Bài 5: Các phân tử sinh học

I. Khái niệm và thành phần cấu tạo của các phân tử sinh học trong tế bào

- 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. 

- Thành phần hoá 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 hydrocarbon rất đa dạng.

II. Các phân tử sinh học

1. Carbohydrate - chất đường bột

- Carbohydrate được cấu tạo từ ba loại nguyên tố C, H và O với tỉ lệ 1 : 2 : 1 và công thức cấu tạo chung là C_n(H₂O)_m.

- Carbohydrate được chia thành ba nhóm: đường đơn, đường đôi và đường đa.

- Nguồn thực phẩm cung cấp đường và tinh bột cho con người và động vật đều bắt nguồn từ các bộ phận dự trữ đường và tinh bột của thực vật như củ, quả, hạt, thân cây.

Thực phẩm cung cấp đường và tinh bột

a. Đường đơn

- Đường đơn có 6 nguyên tử carbon.

- Vai trò: 

• Nguồn cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào,
• Nguyên liệu để cấu tạo nên các loại phân tử sinh học khác.

b. Đường đôi

- Đường đôi được hình thành do hai phân tử đường đơn liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị (liên kết glycosidic).

- Đường đôi còn được gọi là đường vận chuyển vì các sinh vật vận chuyển nguồn năng lượng là glucose đến các bộ phận khác nhau của cơ thể hoặc nuôi dưỡng con non dưới dạng đường đôi.

c. Đường đa

- Đường đa (đường phức) là loại polymer được cấu tạo từ hàng trăm tới hàng nghìn phân tử đường đơn (phần lớn là glucose).

- Đường đa bao gồm các loại:

• Tinh bột: dùng làm năng lượng dự trữ ở các loài thực vật. Tinh bột được cấu tạo từ hàng trăm đến hàng nghìn đơn phân là glucose và ít phân nhánh.

• Glycogen: được cấu tạo từ nhiều phân tử glucose kết hợp lại nhưng phân tử này phân nhánh rất mạnh và tan trong nước tốt hơn so với tinh bột. Glycogen có chức năng dự trữ năng lượng trong cơ thể động vật và một số loài nấm. 

• Cellulose.
• Chitin.

- Chức năng của đường đa:

• Dự trữ năng lượng.
• Làm nguyên liệu cấu trúc nên một số thành phần của tế bào.

2. Lipid - chất béo

- Lipid là một nhóm chất đa dạng về cấu trúc nhưng có đặc tính chung là kị nước.

- Lipid chứa một lượng lớn các liên kết C - H không phân cực tạo nên các sợi dài và chứa ít nguyên tử oxygen.

→ Lipid không hoặc rất ít tan trong nước.

- Nguồn chất béo cung cấp cho con người rất đa dạng: mô mỡ động vật; dầu thực vật lấy từ nhiều loại hạt, quả khác nhau như lạc, vừng,...

→ Khi ăn uống mất cân đối giữa các thành phần chất béo gây ra nhiều bệnh, tật.

a. Mỡ và dầu

- Cấu tạo: một phân tử glycerol liên kết với ba phân tử acid béo.

b. Phospholipid

- Cấu tạo: một phân tử glycerol liên kết với hai acid béo ở một đầu, đầu còn lại liên kết với nhóm phosphate.

- Phospholipid được xem là một phân tử lưỡng cực, một đầu có phosphatidylcholine có tính ưa nước và hai đuôi acid béo kị nước.

→ Tạo nên cấu trúc màng của các loại tế bào.

c. Steroid

- Cấu tạo: không chứa phân tử acid béo, các nguyên tử carbon của chúng liên kết với nhau tạo nên 4 vòng.

- Steroid bao gồm nhiều loại như:

• Cholesterol: thành phần quan trọng của màng tế bào, là chất tiền thân để testosterone và estrogen. Cholesterol không tan trong nước nên để vận chuyển trong máu, chúng phải liên kết với các loại protein nhất định tạo nên các phân tử lipoprotein.

• Testosterone và estrogen: hormone phát triển các đặc điểm khác biệt giữa nam và nữ.
• Vitamin D.
• Cortisone.

d. Carotenoid

- Carotenoid là nhóm sắc tố màu vàng cam ở thực vật.

- Con người và động vật khi ăn carotenoid sẽ chuyển hoá nó thành vitamin A, chất này sau đó được chuyển đổi thành sắc tố võng mạc, rất có lợi cho thị giác.

3. Protein - chất đạm

a. Chức năng của protein

- Một số chức năng của protein:

• 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 hoá 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.
• 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 hoà: Nhiều hormone có bản chất là protein đóng vai trò điều hoà hoạt động của gene trong tế bào, điều hoà các chức năng sinh lí của cơ thể.

→ Protein có vai trò đặc biệt quan trọng đối với cơ thể người và các loài động vật.

- Nguồn nguyên liệu để xây dựng các loại protein trong cơ thể người được lấy từ các sản phẩm thịt, sữa của các loài động vật và từ hạt cũng như một số bộ phận khác của nhiều loài thực vật.

→ Sử dụng đa dạng các nguồn thực phẩm giàu protein sẽ cung cấp đủ cho cơ thể nguồn amino acid dùng làm nguyên liệu để tổng hợp protein.

b. Cấu trúc của protein

- Protein được cấu tạo từ các đơn phân là amino acid.

- Các amino acid đều được cấu tạo từ:

• Một nguyên tử carbon trung tâm.
• Một nhóm amino (-NH₂).
• Một nhóm carboxyl (-COOH).
• Một nguyên tử H.
• Một chuỗi bên (nhóm R).

- Hai amino acid liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị, được gọi là liên kết peptide nhờ phản ứng loại đi một phân tử nước.

- Nhiều amino acid liên kết với nhau tạo nên một chuỗi các amino acid được gọi là chuỗi polypeptide.

- Protein có 4 bậc cấu trúc:

• Cấu trúc bậc 1: Trình tự các amino acid trong một chuỗi polypeptid.
• Cấu trúc bậc 2: Chuỗi polypeptid cuộn xoắn lại hoặc gấp nếp.
• Cấu trúc bậc 3: Chuỗi polypepetid 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 polypeptid.
• Cấu trúc bậc 4: Hai hay nhiều chuỗi polypeptid liên kết với nhau tạo nên cấu trúc bậc 4.

- Cấu trúc không gian của protein bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ, áp suất, nồng độ ion trong dung dịch,...

→ Khi điều kiện môi trường thay đổi đến một mức độ nào đó sẽ làm đứt gẫy các liên kết yếu khiến cấu trúc không gian ba chiều của protein bị thay đổi (protein bị biến tính và mất chức năng sinh học).

4. Nucleic acid

a. Deoxyribonucleic acid - DNA

* Chức năng

- DNA có chức năng mang, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền.

* Cấu trúc

- DNA được cấu tạo từ hai chuỗi polynucleotide song song, ngược chiều nhau.

- Mỗi chuỗi polynucleotide được cấu tạo từ bốn loại đơn phân là các nucleotide, liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester.

- Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần:

• Gốc phosphate.
• Đường deoxyribose.
• Một nitrogenous base (adenine, guanine, cytosine, thymine).

 

b. Ribonucleic - RNA

* Cấu trúc

- RNA đươc cấu tạo từ một chuỗi polynucleotide.

- Mỗi nucleotide trong RNA gồm:

• Một nitrogenous base (adenine, guanine, cytosine và uracil).
• Đường ribose (5 - carbon).
• Gốc phosphate.

- Có nhiều loại phân tử RNA khác nhau như:

• RNA thông tin (mRNA) gồm một chuỗi polynucleotide dạng mạch thẳng.
• RNA vận chuyển (tRNA) gồm một mạch nhưng các vùng khác nhau trong một mạch lại tự bắt đôi bổ sung với nhau bằng các liên kết hydrogen tạo nên cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng.
• RNA ribosome (rRNA).

* Chức năng

- RNA thông tin được dùng làm khuôn để tổng hợp protein ở ribosome.

- RNA vận chuyển làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid đến ribosome và tiến hành dịch mã.

- RNA ribosome tham gia cấu tạo nên ribosome, nơi tiến hành tổng hợp protein.

- Các loại RNA nhỏ khác tham gia vào quá trình điều hoà hoạt động của gene.

- Một số loại RNA còn có chức năng xúc tác cho các phản ứng hoá học như các enzyme. Vì vậy chúng còn được gọi là các ribozyme.

1. Các phân tử sinh học chính bao gồm carbohydrate, lipid, protein và nucleic acid.

2. Carbohydrate được cấu tạo từ các nguyên tử C, H và O theo tỉ lệ 1 : 2 : 1 và công thức tổng quát là C_n(H₂O)_m bao gồm các loại đường đơn, đường đôi và đường đa với chức năng chính là dự trữ năng lượng và cấu trúc nên các phân tử sinh học khác nhau.

3. Lipid là những phân tử kị nước có cấu trúc và chức năng đa dạng. Các loại lipid chủ yếu là triglycerid, phospholipid, steroid, carotenoid và một số loại vitamin như A, E, D, K. Chức năng chủ yếu của lipid là dự trữ năng lượng dài hạn và cấu trúc nên màng tế bào và nhiều bộ phận khác của tế bào.

4. Protein được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân gồm nhiều đơn phân là amino acid. Tính đa dạng và đặc thù của protein được quy định bởi số lượng, thành phần, trình tự sắp xếp các amino acid và các bậc cấu trúc của nó. Cấu hình không gian ba chiều của protein quy định chức năng của chúng. Protein có rấ nhiều chức năng như cấu trúc, vận chuyển, xúc tác, miễn dịch, truyền tin,...

5. DNA được cấu tạo bởi hai chuỗi polypeptide liên kết với nhau bằng các liên kết hydrogen. Mỗi nucleotide được cấu tạo từ ba thành phần: base, đường deoxyribose và gốc phosphate. Chức năng của DNA là mang, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền.

6. RNA có cấu trúc chủ yếu từ một chuỗi polynucleotide được cấu tạo từ base, đường ribose và nhóm phosphat. Chức năng của RNA: làm khuôn để tổng hợp protein, vận chuyển amino acid, cấu tạo nên ribosome, điều hoà hoạt động gene, xúc tác cho một số loại phản ứng hoá học.