Tế bào là một hỗn hợp phức tạp nhiều chất hữu cơ và chất vô cơ.Tế bào là một hỗn hợp phức tạp nhiều chất hữu cơ và chất vô cơ. Chất hữucơ gồm :- Prôtêin có cấu trúc phức tạp gồm các nguyên tố : Cacbon (C), ôxi (O), hiđrô (H), nitơ (N), lưu huỳnh(S), phôtpho (P), trong đó N là nguyên tố đặc trưng cho chất sống.- Gluxit gồm 3 nguyên tố là C, H, O trong đó tỉ lệ H : O luôn luôn là 2H : 1 O.- Lipit cũng gồm 3 nguyên tố là C, H, O trong đó tỉ lệ H : O thay đổi tuỳ loại lipit.- Axit nuclêic gồm 2 loại: ADN (axit đêôxiribônuclêic) và ARN (axit ribônuclêic). Chất vô cơ bao gồmcác loại muối khoáng như canxi (Ca), kali (K), natri (Na), sắt (Fe), đóng (Cu)... Các hợp chất cơ bản của tế bào: Nước, các hợp chất vô cơ, các hợp chất hữu cơ, khí hòa tan.
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: Hδ+ - Oδ- - Hδ+ 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.
Trong tế bào ngoài nước còn có nhiều chất vô cơ khác: acid, base, các ion có vai trò quan trọng trong cấu trúc và hoạt động sinh lý của tế bào. Ví dụ: Fe. Cu, Mn là thành phần của các enzyme; Các muối hòa tan là yế tố quan trọng trong sự hấp thu nước của tế bào.
Trong nguyên sinh cất của tế bào có chứa các khí hoa tan: CO2, O2,
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: α-glucose hay β-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 (β-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 Cellulose Cellulose là nguyên liệu chính của vách tế bào thực vật, có đơn phân cấu trúc là β-glucose. Các monomer liên kết với nhau bằng liên kết β-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 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. Ví dụ: Một gram dầu mỡ chứa năng lượng gấp đôi một gram carbohydrate. Phosphol ipid 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 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 α (α-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 α thường tìm thấy trong các protein hình cầu và một số protein hình sợi. Cấu trúc tấm gấp nếp β (β-pleated sheet), thường gọi là gấp β, 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 đốisong song (antiparallel). Các tấm β 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 α, gấp β 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 α và hai chuỗi globin β. 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 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 Nitrogenous (amine) base Các base của ADN và ARN có cấu trúc dị vòng (heterocyclic) thơm. Các purine có cấu trúc hai vòng, gồm adenine (A) và guanine (G). Các pyrimidine có cấu trúc một vòng, gồm cytosine (C), thymine (T) và uracil (U). A, G. C tìm thấy trong cả hai loại nucleic acid, thymine tìm thấy trong DNA và uracil được tìm thấy trong ARN. Thymine khác với uracil ở chỗ có thêm một nhóm methyl ở vị trí số 5, vì vậy thymine chính là 5-methyluracil. 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 kếtglycoside. 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. Chuỗi xoắn kép ADN 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
Từ các dữ kiện về cấu trúc chuỗi xoắn kép của ADN cho ta hai khái niệm cơ bản:
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:
|
