1 Nước
Nước là thành phần bắt buộc của tế bào và chiếm một tỉ lệ cao chẳng hạn ở
sứa là 70-80%, ở người là 60%.
Tính chất của nước:
Là một chất phân cực: Hd+ - Od- - Hd+
Có thể tạo liên kết hydrogen giữ các phân tử nước và với các phân tử chất
khác.
Nhiệt dung riêng lớn (1cal/g/OC)
Vai trò của nước:
Là một dung môi tốt.
Tham gia trực tiếp vào các phản
ứng hóa học (phản ứng thủy phân).
Là nguyên liệu cho hoạt động của
tế bào (cung cấp proton H+ cho các phản ứng)
Điều hòa trạng thái của nguyên
sinh chất: (sol, coacevate và gel).
Tạo sức căng bề mặt tế bào.
Ổn định cấu trúc tế bào.
Điều hòa nhiệt độ tế bào.
2 Các hợp chất hữu cơ
* Carbohydrate
Bao gồm cả các đường và polymer
của chúng: monosaccharide, disaccharide và polysaccharide.
Công thức chung: CnH2nOn
Carbohydrate là nguyên liệu cấu
trúc và nhiên liệu của tế bào.
Monosaccharide
Monosaccharide là những đường có 3 £ n £ 7
Tiêu chí phân loại: Phân loại dựa vào:
Vị trí gốc carbonyl (C=O): đường có thể là
aldose (aldehyde) hay ketose (ketone).
Số lượng nguyên tử carbon (hình 2.1 a).
Vị trí của nhóm OH gắn vào C1 trong cấu trúc vòng: a-glucose hay b-glucose (hình 2.1 b).
Sự sắp xếp trong không gian của 4 loại nhóm thế
quanh carbon bất đối xứng (chiral carbon): đường dạng D hay L (đồng phân quang
học).
Trong dung dịch, glucose và hầu hết các
monosacchride khác hình thành dạng vòng. Để thuận tiện người ta đánh số carbon
trong vòng bắt đầu từ carbon (C1) liên kết với oxygen gắn với carbon. (hình
2.2)
Tất cả đường đơn là đường khử (C5).
Disaccharide
Một disaccharide được cấu thành từ hai
monosaccharide nhờ liên kết glycoside - một liên kết cộng hóa trị bởi phản ứng
dehydrate hóa giữa hai monosaccharide
(hình 2.3).
Các đơn phân của sucrose và maltose được xếp
như những đồng tiền ngửa.
Các đơn phân của lactose (b-1,4 glycoside) được xếp như những
đồng tiền ngửa-sấp.
Polysaccharide
Polysaccharide là những polymer của
monosaccharide.
Cấu trúc và chức năng của polysaccharide phụ
thuộc vào các monomer của nó và vị trí của liên kết glycoside.
Tinh bột (starch)
Tinh bột là chất dự trữ ở thực vật, được tìm
thấy trong lục lạp (chloroplast), củ (khoai tây…), mầm.
Đơn phân cấu trúc của tinh bột là alpha-glucose
liên kết với nhau bởi liên kết alpha-1,4
hay 1,6 glycoside.
Một phân tử tinh bột có khoảng 280-300 phân tử
glucose.
Tinh bột có hai dạng: amylose và amylopectin.
Amylose
Mạch thẳng.
Trong amylose các phân tử glucose liên kiết với
nhau bằng kiên kết alpha-1,4 glycoside.
Amylopectin
Mạch phân nhánh.
Cấu trúc tương tự như amylose. Tuy nhiên, bắt
đầu của mỗi nhánh là liên kết alpha-1,6 glycoside.
Cứ 24-30 đơn phân glucose lại có một nhánh.
Glycogen
Glycogen là chất dự trữ ở động vật, được tìm
thấy ở gan, cơ.
Đơn phân của glycogen là alpha-glucose.
Cấu trúc của glycogen tương tự như amylopectin
nhưng phân nhánh sau 8-12 phân đơn phân glucose (hình 2.6).
Cellulose
Các monomer liên kết với nhau bằng liên kết b-1,4 glycoside.
Sự khác nhau trong liên kết của các monomer
trong cellulose, tinh bột dẫn đến sự khác nhau trong cấu trúc không gian 3
chiều (3D) của chúng:
Tinh bột có cấu
trúc xoắn, mỗi bước xoắn có 6 đơn vị glucose được được ổn định nhờ liên kết
hydrogen giữa các vòng xoắn kề nhau.
Cellulose mạch thẳng. Các phân tử cellulose xếp song
song nhau, liên kết với nhau bằng các liên kết hydrogen giữa các gốc OH tự do
làm thành các vi sợi (microfibrill) rất chắc, là nguyên liệu cho xây dựng tế
bào.
Chitin:
Chitin là polysaccharide, có cấu trúc tương tự
như cellulose nhưng gốc OH của C2 được thay thế bởi –NH - CO-CH3
(acetyl-glucosamine)
Chitin là nguyên liệu xây dựng vỏ của chân
khớp, vách tế bào nấm.
* Lipid
Lipid là những đại phân tử sinh học nhưng không
phải là một polymer. Các lipid có chung một tính chất là không hoăc ít có ái
lưc với nước bởi vì chúng chứa phần lớn gốc hydrocarbon và chỉ một một vài liên
kết phân cực với oxygen. Lipid không tan trong nước nhưng tan trong dung
môi hữu cơ.
Lipid giữ vai trò quan trọng
trong tế bào: phospholid là thành phần quan trọng của tế bào; là chất dự trữ
năng lượng , là chất cách nhiệt; là dung môi hòa tan các chất như vitamin (A,D,
E,K)
Dầu mỡ và sáp
Dầu mỡ được cấu thành từ glycerol
và các acid béo (fatty acid).
Acid béo có một đầu –COOH và một
đuôi hydrocarbon no (saturated) hay không no (unsaturated). Số nguyên tử carbon
của acid béo vào khoảng 16-18.
Mỡ động vật, triacylglycerol chứa
acid béo no dễ đông ở nhiệt độ phòng. Ngược lại, dầu cá và dầu thực vật thường
chứa các acid béo không no nên đông đặc ở nhiệt độ thấp hơn.
Dầu và mỡ có thể là tri, di hay
mono-acylglycerol.
Các acid béo trong dầu và mỡ có
thể giống hay khác nhau.
Sáp: một lượng nhỏ acid béo liên kết với rượu
mạch dài thay vì glycerol.
Dầu mỡ chứa nhiều năng lượng.
Phospholipid
Hai gốc -OH trên glycerol liên kết với acid béo
và gốc -OH thứ ba liên kết với acid phosphoric.
Gốc phosphate có thể liên kết với những gốc
phân cực khác tạo nên sự da dạng của phospholipid.
Phospholipid có một đầu phân cực (-) ưa nước
(hydropholic) và một đuôi không phân cực kỵ nước (hydrophobic).
Trong môi trường nước, phospholipid hình thành
cấu trúc –hạt micelle với đầu ưa nước quay ra ngoài và đầu kỵ nước quay vào
trong. Ở bề mặt màng tế bào, phospholipid hình thành lớp đôi với đầu ưa nước
quay ra ngoài và đầu kỵ nước quay vào nhau.
Phospholypid là thành phần chính của màng tế
bào.
Steroid
Steroid
là những lipid được xác định bởi một sườn carbon có bốn vòng liên kết. Các
steroid khác nhau do sự khác nhau ở các nhóm thế.
Cholesterol là một steroid tham gia thành phần
cấu trúc màng tế bào động vật và là tiền chất của các steroid khác. Tuy nhiên
nồng độ cholesteron trong máu cao gây vữa xơ động mạch (atherosclerosis).
* Protein
Protein là một polymer được cấu thành từ 20 loại amino acid. Một protein có
thể được hình thành từ một hay nhiều polypeptide cuộn thành các cấu hình đặc
trưng.
Polypeptide là polymer của các amino acid. Các amino acid liên kết với
amino acid kế tiếp bằng liên kết peptide. Một đầu của polypetide là –NH2 (N-terminus),
đầu kia tận cùng bằng –COOH
(C-terminus). Polypeptide đặc trưng bởi trình tự amino acid.
Các amino acid khác nhau chủ yếu ở nhánh bên R và trong sinh vật chỉ tồn
tại các L-amino acid.
Bốn mức độ
cấu trúc của protein
Chức năng của protein phụ thuộc vào cấu hình đặc trưng của nó
(conformation).
Trình tự của polypeptide có thể xác định cấu hình không gian ba chiều (3D)
của protein.
- Cấu trúc bậc một (primary
structure)
Cấu trúc bậc một của protein là
trình tự amino xác định của nó. Trình tự amino acid được xác định bởi thông tin
di truyền. Sự thay đổi trong cấu trúc bậc một có thể ảnh hưởng đến cấu hình và
chức năng của protein.
- Cấu trúc bậc hai
Chuỗi polypeptide có thể
gấp lại thành một số cấu trúc đều đặn trong không gian. Cấu trúc bậc hai được
biết đến nhiều nhất là xoắn a (a-helix). Sườn polypeptide hình thành một cấu trúc xoắn
phải với 3,6 acid amin trên một vòng xoắn; như vậy nhóm N-H trong liên kết
peptid thứ n đã tạo liên kết hydro với nhóm C=O trong liên kết peptide thứ
(n+3) của chuỗi. Những phần có cấu trúc xoắn a thường tìm thấy trong các
protein hình cầu và một số protein hình sợi.
Cấu trúc tấm gấp nếp b (b-pleated
sheet), thường gọi là gấp b, được ổn định bởi các liên kết hydro hình thành giữa
các nhóm N-H và C=O của các phần khác nhau trong chuỗi polypeptide. Một vài
đoạn của chuỗi polypeptide có thể được xếp cạnh nhau tạo nên cấu trúc tấm,
trong đó các nhánh bên R có thể hướng lên phía trên hoặc phía dưới tấm. Nếu các
đoạn nói trên chạy cùng chiều (ví dụ từ đầu tận cùng N đến C), ta có tấm song
song (parallel), nếu chúng xếp khác chiều (N đến C và C đến N) ta có
tấm đối song song (antiparallel). Các tấm b rắn
chắc, đóng vai trò quan trọng trong các protein cấu trúc, ví dụ như trong sợi
fibroin.
Protein collagen trong mô
liên kết còn có cấu trúc xoắn ba (triple helix), trong đó ba chuỗi polypeptide
được bện vào nhau khiến cho nó rất chắc.
- Cấu trúc bậc ba
Cấu trúc bậc ba là cách
thức mà chuỗi polypeptide với những đoạn có cấu trúc xoắn a, gấp
b
hay các cấu trúc bậc hai khác cùng với các vòng nối (connecting loop) gấp lại
trong không gian ba chiều.
Bản chất của cấu trúc bậc
ba vốn đã được định hình sẵn từ cấu trúc bậc một. Khi đặt vào điều kiện thích
hợp, hầu hết các chuỗi polypeptide tự động gấp lại thành một cấu trúc bậc ba
đúng bởi vì cấu trúc này có năng lượng thấp nhất có nghĩa là bền nhất. Trong
cấu trúc bậc ba, các đoạn cấu trúc bậc hai và các đoạn nối gấp lại sao cho hầu
hết các acid amin ưa nước thì quay ra bề mặt còn các acid amin kị nước thì nằm
ở bên trong protein. Điều này mang lại sự ổn định cho toàn bộ cấu trúc.
Các yếu tố giúp ổn định cấu
trúc bậc ba gồm có các liên kết yếu như lực van der Waals, liên kết hydro, liên
kết ion, tương tác kị nước xảy ra giữa các nhánh bên trong chuỗi polypeptide.
Đôi khi cũng có sự tham gia của một dạng liên kết cộng hóa trị: liên kết
disulfide hình thành giữa hai cysteine.
- Cấu trúc bậc bốn
Cấu trúc bậc bốn là sự tổ
chức nhiều chuỗi polypeptide giống hoặc khác nhau thành một phân tử protein. Ví
dụ như phân tử hemoglobin có hai chuỗi globin a và hai chuỗi globin b.
Những lực liên kết giúp ổn định cấu trúc bậc ba kể trên cũng là lực giúp cho
các chuỗi polypeptide này gắn lại với nhau.
- Chức năng của
protein
Các chất xúc tác: các
enzyme ribonuclease, cytochrome, trypsine (thủy giải peptide)
Protein cấu trúc:
glycoprotein, keratin
Protein vận chuyển:
hemoglobin
Protein vận động: myosin,
actin
Protein bảo vệ: kháng thể
Các chất có hoạt tính sinh
học: insulin, hormone
* Nucleic acid
Nucleic chứa và truyền thông tin thông tin di truyền
Có hai loại nucleic acid: DNA và RNA, đây là những đại phân tử giúp sinh vật tạo nên những thành phần phức tạp của sinh vật từ thế hệ này đến thế hệ kế tiếp. DNA điều khiển quá trình tái bản của nó, tổng hợp RNA và qua RNA điều hòa tổng hợp protein.
DNA là vật chất di truyền của
sinh vật được nhận từ bố mẹ. Khi tế bào phân chia, DNA được sao chép và truyền
từ thế hệ tế bào đến thế hệ tế bào kế tiếp.
Thông tin di truyền mã hóa trong
DNA chương trình hóa hoạt động của tế bào. Tuy nhiên, không phải DNA mà là
protein điều khiển trực tiếp hoạt động của tế bào chúng, là công cụ cho hầu hết
chức năng sinh học.
Mỗi gene điều khiển tổng hợp một
mRNA, sau đó tương tác với bộ máy tổng hợp protein điều khiển tổng hợp một
polypeptide. Nơi tổng hợp protein thực sự là ribosome. Như vậy, thông tin di
truyền được chuyển từ nhân ra tế bào chất.
Nucleotide – đơn phân
của acid nucleic
Nucleoside
Trong các acid nucleic, mỗi base
liên kết hóa trị với vị trí số 1 (C-1) của một đường pentose để tạo nên một nucleoside.
Vị trí của liên kết này trên base là vị trí 9 (N-9) đối với các purine và vị
trí 1 (N-1) đối với các pyrimidine.
Ở ARN, đường pentose đó là ribose.
Còn ở ADN, đó là 2’-deoxyribose, trong đó nhóm hydroxyl ở vị trí số
2 bị thay bởi một nguyên tử hydro.
Liên kết giữa base và đường được
gọi là liên kết glycoside. Ở ARN, các nucleoside gồm adenosine,
guanosine, cytidine và uridine. Đối với ADN, tên các nucleoside gồm
deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxycytidine và deoxythymidine (hay
thymidine).
Nucleotide
Một nucleotide gồm một
nucleoside cùng với một hay nhiều nhóm phosphate nối hóa trị tại vị trí 3’, 5’
hoặc 2’ của đường pentose (vị trí 2’ chỉ có ở đường ribose). Nếu là đường
ribose, người ta gọi hợp chất đó là ribosenucleotide; còn nếu là đường
deoxyribose thì gọi là deoxynucleotide. Về mặt hóa học, các hợp chất này
là những phosphate ester.
Trong trường hợp có từ một đến ba
nhóm phosphate gắn vào vị trí 5’, ta được các hợp chất 5’-monophosphate,
-diphosphate và -triphosphate tương ứng; ví dụ như AMP (adenosine
5’-monophosphate), dGDP (deoxyguanosine 5’-diphosphate), dCTP (deoxycytidine
5’-triphosphate), TTP (thymidine 5’-triphosphate) hay ATP (adenosine
5’-triphosphate)…
Các nucleoside 5’-triphosphate
(NTPs) hay các deoxynucleoside 5’-triphosphate (dNTPs) là
vật liệu cấu thành nên phân tử acid nucleic đa phân. Trong quá trình tổng hợp
ARN hay ADN, hai phosphate được tách ra, chỉ để lại một nhóm phosphtate cho mỗi
đơn phân tham gia vào chuỗi nucleotide. Nucleotide chính là đơn phân của acid
nucleic.
Liên kết
phosphodiester
Trong một chuỗi nucleotide
của ADN hoặc ARN, mỗi phosphate liên kết hóa trị với một pentose ở vị trí 5’ và
một pentose kế tiếp ở vị trí 3’ tạo thành một liên kết 3’, 5’-phosphodiester.
Có thể hình dung mỗi chuỗi nucleotide bao gồm một sườn chính gồm các đường
pentose xen kẽ với các phosphat; trong đó, cứ mỗi đường lại có một base gắn vào
vị trí 1’.
Ở pH trung tính, mỗi
phosphate đều chứa điện tích âm vì vậy các acid nucleic là những polymer mang
điện tích âm.
Trình tự ADN/ARN
Mỗi chuỗi nucleotide (trừ
chuỗi nucleotide dạng vòng) đều có một đầu 5’ tự do có thể gắn hoặc không gắn
với các nhóm phosphate và một đầu 3’ tự do có một nhóm hydroxyl. Định hướng của
mỗi chuỗi nucleotide là 5’®3’ và theo quy ước viết trình tự thì đầu 5’ nằm phía bên
trái. Ví dụ không được viết trình tự một đoạn ADN một mạch là ATACGTA, mà phải
viết là 5’-ATACGTA-3’. Một trình tự ARN có thể viết là 5’-AUGCUUGA-3’. Điều này
có nghĩa là hướng của chuỗi là xác định, AUGCUUGA khác hẳn với AGUUCGUA.
Cấu trúc chuỗi xoắn
kép
Cấu trúc
phổ biến nhất của ADN là cấu trúc chuỗi xoắn kép (double helix). Các đặc tính
cơ bản của cấu trúc này đã được James Watson và François Crick đề xuất vào năm
1953.
Phân tử
ADN là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn xoắn đều quanh một trục, mỗi mạch
đơn là một chuỗi nucleotide. Mỗi chuỗi có định hướng 5’®3’; hướng của hai mạch
trong chuỗi xoắn kép là ngược chiều nhau nên người ta gọi chúng là hai mạch đối
song song. Mỗi chu kỳ xoắn của ADN gồm 10 bp (base pair – cặp base) dài khoảng
3,4nm, đường kính vòng xoắn khoảng 2nm.
Sườn
phosphate-đường của mỗi mạch đơn hướng ra ngoài, còn các base của chuỗi xoắn
kép hướng vào trong. Hai mạch đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydro hình
thành giữa các cặp base bổ sung nằm trên hai mạch. A liên kết với T bằng hai
liên kết hydro và giữa G và C là ba liên kết hydro.
Trên đây
chỉ là mô hình của ADN dạng B theo Watson và Crick. Ngày nay, người ta biết
rằng ADN có nhiều dòng họ cấu trúc khác nhau ở một vài chỉ số.
Dạng B thường tồn tại trong
điều kiện sinh lý bình thường, còn các dạng khác tồn tại trong những điều kiện
độ ẩm và ion khác nhau. Đặc biệt, dạng Z có chiều xoắn ngược về phía bên trái
và theo hình zigzac.
Bảng
1.1: Một số dạng cấu trúc của ADN
Dạng ADN |
Số cặp base trong một chu kỳ xoắn |
Chiều và góc xoắn so với mặt phẳng của base |
Khoảng cách thẳng đứng giữa hai
base kề nhau |
Đường kính vòng xoắn |
A |
11 |
Xoắn phải 32,7o |
2,56 Ǻ |
23 Ǻ |
B |
10 |
Xoắn phải 36,0o |
3,38 Ǻ |
19 Ǻ |
C |
9 và1/3 |
Xoắn phải 38,6o |
3,32 Ǻ |
19 Ǻ |
… |
… |
… |
… |
… |
Z |
12 |
Xoắn trái 30, 0o |
3,71 Ǻ |
18 Ǻ |
·
Mỗi mạch đơn là một trình tự base khác nhau. Như
vậy mỗi mạch đơn mang thông tin khác với mạch kia.
·
Hai mạch đơn liên kết với nhau bởi một quan hệ
bổ sung. Chính quan hệ này giúp giải thích được cấu trúc chặt chẽ của phân tử
ADN, đặc biệt là phương cách tự tái bản để tạo ra hai phân tử con giống hệt
nhau từ một phân tử mẹban đầu.
Ý
nghĩa của cấu trúc chuỗi xoắn kép
Phân tử ADN thường có cấu trúc
chuỗi xoắn kép. Cấu trúc này là một cấu trúc ổn định:
·
Trong chuỗi xoắn kép, các đường pentose và các
nhóm phosphate xoay ra ngoài, hình thành liên kết hydro với nước đảm bảo tính
ổn định cho phân tử.
·
Chuỗi xoắn kép cho phép các base purine và
pyrimidine có cấu trúc phẳng xếp chồng khít lên nhau bên trong phân tử ADN, hạn
chế sự tiếp xúc của chúng với nước. Nếu hai đơn tách rời nhau, các base kị nước
sẽ phải tiếp xúc với nước, điều này sẽ đặt chúng vào một tình thế bất lợi,
không ổn định.
·
Hai mạch đơn bắt cặp với nhau nhờ các liên kết
bổ sung giữa một bên là purine (A và G cùng kích thước lớn) và bên kia là
pyrimidine (T và C cùng kích thước bé hơn). Điều này đảm bảo cho hai mạch đơn
luôn đi song song.
·
Mỗi phân tử ADN có một số lượng liên kết hydro
rất lớn nên dù chuyển động nhiệt có làm phá vỡ các liên kết nằm hai đầu phân tử
thì hai mạch đơn vẫn được gắn với nhau bởi các liên kết ở vùng giữa. Chỉ trong
những điều kiện rất khắc nghiệt, ví dụ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sinh lý nhiều
lần, thì mới có sự phá vỡ đồng thời quá nhiều liên kết hydro khiến phân tử bị
biến tính, không còn giữ được cấu hình ban đầu.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét