Giáo trình Đại cương Cơ sở hóa học của sinh học phân tử

cid amin với mạch nhánh không phân cực có tính kị nước nên hòa tan kém trong nước. Mạch nhánh càng lớn thì độ kị nước càng cao. Mạch nhánh của alanine, valine, leucine, isoleucine đều là hydrogencacbon mạch thẳng và của methionnine (chứa thêm một vòng nguyên tử lưu huỳnh) đều không chứa mạch vòng, không phân cực. Nhóm R của phenylalanine, tyrosine và tryptophan chứa mạch vòng lớn và cồng kềnh. Chương sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết làm thế nào các nhóm kị nước này, dưới ảnh hưởng của hiệu ứng kị nước, thường vùi vào bên trong hoặc lát bên ngoài bề mặt của các protein vùi trong vùng kị nước của màng sinh học. Acid amin có nhóm R phân cực nằm trong tập hợp các acid amin ưa nước. Tập con của tập hợp này chứa những acid amin có tính ưa nước nhất với nhóm R tích điện (ion hóa) tại pH đặc trưng của dịch sinh học (= 7). Arginine và lysine có mạch nhánh tích điện dương và được gọi là acid amin base. Mạch nhánh của acid aspartic và acid glutamic chứa nhóm COO- nên tích điện âm (dạng ion hóa gọi là aspartate và glutamate)và có tính acid. Vì vậy histidine có thể chuyển từ dạng tích điện dương sang dạng không tích điện phụ thuộc vào những biến đổi nhỏ trong độ acid của môi trường. Do khả năng trên của histidine nên có thể điều khiển hoạt tính của nhiều protein bằng các dịch chuyển độ acid môi trường. Asparagine và glutamine không tích điện nhưng có mạch nhánh chứa nhóm –NH2 phân cực với khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh. Tương tự serine và threonine không tích điện nhưng mang nhóm hydrogenxyl phân cực nên có khả năng tạo liên kết hydrogen với phân tử phân cực khác. Sau cùng, cysteine, glycine và proline có vai trò đặc biệt trong protein vì mạch nhánh của chúng có tính chất đặc biệt. Mạch nhánh của cysteine chưa nhóm sulfhydryl (-SH) hoạt hóa với khả năng oxy hóa để hình thành liên kết disulfide cộng hóa trị (-S-S-) với cysteine thứ hai : Các vùng thuộc một chuỗi protein (nội phân tử) hoặc thuộc các chuổi khác nhau (giữa các phân tử) đôi khi gắn chéo với nhau qua liên kết disulfide. Các liên kết này làm bền cấu trúc gấp nếp của một số protein. Acid amin nhỏ nhất là glycine có nhóm R là một nguyên tử hydrogen, kích thước nhỏ cho phép glycine nằm vừa trong không gian hẹp. Không như các acid amin khác, mạch nhánh của proline uốn lại thành vòng bởi liên kết cộng hóa trị với nguyên tử nito trong nhóm amin gắn Ca. Vì vậy acid amin này rất kém linh động và tạo thành điểm cong cố định trong chuỗi protein, điều này hạn chế vùng khả năng gấp nếp ở vùng protein chứa proline. Một số acid amin có tỷ lệ xuất hiện trong protein cao hơn so với các acid amin khác. Cysteine, tryptophan, và methionine là các acid amin hiếm. Tỷ lệ xuất hiện của cả 3 loại acid amin trong protein chỉ khoảng 5%. Bốn loại acid amin: leucine, serine, lysine, và acid glutamic có tỷ lệ cao nhất, chiếm 32% tổng số gốc acid amin trong một protein điển hình. Tuy nhiên thành phần acid amin của một protein nhất định có thể rất khác giá trị này. Mặc dù các tế bào sử dụng 20 loại acid amin làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp protein nhưng những phân tích chia tiết cho thấy các protein của tế bào chưa trên 100 loại acid amin. Nguyên nhân của điều này là do acid amin trong protein bị biến đổi hóa học. Nhóm acetyl (CH3CO) và một loạt các nhóm hóa học khác có thể gắn đặc hiệu với các acid amin của protein. Một biến đổi quan trọng là phosphate (PO4, phosphoryl hóa ) gắn thêm vào nhóm hydrogenxyl của serine, threonine, và tyrosine. Chúng ta sẽ gặp rất nhiều ví dụ điều hòa hoạt tính protein bởi phản ứng phosphoryl và khử phosphoryl hóa thuận nghịch. Phosphoryl hóa nito trong mạch nhánh của histidine không có gì lạ ở vi khuẩn, nấm và thực vật nhưng có ít nghiên cứu hơn có thể do histidine đã phosphoryl hóa tương đối không bền và rõ ràng là ít xảy ra hơn ở động vật có vú. Mạch nhánh của asparagines, serine, và threonine là vị trí glycosyl hóa. Các biến đổi acid amin khác bao gồm hydrogenxyl hóa proline và lysine trong collagen, methyl hóa histidine trong thụ thể màng, và –carboxyl hóa glutamate trong các yếu tố đông máu như prothrombin. Acetyl hóa : nhóm acetyl gắn vào nhóm amin đầu N của protein là dạng biến đổi hóa học acid amin phổ biến nhất, xảy ra ở khoảng chừng 80% protein: Biến đổi này đóng vai trò quan sát quan trọng đối với sự tồn tại của protein trong tế bào vì các protein không acetyl hóa nhanh chóng bị phân hủy. Năm loại nucleotide tạo ra acid nucleic Hai loại nucleic có tính chất hóa học tương tự là DNA (acid deoxyribonucleic) và RNA (acid ribonucleic), mang thông tin di truyền của tế bào. Nucleotide là đơn vị cấu thành polymer RNA và DNA. Nucleotide có cấu trúc chung gồm : một nhóm phosphate liên kết phosphoester với đường pentose (đường 5 carbon), đường pentose lại gắn với base nito (mạch vòng chưa carbon và N) tại nguyên tử N. Pentose của RNA là ribose và của DNA là deoxyribose ( ribose có nhóm 2;OH bị thay bằng 2’H). Các base adenine, guanine, và cytosine nằm trong DNA và RNA trong khi thymine chỉ tồn tại ở DNA, và uracil chỉ ở RNA. Hình 1.13: 4 cấu trúc sống (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Adenine (A) và guanine(G) là purine, chứa hai mạch vòng dung hợp; cytosine (C), thymine (T), và uracil (U) là pyrimidine, chỉ chứa một mạch vòng. Trong nucleotide, carbon 1’ của đường (ribose hay deoxyribose) gắn với nito số 9 của purine (N9), hoặc nito số 1 của pyrimidine (N1). Nhóm phosphate quyết định đặc trưng acid của nucleotide. Dưới các điều kiện nội bào bình thường, nhóm phosphate giải phóng H+ nên tích điện âm. Trong tế bào hầu hết acid nucleotide sử dụng phosphate tích điện âm để tạo liên kết ion với protein. Hình 1.15: Cấu trúc AMP Tế bào và dịch ngoại bào của sinh vật chứa nucleoside. Nucleoside là hợp chất chứa base và đường và không có phosphate. Nucleoside là nucleoside liên kết ester với một, hai hoặc ba nhóm phosphate tại đầu 5’OH. Nucleoside monophosphate có một phosphate đã ester hóa; nucleoside diphosphate chưa một nhóm pyrophosphate và nucleotic triphosphate có ba nhóm phosphate. Hình 1.16: Liệt kê tên của các nucleoside và nucleotide trong acid nucleic và các dạng nucleoside phosphate. Ngoài ra nucleotide trong tế bào còn có một số chức năng khác. Ví dụ, GTP tham gia vào truyền tín hiệu nội bào và đóng vai trò tích trữ năng lượng, đặc biệt trong tổng hợp protein, và ATP là chất mang năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào. (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) Các monosaccharide liên kết glycoside với nhau tạo nên polysaccharide mạch thẳng và nhánh Đơn vị cấu trúc của polysaccharide là đường đơn hay còn gọi là monosaccharide. Monosaccharide hay còn gọi là carbohydrate có công thức phân tử chung (CH2O)n với n bằng 3, 4,5,6,7. Hexose (n=6) và pentose (n=5) là những monosaccharide phổ biến nhất. Monosaccharide có công thức chưa nhóm hydrogenxyl (-OH) và một nhóm aldehyde hoặc keto: Hình 1.17: Công thức mạch thẳng và đóng vòng 5, vòng 6 của glucose Nhiều loại đường quan trọng về mặt sinh học là đường 6 carbon (hexose), gồm glucose, mannose, và galactose. Mannose giống hết glucose ngoại trừ chiều của các nhóm liên kết với carbon số 2 bị đảo ngược. Tương tự, galactose chỉ khác với carbon số 4. Sự hoán chuyển giữa glucose và mannose hoặc galatose đòi hỏi phá vỡ và tái tạo liên kết công hóa trị. Enzyme epimerases xúc tác những phản ứng như vậy. D-Glucose (C6H12O6) là nguồn năng lượng chính từ bên ngoài của hầu hết tế bào sinh vật bậc cao và có ba dạng tồn tại: một dạng mạch thẳng và hai dạng mạch vòng hemiacetal. Nhóm aldehyde trên carbon số 5 tạo ra D-glucopyranose, nhóm hydrogenxyl gắn với carbon số 1 “quay xuống dưới” : nhóm hydrogenxyl này của β-anomer và hầu như không có dạng mở vòng. Bởi vì enzyme có thể phân biệt giữ α và β-anomer của D-glucose nên những dạng này có vai trò sinh học khác biệt. Nhóm –OH trên carbon số 4 liên kết với nhóm aldehyde của glucose mạch thẳng sẽ tạo vòng hemiacetal 5 cạnh gọi là S-gluco-furanose. Trong ba dạng D-glucose tồn tại trong hệ sinh học, pyranose phổ biên nhất. Vòng pyranose có dạng phẳng. Trên thực tế do liên kết quanh carbon tuân theo mô hình tứ diện nên cấu hình bền của vòng pyranose có dạng ghế. Trong cấu hình này, mỗi nguyên tử ngoài vòng ví dụ H hoặc O, liên kết trưc giao với carbon trên vòng theo trục X (a) hoặc gần như trong mặt phẳng vòng gọi là vuông theo trục Y(e). Disaccharide (hình thành từ hai monosaccharide) là polysaccharide đơn giản nhất. Lactose (cấu thành galactose và glucose) là đường chính trong sữa, sucrose (cấu thành từ fructose và glucose) là sản phẩm của chính quá trình quang tổng hợp trong thực vật và đươc tinh chế thành đường ăn thông thường. Các polysaccharide lớn hơn chứa hàng chục đến hàng trăm đơn vị monosaccharide với chức năng lưu trữ glucose, thành phần cấu trúc, hoặc chất kết dính tế bào trong mô. Glycogen, polymer dài và nhiều nhánh của glucose là nguồn dự trữ carbonhydrate chính của tế bào động vật. Trọng lượng của glycogen có thể chiếm tới 10% trọng lượng gan. Nguồn dự trữ carbonhydrate chính của tế bào thực vật là tinh bột. Tinh bột cũng là polymer của glucose và có dạng mạch không nhánh (amylose) hoặc ít nhánh (amylopeptin). Glycogen được tạo thành từ glucose dạng α-amomer. Ngược lại, cellulose, yếu tố chính của thành tế bào thực vật là polymer không phân nhánh của glucose dạng β-anomer. Enzyme tiêu hóa của người có thể thủy phân liên kết α glycoside trong tinh bột nhưng không thể phân hủy liên kết β glycosid trong cellulose. Hình 1.18: Phản ứng tạo disaccharide Các enzyme tạo liên kết glycoside nối monosaccharide thành polysaccharide có nhiều nhóm – OH khả dụng để tạo liên kết glycoside nên về nguyên tắc hai phân tử đường có thể liên kết với nhau theo một số cách. Hơn nữa, một monosaccharide có khả năng liên kết với nhiều hơn hai monosaccharide khác nên có thể tạo các polymer mạch nhánh và polymer phi tuyến tính. Liên kết glycoside thường hình thành giữa chuỗi polysaccharide đang tổng hợp và monosaccharide đã biến đổi. những thay đổi như vậy gồm gắn cộng hóa trị với phosphate (ví dụ, glucose 6- phosphate) hoặc nucleotide (ví dụ, UDP-galatose) Hình 1.19: Sơ đồ các phần cấu trúc của phosphatidylcholine Nhiều loại enzyme epimerase thường thực hiện chuyển hóa các monosaccharide khác nhau sử dụng đường gắn nucleotide hơn là đường không bị biến đổi. Nhiều polysaccharide phức tạp chứa đường đã biến đổi, thường gắn cộng hóa trị với các nhóm nhỏ khác nhau, đặc biệt là nhóm amin, sulfate, và acetyl. Những biến đổi như vậy phổ biến trong glycosaminoglycan, thành phần polysaccharide chính của chất nền ngoài bào sẽ mô tả kĩ sau. Các phospholipid kết hợp không cộng hóa trị với nhau tạo nên cấu trúc lớp kép cơ bản của màng sinh học Hình 1.20: Cấu trúc palmitate và oleate Màng sinh học là tấm linh động và lớn, có vai trò như những ranh giới giữa tế bào và các cơ quan tử nội bào cũng như tạo thành bề mặt ngoài của một số virus. Màng là biên giới xác định những gì thuộc tế bào (màng ngoài và nội chất trong màng) và những gì bên ngoài tế bào (không gian ngoại bào bên ngoài màng). Không như protein, acid nucleic, và polysaccharide, màng hình thành từ cá đơn vị cấu trúc liên kết không cộng hóa trị với nhau. Đơn vị cấu trúc cơ bản của mọi màng sinh học là phospholipid. Tính chất vật lý của phospholipid là nguyên nhân hình thành cấu trúc dạng tấm của màng. Cấu trúc của phospholipid gồm hai chuỗi acid béo không phân cực dài, gắn (thường liên kết qua ester) với các nhóm nhỏ có độ phân cực cao (gồm phosphate và phân tử hữu cơ ngắn như glycerol, trihydrogenxy propanol). Acid béo là một chuỗi hydrogencarbon gắn với một nhóm carboxyl (-COOH), là nguồn năng lượng quan trọng (giống như glucose) của rất nhiều loại tế bào. Các acid béo phổ biến trong tế bào có số nguyên tử carbon là chẵn, thường là 14,16,18 hoặc 20. Acid béo không chứa nối đôi được gọi là no; nếu chứa ít nhất một nối đôi gọi là không no. acid béo không no chứa nhiều hơn một nối đôi C=C được gọi là không no bậc cao. Hai acid amin không no bậc cao “thiết yếu” là acid linoleic (C18:2) và acid linolenic(C18:3). Động vật có vú có thể tổng hợp các acid béo phổ biến khác nhưng phải thu nhận hai acid này từ thực phẩm. Quanh mỗi nối đôi C=C có thể tồn tại hai đồng phân lập thể cis và trans: Nối cis làm chuỗi acid béo bị gấp khúc và kém linh động. Thông thường, acid béo không no trong hệ sinh học chỉ chứa nối đôi dạng cis. Do không gấp khúc nên acid béo no có thể đóng chặt với nhau hơn và có nhiệt độ nóng chảy cao hơn acid béo không no. Ở nhiệt độ phòng acid béo no thường có thể rắn. Acid béo dạng trans có trong bơ thực vật đã hydrogen hóa (sử dụng làm thỏi bơ rắn) và các sản phẩm thực phẩm không từ tự nhiên khác. Acid béo dạng trans xuất phát từ quá trình xúc tác được sử dụng khi hydrogen hóa. Các acid béo no và dạng trans có tính chất vật lý tương tự, và so với chất béo không no thì sử dụng chat béo no làm tăng tương đối nồng độ cholesterol trong máu. Acid béo có thể gắn cộng hóa trị với phân tử khác bởi phản ứng dehydrate hóa gọi là ester hóa. Phản ứng này loại –OH của nhóm carboxyl trong acid béo và H của nhóm hydrogenxyl trong phân tử kia, tạo thành phẩn tử hợp nhất với phần thu được từ acid béo gọi là nhóm acyl, hay nhóm acyl béo. Dạng phospholipid phổ biến nhất là phssphoglyceride và triacylglycerol (hay còn gọi là triglyceride) minh họa phản ứng này. Phosphoglyceride chứa hai nhóm acyl gắn với hai nhóm –OH của glycerol còn triglyceride chưa ba nhóm acyl ester hóa với glycerol: Các nhóm acyl béo cũng có thể liên kết cộng hóa trị với phân tử chất béo khác hoặc cholesterol tạo thành cholesteryl ester. Triglyceride và cholesteryl ester cực kì khó tan trong nước. acid béo và cholesterol tương ứng được tích trữ hoặc vận chuyển dưới hai dạng này. Triglyceride là dạng tích trữ của acid béo trong tế bào mỡ của mô mỡ và là thành phần chất béo chính trong bữa ăn. Chất mang đặc biệt gọi là lipoprotein vận chuyển cholesteryl ester và triglyceride theo dòng máu tới mô. Trong phosphoglyceride, một nhóm OH cả glycerol liên kết ester với phosphate trong khi hai nhóm –OH khác thường liên kết ester với hai acid béo. Phospholipid đơn giản nhất là acid phosphatidic, chỉ chưa những thành phần này. Nhóm phosphate của hầu hết phospholipid còn tham gia liên kết ester với nhóm –OH của hợp chất ưa nước khác. Ví dụ choline gắn với phosphate trong phosphatidylcholine. Điện tích âm của phosphate và các nhóm phân cực (hoặc tích điện) liên kết ester với nó có thể tương tác mạnh với nước. Nhóm “đầu” của phospholipid (gồm phosphate và các nhóm liên kết ester với nó) có tính ưa nước trong khi các đuôi acyl béo có tính kị nước. Hình 1.21: Phân tử có hai vùng ưa nước và kị nước như phospholipid được gọi là phân tử lưỡng phần. Chúng ta sẽ thảo luận sau thấy vì sao tính chất lưỡng vùng của phospholipid giúp chúng ta lắp ráp thành màng sinh học, môt tấm gồm hai lớp với đuôi acyl béo quay vào trung tâm và nhóm đầu quay ra ngoài môi trường lỏng. 1.3 Cân bằng hóa học Trong phân này chúng ta thảo luận về các phản ứng hóa học. Khi các phản ứng hóa học xảy ra, các liên kết (chủ yếu là liên kết cộng hóa trị) các chất tham gia phản ứng bị phá vỡ và các liên kết mới hình thành để tạo sản phẩm. Tại bất kì thời điểm nào, trong tế bào luôn có vài trăm loại phản ứng hóa học xảy ra và trên nguyên tắc nhiều chất có thể trải qua nhiều phản ứng hóa học. Quy mô và tốc độ xảy ra phản ứng xác định thành phần hóa học của tế bào. Khi trộn các chất tham gia phản ứng với nhau (trước khi tạo thành sản phẩm), nồng độ ban đầu của chúng xác định phần nào tốc độ sản phẩm (phản ứng thuận) của phản ứng. Nồng độ này xác định sác xuất các chất tham gia va đập và phản ứng với nhau. Khi sản phẩm của phản ứng tích lũy, nồng độ của mỗi chất tham gia phản ứng và tốc độ phản ứng thuận giảm xuống. Trong khi đó, một số phân tử sản phẩm bắt đầu tham gia vào phản ứng nghịch, tức phản ứng tái tạo chất tham gia (khả năng của phản ứng “quay ngược” trở lại được gọi là tính vi thuận nghịch). Ban đầu phản ứng nghịch diễn ra chậm nhưng sau đó nhanh lên khi nồng độ sản phẩm tăng. Sau cùng, tốc độ của phản ứng thuận và nghịch bằng nhau nên nồng độ của chất tham gia phản ứng và sản phẩm ngừng thay đổi. Hệ thống lúc này gọi là cân bằng hóa học. Khi cân bằng, tỷ lệ giữa nồng độ sản phẩm và chất tham gia gọi là hằng số cân bằng. Giá trị này cố định và không phụ thuộc vào tốc độ tại đó phản ứng xảy ra. Có thể dùng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học. Chất này thúc đẩy các biến đổi hóa học (tạo ra và phá vỡ liên kết cộng hóa trị) nhưng không bị biến đổi vĩnh viễn trong tiến trình phản ứng. Trong phần này chúng ta thảo luận một số khía cạnh của cân bằng hóa học. Trong phần sau chúng ta khảo sát biến thiên năng lượng của phản ứng và mối quan hệ của nó với sự cân bằng. Hằng số cân bằng phản ánh mức độ hoàn toàn của phản ứng hóa học Hằng số cân bằng Keq phụ thuộc vào bản chất của chất tham gia và sản phẩm cũng như nhiệt độ và áp suất (đặc biệt trong các phản ứng liên quan đến chất khí). Dưới các điều kiện vật lý chuẩn (25 0 C và áp suất 1atm với hệ sinh học), Keq của một phản ứng là hằng số cho dù có hay không có chất xúc tác. Đối với phản ứng thƣờng gặp gồm 3 chất tham gia phản ứng và ba sản phẩm: Với chữ cái viết hoa thể hiện các phân tử hoặc nguyên tử và chữ cái thường là số mỗi nguyên tử hoặc phân tửa trong công thức phản ứng. Hằng số cân bằng là : Tốc độ thuận và tốc độ nghịch của phản ứng được biểu diễn như sau: Qua biến đổi ta thu được: Các phản ứng hóa học trong tế bào đều ở trạng thái ổn định Dưới các điều kiện thích hợp và đủ thời gian, phản ứng hóa sinh xảy ra trong ống nghiệm cuối cùng sẽ đạt trạng thái cân bằng. Tuy nhiên trong tế bào, nhiều phản ứng hóa học thường kết nối với nhau thành một con đường nhất định. Trong chuỗi phản ứng đó, sản phẩm của một phản ứng là chất tham gia của phản ứng khác hoặc bị đẩy ra khỏi tế bào. Trong trường hợp này nếu một chất có tốc độ tạo ra bằng tốc độ tiêu thụ thì nồng độ chất đó sẽ không đổi, và chuỗi phản ứng thực hiện được điều này gọi là trong trạng thái ổn định. Chuỗi phản ứng như vậy ngăn chặn quá nhiều chất trung gian tích tụ. điều này giúp tế bào được bảo vệ khỏi các hiệu ứng bất lợi do các chất trung gian gây ra nếu nó là chất độc tại nồng độ cao. Hằng số phân ly của các phản ứng gắn kết phản ánh ái lực của các phân tử tham gia tƣơng tác. Có thể áp dụng các khái niệm cân bằng phản ứng cho quá trình gắn của hai phân tử. Nhiều quá trình tế bào quan trọng phụ thuộc vào các “phản ứng” gắn như vậy. Những phản ứng này tạo ra hay phá vỡ nhiều tương tác không cộng hóa trị thay vì liên kết cộng hóa trị như đề cập ở trên. Một ví dụ phổ biến là phối tử (ví dụ hormone insulin hay adrenaline) gắn với thụ thể trên bề mặt tế bào, tạo thành tập hợp đa phân tử (phức hệ) gây ra đáp ứng sinh học. Ví đụ khác là protein gắn với trình tự đặc hiệu trên DN A, làm tăng hoặc giảm biểu hiện của gene lân cận. Nếu biết hằng số cân bằng của phản ứng gắn, có thể xác định độ bền của phức hệ tạo ra. Để minh họa phương pháp chung dùng để xác định nồng độ của phức hệ liên hợp không cộng hóa trị, chúng ta sẽ tính mức độ một protein (P) gắn với DNA (D) tạo thành phức hệ protein-DNA (PD): P + D ⇄ PD Tính chất của hầu hết các phản ứng gắn được mô tả dưới dạng hằng số phân ly Kd , giá trị nghịch đảo của hằng số cân bằng. Phản ứng trên có hằng số cân bằng là : Phản ứng gắn điển hình giữa protein và trình tự DNA đặc hiệu có Kd=10 -10 M với M là nồng độ phân tử gam. Để liên hệ độ lớn hằng số phân ly với tỷ lệ DNA gắn và không gắn, ta lấy ví dụ đơn giản là tế bào vi khuẩn với dung tích 1,5x10-15l, chứa một phân tử DNA và 10 phân tử protein gắn DNA (P). Trong trường hợp này, từ Kd=10 -10 M suy ra 99% thời gian trình tự DNA đặc hiệu này gắn với một phân tử protein, cho dù tế bào chỉ chứa 10 phân tử protein! Rõ ràng là P gắn rất chặt với D (có áp lực cao). Giá trị hằng số của hằng số phân ly của phản ứng gắn rất thấp phản ánh điều này. Tương tác protein-protein và protein-DNA được coi là chặt nếu Kd =10 -9 M (nanomolar), chặt vừa phải nếu Kd = 10 -6 M ( micromolar) và tương đối yếu nếu Kd = 10 -3 M (millimolar). Do kích thước của các đại phân tử sinh học (như protein) lớn nên trên bề mặt của chúng thường chứa nhiều vị trí có thể tham gia tương tác bổ sung với những phân tử khác. Do vậy nhiều đại phân tử có khả năng gắn đồng thời với một số phân tử khác. Trong một số trường hợp, các phản ứng gắn này độc lập với nhau và từng giá trị Kd là hằng số. Ở các trường hợp khác, phân tử gắn với vị trí A trên đại phân tử có thể làm thay đổi cấu hình lập thể của vị trí B và dẫn đến thay đổi tương tác gắn của vị trí B với một số phân tử khác. Cơ chế này quan trọng do nhờ đó mà một phân tử có thể thay đổi (điều hòa) hoạt tính của phân tử thứ hai (ví dụ protein) bằng cách thay đổi khả năng tương tác của phân tử thứ hai này với phân tử thứ ba. Mỗi loại dịch sinh học có giá trị pH đặc trƣng Dung môi bên trong tế bào và của dịch ngoại bào là nước. Đặc tính quan trọng của bất kỳ dung dịch lỏng nào là nồng độ H+ và OH-. Vì là sản phẩm phân ly của H2O nên những ion này là thành phần của mọi hệ thống sống, và chúng được giải phóng bởi nhiều phản ứng xảy ra giữa các phân tử hữu cơ trong tế bào. H+ và OH- cũng được vận chuyển vào hoặc ra tế bào, như khi lớp tế bào lót dạ dày tiết ra dịch vị có độ acid cao. Khi phân ly, một trong các liên kết H-O phân cực của H2O bị phá vỡ. Ion H+ tạo thành thường gọi là proton và có thời gian tồn tại tự do ngắn do nó nhanh chóng kết hợp với H2O, tạo thành ion hydrogennium (H3O +). Tuy nhiên để thuận tiện chúng ta chỉ nói đến nồng độ ion hydrogen trong dung dịch ([H+]) mặc dù thực chất nó là nồng độ của ion hydrogennium ([H3O +]). Nước phân ly tạo ra ion OH- và H+ theo phản ứng thuận nghịch : Tại 25oC, [H+][ OH-]=10-14 M2 nên nước tinh khiết có [H+]=[ OH-]=10-7 M. Theo quy ước, [H+] trong dung dịch được biểu hiện bằng giá trị pH. pH là âm logarit của [H+]. pH của nước tinh khiết tại = 7: Cần nhớ rằng sai khác một đơn vị pH tương đương với 10 khác biệt trong nồng độ proton. Trên thang pH, 7,0 là pH trung tính, dung dịch acid có độ pH<7,0 ([H+] cao hơn) và dung dịch base có pH>7,0 ( kiềm tính) (hình 2-25). Ví dụ dung dịch giàu acid HCl có pH khoảng 1 và [H+] của nó gấp khoảng 1 triệu lần [H+] của tế bào chất (pH khoảng 7,2). Tương bào thường có pH khoảng 7,2 nhưng pH bên trong tiêu thể (cơ quan tử của tế bào nhân chuẩn) thấp hơn nhiều (khoảng 4,5). Nhiều enzyme thủy phân của tiêu thể có chức năng tối ưu trong môi trường acid, trong khi hoạt tính của chúng bị kìm hãm tại môi trường gần trung tính của tương bào, điều này cho thấy rằng cần duy trì pH đặc hiệu cho một số cấu trúc tế bào hoạt động chính xác. Mặt khác, pH tế bào biến động mạnh cũng đóng vai trò quan trọng trong điều hòa hoạt tính của tế bào. Ví dụ tế bào chất của trứng chim biển khi chưa thụ tinh (động vật sống dưới nước) có pH 6,6. Tuy nhiên pH tăng tới 7,2 trong vòng một phút sau khi thụ tinh; có nghĩa là [H + ] giảm xuống khoảng ¼ giá trị ban đầu. Biến đổi này là cần thiết cho quá trình phát triển và phân chia sau đó của trứng. Acid giải phóng H+ còn base hấp thụ nó Nhìn chung, acid là bất cứ phân tử, ion hoặc nhóm hóa học nào có khả năng giải phóng ion hydrogen (H+). HCl hoặc nhóm cacborxy (-COOH) là acid. Trong đó –COOH có xu hướng phân ly tạo thành ion carboxylate (-COO-) tích điện âm. Tương tự, base là phân tử, ion hoặc nhóm chức có khả năng nhận H+, ví dụ như ion OH-, NH3 ( tạo thành ion ammonium NH4+); hoặc nhóm amin (-NH2). Khi bổ sung acid vào dung dịch, nồng độ H+ tăng (pH giảm). Ngược lại khi bổ sung base vào dung dịch, nồng độ H+ giảm (pH tăng). Vì [H+][ OH-]=10-14 M2 nên nồng độ H+ tăng lên sẽ làm nồng độ OH- giảm tương ứng và ngược lại. Nhiều phân tử sinh học, chưa cả hai nhóm acid và base. Ví dụ trong dung dịch trung tính (pH=7,0), nhiều acid amin tồn tại phần lớn ở dạng ion hóa kép, trong đó nhóm carboxy mất một proton và nhóm amin nhận một proton. Với R là mạch nhánh không tích điện. Phân tử chứa số ion dương và âm bằng nhau như vậy được gọi là zwitterions. Zwitterions có tổng điện tích bằng không (trung tính). Tại pH rất acid hoặc base, chỉ một trong hai nhóm ion hóa của acid amin tích điện. Có thể viết chương trình phản ứng phân ly của acid (hay nhóm acid trong phân tử lớn) HA là HA = H + + A - . Hằng số cân bằng của phản ứng này, Ka ( a là viết tắt của acid), được xác định theo công thức : Ka = [H + ][ A - ]/[HA]. Biến đổi phương trình trên sẽ tạo phương trình Henderson- Haselbalch rất hữu dụng, thể hiện tương quan giữa hằng số cần bằng và pH : Với pKa= -log Ka Từ phương trình trên có thể thấy rằng pKa của