SINH HỌC CƠ SỞ các phân tử sinh học

Chương 1: Chức năng và cấu trúc của phân tử sinh học Chương 2: Cấu trúc và chức năng tế bào Chương 3: Trao đổi chất qua màng Chương 4: Enzyme và vitamin Chương 5: Năng lượng và sự biến dưỡng tế bào Chương 6: Hormone Chương 7: Sự truyền tín hiệu và tương tác tế bào Chương 8: Dinh dưỡng, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Chương 9: Hóa sinh miễn dịch Chương 10: Nhiễm sắc thể và sự phân bào Chương 11: Hệ gen, sao chép và phiên mã Chương 12: Dịch mã và điều hòa biểu hiện gen Chương 13: Các kỹ thuật sinh học phân tử thông dụng Chương 14: Ứng dụng của SHPT trong một số lĩnh vực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

SINH HỌC

CƠ SỞ

TS Quách Ngô Diễm Phương

(qndphuong@hcmus.edu.vn)

Chương 1: Chức năng và cấu trúc của phân tử sinh học

Chương 2: Cấu trúc và chức năng tế bào

Chương 3: Trao đổi chất qua màng

Chương 4: Enzyme và vitamin

Chương 5: Năng lượng và sự biến dưỡng tế bào

Chương 6: Hormone

Chương 7: Sự truyền tín hiệu và tương tác tế bào

Chương 8: Dinh dưỡng, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Chương 9: Hóa sinh miễn dịch

Chương 10: Nhiễm sắc thể và sự phân bào

Chương 11: Hệ gen, sao chép và phiên mã

Chương 12: Dịch mã và điều hòa biểu hiện gen

Chương 13: Các kỹ thuật sinh học phân tử thông dụng

Chương 14: Ứng dụng của SHPT trong một số lĩnh vực

NỘI DUNG MÔN HỌC

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC

- Hình thức thi: Trắc nghiệm

- Thi giữa kỳ: 30%

- Thi cuối kỳ: 70%

- Không sử dụng tài liệu lúc thi

- Các bài kiểm tra trong lớp, phát biểu và trả lời câu

hỏi, … sẽ được điểm cộng vào điểm bài thi giữa kỳ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1)Campbell biology /Jane B Reece [and five

others].—Tenth edition/ Pearson Education

2)Sinh học đại cương/ Phạm Thành Hổ/ Tủ sách

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

3)Sinh học tế bào/ Bùi Trang Việt/ Nhà xuất bản đại

học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh

4)Sinh học phân tử/ Hồ Huỳnh Thùy Dương/ Nhà

xuất bản giáo dục

MỞ ĐẦU

TẾ BÀO – ĐƠN VỊ CHỨC NĂNG

2/ Tế bào được phân loại như thế nào?

Có bao nhiêu nhóm tế bào?

Các bào quan, thành phần tế bào được cấu tạo từ những thành

Prokaryote

Sinh vật đa bàoEukaryoteTất cả thành phần tế bào được tạo từ 4 nhóm phân tử sinh

học chính: carbohydrate, lipid, protein và nucleic acid

và đạiphân tửsinh học

là gì?

ĐẠI PHÂN TỬ VÀ PHÂN TỬ

Đại phân tử sinh học (Macromolecule) là những

phân tử lớn được cấu tạo từ hàng nghìn phân tử nối

với nhau qua cầu nối cộng hóa trị

Đại phân tử sinh học là polymer, được cấu trúc từ

các monomer tương tự nhau – các phân tử cấu trúc

nên đại phân tử.

3 trong số 4 nhóm phân tử sinh học của thế giới

sống là polymer: carbohydrate, protein và nucleic acid

THỰC PHẨM VÀ DINH DƯỠNG

Những nguồn dinh dưỡng chính cần thiết cho sự phát

triển của cơ thể?

Phản ứng tổng hợp và phân hủy của các polymer khác hay giống nhau?

Monomer

Polymer

Phân cắt Tổng hợp

Đối với cơ thể:

Đối với tế bào:

TỔNG HỢP VÀ PHÂN HỦY POLYMER

Monomer

Polymer

Thủy phân (hydrolysis)

Khử nước

(dehydration)

Các nhóm polymer khác nhau về bản chất các

monomer cấu tạo nên chúng, nhưng cơ chế hóa học

tổng hợp và phân hủy polymer của tế bào là giống nhau

cho mọi nhóm.

PHẢN ỨNG KHỬ NƯỚC

(a) Phản ứng khử nước có vai trò trong sự tổng hợp polymer.

Phản ứng khử nước xảy ra khi 2 monomer liên kết với nhau

thông qua sự phóng thích 1 phân tử nước

PHẢN ỨNG THỦY PHÂN

(b) Phản ứng thủy phân: bẻ gãy các polymer

Polymer được phân cắt thành monomer thông qua phản

ứng thủy phân (hydrolysis)

SỰ ĐA DẠNG CỦA CÁC POLYMER

Sự sắp xếp các monomer đã tạo nên tính da dạng

cho các polymer: các polymer chỉ được cấu trúc nên

từ khoảng 40 – 50 loại monomer phổ biến và một số

monomer hiếm gặp, nhưng chúng được sắp xếp theo

Đường (đơn và oligo) là Carbohydrate đơn giản:

Đường đơn – một phân tử đường

Đường oligo – 2 đến 10 phân tử đường liên kết với nhau

bởi liên kết cộng hóa trị

Polymer của đường là Carbohydrate phân tử lớn: đường đa

( > 100 đơn vị)

POLYMER CỦA ĐƯỜNG (POLYSACCHARIDE) ĐƯỜNG OLIGO

CARBOHYDRATE ĐƠN GIẢN

ĐƯỜNG ĐƠN: Monosaccharide

Mono- = đơn lẻ ; -saccharide = đường

CARBOHYDRATE ĐƠN GIẢN

Aldoses (Aldehyde ) Ketoses (Ketone )

Glyceraldehyde

Trioses: 3-carbon sugars (C 3 H 6 O 3 )

Dihydroxyacetone Pentoses: 5-carbon sugars (C 5 H 10 O 5 )

Hexoses: 6-carbon sugars (C 6 H 12 O 6 )

Ribose Ribulose

Glucose Galactose Fructose

• Monosaccharides có các nhóm

hydroxyl (-OH) và một nhómcarbonyl (CO); với công thứcchung là (CH2O)n

• Glucose (C6H12O6) là đườngđơn phổ biến nhất

• Đường đơn được phân loại dựavào:

– Vị trí của nhóm carbonyl +nhóm aldolse/aldehyde+ nhóm ketose/ketone– Số carbon trên sườn carbone– Sự sắp xếp các nguyên tử(đồng phân)

Aldose (Aldehyde Sugar) Ketose (Ketone Sugar)

Aldose (Aldehyde Sugar) Ketose (Ketone Sugar)

Hexoses: 6-carbon sugars (C 6 H 12 O 6 )

Glucose Galactose Fructose

Cùng chung công thức (C 6 H 12 O 6 ) nhưng do sự sắp xếp của các nguyên tử khác nhau , nên

các đồng phân glucose, galactose và fructose có cấu trúc 3 chiều khác nhau

DẠNG THẲNG VÀ DẠNG VÒNG CỦA ĐƯỜNG

(a)Cân bằng hóa học giữa dạng thẳng và vòng của đường

Để tạo dạng vòng, C1 nối với O liên kết với C5

4

3 2

2 3 4 5 6

pyranose hoặc furanose

ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ α VÀ β CỦA ĐƯỜNG

1

Carbon của vòng mang bốn nhóm khác nhau, trở thành

một trung tâm không đối xứng mới, và do đó tạo nên

kiểu đồng phân lập thể mới (diastereomer – đồng phân

đôi) gọi là anomer (chỉ khác nhau về dạng không gian ở

vị trí C-1).

CHỨC NĂNG CỦA ĐƯỜNG ĐƠN

-Tế bào dùng làm nhiên liệu cho hô hấp tế bào (đặc biệt là

glucose) nhằm cung cấp năng lượng, hay vật liệu ban đầu

cho các con đường sinh tổng hợp khác.

- Nếu tế bào không cần dùng đường đơn, nó sẽ đi vào con

đường hình thành đường đôi hay đường đa

ĐƯỜNG OLIGOchứa từ 2 đến 10 gốc đường mono, dạng phổ biến nhất là disaccharide

CARBOHYDRATE ĐƠN GIẢN

ĐƯỜNG ĐÔI: Disaccharide

Di- = đôi ; -saccharide = đường

MỘT SỐ ĐƯỜNG ĐƠN VÀ ĐƯỜNG OLIGO LÀ

ĐƯỜNG KHỬ

Glucose và những đường khác có khả năng khử Cu2+

được gọi là đường khử

MỘT VÀI ĐƯỜNG ĐÔI PHỔ BIẾN

Glc( a 1 → 2 b )Fru

Cấu hình của carbon bất đối

Các carbon tham gia vào liên kết glycosidic

Đường khử

MỘT VÀI ĐƯỜNG ĐÔI PHỔ BIẾN

Sucrose (đường mía hay đường ăn) là đisaccharide có

số lượng lớn nhất.

Sucrose tồn tại với hàm

lượng không lớn lắm trong

các mô có chứa chlorophyll

CARBOHYDRATE PHÂN TỬ LỚN

ĐƯỜNG ĐA: Polysaccharide

Poly- = nhiều (đa) ; -saccharide = đường

Polysaccharide là các polymer có vài trăm đến vài

nghìn monosaccharide, được liên kết với nhau bằng liên

kết glycosidic Cấu trúc và chức năng của

polysaccharide được xác định bởi đường đơn và vị trí

của cầu nối glycosidic

Hai chức năng chính của Polysaccharide:

Chất dự trữ: tinh bột ở thực vật

glycogen ở động vật

Cấu trúc: cellulose ở vách tế bào thực vật

chitin tạo nên vỏ ngoài của các loài

chân đốt (ve sầu)

Vì sao tinh bột có dạng xoắn còn cellulose có dạng thẳng?

Tinh bột: liên kết 1-4 của các

SỰ PHÂN BỐ CARBOHYDRATE TRONG SINH VẬT

Ở thực vật: carbohydrate tập trung ở thành tế bào, mô

nâng đỡ, mô dự trữ Hàm lượng carbohydrate thay đổi

nhiều tùy loài, tùy giai đoạn sinh trưởng và phát triển

của thực vật.

Ở động vật và người: carbohydrate tập trung chủ yếu ở

gan Trong máu của một cơ thể bình thường thì hàm

lượng carbohydrate là một hằng số

Thực vật xanh có khả năng sử dụng ánh sáng Mặt Trời

để tổng hợp carbohydrate từ CO2 và H2O Động vật và

người không có khả năng này, vì vậy thực vật là nguồn

dinh dưỡng thiết yếu của động vật và người.

TÓM TẮT MỘT SỐ VAI TRÒ QUAN TRỌNG CỦA

CARBOHYDRATE

Cung cấp năng lượng cho cơ thể (dự trữ):

carbohydrate đảm bảo 60% năng lượng cho các quá

trình sống.

Vai trò cấu trúc (và bảo vệ): cellulose, peptidoglycan,

pentose, … tham gia cấu trúc bên trong cơ thể sống hoặc

tạo lớp phủ bảo vệ bên ngoài cơ thể

Bảo đảm tương tác đặc hiệu trong tế bào:

carbohydrate trên màng tế bào hồng cầu hay ở thành tế

bào của một số vi sinh vật, …

LIPID

LIPID – NHÓM PHÂN TỬ KỴ NƯỚC ĐA DẠNG

Lipid là một nhóm phân tử sinh học lớn, nhưng không phải

là polymer

MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA LIPID

Lipid có tính kỵ nước: khả năng hòa tan kém (không tan

trong nước)

Lipid có nhiều loại (do khác nhau về hình dạng và chức

năng), trong đó chất béo (mỡ), phospholipid và steroid là

những lipid quan trọng về mặt sinh học

Lipid thường chứa các phân tử acid béo (acid carboxylic có

đuôi carbon dài từ 4 đến 36C) hoặc vòng steroid

Lipid giữ vai trò trong dự trữ năng lượng và cấu trúc

màng, bên cạnh vai trò là cofactor của enzyme, sắc tố hấp

thu ánh sáng, hormone và phân tử truyền tín hiệu.

LIPID – NHÓM PHÂN TỬ KỴ NƯỚC ĐA DẠNG

CHẤT BÉO (MỠ)

LIPID – NHÓM PHÂN TỬ KỴ NƯỚC ĐA DẠNG

CHẤT BÉO NO VÀ KHÔNG NO

Bơ là chất

béo no Dầu oliu là chất béo không no

LIPID – NHÓM PHÂN TỬ KỴ NƯỚC ĐA DẠNG

CHẤT BÉO: TÁC HẠI VÀ Ý NGHĨA SINH HỌC

TÁC HẠI: khẩu phần ăn giàu chất béo no là một trong

những nguyên nhân gây ra bệnh xơ vữa động mạch.

Ý NGHĨA SINH HỌC:

- Dự trữ năng lượng: 1gam chất béo dự trữ năng lượng

nhiều gấp 2 lần 1gam polysaccharide.

- Giảm trọng lượng chất dự trữ cho sinh vật di động.

- Bao bọc để bảo vệ cơ quan (như thận) và cách nhiệt cho

cơ thể (đặc biệt dày ở cá voi, hải cẩu, các động vật biển)

LIPID – NHÓM PHÂN TỬ KỴ NƯỚC ĐA DẠNG

BỐN NHÓM PHOSPHOLIPID CHÍNH CỦA MÀNG

TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

Phospholipid chính ở màng tế bào động vật là

phosphoglyceride.

phosphatidylethanolamine phosphatidylserine phosphatidylcholine sphingomyelin sphingosine

LIPID – NHÓM PHÂN TỬ KỴ NƯỚC ĐA DẠNG

STEROID

Steroid là lipid được đặc trưng bởi 4 vòng carbon hợp lại

Các hormon sinh dục ở động vật, cholesterol ở màng tế

bào động vật là các steroid.

LIPID – NHÓM PHÂN TỬ KỴ NƯỚC ĐA DẠNG

Amino acid

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

Protein chiếm hơn 50% trọng lượng khô của hầu hết các tế bào.

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

ENZYME XÚC TÁC

Chức năng: tăng vận tốc (có chọn lọc) phản ứng hóa học

Ví dụ: Các enzyme tiêu hóa làm xúc tác quá trình thủy

phân polymer trong thức ăn

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

DỰ TRỮ

Chức năng: dự trữ amino acid

Ví dụ: Ovalbumin là protein lòng trắng trứng, được dùng

như là nguồn amino acid để phát triển phôi Casein (protein

sữa) là nguồn amino acid chính cho động vật có vú còn non.

Thực vật dự trữ protein trong hạt.

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

HORMONE

Chức năng: điều hòa các hoạt động của cơ thể

Ví dụ: Insulin, hormon do tiến tụy tiết ra, giúp điều hòa

nồng độ đường trong máu ở động vật có xương sống

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

CO CƠ VÀ VẬN ĐỘNG

Chức năng: vận động

Ví dụ: Actin và myosin chịu trách nhiệm co cơ Các protein

khác chịu trách nhiệm tạo chuyển động gợn sóng của lông

roi và lông rung.

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

BẢO VỆ

Chức năng: bảo vệ chống bệnh tật

Ví dụ: các kháng thể chống lại vi khuẩn và virus

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

VẬN CHUYỂN

Chức năng: vận chuyển các chất khác

Ví dụ: Hemoglobin, protein chứa sắt của máu động vật có

vú, vận chuyển oxy từ phổi đến các thành phần khác trong

cơ thể Các protein màng vận chuyển các phân tử qua màng

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

THỤ THỂ

Chức năng: đáp ứng của tế bào với các kích thích hóa học

Ví dụ: các thụ thể ở màng tế bào thần kinh phát hiện các

tín hiệu hóa học do các tế bào thần kinh khác giải phóng ra

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

CẤU TRÚC

Chức năng: nâng đỡ

Ví dụ: côn trùng và nhện dùng các sợi tơ để làm kén và

mạng Collagen và eslatin làm khung sợi trong các mô liên

kết của động vật Keratin là protein ở tóc, móng, lông và các

phần phụ trên da

CÁC CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

CÓ LIÊN QUAN ĐẾN CẤU TRÚC PROTEIN

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

Amino acid là monomer cấu trúc nên chuỗi polypeptide

Một hay nhiều chuỗi polypeptide cấu trúc nên protein.

AMINO ACID

Amino acid là phân tử hữu cơ với

nhóm carboxyl, nhóm amino và nhóm bên R Ba nhóm này tạo cầu nối cộng hóa trị với C trung tâm

Nhóm R là phần thay đổi, quyết định tính chất riêng của mỗi amino acid.

Chia thành 3 nhóm amino acid

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

Không phân cực, kỵ nước

Phân cực, ưa nước

Tích điện, ưa nước

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

LIÊN KẾT PEPTIDE GIỮA CÁC AMINO ACID

Liên kết peptide là liên kết cộng hóa trị giữa nhóm carboxyl của amino acid này với nhóm amin của amino acid kia.

Quá trình này được lặp đi lặp lại nhiều lần tạo một chuỗi dài (polymer) gọi là chuỗi polypeptide có 1 đầu amin (đầu N) và 1 đầu carboxyl (đầu C)

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

CÁC BẬC CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

Protein xoắn α: α-keratin ở tóc Protein phiến/nếp gấp β : protein tơ nhện

Synthesis of mRNA

mRNA DNA

NUCLEUS

CYTOPLASM mRNA

Ribosome

Amino acids Polypeptide

Movement of mRNA into cytoplasm Synthesis

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

CÁC BẬC CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

Cấu trúc bậc 3 của protein

thường có dạng hình cầu hoặc

Cấu trúc bậc 4 có từ 2 chuỗipolypeptide (bậc 3) trở lên

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

PROTEIN – ĐẠI PHÂN TỬ NHIỀU CHỨC NĂNG

Secondary structure

Tertiary structure

Quaternary structure

Transthyretin protein

BẤT THƯỜNG TRONG CẤU TRÚC PROTEIN

CÓ THỂ GÂY RA BỆNH LÝ

Các protein Hemoglobin không liên kết với nhau, mỗi phân tử mang một oxygen

Các protein Hemoglobin liên kết với nhau và tinh thể hóa thành sợi, khả năng mang oxygen giảm mạnh

NUCLEIC ACID

NUCLEIC ACID

Nucleic acid là polymer của nucleotide (polynucleotide)

Có 2 loại nucleic acid là d eoxyribo n ucleic a cid (DNA)

và r ibo n ucleic a cid (RNA)

Nucleic acid lưu giữ

và truyền đạt thông

tin di truyền.

NUCLEIC ACID

Nucleic acid (polynucleotide)

được cấu trúc từ các monomer

là nucleotide

NUCLEIC ACID

LIÊN KẾT Phosphodiester LÀ CẦU NỐI CỦA CÁC NUCLEOTIDE

Hai chuỗi liên kết với nhau

tắc bổ sung (A=T, G ≡C)

SỰ BẮT CẶP BỔ SUNG CỦA CÁC BASE NITƠ

TRONG NUCLEOTIDE Ở SỢI DNA MẠCH ĐÔI

3 loại RNA chính:

mRNA, tRNA, rRNA

Figure 5.25-1

Synthesis of

mRNA

mRNA DNA

NUCLEUS

CYTOPLASM mRNA

Figure 5.25-3

Synthesis of

mRNA

mRNA DNA

NUCLEUS

CYTOPLASM mRNA

Ribosome

Amino acids Polypeptide