Một trong những thành tựu có tính nguyên tắc quan trọng trong sinh học phân tử là sự khám phá nguyên lý bổ sung và giúp giải thích đƣợc cấu trúc xoắn kép của ADN, xác định đƣợc cấu trú[r]
(1)1 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XN ĐƠNG
LỜI NĨI ĐẦU
Giáo trình Hóa sinh đƣợc biên soạn dựa tài liệu đƣợc tích lũy sau nhiều năm giảng dậy giảng viên Khoa Hóa – trƣờng Đại học bách khoa Đà Nẵng Khi viết Giáo trình Hóa sinh tác giả đặt mục tiêu giúp cho sinh viên ngành Công nghệ sinh học tiếp cận thuật ngữ hiểu đƣợc kiến thức hóa sinh Từ đó, vận dụng kiến thức để tìm hiểu sâu xa trình sống sinh vật cách có hệ thống từ cấp độ phân tử
Giáo trình Hóa sinh đƣợc biên soạn theo đề cƣơng chi tiết học phần Hóa Sinh Chƣơng trình đào tạo kĩ sƣ ngành ―Công nghệ sinh học‖ – Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng gồm 15 chƣơng với nội dung là:
- Phần I - ―Hóa sinh cấu trúc sinh chất‖ gồm chƣơng nghiên cứu cấu trúc, tính chất chức sinh chất: cụ thể mô tả cấu tạo chức protein, gluxit, lipit, vitamin axit nucleic
- Phần II ―Trao đổi chất trao đổi lƣợng tế bào‖ có chƣơng bao gồm vấn đề lƣợng sinh học xúc tác sinh học, q trình đồng hóa dị hóa sinh chất, trao đổi lƣợng tích lũy Xem xét chi tiết trình trao đổi protein, gluxit, lipit, vitamin, axit nucleic mối liên quan trình trao đổi chất Trong q trình dị hóa protein axit nucleic đặc biệt trọng đến vấn đề liên quan tới sinh học phân tử - q trình vận chuyển thơng tin di truyền
Đóng vai trị then chốt q trình trao đổi chất tế bào chất xúc tác sinh học – gọi enzyme; mối quan hệ tác giả nhấn mạnh tới khái niệm có tính ngun lý nhƣ cấu trúc, động lực học, chế xúc tác, ảnh hƣởng yếu tố vật lý hóa học lên hoạt tính xúc tác độ bền enzyme Khi làm sáng tỏ câu hỏi đặt lƣợng sinh học tác giả đặc biệt ý tới vấn đề nhƣ chức màng sinh học, tích lũy dinh dƣỡng nhƣ để tổng hợp ATP (Adenosine triphosphat) Cũng mối liên quan tác giả xem xét chức enzyme xuyên màng tế bào nhƣ Na+
(2)2 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XN ĐƠNG
protein xun màng có vai trò vận chuyển chất từ dịch gian bào dịch tế bào chất cặn bã theo chiều ngƣợc lại
- Phần III – ―Phần thực hành‖ nhằm tập dƣợt cho sinh viên phân tích hóa sinh thơng thƣờng nhƣ định lƣợng protein, định lƣợng axit amin, định lƣợng gluxit, định lƣợng lipit, định lƣợng vitamin Về xúc tác sinh học trao đổi chất sinh viên làm quen với thí nghiệm xác định hoạt độ enzyme xác định sản phẩm trao đổi chất gluxit, protein lipit
Cuối chƣơng tác giả trọng đƣa câu hỏi trọng tâm nhằm gợi ý định hƣớng nghiên cứu cho sinh viên
Tác giả trân trọng cám ơn ông Giám đốc Nhà xuất giáo dục TP Đà Nẵng tạo điều kiện giúp đỡ xuất sách
Khi thu thập tài liệu để biên soạn sách Giáo trình ―Hóa sinh‖ tác giả sử dụng cơng trình lao động nhà khoa học nƣớc lĩnh vực hóa sinh, nhƣ Lê Ngọc Tú, Hồng Quang, Đỗ Đình Hồ, Nguyễn Xn Thắng, Phạm Thị Chân Châu, Trần Thị Áng, Nguyễn Hữu Chấn, Mai Xuân Lƣơng, Trần Thị Xô, Đặng Minh Nhật, E.S Severina, N.A Jerebtsov, J Koolman, K.H Roehm, I.G Serbac, Robert K Munray,
Tác giả biết ơn quý độc giả đồng nghiệp nhận xét chân thành ý kiến đóng góp có tính phản biện dựa thành tựu nghiên cứu nhằm phát triển mơn hóa sinh nƣớc quốc tế để hồn thiện sách lần xuất sau
(3)3 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XN ĐƠNG
MỞ ĐẦU
Hóa sinh (từ tiếng Hy lạp bios – ―sống‖) – khoa học nghiên cứu thành phần hóa học, cấu tạo, tính chất lý hóa, chức sinh học chất thể sinh vật trình chuyển hóa q trình sống chúng
Sự cần thiết việc nghiên cứu thành phần hóa học, cấu trúc sinh chất tế bào, nhƣ biến đổi hóa học thể sinh vật đƣợc đặt từ lâu lịch sử phát triển khoa học văn minh ngƣời Sự cần thiết nhằm đạt đƣợc mục tiêu thực tế sản xuất nhƣ phát triển nông nghiệp, chế biến sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp, y học, giải thích chiều hƣớng phát triển tự nhiên Ngày nay, vấn đề quan trọng đặt nghiên cứu hóa sinh cho nhà khoa học giải thích chế sử dụng phân tử sinh chất tế bào chết để tổng hợp nên tế bào sống, mối quan hệ qua lại trì trạng thái sống tế bào
Từ định nghĩa hóa sinh rõ ràng rằng, đứng quan điểm phƣơng pháp nghiên cứu chia hóa sinh làm hai phần: tĩnh hóa sinh động hóa sinh Tĩnh hóa sinh nghiên cứu thành phần hóa học tế bào thể sống gần với hóa hữu Động hóa sinh xem xét quy luật chuyển hóa sinh chất chuyển hóa lƣợng tế bào Xét theo đặc điểm đối tƣợng nghiên cứu, động hóa sinh gần với mơn sinh lý học tế bào Nhƣng hai phần hóa sinh có mối quan hệ mật thiết với thể chỗ: việc nghiên cứu chế đƣờng chuyển hóa sinh chất khơng thể thực đƣợc khơng có kiến thức chun sâu tính chất, đặc điểm đặc trƣng sinh chất
(4)4 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
trật tự liên kết nguyên lý tạo thành liên kết, đồng phân, cấu hình), thơng tin thu đƣợc nhờ phƣơng pháp đặc hiệu (các phân tích cấu tạo hóa lập thể, phƣơng pháp obital phân tử, tổng hợp, mơ hình hóa học) Nhiệm vụ mơn sinh lí học nghiên cứu chất sinh lí học tƣợng sinh học Nhiệm vụ mơn hóa sinh giải thích mối quan hệ mật thiết cấu tạo sinh chất chức chúng, trao đổi chất trao đổi lƣợng tế bào sống, điều khiển phối hợp trình trao đổi chất chế vận chuyển thông tin di truyền cấp độ phân tử
Tĩnh hóa sinh có nhiệm vụ sáng tỏ đặc tính sinh chất – phức tạp chúng, tổ chức phân tử, chuyển tiếp từ mức độ đơn giản đến phức tạp hợp phần tế bào Tổ chức cấu trúc tế bào sống trình bày sơ đồ sau (m - khối lƣợng phân tử, Da – dalton hay đơn vị cacbon):
Các chất vô (m= 18-44) (H2O, N2, CO2, O2, P, S)
↓
Monomer (m=50-250)
(các nucleotit, axit amin, monoxacarit, axit béo, glycerin) ↓
Các địa phân tử (m= 103
- 107) (các axit nucleic, protein, gluxit, lipit)
↓
Các đại phân tử phức tạp (m=103
-109) (Các nucleprotein, glycoprotein, lipoprotein)
↓
Các phức hợp phân tử (m=106
-1010)
(các ribosom, nội bào, màng sinh học, hệ rút gọn) ↓
Các bào quan (m=1011-1013)
(nhân, ti thể, lisosome) ↓
Tế bào (m=1012
-1015)
(5)5 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
Các monomer liên kết với tạo thành đại phân tử hay polymer sinh học, có khối lƣợng phân tử lớn Phần lớn đại phân tử tế bào tƣơng ứng với bốn nhóm hợp chất bản: axit nucleic, protein, polysaccharide, lipit Phân tử polymer sinh học có dạng mạch, đơn vị cấu tạo mạch nối với liên kết cộng hóa trị bền vững Đơn vị cấu tạo axit nucleic nucleotid, thành phần nucleotid có năm loại kiềm gọi base nitơ: adenin, guanin, urasin, timin cystin; đơn vị cấu trúc protein 20 axit amin, polysaccharide chuỗi monosaccharide khác Mặc dù số lƣợng đơn vị cấu trúc không lớn nhƣng nhờ vào trật tự xếp, tỷ lệ phối trí đơn vị cấu tạo nên loại đại phân tử đƣợc tạo nên từ số lƣợng lớn hợp chất có tính chất khác nhau.Ví nhƣ, từ 20 axit amin tạo nên khoảng 1012 axit amin khác nhau, hay từ nucleotit – tạo nên 1016 dạng axit nucleic khác
Đứng quan điểm nhằm phát triển khái niệm chuyển dịch vật chất từ tế bào chết vào tế bào sống (sự đổi tế bào) cần nhận xét rằng, đại phân tử axit nucleic protein có vai trị mang thơng tin, trật tự mặc định chúng đơn vị cấu tạo thể tính đặc trƣng gen ứng với lồi sinh vật Ngƣợc lại, hợp chất gluxit không mang thơng tin chúng đƣợc tạo nên từ loại polymer lặp lặp lại Một điều rõ ràng, đại phân tử mang thơng tin ln có khả thể tính đặc hiệu đặc trƣng thể vai trị sinh học (ví dụ, khả xúc tác, khả chép)
Các đại phân tử có khả liên kết với tạo thành đại phân tử phức tạp (ví dụ, nucleoprotein, lipoprotein, glycoprotein, glycolipit, )
Sự tƣơng tác đại phân tử quy định mức dƣới cấu trúc phân tử hay phức chất (ví dụ, loại màng, ribosome, enzyme phức tạp, metabolone)
(6)6 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
ty thể sản xuất lƣợng, lysosome thực chức thối hóa) Cuối cùng, từ bào quan hợp thành tế bào hoàn chỉnh
Quá trình chuyển từ phân tử sinh học đơn giản thành cấu trúc sinh học phức tạp đƣợc thực nguyên lý hóa lý theo chế tự tổ chức Nguyên lý q trình tự tổ chức tƣơng tác hóa học phân tử có thành phần vật chất sống Liên kết cộng hóa trị có vai trị quan trọng nhất, loại liên kết có tất monomer đơn giản đại phân tử
Sự xếp đại phân tử không gian tổ chức mực dƣới cấu trúc (sub unit), bào quan tế bào đƣợc thực lực liên kết cộng hóa trị, liên kết hydro, ion, Van de vans
Liên kết cộng hóa trị tạo bền vững ổn định cho phân tử sinh học, lực liên kết yếu tạo mức cấu trúc linh động quy định động lực học cấu trúc sinh học
Hệ thống cấu trúc bào quan tế bào sản phẩm trình tiến hóa lâu dài vật chất sống Trái Đất
Nhiệm vụ động hóa sinh nghiên cứu trao đổi chất hay chuyển hóa tế bào Trao đổi chất tổng số phản ứng hóa học diễn bên tế bào nhờ có dòng lƣợng tham gia enzyme Trao đổi chất đƣợc chia thành hai phần chủ yếu: dị hoá (catabolism) đồng hoá (anabolism) Đây hai q trình đối ngƣợc nhƣng có liên quan chặc chẽ với Đồng hoá cung cấp nguồn nguyên vật liệu để xây dựng nên thể sống, cịn dị hố cung cấp lƣợng để thực toàn hoạt động sống nhƣ co cơ, vận chuyển chất, tiêu hoá thức ăn
(7)7 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
các liên kết hợp chất lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng nhiệt tỏa trở lại môi trƣờng dạng lƣợng khơng có lợi khác tế bào
Theo quan điểm nhiệt động học xem tế bào sống hệ mở, điều khơng có nghĩa tế bào nằm trạng thái cân với mơi trƣờng nhƣng với ý nghĩa – dịng vật chất lƣợng liên tục chạy qua hệ, làm cho tế bào nằm trạng thái cân động
Trạng thái cân nhiệt động lực học (hệ kín tế bào chết) trạng thái động học không cân (tế bào sống) giống chỗ chúng bảo tồn tính chất hệ theo thời gian Cốt dễ khác chỗ hệ cân nhiệt động học không xảy biến đổi lƣợng tự (ΔG = 0), trạng thái động học không cân lƣợng liên tục biến đổi với vận tốc cố định (ΔG = const) Sinh vật tích lũy lƣợng từ mơi trƣờng xung quanh: thực vật – hấp thụ lƣợng lƣợng tử, động vật vi sinh vật tích lũy lƣợng từ hợp chất oxy hóa, nhƣng hợp chất bị oxy hóa mạnh q trình hơ hấp Nhờ lƣợng chúng xây dựng cấu trúc đặc trƣng lồi
Đặc trƣng q trình trao đổi chất tế bào điều hòa vận tốc phản ứng hóa học xảy Tế bào sống hệ trao đổi chất tự điều hịa Sự tích lũy hợp chất trung gian (trao đổi chất) lƣợng vƣợt mức tới hạn cho phép có vai trị nhƣ tín hiệu làm giảm tốc độ phản ứng tạo nên chất
Các chất xúc tác sinh học đóng vai trị quan trọng điều hịa q trình trao đổi chất – gọi enzyme Sự điều hịa trao đổi chất tế bào thực đƣờng hoạt hóa bất hoạt tác dụng enzyme, thay đổi vận tốc tổng hợp nên enzyme tế bào
(8)8 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
này sang hệ khác Trong q trình sống tế bào thơng tin di truyền ln đƣợc mã hóa ADN, đƣợc ARN vận chuyển ribosome, trật tự mã hóa base nitơ tạo cấu trúc protein tƣơng ứng đặc trƣng cho lồi Trong sinh giới vai trị thông tin axit nucleic đƣợc thực cách ổn định mức độ nghiêm ngặt
(9)9 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
proteasome, cỗ máy tế bào phức tạp kiểm sốt Proteasome trì cân protein tế bào đồng thời tiêu diệt protein khơng cịn cần thiết Nhƣ vậy, phát triển chết sinh vật đƣợc kiểm soát hệ thống điều tiết tế bào
Hóa sinh có vai trị to lớn cơng nghệ thực phẩm, phát triển y học dƣợc phẩm Bệnh tật ngƣời sinh liên quan mật thiết với trình trao đổi chất, mối liên quan sở khoa học quan trọng để giải thích nguyên nhân định hƣớng điều trị bệnh tật Việc chuẩn đốn điều trị nhiều bệnh đƣợc chứng minh dựa thành tựu hóa sinh, ngồi thành tựu cịn cung cấp số hiểu biết chế phân tử phát triển trình bệnh lý
Nhƣ vậy, việc nghiên cứu tỉ mỉ mặt trình trao đổi chất nhiệm vụ có tính thời tiến trình khám phá chất sống, có giá trị ứng dụng y học, chăn nuôi, trồng trọt, công nghệ sinh học công nghiệp chế biến nông sản
Mục đích phát triển nơng nghiệp trồng trọt thu nhận hợp chất hóa học xác định nhƣ protein, lipit, tinh bột, đƣờng, vitamin để sử dụng làm thức ăn cho ngƣời làm nguyên liệu phục vụ công nghiệp chế biến Để điều khiển đƣợc phát triển tăng trƣởng trồng nhằm thu hồi hợp chất cần nghiên cứu sâu đƣờng sinh tổng hợp yếu tố ảnh hƣởng lên q trình Ví dụ, cần đặc biệt trọng nghiên cứu ảnh hƣởng yếu tố khác lên tổng hợp chất lƣợng sinh học protein đại mạch, tổng hợp đƣờng củ cải đỏ, tinh bột khoai tây, lipit hạt hƣớng dƣơng, hay tăng sản lƣợng chăn nuôi gia súc
(10)10 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
(11)11 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
(12)12 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ HÓA SINH
1.1 ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP, LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU CỦA HÓA SINH 1.1.1 Định nghĩa:
Hóa sinh mơn học nghiên cứu thành phần hóa học, cấu tạo tính chất lí hóa, chức sinh học chất thể q trình chuyển hóa chúng thể sống
Hóa sinh học nghiên cứu thành phần cấu tạo hóa học sinh chất gọi ―tĩnh hóa sinh‖, nghiên cứu q trình chuyển hóa chất tế bào thể sống gọi ―động hóa sinh‖, nghiên cứu sở hóa học q trình hoạt động sống gọi ―hóa sinh chức năng‖
1.1.2 Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu hóa sinh rộng lớn gồm thực vật, động vật, vi sinh vật vi-rut
Tùy theo đối tƣợng sinh vật đƣợc nghiên cứu phân chia thành: hóa sinh động vật, hóa sinh thực vật, hóa sinh vi sinh vật,…
1.1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Phƣơng pháp truyền thống: vật lí, hóa học, hóa lí (dùng tia X, nhiễu xạ tia X, hấp phụ lựa chọn, điện di, sắc kí )
- Phƣơng pháp vật lý đại: nhiễu xạ rơnghen, cộng hƣởng từ điện tử, cộng hƣởng từ hạt nhân, đồng vị phóng xạ đánh dấu chất,…
(13)13 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
các sản phẩm có giá trị để dùng y học, nơng nghiệp, cơng nghiệp Hóa sinh góp phần giải vấn đề quan trọng trồng trọt, chăn nuôi y học
1.1.4 Lịch sử nghiên cứu:
Các nghiên cứu hóa sinh cuối kỷ 18 Tuy nhiên, đến cuối kỉ 19 đầu kỉ 20 Hóa sinh trở thành ngành khoa học độc lập dựa thành tựu nghiên cứu Hóa hữu cơ, Sinh lí học, Y học nghành khoa học khác
Mơn hóa sinh đƣợc hình thành bắt nguồn từ phát triển mạnh mẽ mơn hóa học sinh học vào cuối kỉ XIX bƣớc sang kỉ XX Sự hình thành bắt nguồn từ mơn hóa học hữu sinh lý, dựa vào tiến ngành khoa học khác nhƣ vật lí, hóa phân tích Sự xâm nhập hóa học vào sinh học với nhiều cơng trình nhƣ: tổng hợp chất hữu urê (Waller 1828), chất thở (Lavoisier 1794), vai trò diệp lục quang hợp (Timirazep 1843 – 1920), đặc biệt cơng trình chất xúc tác sinh học enzyme (Kirchhoff, Pasteur, Buchner), cơng trình vitamin (Lunin Funk), cơng trình tiêu hóa (Paplov) với phát triển mơn sinh lí học dẫn đến việc tách riêng mơn hóa sinh thành mơn độc lập phục vụ cho nhiều ngành, phát triển nhƣ vũ bão với bề dày cơng trình ngày tăng lên
Năm 1897 Eduard Buchner lần chiết đƣợc enzyme thơ từ tế bào nấm men có khả thủy phân đƣờng Trƣớc khơng lâu Friedrich Miescher phát ADN Mac Mum (1886) tìm đƣợc cytocrom tham gia hệ thống vận chuyển điện tử sinh vật
(14)14 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XN ĐƠNG
đƣợc Kuhr tìm năm 1935 có thành phần số enzyme Tiếp sau năm, cơng trình hóa sinh bật Hans Krebs (1937) tìm chu trình acid citric; năm Lohmann Shuster tìm vitamin B1 coenzyme pyruvat decarboxylase Năm 1944 Avery, Maclesa Mac Carty ADN sở di truyền mở đầu cho mơn hóa sinh di truyền, Lipmann Kaplan (1947 – 1948) tìm đƣợc coenzyme A có vai trị nhiều phản ứng hóa học Kennedy Lehninger (1950) tìm thủy phân mỡ, trình hơ hấp tế bào, sản sinh ATP ty thể Cấu trúc bậc theo đề nghị Emil Fisher đƣợc Sanger xác định, có insulin đƣợc xác định thứ tự toàn axit amin vào năm 1953 Pauling Grey (1952) công bố cấu trúc bậc dạng xoắn protein Năm 1958, Ingram tìm đƣợc cấu trúc hemoglobin bình thƣờng lƣỡi liềm Thành phần acid amin ribonuclease đƣợc Hirs, Moorse, Stein xác định 1960
Đến năm 1961 năm có nhiều phát minh sinh hóa Nirenberg, Matthai tìm polyuridyl mã hóa phenylalanin; Jacob, Monob Changeux tìm enzyme dị lập thể Chính Jacob Monod tìm điều hòa gen tổng hợp protein Cùng thời gian đó, nhiều q trình tổng hợp purin, acid amin, glucid, lipit đƣợc sáng tỏ Năm 1965 Nirenberg, Khorana, Holley nghiên cứu đƣợc chức phận riêng biệt mã hóa acid amin trình tổng hợp
Nhiều ngành nhỏ hóa sinh đời nhƣ hóa sinh miễn dịch, di truyền, đặc biệt ngành gần xuất hiện, cơng nghệ hóa sinh Nhiều giải thƣởng Nobel ghi công kết nghiên cứu quan trọng, mở nhiều cánh cửa cho phát triển hóa sinh nhƣ: hóa sinh hệ thống miễn dịch Snell, Bena Cerraff Dausset năm 1980; năm Paul Berg đƣợc giải thƣởng Nobel cơng trình nghiên cứu gắn mẫu ADN; năm 1981 – 1982 thành tựu tổng hợp gen α – interferon gồm 514 đôi base Leicester đƣợc thực Từ đến hàng loạt cơng trình khác nghiên cứu hóa sinh áp dụng nhiều lĩnh vực khoa học
(15)15 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
xốp ngƣời động vật Prion viết tắt PrP protein tồn hai dang đồng phân alpha bêta Ở thể khỏe mạnh PrP có dạng alpha cịn thể bị bệnh dạng alpha bị duỗi xếp thành băng song song gọi PrP bêta Dạng bền với enzyme tiêu hóa khơng bị phá hủy nhiệt độ cao (đến 2000
C) Do prion nhƣ tác nhân gây bệnh hoàn toàn sinh học y học Cơng trình khơng phát tác nhân gây bệnh xốp não mà cịn đặt móng cho tìm hiểu chế trí liên quan đến bệnh già bệnh Alzheimer, nhƣ đặt nguyên tắc chặt chẽ cho việc ghép quan phủ tạng động vật cho ngƣời thuốc men chế từ động vật dùng cho ngƣời
1.2 SỰ LIÊN QUAN GIỮA HÓA SINH VỚI CÁC NGHÀNH KHOA HỌC KHÁC
Hóa sinh tảng môn sinh học thực nghiệm nhƣ Công nghệ sinh học, Di truyền học, Sinh lí học thực vật, Sinh lí học động vật, Vi sinh học, Sinh học phân tử Ngồi ra, Hóa sinh trang bị kiến thức sở cho làm việc lĩnh vực y, dƣợc, nông lâm nghiệp, công nghiệp thực phẩm.v.v
Trong lĩnh vực cơng nghệ sinh học, hóa sinh có vai trị quan trọng Nhờ phát triển nhanh chóng sinh học nói chung, sinh hóa nói riêng nhiều ―cách mạng‖ ngành sinh học bùng nổ, giải nhiều vấn đề to lớn cho nhu cầu ngƣời nhƣ điều trị bệnh tật, giải vấn đề lƣơng thực, thực phẩm Hiện sinh học tiến mạnh đến thời kì sinh học phân tử Hóa sinh giữ vai trị cơng cụ quan trọng phát triển sinh học phân tử với di truyền học siêu vi khuẩn Một ngành sinh học phát triển nhƣ nhìn mức độ phát triển hóa sinh ngành đất nƣớc mà đánh giá
(16)16 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XN ĐƠNG
Trong y học, hóa sinh đóng góp phần lớn việc bảo vệ không ngừng nâng cao sức khỏe ngƣời để tốn bệnh tật Cơng tác phịng chữa bệnh muốn có kết phải chuẩn đốn, theo dõi bệnh tật xác, kịp thời nhờ sử dụng tốt cơng cụ hóa sinh lâm sàng Hóa sinh giúp cho ngƣời hiểu biết sâu xa nguyên nhân bệnh tật nhƣ bệnh tiểu đƣờng thiếu insulin, bệnh tê phù thiếu vitamin B1, bệnh học phân tử, bệnh chuyển hóa thiếu enzyme Trong lâm sàng, nhiều xét nghiệm hóa sinh góp phần chuẩn đốn nhanh chóng xác bệnh tật nhƣ tăng cao aminotransferase (GOT, GPT) bệnh viêm gan hoạt độ isoenzyme creatinkinase (CK – MB) tăng cao tế bào tim bị hủy hoại nhồi máu tim Trong nhiều trƣờng hợp, xét nghiệm hóa sinh giúp cho ngƣời thầy thuốc khơng theo dõi bệnh tật mà cịn điều chình liều lƣợng thuốc sử dụng cho bệnh nhân Trong thời kì nay, phát triển nhanh chóng tồn cầu cơng nghệ sinh học, có cơng nghệ sinh học dƣợc, tạo loại thuốc, chế phẩm sinh học có hoạt tính cao cách sử dụng nhiều kĩ thuật hóa sinh vi sinh tạo sản phẩm thuốc có chất lƣợng cao mà giá thành lại hạ
(17)17 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐƠNG
thế giới có loại bệnh thiếu dinh dƣỡng quan trọng là: bệnh thiếu dinh dƣỡng protein lƣợng, bệnh khô mắt thiếu vitamin A, bệnh thiếu máu dinh dƣỡng thiếu sắt, bệnh biếu cổ địa phƣơng bệnh trí tuệ thiếu iot Đặc biệt, tình trạng thiếu dinh dƣỡng phổ biến nƣớc phát triển vấn đề nghiêm trọng đƣợc quan tâm giải giải pháp nghành: y tế, nông nghiệp giáo dục
1.3 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA TẾ BÀO VÀ CƠ THỂ SỐNG 1.3.1 Đặc điểm chung thành phần hóa học
Hàm lượng nước lớn: ngƣời 58-65%, nhiều loài cá 80%, sứa đến 98%
Thành phần nguyên tố: Trong thể sống tìm thấy 27 số gần 100 nguyên tố biết
Các nguyên tố có thành phần hợp chất hữu tế bào thể sống C, H, O, N, P, S Hàm lƣợng C 43-48%, H: 7%, N: 8-12% Một số nguyên tố dạng ion: Na+
, K+, Mg+, Ca+, Cl-, nguyên tố khác (Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, Mo, I, Si, Sn, Cr, F, Se, Vd) với lƣợng nhỏ, gọi nguyên tố vi lƣợng
Nhƣ ta thấy có sai khác rõ rệt thành phần nguyên tố giới sống không sống nhƣ sau: Bốn nguyên tố chủ yếu tế bào thể sống C, N, O, H bốn nguyên tố chủ yếu vỏ trái đất O, Si, Al, Fe; Các nguyên tố C N thể sống thƣờng dạng khử, hợp chất hữu phức tạp; cịn mơi trƣờng hệ thống sống chúng thƣờng tồn dạng hợp chất đơn giản nhƣ CO2, N2, cacbonat, nitrat, v.v
(18)18 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
của ngƣời hoàn toàn giống với 3000 protein E Coli, protein có chức tƣơng tự
Trong giới sống có khoảng 1,5 triệu loài (species), khoảng 1010
- 1012 loại phân tử protein khác khoảng 1010 kiểu phân tử axit nucleic
1.3.2 Đặc điểm phản ứng hóa học
Hầu hết phản ứng enzyme xúc tác, chúng có số đặc điểm chung nhƣ sau: Thứ nhất, xảy điều kiện nhiệt độ áp suất bình thƣờng với tốc độ nhanh gấp hàng trăm, hàng nghìn lần xảy thể sống; Thứ hai, nhiều phản ứng khác tiến hành đồng thời phạm vi môi trƣờng định, liên hệ chặt chẽ với theo trình tự xác định; Thứ ba, phản ứng, trình chuyển hóa đƣợc điều hịa nghiêm ngặt theo chế tinh vi phức tạp, sản phẩm phản ứng, sản phẩm trao đổi trung gian đóng vai trị quan trọng chế tự điều hòa
1.4 SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA CƠ THỂ SỐNG VÀ MÔI TRƢỜNG
Thành phần tế bào thể sống nằm hệ thống liên hệ tƣơng tác chặt chẽ với thiên nhiên môi trƣờng xung quanh Ví dụ chu trình cacbon, chu trình nitơ
Trong chu trình cacbon: khí CO2 khí đƣợc thực vật hấp thụ động vật CO2 vào khí Lƣợng CO2 tỉ ngƣời hành tinh thải 2,9 ×1011 kg/năm, tƣơng đƣơng lƣợng CO2 thoát đốt 115 triệu than Vi khuẩn hơ hấp cịn mạnh ngƣời vài trăm lần
Trong chu trình Ni-tơ: N2 khí đƣa vào thể sống nhờ vi sinh vật cố định nitơ, chuyển N2 thành dạng nitrit, nitrat, acid amin thực vật Kết trình đồng hóa, dị hóa thể sinh vật, tác dụng vi sinh vật lại tạo thành N2 vào khí
(19)19 NGÀNH CƠNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG
Ở nƣớc ta, 40 năm qua Hóa sinh có đóng góp định vào lĩnh vực y học, nông, lâm, ngƣ nghiệp, công nghiệp thực phẩm có đƣợc số đóng góp cho phát triển Hóa sinh học giới
Các kết nghiên cứu hóa sinh nƣớc ta thời gian qua tập trung vào số vấn đề sau:
1.5.1 Về hóa sinh thực vật, động vật
Đã có nghiên cứu điều tra hóa sinh số quan trọng nhƣ lúa, đỗ tƣơng, lạc loại họ đậu khác nhằm phục vụ việc nâng cao suất, chất lƣợng dinh dƣỡng hạt, nâng cao hiệu sử dụng chúng Mặt khác, có nghiên cứu nhằm nâng cao tính chống chịu trồng quan trọng
Các nghiên cứu tập trung phục vụ lai tạo giống bị, tìm hiểu chế số bệnh lợn, gà phƣơng pháp phòng trừ; chế phẩm làm tăng khối lƣợng thịt lợn, gà chế phẩm làm tăng tính miễn dịch động vật
Đặc biệt, nghiên cứu theo hƣớng tách, tinh enzyme, tạo chế phẩm có độ khác nhau, nghiên cứu tính chất, cấu trúc, liên quan cấu trúc hoạt tính sinh học enzyme, khả ứng dụng chế phẩm enzyme thực tế, ví dụ: bromelin (proteaza dứa), pepsin, tripsin chế phẩm pancreatin, glutamilaz vi sinh vật… chủ yếu ứng dụng công nghệ thực phẩm, y học
Ngồi enzyme, có nghiên cứu số protein có hoạt tính sinh học nhƣ protein ức chế tripsin
1.5.2 Xác định tiêu hóa sinh ngƣời Việt nam:
(20)20 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS BÙI XUÂN ĐÔNG