Các phân tử sinh học trong tế bào

01Phân tử sinh học là gì?

Phân tử sinh học là các phân tử hữu cơ do tế bào tổng hợp và có trong tế bào sống. Có bốn nhóm chính: carbohydrate, lipid, protein và nucleic acid. Chúng chiếm phần lớn khối lượng khô của tế bào.

Nhiều phân tử sinh học là đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân: nhiều đơn phân (monomer) giống nhau hoặc gần giống nhau liên kết lại thành đa phân (polymer). Khi hai đơn phân nối với nhau, một phân tử nước được tách ra (phản ứng tổng hợp loại nước). Ngược lại, phản ứng thuỷ phân dùng nước để cắt đa phân thành đơn phân; đó là điều xảy ra khi tiêu hoá thức ăn.

02Carbohydrate

Carbohydrate được cấu tạo từ C, H, O. Đơn phân là các đường đơn (monosaccharide) như glucose, fructose, galactose (cùng công thức C₆H₁₂O₆ nhưng cấu trúc khác nhau).

• Đường đôi (disaccharide) gồm hai đường đơn: sucrose (đường mía) = glucose + fructose; lactose (đường sữa) = glucose + galactose; maltose (đường mạch nha) = glucose + glucose.
• Đường đa (polysaccharide): tinh bột (dự trữ ở thực vật), glycogen (dự trữ ở động vật, chủ yếu trong gan và cơ), cellulose (cấu tạo thành tế bào thực vật), chitin (vỏ ngoài của côn trùng, tôm cua và thành tế bào nấm).
• Vai trò: nguồn năng lượng chủ yếu của tế bào (glucose), dự trữ năng lượng (tinh bột, glycogen), cấu trúc (cellulose, chitin).

03Lipid

Lipid là nhóm chất đa dạng, phần lớn không phân cực nên kị nước (không tan trong nước). Lipid được cấu tạo chủ yếu từ C, H, O; phospholipid có thêm P. Lipid không được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân.

• Mỡ, dầu (triglyceride): một phân tử glycerol liên kết với ba acid béo. Acid béo no (bão hoà) có mạch thẳng, xếp sít nhau nên mỡ động vật thường ở thể rắn; acid béo không no có liên kết đôi làm mạch gấp khúc nên dầu thực vật thường ở thể lỏng. Vai trò: dự trữ năng lượng, cách nhiệt.
• Phospholipid: glycerol liên kết với hai acid béo và một nhóm phosphate. Đầu phosphate ưa nước, hai đuôi acid béo kị nước, nên trong nước chúng tự sắp xếp thành lớp kép — cấu trúc cơ bản của màng tế bào.
• Steroid, như cholesterol: tham gia cấu tạo màng tế bào động vật và là nguyên liệu tổng hợp một số hormone, vitamin D.
• Sáp: phủ trên lá, lông chim, giúp chống thấm nước.

04Protein

Protein được cấu tạo từ C, H, O, N, thường có thêm S. Đơn phân là amino acid; có 20 loại amino acid phổ biến. Mỗi amino acid gồm nhóm amino (–NH₂), nhóm carboxyl (–COOH) và một gốc R riêng. Các amino acid nối với nhau bằng liên kết peptide tạo thành chuỗi polypeptide.

• Cấu trúc bậc 1: trình tự sắp xếp các amino acid trong chuỗi (do gene quy định).
• Cấu trúc bậc 2: chuỗi xoắn α hoặc gấp nếp β nhờ liên kết hydrogen.
• Cấu trúc bậc 3: chuỗi tiếp tục co xoắn thành hình dạng không gian ba chiều đặc trưng.
• Cấu trúc bậc 4: hai hay nhiều chuỗi polypeptide liên kết với nhau (ví dụ hemoglobin).

Vai trò rất đa dạng: xúc tác (enzyme như amylase), điều hoà (hormone insulin), vận chuyển (hemoglobin vận chuyển O₂), cấu trúc (keratin của tóc, móng), bảo vệ (kháng thể), vận động (actin, myosin trong cơ), dự trữ (albumin trong lòng trắng trứng).

05Nucleic acid

Nucleic acid gồm DNA và RNA, được cấu tạo từ C, H, O, N, P. Đơn phân là nucleotide, mỗi nucleotide gồm một base nitrogen, một đường 5 carbon và một nhóm phosphate.

• DNA: đường deoxyribose, bốn loại base A, T, G, C. Gồm hai mạch xoắn kép; base của hai mạch liên kết bổ sung với nhau (A với T bằng 2 liên kết hydrogen, G với C bằng 3 liên kết hydrogen). DNA lưu giữ thông tin di truyền.
• RNA: đường ribose, base U thay cho T, thường chỉ có một mạch. mRNA mang thông tin từ DNA tới ribosome; tRNA mang amino acid tới ribosome; rRNA là thành phần của ribosome. RNA tham gia tổng hợp protein.

06Nguồn thực phẩm và ăn uống hợp lí

• Carbohydrate: gạo, ngô, khoai, bánh mì (tinh bột); hoa quả (đường); rau xanh (cellulose — chất xơ).
• Lipid: dầu thực vật, mỡ động vật, lạc, vừng, bơ.
• Protein: thịt, cá, trứng, sữa, đậu đỗ.
• Nucleic acid: có trong mọi thực phẩm có nguồn gốc tế bào; cơ thể tự tổng hợp nucleic acid của mình.

Không có loại thực phẩm nào cung cấp đủ mọi chất. Cơ thể người không tự tổng hợp được một số amino acid (9 loại amino acid thiết yếu) và một số acid béo, nên cần ăn đa dạng; ăn quá nhiều đường và mỡ bão hoà lại làm tăng nguy cơ béo phì và bệnh tim mạch.

07Thực hành: nhận biết một số phân tử sinh học

Mỗi nhóm chất cho một phản ứng màu (hoặc dấu hiệu) đặc trưng với một thuốc thử. Phép thử chỉ cho biết có hay không (định tính), và đôi khi nhiều hay ít (bán định lượng).

• Tinh bột + dung dịch iodine (Lugol): xanh tím đậm. Không có tinh bột: giữ màu vàng nâu của iodine.
• Đường khử (glucose…) + thuốc thử Benedict, đun cách thuỷ: từ xanh lam chuyển sang lục, vàng, cam hoặc đỏ gạch tuỳ lượng đường. Sucrose không phải đường khử nên không đổi màu.
• Protein + thuốc thử Biuret (NaOH và CuSO₄): tím. Không có protein: giữ màu xanh lam nhạt.
• Lipid: để lại vết trong mờ trên giấy, không mất khi giấy khô (nước để lại vết ướt rồi biến mất khi khô).

Thực hành và luyện tập