Chuyên đề thành phần hóa học của tế bào

Các nhóm chức và các liên kết hóa học quan trọng trong tế bào Nhóm chức là nguyên tử hay nhóm nguyên tử xuất hiện trong các hợp chất hữu cơ, quyết định tính chất hóa học đặc trưng của h

CHUYÊN ĐỀ : THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO

• Người thực hiện: Nguyễn Viết Trung

• Môn: Sinh học

• Đơn vị công tác: THPT Thạch Bàn

• Thời gian thực hiện: Tháng 10; Học kỳ I- Năm học 2016 – 2017

• Địa điểm thực hiện: Trường THPT Thạch Bàn

I Các nguyên tố hóa học

- Các nguyên tố hoá học cấu tạo nên thế giới sống và không sống

- Các nguyên tố C,H,O,N chiếm 96% khối lượng cơ thể sống

- C là nguyên tố đặc biệt quan trọng tạo nên sự đa dạng các đại phân tử hữu cơ

* Nguyên tố đa lượng:

- Các nguyên tố có tỷ lệ > 0,01%

- Tham gia cấu tạo các đại phân tử như prôtêin, axit nucleic,…

VD : C, H, O, N, S, P, K…

* Các nguyên tố vi lượng:

- Các nguyên tố có tỷ lệ < 0,01%

VD : F, Cu, Fe, Mn, Mo, Se, Zn, Co, B, Cr…

*Vai trò :

- Tham gia xây dựng nên cấu trúc tế bào

- Thành phần cơ bản của enzim, vitamin…

• Bổ sung:

1 Các nhóm chức và các liên kết hóa học quan trọng trong tế bào

Nhóm chức là nguyên tử hay nhóm nguyên tử xuất hiện trong các hợp chất hữu cơ, quyết định tính

chất hóa học đặc trưng của hợp chất hữu cơ đó

2 Một số loại liên kết hóa học

a, Khái niệm: Liên kết hóa học là lực giữ cho các nguyên tử cùng nhau trong các phân tử hay các tinh thể

Sự hình thành các liên kết hóa học giữa các nguyên tố để tạo nên phân tử được hệ thống hóa thành các lý thuyết liên kết hóa học

b, Một số liên kết hoa học

* Liên kết hóa trị

* Liên kết este

* Liên kết hidro

* Liên kết ion

* Liên kết Vandvan

* Liên kết kỵ nước

* Liên kết đisunfua

* Liên kết peptit

* Liên kết glicozit

a, Liên kết ion: liên kết ion là liên kết hoá học đợc tạo thành do lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện

ngược dấu

b, Liên kết cộng hóa trị

• Khi hình thành liên kết cộng hóa trị, các nguyên tử có khuynh hớng dùng chung các cặp electron để đạt cấu trúc bền của khí hiếm gần kề ( với 8 hoặc 2 electron lớp ngoài cùng)

• Các cặp electron dùng chung có thể do sự góp chung của hai nguyên tử tham gia liên kết (cộng hóa trị thông thờng) hoặc chỉ do một nguyên tử bỏ ra (cộng hóa trị phối trí)

• Số electron góp chung của một nguyên tử thờng bằng 8 - n (n: số thứ tự của nhóm nguyên tố) Khi hết khả năng góp chung, liên kết với các nguyên tử còn lại đợc hình thành bằng cặp electron do một nguyên tử bỏ

ra (thờng là nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn)

Ví dụ: Công thức phân tử Công thức electron Công thức cấu tạo

H2O H :O: H H - O - H

SO2 :O:: S: O: O= S→O

c Liên kết hidro

- Liên kết hyđro là liên kết hoá học đợc hình thành bằng lực hút tĩnh điện yếu giữa một nguyên tử hyđro linh động với một nguyên tử phi kim có độ âm điện lớn, mang điện tích âm của phân tử khác hoặc trong cùng phân tử

C

O O

O

H

H

VD

O H H

O H

H O

H

H

- Bản chất của lực liên kết hyđro là lực hút tĩnh điện

- Liên kết hiđro thuộc loại liên kết yếu, có năng lượng liên kết vào khoảng 10-40 kJ/mol, yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị mà năng lượng liên kết vào khoảng và trăm đến vài ngàn kJ/mol, nh ng lại gây nên những ảnh hởng quan trọng lên tính chất vật lí (nh nhiệt độ sôi và tính tan trong nớc) cũng nh tính chất hóa học (nh tính axit) của nhiều chất hữu cơ

d, Liên kết Vanđecvan

- Liên kết Vanđecvan là liên kết hoá học đợc hình thành bằng lực hút tĩnh điện rất yếu giữa các phân tử phân cực thờng trực hay phân cực tạm thời

- Lực liên kết Vanđecvan hình thành giữa tập hợp của các chất rắn, lỏng, khí

e, Liên kết glycozit: Là loại liên kết hóa học thường thấy ở Cacbohidrat Là liên kết hình thành giữa 2 nhóm

-OH liên kết trực tiếp với C

g, Liên kết kỵ nước: Hiện tượng các nhóm không phân cực luôn tự sắp xếp sao cho chúng không tiếp xúc

với các phân tử nước.Các liên kết kị nước có ý nghĩa quan trong việc duy trì tính định hìnhcủa các phân tử

P với các phân tử khác, kể cả việc phân bố của các p trên màng tế bào Những liên kết này chiếm khoảng 1/2 tổng năng lượng tự do của quá trình đóng gói các p "

II Nước

1 Cấu trúc và đặc tính lý hoá của nước:

- Phân tử nước được cấu tạo từ 1 nguyên tử ôxy với 2 nguyên tử hyđrô bằng liên kết cộng hoá trị

- Phân tử nước có tính phân cực

- Giữa các phân tử nước có lực hấp dẫn tĩnh điện( do liên kết hyđrô) tạo ra mạng lưới nước

2 Vai trò của nước đối với tế bào:

- Là thành phần cấu tạo và dung môi hoà tan và vận chuyển các chất cần cho hoạt động sống của

tế bào

- Là môi trường và nguồn nguyên liệu cho các phản ứng sinh lý, sinh hoá của tế bào

- Tham gia điều hoà, trao đổi nhiệt của tế bào và cơ thể…

Vì sao nước đá thường nổi?

 Nước đá thường nổi do

- Sự hấp thụ tĩnh điện giữa các phân tử nước tạo nên mối liên kết hydro yếu Liên kết này mạnh nhất khi nó nằm trên đường thẳng qua trục O-H của phân tử nước bên cạnh và yếu hơn khi nó lệch trục O-H

- Trong nước đá, toàn bộ liên kết đều mạnh cực đại ⇒ các phân tử phân bố trong 1 cấu trúc mạng lưới dạng chuẩn, khoảng cách giữa các phân tử nước đá xa nhau hơn so với khoảng cách của các phân tử nước khi ở dạng lỏng ⇒ nước đá có cấu trúc thưa hơn → nhẹ hơn và nổi trên mặt nước

III Cacbohidrat

Cacbohiđrat (gluxit, saccarit) là những hợp chất hữu cơ tạp chức, thường có công thức chung là

Cn(H2O)m

• Cacbohiđrat được phân thành ba nhóm chính sau đây:

- Monosaccarit: là nhóm cacbohiđrat đơn giản nhất, không thể thủy phân được Ví dụ: glucozơ, fructozơ (C6H12O6)

- Đisaccarit: là nhóm cacbohiđrat mà khi thủy phân sinh ra 2 phân tử monosaccarit Ví dụ: saccarozơ, mantozơ (C12H22O11)

- Polisaccarit: là nhóm cacbohiđrat phức tạp mà khi thủy phân đến cùng sinh ra nhiều phân tử monosaccarit Ví dụ: tinh bột, xenlulozơ (C6H10O5)n

1 Monosaccait : (CH 2 O)n

- Triose (C3H6O3)

- Tetrose (C4H8O4)

- Pentose (C5H10O5)

- Hexose (C6H12O6):

Xét về cấu trúc, monosacarid là những dẫn xuất aldehyd và ceton của rượu nhiều nguyên

tử và tương tự như vậy ta có alôose hoặc cetose

a Triose (C3H6O3)

Đây là những monosacand có 3 nguyên tử cathon Đại diện của nhóm này là glycerylaldehyd và dioxyaceton

a Tetrose (C4H8O4)

Tetrose là monosacand mà phân tử của nó có 4 carbon Trước kia loại này không được các nhà sinh vật học chú ý lắm, nhưng sau này người ta thấy khi thuỷ phân glucid, trong những sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi chất, cùng với dạng phosphoryl của loại hexose, pentose, còn có dạng tetrose như eritrophosphat

c Pentose (C5H10O5)

Một số đại diện của loại monosacand 5 carbon này là:

Pentose có thể tồn tại dạng vòng, chúng tham gia vào thành phần của acid nucleic

d Hexose (C6H12O6)

Trong cơ thể đống vật và người, những hexose thường gặp là: glucose, fructose, mannose, galactose (một phần hexose ở trạng thái tự đo, một phần ở dạng liên kết trong thành phần của polysacand Hexose tự nhiên: glucose, fructose, mannose, galactose thuộc loại cấu trúc dãy D - ở trong điều kiện phòng thí nghiệm có thể nhận được đường dãy L

Tất cả monosacand tự nhiên có vị ngọt và dễ hoà tan trong nước Độ ngọt của mỗi loại đường không giống nhau

Monosacand loại hexose tương đối phổ biến như chúng ta đã trình bày ở trên

• Gluczo:

- Glucozơ có công thức phân tử là C6H12O6, tồn tại ở dạng mạch hở và dạng mạch vòng;

Hoặc viết gọn là: CH2OH[CHOH]4CHO

- Glucozơ là chất kết tinh, không màu, nóng chảy ở 146oC (dạng α) và 150oC (dạng β), dễ tan trong nước

- Có vị ngọt, có trong hầu hết các bộ phận của cây (lá, hoa, rễ…) đặc biệt là quả chín (còn gọi là đường nho)

- Trong máu người có một lượng nhỏ glucozơ, hầu như không đổi (khoảng 0,1 %)

Ứng dụng

- Trong y học: dùng làm thuốc tăng lực cho người bệnh (dễ hấp thu và cung cấp nhiều năng lượng)

- Trong công nghiệp: dùng để tráng gương, tráng ruốt phích (thay cho anđehit vì anđehit độc)

• Fructôzỏ:

- Fructozơ (C6H12O6) ở dạng mạch hở là một polihiđroxi xeton, có công thức cấu tạo thu gọn là:

Hoặc viết gọn là: CH2OH[CHOH]3COCH2OH

- Là chất rắn kết tinh, dễ tan trong nước, có vị ngọt gấp rưỡi đường mía và gấp 2,5 lần glucozơ

- Vị ngọt của mật ong chủ yếu do fructozơ (chiếm tới 40 %)

2 Disacarid (hay còn gọi là đường kép)

Nó được thành lập do 2 monosacand hợp lại qua mạch osid sau khi khử đi một phần tử nước Thành phần những đường kép chủ yếu như sau:

Mấy chất đáng chú ý là:

• Saccarose (C12H22O11) : (α glucosido - 1,2, β - fructose) liên kết glucosid giữa C1 của

glucose và C2 của fructose

- Saccarozơ là chất kết tinh, không màu, dễ tan trong nước, ngọt hơn glucozơ, nóng chảy ở nhiệt

độ 185oC

- Có nhiều trong cây mía (nên saccarozơ còn được gọi là đường mía), củ cải đường, thốt nốt…

- Có nhiều dạng sản phẩm: đường phèn, đường kính, đường cát…

- Saccarozơ được dùng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, để sản xuất bánh kẹo, nước giải khát…Trong công nghiệp dược phẩm để pha chế thuốc

• Lactose (β - galactosido - 1,4, α - glucose) đường của sữa hàm lượng lactose thay đổi tuỳ

loại sữa Đây là loại đường kép độc nhất được tổng hợp ở cơ thể gia súc - Lactose có tính oxy hoá khử điển hình của đường

• Maltose (Công thức phân tử C12H22O11 (α - glucosido 1 ,4 - α - glucose)

Còn gọi là đường mạch nha Đường này sinh ra trong ống tiêu hoá do sự thuỷ phân tinh bột hoặc glycogen bồi men amylase

- Cellohiose: (β - glucosido - 1,4, β - glucose) là đường kép thu được khi thuỷ

phân cellulose chưa triệt để

3 Polysacarid

Polysacand là loại đa đường có trọng lượng phân tử rất cao, do nhiều gốc monosacarid hợp lại

mà thành Công thức chung của polysacand là (C6H10O5)n các loại polysacariô đáng kể nhất là:

- Tinh bột

- Glycogen

- Cellulose

- Kitin

a Tinh bột

- Tinh bột là loại glucid dự trữ của thực vật được lluul thành trong quá trình quang hợp Nó là nguồn thức ăn rất quan trọng đối với động vật, nhất là động vật nông nghiệp

Hàm lượng của tinh bột khác nhau ở các loài thực vật: Ví dụ: gạo tẻ chứa khoảng: 75,81% ngô chứa khoảng: 70,08%

- Cấu tạo hoá học của tinh bột được tạo thành từ các gốc a glucose gồm 2 thành phần: + Amylose (chiếm 10 20%) chất này tan trong nước, không tạo hồ, với iod cho màu xanh, các gốc a -glucose được liên kết với nhau qua mạch glucosid 1 - 4 tạo thành mạch thẳng

- Tinh bột là chất rắn vô định hình, màu trắng, không tan trong nước nguội

- Trong nước nóng từ 65oC trở lên, tinh bột chuyển thành dung dịch keo (hồ tinh bột)

- Tinh bột có nhiều trong các loại ngũ cốc, củ (khoai, sắn), quả (táo, chuối)…

+ Amilopectin (chiếm 80 90%) không tan trong nước với iod cho màu tàn đỏ gồm các gốc a -glucose liên kết với nhau qua mạch glucosid 1- 4 và 1-6 tạo cho phân tử tinh bột có cấu tạo phân nhánh

b Glycogen (hay còn gọi là tinh bột động vật)

Đó là loại glucid dự trữ trong gan và mô bào động vật Cấu tạo hoá học của glycogen giống tinh bột, tức là cấu tạo từ các α - glucose, nhưng mức độ phân nhánh của glycogen mạnh hơn

c Cenlulose (hay còn gọi là chất xơ)

- Công thức phân tử: (C6H10O5)n; công thức của xenlulozơ có thể được viết là [C6H7O2(OH)3]n

- Đó là loại polysacarid phổ biến nhất của thực vật Nó được cấu tạo từ nhiều gốc β - glucose qua mạch - glucosid 1- 4 tạo thành chuỗi thẳng không phân nhánh, số lượng β - glucose khoảng vài chục vạn Trong thực vật, cellulose liên kết thành các bó sợi là các mi xen qua các liên kết hydrogen

- Cenlulose chỉ bị phân hoá bồi enzym cenlulase vi sinh vật cho nên cơ thể gia súc muốn sử dụng cellulose phải nhờ sự hoạt động của vi sinh vật có trong dạ cỏ của loài nhai lại bởi vì trong cơ thể gia súc không có enzym cellulase

- Xenlulozơ là chất rắn hình sợi, màu trắng, không mùi, không vị, không tan trong nước và trong dung môi hữu cơ thông thường như benzen, ete

- Xenlulozơ là thành phần chính tạo ra lớp màng tế bào thực vật, bộ khung của cây cối

- Xenlulozơ có nhiều trong trong cây bông (95 – 98 %), đay, gai, tre, nứa (50 – 80 %), gỗ (40 –

50 %)

d Kitin

Kitin là một polysacand thuần được cấu tạo từ các đơn vị N-acetylglucosanliên nối với nhau bằng liên kết β - glucosid 1- 4 Sự khác nhau duy nhất về mặt hóa học giữa chính và cellulose là sự thay thế nhóm hydroxyl ở vị trí C2 bằng một nhóm được acetyl hóa (CO3 -CO-NH-):

Kitin có dạng sợi giống như cellulose và động vật cũng không tiêu hóa được chính Chitin là thành phần cơ bản của lớp vỏ cứng của nhiều loài sinh vật, là polysacand phổ biến trong tự nhiên chỉ sau cellulose

e Inuliên: là một polysacand dự trữ của thực vật Đơn vị cấu tạo là fructose Trọng lượng phân tử của insuliên thấp vì nó chỉ có khoảng 30 gốc fructose, do đó polysacand này dễ dàng hoà tan trong nước

ở loài ngũ cốc thời kỳ phát triển đầu thường có đa đường cấu tạo do fructose Khi chín muồi đa đường này sẽ phát triển thành tinh bột

g Hemiceuulose: Đấy là tên chung của nhiều loại đa đường thường gặp trong rơm, gỗ, lõi ngô

Đa đường loại này nếu có đơn vị cấu tạo từ:

+ Mannose thì gọi là mannan

+ Arabinose thì gọi là araban

+ Galactose thì gọi là galactan

+ Cylose thì gọi là cylan

h.Dextran: là sản phẩm của vi khuẩn

Dextran cấu tạo từ α -glucose nối mạch glucosid 1 - 4 và 1 - 6, nhưng khác glycogen, mạch glucosid 1 - 4 ở đây là mạch rẽ

4.2 Loại heterosid

Heterosid là loại đa đường không thuần nhất, có cấu tạo cao phân tử và cấu trúc phức tạp Trong thành phần của nó ngoài các monosacand ra còn có các dẫn xuất của monosacand như hexosamin, hexosulfat

Heterosid chia làm nhiều lớp khác nhau tuỳ tính chất và cấu trúc Đáng kể nhất là 2 lớp:

- Glucopolysacand

- Mucopolysacarid

4.2.1 Mucopolysacarid: (mucor - chất nhầy)

Đây là loại đa đường thường gặp trong mô liên kết, ở chất trung gian giữa các tế bào và ở các dịch nhầy Ba loại mucopolysacand đáng chú ý là:

- Acid hyaluronic

Loại đa đường nhầy này có trong dịch bao khớp, trong thuỷ tinh thể mắt, trong nhiều mô bào của động vật khác

Trọng lượng phân tử khoảng 200 - 500 nghìn, hoà tan trong dung dịch rất nhớt Nhờ đặc tính này nên acid hyaluronic được ví như chất xi măng gắn với các tế bào của mô trong cơ thể

Khi thuỷ phân acid hyaluronic ta thu được N- acetylglucosamin và acid D- glucoronic

Hai thành phần này nối với nhau theo sự dự đoán sau:

Nhiều vi khuẩn có khả năng phá hoại mạch mô bào, nọc ong, nọc rắn có loại enzym hyaluronidase phân giải acid hyaluronic Enzym này làm hỏng chất nhầy gắn tế bào nên vi khuẩn

dễ hoạt động

Đầu mũi nhọn của tinh trùng cũng có acid hyaluronic nên tinh trùng có khả năng xâm nhập vào

tế bào trứng để thực hiện quá trình thụ tinh

- Chondroitin sulfat

Chất này chứa nhiều trong mô liên kết, ở chất tính kiềm của sụn dưới dạng phức chất nhầy chondromucoid

Trọng lượng phân tử rất cao gồm acetyl-galactosamin, acid glucoronic - cấu trúc dự đoán như sau:

Heparin (Hepar - gan)

Đây là loại đa đường tìm thấy đầu tiên ở gan, sau đó ở cơ, tim, phổi

Trọng lượng phân tử khoảng 17.000 thành phần gồm galactosamin, acid glucoronic và gốc sulfat

Heparin có khả năng liên kết với trombokinase, làm cho chất này không tham gia vào quá trình đông máu được Chính ở miệng con đỉa cũng có chất hepann này, cho nên khi đỉa cắn máu thường chảy ra nhiều, khó đông

Trong y học và thú y hepann được dùng làm chất ổn định máu và chống đông máu (khi truyền máu)

4.2.2 Glucopolysacand

Là loại đa đường phức tạp có tính keo như mucopolysacand nhưng không chứa dẫn xuất an liên như hexosanủn Đại diện của nhóm này thường là:

- Pectin thực vật: là những chất giữ vai trò nhựa gắn tế bào mô thực vật

- Glucopolysacand của vi khuẩn: thường có trong cấu tạo giáp mô, có đặc tính bền đối với men tiêu hoá 'Nhờ vậy vi khuẩn sống được trong những môi trường như nước bọt, dịch ruột

IV Lipit: (chất béo)

1 Cấu tạo của lipit:

a Lipit đơn giản: (mỡ, dầu, sáp)

- Gồm 1 phân tử glyxêrol và 3 axit béo

Triglixerit Glixerol Axit béo

+ Axit béo no (bảo hòa): Không có liên kết đôi, công thức CnH2n +1 COOH

+ Axit béo không no (chưa bảo hào): Có liên kết đôi, công thức CnH2n -1 COOH

Câu hỏi: Dầu thực vật và mỡ động vật là hai loại chất béo có sự giống và khác nhau như sau.

Giống

– Dầu mỡ đều không tan trong nước, mà chỉ hoà tan trong các dung môi hữu cơ như: ether, benzen, chlorofrom

– Dầu và mỡ đều cung cấp một năng lượng như nhau: 1g cung cấp cho cơ thể 9kcalo – Dầu và mỡ được cấu tạo bởi các acid béo, là những hợp chất hữu cơ gồm carbon, hydro

và oxy