Biology · AP Biology
Hóa học của sự sống
những phân tử giúp nó vận hành
Một sinh vật sống được cấu tạo từ vài loại nguyên tử, sắp xếp thành vài loại phân tử lớn, tất cả đều nằm trong nước.
Hình này là nước lỏng. Mỗi phân tử gồm một oxygen (màu đỏ) và hai hydrogen (màu trắng). Các đường nối màu xanh dương là liên kết hydrogen: lực hút yếu giữa hydrogen của phân tử này và oxygen của phân tử kế bên. Chúng liên tục hình thành và đứt gãy khi các phân tử chuyển động.
Những liên kết này giải thích vì sao nước dính vào nhau và dính vào các bề mặt, và vì sao nước khó thay đổi nhiệt độ.
Chương này bắt đầu với nước, rồi đến các nguyên tố của sự sống, sau đó là các phản ứng nối những phân tử nhỏ thành phân tử lớn. Chương kết thúc với bốn nhóm đại phân tử sinh học: carbohydrate, lipid, nucleic acid và protein. Ở mỗi nhóm, thứ tự và hình dạng của các thành phần quyết định chức năng của phân tử.
và liên kết hydrogen giữ chúng lại với nhau
Oxygen kéo các electron dùng chung mạnh hơn hydrogen. Sự chia sẻ không đều đó làm nước phân cực, và tính phân cực tạo ra liên kết hydrogen.
Mỗi liên kết O–H trong nước là một liên kết cộng hóa trị: các nguyên tử dùng chung một cặp electron. Oxygen có độ âm điện lớn hơn (3.44 theo thang Pauling, so với 2.2 của hydrogen), nên các electron dùng chung ở gần oxygen hơn. Liên kết này là liên kết cộng hóa trị phân cực.
Kết quả là điện tích âm riêng phần (δ−) trên oxygen và điện tích dương riêng phần (δ+) trên mỗi hydrogen. Phân tử có dạng gấp khúc, góc 104.5°, nên các điện tích không triệt tiêu: nước là phân tử phân cực.
Liên kết hydrogen là lực hút giữa một hydrogen mang δ+ và một nguyên tử mang δ− (oxygen hoặc nitrogen) của phân tử khác, hoặc của một phần khác trong cùng một phân tử lớn. Nó yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị. Mỗi phân tử nước có thể tạo liên kết hydrogen với tối đa bốn phân tử lân cận; trong chất lỏng, các liên kết chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của nanosecond rồi lại hình thành.
| H2O | NH3 | H2S | CH4 |
|---|
| khối lượng mol (g/mol) | 18.02 | 17.03 | 34.08 | 16.04 |
|---|
| nhiệt độ sôi (°C) | 100.0 | −33.3 | −60.3 | −161.5 |
|---|
Các phân tử có kích thước tương đương nhưng nhiệt độ sôi rất khác nhau. Nước sôi ở nhiệt độ cao hơn methane 261.5 °C vì khi sôi phải phá vỡ các liên kết hydrogen của nó. Liên kết hydrogen cũng giữ hai mạch của DNA với nhau và giúp protein cuộn gấp.
nước kéo nước và kéo cả các bề mặt
Các liên kết hydrogen giữa những phân tử nước lân cận tạo cho nước lực cố kết, lực bám dính và sức căng bề mặt.
Lực cố kết là nước dính vào nước: liên kết hydrogen giữ các phân tử lại với nhau. Lực bám dính là nước dính vào một bề mặt phân cực hoặc mang điện khác, như thủy tinh hay thành tế bào thực vật. Sức căng bề mặt là lực cố kết tại bề mặt: lớp phân tử trên cùng bị kéo vào trong và sang hai bên, nên bề mặt hoạt động như một màng căng. Nhờ vậy nhện nước đứng được trên mặt nước.
Trong hình, ba ống thủy tinh đặt trong nước. Lực bám dính kéo nước lên theo thành thủy tinh, làm bề mặt cong lại (mặt khum); lực cố kết kéo phần nước còn lại đi lên theo. Ống càng hẹp thì mỗi gram nước có càng nhiều thành ống, và nước dâng càng cao:
| bán kính ống (mm) | 1 | 0.5 | 0.25 |
|---|
| độ cao nước dâng (mm) | 14.9 | 29.7 | 59.5 |
|---|
Giảm bán kính một nửa thì độ cao tăng gấp đôi. Hiện tượng nước dâng này gọi là hiện tượng mao dẫn.
Trong cây. Nước bốc hơi từ lá, và cột nước trong mạch gỗ bị kéo lên theo. Cột nước được giữ liền nhau nhờ lực cố kết và bám vào thành mạch gỗ nhờ lực bám dính, nên cây có thể đưa nước lên cao hàng chục mét mà không cần bơm.
nhiệt dung riêng cao, nhiệt hóa hơi cao
Nhiệt phải phá vỡ các liên kết hydrogen trước khi làm các phân tử nước chuyển động nhanh hơn. Vì vậy nước nóng lên chậm và chỉ bay hơi khi mang đi rất nhiều nhiệt.
Nhiệt dung riêng là năng lượng cần để làm 1 g một chất nóng thêm 1 °C. Nhiệt dung riêng của nước là 4.18 J/(g·°C), cao đối với một chất lỏng. Trong hình, các bộ đun 50 W giống nhau hoạt động trong 120 s dưới 100 g nước và 100 g ethanol, mỗi chất ban đầu ở 20 °C:
| nhiệt dung riêng (J/(g·°C)) | sau 120 s (°C) |
|---|
| nước | 4.18 | 34.4 |
| ethanol | 2.44 | 44.6 |
Ví dụ có lời giải. Mỗi chất lỏng nhận được 50 W × 120 s = 6000 J. Với nước, ΔT = q/(mc) = 6000/(100 × 4.18) = 14.4 °C. Cùng nhiệt lượng đó làm ethanol nóng thêm 24.6 °C.
Nhiệt dung riêng cao giúp một sinh vật, một cái hồ hay một vùng bờ biển giữ nhiệt độ ổn định trong khi không khí xung quanh dao động: đây là một phần của việc duy trì cân bằng nội môi.
Nhiệt hóa hơi là năng lượng cần để làm bay hơi 1 g chất lỏng. Nhiệt hóa hơi của nước là 2.41 kJ/g ở nhiệt độ cơ thể (của ethanol là 0.84 kJ/g). Các phân tử thoát ra mang theo lượng nhiệt đó: đây là làm mát bằng bay hơi. Nếu một người nặng 70 kg làm bay hơi 100 g mồ hôi, lượng nhiệt mang đi là 100 × 2.41 = 241 kJ, đủ để làm cơ thể lạnh đi khoảng 1.0 °C.
các nguyên tử từ môi trường, được tạo thành các phân tử mới
Sinh vật tạo ra các phân tử của mình từ những nguyên tử mà nó hấp thụ. Carbon, hydrogen và oxygen chiếm phần lớn mọi phân tử sinh học; nitrogen, phosphorus và sulfur có trong một số nhóm chất mà không có trong những nhóm khác.
| carbohydrate | lipid | protein | nucleic acid |
|---|
| C | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| H | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| O | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| N | | | ✓ | ✓ |
| P | | ✓* | | ✓ |
| S | | | ✓ | |
* Phosphorus có trong phospholipid, các lipid của màng (phần đầu thường cũng mang nitrogen); chất béo và steroid chỉ gồm C, H và O.
- Nitrogen có trong protein (mọi amino acid đều có nhóm amine) và trong nucleic acid (mọi base).
- Phosphorus có trong nucleic acid (gốc phosphate của mọi nucleotide) và phospholipid. Protein và carbohydrate không có.
- Sulfur có trong protein (ở nhóm R của hai amino acid) nhưng không có trong nucleic acid.
Sự khác biệt đó là một công cụ. Chất đánh dấu sulfur phóng xạ gắn nhãn cho protein của tế bào mà không gắn nhãn cho DNA; phosphorus phóng xạ gắn nhãn cho DNA và RNA mà không gắn nhãn cho protein.
Các nguyên tử đến từ môi trường: thực vật lấy carbon từ CO2, hydrogen và oxygen từ nước, còn nitrogen, phosphorus và sulfur từ các ion trong đất. Động vật hấp thụ chúng qua thức ăn. Tính theo khối lượng, cơ thể người là 65% O, 18.5% C, 9.5% H, 3.3% N.
phản ứng loại nước và thủy phân
Các phân tử sinh học lớn là polymer: những chuỗi gồm các tiểu đơn vị nhỏ, gọi là monomer, nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Mỗi liên kết được tạo ra bằng cách loại một phân tử nước và bị phá vỡ khi thêm một phân tử nước vào.
Phản ứng loại nước. Một nhóm hydroxyl (–OH) được lấy khỏi một monomer và một hydrogen được lấy khỏi monomer kia. Hai monomer liên kết cộng hóa trị với nhau, còn OH và H rời đi cùng nhau thành một H2O. Nối nhiều monomer theo cách này gọi là trùng hợp.
Thủy phân (“tách bằng nước”) là quá trình ngược lại. Nước được thêm vào liên kết giữa hai monomer: H gắn vào một monomer, OH gắn vào monomer kia, và liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ. Tiêu hóa là thủy phân.
Hình chạy cùng một đoạn phim theo chiều xuôi (nước thoát ra) và chiều ngược (nước đi vào). Một chuỗi gồm n monomer có n − 1 liên kết, nên khi hình thành nó đã thải ra n − 1 phân tử nước, và cần nhận n − 1 phân tử nước để bị tách ra.
Ví dụ có lời giải. Glucose có khối lượng mol là 180.16 g/mol; nước là 18.02. Hai glucose nối với nhau: 2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol. Chuỗi 6 trong hình: 6 × 180.16 − 5 × 18.02 = 990.86 g/mol.
Tế bào dùng enzyme để làm tăng tốc cả hai phản ứng. Tạo polymer cần năng lượng; thủy phân giải phóng năng lượng.
đường và các chuỗi đường
Monosaccharide, các đường đơn như glucose và fructose, là monomer của carbohydrate. Các liên kết cộng hóa trị nối chúng thành polysaccharide, các carbohydrate phức tạp có thể thẳng hoặc phân nhánh.
Hai monosaccharide tạo thành một disaccharide (sucrose, lactose, maltose); hàng trăm đến hàng nghìn monosaccharide tạo thành một polysaccharide. Carbohydrate chỉ gồm C, H và O.
Hình dạng đi cùng chức năng:
| polysaccharide | hình dạng | vai trò |
|---|
| cellulose | mạch thẳng | thành tế bào thực vật: các chuỗi nằm song song, nối với nhau bằng liên kết hydrogen thành những sợi bền chắc |
| tinh bột | mạch thẳng và phân nhánh | dự trữ năng lượng ở thực vật |
| glycogen | phân nhánh nhiều | dự trữ năng lượng ở động vật (gan, cơ) |
| chitin | mạch thẳng | thành tế bào nấm, bộ xương ngoài của côn trùng |
Trong hình, cả hai chuỗi thêm một đường ở mỗi đầu đang kéo dài trong mỗi bước. Chuỗi thẳng có một đầu. Chuỗi phân nhánh có một đầu ở mỗi nhánh, nên trong cùng thời gian nó nhận thêm nhiều đường hơn hẳn, và enzyme cũng có thể lấy chúng ra nhanh như vậy. Đó là lý do glycogen, phân nhánh dày đặc, là nguồn dự trữ mà động vật huy động khi cần gấp.
Chỉ một thay đổi nhỏ trong cách nối các monomer cũng làm phân tử khác đi: con người tiêu hóa được tinh bột, nhưng không có enzyme nào của người thủy phân được cellulose.
chỗ gấp khúc ở đuôi làm chất béo nóng chảy như thế nào
Lipid phần lớn là các phân tử không phân cực, kị nước: chúng không trộn lẫn với nước. Vai trò của một lipid phụ thuộc vào cách các phần của nó được ghép với nhau.
Nhiều lipid được tạo từ acid béo: những chuỗi hydrocarbon dài có nhóm carboxyl ở một đầu. Một chất béo (triglyceride) là ba acid béo nối với glycerol bằng phản ứng loại nước.
Một acid béo no chỉ có liên kết đơn giữa các carbon: nó chứa nhiều hydrogen nhất có thể, và chuỗi của nó thẳng. Một acid béo không no có ít nhất một liên kết đôi carbon–carbon, làm chuỗi bị gấp khúc. Càng nhiều liên kết đôi thì càng không no.
Các chuỗi thẳng xếp khít và hút nhau dọc theo toàn bộ chiều dài, nên chất béo no ở thể rắn ở nhiệt độ phòng (bơ, mỡ lợn). Các chuỗi gấp khúc không xếp khít được, nên chất béo không no ở thể lỏng (dầu ô liu). Bốn acid béo 18 carbon:
| acid béo | liên kết C=C | nhiệt độ nóng chảy (°C) |
|---|
| acid stearic | 0 | 69.3 |
| acid oleic | 1 | 13.4 |
| acid linoleic | 2 | −5.0 |
| acid α-linolenic | 3 | −11.0 |
Lipid càng không no thì ở một nhiệt độ nhất định càng lỏng. Màng giàu các đuôi không no vẫn giữ được độ lỏng khi trời lạnh.
dự trữ năng lượng, truyền tín hiệu và tạo nên màng
Chất béo, steroid và phospholipid đều là lipid, và mỗi loại đảm nhận một vai trò khác nhau.
Chất béo dự trữ năng lượng và hỗ trợ hoạt động của tế bào; dưới da động vật có vú, chúng còn cách nhiệt. Một gram chất béo cho khoảng 37 kJ, hơn gấp đôi 17 kJ của một gram carbohydrate. Để dự trữ 1000 kJ cần 27 g chất béo nhưng cần 59 g carbohydrate.
Steroid là các lipid được tạo từ bốn vòng carbon hợp nhất. Nhiều steroid là hormone (testosterone, estrogen, cortisol) điều hòa sự sinh trưởng và phát triển, chuyển hóa năng lượng và cân bằng nội môi.
Cholesterol là một steroid nằm giữa các đuôi của màng tế bào động vật (màu xanh dương trong hình) và giúp màng ổn định về cấu trúc.
Một phospholipid có hai đuôi acid béo và một đầu mang nhóm phosphate. Đầu phân cực, ưa nước; các đuôi không phân cực, kị nước. Phân tử có cả hai loại đầu như vậy là lưỡng tính.
Trong nước, các phospholipid tập hợp thành một lớp kép lipid: hai lớp, phần đầu hướng ra nước ở hai phía, các đuôi giấu ở giữa. Màng sinh chất của mọi tế bào và màng của các bào quan đều là một lớp kép như vậy. Các phân tử nhỏ không phân cực có thể chui qua phần bên trong; ion và các phân tử phân cực lớn thì không thể.
một mạch nucleotide, có hai đầu khác nhau
DNA và RNA lưu trữ thông tin sinh học dưới dạng một trình tự các đơn phân gọi là nucleotide.
Mỗi nucleotide có ba thành phần:
- một đường năm carbon: deoxyribose trong DNA, ribose trong RNA;
- một nhóm phosphate;
- một base nitrogen: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và thymine (T) trong DNA, hoặc uracil (U) trong RNA.
Các liên kết cộng hóa trị nối phosphate của một nucleotide với đường của nucleotide kế tiếp, tạo thành khung đường–phosphate với các base nhô ra ngoài. Thứ tự các base dọc theo khung này chính là thông tin.
Mạch có chiều. Các carbon của đường được đánh số, và hai đầu mạch khác nhau: đầu 5′ (“năm phẩy”) có một nhóm phosphate tự do ở carbon 5′ của đường; đầu 3′ có một nhóm hydroxyl tự do ở carbon 3′ của đường.
Khi một nucleic acid được tổng hợp, mỗi nucleotide mới được nối vào đầu 3′ của mạch đang dài ra, như trong hình. Vì vậy mạch luôn kéo dài theo chiều 5′ → 3′, và một trình tự được viết theo chiều đó: 5′-ATGCCGTA-3′.
các mạch đối song song, các base bắt cặp
DNA gồm hai mạch xoắn lại thành chuỗi xoắn kép, chạy ngược chiều nhau và được giữ với nhau bằng các liên kết hydrogen giữa các base.
Hai mạch đối song song: một mạch chạy 5′ → 3′ đi lên theo chuỗi xoắn, mạch kia chạy 5′ → 3′ đi xuống. Các khung đường–phosphate nằm ở phía ngoài; các base bắt cặp ở giữa.
Sự bắt cặp có tính đặc hiệu. Adenine bắt cặp với thymine (A–T) bằng hai liên kết hydrogen; guanine bắt cặp với cytosine (G–C) bằng ba liên kết. Vì vậy mỗi mạch quyết định trình tự của mạch kia: chúng bổ sung cho nhau. Trong RNA, adenine bắt cặp với uracil (A–U).
Vì A luôn bắt cặp với T và G với C, DNA mạch kép có lượng A bằng lượng T và lượng G bằng lượng C. Chargaff đã đo DNA người:
| base | A | T | G | C |
|---|
| % mol | 30.9 | 29.4 | 19.9 | 19.8 |
|---|
Ví dụ có lời giải. Nếu một mẫu DNA có 30% A thì cũng có 30% T; 40% còn lại là G và C với tỉ lệ bằng nhau, mỗi loại 20%.
12 cặp trong hình, ATGCGCATTAGC, có 50.0% là cặp G–C, được giữ bởi 30 liên kết hydrogen. Càng nhiều cặp G–C thì càng nhiều liên kết hydrogen, và cần nhiệt độ cao hơn để tách hai mạch.
| DNA | RNA |
|---|
| đường | deoxyribose | ribose |
| base | A, T, G, C | A, U, G, C |
| mạch | thường là hai | thường là một |
liên kết peptide và nhóm R
Protein là một hay nhiều chuỗi thẳng gồm các amino acid, nối với nhau bằng các liên kết peptide cộng hóa trị. Một chuỗi như vậy là một polypeptide.
Mỗi amino acid có một carbon trung tâm liên kết với bốn thành phần: một hydrogen, một nhóm amine (–NH2), một nhóm carboxyl (–COOH) và một nhóm R (mạch bên) thay đổi. Hai mươi amino acid chỉ khác nhau ở nhóm R.
Liên kết peptide hình thành bằng phản ứng loại nước giữa nhóm carboxyl của một amino acid và nhóm amine của amino acid kế tiếp, giải phóng một H2O. Chuỗi có một đầu N (nhóm amine tự do) và một đầu C (nhóm carboxyl tự do), và dài ra ở đầu C, như trong hình.
Các nhóm R chia thành ba loại theo tính chất hóa học:
| Nhóm R | hành vi trong nước |
|---|
| không phân cực (xám) | kị nước: tụ lại, tránh xa nước |
| phân cực (xanh lam) | ưa nước: tạo liên kết hydrogen với nước |
| mang điện, ion (đỏ) | ưa nước: hút các điện tích trái dấu |
Cách các nhóm R tương tác quyết định hình dạng, và do đó chức năng, của từng vùng trong protein.
Ví dụ có lời giải. Một polypeptide gồm 300 amino acid có 299 liên kết peptide; với các gốc amino acid trung bình khoảng 110 dalton, khối lượng của nó khoảng 300 × 110 = 33 kDa.
bậc một, bậc hai, bậc ba, bậc bốn
Trình tự amino acid quyết định cách chuỗi cuộn gấp, và hình dạng sau khi cuộn gấp quyết định protein làm gì.
Cấu trúc bậc một là trình tự các amino acid, được giữ bởi các liên kết peptide. Nó quyết định tất cả các bậc cấu trúc cao hơn.
Cấu trúc bậc hai là sự cuộn gấp cục bộ, được giữ bởi các liên kết hydrogen giữa các nguyên tử của khung chính (không phải nhóm R): các cuộn xoắn gọi là xoắn α và các phiến gấp nếp β.
Cấu trúc bậc ba là hình dạng ba chiều của toàn bộ chuỗi, được giữ bởi tương tác giữa các nhóm R: liên kết hydrogen, tương tác kị nước (các nhóm R không phân cực tụ vào bên trong, tránh xa nước), liên kết ion giữa các nhóm R mang điện, và cầu disulfide cộng hóa trị giữa hai cysteine (màu đỏ trong hình).
Cấu trúc bậc bốn là cách sắp xếp của hai hay nhiều polypeptide trong một protein. Hemoglobin có bốn chuỗi: hai chuỗi α gồm 141 amino acid và hai chuỗi β gồm 146.
Cả bốn bậc cấu trúc cùng tạo nên chức năng của protein. Nhiệt, pH cực đoan hoặc một số hóa chất phá vỡ các liên kết yếu của các bậc cao hơn, protein duỗi ra và mất chức năng: nó bị biến tính. Các liên kết peptide của cấu trúc bậc một vẫn còn.
Chỉ cần đổi một amino acid, cách cuộn gấp có thể thay đổi. Ở hemoglobin hồng cầu hình liềm, một nhóm R mang điện bị thay bằng một nhóm R không phân cực, và protein dính vào các phân tử bên cạnh.
Cấu trúc và chức năng của tế bào →