bài giảng sinh học đại cương về công nghệ hóa dầu và công nghệ hóa hữu cơ

Khái niệm về công nghệ sinh họcSinh học phân tử Nghiên cứu tế bào về đặc tính hóa lý, cấu trúc, các cơ quan trong tế bào, các môi tương quan giữa tế bào với môi trường, chu trình sống,

SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

Công nghệ hóa dầu Công nghệ hóa hữu cơ

Khái niệm về công nghệ sinh học

Sinh học phân tử

Nghiên cứu tế bào về đặc tính hóa

lý, cấu trúc, các cơ quan trong tế bào, các môi tương quan giữa tế bào với môi trường, chu trình sống, phân chia

và chết đi

Nghiên cứu về các quá trình hóa

học trong các cơ thể sống, đặc biết

quan tâm đến cấu trúc và chức

năng của các thành phần tế bào

Nghiên cứu về sinh học ở cấp độ

phân tử, mối tương quan giữa các hệ

thống khác nhau của tế bào, bao gồm

các tương tác giữa DNA, RNA và

protein; điều hòa các mối tương tác

Công nghệ sinh học: bất cứ một kỹ thuật nào sử dụng các hệ thống sinh học, các cơ thể sống

hoặc các dẫn xuất của nó để tạo ra hoặc thay đổi các sản phẩm hoặc các quá trình cho mục

đích riêng được xem là công nghệ sinh học

Mối quan hệ giữa công nghệ sinh

học và dầu mỏ

 Quá trình khai thác và sản xuất dầu mỏ:

xác định và mô tả tính chất của các nguồn

hydrocacbon một cách đặc hiệu.

 N âng cấp chất lượng dầu :

- Tăng giá trị năng lượng của dầu

- Tăng khả năng vận chuyển của dầu

- Giảm khả năng ô nhiễm khi sử dụng các

sản phẩm từ dầu

- Tăng khả năng tách và recovery dầu

 X ử lý giếng dầu:

- Giảm quá trình đóng cặn

- Giảm quá trình hydrate hóa

- Giảm quá trình ăn mòn

 Xử lý rò rỉ, ô nhiễm và tràn dầu

 Các ứng dụng mới của các vi sinh

chịu được các môi trường khắc nghiệt

Ưu - nhược điểm

 Ưu điểm:

- Thân thiện với môi trường

- Tiến hành trong các điều kiện làm việc nhẹ nhàng (áp suất, nhiệt

- Các con đường năng lượng và tốc độ phản ứng.

- Tốc độ phản ứng cần thiết đạt được trong các lò phản ứng sinh học

để đủ tiêu chuẩn cho các sản phẩm thương mại.

SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

Chương I: Khái niệm chung về tế

bào và vi sinh vật (VSV)

Khái niệm về tế bào

 Khái niệm: tế bào - là đơn vị cơ bản của tất cả các vật liệu sống

- là một hệ thống sống

Chuyển hóa Sinh sản Biệt hóa Trao đổi thông tin Tiến hóa

Các đặc tính phổ biến của tế bào sống

Phân loại tế bào

a- Lactococcus lactics e- Tế bào tảo xanh

b- Methanosarcina f- Tế bào thần kinh của tiểu não

c- Tế bào máu g- Tế bào biểu mô

d- Trứng h- Tế bào thực vật

SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

Chương II: Các đại phân tử

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

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

Nucleotit và các tiền

Tổng quan về thành phần tế bào (cont.)

phú sau protein do hàng nghìn ribosome trong mỗi tế bào và các dạng RNA khác (mRNA, tRNA, rRNA)

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.

trong nước Nước có đầy đủ các đặc tính để trở thành một dung môi sinh học lý tưởng

Đặc tính quan trọng của nước đối

với tế bào

cực, đóng vai trò trong việc vận chuyển các phân tử ra và vào tế bào thông qua màng tế bào chất.

tử và nguyên tử.

cơ chất không phân cực tụ họp lại với nhau.

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

Protein- Vai trò

 Vai trò

 Giá trị dinh dưỡng: hợp phần chủ yếu và quyết định trong khẩu phần thức ăn

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

Protein (cont.) – Axit amin

Protein (cont.) – Phân loại axit amin

(20 axit amin phổ biến)

Axit amin không phân cực

Axit amin phân cực Axit amin ion

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

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 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

Cấu trúc bậc 2

Cấu trúc bậc 3

Cấu trúc bậc 4

Cấu trúc bậc 1

+ 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

Protein (cont.) – Tính chất

 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)

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

 Protein đơn giản: cấu tạo chỉ chứa các axit amin

- Metaloprotein: nhóm ngoại là kim loại

- Nucleoprotein: nhóm ngoại là axit nucleic

- Cromoprotein: nhóm ngoại là nhóm mang màu

- Lipoprotein: nhóm ngoại là lipit

Protein (cont.) – Phân loại

Hydrat cacbon

 Định nghĩa: hydrat cacbon = saccarit

= đường là các dẫn xuất của aldehyt

Monosaccarit –Cấu tạo

( nhóm cacbon nằm (nhóm cacbon nằm tại bất cứ tại cuối

chuỗi là: aldehyt) vị trí nào là: xeton)

Một số đường D-Aldose

Một số đường D-Ketose

Monosaccarit –Cấu tạo (cont.)

D-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)

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

Cấu trúc vòng furan

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)

 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 )

- Heteropolysaccarit: cấu tạo

từ hai hay nhiều gốc đơn vị

Polysaccarit – Tinh bột (cont.)

Tinh bột + -amylaza Dextrin phân tử lượng thấp + Maltoza + Glucoza Tinh bột + -amylaza Maltoza + Dextrin có phân tử lượng cao

- Thủy phân bằng axit: tạo 100% glucose

Axit nucleic

 Khái niệm: Axit nucleic

(deoxyribonucleic axit – DNA

PO43-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

Axit nucleic – Mô hình Watson & Click

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

hoocmon, chất vận chuyển điện tử, tác nhân truyền thông tin nội bào

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

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 thu ộc 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

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

Lipid cấu trúc - Glycerophospholipid

Sinh học đại cương

Chương III: Enzym

Một số khái niệm chung

 1700: tiêu hóa thitj nhờ dịch chiết trong dạ dày

 1800: chuyển hóa tinh bột thành đường nhừ nước dịch chiết thực vật

 1850 - Louis Pasteur: quá trình lên men đường thành rượu của nấm men xảy ra nhờ một nhân tố gọi là men Men không thể tách ra khỏi cấu trúc

tế bào sống

 1897- Eduard Buchner: dịch chiết nấm men có khả năng lên men đường thành rượu Men có thể tách ra khỏi tế bào

 1956 – Summer: tách và kết tinh urease Urease mang bản chất Protein

 1930 – John Northrop và Moses Kunitz: tách và tinh chế các enzym tiêu hóa mang bản chất protein

- Enzym mang bản chất protein

- Tăng tốc độ phản ứng lên 10 mũ 20 lần nhưng không bị tiêu thụ hoặc thay đổi khi xúc tác

- Mục đích giúp chuyển hóa thức ăn thành năng lượng và các vật liêụ mới

Cấu trúc enzym

 Định nghĩa: Enzym là các phân tử protein có

chức năng xúc tác sinh học

 Enzym đơn cấu tử: thành phần cấu tử chỉ bao

gồm các protein đơn giản

 Enzym lưỡng cấu tử: bao gồm 2 thành phần

 Phần Protein (nhóm nội, apoenzym)

- Cấu tạo: từ các axit amin

- Tính chất:không bền nhiệt

- Chức năng: tăng hiệu lực xúc tác và quyết định

tính đặc thù của enzym

 Phần nhóm ngoại

- Cấu tạo: không mang bản chất protein

 Ion vô cơ

 Phức hữu cơ (vitamin): là các chất vận chuyển

tạm thời các nhóm chức năng đặc hiệu, là một

phần trong cấu trúc trung tâm hoạt động của

enzym

- Tính chất: kích thước nhỏ, bền nhiệt

- Chức năng:trực tiếp tham gia vào phản ứng xúc

Vitamin Dạng coenzym Nhóm vận chuyển Enzym tương

ứng

carboxylase Axit pantothenic

và các hợp chất Coenzym A Các nhóm acyl Acetyl-CoA carboxylase Vitamin B12 5'-

Deoxyadenosyl cobalamin (coenzym B12)

Các nguyên tử H và các nhóm acyl Methylmalonyl-CoA mutase

Riboflavin (vitamin B2) Flavin adenin dinucleotit

(FAD)

Electron, các nguyên tử H Succinate

dehydrogenase

Axit nicotinic (niacin) Nicotinamide adenin

dinucleotit (NAD)

Ion H (: H -) Alcohol

dehydrogenase

Danh pháp và phân hạng

 Danh pháp

- Danh pháp thông thường: cơ chất + ase

- Danh pháp quốc tế: cơ chất + kiểu phản ứng + ase

- Kí hiệu: EC1234

1: Chỉ enzym thuộc nhóm lớn nào

2: Chỉ enzym thuộc nhóm phụ nào

3: Chỉ enzym thuộc phân nhóm phụ nào

4: Chỉ số thứ tự

 Phân hạng: 6 nhóm phản ứng

- Oxidoredutase (xúc tác các phản ứng oxi hóa khử)

VD: Alcohol dehydrogenase: chuyển hóa rượu thành aldehyt hoặc keton

- Transferase (xúc tác các phản ứng vận chuyển các nhóm chức năng)

VD: Aminnotransferase: phân hủy axit amin bằng cách loại bỏ nhóm amin

- Hydrolase (x úc tác các phản ứng thủy phân )

VD: Glucose-6-phosphatase: loại nhóm phosphate khỏi glucose-6-phosphate, tạo glucose và H3PO4

- Lyase (xúc tác các phản ứng tạo liên kết đôi)

VD: Pyruvate decarboxylase: loại bỏ CO2 khỏi pyruvate

- Isomerase (xúc tác các phản ứng đồng phân hóa học)

VD: Ribul ose phosphate epimerase: chuyển hóa giữa ribulose 5-phosphate và xylose-5-phosphate

Cấu tạo trung tâm hoạt động

 Khái niệm: trong quá trình xúc tác

chỉ một phần nhỏ phân tử enzym

tham gia kết hợp với cơ chất và

chuyển hóa thành sản phẩm – trung

tâm hoạt động của enzym

 Cấu tạo: bao gồm 1 số nhóm chức

năng của axit amin không tham gia

Một số quan niệm về trung tâm hoạt

động của enzym

 Quan niệm của Fisher (1894)

- Trung tâm họat động vốn sẵn có

và cứng nhắc

Enzym: ổ khóa

Cơ chất: chìa khóa

 Quan niệm của Kosland (1958)

- Trung tâm hoạt động của enzym

được hình thành trong quá trình

kết hợp với cơ chất và đây là

một cấu trúc mềm dẻo, linh động

- Cơ chất quyết định cuối cùng

đến hình dáng của enzym

Enzym: găng tay

Cơ chất: bàn tay