2.2.1. Năng lượng tự do, năng lượng hoạt hoá và năng lượng entropy a. N ă ng l ượng t ự do
Là năng lượng vốn có của một hệ thống, khi cần nó được dùng để thực hiện công dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Khái niệm về năng lượng tự do được Josiah Willard Gibbs nêu ra đầu tiên nên kí hiệu là G. Nó là năng lượng tối đa tiềm ẩn trong hệ thống. Các chất hóa học đều có chứa năng lượng tự do. Khi xảy ra phản ứng hóa học, có sự biến đổi năng lượng tự do được kí hiệu bằng ΔG. Trong tế bào năng lượng tự do thường được tồn tại trong các mối liên kết hoá học.
b. N ăn g l ươ ng ho ạt ho á
Là năng lượng tối thiểu cần cung cấp để cho một phản ứng có thể xảy ra. Đối với các phản ứng thu nhiệt thì cần năng lượng hoạt hoá cao, ngược lại các phản ứng toả nhiệt cần năng lượng hoạt hoá thấp. Trong cơ thể sinh vật, nhờ có các enzyme xúc tác nên năng lượng hoạt hoá thường thấp hơn rất nhiều so với các phản ứng xảy ra bên ngoài hệ thống sống.
c. N ă ng l ượng entr opy
Entropy là trạng thái hỗn loạn của năng lượng hay còn gọi là mức độ hỗn độn của nhiệt. Hầu như mọi quá trình chuyển hoá năng lượng bao giờ cũng kèm theo sự mất đi một số nhiệt do sự chuyển động hỗn độn của các phân tử gây nên, nhiệt mất này toả ra môi trường. Trong các cơ thể sống, năng lượng ít hỗn độn do đó entropy nhỏ và ngược lại. Năng lượng entropy và năng lượng tự do tỉ lệ nghịch với nhau.
2.2.2. Năng lượng ATP (Adenosin triphosphat) a. Th ành ph ầ n c ấ u t ạo c ủa ATP
Mỗi phân tử ATP được cấu tạo bởi 3 thành phần là: 1 bazơnitơ loại adenin, 1 phân tử đường riboza (C5H10O5)n và 3 nhóm phosphat. Trong mỗi phân tử ATP có 2 liên kết cao năng, mỗi liên kết khi bị đứt sẽ giải phóng ra 7,3Kcal năng lượng.
Hình 2. 2.Cấu trúc phân tử ATP b . S ự h ình th ành ATP trong c ơ th ể sinh v ật
* Năng lượng để tổng hợp ATP:
Trong cơ thể sinh vật, năng lượng sử dụng để tổng hợp ATP được lấy từ năng lượng ánh sáng mặt trời (đối với các sinh vật tự dưỡng) và lấy từ thức ăn (đối với các sinh vật dị dưỡng). Có thể hình dung qua sơ đồ tóm tắt sau:
Năng lượng mặt trời Thức ăn
ATP
Sinh trưởng, phát triển, hoạt động, thải nhiệt
* Cơ chế tổng hợp ATP
Có 2 cơ chế tổng hợp ATP trong cơ thể sinh vật đó là cơ chế bản thể và cơ chế hoá thấm.
+ Cơ chế bản thể: Trong cơ chế này, ATP được tổng hợp nhờ năng lượng lấy trực tiếp từ các hệ dẫn truyền điện tử trong hô hấp và quang hợp. Cụ thể là khi điện tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn thì một phần năng lượng giải phóng sẽ được sử dụng trực tiếp để tổng hợp ATP từ ADP và Pi.
+ Cơ chế hoá thấm:
Hoá thấm nghĩa là nhờ sự thẩm thấu của ion H+ qua màng mà qua đó ATP được tổng hợp. Quá trình này được chia thành 2 giai đoạn là giai đoạn tích luỹ năng lượng và giai đoạn tổng hợp ATP.
Năng lượng được sản sinh và tích luỹ là năng lượng điện hoá của điện thế màng. Nhờ các phân tử protein đặc biệt trên màng, các nguyên tử H được tách thành H+ và e-. Điện tử được mang tới chất nhận, còn H+ được đẩy sang phía bên kia của màng, tạo ra sự chênh lệch nồng độ H+ hay nói cách khác là tạo ra một dốc nồng độ H+ qua màng. Các ion H+ sẽ khuyếch tán qua màng xuôi theo dốc điện hoá qua các kênh protein đặc biệt, năng lượng của dòng H+ sẽ được sử dụng để tổng hợp ATP.
47
2.2.3. Enzyme
a. Kh á i ni ệm: Enzyme là chất xúc tác sinh học có hoạt tính rất cao, có khả năng làm tăng tốc độ của phản ứng nhưng không làm tăng nhiệt độ của phản ứng và không bị tiêu hao trong quá trình tham gia phản ứng.
b.
Thành phần c ấ u t ạo c ủa enzyme
Dựa vào thành phần cấu tạo của enzyme người ta chia enzyme thành hai loại là: Enzyme đơn giản và enzyme phức tạp. Enzyme đơn giản là loại enzyme mà khi thuỷ phân chỉ giải phóng ra toàn bộ axit amin. Enzyme phức tạp là loại enzyme mà khi thuỷ phân ngoài các axit amin ta còn thu được các thành phần khác không phải là axit amin, chúng được gọi chung là nhóm ngoại. Nhóm ngoại có thể là một phân tử hữu cơ có khối lượng phân tử nhỏ (gọi là coenzyme) thường được bắt nguồn từ vitamin;
hoặc là một nhóm phụ khác hay các ion kim loại như Fe, Cu, Mg... Ví dụ enzyme chứa sắt tham gia vào chuỗi truyền điện tử trong ty thể.
Mỗi enzyme đều có một vị trí đặc biệt để gắn với cơ chất trong quá trình xúc tác được gọi là trung tâm hoạt động của enzyme, ngoài ra một số enzyme còn có thêm vị trí dị lập thể là nơi để gắn với nhóm ngoại.
c . Cơ chế của xúc tác enzyme
Nhiều dẫn liệu thực nghiệm đã cho thấy quá trình tạo thành phức hợp enzyme cơ chất và sự biến đổi phức hợp này thành sản phẩm, giải phóng enzyme tự do thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau.
E + S → ES → P + E
Trong đó E là enzyme, S là cơ chất (Substrate), ES là phức hợp enzyme - cơ chất, P là sản phẩm (Product)
Hình 2. 3.Cấu trúc của một enzym đơn giản
* Giai đoạn thứ nhất: Là giai đoạn enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp.
* Giai đoạn thứ hai: Là giai đoạn xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng.
* Giai đoạn thứ ba: Là giai đoạn tạo thành sản phẩm, đồng thời enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do.
d.
Hoạt động c ủa enzyme
* Giả thuyết chìa và ổ khoá: Giả thuyết chìa và ổ khoá do Fisher đề xuất năm 1894. Theo đó, enzyme là ổ khoá, cơ chất là chìa khoá, chỉ khi chìa khớp với ổ khoá phản ứng mới xảy. Giả thuyết này nói lên tính đặc hiệu của enzyme, nhưng nó còn cứng nhắc, mang tính cơ học và không giải thích thỏa đáng được nhiều kết quả thu được trong thực nghiệm.
* Giả thuyết về khớp cảm ứng: Giả thuyết về khớp cảm ứng do Koshland đề xuất năm 1958.
Theo thuyết này, đặc điểm của vùng trung tâm hoạt động là rất mềm dẻo và linh hoạt, các nhóm chức năng ở trung tâm hoạt động của enzyme tự do chưa ở tư thế sẵn sàng hoạt động. Khi tiếp xúc với cơ chất, các nhóm chức năng ở trong phần trung tâm hoạt động của phân tử enzyme thay đổi vị trí trong không gian, tạo thành hình thể để khớp với hình thể của cơ chất. Giả thuyết này mềm dẻo hơn, phù hợp với đặc điểm của sinh học, cho đến nay chưa có giả thuyết nào khác thay thế nó.
Trong tế bào hay trong cơ thể, các enzyme thường phối hợp hoạt động với nhau, do vậy sản phẩm của phản ứng này có thể là cơ chất của phản ứng tiếp theo tạo thành chuỗi phản ứng.
Ví dụ: Tinh bột amilaza Mantoza mantaza Glucose e . Tính đặc hiệu của enzyme
* Đặc hiệu phản ứng: Đó là biểu hiện của một enzyme chỉ thường xuyên xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định.
Ví dụ, vận chuyển hydro từ chất cho (rượu bậc nhất hay rượu bậc hai) đến chất nhận (NAD+
hay NADP+) hay chuyền nhóm amin từ một amino acid đến một ceto acid. Các phản ứng loại thứ nhất do dehydrogenase xúc tác, còn phản ứng loại thứ hai do aminotransferase xúc tác.
* Đặc hiệu cơ chất:
+ Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ tác dụng lên một cơ chất nhất định. Một ví dụ có tính chất kinh điển về chuyên hoá tuyệt đối là urease, enzyme này chỉ xúc tác cho phản ứng phân giải ure tạo ra NH3 và CO2. Hằng trăm thí nghiệm trên các dẫn xuất của ure đều cho thấy chúng không bị phân giải dưới tác động của enzyme urease. Thực ra, người ta đã phát hiện khả năng phân giải cơ chất hydroxyure nhưng với tốc độ bé hơn khoảng 120 lần.
49
+ Đặc hiệu tương đối: Kiểu đặc hiệu này đặc trưng cho các enzyme không có những yêu cầu đối với nhóm chức ở gần liên kết chịu tác dụng. Ví dụ, lipase thuỷ phân lipid.
f.
Những nhân tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của enzyme
* Nồng độ của enzyme - cơ chất: Nếu nồng độ cơ chất thấp hơn nồng độ enzyme thì hoạt động của enzyme sẽ bị hạn chế, tốc độ phản ứng không cao. Lúc đó, muốn tăng tốc độ phản ứng thì ta phải tăng nồng độ của cơ chất. Ngược lại, khi nồng độ enzyme thấp hơn nồng độ cơ chất, muốn tăng tốc độ phản ứng ta phải tăng nồng độ của enzyme.
* Nhiệt độ: Trong giới hạn cho phép, khi tăng nhiệt độ thì tốc độ phản ứng sẽ tăng theo. Nhưng nếu nhiệt độ tăng quá cao, liên kết hydro của protein sẽ bị phá vỡ, enzyme sẽ mất hoạt tính. Đa số enzyme hoạt động nhiệt độ trung bình 25 – 400C. Tuy nhiên một số sinh vật sống thích hợp với những nhiệt độ khắc nghiệt như vi khuẩn ở suối nước nóng, enzyme của chúng hoạt động mạnh ở nhiệt độ 70 – 850C, hay một vài loài cá ở Nam cực, Bắc cực enzyme của chúng lại hoạt động mạnh ở nhiệt độ -20C.
* Độ pH: Đa số enzyme hoạt động ở độ pH trung tính. Tuy nhiên enzyme pepsin là một loại enzyme tiêu hoá ở dạ dày lại hoạt động thích hợp ở môi trường có độ axit cao pH = 2, ngược lại enzyme tripxinnaza do tuyến tuỵ tiết ra lại hoạt động thích hợp trong môi trường kiềm pH = 8,5.
* Chất ức chế:
+ Chất ức chế cạnh tranh: Là những chất có cấu tạo hoá học gần giống với cơ chất, chúng chiếm vào vị trí trung tâm hoạt động của enzyme.
Ví dụ: Axit malonic là chất ức chế cạnh tranh của cơ chất axit succinic. Phức chất enzyme - chất ức chế bền vững hơn phức chất enzyme - cơ chất, do đó nó ảnh hưởng lâu dài lên phân tử enzyme.
+ Chất ức chế không cạnh tranh:
Là những chất có cấu tạo không giống với cơ chất (thường là những ion kim loại nặng như Hg+
+, Ag+). Khi thực hiện quá trình ức chế, nó không chiếm vị trí trung tâm hoạt động của cơ chất mà chúng chiếm vào vị trí dị lập thể qua đó làm biến đổi hình dạng của trung tâm hoạt động, do đó enzyme không gắn được vào cơ chất, phản ứng không xảy ra. Một số chất độc đã gắn vào vị trí dị lập thể theo kiểu này làm cho chuỗi phản ứng có thể dừng giữa chừng, các chất trung gian tạo ra nhiều gây nguy hại cho cơ thể. Ngược lại, có những chất (như coenzyme) khi bám vào vị trí dị lập thể lại có khả năng làm cho enzyme có dạng thích hợp hơn để xúc tác có hiệu quả hơn.