On cao hoc (pham thanh ho)

CHƯƠNG II
CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG
I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA SINH VẬT.
1. Các nguyên tố và đặc điểm hóa học của chúng trong cơ thể sống.
2. Các chất vô cơ
3. Các chất hữu cơ phân tử nhỏ
II. CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC.
1. Protein.
2. Các chức năng sinh học đa dạng của protein.
3. Acid nucleic.
4. Tầm quan trọng của các tương tác hóa học yếu.
5. Phả hệ các chất hữu cơ trong thế giới sinh vật.

Theo quan điểm của Ăng-ghen : "Sinh học là hóa học của sự sống". Ông cũng cho rằng : "Sống là phương thức tồn tại của các thể protein, và phương thức tồn tại này chủ yếu là ở chỗ các thành phần hóa học của những vật thể ấy tự nó luôn luôn đổi mới".

Thế giới sinh vật rất đa dạng, các hợp chất muôn hình muôn vẽ, nhưng tế bào cũng cấu tạo từ các phân tử và nguyên tử. Tuy nhiên, các phân tử trong cơ thể sống là sản phẩm của quá trình tiến hoá lâu dài hàng tỉ năm, nên chúng thích nghi nhất cho việc hoàn thành các chức năng sinh học và đồng thời trên cơ sở tương tác nhau chúng tạo nên sự sống và tuân theo các qui luật của sự sống.

Tế bào thể hiện thực sự là một nhà máy tí hon : trong các thành phần tế bào diễn ra vô số phản ứng enzyme dưới sự kiểm soát chính xác về không gian và thời gian (của bộ gen).
Các tế bào cũng thực hiện những công việc tinh vi (và vô cùng phức tạp) mà các kỹ sư tài giỏi nhất vẫn chưa bắt chước được.
I. CÁC PHÂN TỬ.

1. Các nguyên tố cơ thể sống.
Sự hoàn hảo của hóa học tế bào sống thể hiện ngay trong thành phần các nguyên tố vốn có trong thiên nhiên. Trong 92 nguyên tố của thiên nhiên chỉ 25 có trong các sinh vật.
Các nguyên tố tham gia cấu tạo chất sống
Bảng II.1. Tỉ lệ tương đối và tầm quan trọng các nguyên tố trong cơ thể người
Tên và tỉ lệ (%) Tầm quan trọng hay chức năng
1. Oxygen (O) 65% Tham gia vào hô hấp; có trong nước và hầu hết các chất hữu cơ.
2. Carbon (C) 18% Tạo khung chất hữu cơ; có thể tạo liên kết với 4 nguyên tử khác
3. Hydrogen (H) 10 Có trong hầu hết các chất hữu cơ và thành phần của nước.
4. Nitrogen (N) 3 Thành phần của các protein, acid nucleic.
5. Calcium (Ca) 1,5% Thành phần xương và răng; quan trọng trong co cơ, dẫn truyền xung thần kinh, và đông máu.
6. Phosphor (P) 1% Thành phần acid nucleic; trong xương; rất quan trọng trong chuyển năng lượng.
7.Kalium (Potassium) (K) 0.4 Cation (ion+) chủ yếu trong tế bào; quan trọng cho hoạt động thần kinh và co cơ.
8. Sulfur (S) 0.3 Thành phần protein.
9. Natrium (Sodium) (Na) 0.2 Ion+ chủ yếu trong dịch mô; quan trọng trong cân bằng chất dịch; dẫn truyền xung thần kinh.


10. Magnesium(Mg) 0.1% Cần cho máu, các mô; thành phần nhiều hệ enzyme
11. Chlor (Cl) 0.1 Anion chủ yếu dịch cơ thể; quan trọng trong cân bằng nội dịch.
12. Ferrum(Sắt) (Fe) vết Thành phần của hemoglobin, myoglobin,một số enzyme.
13. Iod ( I ) vết. Thành phần của hormone tuyến giáp (thyroid).
Các nguyên tố khác có rất ít (< 0,01%) thường gọi là vi lượng hay vi tố.
Tầm quan trọng của Iod thể hiện : ngày 8-9-1994 Thủ tướng chính phủ Việt Nam ra quyết định số 481/Ttg về việc tổ chức và vận động "Toàn dân ăn muối Iod".

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đánh giá sự thiếu sắt (Fe) tác động đến 30% dân số toàn cầu (chủ yếu là những người ăn cơm) gây bệnh thiếu máu. Gạo không hẵn thiếu sắt, nhưng khi nấu chín enzyme phytase bị hỏng nên phytic acid là chất ngăn hấp thu sắt không bị phân hủy và ăn vào sắt bị mất hoặc không được hấp thu bởi cơ thể. Bằng cách chuyển 3 gen khác nhau vào cây lúa đã tạo được giống lúa, mà ăn gạo của nó không bị thiếu sắt.
Cấu trúc của cytochrome C. Khung hème ở giữa có sắt (Fe)

2. Các liên kết hóa học
Các nguyên tố của một hợp chất luôn hiện diện trong một tỉ lệ nhất định theo khối lượng. Điều đó cho thấy các nguyên tử kết hợp với nhau một cách chính xác bằng những liên kết hóa học để tạo nên hợp chất.
Liên kết hóa học là lực hút gắn hai nguyên tử với nhau. Mỗi liên kết chứa một số lượng nhất định thế năng hóa học. Năng lượng của liên kết là năng lượng cần để làm đứt nó. Phụ thuộc vào số điện tử lớp ngoài cùng, các nguyên tử của một nguyên tố hình thành một số lượng đặc hiệu các liên kết với những nguyên tử của nguyên tố khác. Hai liên kết hóa học chủ yếu là cộng hóa trị và liên kết ion. Đặc biệt quan trọng trong các hoạt động sống là liên kết hydro và các tương tác yếu như lực hút van der Waals và tương tác kỵ nước.

3. Đặc điểm hóa học của các nguyên tố chủ yếu.
�Thứ nhất, trong bảng tuần hoàn các nguyên tố H đứng đầu nhóm I, C đứng đầu nhóm IV, N đứng đầu nhóm V và O đứng đầu nhóm VI. Như vậy trong các nhóm chất kể trên chúng là những nguyên tố nhẹ nhất, bé nhất của mỗi nhóm. Đáng chú ý là lớp điện tử của chúng như sau : H1, O2+6, N2+5 và C2+4 nên tương ứng chúng có hóa trị : H=1, O=2, N=3 và C=4.

���Thứ hai, cả bốn nguyên tố có cùng chung tính chất là dễ tạo thành các liên kết cộng hóa trị bằng cách bắt cặp góp chung điện tử. Để lấp đầy lớp điện tử ngoài cùng tạo liên kết cộng hóa trị bền vững, H cần 1e, O cần 2e, N cần 3e, và C cần 4e. Các nguyên tố này dễ dàng tác dụng lẫn nhau bằng cách lấp đầy lớp điện tử ngoài cùng để tạo nên nhiều hợp chất khác nhau.
��Thứ ba, trong các nguyên tố có khả năng tạo liên kết cộng hóa trị chúng nhẹ nhất ở mỗi nhóm hóa trị. Sự bền vững của liên kết cộng hóa trị hầu như tỉ lệ nghịch với trọng lượng của các nguyên tử tham gia liên kết. Như vậy sự sống đã chọn các nguyên tố có hóa trị 1, 2, 3, 4 nhẹ nhất lại có các liên kết cộng hóa trị bền vững nhất.

·  Thöù tö, ngoaøi ra ba nguyeân toá O, N vaø C coù khaû naêng taïo lieân keát ñôn hoaëc ñoâi (ví duï : - C = O), nhôø ñoù caùc hôïp chaát hoùa hoïc do chuùng taïo neân theâm ña daïng. Rieâng C coù theå taïo thaønh lieân keát ba vôùi N (-C N) hoaëc giöõa C vôùi nhau, tuy kieåu lieân keát naøy ít gaëp trong thieân nhieân. Caùc hôïp chaát cuûa caùc nguyeân toá naøy deã taïo thaønh lieân keát hydro.
Thöù naêm, ñaëc bieät quan troïng laø nguyeân toá carbon coù khaû naêng taùc duïng vôùi nhau taïo lieân keát coäng hoùa trò beàn vöõng - C - C- . Vì nguyeân töû C coù theå thu vaøo hoaëc cho 4 ñieän töû ñeå laáp lôùp ñieän töû ngoaøi cuøng ñuû 8 beàn vöõng neân moãi nguyeân töû C coù theå taïo lieân keát coäng hoùa trò vôùi 4 nguyeân töû C khaùc. Nhôø vaäy caùc nguyeân töû C coù theå taïo khung cho voâ soá caùc chaát höõu cô khaùc nhau.
·     Ngoaøi ra caùc nguyeân töû C deã daøng taïo lieân keát coäng hoùa trò vôùi C, H, N vaø caû S (löu huyønh) neân trong caùc chaát höõu cô chöùa moät soá löôïng lôùn nhieàu nhoùm chöùc naêng khaùc nhau. Moät tính chaát noåi baät nöõa cuûa C laø khaû naêng caùc ñieän töû baét caëp taïo xung quanh moãi nguyeân töû C taïo caáu truùc khoâng gian khoái töù dieän nhôø ñoù caùc kieåu hôïp chaát höõu cô khaùc nhau coù caáu truùc khoâng gian ba chieàu.
Ngoaøi ra, S vaø P cuõng tham gia vaøo thaønh phaàn caáu taïo cuûa nhieàu chaát huõu cô quan troïng cho söï soáng.
II. CÁC CHẤT VÔ CƠ
1. Nước (H2O)
Nước cũng chiếm phần lớn (70-80%) cơ thể sống, cá biệt như con sứa có thể đến 98%. Nước là chất vô cơ đơn giản có số lượng lớn trên hành tinh, nó có những tính chất lý hóa đặc biệt nên chiếm phần lớn chất sống và có lẽ sự sống bắt nguồn từ môi trường nước.
Các điện tử phân bố không đối xứng nên phân tử nước phân cực (polarize)
Hai phân tử nước ở kề nhau có thể tạo thành liên kết hydro
Các phân tử nước tập hợp lại thành mạng lưới nhờ các liên kết hydro
- Các chất tham gia với các liên kết hydro của nước gọi là ưa nước (hydrophile) và dễ hòa tan trong nước. Các phân tử không phân cực làm đứt mạng lưới liên kết hydro của nước. Chúng là các phân tử kỵ nước (hydrophobe).
- Nước là dung môi để các chất hòa tan dễ dàng thực hiện phản ứng và ổn định cấu trúc tế bào.
- Nước còn giữ vai trò điều hòa nhiệt độ cơ thể và ổn định nhiệt độ môi trường số�ng của các sinh vật. Nước có nhiệt dung cao nên hấp thu nhiều năng lượng nóng lên chậm, khi tỏa nhiệt cũng chậm làm nhiệt độ thay đổi không đột ngột. .
Khi cơ thể nóng quá, nước bốc hơi tỏa nhiệt ổn định nhiệt độ cơ thể. Môi trường sống nhiều nước thì dao động nhiệt độ ít do có sự điều hòa nhiệt độ của nước, mát mẻ dễ chịu hơn.
Do tầm quan trọng đặc biệt của nước như vậy nên nó là một nhân tố giới hạn trong sinh môi. Những nơi ít nước như sa mạc thì sự sống nghèo nàn, vùng rừng mưa nhiệt đới, vùng bãi triều của sông, biển là những nơi có nhiều nước thì sự sống phong phú.
2. Các chất vô cơ khác.

Bộ xương chứa nhiều chất vô cơ nhất (khoảng 1/10 trọng lượng người, Ca). Các chất thường gặp: NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, CaCO3, MgSO3, NaH2PO4 "Ionomics": các gen điều hòa tất cả các ion trong tế bào. -> tạo thực vật cần ít phân bón hơn, sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao hơn và thực vật có thể hút bỏ kim loại gây ô nhiễm đất.


3. Các khí hòa tan
Dịch cơ thể chứa các khí hòa tan. Khí CO2 có rất ít trong không khí (chỉ 0,03%). Trong cơ thể sinh vật, CO2 có thể có nhiều hơn do phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ. Ở thực vật, khí CO2 được sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ.
Oxy có nhiều trong không khí (hơn 20%) nên hòa tan khá nhiều trong tế bào, tham gia vào các phản ứng oxy hóa tạo năng lượng cần thiết cho hoạt động của sinh vật. Nitơ có nhiều trong không khí nhưng là khí trơ. Chỉ có một số vi sinh vật là có khả năng cố định (fixation) Nitrogen không khí. Các sinh vật khác sử dụng nitơ ở dạng hợp chất chứ không sử dụng ở dạng khí.
III. CÁC CHẤT HỮU CƠ PHÂN TỬ NHỎ
Chúng có thể chia thành 4 nhóm chính: glucid, lipid, protein và nucleic acid. Có thể chia các chất hữu cơ trong cơ thể thành hai loại: phân tử nhỏ và các đại phân tử sinh học (biomacromolécules). Đặc biệt quan trọng các protein và nucleic acid là các chất polymer được tạo nên từ các đơn vị nhỏ (amino acid hay nucleotide) xếp theo một trình tự đặc trưng nên còn có thể gọi chúng là các đại phân tử thông tin (information macromolécules)

Các chất hữu cơ phân tử nhỏ gồm các chất như hydrocarbon, carbohydrate, lipid, các amino acid và các nucleotide cùng các dẫn xuất.




Các nhóm chức hoá học
Carboxylic
Aldehyde
Alcohol
Keto
Ester
Phosphate ester

Thioester
Ether

Acid anhydric

Phosphoandehyde

1. Hydrocarbon.
Carbon và hydrogen hình thành nên những hợp chất bền vững gọi là hydrocarbon. Đó là các chất không phân cực, không tạo nên liên kết hydro và nói chung không hòa tan trong nước, sự liên kết dễ dàng giữa các nguyên tố carbon-carbon đã sản sinh ra các mạch có độ dài và hình dạng khác nhau hình thành nên vô số các chất hydrocarbon. Mạch carbon có thể thẳng (hình 2.7), phân nhánh (2.8) hay tạo vòng (hình 2.9).
2. Các carbohydrate (glucid)
Các glucid hay các chấ�t carbohydrate là những chất gồm C,H và O. Nhóm -CH2O thường gặp trong các phân tử carbohydrate.
a. Các đường đơn (monosaccharide).
Các chất đường đơn (3, 5 và 6 C) thường có nhiều dạng đồng phân như đồng phân không gian (stereoisomère) alpha và beta.
Có thể tồn tại ở 2 dạng D và L
Carbohydrate là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu của sinh vật. Thực vật tổng hợp nên các chất đường đơn, đôi và tinh bột. Động vật ăn carbohydrate của thực vật và dự trữ ở dạng glycogen. Glucose có trong dịch sinh vật và được duy trì ở một nồng độ ổn định.
Glucose còn là nguồn nguyên liệu tổng hợp các chất khác.
Lipid :Các acid béo, Glycerid còn gọi là mỡ trung tính, Phospholipid. Các steroid và polyisoprenoid. Phospholipid-> màng tế bào. Glycerid nguồn dự trữ năng lượng dài hạn
b. Các đường đôi (disaccharide).
c. Các đường phức hợp (polysaccharide)
3. Các chất lipid
Lipid gồm những chất như dầu, mỡ có tính nhờn, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ như ether, chlorphorm, benzen, rượu nóng. Giống như các chất carbohydrate các lipid được tạo nên từ C, H và O nhưng chúng có thể chứa các nguyên tố khác như P hay N. Chúng khác với carbohydrate ở chổ chứa O với một tỷ lệ ít hơn hẳn. Hai nhóm lipid quan trọng đối với sinh vật là: nhóm có nhân glycerol và nhóm có nhân sterol. Các nhân này kết hợp với các acid béo và các chất khác tạo nhiều loại lipid khác nhau.

a. Các acid béo (fatty acids)
Chúng là các acid hữu cơ có mạch hydro carbone no như acid palmitic CH3-(CH2)14-COOH, acid stearic CH3-(CH2)16-COOH hoặc có mạch hydrocarbon không no (có nối đôi) như acid oleic CH3-(CH3)7-CH=CH-(CH2)7-COOH (hình 2.27). Nhóm carboxyl (-COOH) khi tự do sẽ ion hóa, nhưng nó thường kết hợp với các nhóm khác tạo ester hay amide (hình 2.28).
b. Glycerid còn gọi là mỡ trung tính (neutral fats
Sự kết hợp một phân tử glycerol với 3 phân tử acid béo tạo ra glycerid (triglycerid) (hình 2.29). Sáp ong là một loại glycerid.
c. Phospholipid.
Các phospholipid và glycolipid tạo nên lớp màng lipid đôi là cơ sở của tất cả các màng tế bào
d. Các lipid khác
Các steroid và polyisoprenoid
Steroid là những ester do sự kết hợp của một rượu với acid béo. Cholesterol thường gặp trong các cấu trúc màng.
Glycolipid là những hợp chất có phần kỵ nước do hai mạch hydrocarbon dài và một vùng phân cực chứa một hay nhiều gốc glucid và không có phosphate .
Lipid còn là thành phần của một số vitamin như D và là dung môi của nhiều vitamin (A, D, E, K).

Các nucleotide : Các nucleotide là những đơn vị cấu trúc của DNA và RNA, mà thành phần gồm các base nitơ mạch vòng. Cytosine (C), Thymine (T) và Uracil (U) là các dẫn xuất của các pirimidine; còn Adenine (A) và Guanine (G) là các purine.


Các nucleotid






4. Các amino acid : Các amino acid có hai nhóm chức :
amin -NH2 mang tính kiềm và
carboxyl-COOH tính acid.
Các L-amino acid nối nhau bằng liên kết peptid để tạo thành mạch polypeptid. Mạch polypeptid có hai đầu mút: đầu -N và đầu C
Có 20 L-amino acid với các chữ viết tắt gồm 3 chữ
20 loại L-amino acid với các chữ viết tắt gồm ba chữ hoặc với chỉ một chữ : Lysine (Lys - K), Arginine (Arg - R), Histidine (His - H), Acid aspartic (Asp - D), Acid glutamic (Glu -E), Asparagine (Asn - N), Glutamine (Gln - Q), Serine (Ser - S), Threonine (Thr - T), Tyrosine (Tyr - Y), Glycine (Gly - G), Alanine (Ala - A), Valine (Val - V), Leucine (Leu - L), Isoleucine (Ile - I), Proline (Pro - P), Phenylalanine (Phe - F), Methionine (Met - M), Tryptophane (Trp - W), Cysteine (Cys - C).
Cấu trúc Protein
Cấu trúc bậc một: trình tự các amino acid thành phần của chuỗi polypeptide
Cấu trúc bậc hai: sự sắ�p xếp của các amino acid trong chuỗi polypeptide ở dạng mạch thẳng như: xoắn ? và chuỗi ?
Cấu trúc bậc 3: sự sắp xếp trong không gian 3 chiều của các amino acid, tác động với nhau do sự phân cực và sự tương tác với các chuỗi bên.
Cấu trúc bậc 4: là sự sắp xếp tổng thể trong không gian của các tiểu phần trong một protein mà cấu thành từ hai hay nhiều chuỗi polypeptide
Protein.
Xoắn ?












Caàu noái hydro ñöôïc hình thaønh giöõa moãi 4 vò trí amino acid
Moät voøng xoaén töông ñöông vôùi khoaûng 3,6 amino acid.
Chieàu daøi trung bình cuûa moät daûi xoaén laø 10 amino acid vôùi khoaûng 3 voøng xoaén.
Chieàu daøi thay ñoåi töø 5 ñeán 40 amino acid

- Trên bề mặt của các lõi protein
- Mặt trong gồm các amino acid kị nước
- Mặt ngòai là các amino acid ưa nước và tương tác với môi trường
Phiến ?

Điểm đầu mũi tên chỉ hướng đầu tận cùng C của polypeptide, chia thành 3 lọai:
Gồm các chuỗi ? xếp lại với nhau với số lượng các cầu nối Hydro tối đa
Cùng chiều: phiến parallel
Ngược chiều: anti parallel
Hỗn hợp.

Vòng cuộn (Loop) là vùng giữa xoắn ? và phiến ?
d. Các motif và domain
Motif được hiểu là một số vùng cấu trúc riêng biệt thường có một chức năng sinh học nhất định. Các motif tạo những tổ hợp khác nhau của cấu trúc bậc hai để hình thành cấu trúc bậc ba của protein (Chữ motif trong kiến trúc có nghĩa họa tiết, mãng được lập lại).
Motif ngón tay kẽm (zinc finger) được gặp nhiều hơn cả trong các protein gắn với RNA hay DNA. Nó có cấu trúc gồm 1 xoắn alpha và 2 xoắn beta đối song song tạo dạng ngón tay gắn với ion kẽm Zn.
Motif ngón tay kẽm
(zink finger)
Motif thùng (barrel)

Domain cầu




Domain sợi
Các domain tạo môđun cho cấu trúc bậc ba
EGF
�
Neu
�
Tiền chất của EGF
TpA

 
Hình 2.39. Sô ñoà moâ taû caùc protin vôùi caùc moâñun. (Theo Campell vaø Bork-1993)

Phức hợp khởi sự phiên mã
Các enzyme hay ferment là nhóm protein lớn nhất và quan trọng nhất. Có hàng nghìn enzyme và mỗi cái xúc tác một kiểu phản ứng sinh hóa nhất định.
Các protein đảm nhận nhiều chức năng quan trọng của sự sống như xúc tác, cấu trúc, vận chuyển, vận động, bảo vệ và hoạt tính điều hòa.
Một số protein đặc biệt : bacteriorhodopsin, protein một loại tơ nhện, protein làm đông đá và chống đông đá
2. Các chức năng sinh học đa dạng của protein
a. Các chất xúc tác.
b. Các protein cấu trúc
��Các protein của vỏ virus.
��Glycoproteid tạo vỏ và thành tế bào.
��Các protein tham gia cấu trúc màng.
��Keratin tham gia cấu tạo da, lông vũ, móng và guốc động vật.
��Sklerotin - vỏ ngoài của côn trùng.
��Fibroin - tơ của kén tằm dâu, sợi mạng nhện.
���Ferritine - protein dạng dự trữ sắt trong tụy.

Các chất xúc tác và Cấu trúc
Các protein vận động.
c. Các protein vận chuyển.
��Myoglobine - vận chuyển O2 cho cơ.
��Hemoglobine - protein của máu vận chuyển O2 cho cơ thể.
- Albumin - huyết tương
d. Các protein vận động.
��� Myosin - protein của cơ.
����Actine - protein của cơ.
e. Các protein bảo vệ.
���Các kháng thể. Fibrinogen là tiền chất fibrine đông máu
f. Các chất có hoạt tính sinh học.
Tầm quan trọng của các tương tác hóa học yếu
a. Định hình cấu trúc không gian
Như đã vừa nêu trên, các liên kết yếu tạo nên xoắn alpha, beta, cấu trúc bậc ba, bậc bốn của những phân tử protein. Chúng yếu nhưng có số lượng lớn nên tạo lực liên kết mạnh như hai sợi polynucleotide của DNA gắn nhau thành mạch xoắn kép bền vững ở nhiệt độ sinh lý. Những tác động làm đứt chúng hàng loạt sẽ triệt tiêu hoạt tính sinh học của các đại phân tử thông tin.

b. Sự nhận biết đặc hiệu.
Một điểm đặc biệt nữa, các liên kết yếu xác định mối tương quan giữa các phần của đại phân tử và cả phương thức mà đại phân tử tác động với những phân tử khác.
Sự hình thành một số lớn các liên kết yếu giữa hai bề mặt chỉ có thể xảy ra khi nhiều nguyên tử của cả hai phía bắt cặp với nhau chính xác. Chính điều này giải thích tính đặc hiệu cao nhận biết sinh học, mà một ví dụ rất rõ là enzyme nhận đúng cơ chất. Sự bắt cặp đặc hiệu giữa các phân tử có thể làm thay đổi cấu trúc không gian của chúng kèm theo những hoạt tính sinh học nhất định.
c. Sự tự lắp ráp của nhiều cấu trúc sinh học

Nhờ các liên kết yếu mà nhiều phân tử riêng lẻ có thể tự động gắn với nhau thành phức hợp có hoạt tính sinh học. Một ví dụ rất rõ là sự tạo thành hemoglobin. Nếu bị xử lý u-rê hemoglobin tách thành 2 phân tử nhỏ. Khi loại u-rê chúng tự động gắn lại thành hemoglobin có hoạt tính.
Nguyên tắc tự ráp này cũng được thực hiện đối với những cấu trúc lớn và phức tạp hơn như như vách, màng tế bào hoặc các virus.
Caùc tieàn chaát

d. Sự nhanh nhạy của nhiều phản ứng.
Nhiều phản ứng của tế bào xảy ra với tốc độ rất nhanh như các enzyme có thể thực hiện 100.000 phản ứng 1 phút. Sự bắt cặp đặc hiệu nhờ các liên kết yếu làm cho các phân tử gắn vào và tách nhau ra dễ dàng, nhanh chóng. Ngoài ra nhiều yếu tố của môi trường (như nhiệt độ, pH, nồng độ muối,...) dễ làm thay đổi các liên kết yếu nên nhiều phản ứng sinh học rất nhạy.
e. Không "sinh lực luận" và cũng không "cơ giới luận".

Quan niệm "cơ giới" hay "máy móc", cho rằng có thể giải thích tất cả các quá trình sinh học bằng các quy luật vật lý và hóa học, là không đúng. Quan niệm cực đoan ngược lại là "sinh lực luận" (vitalism), cho rằng sự sống phức tạp diễn ra do "lực sống"siêu hình, cũng không đúng. Sự sống là một dạng hoạt động vật chất rất phức tạp, cao hơn hẳn các dạng vận động vật lý và hóa học, con người có thể nhận thức được trên cơ sở các quy luật của thiên nhiên.
V. NĂNG LƯỢNG
1. Các quy luật biến đổi năng lượng và trật tự sinh học.
a. Các quy luật biến đổi năng lượng.
b. Trật tự sinh học.
2. Năng lượng tự do.
3. Sự oxy hóa và khử.
4. Năng lượng hoạt hóa
5. Năng lượng mặt trời.
1. Các quy luật biến đổi năng lượng và trật tự sinh học
a. Các quy luật biến đổi năng lượng. Quy luật thứ nhất của nhiệt động học hay quy luật bảo tồn năng lượng nói rằng : "Tổng năng lượng của vũ trụ là không đổi". Nói cách khác, năng lượng không tự tạo ra cũng không tự mất đi.
Quy luật nhiệt động học hai khó hiểu hơn : "Thế giới vật chất biến đổi liên tục để trở thành mất trật tự hay hỗn loạn hơn" (tăng entropy). Entropy là phần năng lượng mất vô ích, như nhiệt năng biến thành điện năng thì một phần nhiệt mất đi không tạo điện. Biến đổi vật chất không tránh khỏi entropy.
b. Trật tự sinh học.
Các cấu trúc và phản ứng hóa học trong cơ thể được duy trì theo một trật tự nhất định gọi là trật tự sinh học (biological order).
Tế bào cũng tuân theo quy luật nhiệt động học II tức trật tự sinh học được duy trì khi làm môi trường bên ngoài hỗn loạn hơn.
Các phản ứng không ngừng xảy ra trong tế bào, thu năng lượng (chất hữu cơ) từ ngoài vào, rồi thải chất bả. Tế bào ở trạng thái cân bằng động có luồng vật chất vào và ra, chúng là hệ thống hở�. Nhưng năng lượng từ ngoài phải được cung cấp thường xuyên cho tế bào nên chúng là hệ thống hở không cân bằng hay lệch.
2. Năng lượng tự do.

a. Thế nào là năng lượng tự do?
Năng lượng tự do (free energy) là năng lượng vốn có của một hệ thống, khi cần nó được dùng để thực hiện công dưới các điều kiện và áp suất nhất định. Ví dụ, một bồn chứa nước để trên cao có tích năng lượng tự do : thực hiện công khi mở vòi cho nước chảy xuống thấp. Khái niệm năng lượng tự do được ông J.W.Gibbs nêu ra đầu tiên nên ký hiệu 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 ký hiệu bằng delta G .
b. Phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt.
Một quy luật chung của hóa học tế bào là phản ứng có tự động xảy ra hay không, chỉ phụ thuộc vào sự biến đổi năng lượng tự do kèm theo phản ứng.
Trạng thái ban đầu Trạng thái cuối
A + B ? C + D
?Gi ?Gf
(?G = ? Gf - ? Gi)
Phản ứng tỏa nhiệt(exergonic): ? G < 0 (âm)
Phản ứng thu nhiệt (endergonic) ?G > 0 (dương)
3. Sự oxy hóa và khử
Oxy hóa Khử
- Thêm Oxygen - Chuyển Oxygen.
- Chuyển Hydrogen - Thêm Hydrogen.
- Chuyển điện tử - Thêm điện tử.
- Giải phóng - Trữ năng lượng.
- Quang hợp :
6CO2 + 6H2O + ánh sáng ? 6O2 + C6H12O6
- Glucose bị oxy hóa :
C6H12O6 + O2 ? 6CO2+ 6H2O
(? G= - 670 Kcal/mole)

Sự oxy hóa và khử
Sự oxy hóa và khử
b. Sự oxy hóa trong tế bào.

Sự oxy hóa trong cơ thể xảy ra qua nhiề�u bước trung gian, một số năng lượng tự do của glucose được tích lại ở dạng hóa năng để sau đó tế bào sử dụng.
Phần lớn các phản ứng oxy hóa sinh học được xảy ra không có sự tham gia trực tiếp của oxy và thực chất là làm mất Hydrogen (dehydrogenation). Chất được coi là bị oxy hóa khi nó bị lấy mất hai nguyên tử hydro, hai nguyên tử này được chuyển sang chất khác là chất khử.
4. Năng lượng hoạt hóa
Khi trộn lẫn H2 và O2 phản ứng không xảy ra, nhưng có lửa xảy ra nổ tạo ra H2O. Các phản ứng thu nhiệt cũng như tỏa nhiệt đều cần năng lượng bổ sung để phản ứng thực hiện được. Năng lượng đó được gọi là năng lượng hoạt hóa (activation energy).
Hòn đá nằm trên đỉnh đồi có chứa năng lượng tự do, nhưng phải có lực đẩy ban đầu cho nó dịch chuyển lăn xuống dốc mới thực hiện công. Lực đẩy ban đầu chính là năng lượng hoạt hóa. Có thể nói một cách hình tượng là giữa các chất phản ứng có vật cản. Vật cản phải được vượt qua nhờ năng lượng hoạt hóa thì phản ứng mới xảy ra.
Năng lượng hoạt hóa
Năng lượng hoạt hóa
VI. TRAO ĐỔI CHẤT
1. Đặc điểm chuyển hóa năng lượng trong tế bào
2. ATP là tiền tệ" năng lượng của tế bào.
3. Các chất chuyên chở Hydro.
4. Các chất chuyền điện tử
VI. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT
Toàn bộ các phản ứng trong tế bào được gọi chung là sự trao đổi chất (metabolism, từ chữ Hi lạp metabole có nghĩa là chuyển đổi) bao gồm hai quá trình xảy ra song song và tác động tương hỗ lẫn nhau :
- Sự đồng hóa (anabolism) là quá trình tổng hợp nên các phân tử hữu cơ phức tạp
- Sự dị hóa hay thoái dưỡng (catabolism) là quá trình phân hủy các thức ăn giải phóng năng lượng cho tế bào.
1. Đặc điểm chuyển hóa năng lượng trong tế bào.
Năng lượng cho sự sống trên trái đất là ánh sáng mặt trời được các sinh vật tự dưỡng (autotroph) thu nhận nhờ quang hợp, tạo các hợp chất giàu năng lượng như glucose, cung cấp cho các sinh vật dị dưỡng (heterotroph) như động vật, nấm và nhiều vi sinh vật khômg thu nhận trực tiếp được từ năng lượng mặt trời .
Năng lượng các chất hữu cơ thường được giải phóng ra thông qua quá trình hô hấp
· Daïng naêng löôïng chuû yeáu ñöôïc chuyeån hoùa laø naêng löôïng hoùa hoïc cuûa caùc hôïp chaát höõu cô. Nhôø coù caáu truùc tinh vi teá baøo thöïc vaät ñaõ thu ñöôïc naêng löôïng aùnh saùng maët trôøi bieán noù thaønh naêng löôïng hoùa hoïc ñeå roài luaân chuyeån trong theá giôùi sinh vaät.
· Quaù trình oxy hoùa giaûi phoùng naêng löôïng qua nhieàu phaûn öùng trung gian neân caùc cô chaát thöôøng khoâng tieáp xuùc tröïc tieáp vôùi oxy.

2. ATP. Các phản ứng sinh hóa tuân theo
các quy luật nhiệt động học.
ATP là tiền tệ" năng lượng của tế bào
aA+bB  cC+dD
Free energy change with concentration:
G=G°´ +
+ RTln(([A]a[B]b)/([C]c[D]d))

G= H(enthalpy)-T(temp)S(entropy)
G°´=free energy change at standard conditions (1M concentration, atmospheric pressure, 25°C, pH 7.0 in water)
At equilibrium:
G= 0
The equilibrium constant:
K=exp(- G°´/RT)

Các chất chuyên chở hydro
Tham gia vào chuyển hóa năng lượng còn có các chất chuyên chở hydro như: NAD+, NADH2, FAD, NADP và NADPH2.
NAD là tên viết tắt của chất Nicotineamide adenine dinucleotide. Nửa phải của phân tử là adenosine monophosphate (AMP).

4. Các chất chuyền điện tử.
Từ năm 1925, các cytochromes được phát hiện, đó là các chất có màu do chứa nhân hème tương tự như hème ở hemoglobine. Nguyên tử sắt ở giữa nhân hème dễ dàng chuyển đổi thuận nghịch từ sắt 2 Fe2 sang sắt 3 Fe3 nhờ đó chuyền các điện tử sang phần tử kế cận.
Hiện nay phát hiện hệ thống chuyền điện tử có hơn 40 protein. Các cytochrome chia thành 3 loại a, b, c.
VII. ENZYME HỌC (ENZYMEOLOGY)
1. Đại cương về enzyme
a. Các chất xúc tác
b. Enzyme là gì ?
2. Cấu tạo của enzyme
3. Tính đặc hiệu (specificity) .
4. Trung tâm hoạt động
5. Các tính chất dị lập thể của enzyme
6. Các nhân tố ảnh hưởng hoạt tính
7. Phân loại enzyme
Các đặc điểm của enzyme
- Cấu tạo của enzyme là protein
- Coenzyme
- Nhóm prosthetic
- Cofactor
- Tính đặc hiệu (specificity).
- Trung tâm hoạt động.


1. Đại cương về enzyme
a. Các chất xúc tác.
Một chất làm tăng tốc độ phản ứng nhưng tự nó không biến đổi sau khi phản ứng thực hiện xong (thậm chí nó có thể biến đổi nhất thời trong quá trình phản ứng) được gọi là chất xúc tác (catalyst).
Chất xúc tác chỉ tác động lên tốc độ phản ứng; nó làm các phản ứng hóa học có khả năng xảy ra về mặt nhiệt động học. Nó không thể thay đổi hướng phản ứng.
Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa cần cho phản ứng thực hiện, như vậy làm tăng phần các chất phản ứng đủ năng lượng để tác động với nhau.
Năng lượng hoạt hóa cần thiết để phản ứng bắt đầu sẽ ít hơn nhiều khi có chất xúc tác. Các enzymes cũng làm giảm năng lượng hoạt hóa tạo thuận lợi cho việc thực hiện các phản ứng hóa học 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
 Phaûn öùng thöïc hieän gaàn nhö coù hieäu quaû 100 % vaø khoâng keøm theo phuï phaåm thöøa (dó nhieân phaûi tuaân theo quy luaät caân baèng vaät chaát töùc moät chaát phaûn öùng ñaõ caïn kieät).
·  Ñoàng thôøi coù theå xaûy ra nhieàu phaûn öùng ñoäc laäp khaùc nhau, maø khoâng bò roái bôûi caùc saûn phaåm phuï. Ñieàu naøy coù ñöôïc nhôø moãi enzyme chuyeân hoùa cao cho moät loaïi phaûn öùng.
· Caùc phaûn öùng thöôøng ñöôïc thöïc hieän theo daây chuyeàn, saûn phaåm cuûa phaûn öùng ñaàu coù theå laøm nguyeân lieäu sô khôûi cho phaûn öùng sau nhôø caùc enzyme xeáp theo heä thoáng.
· Phaûn öùng chòu ñieàu hoøa hôïp lyù vaø tieát kieäm nhaát.
Tieâu toán naêng löôïng laø toái thieåu.
2. Cấu tạo của enzyme
Cấu tạo của enzyme là protein
coenzyme
nhóm prosthetic
Cofactor
Có 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 coenzyme
Nhiều 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 tranh
Kiểu 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 nhận
Sự 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 hoc� 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 BÀO
1. Trật tự sinh học
2. 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 hoc� nhưng có những đặc điểm riêng.
5. Sự xúc tác của enzyme.
6. Gởi tín hiệu xa với độ chính xác cao.