Bài giảng Cơ sở hóa học của sự sống (Bản đẹp)

ọc của sự sống. Năng lượng tự do (G) không thay đổi do xúc tác. b. Enzymes là gì ?Các chất xúc tác vô cơ tác động không chọn lọc. Các enzyme là những chất xúc tác hữu cơ có tính đặc hiệu cao nhờ cấu trúc không gian ba chiều của các đại phân tử sinh học. 	Enzyme hạ thấp năng lượng hoạt hóa để phản ứng xảy ra. Enzyme chỉ làm tăng tốc độ phản ứng và hoạt động với hiệu quả rất cao. Enzyme catalase thực hiện phân hủy 5 triệu phân tử H2O2 trong 1 phút ở 0oC. Hiệu quả cao hơn gấp nhiều lần so với các chất xúc tác vô cơ.Phản ứng enzyme Phản ứng thực hiện gần như có hiệu quả 100 % và không kèm theo phụ phẩm thừa (dĩ nhiên phải tuân theo quy luật cân bằng vật chất tức một chất phản ứng đã cạn kiệt).·  Đồng thời có thể xảy ra nhiều phản ứng độc lập khác nhau, mà không bị rối bởi các sản phẩm phụ. Điều này có được nhờ mỗi enzyme chuyên hóa cao cho một loại phản ứng.· Các phản ứng thường được thực hiện theo dây chuyền, sản phẩm của phản ứng đầu có thể làm nguyên liệu sơ khởi cho phản ứng sau nhờ các enzyme xếp theo hệ thống.· Phản ứng chịu điều hòa hợp lý và tiết kiệm nhất.Tiêu tốn năng lượng là tối thiểu. 2. Cấu tạo của enzyme Cấu tạo của enzyme là protein coenzyme nhóm prosthetic CofactorCó enzyme đơn giản chỉ gồm có protein và enzyme phức tạp có thêm các ion kim loại (cofactor) hay các hợp chất hữu cơ phức tạp là coenzyme (hay coferment) hay cả hai. Phức hợp enzyme tự nhiên với các nhóm bổ sung được gọi holoenzyme, còn phần protein không có hoạt tính sau khi tách nhóm bổ sung đi gọi là apoenzyme. Một số nhóm chất gắn rất chặt với phần protein của enzyme được gọi là nhóm prosthetic (như heme). Vai trò của coenzymeNhiều coenzyme chứa các phân tử vitamin. Điều này giải thích tầm quan trọng của vitamin trong các hoạt động sống.- Các enzyme rất nhạy cảm với pH và có hoạt tính cao chỉ trong một giới hạn nhất định và mỗi enzyme có pH tối ưu riêng. Sự thay đổi pH làm đứt nhiều liên kết yếu giữ vai trò ổn định cấu trúc không gian của các phân tử protein, và đồng thời dẫn đến hình thành các liên kết hóa học mới làm thay đổi hình dạng phân tử protein.	Trên thực tế, hoạt tính của enzyme phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH,... dễ làm thay đổi cấu trúc không gian của protein. 3. Tính đặc hiệu (specificity). a. Đặc hiệu phản ứng.	Tính đặc hiệu của enzyme chỉ biểu hiện đối với cơ chất có mang một loại liên kết hóa học nhất định. Ví dụ 1: Enzyme lipase do tuyến tụy tiết ra chỉ cắt liên kết ester nối glycerol và acid béo của nhiều loại lipid khác nhau.	Ví dụ 2: Enzyme Thrombin (làm tan máu) tác động chỉ với một số protein và chỉ ở những điểm đặc hiệu. Nó "nhận biết" liên kết giữa các amino acid arginine và glycine, và lúc đó thủy giải chúng (Nhờ vậy làm tan các cục máu bị đông).b. Đặc hiệu cơ chất.	Tính đặc hiệu còn thể hiện chuyên biệt cho những cơ chất nhất định. Ví dụ: enzyme urease chỉ phân hủy urea thành ammonia và CO2, nhưng không tác dụng đối với các chất khác.	Các enzyme có thể phân biệt được những cơ chất thậm chí rất giống nhau, như các đồng phân (Isomer). Ví dụ: enzyme sucrase chỉ phân hủy saccharose (sucrose) thành glucose và fructose, nhưng không tác dụng đối với 2 đồng phân khác là maltose và lactose.	Trong nhiều trường hợp khó phân biệt tính đặc hiệu kiểu phản ứng và cơ chất. Tính đặc hiệu nhờcấu trúc không gian ba chiều của protein.Quan điểm hiện nay là enzyme và cơ chất lấp vào nhau tương tự như ống khóa và chìa khóa. Sự gắn cơ chất vào enzyme : a) mô hình ống khóa- chìa khóa và b) lấp kín do cảm ứng.4. Trung tâm hoạt động (active site). Chỉ có một vùng giới hạn của phân tử enzyme thực sự gắn với cơ chất đó là Trung tâm hoạt động. Thường trung tâm hoạt động được tạo nên do một số amino acid của enzyme, còn số khác của phân tử protein đảm bảo khung để tăng cường cấu trúc không gian của trung tâm. Trung tâm hoạt động của ribonuclease. Số chỉ thứ tự các amino acid bao quanh thuộc trung tâm hoạt động của enzyme. Uracil ở giữa là cơ chất. 5. Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme a. Tốc độ phản ứng. b. Nồng độ cơ chất c. Chất kìm hãm d. Nhiệt độ. e. pH. c. Chất kìm hãm.Phần lớn các enzyme có thể bị kìm hãm hay ức chế (inhibition) thuận nghịch hay không thuận nghịch. Một trong các kiểu kiểm soát là ức chế cạnh tranh (competitive inhibition) xảy ra do chất ức chế tương tự cơ chất nên có thể kết hợp thuận nghịch với trung tâm hoạt động, nhưng chất ức chế không biến đổi tiếp tục. Phản ứng cạnh tranh có thể biểu thị như sau :	E + I  EI E + S  ES  E + P	Trong đó I (inhibiter) là chất kìm hãm. Sự kết hợp EI làm giảm ES (enzyme-cơ chất). Ví dụ: CO gây độc, vì nó cạnh tranh với Oxy gắn vào các trung tâm hoạt động của hemoglobin. Chất ức chế cạnh tranhKiểu ức chế thứ hai thuận nghịch được gọi là ức chế không cạnh tranh (noncompetitive inhibition). Trong trường hợp này, các enzyme thường có hai loại trung tâm hoạt động, một loại cơ chất bám vào, còn loại kia chất ức chế gắn vào. Một dạng ức chế không cạnh tranh thường gặp là ức chế dị hình hay dị tập thể (allosteric inhibition). Các enzyme loại này thường có hai dạng cấu trúc không gian, một dạng có hoạt tính, một dạng không. Một ví dụ thường gặp là khi sản phẩm được tổng hợp dư thừa, các phân tử sản phẩm có thể gắn vào enzyme làm mất hoạt tính để quá trình tổng hợp sản phẩm dừng lại. Kiểu ức chế này còn gọi là ức chế nghịch (feedback inhibition).VIII. ĐẶC ĐIỂM CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO Để tồn tại, tế bào phải thu nhận năng lượng và sinh tổng hợp các chất. Công việc đó được thực hiện nhờ hàng nghìn, hàng vạn các phản ứng hoá học diễn ra liên tục theo trình tự nghiêm nhặt, nhanh nhạy và rất chuẩn xác, ví như một nhà máy hoá học đặc biệt.1. Thu nhận 2. Các định hướng chung 3. Cách thực hiện phản ứng hoá học của tế bào 4. Tín hiệu tế bào 1. Thu nhậnSự chủ động thể hiện qua vài ví dụ : 	– Hóa định hướng (Chemotaxis) : các vi khuẩn di chuyển hướng đến nguồn hóa chất dinh dưỡng hay rễ cây mọc hướng đến nguồn phân. 	– Enzyme ngoại bào : tế bào không hấp thu trực tiếp các đai phân tử như bột, protein nên tiết các enzyme ngoại bào như protease, amylase cắt chúng thành đơn phân để ngấm vào tế bào.Sự tinh vi thể hiện qua ví dụ hấp thu sắt (Fe). Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ghi nhận sự thiếu sắt (Fe) 2. Các định hướng chung– Trật tự sinh học : Biểu hiện đúng trong không gian và thời gian.– Mối quan hệ : Phân tử, gen và tế bào – Dựa vào cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi. Tuân theo các quy luật vật lý và hóa hocï nhưng có những đặc điểm riêng. 3. Cách thực hiện các phản ứng hoá học Hoá học tế bào có những đặc tính ưu việt là nhờ cách thực hiện phản ứng rất đặc biệt. – Điều kiện thực hiện phản ứng : đẳng nhiệt, đẳng áp. – Sự xúc tác của enzyme.– Trao đổi chất diễn ra liên tục và tự động hóa cao. – Sự đa dạng các phản ứng. 4. Tín hiệu tế bào.- Tín hiệu vận chuyển nội bào (intracellular traffic) và các tín hiệu giữa các tế bào (intercellular signals). Các phân tử thông tin ngoại bào (extracellular informative molecules), thực hiện mối quan hệ giữa các tế bào, là những chất trung gian gồm 3 loại phụ thuộc vào khoảng cách tác động. Có thể nói, mỗi một tế bào tắm mình trong môi trường với nhiều tín hiệu hoá học : các phân tử phóng thích từ các tế bào khác (các hormone, nhân tố tăng trưởng,) và các chất ngoại lai như thuốc hay độc tố, Tiếp nhận tín hiệu, bộ máy tế bào đáp lại một cách đặc hiệu, như tổng hợp một loại protein. Trong hoá học, thuờng quen với kiểu phản ứng chất A kết hợp với B thành AB. Tế bào phản ứng phức tạp hơn nhiều : tín hiệu phát ra di chuyển rất xa, có định hướng đúng mục tiêu để kích thích hoạt động của một phức hợp gồm cả chục protein nhằm đáp lại. Thử hình dung, 1 phân tử protein cầu kích thước 5nm (5 phần triệu milimet) di chuyển đến khoảng cách 300mm (30cm) thì độ dài di chuyển gấp 300 triệu lần. Nếu một người cao 1,5 m di chuyển như vậy thì khoảng cách tương ứng là 450 triệu met = 450000km, hơn gấp rưỡi khoảng cách Trái đất đến Mặt trăng. Hoạt động sống của tế bào phức tạp, nhưng chính xác biết bao !Trên tế bào có các mức tổ chức cao hơn là mô, cơ quan, cơ thể... Tất cả đều có các mối liên hệ bên trong và với môi trường ngoài rất phức tạp thông qua các tín hiệu tế bào. Cơ thể được điều hoà bởi 2 cơ chế :– Các chất nội tiết như hormone,.. có tác động chậm.– Các xung thần kinh có tác động nhanh. Ngoài ra, thiên nhiên vốn hài hoà, các phản hoá học của tế bào ít gây ô nhiễm, lại làm sạch môi trường góp phần đáng kể bảo vệ môi sinh. ĐẶC ĐIỂM CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO1. Trật tự sinh học2. Biểu hiện đúng trong không gian và thời gian.3. Phản ứng nhờ vào hệ thống cấu trúc và tổ chức của tế bào.4. Tuân theo các quy luật vật lý và hóa hocï nhưng có những đặc điểm riêng.5. Sự xúc tác của enzyme.6. Gởi tín hiệu xa với độ chính xác cao.