Tài liệu CHƯƠNG 2CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG1. TẤT CẢ CÁC CƠ THỂ SỐNG ĐỀU pdf

Vai trò của các nguyên tố hoá học trong cơ thể ngườiC 18 Tạo khung các chất hữu cơ, có thể tạo liên kết với C 18 Tạo khung các chất hữu cơ, có thể tạo liên kết với 4 nguyên tử khác H 10

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG

1 TẤT CẢ CÁC CƠ THỂ SỐNG ĐỀU ĐƯỢC CẤU TẠO TỪ CÁC NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC

1.1 Các nguyên tố trong cơ thể sống

- Trong tự nhiên có hơn 100 nguyên tố

- Trong cơ thể sinh vật: chỉ có 22 nguyên tố

- Các nguyên tố luôn luôn có mặt trong cơ thể sinh vật:

16 nguyên tố

- Các nguyên tố được chia ra thành 3 nhóm

+ Tham gia tạo chất hữu cơ: N, O, C, H, P, S+ Tham gia tạo các ion: K+, Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-

+ Tồn tại ở dạng vết: Fe, Mn, Co, Cu, Zn, B, V, Al,

Mo, I, Si

1.2 Đặc điểm của các nguyên tố trong cơ thể sống

- Trong cơ thể sống, mỗi một nguyên tố có một tỷ lệ và tầm quan trọng khác nhau

- Các nguyên tố có rất ít được gọi là nguyên tố vi lượng

- Trong cơ thể sống, C, H, O, N chiếm hơn 96% thành phần của tế bào

1.3 Vai trò của các nguyên tố hoá học trong cơ thể người

C 18 Tạo khung các chất hữu cơ, có thể tạo liên kết với

C 18 Tạo khung các chất hữu cơ, có thể tạo liên kết với

4 nguyên tử khác

H 10 Có trong các chất hữu cơ và trong thành phần của

nước

N 3 Thành phần của protein, nucleic acid

Ca 1,5 Thành phần của xương và răng, quan trọng trong

co cơ, dẫn truyền xung thần kinh và đông máu

P 1 Thành phần của nucleic acid, trong xương, rất

quan trọng trong chuyển năng lượng

K 0,4 Ion (+) chủ yếu trong tế bào, quan trọng cho hoạt

động thần kinh và co cơ

S 0,3 Có trong thành phần của phần lớn protein

Na 0,2 Ion (+) chủ yếu trong dịch của mô, quan trọng

trong cân bằng chất dịch, có vai trò căn bản trong dẫn truyền xung thần kinh

Mg 0,1 Là thành phần của nhiều hệ enzyme quan trọng

Cl 0,1 Ion (-) chủ yếu của dịch cơ thể, quan trọng trong

2 CÁC LIÊN KẾT HOÁ HỌC

- Liên kết hoá học: lực hút nối các nguyên tử lại với nhau để

tạo thành một phân tử

- Nguyên tắc hình thành các liên kết hoá học: nguyên tắc

bộ tám

2.1 Liên kết cộng hoá trị: do sự góp chung điện tử giữa các

nguyên tử

Ví dụ: phân tử nước H2O

- Liên kết cộng hoá trị đơn: giữa hai nguyên tử có chung một cặp điện tử

2.4 Liên kết (tương tác) Van der Waals

- Tương tác yếu, không đặc hiệu

- Xuất hiện giữa các đám mây điện tử khi các phân tử cận kề nhau

- Tương tác hấp dẫn giữa các nguyên tử trong các phân

tử sinh học

- Giúp các đại phân tử sinh học ổn định cấu trúc và thực hiện chức năng sinh học

2.5 Liên kết kỵ nước

- Xảy ra giữa các nhóm của những phân tử không phân cực

- Liên kết kỵ nước không phải là liên kết thực sự

Ví dụ: trường hợp các giọt dầu trong nước

2.6 Độ âm điện

- Lực của nhân nguyên tử hút điện tử

- Độ âm điện phụ thuộc vào:

+ Nhân của nguyên tử mang bao nhiêu điện tích dương

+ Khoảng cách giữa điện tử và nhân

Ví du: phân tử H O

Ví du: phân tử H2O

Phân tử nước

3 CÁC CHẤT VÔ CƠ

3.1 Nước, cấu trúc và đặc tính của nước

- Nước tồn tại ở 3 dạng: rắn (nước đá), lỏng và khí (hơi nước)

- Nước chiếm phần lớn trong cơ thể sinh vật

- Nước ở trạng thái lỏng là nơi phát sinh sự sống trên trái đất

a Cấu trúc của phân tử nước

- Nước là một phân tử hữu cực có thể tạo ra liên kết hydro với các phân tử khác

- Cấu trúc: có hình tứ diện do bốn cặp điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử oxy đẩy nhau

b Đặc tính của phân tử nước

- Liên kết giữa H và O là liên kết cộng hoá trị có cực:

cặp điện tử chung lệch về nguyên tử oxy (độ âm điện của

O lớn hơn H)

- Nước là dung môi phân cực: O có dư điện tích âm, H



có dư điện tích dương  nước là dung môi phân cực

- Dễ dàng kết hợp với các ion và các phân tử phân cực khác (các chất ưa nước)

- Các phân tử không phân cực có xu hướng đẩy nước,

làm đứt gãy mạng lưới liên kết hydro của nước

d Vai trò của nước trong cơ thể sống

- Là dung môi để các chất hoà tan dễ dàng thực hiện phản ứng hoá học

- Ổn định cấu trúc không gian 3 chiều của các đại phân

tử kỵ nước để chúng giữ vững hoạt tính sinh học, ổn định cấu trúc tế bào

- Điều hoà nhiệt độ cơ thể

- Ổn định nhiệt độ môi trường sống của các sinh vật

- Là nhân tố giới hạn trong sinh môi

3.2 Các chất vô cơ khác

a- Muối vô cơ:

+ Duy trì áp suất thẩm thấu trong cơ thể + Điện phân cho ra các ion

+ Quyết định độ pH trong tế bào

Ví dụ: NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, CaCO3, MgSO4, NaH2PO4…

b- Kim loại: I, Zn, Fe, Co…

+ Thường tồn tại ở dạng vô cơ

+ Có trong chất hữu cơ

+ Gắn với các protein

+ Chỉ tồn tại ở dạng vết nhưng có vai trò rất quan trọng

Ví dụ: Fe trong nhân heme của hemoglobin máu

Co trong vitamin B12

I trong hormone tuyến giáp

3.3 Các khí hoà tan

Dịch cơ thể có chứa: CO2 và O2 hoà tan

4 CÁC CHẤT HỮU CƠ TRONG CƠ THỂ

SỐNG

Đặc điểm

- Các phân tử có kích thước khác nhau

- Có cấu trúc không gian 3 chiều

- Các phân tử có các đặc tính hóa học khác nhau

4.1 Các chất hữu cơ phân tử nhỏ

- Mạch carbon có độ dài rất khác nhau, có thể thẳng,

phân nhánh hay dạng vòng, chứa các liên kết đơn, đôi hay ba

- Các dạng đồng phân (isomer)

Đồng phân: các phân tử có cùng số lượng và lọai nguyên tử, nhưng có sự sắp xếp các nguyên tử khác nhau

+ Đồng phân cấu trúc

Các đồng phân cấu trúc khác nhau ở cách liên kết của các nguyên tử với nhau

Ví du: C4H10

+ Đồng phân quang học

Hai đồng phân quang học có cách gắn các nguyên

tử hay các nhóm đối xứng nhau qua gương

Các nhóm chức hoá học

Nhóm aldehyde Nhóm carboxylNhóm aldehyde Nhóm carboxyl

Nhóm hydroxyl

Nhóm cetone

b Amino acid

- Là đơn vị cấu trúc căn bản của protein

- Mang đồng thời nhóm carboxyl (-COOH) và nhóm amine (-NH2) cùng gắn trên carbon 

- Carbon  còn gắn với một nguyên tử hydro và một mạch bên R

- Mỗi một lọai amino acid có mạch bên R khác nhau

- Các mạch bên khác nhau về thành phần hóa học, cấu trúc và đặc tính

- Có 20 amino acid căn bản và một số amino acid cải biến trong quá trình sinh tổng hợp protein

Các loại amino acid được chia ra như sau:

- Các amino acid không phân cực (gốc R béo): Glycine

(Gly), Alanine (Ala), Valine (Val), Leucine (Leu),

Isoleucine (Ile), Methionine (Met), Proline (Pro) và

Cysteine (Cys)

- Nhóm amino acid không phân cực (gốc R vòng thơm):

Phenylalanine (Phe), Tyrosine (Tyr) và Tryptophan (Trp)

- Nhóm amino acid phân cực (gốc R tích điện): Arginine

(Arg), Lysine (Lys), Histidine (His), Aspartate (Asp) và Glutamate (Glu)

- Nhóm amino acid phân cực (gốc R không tích điện):

Serine (Ser), Threonine (Thr), Asparagine (Asn) và

Glutamine (Gln)

c Nucleotide

- Là các monomer của nucleic acid

- Cấu tạo: + 1 phân tử đường pentose

+ 1 nhóm phosphate + 1 base có chứa nitrogen (base nitrogen)

- Có hai loại base nitơ: purine và pyrimidine

- Phân tử DNA có 4 loại nucleotide (desoxyribonucleotide): adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T)

- Phân tử RNA có 4 loại nucleotide (ribonucleotide): adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và uracil (U)

- Nucleoside: một phân tử đường pentose kết hợp với một base

nitơ mà không có nhóm phosphate

- Vai trò của nucleotide: Đơn vị cấu tạo nên nucleic

acid

- Vai trò của nucleoside: đơn vị cấu tạo lên các phân tử

cung cấp năng lượng

+ ATP (adenosine triphosphate): cung cấp năng lượng cho nhiều phản ứng sinh hoá trong tế bào

•

4.2 Các đại phân tử

Có 4 lọai đại phân tử được tạo thành do các phân tử nhỏ hơn (monomer) liên kết với nhau bởi liên kết cộng hóa trị:

+ Polysaccharide + Lipid

+ Protein + Nucleic acid

- Protein, nucleic acid: đại phân tử sinh học

- Mỗi lọai đại phân tử có nhiều chức năng khác nhau:

• Nucleic acid: mang và truyền đạt thông tin di truyền của lòai và cá nhân từ thế hệ này sang thế hệ khác

• Protein: có vô số chức năng trong hoạt động sống của sinh vật

• Vai trò của các đại phân tử liên quan trực tiếp đến

hình dạng, trình tự và đặc tính hóa học của các

monomer

a Carbohydrate

- Carbohydrate (CH2O)n có hai chức năng:

+ Nguồn cung cấp năng lượng cho họat động của

cơ thể+ Cung cấp sườn carbon để tạo thành các phân tử khác cần thiết cho cấu trúc và chức năng sinh

học của tế bào

- Có 4 dạng carbohydrate quan trọng về mặt sinh học:

+ Monosaccharide: glucose, ribose và fructose

+ Disaccharide: hai monosaccharide kết hợp với nhau

Hai dạng đồng phân của glucose

- Đồng phân của glucose gồm fructose, mannose và galactose

- Pentose: đường có 5 nguyên tử carbon

- Hai loại đường pentose tham gia vào bộ khung của nucleic acid là ribose và desoxyribose

● Disaccharide

Các monosaccharide với nhau bằng liên kết glycoside tạo thành di-,oligo- và polysaccharide

Ví dụ: sucrose (glucose + fructose), lactose (glucose +

galactose), maltose (-glucose + -glucose), cellobiose

(-glucose + -(-glucose)

MaltoseCellobiose

● Trisaccharide

Raffinose

● Oligosaccharide

- Mang nhóm chức năng  có một số tính chất đặc biệt

- Có thể liên kết cộng hoá trị với protein và lipid ở mặt ngoài màng tế bào  có vai trò như những chất mặt ngoài màng tế bào  có vai trò như những chất nhận tín hiệu chuyên biệt của tế bào

Tinh bột

Cellulose

Glycogen

b Lipid

- Là nhóm hydrocarbon rất đa dạng

- Không tan trong nước do có các liên kết cộng hóa trị không phân cực

Vai trò của lipid trong cơ thể sinh vật:

- Chất béo và dầu có vai trò dự trữ

- Phospholipid có vai trò quan trọng trong cấu trúc màng

- Có hai dạng acid béo:

+ Acid béo bão hòa+ Acid béo chưa bão hòa

+ Acid béo bão hoà

Tất cả các liên kết trong chuỗi hydrocarbon là những liên kết đơn  chuỗi hydrocarbon thẳng, cứng và có thể gấp sát lại với nhau

+ Acid béo không bão hoà

Trong phân có chứa ít nhất một liên kết đôi và có thể

có những chổ xoắn  phân tử không gấp sát lại nhau được

- Triglyceride động vật có chứa acid béo phân tử dài và bão hòa

 có thể gấp chặt lại với nhau

 trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng và độ nóng chảy cao

- Triglyceride thực vật có chứa acid béo ngắn hoặc không bão hòa

 chuỗi không gấp sát lại với nhau

 trạng thái lỏng ở nhiệt độ phòng và độ nóng chảy thấp

Phospholipid là thành phần cốt lõi của các màng sinh học

Là một glycerol có một nhóm phosphate thay thế cho một trong số các acid béo

+ Nhóm phosphate mang điện tích âm  có tính ái thủy + Hai acid béo còn lại có tính kỵ thủy

Phân tử phospholipid

Liên kết peptide

- Liên kết peptide là liên kết cộng hóa trị giữa các amino acid

Cấu trúc của protein

tử amino acid (-N-Cα-C-)

- Cấu trúc bậc 2: được tạo thành bởi liên kết hydrogen

+ Cấu trúc xoắn 

* Chuỗi polypeptide xoắn theo hướng tay phải theo

kiểu cái vặn nút chai

* Cấu trúc xoắn này thường có ở các protein dạng sợi

gọi là keratin tạo ra tóc, guốc và lông vũ

- Cấu trúc bậc 4

+ Do sự kết hợp của nhiều tiểu đơn vị với nhau

Ví dụ: phân tử hemoglobin có cấu trúc bậc 4, được cấu tạo từ 4 chuỗi polypeptide

Câu trúc của phân tử protein

Chức năng của protein

- Xúc tác: nhóm protein lớn nhất, quan trọng nhất và có

họat tính đặc hiệu rất cao

- Vận chuyển: hemoglobin trong tế bào hồng cầu vận

chuyển O2 cung cấp cho mọi tế bào trong cơ thể

- Vận chuyển vật chất qua màng: một số cơ chất có thể

đi vào trong tế bào bằng cách liên kết với một protein

vận chuyển ở trên màng tế bào

- Vận động: sự vận động của một số bào quan được thực

hiện nhờ các vi sợi, vi ống Vi sợi, vi ống được tạo nên từ các phân tử protein

- Dự trữ: albumine trong lòng trắng trứng gà, casein

trong sữa

- Cấu trúc: protein tham gia vào cấu trúc của màng

nguyên sinh chất, là thành phần của vi sợi, vi ống trong

bộ xương tế bào

- Bảo vệ: kháng thể có thể nhận ra virus, liên kết và

làm bất hoạt virus

- Nhận biết thông tin: thông tin hóa học như hormone

có thể liên kết với protein trên bề mặt màng tế bào

- Liên kết tế bào: hai tế bào nằm cạnh nhau có thể dính

với nhau nhờ protein trên màng của tế bào

Các đặc tính hóa học chuyên biệt của nucleic acid

- DNA

+ Được tạo thành từ các nucleotide+ Sườn: đường–phosphate–đường–phosphate+ Các nucleotide kết hợp với nhau bằng liên kết phosphodiester

+ Phân tử DNA gồm có hai mạch đối song song liên kết với nhau bằng liên kết hydro: A=T; CG

Cấu trúc của nucleic acid

- RNA

+ Gồm 1 mạch polynucleotide

+ Được cấu tạo bởi các ribonucleotide

+ Ở một số RNA có liên kết hydro nối liền giữa các

ribonucleotide  xác định hình dạng của phân tử RNA ribonucleotide  xác định hình dạng của phân tử RNA + Các RNA có chức năng xúc tác được gọi là ribozyme

Phân tử RNA RNA vận chuyển