CƠ SỞ HÓA HỌC SỰ SỐNG SINH HÓA MÔI TRƯỜNG (Protein, Lipid, Enzym..)

Là polymer được thành từ monomer là các acid amin. Chiếm tỷ lệ cao trong các hợp chất hữu cơ. Có cấu tạo linh hoạt và có khả năng biệt hoá cao. Đảm nhận nhiều chức năng quan trọng và và có thể là nguyên liệu dự trữ. Các hydrat cacbon đơn nguồn cung cấp năng năng lượng • Các hydrat cacbon phức: nguồn dự trữ năng lượng hoặc nguyên liệu cấu trúcSự sống, Sống hay Cuộc sống là một đặc điểm phân biệt các thực thể vật chất có cơ chế sinh học, (ví dụ như khả năng tự duy trì, hay truyền tín hiệu), tách biệt chúng với các vật thể không có những cơ chế đó hoặc đã ngừng hoạt động, những vật đó được gọi là vô sinh hay vô tri thức. Nhiều dạng sự sống tồn tại như thực vật, động vật, nấm, nguyên sinh vật, vi khuẩn cổ và vi trùng. Các tiêu chí đôi khi có thể mơ hồ và có thể hoặc không thể xác định virút, viroids, hoặc sự sống nhân tạo tiềm ẩn là sống. Sinh học là khoa học chính yếu liên quan đến nghiên cứu về sự sống, mặc dù có nhiều khoa học khác đang tham gia.Khái niệm của sự sống rất phức tạp. Hiện nay sinh vật được định nghĩa là có khả năng cân bằng nội môi, tạo nên bởi các tế bào, thực hiện các quá trình trao đổi chất, phát triển và thích ứng vơi môi trường, phản ứng với tác động và sinh sản. Nhưng một số các cách định nghĩa khác cũng được đề cập vì những điều kiện trên không áp dụng cho một số loài như virút. Qua nhiều thời kì lịch sử, đã có nhiều nỗ lực để tìm ra định nghĩa của sự sống và nhiều lý thuyết về các đặc tính và sự xuất hiện của các sinh vật, như chủ nghĩa duy vật, niềm tin rằng mọi thứ đều được tạo ra từ vật chất và cuộc sống chỉ đơn thuần là một hình thức phức tạp của nó; Thuyết kỳ dị, niềm tin rằng tất cả mọi thứ là sự kết hợp của vật chất và hình thái, và hình dạng của một sinh vật là linh hồn của nó; Thế hệ tự phát, niềm tin rằng cuộc sống liên tục xuất hiện từ sự sống còn; Và Thuyết sức sống, một giả thuyết hiện đại đã mất uy tín rằng phần lớn các sinh vật sống có một lực lượng sống hoặc một tia lửa. Định nghĩa của sự sống trong thời hiện đại phức tạp hơn, với sự đóng góp từ sự đa dạng của các định nghĩa khoa học. Các nhà Lý sinh học đã đưa ra nhiều định nghĩa thông qua các hệ thống hóa học, ngoài ra còn có các định nghĩa dựa trên các lí thuyết về hệ thống sống, ví dụ như giả thuyết Gaia, phát biểu rằng Trái đất cũng là một vật thể sống. Một ý tưởng khác cho rằng sự sống là một đặc tính của hệ sinh thái, và một số khác dựa trên cơ sở của Toán sinh học. Nguồn gốc sự sống (Abiogenesis) diễn tả sự sống tự nhiên được hình thành từ các vật chất vô sinh, ví dụ như là các Hợp chất hữu cơ đơn giản. Tính chất chung của tất cả các sinh vật bao gồm nhu cầu biến đổi các nguyên tố hóa học cốt lõi nhất định để duy trì các chức năng sinh hóa.

Trang 1

Chương 1: Cơ sở hoá học

của sự sống

1.1 Các nguyên tố cấu tạo

cơ thể sống

• Trong tự nhiên có 92 nguyên tố hoá học

• Chỉ có 16 nguyên tố thường xuyên cấu

thành nên cấu thành nên các hợp chất

trong cơ thể (C, H, O, N, Ca, P, K, S, Cl,

Na, Mg, Fe, Cu, Mn, Zn, I)

• Ngoài ra còn có thêm một vài nguyên tố

khác cũng được thấy trong các sinh vật

6 NGUYÊN TỐ CHIẾM TỈ LỆ 99% KHỐI LƯỢNG

18 10

0 10 20 30 40 50

Oxy Car bon Hydr o Ni to Canxi Phospho

Các nguyên tố còn lại chiếm 1%

Natri 0.15 Magie 0.05

K S Cl Na Mg Fe Cu Mn Zn Iot

1.2 Nước trong cơ thể sống

• Cấu tạo phân tử nước

Nước trong cơ thể sống

Đặc tính Tầm quan trọng trong sinh học

Nhiệt dung Điều hoà thân nhiệt Nhiệt bay hơi Làm mát cơ thể Dẫn điện Dẫn truyền các xung thần kinh

Trang 2

1.3 Thành phần hữu cơ của

cơ thể sống

Các lớp Nguyên tố cấu

thành

Đơn vị cơ bản Đại phân tử

Hydratcarbon C, H, O Monosaccarit Polysaccarit

Protein Luôn có C,H,O,N Axit amin Protein

Protein Luôn có C,H,O,N

đôi khi có S, P

Axit amin Protein

Lipit Luôn có C,H,O,

đôi khi có N, P

Glycerol, Axit béo Dầu, mỡd

Axit nucleic C,H,O,N ,P Đường

Nhóm phosphat Các gốc hữu cơ Các nucleotit

Acid amin phân cực với mạch

bên tích điện âm

Acid amin với mạch bên không

tích điện

Acid amin với mạch bên là vòng

Trang 3

Sự hình thành liên kết peptid Cấu trúc phân tử protein

Trang 4

Cấu trúc các đường đơn

Trang 5

Các lipid đơn giản

• Dầu, mỡ

– Cấu tạo bởi glycerol và các acid béo – Mạch acid béo có thể bão hoà hoặc chưa bão hoà

– Một phân tử glycerol có thể liên kết với 1, 2 hay 3 phân tử acid béo

– Trạng thái vật lý của dầu mỡ phụ thuộc nhiều vào độ bão hoà của các acid béo

• Dầu mỡ

• Sáp: là este của alcol bậc 1 mạch thẳng

với các acid béo bậc cao

• Sáp

Các lipid phức tạp

• Ngoài glycerol, acid béo cao phân tử,trong phân tử còn có thể có thêm cácnhóm phosphat, đường, protein d

• Đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc vàchức năng của sinh vật

Các lipid phức tạp

• Cấu trúc một vài lipid phức tạp

Các steroid

Trang 6

1.3.4 Acid nucleic

- Là yếu tố mang thơng tin di truyền, quy định

đặc tính của sinh vật

- Gồm 2 loại AND, ARN

- Được cấu tạo từ những đơn phân là nucleotid

Các nucleotid

Các nucleotid là những đơn vị cấu trúc của DNA và RNA, mà thành phần gồm:

Thymine (T) và Uracil (U), Adenine (A) và Guanine (G)

- Nhóm phosphat

Cấu trúc của nucleotid

Thành phần cơ bản của

Chương 2

Vi sinh vật học

Trang 7

Khái niệm

sinh vật có kích thước nhỏ bé không thể

thấy bằng mắt thường

VD: TB E coli: 0,5x1,5µm

- Vi sinh vật học (Microbiology): Khoa

học nghiên cứu cấu tạo và hoạt động

sống của vi sinh vật

Kích thước vi sinh vật trong sinh giới Vị trí của vi sinh vật trong sinh giới

- Nhóm sinh vật phi bào+ Giới virus

- Nhóm sinh vật nhân nguyên thủy (prokaryote)

+ Giới Monera (giới khởi sinh)+ Giới Protista (giới nguyên sinh)

- Nhóm sinh vật nhân thật (eukaryote)+ Giới Fungi (giới nấm)

+ Giới Plantae (giới thực vật)+ Giới Animalia (giới động vật)

Trang 8

NGUYÊN SINH ĐỘNG VẬT

Arcella Campanella

Tokophrya Heliozoan

Lịch sử phát triển của vi sinh vật họcTrải qua 4 giai đoạn:

- Giai đoạn sơ khai

- Giai đoạn vi sinh vật học Pasteur

- Giai đoạn vi sinh vật học sau Pasteur

- Giai đoạn vi sinh vật học hiện đại

1 Giai đoạn sơ khai của vi sinh vật học

- Người Ai Cập đã biết nấu rượu cách đây 6000 năm

- Con người biết len men lactic (muối dưa): 3500 năm trước CN

- 1673, Anton Van Leeuwenhoek 1723) lần đầu tiên quan sát thấy vi sinh vật bằng kính hiển vi tự tạo.

(1632-Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723)

Kính hiển vi đầu tiên

Kính hiển vi hiện đại

Kính hiển vi điện tử

2 Giai đoạn vi sinh vật học Pasteur

- Chiến thắng trong các cuộc tranh luận:

“thuyết tự sinh”, nguyên nhân của bệnh

truyền nhiễm, vai trò của enzym

- Khai sinh vi sinh vật học thực nghiệm

- Tìm ra nguyên nhân gây chua rượu

vang, tìm ra vacxin, đề xuất phương

pháp thanh trùng Pastuer

Louis Pasteur (1822-1895) 3 Giai đoạn vi sinh vật học sau

Pasteur

-1882, Robert Koch (1834-1910) khám phá ra vi

trùng gây bệnh lao (Mycobacterium tubeculosis),

dùng khoai tây, thạch để nuôi VSV

- 1887, Petri thiết kế hộp Petri

- Nhà VSV học người Nga Vinogradxki 1953), nhà VSV học người Hà Lan Beijerinck(1851-1931) phát triển VSV học đất

(1856 1892, Ivanopxki; 1896, Beijerinck phát hiện rasiêu vi khuẩn (virus) gây bệnh đốm thuốc lá

Trang 9

4 Giai đoạn vi sinh vật học hiện đại

- Dùng VSV trong công nghiệp tổng hợp

acid amin, hormon sinh trưởng, chất

kháng sinh, dùng vi sinh vật xử lý môi

trường, diệt sâu bệnh, làm vector

chuyển gen

- Cải biến đặc tính vi sinh vật, phục vụ

nhiều hơn cho nhu cầu của con người

Virus có cấu trúc khối

Virus cấu trúc khối có màng bao lipoprotein Virus có cấu trúc khối đối xứng phức

tạp

Virus có cấu trúc phức tạp (Phage T2)

II VI SINH VẬT PROKARYOTE

Trang 10

1 Cầu khuẩn (Coccus)

Đường kính 0,5-1µm, Gram (+), gồm 6 nhóm:

- Đơn cầu khuẩn (Micrococcus)

- Song cầu khuẩn (Diplococcus)

- Tứ cầu khuẩn (Tetracoccus)

- Liên cầu khuẩn (Streptococcus)

- Tụ cầu khuẩn (Staphyloccoccus)

- Cầu khuẩn Sarcina

- Bacillus: Gram (+), sinh bào tử

- Bacterium: Gram (-), không sinh bào tử, thường có chu

mao

- Pseudomonas: Gram (-), không sinh bào tử, có 1 tiêm

mao

- Corynebacterium: Gram (+), không sinh bào tử, có

hình dạng thay đổi tùy loại

- Clostridium: Gram (+), sinh bào tử hình thoi hoặc hình

Treponema palidum

4 Phẩy khuẩn

Vibrio parahemolyticus Vibrio cholerae

Cấu tạo tế bào vi sinh vật nhân nguyên thuỷ

Trang 11

Tiêm mao Nhung mao Các hình thức sinh sản của vi khuẩn

Trang 12

III Vi sinh vật Eukaryote

Sinh sản theo kiểu nảy chồi

Nấm men

Sinh sản theo kiểu nảy chồi

Nấm men

Sinh sản theo kiểu phân đôi

Nấm men

Sinh sản bằng bào tử túi

Trang 14

Nấm mốc

Cơ quan sinh sản của nấm mốc Mucor

Sinh sản bằng tiếp hợp tử

pectin, một số tẩm CaCO 3

(Tảo giáp)

Đơn bào Chl a và c,

carotenoid, xanthophyll

Hầu hết đa bào,

một số tập đoàn

Chl a và c, carotenoid, xanthophyll

Leucosin Pectin, một số

silicon dioxid

Chlorophyta

(Tảo lục)

(7000 loài)

Đơn bào, tập

đoàn, dạng sợi, đa

bào

Chlorophyll a và

b, carotenoid

Tinh bột Polysaccharid,

cellulose sơ cấp Charophyta

(Tảo vòng)

(850 loài)

Đa bào Chl a và b,

xanthophyll, carotenoid

Tinh bột Cellulose tẩm

CaCO 3 Euglenophyta

(Tảo mắt)

(1000 loài)

Đơn bào Chlo a và b,

carotenoid, xanthophyll

Paramylon (một loại tinh bột) Không vách, màng mỏng giàu

protein

Một vài loại Tảo nâu (A) Cấu trúc tản,

(B) Sargassum, (C) Laminaria

Tảo giáp (Pyrrophyta)

Thuỷ triều đỏ (Blooming)

Tảo cát hay khuê tảo (Bacillariophyta) (Tảo lục) Chlorophyta

Một vài loại Tảo lục.

(A) Chlamydomonas, (B) Volvox,

Trang 15

(Tảo vòng) Charophyta

Ulva

3 NGUYÊN SINH ĐỘNG VẬT

Arcella Campanella

Tokophrya Heliozoan

NGUYÊN SINH ĐỘNG VẬT

Trùng đế dày Trùng biến hình

SINH HĨA MƠI TRƯỜNG

Environmental biochemistry

Chương 1

MỞ ĐẦU

Trang 16

Nguyên tố hóa học trong hệ thống sống

• Nguyên tố vi lượng: sinh vật cần với số

Nguyên tố hóa học trong hệ thống sống

• Nguyên tố vi lượng: sinh vật cần với số lượng nhỏ nhưng rất quan trọng đối với

sự sống như Mo, Zn, Mg, Cud

Tính chất nào của C, H, O, N quyết định tính đa dạng và phong phú trong các phân tử sinh học của hệ thống sống?

• Dự trữ dinh dưỡng

• Chuyển động

• Bảo vệ và chống đỡ

• Dự trữ dinh dưỡng

Dẫn chứng cụ thể vai trò của protein với mỗi chức

năng sống của cơ thể sinh vật?

Thành phần và cấu tạo phân tử của

Protein

Đơn vị cấu tạo cơ bản_Acid amin

Acid amin là acid hữu cơ mà trong thành phần chứa nhóm amin (NH3) Nhóm NH3 liên kết với

C, là nguyên tử C liên kết trực tiếp với nhóm Carboxyl.

Protein

Phân tử acid amine bao gồm:

—1 nguyên tử C bất đối xứng (trừ glycine)

Trang 17

• Vị trị nhóm amine so với carboxyl có các

Protein

Đồng phân quang học của acid amine

• Tất cả acid amine (trừ Glycine) đều chứa

nguyên tử Carbon bất đối xứng (Cα)

• Dựa vào danh pháp D, L của hợp chất

Protein

• Dựa vào danh pháp D, L của hợp chất

đường, mỗi acid amine có 2 đồng phân

quang học là D – acid amine và L acid

α-Thành phần và cấu tạo phân tử của Protein

– Oligopeptide: các peptit có từ 2 đến 10 gốc amino axit và được gọi tương ứng là đipeptit, tripeptit…

– Polipeptit: gồm các peptit có từ 11 đến 50 gốc amino axit Polipeptit là cơ sở tạo nên protein

Trang 18

α-• Dựa vào đặc tính của mạch bên (nhóm R) chia

thành:

1 Gốc R không phân cực hay kỵ nước

(nonpolar, hydrophobic a.a)

Protein

(nonpolar, hydrophobic a.a)

2 Gốc R phân cực, trung tính (polar,

Alphatic (không chứa N, O,

S )

Glycine; Alanine; Valine; Leucine; Isoleucine Chứa Sulfur Cysteine; Methionine

Phenylalanine; Tyrosine;

Protein

Aromatic (vòng bezen) Phenylalanine; Tyrosine;

Tryptophan Neutral (hydroxyl or amide

groups in side chain)

Serine; Threonine; Asparagine; Glutamine

Acidic (carboxylate groups

in side chain) Aspartic acid; Glutamic acidBasic Lysine; Arginine

Imino acid (special case) Proline

• Phân loại theo tính chất dinh dưỡng:

– Aminoacid không thay thế: cơ thể không tự

tổng hợp được và phải đưa từ bên ngoài vào

– Acid amin cần thiết gồm: Try, Lys, Met, Phe,

Thr, Val, Leu, Isl Trẻ em và động vật non còn

cần thêm Arginine và Histidine

• Tên viết tắt của các acid amin

Protein

• Protein được hình thành từ 20 a.a, mỗi a.a chứa 1 nhóm amino, nhóm carboxyl và mạch bên (R).

• Dựa trên cấu trúc hóa học, mạch bên của a.a có thể được phân loại thành: aliphatic, aromatic, chứa

S, alcohols, base, acid, and amides Một số cách phân loại khác dựa vào tính ưa nước (hydrophilic), ghét nước (hydrophobic) của mạch bên.

• Tế bào còn chứa thêm các loại a.a nhưng không được sử dụng để tổng hợp protein.

• Tại pH 7, carboxyl mang điện tích âm, amino mang tích điện dương.

Cấu trúc phân tử protein (Protein structure)

Cấu trúc phân tử protein

Bậc 1 (Primary structure)

Trang 19

• Hướng của mạch polypeptide (giản đồ)

• Hướng của mạch polypeptide

• Trình tự sắp xếp các axit amin trong protein

Được quyết định bởi trình tự các mononucleotide trong DNA

Các acid amin liên kết với nhau bằng lk

Bậc 2 (Secondary structure)

Trang 20

• Phiến gấp β ngược chiều

Lực Van der Waals

• Đảm bảo chức năng xúc tác của protein

Bậc 3 (Tertiary structure)

• Chuỗi polypeptide cấu

trúc bậc ba lk với nhau

• Các lk hydro, ion, tương

• Cấu trúc protein bậc 3 là cấu trúc không gian

3 chiều của chuỗi polypeptide gồm dạng sợi

• Cấu trúc bậc 4 là kết quả tương tác của nhiều protein

Trang 21

Tính chất quan trọng của protein

1Da = 1.66×10−27

• Tính chất lưỡng tính (ionization protein)

Tính chất quan trọng của protein

Tính chất quan trọng của

protein

• Biến tính (denature) và hồi biến (renature)

Trạng thái ban đầu, Hoạt động xúc tác Khi thêm urea và

mercapto-ethanol.

Mất cầu nối disulfide

Khi loại bỏ urea và mercapto-ethanol Hình thành cầu nối disulfide, trở lại ct bậc 3.

Trở lại hoạt động xúc

Trang 22

Tính chất quan trọng của

protein

• Protein kết tủa do muối (NH4)2SO4 khi

không còn tác nhân muối thì protein trở

lại trạng thái hòa tan Còn khi kết tủa bởi

nhiệt độ cao thì dù có làm nguội thì protein

không hòa tan được

Phân loại protein

• Protein đơn giản:

1 Cấu trúc cơ bản của một acid amine?

2 C alpha, beta, gama của acid amine?

3 Cấu trúc nào quyết định tính đa dạng của aa?

4 Trong tự nhiên có bao nhiêu loại aa?

5 Có bao nhiêu loại aa tham gia cấu tạo nên protein trong TB?

6 Theo tính chất dinh dưỡng, có bao nhiêu loại aa không thay thế ở người trưởng thành và trẻ em?

7 Protein có bao nhiêu bậc cấu trúc?

8 Các loại liên kết trong phân tử protein bậc I, II, III, IV?

9 Đơn vị đo khối lượng phân tử của protein?

10 Các tính chất của protein?

11 Trong TB, protein được tổng hợp nhờ quá trình

nào? Diễn ra ở đâu? Mạch khuôn để tổng hợp phân

tử protein? Có bao nhiêu mã di truyền để mã hóa 20

loại aa? Một aa được mã hóa bởi bao nhiêu

nucleotide?

12 Chỉ số pI có nghĩa là gì? Phân tử protein có pI là 5.5

có nghĩa là gì?

13 Những tác nhân gây biến tính protein?

14 Protein đơn giản vs protein phức tạp?

Enzyme

Enzyme và xúc tác sinh học (biocatalyst)

Enzyme là những protein đặc biệt được chuyên hóa cao để thực hiện chức năng xúc tác cho các phản ứng hóa học diễn trong các hệ thống sống.

Tốc độ phản ứng nhanh

Tính đặc trưng sinh học cao

Xúc tác theo một trình tự nghiêm ngặt

Theo cơ chế điều hòa chặt chẽ

Enzyme có thể tồn tại độc lập hoặc lk tạo thành phức hệ enzyme.

Bản chất hóa học của enzyme

Enzyme là protein (hầu hết) Chia thành 2 nhóm

Enzyme đơn giản: chỉ có protein

Enzyme phức tạp: gồm protein (apoenzyme)

liên kết với phi protein

– Cofactor có bản chất khác nhau: Các cation

kim loại: Zn2+, Fe2+, Cu2+, Mg2+, Ca2+

– Các coenzyme: phân tử hữu cơ phi protein

(phần lớn chứa vitamine và dẫn xuất)

• Cofactors for enzymes

• Coenzyme

Trang 23

Enzyme là protein nên có tính chất hóa

học tương tự giống protein

oKhối lượng phân tử lớn

oCó tính chất lưỡng cực

oMỗi enzyme có điểm đẳng điện

oDễ hòa tan trong nước tạo thành dung dịch

keo

oDễ kết tủa, biến tính hoặc phá hủy bởi các

tác nhân hóa lý mất hoạt tính xúc tác

Trung tâm hoạt động enzyme (acitve site)

• Là nơi mà enzyme trực tiếp kết hợp với cơ chất.

• Chỉ thích ứng cho từng loại cơ chất nhất định.

• TTHD liên kết với cơ chất bằng các lk yếu theo kiểu chìa khóa - ổ khóa hoặc theo kiểu thích ứng.

• Trung tâm hoạt động bình thường có thể bị che lấp hoặc chưa tạo thành.

• Mỗi enzyme có thể có 1 hay nhiều trung tâm hoạt động

• Sự thay đổi cấu trúc protein sai lệch trung tâm hoạt động mất hoạt tính xúc tác.

• Gồm các nhóm chức của các gốc acid

amine, Thường gặp là các nhóm: OH/ Ser,

-SH/ Cys, ε-NH2/ Lys, indol/ Trp, Imidazol/ His,

γ-COOH/Glu

• Ngoài các nhóm chức của acid amine còn

chứa các coenzyme và cofactor

Kiểu chìa khóa - ổ khóa

Kiểu thích ứng

Cơ chế tác động của enzyme

• Năng lượng hoạt hóa

• Năng lượng tự do & hằng số cân bằng

• Năng lượng tự do

Trang 24

• Cơ chế xúc tác của enzyme

Tính đặc hiệu của enzyme

Tính đặc hiệu của enzyme:

• Đặc hiệu theo kiểu phản ứng: Chỉ xúc tác cho một kiểu phản ứng chuyển hóa cơ chất

• Enzyme xúc tác cho pứ oxy hóa khử, enzyme thủy phân

• Đặc hiệu theo kiểu cơ chất: Xúc tác cho một hoặc một loại cơ chất nhất định

• Kiểu đặc hiệu một cơ chất tuyệt dối

• Kiểu đặc hiệu nhóm cơ chất tuyệt đối

• Kiểu đặc hiệu nhóm cơ chất tương đối

• Kiểu đặc hiệu đồng phân cơ chất

enzyme

• Nhiệt độ

Yếu tố ảnh hưởng hoạt tính

enzyme

• Nồng độ cơ chất: với nồng độ enzyme

không đổi tốc độ của phản ứng tăng khi tăng nồng độ cơ chất cho đến khi cơ chất trở thành yếu tố giới hạn

enzyme

• Nồng độ enzyme: tốc độ phản ứng tăng

khi tăng nồng độ enzyme cho đến khi

nồng độ enzyme không còn là yếu tố giới

enzyme

Nồng độ cơ chất

• Ý nghĩa của Km và Vmax

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	9,06 MB