Sinh học đại cương. Tập 1 - Sinh học tế bào, cơ sở di truyền học và học thuyết tiến hóa

1.2 CÁC BIỂU HIỆN bỮA SỰ SONG Khi nghiên cứu giới sinh vật và giới vô sinh, các nhà khoa học tìm thấy có một số đặc điểm tương đồng như các chất hóa học có mặt ở cả sinh vật và ở cả gi

SINH HỌC :

$INH HỌC TẾ BÀO -

_ &HỌC THUYẾT TIẾN HÓA

nna = pAl HOC QUOC GIA TP HO CHi MINH mua BAN —Ằ 5

Nguyễn Đức Lượng (Chủ biên) - Nguyễn Thúy Hương

Lê Thị Thủy Tiên - Huỳnh Ngọc Oanh

SINH HỌC ĐẠI GƯƠNG

MUC LUC

LOI NOI ĐẦU

Phén 1 MG.DAU

1.1 Sinh vật học

1.2 Các biểu hiện của sự sống

1.3 Những vấn để cơ bản của sinh học

1⁄4 Sinh học và công nghệ sinh học

Phân II SINH HỌC TẾ BÀO -

Chương 1 CƠ SỞ HOA HOC CUA SU SONG

1.1 Các nguyên tố hóa học trong cơ thể

1.3 Nước, cấu trúc, đặc tính và vai trò của nước

trong cơ thể

1.3 Oác chất hóa học trong cơ thể sống

Chương 9 CẤU TRÚO TẾ BÀO

92.1 Tế bào Prokaryote

2.2 Tế bào Eukaryote

2.3 Màng nguyên sinh chất

Chương 3 NĂNG LƯỢNG VA SY TRAO ĐỔI CHẤT

3.1 Năng lượng và sự chuyển hóa năng lượng

trong tế bào sinh vật

3.2 Sự trao đổi chất trong tế bào

3.3 Enzyme va sy xtc tac sinh hoc

Chuong 4 SU HO HAP TE BAO

4.1 Sự hô hấp tế bào

4.2 Sự tổng hợp ATP

4.8 Các giai đoạn của sự hô hấp tế bào

4.4 Chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp'

4.6 Nguyên liệu của quá trình hô hấp

4.6 Ý nghĩa của hô hấp

5.2 Các sắc tố quang hợp

ð.3 Phản ứng quang hóa của phân tử điệp lục tố

5.4 Các quang hệ thống thu nhận năng lượng

5.5 Chu trình Calvin

5.6 Quang hô hấp

5.7 Quang hợp ở thực vật C¿ và thực vật cam

5.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp

5.9 Méi quan hệ về biến dưỡng giữa quang hợp

và hô hấp

5.10 8o sánh hô hấp và quang hợp

Phân 1 CO SG DI TRUYEN HOC

Chương 6 CƠ SỞ PHÂN TU CUA DI TRUYEN

6.1 Vật chất đi truyền

6.2 Quá trình sao chép DNA

6.3 Quá trình sửa sai và bảo vệ DNA

Chương 7 SINH TỔNG HỢP PROTEIN

7.1 Vai trò của protein trong sự sống và

thuyét 1 gen - 1 enzyme

7.2 Học thuyết trung tâm và quá trình

sinh tổng hợp protein

Chương 8 DI TRUYEN HOC VIRUS VA VI KHUAN

8.1 Di truyén hoc virus

8.2 Di truyền học vi khuẩn

Chương 9 ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN

8.1 Điều hòa hoạt động gen của Prokaryote

9.2 Điều hòa hoạt động gen của Eukaryote

9:3 Điều hòa sự biệt hóa tế bào

Chương 10 NHIỄM SAC THE VA SU PHAN BAO

Chương 11 DĨ TRUYEN HOC MENDEL

11.1 Những quan điểm di truyền của Mendel

11.2 Lai đơn tính và quy luật giao tử thuần khiết -

11.8 Lai lưỡng tính và đa tính

11.4 Sự tương tác giữa các gen

Chương 12 CƠ SỞ NHIÊM SẮC THỂ TRONG

BIỂU HIỆN GIỚI TÍNH

12.1 Xác định giới tính

12.2 Di truyền liên kết với giới tính

12.3 Di truyền lên kết

Phần IV HOC THUYET TIEN HOA CUA DARWIN

Chuong 13 HOC THUYET TIEN HOA CUA DARWIN

13.1 Các quan niệm chú yếu trước Darwin

13.2 Học thuyết tiến hóa của Darwin

18.3 Sự phát triển học thuyết tiến hóa của Darwin

Chương 14 QUẦN THỂ LÀ ĐƠN VỊ TIẾN HÓA

14.1 Loài và quân thể là những đơn vị tiến hóa cơ bản

14.3 Vai trò của biến đị trong tiến hóa

14.38 Vai trò của chọn lọc trong tiến hóa

Chương 16 LOÀI VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH LOÀI

15.1 Quan niệm về loài

15.2 Những đặc điểm sinh học của loài

15.8 Các cơ chế cách ly

15.4 Quá trình hình thành loài

15.5 Nguồn gốc chung va chiéu hướng tiến hóa

của sinh giới

Chương 16 SỰ PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN

SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT

16.1 Tiến trình phát sinh và phát triển sự sống

16.2 Nguồn gốc sự sống

16.8 Sự tiến hóa của tế bào

16.4 Nguồn gốc loài người

17.3 Lược sử phát triển giới của sinh vật

17.8 Phân loại, nguồn gốc và tiến hóa của thực vật

17.4 Phân loại, nguồn gốc và sự tiến hóa

của vỉ sinh vật

17.6 Phân loại, nguồn gốc và sự tiến hóa của động vật

17.6 Ý nghĩa sự đa dạng sinh học

17.7 Bảo vệ đa dạng sinh học

TÀI LIỆU THAM KHẢO _,

LỮI NÓI ĐẦU

Sinh học là môn khoa học uề sự sống 0uề là môn học cơ sở của công nghệ sinh học Cuối thế kỷ 20 uà đầu thế kệ 21, công nghệ sinh học phát triển rất mạnh, do đó sinh học không chỉ là môn

khoa học tự nhiên mà còn là môn học nền tảng của kỹ thuật Trong chương trình đào tạo công nghệ sinh học ở các trường đại

học, những năm đầu sinh uiên được cung cấp các hiến thức cơ bản

vé sinh hoc Tai liệu SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG được biên soạn nhằm mục đích cung cấp cho sinh oiên những kiến thức cơ bản nhất oê cúc quy luột sinh học để từ đó sinh uiên va cán bộ kỹ thuật có liên quan đủ biến thức sau này tiếp cận uới các chuyên

ngành của công nghệ sinh học như công nghệ gen, công nghệ protein-enzyme, công nghệ lên men 0à công nghệ tế bào

Tài liệu SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG được chia ra thành hai lập: Tập 1: bao gồm sinh học tế bào, cơ sở di truyền uà học thuyết tiến hóa Khối lượng biển thức này được chiœ ra như sơu:

- Phân 1: do PGS TS Nguyễn Đúc Lượng biên soạn

- Phân 9: Sinh học tế bào, gôm các chương 1, 3, 3, 4 uà õ do

ThS Lé Thi Thủy Tiên va PGS TS Nguyễn Đức Lượng biên soạn

- Phân 3: Cơ sở di truyền học, gồm các chương 6, 7, 8,,9, 10,

11 oà 19 do ThS Nguyễn Thúy Hương uà PGS TS Nguyễn Đức

Luong biên soạn

- Phân 4: Học thuyết tiến hóa, gôm các chương 13, 14, 15, 16

va 17 do TAS: Huynh Ngoc Oanh va PGS TS Nguyễn Đức Lượng biên soạn

Tập 3: bao gôm sinh học thực uột, sinh học déng vat va sinh thdi hoc, duge chia ra nhiing phân như sau:

- Phân 5: Sinh học thực uật, bao gôm các chương -18, 19, 20

va 21 do ThS Lê Thị Thủy Tiên uà PGS TS Nguyễn Đức Lượng biên soạn

- Phan 6: Sinh hoc déng vat, bao gâm các chương 22, 23, 24,

25, 26, 27, 97, 28, 99 uà 30 do Thể Huỳnh Ngọc Oanh va PGS TS

Nguyễn Đức Lượng biên sogn `

- Phân 7: Sinh thái học, bao gầm các chương 31, 32 uà 33 do PGS TS Nguyễn Đức Lượng biên soạn

đạy kỹ sư, cao học ngành Công nghệ Sinh học ở Trường Đại học

Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chi Minh va cũng là tài liệu

tham khảo cho sinh uiên, học oiên cao học ở các ngành khác, cán

bộ kỹ thuật, cán bộ nghiên cứu thơm khảo l

Lân đầu tiên xuốt bản không thể không có những thiếu sót Chúng tôi rất oui uà cúm ơn những đóng góp chân thành để những lần xuất bản sơu hoàn thiện hơn

Mọi góp ¥ xin gửi uễ: Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường -

Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, số 968 Ly

Thường Kiệt, Quộn 10, TP Hồ Chí Minh

Điện thoại: (08) 8639341 hoặc 0918910007

Thay mặt tập thể tác giả

PGS TS NGUYEN DUC LUONG

PHAN I

MỬ BẦU:

Từ khi xuất hiện loài người, nhất là từ khi loài người ý thức

được sự tồn tại của mình trên trái đất, loài người bắt đầu có những

quan sát, tìm hiểu thế giới xung quanh mình, kể cả những quan sát

Tất cả những quan sát, tìm hiểu ban đầu ấy được ghỉ nhận lại,

truyền từ thế hệ này qua thế hệ khác bắt đầu bằng những phương

thức miêu tả qua lời nói Mức độ cao hơn là loài người vẽ lại những

gì quan sát, những gì hiểu được thế giới xung quanh qua các hình vẽ

Dân dân chữ viết được hình thành, các kiến thức do quá trình quan

sát, phân tích đó được viết lại và như vậy kiến thức về mọi hiện

tượng, mọi vật chất tổn tại khách quan xung quanh ta được làm giàu

lên qua thời gian tôn tại và phát triển của loài người

Thời gian đầu, loài người chưa đủ điều kiện và kiến thức như

thời đại hiện nay, để có thể phân chia ra các ngành học như vật

lý, hóa học, sinh học, địa chất học hay sâu hơn cụ thể hơn như

các ngành kỹ thuật đang được giảng dạy ở các trường đại học Tất

cả những kiến thức thu nhận được từ tự nhiên đó gộp chung lại

giống như môn “Vạn vật học”, mà phần lớn các trường phổ thông

đầu thế kỷ 20 thường đạy

Theo thời gian, khối lượng kiến thức loài người thu nhận

được từ thực tế cuộc sống đã thúc đẩy nhanh sự hình thành và

phát triển nhiều ngành khoa học khác nhau Các ngành khoa học

khác nhau này vừa mang tính độc lập vừa mang tính thống nhất

trên cơ sở tìm hiểu sâu sắc bản chất của vật chất, bản chất của các

hiện tượng tự nhiên và bản chất xã hội loài người Tất cả các

ngành khoa học cùng có chung một roục đích, mục đích cao cả nhất

là ứng dụng các hiểu biết đó để phục vụ lợi ích của loài người

Ngành sinh học là một trong những ngành học tự nhiên nên

không thoát khỏi những tính chất căn bản trên và không có mục

đích nào khác ngoài mục đích phục vụ lợi ích của con người

1.1 SINH VẬT HỌC (BI0LOGY)

Ngày nay, ta hiểu sinh vật học (viết gọn là sinh học) là môn

khoa học tự nhiên, nghiên cứu về sự sống trong vũ trụ Để dễ hiểu

hơn, các nhà khoa học định nghĩa rất ngắn gọn: sinh học là môn

khoa học uễ sự sống (biology is science of life)

12 ` THÊM †

Như uậy, đối tượng nghiên cứu của sinh học là sự sống họy nói cách khác là tất cả các quy luật tự nhiên tôn tại xung quanh sò

trong moi sinh vat

Ở đây, điều cần phải hiểu rõ, sự sống là gì? Thực ra, đây là một khái niệm rất rộng và cho đến nay vẫn chưa có một khái niệm

nào thật ngắn gọn mà lại nói lên tất cả nội dung của nó Chính vì thế ngoài những định nghĩa khái quát, người ta lại phải giải thích

từng vấn để rất cụ thể biểu hiện của sự sống Những giải thích sau đây một phân nào thỏa mãn được nhiều người và nhiều người thấy hợp lý nhất

1.2 CÁC BIỂU HIỆN bỮA SỰ SONG

Khi nghiên cứu giới sinh vật và giới vô sinh, các nhà khoa

học tìm thấy có một số đặc điểm tương đồng như các chất hóa học

có mặt ở cả sinh vật và ở cả giới vô sinh, giữa giới sinh vật và giới

vô sinh có sự trao đổi các chất hóa học đó tạo nên những mắt xích trong chuỗi chuyển hóa vật chất

Tuy nhiên, các nhà khoa họé cũng chứng minh được rằng giới

sinh vật biểu hiện sự sống của mình có những điểm rất khác giới

vô sinh Những biểu hiện đó như sau:

1.2.1 Trao đổi chất

Tất cả các quá trình trao đổi chất của cơ thể đều được thực hiện ở từng tế bào của cơ thể đó Quá trình trao đổi chất được hiểu như một quá trình chuyển hóa uật chất giữa tế bào uà môi trường

bên ngoài cũng như các quá trình chuyển hóa ngay trong tế bào

Biểu hiện của sự sống trước nhất là biểu hiện trao đổi chất (metabolism) cia té bao Néu quá trình trao đổi chất ngừng, tế bào

sẽ chết và tất nhiên cơ thể sẽ dẫn dân không còn sự sống

Như vậy, sự sống cần vật chất để tế bào phát triển và phần chia, tạo ra nhiễu tế bào khác cùng loại, đồng thời cân năng lượng

để duy trï các hoạt động của tế bào, cũng như thực hiện các phản

ứng trong tế bào Nguồn cung cấp nguyên liệu và năng lượng cho

tế bào là vật chất ngoài tế bào Khi các vật chất này được đưa vào

tế bào, tế bào sẽ tiến hành hai hoạt động gần như trái ngược nhau,

nhưng lại có sự thống nhất, đó là quá trình đồng hóa và quá trình

đị hóa Đồng hóa là quá trình tổng hợp vật chất, xây dựng tế bào

Dị hóa là quá trình phân giải vật chất để tế bào nhận nguyên liệu

và năng lượng Những vật chất nào hoặc năng lượng dư thừa được

tế bào đưa ra ngoài theo nhiễu con đường khác nhau Tuy nhiên, ở đây cũng có trường hợp ngoại lệ, đó là virus khi tồn bại ngoài tế bào chủ Ở thời kỳ này virus không biểu hiện quá trình trao đối

chất, đây được xem như giai đoạn tĩnh của sự sống để rồi khi virus

xâm nhập được vào tế bào chủ thì quá trình sống lại xáy ra rất

mãnh liệt Vấn để này chúng tôi sẽ dé cập chỉ tiết trong những

chương sau

1.2.2 Sinh sản

Sinh sản là phương thức duy trì sự sống của một loài Day là biểu hiện sự sống rõ nhất ở tất cả các loài sinh vật Sinh sản không chỉ duy trì sự sống của loài từ thế hệ này sang thế hệ khác

mà còn làm tăng số lượng cá thể trong mỗi loài sinh vật Loài nào không có khả năng sinh sản hoặc khả năng sinh sản yếu, loài đó

sẽ dân đân biến mất

Do đó, sinh sản còn được biểu hiện như một phương thức đấu tranh sinh tôn của loài Những loài có khả năng tự vệ cao, khả

năng chống lại các tác động sinh vật, hóa chat, vat ly cao thi kha

năng sinh sản thấp, loài nào không có khả năng tự vệ hay khả

năng tự vệ kém thì khả năng sinh sản rất cao Những loài này thường sinh sản với số lượng cá thể rất lớn để có sự tôn tại một số

lượng cá thể nhất định sau khi bị tác động bởi các sinh vật khác, các chất hóa học và các yếu tố vật lý Có như vậy loài mới được

tên tại theo thời gian

12.3 Sự tăng trưởng ,

Sự tăng trưởng được xem như biểu hiện quan trọng thứ ba

của sự sống Sự tăng trưởng được hiểu như là sự tăng về khối lượng tế bào và số lượng tế bào trong mỗi cơ thể đa bào Riêng các cơ thể đơn bào, sự tăng trưởng chỉ được hiểu như sự tăng về kích thước tế bào

Các loài sinh vật kháe nhau có tốc độ tăng trưởng khác nhau

Thậm chí trong cùng một loài tốc độ tăng trưởng của các cá thể

khác nhau cũng rất khác nhau Sự khác nhau này không chỉ phụ

thuộc vào điều kiện môi trường mà còn phụ thuộc vào khả năng trao đổi chất của từng loại tế bào sinh học

sống NHờ đó, sinh uột mới có khả năng tồn tại uà phát triển

Sự thích nghỉ là biểu hiện rõ nhất mối quan hệ giữa cơ thể và môi trường, và là minh chứng cụ thể để ta hiểu sâu sắc hơn khái niệm sinh vật tổn tại như một hệ thống mở đối với môi trường

Khả năng thích nghi của những loài sinh vật khác nhau hoàn toàn không giống nhau Các nhà khoa học cũng đã khẳng định rằng thích nghỉ là phương thức đấu tranh sinh tổn của các loài Theo đó, sinh vật nào tổ rõ sức sống mạnh mẽ, sinh vật nào

tỏ rõ khả năng tổn tại và khả năng duy trì đặc điểm loài, sinh vật nào tỏ 'rõ khả năng tiến hóa mạnh thì sinh vật đó có khả

năng thích nghỉ cao

Cơ chế của sự thích nghỉ rất phức tạp Ở các sinh vật khác nhau, cơ chế thích nghỉ rất khác nhau Do đó khi xem xét cơ chế thích nghi cần phải xem xét cơ chế này đối với từng loài, chứ không có cơ chế chung chung

1.2.5 Tự vận động

Tự vận động là cơ chế sinh vật rất đặc biệt Nhờ quá trình tự vận động mà sinh vật có thể thích ứng với môi trường, có thể tự tìm kiếm nguồn thực phẩm hay chất đỉnh dưỡng, năng lượng cho mình và hơn nữa tự vận động còn là phương thức duy trì loài

Trước đây, do thiếu kiến thức và cả phương tiện quan sát, đo đạc, người ta chỉ thấy tự vận động ở động vật Đã có một thời gian dài, người ta cho đây như là một đặc điểm rất quan trọng để phân

rễ thì chui sâu xuống lòng đất theo chiều ngược lại bất chấp ta để hạt theo một tư thế nào,

Tuy nhiên, so với tự vận động của động vật, tự vận động ở thực vật thường xảy ra rất chậm và có một giới hạn nhất định

trong một không gian nhất định Tự vận động ở động vật không giới hạn về không gian và thời gian Sự khác biệt này phải chăng

có liên quan đến phương thức dính dưỡng khác nhau giữa động vật

và thực vật? Động vật là sinh vật dị dưỡng, thực vật là sinh vật tự

dưỡng quang năng Phần lớn vi sinh vật có khả năng tự vận động bằng các tiên mao

1.2.6 Khả năng tự vệ

Sinh vật có khả năng tự vệ trước những tác động bất lợi của

môi trường Đây là đặc điểm khác hẳn với giới vô sinh Khả năng

tự vệ của sinh vật có ý nghĩa như một phương thức đấu tranh có

tính chủ động để tân tại và phát triển

Ở động vật khả năng tự vệ rất cao Hệ thống miễn dịch chủ động và bị động ở động vật giúp động vật chống lại các bệnh đo sự

xâm nhập của các yếu tố gây bệnh như vi sinh vật, giun, sán,

nguyên sinh động vật và các độc tố Nhờ có khả năng tự vệ đặc hiệu này mà động vật tồn tại và phát triển trong mọi điều kiện

Ở thực vật cũng có những cơ chế tương tự Tuy nhiên, khả năng tự vệ của thực vật thường thấy hơn ở động vật

Ở vị sinh vật khả năng tự vệ khá đa dạng và mang tính loài cao Có loài vi sinh vật tự vệ bằng cách tạo ra nha bào, bao quanh

tế bào, có loài tạo ra nhiều loại kháng sinh để tiêu điệt kế thù, có loài chi đơn thuần là làm thay đổi pH môi trường xung quanh làm hạn chế boạt động của kẻ thù.,

1.3 NHONG VAN DE CO BAN CUA SINH HỌC

1.3.1 Hé thống thứ bậc sinh học

Hệ thống thứ bậc trong sinh học là một hệ thống được sắp

xếp trên cơ:sở những quan sát, hiểu biết của loài người từ hàng

` ngàn năm nay Những kiến thức sinh học không tách rời kiến thức của nhân loại về vật lý học, hóa học, toán học và cả những môn thuộc khoa học nhân văn

Cách phân chia mức độ tổ chức theo một hệ thống thứ bậc trong sinh học không chỉ mang tính chất quy ước mà còn phản ánh mức độ về cấu trúc sinh vat, về chức năng và những mối quan hệ

16 PHAN 1

Trên cơ sở đó, các nhà khoa học nghiên cứu về sinh vật (được

gọi là các nhà sinh học) sắp xếp lại theo thứ bậc cấu trúc từ thấp đến cao Nhờ đó chúng ta hiểu được toàn bộ giới sinh vật Mức tổ

chức đó như sau:

1- Các đại phân tử sinh học: tôn tại trong mỗi tế bào, đóng vai trò quyết định đến sự tổn tại, sinh sản và phát triển tế bào Từ đó hình thành nên môn học điển hình nhất của mức độ tổ chức này

có tên là sinh học phân tứ

#- Tế bào: là đơn vị cơ sở của sự sống Tế bào được coi như những viên gạch tạo ra tòa lâu đài cá thể sinh vật Mọi hoạt động sống của sinh vật đầu điễn ra trong các tế bào Nó quyết định nên cấu tạo, chức năng của từng cơ quan và từng cơ thể sinh vật

3- Cá thể: là đơn vị tồn tại độc lập của mọi sinh vật Cá thể tên tại

độc lập trong một hệ thống sinh học và gắn với hệ thống này

nhằm duy trì loài và đuy trì toàn bộ hệ thống sinh vật

4- Quần thể: quân thể bao gồm nhiều cá thể trong cùng một loài Quân thể được xem như một đơn vị cơ sở của sự tiến hóa

ð Loài: là đơn vị cơ bản trong phân loại sinh vật và được xem như

cơ sở của sự tiến hóa sinh vật -

6- Quân xẽ: là đơn vị bao gồm nhiều loài sinh vật tôn tại trong một khoảng không gian nhất định

?- Hệ sinh môi (còn gọi là hệ sinh thái): là đơn vị bao gồm quần

xã, môi trường vô sinh hoạt động gắn kết với nhau như một hệ thống trong một khoảng không gian nhất định

Ngoài cách phân chia theo mức độ tổ chức sinh vật như trên,

trong rất nhiều sách người tạ còn đưa ra những mức độ khác với các tên chỉ mức độ khác nhau như sinh quyển (sự sống trên hành tỉnh),

mô (tập hợp nhiều tế bào cùng loại), cơ quan (chỉ một tổ chức cấu trúc của cơ thể đa bào, thực hiện những chức năng nhất định), hệ cơ

quan (gồm nhiều cơ quan thực hiện một vài chức năng chung)

1.8.2 Hệ thống phân loại sinh vật ,

Ở giai đoạn đầu.trong lịch sử phát triển loài người, sự hiểu biết của loài người về sinh vật còn rất đơn giản, chủ yếu là những ghi nhận về hình thái bên ngoài Càng về sau, sự hiểu biết của loài người về sinh vật càng nhiều hơn Chính sự hiểu biết phong phú của loài người về thế giới sinh vật càng nhiều nên phát sinh

ra nhiều vấn để phức tạp trong chính sự hiểu biết đó Ví dụ như, người ta có sự nhận biết rất nhiễu sinh vật giống nhau về hình thái nhưng lại khác nhau rất nhiều về đặc điểm sinh lý Dẫn dần,

các nhà khoa học mới đưa ra hệ thống phân loại sinh vật dựa trên không chỉ những đặc điểm hình thái mà còn dựa trên những đặc

điểm về cấu tạo, sinh lý, sinh hóa, đi truyền của sinh vật

Nhờ hệ thống phân loại mà chúng ta hiểu được, phân biệt

được giữa sinh vật này với sinh vật khác Ngoài ra hệ thống phân loại còn cho ta biết được sự thống nhất trong sự khác biệt giữa các sinh vật Ví dụ, mặc dù.có những đặc điểm sinh thái, sinh lý, di'

truyền khác nhau, nhưng tất cả các sinh vật đều giống nhau ở chỗ

là trong thành phần tế bào của chúng đều chứa các nhóm chất hữu

ced nhu glucid, lipid, protein, nucleic acid Biém giống nhau thứ hai

ở tất cả các sinh vật với giới vô sinh là sự tên tại cả trong tế bào

và ở ngoài môi trường các nguyên tố như hydrogen, oxygen, nitrogen và carbon Như vậy, mặc dầu có sự

khác biệt về hình thái, sinh lý, sinh hóa và đi Giới

truyền ở mỗi sinh vật trong hệ thống phân

loại nhưng tất cả sinh vật đều có sự thống |

nhất với nhau và với môi trường xung quanh Giới phụ Hiểu biết về hệ thống phân loại phải hiểu biết |

cả về sự khác biệt và sự thống nhất đó ‘ Lớp

Trên cơ sở đó, các nhà sinh học chia sinh

vật theo một hệ thống phân loại từ lớn đến |

Các nhà khoa học cũng đã đưa ra những |

nguyên tắc đặt tên cho từng mức độ phân loại — Họ

và các tên này đều phải viết bằng chữ Latin,

khi in phải in nghiêng |

Giống

13.3 Những nguyên tắc cơ bản trong

nghiên cứu sinh vật

1- Những bộ môn sinh học

Sinh học là môn khoa học tự nhiên, nghiên cứu về thế giới

sinh vật Thế giới sinh vật lại tổn tại muôn hình, muôn về Các

nhà khoa học cho biết rằng, trên trái đất này tồn tại khoảng -2 triệu loài sinh vật khác nhau Số liệu này không thể khẳng định là chính xác vì còn rất nhiều sinh vật tổn tại quanh te mà với kiến

18 -_ PHẨN †

thức và những phương tiện hiện nay chúng ta chưa thể phát hiện

ra, phân loại và định đanh được Ngoài ra, theo quy luật tiến hóa,

theo thời gian, số lượng loài có một sự thay đổi rất mạnh Rất nhiều loài sinh vật biến mất và cũng có rất nhiều loài mới xuất

hiện Với sự phát triển mạnh của công nghệ gen, chắc chắn sự

biến động về loài trong tương lai sẽ lớn rất nhiêu Như vậy, đối tượng của sinh học là các loài sinh vật Đây là đối tượng nghiên

cứu rất phức tạp, chứa đựng trong đó rất nhiều quy luật tự nhiên, đòi hổi các nhà khỏa học phải am hiểu nhiều lĩnh vực khác nhau mới hy vọng hiểu được bản chất sự sống Chính vì sự đa dạng về loài, đa dạng về quy luật, đa dạng về sự biến động nên sinh học không thể không chứa trong nó một vài bộ môn nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của loài người, kiến thức ngày càng được tích lũy phong phú hơn và càng nghiên cứu về sự sống, các

nhà khoa học càng thấy còn rất nhiều bí ẩn sự sống cần được

khám phá Điêu đó đòi hỏi sinh học cân phải được chia ra thành các bộ môn nghiên cứu chuyên sâu Có như vậy mới có các chuyên

gia giối, hướng nghiên cứu tập trung hơn Thời gian đâu, các nhà

khoa học chia các môn học theo giới sinh vật như: động vật học, thực vật học và vi sinh vật học Nhưng sau đó, các nhà khoa học

thấy giữa các giới sinh vật có những quy luật rất giống nhau, các

quy luật này vừa tôn tại riêng biệt và vừa tổn tại đan chéo nhau, tạo nên các mối liên quan rất mật thiết nên từ "đó hình thành nên các môn học chuyên sâu hơn như:

trở thành môn học trung tâm để giải thích tất cả các quy luật ở mức độ tế bào và mức độ cơ thể Hai môn học đó là sinh học phân

tif vA enzyme hoc

Như vậy, sinh học đã trở thành một ngành học bao gềm rất nhiều môn học khác nhau, tạo ra một hệ thống kiến thức phong phú

Nhờ có sự phân chia ra những môn học chuyên sâu như trình bày ở trên, các môn khoa học khác cũng theo nó phát triển rất mạnh như cơ khí chính xác, tạo ra các loại máy, thiết bị phân tích; thiết bị nuôi cấy tế bào, thiết bị trích ly, tỉnh sạch, kết tỉnh, làm lạnh, sấy thăng hoa Chính vì thế, kiến thức sinh học được tích lũy và được làm giàu lên cho đến những năm 70 của thế kỷ 20 bùng phát và tạo lập một ngành kỹ thuật dựa trên khoa học về sự

sống Đó là ngành công nghệ sinh học Ngành công nghệ sinh học

ngày nay đạt được nhiều thành công và phát triển rất mạnh chính

là nhờ kiến thức sinh học đã được nhân loại tích lũy và phát triển trong rất nhiều năm, từ thế hệ này sang thế hệ khác

` 8- Những nguyên tắc cơ bản trong nghiên cứu sinh oật

Khoa học càng phát triển, tính đa dạng và phức tạp càng lớn Bình học là một trong những ngành khoa học tự nhiên biểu hiện

rõ nhất đặc điểm trên Điều đó đòi hỏi ở những nhà khoa học nghiên cứu bản chất sự sống phải có những định hướng khoa học

rõ ràng và trong đó phải có những nguyên tấc cơ bản trong thực hiện các định hướng nghiên cứu của mình l Trên cơ sở đó các nhà nghiên cứu sinh vật đã thống nhất một số nguyên tắc cơ bản trong nghiên cứu các quy luật sinh vật như sau:

Nguyên tắc thứ nhất

Kiến thức tiến hóa của thế giới sinh vật, phải được xem như

- nên tảng cơ bản cho các hướng nghiên cứu Tiến hóa ở thế giới sỉnh vật luôn luôn xảy ra theo hướng từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp Khi nghiên cứu một đối tượng sinh vật nào đó cân phải biết đối tượng đang nghiên cứu nằm ở thang bậc tiến hóa

nào, các quy luật sinh vật đang nghiên cứu mà ta thu nhận được có

phần ánh chung cho những sinh vật cùng nằm trong thang tiến hóa hay không? Từ đó ta sẽ có những so sánh sinh vật này với sinh vật khác, tìm ra được những mối liên hệ hữu cơ giữa các sinh vật khác nhau nằm ở những bậc thang tiến hóa khác nhau: :

20 PHAN 1

Làm được như vậy ta sẽ có khối lượng kiến thức mang tính ,

hệ thống và hiểu sâu sắc hơn đối tượng ta đang nghiên cứu

Nguyên tắc thứ hơi

Tế bào là đối tượng nghiên cứu cơ bản của sinh học Mọi hoạt động sống của cơ thể được xảy ra ở trong tế bào Tế bào như một

đơn vị cơ ban của cơ thể Ở đó mọi phản ứng sinh hóa xảy ra và sự

tôn tại của tế bào là sự tổn tại của cơ thể Do đó, việc nghiên cứu

tế bào được xem như hướng nghiên cứu quan trọng, để từ đó ta mới hiểu sâu sắc bản chất sự sống Ngày nay, người ta cho rằng muốn hiểu đây đã bản chất sinh học của cơ thể phải hiểu đây đủ bản chất sinh học của từng loại tế bàø cấu tạo nên cơ thể đó

Nguyên tắc thú ba

Nghiên cứu sinh vật là nghiên cứu sự tương quan giữa cấu

trúc sinh vật và chức năng của các đơn vị cấu trúc đó

Mỗi một cơ thể đa bào được chia ra những cơ quan riêng biệt Mỗi một loài sinh vật thường có cấu tạo cơ thể và đặc điểm sinh

học rất giống nhau ở tất cả các cá thể trong loài đó Khi nghiên cứu một cơ quan nào đó luôn luôn tìm hiểu cơ quan này thực hiện những chức năng nào, hoặc khi ta quan sát thấy chức năng của

một cơ quan ta nghiên cứu bản chất sinh học của cơ quan đó có những đặc điểm gì để đảm bảo rằng cơ quan này được cấu tạo như vay để thực hiện chức năng mà ta đã nhận biết, Điều này nói lên

sự tương quan rất mật thiết giữa cấu trúc sinh vật và chức năng nó đảm nhận Trong nghiên cứu tuyệt đối không được tách riêng hai nội dung này

Nguyên tắc thú tư

— _ Tất cả các sinh vật đều có thành phẩn cấu tạo vật lý và hóa

học rửhư giới vô sinh Toàn bộ các quá trình sống xảy ra ở cơ thể sinh vật đều tuân theo các quy luật vật lý và hóa học Đây là sự thống nhất giữa cơ thổ sinh vật và giới vô sinh hay sự thống nhất giữa cơ thể và mỗi trường Đây cũng là khái niệm rất quan trọng cần phải quan tâm: khái niệm tế bào nhữ hệ thống hở không cân

bằng Tế bào là hệ thống hở, biểu hiện ở tính thống nhất giữa các

thành phần Hóa học ở tế bào và môi trường - bên ngoài, tính thống thất ở các quy luật vật lv và hóa học xây ra giữa tế bào và ngoài

môi trường: : 5

Khái niệm tế bào như một hệ thống không cân bằng biểu hiện sự trao đổi chất liên tục giữa tế bào và môi trường bên ngoài Nắm được nguyên tắc này để khi tiến hành các nghiên cứu sinh vật mới hiểu rõ được sự tương tác hữu cơ giữa cơ thể và

môi trường :

Nguyên tắc thứ năm

Để tên tại và phát triển, mọi sinh vật luôn luôn phải thu nhận năng lượng, vật liệu tế bào, đồng thời thải ra những thứ tế bào không cân ra ngoài

Các quá trình trao đối vật chất và trao đổi năng lượng của tế bào sinh vật xảy ra rất phức tạp Cho đến nay còn nhiều vấn để có liên quan đến hai quá trình này vẫn chưa được làm sáng tỏ Điều

dễ thống nhất ở tất cả các nhà khoa học là quá trình trao đổi chất

và trao đổi năng lượng xảy ra trong tế bào, được xem như một mắt xích rất quan trọng và còn chứa nhiều bí ẩn trong chuỗi chuyển hóa vật chất và năng lượng của chu trình chuyến hóa vật chất và

năng lượng trong thiên nhiên Ngoài ra, quá trình chuyển hóa vật

chất và năng lượng xảy ra trong tế bào còn liên quan mật thiết đến quá trình nhận và truyền thông tin của tế bào Đây được coi" như một đặc điểm rất đặc biệt của cơ thế sống, nó khác hẳn với giới vô sinh Các quá trình truyền và nhận thông tin ở tế bào thường xảy ra ổn định, chính xác và liên tục Nhờ đó sự chuyển hóa vật chất và chuyển hóa năng lượng xảy ra liên tục và được điều khiển để phù hợp với chức năng của từng loại tế bào

Nguyên tắc thứ sáu

Bộ gen có trong mỗi tế bào chứa thông tin di truyén cho sự sinh sản và phát triển Đây là trung tâm của mọi biểu hiện sống của tế bào Mọi tính trạng của cơ thể đều do những gen tương ứng quyết định Chính vì thế trong nghiên cứu sinh học nếu thấy có sự sai lệch tính trạng của loài thì hiểu rằng đã có sự sai lệch về gen Nguyên tắc thú bảy

Nghiên cứu sinh vật phải đặt trong tiến trình của sự phát triển cá thể

Sự phát triển của một cá thể là sự trao đổi cả về chất và về

lượng có trong tế bào sinh vật Quá trình này xảy ra liên tục trong

suốt quá trình mà tế bào đó tên tại Việc nghiên cứu sinh vật phải

2 PHAN 1

đặt tế bào trong một thời gian hoặc một khoảng thời gian nào đó trong chu kỳ phát triển của nó Những số liệu thu nhận được phản ánh đúng thời điểm phát triển của tế bào trong chu kỳ phát triển

Nguyên tắc thứ tám

Sinh vật luôn luôn có cơ chế phản hỏi thông tin trong tất cả

thời gian mà nó tổn tại Trong thời gian tổn tại, sinh vật luôn chịu mọi tác động từ môi trường sống (tác động hóa học, tác động sinh

học, tác động vật lý và cả tác động xã hội) Mọi tác động này được sinh vật tiếp nhận; xử lý và đều có những phản ứng đáp lại đối với những tác động đó Các phản ứng đáp lại này có thể xảy ra cả mức

độ cá thế, mức độ tế bào và cả ở mức độ phân tử của tế bào:

Nghiên cứu sinh vật phải mang tính kế thừa các quá trình sinh học Đây là nguyên tắc năm trong hệ thống kiến thức về sự tiến hóa Theo thời gian, kiến thức về sự sống đã có những bước tiến rất lớn Tuy nhiên các kiến thức về sự sống mà loài người có được cho đến ngày nay vẫn còn rất ít so với những điều còn chưa hiểu hết, nó vẫn còn tôn tại và phát triển liên tục trong mọi tế

› bào Do đó, việc nghiên cứu sinh vật cần phải có một hệ thống liên tục để hiểu rõ các quy luật theo một logie khoa học Ở đây cũng cần phải mở rộng cả các hướng nghiên cứu nằm ngoài các quy luật

tự nhiên đã biết,

1.4 SINH HỌC VÀ 0ÔNG NGHỆ SINH HỌC

1.4.1 Khái niệm

,.- Binh học là ngành khoa học nghiên cứu về sự sống Các bộ

ˆ môn khoa học của ngành sinh học nghiên cứu các quy luật tự nhiên nhữ quy luật sinh thái, quy luật sinh lý, quy luật sinh hóa, quy luật sinh sản và phát triển, quy luật di truyén va bién di, quy luật tiến

hóa và mối quan hệ giữa sinh vật với môi trường xung quanh

Như vay, sinh hoc la ngành khoa học chứa đựng nhiều nội dung phong phú Đây cũng là ngành khoa học nghiên cứu trực tiếp

nhất đối với loài người Tất cả các nội dung khoa học chứa đựng

trong sinh học đều có ảnh hưởng gián tiếp hoặc trực tiếp với loài người Do đó, mặc dà sinh học được xếp vào nhóm khoa hạc tự nhiên nhưng lại có.nhiểu ứng dụng nhất đến loài người

Các quá trình ứng đụng các quy luật sinh học vào sản xuất và đời sống lúc đầu được gọi là sinh học ứng dụng Sở đĩ như vậy vì

các ứng đựng các quy luật sinh học vào sản xuất và đời sống còn ở mức độ nhỏ và chưa có tác dụng làm thay đối cơ cấu sản xuất và tư

duy loài người

Mãi đến những năm đầu của thập niên 70 của thế kỷ trước,

nhiều công trình nghiên cứu về các quy luật sinh vật mới được áp dụng với quy mô lớn, làm xuất hiện phương thức sản xuất mới

trong nông nghiệp, lâm nghiệp, chăn nuôi, thủy sản và chữa bệnh cho người và gia súc Các ứng dụng này đòi hỏi sự liên kết

rất chặt chẽ với các ngành khoa học khác như hóa học, vật lý và

đặc biệt là ngành chế tạo thiết bị, máy đo Sự hợp tác giữa các ngành khoa học và kỹ thuật với sinh học hình thành nên một

ngành sản xuất mới dựa trên các quy luật sinh vật và đã đem lại

nhiễu lợi nhuận, số lượng hàng hóa từ các quá trình sản xuất này ngày một nhiễu Tất cả những điểu này được gọi là công nghệ sinh học Như vậy, công nghệ sinh học là quá trình kỹ thuật, sắn xuất các sân phẩm từ các sinh vật Mục tiêu của công nghệ sinh học là hướng tới sản xuất các sản phẩm sinh vật theo quy mô công nghiệp với sổ lượng rất lớn và chất lượng sản phẩm được kiểm soát rất chặt chẽ Từ đó hình thành nên một nền kinh tế mới - nên kinh tế sinh học, đựa trên công nghiệp sinh học Nhiều nhà khoa học và kinh tế trên thế giới cho rằng thế kỷ thứ 21 là thế kỷ của công nghệ sinh học, nó sẽ làm thay đổi cơ bản cuộc sống loài người từ thực phẩm, các sản phẩm được phục vụ cho bảo vệ sức khỏe đến bảo vệ môi trường sống

14.2 Các bộ môn của công nghệ sinh học

Khác với sinh học, công nghệ sinh học là ngành kỹ thuật

Sản phẩm nghiên cứu của sinh học là các quy luật hình thái, sinh

lý, sinh hóa, sinh sản, phát triển, đi truyền, biến đị, tiến hóa và

mối quan hệ giữa sinh vật và môi trường sống Sản phẩm của công nghệ sinh học là những sản phẩm cụ thể phục vụ cho đời sống của

loài người, đó là các sản phẩm công nghiệp, y học và chất lượng

môi trường sống

24 PHẨN 1

Do đó, nhiều nhà khoa học đã thống nhất các bộ môn của

công nghệ sinh học bao gồm:

độ mới của tính trạng Từ đó dẫn tới năng suất sinh vật sẽ thay

đổi Ở đây cân nhận thức rõ là công nghệ gen được hình dung là con đao hai lưỡi, lưỡi bên này mang lợi ích to lớn cho loài người, còn lưỡi bên kia sẵn sàng hủy hoại sự sống Chính vì thế, trên thế

giới mới hình thành ra hai thái cực ngược nhau Nhiều người nhìn nhận công nghệ gen như một bức màn toàn màu đen, sau lưng nó

là sự hủy điệt môi trường sống, làm biến đổi toàn bộ cấu trúc đạo đức, cấu trúc xã hội Nhiễu người khác lại nhìn nhận công nghệ gen như phương thức tiến hóa vì tốc độ tiến hóa nhanh hơn các phương pháp tiến hóa thông thường Kết quả của phương thức tiến hóa nảy sẽ tạo ra rất nhiều cá thể có khả năng đáp ứng đây đủ các nhu cầu của loài người về thực phẩm, sức khỏe và môi trường sống Thế giới đang =hạy đua theo cách nhìn này Hy vọng rằng trong những năm giữa thế kỷ này, công nghệ gen sẽ làm tăng chất lượng sống cho loài người

2- Công nghệ tế bào

Những kết quá sản xuất dựa trên những kỹ thuật nuôi cấy tế bà› (tế bào động vật, tế bào thực vật và tế bào vi sinh vật) từ những năm 70 của thế kỷ trước cho đến nay đã cho thấy giá trị to lớn của công nghệ tế bào Nhờ đó, quá trình sản xuất nông nghiệp

và chăn nuôi đã đạt được một bước nhảy vọt trong năng suất cũng

như giảm chỉ phí trong sản xuất Lợi ích đã đem lại từ công nghệ

tế bào có thế tóm tất như sau:

- Sản xuất giống hàng loạt theo quy mô công nghiệp Đây là thành công lớn nhất, đắm bảo cho ngành nông nghiệp vượt khỏi bản chất của mình và tiệm cận dẫn tới nên sản xuất công nghiệp

- Hoàn toàn kiểm soát được chất lượng giống cũng như độ thuần khiết nguồn gen, mức độ phòng và chống sâu bệnh, khả năng chống chịu hạn, phèn, độ nhiễm mặn

- Đảm báo chất lượng và năng suất sản phẩm sinh vật Nhờ

có công nghệ gen, ta hoàn toàn làm chủ được chất lượng các loại

sản phẩm Từ đó khi đưa vào sản xuất theo quy mô công nghiệp

bằng công nghệ tế bào mức độ kiểm soát chất lượng sản phẩm càng được chặt chẽ hơn

- Công nghệ tế bào tạo ra thế hệ sinh vật có các đặc tính sinh học rất đồng đều (ví dụ như chiêu cao, khối lượng, thời gian ra

quả hay sữa, trứng, sinh khối) Do đó việc cơ giới hóa, tự động hóa

rất đễ thực hiện từ đó sẽ giảm chỉ phí cho sản xuất

- Công nghệ tế bào tạo ra những sản phẩm công nghiệp Khi

đó nhiều sản phẩm được thu nhận từ các bình sinh học

Œioreactor) chứ không phải từ đồng ruộng hay từ các trại chăn nuôi Do đó sẽ hạn chế được những rủi ro do thiên nhiên gây ra

Ngày nay công nghệ tế bào dựa trên nền tảng của công nghệ gen đã đạt được những thành tích rất lớn không chỉ ở cây trồng

mà còn ở cả động vật và người

3- Céng nghé protein - enzyme ,

Bản chất hóa học của enzyme là protein Do đó về kỹ thuật

tính chế, làm sạch enzyme không khác nhiều so với kỹ thuật tỉnh chế protein Sự khác biệt lớn nhất giữa protein và enzyme là

enzyme có khả năng xúc tác các phản ứng sinh hóa, còn protein

thông thường không có khả năng này

Ngày nay, các nhà khoa học đã tìm ra rất nhiêu khả năng kỳ điệu của protein Trong đó, protein được quan tâm đặc biệt về khả năng ứng dụng của nó trong y học, thực phẩm Còn enzyme đã được sẵn xuất theo quy mô công-nghiệp từ hơn 60 năm nay

Đây là hai lĩnh vực hoàn toàn có thể sản xuất theo quy mô

công nghiệp và đem lại hiệu quả kinh tế cũng như hiệu quả xã hội

rất lớn

4- Công nghệ lên men

Đây là công nghệ đặc thù riêng có liên quan chặt chẽ với đời sống của vi sinh vật Đã từ lâu, loài người đã biết sử dụng các hoạt

26 PHAN 1

động sống của vi sinh vật trong sản xuất bia, rượu, chế biến sữa,

sản xuất giấm và lên men rau quả Tuy nhiên, việc sản xuất các sắn phẩm từ vi sinh vật bằng phương pháp lên men theo quy mô

công nghiệp phát triển rất mạnh mới khoảng 70 năm nay Vi sinh

vật có mặt ở khắp nơi trên thế giới và nhờ có vi sinh vật, chuỗi chuyển hóa vật chất mới xảy ra nhanh hơn và hoàn hảo hơn Dựa vào khả năng này, người ta đã biết sử đụng vỉ sinh vật chuyển hóa các vật chất cả trong điều kiện yếm khí và hiếu khí để sản xuất các sản phẩm được ứng dụng trong nông nghiệp, y học, công nghiệp và trong bảo vệ môi trường sống

Ngoài ra nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ gen, nhiều

nước trên thế giới đã sử dụng vi sinh vật như một cơ thể mang gen

chỉ định để sản xuất các sản phẩm theo ý muốn, Có thể khẳng định rằng loài người đã biết sản xuất các sản phẩm từ vi sinh vật theo quy mô công nghiệp sớm nhất (so với đối tượng là động vật, thực vật) Chính vì thế, công nghệ lên men được xem như một công nghệ được ưu tiên nhất trong công nghệ sinh học nhằm tạo ra sản phẩm cho loài người

1.4.8 Các hướng ứng dụng của công nghệ sinh học

Công nghệ sinh học ngày càng phát triển, người ta càng thấy tiêm năng ứng dụng của công nghệ sinh học rất lớn Ngày nay, các nhà khoa học cũng như các chiến lược phát triển công nghệ sinh học

ở nhiều quốc gia đều nhắm vào mục tiêu của công nghệ sinh học: _

- Tăng nhanh số lượng và chất lượng lương thực, thực phẩm

để nâng cao chất lượng cuộc sống cho loài người Trước mắt là xóa đói giảm nghèo cho những nước kém phát triển và chậm phát triển

~ Sản xuất các loại thuốc chữa bệnh có hiệu quả và mức độ

an toàn cao từ công nghệ sinh học Tiến tới thay thế cơ chế chữa bệnh bằng cơ chế phòng bệnh có hiệu quả bằng công nghệ gen

~- Phát triển mạnh các kỹ thuật bảo vệ môi trường bằng công nghệ sinh học Đây là biện pháp vừa hiệu quả vừa đảm bảo tính bên vững của môi trường sạch Để chuyên môn hóa các hướng ứng

dụng của công nghệ sinh học, các nhà khoa học phân chia ra

những hướng cụ thể như:

1- Ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp

Ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp được gọi tất là công nghệ sinh học nông nghiệp Khi loài người mới xuất

hiện, các sản phẩm lương thực, thực phẩm có sắn trong thiên nhiên, việc sản xuất ra chúng không cần thiết Khi đó lượng cung vượt quá nhu cầu Loài người càng phát triển về số lượng, các sản phẩm có sẵn trong thiên nhiên không đủ cung cấp cho cuộc sống hàng ngày của loài người, dẫn tới chế độ tư hữu và hình thành

nền kinh tế nông nghiệp Dân số trên thế giới không ngừng tăng theo thời gian và như vậy đòi hỏi số lượng lương thực, thực phẩm

càng phải tăng theo Việc tăng số lượng lương thực, thực phẩm bằng sản xuất nông nghiệp gặp rất nhiều khó khăn như năng suất cây trồng, vật nuôi theo kỹ thuật truyễn thống có một giới hạn nhất định, điện tích trồng trọt ngày một thu hẹp, thiên tai

và điều kiện canh tác không thuận lợi Muốn hăng suất vượt qua ngưỡng năng suất trần, đòi hỏi phải cải tạo lại giống Công nghệ,

gen giúp chúng ta làm được việc này Mặt khác, nếu cứ sản xuất

'nông nghiệp theo phương pháp truyền thống sẽ không bao giờ

thu được năng suất cao, khó thực hiện được những quá trình kỹ

thuật tiên tiến như cơ khí hóa và tự động hóa nông nghiệp Công nghệ tế bào sẽ giúp nền kinh tế nông nghiệp có bước nhảy vot cả

về kỹ thuật và năng suất Bằng công nghệ tế bào ta sẽ tạo ra hàng loạt cây, hàng loạt động vật trong khoảng thời gian ngắn

và hoàn toàn kiểm soát được, hạn chế các yếu tố rủi ro thường thấy trong sản xuất nông nghiệp Các hướng phát triển công

nghệ sinh hoc trong san xuất nông nghiệp như:

- Tạo ra giống có năng suất cao

- Tạo ra giống có chất lượng cao theo ý muốn

- Tạo ra giống có khả năng chịu phèn, muối, chịu hạn và khả năng chống sâu bệnh

Trong những năm qua, các nhà khoa học đã đạt được những thành công lớn trong việc biến đổi gen đậu nành, bắp, khoai tây, lúa, bông cho năng suất rất cao Ngoài các giống cây trồng, các nhà khoa học cũng đã tạo ra nhiều động vật có phẩm chất sinh học tốt Thực phẩm được sắn xuất từ cây trồng và động vật biến

28 PHẨN †

đổi gen như trên được gọi là thực phẩm biến đổi gen Vấn để này

cũng gây ra những tranh cãi gay gắt không chỉ ở các nhà khoa học

mà còn ở cả những nhà quản lý ở nhiều quốc gia khác nhau Thực phẩm biến đổi gen hiện đang là vấn để nhạy cảm Tuy nhiên cũng cần khẳng định rằng nhờ có công nghệ sinh học loài người đã có trong tay nhiều giống cây trồng, vật nuôi có nhiều phẩm chất quý

không chỉ ở lĩnh vực thực phẩm mà còn ở mỹ phẩm và y học

2- Ung dụng công nghệ sinh học trong công nghiệp

Ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghiệp còn được gọi tắt là công nghệ sinh học công nghiệp hay công nghệ sinh học

thực phẩm Thực ra, công nghệ sinh học công nghiệp có nội dung rộng hơn công nghệ sinh học thực phẩm Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển công nghệ sinh học hiện nay, người ta thường để cập đến công nghệ sinh học thực phẩm hơn vì

mục tiêu trước mắt của công nghệ sinh học là giải quyết thực phẩm „ cho loài người Các hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học

trong thực phẩm như sau:

- Bản xuất protein không truyền thống, còn được gọi là protein don bao (Single Cell Protein - SCP) Day là công nghệ sản

xuất protein từ tảo đơn bào, vi khuẩn và nấm men Cả ba đối tượng này hoàn toàn được sản xuất theo quy mô công nghiệp Đặc

điểm chung nhất của chúng là hàm lượng protein cao và các amino

acid chứa trong protein đó rất cân đối, tương đương vdi protein

động vật Ngoài ra, các loài vi sinh vật lại có tốc độ sinh sản, phát triển nhanh đo đó trong một thời gian ngắn cho phép ta thu được khối lượng protein rất lớn

- Tăng nhanh việc sản xuất và ứng dụng enzyme vào bảo

quần và chế biến lương thực, thực phẩm Những nghiên cứu của sinh học cơ bản cho thấy giá trị to lớn của enzyme trong bảo quản

và chế biến lương thực, thực phẩm Cho đến nay có nhiều nước đã

có nền công nghiệp sản xuất enzyme Hàng năm, các nước này đã

sản xuất hàng ngàn tấn enzyme Số lượng enzyme đã và đang sản

xuất trên thế giới còn rất ít so với nhu cầu sản xuất thực phẩm Do

đó việc sản xuất enzyme không chỉ đựa vào kỹ thuật sản xuất mà

điều rất quan trọng là phải dựa vào kỹ thuật gen để tạo ra những giống có năng suất enzyme cao ,

- Tăng nhanh việc chuyển các quá trình lên men truyén thống sang quá trình lên men công nghiệp Nhược điểm lớn nhất của các công nghệ lên men truyền thống là sản xuất không liên tục mà sản xuất theo chu kỳ và không kiểm soát được quá trình

sản xuất Chất lượng sản phẩm thường phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thực hiện công nghệ truyền thống đó Ngược lại với công nghệ lên men truyền thống, công nghệ lên men theo quy mô công

nghiệp vừa sân xuất hàng loạt vừa có khả năng kiểm soát kỹ thuật

và chất lượng sản phẩm Do đó, hướng nghiên cứu này có ý nghĩa rất lớn trong chuyển đổi không chỉ phương thức sản xuất mà có ý

nghĩa rất lớn trong ý thức lao động

& Ung dung công nghệ sinh học trong y học

Ứng dụng công nghệ sinh học trong y học còn được gọi là công nghệ sinh học y học Đây là lĩnh vực ứng dụng có ảnh hưởng

trực tiếp đến sức khỏe loài người Các hướng nghiên cứu chính của công nghệ sinh học y học như:

- Nghiên cứu protein tái tổ hợp để gần xuất thuốc chữa bệnh Đây là hướng nghiên cứu đã và đang được nhiễu viện, trường và các hãng sản xuất dược phẩm ráo riết tiến hành

- Nghiên cứu thữa bệnh bằng liệu pháp gen Nhiêu nhà khoa

học cho rằng có rất nhiễu bệnh ở người và động vật có liên quan

đến gen, do đó việc nghiên cứu chữa bệnh bằng biện pháp gen sẽ

giải quyết được tận gốc của căn bệnh `

- Nghiên cứu sản xuất thực phẩm chức năng, ở đó, thực phẩm ngoài các chất có giá trị đỉnh dưỡng và năng lượng, nó còn mang trong đó một loại vaccine, thông qua đường tiêu hóa để nâng cao sức để kháng của cơ thể và nâng cao khả năng chữa bệnh

, - Nghiên cứu các phương pháp chuẩn đoán, kiểm tra bệnh

nhanh hơn

4- Ứng dụng công nghệ sinh học trong bảo uệ môi trường

Ứng dụng công nghệ sinh học trong bảo vệ môi trường còn được gọi là công nghệ sinh học môi trường Loài người càng phát triển, càng đòi hồi chất lượng môi trường tốt hơn Trong khi đó,

dụng công nghệ sinh học trong bảo vệ môi trường bao gồm:

- Nghiên cứu kỹ thuật để tăng nhanh các quá trình chuyển

hóa sinh học

- Nghiên cứu tạo ra được các chế phẩm vi sinh, các loài thực 'vật thủy sinh có khả năng chuyển hóa sinh học nhanh các chất ô

nhiễm trong dat, trong nước và trong không khí

- Nghiên cứu tạo ra các hệ sinh thái tự nhiên bển vững và cân bằng dam bảo sự sống của loài người hài hòa với thiên nhiên

Mục đích lớn nhất của nghiên cứu sinh học và công nghệ sinh học

là phục vụ cuộc sống loài người Do đó cân hiểu sâu sắc rằng sự hiểu biết về các quy luật sinh vật sẽ tạo nên tảng khoa học vững chắc cho các nghiên cứu về công nghệ sinh học Sinh học là khoa học về sự sống, còn công nghệ sinh học là ứng dụng các kiến thức khoa học về sự sống vào chính sự sống

e

Chương 1

CƠ SỬ HÓA HỌC CUA SỰ SỐNG —_

Có hơn 100 nguyên tố tên tại trong vũ trụ với số lượng không như nhau và tất cả mọi vật chất trong tự nhiên đều được cấu tạơ từ các nguyên tố hóa học Các sinh vật sống cũng không nằm ngoài nguyên tắc này Điều khác biệt giữa giới vô sinh và giới hữu sinh

là các phân tử trong cơ thể sống đã trải qua một quá trình tiến

hóa lâu đải và liên tục, do đó chúng có thể thực hiện các chức năng

sinh học giúp duy trì sự sống cho cơ thể sinh vật

1.† CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG CO THỂ

1.1.1 Thành phần các nguyên tố trong cơ thể sống

Tế bào sinh vật được cấu tạo từ 22 nguyên tố trong tự nhiên, nhưng nếu tính số lượng các nguyên tố luôn luôn có mặt trong tế

bào sống thì chỉ là 16, số còn lại có thể hiện điện ở cơ thể sinh vật

này nhưng lại không có trong cơ thể sinh vật khác Khoảng 98% trọng lượng của mỗi cơ thể sống (từ vi khuẩn cho đến con người)

được tạo thành bởi 6 nguyên tố là carbon (C), hydrogen (H),

nitrogen (N), oxygen (0), phosphorus (P) va luu huynh (S) Trong

đó, C chiếm 43+48%, H chiém 7%, N chiếm 8+12% các chất này

là những thành phần cơ bản tạo nên chất hữu cơ trong tế bào Những nguyên tố còn lại đều có một vai trò chuyên biệt trong hoạt

động sống của cơ thể sinh vật như K, Na, Mg, Ca, Fe, Cl, Si, Al

Những nguyên tố này chiếm khoảng 0,05+1% so với trong lượng

khô của tế bào

1.1.2 Các Hên kết hóa học

Mật phân tử được tạo thành từ hai hay nhiễu nguyên tử liên kết với nhau bởi các liên kết hóa học Các nguyên tử trong các

phân tử ổn định có khuynh hướng có 8 điện tử ở lớp năng lượng

ngoài cùng, nguyên tắc nãy được gọi là nguyên tắc bộ tám Có - những nguyên tử quan trọng trong sinh giới như nguyên tử carbon

Cũng tuân theo nguyên tắc này nhưng cũng có Tiguyên tử quan

trọng như hydrogen lại không tuân theo nguyên tắc bộ tám Nguyên tử hydrogen là một ngoại lệ, mỗi nguyên tử chỉ có một điện tử trên lớp năng lượng duy nhất Phân tử hydrogen ổn định khi có đủ hai điện tử ở trên lớp năng lượng duy nhất này

Liên kết hóa học là một lực hút nối các nguyên tử lại véi , nhau để tạo thành một phân tử Năng lượng của liên kết chính là năng lượng cần thiết để làm cho liên kết bị đứt Các liên kết hóa học cơ bản thường tổn tại trong các hợp chất hóa học được trình bày ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Các kiêu liên bết hóa học

Năng lượng của

Tên liên kết Sự tương tác Cấu trúc của liên kết

tiên kết (kcaƯmol)

Liên kết cộng | Góp chung cặp điện : "

SN se Qui 50 - 110

hóa trị tử

Liên kết _ | Góp chung nguyên tử : 4 3-7

hydrogen * hydrogen wm Ne HP ORE

H ö

1 tt

"Tương tác giữa hal cme

Liên kết lon điện tích trái dấu giáo g TN-H h osc 3-7

táo giữa các

Tương tác ky Tương tác giữa các ì ' ì '

nước chất không phân cực C—O—H ~:H=Ge—=C— top

khi có sự hiện diện bo hoe

HH HOH của các chất phân cWe|

th H

"Tương tác giữa các va Tương tác

5 điện tử của các cơ n-Heœ ¢ 1

nhưng sự thụ hút này được cân bằng bởi lực hút điện tử của chính

nhân nguyên tử đó Như vậy, trên lớp năng lượng của cả hai nguyên tử hydrogen đều có hai điện tử giúp cho phân tử ổn định

Cỡ SỞ HÓA HỌC CUA SỰ SỐNG 38

Hai nguyên tử hydrogen liên kết với nhau bởi liên kết cộng

hóa trị tạo thành phân tử khí hydrogen (H;) Một phân tử được tạo

thành bởi hai loại nguyên tử trở lên được gọi là hợp chất Mỗi hợp chất có trọng lượng phân tử là trọng lượng của tổng số các nguyên

Hình 1.1 Sự tạo thành phôn tử hydrogen nhờ liên kết cộng hóa trị

Vi dy 1.2 Một nguyên tử carbon có tổng cộng 6 điện tử, hai điện tử

lấp đây lớp năng lượng bên trong, 4 điện tử còn lại nằm trên lớp

năng lượng ngoài cùng Để đạt đến trạng thái ổn định, nguyên tử

carbon can phải có thêm 4 điện tử nữa để lấp đây lớp ngoài cùng,

vì vậy carbon phải góp chung điện tử với các nguyên tố khác tạo ra liên kết cộng hóa trị Một nguyên tứ carbon kết hợp với 4 nguyên

tử hydrogen tạo ra phân tử methane (CH,) Nhờ vào sự góp chung điện tử, lớp năng lượng ngoài cùng của nguyên tử carbon có đủ 8 điện tử và lớp năng lượng của nguyên tử hydrogen cũng có đủ 2

điện tử

Hình 12 Sự tạo thành phân tử methane nhờ các liên kết cộng hóa trị

Các liên kết đa hóa trị

Một liên kết cộng hóa trị được tượng trưng bằng một đấu gạch ngang giữa hai nguyên tử liên kết với nhau -

- Liên kết cộng hóa trị đơn là sự góp chung điện tử giữa hai nguyên tử Ví dụ: H— H,

- Liên kết cộng hóa trị đôi là sự góp chung hai cặp điện tử

góp chung điện tử cân bằng nhau Tuy nhiên, nếu là hai nguyên tử

của hai nguyên tế khác nhau thì sự góp chung điện tử này không nhất thiết phải bằng nhau Nhân của nguyên tử này có thể có hút điện tử mạnh hơn nhân của nguyên tử kia vì thế cặp điện tử sẽ gân với nhân của nguyên tử có lực hút mạnh hơn

Lưực hút điện tử của nhân được gọi là độ âm điện Độ âm điện phụ thuộc vào nhân của nguyên tử mang bao nhiêu điện tích dương (nhân càng mang nhiều proton thì điện tích dương càng lớn và như vậy độ âm điện sẽ càng cao) và khoảng cách giữa điện

tử và nhân (khoảng cách càng gần thì độ âm điện càng cao) Ví

độ, độ âm điện của nguyên tử oxygen trong phân tử oxygen là 3,5

và như vậy, hai nguyên tử này có sự góp chung điện tử cân bằng nhau Trường hợp tương tự, đối với phân tử hydrogen và liên kết cộng hóa trị trong những trường hợp kể trên là liên kết cộng hóa trị không phân cực Tuy nhiên, khi hai nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử oxygen để tạo thành.phân tử HạO thì sự góp

chung điện tử không còn cân bằng

nữa mà cặp điện tử có khuynh hướng

a Ữ ss Liên kết cộng

lệch về phía nguyên tử oxygen, bởi vì hóa trị phân cực — k

nguyên tit oxygen có độ âm điện

mạnh hơn nguyên tử hydrogen H*+ oF Trường hợp này tạo thành liên kết

cộng hóa trị phân cực Hình 1.4 Phân tứ nước

=

CO 80 HOA HOC CUA SỰ SONG 37

To có sự góp chung điện tử không đều nhau, ở liên kết cộng hóa trị giữa nguyên tử oxygen và hÿydrogen về phía oxygen có tích điện tích âm với cường độ nhỏ (8) và ở phía đầu với nguyên tố

hydrogen sẽ tích một điện tích dương nhỏ (8°) Trong trường hợp

này, liên kết cộng hóa trị trở nên phân cực vì hai đầu liên kết mang hai điện tích trái dấu nhau nên phân tử nước được gọi là phân tử phân cực (hữu cực) hay dung môi phân cực Liên kết phân cực ảnh hưởng mạnh trên mối tương tác giữa các phân tử có

chứa nó

2- Lién két hydrogen

Liên kết hydrogen là tương tác yếu hình thành giữa một

nguyên tử mang điện tích âm với một nguyên tử hydrogen (H) đang nằm trong nối cộng hóa trị với một nguyên tử khác hay nói cách khác, liên kết hydrogen được tạo thành giữa các nguyên tử có

liên kết cộng hóa trị phân cực

Khi nước ở trạng thái lỏng, liên kết hydrogen xuất hiện giữa nguyên tử oxygen của phân tử nước này và nguyên tử hydrogen của

phân tử nước kế cận, và do nguyên tử oxygen có độ âm điện mạch

hơn nguyên tử hydrogen do đó điện tử trong liên kết có xu hướng lệch về nguyên tử oxygen nhiều hơn Liên kết hydrogen không phải chỉ có giữa các phân tử nước, liên kết hydrogen còn xuất hiện giữa các nguyên tử có ái lực mạnh đối với điện tử

Nước đá Nước đá tan Hơi nước

Hình 1.5 Liên kết hydrogen trong nước ở dạng rắn uò dạng lông

Liên kết hydrogen là một liên kết yếu, nó đễ dàng dàng được tạo thành và cũng dễ dàng bị phá vỡ Năng lượng cần thiết để phá

vỡ liên kết hydrogen là 20ÈJ/moi Liên kết hydrogen có vai trò

quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc không gian của các phân tử sinh học, đặc biệt đó là phân tử protein và phân tử nucleie acid

3- Liên kết ion

Liên kết ion được tạo thành bởi lực hút giữa hai nguyên tử

mang điện tích trái dấu Liên kết ion khác với liên kết cộng hóa

trị là không có sự góp chung điện tử

"Trong một phân tử, khi một nguyên tử có độ âm điện lớn hơn

nguyên tử kia thì sẽ xẩy ra trường hợp một hoặc nhiều điện tử

được chuyển hẳn sang nguyên tử đó Lấy ví dụ vé phân tử muối NaCtl: nguyên tử Na có độ âm điện là 0,9, nguyên tử Cl có độ âm

điện là 3,1 Mỗi nguyên tử Na chỉ có một điện tử ở lớp ngoài cùng

và không ổn định, mãi nguyên tử Cl có 7 điện tử ở lớp ngoài cùng

và cũng ở tình trạng không ổn định Độ âm điện của Cl lớn hơn độ

âm điện của Na nên các điện tử trên lớp ngoài cùng của Na có khuynh hướng bị lôi kéo về phía nhân của nguyên tử Cl, do đó điện

tử của nguyên tử Na cũng chuyển hẳn sang bên nguyên tử Cl tạo

thành ion Na! và CI: Hai ion Na" và Cl” lúc này tích điện trái đấu nhau nên hấp dẫn lẫn nhau tạo nên liên kết ion

Cl lay di mot

điện tử của Na

o

Nguyên tử sodium (Na) Nguyên tử chlorine (C1)

{11 proton, 11 điện tử) (17 proton, 17 dién tu)

Liên kết lon

lon sodium Ton chlorine {11 proon, 10 điện tử) (17 proton, 18 điện tử)

Hình 1.6 Sự tạo thành liên kết ion giữa hai nguyên tử Na oò Cl

Trong các phân tử rắn, liên kết ion là một liên kết mạnh bởi

vì các ion ở gần nhau hơn các phân tử khác Tuy nhiên, khi các ion phân tán trong nước thì khoảng cách giữa chúng trở nên lớn hơn

vì vậy lực hấp dẫn sẽ yếu đi nhiều Trong tế bào sống, liên kết ion yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị Các ion mang một hoặc

CO SO HOA HOE CUA SY SONG 39

nhiều hơn một đơn vị điện tích có thể tương tác với các phân tử hữu cực tương tự như với những ion khác Liên kết hydrogen cũng

là một dạng liên kết ion vì nó hình thành trên cơ sở sự hấp dẫn

về điện Tuy nhiên, liên kết hydrogen yếu hơn liên kết ion vì nó được hình thành do sự hấp dẫn của một phân đơn vị điện tích (6*

va 5°) chit khéng phải bị bởi một hay nhiễu đơn vị điện tích như liên kết ion

4- Tương tác giữa các cơ chất phân cực uà không phân cực

a- Tương tác giữa các chất phân cực

Các chất phân cực như nước tương tác với nhau nhờ liên kết hydrogen Phân tử phân cực này tương tác với phân tử phân cực kia bởi sức hấp dẫn yếu (giữa 8" và 8*) cia liên kết hydrogen, trường hợp này gọi là tương tác ái thủy (hydrophilic)

b- Tương tác giữa các phân tử không phân cực (tương tác ky nước)

Nguyên tử carbon tạo liên kết không phân cực với phân tử hydrogen Phân tử hydrocarbon hình thành chỉ mang nguyên tử hydrogen và nguyên tử carbon và phân tử này không phân cực

Khi ở trong nước, nó sẽ có khuynh hướng liên kết với các phân tử không phân cực khác

Ví dụ: cho đầu.vào nước và khuấy mạnh, dầu bị vỡ ra thành nhiêu giọt nhỏ nhưng sau đó chúng nhanh chóng kết hợp lại với nhau tạo thành giọt lớn

Giải thích: các chất không phân cực khi bị bắt buộc r nằm chung với các chất phân cực thì chúng phải họp lại thành nhóm

lớn để hạn chế đến mức thấp nhất sự tiếp xúc với các phân tử phân cực ở xung quanh Các phân tử hydrocarbon này có tính ky thủy và mối tương tác giữa chúng được gọi là tương tác ky nước (hyđrophobic) Sự tương tác này không được gọi là liên kết vì đây không phải là lực hút thực sự giữa các phân tử,

Tuy nhiên, các cơ chất ky nước không hẳn là không liên kết với nước mà nó có thể tạo liên kết yếu với nước Các liên kết này yếu hơn nhiều so với liên kết hydrogen giữa các phân tử vì vậy các phân tử không phân cực không tan trong nước

ð- Tương tác Van der waals

Các liên kết yếu giữa các phân tử không phân cực được tăng cường bởi tương tác Van đer waals do đó chúng nằm gần nhau hơn

Sự tương tác này được hình thành do một thay đổi ngẫu nhiên sự

phân bố điện tử trong phân tử tạo nên một sự phân bố điện tích ngược đấu với phân tử ở kế cận Tương tác Van der waals phản ánh tương tác hấp dẫn giữa các nguyên tử trong các phân tt sinh học Đây là lực tương tác yếu nhưng khi tổng hợp tất cả các mối

tương tác này trên một phân tử không phân cực lớn thì sẽ tạo ra

một lực hấp dẫn đáng kể: Tương tác này rất quan trọng vì chính

lực tương tác này giúp các đại phân tử sinh học như protein, nucleic acid ổn định cấu trúc và thực hiện các chức năng sinh học

1.2 NƯỚP, CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH VÀ VAI TRÒ UỦA NƯỚC TRONG CŨ THỂ

"Nước tôn tại ở ba dạng: rắn (nước đá), lỗng và khí (hơi nước) Nước ở trạng thái lông gắn với sự phát sinh và tốn tại của sự sống trên trái đất

Nước là một phân: tử hữu cực có thể tạo ra liên kết hydrogen,

bốn cặp điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử oxygen đẩy nhau

tạo ra dạng tứ điện Mỗi phân tử nước tạo liên kết hydrogen với bốn phân tử nước khác tạo thành cấu trúc tính thể, rắn (nước đá)'

và nổi trên mặt nước (dạng lỏng)

Gơ thể sống chứa khoảng:70+80% nước Nước là chất hóa học

đơn giản có-số lượng lớn trên hành tỉnh, có những tính chất lý hóa

đặc biệt và là môi trường của rất nhiều phản ứng hóa học Những -

cơ chất hòa tan trong nước chỉ thực hiện được các phản ứng hóa

học ở trong nước, một số cơ chất không hòa tan trong nước tạo thành các cấu trúc sinh học, ví dự như xương Một dung dịch được tạo thành khi có các chất hòa tan trong nước (đung môi) tạo thành

|

đạng dung dịch Nhiều phân tử quan trọng trong hệ thống sinh học

là những chất phân cực vì vậy chúng hòa tan được trong nước

1.2.2 Đặc tính của phân tử nước

Tính phân cực: do nước có tính phân cực nên các phân tử

nước tập hợp xung quanh các ion và các phân tử phân cực khác Các chất có thế tạo liên kết hydrogen với nước là những chất hòa tan trong nước (chất ưa nước) Ngược lại, những chất ky nước khi ở trong môi trường nước sẽ đẩy các phân tử nước để chúng có thể đứng kê nhau (trường hợp dầu trong nước)

Nước có tính acid yếu: nước có xu hướng bị lon' hóa tạo ra ion

: OH” va ion H* Khi hai phân tử nước cùng bị ion hóa thì sẽ có hai ion OH: và hai ion H" thì một phân tử nước sẽ chiếm lấy một ion H”

tạo ra một lon OH: (có tính base) và một ion HạO' (có tính acid)

HạO + HạO > H;0* + OH”

1:3 CAC CHẤT HÓA HỌC TRONG CO THỂ SỐNG

Đặc điểm

Các phân tử có kích thước khác nhau

Một số phân tử có kích thước nhỏ như H;, CH, Một số phân

"tử khác có kích thước lớn hơn ví dụ như phân tử đường sucrose

(O¡zH;zO¡¡) gồm có 45 phân tử Mỗi một phân tử, đặc biệt là các proteìn như hemoglobin là một đại phân tử và đôi khi cũng có những phân tử có chứa đến 10 ngàn nguyên tử Sự tạo thành các đại phân tử từ các phân tử đơn giản trong môi trường chính là chìa khóa của sự xuất hiện sự sống trên trái đất

Cấu trúc không gian ba chiều của các phân tử

Tất cả các phân tử đều có cấu trúc không gian ba chiều

các phân tử sinh học có liên quan đến vai trò của chúng trong tế

bào sống

Các phân tử có các đặc tính hóa học khác nhau

Các đặc tính hóa học của phân tử xác định vai trò của nó

trong hệ thống sinh học Các nhà hóa học đựa vào các đặc tính về

thành phân, cấu trúc không gian, hoạt động phản ứng và tính hòa

tan để phân biệt phân tử này với phân tử khác Sự hiện diện của

các gphóm chức năng giúp xác định các đặc tính hóa học của một

phân tử ,

1.8.1 Các chất hữu cơ phân tử nhỏ

1 Hydrocarbon

Hydrocarbon là những hợp chất có chứa hai loại nguyên tố

hóa học là hydrogen va carbon Day là các chất không phân cực,

không tạo liên kết hydrogen với nước do đó không hòa tan trong

nước Mạch carbon có độ đài rất khác nhau tạo nên vô số các hợp

chất hydrocarbon Mạch carbon có thể thẳng, phân nhánh hay

đạng vòng Mạch carbon có chứa các liên kết đơn, đôi hay ba

Các nguyên tử carbon trong phân tử hydrocarbon có thể thay

thế nguyên tử hydrogen bằng các nguyên tố khác hay các nhóm chức năng khác nhau tạo ra vô số dẫn xuất cla hydrocarbon

Các phân tử có cùng số lượng và loại nguyên tử, nhưng với sự sắp xếp các nguyên tử khác nhau sẽ tạo ra các chất khác nhau gọi

là đồng phân (/somer) Nói cách khác, đồng phân là những phân tử

có cùng công thức hóa học nhưng cách sắp xếp nguyên tử khác nhau Tiên tố iso- có nghĩa là “đồng” thường được sử dụng trong thuật ngữ sinh học Có hai dạng đồng phân là đổng phân cấu trúc

và đồng phân quang học

a- Đông phân cẩu trúc

Các đồng phân cấu trúc khác nhau ở cách liên kết các nguyên

tử với nhau Ví dụ có hai phân tử, mỗi phân tử có 4 nguyên tử

carbon và 10 nguyên tử hydrogen liên kết với nhau bởi liên kết

cộng hóa trị đều tạo ra công thức là C;H¡a Các nguyên tử này liên kết với nhau theo hai cách tạo thành phân tử khác nhau đó là butane và isobutane, chúng khác nhau về cấu trúc và các đặc tính