MỘT số vấn đề cơ bản về các đại PHÂN tử hữu cơ

Trong quá trình ôn luyện học sinh giỏi các cấp cấp tỉnh, cấp quốc gia, học sinh giỏi Trại hè Hùng vương, Học sinh giỏi Vùng Duyên hải Đồng bằng Bắc Bộ…, những kiến thức phần di truyền

TRƯỜNG PHỔ THÔNG VÙNG CAO VIỆT BẮC

-!"# -

CHUYÊN ĐỀ TRẠI HÈ HÙNG VƯƠNG LẦN THỨ XI

MÃ: SI15

MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN

VỀ CÁC ĐẠI PHÂN TỬ HỮU CƠ

Người thực hiện: Ths Bùi Thị Thu Thủy

Ths Nguyễn Thị Ngọc

Tổ bộ môn : Lí – Hóa - Sinh

MỞ ĐẦU" "1" NỘI DUNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ CÁC ĐẠI PHÂN TỬ HỮU CƠ"

1 Tổng quan tài liệu" "2"

2 Hệ thống hóa kiến thức về các đại phân tử hữu cơ dưới dạng các bản đồ khái niệm (BDDKN)" "3"

3 Câu hỏi và bài tập liên quan" "17"

(Sách đại học sư phạm, Đại học nông nghiệp, Đại học y, Campbell, Phillips - Chilton,

đề thi học sinh giỏi các cấp trong nước và quốc tế, các buổi học chuyên đề với các giáo sư đầu ngành) cũng như tham khảo kinh nghiệm giảng dạy của các giáo viên

khác Vì vậy, các thông tin chuyên môn mà mỗi giáo viên có được cần được tích lũy, giữ gìn và trao đổi sâu rộng trong đội ngũ giáo viên và học sinh

Trong quá trình ôn luyện học sinh giỏi các cấp (cấp tỉnh, cấp quốc gia, học sinh

giỏi Trại hè Hùng vương, Học sinh giỏi Vùng Duyên hải Đồng bằng Bắc Bộ…),

những kiến thức phần di truyền học phân tử nói chung và các đại phân tử sinh học

(cacbohidrat, lipit, protein và axit nucleic) nói riêng chiếm vị trí rất quan trọng, với khối lượng kiến thức lớn và khó, có liên quan đến kiến thức môn học khác (môn hóa

học), đòi hỏi cả người dạy và người học cần phải làm chủ được nội dung, có phương

pháp hệ thống hóa kiến thức, xây dựng được mối liên hệ giữa kiến thức mới với kiến thức đã có, từ đó vận dụng kiến thức để giải quyết được các câu hỏi và bài tập liên quan

Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi đã chọn đề tài “Một số vấn đề cơ bản về các

đại phân tử hữu cơ” nhằm cung cấp một cái nhìn tổng thể về các đại phân tử hữu cơ

2 Mục đích của đề tài

Hệ thống hóa kiến thức về các đại phân tử hữu cơ nhằm cung cấp cho học sinh những kiến thức tối thiểu và cần thiết trong quá trình ôn thi học sinh giỏi các cấp

Đưa ra hệ thống các câu hỏi và bài tập ở các mức độ khó khác nhau để học sinh

luyện tập nhằm củng cố, khắc sâu, mở rộng kiến thức

3 Cấu trúc đề tài

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đề tài gồm các nội dung sau:

1 Tổng quan tài liệu

2 Hệ thống hóa kiến thức về các đại phân tử hữu cơ dưới dạng các bản đồ khái niệm (BDDKN)

Hình 1 BĐKN về các đại phân tử hữu cơ

NỘI DUNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ CÁC ĐẠI PHÂN TỬ HỮU CƠ

1 Tổng quan tài liệu

Trong số 92 nguyên tố hóa học có trong tự nhiên, có khoảng 25 nguyên tố (C,

H, O, N, S, P, K, Na, Ca, Mg…) tham gia cấu tạo nên các cơ thể sống Như vậy, ở cấp

độ nguyên tử thì giới vô cơ và hữu cơ có tính thống nhất Sự kết hợp của các nguyên

tố hóa học theo những cách khác nhau tạo nên các phân tử, đại phân tử khác nhau từ

đó phân biệt giới vô cơ và hữu cơ

Sự sống trên Trái Đất vô cùng đa dạng và phong phú nên các sinh vật có thể có mức độ đa dạng phân tử lớn Tuy nhiên, trong thực tế, những phân tử lớn và quan trọng của tất cả các vật thể sống lại chỉ gồm có bốn nhóm chính: cacbohidrat, lipit, protein và axit nucleic

Ở mức độ phân tử, cacbohidrat, protein và axit nucleic đều có kích thước lớn, được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân nên được gọi là các đại phân tử (polymer) Các nhóm polymer khác nhau về bản chất các monomer của chúng, nhưng cơ chế hóa học

để tạo ra và phá hủy các polymer cơ bản là giống nhau cho mọi nhóm Các monomer được liên kết lại nhờ phản ứng, trong đó hai phân tử được liên kết lại bằng liên kết cộng hóa trị qua việc mất đi một phân tử nước; phản ứng đó được gọi là phản ứng trùng ngưng hay phản ứng khử nước Polymer bị phân tách thành các monomer nhờ quá trình thủy phân – quá trình quan trọng ngược với phản ứng khử nước

Cacbohidrat bao gồm đường và các polymer của đường Cacbohidrat đơn giản nhất là các monosaccarit, còn được gọi là đường đơn Disaccarit là đường đôi gồm hai monosaccarit liên kêt với nhau bằng một liên kết cộng hóa trị Cacbohidrat còn bao gồm cả các đại phân tử được gọi là polysaccarit (đường đa) – polymer được cấu tạo từ nhiều đơn phân là đường

Gần như mỗi hoạt động chức năng của cơ thể sống đều phụ thuộc vào protein Thực tế là tầm quan trọng của protein được nhấn mạnh bằng chính tên gọi của chúng,

tên gọi xuất phát từ chữ Hy Lạp proteios, nghĩa là “vị trí đầu tiên” Protein chiếm hơn

50% trọng lượng khô của hầu hết các tế bào và chúng gần như là phương tiện để cơ thể làm mọi việc Một số protein đẩy nhanh các phản ứng hóa học, trong khi số khác đóng vai trò giá đỡ cấu trúc, dự trữ, vận chuyển, thông tin tế bào, vận động và bảo vệ chống lại các chất lạ Con người có hàng chục nghìn protein khác nhau, mỗi loại có cấu trúc và chức năng riêng; thực tế các protein là những phân tử có cấu trúc tinh vi nhất được biết Để phù hợp với sự đa dạng về chức năng, chúng cũng có cấu trúc rất

đa dạng, mỗi loại protein có một hình dạng ba chiều độc nhất

chương trình hóa nhờ đơn vị di truyền được gọi là gen Các gen được cấu tạo từ ADN, polymer thuộc nhóm chất được gọi là các axit nucleic Có hai loại axit nucleic là axit deoxiribonucleoic (ADN) và axit ribonucleic (ARN) giúp các cơ thể sống sản sinh các thành phần phức tạp của nó từ thế hệ này sang thế hệ khác Là duy nhất trong số các loại phân tử, ADN định hướng sự sao chép chính nó ADN còn định hướng sự tổng hợp ARN, và thông qua ARN, kiểm soát quá trình tổng hợp protein Cơ chế di truyền tuân theo quy luật của ADN thể hiện ở các quá trình tái bản (tự sao ADN), phiên mã, dịch mã và điều hòa hoạt động của gen Cơ chế không tuân theo quy luật của ADN thể hiện ở các cơ chế biến dị, cụ thể là đột biến gen, bao gồm các dạng đột biến điểm như mất một cặp nucleotit, thêm một cặp nucleotit và thay thế một cặp nucleotit này bằng một cặp nucleotit khác

Lipit là một nhóm các phân tử sinh học lớn, không thực sự là polymer, và nói chung, không đủ lớn để được coi là các đại phân tử Các hợp chất được gọi là lipit được nhóm lại cùng nhau vì chúng cùng có một đặc điểm quan trọng: Chúng hòa tan rất kém Tính chất kị nước của lipit là do cấu trúc phân tử của chúng Mặc dù chúng

có một số liên kết phân cực với oxy, nhưng lipit chủ yếu được cấu tạo từ các vùng hidrocacbon Các lipit khác nhau về hình dạng và chức năng Lipit bao gồm các chất sáp, những sắc tố nhất định và những loại lipit quan trọng về mặt sinh học như chất béo, photpholipit và steroid

Thế giới sống được tổ chức theo nguyên tắc thứ bậc các cấp độ cấu trúc, các tổ chức cấp thấp là nền tảng để xây dựng cấp tổ chức cao hơn Các phân tử, đại phân tử kết hợp với nhau theo những cách khác nhau tạo nên các bào quan từ đó cấu trúc nên

tế bào Trong bốn nhóm hợp chất hữu cơ trên, cacbohidrat và lipit chủ yếu tham gia cấu trúc nên tế bào và tham gia vào các hoạt động sống của tế bào Đối với protein và axit nucleic, ngoài những chức năng đó thì chúng còn có tham gia vào quá trình di truyền và biến dị Mỗi tế bào có hàng nghìn loại các đại phân tử khác nhau; tập hợp

đó có thể dao động từ loại tế bào này sang loại tế bào khác, thậm chí ở cùng một cơ thể Sự khác biệt bẩm sinh giữa các anh chị em phản ánh các biến dạng về polymer, đặc biệt là của ADN và protein Sự khác biệt ở mức phân tử giữa những cá thể không

có quan hệ họ hàng còn lớn hơn và khác biệt đó giữa các loài còn lớn hơn nữa Tính

đa dạng của các đại phân tử trong thế giới sống là vô cùng to lớn và tính biến dị có thể coi là không giới hạn

2 Hệ thống hóa kiến thức về các đại phân tử hữu cơ dưới dạng các bản đồ khái niệm (BĐKN)

2.1 Khái quát về các đại phân tử hữu cơ

Có bốn nhóm đại phân tử hữu cơ chính: Cacbohidrat, lipit, protein và axit nucleic Trong mỗi nhóm lại gồm nhiều hợp chất khác nhau: Cacbohidrat gồm đường đơn (monosaccarit), đường đôi (disaccarit) và đường đa (polysaccarit); lipit gồm lipit đơn giản và lipit phức tạp; axit nucleic gồm ADN và ARN; protein gồm protein đơn giản (cấu trúc bậc 1) và protein phức tạp (các bậc cấu trúc 2,3,4) Chúng đều có cấu trúc phù hợp với chức năng, có cơ chế hình thành (polymer hoặc không phải polymer) và biến đổi (đột biến gen) đặc trưng, từ đó cấu tạo nên tế bào, giúp tế bào thực hiện được các

chức năng sống và di truyền các đặc điểm đó cho thế hệ sau (Hình 1)

2.2 Cấu trúc và chức năng của các đại phân tử hữu cơ

2.2.1 Cacbohidrat

Cacbohidrat bao gồm các nhóm: đường đơn (monosaccarit), đường đôi (disacarit)

và đường đa (polysacarit) Đường đơn lại bao gồm hai nhóm: đường pentozo và đường hexozo Ribozo và deoxiribozo là các đường 5 cacbon tham gia cấu tạo nên các đơn phân của axit nucleic Glucozo, fructozo và galactozo là các đường 6 cacbon đều có công thức chung C6H12O6 Mantozo, lactozo và saccarozo là các đường đôi đều có công thức chung C12H22O11, được cấu tại theo nguyên tắc trùng hợp (nhị phân) bằng cách hình thành liên kết glicozit và có vai trò dự trữ, cung cấp năng lượng Có nhiều loại polysaccarit khác nhau như tinh bột, xenlulozo, glicogen và kitin Chúng đều được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân bằng cách hình thành các liên kết glicozit giữa các đơn phân Tuy nhiên chúng khác nhau nhiều ở công thức phân tử và công thức cấu tạo Chúng đều là các hợp chất có vai trò dự trữ năng lượng và tham gia cấu trúc nên tế bào

hoocmon sinh dục, vitamin, diệp lục… (Hình 3)

Hình 2 BĐKN về Cacbohidrat

Hình 3 BĐKN về Lipit

2.2.3 Protein

Hình 4 BĐKN về protein

Mỗi phân tử protein được cấu tạo

từ một hoặc nhiều chuỗi polipeptit, gồm

nhiều đơn phân là các axit amin được

nối với nhau bằng các liên kết peptit

Đơn phân của protein là axit amin Mỗi

axit amin được cấu tạo bởi nguyên tử

hidro, nhóm cacboxyl (-COOH), nhóm

amino (-NH2) và gốc R - quyết định

tính chất của axit amin Chuỗi

polipeptit hay còn gọi là cấu trúc bậc

một Cấu trúc bậc một liên kết với nhau

bằng các liên kết hidro sẽ tạo ra cấu trúc

bậc hai (chuỗi α hoặc β) Khi có tử hai

hay nhiều chuỗi polipeptit sẽ quy định

cấu trúc bậc 4 của protein (Hình 4)

2.2.4 Axit nucleic

Có 2 loại axit nucleic trong tế bào đó là axit deoxiribonucleic và axit ribonucleic Axit deoxiribonucleic được viết tắt là ADN, được tạo ra nhờ cơ chế tự sao và thông tin di truyền trên ADN được truyền đạt thông qua cơ chế sao mã tạo ra ARN ADN được cấu tạo từ các đơn phân là nucleotit Một nucleotit gồm 3 thành phần: Nhóm photphat, đường deoxiribozo và một trong bốn loại bazơ nitơ là Adenin (A), Timin (T), Guanin (G), hoặc Xitozin (X) Axit ribonucleic được viết tắt là ARN, cấu tạo nên bởi các đơn phân là ribonucleotit Một ribonucleotit gồm 3 thành phần: nhóm photphat, đường ribozo, và một trong bốn loại bazơ nitơ là Adenin (A), Uraxin (U), Guanin (G) và Xitozin (X) ARN gồm 3 loại là ARN vận chuyển (tARN), ARN thông tin (mARN) và ARN riboxom (rARN) Chức năng của ARN thông tin là mang thông tin di truyền từ ADN trong nhân đến tARN tại các riboxom Chức năng của ARN vận chuyển là vận chuyển axit amin đến riboxom tham gia dịch mã để tổng hợp protein ARN riboxom tham gia kiến tạo nên riboxom là nơi

diễn ra quá trình dịch mã tổng hợp protein (Hình 6)

Hình%5.%Ví%dụ%cấu%trúc%xoắn%alpha.%A:%mô%hình%giản% lược,%B:%mô%hình%phân%tử,%C:%nhìn%từ%đỉnh,%D:%mô%hình% không%gian%

!

Hình 6 BĐKN về Axit nucleic

2.3 Cơ chế của các đại phân tử

2.3.1 Tái bản ADN (Tự sao)

ADN có khả năng nhân đôi (tự sao, sao chép, tái bản) để tạo thành 2 phân tử ADN con giống nhau và giống phân tử ADN mẹ Quá trình này tuân theo nguyên tắc bổ sung, nguyên tắc bán bảo toàn và nguyên tắc khuôn mẫu Để quá trình tái bản diễn ra thì cần

có sự tham gia của các loại enzim, protein, nucleotit và mạch khuôn mẫu Quá trình này trải qua các giai đoạn duỗi xoắn, khởi đầu tái bản bằng ARN mồi, kéo dài, loại bỏ mồi

và hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp

2.3.4 Phiên mã

Hình 8 BĐKN về Phiên mã

Sự truyền thông tin di truyền từ phân tử ADN mạch kép sang phân tử ARN mạch đơn được gọi là quá trình phiên mã hay tổng hợp ARN Ở sinh vật nhân thực, quá trình tổng hợp các loại ARN đều diễn ra trong nhân tế bào, ở kì trung gian giữa

2 lần phân bào, lúc nhiễm sắc thể ở trạng thái dãn xoắn Quá trình này tuân theo nguyên tắc bổ sung và cần có sự tham gia của các loại enzim, ribonucleotit và mạch khuôn mẫu Phiên mã trải qua ba giai đoạn chính là khởi đầu, kéo dài và kết thúc để tạo ra mARN trưởng thành (ở sinh vật nhân sơ) hoặc tiền mARN (ở sinh vật nhân thực) Sau đó, tiền mARN này phải trải qua quá trình biến đổi để trở thành mARN trưởng thành

2.3.3 Dịch mã

Mã di truyền chứa trong mARN được chuyển thành trình tự các axit amin trong chuỗi polypeptide của protein, quá trình đó được gọi là dịch mã (tổng hợp protein) Quá trình dịch mã là giai đoạn kế tiếp sau phiên mã Quá trình này tuân theo nguyên tắc bổ sung và cần có sự tham gia của các loại enzim, axit amin, ARN và ribosom Dịch mã trải qua các giai đoạn hoạt hóa axit amin và hình thành chuỗi polypeptit để chuỗi polypeptide được giải phóng, sau đó metionin mở đầu tách khỏi chuỗi polypeptide để chuỗi polypeptide hình thành protein hoàn chỉnh (Hình 8)

2.3.4 Điều hòa hoạt động của gen

Điều hòa hoạt động của gen là điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra Quá trình này phụ thuộc vào giai đoạn phát triển cá thể, nhu cầu hoạt động sống của tế bào và phụ thuộc vào chất cảm ứng Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn và có nhiều mức độ điều hòa khác nhau còn ở sinh vật nhân sơ thì sự điều hòa chủ yếu ở mức phiên mã (Hình 9)

2.3.5 Đột biến gen

Đột biến gen là những biến đổi trong cấu trúc của gen Có rất nhiều kiểu biến đổi về cấu trúc của gen nhưng nếu chỉ xem xét những biến đổi liên quan đến một cặp nucleotit trong gen (đột biến điểm) thì đột biến gen bao gồm các dạng thay thế một cặp nucleotit, thêm hoặc mất một cặp nucleotit Nếu dựa vào sự biểu hiện của đột biến thì có đột biến giao tử, đột biến tiền phôi và đột biến soma Cá thể mang gen đột biến đã biểu hiện ra

kiểu hình được gọi là thể đột biến (Hình 10)

Hình 9 BĐKN về Dịch mã

Hình 11 BĐKN về Đột biến gen

CHÚ!THÍCH:!

(1): ĐB mất hoặc thêm Nu sẽ thay đổi khung đọc DT (xắp xếp lại các bộ ba) kể từ điểm

bị ĐB đến cuối gen, thường gây hậu quả lớn đến cấu trúc và chức năng Pr

(2): ĐB thay thế cặp Nu cùng loại hoặc khác loại mà bộ ba mã hóa mới vẫn mã hóa cho

loại axit amin ban đấu (do tính thoái hóa của mã di truyền), không biến đổi Pr

(3): ĐB thay thế cặp Nu khác loại mà bộ ba mã hóa mới mã hóa cho loại axit amin khác

loại ban đầu, làm Pr thay đổi 1 axit amin và có thể ảnh hưởng ít hoặc nhiều đến chức năng của Pr (tùy thuộc vào chức năng và vị trí của axit amin thay thế)

(4): ĐB thay thế cặp Nu có thể dẫn đến đổi bộ ba mã hóa axit amin bằng bộ ba kết thúc

dịch mã, làm Pr ngắn hơn và Pr thường mất chức năng

3 Câu hỏi và bài tập liên quan

Câu 1 (Olympic Quốc tế 2010): Tất cả các nhóm lipid khác nhau hình thành nên

màng sinh chất có đặc điểm hóa học chung nào dưới đây

A Đều có các đầu phân cực

Câu 2 (Đề HSG Quốc gia 2014) :

a Các phân tử mARN, tARN và rARN có cấu trúc mạch đơn thuận lợi cho việc thực hiện được chức năng tổng hợp prôtêin như thế nào?

b Có nhận định cho rằng tARN đóng vai trò thích ứng chuyển mã trong dịch mã Giải thích

Hướng dẫn trả lời:

a Cấu trúc mạch đơn thuận lợi cho việc thực hiện được chức năng tổng hợp prôtêin:

- Có khả năng hình thành các liên kết hidrô thông qua liên kết bổ sung với các phân tử axit nuclêic cùng hay khác loại tạo thuận lợi cho hoạt động chức năng của các ARN

- Sự liên kết rARN với nhau đưa đến sự tổ hợp các tiểu phần lớn và nhỏ tạo ra ribôxôm hoàn chỉnh để tổng hợp prôtêin; Sự liên kết giữa bộ ba đối mã (mã đối) của tARN với bộ

ba mã sao của mARN để tổng hợp chuỗi polipeptit

- Sự bắt cặp bổ sung giữa snARN trong thành phần thể cắt nối (enzim cắt nối) với tiền mARN giúp định vị chính xác vị trí cắt bỏ các intron và nối các exon để tạo mARN trưởng thành để tham gia vào quá trình dịch mã

- Có cấu trúc mạch đơn nên một vùng trên phân tử có thể bắt cặp bổ sung với một vùng khác của chính phân tử đó tạo nên cấu trúc không gian đặc thù để thực hiện chức năng nhất định Ví dụ: tARN có các thùy thực hiện các chức năng khác nhau, trong đó thùy mang bộ ba đối mã liên kết bổ sung với bộ ba mã sao trên mARN để trực tiếp thực hiện quá trình dịch mã