Các phân tử sinh học
I. Khái niệm và thành phần cấu tạo của các phân tử sinh học trong tế bào
- Khái niệm: Phân tử sinh học là những phân tử hữu cơ được tổng hợp và tồn tại trong các tế bào sống.
- Các phân tử sinh học chính bao gồm: protein, lipid, carbohydrate, nucleic acid.
- Đặc điểm chung của các phân tử sinh học:
- Có kích thước và khối lượng phân tử lớn.
- Thường được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân gồm nhiều đơn phân hợp thành nên được gọi là các polymer.
- Thành phần hóa học chủ yếu của các phân tử sinh học là các nguyên tử carbon và các nguyên tử hydrogen, chúng liên kết với nhau hình thành nên bộ khung hydrogen đa dạng. Bộ khung hydrogen có khả năng liên kết với các nhóm chức khác nhau tạo ra một số hợp chất với các đặc tính khác nhau.
II. Các phân tử sinh học
1. Carbohydrate – chất đường bột
- Là hợp chất hữu cơ được cấu tạo từ ba nguyên tố là C, H, O với tỉ lệ 1 : 2 : 1 và công thức cấu tạo chung là Cn(H2O)m.
- Được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân với đơn phân chủ yếu là glucose, fructose và galactose.
- Nguồn cung cấp đường và tinh bột cho người và động vật: các bộ phận dự trữ đường và tinh bột của thực vật như củ, quả, hạt, thân cây,...
- Phân loại: Dựa theo số lượng đơn phân trong phân tử mà người ta chia carbohydrate thành 3 loại là đường đơn, đường đôi, đường đa.
|
Loại |
Đặc điểm cấu trúc |
Chức năng chính |
|
Đường đơn |
- Có 1 đơn phân. - Một số đường có 6 C phổ biến: Glucose, Fructose, Galactose,… |
- Dùng làm nguồn cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào. - Dùng làm nguyên liệu để cấu tạo nên các loại phân tử sinh học khác. |
|
Đường đôi |
- Được hình thành do 2 phân tử đường đơn liên kết với nhau (sau khi loại đi 1 phân tử nước) bằng 1 liên kết cộng hóa trị (glycosidic). - Một số đường đôi phổ biến: Sucrose (được cấu tạo từ glucose và fructose), lactose (được cấu tạo từ galactose và glucose), mantose (được cấu tạo từ glucose và glucose),… |
- Là đường vận chuyển do không bị phân giải trong quá trình vận chuyển. |
|
Đường đa |
- Là loại polymer được cấu tạo từ hàng trăm tới hàng nghìn phân tử đường đơn. - Một số đường đa phổ biến: glycogen, tinh bột, cellulose, chitin,… |
- Dự trữ năng lượng và làm nguyên liệu cấu trúc nên một số thành phần của tế bào. |
Một số đường đa phổ biến:
|
Loại đường đa |
Cấu tạo |
Chức năng |
|
Tinh bột |
- Được cấu tạo từ hàng trăm đến hàng nghìn đơn phân là glucose, ít phân nhánh. |
- Là dạng năng lượng được dự trữ ở các loài thực vật. |
|
Glycogen |
- Được cấu tạo từ các phân tử glucose liên kết với nhau tạo thành mạch phân nhánh rất mạnh. |
- Là dạng năng lượng được dự trữ ở động vật và một số loài nấm. |
|
Cellulose |
- Các phân tử cellulose được cấu tạo từ các phân tử glucose liên kết với nhau tạo thành mạch thẳng, không phân nhánh. - Nhiều phân tử cellulose liên kết với nhau tạo thành bó sợi dài nằm song song có cấu trúc vững chắc. |
- Là thành phần chính cấu tạo nên thành tế bào của thực vật. - Ở người, cellulose giúp ích trong tiêu hóa thức ăn bằng cách kích thích các tế bào niêm mạc ruột tiết ra dịch nhầy và cuốn trôi những chất cặn bã bám vào thành ruột ngoài. |
|
Chitin |
- Được cấu tạo từ các phân tử glucose hoặc galactose đã được gắn thêm nhóm chức amino thành glucosamine hoặc galactosamine. |
- Là thành phần cấu tạo nên bộ xương ngoài của nhiều loài như tôm, cua, nhện và thành tế bào của nhiều loài nấm. |
2. Lipid – chất béo
- Được cấu tạo từ ba nguyên tố chính là C, H, O.
- Là một nhóm chất rất đa dạng về cấu trúc nhưng có đặc tính chung là kị nước nhưng tan trong các dung môi hữu cơ như ether, acetone.
- Không có cấu trúc đa phân.
- Nguồn chất béo cung cấp cho con người: mô mỡ của các loài động vật, dầu thực vật lấy từ nhiều loại hạt, quả khác nhau như lạc, vừng,...
a) Mỡ và dầu
- Cấu tạo: 1 phân tử glycerol liên kết với 3 phân tử acid béo. Trong đó, mỡ được cấu tạo từ acid béo no nên tồn tại ở trạng thái rắn; dầu được cấu tạo từ các acid béo không no nên có dạng lỏng.
- Chức năng:
- Dự trữ năng lượng cho tế bào và cơ thể. Cơ thể người và động vật dự trữ mỡ trong các tế bào và nhiều vùng khác.
- Là dung môi hòa tan nhiều loại vitamin quan trọng với cơ thể như vitamin A, D, E, K,…
- Tham gia ổn định nhiệt độ và bảo vệ cơ thể: Lớp mỡ dưới da là lớp cách nhiệt giữ ấm cho cơ thể người và nhiều loài động vật xứ lạnh, đồng thời, là lớp đệm bảo vệ các cơ quan tránh được các tổn thương do tác động cơ học.
- Là nguồn dự trữ và cung cấp nước của một số loài: Những động vật sống ở sa mạc như lạc đà sử dụng mỡ ở các bướu làm nguồn cung cấp nước.
- Cần có chế độ ăn vừa phải chất béo, phối hợp cân đối giữa mỡ động vật và dầu thực vật để tránh nguy cơ mắc bệnh béo phì, máu nhiễm mỡ, gây xơ vữa động mạch dẫn đến bệnh tim mạch,...
b) Phospholipid
- Cấu tạo: Phospholipid được cấu tạo từ một phân tử glycerol liên kết với hai acid béo ở một đầu, đầu còn lại liên kết với nhóm phosphate. Nhóm phosphate thường liên kết với choline, tạo thành phosphatidylcholine.
- Chức năng: Với cấu trúc lưỡng cực, phospholipid tham gia cấu tạo nên các loại màng của tế bào.
c) Steroid
- Cấu tạo: Steroid là một loại lipid đặc biệt, không chứa phân tử acid béo, các nguyên tử carbon của chúng liên kết với nhau tạo nên 4 vòng.
- Một số steroid phổ biến trong cơ thể sinh vật: cholesterol, estrogen, testosterone, vitamin D, cortisone,...
- Chức năng:
- Tham gia cấu tạo nên màng sinh chất của tế bào (cholesterol).
- Tham gia hình thành đặc điểm giới tính và điều hòa quá trình sinh trưởng, sinh sản của con người (hormone giới tính estrogen, testosterone).
d) Carotenoid
- Carotenoid là nhóm sắc tố màu vàng cam ở thực vật có bản chất là một loại lipid.
- Con người và động vật khi ăn carotenoid sẽ chuyển nó thành vitamin A, chất này sau đó được chuyển thành sắc tố võng mạc rất có lợi cho thị giác.
3. Protein – chất đạm
a) Chức năng của protein
- Trong cơ thể, protein tham gia vào hầu hết tất cả các hoạt động sống của tế bào:
- Cấu trúc: Nhiều loại protein tham gia cấu trúc nên các bào quan, bộ khung tế bào.
- Xúc tác: Protein cấu tạo nên các enzyme xúc tác cho các phản ứng hóa học trong tế bào.
- Bảo vệ: Các kháng thể có bản chất là protein giữ chức năng chống lại các phân tử kháng nguyên từ môi trường ngoài xâm nhập vào cơ thể qua các tác nhân như vi khuẩn, virus,…
- Vận động: Protein giúp tế bào thay đổi hình dạng cũng như di chuyển.
- Tiếp nhận thông tin: Protein cấu tạo nên thụ thể của tế bào, giúp tiếp nhận thông tin từ bên trong cũng như bên ngoài tế bào.
- Điều hòa: Nhiều hormone có bản chất là protein đóng vai trò điều hòa hoạt động của gene trong tế bào, điều hòa chức năng sinh lí của cơ thể.
- Nguồn nguyên liệu để xây dựng các loại protein trong cơ thể người: thịt, sữa của các loài động vật và từ hạt cũng như một số bộ phận khác của thực vật.
- Cần sử dụng đa dạng các nguồn thực phẩm giàu protein để cung cấp đủ nguồn amino acid dùng làm nguyên liệu để tổng hợp protein.
b) Cấu trúc của protein
- Cấu trúc hóa học:
- Protein được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân là các amino acid.
- Cấu tạo amino acid: Mỗi amino acid được cấu tạo từ 1 nguyên tử carbon trung tâm liên kết với 1 nhóm amino (-NH2), một nhóm carboxyl (-COOH), một nguyên tử H và một chuỗi bên còn gọi là nhóm R. Có 20 loại amino acid tham gia cấu tạo nên các protein, trong đó, có 9 amino aicd không thay thế.
- Các amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide tạo nên chuỗi polypeptide → Từ 20 loại amino acid có thể tạo ra vô số chuỗi polypeptide khác nhau về số lượng, thành phần và trình tự cách sắp xếp các amino acid.
- Cấu trúc không gian: Protein có 4 bậc cấu trúc không gian:
- Cấu trúc bậc 1: Trình tự các amino acid trong một chuỗi polypeptide.
- Cấu trúc bậc 2: Chuỗi polypeptide cuộn xoắn lại hoặc gấp nếp.
- Cấu trúc bậc 3: Chuỗi polypeptide cuộn xoắn lại hoặc gấp nếp tạo nên cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng do có sự tương tác đặc thù giữa các nhóm chức R của các amino acid trong chuỗi polypeptide.
- Cấu trúc bậc 4: Hai hay nhiều chuỗi polypeptide liên kết với nhau tạo nên cấu trúc bậc 4.
- Cấu trúc không gian của protein (bậc 3 và bậc 4) được duy trì nhờ các liên kết yếu như: liên kết hydrogen, tương tác kị nước, tương tác Van der Waals và liên kết cộng hóa trị S-S, liên kết ion.
- Chức năng của protein được quyết định bởi cấu trúc bậc 1, nhưng protein chỉ thực hiện được chức năng khi có cấu trúc không gian (bậc 3, bậc 4).
- Hiện tượng biến tính của protein là hiện tượng protein bị mất cấu trúc không gian, xảy ra do sự biến đổi của các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, áp suất, nồng độ ion. Khi bị biến tính, protein bị mất chức năng sinh học.
4. Nucleic acid
- Nucleic acid còn gọi là acid nhân, gồm 2 loại là: DNA và RNA.
- Nguồn cung cấp nguyên liệu để tổng hợp các nucleic acid cho cơ thể người là từ các loại thực phẩm. Khi bị rối loạn chuyển hóa uric acid, nếu ăn nhiều thức ăn giàu nucleic acid, nhân purin trong nucleic acid sẽ dễ chuyển hóa thành uric acid tích lũy lại trong các khớp xương gây nên bệnh goute.
a) Deoxyribonucleic acid - DNA
* Chức năng
- DNA là vật chất di truyền chủ yếu trong sinh giới; có chức năng mang, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền.
- Quá trình truyền đạt thông tin di truyền bên trong tế bào và giữa các thế hệ tế bào được thể hiện qua sơ đồ:
- Quá trình truyền đạt thông tin di truyền bên trong tế bào được thực hiện thông qua quá trình phiên mã và dịch mã giúp tạo nên mọi phân tử cần thiết cấu tạo nên tế bào.
- Quá trình truyền đạt thông tin di truyền giữa các thế hệ tế bào được thực hiện nhờ cơ chế tái bản và phân chia trong phân bào, đảm bảo vật chất di truyền được truyền cho các tế bào con gần như nguyên vẹn cả về số lượng và chất lượng.
* Cấu trúc
- DNA là một đại phân tử hữu cơ, cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là nucleotide (gồm 4 loại là : A, T, G, C).
- Nucleotide cấu tạo nên DNA có cấu tạo gồm 3 phần:
- Gốc phosphate
- Đường deoxyribose (đường 5 carbon)
- Một nitrogenous base: gồm 4 loại adenine – A, guanine – G, cytosine – C, thymine – T.
- Mô hình cấu trúc xoắn kép của DNA: DNA thường có cấu trúc mạch kép, được cấu tạo từ hai chuỗi polynucleotide song song, ngược chiều nhau (3' – 5' và 5' – 3'). Trong đó:
- Trên mỗi chuỗi polynucleotide, các nucleotide liên kết với nhau qua liên kết phosphodiester để tạo nên chuỗi polynucleotide đặc trưng bởi số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp 4 loại nucleotide khác nhau.
- Giữa hai chuỗi polynucleotide liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung (A mạch này liên kết với T mạch kia bằng 2 liên kết hydrogen, G mạch này liên kết với C mạch kia bằng 3 liên kết hydrogen). Do đó, trong 1 phân tử DNA mạch kép, số A luôn bằng số T và số G luôn bằng số C.
- Các dạng cấu trúc DNA:
- Ở sinh vật nhân thực, đa số DNA tồn tại ở dạng mạch kép, không vòng; chỉ một số ít có dạng mạch vòng nhỏ.
- Ở sinh vật nhân sơ, hệ gene của mỗi tế bào chỉ gồm 1 phân tử DNA mạch kép, dạng vòng; ngoài ra, có 1 số DNA mạch kép, dạng vòng, kích thước nhỏ (plasmid) nằm trong tế bào chất.
- DNA ở virus có thể là mạch đơn hoặc mạch kép.
- Số lượng DNA trong tế bào cũng như trình tự sắp xếp các nucleotide trong mỗi phân tử DNA là đặc trưng cho loài, có trình tự còn đặc trưng cho từng cá thể.
b) Ribonucleic acid - RNA
* Cấu trúc
- RNA là một đại phân tử hữu cơ, cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là nucleotide (gồm 4 loại là : A, U, G, C).
- Nucleotide cấu tạo nên RNA có cấu tạo gồm 3 phần:
- Gốc phosphate
- Đường ribose (đường 5 carbon)
- Một nitrogenous base: gồm 4 loại adenine – A, guanine – G, cytosine – C, uracil – U.
- Khác với DNA, các loại RNA được cấu tạo từ một chuỗi polynucleotide:
- Trên mỗi chuỗi polynucleotide, các nucleotide liên kết với nhau qua liên kết phosphodiester để tạo nên chuỗi polynucleotide đặc trưng bởi số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp 4 loại nucleotide khác nhau.
- Chuỗi polynucleotide có thể ở dạng thẳng, không có liên kết hydrogen (mRNA) hoặc ở dạng có liên kết hydrogen cục bộ (tRNA, rRNA).
* Chức năng
Mỗi loại RNA thực hiện một chức năng riêng phù hợp với cấu trúc của nó:
- RNA thông tin (mRNA): được dùng làm khuôn để tổng hợp protein ở ribosome.
- RNA vận chuyển (tRNA): làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid đến ribosome và tiến hành dịch mã.
- RNA ribosome (rRNA): tham gia cấu tạo nên ribosome, nơi tiến hành tổng hợp protein.
- Các loại RNA nhỏ khác tham gia vào quá trình điều hòa hoạt động của gene.
- Một số loại RNA còn có chức năng xúc tác cho các phản ứng hóa học như các enzyme.
Phân biệt cấu trúc DNA và RNA:
|
DNA |
RNA |
|
- Phân tử DNA có khối lượng và kích thước lớn hơn phân tử RNA. - Thường được cấu tạo từ hai chuỗi polynucleotide song song, ngược chiều. - Nucleotide của DNA gồm có 4 loại A, T, C, G. Trong đó, đường cấu tạo nên nucleotide là đường deoxyribose và 4 loại base là A, T, C, G. - Các nucleotide giữa hai mạch được liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung trên toàn phân tử → A = T và G = C. |
- Có khối lượng và kích thước nhỏ hơn DNA. - Thường chỉ được cấu tạo từ một chuỗi polynucleotide. - Nucleotide của RNA gồm có 4 loại A, U, C, G. Trong đó, đường cấu tạo nên nucleotide là đường ribose và 4 loại base là A, U, C, G. - Có thể không (mRNA) hoặc có (tRNA, rRNA) xuất hiện những đoạn nucleotide liên kết bổ sung cục bộ, không xảy ra liên kết bổ sung trên toàn phân tử. |
Phân biệt các loại RNA:
|
Loại RNA |
Cấu trúc |
Chức năng |
|
mRNA |
Là một chuỗi polynucleotide (chứa hàng trăm đến hàng nghìn đơn phân) dạng mạch thẳng, không có liên kết bổ sung cục bộ. |
Được dùng làm khuôn để tổng hợp protein ở ribosome. |
|
tRNA |
Là một chuỗi polynucleotide (80 – 100 đơn phân) nhưng các vùng khác nhau trong một mạch lại tự bắt đôi bổ sung với nhau bằng các liên kết hydrogen theo kiểu (A-U, G-C) tạo nên cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng rất phức tạp. |
Làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid đến ribosome và tiến hành dịch mã. |
|
rRNA |
Là một chuỗi polynucleotide (chứa hàng nghìn đơn phân) trong đó 70% số nucleotide có liên kết bổ sung. |
Tham gia cấu tạo nên ribosome, nơi tiến hành tổng hợp protein. |
