Các nguyên tố hoá học và nước trong tế bào

01Các nguyên tố hoá học chính trong tế bào

Tế bào được tạo nên từ các nguyên tố hoá học có trong tự nhiên, nhưng tỉ lệ của chúng rất khác với môi trường không sống. Bốn nguyên tố O, C, H, N chiếm khoảng 96 % khối lượng cơ thể người.

• C, H, O: có trong mọi phân tử sinh học (carbohydrate, lipid, protein, nucleic acid).
• N: có trong protein (nhóm amino của amino acid) và nucleic acid (các base nitrogen).
• S: có trong một số amino acid, nên có trong nhiều protein.
• P: có trong nucleic acid, ATP và phospholipid của màng tế bào.

02Nguyên tố đa lượng và vi lượng

Dựa vào lượng cơ thể cần, các nguyên tố được chia thành hai nhóm. Nguyên tố đa lượng (như C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg) được cần với lượng lớn; chúng chủ yếu tham gia cấu tạo nên các phân tử sinh học và cấu trúc của tế bào. Nguyên tố vi lượng (như Fe, Zn, Cu, I, Se) chỉ cần với lượng rất nhỏ; chúng thường là thành phần của enzyme, hormone hoặc các phân tử đặc biệt.

• Sắt (Fe): cần cho việc tạo hồng cầu và vận chuyển oxygen; thiếu sắt gây thiếu máu (mệt mỏi, da xanh xao).
• Iodine (I): cần để tuyến giáp tạo hormone điều hoà trao đổi chất, sinh trưởng và phát triển; thiếu iodine gây bướu cổ. Vì vậy muối ăn thường được bổ sung iodine.
• Kẽm (Zn): tham gia tổng hợp protein, DNA; thiếu kẽm làm trẻ chậm lớn.

03Vai trò đặc biệt của carbon

Nguyên tử carbon có 4 electron ở lớp ngoài cùng nên có thể tạo tối đa 4 liên kết cộng hoá trị. Carbon liên kết được với chính các nguyên tử carbon khác thành mạch thẳng, mạch nhánh hoặc mạch vòng, bằng liên kết đơn, đôi hoặc ba.

Mạch carbon là "bộ khung" để gắn nhiều nhóm chức khác nhau như hydroxyl (–OH), carboxyl (–COOH), amino (–NH₂), phosphate. Nhờ vậy, từ vài nguyên tố có thể tạo ra vô số phân tử hữu cơ có hình dạng và tính chất khác nhau — cơ sở cho sự đa dạng của các phân tử sinh học.

04Cấu tạo phân tử nước

Một phân tử nước gồm một nguyên tử oxygen liên kết cộng hoá trị với hai nguyên tử hydrogen. Oxygen hút electron mạnh hơn hydrogen, nên phía oxygen tích điện âm một phần (δ⁻), phía hai hydrogen tích điện dương một phần (δ⁺): nước là phân tử phân cực.

Nhờ phân cực, các phân tử nước hút nhau bằng liên kết hydrogen. Trong nước lỏng, các liên kết hydrogen liên tục hình thành rồi đứt. Đặc điểm cấu tạo này quyết định hầu hết tính chất quan trọng của nước.

05Tính chất và vai trò sinh học của nước

• Dung môi tốt: nước hoà tan được các chất phân cực và các ion. Ví dụ, khi muối ăn tan, mỗi ion Na⁺ và Cl⁻ được bao quanh bởi các phân tử nước. Vì vậy nước là môi trường cho hầu hết phản ứng trong tế bào; tế bào chất chứa khoảng 70–80 % nước.
• Tham gia phản ứng: nước là nguyên liệu của phản ứng thuỷ phân (như enzyme amylase thuỷ phân tinh bột) và là sản phẩm của phản ứng tổng hợp các phân tử sinh học.
• Nhiệt dung riêng cao (1 cal/g·°C): phải hấp thụ hoặc mất nhiều nhiệt thì nhiệt độ nước mới thay đổi, giúp cơ thể và môi trường nước ổn định nhiệt độ.
• Nhiệt bay hơi cao (khoảng 586 cal để làm bay hơi 1 g nước): khi mồ hôi bay hơi, cơ thể mất nhiều nhiệt nên được làm mát.
• Liên kết giữa các phân tử nước (gắn kết) và giữa nước với bề mặt khác (bám dính) tạo sức căng bề mặt và hiện tượng mao dẫn, góp phần vận chuyển nước từ rễ lên lá.
• Khi đóng băng, liên kết hydrogen giữ các phân tử nước xa nhau hơn, nên nước đá nhẹ hơn nước lỏng và nổi trên mặt; lớp băng giúp sinh vật bên dưới không bị đông cứng.

Thực hành và luyện tập