Bài 6: Các phân tử sinh học trong tế bào

Vì DNA có tính đặc thù và có ở tất cả các tế bào nên dựa vào kết quả xét nghiệm DNA, người ta có thể xác định được hai người thất lạc nhiều năm có quan hệ huyết thống với nhau, cũng như có thể tìm ra hung thủ chỉ từ một mẫu mô rất nhỏ có ở hiện trường.

- 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.

- Một số phân tử sinh học trong tế bào là: carbohydrate, lipid, protein, nucleic acid.

 Tuỳ theo số lượng đơn phân trong phân tử mà carbohydrate được chia thành: đường đơn (monosaccharide), đường đôi (disaccharide) và đường đa (polysaccharide)

 Các loại đường đơn trong hình 6.1 đều được cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O; và được cấu tạo từ 6 carbon, nên được gọi là đường 6 carbon.

Một số loại thực phẩm có chứa các loại đường đôi:

- Saccharose có nhiều trong thực vật, đặc biệt là mía và củ cải đường.

- Maltose (còn gọi là đường mạch nha) có trong mầm lúa mạch, kẹo mạch nha.

- Lactose (đường sữa) có trong sữa người và động vật.

 Mỗi vi sợi cellulose được cấu tạo từ rất nhiều phân tử cellulose. Mỗi phân tử cellulose được liên kết với nhau từ các đơn phân D-glucose, nối với nhau bằng liên kết 1,4-β-glucoside tạo thành mạch thẳng không phân nhánh.

- Carbohydrate là nguồn năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống, đồng thời cũng là nguồn năng lượng dự trữ của cơ thể

Ví dụ: tinh bột ở thực vật, glycogen ở nấm và động vật là nguồn dự trữ năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống trong cơ thể.

- Carbohydrate còn tham gia cấu tạo nên một số thành phần của tế bào và cơ thể sinh vật.

Ví dụ: thành tế bào thực vật được cấu tạo từ cellulose,  thành tế bào nấm và bộ xương ngoài của côn trùng được cấu tạo từ chitin,  thành tế bào vi khuẩn được cấu tạo từ peptidoglycan.

- 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. Các đường đơn 5 carbon (ribose, deoxyribose) tham gia cấu tạo nucleic acid.

Ví dụ: Kênh đồng vận chuyển glucose – natri có vai trò trong tái hấp thu glucose ở thận.

  Trong chuối chín có chứa nhiều chất dinh dưỡng như vitamin, chất đạm, chất xơ,...trong đó có chứa nhiều tinh bột. Các vận động viên tập luyện tiêu tốn rất nhiều năng lượng, do đó các vận động viên chơi thể thao thường ăn chuối chín vào giờ giải lao để bổ sung lượng đường cung cấp năng lượng cho các hoạt động tập luyện.

Lipid không tan trong nước vì các liên kết C- H trong lipit không phân cực, còn nước có tính phân cực.

Lipid đơn giản được cấu tạo từ những thành phần: acid béo (no hoặc không no) liên kết với nhóm glycerol hoặc rượu.

Sự khác nhau về cấu tạo của acid béo no và không no: trong các phân tử acid béo no chỉ có liên kết đơn; trong các phân tử acid béo không no có liên kết đôi.

Ở bề mặt lá của một số cây như khoai nước, chuối, su hào có phủ một lớp chất hữu cơ. Lớp chất hữu cơ này có bản chất là lipit (sáp), có vai trò chống thấm nước vào các bề mặt lá.

Sự khác nhau về cấu tạo của steroid so với các loại lipid còn lại: Steroid có cấu tạo gồm phân tử alcol mạch vòng liên kết với acid béo, còn các lipit khác có cấu tạo từ acid béo mạch thẳng.

Một số loại thực phẩm giàu lipid: trứng, dầu thực vật, mỡ, bơ, cá, chocolate, sữa, bơ, dừa,...

Vai trò của lipid:

- Nguồn dự trữ và cung cấp năng lượng cho cơ thể (mỡ và dầu).

Ví dụ: Lớp mỡ dưới da có vai trò dự trữ năng lượng cho cơ thể, trong các loại hạt có chứa nhiều dầu để dự trữ năng lượng cung cấp cho quá trình nảy mầm.

- Thành phần cấu tạo màng sinh chất (phospholipid, cholesterol), tham gia vào nhiều hoạt động sinh lí của cơ thể như quang hợp ở thực vật (carotenoid), tiêu hoá (dịch mật) và điều hoà sinh sản ở động vật (estrogen, testosterone).

Ví dụ: Cholesterol là thành phần cấu trúc màng tế bào.

Các loại protein khác nhau có chức năng khác nhau vì chúng được cấu tạo từ các loại amino acid khác nhau về số lượng, thành phần, trật tự, tạo nên các chức năng khác nhau của từng protein.

Các loại thực phẩm giàu protein: thịt, cá, trứng, sữa, hạnh nhân, bông cải xanh,....

a) Cấu trúc bậc 1 được hình thành do các amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide (là liên kết được hình thành giữa nhóm carboxyl của amino acid đứng trước và nhóm amino của amino acid đứng sau, đồng thời loại đi một phân tử nước) tạo thành chuỗi polypeptide có dạng mạch thẳng. Một phân tử protein có thể được cấu tạo từ vài chục đến vài trăm amino acid.

b) Cấu trúc bậc 2: Gồm 2 dạng là xoắn lò xo α hoặc gấp nếp β. Cấu trúc này được giữ ổn định nhờ liên kết hydrogen giữa các amino acid đứng gần nhau.

c) Sự hình thành cấu trúc bậc 3: Chuỗi polypeptide bậc 2 tiếp tục co xoắn tạo thành cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng. Cấu trúc không gian đặc trưng quy định chức năng sinh học của phân tử protein. Cấu trúc bậc 3 của protein được giữ ổn định nhờ liên kết hydrogen, cầu nối disulfit (-S - S-)..

Sự hình thành cấu trúc bậc 4: Một số phân tử protein được hình thành do sự liên kết từ hai hay nhiều chuỗi polypeptide bậc 3 tạo thành cấu trúc bậc 4. Ví dụ như phân tử hemoglobin gồm hai chuỗi α và hai chuỗi β.

  Cơ thể sinh vật đều được cấu tạo từ hơn 20 loại axit amin khác nhau. Các axit amin này được sắp xếp theo trật tự, thành phần và số lượng khác nhau nên tạo ra vô số protein khác nhau về cấu trúc và chức năng. Do đó thịt bò, thịt lợn và thịt gà đều được cấu tạo từ protein nhưng chúng lại khác nhau về nhiều đặc tính.

- Nucleotide được cấu tạo từ ba thành phần là base nitrogen, đường 5 carbon và acid phosphoric. Base nitrogen liên kết với pentose qua liên kết N – Glycoside tạo thành nucleoside, acid phosphoric kết hợp với pentose trong nucleoside qua liên kết ester.

- Nucleic acid được chia thành hai loại là deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA).

- DNA được cấu tạo từ bốn loại nucleotide là A, T, G, C; còn RNA được cấu tạo từ A, U, G, C.

Hai mạch polynucleotide liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung (A liên kết với T bằng hai liên kết hydrogen; G liên kết với C bằng ba liên kết hydrogen). Mỗi mạch polynucleotide được tạo thành từ các liên kết phosphodieste giữa các nucleotide.

Hai mạch polynucleotide song song và ngược chiều nhau (3' - 5' và 5' - 3').

Tính bền vững và linh hoạt trong cấu trúc của DNA có được là nhờ liên kết phosphodieste giữa các nucleotide trong cùng một mạch và liên kết hidro giữa hai mạch polynucleotide: Liên kết photphodieste giữ cho phân tử ADN sự bền vững, đồng thời liên kết hidro là liên kết yếu, giúp cấu trúc ADN có tính linh hoạt.

Nhờ quá trình nguyên phân nên thông tin trên DNA được di truyền ổn định qua các thế hệ.

Thông tin di truyền DNA được truyền đạt qua các thế hệ, từ đời này qua đời khác nhờ quá trình tái bản DNA trong phân bào, do đó thế hệ con thường có nhiều đặc điểm giống bố mẹ.

 Không nên cắt giảm hoàn toàn lượng lipid trong khẩu phần ăn cho người béo phì mà cần giảm bớt lipid trong khẩu phần ăn vì có thể gây mất cân bằng dinh dưỡng.

Do có các liên kết 1,4-β-glucoside giữa các đơn phân D-glucose giúp cellulose trở thành hợp chất bền vững có chức năng bảo vệ tế bào

Một số vi sinh vật sống được ở trong suối nước nóng có nhiệt độ xấp xỉ 100°C mà protein của chúng không bị biến tính, do protein của các loại sinh vật này có cấu trúc đặc biệt nên không bị biến tính khi ở nhiệt độ cao.

Lipit có tác dụng giữ nhiệt nên các loài động vật sống ở vùng cực thường có lớp mỡ dưới da dày hơn so với các loài sống ở vùng nhiệt đới.

Khi tăng nhiệt độ lên 30°C, enzyme A (có bản chất là protein) xúc tác cho quá trình tổng hợp các đoạn DNA nhân tạo trong ống nghiệm nên số lượng DNA tăng lên. Sau đó, tăng nhiệt độ lên 50°C thì enzyme A bị biến tính, làm bị mất chức năng sinh học nên quá trình tổng hợp các đoạn DNA bị dừng lại, số lượng DNA không tăng lên nữa.