Chương 1 thành phần hóa học của cơ thể sống (bộ môn sinh học đại cương)

Chương Thành phần hóa học thể sống PGS TS Nguyễn Như Hiền Sinh học đại cương NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2005 Tr – 19 Từ khố: Thành phần hóa học thể sống, thành phần vô cơ, , nước, muối vô cơ, lipit, gluxit, protein, axit lucleic, đại phân tử, siêu cấu trúc Tài liệu Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác khơng chấp thuận nhà xuất tác giả Mục lục Chương THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA CƠ THỂ SỐNG 1.1 CƠ THỂ SỐNG TỔ HỢP NHIỀU NGUYÊN TỐ KHÁC NHAU 1.2 CẤU THÀNH VÔ CƠ CỦA CƠ THỂ SỐNG .5 1.2.1 Nước .5 1.2.2 Các chất muối vô 1.3 CẤU THÀNH HỮU CƠ CỦA CƠ THỂ SỐNG 1.3.1 Cấu tạo chất hữu cơ, phản ứng sinh hoá .7 1.3.2 Gluxit (hydrat cacbon) 1.3.3 Lipit 1.4 PROTEIN .10 1.4.1 Cấu trúc protein 10 1.4.2 Enzym - chất xúc tác sinh học .11 1.5 AXIT NUCLEIC 12 1.5.1 Cấu tạo axit nucleic .12 1.5.2 Các loại axit nucleic vai trò chúng 13 1.6 CÁC PHỨC HỆ ĐẠI PHÂN TỬ, SIÊU CẤU TRÚC 15 Phần SINH HỌC PHÂN TỬ VÀ SINH HỌC TẾ BÀO Chương THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA CƠ THỂ SỐNG MỤC TIÊU: Sau học xong chương này, sinh viên cú khả năng: Trình bày cấu tạo thành phần hóa học thể sống Trình bày tớnh chất chức cỏc chất hữu quan trọng: hydrat cacbon, lipit Trình bày tớnh chất chức protein Trình bày tớnh chất chức ADN, ARN quỏ trỡnh truyền thụng tin di truyền qua hệ 1.1 CƠ THỂ SỐNG TỔ HỢP NHIỀU NGUYÊN TỐ KHÁC NHAU Cơ thể sống, vớ dụ thể người, cấu tạo gồm nhiều hệ quan cú chức sinh lý định, hệ da cú chức bảo vệ, cảm giỏc; hệ - xương cú chức vận động; hệ tiờu hoỏ cú chức dinh dưỡng; hệ tuần hoàn cú chức vận chuyển mỏu, oxy khớ cacbonic; hệ hụ hấp cú chức trao đổi khớ oxy khớ cacbonic; hệ tiết niệu cú chức tiết nước tiểu; hệ miễn dịch cú chức bảo vệ thể, chống cỏc tỏc nhõn gõy bệnh; hệ sinh dục cú chức sản sinh cỏc tinh trựng, trứng cỏc hợp tử nhằm trỡ cỏc hệ; hệ cảm giỏc thần kinh cú chức thu nhận, xử lý phỏt thụng tin để điều hoà điều khiển hoạt động toàn thể Hệ quan bao gồm nhiều quan, hệ tuần hoàn gồm cú tim quan phõn phỏt mỏu, hệ mạch quan vận chuyển mỏu mỏu cú chức vận chuyển cỏc chất, khớ oxy khớ cacbonic Mỗi quan cấu tạo từ cỏc mụ khỏc biểu mụ, mụ liờn kết, mụ cơ, mụ xương, mụ thần kinh v.v Mỗi mụ cấu tạo nhiều tế bào cú cựng diện cấu tạo chức định Vớ dụ da người cấu tạo gồm lớp biểu bỡ bao mặt lớp chõn bỡ nằm phớa Lớp biểu bỡ cấu tạo nhiều biểu mụ cú chức bảo vệ, cũn lớp chõn bỡ cấu tạo từ mụ liờn kết cú chức nõng đỡ dinh dưỡng Biểu bỡ cấu tạo từ cỏc tế bào biểu mụ cú chức sản sinh cỏc tế bào biểu mụ khỏc tế bào biểu mụ sừng cú chức chế tiết chất sừng, múng tay, múng chõn, túc; cỏc tế bào sắc tố cú chức tiết sắc tố melanin v.v Như vậy, thể người thể đa bào gồm nhiều tế bào biệt hoỏ khỏc nhau, lỳc đú vi khuẩn hay trựng Amip thể đơn bào Cơ thể chỳng gồm tế bào độc cú đầy đủ đặc tớnh thể sống Tế bào đơn vị tổ chức vật chất sống - vật chất đặc trưng cho thể sống từ vi khuẩn đến người Vật chất sống khỏc với vật chất vụ nhiều đặc tớnh: Vật chất sống hệ thống mở, tồn phỏt triển nhờ dũng trao đổi: vật chất, lượng thụng tin với mụi trường Hệ thống sống hệ cú tổ chức cao theo cấp bậc lệ thuộc: từ tổ chức tế bào, mụ, quan, thể, quần thể đến hệ sinh thỏi hệ mở cho nờn entropi hệ phỏt triển theo chiều hướng giảm (entropi – thước đo mức độ lượng vụ ớch hệ) cũn lượng thụng tin phỏt triển theo chiều hướng tăng Hệ thống sống cú đặc tớnh tự tỏi theo mó hoỏ thụng tin đặc trưng cho mỡnh, từ đõy hệ thống sống cú thể biến đổi vật chất lạ thành vật chất mỡnh, biến đổi thụng tin lạ thành mó thụng tin đặc trưng cho mỡnh từ đõy sỏng tạo nờn cỏc hệ tổ chức vật chất mó thụng tin (tức cỏc cụng cụ, mỏy múc, cỏc cụng trỡnh khoa học, kỹ thuật, văn hoỏ, nghệ thuật v.v ) Đú ba đặc tớnh để ta phõn biệt vật chất sống với vật chất vụ Nếu ta dựng phương phỏp phõn tớch hoỏ học để phõn tớch tế bào, mụ, quan thể người hay sinh vật khỏc ta thấy rừ vật chất sống cấu tạo gồm nhiều nguyờn tố tồn giới vụ cơ, đú cú nguyờn tố vai trũ định như: cacbon (C), hydro (H), oxy (O), nitơ (N), photpho (P), sunphua (S) nguyờn tố dựng làm vật liệu cấu tạo, chỳng chiếm đến 98%; số nguyờn tố khỏc cần thiết cho quỏ trỡnh sinh lý natri (Na), kali (Ka), canxi (Ca), clo (Cl), magie (Mg), sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), coban (Co), iod (I), mangan (Mn) v.v (xem bảng 1).như tế bào biểu mơ sừng có chức chế tiết chất sừng, móng tay, móng chân, tóc; tế bào sắc tố có chức tiết sắc tố melanin v.v Như vậy, thể người thể đa bào gồm nhiều tế bào biệt hoá khác nhau, lúc vi khuẩn hay trùng Amip thể đơn bào Cơ thể chúng gồm tế bào độc có đầy đủ đặc tính thể sống Tế bào đơn vị tổ chức vật chất sống - vật chất đặc trưng cho thể sống từ vi khuẩn đến người Vật chất sống khác với vật chất vơ nhiều đặc tính: Vật chất sống hệ thống mở, tồn phát triển nhờ dòng trao đổi: vật chất, lượng thông tin với môi trường Hệ thống sống hệ có tổ chức cao theo cấp bậc lệ thuộc: từ tổ chức tế bào, mô, quan, thể, quần thể đến hệ sinh thái hệ mở entropi hệ phát triển theo chiều hướng giảm (entropi – thước đo mức độ lượng vô ích hệ) cịn lượng thơng tin phát triển theo chiều hướng tăng Hệ thống sống có đặc tính tự tái theo mã hố thơng tin đặc trưng cho mình, từ hệ thống sống biến đổi vật chất lạ thành vật chất mình, biến đổi thông tin lạ thành mã thông tin đặc trưng cho từ sáng tạo nên hệ tổ chức vật chất mã thông tin (tức cơng cụ, máy móc, cơng trình khoa học, kỹ thuật, văn hố, nghệ thuật v.v ) Đó ba đặc tính để ta phân biệt vật chất sống với vật chất vô Nếu ta dùng phương pháp phân tích hố học để phân tích tế bào, mơ, quan thể người hay sinh vật khác ta thấy rõ vật chất sống cấu tạo gồm nhiều nguyên tố tồn giới vô cơ, có ngun tố đóng vai trị định như: cacbon (C), hydro (H), oxy (O), nitơ (N), photpho (P), sunphua (S) nguyên tố dùng làm vật liệu cấu tạo, chúng chiếm đến 98%; số nguyên tố khác cần thiết cho trình sinh lý natri (Na), kali (Ka), canxi (Ca), clo (Cl), magie (Mg), sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), coban (Co), iod (I), mangan (Mn) v.v (xem bảng 1) 5 Bảng Các nguyên tố quan trọng cấu tạo nên thể người Tên gọi Ký hiệu Khối lượng % Oxy (Oxygen) O 62,8 Cacbon (Carbon) C 19,4 Hydro (Hydrogen) H 9,3 Nit¬ (Nitrogen) N 5,1 Ca 2,0 Photpho (Photphorus) P 0,6 Sunphua (Sulfur) S 0,6 Kali (Potasium) K 0,35 Clo (Chlorine) Cl 0,16 Natri (Sodium) Na 0,15 Magie (Magnesium) Mg 0,05 Sắt (Iron) Fe 0,004 Đồng (Copper) Cu vết Kẽm (Zinc) Zn vÕt I vÕt Mn vÕt Canxi (Calicium) Iod (Iodine) Magan (Manganese) Theo dinh dưỡng học nguyên tố có hàm lượng < 0,001% gọi nguyên tố vi lượng, chúng cần thiết cho hoạt động sống nâng cao chất lượng hoạt động sống Trong thể sống, nguyên tố tồn dạng nguyên tử, dạng ion, chúng thường liên kết với tạo nên phân tử đơn giản phức tạp Về phương diện hố học người ta kể đến cấu thành vô hữu thể 1.2 CẤU THÀNH VÔ CƠ CỦA CƠ THỂ SỐNG Các chất vô thể thường dạng nước (H2O) muối vô 1.2.1 Nước 1.2.1.1 Nước thành phần chiếm nhiều thể Nước chiếm đến 60-65% trọng lượng thể trưởng thành, phôi nước chiếm đến 95%, trẻ sơ sinh chiếm 70% Trong mô cứng xương, răng, móng, nước chiếm từ 10-20% Đối với mô, quan lượng nước bị thay đổi > 10% dẫn đến tình trạng bệnh lý 1.2.1.2 Tính chất vai trị nước Nước cấu tạo đơn giản gồm nguyên tử hydro liên kết với nguyên tử oxy (H2O) nước có tính chất đặc biệt: phân tử H2O có tính phân cực, phân tử nước thường liên kết với nhờ liên kết hydro tạo nên cột nước liên tục (như mạch gỗ cây) tạo nên màng phim bề mặt (con bọ cất vó đứng chạy bề mặt nước ao) Nước có vai trị quan trọng sống thể chủ yếu kiện sau đây: Nước môi trường khuếch tán cho chất tế bào, tham gia tạo nên chất lỏng sinh học máu, dịch gian bào, dịch não tuỷ v.v Nước dung môi cho muối vơ cơ, chất hữu có mang gốc “phân cực” (ưa nước) -OH (hydroxyl), NH2 (amin), -COOH (cacboxyl), -CO (cacbonyl) v.v Khi nước dùng làm môi trường khuếch tán, hay dung môi, nước trạng thái tự do, chiếm đến 95% nước thể Nước liên kết chiếm khoảng 5%, nước trạng thái liên kết lỏng lẻo với đại phân tử (đóng vai trị giữ ổn định) nhờ liên kết hydro (là liên kết yếu) có tác dụng trì cấu tạo ổn định phức hệ đại phân tử Ngồi ra, nước cịn tham gia vào trình trao đổi chất, trình tiết q trình điều hồ nhiệt thể Lượng nước thể luôn đổi mới, thời gian cần thiết để đổi lượng nước trọng lượng thể tuỳ thuộc vào môi trường thể sống Ví dụ: amip ngày, người tuần, với lạc đà tháng, với rùa năm, với xương rồng thực vật sa mạc 29 năm Một người 60 kg cần cung cấp - 3l nước/ngày để đổi lượng nước thể, trì hoạt động sống bình thường 1.2.2 Các chất muối vô 1.2.2.1 Các chất muối vô tồn dạng Dạng nhiều hồ tan nước Chúng có thành phần cứng như: xương, móng, tóc, v.v muối silic, magie, phổ biến muối canxi (cacbonat canxi, photphat canxi) Chất gian bào xương chủ yếu cấu tạo từ hydroxiapatit canxi Dạng ion Các muối vô dạng ion thành phần quan trọng cần thiết cho hoạt động sống, cation Na+, K+, Ca++, Mg++ anion Cl−, SO4−, CO3H−, NO3 −, PO4H−, v.v Chúng dạng tự liên kết với phân tử khác 1.2.2.2 Các chất vơ đóng vai trị đáng kể thể Chúng tham gia vào phản ứng sinh hố, đóng vai trị chất xúc tác (ví dụ ion Mg ), tham gia vào trì điều kiện lý hố cần thiết cho đa số phản ứng sinh hố dẫn đến nhiều tính chất sinh lý tế bào tính thẩm thấu, tính dẫn truyền, tính mềm dẻo, tính co rút, v.v Sự cân ion khác môi trường nội môi cần thiết để đảm bảo cho trình sống diễn bình thường ++ 1.3 CẤU THÀNH HỮU CƠ CỦA CƠ THỂ SỐNG 1.3.1 Cấu tạo chất hữu cơ, phản ứng sinh hoá 1.3.1.1 Chất hữu hợp chất chứa cacbon có thể sống Đó phân tử tạo thành liên kết nguyên tử C với H, O, N theo nhiều cách khác nhau, C đóng vai trị quan trọng C với điện tử vịng ngồi có khả liên kết với hố trị với H, O N theo nhiều cách tạo nên phân tử chất hữu đa dạng Ví dụ C liên kết với H để tạo CH4 (Methane), C2H6 (Ethane), C3H8 (Propan), C2H4 (Ethylen) C liên kết với H O để tạo nên gluxit lipit, C liên kết với H, O N để tạo nên protein axit nucleic v.v Người ta phân biệt chất hữu đơn giản (các monome - đơn phân) có khối lượng phân tử vài chục vài trăm dalton, axit axetic, đường glucoz chất hữu phức tạp (các polime - đa phân) tạo thành tổ hợp từ nhiều monome với nhau, chúng có khối lượng phân tử lớn- từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn dalton nên gọi đại phân tử (macromolecule) Ví dụ glicogen có gan chất trùng hợp gồm nhiều đơn hợp glucoz Các đại phân tử chủ yếu thể sống protein axit nucleic Chúng có cấu trúc phức tạp đặc trưng, chúng đóng vai trị định tổ chức hoạt động thể sống Vì vậy, Engel định nghĩa: “Sống - phương thức tồn thể albuminoit” (tức đại phân tử) Các đại phân tử kết hợp với tạo nên phức hệ đại phân tử, siêu cấu trúc từ hình thành nên cấu thành tế bào 1.3.1.2 Các phản ứng sinh hoá - sở trao đổi chất (metabolism) Phản ứng sinh hoá phản ứng hoá học xảy thể sống, chất hoá học cấu tạo nên thể với tham gia chất xúc tác sinh học - enzym Sự trao đổi chất tập hợp nhiều giai đoạn phản ứng sinh hố Người ta phân biệt hai q trình trao đổi chất: Sự đồng hố (anabolism) q trình tổng hợp chất từ chất bé, đơn giản phản ứng với để tạo thành chất lớn phức tạp Sự dị hoá (catabolism) q trình từ chất lớn phức tạp phân giải sản phẩm bé đơn giản Hai trình đồng hố dị hố ln kết hợp với nhau: q trình dị hố cung cấp lượng sản phẩm cho q trình đồng hố, cịn q trình đồng hố lại cung cấp sản phẩm cho q trình dị hố tích luỹ lượng từ q trình dị hoá Các cấu thành hữu thể sống vừa nguyên liệu (cơ chất) vừa sản phẩm cho phản ứng sinh hoá, đồng thời chất xúc tác sinh học cho phản ứng (các enzym) Các cấu thành hữu đa dạng cấu trúc chức năng, chất hữu quan trọng phân vào loại: gluxit, lipit, protein axit nucleic 1.3.2 Gluxit (hydrat cacbon) Gluxit hay gọi hydrat cacbon (chất đường) chất thành phần gồm có: C, H O kết hợp theo cơng thức chung (CH2O)n Chúng đóng vai trị dự trữ lượng tham gia vào yếu tố nâng đỡ bảo vệ Thực vật xanh có khả tự tổng hợp chất hydrat cacbon khác từ CO2 H2O với sử dụng lượng ánh sáng (được gọi sinh vật tự dưỡng) Động vật người cung cấp chất gluxit từ thực vật sinh vật dị dưỡng Các chất gluxit có tầm quan trọng chia thành nhóm: đường đơn (monosaccarit), đường đôi (disaccarit) đường phức (polysaccarit) 1.3.2.1 Monosaccarit Monosacarit gluxit đơn giản có cơng thức chung (CH2O)n, có chứa từ - nguyên tử C liên kết với với nhóm OH Do có nhiều nhóm OH phân cực nên đường đơn dễ dàng hoà tan nước Tuỳ theo số nguyên tử C mà người ta phân biệt đường trioz (3C), đường pentoz (5C), đường hexoz (6C) Đường pentoz, ví dụ: riboz deoxyriboz có vai trị quan trọng, chúng có axit nucleic Đường hexoz, ví dụ: glucoz nguồn nhiện liệu cho trình đường phân hơ hấp hiếu khí - q trình chuyển hoá lượng tế bào Các đường đơn cấu thành tạo nên đường đôi (disaccarit) đặc biệt trùng hợp tạo nên đường phức tạp glicogen (chất dự trữ glucoz gan), tinh bột (gluxit dự trữ thực vật), xenluloz (chất tạo nên lớp vỏ cứng tế bào thực vật) 1.3.2.2 Disaccarit Disaccarit đường đôi tạo thành trùng hợp hai monosacarit (cùng loại khác loại) với phân tử H2O Đường đôi có vị tan nước dạng đường vận chuyển thể thể dùng làm chất dự trữ cacbon lượng Đối với thể người đường đôi quan trọng lactoz có sữa, tạo thành liên kết glucoz với galactoz Đối với thực vật đường đơi quan trọng là: saccaroz (đường mía củ cải đường) thành phần có glucoz fructoz, cịn đường maltoz (có kẹo mạch nha) gồm hai phân tử glucoz tạo nên Trong gan glicogen bị thuỷ phân tạo nên đường maltoz 1.3.2.3 Polysaccarit Các polysaccarit tạo thành trùng hợp đường đơn Chúng không tan nước thường thể sử dụng làm chất dự trữ lượng nâng đỡ Ví dụ, hàng nghìn phân tử glucoz kết hợp với tạo thành glicogen dạng gluxit dự trữ lượng có nhiều gan Khi máu có nhiều glucoz (do thức ăn cung cấp), glucoz vào gan, chúng trùng hợp thành glicogen máu có q glucoz (khi đói) glicogen phân giải thành glucoz vào máu Đối với thực vật, polysaccarit quan trọng tinh bột - dạng dự trữ glucoz thực vật; xenluloz chất tạo nên phần cứng Khi ta ăn thức ăn thực vật tinh bột nguồn cung cấp glucoz, cịn xenluloz khơng tiêu hố (vì khơng có hệ enzym để phân giải xenluloz thành glucoz) vào ống tiêu hố dạng sợi khơng cung cấp lượng xem nhân tố ngăn cản phát triển ung thư ruột già 9 Ngoài polysaccarit kể cịn có loại polysaccarit phức tạp phức chất polysaccarit với cấu thành khác Các chất heparin (chất chống đông máu), sunphat chondroitin (tạo nên chất mô liên kết), axit hialuronic (tạo nên màng tế bào trứng) polysaccarit phức tạp đóng vai trị chất ximăng gắn kết bảo vệ Polysaccarit liên kết với lipit tạo thành glicolipit với protein tạo thành glicoproteit - cấu thành quan trọng màng sinh chất 1.3.3 Lipit Lipit phân tử cấu thành từ C, H O, C H liên kết với nhờ liên kết đồng hoá trị (C - C, C - H), liên kết khơng phân cực, lipit thường khơng hoà tan nước, mà hoà tan dung môi hữu benzen, este clorofoc Trong thể, lipit có vai trị đa dạng: Một số lipit đóng vai trị chất dự trữ lượng mỡ Số lượng tích lipit (tính theo gram) gấp đôi so với gluxit Một số lipit khác photpholipit cấu thành bắt buộc màng tế bào Một số lipit đóng vai trị tín hiệu điều chỉnh trình sống (như hormon steroit, prostaglandin, số vitamin) Người ta chia lipit nhóm sau đây: 1.3.3.1 Axit béo, mỡ trung tính, dầu Axit béo phân tử gồm mạch dài tạo nên liên kết C với H cuối mạch nhóm cacboxyl (axit) Người ta phân biệt axit béo no axit béo không no Thuộc axit béo no phân tử mà mạch không chứa liên kết đôi liên kết ba (giữa ngun tử C) (-CH2-CH2-), cịn axit béo khơng no phân tử mà mạch có liên kết đơi (-CH=CH-) liên kết ba (-CH/CH-) Bơ mỡ bò chứa nhiều axit béo no, dầu thực vật thường axit béo chưa no Vì thức ăn giàu axit béo no (bơ, mỡ động vật) gây bệnh huyết áp cao, bệnh mạch vành tim nên để tránh bệnh ta nên ăn dầu thực vật Trong thể axit béo không trạng thái tự mà thường liên kết với glicerol để tạo thành triglicerit mỡ trung tính Trong thể người chúng chiếm đến 95% lipit tổng số thường tập trung mô mỡ nguồn dự trữ lượng chủ yếu Một số mỡ trung tính trạng thái lỏng (dầu thực vật) số trạng thái rắn (như sáp ong) Khi thể cần giải phóng lượng tích mỡ triglicerit bị phân giải thành axit béo glicerol Các axit béo bị phân giải nhờ phản ứng sinh hoá lượng giải phóng tích vào ATP 1.3.3.2 Photpholipit Photpholipit nhóm lipit mà thành phần có đến phân tử axit béo liên kết với phân tử glicerol; ngồi cịn có nhóm photphat liên kết với glicerol Photpholipit phân tử lưỡng tính: axit béo khơng phân cực kỵ nước, cịn đầu photphat phân cực ưa nước Photpholipit cấu thành bắt buộc quan trọng tất loại màng tế bào 1.3.3.3 Steroit Colesterol Steroit Colesterol lipit không chứa axit béo phân tử có cấu trúc vịng Colesterol cấu thành quan trọng màng tế bào máu chứa lượng dư thừa colesterol nguyên nhân dẫn đến bệnh tim mạch Thuộc steroit hormon sinh dục testosteron estrogen, chúng đóng vai trị điều hồ phát triển, tập tính sinh sản thể động vật người 1.3.3.4 Một số vitamin lipit Các vitamin A, D, E K lipit có vai trị quan trọng điều hoà chức thể 1.4 PROTEIN 1.4.1 Cấu trúc protein Protein chất trùng hợp sinh học thuộc loại đại phân tử (macromolecule) có khối lượng phân tử lớn đạt tới hàng nghìn hàng chục nghìn dalton Chúng chiếm khối lượng 80% trọng lượng khơ tế bào Chúng có cấu tạo phức tạp có vai trị định thể sống Protein vật liệu xây dựng nên tế bào mô Protein sở phân tử tất hoạt động sống Các chất xúc tác sinh học - enzym - protein Protein đóng vai trị chất chun chở (như hemoglobin máu), chất bảo vệ nâng đỡ (như keratin da collagen mơ liên kết) Protein đóng vai trị bảo vệ, chống kẻ thù (như kháng thể, interferon) Nhiều hormon quan trọng protein (như insulin v.v ) Protein - thể tính đặc thù tính đa dạng thể mơ Protein có bốn cấp cấu trúc: 1.4.1.1 Cấu trúc cấp - Axit amin Các đơn hợp cấu tạo nên protein axit amin, có đến 20 loại axit amin khác tạo nên tất loại protein thể sinh vật (trong thể người có 100.000 loại protein khác nhau) Axit amin phân tử gồm có nguyên tử C trung tâm liên kết với bốn nhóm phân tử khác có ba nhóm giống cho tất axit amin (nhóm - NH2 gọi nhóm amin; nhóm –COOH gọi nhóm cacboxyl; -H), cịn nhóm thứ (gốc -R) nhóm khác axit amin khác Công thức chung axit amin là: H H2N O C C OH R Gốc R qui định tính chất hố học khác biệt axit amin, (có thể axit, bazơ, phân cực không phân cực) đồng thời chúng qui định nên đặc tính cấu tạo chức phân tử protein chúng tham gia vào thành phần protein Ví dụ, enzym gốc R đặc thù qui định nên tính liên kết enzym với phân tử mà chúng xúc tác phản ứng 11 Các axit amin liên kết với theo tuyến tính tạo nên chuỗi dài nhờ liên kết peptit liên kết nhóm amin axit amin với nhóm cacboxyl axit amin bên cạnh H H2 N O C C H + OH C H2N R O C OH R H H2N O C C R H N C H OH R Nếu axit amin liên kết với - tạo nên chất dipeptit, axit amin - tripeptit, số axit amin khơng nhiều - gọi oligopeptit, cịn số axit amin chuỗi nhiều gọi polypeptit Số lượng trình tự xếp axit amin chuỗi polypeptit - thể cấu trúc cấp protein Cấu trúc cấp protein qui định nên tính đặc thù phân tử protein, đồng thời qui định nên cấu trúc không gian protein Nếu chuỗi polypeptit có thừa thay đổi trình tự (dù axit amin) dẫn tới thay đổi tính đặc thù chức protein Ví dụ: bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm thay valin (cho axit glutamic) chuỗi β hemoglobin dẫn tới làm thay đổi tính hemoglobin việc chuyên chở oxy 1.4.1.2 Cấu trúc cấp Các chuỗi polipetit mạch thẳng mà chúng dạng xoắn α gấp khúc β, cấu trúc cấp protein Các liên kết hydro đóng vai trị quan trọng việc trì cấu trúc cấp 1.4.1.3 Cấu trúc cấp cấp Chuỗi polypeptit dạng xoắn gấp khúc cuộn lại theo nhiều cách tạo nên thù hình khơng gian - gọi cấu trúc cấp (cấu trúc 3D) protein Cấu trúc 3D protein qui định nên hoạt tính chức protein Khi có tác động nhiệt hoá chất dẫn tới làm thay đổi thù hình 3D protein (được gọi biến tính protein), dẫn tới việc huỷ hoại chức chúng từ dẫn tới trạng thái sinh lý bệnh Khi protein cấu tạo gồm nhiều chuỗi polypeptit protein có cấu trúc cấp Ví dụ: hemoglobin có chuỗi α chuỗi β 1.4.2 Enzym - chất xúc tác sinh học Enzym - protein đóng vai trị chất xúc tác - tăng cường tốc độ phản ứng hoá học cách tương tác trực tiếp với chất tham gia phản ứng, chúng khơng bị biến đổi thành phần, enzym sử dụng nhiều lần Enzym xúc tác phản ứng cách liên kết với chất (chất tham gia phản ứng) vùng trung tâm hoạt tính, liên kết chất tham gia phản ứng bị bẻ gãy thành lập cuối sản phẩm giải phóng khỏi enzym enzym + chất Phức hệ enzym - chất enzym + sản phẩm Sau sản phẩm giải phóng, enzym lại tái sử dụng Enzym chất xúc tác có tính đặc thù phân tử phản ứng định Vì vậy, thể người có hàng nghìn phản ứng, tương ứng có hàng nghìn loại nhóm enzym đặc thù khác Enzym khơng có khả phát động phản ứng, chúng có tác động tăng nhanh tốc độ phản ứng Tuy vậy, chúng đóng vai trị quan trọng có chúng q trình sinh lý xẩy đủ nhanh để đáp ứng kịp thời thay đổi môi trường sống Người ta đặt tên phân loại enzym cách thêm đuôi - aza tên gọi chất phản ứng mà chúng xúc tác Ví dụ: enzym phân giải protein gọi proteaza Enzym xúc tác phản ứng thuỷ phân - gọi hydrolaza Nhiều nhân tố độ pH, nhiệt độ, chất độc, nồng độ chất v.v có ảnh hưởng đến hoạt tính enzym (xem phần sau) 1.5 AXIT NUCLEIC Khi ăn protein khác từ thức ăn thực vật, động vật vào máy tiêu hoá, chúng bị enzym phân giải thành axit amin Các axit amin hấp thụ vào tế bào, axit amin liên kết với theo trình tự xếp định (cấu trúc cấp 1)- tạo nên protein đặc thù cho thể Một vấn đề đặt cho nhà sinh học là: qui định nên trình tự xếp axit amin chuỗi polypeptit Ngày câu giải đáp khẳng định: tính đặc thù phân tử protein mã hoá phân tử axit nucleic 1.5.1 Cấu tạo axit nucleic Axit nucleic loại đại phân tử sinh học cấu tạo từ nhiều đơn hợp gọi nucleotit Nucleotit cấu tạo liên kết bazơ nitơ với đường (pentoz) axit photphoric Nhiều đơn hợp nucleotit liên kết với nhờ liên kết photpho - dieste (là liên kết axit photphoric nucleotit với đường pentoz nucleotit bên cạnh), để tạo nên chuỗi dài gọi chuỗi polynucleotit Trong cấu thành nucleotit bazơ nitơ cấu thành quan trọng bậc Có đến loại bazơ nitơ khác là: adenin (A), guanin (G), (là bazơ nitơ có cấu trúc vòng kép 13 gọi purin), timin (T), citozin (C) uraxin (U) (là bazơ nitơ có cấu trúc vịng đơn gọi pirimidin) (xem hình 1.1) Các nucleotit khơng cấu thành axit nucleic, mà chúng cịn có vai trị quan trọng khác: sử dụng làm chất tích luỹ lượng cao (ATP, GTP), chất vận chuyển hydro (NAD, NADP FAD) chất làm tín hiệu thơng tin (AMP) (xem phần sau) 1.5.2 Các loại axit nucleic vai trò chúng Tuỳ theo thành phần nucleotit đường pentoz người ta phân biệt loại axit nucleic axit deoxyribonucleic axit ribonucleic 1.5.2.1 Axit deoxyribonucleic (ADN) Trong thành phần ADN có bốn loại bazơ nitơ adenin (A), guanin (G), citozin (C) timin (T) Chúng liên kết với đường deoxyriboz (là đường pentoz khác với riboz phân tử bớt oxy) axit photphoric để tạo nên loại nucleotit khác A, G, C T (người ta dùng ký hiệu bazơ nitơ để loại nucleotit) Bốn loại nucleotit liên kết với nhờ liên kết photpho - dieste để tạo nên chuỗi dài gọi chuỗi polynucleotit - phân tử ADN dạng mạch đơn H-íng cđa lâi ®-êng - photphat Hình 1.1 Cấu trúc phân tử ADN A Mô hình phân tử lập thể B Sơ đồ xoắn kép ADN; Lõi đờng photphat; Cặp bazơ nitơ Trình tự xếp bazơ nitơ mạch đơn thể cấu trúc cấp ADN - cách thức để mã hố thơng tin di truyền thể Trình tự xếp ba nucleotit mạch polynucleotit (ADN) quy định cho trình tự xếp axit amin mạch polypeptit (protein) - vậy, người ta nói ADN vật chất mang thông tin di truyền (xem phần sau) Trong tế bào thể hai mạch đơn ADN xoắn lại với tạo nên xoắn kép ADN theo mô hình Watson - Crick (2 nhà khoa học phát mơ hình năm 1953 giải thưởng Nobel) Mơ hình cấu trúc sợi xoắn kép ADN Watson - Crick có đặc điểm: 15 Hai mạch ADN liên kết với tạo thành sợi xoắn kép theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với T ngược lại T với A (nhờ cầu nối hydro), G liên kết với C ngược lại C với G (nhờ cầu nối hydro) Nguyên tắc bổ sung A=T G≡C định tính tự tái tính phiên mã phân tử ADN Hai mạch ADN xoắn với theo trục theo hai chiều ngược nhau, mạch theo hướng 3' - 5' mạch theo hướng 5' - 3' (theo số phân tử cacbon đường deoxyriboz khung deoxyriboz - photphat sợi xoắn ADN) Nguyên tắc đối song song hai mạch ADN định chế tự tái phiên mã ADN Trong nhân tế bào ADN tồn dạng phân tử riêng lẻ (ở Procaryota) liên kết với protein tạo cấu trúc sợi gọi thể nhiễm sắc 1.5.2.2 Các axit ribonucleic (ARN) Trong thành phần axit ribonucleic có loại bazơ nitơ A,U,G C (so với ADN ta thấy ARN T thay U) đường pentoz đường riboz Như vậy, bốn loại ribonucleotit A,U,G,C liên kết với tạo mạch polyribonucleotit (ARN) ARN tế bào sử dụng chất truyền đạt thông tin di truyền Đối với số virut phân tử ARN dùng làm vật liệu tích thơng tin di truyền Ví dụ, virut HIV Người ta phân biệt ba loại ARN: ARN - thông tin (mARN) - mạch đơn phiên mã từ ADN nhân vận tải tế bào chất, sử dụng làm khuôn để tổng hợp protein Trong tế bào người có 80.000 đến 100.000 phân tử mARN khác dùng làm khuôn để tổng hợp nên hàng 100.000 protein khác ARN - riboxom (rARN) - loại ARN nhiều nhất, chúng chiếm đến 80% lượng ARN tế bào, chúng phiên mã từ ADN liên kết với protein để tạo nên riboxom nơi tổng hợp protein ARN - vận tải (tARN) - đóng vai trị vận tải axit amin để lắp ráp vào mạch polypeptit tổng hợp protein, tARN phân tử ARN bé chứa khoảng 75 - 85 nucleotit Có khoảng 20 loại tARN khác đặc trưng cho 20 loại axit amin khác nhau, tARN tổng hợp nhân tế bào cấu trúc chúng có phần gấp cuộn đặc thù cho phép chúng nhận biết axit amin cần vận chuyển, đồng thời chúng có chứa ba anticodon bổ sung với ba codon mARN, điều cho phép chúng lắp ráp axit amin mạch polypeptit theo mã mARN 1.6 CÁC PHỨC HỆ ĐẠI PHÂN TỬ, SIÊU CẤU TRÚC Trong tế bào phân tử protein axit nucleic hoạt động riêng lẻ, chúng thường liên kết với với phân tử hữu khác tạo nên phức hệ đại phân tử đơn vị hoạt động đồng gọi siêu cấu trúc tế bào Các protein khác (như axit actin, miozin) liên kết với tạo nên vi sợi có chức co rút Protein liên kết với lipit gluxit tạo nên cấu trúc màng tế bào có chức thực trao đổi chất tế bào môi trường Protein liên kết với rARN tạo nên riboxom siêu cấu trúc (có kích thước khoảng 20 35 nm) có chức tổng hợp protein ADN liên kết với protein tạo nên thể nhiễm sắc khu trú nhân tế bào Các siêu cấu trúc tạo nên bào quan tế bào, đồng thời chúng tạo nên cấu trúc gian bào mô sản phẩm khác thể (như chất xương, sụn, chất sừng, móng, v.v có chức nâng đỡ bảo vệ)  .. .Phần SINH HỌC PHÂN TỬ VÀ SINH HỌC TẾ BÀO Chương THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA CƠ THỂ SỐNG MỤC TIÊU: Sau học xong chương này, sinh viên cú khả năng: Trình bày cấu tạo thành phần hóa học thể sống. .. phương diện hố học người ta kể đến cấu thành vô hữu thể 1. 2 CẤU THÀNH VÔ CƠ CỦA CƠ THỂ SỐNG Các chất vô thể thường dạng nước (H2O) muối vô 1. 2 .1 Nước 1. 2 .1. 1 Nước thành phần chiếm nhiều thể Nước chiếm... cho trình sống diễn bình thường ++ 1. 3 CẤU THÀNH HỮU CƠ CỦA CƠ THỂ SỐNG 1. 3 .1 Cấu tạo chất hữu cơ, phản ứng sinh hoá 1. 3 .1. 1 Chất hữu hợp chất chứa cacbon có thể sống Đó phân tử tạo thành liên