Kiến thức trọng tâm
Các nguyên tố hoá học cấu tạo nên tế bào
– Có khoảng 25 nguyên tố tham gia cấu tạo nên cơ thể sống : C, H, O, N, Ca, S, Mg,…
– C, H, O, N là 4 nguyên tố chính (96% khối lượng cơ thể).
C có vai trò quan trọng tạo sự đa dạng cho hợp chất hữu cơ (vì nguyên tố C có hóa trị 4 → có thể hình thành 4 liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử khác. Đặc điểm này cho phép hình thành 1 mạch C dài và tạo nên các loại phân tử có mức độ phức tạp khác nhau)
* Có 2 nhóm nguyên tố
| Nội dung | Nguyên tố đại lượng | Nguyên tố vi lượng |
| Chiếm tỉ lệ % khối lượng cơ thể sống | ≥ 0,01% khối lượng cơ thể sống | < 0,01% khối lượng cơ thể sống |
| Ví dụ | C, H, O, N, Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg… | F, Cu, Fe, Mn, Zn, Mo… |
| Vai trò | – Cấu tạo nên các đại phân tử hữu cơ protein, lipid, đường, nucleic acid | – Cấu tạo enzyme, hormone…→điều tiết quá trình trao đổi chất trong TB. |
– Trong TB , các nguyên tố không tồn tại một cách riêng rẽ mà liên kết với nhau theo những cách nhất định tạo ra các phân tử vô cơ và hữu cơ. Đề hình thành nên các phân tử hữu cơ các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị bền vững.
Các chất vô cơ trong tế bào
Nước và vai trò của nước trong tế bào
Cấu tạo của phân tử nước
– 1 nguyên tử oxygen liên kết với 2 nguyên tử hydrogen bằng liên kết cộng hoá trị → công thức hoá học của nước: H2O.
– Phân tử nước có 2 đầu tích điện trái dấu do đôi điện tử trong liên kết bị kéo lệch về phía O (do độ âm điện của nguyên tử oxygen > độ âm điện của nguyên tử H) → Phân tử nước có tính phân cực
– Tính phân cực là đặc tính quan trọng quy định các chức năng của phân tử nước trong tế bào
– Các phân tử nước liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen
+ Nước thường: liên kết hydrogen liên tục hình thành và phá vỡ → các phân từ nước đứng gần nhau.
+ Nước đá: liên kết hydrogen kéo căng, bền vững → các phân từ nước đứng xa nhau.
Vai trò của nước
– Nước liên kết có vai trò bảo vệ cấu trúc TB.
– Là dung môi hoà tan nhiều chất .(các phân tử nước có tính phân cực nên hình thành liên kết hydrogen với các chất)
– Là môi trường và là nguyên liệu tham gia các phản ứng sinh hóa.
– Điều hòa nhiệt độ cho TB, cơ thể sinh vật cũng như môi trường.(có sự hấp thụ và giải phóng nhiệt khi liên kết hydrogen bị phá vỡ và hình thành)
Các đại phân tử hữu cơ trong tế bào
Carbohydrate (Đường)
– Là hợp chất hữu cơ chỉ chứa 3 nguyên tố là : C, H, O
Công thức chung là: (CH2O)n.
VD: C6H12O6
– Cấu tạo theo nguyên tắc đa phân
– Đơn phân: chủ yếu đường đơn 6 cacbon có 3 loại: Glucose, fructose, galactose
– Phân loại đường:
| Tiêu chí | Đường đơn | Đường đôi | Đường đa |
| Cấu trúc | 1 đơn phân (chứa từ 3 đến 7 nguyên tử C) | 2 đơn phân liên kết với nhau bằng liên kết glycoside | Nhiều đơn phân liên kết với nhau bằng liên kết glycoside. |
| Đại diện | – Triose: Glyceraldehyde – Pentose: Ribose, deoxyribose -Hexose: Glucose, fructose | Sucrose Lactose Mantose | glycogen, tinh bột, cellulose, chitin |
| Tính chất | – Có vị ngọt nhẹ, tan trong nước – Có tính khử mạnh (Dùng dung dịch pheelinh để thử tính khử của đường đơn → kết tủa đỏ gạch) | – Có vị ngọt , tan trong nước | – Không có vị ngọt , không tan trong nước |
| Chức năng | – Cung cấp năng lượng cho TB và cơ thể. – Là thành phần cấu tạo nên disaccharide, polysaccharide và nhiều chất khác.( Đường pentose → nucleic acid) | – Là đường ở dạng vận chuyển được cơ thể sử dụng làm chất dự trữ cacbon và năng lượng | – Là nguồn năng lượng dự trữ của TB và cơ thể (VD: Tinh bột ở TV, Glycogen ở ĐV) – Cấu tạo TB và các bộ phận của cơ thể ( VD: Cellulose, chitin) – Carbohydrate liên kết với prôtêin → glicoprotein là những bộ phận cấu tạo nên các thành phần khác nhau của TB |
Lipid
a. Tính chất chung
– Là nhóm chất hữu cơ kỵ nước (không tan trong nước) mà tan trong dung môi hữu cơ như benzen, ether, acetone…
– Là hợp chất hữu cơ chỉ chứa 3 nguyên tố là : C, H, O nhưng tỉ lệ oxygen thấp hơn carbohydrate
– Không được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân.
b. Các dạng lipid
| Đặc điểm | Cấu trúc | Chức năng |
| Triglyceride Dầu – mỡ | – 1 phân tử glycerol + 3 acid béo + Mỡ ĐV : Chứa nhiều acid béo no + Dầu TV: Chứa nhiều acid béo không no | – Dự trữ năng lượng cho TB và cơ thể. – Ở động vật, lớp mỡ có tác dụng làm lớp đệm cách nhiệt và đệm cơ học. – Giúp hấp thu các vitamin A, D, E, K. |
| Phospholipid | – 1 phân tử glycerol + 2 acid béo + 1 nhóm phosphate → đầu ưa nước và đuôi kị nước. | – Cấu tạo nên các loại màng tế bào |
| Steroid | Chứa các nguyên tử kết vòng như côlesterol, hormone giới tính | – Cholesterol: tham gia cấu tạo màng sinh chất động vật. – Hormone steroid như cortisol, estrogen, testosterone: điều hòa trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản của cơ thể. |
| Sắc tố và vitamin | Sắc tố: diệp lục, carôtênôit… – Vitamin A, D, E, K. | – Tham gia vào các hoạt động sống của TB |
Protein
a. Cấu trúc của protein
* Cấu trúc hoá học
– Protein được cấu tạo từ các nguyên tố : C, H, O, N
– Protein có cấu trúc đa phân tử mà đơn phân là các amino acid ( khoảng 20 loại aa)
+ 1 aa có 3 thành phần : Nhóm carboxyl, nhóm amino, gốc R (CxHy)
+ aa thay thể (Sinh vật tự tổng hợp được) ; aa không thay thế (con người và động vật không tự tổng hợp được nhưng cần thiết cho hoạt động sống nên phải nhận từ nguồn thức ăn)
– Các aa liên kết với nhau bằng liên kết peptide tạo nên chuỗi polypeptide
– Protein rất đa dạng nhưng được đặc thù bởi số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp các aa
* Cấu trúc không gian của Protein
| Bậc | Cấu trúc của Protein |
| 1 | Là trình tự sắp xếp đặc thù của các loại aa trong chuỗi polypeptide (mạch thẳng) và được ổn định bằng liên kết peptide. |
| 2 | Cấu trúc bậc 1 co xoắn lại hoặc gấp nếp nhờ liên kết hydrogen giữa các nguyên tử H và O của các liên kết peptide |
| 3 | Cấu trúc bậc 2 tiếp tục co xoắn tạo nên cấu trúc không gian 3 chiều đặc trưng nhờ các liên kết disulfide, liên kết hydrogen, liên kết ion… |
| 4 | 2 hay nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc không gian 3 chiều đặc trưng liên kết với nhau tạo nên. |
b.Chức năng của protein
– Cấu tạo nên TB và cơ thể.
– Dự trữ các aa
– Vận chuyển các chất : Hb
– Bảo vệ cơ thể : Kháng thể.
– Thu nhận thông tin : thụ thể trong tế bào
-Xúc tác: enzyme
c. Đặc tính của protein
* Protein có khả năng biến tính và hồi tính
– Biến tính Protein
+ Là sự phá hủy cấu trúc không gian 3 chiều của protein→ Protein trở về cấu trúc bậc 1 → Protein bị mất chức năng sinh học.
+ Tác nhân gây biến tính: nhiệt độ cao, độ pH…
– Hồi tính Protein
Protein sau khi bị biến tính có thể trở về trạng thái cấu hình không gian như ban đầu.
Vì cấu hình không gian của protein rất phức tạp nên khi chịu tác động của nhiệt độ cao thì cấu hình không gian thay đổi lớn và hầu hết các protein bị biến tính về nhiệt độ đều không có khả năng hồi tính.
* LƯU Ý : Sự sai lệch về số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp các aa trong chuỗi polipeptit → có thể làm thay đổi cấu trúc và hoạt tính của protein → có thể gây bệnh tật cho con người.
Nucleic acid
Deoxyribonucleic acid (DNA)
a. Cấu trúc của DNA
* Cấu trúc hóa học
– DNA cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân là nucleotide.
– Cấu trúc 1 nucleotide gồm 3 thành phần:
+) 1 phân tử đường pentose (5C): C5H10O4
+) 1 phân tử axit phosphoric: H3PO4
+) 1 trong 4 loại nitrogenous base: A (T, G , C)
– Có 4 loại nucleotit : A, T, G, C
– Các nucleotide liên kết với nhau bằng liên kết phosphodieste (lk cộng hóa trị) giữa nhóm phosphate của Nu này với đường của Nu kia → chuỗi polynucleotide có chiều xác định (3׳→5׳ và 5׳→3׳)
– Phân tử DNA đa dạng bởi số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp của các Nu
(Phân tử DNA đặc thù bởi trình tự sắp xếp các Nu ,tỉ lệ A + T/ G+C, hàm lượng DNA trong TB…)
– Mỗi trình tự xác định Nu trên DNA mã hóa cho 1 sản phẩm nhất định (Protein , RNA) gọi là 1 gen, trên phân tử DNA có rất nhiều gen.
* Cấu trúc không gian
– Theo Watson – Crick (cấu trúc không gian)
+ Phân tử DNA là 1 chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch polynucleotide song song và ngược chiều nhau
+ Các nucleotide đối diện trên 2 mạch đơn liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen theo NTBS:
A chỉ liên kết với T (T – A) = 2 liên kết hydrogen.
G chỉ liên kết với C (C – G) = 3 liên kết hydrogen.
Liên kết hydrogen là liên kết yếu nhưng phân tử DNA có rất nhiều liên kết hydrogen →phân tử DNA khá bền nhưng linh hoạt để thực hiện chức năng.
– Phân tử DNA gồm nhiều chu kỳ xoắn, mỗi chu kỳ xoắn có đk: 2nm gồm 10 cặp nuclêôtit và dài 34A0
– Ở TB nhân sơ, DNA có cấu trúc dạng mạch vòng ; phân tử DNA ở SV nhân chuẩn có cấu trúc dạng mạch thẳng.
b. Chức năng DNA
– Mang, bảo quản và truyền đạt TTDT.
+ TTDT là số lượng, thành phần, trật tự sắp xếp các nuclêôtit trong ADN quy định số lượng thành phần trật tự sắp xếp các aa trong phân tử Prôtêin.
(Trong DNA, cứ 3 Nu đứng liền nhau trên 1 mach→ 1 bô ba mã hóa 1 aa. Nhiều bộ 3 hợp lại → 1 gen quy đinh trình tự aa trong chuỗi polypeptide)
+TTDT được bảo quản rất chặt chẽ trên DNA : Những sai sót trên phân tử DNA hầu hết được hệ thống enzyme sửa sai trong TB sửa chữa.
Nhưng dưới tác động của các nhân tố gây đột biến DNA cũng bị đột biến → cung cấp nguyên liệu cho tiến hóa và chọn giống
+ TTDT được truyền từ TB này → TB khác nhờ cơ chế tự nhân đôi của DNA
| Dịch mã |
| Phiên mã |
DNA RN A Protein
* Đặc tính của DNA
DNA có khả năng biến tính và hồi tính
– Dưới tác động của nhiệt độ cao hoặc các yếu tố hóa học gây biến tính như kiềm, ure…phân tử DNA sợi kép tách thành 2 mạch đơn.
+ Nhiệt độ tách DNA thành 2 mạch đơn gọi là nhiệt độ nóng chảy của DNA. Ở những phân tử DNA có tỉ lệ A + T / G + C càng thấp thì lượng liên kết hidro càng lớn nên nhiệt độ nóng chảy càng cao, nhiệt độ nóng chảy của DNA được tính theo công thức
Tm = 69,3 + 0,41 (%G + %C)
+ Khi hạ nhiệt độ từ từ thì DNA sợi đơn lại liên kết trở lại (theo nguyên tắc bổ sung) thành DNA sợi kép. Sự liên kết trở lại gọi là hồi tính. Hiện tượng hồi tính của DNA được ứng dụng để lai phân tử (Lai DNA với DNA, lai DNA với RNA, lai RNA với RNA) khoa học đã sử dụng lai phân tử để xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài, xác định vị trí của 1 gen nào đó trên NST…
Ribonucleic acid (RNA)
a. Cấu trúc của RNA
– RNA có cấu trúc đa phân mà đơn phân là nuclêôtit.
– Cấu trúc 1 nuclêôtit gồm 3 thành phần:
+ 1 phân tử đường ribozse (5C): C5H10O5
+ 1 phân tử axit phosphoric : H3PO4
+ 1 trong 4 loại nitrogenous base A (U, G, C)
– Có 4 loại nucleotit: A, U, G, C
– RNA chỉ được cấu tạo từ một chuỗi pôlinuclêôtit nhưng nhiều đoạn của 1 phân tử RNA có thể bắt đôi bổ sung với nhau → các đoạn xoắn kép cục bộ.
– Có 3 loại RNA chính:
+ RNAthông tin (mRNA): Cấu trúc là 1 chuỗi polynucleotide ở dạng mạch thẳng, có trình tự các nucleotide đặc biệt để ribosome có thể nhận biết ra chiều của TTDT và tiến hành dịch mã.
+ RNA vận chuyển (tRNA): Có cấu trúc 3 thùy. Có đoạn các cặp Nu liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung ( A – U, G – C). Mỗi phân tử tRNA có 1 đầu tự do mang aa và 1 thùy mang bộ ba đối mã đặc hiệu với aa mà nó vận chuyển.
+ RNA ribosome (rRNA): Có những vòng xoắn cục bộ
b. Chức năng của RNA
– mRNA: Truyền TTDT từ DNA đến protein.
– rRNA cùng với protein cấu tạo nên ribosome.
– tRNA vận chuyển aa đến ribosome để tổng hợp protein.
Sau khi thực hiện xong chức năng của mình các RNA bị các enzyme phân huỷ thành nucleotide.
* Lưu ý :
– Đối với một số virut , RNA được dùng làm vật chất mang TTDT
– Ngoài 3 loại RNA trên còn có các loại RNA có khối lượng rất bé có chức năng xúc tác gọi là lizozym và các loại RNA điều hòa hoạt động của gen
Các đặc tính của vật chất mang TTDT
Vật chất mang TTDT cần có 4 đặc tính cơ bản sau :
– Có khả năng lưu giữ thông tin di truyền ở dạng bền vững cần cho việc cấu tạo, sinh sản và hoạt động của TB.
– Có khả năng sao chép chính xác để TTDT có thể được truyền từ thế hệ này → thế hệ khác
– TTDT chứa đựng trong vật chất di truyền phải được dùng để tạo ra các phân tử cần cho cấu tạo và hoạt động của TB.
– Vật liệu phải có khả năng bị biến đổi, những thay đổi này (đột biến) chỉ xảy ra ở tần số thấp và đột biến đố phải có khả năng truyền lại cho đời sau.
→ Trong 4 đại phân tử thì chỉ có DNA mới có đủ 4 đặc điểm trên → DNA là vật chất DT ở cấp độ phân tử
Câu hỏi vận dụng và nâng cao
1. Căn cứ vào đâu để chia các nguyên tố trong cơ thể sống thành nguyên tố đại lượng và vi lượng ? Sự khác nhau của 2 nhóm nguyên tố trên ?
2. Tại sao nói Carbon là nguyên tố đặc biệt quan trọng cấu tạo nên các đại phân tử hữu cơ ?
3. Vai trò của nước đối với tế bào và cơ thể ? Tại sao khi tìm sự sống trên các hành tinh các nhà khoa học lại tìm xem trên hành tinh đó có nước hay không ?
4. Nước đá khác với nước thường như thế nào ? Vì sao nước đá lại nhẹ hơn nước thường?
5. Dựa vào đặc điểm cấu tạo và tính chất của nước, hãy giải thích các hiện tượng sau:
a. Khi bảo quả rau, hoa quả tươi người ta chỉ bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh chứ không bảo quản trong ngăn đá ?
b. Khi cơ thể đang ra mồ hôi, nếu có gió thổi sẽ mát hơn ?
c. Trên bề mặt của bên ngoài cốc nước đựng đá thường có các giọt nước hình thành ?
d. Một số loài như nhện nước, gọng vó có thể đứng, chạy trên nước ?
e. Tại sao khi Ăn quả nhã đã để trong tủ lạnh thì ta có cảm giác ngọt hơn quả nhãn mới hái từ trên cây
g. Vì sao nước là dung môi tốt ? Hãy minh họa bằng hình vẽ?
h. Các đặc tính nào đảm bảo cho nước có vai trò quan trọng đối với sự sống? Đặc tính nào quan trọng nhất?
6. Đặc điểm nào về cấu tạo giúp Cellulose thực hiện được chức năng là cấu trúc lí tưởng cho thành tế bào thực vật?
7. Cơ thể người không thể tiêu hóa cellulose (chất xơ) nhưng tại sao trong khẩu phần ăn cellulose lại là 1 thành phần quan trọng ?
8.Tại sao tinh bột và glycogen được sử dụng làm chất dự trữ ? Hai chất này có ưu thế gì hơn so với chất dự trữ có bản chất là lipid ?
9. Tại sao chất dự trữ carbohydrate ở thực vật và động vật lại khác nhau ? Hãy giải thích sự khác nhau đó ?
10. Tại sao TB thực vật không dự trữ glucose mà thường dự trữ tinh bột ?
11. Tại sao TB động vật không dự trữ năng lượng dưới dạng tinh bột mà dự trữ dưới dạng mỡ ?
12. Chức năng của protein ? Vì sao protein có thể tham gia vào hầu hết các chức năng trong TB ?
13. Vì sao khi nấu canh cua (cua giã nhỏ và được lọc lấy nước để nấu canh) thì có hiện tượng đóng lại từng mảnh và nổi lên trên mặt nước ?
14. Phân biệt các bậc cấu trúc của protein? Bậc cấu trúc nào là bền nhất? Bậc cấu truc nào quan trọng nhất? Giải thích.
15. Hãy cho biết các đặc điểm cấu trúc của DNA giúp chúng thực hiện được chức năng mang, bảo quản và truyền đạt TTDT ?
16. Hãy giải thích tại sao DNA lại được chọn để thực hiện chức năng lưu giữ, bảo quản, truyền đạt thông tin di truyền ở hầu hết sinh vật chứ không phải là RNA?
17. Loại RNA nào là đa dạng nhất? Loại RNA nào có số lượng nhiều nhất trong tế bào nhân thực? Giải thích?
18. Trong các vật chất dưới đây: Tinh bột, glicogen, lipid, protein, DNA, cellulose, nhiễm sắc thể. Vật chất nào có tính đặc thù? Yếu tố nào quyết định tính đặc thù của các vật chất đó?
19. Có 3 dung dịch để trong phòng thí nghiệm. Dung dịch 1 chứa DNA, dung dịch 2 chứa amylase, dung dịch 3 chứa glucose. Người ta đun nhẹ ba dung dịch này đến gần nhiệt độ sôi, rồi làm nguội từ từ về nhiệt độ phòng. Hãy cho biết mức độ biến đổi về cấu trúc xảy ra sâu sắc nhất ở hợp chất nào? Vì sao?
20.Trong tế bào có các đại phân tử sinh học: cellulose, phospholipid, NDA, tinh bột và protein.
a. Những phân tử nào ở trên có liên kết hidro hình thành? Vai trò của các liên kết hydrogen trong cấu trúc các hợp chất trên?
b. Chất nào không có cấu trúc đa phân ? Chất nào không có trong lục lạp của tế bào?
*********