Phân tử sinh học là những phân tử hữu cơ được tổng hợp và tồn tại trong các tế bào sống. Các phân tử sinh học chính bao gồm protein, lipid, carbohydrate, nucleic acid. Trong đó, protein, carbohydrate và nucleic acid là những đại phản tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân gồm nhiều đơn phân hợp thành. Vì vậy, những loại phân tử sinh học này có kích thước rất lớn và được gọi là các polymer.

Các phân tử sinh học chính bao gồm carbohydrate, pr Các phân tử sinh học chính gồm lipid, protein và các nucleic acid.

a. Carbohydrat – chất đường bột

Carbohydrate được cấu tạo từ ba loại nguyên tố C, H và O với tỉ lệ 1 : 2 : 1 và công thức cấu tạo chung là C,(H,O). Carbohydrate được chia thành ba nhóm: đường đơn (monosaccharide), đường đôi (disaccharide) và đường đa (polysaccharide).

* Đường đơn

Đường đơn có 6 nguyên tử carbon, gồm ba loại chính là glucose, fructose và galactose (H5.1).

Hình 5.1. Đường glucose, galactose và fructose tồn tại trong môi trường nước thường có cấu trúc dạng vòng và tồn tại ở các dạng không gian khác nhau làm cho chúng có các đặc tính vật lí, hóa học khác nhau

* Đường đôi

Đường đôi được hình thành do hai phân tử đường đơn liên kết với nhau (sau khi loại đi một phân tử nước) bằng một liên kết cộng hóa trị (được gọi là liên kết glycosidic).

* Đường đa

Đường đa là loại polymer được cấu tạo từ hàng trăm tới hàng nghìn phân tử đường đơn (phần lớn là glucose). Đường đa hay còn gọi là đường phức, bao gồm các loại: tinh bột, glycogen, cellulose, chitin. 

Hình 5.3. Cấu trúc của cellulose, glycogen và tinh bột

Carbohydrate được cấu tạo từ các nguyên tử C, H và O theo tỉ lệ 1: 2:1 và công thức tổng quát là Cn(H2O)m bao gồm các loại đường đơn, đường đôi và đường đa với chức năng chính là dự trữ năng lượng và cấu trúc nên các phân tử sinh học khác nhau.

 

b. Lipid và chất béo

– Lipid là một nhóm chất rất đa dạng về cấu trúc nhưng có đặc tính chung là kị nước. Các loại mỡ động vật, hormone sinh dục (như testosterone, estrogen), dầu thực vật, phospholipid, một số sắc tố, sáp và một số loại vitamin đều là lipid. Lipid không hoặc rất ít tan trong nước vì chúng chứa một lượng lớn các liên kết C-H không phân cực, tạo nên các sợi dài và chứa ít nguyên tử oxygen.

– Nguồn chất béo cung cấp cho con người rất đa dạng, có thể từ mô mỡ của các loài động vật, dầu thực vật lấy từ nhiều loại hạt, quả khác nhau như lạc, vừng….

* Mỡ và dầu

Loại lipid thường gặp là dầu và mỡ, được cấu tạo gồm một phân tử glycerol liên kết với ba phân tử acid béo (H5.4).

Hình 5.4. Cấu trúc của add béo và mỡ: (a) Acid béo bão hoà (acid béo no) (b) Acid béo không bão hoà (acid béo không nó) (c) Glycerol liên kết với các acid béo bão hoà tạo nên mở hay bơ

* Phospholipid

Phospholipid là một loại chất béo phức tạp, được cấu tạo từ một phân tử glycerol liên kết với hai acid béo ở một đầu, đầu còn lại liên kết với nhóm phosphate(-PO, ). Nhóm phosphate thường liên kết với một nhóm, được gọi là choline, tạo thành phosphatidylcholine.

Hình 5.5. Cấu trúc của phospholipid (a); phospholipid cấu trúc nên màng tế bào (b)

* Steroid

Steroid là một loại lipid đặc biệt, không chứa phân tử acid béo, các nguyên tử carbon của chúng liên kết với nhau tạo nên 4 vòng (H5.6).

Hình 5.6. Cấu trúc cholesterol (a); testosterone (b); và estrogen (c)

* Carotenoid

Carotenoid là nhóm sắc tố màu vàng cam ở thực vật có bản chất là một loại lipid.

Lipid là những phân tử kị nước có cấu trúc và chức năng rất đa dạng. Các loại lipid chủ yếu là triglycerid, phospholipid, steroid, carotenoid và một số loại vitamin như A, E, D, K. Chức năng chủ yếu của lipid là dự trữ năng lượng dài hạn và cấu trúc nên màng tế bào và các bộ phận khác của tế bào.

 

c. Prootein – chất đạm

* Chức năng của protein

– Trong cơ thể, protein có rất nhiều chức năng, có thể nói protein tham gia vào hầu hết tất cả các hoạt động sống của tế bào.

– Một số chức năng của protein: Cấu trúc, xúc tác, bảo vệ, vận động, tiếp nhận thông tin, điều hòa…

* Cấu trúc của protein

– Protein được cấu tạo từ các đơn phân là amino acid. Các amino acid đều được cấu tạo từ một nguyên tử carbon trung tâm liên kết với một nhóm amino (–NH,), một nhóm carboxyl (–COOH), một nguyên tử H và một chuỗi bên còn gọi là nhóm R (H5.7).

Hình 5.7. Cấu trúc chung của amino acid

– Chức năng của protein còn phụ thuộc vào các bậc cấu trúc của nó.

Hình 5.8. Các bậc cấu trúc của protein

– Protein có 4 bậc cầu trúc (H 5.8):

+ Cấu trúc bậc 1: Trình tự các amino acid trong một chuỗi polypeptid.

+ Cấu trúc bậc 2: Chuỗi polypeptid cuộn xoắn lại hoặc gấp nếp.

+ Cấu trúc bậc 3: Chuỗi polypeptid cuộn xoắn lại hoặc gấp nếp tạo nên cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng do có sự tương tác đặc thù giữa các nhóm chức R của các amino acid trong chuỗi polypeptid.

+ Hai hay nhiều chuỗi polypeptid liên kết với nhau tạo nên cấu trúc bậc 4.

Cấu trúc không gian của protein (bậc 3 và bậc 4) được duy trì nhờ các liên kết yếu như liên kết hydrogen, tương tác kị nước, tương tác Van der Waals và liên kết cộng ng như liên kết ion (59) hóa trị S–S (disulphide) cũng như liên kết ion (H 5.9).

Hình 5.9. Các liên kết hoá học duy trì cấu trúc không gian của protein

– Protein được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân gồm nhiều đơn phân là amino acid. – Tính đa dạng và đặc thù của protein được quy định bởi số lượng, thành phần, trình tự sắp xếp các amino acid và các bậc cấu trúc của nó. Cấu hình không gian ba chiều của protein quy định chức năng của chúng. – Protein có rất nhiều chức năng như cấu trúc, vận chuyển, xúc tác, miễn dịch, truyền tin

 

d. Nucleic acid

Nucleic acid hay còn gọi là acid nhân vì ban đầu được phát hiện chủ yếu ở trong nhân tế bào. Có hai loại acid nhân là DNA và RNA.

* Deoxyribonucleic acid – DNA

– Chức năng DNA có chức năng mang, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền

Chức năng truyền đạt thông tin di truyền

* Cấu trúc DNA

DNA được cấu tạo từ hai chuỗi polynucleotide song song, ngược chiều nhau (H 5.10a). Mỗi chuỗi polynucleotide được cấu tạo từ bốn loại đơn phân là các nudeotide, liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester. Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần: gốc phosphate (-PO,”), đường deoxyribose (5 – carbon) và một nitrogenous base (base) (H5.10b). Có bốn loại base là adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và thymine (T).

Hình 5.10. Cấu trúc xuân kép của DNA (a) và một chuỗi polynucleotide cùng các base của DNA (b)

– DNA được cấu tạo bởi hai chuỗi polynucleotide liên kết với nhau bằng các liên kết hydrogen (A=T, G=C). – Mỗi nucleotide được cấu tạo từ ba thành phần: base (gồm 4 loại A, T, G, C), đường deoxyribose và gốc phosphat. – Chức năng của DNA là mang, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền.

 

* Ribonucleic acid – RNA

– Cấu trúc Khác với DNA, các loại RNA được cấu tạo từ một chuỗi polynucleotide. Mỗi nucleotide trong RNA được cấu tạo từ một nitrogenous base liên kết với đường ribose (5 – carbon) và gốc phosphate (-PO,). 

Hình 5.11. Sơ đồ cấu trúc dạng mạch thắng của RNA (a) và các dạng cấu trúc của phân tử tRNA (b)

– Chức năng: Mỗi loại RNA thực hiện một chức năng riêng phù hợp với cấu trúc của nó.

+ RNA thông tin (mRNA) được dùng làm khuôn để tổng hợp protein ở ribosome.

+ RNA vận chuyển (tRNA) làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid đến ribosome và tiến hành dịch mã.

+ RNA ribosome (rRNA) tham gia cấu tạo nên ribosome, nơi tiến hành tổng hợp protein.

+ Các loại RNA nhỏ khác tham gia vào quá trình điều hoà hoạt động của gene. Một số loại RNA còn có chức năng xúc tác cho các phản ứng hoá học như các enzyme

– RNA có cấu trúc chủ yếu từ một chuỗi polynucleotide. Mỗi nucleotide được cấu tạo từ base, đường ribose và nhóm phosphat. Có bốn loại base là A, U, G và C. – Chức năng của RNA rất đa dạng: làm khuôn để tổng hợp protein, vận chuyển amino acid, cấu tạo nên ribosome, điều hòa hoạt động gene, xúc tác cho một số loại phản ứng hóa học.