Phản ứng sinh hóa và các hợp chất hữu cơ

Thanh Uyên Ι 10.2021

Phản ứng sinh hóa là gì?

Phần lớn các hợp chất hữu cơ đều bắt nguồn từ các sinh vật sống và các phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể gọi là phản ứng sinh hóa. Tổng hợp các loại phản ứng sinh hóa khác nhau bên trong một cơ thể sinh vật gọi là sự trao đổi chất. Trao đổi chất bao gồm các phản ứng hóa học tỏa nhiệt (exothermic – giải phóng năng lượng) và thu nhiệt (endothermic – hấp thu năng lượng).

Phản ứng tỏa nhiệt ở sinh vật gọi là phản ứng dị hóa (catabolic reaction) hay quá trình dị hóa. Trong đó, các phân tử lớn bị bẻ gãy thành các phân tử nhỏ, đồng thời quá trình này giải phóng ra năng lượng. Ví dụ điển hình là sự phân hủy đường glucose trong hoạt động hô hấp tế bào.

Phản ứng thu nhiệt ở sinh vật gọi là phản ứng đồng hóa (anabolic reaction) hay quá trình đồng hóa. Trong đó, các phân tử lớn được hình thành từ các phân tử nhỏ hơn, quá trình này cũng đồng thời hấp thu năng lượng. Ví dụ như sự hình thành protein từ các amino acid.

Quang hợp (xanh lá) và hô hấp (xanh biển) là hai ví dụ về phản ứng đồng hóa và dị hóa

Sự trao đổi năng lượng bên trong cơ thể sống

Bởi vì trao đổi chất là quá trình tổng hợp của tất cả phản ứng hóa học liên quan đến quá trình dị hóa và đồng hóa vốn là nền tảng của sự tích lũy và tiêu xài năng lượng trong cùng một cơ thể, ta có thể kết luận rằng:

Nếu sự thay đổi năng lượng ròng là tích cực (phản ứng dị hóa giải phóng nhiều năng lượng hơn so với lượng đã bị sử dụng trong phản ứng đồng hóa), thì cơ thể sẽ tích trữ năng lượng dư thừa bằng cách xây dựng thêm các phân tử chất béo để lưu trữ lâu dài.
Mặt khác, nếu sự thay đổi năng lượng ròng là tiêu cực (phản ứng dị hóa giải phóng ít năng lượng hơn so với lượng đã bị sử dụng trong phản ứng đồng hóa), cơ thể sẽ phải sử dụng năng lượng dự trữ để bù đắp cho sự thiếu hụt này.

Hoạt động của enzyme

Phần lớn các phản ứng sinh hóa xảy ra trong cơ thể sinh vật đều cần đến sự trợ giúp từ một yếu tố bên ngoài phản ứng, gọi là enzyme. Tại sao? Bởi vì cơ thể sinh vật thường thiếu đi 2 yếu tố chính, đó là nhiệt độ cao và nồng độ chất phản ứng cao, để thúc đẩy một phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng. Thiếu đi sự trợ giúp này, mọi hoạt động trao đổi chất sẽ diễn ra vô cùng chậm chạm và không đủ để duy trì các hoạt động sống cần thiết.

Enzyme và cơ chất hoạt động theo kiểu chìa khóa và ổ khóa

Enzyme là một dạng protein, có tác dụng như là một chất xúc tác sinh học làm tăng tốc phản ứng sinh hóa trong cơ thể. Nhìn chung, một enzyme thường hoạt động bằng cách tiếp sức cho các phản ứng sinh hóa, làm cho chúng xảy ra nhanh chóng trong khi bản thân phản ứng đó không cần nhiều năng lượng hoạt hóa như bình thường. Nghĩa là, một phản ứng không có enzyme thường cần nhiều năng lượng hơn để tự kích thích chính mình, làm cho phản ứng xảy ra. Khi có enzyme, lượng năng lượng cần thiết dùng để khởi động phản ứng giảm đi đáng kể.

Enzyme là những chất đặc trưng của cơ chất (cơ chất là tên gọi của chất phản ứng trong phản ứng sinh hóa). Nghĩa là mỗi enzyme chỉ hoạt động với một loại cơ chất nhất định. Chính vì vậy, có rất nhiều loại enzyme trong cơ thể sinh vật. Ngoài ra, enzyme chỉ hoạt động hiệu quả ở các điều kiện nhất định. Ví dụ, enzyme giúp tiêu hóa thức ăn trong bao tử thường hoạt động hiệu quả hơn ở pH 1-2 rất acid trong khi các enzyme khác trong cơ thể thường hoạt động ở pH 7 trung tính. Bởi vì enzyme cũng là một dạng protein, hoạt động của nó có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện nhiệt độ cao (biến tính).

Các hợp chất hữu cơ

Trong số các hợp chất hữu cơ, người ta phân thành 4 nhóm chính hiện diện ở tất cả các loài sinh vật trên Trái Đất: carbohydrate (bao gồm tinh bột, đường, chất xơ…), protein (hay đạm), lipid (hay chất béo) và acid nucleic. Để tồn tại, một sinh vật bằng cách nào đó phải tiếp nhận được 4 nhóm chất hữu cơ này vào bên trong cơ thể.

Carbohydrate là một nhóm lớn, chiếm đa số trong khẩu phần ăn của con người, khoảng 45-65%.

Trong số các hợp chất hữu cơ, protein có lẽ là nhóm linh động nhất. Chúng hiện diện khắp nơi, xây dựng cấu trúc các mô-cơ quan và tham gia vào mọi chức năng trong cơ thể, đặc biệt là các hoạt động trao đổi chất dưới dạng enzyme như đã nêu. Protein được cấu tạo bởi sự kết hợp của 20 loại amino acid.

Lipid là tên gọi chung của chất béo, dầu và chất sáp. Cả 3 dạng này đều không hòa tan trong nước. Trong số 3 nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể, lipid được xem là có khả năng trữ được một lượng năng lượng lâu dài và lớn nhất cho cơ thể nếu xét trên cùng một đơn vị tính. Đây được xem là dạng tích trữ năng hiệu quả đối với các loài động vật ngủ đông.

So với 3 nhóm còn lại, acid nucleic không có đặc tính dự trữ năng lượng. Thay vào đó, chúng chứa thông tin di truyền. Có 2 loại acid nucleic: DNA (Deoxyribonucleic Acid) và RNA (Ribonucleic Acid). Cả hai đều được cấu tạo từ các đơn vị nhỏ hơn gọi là nucleotide. Sự sắp xếp chuyên biệt của các acid nucleic tạo nên tính khác biệt của bộ mã di truyền của từng cá thể và được di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Acid nucleic là cơ quan đầu não kiểm soát toàn bộ hoạt động trao đổi chất trong tế bào.

(Tác giả: Thanh Uyên)

Tham khảo