Giáo trình Hóa sinh - TS. Bùi Xuân Đông

GIÁO TRÌNH HÓA SINH<br /> LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Hóa sinh đƣợc biên soạn dựa trên tài liệu đƣợc tích lũy sau nhiều năm giảng dậy của các giảng viên Khoa Hóa – trƣờng Đại học bách khoa Đà Nẵng. Khi viết Giáo trình Hóa sinh tác giả đặt ra mục tiêu giúp cho sinh viên ngành Công nghệ sinh học tiếp cận các thuật ngữ và hiểu đƣợc các kiến thức hóa sinh. Từ đó, vận dụng kiến thức để tìm hiểu sâu xa các quá trình sống của sinh vật một cách có hệ thống từ cấp độ phân tử. Giáo trình Hóa sinh đƣợc biên soạn theo đề cƣơng chi tiết học phần Hóa Sinh trong Chƣơng trình đào tạo kĩ sƣ ngành ―Công nghệ sinh học‖ – Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng gồm 15 chƣơng với các nội dung chính là: - Phần I - ―Hóa sinh cấu trúc sinh chất‖ gồm 8 chƣơng nghiên cứu cấu trúc, tính chất và các chức năng của các sinh chất: cụ thể là mô tả cấu tạo và các chức năng của protein, gluxit, lipit, vitamin và axit nucleic. - Phần II ―Trao đổi chất và trao đổi năng lƣợng trong tế bào‖ có 7 chƣơng bao gồm các vấn đề về năng lƣợng sinh học và xúc tác sinh học, quá trình đồng hóa và dị hóa sinh chất, trao đổi năng lƣợng tích lũy. Xem xét chi tiết quá trình trao đổi protein, gluxit, lipit, vitamin, axit nucleic và mối liên quan giữa các quá trình trao đổi chất. Trong quá trình dị hóa của protein và các axit nucleic đặc biệt chú trọng đến các vấn đề liên quan tới sinh học phân tử - đó là quá trình vận chuyển thông tin di truyền. Đóng vai trò then chốt trong quá trình trao đổi chất của tế bào là các chất xúc tác sinh học – gọi là enzyme; trong mối quan hệ đó tác giả nhấn mạnh tới các khái niệm có tính nguyên lý nhƣ cấu trúc, động lực học, cơ chế xúc tác, ảnh hƣởng của các yếu tố vật lý và hóa học lên hoạt tính xúc tác và độ bền của enzyme. Khi làm sáng tỏ các câu hỏi đặt ra về năng lƣợng sinh học tác giả đặc biệt chú ý tới những vấn đề nhƣ các chức năng của màng sinh học, tích lũy dinh dƣỡng nhƣ thế nào để tổng hợp ATP (Adenosine triphosphat). Cũng trong mối liên quan này tác giả xem xét chức năng của enzyme xuyên màng tế bào nhƣ Na+,K+-ATPase, và các<br /> <br /> 1 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐÔNG<br /> <br /> GIÁO TRÌNH HÓA SINH<br /> protein xuyên màng có vai trò trong vận chuyển các chất từ dịch gian bào và trong dịch tế bào và các chất cặn bã theo chiều ngƣợc lại. - Phần III – ―Phần thực hành‖ nhằm tập dƣợt cho sinh viên các phân tích hóa sinh thông thƣờng nhƣ định lƣợng protein, định lƣợng các axit amin, định lƣợng gluxit, định lƣợng lipit, định lƣợng vitamin. Về xúc tác sinh học và trao đổi chất sinh viên sẽ làm quen với các thí nghiệm xác định hoạt độ enzyme và xác định sản phẩm trao đổi chất của gluxit, protein và lipit. Cuối mỗi chƣơng tác giả chú trọng đƣa ra các câu hỏi trọng tâm căn bản nhằm gợi ý và định hƣớng nghiên cứu cho sinh viên. Tác giả trân trọng cám ơn ông Giám đốc Nhà xuất bản giáo dục tại TP. Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ xuất bản cuốn sách này. Khi thu thập tài liệu để biên soạn sách Giáo trình ―Hóa sinh‖ tác giả sử dụng các công trình lao động của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc trong lĩnh vực hóa sinh, nhƣ Lê Ngọc Tú, Hoàng Quang, Đỗ Đình Hồ, Nguyễn Xuân Thắng, Phạm Thị Chân Châu, Trần Thị Áng, Nguyễn Hữu Chấn, Mai Xuân Lƣơng, Trần Thị Xô, Đặng Minh Nhật, E.S. Severina, N.A. Jerebtsov, J. Koolman, K.H. Roehm, I.G. Serbac, Robert K. Munray,... Tác giả sẽ rất biết ơn quý độc giả và đồng nghiệp vì những nhận xét chân thành và những ý kiến đóng góp có tính phản biện dựa trên các thành tựu nghiên cứu nhằm phát triển môn hóa sinh trong nƣớc và quốc tế để hoàn thiện cuốn sách trong lần xuất bản sau. TÁC GIẢ<br /> <br /> 2 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐÔNG<br /> <br /> GIÁO TRÌNH HÓA SINH<br /> MỞ ĐẦU Hóa sinh (từ tiếng Hy lạp bios – ―sống‖) – là khoa học nghiên cứu về thành phần hóa học, cấu tạo, tính chất lý hóa, chức năng sinh học của các chất trong cơ thể sinh vật và các quá trình chuyển hóa trong quá trình sống của chúng. Sự cần thiết của việc nghiên cứu thành phần hóa học, cấu trúc sinh chất của tế bào, cũng nhƣ những biến đổi hóa học trong cơ thể sinh vật đã đƣợc đặt ra từ rất lâu trong lịch sử phát triển khoa học và văn minh con ngƣời. Sự cần thiết đó nhằm đạt đƣợc các mục tiêu trong thực tế sản xuất nhƣ trong phát triển nông nghiệp, chế biến các sản phẩm nông sản ở quy mô công nghiệp, y học, và giải thích chiều hƣớng phát triển của tự nhiên. Ngày nay, vấn đề quan trọng đặt ra trong nghiên cứu hóa sinh cho các nhà khoa học là giải thích cơ chế sử dụng các phân tử sinh chất của tế bào chết để tổng hợp nên tế bào sống, mối quan hệ qua lại và sự duy trì trạng thái sống của những tế bào này. Từ định nghĩa hóa sinh rõ ràng rằng, nếu đứng trên quan điểm các phƣơng pháp nghiên cứu chúng ta có thể chia hóa sinh ra làm hai phần: tĩnh hóa sinh và động hóa sinh. Tĩnh hóa sinh nghiên cứu thành phần hóa học tế bào của cơ thể sống và nó gần với hóa hữu cơ. Động hóa sinh xem xét các quy luật chuyển hóa của sinh chất và sự chuyển hóa năng lƣợng trong các tế bào. Xét theo đặc điểm của đối tƣợng nghiên cứu, động hóa sinh gần với bộ môn sinh lý học tế bào. Nhƣng hai phần của hóa sinh có mối quan hệ mật thiết với nhau thể hiện ở chỗ: việc nghiên cứu cơ chế và các con đƣờng chuyển hóa sinh chất không thể thực hiện đƣợc nếu không có kiến thức chuyên sâu về tính chất, và những đặc điểm đặc trƣng của sinh chất. Xuất hiện giữa danh giới của bộ môn hóa hữu cơ và sinh lý học, nhƣng hóa sinh không thể trở thành bộ môn liên hợp của những bộ môn này. Mặc dù hóa sinh có rất nhiều cái chung so với hóa hữu cơ (đặc biệt nhƣ các phƣơng pháp ứng dụng để nghiên cứu các hợp chất tự nhiên), nhƣng các nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra trƣớc hóa sinh và hóa hữu cơ rất khác nhau. Nhiệm vụ của hóa hữu cơ là nghiên cứu cấu trúc, các tính chất của các hợp chất hóa học (công thức cấu tạo, 3 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐÔNG<br /> <br /> GIÁO TRÌNH HÓA SINH<br /> trật tự các liên kết và nguyên lý của sự tạo thành liên kết, đồng phân, cấu hình), các thông tin này thu đƣợc nhờ các phƣơng pháp đặc hiệu (các phân tích cấu tạo và hóa lập thể, các phƣơng pháp obital phân tử, tổng hợp, và mô hình hóa học). Nhiệm vụ của môn sinh lí học là nghiên cứu bản chất sinh lí học của các hiện tƣợng sinh học. Nhiệm vụ chính của môn hóa sinh là giải thích mối quan hệ mật thiết giữa cấu tạo sinh chất và các chức năng của chúng, sự trao đổi chất và trao đổi năng lƣợng trong tế bào sống, điều khiển và phối hợp các quá trình trao đổi chất và cơ chế vận chuyển thông tin di truyền ở cấp độ phân tử. Tĩnh hóa sinh có nhiệm vụ là sáng tỏ các đặc tính của sinh chất – sự phức tạp của chúng, các tổ chức phân tử, sự chuyển tiếp từ mức độ đơn giản đến phức tạp các hợp phần của tế bào. Tổ chức cấu trúc của tế bào sống có thể trình bày bằng sơ đồ sau (m - là khối lƣợng phân tử, Da – dalton hay đơn vị cacbon):<br /> Các chất vô cơ (m= 18-44) (H2O, N2, CO2, O2, P, S) ↓ Monomer (m=50-250) (các nucleotit, axit amin, monoxacarit, axit béo, glycerin) ↓ Các địa phân tử (m= 103- 107) (các axit nucleic, protein, gluxit, lipit) ↓ Các đại phân tử phức tạp (m=103-109) (Các nucleprotein, glycoprotein, lipoprotein) ↓ Các phức hợp trên phân tử (m=106-1010) (các ribosom, nội bào, màng sinh học, các hệ rút gọn) ↓ Các bào quan (m=1011-1013) (nhân, các ti thể, lisosome) ↓ Tế bào (m=1012-1015)<br /> <br /> Ở cấp độ đầu tiên tổ chức cấu tạo của tế bào đƣợc tạo nên từ các tiền chất có khối lƣợng phân tử nhỏ nhƣ: H2O, N2, CO2, O2, P, S. Từ những chất này tạo thành các phân tử sinh học (các monomer), các phân tử này tiếp tục cấu trúc nên các thành phần của tế bào sống với vai trò là các đơn vị cấu tạo hay đơn vị xây dựng. 4 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐÔNG<br /> <br /> GIÁO TRÌNH HÓA SINH<br /> Các monomer liên kết với nhau tạo thành các đại phân tử hay các polymer sinh học, có khối lƣợng phân tử lớn. Phần lớn các đại phân tử của tế bào tƣơng ứng với bốn nhóm hợp chất cơ bản: các axit nucleic, protein, polysaccharide, lipit. Phân tử của các polymer sinh học này có dạng mạch, các đơn vị cấu tạo trong các mạch này nối với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị bền vững. Đơn vị cấu tạo của các axit nucleic là các nucleotid, trong thành phần của các nucleotid có năm loại kiềm gọi là base nitơ: adenin, guanin, urasin, timin và cystin; đơn vị cấu trúc của protein là 20 axit amin, của các polysaccharide là chuỗi các monosaccharide khác nhau. Mặc dù số lƣợng các đơn vị cấu trúc không lớn nhƣng nhờ vào trật tự sắp xếp, tỷ lệ và sự phối trí giữa các đơn vị cấu tạo nên mỗi loại đại phân tử đƣợc tạo nên từ số lƣợng lớn các hợp chất có tính chất khác nhau.Ví nhƣ, từ 20 axit amin có thể tạo nên khoảng 1012 axit amin khác nhau, hay từ 5 nucleotit – tạo nên 1016 dạng axit nucleic khác nhau. Đứng trên quan điểm nhằm phát triển các khái niệm về sự chuyển dịch vật chất từ tế bào chết vào tế bào sống (sự đổi mới tế bào) cần nhận xét rằng, các đại phân tử của các axit nucleic và protein có vai trò mang thông tin, bởi vì trật tự mặc định của chúng trong các đơn vị cấu tạo thể hiện tính đặc trƣng của bộ gen ứng với từng loài sinh vật. Ngƣợc lại, các hợp chất gluxit không mang thông tin bởi vì chúng đƣợc tạo nên từ một loại polymer lặp đi lặp lại. Một điều rõ ràng, các đại phân tử mang thông tin luôn có khả năng thể hiện tính đặc hiệu đặc trƣng thể hiện bằng các vai trò sinh học (ví dụ, khả năng xúc tác, khả năng sao chép). Các đại phân tử có khả năng liên kết với nhau tạo thành các đại phân tử phức tạp hơn (ví dụ, các nucleoprotein, lipoprotein, glycoprotein, glycolipit,...). Sự tƣơng tác giữa các đại phân tử quy định các mức dƣới cấu trúc của phân tử hay các phức chất (ví dụ, các loại màng, ribosome, các enzyme phức tạp, metabolone). Giai đoạn tổ chức tiếp theo – là các bào quan (ty thể, nhân, lục lạp, lysosome) thực hiện các chức năng chuyên biệt khác nhau trong từng tế bào xác định (ví dụ,<br /> <br /> 5 NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC – TS. BÙI XUÂN ĐÔNG<br /> <br />