Bài giảng Sinh học đại cương - TS. Trần Gia Bửu

Chia sẻ: Ganuongmuoimatong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:199

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Sinh học đại cương cung cấp cho người học những kiến thức như: Cơ sở của sự sống; Sinh học tế bào; Di truyền học và công nghệ sinh học; Các học thuyết tiến hóa; Sinh thái học; Sinh học của virus, giới khởi sinh, nguyên sinh và nấm; Sinh học thực vật; Sinh học động vật. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Sinh học đại cương - TS. Trần Gia Bửu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM TS. Trần Gia Bửu BÀI GIẢNG SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG Trình độ : Đại học Ngành : Công nghệ sinh học Môn : Sinh học đại cương Thời lượng giảng dạy: 30 tiết TP. HỒ CHÍ MINH 2016 LƯU HÀNH NỘI BỘ
MỤC LỤC Mục lục .................................................................................................................. 2 Nội dung bài giảng ............................................................................................... 7 Bài 1. Cơ sở của sự sống ........................................................................................ 7 1.1 Khoa học sự sống ............................................................................................ 7 1.1.1 Sự đa dạng và thống nhất của sự sống ........................................................ 7 1.1.2 Các tính chất đặc trưng của sự sống ............................................................ 8 1.1.3 Các vấn điề sinh học và bộ môn nghiên cứu sinh học ................................ 10 1.1.4 Các ứng dụng thực tiễn ............................................................................... 11 1.2 Cơ sở hóa học của sự sống .............................................................................. 12 1.2.1 Các nguyên tố và liên kết hóa học .............................................................. 12 1.2.2 Các chất vô cơ ............................................................................................. 14 1.2.3 Các thành phần hữu cơ của sự sống ............................................................ 15 Bài 2 Sinh học tế bào ............................................................................................ 24 2.1. Cấu trúc và chức năng tế bào ...................................................................... 24 2.1.1. Màng sinh chất ............................................................................................ 25 2.1.2. Tế bào chất và các bào quan ....................................................................... 28 2.1.3. Cấu trúc hiển vi của nhân ........................................................................... 36 2.2. Chu kỳ sống của tế bào và cơ chế điều hòa chu kỳ ................................... 37 2.3. Sự phân bào và sinh sản của tế bào ........................................................... 38 2.3.1. Phân bào nguyên nhiễm ............................................................................ 38 2.3.2. Phân bào giảm nhiễm ................................................................................ 41 2.4. Quang hợp ................................................................................................. 43 2.4.1. Các phản ứng ở pha sáng .......................................................................... 43 2.4.2. Chu trình Calvin ........................................................................................ 45 2.4.3. Chu trình C4 .............................................................................................. 45 2.4.4. Chu trình CAM ......................................................................................... 46 2.5 Hô hấp ....................................................................................................... 46 2.5.1. Quá trình đường phân ............................................................................... 46 2.5.2. Chu trình Krebs ......................................................................................... 46 2.5.3. Chuỗi truyền điện tử ................................................................................. 46 Bài 3. Di truyền học và công nghệ sinh học .......................................................... 47 3.1. Cơ sở của di truyền học............................................................................. 47 3.1.1. Kế thừa học thuyết Mendel ....................................................................... 47 3.1.2. Hiện tượng liên kết gen và di truyền chéo ................................................ 48 3.2. DNA, RNA và sự sinh tổng hợp protein ................................................... 49 3.2.1. DNA là vật chất mang thông tin di truyền ................................................ 49 3.2.2. DNA và sự tái bản DNA ........................................................................... 50 3.2.3. Từ DNA, RNA đến protein-sinh tổng hợp protein ................................... 54 3.3. Điều hòa biểu hiện gen.............................................................................. 59 3.3.1. Mục đích của điều hòa biểu hiện gen........................................................ 59 3.3.2. Các yếu tố điều hòa biểu hiện gen ............................................................ 59 2
3.3.3. Mô hình điều hòa biểu hiện gen ở vi khuẩn .............................................. 60 3.3.4. Mô hình điều hòa biểu hiện gen ở eucaryote ............................................ 63 3.3.5. Sự biệt hóa tế bào ...................................................................................... 65 3.4. Di truyền học người .................................................................................. 66 3.4.1. Những phương pháp nghiên cứu di truyền học người .............................. 66 3.4.2. Di truyền y học .......................................................................................... 67 3.5. Công nghệ sinh học gen ............................................................................ 69 3.5.1. Khái niệm kỹ thuật di truyền .................................................................... 69 3.5.2. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng của công nghệ di truyền .......................... 69 Bài 4. Các học thuyết tiến hóa ............................................................................... 73 4.1. Lịch sử của sự sống ................................................................................... 73 4.1.1. Nguồn gốc sự sống .................................................................................... 73 4.1.2. Tiến hóa của hệ gen .................................................................................. 75 4.2. Học thuyết tiến hóa ................................................................................... 76 4.3. Di truyền học quần thể và sự hình thành loài ........................................... 77 4.3.1. Biến dị di truyền trong quần thể ............................................................... 77 4.3.2. Phân tích vốn gen ...................................................................................... 77 4.3.3. Tiến hóa vi mô .......................................................................................... 78 4.3.4. Tiến hóa vĩ mô-sự hình thành loài mới ..................................................... 81 4.4 Sự phân loại các loài ................................................................................. 82 4.4.1. Cơ sở của phân loại cơ thể ........................................................................ 82 4.4.2. Hệ thống tên kép của loài .......................................................................... 82 4.4.3. Hệ phân loại theo cấp bậc lệ thuộc ........................................................... 82 4.4.4. Tiêu chí phân loại ...................................................................................... 83 4.4.5. Năm giới sinh vật ...................................................................................... 85 Bài 5. Sinh thái học.............................................................................................. 86 5.1. Giới thiệu về hệ sinh thái .......................................................................... 86 5.1.1. Giới thiệu về sinh thái học ........................................................................ 86 5.1.2. Chuỗi thức ăn, lưới thức ăn và các bậc dinh dưỡng ................................. 86 5.1.3. Năng lượng học sinh thái .......................................................................... 87 5.1.4. Chu trình sinh địa hóa ............................................................................... 89 5.2. Quần thể .................................................................................................... 89 5.2.1. Khái niệm quần thể ................................................................................... 89 5.2.2. Động học quần thể .................................................................................... 89 5.2.3. Sự sinh trưởng của quần thể ...................................................................... 90 5.2.4. Quần thể người .......................................................................................... 91 5.3. Quần xã ..................................................................................................... 92 5.3.1. Khái niệm và các đặc trưng của quần xã .................................................. 92 5.3.2. Mối quan hệ giữa các loài ......................................................................... 92 5.4. Hệ sinh thái ............................................................................................... 93 5.4.1. Hệ sinh thái trên cạn.................................................................................. 93 5.4.2. Hệ sinh thái nước ...................................................................................... 95 5.4.3. Diễn thế sinh thái ...................................................................................... 97 Bài 6. Sinh học của virus, giới khởi sinh, nguyên sinh và nấm ............................. 98 3
6.1. Vi khuẩn và vi khuẩn cổ ........................................................................... 98 6.1.1. Lãnh giới vi khuẩn cổ ............................................................................... 98 6.1.2. Lãnh giới vi khuẩn .................................................................................... 98 6.1.3. Vi khuẩn và con người .............................................................................. 101 6.2. Virus .......................................................................................................... 104 6.2.1. Khái niệm virus ......................................................................................... 104 6.2.2. Sự sinh sản và cấu trúc của virus .............................................................. 105 6.2.3. HIV và hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải...................................... 106 6.3. Giới Protista .............................................................................................. 107 6.3.1. Đặc điểm của nguyên sinh vật .................................................................. 107 6.3.2. Nguyên sinh động vật (Protozoa) ............................................................. 108 6.3.3. Tảo (Algae) ............................................................................................... 112 6.3.4. Tầm quan trọng của tảo ............................................................................. 113 6.4. Giới Nấm ................................................................................................... 114 6.4.1. Đại cương về nấm ..................................................................................... 114 6.4.2. Phân loại nấm ............................................................................................ 115 6.4.3. Nấm và con người ..................................................................................... 120 Bài 7. Sinh học thực vật ......................................................................................... 123 7.1. Sự quan trọng của thực vật........................................................................ 123 7.1.1. Thực vật và con người .............................................................................. 123 7.1.2. Thực vật và môi trường ............................................................................. 123 7.2. Cấu trúc và chức năng của thực vật .......................................................... 123 7.2.1. Tế bào và mô thực vật ............................................................................... 123 7.2.2. Rễ .............................................................................................................. 124 7.2.3. Thân .......................................................................................................... 126 7.2.4. Lá............................................................................................................... 128 7.3 Sự sinh sản của thực vật ............................................................................ 130 7.3.1. Chu trình phát triển của thực vật ............................................................... 130 7.3.2. Sự sinh sản của thực vật hiển hoa ............................................................. 132 7.3.3. Sự phát tán................................................................................................. 136 7.4. Các đáp ứng của thực vật .......................................................................... 136 7.4.1. Hormone thực vật ...................................................................................... 136 7.4.2. Tính hướng động và ứng động của thực vật ............................................. 137 Bài 8. Sinh học động vật ........................................................................................ 138 8.1. Giới thiệu về động vật ............................................................................... 138 8.2. Ngành thân lỗ Porifera (Bọt biển) ............................................................. 138 8.2.1. Phân loại .................................................................................................... 138 8.2.2. Cấu trúc ..................................................................................................... 138 8.2.3. Sinh sản ..................................................................................................... 138 8.3. Ngành thích ty bào Cnidaria (Ruột khoang Coelenterates) ...................... 139 8.3.1. Phân loại .................................................................................................... 139 8.3.2. Cấu trúc ..................................................................................................... 139 8.3.3. Vòng đời và sự sinh sản ............................................................................ 140 8.4. Ngành giun dẹp Platyhelminthes .............................................................. 141 4
8.4.1. Phân loại .................................................................................................... 141 8.4.2. Cấu trúc ..................................................................................................... 141 8.4.3. Vòng đời.................................................................................................... 141 8.5. Ngành giun đốt (Annelida) ....................................................................... 142 8.5.1. Phân loại .................................................................................................... 142 8.5.2. Cấu trúc ..................................................................................................... 143 8.5.3. Giun nhiều tơ (Polychaeta) ....................................................................... 143 8.5.4. Giun ít tơ (Oligochaeta) ............................................................................ 144 8.5.5. Đỉa (Hirudinea) ......................................................................................... 145 8.6. Ngành Thân mềm (Mollusca) ................................................................... 145 8.6.1. Phân loại .................................................................................................... 145 8.6.2. Cấu trúc cơ thể động vật thân mềm .......................................................... 145 8.7. Ngành Da gai (Echinodermata) ................................................................ 146 8.7.1. Phân loại .................................................................................................... 146 8.7.2. Cấu trúc ..................................................................................................... 147 8.8. Ngành Giun tròn (Nematoda) ................................................................... 147 8.8.1. Phân loại .................................................................................................... 147 8.8.2. Cấu trúc ..................................................................................................... 148 8.9. Ngành Chân khớp (Arthropoda) ............................................................... 148 8.9.1. Mối quan hệ tiến hóa giữa chân khớp và giun đốt .................................... 148 8.9.2. Phân loại chân khớp .................................................................................. 149 8.9.3. Cấu trúc cơ thể .......................................................................................... 150 8.10. Ngành Động vật có dây sống (Chordata) .................................................. 152 8.10.1. Phân loại ngành Động vật có dây sống Chordata ..................................... 152 8.10.2. Đặc điểm cấu tạo ....................................................................................... 153 8.10.3. Mối quan hệ giữa các ngành có dây sống ................................................. 154 Bài 9. Sinh học người ............................................................................................. 157 9.1. Tổ chức cơ thể người và động vật ............................................................. 157 9.1.1. Cấu trúc tế bào, mô ................................................................................... 157 9.1.2. Các hệ cơ quan chính ................................................................................ 158 9.2. Hệ tiêu hóa người ...................................................................................... 159 9.2.1. Đặc điểm hệ tiêu hóa người ...................................................................... 159 9.2.2. Các giai đoạn của quá trình tiêu hóa ......................................................... 159 9.2.3. Sự hấp thu ................................................................................................. 159 9.3. Hệ hô hấp người ........................................................................................ 163 9.3.1. Cơ quan hô hấp ......................................................................................... 163 9.3.2. Quá trình hô hấp ở người .......................................................................... 164 9.4. Hệ bài tiết .................................................................................................. 164 9.4.1 Thận- cơ quan bài tiết nước tiểu ............................................................... 164 9.4.2. Hoạt động của thận ................................................................................... 166 9.5. Hệ tuần hoàn ngưởi ................................................................................... 166 9.5.1. Cấu tạo của tim và chu kỳ hoạt động của tim ........................................... 166 9.5.2. Hệ thống mạch máu .................................................................................. 169 9.5.3. Vòng tuần hoàn máu của người ................................................................ 170 5
9.5.4. Các hệ thống tuần hoàn ở động vật ........................................................... 171 9.6. Hệ sinh sản người ...................................................................................... 172 9.6.1. Các phương thức sinh sản ở động vật ....................................................... 172 9.6.2. Các kiểu thụ tinh và sự đa dạng thành phần cấu tạo hệ sinh dục.............. 173 9.6.3. Cấu trúc và sinh lý hệ sinh dục người ....................................................... 175 9.6.4. Thụ tinh, mang thai, đẻ ............................................................................. 185 9.7. Hệ thần kinh .............................................................................................. 189 9.7.1. Tổ chức của hệ thần kinh .......................................................................... 189 9.7.2. Chức năng của các thành phần thần kinh trung ương ............................... 189 9.7.3. Nguyên tắc hoạt động ............................................................................... 197 Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 199 6
BÀI 1: CƠ SỞ CỦA SỰ SỐNG 1.1 KHOA HỌC SỰ SỐNG 1.1.1. Sự đa dạng và thống nhất của sự sống Thế giới sinh vật rất đa dạng biểu hiện ở các loài và các cấp độ tổ chức từ thấp lên cao. Sự sống có cấu tạo vật chất phức tạp, thu nhận và biến đổi năng lượng tinh vi, chứa và truyền đạt thông tin di truyền cùng nhiều biểu hiện như sự tăng trưởng, vận động, trao đổi chất, sinh sản, thích nghi, tiến hóa và các mối quan hệ với môi trường...Do đó trước tiên chúng ta tìm hiểu các đặc tính và biểu hiện của sự sống. 1. Sự đa dạng Quanh ta có rất nhiều sinh vật : cây cỏ, tôm, cá, ếch nhái, rắn, chim thú... và các vi sinh vật. Có khoảng hơn hai triệu loài sinh vật trên trái đất mà con người chỉ là một trong số đó. - Mỗi loài sinh vật có những đặc tính riêng của nó về bên ngoài, bên trong và các biểu hiện sống đặc thù. Như hình dáng, kích thước, màu sắc, tuổi thọ... các loài khác nhau Ví dụ : vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) có kích thước 1-2 micromet và mỗi thế hệ chỉ dài 20 phút, trong khi đó nhiều cây cổ thụ cao trên 50-60m có thể sống nghìn năm. Một nét đặc thù nữa của thế giới sinh vật là sự sống được biểu hiện ở nhiều mức độ tổ chức từ thấp đến cao nhất (từ phân tử cho đến toàn bộ sinh quyển trên hành tinh chúng ta). Có thể kể các mức tổ chức chủ yếu như sau: • Các đại phân tử sinh học, • Tế bào - đơn vị cơ sở của sự sống, • Cá thể - đơn vị của sự tồn tại độc lập của một sinh vật, • Quần thể - đơn vị cơ sở của tiến hoá, gồm nhiều cá thể của một loài, • Loài - đơn vị căn bản của tiến hoá và phân loại, • Quần xã - sự cùng tồn tại của nhiều loài sinh vật với nhau trên một vùng nhất định, • Hệ sinh môi (ecosystems) - đơn vị căn bản của sinh môi, • Sinh quyển - sự sống trên hành tinh chúng ta. Trong mỗi mức tổ chức còn có thể chia nhỏ như cơ thể gồm các mô, các cơ quan và các hệ cơ quan. Các thành phần của mỗi mức tổ chức liên quan với nhau thành một khối thống nhất kể cả sinh quyển. Sự đa dạng các loài là kết quả của quá trình tiến hoá lâu dài. 2. Sự thống nhất Sự thống nhất của sự sống chỉ được biết qua các phân tích khoa học. Sự thống nhất biểu hiện ở hệ thống phân loại và sự giống nhau ở các cấu trúc và cơ chế vi mô. Dựa vào những đặc điểm hình thái giống nhau có thể xếp các sinh vật vào những nhóm nhất định gọi là nhóm phân loại. Nhóm phân loại lớn nhất được gọi là giới - giới động vật- giới thực vật, ngày nay còn có thêm giới nấm. Mỗi giới được chia nhỏ dần : giới → giới phụ → lớp → bộ → họ → giống → loài. Tất cả các loài sinh vật đều có thể xếp theo hệ thống phân loại này. Đây là bằng chứng về sự tiến hóa của sinh giới từ tổ tiên chung ban đầu - tiến hóa từ thấp lên cao. Sự thống nhất thể hiện ở những thành phần cấu tạo nên mỗi cơ thể. Thành phần hóa học của các sinh vật giống nhau từ những nguyên tố tham gia chất sống đến bốn nhóm chất hữu cơ: glucid, lipid, protein và acid nucleic. Tất cả các sinh vật đều có 7
cấu tạo tế bào. Tế bào có biểu hiện đầy đủ các tính chất đặc trưng của sự sống - nó là đơn vị cơ sở của sự sống. 1.1.2. Các tính chất đặc trưng cho sự sống Sự sống là một dạng hoạt động vật chất phức tạp hơn nhiều và cao hơn hẳn so với quá trình vật lý và hóa học trong tự nhiên. Nó có những tính chất đặc trưng giống nhau ở mọi loài. 1. Vật chất: cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi Các sinh vật cũng được tạo nên từ những nguyên tố vốn có trong tự nhiên, nhưng cấu trúc bên trong rất phức tạp và chứa vô số các hợp chất hóa học rất đa dạng. Ví dụ : Vi khuẩn Escherichia coli (E- coli) - sinh vật đơn bào với kích thước (1-2 micromet, nặng 2.10-6 mg chứa khoảng 40 tỉ phân tử nước, 5000 loại các hợp chất hữu cơ khác nhau, có khoảng 3000 loại protein. Nếu tính ở người thì số loại protein khác nhau không phải là 3000 mà là 5 triệu loại khác nhau mà không có loại nào giống của E. coli mặc dù có một số hoạt động giống nhau. Thậm chí giữa hai người khác nhau protein cũng không giống nhau nên dễ xảy ra hiện tượng không dung hợp khi lấy mô của người này ghép cho người khác. Mỗi sinh vật có bộ protein và acid nucleic riêng biệt cho mình. Các chất phức tạp trong cơ thể sống hình thành nên các cấu trúc tinh vi thực hiện một số chức năng nhất định. Không những các cấu trúc như màng, nhân tế bào... mà cả từng loại đại phân tử cũng có vai trò nhất định. Ví dụ bệnh thiếu máu hồng cầu liềm được gọi là "bệnh phân tử". 2. Năng lượng: Sự chuyển hóa phức tạp Đặc điểm của sự sống là thu nhận năng lượng từ môi trường bên ngoài và biến đổi nó để xây dựng và duy trì tổ chức phức tạp đặc trưng cho sự sống. Một số các sinh vật lấy những chất đơn giản nhất như CO2, N2, H2O làm nguyên liệu và ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng. Năng lượng tử của ánh sáng được chuyển thành năng lượng hóa học trong các chất hữu cơ của cây xanh, từ đó lưu chuyển sang các sinh vật khác. Sự chuyển hoá vật chất và năng lượng trong tế bào diễn ra phức tạp, nhiều phản ứng xảy ra đồng thời, nhanh nhạy, chính xác, hiệu quả cao và được điều hoà hợp lý. Vật chất vô sinh không có khả năng sử dụng năng lượng bên ngoài để duy trì cấu trúc bản thân nó như các sinh vật. Ngược lại vật chất vô sinh khi hấp thụ năng lượng bên ngoài như ánh sáng, nhiệt nó chuyển sang trạng thái hỗn loạn hơn và ngay sau đó tỏa ra xung quanh. Tóm lại tế bào là một hệ thống hở không cân bằng, nó lấy năng lượng từ bên ngoài vào, sử dụng vật chất và năng lượng với hiệu quả cao hơn hẳn so với phần lớn máy móc mà con người chế tạo ra. Về mặt năng lượng, tế bào cũng tuân theo quy luật nhiệt động học II: nó thu nhận vật chất và năng lượng để duy trì tổ chức cao của nó. 3. Thông tin: ổn định, chính xác và liên tục Chứa và truyền đạt thông tin là tính chất tuyệt diệu nhất của thế giới sinh vật, đạt mức phát triển cao hơn hẳn ở giới vô sinh. không có ở các chất vô sinh nếu thiếu sự chế tạo của con người, nó liên quan đến các quá trình sống chủ yếu như sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản ứng thích nghi. Thông tin được hiểu là khả năng của sinh vật cảm nhận trạng thái bên trong của hệ thống và những tác động lên nó từ môi trường ngoài, bảo tồn, xử lý và truyền đạt. Cấu trúc của thông tin xác định trạng thái nội tại của hệ thống. Trong các tế bào sống thông tin có hai dạng chủ yếu: thông tin di truyền và thông tin thích nghi. 8
- Thông tin di truyền: Nhờ có thông tin, tế bào có khả năng tự sinh sản tạo ra thế hệ con giống hệt cha mẹ. Sự sinh sản gắn liền với tính di truyền được biểu hiện rõ qua nhiều thế hệ. Thế hệ trước truyền cho thế hệ sau không phải các tính trạng mà truyền chương trình phát triển của mỗi loài sinh vật được gọi là thông tin di truyền. Thông tin di truyền được mã hóa dưới dạng trình tự thẳng của 4 loại nucleotid rồi hiện thực hóa ra dạng cấu trúc các phân tử protein và các cấu trúc tế bào. Thông tin di truyền được hiện thực hoá ở thế hệ sau trong quá trình phát triển cá thể. Mỗi sinh vật trong quá trình lớn lên đều lặp lại chính xác các giai đoạn phát triển như của cha mẹ. Bộ máy di truyền chi phối mọi biểu hiện sống: tái tạo các cấu trúc tinh vi, điều hoà việc thực hiện hàng loạt chuỗi phản ứng hoá học phức tạp giúp cơ thể phản ứng và thích nghi với môi trường. Thông tin di truyền được truyền đạt cho nhiều thế hệ nối tiếp với sự ổn định cao nhờ các cơ chế sao chép chính xác và phân chia đều cho các tế bào con. Cá thể sinh vật đến lúc nào đó sẽ chết, nhưng thông tin không chết, lại được truyền cho thế hệ sau và có thể biến đổi tiến hoá. Nhờ sự nối tiếp di truyền mà sự sống từ khi xuất hiện cho đến nay là một dòng liên tục và tất cả các sinh vật trên quả đất đều có quan hệ họ hàng với nhau, bắt nguồn từ tổ tiên chung ban đầu. - Thông tin thích nghi Thông tin thích nghi lúc đầu xuất hiện ở đời sống cá thể, tạo ưu thế trong đấu tranh sinh tồn nên được chọn lọc tự nhiên giữ lại và ghi thêm vào thông tin di truyền của sinh vật, nó cũng chịu sự chi phối của bộ gen và được lưu truyền. Ví dụ : Ánh sáng ở đom đóm, các chất dẫn dụ của côn trùng, âm thanh của chim kêu... thực vât cũng có thông tin thích nghi nhưng chậm hơn: rể phát triển mạnh phía có nhiều phân, cây nghiêng ra ánh sáng... Bộ gen của những sinh vật tiến hoá cao hơn vẫn còn mang nhiều thông tin di truyền của tổ tiên. Điều này thể hiện rõ ở sự lặp lại các giai đoạn của tổ tiên trong sự pháy triển phôi của những sinh vật bậc cao. Tiến hoá thích nghi đã tạo nên sự đa dạng các sinh vật như ngày nay từ một tổ tiên ban đầu. Có lẽ các cơ chế thu nhận thông tin để phản ứng lại với môi trường sống chung quanh là quan trọng nhất trong tiến hoá. Tóm lại, sự sống là một dạng hoạt động vật chất phức tạp trên cơ sở tương tác đồng thời của 3 yếu tố vật chất, năng lượng và thông tin. Các biểu hiện của sự sống Trên cơ sở hoạt động tích hợp của vật chất, năng lượng và thông tin, sự sống có nhiều biểu hiện đặc thù khác hẳn giới vô sinh. 1. Trao đổi chất Để tồn tại các tế bào phải thực hiện liên tục hàng loạt phản ứng hóa học để phân hủy chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng và vật liệu cho các quá trình sinh tổng hợp và các quá trình sống khác như tăng trưởng, vận động, sinh sản... Toàn bộ các hoạt động hoá học của cơ thể sinh vật được gọi là trao đổi chất (metabolism). Khi sự trao đổi chất dừng thì cơ thể sinh vật sẽ chết. 2. Sự nội cân bằng Quá trình trao đổi chất tuy phức tạp, nhưng được điều hòa hợp lý để duy trì các hoạt động bên trong tế bào ở mức cân bằng và ổn định ở một trạng thái nhất định. Ví dụ, nhiệt độ cơ thể người bình thường luôn được duy trì ở 37oC dù thời tiết có thay đổi. Xu hướng các cơ thể sinh vật tự duy trì môi trường bên trong ổn định gọi là sự nội cân bằng (homeostasis) và được thực hiện do các cơ 9
chế nội cân bằng. Sinh vật ở mức phát triển càng cao, các cơ chế điều hoà càng phức tạp. 3. Sự tăng trưởng (growth) Sự tăng trưởng (growth) là sự tăng khối lượng chất sống của mỗi cơ thể sinh vật. Nó bao gồm sự tăng kích thước của từng tế bào và tăng số lượng tế bào tạo nên cơ thể. Sự tăng trưởng của tế bào khác nhiều về căn bản so với sự lớn lên của tinh thể trong dung dịch muối. Khi tăng trưởng diễn ra, từng phần của tế bào hay cơ thể vẫn hoạt động bình thường. Một số sinh vật như phần lớn thực vật có thời gian tăng trưởng kéo dài rất lâu như các cây cổ thụ nghìn năm. Hầu hết động vật có giới hạn tăng trưởng nhất định, kích thước đạt tối đa lúc sinh vật trưởng thành. 4. Sự vận động Sự vận động dễ thấy ở các động vật như các động tác leo, trèo, đi lại... Sự vận động ở thực vật chậm và khó nhận thấy như dòng chất trong tế bào lá. Các vi sinh vật vận động nhờ các lông nhỏ hay giả túc như ở amip. 5. Sự đáp lại Là sự đáp lại các kích thích khác nhau từ môi trường bên ngoài. Các động vật có những phản ứng nhất định như thay đổi màu sắc, nhiệt độ, tập tính sống... Con mắt người là một cơ quan rất tinh vi thu nhận nhanh nhạy, chính xác các kích thích ánh sáng truyền cho hệ thần kinh để có phản ứng đáp lại Các thực vật cũng có nhiều phản ứng tuy chậm và khó nhận thấy hơn như cây xanh mọc hướng về ánh sáng, cây mắc cỡ rũ lá khi bị chạm, cây bắt ruồi đậy nắp lại khi con vật đã chui vào... 6. Sự sinh sản Biểu hiện này của sự sống dễ nhận thấy ở tất cả các loài sinh vật. "Sinh vật sinh ra sinh vật" và "tế bào sinh ra tế bào". Các sinh vật nhỏ bé như các vi khuẩn lại có tốc độ sinh sản nhanh. Có hai kiểu sinh sản : vô tính và hữu tính. Sự sinh sản hữu tính ra đời muộn hơn, nhưng nó tạo nên sự đa dạng lớn làm tăng nhanh tốc độ tiến hoá của sinh giới. 7. Sự thích nghi Là khả năng cơ thể thích ứng với môi trường sống- nhằm giúp các sinh vật tồn tại trong thế giới vật chất luôn biến động- nó làm tăng khả năng sống còn của các sinh vật trong môi trường đặc biệt. Các cơ thể thích nghi là kết quả của quá trình tiến hóa lâu dài. 1.1.3. Các vấn đề sinh học và bộ môn nghiên cứu sinh học Sinh học nghiên cứu vô số các dạng sinh vật trên nhiều khía cạnh khác nhau như cấu trúc, chức năng, sự phát triển cá thể, sự tiến hoá và mối quan hệ với môi trường... và ở các mức độ tổ chức khác nhau như mức phân tử, tế bào, cơ thể, loài và trên loài... Nó là một khoa học rất rộng lớn nên khó có nhà khoa học nào biết được đầy đủ mọi khía cạnh của nó, phần lớn các nhà sinh học là chuyên gia của một lĩnh vực nào đó được gọi là bộ môn của sinh học. Mỗi bộ môn chuyên sâu ở những lĩnh vực nhất định và chúng không ít chỗ trùng lặp. Sau đây là một số bộ môn chủ yếu: • Thực vật học (Botany): nghiên cứu thế giới thực vật. • Động vật học (Zoology): nghiên cứu thế giới động vật. • Hệ thống học (Systematics): sắp xếp hệ thống các dạng sinh vật trong mối quan hệ họ hàng. • Sinh lý học (Physiology): nghiên cứu các hoạt động chức năng của cơ thể. 10
• Sinh học phát triển (Developmental biology): nghiên cứu sự phát triển cá thể từ phôi đến trưởng thành. • Tế bào học (Cytology): nghiên cứu cấu tạo, thành phần và chức năng của tế bào. • Mô học (Histology): nghiên cứu các mô. • Giải phẩu học (Anatomy): nghiên cứu cấu trúc bên trong cơ thể. • Di truyền học ( Genetics): nghiên cứu tính di truyền và biến dị • Sinh hóa học (Biochemistry): nghiên cứu các quá trình sinh hoá • Lý sinh học (Biophysics): nghiên cứu các quá trình vật lý trong cơ thể sống • Sinh thái học ( Ecology ): nghiên cứu quan hệ giữa sinh vật và môi trường • Vi sinh học (Microbiology): nghiên cứu thế giới vi sinh vật. Mỗi môn học lại có thể chia nhỏ ra. Ví dụ động vật học có thể nghiên cứu động vật có xương và động vật không xương. Động vật có xương có thể chia ra như ngư học (nghiên cứu về cá) hay điểu học (nghiên cứu về chim)... Do sự phát triển mạnh của sinh học nhiều lĩnh vực mới được hình thành như sinh học phân tử (molecular biology), enzyme học (enzymeology)... Vậy “sinh học là một tổ hợp các môn khoa học nghiên cứu từ những khía cạnh khác nhau ở những mức độ khác nhau toàn bộ tính đa dạng của sự sống”. 1.1.4. Các ứng dụng thực tiễn Các kiến thức sinh học có nhiều ứng dụng trực tiếp và gían tiếp cho con người. Thế giới sinh vật cung cấp phần lớn những nhu cầu căn bản- tạo môi trường sống cho con người cho nên sinh học có nhiều ứng dụng thực tiễn: 1. Trực tiếp đối với con người - Y học là lĩnh vực ứng dụng nhiều nhất các kiến thức sinh học trực tiếp cho con người. Các kiến thức sinh học giúp con người biết giữ gìn vệ sinh phòng ngừa bệnh tật. Nhiều phát minh lớn trong sinh học tạo nên những cuộc cách mạng trong y học như: tìm ra vaccine, tìm ra cơ chế gây viêm nhiễm của các vi sinh vật giúp ngăn ngừa nhiều bệnh dịch hiểm nghèo. Phần lớn các thuốc chữa trị có nguồn gốc sinh vật như các dược thảo, các chất chiết xuất tách từ các cơ thể sinh vật, các thuốc kháng sinh... - Kiến thức sinh học cũng rất cần cho giáo dục. Việc hiểu biết tâm sinh lý của từng lứa tuổi, các nghiên cứu về cơ chế của trí nhớ và tìm ra các gen, các chất làm tăng trí nhớ hứa hẹn sự tiến bộ vượt bậc của xã hội loài người. - Cơ sở sinh học của các hoạt động xã hội là vấn đề quan trọng. Luật hôn nhân gia đình quy định cấm kết hôn giữa những người có họ hàng trực hệ 3 đời, dựa trên cơ sở giao phối cận huyết dễ sinh các bệnh di truyền. Nhiều ngành văn nghệ, thể thao... cần năng khiếu mới đạt kết quả cao... 2. Các ngành sản xuất có đối tượng là sinh vật Các kiến thức sinh học là cơ sở khoa học mà từ đó xây dựng nên các biện pháp hữu hiệu làm cho sinh vật tạo ra nhiều sản phẩm hơn. Xã hội loài người đã phát triển các ngành sản xuất như nông, lâm, ngư nghiệp và công nghiệp vi sinh để thoả mãn nhu cầu ngày càng cao và theo kịp đà tăng dân số. 3. Một vài ứng dụng trong công nghệ sinh học Kỹ thuật di truyền ra đời tạo sự bùng nổ của công nghệ sinh học mới mở ra triển vọng vô cùng to lớn để hiểu biết và cải tạo thế giới sinh vật: - Thu nhận các chất quý bằng nuôi cấy tế bào - Giải mã bộ gen người - Thụ tinh trong ống nghiệm - Điều trị bằng liệu pháp gen ... 11
1.2. CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG 1.2.1. Các nguyên tố và liên kết hóa học Các nguyên tố trong cơ thể sống Tế bào cũng được cấu tạo từ các nguyên tố vốn có trong tự nhiên. Tuy nhiên trong 92 nguyên tố có trong tự nhiên thì chỉ có 22 nguyên tố có trong các sinh vật. Các nguyên tố được chia thành 3 nhóm dựa theo vai trò tham gia vào chất sống, tạo các chất hữu cơ, các ion hay chỉ có dấu vết. Trong đó (1) Các nguyên tố tham gia cấu tạo chất hữu cơ như :N, O, C, H, P, S. Trong cơ thể sinh vật C, H, O, N chiếm tới hơn 96% thành phần của tế bào. (2) Các ion : K+, Na+, Mg++, Ca++, Cl-. (3) Các nguyên tố chỉ có dấu vết: Fe, Mn, Co, Cu, Zn, B, V, Al, Mo, I, Si. Các nguyên tố khác có vết ít được gọi là vi lượng hay vi tố. Vai trò chủ yếu của các nguyên tố trong cơ thể người: Oxygen (O) chiếm khoảng 65%, tham gia cấu tạo hầu hết các chất hữu cơ, phân tử nước và tham gia vào quá trình hô hấp. Carbon (C) chiếm khoảng 18%, có thể tạo liên kết với 4 nguyên tử khác, tạo khung chất hữu cơ. Hydrogen (H) chiếm khoảng 10%, là thành phần của nước và hầu hết các chất hữu cơ. Nitrogen (N) có khoảng 3%, tham gia cấu tạo các protein, acid nucleic. Calcium (Ca) có khoảng 1,5% là thành phần của xương và răng, có vai trò quan trọng trong co cơ, dẫn truyền xung thần kinh và đông máu. Phosphor (P) có khoảng 1%, giữ vai trò quan trọng trong chuyển hoá năng lượng, thành phần của acid nucleic... Kali (K) (Potassium), có khoảng 0,4% là cation (ion+) chủ yếu trong tế bào, giữ vai trò quan trọng cho hoạt động thần kinh và co cơ. Sulfua (S) có khoảng 0,3%, có mặt trong thành phần của phần lớn protein. Natri (Na) (Sodium), có khoảng 0,2% là cation chủ yếu trong dịch của mô, giữ vai trò quan trọng trong cân bằng chất dịch, trong dẫn truyền xung thần kinh. Magnesium (Mg) khoảng 0,1% là thành phần của nhiều hệ enzyme quan trọng, cần thiết cho máu và các mô. Chlorine (Cl) khoảng 0,1%, là anion (ion-) chủ yếu của dịch cơ thể, có vai trò trong cân bằng nội dịch. Sắt (Fe) (Ferrum) chỉ có dấu vết, là thành phần của hemoglobin, myoglobin và một số enzyme. Iod (I) - dấu vết là thành phần của hormone tuyến giáp 2. Các liên kết hóa học Các tính chất hóa học của một nguyên tố trước tiên được xác định bởi số lượng và sự sắp xếp của các điện tử lớp năng lượng ngoài cùng. Ví dụ : Hydrogen có 1 điện tử lớp ngoài cùng, carbon có 4, nitrogen có 5 và oxygen có 6. Mô hình cấu trúc nguyên tử của các nguyên tố H, C, N, O 12
Các nguyên tử kết hợp với nhau một cách chính xác bằng những liên kết hóa học để tạo nên hợp chất. Liên kết hóa học là lực hút gắn 2 nguyên tử với nhau. Mỗi liên kết chứa một thế năng hóa học nhất định. Phụ thuộc vào số điện tử lớp ngoài cùng, các nguyên tử của một nguyên tố hình thành một số lượng đặc hiệu các liên kết với những nguyên tử của nguyên tố khác. - Có 2 loại liên kết hóa học chủ yếu là liên kết cộng hóa trị và liên kết ion. Trong các hoạt động sống thì liên kết quan trọng là liên kết hydro và các tương tác yếu (như lực hút van der waals vàì tương tác kỵ nước). Liên kết cộng hóa trị : Liên kết cộng hóa trị được tạo ra do góp chung điện tử giữa các nguyên tử. Ví dụ : Sự gắn 2 nguyên tử Hydrogen tạo thành phân tử khí Hydrogen. Trong phân tử nước có 2 nguyên tử H nối liên kết cộng hóa trị với 1 nguyên tử O : Liên kết cộng hóa trị đơn khi giữa hai nguyên tử có chung một cặp điện tử, liên kết đôi khi có chung hai cặp điện tử và liên kết ba khi có chung ba cặp điện tử. Ví dụ : Hai nguyên tử Oxygen liên kết đôi với nhau bằng hai cặp điện tử thành phân tử Oxygen. Liên kết ion : Khi nguyên tử nhận thêm hoặc mất điện tử nó trở nên tích điện được gọi là ion. Những nguyên tử có 1, 2, 3 điện tử ở lớp ngoài cùng có xu hướng mất điện tử trở thành các ion mang điện dương (cation). Các nguyên tử có 5 hay 6, 7 điện tử ở lớp ngoài cùng có xu hướng nhận điện tử trở thành ion mang điện âm (anion). Do điện tích khác dấu, các cation và các anion kết hợp với nhau nhờ liên kết ion. Liên kết ion khác với liên kết cộng hóa trị là không góp chung điện tử. Ví dụ : Na+ + Cl- = NaCl (muối ăn) Liên kết Hydro và các tương tác yếu khác : - Liên kết Hydro : Liên kết hyđro có xu hướng hình thành giữa nguyên tử có điện âm với nguyên tử Hydrogen gắn với Oxy hay Nitơ. Các liên kết Hydro có thể được tạo giữa các phần của một phân tử hay giữa các phân tử. Các liên kết Hydro yếu hơn liên kết cộng hóa trị 20 lần nhưng giữ vai trò rất quan trọng trong các hoạt động sống. - Lực hút van der waals xảy ra khi các phân tử gần kề nhau do tương tác giữa các đám mây điện tử. - Tương tác kỵ nước xảy ra giữa các nhóm của những phân tử không phân cực. Chúng có xu hướng xếp kề nhau và không tan trong nước như trường hợp các giọt dầu nhỏ tự kết nhau. Các liên kết Hydro, ion, lực Vanderwals yếu hơn liên kết cộng hóa trị nhiều nhưng chúng xác định tổ chức của các phân tử khác nhau trong tế bào, nhờ chúng các nguyên tử dù đã có liên kết cộng hóa trị trong cùng phân tử vẫn có thể tương tác lẫn nhau. Các tương tác yếu giữ vai trò quan trọng không những vì chúng xác định vị trí tương đối giữa các phân tử mà còn vì sự định hình những phân tử mềm dẻo như protein và acid nucleic. 13
1.2.2. Các chất vô cơ Trong thành phần chất sống, các chất vô cơ chiếm tỉ lệ nhiều hơn các chất hữu cơ. Chúng gồm có nước các acid, base, muối và các chất khí hòa tan. Trong số này nước chiếm tỷ lệ cao nhất và quan trọng nhất cho sự sống. a.Nước Nước là thành phần chiếm nhiều nhất trong cơ thể Nước chiếm đến 60-65% trọng lượng cơ thể trưởng thành, ở phôi nước chiếm đến 95%, ở trẻ sơ sinh chiếm 70%. Trong các mô cứng như xương, răng, móng, nước cũng chiếm từ 10-20%. Đối với các mô, cơ quan lượng nước bị thay đổi > 10% sẽ dẫn đến tình trạng bệnh lý. Tính chất và vai trò của nước Nước tuy được cấu tạo đơn giản chỉ gồm 2 nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxy (H2O) nhưng nước có tính chất rất đặc biệt: phân tử H2O có tính phân cực, do đó các phân tử nước thường liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và tạo nên cột nước liên tục (như trong các mạch gỗ của cây) hoặc tạo nên các màng phim bề mặt (con bọ cất vó có thể đứng và chạy trên bề mặt nước ao). Nước có vai trò rất quan trọng đối với sự sống thể hiện chủ yếu ở các sự kiện sau đây: Nước là môi trường khuếch tán cho các chất của tế bào, tham gia tạo nên các chất lỏng sinh học như máu, dịch gian bào, dịch não tuỷ v.v... Nước là dung môi cho các muối vô cơ, các chất hữu cơ có mang gốc “phân cực” (ưa nước) như -OH (hydroxyl), NH2 (amin), -COOH (cacboxyl), -CO (cacbonyl) v.v... Khi nước được dùng làm môi trường khuếch tán, hay dung môi, nước ở trạng thái tự do, nó chiếm đến 95% nước cơ thể. Nước liên kết chiếm khoảng 5%, là nước ở trạng thái liên kết lỏng lẻo với các đại phân tử (đóng vai trò giữ sự ổn định) nhờ liên kết hydro (là liên kết yếu) có tác dụng duy trì cấu tạo ổn định của các phức hệ đại phân tử. Ngoài ra, nước còn tham gia vào các quá trình trao đổi chất, quá trình tiết và quá trình điều hoà nhiệt của cơ thể. Lượng nước trong cơ thể luôn luôn được đổi mới, thời gian cần thiết để đổi mới một lượng nước bằng trọng lượng cơ thể là tuỳ thuộc vào môi trường trong cơ thể sống. Ví dụ: đối với amip là 7 ngày, đối với người là 4 tuần, với lạc đà là 3 tháng, với rùa là một năm, với cây xương rồng và thực vật sa mạc là 29 năm. Một người 60 kg cần cung cấp 2 – 3l nước/ngày để đổi mới lượng nước của cơ thể, duy trì hoạt động sống bình thường. b. Các chất muối vô cơ Các chất muối vô cơ tồn tại dưới 2 dạng Dạng ít nhiều hoà tan trong nước. Chúng có trong thành phần cứng như: xương, móng, tóc, v.v... đó là các muối silic, magie, phổ biến nhất là các muối canxi (cacbonat canxi, photphat canxi). Chất gian bào của xương chủ yếu được cấu tạo từ hydroxiapatit canxi. Dạng các ion: Các muối vô cơ ở dạng ion là thành phần rất quan trọng cần thiết cho các hoạt động sống, đó là các cation như Na+, K+, Ca++, Mg++ và các anion như Cl-, SO4-, CO3H-, NO3-, PO4H-, v.v.. Chúng có thể ở dạng tự do hoặc liên kết với các phân tử khác. 14
Các chất vô cơ đóng vai trò đáng kể trong cơ thể Chúng tham gia vào các phản ứng sinh hoá, hoặc đóng vai trò chất xúc tác (ví dụ ion Mg++), hoặc tham gia vào sự duy trì các điều kiện lý hoá cần thiết cho đa số phản ứng sinh hoá dẫn đến nhiều tính chất sinh lý tế bào như tính thẩm thấu, tính dẫn truyền, tính mềm dẻo, tính co rút, v.v... Sự cân bằng các ion khác nhau trong môi trường nội môi là cần thiết để đảm bảo cho các quá trình sống diễn ra bình thường. 1.2.3. Các thành phần hữu cơ của sự sống a. Chất hữu cơ là những hợp chất chứa cacbon và chỉ có trong cơ thể sống Đó là những phân tử được tạo thành do sự liên kết các nguyên tử C với H, O, N theo nhiều cách khác nhau, trong đó C đóng vai trò quan trọng vì C với 4 điện tử ở vòng ngoài cùng có khả năng liên kết với 4 hoá trị với H, O hoặc N theo nhiều cách tạo nên vô vàn phân tử chất hữu cơ đa dạng. Ví dụ C có thể liên kết với H để tạo ra CH4 (Methane), C2H6 (Ethane), C3H8(Propan), C2H4 (Ethylen) hoặc C liên kết với H và O để tạo nên glucid hoặc lipid, hoặc C liên kết với H, O và N để tạo nên protein và axit nucleic v.v... Người ta phân biệt các chất hữu cơ đơn giản (các monome - đơn phân) có khối lượng phân tử chỉ vài chục hoặc vài trăm dalton, như axit axetic, đường glucose và các chất hữu cơ phức tạp (các polyme - đa phân) được tạo thành do tổ hợp từ nhiều monome với nhau, chúng có khối lượng phân tử lớn- từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn dalton nên được gọi là các đại phân tử (macromolecule). Ví dụ glycogen có trong gan là một chất trùng hợp gồm nhiều đơn hợp là glucose. Các đại phân tử chủ yếu của cơ thể sống là protein và axit nucleic. Chúng có cấu trúc rất phức tạp và đặc trưng, chúng đóng vai trò quyết định trong tổ chức và hoạt động của cơ thể sống. Vì vậy, Engel đã từng định nghĩa: “Sống - là phương thức tồn tại của các thể albuminoit” (tức là đại phân tử). Các đại phân tử có thể kết hợp với nhau tạo nên các phức hệ đại phân tử, các siêu cấu trúc từ đó hình thành nên các cấu thành của tế bào. b. Các phản ứng sinh hoá - cơ sở của sự trao đổi chất (metabolism) Phản ứng sinh hoá là phản ứng hoá học xảy ra trong cơ thể sống, giữa các chất hoá học cấu tạo nên cơ thể với sự tham gia của chất xúc tác sinh học - các enzym. Sự trao đổi chất là tập hợp nhiều giai đoạn của các phản ứng sinh hoá. Người ta phân biệt hai quá trình của trao đổi chất: Sự đồng hoá (anabolism) là quá trình tổng hợp chất trong đó từ các chất bé, đơn giản phản ứng với nhau để tạo thành các chất lớn hơn và phức tạp hơn. Sự dị hoá (catabolism) là quá trình trong đó từ các chất lớn hơn và phức tạp hơn phân giải để cho ra các sản phẩm bé hơn và đơn giản hơn. Hai quá trình đồng hoá và dị hoá luôn kết hợp với nhau: quá trình dị hoá cung cấp năng lượng và sản phẩm cho quá trình đồng hoá, còn quá trình đồng hoá lại cung cấp sản phẩm cho quá trình dị hoá và tích luỹ năng lượng từ quá trình dị hoá. Các cấu thành hữu cơ của cơ thể sống vừa là nguyên liệu (cơ chất) vừa là sản phẩm cho các phản ứng sinh hoá, đồng thời cũng là chất xúc tác sinh học cho các phản ứng (các enzym). Các cấu thành hữu cơ rất đa dạng về cấu trúc và chức năng, 15
những chất hữu cơ quan trọng nhất được phân vào 4 loại: glucid, lipid, protein và axit nucleic. c. Glucid (hydrat cacbon) Glucid hay còn gọi là hydrat cacbon (chất đường) là chất trong thành phần gồm có: C, H và O được kết hợp theo công thức chung (CH2O)n. Chúng đóng vai trò dự trữ năng lượng và tham gia vào yếu tố nâng đở và bảo vệ. Thực vật xanh có khả năng tự tổng hợp các chất hydrat cacbon khác nhau từ CO2 và H2O với sự sử dụng năng lượng ánh sáng (được gọi là sinh vật tự dưởng). Động vật và con người được cung cấp các chất glucid từ thực vật là sinh vật dị dưởng. Các chất glucid có tầm quan trọng được chia thành 3 nhóm: đường đơn (monosaccharide), đường đôi (disaccharide) và đường phức (polysaccharide). Monosaccharide Monosacarit là glucid đơn giản có công thức chung là (CH2O)n, trong đó có chứa từ 3 – 8 nguyên tử C liên kết với nhau và với nhóm OH. Do có nhiều nhóm OH phân cực nên các đường đơn dễ dàng hoà tan trong nước. Tuỳ theo số nguyên tử C mà người ta phân biệt đường triose (3C), đường pentose (5C), đường hexose (6C). Đường pentoz, ví dụ: ribose và deoxyribose có vai trò rất quan trọng, chúng có trong axit nucleic. Đường hexose, ví dụ: glucose là nguồn nhiện liệu cho quá trình đường phân và hô hấp hiếu khí - là quá trình chuyển hoá năng lượng của tế bào. Các đường đơn là cấu thành tạo nên các đường đôi (disaccharide) và đặc biệt khi trùng hợp tạo nên các đường phức tạp như glycogen (chất dự trữ glucose trong gan), như tinh bột (glucid dự trữ ở thực vật), như cellulose (chất tạo nên lớp vỏ cứng của tế bào thực vật). Disaccharide Disaccharide là đường đôi được tạo thành do sự trùng hợp hai monosaccharide (cùng loại hoặc khác loại) với sự mất đi phân tử H2O. Đường đôi có vị ngọt và tan trong nước và là dạng đường vận chuyển trong cơ thể và được cơ thể dùng làm chất dự trữ cacbon và năng lượng. Đối với cơ thể người đường đôi quan trọng hơn cả là lactoz có trong sữa, được tạo thành do sự liên kết glucose với galactose. Đối với thực vật các đường đôi quan trọng là: saccharose (đường mía và củ cải đường) trong thành phần có glucose và fructose, còn đường maltose (có trong kẹo mạch nha) gồm hai phân tử glucose tạo nên. Trong gan khi glycogen bị thuỷ phân cũng tạo nên đường maltose. Polysaccharide Các polysaccharide được tạo thành do sự trùng hợp các đường đơn. Chúng không tan trong nước và thường được cơ thể sử dụng làm chất dự trữ năng lượng hoặc nâng đở. Ví dụ, hàng nghìn phân tử glucose kết hợp với nhau tạo thành glycogen là dạng glucid dự trữ năng lượng có nhiều trong gan và cơ. Khi trong máu có quá nhiều glucose (do thức ăn cung cấp), glucose sẽ vào gan, ở đây chúng trùng hợp thành glycogen và khi trong máu có quá ít glucose (khi đói) glycogen sẽ phân giải thành glucose đi vào máu. Đối với thực vật, các polysaccharide quan trọng là tinh bột - dạng dự trữ glucose của thực vật; và cellulose là chất tạo nên các phần cứng của cây. Khi ta ăn các thức ăn thực vật thì tinh bột là nguồn cung cấp glucose, còn cellulose không tiêu 16
hoá được (vì chúng ta không có hệnenzym để phân giải cellulose thành glucose) sẽ đi vào ống tiêu hoá ở dạng sợi tuy không cung cấp năng lượng nhưng được xem như một nhân tố ngăn cản sự phát triển của ung thư ruột già. Ngoài các polysaccharide kể trên còn có loại polysaccharide phức tạp hơn là các phức chất giữa polysaccharide với các cấu thành khác. Các chất heparin (chất chống đông máu), sunphat chondroitin (tạo nên chất cơ bản của mô liên kết), axit hialuronic (tạo nên màng tế bào trứng) đều là các polysaccharide phức tạp đóng vai trò của chất ximăng gắn kết hoặc bảo vệ. Polysaccharide có thể liên kết với lipid tạo thành glycolipid hoặc với protein tạo thành glicoproteit - là những cấu thành quan trọng của màng sinh chất. d. Lipid Lipid là những phân tử được cấu thành từ C, H và O, trong đó C và H liên kết với nhau nhờ liên kết đồng hoá trị (C - C, C - H), đó là những liên kết không phân cực, vì vậy lipid thường không hoà tan trong nước, mà hoà tan trong các dung môi hữu cơ như benzen, este và cloroforc. Trong cơ thể, lipid có vai trò rất đa dạng: Một số lipid đóng vai trò là chất dự trữ năng lượng như mở. Số năng lượng tích trong lipid (tính theo gram) gấp đôi so với glucid. Một số lipid khác như photpholipid là cấu thành bắt buộc của màng tế bào. Một số lipid đóng vai trò là tín hiệu điều chỉnh các quá trình sống (như các hormon steroit, prostaglandin, một số vitamin). Người ta chia các lipid ra các nhóm cơ bản sau đây: Axit béo, mỡ trung tính, dầu Axit béo là phân tử gồm mạch dài tạo nên do liên kết C với H và ở cuối mạch là nhómcacboxyl (axit). Người ta phân biệt ra axit béo no và axit béo không no. Thuộc axit béo no là phân tử mà trong mạch không chứa liên kết đôi và liên kết ba (giữa các nguyên tử C) (-CH2-CH2-), còn axit béo không no là phân tử mà trong mạch có liên kết đôi (-CH=CH-) và liên kết ba (-CH/CH-). Bơ và mở bò chứa nhiều axit béo no, còn dầu thực vật thường là các axit béo chưa no. Vì thức ăn giàu axit béo no (bơ, mở động vật) gây bệnh huyết áp cao, bệnh mạch vành tim nên để tránh bệnh đó ta nên ăn dầu thực vật. Trong cơ thể các axit béo không ở trạng thái tự do mà thường liên kết với glycerol để tạo thành triglyceride hay là mỡ trung tính. Trong cơ thể người chúng chiếm đến 95% lipid tổng số và thường được tập trung trong các mô mở và là nguồn dự trữ năng lượng chủ yếu. Một số mỡ trung tính ở trạng thái lỏng (dầu thực vật) một số ở trạng thái rắn (như sáp ong). Khi cơ thể cần giải phóng năng lượng tích trong mở thì triglyceride sẽ bị phân giải thành axit béo và glicerol. Các axit béo sẽ bị phân giải nhờ các phản ứng sinh hoá và năng lượng được giải phóng sẽ được tích vào ATP. Photpholipid Photpholipid là nhóm lipid mà trong thành phần có đến 2 phân tử axit béo liên kết với một phân tử glicerol; ngoài ra còn có nhóm photphat liên kết với glicerol. Photpholipid là phân tử lưỡng tính: đuôi axit béo không phân cực là kỵ nước, còn đầu photphat phân cực là ưa nước. Photpholipid là cấu thành bắt buộc và quan trọng của tất cả các loại màng tế bào. 17
Steroit và Cholesterol Steroid và Cholesterol là những lipid không chứa các axit béo và trong phân tử có cấu trúc vòng. Cholesterol là cấu thành quan trọng của màng tế bào và khi trong máu chứa lượng dư thừa cholesterol là nguyên nhân dẫn đến các bệnh tim mạch. Thuộc steroid là các hormon sinh dục như testosteron và estrogen, chúng đóng vai trò điều hoà sự phát triển, tập tính và sinh sản của cơ thể động vật và người. Một số vitamin là lipid Các vitamin A, D, E và K là lipid có vai trò quan trọng trong sự điều hoà các chức năng của cơ thể. e. Protein Cấu trúc của protein Protein là những chất trùng hợp sinh học thuộc loại các đại phân tử (macromolecule) có khối lượng phân tử rất lớn đạt tới hàng nghìn và hàng chục nghìn dalton. Chúng chiếm khối lượng 80% trọng lượng khô của tế bào. Chúng có cấu tạo rất phức tạp và có vai trò quyết định trong cơ thể sống. Protein là vật liệu xây dựng nên tế bào và mô. Protein là cơ sở phân tử của tất cả hoạt động sống. Các chất xúc tác sinh học - các enzym - đều là protein. Protein đóng vai trò chất chuyên chở (như hemoglobin trong máu), chất bảo vệ và nâng đở (như keratin trong da và collagen trong mô liên kết). Protein đóng vai trò bảo vệ, chống kẻ thù (như kháng thể, interferon). Nhiều hormon quan trọng đều là protein (như insulin v.v...). Protein - thể hiện tính đặc thù và tính đa dạng của cơ thể và của mô. Protein có bốn cấp cấu trúc: Cấu trúc cấp 1 - Axit amin Các đơn hợp cấu tạo nên protein là các axit amin, có đến 20 loại axit amin khác nhau tạo nên tất cả các loại protein trong cơ thể sinh vật (trong cơ thể người có trên 100.000 loại protein khác nhau). Axit amin là phân tử gồm có nguyên tử C trung tâm liên kết với bốn nhóm phân tử khác nhau trong đó có ba nhóm giống nhau cho tất cả các axit amin (nhóm - NH2 gọi là nhóm amin; nhóm –COOH gọi là nhóm cacboxyl; và -H), còn nhóm thứ 4 (gốc -R) là nhóm khác nhau ở các axit amin khác nhau. Công thức chung của axit amin là: 18
Gốc R qui định tính chất hoá học khác biệt giữa các axit amin, (có thể là axit, base, phân cực hoặc không phân cực) đồng thời chúng cũng qui định nên đặc tính cấu tạo và chức năng của phân tử protein khi chúng tham gia vào thành phần của protein đó. Ví dụ, trong enzym những gốc R đặc thù qui định nên tính liên kết của enzym với phân tử mà chúng xúc tác phản ứng. Các axit amin liên kết với nhau theo tuyến tính tạo nên chuỗi dài nhờ các liên kết peptit là liên kết giữa nhóm amin của 1 axit amin này với nhóm cacboxyl của axit amin bên cạnh. Nếu 2 axit amin liên kết với nhau - tạo nên chất dipeptit, nếu là 3 axit amin - tripeptide, nếu số axit amin không nhiều - được gọi là oligopeptit, còn số axit amin trong chuỗi rất nhiều –được gọi là polypeptide. Số lượng và trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi polypeptide - thể hiện cấu trúc cấp 1 của protein. Cấu trúc cấp 1 của protein qui định nên tính đặc thù của phân tử protein, đồng thời qui định nên cấu trúc không gian của protein. Nếu trong chuỗi polypeptide có sự mất hoặc thừa hoặc thay đổi trình tự (dù chỉ một axit amin) sẽ dẫn tới thay đổi tính đặc thù và chức năng của protein. Ví dụ: bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm là do sự thay thế valin (cho axit glutamic) trong chuỗi β của hemoglobin dẫn tới làm thay đổi tính năng của hemoglobin trong việc chuyên chở oxy. 19
Cấu trúc cấp 2 Các chuỗi polipetit không phải là một mạch thẳng mà chúng có thể ở dạng xoắn α hoặc gấp khúc β, đó là cấu trúc cấp 2 của protein. Các liên kết hydro đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì các cấu trúc cấp 2. Cấu trúc cấp 3 và cấp 4 Chuỗi polypeptide ở dạng xoắn hoặc gấp khúc có thể cuộn lại theo nhiều cách tạo nên thù hình không gian - được gọi là cấu trúc cấp 3 (cấu trúc 3D) của protein. Cấu trúc 3D của protein qui định nên hoạt tính chức năng của protein. Khi có tác động của nhiệt hoặc hoá chất dẫn tới làm thay đổi thù hình 3D của protein (được gọi là sự biến tính của protein), sẽ dẫn tới việc huỷ hoại chức năng của chúng và từ đó dẫn tới trạng thái sinh lý bệnh. Khi protein được cấu tạo gồm nhiều chuỗi polypeptide thì protein đó có cấu trúc cấp 4. Ví dụ: hemoglobin có 2 chuỗi α và 2 chuỗi β. Enzym - chất xúc tác sinh học Enzym - là những protein đóng vai trò là chất xúc tác - tăng cường tốc độ các phản ứng hoá học bằng cách tương tác trực tiếp với các chất tham gia phản ứng, trong đó chúng không hề bị biến đổi thành phần, vì vậy enzym được sử dụng nhiều lần. Enzym xúc tác các phản ứng bằng cách đầu tiên liên kết với cơ chất (chất tham gia phản ứng) ở vùng trung tâm hoạt tính, tiếp theo các liên kết giữa các chất tham 20