Chương I TRAO ĐÓI CHÁT VÀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 1. Khái niệm chung về trao đỗi chất Mỗi cơ thể sống đều tôn tại trong môi trường và liên hệ mật thiết với môi trường đó. Hiện tượng cơ thể lấy một số chất từ môi trường kiến tạo nên sinh chất của mình và thải ra ngoài những chất cặn bã được gọi là sự trao đổi chất. Sự trao đổi chất ở giới vô sinh khác với giới hữu sinh.
Ở giới vô sinh, trao đổi chất làm cho các chất hữu cơ và vô cơ bị phân huỷ. Ví dụ, đá vôi (canxi carbonate) bị xói mòn vì HạCO; có trong nước tác dụng với đá vôi thành canxi bicarbonate, mỡ bị ôi hóa thành một số chất khác là do tác dụng VỚI OXY. G thé giới sinh vật, mỗi cơ thể sống luôn luôn trao đổi chất với môi trường, lấy thức ăn vào chuyển hóa thành các chất sử dụng cho cơ thể và thải ra ngoài các chất cặn bã. Quá trình đó được thực hiện là đo các biến đổi hóa học liên tục xảy ra trong cơ thể.
Toàn bộ các biến đổi hóa học đó được gọi là sự trao đổi chất. Quá trình trao đổi chất gồm nhiều khâu chuyển hóa trung gian. Mỗi chuyên hóa là một mắt xích của một trong hai quá trình cơ bản: đồng hóa và dj hoa. Đồng hóa và dị hóa là hai quá trình đối lập, nhưng lại thống nhất với nhau trong một cơ thể: chúng xảy ra đông thời và liên quan mật thiết với nhau.
Các chất được tổng hợp nên trong quá trình đồng hóa là nguyên liệu cho quá trình dị hóa (ví dụ gluxit là sản phẩm của quá trình quang hợp, là nguyên liệu cho quá trình hé hp). Năng lượng giải phóng ra trong quá trình dị hóa được sử dụng một phan cho quá trình tổng hợp. Năng lượng sinh học Hệ thống sống cần năng lượng để chuyên động, lớn lên, tổng hợp các phân tử sinh học và vận chuyển ion, phân tử qua màng. Các cơ thể lấy năng lượng từ môi trường sống và sử dụng năng lượng đó để thực biện các quá trình sống có hiệu quả.
Để nghiên cứu năng lượng sinh học đòi hỏi phải có hiểu biết về nhiệt động học, một số định luật, nguyên lý mô tả nguồn, trao đổi nhiệt, năng lượng và vật chất trong hệ thống nghiên cứu. Nhiệt động học cho chúng ta xác định quá trình hóa học và phản ứng có thể tự xảy ra hay không. Mặc dù nhiệt động học là khái niệm phức tạp, nhưng nó dựa trên ba -_ định luật tương đối đơn giản và dễ hiểu. Một vài nguyên lý của nhiệt động học cơ bản được đưa ra trong chương này bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinh entropy, hàm năng lượng tự đo và mối liên quan giữa entropy và thông tin.
Chương này cũng đề cập đến ATP và những hợp chất cao năng khác. Khái niệm về nhiệt động học cơ bản Bat kỳ sự quan tâm nào của nhiệt động học cũng phải phân biệt giữa hệ thống và môi trường. Hệ thống là một phần của vũ trụ mà chúng ta quan tâm, trong khi đó môi trường là gồm tất cả những gì còn lại. Có ba trạng thái cơ bản: hệ thống cô lập, hệ thống đóng và hệ thống mở.
Hệ thống cô lập: Không có sự trao đổi chất và năng lượng với môi trường. Hệ thống đóng: Có trao đổi năng lượng, nhưng không có trao đổi chất với môi trường. Hệ thống mở: Có trao đổi chất và năng lượng với môi trường. Cơ thể sống là hệ thống mở điển hình có trao đổi chất (dinh đưỡng và sản phẩm thải ra) và năng lượng (nhiệt từ trao đổi chất) với môi trường.
Định luật 1: Nhiệt, công và các dạng năng lượng khác ` Trước đây trong sự phát triển của nhiệt động học người ta cho răng nhiệt độ có thể biến đổi thành những dạng năng lượng khác và tất cả các dạng năng lượng một cách cơ bản có thể biến đổi thành một số dang khac. Định luật 1 nói rằng: tổng năng lượng của một hệ thống cô lập là không thay đối. Các nhà nhiệt động học đã mô phỏng thành một hàm toán học để nghiên cứu sự biến đổi nhiệt và sử dụng công trong những hệ thống nhiệt động học. Hàm này được gọi là năng lượng nội năng, thường ký hiệu là E hoặc U.
6 Năng lượng này chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của một hệ thống và vì vậy được coi là hàm trạng thái. Năng lượng nội năng không phụ thuộc vào hệ thống xảy ra như thé nào và vì vậy không phụ thuộc vào đường hướng. Nói một cách khác là chúng ta có thể thay đổi hệ thống bằng bất cứ con đường nào và cho đến khi nào hệ thống trở về trạng thái ban đầu, năng lượng nội năng sẽ không thay đổi. Năng lượng nội năng, E của hệ thống có thể thay đổi nếu nguồn năng lượng vào hoặc ra khỏi hệ thống ở dạng nhiệt hoặc công cho quá trình nào biến đổi một trạng thái này (1) sang một trạng thái khác (2) thay đổi năng lượng nội năng lả: AE=E;-Ei=q+w (1) q 1ä lượng nhiệt được hệ thống hấp thụ từ môi trường w là công thực hiện trên hệ thống đo môi trường Công cơ học được định nghĩa là sự chuyển động từ chỗ này đến chỗ khác, gây ra do sử dụng lực.
Cả hai phải xảy ra công mới được thực hiện. Ví dụ: Một tàu chở khách đã chứa đầy khách nhưng không di chuyến, theo định nghĩa nhiệt động học công không được thực hiện. Trong hệ thống hóa sinh học và hóa học công thường liên quan với áp suất và thể tích của hệ thống. Công cơ học được xác định w=-PAV Trong đó P là áp suất, AV là sự thay đổi thể tích, AV = Vạ-Vị Công có thể được thực hiện ở nhiều dang: co hoc, điện, từ và hóa học.
AE, q, w phải có cùng đơn vị: calorie (cal) và kilocalorie (kcal) được sử dụng theo truyền thống, nhưng theo don vi SI: Joule duge dé nghị nên dùng. Enthalpy: Hàm có nhiều tiện lợi cho hệ thống sinh học Nếu định nghĩa công được giới hạn bởi công cơ học, trong trường hợp này AE chỉ là thay đổi nhiệt ở thể tích không đổi. Vì vậy nếu V không đối, công không được thực hiện. Vì vậy AE là một định lượng rất tiện lợi trong quá trình thể tích không thay đổi.
AE không cần thiết bằng biến đổi nhiệt. Vi lý do này các nhà hóa sinh học, hóa học đã xác định một hàm đặc biệt phù hợp cho quá trình áp suất không đôi. Nó được gọi là enthalpy, H được định nghĩa: H=E+PV (1.2) Nếu áp suất không thay đổi, chúng ta có: AH=AE + PAV =q+ w + PAV =q- PAV + PAV =q (13) Rõ ràng AH tương đương với biến đổi nhiệt trong quá trình áp suất không đôi. „ Vì các phản ứng hóa sinh thường xảy ra trong thể lỏng hoặc rắn hơn là thê khí nên thay đối thê tích là nhỏ và enthalpy và năng lượng nội năng thường là như nhau.
Để thuận lợi khi so sánh các chỉ số nhiệt động học của các phản ứng khác nhau thì người ta xác định ở điêu kiện tiêu chuân. Một dung dịch hoà tan ở trạng thái tiêu chuân, thường sử dụng đơn vị đơn giản là nông độ 1M. Enthalpy, năng lượng nội năng và những định lượng nhiệt động học khác thường đưa ra hoặc xác định cho những điều kiện tiêu chuẩn và được ký hiệu là AH®, AE”. Enthalpy thay đổi ở các quá trình hóa sinh có thể được xác định bằng việc đo nhiệt độ hâp thụ (hoặc toả ra) băng một calorimeter.
Mặt khác, cho bat kỳ quá trình nao A 5 B ở trạng thái cân bằng, sự thay đổi enthalpy ởỏ trạng thái tiêu chuẩn được xác định từ sự phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số cân bằng: d (In Keg) AH? = —————_ (1. Sự thay đổi enthapy, AH? cia 1 phản ứng được xác định độ dốc của sơ đô RinKeq ngược với 1/T. Đề mình họa phường pháp này những giá trị hai bên của 327K (54,5°C) được nêu ra. Số fiệu được sử dụng dé tinh AH? 6 54,5°C Ở đây R là hằng số khí = 8.
Ví dụ: trong sự biến tính nhiệt của protein chymotripsinogen (quá trình thuận nghịch). Trạng thái nguyên thuỷ (N) © Trạng thái biến tính (D) Keq = {D]/{N] John F. Brandts đo hằng số cân bằng cho sự biến tính của một số protein ở một số giá trị pH và nhiệt độ khác nhau (bảng 1. Giá mị AH” có ý nghĩa gì đối với biến tính của protein? Giá trị dương của AHP biểu điễn sự bẻ gãy liên kết hydro cũng như giải phóng những nhóm ưa nước từ bên trong phân tử protein ban đầu trong quá trình biến tính, như vậy sẽ nâng năng lượng của dung dịch protein.
Các chỉ số nhiệt động học cho sự biến tính protein Protein AH as? ac’ AGp (và điều kiện) kd/mol | kJimolK | kjmoi | kjmolLK Chymotrypsinogen 184 0,440 31 10,9 {pH 3; 25°C) b- Lactoglobulin -88 -0,300 2,8 9,0 (5 M urea: pH 3; 25°C) Myoglobin 180 0,400 S7 5,9 (pH 9; 25°C) Ribonuclease 240 0,780 3. Entropy của hệ thống + môi trường là không đổi bởi quá trình thuận nghịch. Entropy của hệ thống + môi trường tăng do quá trình không thuận nghịch. l Tất cả các quá trình xảy ra trong tự nhiên hướng tới trạng thái cân bằng, đó là trạng thái năng lượng nhỏ nhất.
Một số điểm của định luật 2 dẫn đến khái niệm entropy, đó là thước đo sự mất trật tự của hệ thống, trong đó trạng thái mất trật tự là trạng thái có entropy cao. Entropy có thể được xác định theo một vài cách. Nếu W là số cách để sắp xếp thành phần của một hệ thống mà không thay đổi năng lượng nội năng hoặc enthalpy (đó là số lượng của trạng thái kính hiển vi được đưa ra ở nhiệt độ, ánh sáng và tổng vật chat), Entropy được tính: S=kinw (1.5) k la hang số Boltzmann = 138.10 JK Định nghĩa này tiện lợi cho tính toán thống kệ, nhưng dạng phổ biến hơn liên quan entropy đến sự biến đổi nhiệt trong một quá trình là: đ CỔ thuận nghịch 2 (1.6) đổ nhuận nghịch là thay đổi entropy của hệ thống trong một quá trình thuận nghịch, q là nhiệt độ được biến đổi, T là nhiệt độ ở đó sự biến đổi nhiệt xảy ra. Định luật 3: Tgi sao”0 tuyệt đỗ đối” quan trọng như vậy? Định luật 3 của nhiệt động học nói rằng: entropy của bất kỳ chất nào hoàn toàn có trật tự, tỉnh thể phải tiền đến 0.
Ở nhiệt độ tiến đến 0 K và T= 0 K entropy chinh xac = 0. Dua trên điều này có khả nẵng thiết lập một hệ thống tỷ lệ entropy tuyệt đối, số lượng S=Cp Jar (1.