Chuyên đề hóa học của sự SỐNG chương trình dành cho học sinh khối chuyên sinh THPT

Cấu tạo nguyên tố cacbon Cacbon có vị trí ở ô thứ 6, nhóm IVA, chu kỳ 2 trong bảng tuần hoàn hóa họcCấu hình electron của nguyên tử cacbon là: 1s2 2s2 2p2, lớp ngoài cùng có 4electron,

HỘI CÁC TRƯỜNG THPT CHUYÊN VÙNG DUYÊN HẢI VÀ ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ

CHUYÊN ĐỀ

HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG (THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO)

TÁC GIẢ: CAO XUÂN PHAN TRƯỜNG THPT CHUYÊN BIÊN HÒA

PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU

Trong hành trình phát triển của nền giáo dục Việt Nam, hệ thống cáctrường THPT chuyên ngày càng khẳng định được vị thế quan trọng của mìnhtrong việc phát hiện, tuyển chọn và bồi dưỡng nhân tài, chắp cánh những ước

mơ bay cao, bay xa tới chân trời của tri thức và thành công Đối với các trườngTHPT chuyên, công tác học sinh giỏi luôn được đặt lên hàng đầu, là nhiệm vụtrọng tâm của mỗi năm học

Hội thảo khoa học các trường THPT chuyên Khu vực Duyên Hải vàĐồng bằng Bắc Bộ là một hoạt động bổ ích diễn ra vào tháng 11 thường niên.Đây là dịp gặp gỡ, giao lưu, học hỏi, trao đổi kinh nghiệm giảng dạy, phát hiện,tuyển chọn và bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế giữa cáctrường THPT chuyên trong khu vực Nhiều năm qua, các đợt Hội thảo khoa họcbước đầu đã đem đến những hiệu ứng tốt, tác động không nhỏ đến công tác bồidưỡng học sinh giỏi và chất lượng đội tuyển học sinh giỏi quốc gia của cáctrường Chuyên Tuy nhiên cho đến nay, những câu hỏi như: Dạy cái gì ? Dạynhư thế nào vẫn còn đang chờ Trả lời

Năm 2014 là năm thứ 7, Hội thảo khoa học của Hội các trường THPTchuyên Khu vực Duyên hải và Đồng bằng Bắc Bộ được tổ chức tại trườngTHPT chuyên VĨnh Phúc, tỉnh Vĩnh Phúc cho tất cả các môn có học sinh dự thichọn HSG quốc gia, trong đó có môn Sinh học Tại Hội thảo lần này, môn sinhhọc với mong muốn làm nhiều hơn nữa nguồn tư liệu dạy và học cho học sinhTHPT chuyên với 2 chủ đề: Cân bằng nội môi và hóa học của tế bào (hóa họccủa sự sống), đây là 2 chuyên đề không mới nhưng thực sự khó đối với nhữngngười làm công tác giảng dạy Bởi lẽ đây là 2 chủ đề có tính xuyên suốt quátrình dạy sinh học ở nhà trường phổ thông nói chung và trường THPT chuyênnói riêng

Với mong muốn được đi tìm Trả lời cho câu hỏi “Dạy cái gì?” Phần hóahọc của sự sống; tôi mạnh dạn nghiên cứu, sưu tầm và soạn thảo chueyen đềHóa học của sự sống để đóng góp ý kiến của mình vào nội dung của Hội thảo

Phần viết của tôi chắc chưa làm hài lòng các Thầy cô giáo, và hy vọngrằng nó sẽ được mang ra thảo luận trong Hội thảo để được sáng tỏ hơn

Xin trân trọng cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp của các thầy, cô!

PHẦN THỨ 2: NỘI DUNG MỤC TIÊU 1

1 Kiến thức

- Phân loại được các nguyên tố hóa học cấu tạo tế bào

- Nêu được vai trò và các nhận biết sự thiếu hụt một số nguyên tố hoá học cấutạo tế bào: N, P, K, Ca, Mo, Bo, Mn,Mg…

- Nêu được cấu trúc phân tử nước và nước và giải thích được các đặc tính lý hóacủa nước

- Trình bày được cấu trúc các đại phân tử hữu cơ : Pr, L, G, Axit nucleic

- Nhận biết và phân tích vai trò các loại liên kết hoá học chủ yếu trong tế bào:Liên kết hoá trị, liên kết hidro, liên kết pép tit, liên kết glucozit, Vandec van,photpho dieste…

- Nhận biết các loại chất hoá học trong tế bào bằng các phản ứng đặc trưng

- Trình bày được cấu trúc và chức năng của ATP Giải thích được vì sao ATP làđồng tiền năng lượng của tế bào

- Nêu được khái niệm enzyme Giải thích được cơ chế tác động của enzyme,danh pháp quốc tế (cách gọi tên enzyme), cấu trúc enzyme, cơ chế hoạt động,nhân tố ảnh hưởng, vai trò enzyme trong chuyển hóa vật chất của tế bào

I VẬT CHẤT ĐƯỢC CẤU TẠO TỪ NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC

1 Nguyên tố hóa học

1.1 Sơ lược cấu tạo nguyên tố hóa học

1 Trích Chuẩn kiến thức kỹ năng phần Sinh học tế bào cho học sinh chuyên Sinh học THPT

1.1.1 Cấu tạo chung về nguyên tố hóa học

Nguyên tố hóa học là tập hợp các nguyên tử có điện tích hạt nhân (Z) bằng nhau

và phân bố electron giống nhau ở các lớp và phân lớp(2)

Nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất vẫn giữ được các đặc tính của nguyên tố hóahọc Mỗi nguyên tử được cấu tạo bởi ba loại hạt cơ bản là neutron, proton vàelectron

+ Hạt neutron trung tính về điện;

+ Hạt proton mang điện tích dương;

+ Hạt electron mang điện tích âm

Các hạt proton và neutron là lõi củanguyên tử, các hạt electron tạo ra các đámmây bao quanh hạt nhân

Các neutron và proton có khối lượng bằngnhau (3) Khối lượng của electron bằng1/2000 dalton nên khi tính khối lượngnguyên tử ta có thể bỏ qua khối lượng củaelectron Các nguyên tử của các nguyên tốkhác nhau thì khác nhau về số lượng hạtdưới nguyên tử

Hình 1: Mô hình cấu trúc nguyên

tử Heli

a Các electron (vùng mày xanh) giống như đám

mây điện tích âm

b Các electron được mô hình hóa bằng 2 hình cầu

nhỏ mang điện tích âm quay quanh hạt nhân.

1.1.2 Các đặc tính của nguyên tố hóa học phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử của nó

Tất cả các nguyên tử của 1 nguyên tố thì có số hạt proton giống nhau Trongtrường hợp 1 nguyên tử nào đó có số hạt neutron lớn hơn số hạt neutron của cácnguyên tử khác của cùng nguyên tố đó thì được gọi là các chất đồng vị củanguyên tố đó (4) Trong tự nhiên các nguyên tố tồn tại dưới dạng hỗn hợp cácchất đồng vị của chúng Ví dụ: nguyên tố Cacbon chất đồng vị phổ biến là 12C(99%), 13C (gần 1%) còn lại là đồng vị phóng xạ 14C Mặc dù chúng có khốilượng hơi khác nhau nhưng chúng hoạt động như nhau trong các phản ứng hóahọc 12C và 13C là các chất bền vững, 14C không bền vững nên có tính phóng xạ5.Nghiên cứu các chất đồng vị phóng xạ là 1 trong những phương pháp rất hữu

2 Từ điển bách khoa hóa học trẻ – NXB Mir Maxcova (1990) – Trang 240

3 Khối lượng hạt notron khoảng 1,7x10 -24 gam gần bằng 1 dalton (Dalton là nhà khoa học Anh, Ông đã giúp phát triển thuyết nguyên tử vào những năm 1800).

4() Chất đồng vị là những chất có cùng vị trí trong Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học nhưng chúng có số hạt neutron khác nhau.

5 () Các nguyên tố có nguyên tử không bền vững tức là hạt nhân của chúng có xu hướng mất đi các hạt và

dụng trong nghiên cứu Sinh học phân tử và trong nghiên cứu con đường vậnchuyển các chất trong trao đổi chất 6

1.1.3 Năng lượng của electron và tính chất hóa học của nó

Các nguyên tử khi tương tác với nhau tạo thành nguyên tố, các hạt nhân củachúng không đến được đủ gần để tương tác với nhau mà chỉ có hạt electron là cóthể tương tác được với nhau giữa các nguyên tử

Các electron của nguyên tử có số năng lượng thay đổi (7), mỗi electron có có mộtlượng năng lượng nhất định; thế năng của electron được xác định bởi mức nănglượng của nó Mức năng lượng của electron tương quan với khoảng cách trung bìnhtính từ hạt nhân, các electron càng gần hạt nhân thì thì có thế năng càng nhỏ

Các electron có khả năng hấp thụ thêm năng lượng, khi đó nó sẽ nhảy sang lớp

xa hạt nhân hơn và khi nó bị mất năng lượng thì nó lại trở về lớp gần hạt nhân hơnkhi đó năng lượng mất đi thường giải phóng vào môi trường ở dạng nhiệt (8)

1.1.4 Sự phân bố electron và tính chất hóa học

Tính chất, mức độ hoạt động hoá học của một nguyên tố phụ thuộc vào sự phân

bố của các lớp electron của nguyên tử, đặc biệt là lớp electron ngoài cùng (9) Cácelectron ngoài cùng gọi là các electron hoá trị và lớp ngoài cùng là lớp electronhoá trị

Tính hoạt động hoá học của 1 nguyên tử có nguồn gốc từ sự có mặt của cácelectron không có đôi ở một hoặc nhiều quĩ đạo của lớp electron

1.2 Các nguyên tố quan trọng của sự sống

Có khoảng 25 trong tổng số 92 nguyên tố được biết là quan trọng đối với sựsống Trong đó 4 nguyên tố cácbon (C), hidro (H), oxy (O2) và nitơ (N) chiêm96% vật chất sống Phốt pho (P), lưu huỳnh (S), canxi (Ca), kali (K) và cácnguyên tố khác chiếm 4% còn lại trọng lượng tế bào/cơ thể Mỗi loại nguyên tốchứa một hàm lượng nhất định và có chức năng khác nhau trong tế bào

6 () Các nhà khoa học sử dụng các chất đồng vị phóng xạ để đánh dấu các hợp chất hóa học nhất định, tạo ra các chất đánh dấu để có thể theo dõi quá trình trao đổi chất hoặc định vị hợp chất trong cơ thể.

7 () Năng lượng là khả năng gây ra biến đổi ví dụ như sinh công

8 () Ví dụ: ánh sáng mặt trời kích thích các electron trên bè mặt 1 tấm sắt lên mức năng lượng cao hơn Khi các electron quay lại mức năng lượng cũ, bề mặt của tấm sắt tỏa nhiệt Năng lượng đó có thể truyền vào không khí hoặc đến tay chúng ta nều chúng ta sờ vào nó.

9 Các nguyên tử có cùng số electron ở lớp ngoài cùng thì có cùng hoạt động hoá học Các nguyên tử có lớp electron hoá trị hoàn chỉnh (bão hoà) thì không sẵn sàng hoạt động hoá học với nguyên tử khác (Argon, Heli, Neon…) và ngược lại.

Dựa vào hàm lượng của nó trong tế bào người ta chia làm 2 nhóm chính:nhóm nguyên tố đa lượng và nhóm nguyên tố vi lượng.

1.2.1 Nguyên tố đa lượng

Hàm lượng các nguyên tố này lớn hơn 0,01% khối lượng khô của tế bào.Trong các nguyên tố hoá học có trong tế bào thì người ta mới chứng minh đượcvai trò của hơn 20 nguyên tố Các nguyên tố đa lượng thường gặp: C H O N

S P K Na Mg Cl Fe

Lượng chứa các nguyên tố đa lượng có tới 99,95% chất sống của tế bào.Các nguyên tố kết hợp với nhau tạo thành các hoá chất hữu cơ rất đa dạng

1.2.2 Nguyên tố vi lượng

Nguyên tố hoá học mà hàm lượng của nó nhỏ hơn 0,01% khối lượng khôcủa tế bào thì được gọi là nguyên tố vi lượng Mặc dù hàm lượng rất nhỏ trong

tế bào nhưng các nguyên tố vi lượng lại có vai trò rất to lớn, ảnh hưởng trực tiếptới các hoạt động sinh lý của tế bào Các nguyên tố vi lượng thường tham giavào cấu trúc các enzim xúc tác cho các phản ứng sinh hoá trong tế bào; các chấtđiều tiết sinh trưởng (hoocmon); các chất bảo vệ cơ thể (kháng thể)

1.2.3 Các dạng tồn tại của nguyên tố hoá học trong tế bào

Trong tế bào các nguyên tố hóa học tồn tại ở 2 dạng:

+ Dạng tự do (chủ yếu ở dạng ion hòa tan trong tế bào chất : Na+, K+, Cl-

+ Dạng liên kết với các thành phần cấu tạo của tế bào: Liên kết bề mặt (bề mặtcác hạt keo hoặc bề mặt các tổ chức màng tế bào) hoặc liên kết chặt trong các hợpchất hữu cơ: Mg++ trong Chlorophin, Fe trong Hemoglobin, Mo, Fe trong EnaimNitrogenaza, S trong axit amin, P trong Axit nucleic (ADN, ARN )

1.2.4 Vai trò của một số nguyên tố hóa học với sự sống

TT Nguyêntố

Ion phổbiến trong

tế bào Vai trò sinh lý đối với tế bào và cơ thể

1 Can xi Ca 2+ Tham gia cấu tạo bộ xương của cơ thể

Ổn định cấu trúc màng tế bàoTham gia vào quá trình co cơ và đông máu

2 Phốt pho HPO - Tham gia cấu tạo xương

Thành phần cấu tạo của nhiều phân tử hữu cơ(axit nucleic, Protein phức tạp, ATP,NADPH2 )

Hình thành cầu nối đisulfit (- S- S -), có vai trò

ổn định cấu trúc bậc của prôtein

7 Sắt Fe2+ , Fe3+ Thành phần của hemoglobin (Hb) và hệ thống

enzim xitocrom

8 Hyđro Tồn tại

trong các hợp chất hữu cơ và nước

Tham gia cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ vànước

Tham gia cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ vànước

Oxy nguyên tử tham gia oxy hoá các chất hữu

cơ giải phóng năng lượng cung cấp cho hoạtđộng sống của tế bào

Thành phần tham gia vào cấu tạo nên hoocmôn tyrozin

- Thiếu nó gây bệnh bướu cổ

11 Đồng Cu 2+ Đây là các nguyên tố vết, thường là các

côfactor tham gia cấu tạo enzim

(ví dụ Cu2+ là côfactor của xitocrom ôxydaza)

12 Mangan Mn2+

14 Coban Co Tham gia cấu tạo vitamin Bcoenzim của enzim sinh hồng cầu Thiếu nó sẽ12 VTMB12 là

gây bệnh thiếu máu ác tính

2.2 Hợp chất

Là chất được cấu tạo từ hai hoặc nhiều nguyên tố kết hợp lại theo một tỷ lệnhất định Ví dụ muối ăn (natri clorit - NaCl) là hợp chất được cấu tạo từ 1nguyên tử natri và 1 nguyên tử clorine; nước (H2O) là hợp chất được cấu tạo từ

1 nguyên tử Oxy và 2 nguyên tử Hidro

Hình 2: Những đặc tính nổi trội của hợp chất Natri kim loại kết hợp với khí Clo (là 1 loại khí cực độc) tạo nên muối ăn (là một loại chất không độc)

Khi các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành hợp chất thì tính chất hóa họccủa đơn chất sẽ bị thay đổi Ví dụ: Natri tinh khiết là 1 kim loại kiềm, Clo tinhkhiết là 1 loại khí cực độc còn NaCl lại là một loại muối ăn thông thường củangười và động vật

3 CACBON – NGUYÊN TỐ TẠO NÊN BỘ XƯƠNG SỐNG CHO CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ

3.1 Cấu tạo nguyên tố cacbon

Cacbon có vị trí ở ô thứ 6, nhóm IVA, chu kỳ 2 trong bảng tuần hoàn hóa họcCấu hình electron của nguyên tử cacbon là: 1s2 2s2 2p2, lớp ngoài cùng có 4electron, nên trong các hợp chất, nguyên tử cacbon có thể tạo được tối đa 4 liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác

Các số oxy hóa của cacbon là - 4, 0, +2 và +4

3.2 Các nguyên tử cacbon có thể tạo ra nhiều loại phân tử bằng cách liên kết với bốn nguyên tử khác

Chìa khoá mở ra các đặc tính hoá học của nguyên tử là cấu hình electroncủa nó Cấu hình electron xác định loại và số lượng liên kết mà nguyên tử đó sẽtạo ra với các nguyên tử khác

Cacbon có cấu trình electron 1s2 2s2 2p2 , như vậy nó có thể cho hoặc nhận 4electron để hoàn chỉnh lớp hoá trị của nó và trở thành ion Trong thực tế, cacbonthường hoàn chỉnh lớp hoá trị bằng cách góp chung 4 electron với các nguyên tửkhác trong các liên kết cộng hoá trị để có 8 electron

Như vậy mối nguyên tử cacbon có thể hoạt động như điểm giao cắt để từ đóphân tử có thể phân nhánh theo nhiều nhất là 4 hướng Tính hoá trị 4 của nguyên

tử cacbon là một trong những linh hoạt của cacbon để tạo ra các đại phân tử,phức tạp (Hình 3)

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc của 3 hợp chất cacbon đơn giản nhất

Cấu hình electron của cacbon cho phép nó tương hợp hoá trị với nhiềunguyên tử khác Trong số đó, nguyên tử C thích hợp nhất với các nguyên tử O,

H, N Chúng ta hãy xem xét sự liên kết của C với các nguyên tử khác thông qua

2 ví dụ sau:

Ở cacbon dioxide (CO2), một nguyên tử C liên kết với 2 nguyên tử O bằng 2liên kết đôi: O = C = O Hai nối đôi tương ứng với bốn liên kết cộng hoá trị đơn

Sự sắp xếp đó đã hoàn chỉnh lớp hoá trị của mọi nguyên tử trong phân tử

Ở urê, CO (NH2)2, một nguyên tử C tham gia vào liên

kết cộng hoá trị đơn và đôi

Urê và cacbon dioxide là những phân tử có 1 nguyên tử

C, trong tự nhiên nguyên tử C cũng có thể sử dụng một

hoặc nhiều electron hoá trị để tạo liên kết cộng hoá trị với

các nguyên tử C khác, kết nối các nguyên tử C lại với nhau

thành chuỗi đa dạng dường như không giới hạn

Hình 4: Công thức cấu tạo phân tử của Urê

3.3 Tính đa dạng của các hợp chất C bắt nguồn từ bộ khung xương C

Các chuỗi cacbon hình thành nên bộ xương hầu hết các phân tử hữu cơ Những

bộ xương đó có độ dài khác nhau và có hình dạng khác nhau (thẳng, nhánh,vòng, phức hợp, nối đơn, nối đôi…) Những biến dạng bộ khung xương cacbon

là nguồn quan trọng tạo nên tính phức tạp và đa dạng, đặc trưng của vật chấtsống (Hình 5)

B CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC PHÂN TỬ PHỤ THUỘC VÀO LIÊN KẾT HOÁ HỌC

I Liên kết hóa học

1 Khái niệm về liên kết hóa học

Liên kết hóa học là lực hấp dẫn giữa các nguyên tử với nhau Sự kết tụ củacác nguyên tử thành một khối có kích thước xác định được gọi là phân tử

Các liên kết hóa học được phân loại dựa trên một số đặc tính như lực liênkết, số liên kết, góc liên kết …(10)

a Dạng mạch thẳng

chỉ có liên kết đơn

b Dạng mạch thẳng

có liên kết đôi

10 Các liên kết hóa học được phân loại dựa trên một số đặc tính như:

+ Lực liên kết: Các liên kết mạnh hầu như không bao giờ tự đứt gãy trong điều kiện sinh lý cơ thể, vì vậy các nguyên tử được

tập hợp bởi các liên kết cộng hóa trị luôn thuộc về cùng một phân tử Các liên kết yếu thì dễ đứt gãy hơn nhiều và khi tồn tại đơn lẻ, thời gian tồn tại của chúng thường rất ngắn Nhưng, khi tập hợp lại theo một trật tự nhất định thì các liên kết yếu có thể tồn tại lâu dài Lực của một liên kết hóa học tương quan với "chiều dài" của chúng Vì vậy, hai nguyên tử được giữ bởi liên kết mạnh luôn gần nhau hơn hai nguyên tử cùng loại được giữ bởi liên kết yếu

+ Số liên kết tối đa mà mỗi nguyên tử có thể tạo ra: Số liên kết cộng hóa trị tối đa mà một nguyên tử có thể có được gọi là hóa

trị của nguyên tử đó Ví dụ: oxy có hóa trị 2, nghĩa là nó không bao giờ hình thành được nhiều hơn hai liên kết cộng hóa trị

+ Góc liên kết: đó là góc được hình thành giữa hai liên kết xuất phát từ cùng một nguyên tử Góc liên kết giữa hai

liên kết cộng hóa trị đặc thù thường là ổn định Ví dụ như khi nguyên tử cacbon có bốn liên kết cộng hóa trị đơn (CH4), mỗi liên kết tạo thành một góc của khối tứ diện đều (góc liên kết ≈ 109 o ) Ngược lại, góc tạo thành giữa các liên kết yếu thường không ổn định.

+ Mức quay tự do: Các liên kết cộng hóa trị đơn cho phép các nguyên tử quay tự do xung quanh nguyên tử liên kết, trong khi

các liên kết cộng hóa trị kép (liên kết đôi hoặc liên kết ba) thì cứng nhắc Vì lý do này, nên các nhóm cacbonyl (C=O) và imino (N=C) gắn kết với nhau qua liên kết peptide phải nằm trên cùng một "mặt phẳng tương đối" Các liên kết yếu hơn (như

c Dạng phân nhánh

Dạng mạch vòng

Hình 5: Các biến dạng của bộ khung cacbon

2 Liên kết hóa học trong các đại phân tử Sinh học

11 Sự chia sẻ các electron có thể được biểu diễn bàng nhiều cách khác nhau: dùng dấu chấm tượng trưng cho các electron ở lớp ngoài cùng, cũng có thể dùng dấu (-) tượng trưng cho 1 cặp electron, hoặc biểu diễn dưới dạng cấu trúc không gian

Hình 6: Sự hình thành liên kết cộng hoá trị trong phân tử Hidro

Khi 2 hay nhiều nguyên tử giống nhau liên kết với nhau tạo thành một phân

tử đơn chất của nguyên tử đó Trường hợp 2 hay nhiều nguyên tử khác nhau liênkết với nhau thì sẽ tạo nên 1 phân tử chất mới được gọi là hợp chất

Khả năng hút electron của 1 loại nguyên tử nhất định được gọi là độ âm điện

của nó Một nguyên tử có độ âm điện càng lớn thì nó càng kéo mạnh cácelectron dùng chung về phía nó 12

12 Trong các liên kết cộng hoá trị, 2 nguyên tử của cùng 1 nguyên tố có lực kéo các electron dùng chung là ngang bằng nhau tạo ra liên kết cộng hoá trị không phân cực (O 2 , H 2 ) Trong trường hợp khác, khi một nguyên tử có độ âm điện nhỏ liên kết với 1 nguyên tử có độ âm điện lớn thì các đôi electron dùng chung sẽ

bị nguyên tử có độ âm điện lớn kéo lệch về chúng tạo ra liên kết hoá trị phân cực (H 2 O) Oxy là trong số nguyên tử có độ âm điện cao nhất trong số tất cả các nguyên tử (điều này chúng ta sẽ gặp lại trong cấu trúc

(a) Hai nguyên tử Hidrogen có thể hình thành liên kết đơn (b) Hai nguyên tử Oxy cùng chia sẻ hai cặp electron để hình thành lên liên kết đôi

(c) Hai nguyên tử Hidrogen và 1 nguyên tử Oxy cùng chia sẻ hai cặp electron để hình thành lên 2 liên kết cộng hoá trị tạo ra phân

tử nước.

(d) Bốn nguyên tử Hidrogen và 1 nguyên tử Cacbon cùng chia sẻ bốn cặp electron để hình thành lên 4 liên kết cộng hoá trị tạo ra phân tử Metan.

Hình 7: Liên kết hoá trị ở 4 loại phân tử Hidro, Oxy, Nước, Metan

2.2 Liên kết ion

Trong một số trường hợp, hai nguyên tử rất không cân bằng về độ hút cácelectron (e) hoá trị tới mức nguyên tử có độ âm điện cao hoàn toàn giành lấyelectron khỏi đối tác của chúng và trở thành nguyên tử thừa electron (tích điện

âm - anion), đối tác của chúng mất e và trở thành nguyên tử thiếu e (tích điệndương - cation), khi đó 2 nguyên tử tích điện trái dấu nhau hút bám lẫn nhau.Lực hút giữa các nguyên tử trái dấu nhau, chính là liên kết ion Liên kết ion

có thể hình thành giữa 2 ion tích điện trái dấu, thậm chí cả khi chúng được hìnhthành không phải do sự dịch chuyển electron từ phân tử này sang phân tử khác.Các hợp chất được hình thành bằng liên kết ion được gọi là các hợp chất ion,hay còn gọi là muối

1 Electron hoá trị đơn độc của Na được

truyền sang kết hợp với 7 electron hoá trị

của nguyên tử Cl

2 Mỗi ion được tạo ra đều có lớp hoá trị hoàn chỉnh Liên kết ion có thể hình thành giữa các ion tích điện trái dấu

Hình 8: Sự truyền electron và hình thành liên kết ion

giữa 2 nguyên tử Na và Cl

2.2.1 Liên kết hidro

Liên kết hidro là loại liên kết hóa học yếu được hình thành giữa một nguyên

tử mang điện tích âm (nguyên tử nhận A – acceptor) và một nguyên tử hidro (H)đang nằm trong một liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử khác (nguyên tử cho

D – donnor) Liên kết cộng hóa trị giữa D và H phải là liên kết phân cực và đámmây điện tử của A phải mang những điện tử không liên kết có khả năng thu hútđiện tích +d của H

D – H + A => D – H ··· A

Năng lượng cần để phá vỡ một liên kết hidro là khoảng 5kcal / mol Một đặcđiểm quan trọng của các liên kết hidro là H, nguyên tử nhận A, nguyên tử cho Dđều xếp trên một đường thẳng Nguyên tử N trong liên kết N – H cũng như Otrong liên kết O – H đều là những nguyên tử cho chính Trong hệ thống sống, đó

là các nhóm amine (- NH2) và hidroxyl (- OH) Sự hiện diện của các nhóm nàykhiến cho các phân tử có mang chúng dễ ḥòa tan trong nước do có sự hình thànhcủa các liên kết hidro giữa chúng với các phân tử H2O

Trong nước các phân tử H2O, luôn luôn liên kết với nhau bởi các liên kếthidro hình thành một mạng lưới đều đặn những hình tứ diện dù ở thể lỏng haythể rắn

a Liên kết hidro được hình thành

giữa các phân tử nước

b Liên kết hidro được hình thành giữa phân tử nước với phân tử amoniac

Hình 9: Liên kết hidro giữa các phân tử nước

Bảng 2: Chiều dài một số liên kết hidro quan trọng trong sinh học 13

2.2.2 Liên kết Vander Walls

Liên kết Vander Waals là các tương tác không đặc hiệu xuất hiện giữa hainguyên tử hoặc 2 phân tử khi chúng tiến đến gần nhau Tương tác này không do

sự phân phối lệch của các điện tử giữa hai phân tử mà do các biến động thoángqua của đám mây điện tử gây ra sự phân cực nhất thời trên phân tử Liên kếtVander Waals không phụ thuộc tính phân cực của các phân tử mà chỉ phụ thuộcvào khoảng cách giữa chúng

Lực Vander Waals là kết quả của lực hút và lực đẩy Hai lực này cân bằng ởmột khoảng cách nhất định, đặc trưng cho từng loại nguyên tử Khoảng cách nàyđược gọi là bán kính Vander Waals Đây là lực liên kết yếu nhất, với giá trị chỉkhoảng 1 kcal/mol

13 Đinh Đoàn Long và Đỗ Lê Thăng (2008) Cơ sở Di truyền học phân tử và tế bào - Tr 6

Để liên kết này thật sự có ý nghĩa, nó phải tồn tại với số lượng lớn, nghĩa là

bề mặt tiếp xúc của hai phân tử phải cực đại Điển hình là khi một phân tử cómang một hốc có hình dạng phù hợp với chỗ lồi trên phân tử kia như trường hợptương tác kháng nguyên với kháng thể, enzym với cơ chất,…

2.2.3 Tương tác kị nước

Các phân tử không phân cực, tức là các phân tử không chứa nhóm ion hóalẫn liên kết phân cực, đều không hòa tan trong nước Chúng là những phân tử kịnước

Lực thúc đẩy các phân tử hay các vùng không phân cực của các phân tử liênkết với nhau thay vì với các phân tử H2O được gọi là liên kết kị nước Đâykhông phải là một lực liên kết đúng nghĩa mà là khuynh hướng loại trừ cácnhóm không phân cực ra khỏi mạng nước Còn liên kết thật sự tồn tại giữa cácphân tử không phân cực và liên quan đến Vander Waals Các tương tác kị nướcđóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các protein, các phức hợp protein vớicác phân tử khác cũng như sự phân bố các protein trong các màng sinh học

Bảng 3 Năng lượng liên kết của một số liên kết hoá học 14

Mối liên kết Năng lượng (KJ/mol) Khoảng cách (A0)

2.3 Vai trò của các loại liên kết yếu đối với sự sống

Vai trò chủ yếu của các liên kết yếu trong hệ thống sống thể hiện một cách

đa dạng trong việc hình thành cấu hình không gian và sự linh hoạt của các phân

tử sinh học, trong quá trình điều hòa các hoạt động sống

2.3.1.Tương tác enzyme – cơ chất

14 W.D Phillips – T.J Chilton – Sinh học - Tập 1; Nhà xuất bản Giáo dục – 1998, Trang 13; Nguyễn Tiến

Trong các phản ứng xúc tác, các enzyme

không gắn lên một phân tử bất kỳ Chúng có

ái lực đặc biệt với chình cơ chất của chúng

Năng lượng liên kết của tương tác enzyme –

cơ chất thường có giá trị 5- 10 kcal/ mol cho

thấy nó thuộc loại liên kết hóa học chủ yếu,

nghĩa là các phức hợp enzyme - cơ chất được

hình thành và phá vỡ rất nhanh dưới ảnh hưởng của các chuyển động nhiệt Điềunày giải thích vì sao các enzyme có khả năng hoạt động với vận tốc đôi khi đạt đến

106 lần trong một giây Một lực liên kết mạnh hơn giữa enzyme và cơ chất hay giữaenzyme và sản phẩm sẽ làm cho hoạt động enzyme chậm hơn rất nhiều

2.3.2 Cấu hình không gian của các phân tử

Khó có thể tiên đoán cấu hình của những đại phân tử như protein và nucleicaxit nếu chỉ dựa vào cấu trúc cộng hóa trị của chúng Cấu hình này phụ thuộcchủ yếu vào số lượng và bản chất các liên kết yếu tồn tại trên các đại phân tử đó.Các tương tác kị nước có chức năng ổn định phân tử protein nhưng chínhcác liên kết hidro mới quy định cấu hình và đặc trưng của nó Các liên kết hidrođòi hỏi một khoảng cách xác định và sự sắp xếp có định hướng các nguyên tửcho và nhận trong không gian Để thỏa mãn nhu cầu của các nguyên tử cho vànhận trên bộ khung polypeptit, trong phân tử protein thường hình thành nhữngcấu trúc bậc hai đều đặn, các chuỗi xoắn anpha hay những cấu trúc dạng lớpmỏng beta Các cấu trúc đối xứng đều đặn này có tính ổn định rất cao

Một phân tử protein thường bao gồm cả hai loại cấu trúc trên, bên cạnh đó

có những vùng có cấu trúc không đều đặn cần cho sự cuộn gấp của chuỗipolypeptit

Phân tử ADN thường có dạng xoắn kép Dạng xoắn kép này xuất phát từnhiều nguyên nhân:

- Hai mạch đơn bắt cặp với nhau nhờ liên kết bổ sung Trong các liên kết bổsung này, một bên bao giờ cũng là một purine (A và G có cùng kích thước) vàbên kia là pyrimidine (C, T có cùng kích thước) Điều này đảm bảo khoảng cáchđều đặc giữa hai mạch đơn tức là tổng kích thước của một purine và mộtpyrimidine

Chuỗi xoắn kép cho phép các base purine và pyrimidine có cấu trúc phẳngxếp chồng khít lên nhau ở bên trong phân tử ADN, hạn chế sự tiếp xúc củachúng với nước

Các nguyên tử đường và các nhóm photphat xoay ra ngoài hình thành liênkết với nước đảm bảo tính ổn định cho phân tử ADN.

Cấu hình chuỗi xoắn kép của phân tử ADN là một cấu trúc ổn định vì 2 lí do: + Nếu hai mạch đơn tách rời nhau, các base purine và pyrimidine kị nước sẽphải tiếp xúc với nước, điều này đặt chúng vào một tình thế bất lợi, không ổn định.+ Mỗi phân tử ADN mang một số lượng liên kết hidro rất lớn nên dùchuyển động nhiệt phá vỡ các liên kết nằm ở hai đầu của phân tử hai mạch nhiệtđơn vẫn được gắn với nhau bởi các liên kết vùng giữa Chỉ trong những điềukiện rất khắc nghiệt Ví dụ nhiệt độ cao hơn hẳn nhiệt độ sinh lí mới có sự vỡđồng thời quá trình liên kết hidro khiến phân tử không còn giữ được cấu hìnhban đầu, phân tử bị biến tính

2.3.3 Các liên kết yếu đảm bảo mối liên lạc giữa protein và ADN 15

Các protein đóng vai trò cấu trúc nén chặt ADN như các histone liên kết vớiphân tử ADN nhờ các liên kết ion Các liên kết ion này đựoc hình thành giữa cácnhánh bên mang điện tích âm của các histone với các nhóm phosphate mangđiện tích dương của ADN ADN quấn quanh lõi cấu tạo từ ADN vẫn có khảnăng tiếp xúc với nhiều protein khác Đó là các protein đóng vai trò quan trọngtrong sao chép như các ADN polymerase, trong sự phiên mã như các ARNpolymerase hay các protein có chức năng điều hòa hoạt động của các gen Cácprotein này nhận biết một trình tự xác định trên ADN và gắn vào đó ở vị trí cácnhóm cặp base đặc trưng nhờ các liên kết ion Sự nhận biết trình tự này phần lớn làkết quả của sự bổ sung hình dạng giữa protein và ADN

Nói chung, năng lượng của liên kết hóa học yếu (2- 5 kcal mol-1) thườngđảm bảo cho một phân tử gắn một cách ưu tiên lên một phân tử khác Điều quantrọng hơn là năng lượng liên kết đó lại không đủ lớn để tạo ra những mạng lướicứng nhắc bên trong tế bào, chính nhờ đó mà bên trong tế bào sống không baogiờ đặc lại

3 Phản ứng hóa học và năng lượng liên kết hóa học

3.1 Phản ứng hóa học

Phản ứng hóa học là một sự biến đổi các chất trong đó những liên kết cũ giữacác nguyên tử bị phá vỡ hình thành những liên kết mới (16)

3.2 Năng lượng liên kết hóa học

Sự hình thành một liên kết hóa học giữa hai nguyên tử luôn gắn liền với

sự giải phóng một phần năng lượng bên trong của các nguyên tử ở dạng

15 Phần này ta sẽ xem xét kỹ hơn ở phần cấu trúc các đại phân tử và tổng hợp axit nucleic và protein

không liên kết và chuyển chúng thành một dạng năng lượng mới Liên kếtđược hình thành càng mạnh thì năng lượng "thoát" ra ngoài càng lớn

Tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với tần số va chạm của các nguyên tử

A + B => AB + năng lượng (17)

Trong tự nhiên các nguyên tử liên kết hóa học với nhau không phải luônduy trì ở trạng thái liên kết ma chúng có thể bị tách ra bởi các loại lực khácnhau trong đó có nhiệt năng hoặc sự va đập giữa các nguyên tử hoặc phân tử khichuyển động nhanh cũng có thể phá vỡ các liên kết hóa học

AB + năng lượng => A + BLượng năng lượng cần được bổ sung để phá vỡ một liên kết đúng bằnglượng năng lượng được giải phóng khi liên kết đó hình thành theo Định luậtbảo toàn và chuyển hoá năng lượng

Như vậy, sự hình thành hay phá vỡ một liên kết hóa học là kết quả của cáchoạt động kết hợp giữa các lực hình thành và phá vỡ liên kết

Một hệ thống kín đạt đến trạng thái cân bằng, thì số liên kết hình thành quamột đơn vị thời gian sẽ đúng bằng số liên kết bị phá vỡ Khi đó, tỉ lệ các nguyên tử

ở trạng thái liên kết sẽ được biểu diễn bằng công thức sau:

Kcb = [AB]/([A]x[B])Trong đó, Kcb là hằng số cân bằng; [AB], [A] và [B] tương ứng là nồng độcủa AB, A và B, tính theo đơn vị mol/l Dù cho chúng ta bắt đầu hệ thống chỉ với

A và B riêng rẽ, hoặc phức hợp AB, hay cả phức hợp AB và A, B riêng rẽ, thìcuối cùng hệ thống kín sẽ đạt đến các nồng độ tương quan của Kcb

4 Một số nhóm chức hoá học quan trọng về mặt sinh học

4.1 Khái niệm về nhóm chức hoá học

Các nhóm nguyên tố hoá học tác động đến hoạt động chức năng của các phân tử

bằng cách tham gia trực tiếp và phản ứng hoá học gọi là các nhóm chức

Mỗi nhóm chức tham gia vào các phản ứng hoá học theo cách riêng, thay đổi từphân tử hữu cơ này sang phân tử hữu cơ khác

Như vậy, những tính chất khác biệt của các phân tử hữu cơ không chỉ do sựsắp xếp các nguyên tử C trong bộ khung xương mà còn phụ thuộc vào thànhphần các nhóm chức hoá học gắn vào bộ khung xương đó Các nhóm chức đó cóthể tham gia vào các phản ứng hoá học hoặc đóng góp vào hoạt động chức năng

17 Đơn vị thường được dùng để biểu diễn năng lượng là calo; đó là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ 1 gam nước lên 1 o C Nhưng để làm vỡ các liên kết hóa học của một mole phân tử nào đó, thường cần hàng nghìn calo, vì vậy mức thay đổi năng lượng trong các phản ứng hóa học thường được biểu diễn bằng đơn vị kcal/mol.

một cách gián tiếp nhờ tác động của nó đến hình dạng phân tử Số lượng và sựsắp xếp các nhóm chức trong cấu trúc phân tử đã tạo cho mỗi phân tử có nhữngtính chất riêng Ví dụ: Các hoocmon sinh dục nam, nữ ở người và các động vật

có xương sống; cả hai đều có bản chất là steroid, chúng đều có bộ khung xương

C gồm 4 vòng dính với nhau Các hoocmon sinh dục đó chỉ khác nhau ở cácnhóm định chức hoá học gắn với các vòng trong khung xương C (Hình 10)

Hình 10 Cấu trúc phân tử của hoocmon sinh dục

(estradiol – một dạng của estrogen) và đực (testosterone)

Hai phân tử chỉ khác nhau ở các nhóm (phần tô xanh) chức gắn vào bộ khung C gồm 4 vòng dính với nhau đã tạo nên sự khác biệt về chức năng của hai loại hooc mon giới tính đực và cái.

Tác động khác nhau của các nhóm chức lên nhiều đích trên khắp cơ thể lànguyên nhân tạo ra những khác biệt về mặt cấu tạo giữa con đực và con cái

4.2 Một số nhóm chức quan trọng nhất trong các quá trình sống

Trong số các nhóm chức hoá học thì có bảy nhóm chức quan trọng nhất đối với cácquá trình sống là: Hidroxil (-OH), cacbonyl, carboxyl (-COOH), amin (-NH2),sulhydril (sulfit -SH), phosphat (-PO4), metyl (- CH3) Sáu nhóm đầu ưa nước,chúng hoạt động như các nhóm chức, nhóm thứ 7 không ưa nước không hoạt độngnhư nhóm chức hoá học nhưng có lại có vai trò như những dấu chuẩn để nhận biếtcác phân tử sinh học

Bảng 4 Một số nhóm định chức và vai trò của chúng đối với sống

Estradiol

(hoocmon sinh dục cái)

Testosterone

(hoocmon sinh dục đực)

C NƯỚC – PHÂN TỬ NUÔI DƯỠNG SỰ SỐNG

Các nhà du hành vũ trụ nghiên cứu các hành tinh, họ rất mong muốn tìmthấy dấu vết của nước Bởi lẽ các nhà khoa học đã cho rằng ở đâu có nước thì ở

đó có sự sống

Trong tự nhiên, nước là chất duy nhất trong tự nhiên tồn tại ở cả ba trạng thái:rắn, lỏng và khí Các nhà khoa học đã tính toán ba phần tư diện tích bề mặt Trái đất

là nước, chính sự dư thừa nước là nguyên nhân cho Trái đất có sinh vật định cư

Sự sống được hình thành trên Trái đất bắt đầu trong nước và tiến hóa ở đócách đây khoảng ba tỷ năm trước khi tiến lên đất liền Cho đến nay, mọi sinh vậtcũng đều sinh ra từ nước và cần nước hơn bất kỳ chất nào khác Ví dụ, congngười có thể sống được vài tuần không có thức ăn nhưng chỉ sống được khoảng

1 tuần nếu thiếu nước

I CẤU TRÚC PHÂN TỬ NƯỚC

1 Cấu tạo phân tử

Hình 11 Cấu trúc phân tử nước

Một nguyên tử oxy liên kết với 2 nguyên

tử hidro bằng liên kết cộng hoá trị.

Một phân tử nước trong nước có thể liên kết tối đa với 4 phân tử nước khác bằng liên kết hidro và các liên kết hidro luôn thay đổi

Nước được cấu tạo tử các nguyên tử Oxy và Hidro Một phân tử nước đượccấu tạo từ 2 nguyên tử hidro và 1 nguyên tử oxy Trong đó, các nguyên tử H vớinguyên tử oxy liên kết với nhau và tạo thành 1 góc 104,50 (Hình 11)

Trong cấu trúc phân tử, mỗi nguyên tử H góp 1 điện tử vào đôi điện tử chungvới nguyên tử Oxy để hình thành lên liên kết cộng hoá trị

Hạt nhân nguyên tử Oxy có điện tích dương mạnh (độ âm điện cao) nênchúng hút đôi điện tử dùng chung lệch về phía mình và tạo ra tính phân cực củaphân tử nước (phía nguyên tử Oxy mang điện âm -δ, phía nguyên tử Hidro mangđiện dương +δ)

2 Tính phân cực của các phân tử nước tạo nên liên kết hidro

Ở điều kiện tự nhiên, phân tử nước phân cực, phía nguyên tử hidro tích điệndương yếu sẽ bị hấp dẫn bởi nguyên tử oxy tích điện âm yếu của phân tử bên cạnh.Kết quả là 2 phân tử nước hình thành liên kết hidro và các phân tử nước liên kết vớinhau bằng liên kết hidro Liên kết này mạnh nhất khi nó nằm trên đường thẳng quatrục O – H của phân tử nước bên cạnh và yếu khi nó ở dạng lệch trục O – H vớiphân tử nước bên cạnh Một phân tử nước có thể liên kết với tối đa 4 phân tử nướckhác bởi các liên kết hidro

Khi ở dạng lỏng, các liên kết hidro rất dễ bị đứt gãy và tái hình thành với tần

số cao (mỗi liên kết chỉ tồn tại khoảng vài phần tỷ giây) Vì thế, vào bất cứ lúcnào trong lòng dung dịch nước cũng có sự phá vỡ và hình thành liên kết hidrogiữa các phân tử nước kề nhau

II MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ HOÁ CỦA NƯỚC

1 Tính chất lý hoá của nước

Nước là một hợp chất vô cơ không màu, không mùi, không vị, trong tựnhiên tồn tại ở cả 3 trạng thái: lỏng, rắn, khí (hơi) Ở điều kiện áp suất không khí

là 1 atm thì nước sôi ở nhiệt độ 1000C, và đóng băng dạng tinh thể chuẩn ở nhiệt

độ dưới 00C

Ở nhiệt độ 40C nước có tỷ trọng lớn nhất, khi ở nhiệt độ dưới 40C, hầu hếtcác liên kết hidro giữa các phân tử nước liên kết với nhau ở dạng thẳng trục vàđạt 100% khi nước ở nhiệt độ 00C tạo thành cấu trúc dạng tinh thể

Nước có được những đặc tính độc đáo đó là do tính chất phân cực của phân

tử nước Tính chất phân cực của nước đã làm cho mỗi phân tử nước có thể liênkết tối đa với 4 phân tử nước khác bằng liên kết hidro 18

Khi các phân tử nước ở trạng thái đóng băng thì tất cả các liên kết đều ởdạng liên kết thẳng trục O - H – O; khoảng cách các phân tử nước đạt cực đại,

18 Liên kết hidro mạnh khi chúng nằm trên đường thẳng qua trục O-H-O của phân tử nước bên cạnh Liên

nước có dạng tinh thể chuẩn và có tỷ khối nhỏ hơn 1 Ở dạng lỏng các phân tửnước liên kết với nhau bằng các liên kết hidro (80% phân tử có liên kết hidro ởdạng liên kết đồng trục, 20 % ở dạng lệch trục) Sự sắp xếp ngẫu nhiên của cácphân tử nước tự do trong nước lỏng làm cho chúng xếp gần nhau hơn so với

trong cấu trúc mạng tinh thể chuẩn Do đó “nước đá” các phân tử có cấu trúc

thưa hơn và nổi trên mặt nước lỏng

2 Phản ứng hoạt tính của các dung dịch nước (19)

2.1 Nước như là chất điện ly

Nước tinh khiết, về mặt hoá học, giống với các axit, các baz ơ và các muối,phân ly một phần thành các ion

[H2O] = 1000/18 = 55,56 mol/lTừ công thức (a) ta có:

[H + ].[OH - ] = [H 2 O] K = 55,56 K = K n

Tức là tích số của nồng độ các ion hidro và hidroxyl trong mọi dung dịch nước

là một trị số không đổi và được gọi là tích số ion của nước (20)

2.2 Chỉ số hidro (Độ pH) (21)

Dung dịch gọi là trung tính nếu [H+] = [OH-], là môi trường axit nếu [H+]>[OH- ] và là môi trường kiềm nếu [H+] < [OH- ] Để xác định môi trường nào đó

là kiềm hay axits, ta chỉ cần biết [H+] là đủ vì giữa [H+] và [OH- ] có mối tươngquan qua công thức:

[H + ]= 10 -14 /[OH - ]

19 Nguyễn Như Khanh – Võ Văn Toàn (2001); Một số vấn đề Hoá – Lý cơ sở trong sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.

20 () Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được ở điều kiện nhiệt độ 25 0 C nước điện ly cho [H + ] = [OH - ] = 10 -7 (mol/l).

21() Khái niệm này được S.P.L Sørensen và Linderström-Lang đưa ra vào năm 1909 và có nghĩa là "pondus hydrogenii"

("độ hoạt động của hiđrô") trong tiếng Latinh Tuy nhiên, các nguồn khác thì cho rằng tên gọi này xuất phát từ thuật ngữ

tiếng Pháp "pouvoir hydrogène." Trong tiếng Anh, pH có thể là viết tắt của "hydrogen power," "power of

hydrogen," hoặc "potential of hydrogen." Tất cả các thuật ngữ này đều đúng về mặt kỹ thuật.

Nồng độ ion H+ trong thực tế là rất nhỏ, vì vậy để thuận tiện cho việc tính toánngười ta biểu diễn nồng độ H+ thông qua hàm số logarit Giá trị [H+] được tínhthông qua hàm logarit được gọi là chỉ số hidro và được ký hiêu là pH

Như vậy, về mặt toán học pH được tính bằng công thức sau: pH = -lg[H+] (22).Đặc trưng toán học đó giúp thu gọn giá trị [H+] trong dung dịch và thể hiện bằngthang pH Giá trị pH của dung dịch dao động từ 0 đến 14 (Hình 12)

Bảng 5 Mối phụ thuộc giữa [H +] và pH

Cần chú ý rằng: đơn vị pH thể hiện sự sai khác gấp 10 lần về [H+] Dung dịch có

pH = 3 không phải là dung dịch có độ axit gấp đôi dung dịch có độ pH = 6 màthực tế gấp nhau 1000 lần Vì vậy trong thực tế khi pH thay đổi một giá trị nhỏcũng đã ảnh hưởng rất lớn đến [H+] và [OH-]

Hì

nh 12: Thang pH và giá trị pH của một số dung dịch nước

Đa số dịch tế bào cũng như dịch cơ thể sống có độ pH = 7 và độ pH này cầnđược duy trì ổn định, sự thay đổi giá trị pH trong tế bào và cơ thể sẽ ảnh hưởng

22() Được đọc là trừ logrit cơ số 10 của nồng độ ion H + , hàm số logarit là 1 hàm số nghịch Tức là giá trị biểu thức càng

lớn đến các phản ứng sinh hoá trong tế bào Để duy trì mức độ cân bằng đó,trong tế bào có cơ chế điều chỉnh để ổn định bằng các hệ đệm: H 2CO3,Hemoglobin, protein, phosphat (23)

III NƯỚC ĐỐI VỚI TẾ BÀO VÀ SINH VẬT

1 VAI TRÒ CHUNG CỦA NƯỚC ĐỐI VỚI TẾ BÀO VÀ SINH VẬT

Ở trong tế bào nước tự do chiếm khoảng 95% và nước liên kết chiếm khoảng5% Nước tự do có vai trò quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của tế bào vàgiữa tế bào với môi trường Một số lớn các chất hoà tan trong môi trường nước.Các phân tử các ion tan trong nước phân phối đều vào nước Các chất khí khihoà tan vào trong nước các ion được bao bọc bằng các phân tử nước do đó cácion đó không tập trung lại với nhau được

+ Nước là dung môi phổ biến của muối khoáng và các hợp chất hữu cơ.Chính là nhờ các phân tử nước có thể hình thành thêm các liên kết hidro với cácphân tử chất tan khác và kéo chúng ra khỏi dạng tinh thể (Hình 16)

+ Nước là môi trường phân tán và phản ứng của các hợp chất hoá học Giúpcho cơ thể vận chuyển dễ dàng các chất từ nơi này đến nơi khác trong từng tếbào Đảm bảo tính thống nhất trong nội bộ tế bào và giữa cơ thể và môi trường + Nước không phải là một chất trơ: Do có khả năng dẫn nhiệt toả nhiệt vàbốc hơi cao nên có vai trò điều tiết nhiệt độ cơ thể Ví dụ: Một cầu thủ bóng đá

có thể trọng 100 kg trong 90 phút thải ra ngoài môi trường 2 lít mồ hôi và phóng

ra môi trường: 574  2 = 1148 kcal Nếu không thải mồ hôi ra môi trường thìnhiệt độ cơ thể tăng 11,5C

+ Nước tham gia trực tiếp vào các phản ứng sinh hoá hoặc đóng vai trò làchất cung cấp nguyên liệu (H+) cho các phản ứng oxy hoá khử của tế bào (Xemthêm phần quang hợp và Hô hấp)

2 CÁC ĐẶC TÍNH NỔI TRỘI CỦA NƯỚC VÀ Ý NGHĨA CỦA NÓ ĐỐI VỚI TẾ BÀO VÀ SỰ SỐNG

2.1 Một số đặc tính của nước và ý nghĩa của nó

Đặc tính của nước Ý nghĩa sinh học

23 Xem thêm Tr 168, Chương máu ở Sinh học tập 1 Tác giả W.D Phillips – T.J Chilton , NXB Giáo dục 2002.

Phân tử nước có tính lưỡng

cực, có thể hình thành liên kết

hidro giữa các phân tử nước

hoặc với các phân tử chất khác

- Dung môi hòa tan các chất vô cơ và hữu cơ

- Môi trường phản ứng, môi trường vậnchuyển của các chất trong tế bào

- Tham gia xây dựng các cấu trúc tế bào (hệmixen keo)

- Bảo vệ: Tính chất lưỡng cực của nước tạo

vỏ bọc cho các ion vô cơ hoặc hữu cơ Ví dụ:hạt keo protein được nước bao bọc tránhđược sự ngưng tụ và sự biến tính

Độ nhớt rất thấp

Thành phần chủ yếu của chất nguyên sinh,các cấu trúc trong chất nguyên sinh dễ dàng

di chuyển và hoạt động

Nhiệt dung lớn: làm cho nước

có khả năng dẫn nhiệt cao nhất

trong số các chất lỏng và bay

hơi ngay ở nhiệt độ thường

Đảm bảo sự cân bằng về nhiệt của cơ thể

Sức căng bề mặt lớn: Nước có

sức căng bề mặt lớn hơn hầu

hết các chất lỏng khác Sức

căng bề mặt này tạo ra bởi các

phân tử nước ở trên cùng liên

kết với nhau bởi các liên kết

hidro theo một trật tự nhất định

và liên kết với các phân tử

nước phía dưới tạo thành sức

căng bề mặt Điều đó làm cho

nước dường như được bao bọc

bởi 1 màng mỏng (Hình 14)

Tạo màng mặt thoáng vững chắc cho phépmột số sinh vật có thể đi trên mặt nước hoặctreo mình dưới mặt thoáng

Điều tiết quá trình thoát hơi nước (lỗ khí)

Đặc tính về tỉ trọng: nước có tỉ

trọng lớn

Nước làm giá đỡ tốt cho các cơ thể ở nướckhi di chuyển

Có tính mao dẫn: Vì phân cực

nên các phân tử nước bám được

vào nhiều loại bề mặt

Nước có thể đi vào các khoảng không gian nhỏ(Ví dụ: giữa các tế bào) thậm chí lực mao dẫncòn thắng trọng lực (có vai trò trong việc vậnchuyển các chất trong mạch gỗ của cây)Tính chịu nén: không thể nén

được nước

Có ý nghĩa quan trọng trong các hệ vậnchuyển và là phương thức nâng đỡ các cơ

quan, các bộ phận (lá, cành ở thực vật) vàcác cơ thể có bộ xương “thuỷ tĩnh”.

Có nhiệt dung lớn: Nhiệt dung

của nước cao, đặc trưng

Nước có thể hấp thụ nhiệt và chuyển trạngthái (từ lỏng thành khí) => có ý nghĩa làmgiảm nhiệt, điều hoà thân nhiệt

Nhiệt bay hơi lớn Sinh vật làm giảm nhiệt độ cơ thể (thoát hơi

nước ở thực vật, thoát mồ hôi ở động vật)Tính dẫn điện: nước tinh khiết

Sự kết dính của các phân tử

nước: Các phân tử nước nằm rất

gần nhau nhờ các liên kết hidro,

các liên kết hidro giữ cho vật

chất kết khối với nhau, hiện

tượng đó được gọi là sự kết dính

(cohesion)

Sự kết dính có ý nghĩa rất quan trọng trong quátrình vận chuyển nước và chất dinh dưỡng khácchống lại trọng lực ở thực vật 24 Nước vậnchuyển thành dòng liên tục từ rễ lên lá nhờ 1mạng lưới các tế bào dẫn nước (Hình 13)

Có khả năng cách nhiệt bởi

băng, tuyết 25

Khi nước đóng băng nổi trên, cách nhiệt vớimôi trường không khí lạnh, bên dưới tẳng băngnhiệt độ “bình thường” động vật thủy sinh cóthể tồn tại bình thường

24 () Xem thêm phần này ở Sinh học thực vật lớp 11 (quá trình vận chuyển vật chất ở thực vật) Nhờ có liên kết hidro và lực cố kết giữa các phân tử nước với các phân tử xenlulozo ở thành quản bào mà nước và các chất hoà tan có thể vận chuyển thành dòng liên tục từ rễ lên lá.

25

Nước là một trong số ít chất khi ở trạng thái đậm đặc lại có tỷ khối nhỏ hơn trạng thái lỏng Tỷ khối của nước đá nhỏ hơn nước lỏng đã làm cho nước đá nổi trên bề mặt của nước lỏng Tính chất này là do các liên kết hidro giữa các phân tử nước gây ra Ở nhiệt độ 4 0 C, nước giống như các chất khác là nóng nở ra và lạnh co lại Ở nhiệt độ 0 0 C các phân tử nước liên kết với nhau bằng liên kết hidro dần chuyển về dạng đẳng trục (O – H - O) khi đó các phân tử nước bị khoá trong các mạng lưới tinh thể, mỗi phân tử nước liên kết với 4 phân tử nước khác, khoảng cách giữa các phân tử đạt trạng thái lớn nhất (khi đó mật độ của các phân tử nước giảm 10% so với nước ở trạng thái 4 0 C).

Hình 13 Sự vận chuyển nước ở thực vật

Sự thoát hơi nước từ và sức hút nước từ rễ cùng

với lực kết dính ở thành mạch dẫn là động lực phía

trên kéo và đẩy các phân tử nước vận chuyển thành

dòng liên tục từ rễ lên lá

Hình 14 Con gọng vó đi trên mặt nước

Sức căng của mặt nước tạo thành do sức mạnh tổng cộng của các liên kết hidro cho phép con nhện có thể đi được trên mặt nước.

Hìn

h 15A: Cấu trúc tinh thể nước (rắn) Hình 15B Nước ở trạng thái lỏng

2.2.Nước là dung môi cho nhiều chất

Hình 16.Muối ăn hoà tan trong nước Khi cho muối ăn (NaCl) vào nước, các

tinh thể muối ăn dần tan ra và hoà lẫnvào nước tạo ra một dung dịch đồngnhất gồm nước và các ion muối ăn(Na+ và Cl-) Nồng độ các ion lúc đầu

có sự chênh lệch giữa các vị trí trongnước sau chuyển dịch dần về trạng thái

cân bằng Nguyên nhân của hiện tượngnày là do tính phân cực của các phân tửnước đã hút bám các ion tương ứng vàkéo các ion Na+ và Cl- ra khỏi dungdịch muối (Hình 16)

D CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC

I Cacbohydrat là nhiên liệu và vật liệu xây dựng tế bào

Cacbohydrat gồm đường và các polymer của đường Cacbohydrat đơn giảnnhất là các mono saccarit, phức tạp hơn là disaccarit và polysaccarit

1 Thành phần nguyên tố cấu tạo

Cacbohydrat được cấu tạo từ 3 loại nguyên tố hoá học C, H,O với công thứctổng quát là: [CH2O]n

Trong tế bào, hàm lượng cacbohydrat ở tế bào thực vật lớn hơn ở tế bào độngvật xong tuỳ từng giai đoạn khác nhau mà hàm lượng cũng thay đổi

2 Vai trò của cacbonhydrat đối với tế bào

Tuỳ từng loại cacbohydrat mà chúng có chức năng riêng biệt xong nếu tính đến vai trò chung thì cacbohydrat có chức năng sau:

- Cấu tạo nên tế bào và khối chất nguyên sinh

- Sự phân huỷ cacbohydrat giải phóng năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống của tế bào(60%)

- Bảo vệ tế bào, cơ thể (Muco polysaccarit)

- Góp phần đảm bảo tương tác đặc hiệu của tế bào (thụ quan màng sinh chất)

3 Một số loại cacbohydrat

III.1.Mono saccarit 26

26 Từ chữ Hylap monos – đơn lẻ, sacchar – đường, tuy nhiên cũng cần phải chú ý rằng đường là chất tan trong nước và

có vị ngọt.

Hình 17.

Phân loại

hydratcacbon

Các phân tử đường đơn thường phân loại theo số nguyên tử cacbon có trongchúng Các loại quan trọng nhất cho cơ thể sống là đường 3 cacbon (trioz),đường 5 cacbon (pentoz) đường 6 cacbon (Hexoz)

Trong mỗi nhóm các nguyên tử kết hợp với nhau, tạo nên các đồng phân vềcấu trúc Việc liên kết giữa các nguyên tử khác nhau đã tạo nên tính chất hết sứckhác nhau giữa các chất đồng phân

Tính đa dạng của các monosaccarit phụ thuộc vào các loại nhóm định chứchoá học, vào sự sắp xếp không gian các thành phần nhóm định chức xung quanhcác nguyên tử cacbon không đối xứng Chỉ cần 1 sai khác nhỏ cũng đủ làm cho

2 phân tử monosaccarit có hình dạng và tính chất khác biệt nhau

Hình 18 Cấu trúc và phân loại một số loại mono saccharide

Tính chất chung của monosaccarit là những chất kết tinh có vị ngọt27 và tantrong nước

Đường đơn có tính khử nên có phản ứng đặc trưng với thuốc thử Phelinhcho kết tủa màu đỏ gạch

Glucose + 2CuO => Cu 2 O + ½ O 2

III.2 Glucosse

Glucose là một chất rắn, tinh thể không màu, nóng chảy ở 1460C (dạng α) và) và

ở 1500C (dạng β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đườngmía Glucose có trong hầu hết các bộ phận của cơ thể thực vật như hoa, lá, rễ,trong quả chín…, trong máu người (28)

Ở dạng tinh thể, glucose có cấu trúc phân tử dạng mạch hở, khi hòa tan trong nước, glucose có cấu trúc dạng mạch vòng.

Hình 19 Dạng thẳng và dạng vòng của glucose (C 6 H 12 O 6 )

Như vậy, dạng mạch hở glucose có 1 nhóm –CHO và 5 nhóm (-OH) kềnhau Nên glucose là hợp chất đa nhóm chức, ở dạng mạch hở phân tử có tínhchất hóa học của Aldehit đơn chức và ancol 5 chức (29)

Với dạng cấu trúc phân tử ở dạng vòng và dạng mạch thẩng như trên, phân tửglucose được cơ thể người đồng hoá nhanh và được sử dụng nhanh nhất trong cơthể để tạo thành glycogen Điều đó đã lý giải vì sao nhưunxg người mắc chứng “hạđường huyết” sẽ nhanh chóng phục hồi khi cho họ uống glucose hòa tan

Trong hoạt động thần kinh glucose là nguồn cung cấp năng lượng chính cho

hệ thống thần kinh trung ương và nó rất cần thiết cho dinh dưỡng các cơ đanghoạt động, kể cả cơ tim để duy trì mức đường huyết và tạo thành dự trữglycogen ở gan Trong cơ thể người, phần lớn carbohydrate được đưa vào cơ thểchúng bị phân giải thành glucose để cung cấp năng lượng cho các tổ chức

27 Độ ngọt của các loại đường khác nhau Nếu lấy độ ngọt của saccharose (mía hay củ cải đường) là 100, thì độ ngọt của các loại đường được sắp xếp như sau: Saccarose : 100; Fructose: 173; Glucose: 74; Mantose: 32,5; Galactose: 32,1; Lactose: 16.0.

28 Trong máu hàm lượng Glucose luôn được điều chỉnh ở nồng độ 12g/lit (0.012%) và có sự biến đổi thuận nghịch giữa Glucose và Glycozen Khi thiếu hàm lượng Glucose trong máu dẫn đến thiếu nguyên liệu hô hấp, kích thích một số tế bào não hoạt động (phản ứng) ngay khi có những kích động yếu ớt do vậy

dễ sinh ra co giật, mất trí hoặc chết Trái lại nếu thừa Glucose thì lại gây ra những nguy hại lớn

29 Với nhóm chức andehit thì glucose có phản ứng tráng bạc, với nhóm chức (-OH) thì glucose có phản ứng với Cu(OH) 2 thạo thành phức đồng glucose và phản ứng tạo este với axit (xem thêm SGK Hóa học 12 nâng cao Tr29)

Glucose được xem là thức ăn tốt nhất cho người sau khi mổ, ốm yếu hoặc bịbệnh nặng.

Trong tự nhiên glucose có nhiều trong các loại quả Hàm lượng của chúngtrong một số loại quả như sau: chuối 4,7%, táo 2,5 – 5,5%, mận 1,4 – 4,1%

III.3 Fructose

Là chất kết tinh, không màu, dễ tan trong nước, có vị ngọt hơn đường mía,

có nhiều trong quả ngọt như dứa, xoài, Đặc biệt trong mật ong có tới 40%fructose

Trong dung dịch fructose tồn tại chủ yếu ở dạng β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường, vòng 5 cạnh hoặc 6cạnh Ở dạng tinh thể fructose ở dạng β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường, vòng 5 cạnh

Trong môi trường bazơ fructose bị oxi hoá bởi dung dịch AgNO3/NH3 dotrong môi trường bazơ fructose chuyển thành glucose Fructose có tính chất hóahọc tương tự như glucose

Fructose được coi là loại carbohydrate thích hợp nhất cho người lao động trí

óc đứng tuổi và người già Đây cũng là loại carbohydrate tốt cho các bệnh nhân

xơ vữa động mạch, các trường hợp rối loạn chuyển hoá lipid và cholesterol.Fructose ảnh hưởng tốt đến hoạt động của các vi khuẩn có ích trong ruột, đặcbiệt tới chức phận của chúng Độ ngọt cao của fructose cho phép sử dụng vớilượng nhỏ để đủ đạt mức độ cần thiết Ngoài ra còn hạn chế được hàm lượngđường sử dụng

Do số lượng của chúng bằng với số lượng của glucose từ sự thủy phânđường mía nên fructose hoạt động như glucose trong việc sản sinh ra glycogen.Glucose và fructose chuyển hoá hoá học dưới tác dụng của dung dịch kiềm vàmột cách sinh hoá học bởi enzyme trong quá trình chuyển hoá qua lại các chấtdẫn xuất phosphate, glucose-6-phosphate thành fructose-6-phosphate

Các loại quả là nguồn fructose chính Nguồn fructose tự nhiên quan trọng làmật ong, trong đó lượng fructose lên tới 37,1% Hàm lượng fructose trong một

số loại quả như sau: chuối 8,6%, táo 6,5 – 11,8%, mận 0,9 – 2,7%, mơ 0,1 - 3%,nho 7,2%

c Galactose (đường sữa) 30

30 Theo Machado, José J.B.; João A Coutinho, Eugénia A Macedo (2000) " (2000) 173 121.pdf

Lactoza là một đường được chủ yếu tìm thấy trong sữa, chiếm khoảng 2-8%

về khối lượng Cái tên có nguồn gốc từ Latin, có nghĩa là sữa, cộng thêm đuôi -ozadùng để đặt tên đường

Về thành phần cấu trúc Lactoza là một disacarit bao gồm một β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường-D-galactoza vàmột β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường-D-glucoza được liên kết với nhau qua liên kết β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường 1-4 glicozit

Lactoza có độ tan là 1/4,63, tức là 0,216 glactoza tan hoàn toàn trong 1 ml nước

Độ tan trong nước là 18,9049 ở 25°C, 25,1484 ở 40°C và 37,2149 ở 60°Ctrong 100 g dung dịch Độ tan của lactoza trong etanol là 0,0111 g ở 40°C và 0,027

ở 60°C trong 100 g dung dịch

Động vật có vú nuôi con bằng sữa Để có thể tiêu hoá lactoza, cần có một

enzim gọi là lactaza (β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường-D-galactozidaza), và enzim này tách phân tử thành hai đơn

vị monosacarit của nó là glucoza và galactoza

III.4 Disaccarit

III.4.1.Tính chất của disaccarit

Các dichacarit là đường mà cấu tạo của chúng từ hai đơn vị monosaccharitkết hợp lại để hình thành một phân tử đơn nhất và giải phóng ra một phân tửnước Trong tế bào chúng thường gặp khi các poly saccharide bị đứt gãy hoặctổng hợp nên các poly saccharide

Ví dụ: Mantose thấy trong ống tiêu hoá của người là sản phẩm đầu tiên củaquá trình tiêu hoá tinh bột và sau đó bị đứt gãy thành Glucose

III.4.2 Một số loại Disaccarit thường gặp

III.4.2.1.Surcrose (đường mía)

Saccharose là chất kết tinh, không màu, vị ngọt, dễ tan trong nước, nóngchảy ở nhiệt độ 185 0C Có trong nhiều loại thực vật và là thành phần chủ yếucủa đường mía; củ cải, thốt nốt

Saccharose được cấu tạo từ 1 phân tử a.D.Glucose và 1 phân tử b.D.Fructose, hai phân tử này liên kết với nahu bởi mối liên kết 1α) và – 2 glycozit Mốiliên kết đặc biệt này làm cho các monomer hợp phần mất đi tính khử của chúng

a.D Glucose + b.D Fructose = Saccharose

Saccharose là loại đường đôi không có tính khử; dễ bị thuỷ phân và hoà tan.Trong tế bào nó có vai trò dự trữ và cung cấp năng lượng cho tế bào

Tuy nhiên đối với con người việc sử dụng saccarose cần chú ý: “Giới hạn sửdụng đối với người lớn tuổi lao động trí óc, những người có khuynh hướngbéo ” với các lý do sau:

* Mức sử dụng đường cao thường không tách rời với sự tăng năng lượngchung của khẩu phần, đây là việc không tốt đối với người không lao động chân tay

* Khi thừa, saccharose dễ dàng biến thành mỡ (lipit)

* Nhiều nghiên cứu còn cho thấy ở người đứng tuổi và già, thừa saccharose cótác dụng tăng cholesterol trong máu, trong khi đó tinh bột không có tính chất này.Nguồn saccharose chủ yếu trong dinh dưỡng người là đường mía (10 -15%) và đường củ cải (14 - 18%) Ngoài ra saccharose còn hiện diện trong một

số loại thực phẩm khác như sau: chuối 13,7%, mơ 2,8 - 10%, mận 4,0 – 9,3%,dưa hấu 5%, cà rôt 6,4%, táo 1,5 – 5,3%

III.4.2.2.Mantose (đường nha)

Gồm 2 phân tử glucose liên kết với nhau bởi mối liên kết glycozit, liên kết cảbon 1 của glucose này với cảbon 4 của glucose thứ hai Sự liên kết các

monomer glucose theo cách khác sẽ tạo ra các disaccarit khác

III.4.2.3.Lactose (đường sữa)

Gồm 1 phân tử galatose liên kết 1 phân tử glucose bởi mối liên kết 1β), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường-4

glycozit Liên kết này làm cho phân tử đường kê tiếp “nằm sấp” so với trạng thái

“nằm ngửa” của phân tử phía trước

Lactose kém ngọt và kém hoà tan hơn sucrose, hoà tan khoảng một phầntrong 6 phần nước Khi hidro hoá bằng nhiệt với axit hoặc bởi enzyme nhưlactose của nước quả ở đường ruột, mỗi phân tử lactose cho một phân tử glucose

và một phân tử galactose Do đó lactose ăn vào được hấp thu Enzyme thủy phânlactose là lactase Lactase thường mất trong các cơ thể thanh thiếu niên và làmcho các cơ thể này không chịu được sữa Quá trình thủy phân lactose ở đườngruột xảy ra chậm, điều đó có mặt tốt và không tốt

+ Mặt tốt của việc thủy phân chậm lactose là nhờ đó có thể hạn chế đượccác quá trình lên men ở ruột và bình thường hoá các hoạt động của vi khuẩnđường ruột có ích Sự có mặt của lactose kích thích phát triển của vi sinh vật làmchua sữa, ức chế các vi khuẩn gây thối Saccharose không có tính chất củalactose nên không có tác dụng nào đối với vi khuẩn ruột

+ Mặt không tốt của việc thủy phân chậm lactose là hạn chế sử dụng nó đểtạo glycogen nhanh, do mặt này mà khi lao động nặng dùng glucose haysaccharose tốt hơn Lactose rất ít sử dụng trong cơ thể để tạo mỡ và cũng không

có tác dụng làm tăng cholesterol trong máu Nguồn lactose là sữa và các chếphẩm của sữa

III.4.3.Poly saccarit 31

Poly saccarit là các đại phân tử gồm các polymer với vài trăm đến vàinghìn monomer liên kết với nhau bằng liên kết glycosidic Chúng không có vịngọt và không tan trong nước mà thường tồn tại dưới dạng các dung dịch keo.Như vậy trong tế bào sự tích tụ nhiều của các hợp chất này không ảnh hưởng tới

sự chuyển hoá bình thường của tế bào và có chức năng là chất dự trữ nănglượng, hoặc tham gia vào cấu trúc tế bào

Các Poly saccarit được chia làm 2 nhóm: nhóm chất dự trữ năng lượng vànhóm chất tham gia cấu trúc tế bào

III.4.3.1.Polysaccarit dự trữ năng lượng

Các polysaccarit dự trữ năng lượng quan trọng nhất là: tinh bột, cellulose

và glycogen Trong đó tế bào thực vật dữ trữ năng lượng dưới dạng tinh bột, còn

tế bào động vật và nấm dự trữ dưới dạng các glycogen

31 Ở một số tài liệu poly saccarit được gọi là đường đa, tính chất vật lý của các poly saccarit là không tan trong nước và không có vị ngọt nên không nên gọi poly saccarit là các đường đa

a Tinh bột

Về cấu trúc tinh bột không phải là một đơn chất mà là hỗn hợp các chuỗithẳng các phân tử Poly saccarit (amylose) và phân nhánh của các phân tử Polysaccarit thứ hai gọi là amylopectin

Các đơn phân tham gia cấu tạo nên amylose là các glucose chúng nối với nhaubởi liên kết 1a - 4 glicozit

Mạch amylose thường được xoắn lại dạng lò so (Helix) Mỗi vòng xoắn gồm

có 6 phân tử glucose và được duy trì nhờ các liên kết hidro Khoảng không giangiữa các vòng xoắn có kích thước phù hợp để cho các phân tử iot tương tác vớicác đơn vị glucose, làm thay đổi vị trí của chúng do đó đã tạo nên một phức hợpmàu xanh đặc trưng

Amylopectin chỉ khác với amylose ở chỗ nó có cấu trúc phân nhánh mỗinhánh bắt đầu bằng liên kết 1a - 6 glicozit, và cứ khoảng 24- 30 đơn vị glucosethì có một nhánh

Amylopectin chiếm tỷ lệ khoảng 80% tinh bột bản thân nó rất dễ bị enzimamylaza cắt đứt các đơn phân và mạch nhánh để tạo thành các đường đơn cungcấp cho hoạt động của tế bào

Hình 20 Cấu trúc tinh bột

b Glycogen

Về cấu trúc glycogen gần giống với amylopectin nhưng sự phân nhánh mau

hơn, khoảng 8- 12 đơn vị glucose có 1 nhánh Glycogen là poly xaccarit dự trữphần lớn là ở động vật và nấm

Hình 21 Sơ đồ cấu trúc phân tử glycogen

III.4.3.2.Polysaccarit cấu trúc tế bào

Tế bào được xây dựng từ những polysaccarit cấu trúc rất bền vững Ví dụcellulose là nguyên liệu chính cấu trúc lên thành tế bào thực vật, chitin làpolysaccarit cấu trúc bộ xương ngoài động vật chân khớp

Giống như tinh bột, cellulose là polymer của glucose nhưng các liên kếtglycosidic của chúng là 1b - 4 glycozit làm cho các monomer glucose luân phiên

nhau “sấp” “ngửa” Sự thay đổi liên kết này đã làm cho phân tử cellulose khôngxoắn lại được mà tạo thành sợi thẳng không bị hoà tan trong tế bào.

Sự khác nhau về liên kết glycosidic ở tinh bột và cellulose làm cho hai phân tử

có hình dạng không gian ba chiều khác nhau Trong khi tinh bột chủ yếu códạng xoắn lò xo thì cellulose có dạng mạch thẳng Cellulose không khi nào phânnhánh, một số nhóm hidroxyl trên các monomer glucose của nó tự do tạo liênkết hidrogen với các nhóm hidroxyl của các phân tử cellulose khác khi nằmsong song với nó Ở thành tế bào thực vật, các phân tử cellulose gắn kết vớinhau theo cách đó tạo thành các vi sợi

Hì

nh 22 Sự sắp xếp cellulose trong thành tế bào thực vậ t

Poly saccarit cấu trúc quan trong khác là chitin, lại carbohydrate mà động vậtchân đốt (côn trùng, giáp xác và một số động vật khác ) sử dụng để xây dựng bộxương ngoài của chúng Bộ xương ngoài là hộp cứng bao lấy phần mềm củađộng vật Chitin tinh khiết dai và dẻo nhưng nó trở nên cứng khi bị vôi hóa Ngoài ra chitin còn thấy trong thành của một số loại nấm Về mặt cấu trúc chitin

có cấu trúc tương tự như cellulose ngoại trừ monomer của chitin có phần phụchứa nitrogen

II Lipit (Lipid) là nhóm chất các phân tử kỵ nước

1 Khái quát chung

Lipid là một chất không thực sự là các polymer, khối lượng phân tử không đủ lớn

để gọi là đại phân tử Chúng có một tính chất chung là không hoà tan trong nước.Một số loại lipid quan trọng về mặt sinh học là: chất béo, Photpholipit và steroid

2 Phân loại

2.1 Chất béo (dầu, mỡ, sáp)

Chất béo được tạo ra từ 2 loại phân tử là: glycerol và các axit béo (32)

Glycerol là hợp chất có 3 nguyên tử C và mỗi nguyên tử C có gắn một nhómchức -OH

Axit béo có bộ khung C dài, thường là 16 hoặc 18 C Đầu tận cùng củakhung C có gắn 1 nhóm chức cacboxyl (-COOH) Các liên kết C - H trong bộ

32 Acid monocacboxylic có số nguyên tử carbon từ 12 đến 24 và khung xương carbon không phân nhánh

khung C tương đối không phân cực trong bộ khung C của axit béo là nguyên

nhân làm cho chất béo kỵ nước

Trong cấu trúc phân tử mỗi nhóm (–OH) ở glycerol liên kết với nhóm chứccacboxyl (-COOH) của 1 phân tử axit béo bằng liên kết este Chất béo được tạo

ra còn được gọi là triacylglycerol (triglyceride)

Hình 23 Công thức cấu tạo của tri glycerit

Các phân tử axite béo thay đổi về độ dài khung C, số lượng và vị trí liên kếtđôi Trong trường hợp các chất béo mà axit béo không có nối đôi thì được gọi làchất béo no (mỡ), còn trong trường hợp ít nhất 1 phân tử axit béo có liên kết đôithì được gọi là chất béo không no (dầu) (33)

Trong thực tế ta thường gặp cụm từ “dầu thực vật đã được hidrogen hoá”trên các nhãn thức ăn, điều đó có nghĩa là chất béo không no đã được chuyểnhoá nhân tạo thành chất béo no. (34)

33 Chất béo no (mỡ) và không lo (dầu) là thuật ngữ dùng trong phạm trù dinh dưỡng.

Dầu: ở thể lỏng trong điều kiện nhiệt độ phòng và chứa các axit béo chưa no (axit có nối đôi trong mạch các bon.

Sap: Cũng chứa các liên kết este nhưng mỗi phân tử sap chỉ chứa một đơn vị nhỏ axit béo liên kết với một rượu mạch thẳng dài thay cho glyxerin.

34 () Trong khẩu phần ăn ta dùng nhiều chất béo no là nguyên nhân dẫn đến bệnh xơ vữa động mạch Các nghiên cứu gần đây cho biết: quá trình hydrogen hoá dầu thực vật không chỉ sinh ra chất béo no mà còn sinh ra chất béo không no với liên kết đôi trans Các chất béo có nối đôi trans có thể có vai trò lớn hơn dẫn đến bệnh xơ vữa động mạch và các vấn đề khác so với chất các chất béo no Các chất béo không no trans được chuyển hoá nhiều trong các món ăn nướng

Hình 24 Cấu trúc photpho lipit

Trong tế bào, chất béo có chức năng chính là dự trữ năng lượng, một phần dochúng không tan trong nước, một phần chúng có vô số các liên kết C-C; C=C vàC-H (35) đặc trưng cho cấu trúc phân tử Nó có thể được sử dụng khi cần Mộtgam chất béo dự trữ năng lượng (38 KJ) nhiều gấp đôi 1 gam poly saccharide(tinh bột 17KJ/gam) Ngoài ra chất béo được dụ trữ dưới da có tác dụng giảmchấn động cơ học, cách nhiệt cơ thể với môi trường, bọc lót các cơ quan trongxoang cơ thể Ví dụ: lớp mỡ dưới da dày ở các voi, hải cẩu và nhiều động vậtvùng xứ lạnh khác giúp chúng có thể sống được trong điều kiện môi trường lạnhđến mức đóng băng Mỡ, dầu và đặc biệt là sap được sử dụng như chất “chốngthấm nước” cho bề mặt bên ngoài của động vật và thực vật, thường là để giảm

sự mất nước

2.2 Photpholipit

Photpholipit là nhóm lipit quan trọng nhất vì cùng với prôtein chúng làthành phần cốt yếu của màng tế bào Trong phân tử photpholipit: nhóm (-OH)thứ nhất và thứ 2 của glycerol liên kết với 2 nhóm (-COOH) của 2 axit béo,nhóm (-OH) thứ ba liên kết với phân tử axit photphoric Gốc photphoric nhómnày nối glyxerol với một alcol phức.(hình ….)

Hình 25 Cấu trúc một phân tử phospholipid (phosphatidyl colin)

Trong cấu trúc phân tử phospholipid: nhóm (-OH) thứ 1 và thứ 2 của

glycerol liên kết với 2 nhóm (-COOH) của 2 axit béo, nhóm (-OH) thứ baliên kết với phân tử axit photphoric Gốc photphoric nhóm này nối glyxerinvới một alcol phức Với cấu trúc trên thì phân tử phospholipid có đầu ưanước (phân cực) và đuôi kỵ nước (không phân cực) Sự đa dạng củaphospholipid dựa trên sự khác biệt ở hai axit béo và ở nhóm gắn với nhómphosphate của đầu ưa nước Phospholipid đặ biệt là phosphatidylcholine.Chỗ gẫy trong phân tử là do liên kết đôi cis (a) Cấu trúc phân tử; (b) Môhình không gian; (c) Biểu tượng của phospholipid.

Trong phân tử phosphatidyl colin các chuỗi hidro cacbon không phân cựccủa các axit béo hấp dẫn nhau và kết quả là chúng cùng nằm về 1 với glyxerol,gốc photphoric phân cực đẩy nhóm không phân cực làm cho phân tử glycerol bị