Cơ sở di truyền học phan tử va tế bao đinh đoan long pdf

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt Nghĩa tiếng Anh FAP Hội chứng u tuyến polyp theo dòng họ Familial adenomatous polyposis FGF Yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi Fibroblast growth factor FISH

Mặc dù di truyền học đã được con người ứng dụng trong công tác chọn, tạo giống vật nuôi và cây trồng từ hàng nghìn năm trước, nhưng chỉ trong vòng 50 năm qua, những nguyên lý cơ bản của di truyền học ở cấp độ phân tử và dưới tế bào mới dần được làm sáng tỏ Những hiểu biết về các cơ chế di truyền từ gen đến hệ gen ngày càng trở nên sâu và rộng hơn Đặc biệt, kể từ năm 2000, khi dự án giải trình tự hệ gen người hoàn thành bản thảo đầu tiên, đã có nhiều đổi mới về cách “tư duy” trong các nghiên cứu di truyền học Cùng với công nghệ thông tin, di truyền học phân tử được dự đoán là một trong hai chuyên ngành khoa học có ảnh hưởng lớn nhất đến đời sống xã hội trong giai đoạn hiện nay và sắp tới Cả hai chuyên ngành khoa học này đều liên quan đến việc khai thác, phân tích và xử

lý một lượng lớn dữ liệu được mã hóa ở các dạng ngôn ngữ rất linh hoạt và hiệu quả Nếu ngôn ngữ của công nghệ thông tin do con người sáng tạo, thì ngôn ngữ và các thông tin di truyền được lưu giữ trong các hệ gen sinh vật ngày nay là kết quả của sự sống đã hình thành và phát triển qua nhiều triệu năm tiến hóa

Với cách đổi mới “tư duy” như vậy, giáo trình này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên các ngành sinh học, công nghệ sinh học và sư phạm sinh học các nguyên lý cơ bản của di truyền học ở cấp độ phân tử và tế bào phục vụ cho các công việc học tập và nghiên cứu Giáo trình được chia làm 11 chương với các nội dung sau:

(ADN, ARN và protein) Chương III Sao chép axit nucleic

Chương VII Cơ sở di truyền học nhiễm sắc thể

Chương VIII Chu trình tế bào và cơ sở di truyền học ung thư

Ngoài việc sử dụng làm giáo trình học tập của sinh viên các ngành sinh học, công nghệ sinh học và sư phạm sinh học, cuốn sách này có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh có liên quan đến sinh học ở các trường

Đại học Y, Đại học Dược, Đại học Nông nghiệp, Đại học Lâm nghiệp cũng như với các giáo viên giảng dạy sinh học ở các trường THPT, các nhà khoa học ở các viện nghiên cứu chuyên ngành hoặc những ai quan tâm đến di truyền học

Dù đã cố gắng cập nhật những thông tin mới thuộc lĩnh vực Di truyền học phân tử và

tế bào, nhưng trong bối cảnh chuyên ngành này đang phát triển mạnh mẽ và không ngừng

đổi mới, ngoài ra trong lần xuất bản đầu tiên, giáo trình này chắc không thể tránh khỏi thiếu sót Các tác giả trân trọng đón nhận và cảm ơn các ý kiến nhận xét, góp ý của các

đồng nghiệp làm công tác giảng dạy sinh học, các nhà khoa học, các sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và độc giả gần xa để lần xuất bản sau cuốn sách được hoàn chỉnh hơn

Các tác giả

Danh mục các từ và chữ viết tắt

∆G Mức chênh lệch năng lượng tự do Change in free energy

2D-PAGE Điện di 2 chiều trên gel polyacrylamide 2-D polyacrylamide gel electrophoresis 3’UTR Vùng đầu 3’ không được dịch mã 3’-untranslated region

5’UTR Vùng đầu 5’ không được dịch mã 5’-untranslated region

ADN Axit deoxyribonucleic Deoxyribonucleic acid

ADN pol ADN polymerase / ADN polymeraza DNA polymerase

ADP Adenosine diphosphate Adenosine diphosphate

AIDS Hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải Acquired immunodeficiency syndrome AMP Adenosine monophosphate Adenosine monophosphate

ARE Trình tự ARN giàu AU AU-rich element (sequence)

ARN pol ARN polymerase / ARN polymeraza RNA polymerase

ATP Adenosine triphosphate Adenosine triphosphate

BER Sửa chữa bằng cắt bỏ bazơ nitơ Base excision repair

cADN ADN phiên mã ngược từ ARN Complementary DNA (cDNA)

CAP / CRP Protein hoạt hóa bởi chất dị hóa /

Protein thụ thể của cAMP

Catabolite activator protein / cAMP receptor protein

CDK Enzym kinase phụ thuộc cyclin Cyclin-dependent kinase

CML Ung thư bạch cầu thể tủy trường diễn Chronic myelogenous cancer

dNTP Deoxyribonucleotide triphosphate Deoxyribonucleotide triphosphate

ĐVCXS Động vật có xương sống Vertebrate animal

EDTA Ethylene diamine tetraacetate Ethylene diamine tetraacetate

EHMR Khối phổ độ phân giải cực cao Extremely high mass resolution EJC Phức hệ nối các exon Exon joining complex

EMS Ethyl methane sulfonate Ethyl methane sulfonate

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt Nghĩa tiếng Anh

FAP Hội chứng u tuyến polyp theo dòng họ Familial adenomatous polyposis FGF Yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi Fibroblast growth factor

FISH Lai huỳnh quang tại chỗ Fluorescent insitu hybridization

GR Thụ thể glucocorticoid Glucocorticoid receptor

HIV Virut gây suy giảm miễn dịch ở người Human immunodeficiency virus HLA Kháng nguyên liên kết tế bào lympho người Human leukocyte antigen

HPLC Sắc ký lỏng cao áp / Sắc ký hiệu năng cao High pressure liquid chromatography IRES Vị trí đi vào của ribosome Internal ribosome entry site

IS Các trình tự (yếu tố) cài Insertion sequence

LCR Vùng điều khiển locut Locus control region

LINE Các trình tự dài nằm rải rác trong nhân Long interspersed nuclear element LTR Các trình tự lặp lại dài ở đầu tận cùng Long terminal repeat

MALDI Phân hủy laser trong chất mang Matrix-assissted laser desorption

ionization

MHC Phức hệ kháng nguyên tương hợp mô Major histocompability complex

MMR Sửa chữa kết cặp sai nhờ mạch khuôn

được methyl hóa Methyl-directed mismatch repair MMS Methyl methane sulfonate Methyl methane sulfonate

NER Sửa chữa bằng cắt bỏ nucleotide Nucleotide excision repair

NJ Thuật toán kết nối lân cận Neighbor joining

NMD Phân hủy mARN mang đột biến vô nghĩa Nonsense mediated decay of mRNA NMR Cộng hưởng từ hạt nhân Nuclear magnetic resonance

NTP Ribonucleotide triphosphate Ribonucleotide triphosphate

PABP Protein liên kết đuôi polyA PolyA binding protein

PAGE Điện di trên gel polyacrylamide Polyacrylamide gel electrophoresis PCR Phản ứng chuỗi trùng hợp Polymerase chain reaction

PDGF Yếu tố tăng trưởng có nguồn gốc tiểu cầu Platelet-derived growth factor

PFGE Điện di xung trường Pulsed-field gel electrophoresis PITC Phenylisothyocyanate Phenylisothyocyanate

PPi / ~ Nhóm pyrophosphate Pyrophosphate group

PTS Hệ thống phosphoryl hóa phụ thuộc vào

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt Nghĩa tiếng Anh

RBS Vị trí liên kết ribosome Ribosome binding site

RFLP Đa hình độ dài các đoạn giới hạn Restriction fragment length

polymorphism RISC Phức hệ tắt gen kích ứng bởi ARN RNA-induced silencing complex RPBS Vị trí liên kết protein điều hòa Regulatory protein binding site SCID Bệnh suy giảm miễn dịch kết hợp

nghiêm trọng

Severe combined immunodeficiency disease

SDS Sodium dodecyl sulfate Sodium dodecyl sulfate

siARN ARN can thiệp kích thước nhỏ Small interfering RNA

SINE Các yếu tố trình tự ngắn nằm rải rác

trong nhân Short interspersed nuclear element SMC Protein duy trì cấu trúc nhiễm sắc thể Structural maintenance of chromosome snARN ARN nhân kích thước nhỏ Small nuclear RNA

snoARN ARN hạch nhân kích thước nhỏ Small nucleolar RNA

snRNP Ribonucleoprotein kích thước nhỏ Small nuclear ribonucleoprotein SRP ARN ARN nhận biết tín hiệu Signal recognition RNA

SSB Protein bám mạch đơn Single strand binding protein

STR / SSR Trình tự vi vệ tinh Microsatellite / simple tandem repeats

TBP Protein liên kết hộp TATA TATA-box binding protein

TE Yếu tố di truyền vận động / gen nhảy Transposable element

TIC Hệ thống vận chuyển translocase màng

trong lạp thể Translocase, inner chloroplast TIM Hệ thống vận chuyển translocase màng

trong ti thể Translocase, inner mitochondrial tmARN ARN tích hợp của mARN và tARN tmRNA

TOC Hệ thống vận chuyển translocase màng

ngoài lạp thể Translocase, outer chloroplast

TOM Hệ thống vận chuyển translocase màng

ngoài ti thể Translocase, outer mitochondrial uORF Khung đọc mở nằm ngược dòng Upstream open reading frame

UPGMA Thuật toán phân cặp dựa trên giá trị

trung bình Unweighted pair group with arthmetic means

VNTR Trình tự nucleotide ngắn lặp lại liên tục

với số lượng biến động/ tiểu vệ tinh Variable number tandem repeats / minisatellite

Chương 1 liên kết hóa học của các đại phân tử sinh học 1.1 Đặc điểm liên kết hóa học của các đại phân tử sinh học

Liên kết hóa học là lực hấp dẫn giữ các nguyên tử với nhau Sự kết tụ của các nguyên

tử thành một khối có kích thước xác định được gọi là phân tử Trước đây, người ta cho rằng trong phân tử chỉ các liên kết cộng hóa trị (là những liên kết rất mạnh) mới có vai trò giữ các nguyên tử với nhau Giờ đây, chúng ta đã biết các liên kết yếu cũng có vai trò quan trọng trong cấu trúc của các phân tử sinh học Chẳng hạn như, bốn chuỗi polypeptide của hemoglobin được đính kết với nhau nhờ một số liên kết yếu Như vậy, mặc dù quen gọi là liên kết yếu, nhưng khi kết hợp lại các liên kết yếu cũng có thể giữ các nguyên tử với nhau Các liên kết hóa học được phân loại dựa trên một số đặc tính, trong đó có lực liên kết Các liên kết mạnh hầu như không bao giờ tự đứt gãy trong điều kiện sinh lý cơ thể, vì vậy các nguyên tử được tập hợp bởi các liên kết cộng hóa trị luôn thuộc về cùng một phân tử Các liên kết yếu thì dễ đứt gãy hơn nhiều và khi tồn tại đơn lẻ, thời gian tồn tại của chúng thường rất ngắn Nhưng, khi tập hợp lại theo một trật tự nhất định thì các liên kết yếu có thể tồn tại lâu dài Lực của một liên kết hóa học tương quan với “chiều dài” của chúng Vì vậy, hai nguyên tử được giữ bởi liên kết mạnh luôn gần nhau hơn hai nguyên tử cùng loại

được giữ bởi liên kết yếu Ví dụ: liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử H trong phân tử (H:H) có khoảng cách 0,74Å, trong khi khoảng cách này trong lực Van der Waals là 1,2Å Một đặc tính quan trọng khác là số liên kết tối đa mà mỗi nguyên tử có thể tạo ra Số liên kết cộng hóa trị tối đa mà một nguyên tử có thể có được gọi là hóa trị của nguyên tử đó Chẳng hạn như oxy có hóa trị 2, nghĩa là nó không bao giờ hình thành được nhiều hơn hai liên kết cộng hóa trị Đối với liên kết Van der Waals, đặc tính này linh hoạt hơn Trong đó,

số liên kết Van der Waals mà một nguyên tử có thể có chỉ phụ thuộc vào vị trí không gian của nó và số nguyên tử khác mà nó có thể đồng thời tiếp xúc Sự hình thành các liên kết hydro bị hạn chế hơn so với liên kết Van der Waals Một nguyên tử hydro liên kết cộng hóa trị thường chỉ tham gia vào một liên kết hydro duy nhất, trong khi một nguyên tử oxy

có thể tham gia vào nhiều hơn hai liên kết hydro khác nhau Các liên kết mạnh và yếu còn khác nhau về góc liên kết, đó là góc được hình thành giữa hai liên kết xuất phát từ cùng một nguyên tử Góc liên kết giữa hai liên kết cộng hóa trị đặc thù thường là ổn định

thành một góc của khối tứ diện đều (góc liên kết ≈ 109o) Ngược lại, góc tạo thành giữa các liên kết yếu thường không ổn định Ngoài ra, các liên kết còn khác nhau về mức quay tự

do Các liên kết cộng hóa trị đơn cho phép các nguyên tử quay tự do xung quanh nguyên tử liên kết, trong khi các liên kết cộng hóa trị kép (liên kết đôi hoặc liên kết ba) thì cứng nhắc Vì lý do này, nên các nhóm cacbonyl (C=O) và imino (N=C) gắn kết với nhau qua liên kết peptide phải nằm trên cùng một “mặt phẳng tương đối” Các liên kết yếu hơn (như liên kết ion) thì ngược lại không có hạn chế nào về việc định hướng tương đối giữa các nguyên tử 1.1.1 Sự hình thành liên kết hóa học gắn liền với sự thay đổi về năng lượng

Sự hình thành một liên kết hóa học tự phát giữa hai nguyên tử luôn gắn liền với sự giải phóng một phần năng lượng bên trong của các nguyên tử ở dạng không liên kết (tự do)

và chuyển chúng thành một dạng năng lượng mới Liên kết càng mạnh thì năng lượng

Đinh Đoàn Long

“thoát” ra càng lớn Phản ứng hình thành liên kết giữa hai nguyên tử A và B có thể mô tả như sau:

trong đó AB biểu diễn phân tử liên kết Tốc độ phản ứng tương quan thuận với tần số va chạm của các nguyên tử Đơn vị thường được dùng để biểu diễn năng lượng là calo; đó là

liên kết hóa học của một mole phân tử nào đó, thường cần hàng nghìn calo, vì vậy mức thay

đổi năng lượng trong các phản ứng hóa học thường được biểu diễn bằng đơn vị kcal/mol Tuy vậy, các nguyên tử liên kết hóa học với nhau không phải luôn duy trì ở trạng thái liên kết Sự có mặt của nhiều lực có thể làm phá vỡ các liên kết này Một trong những lực như vậy là nhiệt năng Sự va đập giữa các nguyên tử hoặc phân tử khi chuyển động nhanh

có thể phá vỡ các liên kết hóa học Trong quá trình va đập, một phần động năng của các nguyên tử chuyển động có thể đẩy bật hai nguyên tử đang liên kết ra khỏi nhau Một phân

tử càng chuyển động nhanh (tức là nhiệt độ càng cao), thì khả năng phá vỡ các liên kết càng lớn Vì vậy, khi nhiệt độ của hỗn hợp các phân tử tăng lên, thì sự bền vững của các liên kết hóa học giảm đi Sự đứt gãy của một liên kết hóa học được biểu diễn bởi phương trình:

Lượng năng lượng cần được bổ sung để phá vỡ một liên kết đúng bằng lượng năng lượng được giải phóng khi liên kết đó hình thành Sự cân bằng này là nội dung định luật nhiệt động học thứ nhất vốn được phát biểu rằng “năng lượng không tự nhiên sinh ra hoặc mất đi”

1.1.2 Sự cân bằng giữa quá trình hình thành và phá vỡ liên kết hóa học

Như vậy, sự hình thành hay phá vỡ một liên kết hóa học là kết quả của các hoạt động kết hợp giữa các lực hình thành và phá vỡ liên kết Khi một hệ thống kín đạt đến trạng thái cân bằng, thì số liên kết hình thành qua một đơn vị thời gian sẽ đúng bằng số liên kết bị phá

vỡ Khi đó, tỉ lệ các nguyên tử ở trạng thái liên kết sẽ được biểu diễn bằng công thức sau:

trong đó, Kcb là hằng số cân bằng; [AB], [A] và [B] tương ứng là nồng độ của AB, A và B, tính theo đơn vị mole/L Dù cho chúng ta bắt đầu hệ thống chỉ với A và B riêng rẽ, hoặc phức hợp AB, hay cả phức hợp AB và A, B riêng rẽ, thì cuối cùng hệ thống kín sẽ đạt đến các nồng độ tương quan của Kcb

1.1.3 Khái niệm về năng lượng tự do

Một sự thay đổi về năng lượng luôn xuất hiện khi có một tỉ lệ nhất định các nguyên tử

ở trạng thái liên kết dần chuyển sang trạng thái cân bằng Trong sinh học, cách biểu diễn sự thay đổi năng lượng như vậy hữu hiệu nhất là năng lượng tự do, được viết tắt là G (để tưởng nhớ nhà vật lý Josiah Gibbs) Trong phạm vi giáo trình này, chúng ta không đề cập sâu về khái niệm năng lượng tự do ở đây, xét về mặt sinh học, chúng ta chỉ thừa nhận là “năng lượng tự do là dạng năng lượng có thể hoạt động”

Định luật thứ hai của nhiệt động học phát biểu rằng năng lượng tự do luôn mất đi (∆G < 0) khi phản ứng hóa học xảy ra tự phát, nhưng khi đạt đến trạng thái cân bằng, năng lượng tự do sẽ không thay đổi (∆G = 0) Như vậy, trạng thái cân bằng của một hệ thống kín (gồm tập hợp các nguyên tử) chính là trạng thái có mức thay đổi năng lượng tự

do thấp nhất

Năng lượng tự do mất đi khi đạt đến trạng thái

cân bằng được chuyển hóa thành nhiệt năng hoặc

được dùng để làm tăng mức entrôpi ở đây, chúng ta

cũng không bàn sâu về entrôpi, mà chỉ thừa nhận đó

là đại lượng đo mức độ hỗn loạn Khi mức độ hỗn loạn

càng cao, thì mức entrôpi càng cao và xu hướng càng

có nhiều phản ứng tự phát xảy ra (tức là năng lượng

tự do giảm) nhưng không nhất thiết làm tăng nhiệt

độ Ví dụ: khi NaCl hòa tan trong nước, nhiệt bị hấp

thu chứ không phải được giải phóng ra ngoài Trong

trường hợp này năng lượng tự do giảm do làm tăng

trạng thái hỗn loạn của các ion Na+ và Cl- khi chúng

chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái hòa tan

1.1.3.1 Hằng số Kcb có tương quan theo hàm số mũ với chỉ số ∆G

Căn cứ vào lập luận trên đây, rõ ràng với các liên kết càng mạnh và sự thay đổi mức

năng lượng tự do càng lớn thì phản ứng càng có xu hướng xảy ra và càng có nhiều nguyên

tử tồn tại ở dạng liên kết Điều này được biểu diễn một cách định lượng bằng công thức sau:

∆G = -RT ln Kcb hay Kcb = e - ∆ G/RT (phương trình 1.4) trong đó, R là hằng số khí phổ thông, T là nhiệt độ tuyệt đối, ln là hàm logarit cơ số e (của

Kcb), còn Kcb là hằng số cân bằng, e = 2,718

Nếu áp dụng với các giá trị phù hợp của R (1,987 cal/deg.mol) và T (298 ở 25oC) thì một

mức chênh năng lượng tự do (∆G) bằng khoảng 2 kcal/mol là đủ để lái phản ứng theo hướng

hình thành liên kết nếu các thành phần phản ứng đều có mặt ở lượng mole (bảng 1.1)

1.1.3.2 Các liên kết cộng hóa trị là các liên kết rất mạnh

Các giá trị ∆G của các phản ứng hình thành các liên kết cộng hóa trị từ các nguyên tử

tự do thường có giá trị rất lớn và mang dấu âm (tức là giải phóng năng lượng tự do)

Thông thường ∆G của các phản ứng này dao động trong khoảng từ -50 đến -110 kcal/mol

Các phương trình 1.3 và 1.4 cho thấy rằng hằng số Kcb của một phản ứng sẽ có giá trị lớn

tương quan với số liên kết được hình thành Ví dụ với giá trị ∆G = - 100 kcal/mol, nếu

chúng ta bắt đầu với 1 mol/L các nguyên tử phản ứng, thì chỉ có 1 trong 1040 nguyên tử tồn

tại ở trạng thái không liên kết khi hệ thống đạt đến trạng thái cân bằng

1.2 Tầm quan trọng và đặc điểm của các liên kết yếu trong các hệ thống

sinh học

Các đại phân tử sinh học được quan tâm nhiều nhất trong di truyền học và sinh học

phân tử hiện nay là các axit nucleic và protein Chúng đều được tạo nên từ các liên kết cộng

hóa trị giữa các đơn phân tương ứng của chúng là các nucleotide và các axit amin Các liên

kết cộng hóa trị là các liên kết mạnh, bền vững và trong điều kiện nhiệt độ sinh lý tế bào,

chúng không bao giờ tự đứt gãy Tuy vậy, trong các hệ thống sinh học còn tồn tại những

liên kết yếu cũng có vai trò sống còn đối với sự sống Sở dĩ gọi chúng là liên kết yếu vì

chúng có thể hình thành và đứt gãy ngay trong các điều kiện sinh lý bình thường Các liên

kết yếu chiếm vai trò chủ đạo trong điều hòa tương tác giữa các enzym với cơ chất, giữa các

đại phân tử sinh học với nhau, trong đó phổ biến nhất là giữa các protein và giữa protein

với ADN Các liên kết yếu điều hòa sự tương tác giữa các đại phân tử dẫn đến sự thay đổi cấu

hình không gian và sự biểu hiện chức năng của chúng Do vậy, dù protein có bản chất là các

chuỗi polypeptide gồm các axit amin liên kết cộng hóa trị với nhau, thì sự biểu hiện chức

năng của chúng lại được quyết định cuối cùng bởi tập hợp của những liên kết yếu Sở dĩ

Đinh Đoàn Long

như vậy là do chính những liên kết yếu này mới quyết định cấu hình không gian thực tế của protein khi biểu hiện chức năng Tương tự như vậy, hai mạch của chuỗi xoắn kép ADN

được giữ với nhau bởi một loại liên kết yếu có vai trò đặc biệt, gọi là liên kết hydro

Các loại liên kết yếu có vai trò quan trọng nhất trong các hệ thống sinh học bao gồm các liên kết Van der Waals, liên kết kị nước, liên kết hydro và liên kết ion Trong đó,

đôi khi khó phân biệt giữa liên kết hydro và liên kết ion

1.2.1 Các liên kết yếu có năng lượng trong khoảng 1 – 7 kcal/mol

Liên kết yếu nhất là các liên kết Van der Waals Các liên kết này có năng lượng trong khoảng 1 - 2 kcal/mol, tức là chỉ lớn hơn đôi chút động năng của chuyển động nhiệt Năng lượng của các liên kết hydro và ion vào khoảng 3 - 7 kcal/mol

Trong các dịch lỏng, hầu hết các phân tử hình thành các liên kết yếu với các nguyên tử

ở xung quanh Tất cả các phân tử có thể hình thành liên kết Van der Waals, nhưng các liên kết hydro và ion chỉ có thể hình thành giữa các phân tử mang điện tích hoặc khi điện tích trên phân tử phân bố không đều Theo nguyên tắc đó, một số phân tử trong dung dịch đồng thời hình thành một số liên kết yếu khác nhau Nhưng, xét về mặt năng lượng, các phân tử luôn có xu hướng “ưu tiên” cho sự hình thành các liên kết có năng lượng mạnh hơn

1.2.2 Trong điều kiện sinh lý số liên kết yếu được hình thành và phá vỡ ổn định Năng lượng của liên kết yếu chỉ lớn hơn khoảng 10 lần so với động năng chuyển động nhiệt ở 25oC (~0,6 kcal/mol) Vì động năng chuyển động nhiệt của nhiều phân tử là đủ lớn để phá vỡ các liên kết yếu ngay sau khi chúng hình thành ở điều kiện nhiệt độ sinh lý của cơ thể, nên ở trạng thái cân bằng số liên kết yếu được hình thành và phá vỡ là ổn định

1.2.3 Sự khác biệt giữa các phân tử phân cực và không phân cực

Tùy thuộc vào bản chất nguyên tử, sự phân cực của các điện tử có tính thường xuyên hoặc tạm thời Ví dụ: phân tử oxy (O : O) có sự phân bố điện tích đối xứng giữa hai nguyên tử, nên mỗi nguyên tử đều mang các điện tử không tích điện Ngược lại, phân tử nước (H :O: H) không có sự phân bố đều điện tích Các điện tử bị "hút" bởi các nguyên tử oxy mạnh hơn Vì vậy, nguyên tử oxy mang điện âm, trong khi hai nguyên tử hydro cùng chia sẻ một lượng

đồng đều về điện tích dương Trung tâm mang điện tích dương nằm về một phía so với trung tâm mang điện tích âm Sự phân cực của các điện tích dương và âm như vậy hình thành nên momen lưỡng cực Sự chia sẻ các điện tử không đồng đều như vậy phản ánh ái lực khác nhau đối với các điện tử của các nguyên tử khác nhau Các nguyên tử có xu hướng hút điện tử mạnh được gọi là các nguyên tử âm điện Ngược lại, các nguyên tử có xu hướng cho điện tử được gọi là các nguyên tử dương điện

phân tử không phân cực là các phân tử không có momen lưỡng cực rõ rệt Ví dụ như đối

Tuy vậy, trong dung dịch sự phân bố của các điện tử giữa các nguyên tử còn bị ảnh hưởng bởi các nguyên tử khác ở xung quanh Điều này đặc biệt rõ đối với các phân tử phân cực Sự tác động có thể làm cho một phân tử không phân cực trở thành một phân tử có tính phân cực nhẹ Kể cả trong trường hợp phân tử thứ hai cũng không phân cực, thì sự có mặt của nó cũng làm thay đổi phân tử không phân cực thứ nhất dẫn đến sự dao động phân bố của các điện tích giữa các nguyên tử Trong trường hợp này, tất nhiên, sự phân tách của các

điện tử không rõ rệt như trong trường hợp của các phân tử phân cực, vì vậy năng lượng tương tác cũng yếu hơn và liên kết hóa học được hình thành giữa chúng yếu hơn

1.2.4 Liên kết Van der Waals

Các liên kết Van der Waals hình

thành khi một lực hấp dẫn không đặc

hiệu xuất hiện khi hai nguyên tử tiếp

xúc gần nhau Điều này xảy ra do sự

dao động của các điện tử bị ảnh hưởng

khi các phân tử di chuyển đến gần

nhau Trên cơ sở đó, liên kết Van der

Waals có thể xuất hiện giữa mọi loại

lại xuất hiện lực đẩy Van der Waals

Lực đẩy này phát sinh do sự đè lên

nhau của lớp áo điện tử bao quanh các

nguyên tử Lực đẩy và lực hấp dẫn Van

der Waals sẽ duy trì hai nguyên tử đặc

thù cách nhau một khoảng cách ổn

định Khoảng cách này được gọi là bán

kính Van der Waals (bảng 1.2) Năng

lượng liên kết Van der Waals giữa hai

nguyên tử nhất định tương quan với

tổng bán kính Van der Waals của mỗi

nguyên tử và tăng lên cùng với kích

thước của mỗi nguyên tử tương ứng

Đối với hai nguyên tử có kích thước

trung bình, năng lượng này vào khoảng

nguyên tử của một phân tử nào đó liên kết với một số nguyên tử của một phân tử khác Khi

đó, năng lượng liên kết sẽ lớn hơn nhiều so với động năng nhiệt gây nên sự phân tách Để

có sự tương tác mạnh qua liên kết Van der Waals, sự "ăn khớp" về cấu hình không gian

giữa các phân tử là yêu cầu tiên quyết, để đảm bảo khoảng cách giữa hai nguyên tử tương

tác không được lớn hơn tổng bán kính Van der Waals Lực liên kết Van der Waals sẽ

nhanh chóng bị triệt tiêu khi khoảng cách giữa các nguyên tử chỉ hơi vượt bán kính Van

der Waals Như vậy, kiểu liên kết Van der Waals chỉ mạnh nhất khi một phân tử có một

phần cấu trúc "ăn khớp" chặt chẽ với một nhóm hay một vùng cấu trúc của một phân tử

khác giống như trường hợp tương tác giữa kháng nguyên với kháng thể Trong trường hợp

liên kết kháng nguyên - kháng thể, năng lượng liên kết có thể đạt mức 20 - 30 kcal/mol, vì

vậy hiếm khi phức hợp kháng nguyên - kháng thể tách nhau ra Các liên kết Van der

Waals thường không chiếm ưu thế trong sự liên kết giữa các phân tử phân cực Bởi vì các

Lực hấp dẫn Van der Waals trở nên cân bằng với lực đẩy do sự đè lên nhau của lớp áo điện tử

Hình 1.1 Lực Van der Waals thay đổi theo khoảng cách nguyên tử Các nguyên tử ở đây là khí trơ Argon (theo Pauling I., 1953, General Chemistry, p.322)

Bảng 1.2 Bán kính Van der Waals của một số nguyên tử phổ biến trong các phân tử sinh học Nguyên tử Bán kính Van der Waals (Å)

Đinh Đoàn Long

phân tử này có xu hướng đạt được trạng thái năng lượng thấp nhất (mất ít năng lượng tự do nhất) khi hình thành các dạng liên kết khác

1.2.5 Các liên kết hydro

Liên kết hydro là liên kết được hình thành

giữa một nguyên tử hydro liên kết cộng hóa trị

(được gọi là nguyên tử cho liên kết hydro) với một

nguyên tử liên kết cộng hóa trị khác mang một

số điện tích âm hoặc dương (được gọi là nguyên

tử nhận liên kết hydro) Một ví dụ về liên kết

bị hấp dẫn bởi các nguyên tử oxy tích điện âm

trong nhóm keto (-C=O) Các liên kết hydro

quan trọng nhất trong sinh học là liên kết giữa

một nguyên tử hydro với một nguyên tử oxy

(O-H) hay với một nguyên tử nitơ (N-(O-H) Nói cách

khác, các nguyên tử nhận liên kết hydro quan

trọng nhất là nitơ và oxy Bảng 1.3 liệt kê một số

liên kết hydro quan trọng Khi không có các

phân tử nước, năng lượng liên kết hydro vào

khoảng 3 - 7 kcal/mol Nhìn chung, các liên kết

hydro là yếu hơn so với các liên kết cộng hóa trị

nhưng mạnh hơn các liên kết Van der Waals Vì vậy, khoảng cách giữa hai nguyên tử nào

đó được giữ lại với nhau bởi liên kết hydro là ngắn hơn so với khoảng cách của chúng trong trường hợp liên kết Van der Waals, nhưng lại xa hơn trong trường hợp liên kết cộng hóa trị

Một điểm khác biệt so với liên kết Van der Waals là các liên kết hydro có tính định hướng Liên kết hydro trở nên mạnh nhất khi nguyên tử hydro cho liên kết ở vị trí đối diện trực tiếp với nguyên tử nhận liên kết hydro Nếu góc liên kết vượt quá 30o thì lực liên kết yếu đi nhiều Như vậy, liên kết hydro có tính đặc thù cao hơn so với liên kết Van der Waals, bởi chúng cần sự tương đồng giữa các nguyên tử cho và nhận liên kết

1.2.6 Một số liên kết ion có bản chất là liên kết hydro

Rất nhiều hợp chất hữu cơ chứa các nhóm ion mang một hay nhiều điện tích âm hoặc dương Ví dụ như các nucleotide mang nhóm phosphate tích điện âm, hay mỗi axit amin

âm (COO-) Trong dung dịch, những nhóm tích điện này thường được "trung hòa" bởi các nhóm tích điện trái dấu ở gần Lực tĩnh điện sẽ xuất hiện giữa các nhóm tích điện trái dấu

và được gọi là các liên kết ion Năng lượng liên kết ion trung bình là khoảng 5 kcal/mol Trong nhiều trường hợp, các phân tử hữu cơ bị ion hóa thường được trung hòa điện tích bởi một cation vô cơ (như Na+, K+ hay Mg2+) hoặc một anion vô cơ (như Cl- hay SO42-) Tuy vậy, ở trong dung dịch, vị trí các cation và anion thường không cố định bởi các ion vô cơ luôn bị bao vây bởi “lớp áo” gồm các phân tử nước dẫn đến việc chúng không liên kết được với các nhóm tích điện trái dấu Do đó, trong dung dịch nước, liên kết ion với các cation hoặc anion vô cơ thường không quyết định cấu hình không gian của các phân tử hữu cơ

Ngược lại, liên kết yếu có tính định hình cao hơn lại là liên kết hydro được hình

được giữ lại với nhau bởi liên kết hydro Một liên kết hydro mạnh cũng có thể được hình thành giữa một nhóm tích điện với một nhóm không tích điện Ví dụ như, nguyên tử hydro

Bảng 1.3 Chiều dài một số liên kết hydro quan trọng trong sinh học Liên kết Chiều dài liên kết (Å)

thuộc nhóm amino (NH2) có thể tạo liên kết mạnh với nguyên tử oxy của nhóm cacboxyl

(COO–)

1.2.7 Các liên kết yếu cần các bề mặt phân tử tương đồng

Các liên kết yếu chỉ trở nên hiệu quả khi bề mặt của các phân tử tiếp xúc gần nhau,

và lực liên kết trở thành “mạnh” khi bề mặt các phân tử có cấu trúc tương đồng (giống

như kiểu “chìa khóa tra vào ổ khóa”) Trong sinh học, “nguyên tắc” này dường như đồng

nghĩa với việc một loại phân tử hầu như không bao giờ ưu tiên tạo liên kết yếu với chính

nó, bởi vì nó thường thiếu tính đối xứng cần thiết Bởi vì một phân tử có nguyên tử hydro

cho liên kết hydro, nhưng không có các nguyên tử nhận liên kết hydro phù hợp Ngược

lại, nhiều phân tử có nhóm nhận liên kết hydro, nhưng lại không có các nguyên tử hydro

cho liên kết này Nhưng cũng phải nói rằng vẫn có nhiều phân tử có tính đối xứng cần

thiết để có thể tự hình thành các liên kết yếu giữa chúng với nhau, như các phân tử nước

chẳng hạn

1.2.8 Các phân tử nước tự hình thành liên kết hydro với nhau

Trong điều kiện sinh lý tế bào, các phân tử nước hiếm khi bị ion hóa thành các ion H+

và OH- Thay vào đó, chúng thường tồn tại dưới

dạng các phân tử phân cực H-O-H, với các

nguyên tử O và H “sẵn sàng” cho việc hình

thành nên các liên kết hydro mạnh Trong mỗi

phân tử nước, mỗi nguyên tử oxy có thể gắn được

với hai nguyên tử H ở bên ngoài Trong khi đó,

mỗi nguyên tử H chỉ có thể tạo được một liên kết

hydro với nguyên tử O bên ngoài Trên nguyên

tắc đó, mỗi phân tử nước có thể tạo liên kết

hydro với tối đa 4 phân tử nước ở xung quanh

và hình thành các góc của khối tứ diện đều

(hình 1.2) ở nhiệt độ đông lạnh, các liên kết

hydro này rất chắc, làm cho các phân tử nước có

cấu trúc định hình Khi nhiệt độ cao hơn 0oC,

động năng nhiệt của các phân tử đủ lớn để có thể

phá vỡ các liên kết hydro và làm cho các phân tử

nước hầu như liên tục “thay đổi” các phân tử

nước lân cận Nhưng nhìn chung, ở dạng lỏng

một phân tử nước luôn ở trạng thái liên kết

hydro với bốn phân tử nước ở xung quanh nó

1.2.9 Các liên kết yếu giữa các phân tử trong các dịch lỏng

Mặc dù năng lượng trung bình của một liên kết thứ cấp nhỏ hơn nhiều so với liên kết

cộng hóa trị, nhưng cũng đủ mạnh khi so sánh với động năng nhiệt Vì vậy, trong dung

dịch phần lớn các phân tử ở trạng thái liên kết thứ cấp với các phân tử khác Năng lượng

liên kết chỉ vào khoảng 2 - 3 kcal/mol là đủ để các phân tử hình thành nên một số tối đa các

liên kết thứ cấp mà mỗi phân tử có thể có Tính định hình của một dung dịch phụ thuộc vào

thành phần các chất tan, không chỉ vì các phân tử này có hình dạng đặc thù mà còn vì

chúng có thể có các liên kết thứ cấp khác nhau Trong dung dịch, một phân tử có xu hướng

di động liên tục cho đến khi nó tiếp cận gần một hoặc một số phân tử khác mà nó có thể

hình thành các liên kết thứ cấp mạnh nhất có thể

Do các tế bào sống thường tồn tại ở dạng dịch lỏng và các hoạt động trao đổi chất là sự

chuyển hóa thường xuyên một phân tử này thành một phân tử khác, nên bản chất của các

Hình 1.2 Mỗi phân tử nước có thể tạo liên kết hydro với 4 phân tử nước khác ở xung quanh và hình thành cấu trúc tứ diện đều

Trên hình, các nguyên tử O là hình cầu màu sẫm, các nguyên tử H là hình cầu màu sáng;

a,b,c,d là các phân tử nước ở xung quanh

b

c

Đinh Đoàn Long

liên kết thứ cấp thay đổi liên tục Cấu trúc thể dịch của tế bào vì vậy cũng thường xuyên bị phá vỡ không chỉ do các chuyển động nhiệt, mà còn do sự chuyển hóa các phân tử chất tan 1.2.10 Các phân tử hữu cơ tan trong nước và xu hướng tạo liên kết hydro

Như đã nói ở trên năng lượng liên kết hydro lớn hơn nhiều so với liên kết Van der Waals, vì vậy, khi có đủ điều kiện hình thành liên kết hydro các phân tử sẽ có xu hướng “ưu tiên” cho sự hình thành liên kết hydro hơn so với liên kết Van der Waals Ví dụ về hiện tượng này là khi chúng ta trộn dung môi phân cực là nước với dung môi không phân cực là benzen, các phân tử nước và benzen sẽ nhanh chóng tách nhau ra Các phân tử nước sẽ “ưu tiên” hình thành liên kết hydro với nhau, còn các phân tử benzen liên kết với nhau theo lực Van der Waals Vì vậy, không thể hòa lẫn một phân tử hữu cơ không có khả năng tạo liên kết hydro vào nước

Ngược lại, các phân tử phân cực như glucose và pyruvate chứa các nhóm chức có thể hình thành liên kết hydro (như =O hoặc –OH) thì chúng có thể hòa tan trong nước Khi các nhóm chức này xen vào các phân tử nước, chúng có thể phá vỡ các liên kết hydro giữa các phân tử nước và hình thành liên kết hydro mới giữa chúng với các phân tử nước ở xung quanh Tuy vậy, không phải lúc nào các liên kết hydro này cũng phù hợp với xu thế về hiệu năng so với liên kết hydro giữa các phân tử nước với nhau Vì vậy, ngay cả với các phân tử

có tính phân cực mạnh nhất, thì khả năng hòa tan của chúng trong nước cũng có giới hạn Nói cách khác, hầu hết mọi phân tử hữu cơ dù được tế bào hấp thụ từ thức ăn hay được tổng hợp từ quá trình trao đổi chất, đều ít nhiều không tan trong nước Những phân tử này khi chuyển động nhiệt sẽ va đập vào các phân tử khác đến khi chúng tìm thấy các phân tử có

bề mặt tương đồng cao và gắn vào qua sự hình thành các liên kết thứ cấp (đồng thời giải phóng ra các phân tử nước vốn có xu hướng ưu tiên cho liên kết hydro “nước - nước”)

1.2.11 Các liên kết kị nước giúp duy trì ổn định cấu trúc các đại phân tử sinh học Trong dung dịch, một xu hướng nữa là các phân tử nước luôn đẩy các nhóm không phân cực ra xa, và đây được gọi là các liên kết kị nước Có thể thấy từ “liên kết” ở đây dường như bị dùng nhầm bởi không có “liên kết” thực sự nào được hình thành Ngoài ra, thuật ngữ “liên kết kị nước” còn được dùng để nhấn mạnh hiện tượng “các nhóm không phân cực luôn tự sắp xếp sao cho chúng không tiếp xúc với các phân tử nước” Các liên kết kị nước có ý nghĩa quan trọng trong việc giúp duy trì tính định hình của các phân tử protein

và các phức hệ protein với các phân tử khác, kể cả việc phân bố các protein trên màng tế bào Những liên kết này chiếm khoảng một nửa tổng năng lượng tự do của quá trình đóng gói các protein

Chúng ta lấy một ví dụ về sự hình thành liên kết của Alanine (Ala) và Glycine (Gly) với một phân tử thứ ba có bề mặt tương đồng với Ala Về cấu trúc, Ala khác với Gly là nó

trong trường hợp phân tử thứ ba liên kết với Gly Tuy vậy, từ phương trình 1.4, chúng ta thấy rằng sự chênh lệch nhỏ này chỉ tạo ra một hệ số 1/6 chênh lệch trong xu hướng liên kết của Ala và Gly Nhưng ngoài yếu tố trên đây, còn có một yếu tố nữa đó là các phân tử

Ala có tính không tương đồng với mạng lưới các phân tử nước) Xu hướng các phân tử nước

đẩy Ala ra xa đã làm axit amin này càng dễ tiếp cận tới phân tử thứ ba hơn Lực kị nước chênh lệch giữa Ala và Gly trong trường hợp này ước lượng đạt khoảng 2 - 3 kcal/mol Với

ví dụ này, chúng ta đi đến một nhận định là sự chênh lệch mức năng lượng trong liên kết giữa những phân tử giống nhau nhất đến một phân tử thứ ba vào khoảng 2 - 3 kcal/mol Sự chênh lệch này bị triệt tiêu trong môi trường không có nước Thực tế cho thấy mức chênh lệch này thường vào khoảng 3 - 4 kcal/mol

1.2.12 Giá trị ∆G trong khoảng 2 – 5 kcal/mol chiếm ưu thế

Như phân tích ở trên, mức năng lượng tương đương một liên kết thứ cấp (2 - 5

kcal/mol) là đủ để đảm bảo một phân tử có xu hướng liên kết ổn định với một nhóm chọn lọc

của phân tử khác Tuy vậy, sự chênh lệch năng lượng này là không đủ để hình thành cấu

trúc mạng bền vững Vì vậy, trong môi trường nội bào không bao giờ có sự “tinh thể hóa”,

hoặc điều này chỉ có thể xảy ra khi mức năng lượng của các liên kết thứ cấp được tăng lên

nhiều lần Nhưng nếu sự chênh lệch năng lượng (∆G) là lớn hơn thì các liên kết thứ cấp đôi

khi bị đứt gãy, dẫn đến sự khuếch tán chậm của các phân tử Điều này không phù hợp với sự

tồn tại của tế bào

1.2.13 Sự tương tác giữa enzym với cơ chất thường là liên kết yếu

Các enzym vốn có tính liên kết chọn lọc, có ái lực đặc biệt cao với cơ chất đặc thù của

chúng Trong sự kết hợp đó, các liên kết yếu là động lực cơ bản Bởi các enzym xúc tác cả

hai chiều của một phản ứng hóa học, nên chúng thường phải có ái lực đặc trưng với hai

trong liên kết giữa một enzym với cơ chất của nó (phương trình 1.4), qua đó tính được giá

trị ∆G khi hình thành liên kết Thực tế tính toán cho thấy các tương tác enzym-cơ chất có

giá trị ∆G nằm trong khoảng 5 - 10 kcal/mol luôn đi kèm với sự xuất hiện một số liên kết

thứ cấp Một điểm đáng lưu ý nữa là giá trị ∆G trong các liên kết enzym – cơ chất không

bao giờ quá cao, tức là sự hình thành và phân tách của phức hệ enzym – cơ chất diễn ra

một cách liên tục do tác động của các chuyển động nhiệt ngẫu nhiên Điều này cũng giúp

giải thích tại sao hầu hết các enzym có thời gian biểu hiện chức năng rất ngắn (đôi khi đạt

tốc độ 106 lần / giây) Nếu như các enzym liên kết với cơ chất, và đặc biệt là với sản phẩm

của phản ứng, bằng những liên kết mạnh hơn thì hoạt động xúc tác của chúng sẽ chậm đi

1.2.14 Hầu hết các tương tác giữa các đại phân tử tham gia các quá trình di

truyền (ADN, ARN, protein) được điều hòa bởi các liên kết yếu

Chúng ta sẽ thấy trong các phần sau của giáo trình này, sự tương tác giữa các đại

phân tử sinh học, trong đó đặc biệt là sự tương tác ADN-protein và protein-protein là cơ

chế chủ yếu giúp tế bào tiếp nhận và đáp ứng lại các tín hiệu sinh học ngoại bào cũng như

nội bào Điều đó biểu hiện trong tất cả các quá trình điều hòa biểu hiện của gen, sao chép

và sửa chữa ADN, cơ chế tái tổ hợp giữa các gen, cũng như nhiều hoạt động khác nữa trong

chu trình tế bào Tương tự như mối tương tác giữa enzym và cơ chất, những liên kết yếu

chiếm ưu thế trong những tương tác này Mặc dù mức năng lượng của mỗi liên kết yếu đơn

lẻ là thấp, nhưng sự kết hợp của nhiều liên kết yếu là đủ để giúp các phân tử có được sự

liên kết ổn định và phản ánh tính đặc hiệu cao trong sự tương tác giữa các đại phân tử

1.3 Tầm quan trọng và đặc điểm của các liên kết cao năng

ở trên, chúng ta đã đề cập đến sự hình thành các liên kết yếu trên quan điểm nhiệt

động học Theo đó, chúng ta biết rằng các liên kết yếu có xu hướng xuất hiện khi ∆G < 0

Xu hướng này cũng đúng đối với các liên kết cộng hóa trị Nhưng thực tế, trong tế bào

nhiều liên kết cộng hóa trị dường như được hình thành không tuân theo nguyên lý của

nhiệt động học, trong đó đặc biệt là các phản ứng kết nối các phân tử nhỏ để hình thành các

đại phân tử có kích thước lớn Sự hình thành những liên kết này thường làm tăng mức năng

lượng tự do Thoạt tiên, có người cho rằng tế bào là hệ thống duy nhất có thể đi ngược lại các

nguyên lý nhiệt động học và điều này từng được xem như một “bí ẩn của sự sống”

Giờ đây, chúng ta đã biết các quá trình sinh tổng hợp không hề “đi ngược” các

nguyên lý nhiệt động học; thay vào đó, nó diễn ra trên cơ sở những phản ứng khác biệt

Đinh Đoàn Long

với dự đoán ban đầu Chẳng hạn như các axit nucleic không phải được hình thành từ sự kết tụ của các nucleoside monophosphate; hay glycogen không phải được hình thành trực tiếp từ glucose; cũng như protein không phải là sự hợp nhất thuần túy của các axit amin Thay vào đó, các phân tử tiền chất thường dùng năng lượng từ ATP (adenosine triphosphate) hoặc các hợp chất tương đương để chuyển hóa chúng thành các tiền chất năng lượng cao Những tiền chất này sau đó (với sự có mặt của enzym đặc hiệu) mới có thể kết hợp với nhau tự phát để hình thành nên các đại phân tử ở đây chúng ta sẽ xem

sự hình thành các liên kết peptide (ở protein) và phosphodieste (ở các axit nucleic) trên cơ sở nguyên lý nhiệt động học Tuy nhiên, trước đó chúng ta đề cập đến một số đặc điểm cơ bản của liên kết cộng hóa trị

1.3.1 Các phân tử cao năng thường kém bền

Có sự khác biệt về mức năng lượng tự do trong các phân tử vì các liên kết cộng hóa trị khác nhau có mức năng lượng không giống nhau Ví dụ: liên kết cộng hóa trị giữa H và O mạnh hơn liên kết giữa chính các nguyên tử này với nhau Kết quả là sự hình thành liên kết O-H từ các phân tử O-O và H-H sẽ giải phóng ra năng lượng tự do Trên cơ sở đó, trong một hỗn hợp có nồng độ oxy và hydro đủ cao, chúng luôn có xu hướng chuyển thành nước Như vậy, một phân tử sẽ có năng lượng tự do lớn hơn so với khi chính các nguyên tử khác loại của nó tự liên kết với nhau bởi các liên kết cộng hóa trị yếu Dường như điều này là nghịch lý, nhưng thực tiễn cho thấy là các phân tử được hình thành dựa trên các liên kết càng mạnh thì năng lượng tự do được giải phóng càng ít Ngược lại, những phân tử có vai trò dinh dưỡng (cho năng lượng) tốt nhất chính là các phân tử mang các liên kết cộng hóa trị yếu, vì chúng thường kém bền về mặt nhiệt động học Ví dụ như glucose là một phân tử dinh dưỡng lý tưởng vì khi bị oxy hóa thành nước và CO2, năng lượng liên kết của nó bị giảm đáng

kể Ngược lại, chính CO2 vốn có hai liên kết đôi rất mạnh giữa C và O không thể dùng làm

được thành các chất hữu cơ phức tạp hơn, kể cả khi có mặt các enzym ở thực vật, sở dĩ CO2 có thể được dùng làm nguồn cacbon vì năng lượng được cung cấp từ các lượng tử ánh sáng thu

được qua quá trình quang hợp và được chuyển hóa thành ATP

Khi không có chất xúc tác, các phản ứng hóa học mà ở đó các phân tử được chuyển hóa thành các phân tử khác có năng lượng liên kết thấp hơn cũng không xảy ra một cách đáng

kể ở nhiệt độ sinh lý bình thường Bởi vì, một liên kết cộng hóa trị dù là yếu nhất cũng đủ mạnh để hiếm khi bị đứt gãy bởi các chuyển động nhiệt trong tế bào Nếu không có chất xúc tác, một liên kết cộng hóa trị chỉ bị phá vỡ khi năng lượng được cung cấp đủ để đẩy các nguyên tử liên kết ra khỏi nhau Nhưng khi các nguyên tử này bị đẩy một phần khỏi nhau, chúng ngay lập tức có thể liên kết với các nguyên tử mới để hình thành những liên kết mạnh hơn Trong quá trình tái kết hợp như vậy, năng lượng giải phóng ra sẽ bằng tổng năng lượng tự do được cung cấp làm đứt gãy liên kết cũ và năng lượng chênh lệch giữa liên kết cũ và liên kết mới (hình 1.3)

hoàn toàn Thay vào đó, sự va

chạm của hai phân tử tham gia

phản ứng thường dẫn đến sự

hình thành một phức hệ tạm

thời ở trạng thái hoạt hóa ở

trạng thái này, sự tiếp xúc gần

nhau của hai phân tử làm các

liên kết khác trở nên kém ổn

định và năng lượng cần để phá

vỡ liên kết là thấp hơn so với khi liên kết có mặt trong một phân tử ở trạng thái tự do

Vì vậy, hầu hết các phản ứng cộng hóa trị trong tế bào được mô tả bởi phương trình sau:

Sự biểu diễn tác dụng khối lượng của phản ứng như sau:

Kcb = ([A – D] x [B – C]) / ([A – D] x [B – C]) (phương trình 1.6) trong đó [A – D], [B – C] là nồng độ các chất tham gia phản ứng tính theo mol/L, và giá

trị Kcb quan hệ với ∆G qua phương trình 1.4

Do năng lượng hoạt hóa thường được đòi hỏi rất cao (khoảng 20 - 30 kcal/mol), nên

trạng thái hoạt hóa không bao giờ tự xuất hiện trong điều kiện nhiệt độ sinh lý, hay có thể

nói đây chính là “rào cản” không cho các liên kết cộng hóa trị thay đổi tự phát trong tế bào

Những rào cản này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, vì sự sống không thể có nếu không

có nó Lúc đó, tất cả các nguyên tử sẽ chỉ tồn tại ở dạng có mức năng lượng thấp nhất có thể,

dẫn đến việc năng lượng sẽ không được dự trữ cho các hoạt động tiếp sau Ngược lại, sự

sống cũng không thể có nếu thiếu cơ chế làm giảm năng lượng hoạt hóa của các phản ứng

một cách đặc hiệu Điều này bắt buộc phải xảy ra bởi sự phát triển của tế bào cần diễn ra ở

một tốc độ đủ nhanh và phải tránh được sự tác động của các lực ngẫu nhiên (như chiếu xạ

UV hay ion hóa) có thể làm phá vỡ các liên kết hóa học

1.3.2 Enzym có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa của các phản ứng

Các enzym đặc biệt thiết yếu đối với sự sống Chức năng của chúng là làm tăng tốc độ

các phản ứng hóa học cần cho sự tồn tại của tế bào, bằng việc làm giảm năng lượng hoạt

hóa tới mức mà các chuyển động nhiệt là đủ cho sự sắp xếp lại của các phân tử (hình 1.4)

Khi có mặt một enzym đặc thù, “rào cản” ngăn sự xảy ra của các phản ứng không còn tồn

tại, ngay cả khi các phân tử có năng lượng tự do thấp nhất Các enzym không bao giờ làm

ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng, nghĩa là chúng chỉ đơn thuần làm tăng tốc độ phản ứng

Nếu sự cân bằng về nhiệt động học là không phù hợp đối với sự hình thành một phân tử nào

đó, thì cho dù có mặt enzym, phân tử đó không bao giờ được tích lũy

Trong tế bào, hầu như mọi phản ứng đều được xúc tác bởi các enzym đặc thù Nên,

việc biết mức năng lượng tự do của các phân tử không nói được gì về khả năng phản ứng xảy

Trạng thái hoạt hóa

∆G của phản ứng

Hình 1.3 Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học:

(A - B) + (C – D) → (A – D) + (C – B) Phản ứng này đi kèm với sự giảm đi của năng lượng tự do (∆G < 0)

Đinh Đoàn Long

ra Điều quan trọng là tốc độ của các phản ứng Khi tế bào có một enzym nào đó, thì phản ứng tương ứng mà enzym đó xúc tác sẽ diễn ra nhanh và trở nên quan trọng

1.3.3 Năng lượng tự do trong các đại phân tử sinh học

Nguyên lý nhiệt động học phát biểu rằng điểm đặc trưng của tất cả các phản ứng hóa sinh là nó diễn ra cùng với sự giảm đi của năng lượng tự do Chúng ta dễ dàng nhận thấy

điều này trong các phản ứng dị hóa ở đó, các phân tử dinh dưỡng kém bền về nhiệt động

lượng nhiệt thoát ra Các phản ứng phân giải sinh học có hai đặc điểm cơ bản là: (1) hình thành nên các chất hữu cơ có kích thước nhỏ hơn, và (2) giữ lại một phần đáng kể năng lượng tự do của chất dinh dưỡng ban đầu phục vụ cho hoạt động sống Đặc điểm thứ hai

được thực hiện thông qua việc kết hợp một số bước trong quá trình phân giải với sự hình thành các phân tử cao năng như ATP để tích lũy năng lượng tự do

Không phải mọi năng lượng tự do có trong chất dinh dưỡng đều được chuyển hóa thành năng lượng trong các phân tử cao năng Bởi vì, nếu điều đó xảy ra, thì không có sự giảm đi mức năng lượng tự do, tức là không có động lực cho việc phá vỡ các phân tử dinh dưỡng trên cơ sở nguyên lý nhiệt động học Thay vào đó, tất cả các quá trình phân giải sinh học đều chuyển một phần lớn năng lượng tự do có trong các phân tử dinh dưỡng thành nhiệt năng hoặc entrôpi Ví dụ như trong tế bào, chỉ khoảng 40% năng lượng tự do của glucose được chuyển vào các phân tử cao năng, phần còn lại thì bị “tiêu đi” ở dạng nhiệt năng và entrôpi

Một phân tử cao năng có thể bị đứt gãy và giải phóng một lượng lớn năng lượng tự do (trên 5 kcal/mol) bởi các phân tử nước, qua quá trình gọi là thủy phân Các liên kết bị phá

vỡ trong quá trình thủy phân các hợp chất cao năng và sinh ra ∆G có giá trị âm lớn được gọi là liên kết cao năng Dù thực tế đây không phải là năng lượng liên kết mà là năng lượng tự do được giải phóng ra khi các liên kết bị phá vỡ, nhưng theo thói quen chúng ta dùng thuật ngữ “liên kết cao năng” cho thuận tiện và kí hiệu chúng bằng dấu “~”

Hình 1.4 Enzym làm tăng tốc độ phản ứng nhờ làm giảm năng lượng hoạt hóa Chú ý là ∆G không đổi, vì trạng thái cân bằng không đổi dù có mặt hay vắng mặt enzym

Trạng thái hoạt hóa

Năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không có enzym

Năng lượng thủy phân của một liên kết cao năng trung bình (7 kcal/mol) nhỏ hơn

nhiều so với năng lượng được giải phóng ra khi phân giải hoàn toàn một phân tử glucose qua

một bước trực tiếp (688 kcal/mol) Nhưng trong tế bào, glucose không bao giờ được phân

giải hoàn toàn qua một bước (vì điều này không hiệu quả cho sự hình thành các liên kết cao

năng) Thay vào đó, con đường phân giải glucose diễn ra qua nhiều bước khác nhau

Hợp chất cao năng quan trọng nhất trong sinh học là ATP Nó được hình thành từ

ADP (adenosine diphosphate) và nhóm phosphate vô cơ () với việc sử dụng năng lượng

thu được hoặc từ các phản ứng phân giải hoặc từ lượng tử ánh sáng mặt trời qua quang hợp

Tuy vậy, ngoài ATP còn có nhiều hợp chất cao năng quan trọng khác nữa Một số được

hình thành trực tiếp từ các phản ứng phân giải; một số khác được hình thành từ một phần

năng lượng tự do của ATP Bảng 1.4 liệt kê một số loại liên kết cao năng quan trọng; tất cả

đều liên quan đến các nguyên tử phosphate () và/hoặc lưu huỳnh (S) Nhóm

pyrophosphate cao năng của ATP hình thành từ sự kết hợp của hai nhóm phosphate

(~) Đây là dạng liên kết cao năng duy nhất của phosphate Các liên kết cao năng liên

CO

OC

R

NH3H

-Bảng 1.4 Một số nhóm liên kết cao năng quan trọng trong sinh học

O

H2CN

NH

NH~

-

Đinh Đoàn Long

quan đến các nguyên tử lưu huỳnh cũng có vai trò quan trọng đối với các hoạt động sinh học tương tự như các liên kết cao năng phosphate Phân tử cao năng quan trọng nhất chứa

S là Acetyl-CoA Phân tử này là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho các quá trình sinh tổng hợp các axit béo

Mức độ biến động rộng của ∆G (bảng 1.4) có nghĩa là khái niệm “cao năng” đôi khi khó xác định Tiêu chí thường dùng để xác định một liên kết cao năng là xem sự thủy phân liên kết đó có đi kèm với một quá trình sinh tổng hợp quan trọng hay không Chẳng hạn như, ∆G giải phóng ra từ thủy phân glucose-6-phosphate là khoảng 3 - 4 kcal/mol, nhưng giá trị ∆G này không đủ để quá trình tổng hợp các liên kết peptide có thể xảy ra hiệu quả Vì vậy, liên kết phosphate-este này không được xem là liên kết cao năng

1.3.4 Các liên kết cao năng trong các phản ứng sinh tổng hợp

Sự hình thành các đại phân tử từ các phân tử đơn phân cần bổ sung năng lượng Cũng giống như sự phân giải sinh học, quá trình sinh tổng hợp cũng không thể diễn ra nếu không có sự giảm đi năng lượng tự do tổng số Đối với các quá trình sinh tổng hợp, nguồn năng lượng này được cung cấp từ các hợp chất cao năng Sự hình thành các liên kết mới trong các phản ứng sinh tổng hợp luôn đi kèm với sự đứt gãy của các liên kết cao năng, do

đó năng lượng tự do tổng số giảm đi Vì các hoạt động sống diễn ra liên tục, nên thời gian tồn tại trong tế bào của các các liên kết cao năng là rất ngắn Hầu như ngay sau khi hình thành, chúng lập tức bị phân giải để tạo động lực cho các phản ứng khác xảy ra Tuy vậy, không phải tất cả các bước của một quá trình sinh tổng hợp đều cần sự đứt gãy của các liên kết cao năng Thông thường, chỉ một hoặc một số bước cần đến sự đứt gãy những liên kết cao năng như vậy Đó là vì đôi khi ∆G được tạo ra từ một sự đứt gãy liên kết cao năng là

đủ cho nhiều phản ứng sinh tổng hợp diễn ra Thậm chí ở một số bước của quá trình sinh tổng hợp, ∆G có thể có giá trị dương Nhưng giá trị ∆G dương này không có nhiều ý nghĩa, bởi ở các bước phản ứng tiếp theo, sự đứt gãy các liên kết cao năng khác sẽ “bù” lại giá trị năng lượng đó

Cũng giống như vậy, không phải tất cả các bước của quá trình phân giải đều tạo ra các liên kết cao năng Ví dụ như: chỉ có hai bước trong quá trình thủy phân glucose sản sinh ATP Đó là chưa nói đến một số bước của quá trình phân giải thậm chí còn cần năng lượng từ việc đứt gãy các liên kết cao năng Ngay chính trong quá trình thủy phân glucose,

để tạo ra 4 phân tử ATP, ở một số bước nó cần sử dụng 2 phân tử ATP Tất nhiên, tổng số liên kết cao năng được hình thành phải nhiều hơn tổng số liên kết bị tiêu thụ

1.3.4.1 Phản ứng thủy phân các liên kết peptide diễn ra tự phát

Sự hình thành một liên kết peptide (và một phân tử nước) từ hai axit amin đòi hỏi một

∆G có giá trị từ 1 đến 4 kcal/mol Giá trị ∆G dương cho chúng ta biết là các chuỗi polypeptide không thể hình thành tự phát từ các axit amin tự do Ngoài ra, chúng ta cũng cần chú ý là trong tế bào, nước là phân tử phổ biến hơn rất nhiều lần so với các phân tử khác (thường ít nhất là nhiều hơn 100 lần) Do vậy, tất cả các phản ứng cân bằng có sự tham gia của nước đều

có xu hướng diễn ra theo chiều tiêu thụ các phân tử nước Điều này có thể nhận thấy từ khái niệm về Kcb, chẳng hạn đối với phản ứng hình thành liên kết peptide sau:

Phản ứng này có hằng số cân bằng là:

trong đó, nồng độ các chất (trong dấu [ ]) được tính theo mol/L

Như vậy, ở giá trị Kcb nhất định, nếu lượng nước càng cao thì số liên kết peptide càng thấp Rõ ràng là nồng độ các hợp chất có vai trò quyết định chiều phản ứng xảy ra

Trong thực tế, sự thủy phân liên kết peptide có thể xảy ra ngay khi ∆G chỉ vào khoảng

- 3 kcal/mol

Từ lý thuyết trên, có thể thấy trong dung dịch, protein là nhóm hợp chất không bền

Nếu thời gian đủ dài, các phân tử protein có thể bị thủy phân một cách tự phát thành các

axit amin tự do Nhưng trong tế bào, nếu không có các enzym, quá trình thủy phân protein

diễn ra rất chậm và có thể gây nên những hiệu ứng không thuận lợi đối với quá trình trao

đổi chất Vì vậy, trong điều kiện sinh lý, một khi đã hình thành, các protein thường được

duy trì tương đối ổn định đến khi nó được phân giải chủ yếu nhờ tác động của các enzym

1.3.4.2 Sự kết hợp giữa ∆G dương và ∆G âm

Năng lượng tự do phải được bổ sung vào các axit amin trước khi chúng tổ hợp với nhau

thành protein Điều này diễn ra nhờ vai trò của ATP là chất cho năng lượng ATP chứa ba

nhóm phosphate gắn vào gốc adenosine (Adenosine-~~) Khi một hoặc hai nhóm ~

bị đứt gãy bởi sự thủy phân, năng lượng tự do sẽ được giải phóng một lượng đáng kể:

Tất cả các phản ứng làm đứt gãy đại phân tử thành các đơn phân tử luôn có giá trị ∆G

âm và trị tuyệt đối lớn hơn trị tuyệt đối của ∆G dương hình thành trong phản ứng tổng hợp

diễn ra theo chiều ngược lại Điểm mấu chốt của các phản ứng sinh tổng hợp (có giá trị ∆G

dương) là chúng luôn đi kèm với sự đứt gãy của các liên kết cao năng (vốn có trị tuyệt đối

của ∆G âm là lớn hơn) Do đó, trong tổng hợp protein, sự hình thành một liên kết peptide

(∆G = + 0,5 kcal/mol) luôn đi kèm với phản ứng đứt gãy ATP thành AMP và nhóm ~

(∆G = - 8 kcal/mol) Kết quả là ∆G tổng số bằng – 7,5 kcal/mol, thừa đủ để trạng thái cân

bằng đẩy phản ứng về hướng tổng hợp các liên kết peptide (hình thành phân tử protein)

1.3.5 Sự hoạt hóa các tiền chất của các đại phân tử sinh học

Khi ATP bị thủy phân thành ADP và , hầu hết năng lượng tự do thoát ra ở dạng

nhiệt Do nhiệt năng không thể dùng để hình thành các liên kết cộng hóa trị, nên một phản

ứng “kép” (xét về năng lượng) không chỉ đơn thuần là sự kết hợp của một phản ứng có giá

trị ∆G dương với một phản ứng có có giá trị ∆G âm Thay vào đó, phản ứng kép luôn là sự

kết hợp của hai hay nhiều phản ứng kế tiếp nhau, bao gồm các phản ứng chuyển nhóm

chức Đây là nhóm các phản ứng mà các phân tử tham gia phản ứng trao đổi các nhóm

chức với nhau (không có sự oxy hóa hay sự khử) Các enzym xúc tác cho các phản ứng này

được gọi là các transferase Một phản ứng chuyển hóa nhóm chức điển hình được viết

như sau:

trong phản ứng này, nhóm chức của X và B trao đổi với nhau Các phản ứng chuyển nhóm

chức đôi khi khó phân biệt khi có sự tham gia của nước trong thành phần phản ứng:

(A – B) + (H - OH) → (A – OH) + (B – H) (phương trình 1.13)

Đinh Đoàn Long

H N+

H C H

Adenosine-~~ + Guanosine- → Adenosine-~ + Guanosine-~

1.3.5.1 Tính linh hoạt của ATP trong các phản ứng chuyển nhóm chức

Sự tổng hợp ATP có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc “bắt giữ” năng lượng của các phân tử và biến nó thành chất cho năng lượng Trong cả hai quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và quang hợp, năng lượng đều bị tiêu thụ cùng với việc ATP hình thành từ ADP

và phosphate:

Adenosine-~ +  + Năng lượng → Adenosine-~~ (phương trình 1.16)

Do ATP là chất nhận nhóm cao năng đầu tiên trong nhiều quá trình sinh học, nên nhóm cao năng của nó có thể được chuyển tiếp cho các phân tử có năng lượng thấp hơn để hoạt hóa các phân tử này thành dạng có thể tham gia các phản ứng tự phát Vai trò cung cấp năng lượng của ATP biểu hiện qua việc nó sử dụng hai liên kết cao năng, mà khi phân tách giải phóng ra ba nhóm chức đặc thù, đó là: một nhóm pyrophosphate ~; một nhóm adenosine monophosphate (AMP); và một nhóm phosphate ~ Đáng chú ý là các nhóm chức này chỉ duy trì mức năng lượng cao của chúng khi được chuyển đến một chất nhận phù hợp Chẳng hạn, khi nhóm ~ nếu được chuyển đến COO- thì thu được nhóm acylphosphate (COO~) có năng lượng cao, nhưng khi được chuyển tới gốc (-C-OH) của glucose thì chỉ hình thành một liên kết năng lượng thấp (Glu-6-)

1.3.5.2 Axit amin được hoạt hóa nhờ gắn gốc AMP

Sự hoạt hóa các axit amin là nhờ việc chuyển một nhóm AMP (adenosine

động học Tuy vậy, phức hệ AA~AMP chưa phải là tiền chất trực tiếp tổng hợp protein Thay vào đó, ta sẽ thấy ở chương 4 (mục 4.3: Dịch mã di truyền), một sự chuyển nhóm

-chức thứ hai sẽ chuyển axit amin đã hoạt hóa tới nhóm hydroxyl tận cùng đầu 3’ của phân

tử tARN:

Một liên kết peptide sau đó được hình thành qua việc gắn phân tử AA~tARN vào cuối

chuỗi polypeptide đang được kéo dài:

AA~tARN + chuỗi polypeptide (n axit amin)

tARN + chuỗi polypeptide kéo dài (n+1 axit amin) (phương trình 1.19)

Như vậy, bước cuối của phản ứng kép này cũng giống như những phản ứng kép khác

thực chất là sự loại bỏ nhóm chức có tác dụng hoạt hóa và chuyển liên kết cao năng vào

phân tử có năng lượng tự do thấp hơn ∆G ở đây có giá trị âm và phản ứng theo chiều tổng

hợp protein

1.3.5.3 Tiền chất của các axit nucleic được hoạt hóa bởi pyrophosphate (~)

Cả hai axit nucleic là ARN và ADN đều được cấu thành từ các đơn phân là nucleotide,

hay còn được gọi là các nucleoside phosphate hoặc mononucleotide Xét về nhiệt động học,

các mononucleotide còn khó tự hình thành liên kết với nhau hơn so với các axit amin Đó

là do liên kết phosphodieste giữa các nucleotide khi bị thủy phân có mức năng lượng tự do

khá lớn (-6 kcal/mol) Điều đó có nghĩa là các axit nucleic chỉ tự thủy phân thành các

nucleotide ở tốc độ thấp Vì vậy, để tổng hợp các axit nucleic việc hoạt hóa các nucleotide

còn cần năng lượng cao hơn so với các axit amin là tiền chất tổng hợp protein

Các tiền chất trung gian để tổng hợp ADN và ARN là các nucleoside triphosphate

Đối với ADN, đó là dATP, dGTP, dCTP và dTTP (d là viết tắt của deoxy; cả bốn loại được

viết tắt là dNTP; dTTP đôi khi được viết là TTP) Còn đối với tổng hợp ARN, các tiền chất

bao gồm ATP, GTP, CTP và UTP Như vậy ATP không chỉ có vai trò là phân tử cung cấp

năng lượng cho nhiều phản ứng chuyển nhóm chức trong tế bào, mà bản thân nó trực tiếp

còn là một tiền chất tổng hợp ARN Cả ba tiền chất còn lại của ARN đều được hình thành từ

các phản ứng chuyển nhóm chức được nêu ở các phương trình 1.14 và 1.15 Các dNTP

được hình thành cơ bản dựa trên cùng nguyên tắc là: sau khi các deoxymonophosphate

(dNMP) được hình thành, chúng được chuyển sang trạng thái hoạt hóa (dNTP) nhờ sự

chuyển nhóm chức từ ATP:

Deoxynucleoside- + ATP → Deoxynucleoside-~ + ADP (phương trình 1.20)

Deoxynucleoside-~ + ATP → Deoxynucleoside-~~ + ADP

(phương trình 1.21) Các hợp chất dNTP ở trạng thái hoạt hóa lúc này có thể tạo liên kết phosphodieste

với nhau để hình thành nên chuỗi polynucleotide Hậu quả của phản ứng chuyển nhóm

chức là một liên kết bị đứt gãy và nhóm ~ được giải phóng ra:

Deoxynucleoside-~~ + chuỗi polynucleotide (n nucleotide)

→ ~ + chuỗi polynucleotide (n+1 nucleotide) (phương trình 1.22)

Về nhiệt động học, phản ứng này không giống như sự hình thành liên kết peptide

Thực tế ở đây, ∆G có giá trị dương nhẹ (khoảng 0,5 kcal/mol) Điều này làm xuất hiện câu

hỏi: “năng lượng tự do cần cho phản ứng này xuất phát từ đâu?”

1.3.5.4 Năng lượng từ nhóm ~ được giải phóng trong quá trình tổng hợp axit nucleic

Năng lượng tự do cần có cho phản ứng tổng hợp axit nucleic xuất phát từ sự đứt gãy

nhóm pyrophosphate cao năng xảy ra đồng thời khi liên kết phosphodieste được hình

thành Mọi tế bào đều có một enzym hoạt động rất mạnh là pyrophosphatase Enzym này

xúc tác phản ứng phá vỡ các nhóm ~ hầu như bất cứ khi nào chúng vừa hình thành:

Đinh Đoàn Long

∆G ở đây có giá trị âm lớn cho thấy phản ứng này không thể đảo ngược, nghĩa là một khi liên kết ~ bị phá vỡ, chiều liên kết trở lại của 2  không bao giờ xảy ra

Việc kết hợp phản ứng tổng hợp giữa các dNTP (phương trình 1.22) với sự phân tách của

ứng là (0,5 kcal/mol) + (- 7 kcal/mol) = - 6,5 kcal/mol Giá trị ∆G này cho thấy các axit nucleic hầu như không bao giờ tự đứt gãy thành các nucleotide ở điều kiện sinh lý tế bào 1.3.5.5 Sự đứt gãy liên kết ~ xác định chiều hướng của phần lớn các phản ứng sinh tổng hợp

Sự đứt gãy liên kết ~ không chỉ xác định chiều hướng của phản ứng tổng hợp các axit nucleic, mà thực tế, hầu hết các quá trình sinh tổng hợp đều ít nhiều liên quan đến sự giải phóng nhóm ~ Ví dụ: khi hoạt hóa axit amin (AA), năng lượng từ ATP được chuyển đến AA~AMP, tạo ra một giá trị ∆G âm lớn và phản ứng không thể đảo ngược

Hiệu quả sử dụng nhóm ~ có thể thấy trong trường hợp tế bào “cố gắng” tổng

hợp axit nulecic từ NDP chứ không phải từ NTP (hình 1.5) Trong trường hợp này, nhóm

 chứ không phải ~ được giải phóng ra Nhưng ở đây, các liên kết phosphodieste

không bền vì năng lượng tự do (∆G) được giải phóng ra không lớn Vì vậy, dẫn đến phản ứng

sinh tổng hợp dễ bị “đảo ngược” Nếu lượng phosphate vô cơ () được tích lũy ngày càng

cao, phản ứng sẽ ngày càng có xu hướng làm đứt gãy các chuỗi polynucleotide mới hình

thành tuân theo luật tác dụng khối lượng Ngoài ra, tế bào còn cần sử dụng  cho

nhiều hoạt động sống của nó Trong thực tế, phản ứng đứt gãy liên kết ~ không chỉ

giải phóng một lượng lớn năng lượng tự do, mà đồng thời hình thành các  riêng lẻ Điều

này ngăn cản khả năng xảy ra các phản ứng đảo ngược Nói cách khác, bằng cơ chế kép nêu

trên, tế bào rất khó tập trung đủ lượng ~ cần thiết để phản ứng đảo ngược có thể diễn ra

theo luật tác dụng khối lượng Ta thấy rõ ở đây việc các NTP được dùng làm tiền chất

tổng hợp các axit nucleic không hề là một sự tình cờ của tạo hóa

Cũng từ phân tích trên đây, chúng ta thấy rõ sự ưu việt của việc sử dụng ATP,

chứ không phải ADP, là chất cho năng lượng chủ yếu của mọi tế bào Trong các tế bào,

những phản ứng sử dụng ADP làm phân tử cho năng lượng thường diễn ra cân bằng

theo hai chiều

1.4 Các liên kết mạnh và yếu quy định cấu hình của các đại phân tử

ADN, ARN và protein đều là các đại phân tử sinh học được hình thành từ các đơn

phân Đối với ADN và ARN, những đơn phân này là các nucleotide, còn với protein là 20

loại axit amin cơ bản (và một số loại biến đổi khác) được hoạt hóa bởi tARN Chức năng

sinh hóa và di truyền của các đại phân tử này đều được quy định bởi thành phần và trật

tự của các đơn phân Các liên kết yếu giữ vai trò quan trọng trong việc xác định cấu hình

không gian (ở đây gọi tắt là cấu hình) và chức năng của các đại phân tử này Cấu trúc

bậc I của ADN, ARN và protein là trật tự của các đơn phân liên kết với nhau bởi các liên

kết cộng hóa trị Nhưng, cấu hình đặc thù của ADN, ARN và protein (yếu tố quyết định

chức năng của chúng) lại chủ yếu được quy định bởi sự có mặt đồng thời của nhiều liên

kết yếu Chính các liên kết yếu, bao gồm các liên kết hydro, ion, kị nước và lực Van der

Waals, đã tạo nên các vị trí hoạt động của các phân tử protein; còn đối với ADN, nó làm

cho phân tử này có dạng cấu trúc chuỗi xoắn kép Trong thực tế, khi những liên kết yếu

mất đi (ví dụ: bởi nhiệt hoặc các chất tẩy), dù cho các liên kết cộng hóa trị vẫn còn

nguyên, thì hoạt tính sinh học của phân tử này hầu như không còn Trong phần này,

chúng ta sẽ đề cập đến các lực quy định cấu hình không gian của ADN, ARN và protein

Đây chính là cơ chế chủ yếu của nhiều quá trình sinh học nói chung và di truyền học nói

riêng được nhắc tới trong các phần sau của giáo trình này, bao gồm cả các quá trình sao

chép, phiên mã, dịch mã, điều hòa biểu hiện của các gen, điều khiển thay đổi chức năng

protein qua cơ chế “dị hình”, v.v…

1.4.1 Cấu hình phân tử được quy định bởi các liên kết trong và ngoài phân tử

1.4.1.1 Sự hình thành chuỗi xoắn kép đều đặn của phân tử ADN

Cấu trúc xoắn kép đều đặn của ADN là do hầu hết các phân tử ADN có hai mạch

polynucleotide song song ngược chiều (còn gọi là “đối song song”) liên kết với nhau qua

liên kết hydro mang tính bổ sung Hai mạch của phân tử ADN được giữ lại với nhau bởi

các liên kết hydro giữa các cặp purine (adenine và guanine) và pyrimidine (thymine và

cytosine) tương hợp (xem thêm chương 2) Sự tương hợp giữa từng cặp bazơ nitơ và tính

đối song song của phân tử ADN sợi kép là do yêu cầu về tính định hướng của các nhóm

Đinh Đoàn Long

chức cho và nhận liên kết hydro Trong môi trường nội bào, adenine (A) luôn có xu hướng liên kết hydro với thymine (T), còn guanine (G) luôn liên kết hydro với cytosine (C) Ngoài

ra, các nguyên tử trên bề mặt của phần đường và phosphate thường hình thành các liên kết yếu với các phân tử nước ở xung quanh

Các cặp bazơ nitơ (base) purine-pyrimidine luôn ở phần trung tâm của phân tử ADN

Sự sắp xếp như vậy cho phép bề mặt phân tử phẳng của chúng xếp thành từng lớp chồng lên nhau, giúp các bazơ nitơ chia sẻ được các điện tử (π - π), đồng thời hạn chế sự tiếp xúc của chúng với các phân tử nước Sự có mặt của các cặp bazơ nitơ liên kết bổ trợ với nhau trong chuỗi xoắn kép làm cấu trúc phân tử có hình dạng xoắn đều đặn, do khoảng cách giữa mỗi cặp bazơ nitơ là ổn định

Phân tử ADN ở dạng xoắn kép có tính ổn định cao nhờ hai lý do: Thứ nhất, sự phá vỡ cấu trúc xoắn kép làm các purine và pyrimidine vốn có tính kị nước phải tiếp xúc với các phân tử nước là không phù hợp với xu hướng hóa năng Thứ hai, các phân tử ADN sợi kép

có một lượng lớn các liên kết yếu sắp xếp theo một trật tự nhất đinh, nên không dễ đứt ra

đồng thời Trong dung dịch, sự chuyển động của các phân tử có thể làm đứt gãy các liên kết hydro ở hai đầu phân tử ADN sợi kép, nhưng thường không bao giờ có thể làm đứt gãy các liên kết ở sâu bên trong Một khi liên kết hydro bị đứt gãy, thì sự kiện có xu hướng xảy ra ngay sau đó là liên kết hydro hình thành trở lại Tất nhiên, trong một số điều kiện nhất

định (ví dụ: nhiệt độ cao hoặc trong môi trường kiềm), nhiều liên kết hydro có thể bị đứt gãy liên tiếp Trong trường hợp hai mạch của ADN đã tách nhau ra mà không liên kết ngay trở lại, thì quá trình này thường bắt đầu từ một đầu của phân tử và tiến dần vào phía trong Tuy nhiên, hiện tượng này nhìn chung hiếm khi xảy ra trong điều kiện sinh lý bình thường và các đoạn ADN có nhiều hơn 10 liên kết hydro thường bền ở nhiệt độ phòng Khi nhiệt độ tăng dần lên và cao hơn nhiệt độ sinh lý cơ thể thì tập hợp các liên kết yếu ngày càng trở nên kém bền ở nhiệt độ cao, sự đứt gãy của các liên kết yếu xảy ra ngày càng nhanh hơn Khi số liên kết đứt gãy đạt đến số lượng nhất định, thì phân tử mất đi cấu hình nguyên thủy của nó (gọi là sự biến tính của phân tử) và mất đi hoạt tính Như vậy, khi nhiệt độ tăng lên, phải có những mối tương tác nhất định mới có thể duy trì cấu hình sợi kép của phân tử ADN

1.4.1.2 ARN có nhiều dạng cấu trúc khác nhau

Ngược với cấu trúc ADN sợi kép có tính ổn định cao, ARN thường thấy ở dạng mạch

đơn Một số loại ARN (như mARN) có chức năng như phân tử vận chuyển thông tin tạm thời, thường ở trạng thái liên kết với các protein khác nhau, nên chúng thường không có cấu hình bậc 3 ổn định Các phân tử ARN khác có thể gấp nếp thành một số dạng cấu hình bậc 3 đặc thù Đối với những phân tử này, thường thì các mối tương tác nội phân tử giữa các phân đoạn khác nhau giúp hình thành nên cấu hình đặc thù của chúng Những tương tác này bao gồm sự tương tác giữa các bazơ nitơ theo mô hình của Watson-Crick, một số dạng kết cặp bazơ bất thường khác chỉ có ở ARN, và sự xếp chồng lên nhau của các bazơ nitơ có tính kị nước ARN khác ADN ở đường ribose là có gốc C2’-OH Trong cấu trúc gấp nếp của các phân tử ARN, gốc C2’-OH này thường tham gia vào các mối tương tác giúp ổn định cấu hình phân tử Chẳng hạn như các ion hóa trị 2 (như Mg2+, Mn2+, Ca2+) khi gắn vào phân tử ARN giúp các cấu trúc gấp nếp của phân tử này trở nên ổn định và bền vững, đó là nhờ những ion này có thể che chắn các điện tích âm của trục phân tử, tạo điều kiện để các miền (domain) của phân tử tiếp cận được gần nhau

Cấu hình bậc 3 của một số loại ARN, đặc biệt là tARN, thường có cấu trúc chặt và gấp nếp đặc trưng Cấu trúc của nhóm phân tử này cho thấy sự xếp chồng lên nhau của các bazơ nitơ giữ một vai trò quan trọng giúp duy trì cấu hình ổn định của ARN Cụ thể, trong

một phân tử ARN có khoảng 76 bazơ nitơ, trung bình tìm thấy 72 bazơ nitơ có kiểu tương

tác xếp chồng lên nhau Đặc điểm này giống với cấu trúc ADN sợi kép Như đã nói ở trên,

cấu trúc này là bền vững về mặt hóa năng Các vùng có cấu trúc xoắn kép và xếp chồng

lên nhau như vậy của ARN còn có thể có các tương tác bậc 3 khác nữa giúp phân tử ARN có

cấu hình ổn định

1.4.1.3 Thuộc tính của các axit amin - thành phần cấu tạo nên các protein

Không giống 8 loại nucleotide (4 loại deoxyribonucleotide và 4 loại ribonucleotide)

trong cấu trúc của ADN và ARN, 20 loại axit amin phổ biến tổng hợp nên protein có tính

đa dạng rất cao Các axit amin có đặc điểm chung là có một nguyên tử cacbon trung tâm

(Cα) liên kết với một nguyên tử H, một nhóm amino (-NH3+) và một nhóm cacboxyl (-COO-)

Liên kết thứ tư của Cα gắn với một chuỗi bên có cấu trúc khác nhau giữa các loại axit amin

và còn được gọi là gốc R Gốc R của các axit amin khác nhau về kích thước, hình dạng,

thành phần hóa học và đặc tính hóa lý Dựa trên các thuộc tính hóa lý, các chuỗi bên (gốc

R) của các axit amin được chia làm 4 nhóm: nhóm trung tính không phân cực, nhóm trung

tính phân cực, nhóm có tính axit và nhóm có tính bazơ (bảng 1.5) Các gốc R thuộc nhóm

trung tính không phân cực gồm các chuỗi cacbon hoặc cấu trúc vòng thơm có tính kị nước

Các gốc R thuộc nhóm trung tính phân cực gồm hydroxyl, sulfhydryl, amit và imidazole có

khả năng tạo liên kết hydro mạnh Các gốc R mang điện tích (có tính axit hoặc bazơ), bao

gồm các amin và cacboxylate bậc một hoặc hai, có khả năng tạo các liên kết hydro và ion

Tất cả các loại chuỗi bên R đều có thể tham gia các liên kết Van der Waals

1.4.1.4 Liên kết peptide

Liên kết cộng hóa trị giữa các axit amin trong

phân tử protein là liên kết peptide (hình 1.6) Liên

kết này được tạo ra giữa nhóm -NH2 của axit amin

này với nhóm –COOH của axit amin liền kề Đây là

một liên kết đôi (một phần) Nghĩa là, liên kết này

chứa nhiều hơn một cặp điện tử, do đó mức độ quay

quanh liên kết của các nguyên tử bị hạn chế Các

nguyên tử chỉ có thể quay tự do quanh liên kết khi

chỉ có một liên kết đơn duy nhất, chẳng hạn như các

nhóm -CH3 của metan (H3C-C3H) có thể quay tự do

quanh liên kết C-C Trừ liên kết peptide, mọi liên

kết khác trong trục polypeptide là các liên kết đơn và

do đó các nguyên tử có thể quay tự do Với đặc điểm

cấu trúc này, về lý thuyết các chuỗi polypeptide có thể có nhiều dạng cấu hình khác nhau

Nhưng trong trường hợp của protein, do tác động phối trí (steric interference) giữa các

liên kết peptide mà khả năng quay quanh liên kết của các nguyên tử và gốc R bị hạn chế

Điều này làm cấu hình không gian của các phân tử protein vừa có tính ổn định vừa có

tính linh hoạt tương đối khi tương tác với các phân tử khác

1.4.1.5 Bốn cấp cấu hình của protein

Cấu hình bậc một của một phân tử protein là trình tự các axit amin cấu tạo nên

phân tử đó Các axit amin gần nhau tạo các liên kết thứ cấp với nhau để hình thành nên

cấu hình bậc hai Có hai dạng cấu hình bậc hai phổ biến là dạng xoắn α và mặt phẳng β

Các cấu hình bậc hai tiếp tục đóng gói tạo nên cấu hình bậc ba thường có tính đặc thù đối

với từng chuỗi polypeptide Hầu hết các phân tử protein đều được cấu thành từ nhiều chuỗi

polypeptide khác nhau, trong đó mỗi chuỗi được gọi là các tiểu đơn vị protein Các tiểu

đơn vị kết hợp với nhau hoặc với một số phân tử khác để hình thành nên cấu hình bậc

H N H

Liên kết peptide

§inh §oµn Long

bèn §¸ng chó ý lµ mét ph©n tö protein cã thÓ cã nhiÒu cÊu h×nh bËc bèn kh¸c nhau TÊt nhiªn, mçi d¹ng cÊu h×nh nµy th−êng cã chøc n¨ng hoÆc ho¹t tÝnh sinh häc kh¸c nhau

B¶ng 1.5 Ph©n lo¹i axit amin trªn c¬ së kh¶ n¨ng tÝch ®iÖn vµ tÝnh ph©n cùc cña c¸c chuçi bªn C¸c axit amin trung tÝnh cã chuçi bªn (R) kh«ng ph©n cùc (kÞ n−íc)

-H3N

CH 2

C

COOH

-H3N

CH 2

CH 2 S

CH 3

C

COOH

-H3N

CH 2 SH

Proline

(Pro, P) Phenylalanine (Phe, F) Tryptophane (Trp, W) Methionine (Met, M) Cysteine (Cys, C)

C¸c axit amin trung tÝnh cã chuçi bªn (R) ph©n cùc (−a n−íc)

-H3N

CH 2 C

C

COOH

-H3N

CH 2

CH 2 C

H 2 N O

Serine

(Ser, S) Threonine (Thr, T`) Tyrosine (Tyr, Y) Asparagine (Asn, N) Glutamine (Gln, Q)

C¸c axit amin tÝch ®iÖn d−¬ng (tÝnh kiÒm / tÝnh baz¬) C¸c axit amin tÝch ®iÖn ©m (tÝnh axit)

-H3N

CH 2

NH N

C

COOH

-H3N

CH 2 COO -

C

COOH

-H3N

CH 2

CH 2 COO -

Arginine

(Arg, R) (Lys, K)Lysine Histidine (His, H) Axit aspartic (Asp, D) Axit glutamic (Glu, E)

1.4.1.6 Cấu hình protein bậc hai phổ biến là dạng chuỗi xoắn α và mặt phẳng β

(hình 1.7) Đây là dạng xoắn phải, có chu kỳ vòng xoắn dài 5,4Å theo chiều dài trục xoắn

với mỗi vòng xoắn có trung bình 3,6 axit amin Cấu hình xoắn α được giữ ổn định là nhờ

các liên kết yếu (chủ yếu là liên kết hydro) giữa các nguyên tử thuộc các nhóm imino và

cacboxyl gần nhau trên chuỗi polypeptide và phù hợp với khung peptide có các góc quay

là φ (phi) và ψ (psi), do tác động phối trí của các nhóm chức (hình 1.8) Chỉ có một axit

amin duy nhất không tạo được liên kết hydro là proline (vì axit amin này có cấu trúc vòng

nên nó không có nguyên tử cho liên kết hydro, xem bảng 1.5) Vì vậy, Proline còn được gọi

là tiểu phần làm gập chuỗi xoắn Một số axit amin khác, bao gồm Glycine, Tyrosine, và

Serine, mặc dù không có cấu trúc ngăn cản sự hình thành vòng xoắn α, nhưng hiếm khi có

mặt trong các chuỗi xoắn α

Việc hình thành cấu hình xoắn α chủ yếu dựa trên sự tiếp xúc giữa các nguyên tử

trên trục polypeptide dẫn đến hiện tượng là các chuỗi bên (gốc R) của các axit amin trên

chuỗi polypeptide thường được đẩy ra xa khỏi chuỗi xoắn (hình 1.8) Điều này giúp các

chuỗi bên có được vị trí lý tưởng để có thể tương tác với các vùng khác của các phân tử

protein, hoặc với các đại phân tử khác, bao gồm ADN và ARN

Cấu hình bậc hai phổ biến thứ hai của protein là dạng mặt phẳng ββββ (hình 1.7)

Không giống với dạng xoắn α, dạng mặt phẳng β là kết quả của sự liên kết giữa các phần

xa nhau hơn thuộc khung polypeptide (hình 1.9) Sự ổn định của cấu hình mặt phẳng β là

do sự xếp thẳng hàng của các phân đoạn polypeptide sao cho các nhóm -C=O và -NH thuộc

các phân đoạn liền kề xếp thẳng hàng và có thể tạo liên kết hydro với nhau Qua tập hợp

các liên kết này, một mặt phẳng β được hình thành Một mặt phẳng β điển hình thường

bao gồm từ 4 đến 6 phân đoạn polypeptide xếp thẳng hàng (những phân đoạn này còn

được gọi tắt là chuỗi β) với chiều dài mỗi phân đoạn gồm từ 8 đến 10 axit amin Trong cấu

hình mặt phẳng β, để các nhóm -C=O và -NH có thể liên kết hydro được với nhau (dẫn

đến các nhóm này nằm trên cùng mặt phẳng), các axit amin gần kề phải quay ngược

nhau 180o, và vì vậy các gốc R tương ứng của chúng thường hướng về các phía đối diện của

mặt phẳng β

R

R R

R

R

R

Mặt phẳng liên kết

Mặt phẳng liên kết

Mặt phẳng β

Vòng xoắn α

Hình 1.7 Hai dạng cấu trúc bậc hai

phổ biến của protein là dạng vòng

xoắn α α và dạng mặt phẳng ββββ

Đoạn “nút thắt”