Sinh học đại cương - Chương II: Các đại phân tử

11 SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG Chương II: Các đại phân tử 12 Các liên kết trong các phân tử sinh học  Các liên kết đồng hóa trị + Khái niệm: các điện tử được chia sẻ nhiều hoặc ít cân bằng giữa các nguyên tử. + Đặc tính: liên kết manh và ở trạng thái bền vững  Các tương tác không đồng hóa trị  Liên kết hydro + Khái niệm: liên kết được hình thành giữa các nguyên tử hydro và các nguyên tố mang điện tích âm hơn như oxy hoặc nitơ. + Đặc tính: liên kết yếu, song với nhiều liên kết được hình thành giữa các phân tử sẽ làm tăng tính ổn định đáng kể và ảnh hưởng đến cấu trúc  Liên kết Van der Waal + Khái niệm:liên kết giữa các nguyên tử có khoảng cách giữa các nguyên tử từ 3-4 A. + Đặc tính: đóng vai trò quan trọng trọng liên kết enzym và cơ chất và trong tương tác giứa protein và axit nucleic  Tương tác kị nước + Khái niệm: tồn tại khi các phân tử không phân cực có xu hướng tụ họp trong môi trường lỏng. + Đặc tính: đóng vai trò quan trọng trong quá trình cuộn xoắn của Protein, liên kết enzym với cơ chất, kiểm soát việc liên kết các dưới đơn vị của protein để hình thành phân tử dạng họat động 13 Tổng quan về thành phần tế bào  Nước  Các đại phân tử: 96% trọng lượng khô của tế bào, trong đó protein là đại phân tử phong phú nhất  Các monomer (tiền chất tạo nên đại phân tử)  Các ion vô cơ Phân tử Phân trăm trọng lượng khô Phân tử/tế bào Các loại khác nhau Các đại phân tử 96 24.610.000 2500 Protein 55 2.350.000 1850 Polysaccarit 5 4300 2 Lipid 9.1 22.000.000 4 Lipopolysaccarit 3.4 1.430.000 1 DNA 3.1 2.1 1 RNA 20.5 255.500 660 Các monomer 3.0 350 Axit amin và các tiến chất 0.5 100 Đường và các tiền chất 2 50 Nucleotit và các tiền chất 0.5 200 Các ion vô cơ 1 18 Tổng số 100% 14 Tổng quan về thành phần tế bào (cont.)  Protein: polyme từ các monomer axit amin.  Axit nucleic: polyme từ các monomer nucleotit (DNA và RNA). Phong phú sau protein do hàng nghìn ribosome trong mỗi tế bào và các dạng RNA khác (mRNA, tRNA, rRNA)  Lipid: không là polyme đơn giản của monomer mà bao gồm đa dạng các hợp phần kị nước như axit béo. Đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc màng và dự trữ năng lượng  Polysaccarit: polyme của đường. Đóng vai trò dự trữ năng lượng và cacbon, ngoài ra còn tham gia vào cấu trúc thành tế bào.  Nước: các đại phân tử cũng như tất cả các phân tử trong tế bào ngập trong nước. Nước có đầy đủ các đặc tính để trở thành một dung môi sinh học lý tưởng. 15 Đặc tính quan trọng của nước đối với tế bào  Phân cực: giúp hòa tan tốt các phân tử sinh học vốn đã phân cực, đóng vai trò trong việc vận chuyển các phân tử ra và vào tế bào thông qua màng tế bào chất.  Phân cực: thúc đẩy hình thành các liên kết hydro giữa các phân tử và nguyên tử.  Phân cực: có vai trò quan trọng trong việc giúp tế bào đẩy các cơ chất không phân cực tụ họp lại với nhau.  Phân cực: làm nước có tính kết dính cao. Có nghĩa các phân tử nước có xu hướng có ái lực cao với các phân tử khác và hình thành, sắp xếp, bẻ gãy và tái tạo hóa học liên tục. 16 17 18 Protein- Vai trò  Vai trò  Giá trị dinh dưỡng: hợp phần chủ yếu và quyết định trong khẩu phần thức ăn 19 Protein (cont.)- Thành phần  Thành phần: C, H, O, N (1 lượng nhỏ S và các nguyên tố vi lượng Fe, Mn, Mg..)  Đơn vị đo: Dalton (Da) = 1/12 khối lượng của 1 nguyên tử cacbon 12  Thành phần cơ bản: axit amin 20 Protein (cont.) – Axit amin  Định nghĩa axit amin:là hợp chất mạch thẳng hoặc mạch vòng, có chứa ít nhất 1 nhóm amin (NH2) và 1 nhóm cacboxyl (COOH)  Cấu tạo: R- (CH)NH2- COOH  Dạng tồn tại: L-axit amin 21 Protein (cont.) – Phân loại axit amin  Phân loại axit amin (20 axit amin phổ biến) Axit amin không phân cực Axit amin phân cực Axit amin ion 22 Protein (cont.) – Liên kết peptit  Liên kết peptit: là liên kết được hình thành do phản ứng kết hợp giữa nhóm α-COOH của axit amin này với nhóm α -NH2 của axit amin khác  Cấu hình không gian của chuỗi peptit 23 Protein (cont.) – Cấu trúc protein  Cấu trúc bậc 1: qui định trình tự và thành phần các axit amin trong chuỗi polypeptit  Cấu trúc bậc 2: sự sắp xếp thích hợp của một chuỗi polypeptit trong không gian - Cấu trúc xoắn α - Cấu trúc tờ giấy gấp nếp β - Cấu trúc cuộn thống kê  Cấu trúc bậc 3: cấu trúc bậc 2 sắp xếp trong không gian 3 chiều  Cấu trúc bậc 4: do các dưới đơn vị bậc 3 tạo thành 24 Cấu trúc bậc 2 Cấu trúc bậc 3 Cấu trúc bậc 4 Cấu trúc bậc 1 25 Protein (cont.) – Tính chất  Hình dáng - Hình cầu: trục dài/trục ngắn<20 - Hình sợi: trục dài/trục ngắn=100-1000  Kích thước: khối lượng phân tử lớn – đại phân tử 26 Protein (cont.) – Tính chất  Tính tan - Khả năng hòa tan của Protein nhờ các nhóm có cực được phân bố trên bề mặt + Nhóm COOH của axit glutamin + Nhóm NH2 thứ 2 của Lyzin + Nhóm OH của Serin + Nhóm Imidazol của Histidin - Các yếu tố phụ thuộc: + Thành phần và trình tự sắp xếp các axit amin + Vị trí các nhóm háo nước và kị nước + Khả năng kết hợp nước của các nhóm có cực + Bản chất dung môi + Nồng độ muối trung tính + Nhiệt độ và pH 27 Protein (cont.) – Tính chất  Dung dịch keo và sự kết tủa - Protein khi hòa tan vào trong nước tạo dung dịch keo. - Kết tủa protein xảy ra khi:  Mất lớp vỏ nước  Mất lớp vỏ điện tích - Phân loại dạng kết tủa  Thuận nghịch: là kết tủa khi tách tác nhân gây kết tủa thì protein quay trở về trạng thái ban đầu (tác nhân: muối trung tính)  Bất thuận nghịch: là kết tủa khi tách tác nhân gây kết tủa thì protein không quay trở về trạng thái ban đầu (tác nhân: ion kim loại nặng) 28 Protein (cont.) – Tính chất  Biến tính - Định nghĩa: Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý (như tia cực tím, sóng siêu âm, các chuyển đông cơ học mạch...), các tác nhân hoá học (như axit, bazơ, tanin...), làm cấu trúc bậc 2,3,4 bị phá huỷ nhưng vẫn giữ nguyên cấu trúc bậc 1 kèm theo các tính chất tự nhiên ban đầu của Protein bị mất đi. Hiện tượng đó gọi là sự biến tính - Tính chất Protein sau biến tính + Giảm khả năng hòa tan + Giảm khả năng giữ nước + Tăng khả năng tấn công của enzym + Tăng độ nhớt nội tại + Giảm sức căng bề mặt - Các tác nhân làm biến tính Protein + Tác nhân vật lý: nhiệt độ, tia cực tím, + Tác nhân cơ học: nhào, trộn, cán, kéo, dập + Tác nhân hóa học:pH, ion kim loại, dung môi hữu cơ 29 30  Protein đơn giản: cấu tạo chỉ chứa các axit amin - Albumin: tan trong nước - Globulin: tan trong dung dịch muối loãng - Prolamin: tan trong etanol và izopropanol - Glutelin: tan trong kiềm  Protein phức tạp: axit amin (apoprotein) + nhóm ngoại - Metaloprotein: nhóm ngoại là kim loại - Nucleoprotein: nhóm ngoại là axit nucleic - Cromoprotein: nhóm ngoại là nhóm mang màu - Lipoprotein: nhóm ngoại là lipit - Glucoprotein: nhóm ngoại là gluxit Protein (cont.) – Phân loại 31 Hydrat cacbon  Định nghĩa: hydrat cacbon = saccarit = đường là các dẫn xuất của aldehyt và xeton.  Công thức: CnH2nOn  Vai trò - Dự trữ năng lượng: cung cấp 60% tổng năng lượng cấp cho cơ thể - Cấu trúc và tạo hình - Bảo vệ  Phân hạng - Monosacarit: xx-ose - Polysacarit + Oligosacarit: 2-10 monosacarit kết hợp với nhau (di, tri,.. saccarit) + Polysacarit: >10 monosacarit (đồng thể và dị thể) 32 Monosaccarit –Cấu tạo ALDOSES KETONES (nhóm cacbon nằm (nhóm cacbon nằm tại bất cứ tại cuối chuỗi là: aldehyt) vị trí nào là: xeton) 33 Một số đường D-Aldose 34 Một số đường D-Ketose 35 Monosaccarit –Cấu tạo (cont.)  Dạng đồng phân: - L: OH bên trái - D: OH bên phải - Phần lớn các loại đường trong các cơ thể sống tồn tại ở dạng D- 36 Monosaccarit –Cấu tạo (cont.)  Cấu trúc dạng vòng: trong dung dịch, các đường từ 4C trở lên có khả năng hình thành cấu trúc dạng vòng  Nguyên tắc: dựa trên phản ứng giữa nhóm aldehyt (hoặc xeton) và rượu để hình thành dạng hemiacetal (hoặc hemiketal) 37 Cấu trúc vòng pyran 38% α-D-Glucopyranose 62% β-D-Glucopyranose <0.5% α-D-Glucofructose < 0.5% β-D-Glucofructose ~ 0.02% mạch thẳng 38 Cấu trúc vòng furan 39 Monosaccarit – Tính chất  Phản ứng oxy hóa: Đường dưới tác dụng của các tác nhân oxi hóa sẽ chuyển các nhóm rượu, aldehyt trong phân tử thành nhóm axit. - Oxi hóa nhóm aldehyt tại C1 tạo sản phẩm axit aldonic (tác nhân oxi hóa yếu: HBrO, HClO, HIO) - Oxi hóa nhóm rượu bậc 1 tại C6 tạo sản phẩm axit uronic - Oxi hóa đồng thời cả nhóm aldehyt và rượu tại C6 tạo sản phẩm axit 2 chức aldaric (tác nhân oxi hóa mạnh: HNO3)  Phản ứng khử: khử nhóm aldehyt hoặc xeton tạo rượu đa chức đường (alditol) 40 Oligosaccarit  Liên kết glycosit: được hình thành giữa nhóm hemiacetal của saccarit này với nhóm hydroxyl rượu  Oligosaccarit phổ biến: disaccarit - Sucrose (đường mía) - Maltose (đường mal) - Lactose (đường sữa) 41 Polysaccarit  Phân loại - Homopolysaccarit: cấu tạo từ một loại gốc đơn vị monosaccarit. - Heteropolysaccarit: cấu tạo từ hai hay nhiều gốc đơn vị monosaccarit khác nhau.  Chức năng - Dự trữ năng lượng - Cấu trúc tế bào - Hỗ trợ ngoại bào 42 Polysaccarit – Tinh bột  Nguồn thu: củ (khoai tây, sắn) hoặc hạt (thóc, lúa mỳ)  Cấu tạo - Kích thước: 2-150μm - Hình dạng: lục giác, đa giác, hình cầu - Thành phần: hàng nghìn đến hàng vạn gốc glucose thông qua liên kết glycosit α (1,4) và α (1,6) - Cấu trúc: Amilose (10-30%) và Amilopectin (79-90%) 43 Polysaccarit – Tinh bột (cont.)  Tính chất: - Tính chất vật lý: trương nở nhanh trong nước nóng tạo độ dính mạnh (quá trình hồ hóa). - Tính chất hóa học  Tác dụng với Iốt: Amilose + I2 = xanh Amilopectin + I2 = tím đỏ  Thủy phân nhờ axit (C6H12O6)(C6H10O5)n + n H2 (n+1) C6H12O6  Thủy phân nhờ enzym: amylase Tinh bột + -amylaza Dextrin phân tử lượng thấp + Maltoza + Glucoza Tinh bột + -amylaza Maltoza + Dextrin có phân tử lượng cao Tinh bột + γ-amylase Glucose 44 Polysaccarit - Cellulose  Nguồn thu: phổ biến trong thực vật, đặc biệt phần cuống, thân và phần gỗ của cây.  Cấu trúc - Thẳng, không phân nhánh - Đơn vị monosaccarit: 10.000 – 15.000 gốc β-D- glucose - Liên kết: β(1,4) glycosit - Cấu trúc sợi dạng xoắn: 2 phân tử cellulose liên kết hydro với nhau. 40 sợi xếp song song tạo bó.  Tính chất - Không tan trong nước - Thủy phân bằng axit: tạo 100% glucose - Thủy phân bằng enzym: cellulase 45 Axit nucleic  Khái niệm: Axit nucleic (deoxyribonucleic axit – DNA và ribonucleic axit- RNA) là các polyme đại phân tử của các monomer nucleotit.  Cấu trúc - Monomer nucleotit gồm 3 đơn vị  Đường 5C (ribose – RNA và deoxyribose-DNA)  Bazơ  1 phân tử phosphate – PO43- 46 Axit nucleic (cont.) - Liên kết  Đường liên kết với bazơ theo liên kết glycosit  Nhóm phosphate liên kết với nucleotit theo liên kết phosphodieste  Các nucleotit liên kết với nhau thông qua liên kết đồng hóa trị phosphodieste giữa nhóm phosphate tại C-3 của phân tử đường trong nucleotit này với C-5 của phân tử đường trong 1 nucleotit khác - Qui tắc liên kết: bổ sung A-T và G-C bằng liên kết hydro 47 Axit nucleic – Mô hình Watson & Click  Cấu trúc gồm 2 chuỗi đối song: 1 sợi đi tổng hợp theo hướng từ 3’ đến 5’ trong khi sợi kia tổng hợp từ hướng 5’ đến 3’  Số lượng gốc trong 1 vòng xoắn: 10  Chiều dài  Đường kính vòng xoắn: 20A 48 Axit nucleic - Chức năng  Chức năng của DNA (deoxyribonucleic acid) - Lưu giữ thông tin di truyền - Kiểm soát quá trình tổng hợp RNA (ribonucleic acid) - Trình tự các bazơ trên DNA xác định sự phát triển của protein trong các tế bào mới - Chức năng của việc hình thành chuỗi xoắn kép DNA là đảm bảo tính trật tự trong cấu trúc.  Chức năng của RNA (ribonucleic acid) - RNA được tổng hợp từ DNA cho quá trình vận chuyển thông tin di truyền tới bộ máy tổng hợp protein trong tế bào - RNA định hướng sự tổng hợp các protein mới sử dụng thông tin di truyền mà RNA vận chuyển - mRNA (RNA thông tin) được sử dụng để vận chuyển thông tin di truyền qua màng tế bào chất  Chức năng của Adenosine Phosphates - Nucleotit ATP (adenosine triphosphate) dự trữ năng lượng cho tất cả các cơ thể sồng - cAMP (adenosine monophosphate vòng) là tác nhân truyền tin trong quá trình điều hòa hoocmôn - Các dẫn xuất của nucleotit như NAD+ (nictinamide adenine dunucleotit) được sử dụng như một coenzym trong quá trình tổng hợp quang học 49 Lipid  Chức năng - Dự trữ và cung cấp năng lượng: dầu mỡ - Nhân tố cấu trúc: màng sinh học - Họat tính sinh học: cofactor của enzym, hoocmon, chất vận chuyển điện tử, tác nhân truyền thông tin nội bào 50 Lipid dự trữ – axit béo  Định nghĩa: là các axit cacboxylic của các chuỗi hydrocacbon có chiều dài từ 4 đến 36 cacbon.  Cấu tạo - Phân nhánh hoặc không phân nhánh - Bão hòa hoặc chưa bão hòa - Phổ biến: không phân nhánh dài từ 12 đến 24 C; liên kết đôi giữa vị trí C9 và C10. 51 Lipid dự trữ – axit béo (cont.)  Tính chất - Tính tan: phụ thuộc chiều dài chuỗi mức độ chưa bão hòa Chuỗi càng dài, càng ít liên kết đôi thì tính tan càng thấp - Điểm nóng chảy phụ thuộc chiều dài chuỗi mức độ chưa bão hòa Axit béo chưa bão hòa có điểm nóng chảy thấp hơn axit béo bão hòa có cùng chiều dài VD: Tại nhiệt độ phòng (250C), axit béo 12:0 đến 24:0 Bão hòa: dạng sáp Chưa bão hòa: dạng dầu lỏng 52 Lipid dự trữ – triacylglycerol  Tên: triglycerit, mỡ, chất béo trung tính  Nguồn thu: dầu thực vật, các sản phẩm từ bơ sữa  Cấu trúc: là este của axit béo và glycerol  Vai trò - Dự trữ và vận chuyển các axit béo - Cách nhiệt 53 Lipid dự trữ – triacylglycerol (cont.)  Tính chất - Tính chất vật lý  Dạng tồn tại: Dạng lỏng (dầu): chứa axit béo chưa bão hòa Dạng rắn (mỡ): chứa axit béo bão hòa  Tính tan Không phân cực, không tan trong nước, chỉ tan trong các dung môi hữu cơ  Trọng lực: nhỏ hơn nước, phân 2 pha. - Tính chất hóa học  Phản ứng thủy phân bởi axit (hoặc enzym lipase) CH2OCOR1 H+ (lipaza) CH2OH R1COOH CH2OCOR2 CHOH + R2COOH CH2OCOR3 CH2OH R3COOH  Phản ứng thủy phân bởi kiềm CH2OCOR1 NaOH CH2OH R1COONa CH2OCOR2 CHOH + R2COONa CH2OCOR3 CH2OH R3COONa 54 Lipid cấu trúc - Glycerophospholipid  Cấu trúc  Vai trò  Tính chất