ĐẠI CƯƠNG LIÊN KẾT HÓA HỌC

ĐẠI CƯƠNG LIÊN KẾT HÓA HỌC

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Tổng quan

Sự sống của tế bào phụ thuộc vào hàng ngàn phản ứng và tương tác hóa học. Những phản ứng và tương tác này phối hợp rất phức tạp và tinh vi theo không gian, thời gian và các thuộc tính sinh học,.... Nghiên cứu những tương tác và phản ứng như vậy ở mức độ phân tử sẽ giúp chúng ta giải đáp các câu hỏi cơ bản về sự sống của tế bào.

Hình 1.1: Các phân tử hóa học và tương tác hóa học điển hình trong giới sinh học.

Điều thú vị là, bạn sẽ không thể hiểu sinh học phân tử nếu không thực sự hiểu các tính chất của phân tử H₂O và cách nó kiểm sự sống. Như ta đã biết, sự sống đầu tiên được phát sinh từ môi trường nước. Nó chiếm 70-80% trọng lượng của hầu hết các loại tế bào. Chính trong môi trường này, các tiểu phân tử và ion (chi chiếm khoảng 6-8%) lắp ráp thành đại phân tử, đại phân tử tích hợp thành bào quan và hình thể của tế bào, tức toàn bộ khối lượng còn lại của cơ thể sinh vật. Các phân tử đó gồm amino acid, nucleotide, lipid và glucid.

Nhiều phân tử sinh học dễ hòa tan trong nước, do vậy chúng được gọi là phân tử ưa nước. Các phân tử khác là chất dạng béo,tạo sự phân tách lớp với nước nên chúng có thuộc tính kị nước. Ngoài ra, nhiều phân tử sinh học khác như phosphatidyl inositol chẳng hạn, có cả vùng kị nước và ưa nước, vì vậy được gọi là phân tửlưỡng tính. Các phân tử phospholipid cấu thành màng linh động được ví như bức tường bao quanh tế bào và các bào quan. Hoạt động nhịp nhàng của tế bào, mô và sinh vật phụ thuộc vào tất cả các loại phân tử kể trên, từ những phân tử nhỏ nhất đến lớn nhất. Thật vậy, xét trên sự sinh tồn của loài người thì một ion dù đơn giản đơn giản đến đâu (H⁺) cũng đóng vai trò quan trọng không kém cạnh những phân tử DNA lớn hơn nhiều lần mang mã di truyền(Khối lượng DNA trong nhiễm sắc thể số 1 của người gấp 8,6x10¹⁰ lần khối lượng H⁺). Từ đó chúng ta dễ dàng nhận ra rằng chính tương tác hóa học của tất cả các phân tử lớn, nhỏ này với nước và với nhau định hình bản chất của sự sống.

Hình 1.2: Diễn tả 3 con đường chuyển hóa chính. (a) hội tụ (converging) và dị hóa (catabolism). (b) hội tụ và đồng hóa (c) chuyển hóa theo chu trình với chìa khóa là acetate.

Trong khi có rất nhiều loại phân tử sinh học tham gia tương tác và phản ứng trong rất nhiều con đường phức tạp để tạo nên tế bào và sinh vật sống thì số nguyên lý hóa học cần để hiểu các quá trình tạo nên mức độ phân tử lại không thay đổi dù sinh vật đã trải qua hàng triệu năm tiến hóa. Trong quyển sách nhỏ này, chúng ta sẽ cùng nhau lần lượt tìm hiểu các nguyên lý đó. Để đơn giản vấn đề, chúng ta bắt đầu với liên kết cộng hóa trị với vai trò kết nối nguyên tử thành phân tử. Tiếp đến là những liên kết không cộng hóa trị, giúp ổn định nhóm nguyên tử cấu trúc nên phần chức năng bên trong và giữa các phân tử. Sau đó sẽ đề cập đến những tính chất quan trọng nhất của các đơn vị cấu trúc hóa học cơ bản tham gia cấu tạo nên cácđại phân tử và tập hợp đại phân tử trong mối quan hệ tổng hòa của tế bào.

Liên kết cộng hóa trị và tương tác không cộng hóa trị

Lực hấp dẫn giữa các nguyên tử là lực điện trường nối chúng lại với nhau trong phân tử. Các phân tử sinh học cũng tương tác với nhau thông qua lực này. Các lực mạnh tạo thành liên kết cộng hóa trị khi hai nguyên tử dùng chung một (liên kết đơn) hoặc nhiều cặp điện tử (liên kết đôi, liên kết ba…). Lực hấp dẫn yếu trong các tương tác không cộng hóa trị cũng quan trọng bởi chúng xác định tính chất và chức năng của nhiều phân tử sinh học như protein, acid nucleic, carbohydrate và lipid.

Hình 1.3: Giản đồ năng lượng của các lớp và phân lớp electron quay xung quanh hạt nhân

Hình1.4: Trình bày số liên kết cộng hóa trị có thể hình thành bởi các nguyên tử phổ biến. Thông thường trong cơ thể sinh vật, nguyên tử hydrogen chỉ tạo một liên kết cộng hóa trị. Nguyên tử oxy thường chỉ tạo hai liên kết cộng hóa trị nhưng vẫn dư hai cặp điện tử để có thể tham gia tương tác không cộng hóa trị. Lưu huỳnh tạo hai liên kết cộng hóa trị trong sulfurhydrogen (H₂S) nhưng cũng có thể tạo 6 liên kết cộng hóa trị như trong acid sulfuric (H₂SO₄) và dẫn xuấtlưu huỳnh của nó. nitrogen và phosphorus có 5 điện tử lớp ngoài cùng. Trong amonia (NH₃), nitrogen (tham gia tạo ba liên kết cộng hóa trị; cặp điện tử còn dư có thể tham gia tương tác không cộng hóa trị. Trong ion amoni (NH₄⁺), nitrogen tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị tạo nên cấu hình tứ diện đều. Phosphorus thường tạo ra 5 liên kết cộng hóa trị như trong acid phosphoric (H₃PO₄) và các dẫn xuấtphosphate tạo thành khungacid nucleic. Các nhóm phosphate gắn cộng hóa trị với protein đóng vai trò chính trong điều hòa hoạt tính của nhiều protein và cả trong cơ chế tạo năng lượng của ATP. (Xem thêm chương 9)

Cấu hình điện tử của nguyên tử xác định số lượng và tính chất của các liên kết cộng hóa trị mà nó tạo thành Hydrogen, oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, lưu huỳnh là các chất phổ biến nhất trong phân tử sinh học. Những nguyên tử này rất ít khi tồn tại độc lập mà luôn tham gia tạo liên kết để trở thành hợp chất. Chúng  hình thành liên kết cộng hóa trị sử dụng điện tử nằm trong orbital lớp ngoài cùng. Số lượng và mô hình liên kết cộng hóa trị  mà một nguyên tử có thể tạo thành các nguyên tử khác là đặc trưng cho nguyên tử đó. Kích thước nguyên tử, phân bố diện tích và số điện tích có thể góp chung quyết định mô hình liên kết. Một số nguyên tử luôn tạo thành số liên kết cộng hóa trị bền cố định.

Hình 1.5: Các ví dụ hình thành liên kết sigma của hydrogen và fluorine

Carbon là trung tâm tổ chức của tất cả các cấu trúc phân tử sinh học. Carbon thường hình thành bốn liên kết cộng hóa trị với ba hoặc bốn nguyên tử khác. Ví dụ, carbon của phân tử formaldehyde có thể liên kết với ba nguyên tử trên một mặt phẳng. Ở đó, carbon tham gia tạo hai liên kết đơn với hai nguyên tử và một liên kết đôi (sử dụng hai cặp electron góp chung) với nguyên tử thứ ba. Khi không bị các chướng ngại lập thể, nguyên tử tham gia liên kết đơn thường quay tự do quanh trục liên kết, trong khi các nguyên tử tham gia liên kết đôi thì không thể. Mặt phẳng cố định do liên kết đôi áp đặt có nghĩa vô cùng to lớn đối với hình dạng và độ linh động của các phân tử sinh học như phospholipid, protein, và acid nucleic.

Hình 1.6: Hai cơ chế cắt của liên kết C-C, C-H. Nếu cắt đồng thể, mỗi nguyên tử sẽ giữ một electron liên kết, do vậy hình thành nên các góc tự do có hoạt tính cao. Trong cắt dị thể, một trong hai nguyên tử sẽ giữcặp electron, do vậy tạo ra các ion. Đây là cơ sở của nhiều phản phản ứng hữu/vô cơ xảy ra trong tế bào sống, đặc biệt cần nhấn mạnh vai trò của các góc tự do (xem thêm chương viết về Apoptosis và NO).

Carbon cũng có thể gắn với bốn nguyên tử như trong phân tử methane (CH₄). Trong trường hợp này, góc giữa hai liên kết luôn là 109^o28’và các nguyên tử tham gia liên kết nằm tại bốn đỉnh của hình tứ diện. Cấu hình này xác định cấu trúc của nhiều phân tử sinh học. Carbon liên kết với bốn phân tử hoặc các nhóm chức khác nhau theo cấu hình không phẳng gọi là carbon bất đối xứng, tạo ra hai đồng phân là ảnh qua gương của nhau. Đặc tính này có tên tính chất triền quang (chyrality) và các phân tử như vậy đươc coi là đồng phân quang học, hay đồng phân lập thể. Nhiều phân tử trong tế bào chứa  ít nhất một nguyên tử carbon bất đối xướng, thường gọi là nguyên tử carbon quang học. Hoạt tính sinh học của các đồng phân lập thể thường hoàn toàn khác biệt. Điều này là do sắp xếp của các nguyên tử trong cấu trúc khác nhau nên chúng chỉ có duy nhất một phương thức tương tác và phản ứng hóa học với các phân tử khác.

Hình 1.7: Sơ đồ hình thành phân tử Methane và trong lý thuyết lai hóa.

Một số loại thuốc chứa hỗn hợp đồng phân lập thể của các tiểu phân tử nhưng chỉ trong một/một số đó mang lại hoạt tính sinh học có lợi. Do đó sử dụng duy nhất một đồng phân lập thể tinh khiết có thể đem lại hiệu lực cao hơn và ít tác dụng phụ. Ví dụ,có một đồng phân lập thể của thuốc ức chế trầm cảm citalopram (Celexa) có hiệu lực cao gấp 170 lần những đồng phân khác. Hoạt tính sinh học của một số đồng phân lập thể rất khác nhau. Darvon là thuốc giảm đau trong khi đồng phân lập thể của nó Novrad (Darvon viết ngược lại) là thuốc giảm ho. Một đồng phân lập thể của ketamine là thuốc tê, trong khi đồng phân lập thể khác của nó lại gây ảo giác.

Hình 1.8: Phân tử methane hoàn chỉnh, C ở dạng lai hóa sp³ và góc liên kết.

Hình 1.9: Cấu trúc 3 chiều của Methane và Formaldehyde.

Trong liên kết cộng hóa trị, điện tử góp chung có thể nằm cân bằng hoặc lệch về một phía. Độ âm điện là mức độ mà một nguyên tử có khả năng kéo điện tử về phía mình. Khi hai nguyên tử có độ âm điện bằng/gần bằng nhau thì cặp điện tử tham gia liên kết về cơ bản sẽ nằm cân bằng giữa hai nguyên tử như trường hợp liên kết C-C và C-H là ví dụ. Liên kết này thuộc nhóm không phân cực. Tuy nhiên  trong nhiều phân tử, các nguyên tử tham gia liên kết có độ âm điện khác nhau nên cặp điện tử góp chung nằm lệch về một phía. Các liên kết như vậy giữa chúng được gọi là liên kết cộng hóa trị phân cực.

Một đầu của liên kết phân cực có cảm ứng điện tích âm hơn (δ^-) và đầu kia có cảm ứng điện tích dương hơn(δ⁺). Ví dụ trong liên kết O-H, O có độ âm điện lớn hơn H nên các điện tử dành nhiều thời gian để quanh xung quanh nguyên tử O hơn (orbital bị “bóp méo” hơn). Do vậy liên kết O-H có tính lưỡng điện tức hai đầu liên kết tích điện ngang bằng nhưng trái dấu. Trong lưỡng cực điện O-H, (δ^-)  trên O bằng khoảng 25% điên tích của điện tử, giá trị tuyệt đối của nó cũng gần bằng (δ⁺) trên H. Bởi vì hai liên kết O-H của nước không nằm đối xứng qua O (vì O đang ở trạng thái lai hóa sp³) nên phân tửH₂Ocó tính phân cực và có khả năng tạo các tương tác tĩnh điện mạnh/yếu không cộng hóa trị giữa chúng với nhau và với phân tử khác. Những tương tác này đóng vai trò trọng yếu trong tế bào và do đó là cơ sở cho sinh học tế bào.

Nguyên tử nguyên tố P (đang ở trạng thái số oxi hóa +5) trong H₃PO₄ tạo ra hiện tượng cộng hưởng lai hóa (resonance hybrid). Tầm quan trọng của phân tử này và các đồng đẳng của nó sẽ được thảo luận sâu hơn ở một chương khác.

Liên kết cộng hóa trị mạnh hơn bền hơn nhiều các tương tác không cộng hóa trị. Liên kết cộng hóa trị rất ổn định (tức mạnh) bởi vì năng lượng cần thiết để phá vỡ chúng lớn hơn nhiều so với nhiệt năng tại nhiệt độ phòng (25^oC) hoặc nhiệt độ cơ thể (37^oC). Ví dụ, nhiệt năng tại 25^oC bằng khoảng 0,6 Kcal/mol trong khi năng lượng cần để phá vỡ liên kết đơn C-C trong ethane gấp khoảng 140 lần. Do đó tại nhiệt độ phòng (25^oC) có ít hơn một phần 10¹² phân tử ethane bị phá vỡ thành haigóc tự do CH₃ chứa điện tử không cặp đôi (gọi là một góc).

Hình1.10: Phân bố điện tử lớp ngoài cùng tham gia và không tham gia liên kết của nhóm peptide.

Năng lượng liên kết đơn cộng hóa trị trong phân tử sinh học tương đương với năng lượng liên kết C-C của ethane. So với liên kết đơn thì liên kết đôi cần nhiều điện tử góp chung hơn để hình thành nên cũng cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ. Ví dụ, cần 84 Kcal/mol để phá vỡ liên kết đôi C=O. Những liên kết đôi phổ biến nhất trong các phân tử sinh học là C=O, C=N, C=C và P=O.

Hình1.11: biểu đồ năng lượng của một số liên kết.

Ngược lại, năng lượng liên kết của các tương tác không cộng hóa trị chỉ từ 1 đến 5Kcal/mol, thấp hơn rất nhiều so với của liên kết cộng hóa trị. Thật vậy, tương tác không cộng hóa trị yếu đến nổi chúng hình thành và phá vỡ với vận tốc ngang nhau tại nhiệt độ phòng. Mặc dù yếu và tồn tại ngắn ở nhiệt độ sinh lý (24-37^oC,nhiều tương tác không cộng hóa trị có thể cùng hoạt động tương hỗ). Điều này tạo ra những kết hợp đặc hiệu và ổn định giữa các thành phần khác nhau của một phân tử lớn hoặc giữa các đại phân tử. Dưới đây chúng ta điểm lại bốn loại tương tác không cộng hóa trị chính, sau đó xem xét vai trò gắn kết các phân tử sinh học với nhau và với các phân tử khác của chúng.

Hình 1.12: Hiện tượng cố định và xoay của liên kết cộng hóa trị ảnh hưởng tới tính chất vật lí và hóa học của các acid hữu cơ. Các phản ứng β oxi hóa phân tử có nối đôi đa số chỉ có ở các phân tử có cấu hình trans.

Tương tác ion là lực hút giữa các ion mang điện tích trái dấu

Hình 1.13: Mô phỏng tinh thể NaCl (một tinh thể ion điển hình) và công thức tính độ bền liên kết.

Tương tác ion hình thành từ các ion tích điện dương(cation) và ion tích điện âm (anion). Ví dụ, trong NaCl cặp điện tử góp chung của Na hoàn toàn chuyển tới Cl. Không giống như liên kết cộng hóa trị, tương tác ion không có nhiều cấu hình đặc hiệu hoặc cố định vì trường tĩnh điện xoay quanh ion (lực hút của ion với một điện tích trái dương) đồng nhất theo mọi chiều. Trong NaCl rắn, nhiều ion gắn chặt với nhau theo mô hình sao cho các điện tích trái dấu sắp thẳng hàng và do đó tạo thành mạng lưới tinh thể có tổ chức cao (tinh thể muối).

Khi hòa tan trong nước, các ion của NaCl phân ly và được ổn định hóa bởi  tương tác với nước. Trong dung dịch, lớp vỏ nước bao quanh các ion đơn giản và có giá trị sinh học như Na⁺ ,K⁺,Ca²⁺,Mg²⁺, và Cl^-. Lớp vỏ này hình thành bởi tương tác ion giữa ion trung tâm và các đầu mang điện tích trái dấu của phân tử nước lưỡng cực. Hiện tượng này gọi là hydrate hóa và năng lượng giải phóng khi các ion liên kết với các phân tử nước gọi là năng lượng hydrate hóa (với các dung môi khác thì gọi là solvate hóa). Hầu hết các ion dễ hòa tan trong nước vì năng lượng hydrate hóa lớn hơn năng lượng mạng lưới tinh thể (E). Khi các ion tương tác trực tiếp với protein lớp vỏ hydrate cần được loại bỏ.  Ví dụ, lớp vỏ hydrate biến mất khi ion đi qua lỗ protein trên màng tế bào trong dẫn truyền xung thần kinh.

Cường độ tương đối của tương tác giữa ion A^‑ và C⁺ phụ thuộc vào nồng độ của các ion khác trong dung dịch. Nồng độ các ion  khác càng cao ( ví dụ Na⁺ và Cl^-) thì A^- và C⁺ càng có nhiều cơ hội tương tác ion với những ion nay và do đó năng lượng cần để phá vỡ tương tác giữa A^- và C⁺ càng thấp. Kết quả là tăng nồng độ muối (ví dụ NaCl) trong dung dịch chứa các phân tử sinh học có thể làm yếu và thậm chí phá vỡ tương tác ion giữa chúng.

Liên kết hydrogen và độ hòa tan trong nước của phân tử không tích điện

Hình 1.14: Hiện tượng định hướng – cảm ứng -  khuếch tán điện tích.

Liên kết hydrogen là tương tác giữa nguyên tửhydrogen tích điện dương trong phân tử lưỡng cực(ví dụ nước) với điện tử không chia của nguyên tử khác. Liên kết hydrogen có thể hình thành trong cùng một phân tử(nội phân tử) hoặc giữa hai phân tử (liên phân tử). Thông thường  nguyên tử hydrogen chỉ tham gia tạo liên kết cộng hóa trị với ngyên tử có độ âm điện (D) sẽ tạo ra phân tử phân cực. Trong phân tử này, H có thể tham gia tạo liên kết hydrogen với nguyên tử nhận (A) có một cặp điện tử chưa liên kết:

Liên kết cộng hóa trị D-H lúc này sẽ dài hơn một chút so với khi không có liên kết hydrogen do A kéo H ra xa D. Đặc trưng quan trọng của mọi liên kết hydrogen là tính định hướng. Trong các liên kết hydrogen mạnh nhất , nguyên tử cho, nguyên tử hydrogen và nguyên tử nhận cùng nằm trên một đường thẳng(tuyến tính). Các liên kết hydrogen phi tuyến yếu hơn nhưng nhiều liên kết như vậy giúp ổn định cấu trúc lập thể của protein.

Liên kết hydrogen dài hơn và yếu hơn liên kết cộng hóa trị hình thành từ cùng loại nguyên tử. Ví dụ giữa hai phân tử nước, khoảng cách giữa hạt nhân của hydrogen và oxy trong liên kết hydrogen là khoảng 0.27 nm. Giá trị này gấp khoảng hai lần độ dài của liên kết cộng hóa trị O-H trong một phân tử nước. Liên kết hydrogen giữa hai phân tử nước (xấp xỉ 5kcal/mol) mạnh hơn so với liên kết hydrogen tạo thành giữa nhiều phân tử sinh học khác (1-2kcal/mol) nhưng yếu hơn nhiều so với các liên kết cộng hóa trị O-H (gần 110kcal/mol). Liên kết hydrogen hình thành rộng khắp trong nước tạo ra nhiều tính chất trọng yếu của hợp chất này, bao gồm nhiệt độ sôi và nhiệt độ tan bất thường cũng như khả năng tương tác, hòa tan nhiều chất khác.

Hình 1.15: Ion Mg²⁺ và các phân tử nước xung quanh.

Độ hòa tan của các chất không tích điện trong dung dịch phụ thuộc nhiều vào khả năng tạo liên kết hydrogen với nước. Ví dụ như các nhóm hydroxyl trong ancol và nhóm amine trong amine có thể tạo thành một số liên kết hydrogen nên chúng dễ hòa tan vào nước. Nhìn chung các phân tử chứa liên kết phân cực, các phân tử tích điện và ion có thể tạo liên kết hydrogen nên dễ hòa tan trong nước, hay nói cách khác là chúng ưa nước. Ngoài amine và hydroxyl, nhiều phân tử sinh học khác còn chứa nhóm peptide và ester. Những nhóm này tham gia tạo liên kết hydrogen với nước thông qua cặp điện tử chưa cặp đôi tại oxy của nhóm carbonyl. Chụp ảnh tinh thể dùng tia X kết hợp với phân tích máy tính cho phép đồ họa chính xác phân bố điện tử không chia lớp ngoài cùng của các nguyên tử cũng như điện tử tham gia tạo liên kết cộng hóa trị.

Hình 1.16: Một số dạng liên kết hydrogen điển hình

Tương tác van der Waals do các lưỡng cực điện tạm thời gây ra

Hình 1.17: Minh họa sự khác nhau về tính chất vật lí của các phân tử có tương tác lưỡng cực.

Khi hai nguyên tử lại gần nhau, chúng tạo ra lực hút yếu và không đặc hiệu, gọi là tương tác van der Waals. Nguyên nhân tạo ra những tương tác không đặc hiệu này là do dao động tự do ngắn hạn của điện tử trong nguyên tử tạo ra phân bố điện tích bất đối xứng. Nếu hai nguyên tử liên kết không cộng hóa trị đủ gần nhau, điện tử của một nguyên tử sẽ xáo trộn điện tử của một nguyên tử khác. Sự xáo trộn này tạo ra lưỡng cực điện tạm thời trong nguyên tử thứ hai và hai lưỡng cực điện này tạo ra lực hút yếu lẫn nhau. Tương tự, liên kết cộng hóa trị phân cực của một phân tử sẽ hút nguyên tử khác theo nhiều lưỡng cực ngược lại.

Hình1.18: Liên kết cộng hóa trị và liên kết Van der Walls

Như vậy tương tác Van der Waals là do các lưỡng cực điện tạm thời hoặc cố định gây ra và tồn tại trong mọi loại phân tử, phân cực cũng như không phân cực. Đặc biệt, tương tác Van der Waals giúp cố kết các phân tử không phân cực do chúng không thể tạo ra liên kết hydrogen hoặc tương tác ion với các phân tử khác. Vì cường độ tương tác Van der Waals giảm nhanh chóng khi khoảng cách tăng nhanh nên liên kết này chỉ tạo thành khi các nguyên tử ở rất gần nhau. Tuy nhiên nếu các nguyên tử nằm quá gần, chúng sẽ đẩy nhau ra bởi điện tích âm của nguyên tử. Khi lực hút Van der Waals giữa hai nguyên tử cân bằng chính xác với lực đẩy giữa hai đám mây điện tử (orbital), ta gọi các nguyên tử đang tiếp xúc Van der Waals. Tương tác Van der Walls có cường độ khoảng 1 kcal/mol, yếu hơn liên kết hydrogen điển hình và chỉ lớn hơn một chút so với nhiệt năng của phân tử tại 25^oC. Vì vậy cần nhiều tương tác Van der Waals cùng với các tương tác không cộng hóa trị khác để có thể ảnh hưởng đáng kể tới độ bền của tiếp xúc trong các phân tử.

Hiệu ứng kị nước làm các phân tử không phân cực kết tụ

Hình1.19: Hiệu ứng kị nước. Trong dung dịch, nước quanh phân tử không phân cực tạo thành bộ khung có trật tự cao hơn các phân tử nước còn lại. Do vậy, các phân tử không phân cực tích tụ lại làm giảm số phân tử nước cần cho bộ khung này tạo ra trạng thái entropy cao hơn (mất trật tự hơn, bền hơn). Trạng thái này có lợi hơn về mặt năng lượng (bên phải) so với (bên trái).

Vì các phân tử không phân cực chứa các nhóm tích điện, không có moment lưỡng cực hoặc được hydrate hóa nên chúng không hoặc hầu như không tòa tan trong nước hay nói cách khác, chúng có tính kị nước. C-C và C-H là những liên kết cộng hóa trị không phân cực phổ biến nhất trong hệ sinh học. Hydrocarbon là loại phân tử chỉ chứa carbon và hydrogen và hầu như không tan trong nước, đặc biệt ở các phân tử có số carbon cao. Chất béo động vật và dầu thực vật có bản chất là triacylglycerol lớn (hay triglyceride) cũng không hòa tan trong nước. Thành phần phân tử chính của chúng là các chuỗi hydrocarbon dài. Sau khi lắc hỗn hợp trong nước, triacylglycerol tách ra thành pha riêng.

Các phân tử không phân cực một phần hoặc hoàn toàn thường có khuynh hướng kết tụ trong nước bởi hiệu ứng kị nước. Do không thể tạo liên kết hydrogen với chất không phân cực nên nước tổ chức thành những chiếc “lồng” tương đối chặt, hình ngũ giác và lục giác với cạnh là các liên kết hydrogen. Hệ thống lồng này vây quanh các phân tử không phân cực. Hình thái này không có lợi về mặt năng lượng vì nó làm giảm entropy của mật độ các phân tử nước. (Các vai trò của từng hệ thống hóa học sẽ được thảo luận trong phần sau). Nếu các phân tử không phân cực trong dung dịch kết tụ lại sao cho các bề mặt kị nước quay vào nhau thì cùng bề mặt kị nước tiếp xúc với nước sẽ giảm đi. Bằng cách này, ta sẽ cần ít nước hơn để tạo thành lồng bao quanh và do đó entropy tăng lên (trạng thái có lợi hơn về mặt năng lượng) tương đối so với trạng thái không kết tụ. Để dễ hiểu, ta tưởng tượng nước ép các phân tử không phân cực kết tụ lại với nhau. Thay vì hình thành lực hút như liên kết hydrogen, hiệu ứng kị nước xảy ra để tránh trạng thái bất ổn định (quá nhiều lồng nước vậy quanh từng phân tử không phân cực sẽ không bền về mặt năng lượng).

Hình 1.20: Các protein gắn với nhau theo phương cách bổ sung phân tử và nhiều tương tác không cộng hóa trị khác.

Phân tử không phân cực cũng có thể không phân ly (mặc dù yếu), nhờ tương tác van der Waals. Kết quả cuối cùng của tương tác kị nước van der Waals là khuynh hướng các phân tử kị nước tương tác rất mạnh với nhau mà điều này không với nước. Nói đơn giản hơn, những gì giống nhau sẽ tan/hòa lẫn/tiếp cận vào nhau. Các phân tử phân cực hòa tan trong dung môi phân cực như nước, các phân tử không phân cực hòa tan trong dung môi không phân cực như hexane.

Độ tương hợp phân tử do các tương tác không cộng hóa trị chi phối cho phép các phân tử sinh học gắn với nhau vừa rất chặt vừa rất đặc hiệu . Cả bên trong lẫn bên ngoài tế bào, các ion lẫn các phân tử thường xuyên va vào nhau. Nồng độ càng cao, hai phân tử càng dễ chạm trán. Khi hai phân tử tiếp xúc, hầu hết trường hợp chúng đẩy nhau ra vì tương tác không cộng hóa trị nếu có hình thành giữa chúng cũng rất yếu và chỉ tồn tại rất ngắn tại nhiệt độ sinh lý. Tuy nhiên nếu chúng có độ tương hợp phân tử (cấu hình ăn khớp nhau như ổ khóa và chìa khóa) thì điện tích hoặc các tính chất vật lý khác có thể tạo ra nhiều liên kết cộng hóa trị giữa chúng. Hai phân tử với cấu trúc bổ sung như vậy dễ gắn với nhau khi va vào nhau.

Hai phân tử có thể gắn chặt (mạnh) hoặc lỏng (yếu) tùy theo số lượng và cường độ tương tác không cộng hóa trị được tạo ra giữa chúng. Điều này mang tính quyết định, như khả năng hai protein gắn bền vững hay tạm thời với nhau chẳng hạn. Ái lực và độ tương đồng (tiết diện, khoảng cách, hình dạng) giữa hai phân tử càng cao thì chúng càng gắn chặt với nhau do có nhiều liên kết không cộng hóa trị hơn hình thành. Chỉ số định lượng quan trọng là hằng số phân ly K_d sẽ được đề cập sau. Hầu như mọi phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào cũng phụ thuộc vào các tính chất gắn của enzyme. Những protein này không chỉ làm tăng tốc (hay xúc tác) phản ứng mà còn làm vậy với tính đặc hiệu cao, tức chúng có khả năng gắn chặt với một hay một số rất ít những phân tử có tính chất gần giống nhau. Tính đặc hiệu của các phản ứng và tương tác nội phân tử phụ thuộc vào độ bổ sung nội tại phân tử, rất thiết yếu cho nhiều quá trình quan trọng của sự sống.

Hình 1.21: Sự quan trọng của phân tử H₂O trong cấu trúc của protein. Phân tử H₂O (oxygen màu đỏ, hydrogen màu xám) và vị trí của nó ở giữa chỗ bám 2 tiểu đơn vị của Hb.

Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

ĐẠI CƯƠNG LIÊN KẾT HÓA HỌC

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Tổng quan

Sự sống của tế bào phụ thuộc vào hàng ngàn phản ứng và tương tác hóa học. Những phản ứng và tương tác này phối hợp rất phức tạp và tinh vi theo không gian, thời gian và các thuộc tính sinh học,.... Nghiên cứu những tương tác và phản ứng như vậy ở mức độ phân tử sẽ giúp chúng ta giải đáp các câu hỏi cơ bản về sự sống của tế bào.

Hình 1.1: Các phân tử hóa học và tương tác hóa học điển hình trong giới sinh học.

Điều thú vị là, bạn sẽ không thể hiểu sinh học phân tử nếu không thực sự hiểu các tính chất của phân tử H₂O và cách nó kiểm sự sống. Như ta đã biết, sự sống đầu tiên được phát sinh từ môi trường nước. Nó chiếm 70-80% trọng lượng của hầu hết các loại tế bào. Chính trong môi trường này, các tiểu phân tử và ion (chi chiếm khoảng 6-8%) lắp ráp thành đại phân tử, đại phân tử tích hợp thành bào quan và hình thể của tế bào, tức toàn bộ khối lượng còn lại của cơ thể sinh vật. Các phân tử đó gồm amino acid, nucleotide, lipid và glucid.

Nhiều phân tử sinh học dễ hòa tan trong nước, do vậy chúng được gọi là phân tử ưa nước. Các phân tử khác là chất dạng béo,tạo sự phân tách lớp với nước nên chúng có thuộc tính kị nước. Ngoài ra, nhiều phân tử sinh học khác như phosphatidyl inositol chẳng hạn, có cả vùng kị nước và ưa nước, vì vậy được gọi là phân tửlưỡng tính. Các phân tử phospholipid cấu thành màng linh động được ví như bức tường bao quanh tế bào và các bào quan. Hoạt động nhịp nhàng của tế bào, mô và sinh vật phụ thuộc vào tất cả các loại phân tử kể trên, từ những phân tử nhỏ nhất đến lớn nhất. Thật vậy, xét trên sự sinh tồn của loài người thì một ion dù đơn giản đơn giản đến đâu (H⁺) cũng đóng vai trò quan trọng không kém cạnh những phân tử DNA lớn hơn nhiều lần mang mã di truyền(Khối lượng DNA trong nhiễm sắc thể số 1 của người gấp 8,6x10¹⁰ lần khối lượng H⁺). Từ đó chúng ta dễ dàng nhận ra rằng chính tương tác hóa học của tất cả các phân tử lớn, nhỏ này với nước và với nhau định hình bản chất của sự sống.

Hình 1.2: Diễn tả 3 con đường chuyển hóa chính. (a) hội tụ (converging) và dị hóa (catabolism). (b) hội tụ và đồng hóa (c) chuyển hóa theo chu trình với chìa khóa là acetate.

Trong khi có rất nhiều loại phân tử sinh học tham gia tương tác và phản ứng trong rất nhiều con đường phức tạp để tạo nên tế bào và sinh vật sống thì số nguyên lý hóa học cần để hiểu các quá trình tạo nên mức độ phân tử lại không thay đổi dù sinh vật đã trải qua hàng triệu năm tiến hóa. Trong quyển sách nhỏ này, chúng ta sẽ cùng nhau lần lượt tìm hiểu các nguyên lý đó. Để đơn giản vấn đề, chúng ta bắt đầu với liên kết cộng hóa trị với vai trò kết nối nguyên tử thành phân tử. Tiếp đến là những liên kết không cộng hóa trị, giúp ổn định nhóm nguyên tử cấu trúc nên phần chức năng bên trong và giữa các phân tử. Sau đó sẽ đề cập đến những tính chất quan trọng nhất của các đơn vị cấu trúc hóa học cơ bản tham gia cấu tạo nên cácđại phân tử và tập hợp đại phân tử trong mối quan hệ tổng hòa của tế bào.

Liên kết cộng hóa trị và tương tác không cộng hóa trị

Lực hấp dẫn giữa các nguyên tử là lực điện trường nối chúng lại với nhau trong phân tử. Các phân tử sinh học cũng tương tác với nhau thông qua lực này. Các lực mạnh tạo thành liên kết cộng hóa trị khi hai nguyên tử dùng chung một (liên kết đơn) hoặc nhiều cặp điện tử (liên kết đôi, liên kết ba…). Lực hấp dẫn yếu trong các tương tác không cộng hóa trị cũng quan trọng bởi chúng xác định tính chất và chức năng của nhiều phân tử sinh học như protein, acid nucleic, carbohydrate và lipid.

Hình 1.3: Giản đồ năng lượng của các lớp và phân lớp electron quay xung quanh hạt nhân

Hình1.4: Trình bày số liên kết cộng hóa trị có thể hình thành bởi các nguyên tử phổ biến. Thông thường trong cơ thể sinh vật, nguyên tử hydrogen chỉ tạo một liên kết cộng hóa trị. Nguyên tử oxy thường chỉ tạo hai liên kết cộng hóa trị nhưng vẫn dư hai cặp điện tử để có thể tham gia tương tác không cộng hóa trị. Lưu huỳnh tạo hai liên kết cộng hóa trị trong sulfurhydrogen (H₂S) nhưng cũng có thể tạo 6 liên kết cộng hóa trị như trong acid sulfuric (H₂SO₄) và dẫn xuấtlưu huỳnh của nó. nitrogen và phosphorus có 5 điện tử lớp ngoài cùng. Trong amonia (NH₃), nitrogen (tham gia tạo ba liên kết cộng hóa trị; cặp điện tử còn dư có thể tham gia tương tác không cộng hóa trị. Trong ion amoni (NH₄⁺), nitrogen tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị tạo nên cấu hình tứ diện đều. Phosphorus thường tạo ra 5 liên kết cộng hóa trị như trong acid phosphoric (H₃PO₄) và các dẫn xuấtphosphate tạo thành khungacid nucleic. Các nhóm phosphate gắn cộng hóa trị với protein đóng vai trò chính trong điều hòa hoạt tính của nhiều protein và cả trong cơ chế tạo năng lượng của ATP. (Xem thêm chương 9)

Cấu hình điện tử của nguyên tử xác định số lượng và tính chất của các liên kết cộng hóa trị mà nó tạo thành Hydrogen, oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, lưu huỳnh là các chất phổ biến nhất trong phân tử sinh học. Những nguyên tử này rất ít khi tồn tại độc lập mà luôn tham gia tạo liên kết để trở thành hợp chất. Chúng  hình thành liên kết cộng hóa trị sử dụng điện tử nằm trong orbital lớp ngoài cùng. Số lượng và mô hình liên kết cộng hóa trị  mà một nguyên tử có thể tạo thành các nguyên tử khác là đặc trưng cho nguyên tử đó. Kích thước nguyên tử, phân bố diện tích và số điện tích có thể góp chung quyết định mô hình liên kết. Một số nguyên tử luôn tạo thành số liên kết cộng hóa trị bền cố định.

Hình 1.5: Các ví dụ hình thành liên kết sigma của hydrogen và fluorine

Carbon là trung tâm tổ chức của tất cả các cấu trúc phân tử sinh học. Carbon thường hình thành bốn liên kết cộng hóa trị với ba hoặc bốn nguyên tử khác. Ví dụ, carbon của phân tử formaldehyde có thể liên kết với ba nguyên tử trên một mặt phẳng. Ở đó, carbon tham gia tạo hai liên kết đơn với hai nguyên tử và một liên kết đôi (sử dụng hai cặp electron góp chung) với nguyên tử thứ ba. Khi không bị các chướng ngại lập thể, nguyên tử tham gia liên kết đơn thường quay tự do quanh trục liên kết, trong khi các nguyên tử tham gia liên kết đôi thì không thể. Mặt phẳng cố định do liên kết đôi áp đặt có nghĩa vô cùng to lớn đối với hình dạng và độ linh động của các phân tử sinh học như phospholipid, protein, và acid nucleic.

 

Hình 1.6: Hai cơ chế cắt của liên kết C-C, C-H. Nếu cắt đồng thể, mỗi nguyên tử sẽ giữ một electron liên kết, do vậy hình thành nên các góc tự do có hoạt tính cao. Trong cắt dị thể, một trong hai nguyên tử sẽ giữcặp electron, do vậy tạo ra các ion. Đây là cơ sở của nhiều phản phản ứng hữu/vô cơ xảy ra trong tế bào sống, đặc biệt cần nhấn mạnh vai trò của các góc tự do (xem thêm chương viết về Apoptosis và NO).

Carbon cũng có thể gắn với bốn nguyên tử như trong phân tử methane (CH₄). Trong trường hợp này, góc giữa hai liên kết luôn là 109^o28’và các nguyên tử tham gia liên kết nằm tại bốn đỉnh của hình tứ diện. Cấu hình này xác định cấu trúc của nhiều phân tử sinh học. Carbon liên kết với bốn phân tử hoặc các nhóm chức khác nhau theo cấu hình không phẳng gọi là carbon bất đối xứng, tạo ra hai đồng phân là ảnh qua gương của nhau. Đặc tính này có tên tính chất triền quang (chyrality) và các phân tử như vậy đươc coi là đồng phân quang học, hay đồng phân lập thể. Nhiều phân tử trong tế bào chứa  ít nhất một nguyên tử carbon bất đối xướng, thường gọi là nguyên tử carbon quang học. Hoạt tính sinh học của các đồng phân lập thể thường hoàn toàn khác biệt. Điều này là do sắp xếp của các nguyên tử trong cấu trúc khác nhau nên chúng chỉ có duy nhất một phương thức tương tác và phản ứng hóa học với các phân tử khác.

 

Hình 1.7: Sơ đồ hình thành phân tử Methane và trong lý thuyết lai hóa.

Một số loại thuốc chứa hỗn hợp đồng phân lập thể của các tiểu phân tử nhưng chỉ trong một/một số đó mang lại hoạt tính sinh học có lợi. Do đó sử dụng duy nhất một đồng phân lập thể tinh khiết có thể đem lại hiệu lực cao hơn và ít tác dụng phụ. Ví dụ,có một đồng phân lập thể của thuốc ức chế trầm cảm citalopram (Celexa) có hiệu lực cao gấp 170 lần những đồng phân khác. Hoạt tính sinh học của một số đồng phân lập thể rất khác nhau. Darvon là thuốc giảm đau trong khi đồng phân lập thể của nó Novrad (Darvon viết ngược lại) là thuốc giảm ho. Một đồng phân lập thể của ketamine là thuốc tê, trong khi đồng phân lập thể khác của nó lại gây ảo giác.

Hình 1.8: Phân tử methane hoàn chỉnh, C ở dạng lai hóa sp³ và góc liên kết.

Hình 1.9: Cấu trúc 3 chiều của Methane và Formaldehyde.

Trong liên kết cộng hóa trị, điện tử góp chung có thể nằm cân bằng hoặc lệch về một phía. Độ âm điện là mức độ mà một nguyên tử có khả năng kéo điện tử về phía mình. Khi hai nguyên tử có độ âm điện bằng/gần bằng nhau thì cặp điện tử tham gia liên kết về cơ bản sẽ nằm cân bằng giữa hai nguyên tử như trường hợp liên kết C-C và C-H là ví dụ. Liên kết này thuộc nhóm không phân cực. Tuy nhiên  trong nhiều phân tử, các nguyên tử tham gia liên kết có độ âm điện khác nhau nên cặp điện tử góp chung nằm lệch về một phía. Các liên kết như vậy giữa chúng được gọi là liên kết cộng hóa trị phân cực.

Một đầu của liên kết phân cực có cảm ứng điện tích âm hơn (δ^-) và đầu kia có cảm ứng điện tích dương hơn(δ⁺). Ví dụ trong liên kết O-H, O có độ âm điện lớn hơn H nên các điện tử dành nhiều thời gian để quanh xung quanh nguyên tử O hơn (orbital bị “bóp méo” hơn). Do vậy liên kết O-H có tính lưỡng điện tức hai đầu liên kết tích điện ngang bằng nhưng trái dấu. Trong lưỡng cực điện O-H, (δ^-)  trên O bằng khoảng 25% điên tích của điện tử, giá trị tuyệt đối của nó cũng gần bằng (δ⁺) trên H. Bởi vì hai liên kết O-H của nước không nằm đối xứng qua O (vì O đang ở trạng thái lai hóa sp³) nên phân tửH₂Ocó tính phân cực và có khả năng tạo các tương tác tĩnh điện mạnh/yếu không cộng hóa trị giữa chúng với nhau và với phân tử khác. Những tương tác này đóng vai trò trọng yếu trong tế bào và do đó là cơ sở cho sinh học tế bào.

Nguyên tử nguyên tố P (đang ở trạng thái số oxi hóa +5) trong H₃PO₄ tạo ra hiện tượng cộng hưởng lai hóa (resonance hybrid). Tầm quan trọng của phân tử này và các đồng đẳng của nó sẽ được thảo luận sâu hơn ở một chương khác.

Liên kết cộng hóa trị mạnh hơn bền hơn nhiều các tương tác không cộng hóa trị. Liên kết cộng hóa trị rất ổn định (tức mạnh) bởi vì năng lượng cần thiết để phá vỡ chúng lớn hơn nhiều so với nhiệt năng tại nhiệt độ phòng (25^oC) hoặc nhiệt độ cơ thể (37^oC). Ví dụ, nhiệt năng tại 25^oC bằng khoảng 0,6 Kcal/mol trong khi năng lượng cần để phá vỡ liên kết đơn C-C trong ethane gấp khoảng 140 lần. Do đó tại nhiệt độ phòng (25^oC) có ít hơn một phần 10¹² phân tử ethane bị phá vỡ thành hai góc tự do CH₃ chứa điện tử không cặp đôi (gọi là một góc).

Hình1.10: Phân bố điện tử lớp ngoài cùng tham gia và không tham gia liên kết của nhóm peptide.

Năng lượng liên kết đơn cộng hóa trị trong phân tử sinh học tương đương với năng lượng liên kết C-C của ethane. So với liên kết đơn thì liên kết đôi cần nhiều điện tử góp chung hơn để hình thành nên cũng cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ. Ví dụ, cần 84 Kcal/mol để phá vỡ liên kết đôi C=O. Những liên kết đôi phổ biến nhất trong các phân tử sinh học là C=O, C=N, C=C và P=O.

Hình1.11: biểu đồ năng lượng của một số liên kết.

Ngược lại, năng lượng liên kết của các tương tác không cộng hóa trị chỉ từ 1 đến 5Kcal/mol, thấp hơn rất nhiều so với của liên kết cộng hóa trị. Thật vậy, tương tác không cộng hóa trị yếu đến nổi chúng hình thành và phá vỡ với vận tốc ngang nhau tại nhiệt độ phòng. Mặc dù yếu và tồn tại ngắn ở nhiệt độ sinh lý (24-37^oC,nhiều tương tác không cộng hóa trị có thể cùng hoạt động tương hỗ). Điều này tạo ra những kết hợp đặc hiệu và ổn định giữa các thành phần khác nhau của một phân tử lớn hoặc giữa các đại phân tử. Dưới đây chúng ta điểm lại bốn loại tương tác không cộng hóa trị chính, sau đó xem xét vai trò gắn kết các phân tử sinh học với nhau và với các phân tử khác của chúng.

Hình 1.12: Hiện tượng cố định và xoay của liên kết cộng hóa trị ảnh hưởng tới tính chất vật lí và hóa học của các acid hữu cơ. Các phản ứng β oxi hóa phân tử có nối đôi đa số chỉ có ở các phân tử có cấu hình trans.

 

Tương tác ion là lực hút giữa các ion mang điện tích trái dấu

Hình 1.13: Mô phỏng tinh thể NaCl (một tinh thể ion điển hình) và công thức tính độ bền liên kết.

Tương tác ion hình thành từ các ion tích điện dương(cation) và ion tích điện âm (anion). Ví dụ, trong NaCl cặp điện tử góp chung của Na hoàn toàn chuyển tới Cl. Không giống như liên kết cộng hóa trị, tương tác ion không có nhiều cấu hình đặc hiệu hoặc cố định vì trường tĩnh điện xoay quanh ion (lực hút của ion với một điện tích trái dương) đồng nhất theo mọi chiều. Trong NaCl rắn, nhiều ion gắn chặt với nhau theo mô hình sao cho các điện tích trái dấu sắp thẳng hàng và do đó tạo thành mạng lưới tinh thể có tổ chức cao (tinh thể muối).

Khi hòa tan trong nước, các ion của NaCl phân ly và được ổn định hóa bởi  tương tác với nước. Trong dung dịch, lớp vỏ nước bao quanh các ion đơn giản và có giá trị sinh học như Na⁺ ,K⁺,Ca²⁺,Mg²⁺, và Cl^-. Lớp vỏ này hình thành bởi tương tác ion giữa ion trung tâm và các đầu mang điện tích trái dấu của phân tử nước lưỡng cực. Hiện tượng này gọi là hydrate hóa và năng lượng giải phóng khi các ion liên kết với các phân tử nước gọi là năng lượng hydrate hóa (với các dung môi khác thì gọi là solvate hóa). Hầu hết các ion dễ hòa tan trong nước vì năng lượng hydrate hóa lớn hơn năng lượng mạng lưới tinh thể (E). Khi các ion tương tác trực tiếp với protein lớp vỏ hydrate cần được loại bỏ.  Ví dụ, lớp vỏ hydrate biến mất khi ion đi qua lỗ protein trên màng tế bào trong dẫn truyền xung thần kinh.

Cường độ tương đối của tương tác giữa ion A^‑ và C⁺ phụ thuộc vào nồng độ của các ion khác trong dung dịch. Nồng độ các ion  khác càng cao ( ví dụ Na⁺ và Cl^-) thì A^- và C⁺ càng có nhiều cơ hội tương tác ion với những ion nay và do đó năng lượng cần để phá vỡ tương tác giữa A^- và C⁺ càng thấp. Kết quả là tăng nồng độ muối (ví dụ NaCl) trong dung dịch chứa các phân tử sinh học có thể làm yếu và thậm chí phá vỡ tương tác ion giữa chúng.

Liên kết hydrogen và độ hòa tan trong nước của phân tử không tích điện

Hình 1.14: Hiện tượng định hướng – cảm ứng -  khuếch tán điện tích.

Liên kết hydrogen là tương tác giữa nguyên tửhydrogen tích điện dương trong phân tử lưỡng cực(ví dụ nước) với điện tử không chia của nguyên tử khác. Liên kết hydrogen có thể hình thành trong cùng một phân tử(nội phân tử) hoặc giữa hai phân tử (liên phân tử). Thông thường  nguyên tử hydrogen chỉ tham gia tạo liên kết cộng hóa trị với ngyên tử có độ âm điện (D) sẽ tạo ra phân tử phân cực. Trong phân tử này, H có thể tham gia tạo liên kết hydrogen với nguyên tử nhận (A) có một cặp điện tử chưa liên kết:

Liên kết cộng hóa trị D-H lúc này sẽ dài hơn một chút so với khi không có liên kết hydrogen do A kéo H ra xa D. Đặc trưng quan trọng của mọi liên kết hydrogen là tính định hướng. Trong các liên kết hydrogen mạnh nhất , nguyên tử cho, nguyên tử hydrogen và nguyên tử nhận cùng nằm trên một đường thẳng(tuyến tính). Các liên kết hydrogen phi tuyến yếu hơn nhưng nhiều liên kết như vậy giúp ổn định cấu trúc lập thể của protein.

Liên kết hydrogen dài hơn và yếu hơn liên kết cộng hóa trị hình thành từ cùng loại nguyên tử. Ví dụ giữa hai phân tử nước, khoảng cách giữa hạt nhân của hydrogen và oxy trong liên kết hydrogen là khoảng 0.27 nm. Giá trị này gấp khoảng hai lần độ dài của liên kết cộng hóa trị O-H trong một phân tử nước. Liên kết hydrogen giữa hai phân tử nước (xấp xỉ 5kcal/mol) mạnh hơn so với liên kết hydrogen tạo thành giữa nhiều phân tử sinh học khác (1-2kcal/mol) nhưng yếu hơn nhiều so với các liên kết cộng hóa trị O-H (gần 110kcal/mol). Liên kết hydrogen hình thành rộng khắp trong nước tạo ra nhiều tính chất trọng yếu của hợp chất này, bao gồm nhiệt độ sôi và nhiệt độ tan bất thường cũng như khả năng tương tác, hòa tan nhiều chất khác.

Hình 1.15: Ion Mg²⁺ và các phân tử nước xung quanh.

Độ hòa tan của các chất không tích điện trong dung dịch phụ thuộc nhiều vào khả năng tạo liên kết hydrogen với nước. Ví dụ như các nhóm hydroxyl trong ancol và nhóm amine trong amine có thể tạo thành một số liên kết hydrogen nên chúng dễ hòa tan vào nước. Nhìn chung các phân tử chứa liên kết phân cực, các phân tử tích điện và ion có thể tạo liên kết hydrogen nên dễ hòa tan trong nước, hay nói cách khác là chúng ưa nước. Ngoài amine và hydroxyl, nhiều phân tử sinh học khác còn chứa nhóm peptide và ester. Những nhóm này tham gia tạo liên kết hydrogen với nước thông qua cặp điện tử chưa cặp đôi tại oxy của nhóm carbonyl. Chụp ảnh tinh thể dùng tia X kết hợp với phân tích máy tính cho phép đồ họa chính xác phân bố điện tử không chia lớp ngoài cùng của các nguyên tử cũng như điện tử tham gia tạo liên kết cộng hóa trị.

Hình 1.16: Một số dạng liên kết hydrogen điển hình

Tương tác van der Waals do các lưỡng cực điện tạm thời gây ra

Hình 1.17: Minh họa sự khác nhau về tính chất vật lí của các phân tử có tương tác lưỡng cực.

Khi hai nguyên tử lại gần nhau, chúng tạo ra lực hút yếu và không đặc hiệu, gọi là tương tác van der Waals. Nguyên nhân tạo ra những tương tác không đặc hiệu này là do dao động tự do ngắn hạn của điện tử trong nguyên tử tạo ra phân bố điện tích bất đối xứng. Nếu hai nguyên tử liên kết không cộng hóa trị đủ gần nhau, điện tử của một nguyên tử sẽ xáo trộn điện tử của một nguyên tử khác. Sự xáo trộn này tạo ra lưỡng cực điện tạm thời trong nguyên tử thứ hai và hai lưỡng cực điện này tạo ra lực hút yếu lẫn nhau. Tương tự, liên kết cộng hóa trị phân cực của một phân tử sẽ hút nguyên tử khác theo nhiều lưỡng cực ngược lại.

Hình1.18: Liên kết cộng hóa trị và liên kết Van der Walls

Như vậy tương tác Van der Waals là do các lưỡng cực điện tạm thời hoặc cố định gây ra và tồn tại trong mọi loại phân tử, phân cực cũng như không phân cực. Đặc biệt, tương tác Van der Waals giúp cố kết các phân tử không phân cực do chúng không thể tạo ra liên kết hydrogen hoặc tương tác ion với các phân tử khác. Vì cường độ tương tác Van der Waals giảm nhanh chóng khi khoảng cách tăng nhanh nên liên kết này chỉ tạo thành khi các nguyên tử ở rất gần nhau. Tuy nhiên nếu các nguyên tử nằm quá gần, chúng sẽ đẩy nhau ra bởi điện tích âm của nguyên tử. Khi lực hút Van der Waals giữa hai nguyên tử cân bằng chính xác với lực đẩy giữa hai đám mây điện tử (orbital), ta gọi các nguyên tử đang tiếp xúc Van der Waals. Tương tác Van der Walls có cường độ khoảng 1 kcal/mol, yếu hơn liên kết hydrogen điển hình và chỉ lớn hơn một chút so với nhiệt năng của phân tử tại 25^oC. Vì vậy cần nhiều tương tác Van der Waals cùng với các tương tác không cộng hóa trị khác để có thể ảnh hưởng đáng kể tới độ bền của tiếp xúc trong các phân tử.

Hiệu ứng kị nước làm các phân tử không phân cực kết tụ

Hình1.19: Hiệu ứng kị nước. Trong dung dịch, nước quanh phân tử không phân cực tạo thành bộ khung có trật tự cao hơn các phân tử nước còn lại. Do vậy, các phân tử không phân cực tích tụ lại làm giảm số phân tử nước cần cho bộ khung này tạo ra trạng thái entropy cao hơn (mất trật tự hơn, bền hơn). Trạng thái này có lợi hơn về mặt năng lượng (bên phải) so với (bên trái).

Vì các phân tử không phân cực chứa các nhóm tích điện, không có moment lưỡng cực hoặc được hydrate hóa nên chúng không hoặc hầu như không tòa tan trong nước hay nói cách khác, chúng có tính kị nước. C-C và C-H là những liên kết cộng hóa trị không phân cực phổ biến nhất trong hệ sinh học. Hydrocarbon là loại phân tử chỉ chứa carbon và hydrogen và hầu như không tan trong nước, đặc biệt ở các phân tử có số carbon cao. Chất béo động vật và dầu thực vật có bản chất là triacylglycerol lớn (hay triglyceride) cũng không hòa tan trong nước. Thành phần phân tử chính của chúng là các chuỗi hydrocarbon dài. Sau khi lắc hỗn hợp trong nước, triacylglycerol tách ra thành pha riêng.

Các phân tử không phân cực một phần hoặc hoàn toàn thường có khuynh hướng kết tụ trong nước bởi hiệu ứng kị nước. Do không thể tạo liên kết hydrogen với chất không phân cực nên nước tổ chức thành những chiếc “lồng” tương đối chặt, hình ngũ giác và lục giác với cạnh là các liên kết hydrogen. Hệ thống lồng này vây quanh các phân tử không phân cực. Hình thái này không có lợi về mặt năng lượng vì nó làm giảm entropy của mật độ các phân tử nước. (Các vai trò của từng hệ thống hóa học sẽ được thảo luận trong phần sau). Nếu các phân tử không phân cực trong dung dịch kết tụ lại sao cho các bề mặt kị nước quay vào nhau thì cùng bề mặt kị nước tiếp xúc với nước sẽ giảm đi. Bằng cách này, ta sẽ cần ít nước hơn để tạo thành lồng bao quanh và do đó entropy tăng lên (trạng thái có lợi hơn về mặt năng lượng) tương đối so với trạng thái không kết tụ. Để dễ hiểu, ta tưởng tượng nước ép các phân tử không phân cực kết tụ lại với nhau. Thay vì hình thành lực hút như liên kết hydrogen, hiệu ứng kị nước xảy ra để tránh trạng thái bất ổn định (quá nhiều lồng nước vậy quanh từng phân tử không phân cực sẽ không bền về mặt năng lượng).

Hình 1.20: Các protein gắn với nhau theo phương cách bổ sung phân tử và nhiều tương tác không cộng hóa trị khác.

Phân tử không phân cực cũng có thể không phân ly (mặc dù yếu), nhờ tương tác van der Waals. Kết quả cuối cùng của tương tác kị nước van der Waals là khuynh hướng các phân tử kị nước tương tác rất mạnh với nhau mà điều này không với nước. Nói đơn giản hơn, những gì giống nhau sẽ tan/hòa lẫn/tiếp cận vào nhau. Các phân tử phân cực hòa tan trong dung môi phân cực như nước, các phân tử không phân cực hòa tan trong dung môi không phân cực như hexane.

Độ tương hợp phân tử do các tương tác không cộng hóa trị chi phối cho phép các phân tử sinh học gắn với nhau vừa rất chặt vừa rất đặc hiệu . Cả bên trong lẫn bên ngoài tế bào, các ion lẫn các phân tử thường xuyên va vào nhau. Nồng độ càng cao, hai phân tử càng dễ chạm trán. Khi hai phân tử tiếp xúc, hầu hết trường hợp chúng đẩy nhau ra vì tương tác không cộng hóa trị nếu có hình thành giữa chúng cũng rất yếu và chỉ tồn tại rất ngắn tại nhiệt độ sinh lý. Tuy nhiên nếu chúng có độ tương hợp phân tử (cấu hình ăn khớp nhau như ổ khóa và chìa khóa) thì điện tích hoặc các tính chất vật lý khác có thể tạo ra nhiều liên kết cộng hóa trị giữa chúng. Hai phân tử với cấu trúc bổ sung như vậy dễ gắn với nhau khi va vào nhau.

Hai phân tử có thể gắn chặt (mạnh) hoặc lỏng (yếu) tùy theo số lượng và cường độ tương tác không cộng hóa trị được tạo ra giữa chúng. Điều này mang tính quyết định, như khả năng hai protein gắn bền vững hay tạm thời với nhau chẳng hạn. Ái lực và độ tương đồng (tiết diện, khoảng cách, hình dạng) giữa hai phân tử càng cao thì chúng càng gắn chặt với nhau do có nhiều liên kết không cộng hóa trị hơn hình thành. Chỉ số định lượng quan trọng là hằng số phân ly K_d sẽ được đề cập sau. Hầu như mọi phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào cũng phụ thuộc vào các tính chất gắn của enzyme. Những protein này không chỉ làm tăng tốc (hay xúc tác) phản ứng mà còn làm vậy với tính đặc hiệu cao, tức chúng có khả năng gắn chặt với một hay một số rất ít những phân tử có tính chất gần giống nhau. Tính đặc hiệu của các phản ứng và tương tác nội phân tử phụ thuộc vào độ bổ sung nội tại phân tử, rất thiết yếu cho nhiều quá trình quan trọng của sự sống.

Hình 1.21: Sự quan trọng của phân tử H₂O trong cấu trúc của protein. Phân tử H₂O (oxygen màu đỏ, hydrogen màu xám) và vị trí của nó ở giữa chỗ bám 2 tiểu đơn vị của Hb.

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com