Bài 6. Các phân tử sinh học

I. Khái quát về phân tử sinh học

- Phân tử sinh học là hợp chất hữu cơ được tạo ra từ tế bào và cơ thể sinh vật.

II. Carbohydrate

- Carbohydrate là hợp chất hữu cơ chứa C, H và O, trong đó tỉ lệ H : O là 2 : 1 giống như phân tử nước.

1. Monosaccharide

- Monosaccharide là loại carbohydrate đơn giản nhất có công thức phân tử là C_nH_2nO_n (thường có từ 3 đến 7 nguyên tử carbon), còn gọi là đường đơn.

- Các monosaccharide đều là chất khử nên còn được gọi là đường khử.

2. Disaccharide

- Disaccharide còn được gọi là đường đôi.

3. Polysaccharide

- Polysaccharide là polymer (hợp chất có cấu trúc đa phân) của các monosaccharide kết hợp với nhau bằng liên kết glycoside, được hình thành qua nhiều phản ứng ngưng tụ.

III. Protein

1. Amino acid

- Có khoảng 20 loại amino acid chính tham gia cấu tạo protein với các mạch carbon khác nhau.

- Có những amino acid mà người và động vật không tự tổng hợp được những cần thiết cho hoạt động sống nên phải thu nhận từ nguồn thức ăn, gọi là amino acid không thay thế.

2. Protein

- Protein chiếm đến hơn 50% khối lượng vật chất khô của tế bào.

- Protein là polymer sinh học được cấu tạo từ hàng chục đến hàng trăm nghìn gốc amino acid kết hợp với nhau bằng liên kết peptide tạo thành chuỗi polypeptide thẳng.

- Protein gồm các nguyên tố C, H, O, N.

- Protein thường có dạng cầu như các enzyme; dạng sợi như collagen, actin và một số hình dạng khác như protein vận chuyển trên màng sinh chất.

- Protein tham gia hầu hết các hoạt động sống của tế bào. 

• Là chất xúc tác sinh học cho các phản ứng (enzyme).
• Là thành phần cấu trúc nên tế bào, cơ thể.
• Tham gia vận chuyển các chất qua màng, trong tế bào và trong cơ thể.
• Điều hoà các quá trình trao đổi chất, truyền thông tin di truyền, sinh trưởng, phát triển, sinh sản.
• Vận động tế bào và cơ thể.
• Bảo vệ cơ thể chống lại sự nhiễm virus, vi khuẩn và các bệnh tật.
• Là chất dự trữ.

- Protein có cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng được hình thành từ các bậc cấu trúc khác nhau.

• Cấu trúc bậc 1: là trình tự sắp xếp các amino acid trong chuỗi polypeptide và được ổn định bằng liên kết peptide.
• Cấu trúc bậc 2: là dạng xoắn hoặc gấp nếp cục bộ trong không gian của chuỗi polypeptide nhờ các liên kết hydrogen giữa các nguyên tử H và N của các liên kết peptide.
• Cấu trúc bậc 3: là dạng cuộn lại trong không gian của toàn chuỗi polypeptide nhờ liên kết disulfide (S - S) giữa hai gốc cysteine ở xa nhau trong chuỗi và các liên kết yếu.
• Cấu trúc bậc 4: là sự tương tác giữa các chuỗi polypeptide có cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng của phân tử protein. 

III. Nucleic acid

1. Nucleotide

- Nucleotide có cấu tạo gồm 3 phần:

• Gốc phosphate.
• Đường pentose: gồm hai loại deoxyribose và ribose.
• Nitrogenous base.        

- Vai trò của nucleotide:

• Là đơn phân cấu tạo nên nucleic acid.
• Cung cấp năng lượng trực tiếp cho nhiều hoạt động sống của tế bào như ATP, DTP.
• Tham gia quá trình truyền thông tin trong tế bào như AMP vòng. 

2. DNA và RNA

- Các nucleotide kết hợp với nhau qua liên kết phosphodiester được hình thành giữa đường pentose của nucleotide này với gốc phosphate của nucleotide kế tiếp tạo nên chuỗi polynucleotide.

- Phân tử DNA ở tế bào nhân thực gồm hai chuỗi polynucleotide dài có chiều ngược nhau (5' - 3' và 3' - 5'), xoắn song song xung quanh một trục tưởng tượng. Các gốc phosphate- đường quay ra ngoài tạo thành bộ khung, còn các gốc base quay vào trong liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung.

- Số loại DNA và RNA vô cùng đa dạng. Mỗi loài, mỗi cá thể đều có thành phần DNA đặc trưng và mỗi tế bào trong cơ thể sinh vật đa bào (trừ tế bào sinh dục) đều có thành phần DNA tương tự nhau.

- Nucleotide acid có vai trò quy định, lưu giữ và truyền đạt thông tin di truyền.

V. Lipid

- Lipid là nhóm các phân tử sinh học có cấu tạo hoá học đa dạng, thường không tan trong nước nhưng tan trong các dung môi hữu cơ như ether, acetone.

- Lipid là nhóm phân tử lớn không có cấu trúc đa phân.

1. Triglyceride

- Triglyceride (dầu, mỡ) đóng vai trò dự trữ năng lượng trong tế bào và cơ thể.

- Ở động vật, lượng triglyceride hấp thu dư thừa so với nhu cầu hằng ngày có thể được biến đổi thành mỡ dự trữ. Lớp mỡ dưới da đóng vai trò làm lớp đệm cách nhiệt, lớp mỡ bao quanh các cơ quan giúp bảo vệ chúng tránh những tổn thương do tác động cơ học.

- Triglyceride là dung môi hoà tan nhiều vitamin A, D, E, K.

2. Phospholipid

- Phospholipid là thành phần chính của màng sinh chất.

- Cấu tạo: gồm một đầu ưa nước (chứa gốc phosphate liên kết với một gốc ưa nước) và hai đuôi kị nước.

3. Steroid

- Trong các steroid, cholesterol tham gia cấu tạo màng sinh chất và điều hoà tính lỏng của màng ở tế bào động vật. Cholesterol là tiền chất của các hormone steroid tham gia điều hoà sự trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản của cơ thể.

VI. Thực hành nhận biết một số phân tử sinh học

1. Nhận biết đường khử (phản ứng Benedict)

* Cơ sở khoa học

- Trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao, đường khử sẽ khử ion kim loại.

* Chuẩn bị

- Mẫu vật: dịch chiết quả tươi (cam, chuối chín,...)

- Hoá chất: dung dịch glucose 5 %, dung dịch sucrose 5 %, nước cất, thuốc thử Benedict.

* Tiến hành

- Lấy bốn ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.

- Cho 1 mL nước cất vào ống 1; 1 mL dịch chiết quả tươi vào ống 2; 1 mL dung dịch glucose 5 % vào ống 3; 1 mL dung dịch sucrose 5 % vào ống 4.

- Thêm 1 mL thuốc thử Benedict vào từng ống nghiệm và lắc đều.

- Kẹp đầu ống nghiệm bằng kẹp gỗ, đun sôi dung dịch trong mỗi ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn từ 2 - 3 phút. (Lưu ý: hướng miệng ống nghiệm nghiêng khoảng 45^o ra phía không có người).

- Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.

* Báo cáo

- Trả lời các câu hỏi sau.

• Ống nghiệm nào chứa đường khử? Giải thích.
• Ống nghiệm chỉ chứa nước cất và thuốc thử Benedict có ý nghĩa gì trong thí nghiệm này?
• Báo cáo kết quả thí nghiệm theo mẫu.

2. Nhận biết tinh bột (phản ứng với iodine)

* Cơ sở khoa học

- Khi trộn dung dịch chứa iodine với tinh bột, iodine sẽ đi vào bên trong chuỗi xoắn emylose của tinh bột tạo thành phức hợp có màu xanh đen.

* Chuẩn bị

- Mẫu vật: lắt cắt chuối xanh, lát cắt chuối chín.

- Hoá chất: thuốc thử Lugol (chứa I₂ và KI).

- Dụng cụ: đĩa petri.

* Tiến hành

- Đặt hai lát chuối xanh và chuối chín lên đĩa petri.

- Thêm hai giọt thuốc thử Lugol vào mỗi lát cắt chuối.

- Quan sát sự thay đổi màu ở vị trí nhỏ thuốc thử Lugol trên các lát cắt chuối.

* Báo cáo: Báo cáo kết quả thí nghiệm và trả lời câu hỏi sau.

- Tinh bột có ở chuối chín hay chuối xanh? Giải thích.

3. Nhận biết protein (phản ứng Biuret)

* Cơ sở khoa học

- Trong môi trường kiềm, các liên kết peptide trong phân tử protein tương tác với ion Cu²⁺ tạo thành phức chất có màu tím.

* Chuẩn bị

- Mẫu vật: dung dịch lòng trắng trứng pha loãng.

- Hoá chất: nước cất, dung dịch NaOH 10 % dung dịch CuSO₄ 1 %.

- Dụng cụ: ống nghiệm.

* Tiến hành

- Lấy hai ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.

- Cho 1 mL nước cất vào ống nghiệm 1; 1 mL dung dịch lòng trắng trứng vào ống nghiệm 2.

- Thêm 1 mL NaOH 10 % và 2 - 3 giọt CuSO₄ 1 % vào mỗi ống và lắc đều.

- Quan sát sự thay đổi màu dung dịch trong các ống nghiệm.

* Báo cáo: Báo cáo kết quả thí nghiệm và trả lời các câu hỏi sau.

- Xác định sự có mặt của protein trong các ống nghiệm.

- Nếu tăng nồng độ dung dịch lòng trắng trứng thì màu dung dịch sẽ thay đổi như thế nào? Giải thích.

4. Nhận biết lipid (sự tạo nhũ tương của triglyceride)

* Cơ sở khoa học

- Dầu thực vật tan một phần trong ethanol nhưng không tan trong nước nên tạo thành dạng nhũ tương trắng đục.

* Chuẩn bị

- Mẫu vật: hạt lạc.

- Hoá chất: nước cất, athanol 90 %.

- Dụng cụ: cối chày sứ, thìa cà phê, ống nghiệm, pipette nhựa (1 - 3 mL).

* Tiến hành

- Lấy 5 - 6 hạt lạc và nghiền bằng cối chày sứ.

- Lấy bốn ống nghiệm và đánh số các ống nghiệm.

- Cho 1 thìa bột hạt lạc đã nghiền vào mỗi ống nghiệm.

- Thêm 4 mL nước cất vào ống 1 và thêm 4 mL athanol 90 % vào ống 2. Lắc mạnh trong 3 phút rồi để lắng.

- Dùng ống nhỏ giọt hút khoảng 1 mL dịch trong ở ống 1 chuyển sang ống 3 và hút khoảng 1 mL dịch trong ở ống 2 chuyển sang ống 4.

- Thêm 2 mL nước cất vào ống 3 và ống 4 rồi để yên.

- Quan sát hiện tượng ở mỗi ống nghiệm.

* Báo cáo: Báo cáo kết quả thí nghiệm và trả lời các câu hỏi sau.

- Mô tả hiện tượng xảy ra trong các ống nghiệm và giải thích.

- Từ các thí nghiệm trên, nêu những điểm chung trong cách thiết kế các thí nghiệm nhận biết các phân tử sinh học.

1. Phân tử sinh học là hợp chất hữu cơ được tạo ra từ tế bào và cơ thể sinh vật.

2. Carbohydrate là hợp chất hữu cơ chứa C, H và O, trong đó tỉ lệ H : O là 2 : 1. Carbohydrate gồm ba loại chính: monosaccharide, disaccharide và polysaccharide. Chúng là nguồn cung cấp năng lượng tham gia cấu tạo nhiều hợp chất trong tế bào.

3. Protein là polymer sinh học của các amino acid kết hợp với nhau bằng liên kết peptide. Có khoảng 20 loại amino acid chính cấu tạo nên protein. Protein chỉ thực hiện chức năng khi có cấu trúc không gian đặc trưng. Protein là thành phần cấu tạo quan trọng và tham gia hầu hết các hoạt động sống của tế bào và cơ thể.

4. Nucleic acid là polymer sinh học của các nucleotide kết hợp với nhau bằng liên kết phosphodiester. Nucleic acid gồm hai loại: DNA và RNA. Nucleic acid có vai trò quy định, lưu giữ và truyền đạt thông tin di truyền.

5. Lipid là nhóm phân tử sinh học chứa C, H, O nhưng nhiều C, H, ít O hơn carbohydrate và thường không tan trong nước. Ba loại lipid phổ biến (triglyceride, phospholipid và steroid) đóng vai trò dự trữ năng lượng, giúp cho sự hấp thu một số vitamin, tham gia cấu tạo màng sinh chất, điều hoà hoạt động của tế bào và cơ thể.

6. Nguồn thực phẩm giàu carbohydrate là củ, quả, hạt, rau; nguồn thực phẩm giàu protein là thịt, cá, sữa, trứng; nguồn thực phẩm giàu lipid là mỡ động vật, dầu thực vật.