòi cho rằng: sự tiến hoá thường kết hỢp với sự tăng dần về độ phức tạp (trật tự) của sinh vật không thể xảy ra do entropy (tính hỗn độn) đang tăng lên trong vũ trụ Quan niệm này có đúng không?

Chương V

T Ế BÀO TH U HÁI NĂNG LƯỢNG N H Ư T H Ế NÀO

KHÁI NIỆM CHƯNG

5.1 Tế bào thu hái năng lượng trong các liên kết hoá học

♦ Dùng năng lượng hoá học để thúc đẩy quá trình trao đổi chất Năng lượng trong các liên kết c - H, c - 0 và các liên kết hoá học khác có thể được thu lấy và sử dụng làm nhiên liệu cho tổng hỢp ATP.

5.2 Hô hấp tế bào oxi hoá các phân tử thức ăn

♦ Khái qu át về quá trìn h dị hoá glucoz; năng lượng hoá học trong đường được

th u hái nhờ photphoril hoá mức cđ chất và hô hấp hiếu khí

♦ Giai đoạn 1: đưòng phân 10 phản ứng của đưồng phân th u năng lượng từ glucoz nhò thay đổi các liên kết.

♦ Giai đoạn 2: sự oxi hoá piruvat Piruvat - sản phẩm của đường phân bị oxi

hoá thành axetyl-CoA.

♦ Giai đoạn 3; chu trìn h Krebs Trong một loạt các phản ứng, điện tử bị tước

đoạt khỏi axetyl-CoA.

♦ Thu hái năng lượng nhồ chiết rú t điện tử Hô hấp với cơ chất glucoz là một loạt các phản ứng oxi hoá - khử để giải phóng năng lượng nhờ chuyển điện tỏ

đến gần hơn vối nguyên tử oxi.

♦ Giai đoạn 4: chuỗi truyền điện tử Điện tử được thu hái từ glucoz thông qua một chuỗi các protein m àng dùng năng lưỢng để bơm proton, thúc đẩy sự tổng hợp ATP.

♦ Tóm tắ t hô hấp hiếu khí Hô hấp hiếu khí thu nhận hơn một nửa năng lượng trong các liên kết hoá học của glucoz.

♦ Điểu chỉnh hô hấp hiếu khí Mức ATP cao có khuynh hướng làm ngừng hô hấp tế bào do ức chế các phản ứng chủ yếu.

5.3 Quá trinh d ị hoá priotein vá chất béo có thể tạo nhiều năng lượng

* Glucoz khônig phải là nguyên liệu duy nhất Protein và chất béo bị phân giải tạo sản phẩm làim nguvên liệu cho hô hấp tê bào.

5.4 Tếbào có thểchuyểm hoá nguyên liệu thức ăn không có oxi

♦ Sự lên men Lên men cho phép chuyển hoá tiếp khi không có oxi nhò chuyển điện tử th u n h ận từ đưòng phân cho các phân tử hữu cơ.

Sự sống tiến triển được là nhò năng lượng Mọi hoạt động mà sinh vật tiến hành như sự bơi của vi khuẩn, tiếng kêu của con mèo, bạn đọc các dòng chữ này đều dùng năng lưíỢng Trong chương này, chúng ta sẽ trìn h bày các quá trình mà mọi tế bào sử dụag để tlhu nhận năng lượng hoá học từ các phân tử hữu cơ và biến năng lượng đó th àn h ATP Chúng ta sẽ xem xét quang hỢp - quả trình dùng năng lượng ánh sáng chứ ktoômg phải năng lượng hoá học một cách chi tiết trong chương

6 - chương cuối của giáo trinh này Chúng ta xem xét quá trìn h biến đổi năng lượng hoá học th àn h ATP truíóc quang hỢp bởi vì mọi sinh vật kể cả sinh vật quang hỢp và sinh v ật dùng cơ th ể qniaang hỢp làm thức ăn đểu có khả năng th u hái nàng lượng từ các liên kết hoố học mậc dù quá trình này và quang hỢp có nhiều điểm chung.

5.1 T ế bào thu hái năng Iượng trong các Hên kết hoá học

* D ù n g n ă n g lư ợ n g hoá học đ ể th ú c đ ẩy q u á tr i n h tr a o đ ổ i c h ấ t

Thực vật, tảo và Knột fiô' vi khuẩn thu nhận năng lưỢng của ánh sáng m ặt trời thông qua quang toợp, biến nàng lượng bức xạ thành nàng lượng hoá học Các sinh vật này cùng một vài cđ thể khác dùng năng lượng hoá học theo cách giống nhau gọi là sinh vật tự dưỡíig (autotrophs). Tất cả các sinh vật khác sống nhò vào sinh vật tự dưỡng để tệo nẳni| Ịượng được goi là sinh vật dị dưỡng ịhẹterotrophs). Có ít

n h ất 95% loại sin h vậtt tĩên hành tinh gồm tấ t cả động vật, nấm, phần lớn sinh vật nguyên sinh và vi khuiẩni đểu là sinh vật dị dưỡng.

Năng lượng hoâ học trong thức ăn nằm ở đâu và sinh vật dị dưõng th u hái năng lượng đó nh ư th ế nào để thực hiện nhiều chức năng của sự sống? Phần lốn thức ăn chứa nhiều hiídratcacbon, protein và chất béo, tấ t cả chứa đầy năng lượng trong các liên kết hoá học Thí dụ, hidratcacbon và chất béo chứa nhiểu liên kết cácbon-hidro (C'HỌ cũjng như liên kết cacbon-oxi (C-0) Quá trìn h chiết rú t năng lượng từ hỗn hđp hữu C(d phức tạp này đưỢc xử lý trong các giai đoạn khác nhau Đầu tiên, enzym phân gỉải các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn, đó là quá trìn h tiêu hoá (digestiom) v ề sau, các enzym phân giải các m ảnh phân tử nhỏ mỗi lần một ít, th u n ăn g lulỢng từ các liên kết C-H và các liên kết hoá học khác ở mỗi giai đoạn Quá trìn h này đượe gọi là sự dị hoá (catabolism).

Trong khi ta đang th u nhận năng lượng từ nhiểu hỢp phần của thức ăn thì trước hết ta hãy tập tr-ung vào quá trình dị hoá của hidratcacbon Chúng ta sẽ theo

148

dõi đưồng sáu cacbon - glucoz (CgHiaOe) khi các liên kết hoá học được chiết rút năng

lượng một cách từ từ v ề sau, sẽ xem xét quá trình dị hoá protein và chất béo.

5.1.1 Hô hấp tế bào

Năng lượng trong các liên k ết hoá học có thể đưỢc hình dung như là th ế năng

do điện tử m ang mà tạo nên liên kết cộng hoá trị Tế bào th u hái năng lượng này nhờ đưa điện tử vào hoạt động thưòng là tổng hỢp ATP - tiền tệ năng lượng của tế bào Ngay sau đó, điện tử nghèo năng lượng (energy - depleted electron) (kết hỢp với proton dưới dạng nguyên tử hidro) được chuyển cho một số phân tử khác Khi khí oxi (O2) nhận nguyên tử hidro thì nưốc hình thành và quá trìn h này được gọi là hô hấp hiếu khí {aerobic respiration). Khi phân tử vô cơ (không phải oxi) nhận hidro, quá trìn h m ang tên hô hấp kỵ khí (anaerohic respiration). Khi phân tử hữu cơ nhận nguyên tử hidro, gọi là sự lên men ựermentation).

Về m ặt hoá học, có ít khác nhau giữa quá trình dị hoá hidratcacbon trong tế bào và sự đốt cháy gỗ trong lò sưỏi Trong cả hai trường hỢp, chất phản ứng là hidratcacbon và oxi, sản phẩm là khí cacbonic, nước và năng lượng:

CeHiaOe + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + năng lượng (nhiệt hoặc A T P )

Sự biến đổi về năng lượng tự do trong phản ứng này là -7 2 0 kcal (-3012 kilo jun)/mol glucoz dưới điều kiện xảy ra trong tế bào (giá trị truyền thống là 686 kcal hay -2870 kJ/mol dưới điều kiện tiêu chuẩn: nhiệt độ phòng, áp su ất lat ) Sự biến đổi nàng lượng tự do này chủ yếu b ắt nguồn từ việc phá võ 6 liên kết c - H trong phân tử glucoz (-) chứng tỏ rằng sản phẩm có năng lượng tự do nhỏ hdn ch ất phản ứng Cùng lượng năng lượng đưỢc giải phóng hoặc do glucoz thông qua quá trìn h dị hoá hoặc bị đốt cháy, nhưng khi glucoz bị đốt cháy trong lò sưỏi thì phần lón năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt Nhiệt này không thể được dùng để sinh công trong tế bào Điều m ấu chốt đôì với khả năng của tệ' bào để th u năng lượng hữu ích từ quá trình dị hoá các phân tử thức ăn như glucoz là việc biến đổi một phần năng lượng th à n h dạng hữu ích hơn Tế bào tiến hành việc này nhò dùng một

số năng lượng để thúc đẩy quá trìn h tổng hỢp ATP - phần tử có th ể cung cấp năng lượng cho các hoạt động của tế bào.

5.1.2 P h â n t ử A T P

Adenozin triphotphat (ATP) là tiển tệ năng lượng của tế bào - phân tử có chức năng truyền năng lượng hấp th ụ đưỢc trong quá trình hô hấp cho nhiều vỊ tr í dùng năng lượng trong tế bào Như vậy, ATP có thể sẵn sàng truyền năng lượng như th ế nào? Từ chương 4, ta th ấy rằng ATP gồm đưòng (riboz) liên kết vổi một bazơ hữu cơ (adenin) và một chuỗi gồm ba nhóm photphat Như trong hình 5.1, mỗi nhóm photphat tích điện âm Giống như các điện tích đẩy nhau, nhóm photphat liên kết đẩy ngưỢc lại liên kết mà giữ chúng với nhau Như một bẫy chuột đã gài sẵn, các nhóm photphat liên k ết dự trữ năng lượng của lực đẩy tĩnh điện Việc truyển một nhóm photphat đến phân tử khác có tác dụng nới lỏng lò xo tĩn h điện của ATP,

đồng thòi khoá (hãm: cocking) lò xo phân tử đã được photphoril hoá về sau, phân

tử này có thể dùng năng lượng để trả i qua một số biến đổi c6 đòi hỏi công hữu ích.

Adenin

NHa

Nhóm triphotphat

Hình 5.1 Cấu trúc của phân tử ATP ATP gổm một bazơ hữu cơ và một chuỗi photphat gắn vào đầu đối diện cOa đường 5 - cacbon Chú ỷ rằng các vùng tích điện của chuỗi photphat gần kề nhau Các điện tích kiểu này có khuynh hướng đẩy nhaư tạo cho các liên kết giữ chúng với nhau một thế truyền năng lưọng rất cao

5.1.3 T ế b à o s ử d ụ n g A T P n h ư t h ế n ào ?

Tế bào dùng ATP để thực hiện phần lớn hoạt động nào đòi hỏi công Một trong những hoạt động rõ ràng nh ất là sự vận động Một số vi khuẩn bơi, tự đẩy tới phía trước nhò làm quay nhanh lông roi (tiên mao) kiểu đuôi dài, giông như tàu thuỷ di động nhò làm quay chân vịt Trong quá trình phát triển của con ngưòi khi ở trạng thái phôi, nhiều tế bào vận động qua lại, trưòn lên nhau để tìm vỊ trí mới, sự vận động cũng xảy ra bên trong tế bào Các sỢi bé tí bên trong tế bào cơ đẩy nhanh co cơ

Ty thế di chuyển một m ét hoặc hđn dọc theo các tế bào th ần kinh hẹp nốl chân với xương sống Các nhiễm sắc th ể bị các vi quản kéo đi trong quá trìn h phân chia tế bào Tất cả các vận động này ỏ tế bào đều cần năng lượng ATP.

Phương thức chủ yếu thứ hai tế bào dùng ATP là thúc đẩy phản ứng th u nhiệt

{endergonic reaction). Nhiều hoạt động tổng hỢp của tế bào là th u nhiệt do các phân

tử tổng hỢp (building molecules) lấy năng lượng Các liên kết hoá học của các sản

phẩm của phản ứng này chứa nhiểu năng lượng hđn hoặc được tổ chức hđn so với chất phản ứng Phản ứng không thể tiến hành cho đến khi năng lượng thêm được cung cấp cho phản ứng Đó là ATP có vai trò cung ứng cho nảng lượng cần th iết này.

150

5.1.4 ATP thúc đẩy phản ứng thu nhiệt như thế nào?

ATP thúc đẩy phản ứng thu

nhiệt như th ế nào? Enzym xúc ^»-A D P

tác phản ứng thu nhiệt có hai vị f

trí liên kết trên bề mặt, một vỊ trí

Hoạt động Hỉnh 5.2 ATP thúc đẩy phân ứng thu nhiệt như thế nào? Trong nhiều trường hợp một nhóm photphat tách khòi ATP có tác dụng hoạt hoá protein, xúc tác quá trình ữiu nhiệt

lượng này đẩy chất phản ứng ở vị

trí thứ hai "lên dốc" (uphill) thúc

đẩy phản ứng thu nhiệt.

Khi quá trình tách phân tử ATP thúc đẩy phản ứng yêu cầu năng lượng trong

tế bào, hai phần của phản ứng - tách ATP và th u nhiệt xảy ra với nhau Trong một

số trường hỢp, hai phần đều xảy ra trên bể m ặt của cùng enzym, chúng liên kết hoặc "cặp đôi" giống như hai chân đanẹ< đi Trong các trưòng hỢp khác, nhóm photphat cao năng từ ATP gắn vào protein xúc tác quá trìn h th u nhiệt, hoạt hoá protein (Hình 5.2) Phản ứng cặp đôi cần năng lượng để tách ATP theo cách này là một trong các công cụ chủ yếu được tế bào sử dụng để quản lý năng lượng.

Quá trình dị hoá glucoz thành khi cacbonic và nước trong cơ thê'

sống giải phóng khoảng 720 kcal (khoảng 3012 k J) nảng ỉượng trên

mol glucoz Năng lượng này được th u giữ tro n g ATP • phân tử có

chức năng dự trữ nảng lượng nhờ liên k ết các nhóm p h o tp h at tích

điện nằm gần nhau Khi các liên kết photphat trong ATP bị thuỷ

phân, năng lưựng được giải phóng và sắn sàng dể sinh công.

5.2 Hô hấp tế bào oxi hoá các phân tử thức ăn

5.2.1 Khái quát về quá trinh dị hoá glucoz

T ế bào có thể tổng hỢp ATP từ quá trìn h dị hoá các phân tử hữu cơ theo hai cách khác nhau:

1 Photphoril hoá mức cơ chất {substrate - level phosphoryratỉon). Trong quá trình này, ATP được tổng hỢp nhò chuyển một nhóm photphat trực tiếp cho ADP từ chất tru n g gian m ang photphat (Hình 5.3) ở quá trìn h đường phân (xem phần tiếp theo), các liên kết hoá học của glucoz được dịch chuyển trong các phản ứng, cung cấp năng lượng cần để tạo ATP.

2 Hô hấp hiếu kh í {aerobỉc respiration). Theo cách th ứ hai này, ATP được hình th à n h khi điện tử được th u hái, chuyển dọc theo chuỗi truyển điện tử và cuối cùng được chuyển cho oxi Các sinh vật n h ân thực tạo phần lớn ATP từ glucoz theo cách này.

Trong phần l0Ịn sinh vật, hai quá trình này kết hỢp vói nhau Để th u năng lượng tổng hỢp ATP từ đưòng glucoz khi có m ặt oxi, tế bào thực hiện một loạt các phản ứng có enzym xúc tác phức tạp và xảy ra trong bốn giai đoạn: giai đoạn đầu thu hái năng lượng nhò photphoril hoá mức cđ chất thông qua đưòng phân, ba giai đoạn tiếp theo tiến hành hô hấp hiếu khí nhò oxi hoá sản phẩm cuối cùng của đưòng phân.

-A D P

Hinh 5.3 Photphorll hoá mức cơ chất Một số phẳn tử như photphoenol pimvat (PEP) có một liốn kết photphat cao nang giống như các liôn kết trong ATP Khi nhóm photphat của PEP được chuyển nhờ enzym xúc tác đến ADP, nâng luọng trong liên kết được bảo toàn và ATP được tạo ra

5.2.1.1 Quá trin h đường p h â n

Giai đoạn 1: đường phần Giai đoạn đầu tiên của quấ trìn h chiết r ú t năng lượng từ glucoz là con đưòng sinh hoá 10 phản ứng gọi là quá trìn h đưòng phân

(glycolysỉs) có chức năng tổng hỢp ATP nhò photphoril hoá mức cd chất Các enzym xúc tác phản ứng đưòng phân tồn tại trong tế bào chất của tế bào, không ỉiên kết với bất kỳ màng hay bào quan nào Đầu tiên tế bào tiêu th ụ hai phần tử ATP trong con đưòng tổng hỢp bốn phân tử ATP nhờ photphoril hoá mức cơ chất Từ đó tạo dôi

ra hai phân tử ATP cho mỗi phân tử gỉucoz thông qua quá trìn h dị hoá Ngoài ra, tế bào th u được bốn điện tử dưới dạng NADH Tuy nhiên, tổng hiệu quả ATP là thấp Khi quá trình đưòng phần hoàn thành, hai phân tử piruvat vừa được hình th àn h vẫn chứa phần ỉớn năng ỉượng mà phân tử gỉucoz ban đầu dự trữ.

Đưòng phân xảy ra trong mọi sinh vật và các phản ứng đưòng phân để tạo ATP theo photphoril hoá mức cđ chất có th ể xảy ra với oxi hoặc không có oxi Song, trong động vật, việc th u hái các điện tử cao năng nhờ đưòng phân không th ể xảy ra vô thòi hạn khi không có oxi Kết quả là, nếu không có oxi thì tế bào động vật sẽ chết.

152

Giai đoạn 2: oxi hoá piruvat Trong giai đoạn này, piruvat - sản phẩm cuối cùng của đưòng p h ân - bị biến đổi th àn h khí cacbonic và phân tử hai cacbon gọi là

axetyl-CoA Khi mỗi phân tử piruvat bị biến đổi, một phân tử NADH được tổng hỢp.

Giai đoạn 3: chu trìn h Krebs Giai đoạn ba nhập axetyl-CoA vào chu trìn h gồm

9 phản ứng gọi là chu trìn h Krebs mang tên nhà sinh hoá ngưòi Anh Hans Krebs, ngưòi p h á t hiện ra chu trìn h này (chu trìn h KreLs cũng được gọi là chu trình axit xitric vì axit xitric hay x itrat được hình thành trong bưốc đầu tiên của chu trình và

ít phổ biến, chu trìn h Krebs cũng được gọi là chu trìn h tricacboxilic axit bởi vì citrat

có ba nhóm cacboxin) Trong chu trình Krebs, hai phân tử ATP được chiết rú t theo photphoril hoá mức cơ chất và một lượng lốn các điện tử bị loại ra nhò NADH.

5.2.I.2 Hô hấp hiếu khi

Hinh 5.4 Bức tranh khái quát vé hỗ hấp hiếu khí

Giai đoạn 4: chuỗi truyền điện tử Trong giai đoạn th ớ tư, các điện tử cao năng

do NADM mang được sử dụng để thúc đẩy quá trình tổng hỢp một lượng lón ATP

nhò chuỗi truyền điện tử.

Sự oxi hoá piruvat, các phản ứng của chu trìn h Krebs và quá trìn h tổng hỢp

ATP nhờ chuỗi truyền điện tử xảy ra bên trong ty th ể của mọi sinh vật nhân thực cũng như trong nhiều dạng vi khuẩn (ty th ể đã tiến hoá từ vi khuẩn - theo chương

1) Mặc dù, thực v ậ t và tảo có th ể tạo ATP bằng quang hỢp, nhưng chúng cũng tạo ATP bằng hô hấp hiếu khí giống như động vật và các sinh vật không quang hỢp

khác H ình 5.4 giối thiệu bức tran h khái quát vể hô hấp hiếu khí.

Vổi sự có m ặt của oxi, tế bào có thể hô hấp hiếu khí Khi thiếu oxi, một sô' sinh vật hô hấp kỵ khí, dùng chất nhận điện tử vô cơ khác, không phải oxi Thí dụ, nhiều vi k h u ẩn dùng lưu huỳnh, n itra t hoặc các hợp chất vô cơ khác như là chất nhận điện tử thay cho oxi.

Vi khuẩn sinh kh í m etan {methanogen). Trong số các sinh vật dị dưỡng tiến

h àn h hô hấp kỵ khí là cổ khuẩn nguyên thuỷ (primỉtive archaebacteria) như vi khuẩn ưa nhiệt (thermophiles). Một số vi khuẩn này gọi là vi khuẩn sinh khí

m etan, dùng CO2 như chất nhận điện tử, khử CO2 th àn h CH4 (metan) vói hidro bắt nguồn từ các phân tử hữu cơ do sinh vật khác tạo ra.

Vi khuẩn lưu huỳnh: bằng chứng về quá trìn h hô hấp kỵ khí thứ hai trong số các vi khuẩn nguyên thuỷ xuất hiện trong nhóm đá khoảng 2,7 tỷ năm trưốc Nguyên liệu hữu cơ trong đá này là khá giàu về đồng vị nhẹ lưu huỳnh so với đồng vỊ nặng s®* Chưa biết quá trìn h địa hoá tạo ra sự giàu có này như th ế nào, nhưng quá trìn h khử lưu huỳnh sinh học vẫn tiến h àn h ngày nay ở các vi khuẩn nguyên thuỷ n h ấ t định Trong hô hấp sunphat, vi khuẩn nhận năng lượng từ quá trìn h khử các sunphat vô cơ (SO4* ) thành H2S Nguyên tử hidro n h ận từ các phân

tử hữu cơ khác do sinh vật tạo ra Do đó, các vi khuẩn này cùng tiến hành quá trìn h như vi khuẩn sinh khí m etan, nhưng chúng dùng SƠ4^ như tác nhân oxi hoá (nghĩa

là nhận điện tử) thay cho CO2.

Các chất khử su n p h at xác lập trạn g thái cho sự tiến hoá của quang hỢp, tạo ra môi trưòng phong phú về H2S Như đã trìn h bày trong chương 4, dạng quang hỢp đầu tiên nhận hidro từ H2S dùng năng lượng ánh sáng m ặt tròi.

Trong hô hấp hiếu khí, tế bào thu nảng lượng từ các phân tử glucoz

theo một chuỗi gổm bến con đường chinh: đường phân, oxi hoá

piruvat, chu trình Krebs và chuỗi truyền điện tử Oxi là chất nhận

điện tử cuối cùng Hô hấp kỵ khi chuyển giao các diện tử thu đưực

cho các hỢp chất vô cơ khác.

5.2.2 Giai đoạn 1: đường phân

Quá trìn h chuyển hoá v ật chất của các sinh vật nguyên thuỷ tập trung vào glucoz Phân tử glucoz có th ể bị phân giải theo nhiểu cách, nhưng sinh vật nguyên thuỷ đã phát triển nên quá trìn h dị hoá glucoz, giải phóng đủ năng lượng để thúc đẩy sự tổng hỢp ATP trong các phản ứng liên kết Đó là quá trìn h đường phân xảy

ra trong tế bào chất và kéo theo một chuỗi 10 phản ứng (Hình 5.5) biến glucoz

th àn h hai phân tử piruvat 3 cacbon Để mỗi phân tử glucoz thông qua sự biến đổi này, tế bào tạo riêng ra hai phân tử ATP nhò photphoril hoá mức bản thể

5.2.I.3 Hô hấp kỵ khi

154

|^otphoglucoizomeraza Pructo 6-photphat

6 Sự oxi hoá tiếp theo

bằng photphoryl hoá tạo

hai phân tử NADH và hai

phân tử BPG và mỗi

phân tử này có một liên

kết photphãt cao năng

7 Loại photphat cao

năng bằng hai phân tử

ADP tạo hai phân tửATP

và lưu lại hai phân tử 3PG

(BPG) (BPG) Photphoglycerokinaza

0 -o -c= o

CHOH

3-Photphoglycerat 3-Photphoglycerầt (3PG) Ị z PG)

(D

lotphoglyceromuta;

8-9 Loại nước tạo hai

phân tử P EP và mỗi phân

tử này có một liên kết

photphat cao năng

2-PhotphoglycetBt 2-Photphoglycerat (2PG) (2PG)

(PEP) Pyruvat kinaza

5.2.2.1 Sự chuẩn bị (priming)

Nửa đầu của đưòng phân gồm 5 phản ứng kế tiếp nhau, biến một phân tử glucoz thành hai phân tử có ba cacbon - glixerandehit 3 photphat (G3P) Phản ứng này đòi hỏi chi dùng ATP Như vậy, chúng là quá trình cần năng lượng.

Bưóc A: sự chuẩn bị của gỉucoz Ba phản ứng "chuẩn bị" glucoz nhò biến đổi nó thành một hợp chất mà có thể bị tách dễ dàng thành hai phân tử bị photphoril hoá

ba cacbon Hai phản ứng này cần tách ATP, như vậy bưốc này đòi hỏi tế bào dùng hai phân tử ATP.

Bước B: tách và sắp xếp lại Trong phản ứng đầu tiên của đôi phản ứng còn lại,

G3P, phân tử khác về sau biến thành G3P nhò phản ứng thứ hai.

5.2.2.2 Photphoril hoá mức cơ chất

Trong nửa thứ hai của quá trình đưòng phân, có năm phản ứng biến G3P thành piruvat trong quá trình tạo năng lượng phát sinh ATP Nói chung, đường phân là một loạt gồm 10 phản ứng có enzym xúc tác, trong đó dùng một số ATP để tạo ra nhiều hơn.

tạo NADH Lưu ý rằng, NAD* là một ion và cả hai điện tử trong liên kết cộng hoá trị mới bắt nguồn từ G3P.

Bước D: sự phát sinh ATP Bốn phản ứng biến G3P thành phân tử 3 cacbon khác piruvat Quá trình này làm phát sinh hai phân tử ATP (Hình 5.3) Do mỗi phân tử glucoz tách thành hai phân tử G3P nên chuỗi phản ứng chung tạo hai phân tử ATP cũng như hai phân tử NADH và hai piruvat.

4 ATP (2 ATP cho một trong hai phân tử G3P trong bước D)

2ATP Dưới điểu kiện không chuẩn trong tế bào, mỗi phân tử ATP được tạo ra biểu hiện sự thu giữ khoảng 12 kcal (50 kJ) năng lượng/mol glucoz chứ không phải 7,3 theo tính toán truyền thếng cho điều kiện tiêu chuẩn Điều đó có nghĩa rằng đưòng phân thu giữ khoảng 24 kcal/mol (100 kJ/mol) Đây không phải lượng năng lượng

kJ)/mol, như vậy, đưòng phân chỉ thu được 3,5% năng lượng hoá học của gIucoz.

Quá trình đưòng phân giải phóng ra bao nhiêu năng ỉượng thì chưa rõ nhưng

biết được rằng đưòng phân tạo ra ATP Hđn một tỷ năm trong các giai đoạn kỵ khí đầu tiên của sự sống trên quả đất, đường phân là phương thức chủ yếu mà sinh vật

đưòng phân được coi là đã tiến hoá thụt lùi vối các bước cuối cùng trong quá trình

156