Bài 6: Các phân tử sinh học trong tế bào

I. Khái niệm về 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.

Phân tử sinh học là các phân tử hữu cơ do sinh vật sống tạo thành. Chúng là thành phần cấu tạo và thực hiện nhiều chức năng trong tế bào.

II. Các phân tử sinh học trong tế bào

1. Carbohydrate

a. Đặc điểm chung của carbohydrate

- 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

b. Các loại 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.

c. Các loại 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.

d. Các loại 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.

e. Vai trò của carbohydrate

- Là nguồn năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống.

- Là nguồn năng lượng dự trữ của cơ thể.

- Tham gia cấu tạo nên một số thành phần tế bào và cơ thể sinh vật như thành tế bào thực vật, thành tế bào nấm và bộ xương ngoài của côn trùng, thành tế bào vi khuẩn.

- Một số carbohydrate còn liên kết với protein hoặc lipid tham gia cấu tạo màng sinh chất và kênh vận chuyển các chất trên màng.

1. Carbohydrate được cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O; được chia thành đường đơn, đường đôi và đường đa.

2. Carbohydrate là nguồn dự trữ và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào cũng như tham gia cấu tạo nên nhiều thành phần của tế bào và cơ thể.

2. Lipid

a. Đặc điểm chung của lipid

- 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.

b. Lipid đơn giản

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

c. Lipid phức tạp

* 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.

* 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.

* 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.

d. Vai trò của lipid

- Là nguồn dự trữ và cung cấp năng lượng cho cơ thể.

- Thành phần cấu tạo màng sinh chất.

- Tham gia vào nhiều hoạt động sinh lí của cơ thể như quang hợp, tiêu hoá và điều hoà sinh sản ở động vật.

1. Lipid được cấu tạo chủ yếu từ các nguyên tố C, H, O. Lipid được chia thành hai nhóm là lipid đơn giản và lipid phức tạp.

2. Lipid có vai trò dự trữ và cung cấp năng lượng cho cơ thể, tham gia cấu tạo tế bào và nhiều quá trình sinh lí của cơ thể.

3. Protein

a. Đặc điểm chung của protein 

- Protein là đại phân tử sinh học chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong cơ thể sinh vật, chúng là sản phẩm của gene tham gia thực hiện nhiều chức năng khác nhau của cơ thể.

- Cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, mỗi đơn phân là các amino acid.

- Tính đa dạng và đặc thù của chuỗi polypeptide được quy định bởi số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp của 20 loại amino acid.

- Về mặt dinh dưỡng, các amino acid được chia thành hai nhóm:

• Amino acid thay thế.
• Amino acid không thay thế.

b. Các bậc 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).

c. Vai trò 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.

1. Protein là đại phân tử hữu cơ được cấu tạo chủ yếu từ các nguyên tố C, H, O, N.

2. Protein được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, mỗi đơn phân là các amino acid. Amino acid được chia thành hai nhóm là amino acid thay thế và amino acid không thay thế. Protein có nhiều bậc cấu trúc khác nhau: bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4.

3. Protein là phân tử sinh học có chức năng đa dạng nhất trong tế bào: cấu tạo, dự trữ amino acid, xúc tác, điều hoà, vận chuyển, bảo vệ, vận động, thu nhận thông tin,...

4. Nucleic acid

a. Đặc điểm chung của nucleic acid

- Nucleic acid là đại phân tử sinh học được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, mỗi phân tử là một nucleotide.

b. Cấu tạo và chức năng của DNA

* Chức năng

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

* Cấu tạo

- 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. Cấu tạo và chức năng của RNA

* Cấu tạo

- 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. Nucleic acid được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, mỗi đơn phân là các ncleotide. Các loại nucleotide cấu tạo nên DNA gồm A, T, G, C; còn RNA gồm A, U, G, C.

2. DNA có cấu tạo gồm hai mạch polynucleotide liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung. DNA có chức năng lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền.

3. RNA thường có cấu tạo gồm một chuỗi polynucleotide, có ba loại chính: mRNA, tRNA và rRNA. Mỗi loại các cấu trúc và chức năng khác nhau trong quá trình truyền đạt thông tin di truyền.