Nội Dung Chính
(Trang 28)
YÊU CẦU CẦN ĐẠT
• Nêu được khái niệm phân tử sinh học.
• Trình bày được thành phần cấu tạo và vai trò của các phân tử sinh học.
• Phân tích được mối quan hệ giữa cấu tạo và chức năng của các phân tử sinh học.
• Nêu được một số nguồn thực phẩm cung cấp các phân tử sinh học cho cơ thể.
• Vận dụng được kiến thức về các phân tử sinh học để giải thích các hiện tượng và ứng dụng trong thực tiễn (giải thích vai trò của DNA trong việc xác định huyết thống và truy tìm tội phạm,...).
| Thừa cân, béo phì là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến bệnh tiểu đường, tim mạch cùng nhiều bệnh nguy hiểm khác cho con người. Vậy làm thế nào có thể giảm thiểu nguy cơ này để có được cuộc sống khoẻ mạnh? |
I. KHÁI NIỆM VÀ THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA 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. Trong đó, protein, carbohydrate và nucleic acid là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân gồm nhiều đơn phân hợp thành. Vì vậy, những loại phân tử sinh học này có kích thước rất lớn và được gọi là các polymer.
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. Bộ khung hydrocarbon có khả năng liên kết với các nhóm chức khác nhau (như nhóm amino, carboxyl,..) tạo ra vô số các hợp chất với các đặc tính hoá học khác nhau.
| DỪNG LẠI VÀ SUY NGẪM 1. Phân tử sinh học là gì? 2. Nêu những đặc điểm chung của các phân tử sinh học. |
(Trang 29)
II. CÁC PHÂN TỬ SINH HỌC
1. Carbohydrate – chất đường bột
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 
a) Đường đơn
Đường đơn có 6 nguyên tử carbon, gồm ba loại chính là glucose, fructose và galactose (H 5.1). Các loại đường đơn này có hai chức năng chính: (1) dùng làm nguồn cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào; (2) dùng làm nguyên liệu để cấu tạo nên các loại phân tử sinh học khác.
|
Glucose |
Galactose |
Fructose |
Hình 5.1. Đường glucose, galactose và fructose tồn tại trong môi trường nước thường có cấu trúc dạng vòng và tồn tại ở các dạng không gian khác nhau làm cho chúng có các đặc tính vật lí, hoá học khác nhau
b) Đường đôi
Đường đôi được hình thành do hai phân tử đường đơn liên kết với nhau (sau khi loại đi một phân tử nước) bằng một liên kết cộng hoá trị (được gọi là liên kết glycosidic). Hai phân tử glucose liên kết với nhau tạo nên đường đôi maltose, trong khi một phân tử glucose liên kết với một phân tử galactose thành đường lactose. Đường đôi sucrose được cấu tạo từ một phân tử glucose và một phân tử fructose (H 5.2).
a)
b)
Hình 5.2. Đường đôi được hình thành khi hai đường đơn liên kết cộng hoá trị với nhau bằng cách loại đi một phân tử nước
(a – đường sucrose; b – đường maltose)
(Trang 30)
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 (do đường đôi sẽ không bị phân giải trong quá trình vận chuyển). Ví dụ: Glucose được tổng hợp từ lá cây, sau đó liên kết với nhau thành đường đôi sucrose rồi vận chuyển đến các bộ phận khác nhau của cây. Đường lactose là đường sữa, được sản xuất để cung cấp cho các con non.
| c) Đường đa Đường đa là loại polymer được cấu tạo từ hàng trăm tới hàng nghìn phân tử đường đơn (phần lớn là glucose). Đường đa hay còn gọi là đường phức, bao gồm các loại: tinh bột, glycogen, cellulose, chitin. Đường đa có chức năng chính là dự trữ năng lượng và làm nguyên liệu cấu trúc nên một số thành phần của tế bào. – Tinh bột: Tinh bột là loại carbohydrate được 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 (H 5.3a). Nhìn chung, các loại tinh bột có cấu trúc ít phân nhánh. |
Amylopectin
Amylose (a) Tinh bột |
b) Glycogen
(c) Cellulose |
Hình 5.3. Cấu trúc của cellulose, glycogen và tinh bột
– Glycogen: Glycogen được cấu tạo từ nhiều phân tử glucose kết hợp lại nhưng phân tử này phân nhánh rất mạnh (H 5.3b) 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. Ở người và các loài động vật, glycogen được tổng hợp chủ yếu ở gan, cơ và được dùng làm nguồn năng lượng dự trữ ngắn hạn (trong ngày).
– Cellulose: Phân tử cellulose được cấu tạo từ các phân tử đường glucose liên kết với nhau tạo thành mạch thẳng, không phân nhánh. Nhiều phân tử cellulose liên kết với nhau tạo thành bó sợi dài nằm song song có cấu trúc vững chắc (H 5.3c). Cellulose là thành phần chính cấu tạo nên thành tế bào của thực vật.
Con người không tiêu hoá được cellulose nhưng cellulose lại giúp ích trong tiêu hoá thức ăn. Cellulose kích thích các tế bào niêm mạc ruột tiết ra dịch nhầy làm cho thức ăn được di chuyển trơn tru trong đường ruột, đồng thời cellulose cũng cuốn trôi những chất cặn bã bám vào thành ruột ra ngoài. Vì thế, nếu trong khẩu phần ăn có quá ít cellulose sẽ rất dễ bị táo bón.
– Chitin: Chitin là một loại đường được cấu tạo từ nhiều đơn phân là phân tử glucose hoặc galactose đã được gắn thêm nhóm chức amino thành glucosamine hoặc galactosamine. Chitin là loại đường cấu tạo nên bộ khung xương ngoài của nhiều loài như tôm, cua, nhện và thành tế bào của nhiều loài nấm.
Mặc dù carbohydrate có vai trò quan trọng trong tế bào và cơ thể nhưng nếu chúng ta ăn quá nhiều có thể dẫn đến mắc các bệnh như béo phì, tiểu đường, gan nhiễm mỡ,...
(Trang 31)
| DỪNG LẠI VÀ SUY NGẪM 1. Nêu đặc điểm cấu trúc và chức năng chính của các loại carbohydrate. 2. Con người thường ăn những bộ phận nào của thực vật để lấy tinh bột? 3. Tại sao nên ăn nhiều loại rau xanh khác nhau trong khi thành phần chính của các loại rau là cellulose – chất mà con người không thể tiêu hoá được? |
2. Lipid – Chất béo
Lipid là một nhóm chất rất đa dạng về cấu trúc nhưng có đặc tính chung là kị nước. Các loại mỡ động vật, hormone sinh dục (như testosterone, estrogen), dầu thực vật, phospholipid, một số sắc tố, sáp và một số loại vitamin đều là lipid. Sở dĩ lipid không hoặc rất ít tan trong nước vì chúng chứa một lượng lớn các liên kết C – H không phân cực, tạo nên các sợi dài và chứa ít nguyên tử oxygen. Vì rất đa dạng về cấu trúc nên chức năng của các loại lipid cũng rất khác nhau.
Nguồn chất béo cung cấp cho con người rất đa dạng, có thể từ mô mỡ của các loài động vật, dầu thực vật lấy từ nhiều loại hạt, quả khác nhau như lạc, vừng,... Việc sử dụng đa dạng các nguồn thực phẩm là rất quan trọng với sức khoẻ, khi ăn uống mất cân đối giữa các thành phần chất béo có thể gây ra nhiều bệnh tật.
| a) Mỡ và dầu Loại lipid thường gặp là dầu và mỡ, được cấu tạo gồm một phân tử glycerol liên kết với ba phân tử acid béo (H 5.4). Các phân tử acid béo trong cùng một phân tử triglyceride có thể khác nhau, vì thế đặc tính hoá học của các loại triglyceride cũng khác nhau. Ở nhiệt độ phòng, dầu tồn tại ở dạng lỏng do chúng chứa các acid béo không no, còn mỡ ở trạng thái rắn do chúng chứa các acid béo no. Dầu và mỡ là chất dự trữ năng lượng của tế bào và cơ thể. Cơ thể người và động vật dự trữ mỡ trong các tế bào, mỡ phân bố dưới da và nhiều vùng khác trong cơ thể. Lớp mỡ dưới da cũng là lớp cách nhiệt giữ ấm cho cơ thể người và nhiều loài động vật xứ lạnh. Những động vật sống ở sa mạc như lạc đà sử dụng mỡ ở các bướu làm nguồn cung cấp nước nên chúng có thể đi trong sa mạc nhiều ngày mà không cần uống nước. Trong tế bào, |
Hình 5.4. Cấu trúc của acid béo và mỡ: (a) Acid béo bão hoà (acid béo no) (b) Acid béo không bão hoà (acid béo không no) (c) Glycerol liên kết với các acid béo bão hoà tạo nên mỡ hay bơ |
(Trang 32)
các phân tử lipid cũng là thành phần cấu tạo nên các phân tử như lipoprotein đảm nhận nhiều chức năng khác nhau. Ngoài ra, dầu và mỡ còn là dung môi hoà tan nhiều loại vitamin quan trọng với cơ thể như vitamin A, D, E, K,...
Mặc dù có vai trò rất quan trọng với tế bào và cơ thể nhưng ăn quá nhiều dầu, mỡ với các thành phần acid béo không có lợi sẽ làm tăng nguy cơ mắc bệnh béo phì, máu nhiễm mỡ, gây xơ vữa động mạch dẫn đến bệnh tim mạch và các bệnh khác có hại cho sức khoẻ.
Vì vậy, cần có chế độ ăn vừa đủ chất béo, phối hợp cân đối giữa mỡ động vật và dầu thực vật sẽ giúp con người giảm được những nguy cơ trên.
b) Phospholipid
Phospholipid là một loại chất béo phức tạp, được cấu tạo từ một phân tử glycerol liên kết với hai acid béo ở một đầu, đầu còn lại liên kết với nhóm phosphate 
. Nhóm phosphate thường liên kết với một nhóm, được gọi là choline, tạo thành phosphatidylcholine (H 5.5a).
Hình 5.5. Cấu trúc của phospholipid (a); phospholipid cấu trúc nên màng tế bào (b)
Vùng ưa nước
Choline
Phosphate
Glycerol
Đuôi kị nước
Chuỗi acid béo
Phospholipid
Glycoprotein
Chuỗi carbohydrate
Phân cực
Không phân cực
Phân cực
Cholesterol
Với cấu trúc như vậy, phospholipid được xem là một phân tử lưỡng cực, một đầu có phosphatidylcholine có tính ưa nước và hai đuôi acid béo kị nước. Nhờ có cấu trúc đặc biệt như vậy, phospholipid có vai trò quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc màng của các loại tế bào (H 5.5b).
c) Steroid
Steroid là một loại lipid đặc biệt, không chứa phân tử acid béo, các nguyên tử carbon của chúng liên kết với nhau tạo nên 4 vòng (H 5.6).
(Trang 33)
Hình 5.6. Cấu trúc cholesterol (a); testosterone (b) và estrogen (c)
Steroid bao gồm nhiều loại như cholesterol, testosterone, estrogen, vitamin D và cortisone,... Cholesterol là thành phần quan trọng của màng tế bào, đồng thời cũng là chất tiền thân để tạo nên testosterone và estrogen là những hormone phát triển các đặc điểm khác biệt giữa nam và nữ. 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.
Có hai loại lipoprotein trong máu mà chúng ta quan tâm khi đi khám sức khoẻ là HDL (high - density lipoprotein) và LDL (low - density lipoprotein). HDL là loại lipoprotein mật độ cao, có chức năng vận chuyển cholesterol tới gan, làm giảm lượng cholesterol trong máu nên được gọi là cholesterol “tốt”. LDL là loại lipoprotein mật độ thấp, mang cholesterol tới các mạch máu. Khi lượng LDL trong máu cao, chúng sẽ không xâm nhập hết vào các tế bào mà tích tụ lại trong mạch máu tạo ra các mảng bám làm hẹp mạch máu, dẫn đến tăng nguy cơ mắc các bệnh tim mạch và đột quỵ. Do đó, LDL thường được gọi là cholesterol “xấu”. Vì vậy, nếu ăn quá nhiều thức ăn chứa cholesterol (đồ chiên rán, nội tạng động vật,...) khiến lượng LDL vượt ngưỡng cho phép sẽ làm gia tăng nguy cơ mắc các bệnh nói trên, gây nguy hiểm tới tính mạng.
d) Carotenoid
Carotenoid là nhóm sắc tố màu vàng cam ở thực vật có bản chất là một loại lipid. 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.
| DỪNG LẠI VÀ SUY NGẪM 1. Chất béo là gì? Nêu một số chức năng của dầu, mỡ, phospholipid và steroid. 2. Đặc điểm nào về mặt cấu trúc hoá học khiến phospholipid là một chất lưỡng cực? 3. Khi ăn cà chua hoặc hành chưng trong mỡ, cơ thể người có thể hấp thụ được những loại vitamin gì? Giải thích. |
| EM CÓ BIẾT Tại sao thức ăn nhanh và nước ngọt chế biến sẵn lại có hại cho sức khoẻ? Những đồ ăn nhanh đóng gói sẵn như bánh ngọt, kẹo, đồ chiên, nướng rất hấp dẫn bởi mùi vị, màu sắc, độ ngọt, vị béo ngậy đặc biệt của chúng. Trong quá trình sản xuất các loại thực phẩm này, người ta thường cho thêm phẩm màu nhân tạo, chất làm tăng hương vị để tăng độ hấp dẫn và thời gian bảo quản. Giá trị dinh dưỡng của thức ăn nhanh lại rất thấp vì chứa nhiều carbohydrate, chất béo, ít protein, ít vitamin và khoáng chất cần thiết cho cơ thể. Không những thế, nhiều loại thực |
(Trang 34)
| phẩm chế biến sẵn còn chứa chất béo trans, một loại chất béo được các nhà sản xuất tạo ra bằng cách hydrogen hoá một phần các acid béo không bão hoà, làm biến đổi tính chất hoá học giống như các acid béo bão hoà để bảo quản thực phẩm được lâu hơn. Ăn nhiều chất béo trans sẽ dễ dẫn đến xơ vữa động mạch, làm tăng nguy cơ bị các bệnh tim mạch. Đồ uống chế biến sẵn có nhiều đường fructose để tăng độ ngọt. Ăn nhiều fructose cũng như glucose không những làm tăng nguy cơ gan nhiễm mỡ, tiểu đường, béo phì mà quá trình phân giải fructose ở gan còn tạo ra nhiều uric acid rất có hại cho cơ thể. |
3. Protein – chất đạm
a) Chức năng của protein
Trong cơ thể, protein có rất nhiều chức năng, có thể nói protein tham gia vào hầu hết tất cả các hoạt động sống của tế bào. Một số chức năng của protein được trình bày dưới đây:
– 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 qua các tác nhân như vi khuẩn, virus,...
– 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.
Với các chức năng trên, 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.
Vậy, cấu trúc của protein có gì đặc biệt khiến chúng có thể đảm nhận nhiều chức năng như vậy?
| b) 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 liên kết với một nhóm amino 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. |
Hình 5.7. Cấu trúc chung của amino acid Nhóm amino Nhóm carboxyl Nhóm R |
, một nhóm carboxyl (–COOH), một nguyên tử H và một chuỗi bên còn gọi là nhóm R (H 5.7).
(Trang 35)
| Nhiều amino acid liên kết với nhau tạo nên một chuỗi các amino acid được gọi là chuỗi polypeptide. Có 20 loại amino acid tham gia cấu tạo nên các protein. Trong số này có 9 loại amino acid không thay thế vì cơ thể người không tự tổng hợp được mà phải lấy từ thức ăn. Từ 20 loại amino acid có thể tạo ra vô số loại chuỗi polypeptide khác nhau về số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp các amino acid. Trình tự các amino acid của protein có tính đặc thù và quyết định chức năng của protein. |
Cấu trúc bậc 1
Cấu trúc bậc 3 và bậc 4 |
Gấp nếp ß
Xoắn α Cấu trúc bậc 2 |
| Hình 5.8. Các bậc cấu trúc của protein | ||
Chức năng của protein còn phụ thuộc vào các bậc cấu trúc của nó. Protein có 4 bậc cấu trúc (H 5.8):
– 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 polypeptid 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.
– Hai hay nhiều chuỗi polypeptid liên kết với nhau tạo nên cấu trúc bậc 4.
Cấu trúc không gian của protein (bậc 3 và bậc 4) được duy trì nhờ các liên kết yếu như liên kết hydrogen, tương tác kị nước, tương tác Van der Waals và liên kết cộng hoá trị S – S (disulphide) cũng như liên kết ion (H 5.9).
Hình 5.9. Các liên kết hoá học duy trì cấu trúc không gian của protein
Liên kết hydrogen
Cầu disulphide
Chuỗi polypeptide
Tương tác kị nước và tương tác Van der Waals
Liên kết ion
Cấu trúc không gian của protein bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường. Khi điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, áp suất, nồng độ ion trong dung dịch thay đổi đến một mức độ
(Trang 36)
nào đó sẽ làm đứt gẫy các liên kết yếu khiến cấu trúc không gian ba chiều của protein bị thay đổi, khi đó, người ta nói protein bị biến tính và mất chức năng sinh học. Dựa vào đặc điểm biến tính của protein, chúng ta có thể điều chỉnh một số yếu tố môi trường để tiêu diệt các loại vi sinh vật làm hỏng thức ăn bằng cách đun chín, ướp muối, nhúng giấm thực phẩm, khử trùng bằng cồn 70°,...
| DỪNG LẠI VÀ SUY NGẪM 1. Các amino acid khác nhau ở những đặc điểm nào? 2. Protein có những chức năng gì? Đặc điểm cấu trúc nào giúp protein có chức năng rất đa dạng? 3. Bậc cấu trúc nào đảm bảo protein có được chức năng sinh học? Các liên kết yếu trong phân tử protein có liên quan gì đến chức năng sinh học của nó? 4. Tại sao chúng ta nên bổ sung protein cho cơ thể từ nhiều loại thức ăn khác nhau mà không nên chỉ ăn một vài loại thức ăn dù những loại đó rất bổ dưỡng? |
Bình Luận
Để Lại Bình Luận Của Bạn