Bài giảng Sinh học - Cơ sở hóa học của sự sống

û yếu là ở chỗ các thành phần hóa học của những vật thể ấy tự nó luôn luôn đổi mới”.Thế giới sinh vật rất đa dạng, các hợp chất muôn hình muôn vẻ, nhưng tế bào cũng cấu tạo từ các phân tử và nguyên tử. Tuy nhiên, các phân tử trong cơ thể sống là sản phẩm của quá trình tiến hoá lâu dài hàng tỉ năm, nên chúng thích nghi nhất cho việc hoàn thành các chức năng sinh học và đồng thời trên cơ sở tương tác nhau chúng tạo nên sự sống và tuân theo các qui luật của sự sống.	 Tế bào thể hiện thực sự là một nhà máy tí hon : trong các thành phần tế bào diễn ra vô số phản ứng enzyme dưới sự kiểm soát chính xác về không gian và thời gian (của bộ gen). Các tế bào cũng thực hiện những công việc tinh vi (và vô cùng phức tạp) mà các kỹ sư tài giỏi nhất vẫn chưa bắt chước được. I. CÁC PHÂN TỬ.1. Các nguyên tố cơ thể sống. 	Sự hoàn hảo của hóa học tế bào sống thể hiện ngay trong thành phần các nguyên tố vốn có trong thiên nhiên. Trong 92 nguyên tố của thiên nhiên chỉ 25 có trong các sinh vật.Các nguyên tố tham gia cấu tạo chất sốngCác nguyên tố trong chất hữu cơ Các ionCác nguyên tố dấu vết N K+ Fe V O Na+ Mn Al C Mg++ Co Mo H Ca++ Cu I P Cl- Zn Si S  BBảng II.1. Tỉ lệ tương đối và tầm quan trọng các nguyên tố trong cơ thể người Tên và tỉ lệ (%) Tầm quan trọng hay chức năng	1. Oxygen (O) 65% Tham gia vào hô hấp; có trong nước và hầu hết các chất hữu cơ.2. Carbon (C) 18% Tạo khung chất hữu cơ; có thể tạo liên kết với 4 nguyên tử khác 3. Hydrogen (H) 10% Có trong hầu hết các chất hữu cơ và thành phần của nước.	4. Nitrogen (N) 3 % Thành phần của các protein, acid nucleic.5. Calcium (Ca) 1,5%	Thành phần xương và răng; quan trọng trong co cơ, dẫn truyền xung thần kinh, và đông máu.6. Phosphor (P) 1%	Thành phần acid nucleic; trong xương; rất quan trọng trong chuyển năng lượng.7. Kalium (Potassium) (K) 0.4 Cation (ion+) chủ yếu trong tế bào; quan trọng cho hoạt động thần kinh và co cơ. 8. Sulfur (S) 0.3 Thành phần protein.9. Natrium (Sodium) (Na) 0.2	Ion+ chủ yếu trong dịch mô; quan trọng trong cân bằng chất dịch; dẫn truyền xung thần kinh.10. Magnesium (Mg) 0.1% Cần cho máu, các mô; thành phần nhiều hệ enzyme11. Chlor (Cl) 0.1 Anion chủ yếu dịch cơ thể; quan trọng trong cân bằng nội dịch.12. Ferrum (Sắt) (Fe) vết Thành phần của hemoglobin, myoglobin, một số enzyme.13. Iod (I) vết. Thành phần của hormone tuyến giáp (thyroid).	Các nguyên tố khác có rất ít ( tạo thực vật cần ít phân bón hơn, sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao hơn và thực vật có thể hút bỏ kim loại gây ô nhiễm đất.3. Các khí hòa tan Dịch cơ thể chứa các khí hòa tan. Khí CO2 có rất ít trong không khí (chỉ 0,03%). Trong cơ thể sinh vật, CO2 có thể có nhiều hơn do phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ. Ở thực vật, khí CO2 được sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ.Oxy có nhiều trong không khí (hơn 20%) nên hòa tan khá nhiều trong tế bào, tham gia vào các phản ứng oxy hóa tạo năng lượng cần thiết cho hoạt động của sinh vật. Nitơ có nhiều trong không khí nhưng là khí trơ. Chỉ có một số vi sinh vật là có khả năng cố định (fixation) Nitrogen không khí. Các sinh vật khác sử dụng nitơ ở dạng hợp chất chứ không sử dụng ở dạng khí. III. CÁC CHẤT HỮU CƠ PHÂN TỬ NHỎ Chúng có thể chia thành 4 nhóm chính: glucid, lipid, protid và nucleic acid. Có thể chia các chất hữu cơ trong cơ thể thành hai loại: phân tử nhỏ và các đại phân tử sinh học (biomacromolécules). Đặc biệt quan trọng các protein và nucleic acid là các chất polymer được tạo nên từ các đơn vị nhỏ (amino acid hay nucleotide) xếp theo một trình tự đặc trưng nên còn có thể gọi chúng là các đại phân tử thông tin (information macromolécules) Các chất hữu cơ phân tử nhỏ gồm các chất như hydrocarbon, carbohydrate, lipid, các amino acid và các nucleotide cùng các dẫn xuất.Các nhóm chức hoá họcCarboxylicAldehydeAlcoholKetoEsterPhosphate esterThioesterEtherAcid anhydricPhosphoandehyde1. Hydrocarbon. Carbon và hydrogen hình thành nên những hợp chất bền vững gọi là hydrocarbon. Đó là các chất không phân cực, không tạo nên liên kết hydro và nói chung không hòa tan trong nước, sự liên kết dễ dàng giữa các nguyên tố carbon-carbon đã sản sinh ra các mạch có độ dài và hình dạng khác nhau hình thành nên vô số các chất hydrocarbon. Mạch carbon có thể thẳng (hình 2.7), phân nhánh (2.8) hay tạo vòng (hình 2.9). 2. Các carbohydrate (glucid) Các glucid hay các chấùt carbohydrate là những chất gồm C, H và O. Nhóm -CH2O thường gặp trong các phân tử carbohydrate.Định nghĩa: Glucid là những hợp chất polyalcol (rượu đa chức) có chứa nhóm aldehyde hoặc ketone hoặc là những chất khi thủy phân chúng sẽ cho nhiều polyalcolaldehyde hoặc polyalcolketone.Chức năngGlucid là nguồn năng lượng cho tất cả các tế bào của cơ thể động vật cũng như thực vật (về mặt dinh dưỡng thì glucid là chất dinh dưỡng đặc biệt giá trị đối với con người và là khẩu phần chính trong bữa ăn hàng ngày của người Việt Nam và Châu Á).Glucid cung cấp gần 50% số lượng calo hàng ngày, năng lượng này cần cho hoạt động sống của cơ thể. Nhu cầu glucid cho người 50 kg là khoảng 250-350g/ngày/người và cứ 1 g glucid cho 4,1 calo.Glucid còn tham gia vào thành phần tế bào, mô, các protein phức tạp, enzyme mọi tổ chức của cơ thể và tham gia vào quá trình tạo hình và còn là chất dự trữ năng lượng.Glucid cung cấp năng lượng liên tục cho tế bào và mô nhưng vẫn duy trì ở mức không đổi do chúng được bổ sung theo con đường thức ăn hàng ngày.Glucid chuyển hóa trong cơ thể theo hai hướng là oxy hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O hoặc chuyển thành chất béo, điều này dẫn đến bệnh béo phì ở nhiều người.a. Các đường đơn (monosaccharide): Monosaccharide là dẫn xuất của aldehyde hay ketone của một polyalcol (rượu đa chức). Monosaccharide có chứa nhóm aldehyde gọi đường aldoseMonosaccharide có chứa nhóm ceton gọi là đường ketose Tuỳ theo số cacbon trong mạch ta có những monosaccharide tương ứng. Nếu monosaccharide có: 	 	 3C : ta có đường triose 4C : tetrose 5C : pentose 6C : hexose 7C : heptose 8C : octoseCác chất đường đơn (3, 5 và 6 C) thường có nhiều dạng đồng phân như đồng phân không gian (stereoisomère) alpha và beta.Có thể tồn tại ở 2 dạng D và L b. Các đường đôi (disaccharide). 	Trong thực vật phổ biến nhất ở dạng di-sac như; maltose, saccharose, ở động vật có lactose(sữa). Saccharose (đường mía): Có hầu hết trong các cây xanh, đặc biệt nhất là trong củ cải đường từ 10%-20%, mía từ 14%-25%. Saccharose là đường dễ tan, kết tinh ở dạng tinh thể có ý nghĩa quan trọng trong dinh dưỡng của con người, dùng làm ngọt dược phẩm và thực phẩm.Maltose ( đường mạch nha): Là sản phẩm được chế biến từ tinh bột do sự thủy phân của amylase (amylase có nhiều trong hạt ngũ cốc nẩy mầm, dịch tiêu hóa). Lactose: Còn gọi là đường sữa vì nó có trong sữa của các loài hữu nhủ (5%-8%)Đây là lọai đường duy nhất được tao ra từ trong cơ thể động vật. Lactose lên men tạo acid lactic.Cellobiose:Cellobiose là thành phần chủ yếu của cellulose. Trong thành phần của cellobiose có chứa -glucose, đây là sản phẩm thủy phân từ cellulose. Trong thiên nhiên không gặp cellobiose dạng tự do. c. Các đường phức hợp (polysaccharide)Polysaccharide đồng thể là các polymer của monose hay được tạo bởi nhiều monosaccharide cùng lọai hay khác loại tạo nên tức là trong thành phần chí có glucid (thường có số lượng hàng trăm hay hàng ngàn gốc monosaccharide), liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glucoside; 1,6-glucoside đôi khi còn là liên kết 1,3-glucoside; 1,2-glucoside nhưng các monosaccharide có thể ở dạng furan hoặc dạng pyran liên kết với nhau bởi liên kết -glucoside hoặc là -glucoside. POLYSACCHARIDE DỊ THỂ (HETEROPOLYSACCHARIDE)Là polysaccharide mà trong thành phần ngoài glucid còn có các thành phần thế phi glucid như là gốc acid acetic, acid phosphoric, acid sulfuricvà các nhóm khác. Rất hiếm polysaccharide nào chứa hơn năm loại monose khác nhau trong thành phần của chúng.3. Các chất lipid Lipid gồm những chất như dầu, mỡ có tính nhờn, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ như ether, chlorform, benzen, rượu nóng. Giống như các chất carbohydrate các lipid được tạo nên từ C, H và O nhưng chúng có thể chứa các nguyên tố khác như P hay N. Chúng khác với carbohydrate ở chổ chứa O với một tỷ lệ ít hơn hẳn. Hai nhóm lipid quan trọng đối với sinh vật là: nhóm có nhân glycerol và nhóm có nhân sterol. Các nhân này kết hợp với các acid béo và các chất khác tạo nhiều loại lipid khác nhau.Chức năng sinh học của Lipid:Chức năng quan trọng nhất của lipid là tham gia cấu tạo màng sinh học: màng tế bào, màng ty thể, màng lạp thể, màng nhân,. do màng sinh học được xem là thể khảm lỏng chủ yếu dựa trên bản chất của Lipoprotein.Lipid là chất dự trữ năng lượng, cung cấp nguồn năng lượng hiệu dụng nhất: 1g mỡ khi oxy hoá cho 9.3 kcal hơn gấp 2 lần so với oxy hoá 1g glucose hay 1g protein. Nhu cầu năng lượng hàng ngày của động vật do mỡ cung cấp khoảng 30% và hơn 90% ở thực vật có dự trữ năng lượng trong hạt là dầu, trong quá trình nảy mầm thì dầu chủ yếu để sinh năng lượng.Lipid là dung môi hoà tan các vitamin quan trọng A, D, E, K. Vì vậy nếu thiếu lipid sẽ dẫn đến thiếu các vitamin trên.Lipid đóng vai trò bảo vệ: Làm mô đệm, giữ nhiệt, thành lập vách tế bào vi khuẩn, tạo lớp vỏ cứng của côn trùng, tạo các lớp lipid trên da Lipid còn là nguồn cung cấp nước nội sinh rất quan trọng đối với động vật ngủ đông, các động vật di cư, kén vì khi oxi hoá 100g thì sinh ra 107g H20.Nhu cầu lipid cho người thường từ 36 – 42g/ ngày. Trong khẩu phần ăn, lipid chiếm khoảng 14 –15% tổng lượng chất dinh dưỡng chủ yếu. Glyceride còn gọi là mỡ trung tính, là ester của glycerol và acid béo bậc cao, được gọi là acylglycerol hay mỡ trung tính, là thành phần chủ yếu của mỡ động vật và dầu thực vật. Tuỳ vào số lượng và vị trí của các gốc acid béo mà glyceride chia làm triglyceride, diglyceride và monoglyceride. Sáp ong là một loại glycerid. Cholesterol thường gặp trong các cấu trúc màng. Các acid béo (fatty acids) Chúng là các acid hữu cơ có mạch hydro carbone no như acid palmitic CH3-(CH2)14-COOH, acid stearic CH3-(CH2)16-COOH hoặc có mạch hydrocarbon không no (có nối đôi) như acid oleic CH3-(CH3)7-CH=CH-(CH2)7-COOH . Nhóm carboxyl (-COOH) khi tự do sẽ ion hóa, nhưng nó thường kết hợp với các nhóm khác tạo ester hay amide . Lipid phức tạp: a. Phospholipid. Là ester của rượu đa chức với acid béo và có thêm acid phosphoric, các gốc base nitrogen. Phospholipid là một trong những hợp phần quan trọng của màng tế bào, tham gia nhiều quá trình sinh học quan trọng. Chúng có nhiều trong mô thần kinh, não, lòng đỏ trứng... Từ đó chúng chiết ra như một nhóm lipid có chứa phosphate nên còn gọi là phosphatid. b. Glycolipid:Là ester của rượu sphingosine với acid béo ngoài ra còn có thêm glucid (galactose, dẫn xuất amine của galactose), trong cấu tạo không có gốc acid phosphoric. Glycolipid tham gia thành phần cấu tạo màng tế bào như ở tế bào thần kinh, hồng cầu , bạch cầu... đóng vai trò quan trọng trong sự "nhận biết" cũng như sự phát triễn ác tính của tế bào.c. Lipo-protein :Một số lipid kết hợp với protêin bằng các tương tác kỵ nước giữa các đuôi kỵ nước ( không phân cực ) của lipid và các cấu tử protein để hình thành lipo-protein 4. Các nucleotide : Các nucleotide là những đơn vị cấu trúc của DNA và RNA, mà thành phần gồm các base nitơ mạch vòng. Cytosine (C), Thymine (T) và Uracil (U) là các dẫn xuất của các pirimidine; còn Adenine (A) và Guanine (G) là các purine. Các nucleotid 4. PROTIDLà những hợp chất chứa N có phân tử lượng lớn ở sinh vật chúng được tạo thành từ các amino acid và không tan trong dung dch acid trichloacetic 10%.Trong cơ thể sinh vật, thực vật cũng như vi sinh vật, protid là hợp phần quan trọng nhất, chiếm tỉ lệ khá cao 18 – 20% trọng lượng cơ thể, gần 50% vật chất khô toàn cơ thể động vật.Những thực phẩm giàu protid có nguồn gốc từ thực vật như các loại đậu: đậu nành, đậu phộng, đậu xanh, cove và các loại rau ngũ cốc (gạo, ngô, bột mì,).Ví dụ : protid trong ngũ cốc chiếm 6 – 12 %, rau tươi 1 –5%, các loại nấm 3,7 – 4%.Là hợp chất bắt buộc không thể thiếu được.Thành phần hoá học các protid đều chứa carbon, hidrogen, oxigen và nitrogen. Ngoài ra còn chứa S, P, Fe, I,	Protid giữ các chức năng cơ bản và đặc biệt quan trọng đối với các cơ thể sinh vật.Những Protid là enzyme giữ vai trò xúc tác sinh học.Bảo vệ cơ thể: globulin miễn dịch ở huyết thanh của động vật là kháng thể chống lại vi trùng gây bệnh.Điều hoà các quá trình trao đổi chất trong cơ thể là hormone.Vận chuyển và phân bố oxigen khắp cơ thể, tải CO2 ra ngoài: hemoglobine, hemoxigenamin, Các Protid của cơ thể thực hiện quá trình co dãn : actine, myosine.Về mặt dinh dưỡng : đối với người và động vật bậc cao Protid là một thành phần quan trọng nhất, là thành phần chính không thể thiếu trong khẩu phần ăn hàng ngày. Không có Protid thì không thể có sự sống, sinh trưởng và phát triển.Trong cơ thể con người Protid tham gia xây dựng nên các tế bào, tổ chức các cơ quan thành phần chủ yếu các enzyme,4. Các amino acid: Các amino acid có hai nhóm chức: amin -NH2 mang tính kiềm và carboxyl-COOH tính acid. Các L-amino acid nối nhau bằng liên kết peptid để tạo thành mạch polypeptid. Mạch polypeptid có hai đầu mút: đầu -N và đầu C 	Có 20 L-amino acid với các chữ viết tắt gồm 3 chữ 20 loại L-amino acid với các chữ viết tắt gồm ba chữ hoặc với chỉ một chữ : Lysine (Lys - K), Arginine (Arg - R), Histidine (His - H), Acid aspartic (Asp - D), Acid glutamic (Glu -E), Asparagine (Asn - N), Glutamine (Gln - Q), Serine (Ser - S), Threonine (Thr - T), Tyrosine (Tyr - Y), Glycine (Gly - G), Alanine (Ala - A), Valine (Val - V), Leucine (Leu - L), Isoleucine (Ile - I), Proline (Pro - P), Phenylalanine (Phe - F), Methionine (Met - M), Tryptophane (Trp - W), Cysteine (Cys - C). Amino acid chủ yếuCó thể người và động vật cần có đủ 20 amino acid thiên nhiên để tổng hợp nên các loại protein đảm nhận những chức năng trọng yếu. Nhưng cơ thể người và động vật chỉ có thề tổng hợp được 10 loại amino acid nói trên từ những dưỡng chất khác có sẵn trong thức ăn hàng ngày. Đó là các amino acid thay thế được còn lại khoảng 10 amino acid cơ thể người và động vật không thể tổng hợp được mà phải hoàn toàn do thức ăn cung cấp trực tiếp. Đó là các amino acid hết sức cần thiết vì nếu thiếu chúng cơ thể người và động vật không thể phát triển bình thường được gọi là amino acid chủ yếu hay amino acid không thay thế được.Ví dụ : 10 amino acid chủ yếu của heo là (PHILLVMATT):Histidine (His).	Valine ( Val).Isoleucine ( Ile).	Methionine ( Met).Leucine ( Leu).	Arginine ( Arg).Tyrosine ( Tyr)	Phenylalanine (Phe)Lysine (Lys)	Tryptophane (Trp)Ở trâu bò, nhu cầu amino acid thiết yếu kém quan trọng hơn, không cần phải cung cấp thêm từ bên ngoài vào, vì hệ vi sinh vật dạ cỏ có khả năng cung cấp cho thú.Ở người chỉ có 8 amino acid thiết yếu (His và Arg chỉ cần thiết ở trẻ con)IV. CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌCProtein và nucleic acid là các đại phân tử thông tin (information macromolecules). Các biopolymer này như protein được tạo nên từ 20 loại amino acid và nucleic acid từ 4 loại nucleotide xếp theo một trình tự nhất định phản ảnh thông tin. Khác với tinh bột và cellulose chỉ có đơn chất duy nhất là glucose. Các đại phân tử thông tin có cấu trúc và hình dạng đặc trưng để thực hiện những chức năng chuyên biệt quan trọng nhất của sự sống 1. Các proteinCấu trúc ProteinCấu trúc bậc một: trình tự các amino acid thành phần của chuỗi polypeptide Cấu trúc bậc hai: sự sắép xếp của các amino acid trong chuỗi polypeptide ở dạng mạch thẳng như: xoắn  và chuỗi Cấu trúc bậc ba: sự sắp xếp trong không gian 3 chiều của các amino acid, tác động với nhau do sự phân cực và sự tương tác với các chuỗi bên.Cấu trúc bậc bốn: là sự sắp xếp tổng thể trong không gian của các tiểu phần trong một protein mà cấu thành từ hai hay nhiều chuỗi polypeptide Protein.Xoắn Cầu nối hydro được hình thành giữa mỗi 4 vị trí amino acidMột vòng xoắn tương đương với khoảng 3,6 amino acid.Chiều dài trung bình của một dải xoắn là 10 amino acid với khoảng 3 vòng xoắn. Chiều dài thay đổi từ 5 đến 40 amino acid- Trên bề mặt của các lõi protein - Mặt trong gồm các amino acid kị nước- Mặt ngòai là các amino acid ưa nước và tương tác với môi trườngPhiến a) Điểm đầu mũi tên chỉ hướng đầu tận cùng C của polypeptide, chia thành 3 lọai: Gồm các chuỗi  xếp lại với nhau với số lượng các cầu nối Hydro tối đa Cùng chiều: phiến parallel Ngược chiều: anti parallel Hỗn hợp. Vòng cuộn (Loop) là vùng giữa xoắn  và phiến  Các enzyme hay ferment là nhóm protein lớn nhất và quan trọng nhất. Có hàng nghìn enzyme và mỗi cái xúc tác một kiểu phản ứng sinh hóa nhất định. 	Các protein đảm nhận nhiều chức năng quan trọng của sự sống như xúc tác, cấu trúc, vận chuyển, vận động, bảo vệ và hoạt tính điều hòa. Một số protein đặc biệt : bacteriorhodopsin, protein một loại tơ nhện, protein làm đông đá và chống đông đá2. Các chức năng sinh học đa dạng của protein a. Các chất xúc tác. b. Các protein cấu trúc Ÿ Các protein của vỏ virus.Ÿ Glycoproteid tạo vỏ và thành tế bào.Ÿ Các protein tham gia cấu trúc màng.Ÿ Keratin tham gia cấu tạo da, lông vũ, móng và guốc động vật.Ÿ Sklerotin - vỏ ngoài của côn trùng.Ÿ Fibroin - tơ của kén tằm dâu, sợi mạng nhện.Ÿ  Ferritine - protein dạng dự trữ sắt trong tụy.Các chất xúc tác và Cấu trúcCác protein vận động.c.	Các protein vận chuyển.Ÿ Myoglobine - vận chuyển O2 cho cơ.Ÿ Hemoglobine - protein của máu vận chuyển O2 cho cơ thể.- Albumin - huyết tương d. Các protein vận động.Ÿ   Myosin - protein của cơ.Ÿ   Actine - protein của cơ.e. Các protein bảo vệ.Ÿ  Các kháng thể. Fibrinogen là tiền chất fibrine đông máu f. Các chất có hoạt tính sinh học. 2. Các nucleic acid Chúng là các polynucleotide do các nucleotide nối thành, có hai loại: 	– Ribonucleic acid (RNA) : ribose, các base A, G, C, U và mạch đơn.	 – Desoxyribonucleic acid (DNA) cấu tạo từ đường desoxyribose, các base A, G, C, T và cấu trúc ma