THÀNH PHẦN HOÁ học của tế bào

Tựu chung lại, các đại phân tử sinh học cấutrúc nên thế giới sống như Prôtein, Axit nucleic, Lipit, Cacbohydrat… đều cấutạo từ những nguyên tố chung, và sự sai khác giữa các loài về cấu

THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA TẾ BÀO

Tổ sinh trường THPT chuyên Thái Nguyên.

A Một số vấn đề lý thuyết cơ bản về thành phần hóa học của tế bào

Thế giới quanh ta, từ viên đá nhỏ vô tri đến viên kim cương rực rỡ, từthanh thép bé nhỏ đến tòa nhà to lớn, từ loài côn trùng sặc sỡ đến con ngườithông mình, tất thảy đều được cấu thành từ các nguyên tố hóa học Toàn bộ sinhgiới đa dạng được cấu tạo từ khoảng 25 nguyên tố, trong đó có nguyên tố cơbản như C, H, O, N… Mấu chốt của sự đa dạng tuyệt vời của sinh giới là sựsắp xếp linh hoạt của các nguyên tố Tựu chung lại, các đại phân tử sinh học cấutrúc nên thế giới sống như Prôtein, Axit nucleic, Lipit, Cacbohydrat… đều cấutạo từ những nguyên tố chung, và sự sai khác giữa các loài về cấu trúc là khôngđáng kể - nhưng đủ tinh tế để tạo nên từng loài khác nhau Tất cả hoạt động củathế giới sống đều diễn ra ở mức độ phân tử Do đó sự hiểu biết về cấu trúc hóahọc của đơn vị sống cơ bản – tế bào – là vô cùng cần thiết Từ đó ta có thể giảithích thấu đáo về mọi hiện tượng xảy ra trong sinh giới, cũng như điều khiểnđược các hiện tượng đó theo hướng có lợi nhất cho con người

1 Các nguyên tố của tế bào:

1.1 Các nguyên tố của tế bào:

Trong số 92 nguyên tố hoá học cấu tạo nên vỏ trái đất, có khoảng 25nguyên tố là cần thiết cho sự sống, người ta gọi chúng là các nguyên tố cơ bảncủa tế bào Như vậy ở cấp độ nguyên tử giới vô cơ và hữu cơ là thống nhất

Các nguyên tố hoá học thường tồn tại dưới dạng muối hay hợp chất vớicác chất hữu cơ Ví dụ: Fe có trong hemoglobin; Mg có trong chlorophil; Cu cótrong hemocyanin

Tuỳ từng tế bào, từng loại mô, cơ thể các nguyên tố hoá học có hàm lượngđặc trưng

+ Các nguyên tố có hàm lượng  0,01% đến hàng chục % trọng lượng khô của

tế bào được gọi là các nguyên tố đa lượng Ví dụ: C, H, O, N, S, P, Ca, Mg, Na, Cl

+ Các nguyên tố có hàm lượng nhỏ hơn 0,01% đến 0,001% được gọi làcác nguyên tố vi lượng Ví dụ: Cu, Zn, Mn, F

+ Các nguyên tố có hàm lượng cực nhỏ <10-6 được gọi là cácnguyên tố siêu vi lượng

1.2 Vai trò của các nguyên tố hoá học trong tế bào

- Các nguyên tố C, H, O, N là 4 nguyên tố chính xây dựng nên các hợpchất hữu cơ quan trọng trong tế bào Trong đó cacbon là nguyên tố đặc biệtquan trọng trong việc tạo nên sự đa dạng của các đại phân tử hữu cơ

- Sự phân bố không đồng đều của một số ion khoáng ở 2 bên màngnguyên sinh chất là cơ sở xuất hiện điện thế màng và sự lan truyền dòng điệnsinh học

- Một số nguyên tố có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với tế bào Ví dụ:

K+ có nồng độ cao trong các tế bào cơ, có vai trò quan trọng trong dẫn truyềncác xung thần kinh và co cơ; Fe là thành phần quan trọng của hemoglobin; Ca2+

có nhiều trong các tế bào xương, sụn, máu; S là thành phần của nhiều aminoaxit như xistein, methionin Đặc biệt nhóm SH có vai trò quan trọng tạo nên cấutrúc bậc 3 của protein Một số nguyên tố vi lượng là thành phần không thể thiếuđược của các enzyme

- Các chất khoáng hoà tan quyết định áp suất thẩm thấu của tế bào, do dóchi phối khả năng hút nước của tế bào theo cơ chế thẩm thấu

2 Nước và vai trò của nước trong tế bào

Nước được cấu tạo từ một nguyên tử ôxi kết hợp với 2 nguyên tử hidrobằng các liên kết hoá trị Phân tử nước có tính phân cực: mang điện tích dương

ở khu vực gần với nguyên tử hydro và mang điện tích âm ở khu vực gần vớinguyên tử ôxi Sự hấp dẫn tĩnh điện giữa các phân tử nước qua mối liên kếthidro tạo ra mạng lưới nước khiến cho nó có vai trò đặc biệt quan trọng đối với

sự sống

Nước chiếm khoảng 80 – 85 % khối lượng chất nguyên sinh Nước là môitrường hoà tan các chất vô cơ, đảm bảo cho sự tồn tại trạng thái keo của chấtnguyên sinh Nước có ý nghĩa đặc biệt trong trao đổi chất nội bào, vì các quá trìnhsinh lý chỉ xảy ra trong môi trường nước Các phân tử nước tham gia vào hàng loạtcác phản ứng sinh hoá trong tế bào như phản ứng thuỷ phân, quang hợp, phản ứngenzyme Nước có vai trò quan trọng trong việc làm ổn định nhiệt của cơ thể cũngnhư nhiệt độ môi trường Nhờ có các liên kết hidro gắn kết các phân tử nước vớinhau làm cho nước có sức căng bề mặt giúp cho một số sinh vật có thể sống trênmặt nước Nước liên kết hidro với các chất khác tạo lực mao dẫn giúp cây có thểhút nước từ đất lên lá

Sự trao đổi nội bào có thể tạo ra lượng nước đáng kể (sự hình thành liên kếtpeptit, quá trình hô hấp, sự hình thành các liên kết hoá trị trong chuỗipolynucleotit ) Tuy vậy lượng nước đó vẫn chưa đủ để duy trì trạng thái cânbằng nước trong tế bào, mô, cơ thể Bởi vì các hoạt động sinh lí của tế bào như quátrình hô hấp, tiêu hoá đã tiêu tốn một lượng nước đáng kể Để đảm bảo trạng tháicân bằng nước trong tế bào cần thiết có sự bổ sung nước từ ngoài vào tế bào.

Nước ở trong tế bào có thể ở trạng thái tự do hay liên kết với các phân tử

vô cơ hoặc hữu cơ

Hàm lượng nước trong tế bào là một chỉ tiêu thể hiện mức hoạt động sinh

lý của tế bào Ví dụ: ở tế bào già (lá già, hạt khô ) lượng nước ít, hoạt độngsinh lí yếu; ở tế bào non (mô phân sinh, đỉnh sinh trưởng, động vật đang giaiđoạn lớn) hàm lượng nước cao

3 Sơ lược cấu tạo và vai trò của các hợp chất hữu cơ chính

3.1 Gluxit: Thành phần cấu tạo nên gluxit chủ yếu là 3 nguyên tố C, H, O

với tỷ lệ H : O = 2 : 1 Ví dụ: C6H12O6 hoặc C12H22O11

Gồm 3 nhóm: mônôsacarit; đisacarit; pôlisacarit (đường đơn, đường đôi vàđường đa)

Gluxit là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho tế bào Gluxit chủ yếu

ở dạng ẩn nhập và vật liệu dự trữ của tế bào

Đường đơn (monosacarit) 3C gọi là triozơ, đường 5C gọi là pentozơ và

đường 6C gọi là hexozơ (-glucose và -glucose) Một số đường đơn có vai tròđặc biệt quan trọng trong tế bào Ví dụ: C6H12O6 là nguồn năng lượng cơ bảncủa tế bào; C5H10O5 là thành phần ARN; C5H10O4 là thành phần ADN

Hình 1 Ba cấu trúc khác biệt của glucose

Đường đôi (disacarit) là đường có cấu tạo từ 2 đơn vị monosacarit kết

hợp lại Chúng thường gặp như chất trung gian trong quá trình đứt gãy hoặc

tổng hợp polisacarit Ví dụ: mantoz gồm 2 phân tử -glucoz kết hợp với nhau

thông qua liên kết glycozit 1-4

Đường mía (saccarose) cấu tạo từ glucose và fructose kết hợp với nhau

bằng liên kết glycozit 1-2 Mối liên kết glycozit làm ảnh hưởng đến tính chất

hoá học của các monosacarit hợp phần và làm mất tính khử của chúng

Đường đa (polysacarit) là các hydratcacbon phức gồm nhiều đơn vị

monosacarit liên kết với nhau Chúng không có vị ngọt như đường, không tantrong nước mà chỉ hình thành các dung dịch keo Tinh bột, glycogen, cellulose

Nhóm 1: Lipit đơn giản: là este của alcol và axit béo Thuộc nhóm này gồm có:

+ Triglyxerit: Là chất béo dự trữ, bao gồm dầu (thực vật) và mỡ (động

vật), chúng đều là este của glyxerin và 3 axit béo Mỡ, dầu là những nguyên liệu

dự trữ tốt nhất, chứa năng lượng hoá học lớn Ngoài ra chúng còn có vai tròcách nhiệt, bảo vệ cơ học và giảm sự mất nước

Hình 2 Sự tạo thành mantose

+ Sáp: Sáp tạo thành lớp mỏng bao phủ trên bề mặt lá, thân, quả của nhiều loại

cây Sáp cũng có ở động vật, ví dụ như sáp ong, sáp lông cừu Sáp được tạothành từ các alcol bậc 1 mạch thẳng, phân tử lớn với các axit béo bậc cao

+) Steroit: là este của alcol vòng và axit béo phân tử lớn Các axit béo thường

gặp là axit palmitic, axit stearic, axit oleic Các steroit như colesterol là thànhphần chính của màng tế bào, axit mật giúp cho sự nhũ tương hoá mỡ trong quátrình tiêu hoá Một số steroit khác hoạt động như các hoocmon sinh dục,vitamin

Nhóm2: Lipit phức tạp: trong phân tử của chúng ngoài alcol và axit béo

còn có các thành phần khác như các gốc axit photphoric, colin, sacarit Trong

đó, Photpholipit là một trong những lipit phức tạp quan trọng nhất vì cùng với

protein chúng là thành phần cốt yếu của tất cả các màng tế bào Các phân tửphotpholipit có thể phân bố thành cấu trúc lớp kép Lớp kép là cơ sở cấu trúccho tất cả các loại màng tế bào

Hình 5 : Cấu trúc của photpholipit 3.3 Prôtêin

Hình 4

Prôtêin là một chất đại phân tử sinh học có trọng lượng phân tử lớn(13.103 – 4.107 đvC) Đơn vị cấu trúc cơ sở là các axit amin Có 20 loại axitamin khác nhau Mỗi axit amin có thể gặp nhiều lần trong một phân tử prôtêin.Tính chất đặc thù và đa dạng của protein được quy định bởi số lượng, thànhphần và trình tự sắp xếp của các axitamin.

Các axit amin nối với nhau bởi liên kết peptit tạo nên chuỗi polypeptit

Hình 6: Sự hình thành liên kết peptit.

-Liên kết peptit là liên kết hình thành giữa nhóm

-NH2 của axit amin này với nhóm –COOH của axit

amin kia khi đã loại đi một phân tử nước Liên kết này

góp phần hình thành nên chuỗi pôlypeptit Như vậy

các chuỗi pôlypeptit mang tính chất phân cực rõ rệt

Cấu trúc không gian của protein được chia theo 4

bậc cấu trúc (Hình 7 Các bậc cấu trúc của

prôtêin( A: Cấu trúc bậc 1; B: Cấu trúc bậc 2; b1:

Cấu trúc bậc 2 xoắn β; b2: Cấu trúc bậc 2 xoắn α;

C: Cấu trúc bâc 3; D: Cấu trúc bậc 4)

Cấu trúc bậc I: Các prôtêin có cấu trúc bậc 1 do các

chuỗi thẳng các axit amin nối lại với nhau (cấu trúc

của chuỗi polypeptit) Ví dụ: insulin

Cấu trúc bậc II: Xoắn alpha và xoắn beta

Hình 7

Chuỗi pôlypeptit cuộn lại thành cấu trúc không gian ba chiều Cấu trúc

xoắn alpha và beta được tạo thành do các liên kết hidro bên trong phân tử.

Cách xắp xếp như vậy tạo cho prôtêin có tính dẻo, chịu được sức căng nhưprôtêin tơ lụa, mạng nhện, lông vũ, vảy, vuốt ở chim và bò sát Cấu trúc nàyđóng vai trò chủ yếu trong việc xác định các tính chất sinh học đặc trưng chotừng loại prôtêin

Cấu trúc bậc III: Các prôtêin khối cuộn, các chuỗi pôlypeptit cuộn lại phức tạp

có dạng cuộn hay khối cầu nhờ các gốc R tích điện và phân cực và cầu disunfit(S-S) Đặc trưng của prôtêin cuộn là các enzyme, các hocmon, các kháng thể vàphần lớn prôtêin máu

Cấu trúc bậc IV: Các phân tử prôtêin được tạo bởi 2 hay nhiều hơn 2 chuỗi

polypeptit có cấu trúc bậc 3 Ví dụ: phân tử hemoglobin có 4 chuỗi polypeptit, 2chuỗi  và 2 chuỗi  cuộn lại

Prôtêin giữ vai trò quan trọng trong toàn bộ hoạt động sống của cơ thể sinhvật: Kiến tạo tế bào và cơ thể, bảo vệ (kháng thể), xúc tác phản ứng (enzym),điêu hoà các quá trình sống (hoocmon), cảm ứng và vận động

Cấu tạo từ 5 nguyên tố C, H, O, N, P

Đơn phân là các nuclêôtit, mỗi nuclêôtit đều gồm 3 thành phần:

- Đường C5H10O4

- Axit phôtphoric

- Một trong 4 loại bazơ A, T, G, X

Trong đó bazơ liên kết với đường pentôzơ bằng liên kết glucozit.Axit phôtphoric liên kết với đường pentôzơ bằng liên kết este Đây là các mốiliên kết bền vững chính vì vậy mà nó đảm bảo cấu trúc bền vững của từngđơn phân nuclêôtit, là cơ sở cho sự bền vững của ADN

Các đơn phân liên kết với nhau bằng liên kết ester bền vững, đảm bảo sựbền vững trên một mạch đơn

ADN ở sinh vật nhân thực có cấu trúc mạch kép( 2 mạch đơn) 2 mạchđơn này liên kết với nhau nhờ nguyên tắc bổ sung trong đó A liên kết với Tbằng 2 liên kết hyđro và G liên kết với X bằng 3 liên kết hyđro.

Cấu trúc này giúp cho ADN:

- Đảm bảo tính ổn định cấu trúc không gian

- Đảm bảo ADN có kích thước lớn (vật chất đảm bảo di truyền là đạiphân tử và đa phân tử)

- Đảm bảo ADN nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo toàn

- Thuận lợi cho việc phục hồi các tiền đột biến về trạng thái bình thường

- Tạo ra tính đối cực

Ở pH sinh lý, các axit nucleic có tính axit và tích điện âm, do đó dễ dàng kếthợp với các cation, đặc biệt là các protein có tính kiềm tạo thành cácnucleoprotein

3.4.2 ARN(axit ribônuclêic):Cấu tạo từ 5 nguyên tố C, H, O, N, P

Đơn phân là các ribônuclêôtit, mỗi nuclêôtit đều gồm 3 thành phần:

- Đường C5H10O5

- Axit phôtphoric

- Một trong 4 loại bazơ A, U, G, X

Có 3 loại mARN, tARN, rARN

Hình 8: Các loại ARN

- mARN: Dạng mạch đơn không có liên kết hiđrô độ bền vững kém

- tARN: Cấu trúc một mạch được cuộn lại tạo thành các thùy tròn( mộtthuỳ mang bộ ba đối mã khớp với mARN, một thuỳ liên kết với ribôxôm, mộtthuỳ liên kết với enzyme) Trong phân tử tARN có liên kết hiđrô nhưng sốlượng ít

- rARN: Có trúc một mạch được cuôn lại, số liên kết hiđrô chiếm 70%,

và được liên kết với prôtêin tạo thành ribôxôm

Thời gian tồn tại của chúng phụ thuộc vào độ bền vững của phân tử doliên kết hiđrô tạo ra và trạng thái tồn tại của chúng trong tế bào

B Câu hỏi và bài tập vận dụng

Câu 1 Chú thích hình vẽ sau, qua đó nêu vai trò của nước trong tế bào

Hướng dẫn trả lời:

Hình 1: Phân tử nước gồm 2 nguyên tử hiđrô hình thành 2 mối liên kết

với ôxi tạo 1 góc 104,5o

Nước có tính phân cực, điện tích (+) gần với mỗi nguyên tử hiđrô, điệntích (-) gần với nguyên tử oxi

Hình 2: Biểu diễn liên kết hiđrô giữa các phân tử nước Có liên kết hiđrô

mạnh trùng với trục O-H, liên kết hiđrô yếu lệch với trục O-H Các liên kết này

dễ tạo thành và dễ mất đi, chính vì vậy mà nước có thể tồn tại ở trạng thái lỏng

Vai trò: Với tính phân cực của nước và trạng thái tồn tại của nước làm

cho nước trở thành hợp chất có vai trò vô cùng quan trọng trong các cơ thểsống Là môi trường hoà tan và môi trường phản ứng của các hợp chất vô cơ vàhữu cơ , điều hoà nhiệt độ duy trì trạng thái cân bằng cần thiết, tham gia cácphản ứng sinh hoá, bảo vệ các hạt keo chống lại ngưng kết và biến tính

Câu 2 Tại sao lá rau để vào ngăn đá tủ lạnh khi đã ra ngoài lại rất nhanh bị hỏng? trong khi đó lá của một số cây sống

ở vùng băng tuyết lại vẫn xanh?

Hướng dẫn trả lời:

- Khi để vào ngăn đá thì nước bị đóng băng

- Liên kết hidro bền vững, thể tích tế bào tăng

- Cấu trúc tế bào bị phá vỡ, khi để ra ngoài môi trường thì tế bào lá raunhanh bị hỏng

Hình1

1

Hình2

2

- Trong đó, lá của một số cây sống trong vùng băng tuyết vẫn xanh vì ởcây đó sản sinh ra một loại prôtêin chống lại sự đóng băng nước trong tế bào lákhi nhiệt độ xuống thấp.

Câu 3 Các đặc tính nào đảm bảo cho nước có vai trò quan trọng đối với sự sống, đặc điểm nào là tối quan trọng?

Hướng dẫn trả lời:

* Đặc tính của nước phù hợp với vai trò đối với sự sống:

- Phân cực cao nên nước là dung môi tốt cho các phản ứng sinh hoá xảy ra

- Nhiệt dung đặc trưng cao nên làm ổn định nhiệt độ cơ thể cũng nhưnhiệt độ môi trường

- Nhiệt bay hơi cao nên làm giảm nhiệt độ cơ thể, điều hoà nhiệt độ

- Nước đá nhẹ hơn nước bình thường, nổi, nên mùa đông lớp nước bề mặtđóng băng tạo nên lớp cách nhệt do đó sinh vật được bảo vệ

- Có lực gắn kết, nước có sức căng bề mặt giúp một số sinh vật di chuyểnđược trên mặt nước, lực mao dẫn có thể giúp cây hút nước từ rễ lên lá

* Đặc điểm tối quan trọng là tính phân cực của nước: do đôi điện tửchung giữa oxi và hiđrô bị kéo lệch về phía oxi nên phía nguyên tử oxi mangnhiều điện tích âm, còn hiđrô mang điện tích dương, phân tử nước có hai haiđầu tích điện trái dấu Do đó các phân tử nước có khả năng liên kết với nhau vàliên kết với các phân tử phân cực khác và thể hiên được các đặc tính lý hóa củamình

Câu 4 a Hãy cho biết vai trò chủ yếu của nước trong các thành phần cấu

trúc sau:Trong tế bào chất, không bào, lục lạp.

b Nước có vai trò như thế nào đối với sự sống? Tính chất nào của phân tử nước quyết định vai trò đặc biệt của nó đối với sự sống

Hướng dẫn trả lời:

a - Trong tế bào chất: Nước chủ yếu đóng vai trò cấu trúc

- Trong không bào: Nước là dung môitốt và là môi trường cho các phảnứng sinh hoá xảy ra

- Trong lục lạp: Nước là nguyên liệu cung cấp H+ và e

b - Đó là tính phân cực Nhờ có tính phân cực giúp các phân tử nước liên kếtvới nhau và với các phân tử phân cực khác

- Vai trò:

+ Là dung môi

+ Điều hòa nhiệt độ

+ Tạo sức căng bề mặt

+ Tham gia vào các phản ứng sinh hóa trong cơ thể

+ Là môi trường sống cho một số sinh vật

Câu 5 Ở một số vùng, để cây táo sinh trưởng và phát triển tốt, người ta thường đóng một số đinh kẽm vào thân cây, hãy giải thích tại vì sao?

Câu 6 Một loại polysaccarit được cấu tạo bởi các phân tử glucozo liên kết với

nhau bằng liên kết 1β - 4 glicozit thành mạch thẳng không phân nhánh.

a, Tên của loại pôlysaccarit này?

b, Ở tế bào nấm, chất hóa học nào thay thế vai trò của loại polysaccarit Hãy cho biết đơn phân cấu tạo nên chất hóa học này?

Hướng dẫn trả lời:

a, Loại polysaccarit này là Xenlulozo

b, Chất hóa học thay thế vai trò của loại polysaccarit trên là Kitin

Đơn phân cấu tạo nên Kitin là Glucozo liên kết với N- axetynglucozamin

Câu 7 Tại sao nói tinh bột là nguyên liệu dự trữ lí tưởng trong tế bào?

Hướng dẫn trả lời:

- Tinh bột là hỗn hợp của amilozo và amilopeptin

+ Amilozo: 250 – 300 phân tử glucozo trùng phân nối với nhau bằng liênkết glicozit 1α – 4, có dạng xoắn lò xo bền vững, giữa các vòng xoắn có các liênkết hidro

+ Amilopeptin: có cấu trúc phân nhánh, mỗi phân nhánh bắt đầu bằngliên kết glicozit 1α – 6, chiếm tới 80% trong tế bào, nhanh chóng đuợc tổng hợpcũng như phân ly để đảm bảo cung cấp 1 luợng đường đơn cần thiết cho cơ thể

- Tinh bột không khuếch tán ra khỏi tế bào và không có hiệu ứng thẩm thấu

Câu 8 Điểm giống và khác nhau giữa cacbonhidrat và lipit?

Hướng dẫn trả lời:

* Giống nhau:

- Được cấu tạo từ C, H, O

- Đều có thể cung cấp năng luợng cho tế bào

* Khác nhau

Cấu trúc - C, H, O trong đó có nhiều O

- Không tan trong nuớc, kị nước

- Tan trong dung môi hữu cơ

Hướng dẫn trả lời:

- Năng lượng được giải phóng từ mỡ chủ yếu là từ các axit béo Axit béo

có tỉ lệ oxi/cacbon (O/C) thấp hơn nhiều so với đuờng glucozo Vì vậy khi hôhấp hiếu khí, các axit béo của tế bào cần tiêu tốn nhiều oxi hơn Khi hoạt độngthể chất mạnh thì lượng oxi mang đến tế bào bị giới hạn bởi khả năng hoạt độngcủa hệ tuần hoàn Vì thế, mặc dầu phân giải mỡ tạo ra nhiều năng lượng hơn sovới phân giải glucozo nhưng tế bào cơ lại không thể sử dụng mỡ trong truờnghợp oxi không cung cấp đầy đủ

Câu 10 Steroit là chất gì? Hãy nêu một số chất steroit và vai trò của chúng?

Hướng dẫn trả lời:

- Các chất stêrôit là hợp chất hữu cơ giống lipit là không tan trong nước

mà tan trong dung môi hữu cơ

- Trong cơ thể thuộc stêrôit có:

+ Colesteron là chất tham gia vào thành phần cấu tạo của màng tế bào+ Axit mật giúp cho sự tiêu hóa mỡ trong quá trình tiêu hóa

+ Cooctiestererol: là hoocmon được sản xuất ở phần cơ trên ở tuyến thận,tham gia các phản ứng stress