THÀNH PHẦN CÁC NGUYÊN TỐ, CÁC CHẤT VÔ CƠ VÀ HỮU CƠ PHÂN TỬ NHỎ ppt

Sinh khối và sự đa dạng hóa học Thế giới sinh vật rất đa dạng, các hợp chất tạo nên chúng thì muôn hình muôn vẽ, nhưng phân tích cho đến cùng tế bào cũng đều được cấu tạo từ các phân tử

PHẦN I

THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO

Nội dung chủ yếu :

- Chương I Thành phần các nguyên tố, các chất

vô cơ và hữu cơ phân tử nhỏ

- Chương II ADN và genomics

- Chương III Các axit ribônuclêic (ARN)

- Chương IV Prôtêin

CHƯƠNG I

THÀNH PHẦN CÁC NGUYÊN TỐ, CÁC CHẤT VÔ CƠ

VÀ HỮU CƠ PHÂN TỬ NHỎ

Nội dung chủ yếu:

1 Các nguyên tố và liên kết hóa học

2 Nước và các chất vô cơ

3 Các chất hữu cơ phân tử nhỏ

4 Sinh khối và sự đa dạng hóa học

Thế giới sinh vật rất đa dạng, các hợp chất tạo nên chúng thì muôn hình muôn vẽ, nhưng phân tích cho đến cùng tế bào cũng đều được cấu tạo từ các phân tử và nguyên tử Các phân tử sinh học cũng có cấu trúc và các tính chất hoá học thông thường Tuy nhiên, trong cơ thể sống

chúng là sản phẩm của quá trình tiến hoá lâu dài hàng tỉ năm, nên là các phân tử thích nghi nhất cho việc hoàn thành các chức năng sinh học, đồng thời chúng tương tác nhau tạo nên sự sống và

tuân theo các qui luật của sự sống

I CÁC NGUYÊN TỐ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC

1 Các nguyên tố trong cơ thể sống và tỉ lệ tương đối

Tế bào sống cũng được cấu tạo từ các nguyên tố vốn có trong thiên nhiên Tuy nhiên, trong

92 nguyên tố của thiên nhiên chỉ 25 có trong các sinh vật Nếu chỉ tính số các nguyên tố có trong

tất cả các sinh vật thì chỉ còn 16 Các nguyên tố có thể chia thành 3 nhóm theo tỉ lệ trọng lượng

cơ thể người:

- Các nguyên tố chiếm 96 % gồm : Oxygen (O = 65%), Carbon (C = 18,5%), Hydrogen (H = 9,5%), Nitrogen (N = 3,3%) Bốn nguyên tố O, C, H, N cùng với P và S tạo các chất hữu cơ

- Các nguyên tố chiếm 4% : Calcium (Ca = 1,5%), Phôtphor (P = 1%), Kalium hay Potassium (K=0,4%), Sulfur (S = 0,3%), Natrium hay Sodium (Na = 0,2%), Chlor (Cl = 0,2%) và Magnesium (Mg = 0,1%) Các nguyên tố Ca, K, Na, Cl, Mg tạo các ion Hai nhóm nguyên tố trên

có tỉ lệ lớn gọi là các nguyên tố đa lượng, chúng có trong tất cả các sinh vật

Các nguyên tố vi lượng chỉ có dấu vết, ít hơn 0,01% trọng lượng cơ thể người : Ferrum (Sắt

-Fe), Manganese (Mn), Cobalt (Co), Đồng (Cu), Kẽm (Zinc – Zn), Vanadium (V), Aluminium

(Al), Molybdenum (Mo), Iod (I), Silicium (Si), Selenum (Se), Thiếc (Sn), Chromium (Cr), Bor (B) (Năm nguyên tố tô đậm có trong cơ thể tất cả các sinh vật)

Sự sống đã sử dụng hợp lí từng nguyên tố tự nhiên với tỉ lệ và vai trò cụ thể Tỉ lệ tương đối và

tầm quan trọng các nguyên tố trong cơ thể người nêu trên bảng 2.1 Các nguyên tố vi lượng hay

vi tố như I od (I) và sắt (Fe) tuy rất ít (dấu vết), nhưng không thể thiếu, vì chúng tham gia trong

thành phần của nhiều hợp chất quan trọng cho hoạt động sống như các enzim, chlorophyll,…

Bảng 2.1 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

Oxygen (O) 65 Tham gia hô hấp; có trong nước và hầu hết các chất hữu cơ.

Carbon (C) 18,5 Tạo khung chất hữu cơ; có thể tạo liên kết với 4 nguyên tử khác.

Hydrogen (H) 9,5 Có trong hầu hết chất hữu cơ và thành phần của nước.

Nitrogen (N) 3,3 Thành phần của các prôtêin, axit nuclêic.

Calcium (Ca) 1,5 Thành phần của xương và răng; quan trọng trong co cơ, dẫn truyền xung

thần kinh, và đông máu.

Phôtphor (P) 1,0 Thành phần axit nuclêic; trong xương; rất quan trọng trong chuyển năng

lượng.

Kalium (K) 0.4

+) chủ yếu trong tế bào; quan trọng cho hoạt động thần kinh

và co cơ.

Sulfur (S) 0.3 Có trong thành phần của phần lớn prôtêin.

Natrium (Na) 0.2

+ chủ yếu trong dịch của mô; quan trọng trong cân bằng chất dịch; trong dẫn truyền xung thần kinh.

Magnesium(Mg) 0.1 Cần thiết cho máu và các mô; thành phần của nhiều hệ enzim quan trọng.

Chlor (Cl) 0.2 Anion (ion–) chủ yếu của dịch cơ thể; cân bằng nội dịch.

Sắt (Fe) vết

(Ferrum) Thành phần của hêmôglôbin, myôglôbin và một số enzim.

Iod ( I ) vết Thành phần của hoocmôn tuyến giáp (thyroid).

2 Các liên kết hóa học.

Các tính chất hóa học của một nguyên tố trước tiên được xác định bởi số lượng và sự sắp

xếp của các điện tử lớp năng lượng ngoài cùng

Các nguyên tố của một hợp chất luôn chiếm một tỉ lệ nhất định theo khối lượng và kết hợp

nhau một cách chính xác bằng những liên kết hóa học 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 thiết để làm đứt nó Phụ thuộc vào số điện tử lớp ngoài cùng, các nguyên tử 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 hidrô và các tương tác yếu như lực hút van der Waals và tương tác kị nước.

– Liên kết cộng hóa trị : Liên kết cộng hóa trị được tạo ra do góp chung điện tử giữa các nguyên

tử Ví dụ đơn giản là sự gắn hai nguyên tử Hydrogen tạo ra phân tử Hydrogen Trong phân tử nước, 2 nguyên tử H nối liên kết hóa trị với 1 nguyên tử O :

•• ••

H° + H° + •O • → H°•O°•H (H2O)

•• ••

Liên kết cộng hóa trị đơn khi giữa hai nguyên tử có chung 1 cặp điện tử, liên kết đôi khi có chung 2 cặp và ba khi có chung 3 cặp điện tử Ví dụ, hai nguyên tử Oxy liên kết đôi với nhau

bằng 2 cặp điện tử thành phân tử Oxy

– Liên kết ion : Khi nguyên tử nhận thêm hay mất điện tử, nó tích điện được gọi là ion Những

nguyên tử có 1, 2, hay 3 điện tử ở lớp ngoài cùng có xu hướng mất điện tử trở thành các ion mang

điện dương là cation Các nguyên tử có 5, 6 hay 7 điện tử lớp ngoài cùng có xu hướng nhận điện

tử mang điện âm là các anion Cation và anion kết hợp với nhau nhờ liên kết ion, khác với liên kết

cộng hóa trị là không góp chung điện tử Ví dụ rất rõ về liên kết ion là Na+ gắn với Cl– tạo thành muối ăn NaCl

– Liên kết hidrô và các tương tác yếu khác : Liên kết hidrô yếu hơn liên kết cộng hóa trị 20 lần,

có xu hướng hình thành giữa nguyên tử có điện âm với nguyên tử Hidrô gắn với Ôxi hay Nitơ, và

có thể được tạo ra giữa các phần của 1 phân tử hay giữa các phân tử

Lực hút van der Waals xảy ra khi các phân tử gần kề nhau do tương tác giữa các đám mây điện tử.

Tương tác kị nước xảy ra giữa các nhóm của những phân tử không phân cực Chúng có xu hướng

xếp kề nhau và không tan trong nước như trường hợp các giọt dầu nhỏ tự kết nhau

3 Đặc điểm hóa học của các nguyên tố chủ yếu

Sự sống đã chọn bốn nguyên tố trên vì những lý do đặc biệt như sau :

(1) 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 : H 1 , O 2+6 , N 2+5 và C 2+4 nên tương ứng chúng có hóa trị : H=1, O=2, N=3 và C=4 (2) Thứ hai, cả bốn nguyên tố có cùng chung tính chất là dễ tạo 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

(3) 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

(4) Thứ tư, ngoài ra ba nguyên tố O, N và C có khả năng tạo liên kết đơn hoặc đôi (ví dụ : - C

= O), nhờ đó các hợp chất hóa học của chúng thêm đa dạng Riêng C có thể tạo thành liên

kết ba với N (-C ≡ N) hoặc giữa C với nhau Các hợp chất của các nguyên tố này dễ tạo

thành liên kết hidrô.

(5) Thứ năm, đặc biệt quan trọng là nguyên tố cacbon có khả năng tác dụng với nhau tạo liên

kết cộng hóa trị bền vững - C - C-

Hình 2.1 Cấu trúc không gian

Cacbon

Vì nguyên tử C có thể thu vào hoặc cho 4 điện tử để lấp lớp điện

tử ngoài cùng đủ 8 bền vững nên mỗi nguyên tử C có thể tạo liên

kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử C khác Nhờ vậy, các nguyên tử

C có thể tạo khung cho vô số các chất hữu cơ khác nhau Ngoài

ra các nguyên tử C dễ dàng tạo liên kết cộng hóa trị với C, H, N

và cả P, S (lưu huỳnh) nên trong các chất hữu cơ chứa một số

lượng lớn nhiều nhóm chức năng khác nhau Một tính chất nổi

bật nữa của C là khả năng các điện tử bắt cặp tạo xung quanh

mỗi nguyên tử C cấu trúc không gian khối tứ diện (hình 2.1) nhờ

đó các kiểu hợp chất hữu cơ khác nhau có cấu trúc không gian ba

chiều.

Ngoài ra, S và P cũng tham gia vào thành phần cấu tạo của nhiều

chất hũu cơ quan trọng cho sự sống

II CÁC CHẤT VÔ CƠ

Trong thành phần chất sống các chất vô cơ chiếm tỉ lệ nhiều hơn các chất hữu cơ Chúng gồm có nước, các axit, bazơ, muối và các khí hòa tan Trong số này, nước chiếm tỉ lệ cao nhất và quan trọng nhất cho sự sống

1 Nước (H 2 O)

Trong bất kì cơ thể sinh vật nào, nước cũng chiếm phần lớn (70 - 95%), cá biệt như con sứa

tỉ lệ nước có thể đến 98% Nước là chất vô cơ đơn giản H2O có số lượng khổng lồ, chiếm 3/4 bề

mặt Quả đất, nó có những tính chất lí hóa đặc biệt nên chiếm phần lớn chất sống và có lẽ sự sống

bắt nguồn từ môi trường nước.

Về tính chất vật lí, nước tồn tại trên Quả đất ở ba trạng thái : rắn (nước đá, băng), lỏng và khí Đặc biệt là ở nhiệt độ dưới 0OC nước ở dạng rắn có tỉ trọng thấp hơn so với dạng lỏng nên nước đá, băng nổi trên bề mặt nước lỏng, nhờ vậy các sinh vật vẫn sống được trong nước phía dưới

Về mặt hóa học, phân tử nước (H2O) có thành phần rất đơn giản gồm 1 nguyên tử O và 2 H, nhưng có nhiều tính chất đặc biệt quan trọng cho sự sống Cấu trúc không gian của nó có các điện

tử phân bố không đối xứng nên làm phân tử nước phân cực (polarize) (hình 2.2) Do sự phân cực hai phân tử nước ở kề nhau có thể tạo thành liên kết hidrô (hình 2.3) Các phân tử nước tập hợp lại thành mạng lưới nhờ các liên kết hidrô (hình 2.4) Bản chất dính nhau của các phân tử nước xác

định phần lớn các tính chất đặc biệt của nó, như sức căng bề mặt, nhiệt năng cao, hấp thu nhiều nhiệt lượng, ít thay đổi nhiệt và nhiệt bốc hơi

Các chất tham gia với các liên kết hidrô 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 hidrô là các phân tử kị nước

(hydrophobe) Các phân tử kị nước có thể đẩy các phân tử nước để đứng kề nhau và có xu hướng hình thành các tổ hợp lớn dưới ảnh hưởng của nước Đồng thời các phân tử nước có thể chen giữa các đại phân tử sinh học kị nước để ổn định cấu trúc không gian ba chiều của chúng giữ nguyên hoạt tính sinh học

Hình 2.2 Cấu trúc của phân tử nước Hình 2.3 Liên kết hidrô

Nước là dung môi để các chất hòa tan dễ dàng thực hiện phản ứng và ổn định cấu trúc tế

bào.

Hình 2.4 Các phân tử nước nối thành mạng

Ngoài ra nước còn giữ vai trò hết sức quan trọng

trong điều hòa nhiệt độ cơ thể và ổn định nhiệt độ

môi trường sống của các sinh vật 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

Trong thế kỉ 21, nước là vấn đề chiến lược lớn đối với con người ở nước ta và nhiều quốc gia khác

2 Các chất vô cơ khác.

Trong cơ thể ngoài nước ra còn có các chất vô cơ khác như axit, bazơ, muối vô cơ và các

nguyên tố kim loại Ở động vật có xương, bộ xương chứa nhiều chất vô cơ nhất (khoảng 1/10

trọng lượng cơ thể người, chủ yếu là Ca) Các chất vô cơ thường gặp là NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, CaCO3, MgSO3, NaH2PO4 Các kim loại I, Zn, Fe,Co ở dạng vô cơ, có trong chất hữu

cơ hoặc gắn với các prôtêin Chúng có số lượng rất ít, coi là dấu vết, nhưng giữ vai trò trọng yếu

Vùng điện dương

Vùng điện âm

trong nhiều chất hữu cơ như Fe trong nhân hem của hêmôglôbin máu, Cobalt trong vitamin B12

Tầm quan trọng của Iod thể hiện ở quyết định số 481/Ttg ngày 8-9-1994 của Thủ tướng Chính

phủ Việt Nam về việc tổ chức và vận động “Toàn dân ăn muối Iod” Tuyến giáp tiết ra

Triiodothyronine (T3) có 3 nguyên tử Iod (I) và Thyroxine (T4) có 4 Iod.

Điểm quan trọng là tính chất điện phân cho cation (ion+) và anion (ion-) của các chất Bản thân phân tử nước cũng có xu hướng ion hóa nhẹ Các ion có thể kết hợp với H+ và OH– xác định

pH của môi trường tế bào Các cation và anion có thể kết hợp với nhau tạo thành axit, bazơ hay trung tính Tuy nồng độ muối thấp nhưng chúng có vai trò đáng kể trong tế bào và cơ thể

Nếu hai dung dịch nước được ngăn cách bởi một màng bán thấm chỉ cho các phân tử nước đi qua, nước sẽ di chuyển về phía dung dịch có nồng độ cao hơn của các phân tử hòa tan theo một

quá trình được gọi là thẩm thấu Các muối còn tham gia duy trì áp suất thẩm thấu (osmosis).

3 Các khí hòa tan.

Dịch cơ thể chứa các khí hòa tan Khí CO 2 có rất ít trong không khí (chỉ 0,03%), nhưng

trong cơ thể, 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 (>20%) và trong tế bào, tham gia các phản ứng oxy hóa Nitơ

có nhiều nhưng là khí trơ 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 ở dạng khí

III CÁC CHẤT HỮU CƠ PHÂN TỬ NHỎ

Các chất hữu cơ là những chất đặc trưng của cơ thể sinh vật, có số lượng lớn, rất đa dạng

nhưng được tạo nên theo những nguyên tắc chung cho cả sinh giới Hóa học hữu cơ thực chất là

hóa học của các hợp chất Cacbon (CO2 không có H nên coi là chất vô cơ) Chúng chia thành 4

nhóm chính : cacbôhidrat (glucid), lipit, prôtêin và axit nuclêic Ngoài ra, có thể phân thành hai loại: phân tử nhỏ và cácphân tử lớn hay đại phân tử sinh học (biomacromolecules) Đặc biệt, các

prôtêin và axit nuclêic là các chất pôlime (cao phân tử) được tạo từ các đơn phân (monomer) xếp

theo trình tự đặc trưng nên gọi là các đại phân tử thông tin (informational macromolecules).

Cơ sở sự đa dạng của chất hữu cơ là các nguyên tử (C,N,O, H) nói chung được liên kết bền vững bằng các liên kết cộng hóa trị Mỗi nguyên tử hình thành một số nhất định các liên kết theo định hướng không gian nhất định

Các chất hữu cơ phân tử nhỏ gồm các chất như hydrocacbon, cacbôhidrat (hay gluxit), lipit,

các axit amin và các nuclêôtit được tổng hợp theo nguyên tắc từng phản ứng đơn giản do enzim xúc tác Trọng lượng phân tử trong khoảng 100-1000 và chứa đến 30 nguyên tử C

1 Các đồng phân và nhóm chức

Do nguyên tử Cacbon tạo khối tứ diện, nên việc gắn các nguyên tử khác vào phía nào sẽ tạo hợp chất có cấu trúc không gian khác nhau Sự đa dạng của các hợp chất C còn biểu hiện ở chỗ

cùng công thức phân tử nhưng sự sắp xếp phân tử khác nhau tạo ra các chất đồng phân (isomers),

gồm ba kiểu :,

- Đồng phân cấu trúc (structural isomer) như glucôza và fructôza có cùng công thức C6H12O6 (h.2.5 )

- Đồng phân hình học (geometrical) hay không gian (stereoisomers) như các chất đường đơn

thường có dạng α và β, khác nhau chỉ ở sự định hướng của các nhóm hidrôxil (xem hình 2.7)

- Các đồng phân đối quang (enantiomers) có cấu trúc không gian giống nhau, nhưng đối ngược qua mặt phẳng gương tương tự 2 bàn tay người như 2 dạng axit amin D (dextro – phải) và L (levo

- trái) (hình 2.20)

Số lượng và sự đa dạng các chất hữu cơ được tăng thêm nhờ các nhóm chức (functional

group) chứa trong các phân tử như nêu trên bảng 2.2 và các nhóm khác như metil (-CH3), hidrôxil

(-OH), cacbôxil (-COOH), cacbônil (C=O) và amin (-NH2), Mỗi nhóm có các tính chất vật lí hóa học riêng ảnh hưởng đến toàn bộ hoạt tính của phân tử mang chúng

Bảng 2.2 Các nhóm chức trong các hợp chất sinh học

1 Carboxylic axit

2 Aldehyde

3 Alcohol

4 Kêtô

5 Ester

6 Phôtphat ester

7 Thioester

8 Ether

9 Axit anhydride

10.Phôtphoanhydrid

e

– Các axit hữu cơ, axit amin, chất béo; lipit

và prôtêin

– Nhóm chức trong đường khữ

–Lipit, cacbôhidrat – Piruvat, các chất trung gian của chu trình citric axit

– Lipit; axit amin gắn với tARN

–Axit nuclêic, ADN và ARN

– Trao đổi chất năng lượng; tổng hợp axit béo

– Lipit vi khuẩn cổ ( Archaea);

sphingôlipit

– Trao đổi chất năng lượng như acetyl phôtphat

– Trao đổi chất năng lượng như ATP

2 Hidrôcacbon

Cacbon và hydrogen hình thành nên những hợp chất bền vững gọi là hydrocacbon như methane, acetylene, Đó là các chất không phân cực, không tạo liên kết hidrô và nói chung không tan trong nước, các mạch C có độ dài và hình dạng khác nhau tạo nên vô số hydrocacbon Mạch cacbon có thể thẳng, phân nhánh hay vòng và liên kết C - C có thể đơn, đôi và ba

3 Cacbôhidrat hay gluxit

Các glucid hay các chất cacbôhidrat là những chất gồm C,H và O Nhóm -CH 2 O thường gặp

trong các phân tử cacbôhidrat

– Các đường đơn (monosaccharide) : Đó là các cacbôhidrat đơn giản có công thức chung

(CH 2 O)n, số n dao động từ 3 đến 7 Các đường đơn là các anđêhit hay kêtôn có thêm 2 nhóm OH

hay nhiều hơn

Cacbôhidrat đơn giản nhất là đường ba triôza (n = 3) Glucôza và fructôza là hai đường sáu

hêxôza (n = 6) (hình 2.5 ), ribôza là đường năm pentôza (n = 5) (h 2.6) có vai trò quan trọng cho

hoạt động sống của tế bào Đường đơn có thể ở dạng thẳng hay vòng, có các đồng phân không

gian α và β và chỉ phân biệt ở định hướng các nhóm hidrôxil như glucôza, mannôza, galactôza

– Các đường đôi (disaccharide) : Cacbon mang andđêhit hay kêtôn có thể phản ứng với bất kì

nhóm OH nào trên phân tử gluxit thứ 2 để tạo liên kết glicôsic Hai đường đơn có thể gắn với

nhau tạo thành đường kép (disaccharide) như saccarôza (đường ăn thông dụng) (glucôza α 1,2 fructôza), maltôza (glucôza α 1,4 glucôza), lactôza (galactôza β 1,4 glucôza) thường có trong cơ thể sinh vật

Hình 2.5 Đuờng sáu dạng thẳng Hình 2.6 Đường năm pentôza

Các nhóm hidrôxil của một đường đơn giản có thể được thay thế bởi các nhóm khác tạo ra

các dẫn xuất Nhiều phân tử khác nhau có thể chen vào giữa các glucôza tạo nên các đường

ôligô-saccarit

4 Các đường phức hợp hay đường đa (pôlisaccarit)

Các pôlisaccarit là các pôlime tạo nên từ các đơn phân (monomer) đường đơn chủ yếu là

glucôza Do có phân tử lớn, chúng được coi là các đại phân tử (macromolecules) nhưng việc tổng

hợp chúng giống với các chất hữu cơ phân tử nhỏ, nên được nêu ở phần này Các glucôza nối nhau

theo 2 cách : ghép chuỗi tạo mạch thẳng do liên kết C1 - C4 (α 1,4) hay ghép nhánh do nối C1 - C6

(α 1,6)

Tinh bột (starche) do hàng trăm đơn vị glucôza nối nhau, gồm 10 - 20% amylose tan trong

nước và 80 - 90% amilôpectin không tan, gây tính chất keo cho hồ tinh bột Tinh bột là chất dự

trữ của tế bào thực vật, glicôgen là chất dự trữ của tế bào động vật, có dây nối 1 - 6 với tỷ lệ 9%

nên dể tiêu hóa hơn Xêlulôza cấu tạo nên vách tế bào thực vật, gồm nhiều glucôza nối nhau thành

mạch thẳng dài nên rất khó tiêu

Nhiều loài vi khuẩn có các pôlisaccarit bên ngoài màng tế bào gọi là pôlisaccarit ngoại bào

(exopolysaccaride) Ví dụ, Công nghệ sinh học đang tìm cách khai thác các chất

polyhydroxybutyrate (PHB) (hơn 90 dạng khác nhau) có tính chất như chất nhựa dẽo (plastic) chịu

tác động phân hủy sinh học để thay thế plastic nhân tạo Nhiều pôlisaccarit ở nấm có tác dụng y dược phòng chửa bệnh

Kitin cấu tạo nên vỏ các loài tiết túc như vỏ tôm Kitin là pôlime từ các đơn phân (monomer) là

axêtil-glucôsamin nối lại

Cacbôhidrat gắn với prôtêin tạo glicôprôtêin, và với lipit tạo glicôlipit.

Cacbôhidrat 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 bột đường từ thực vật và dự trữ ở dạng glicôgen Glucôza còn là nguồn nguyên liệu tổng hợp các chất khác, bao giờ cũng có trong dịch cơ thể và ở nồng độ

ổn định Xêlulôza là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật, kitin bảo vệ các loài tiết túc.

5 Các chất lipit

Lipit gồm những chất như dầu, mỡ có tính nhờn, không tan trong nước, tan trong các dung

môi hữu cơ như ête, chlôrôfocm, benzen, rượu nóng Các lipit được tạo nên từ C, H và O nhưng

chúng có thể chứa các nguyên tố khác như P hay N Chúng khác với cacbôhidrat ở chổ chứa O

Ribôza Glucôza Fructôza

với một tỷ lệ ít hơn hẳn Hai nhóm lipit quan trọng là: nhóm có nhân glixêrol và nhóm có nhân sterol Các nhân này kết hợp với các axit béo và các chất khác tạo ra nhiều loại lipit khác nhau.

– Các axit béo (fatty axits) : Các axit hữu cơ có mạch hidrôcacbon no như axit palmitic CH3 -(CH2)14-COOH, axit stêaric CH3-(CH2)16-COOH hoặc có mạch hydrocacbon không no (có nối đôi) như axit ôlêic CH3-(CH3)7-CH=CH-(CH2)7-COOH Nhóm -COOH khi tự do sẽ ion hóa, nhưng nó thường kết hợp với các nhóm khác tạo este hay amit

– Glixêrit hay mỡ trung tính (neutral fats) : Sự kết hợp một phân tử glixêrol với 3 phân tử axit béo

tạo ra glixerit (triglycerid) Sáp ong là một loại glixêrit

– Phôtpholipit : Đó là những lipit mà hai nhóm -OH của glycerol gắn với axit béo, còn nhóm -OH

thứ 3 gắn với axit phôtphoric Tiếp theo phôtphat lại gắn với các nhóm nhỏ khác phân cực (rượu)

Lêxitin là một phôtpholipit rất hay gặp ở thực vật và động vật nhất là ở lòng đỏ trứng, tế bào thần

kinh, hồng cầu Các axit béo có đầu ưa nước (hydrophile) và đuôi kị nước (hydrophobe) nên trong nước dễ tạo màng và giọt Các phôtpholipit và glicôlipit tạo nên lớp màng lipit đôi là cơ sở của các màng tế bào.

– Các lipit khác : Các steroid và polyisoprenoid, được coi là các lipit theo tính không hòa tan

trong nước, tan trong dung môi hữu cơ Cả hai đều gồm các đơn vị nhỏ là izôpren

Stêrôit là những este do sự kết hợp của một rượu với axit béo Côlestêrôl thường gặp trong các

cấu trúc màng

Glycolipit là những hợp chất có phần kị nước do hai mạch hydrocacbon dài và một vùng phân cực

chứa một hay nhiều gốc cacbôhidrat và không có phôtphat

Các lipit giữ vai trò quan trọng trong tế bào, là nguồn dự trữ năng lượng dài hạn của sinh vật,

chúng có nhiều như các lớp mỡ dưới da, quanh các phủ tạng Các phôtpholipit là thành phần chủ

yếu của các màng tế bào Mỗi gram glycerid khi oxy hóa tạo ra năng lượng gần gấp đôi lượng glucôza tương tự tạo ra Glycerid còn có tác dụng cách nhiệt và là thành phần của một số vitamin như D và là dung môi của nhiều vitamin (A, D, E, K).

6 Các axit amin

Các axit amin là những chất hữu cơ đồng thời có mang hai nhóm chức ở phần đầu : amin

-NH 2 (tính kiềm) và cacbôxil-COOH (tính axit) cùng gắn với một C gọi là Cα.( hình 2.7, trái) Hai

mươi mốt loại axit amin (gần đây kể thêm axit amin 21 Selenocysteine) khác nhau ở gốc bên (lateral) R Ở pH trung tính (7), các nhóm –NH2 và –COOH ion hóa (hình 2.7, trái) Sự không đối xứng của Cα làm tạo ra hai đồng phân là dạng D và L (hình 2.7) Các prôtêin trong cơ thể sinh vật chỉ gồm các L-axit amin Các axit amin nối nhau bằng liên kết peptit để tạo thành mạch

polypeptit Mạch polypeptit có hai đầu mút: đầu –N và đầu –C Các axit amin được chia thành

nhóm căn cứ các gốc R bên : nhóm bazơ, axit, phân cực không tích điện và không phân cực

Hình 2.7 Axit amin và các dạng D (quay phải) và L (quay trái).

21 axit amin và các chữ viết tắt gồm 3 chữ hoặc gọn hơn chỉ một chữ hoa :

– Các gốc bên bazơ : Lysine (Lys-K ), Arginine (Arg-R), Histidine (His-H).

– Các gốc bên axit : Axit aspartic (Asp-D), Axit glutamic (Glu-E).

– Các gốc bên phân cực không tích điện : Asparagine (Asn-N), Glutamine (Gln-Q), Serine

(Ser-S), Threonine (Thr-T), Tyrosine (Tyr-Y).

– Các gốc bên không phân cực : Glycine (Gly-G), Alanine (Ala-A), Valine (Val-V), Leucine

(Leu-L), Isoleucine (Ileu-I), Proline (Pro-P), Phenylalanine (Phe-F), Methionine (Met-M), Tryptophane

(Trp-W), Cysteine (Cys-C), Selenocysteine (Sec-U)

Các axit amin có gốc R phân cực không tích điện tương đối kị nước và thường nằm phía ngoài, còn các nhóm R không phân cực hướng vào trong Các axit amin, axit hay bazơ rất phân cực nên hầu như nằm phía ngoài

Các axit amin là những đơn phân (monomer) của các pôlipeptit và prôtêin Nhờ lưỡng tính,

chúng có tác dụng đệm làm pH dung dịch bền vững.

7 Các nuclêôtit

Các nuclêôtit là những đơn vị cấu trúc của axit nuclêic (ADN và ARN) gồm 3 cấu phần :

bazơ nitơ, đường pentôza và gốc phôtphat Đường năm pentose có hai loại: ribose và

desoxyribose (hình 2.24) Các bazơ nitơ mạch vòng là thành phần chủ yếu, gồm 3 loại pirimidin

(Xitôzin (Cytosine-C), Timin (T) và Uraxil (U)); và 2 purin (Adênin (A) và Guanin (G) Gốc phôtphat có thể 1P, 2P, 3P Giữa bazơ và cacbôhidrat hình thành liên kết N-glicôsidic (hình 2.23).

Các bazơ gắn với đường thành nuclêôsit, thêm nhóm phôtphat thành nuclêôtit Các nuclêôtit nối với nhau bởi một cầu phôtphodieste, giữa cacbon 3 và 5 để tạo ra polynuclêôtit là axit nuclêic

Các nuclêôtit còn giữ những chức năng quan trọng khác trong tế bào như ATP trữ năng lượng, tham gia vào coenzim, hay AMP vòng (hình 2.24)

Hình 2.8 Liên kết N-glicôsic Hình 2.9 AMP vòng (Cyclic AMP)

Chi tiết về axit nuclêic xem ở các chương 2, 3 và prôtêin ở chương 4 tiếp sau

IV SỰ ĐA DẠNG CÁC CHẤT HỮU CƠ VÀ SINH KHỐI

Trên đây chỉ nêu các thành phần hóa học căn bản của tế bào, nhưng hàng triệu loài sinh vật trên Quả đất đã tạo ra vô vàng các chất hữu cơ khác nhau và một sinh khối khổng lồ Loài người đã, đang và sẽ sử dụng nguồn hóa chất và sinh khối đó cho sự sống của mình

1 Sự đa dạng các chất hữu cơ ở thực vật

Sinh khối thực vật là nguồn hoá chất khổng lồ : Ngoài những chất căn bản cần cho trao đổi chất

(các chất trao đổi sơ cấp như axit amin, nuclêôtit, vitamin,…) như ở các sinh vật khác, các thực vật khác nhau tổng hợp hơn 50.000 loại nhóm chất trao đổi thứ cấp (bảng 2.4) Các chất trao đổi

thứ cấp giúp cho các sinh vật thích nghi tốt hơn với môi trường bên ngoài Mỗi năm con người phát hiện thêm khoảng hơn 1500 chất mới ở thực vật Con người cũng đã ghi nhận hàng nghìn chất trao đổi thứ cấp ở vi sinh vật, mà việc tìm thấy hàng nghìn chất kháng sinh là mộ ví dụ

Bảng 2.4 Sự đa dạng các cấu trúc hoá học do thực vật tạo ra

Cấu trúc phân tử Số cấu trúc đã biết Các ví dụ

1 Các isoprenoid > 25000 Menthol, cao su

Liên k t N- ế glicôsic

2 Alkaloid

3 Phenolic

4 Axit béo và dẫn

suất

5 Các chất khác nhau

> 12000

> 8000

> 500

> 5.000

Caffeine, nicotine Vanillin, anthocyanin Dầu ăn

Sorbitol

2 Hóa chất dược liệu

Loài người từ khi còn hái lượm đã biết sử dụng nhiều loại cây thuốc để trị bệnh Y học cổ truyền có lịch sử lâu đời và liên tục phát triển đến nay Các cây cỏ là nguồn dược liệu sẵn có ở từng địa phương Các loại thuốc này có khi không mất tiền mua, giá rẻ nên được sử dụng rộng rãi Hơn 25% dược phẩm Tây y hiện nay mà con người sử dụng được bào chế trực tiếp từ thực vật hoặc có nguồn gốc thực vật Vài dược chất lúc đầu chiết suất từ thực vật nay được sản xuất bằng

cách tổng hợp như aspirin, vì giá rẻ hơn Tuy nhiên, các chất phức tạp như taxol có thể tổng hợp được, nhưng giá cực kì đắt nên phải chiết từ thông đỏ (Taxus brevifolia Nutall).

Những nghiên cứu gần đây cho thấy nguồn đa dạng sinh vật biển lớn hơn trên cạn và ước tính có

thể khai thác tới 20000 chất cho công nghiệp dược (hình 1.10).

Hình 1.10 20.000 chất từ biển

Mặc dù các thuốc thực vật và kháng sinh đã được sử dụng từ lâu, nhưng hiệu năng chung có hạn chế do các vi trùng đề kháng Do

đó, có sự chuyển hướng sang tìm các chất có tiềm năng dược học

ở môi trường biển Ví dụ :

– Loài Trididemnum solidum có vỏ tạo chất chống ung thư :

didemnum B, là sản phẩm biển đầu tiên được thử nghiệm lâm

sàng để chống ung thư.

– Loài Bugula neritina có chất bryostatin có tác dụng kháng ung

thư rất mạnh, đồng thời đây cũng là chất cực độc Để có 18gr

chất này, phải chiết từ 38000kg của Bugula neritina.

3 Sinh khối và vòng tuần hoàn vật chất

Sinh khối (Biomass) là khối lượng tất cả các sinh vật sống ở một vùng nhất định hay hệ

sinh thái (ecosystem) vào thời điểm nhất định Sinh khối của Quả đất có thể bao gồm tất cả các vi sinh vật, thực vật và động vật Sinh khối có thể tính bằng trọng lượng chất hữu cơ khô chiếm 30%, phần còn lại là nước Trong giới hạn khoa học, sinh khối được đo bằng khối lượng Cacbon tạo chất hữu cơ Tổng sinh khối sống trên Quả đất khoảng 560 tỉ tấn C, và tổng sản lượng sinh khối hàng năm trên 100 tỉ tấn (56,4 tỉ tấn trên cạn và 48,5 tỉ tấn trong đại dương)

Như vậy, các sinh vật trên Quả đất tạo một khối lượng chất hữu cơ khổng lồ, mà nó được tái tạo liên tục nhờ các vòng tuần hoàn vật chất của Cacbon, Nitrogen, Sulfur, Phôtphore,…

TÓM TẮT CHƯƠNG

Tế bào sống tuy có cấu tạo rất phức tạp và đa dạng nhưng nó cũng được cấu tạo từ các

nguyên tố trong thiên nhiên, chủ yếu là H, O, N và C với những tính chất đặc biệt của chúng, P

và S tham gia vào thành phần các chất hữu cơ, các nguyên tố vi lượng như I, Fe, Co, tuy số lượng rất ít nhưng không thể thiếu được Trong các chất vô cơ, nước là chất đơn giản lại giữ vai

trò quan trọng nhất, Tế bào chứa nhiều hợp chất hữu cơ có sườn là các nguyên tử C, gồm 4

nhóm phân tử nhỏ: cacbôhidrat, lipit, axit amin và nuclêôtit Nhiều chất đơn giản là các đơn vị cấu trúc tạo nên các đại phân tử sinh học như pôlisaccarit, prôtêin, axit nuclêic.

Ngoài các chất trao đổi sơ cấp cần thiết cho sự sống tế bào, các sinh vật, đặc biệt là thực vật, còn tạo ra một số lượng lớn các nhóm chất trao đổi thứ cấp được con người khai thác và sử