Lý thuyết sinh học 10 kết nối tri thức bài 5 các phân tử sinh học

Bản tóm tắt lý thuyết của Sinh học 10, Bài 5: Các phân tử sinh học của Kiến thức THPT cung cấp một cái nhìn sâu sắc và ngắn gọn về các thành phần hóa học cơ bản của sự sống, giúp học sinh nắm chắc kiến thức trọng điểm và chuẩn bị tốt cho việc học tập môn Sinh học lớp 10.

Khái niệm và thành phần cấu tạo của các phân tử sinh học trong từng tế bào

Khái niệm: Phân tử sinh học là các phân tử hữu cơ được tạo ra và tồn tại trong tế bào sống.

Các phân tử sinh học chính gồm: protein, lipid, carbohydrate, và axit nucleic.

Đặc điểm chung của các phân tử sinh học:

• Sở hữu kích thước và trọng lượng phân tử lớn.
• Cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, nghĩa là gồm nhiều đơn phân liên kết, từ đó được gọi là polymer.
• Chủ yếu bao gồm các nguyên tử carbon và hydrogen, kết nối với nhau tạo thành khung carbon phức tạp. Khung này có khả năng gắn với nhiều nhóm chức khác, tạo ra các hợp chất với tính chất đa dạng.

Các nhóm phân tử sinh học chính cấu tạo nên tế bào

Các phân tử sinh họ

Carbohydrate – chất đường bột

Là các hợp chất hữu cơ được tạo nên từ ba nguyên tố chính là C, H, O với tỷ lệ 1 : 2 : 1 và có công thức tổng quát là Cn(H2O)m.

• Chúng được tạo thành theo nguyên tắc đa phân, với các đơn phân chính bao gồm glucose, fructose và galactose.
• Là nguồn cung cấp chính các chất đường và tinh bột cho con người và động vật, chủ yếu được lưu trữ trong các bộ phận của thực vật như củ, quả, hạt, và thân cây.

Nguồn cung cấp đường và tinh bột cho người và động vật

Phân loại: Căn cứ vào số lượng đơn phân trong phân tử, carbohydrate được chia thành ba loại chính: đường đơn, đường đôi và đường đa.

>> Xem thêm: So sánh tế bào nhân sơ và nhân thực sinh học lớp 10

Một số đường đơn phổ biến:

Một số đường đôi phổ biến

Một số đường đa phổ biến

Một số đường đa phổ biến

Một số đường đa phổ biến bạn cần biết

Lipid – chất béo

• Được cấu tạo từ ba nguyên tố chính sau đây C, H, O.
• Là một nhóm chất rất đa dạng về cấu trúc, có đặc điểm chung là không tan trong nước nhưng lại tan trong các dung môi hữu cơ như ether, acetone.
• Không có cấu trúc đa phân.
• Là nguồn chất béo chính cho con người, bao gồm mỡ động vật và dầu thực vật được chiết xuất từ nhiều loại hạt và quả như đậu phộng, vừng,…

Nguồn chất béo cung cấp cho con người

Mỡ và dầu

Cấu tạo: Một phân tử glycerol kết hợp với ba phân tử acid béo. Mỡ được tạo từ các acid béo no, do đó tồn tại ở dạng rắn; trong khi dầu được tạo từ các acid béo không no, nên có dạng lỏng.

Chức năng:

• Dự trữ năng lượng: Lipid được lưu trữ trong tế bào và nhiều vùng khác của cơ thể người và động vật dưới dạng mỡ, phục vụ làm nguồn năng lượng dự trữ.
• Là dung môi hòa tan các vitamin tan trong dầu như A, D, E, K, quan trọng đối với cơ thể.
• Ổn định nhiệt độ và bảo vệ cơ thể: Lớp mỡ dưới da giúp cách nhiệt, giữ ấm cho cơ thể, đặc biệt là ở những loài động vật sống ở vùng lạnh, đồng thời bảo vệ các cơ quan khỏi tổn thương do va đập.
• Cung cấp nước: Đối với một số loài sống ở điều kiện khắc nghiệt như sa mạc, mỡ được dự trữ có thể được chuyển hóa thành nước, ví dụ như mỡ trong bướu của lạc đà.

• Để tránh nguy cơ mắc các bệnh liên quan đến rối loạn chuyển hóa như béo phì, mỡ máu, xơ vữa động mạch dẫn đến bệnh tim mạch, cần có chế độ ăn vừa phải, cân bằng giữa mỡ động vật và dầu thực vật.

Phospholipid

Cấu tạo: Phospholipid bao gồm một phân tử glycerol liên kết với hai acid béo ở một đầu, trong khi đầu kia lại liên kết với nhóm phosphate. Thông thường, nhóm phosphate này được liên kết với choline, tạo nên phosphatidylcholine.

Chức năng: Nhờ cấu trúc lưỡng cực, phospholipid đóng vai trò quan trọng trong việc cấu tạo nên màng tế bào.

Phospholipid cấu tạo nên màng sinh chất

Steroid

Cấu tạo: Steroid là một dạng lipid đặc biệt, không có chứa acid béo mà thay vào đó là các nguyên tử carbon liên kết với nhau tạo thành bốn vòng.

Một số loại steroid phổ biến trong cơ thể sinh vật bao gồm cholesterol, estrogen, testosterone, vitamin D, cortisone,…

Chức năng:

• Đóng góp vào việc cấu tạo màng sinh chất của tế bào (cholesterol).
• Tham gia vào việc hình thành đặc điểm giới tính và điều chỉnh quá trình sinh trưởng, sinh sản ở con người (hormone giới tính như estrogen, testosterone).

Carotenoid

Một số loại carotenoid

Carotenoid là một nhóm sắc tố màu vàng cam có nguồn gốc từ thực vật, thuộc loại lipid.

Khi con người và động vật tiêu thụ carotenoid, nó sẽ được chuyển hóa thành vitamin A, và sau đó trở thành sắc tố võng mạc, rất có lợi cho thị giác.

Protein – chất đạm

Chức năng của protein

Một số chức năng của protein

Trong cơ thể, protein đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các hoạt động sống của tế bào:

• Cấu trúc: Nhiều loại protein tham gia vào việc cấu tạo các bào quan và bộ khung tế bào.
• Xúc tác: Protein là thành phần cấu tạo nên enzyme, giúp xúc tác các phản ứng hóa học trong tế bào.
• Bảo vệ: Các kháng thể có bản chất là protein giúp chống lại các phân tử kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể từ môi trường bên ngoài, như vi khuẩn, virus,…
• Vận động: Protein giúp tế bào thay đổi hình dạng và di chuyển.
• Tiếp nhận thông tin: Protein tạo nên các thụ thể của tế bào, giúp tiếp nhận thông tin từ cả bên trong lẫn bên ngoài tế bào.
• Điều hòa: Nhiều hormone có bản chất là protein đóng vai trò điều hòa hoạt động của gene trong tế bào và điều chỉnh các chức năng sinh lý của cơ thể.

• Nguồn nguyên liệu để xây dựng các loại protein trong cơ thể người: Thịt, sữa từ động vật và từ các loại hạt cũng như một số bộ phận khác của thực vật.

• Cần sử dụng đa dạng các nguồn thực phẩm giàu protein để cung cấp đủ amino acid làm nguyên liệu tổng hợp protein.

Một số loại thực phẩm giàu protein

>> Xem thêm: Khái niệm nguyên phân và giảm phân là gì? So sánh nguyên phân và giảm phân

Cấu trúc của protein

Cấu trúc hóa học:

• Protein được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân với đơn phân là các amino acid.
• Cấu tạo amino acid: Mỗi amino acid có một nguyên tử carbon trung tâm liên kết với một nhóm amino (-NH2), một nhóm carboxyl (-COOH), một nguyên tử hydrogen và một chuỗi bên gọi là nhóm R. Có 20 loại amino acid tham gia cấu tạo nên các protein, trong đó có 9 amino acid thiết yếu không thể thay thế.

Cấu trúc của amino acid

• Các amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide để tạo thành chuỗi polypeptide. Từ 20 loại amino acid, có thể tạo ra vô số chuỗi polypeptide với số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp amino acid khác nhau.

Sự hình thành liên kết peptide

Cấu trúc không gian:

• Protein có bốn mức độ cấu trúc không gian:

Các bậc cấu trúc không gian của protein

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

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

Cấu trúc bậc 3: Chuỗi polypeptide tiếp tục cuộn xoắn hoặc gấp nếp để tạo thành cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng, nhờ sự tương tác đặc thù giữa các nhóm chức R của các amino acid trong dãy polypeptide.

Cấu trúc bậc 4: Hai hoặc nhiều chuỗi polypeptide liên kết với nhau để tạo thành cấu trúc bậc 

• 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 kỵ nước, tương tác Van der Waals, liên kết cộng hóa trị S-S, và liên kết ion.

Các liên kết hóa học duy trì cấu trúc không gian của protein

• Chức năng của protein được quyết định bởi cấu trúc bậc 1, nhưng protein chỉ có thể thực hiện chức năng khi có cấu trúc không gian ba chiều (bậc 3, bậc 4).
• Hiện tượng biến tính của protein là khi protein mất đi cấu trúc không gian do các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ, áp suất, nồng độ ion thay đổi. Khi bị biến tính, protein sẽ mất đi chức năng sinh học của nó.

Nucleic acid

• Nucleic acid, còn gọi là acid nhân, bao gồm hai loại chính: DNA và RNA.
• Nguyên liệu để tổng hợp các nucleic acid cho cơ thể người được cung cấp từ các loại thực phẩm. Khi xảy ra rối loạn chuyển hóa uric acid, ăn nhiều thực phẩm giàu nucleic acid sẽ làm nhân purin trong nucleic acid chuyển hóa thành uric acid, tích lũy trong các khớp xương và gây ra bệnh gout.

Deoxyribonucleic acid – DNA

Chức năng

• DNA là vật chất di truyền chính trong sinh giới; có chức năng mang, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền.
• Quá trình truyền đạt thông tin di truyền bên trong các tế bào và giữa các thế hệ tế bào được thể hiện qua sơ đồ:

• Quá trình truyền đạt thông tin di truyền bên trong tế bào được thực hiện thông qua quá trình phiên mã và dịch mã, giúp tạo ra các phân tử cần thiết để cấu tạo nên tế bào.
• Quá trình truyền đạt thông tin di truyền giữa các thế hệ tế bào diễn ra nhờ cơ chế tái bản và phân chia trong phân bào, đảm bảo vật chất di truyền được truyền lại cho các tế bào con một cách gần như nguyên vẹn cả về số lượng và chất lượng.

Cấu trúc

• DNA là một đại phân tử hữu cơ, được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, với đơn phân là nucleotide (gồm 4 loại: A, T, G, C).
• Nucleotide cấu tạo nên DNA bao gồm 3 phần:

• Gốc phosphate
• Đường deoxyribose (đường 5 carbon)

• Mô hình cấu trúc xoắn kép của DNA: DNA thường có cấu trúc mạch kép, gồm hai chuỗi polynucleotide song song nhưng ngược chiều nhau (3′ – 5′ và 5′ – 3′). Trong đó:

• Trên mỗi chuỗi polynucleotide, các nucleotide liên kết với nhau qua liên kết phosphodiester, tạo nên chuỗi polynucleotide đặc trưng bởi số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp của bốn loại nucleotide khác nhau.
• Giữa hai chuỗi polynucleotide, các nucleotide liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung (A của mạch này liên kết với T của mạch kia bằng 2 liên kết hydrogen, G của mạch này liên kết với C của mạch kia bằng 3 liên kết hydrogen). Do đó, trong một phân tử DNA mạch kép, số lượng A luôn bằng số lượng T và số lượng G luôn bằng số lượng C.

Sơ đồ cấu trúc của DNA

Các dạng cấu trúc DNA:

• Ở sinh vật nhân thực, phần lớn DNA tồn tại ở dạng mạch kép, không vòng; chỉ một số ít tồn tại ở dạng mạch vòng nhỏ.
• Ở sinh vật nhân sơ, hệ gene của mỗi tế bào chỉ bao gồm một phân tử DNA mạch kép, dạng vòng; ngoài ra, còn có một số DNA mạch kép, dạng vòng, kích thước nhỏ (plasmid) nằm trong tế bào chất.
• DNA ở thể virus có thể là mạch đơn hoặc mạch kép.

• Số lượng DNA trong tế bào cũng như trình tự sắp xếp các nucleotide trong mỗi phân tử DNA là đặc trưng cho từng loài, và trình tự này còn đặc trưng cho từng cá thể.

Ribonucleic acid – RNA

Cấu trúc

• RNA là một đại phân tử hữu cơ, được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, với đơn phân là nucleotide (gồm 4 loại: A, U, G, C).
• Nucleotide cấu tạo nên RNA bao gồm 3 phần:

• Gốc phosphate
• Đường ribose (đường 5 carbon)
• Một base nitơ: gồm 4 loại adenine (A), guanine (G), cytosine (C), uracil (U).

• Khác với DNA, RNA được cấu tạo từ một chuỗi polynucleotide:

• Trên mỗi chuỗi polynucleotide, các nucleotide liên kết với nhau qua liên kết phosphodiester, tạo nên chuỗi polynucleotide đặc trưng bởi số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp của 4 loại nucleotide khác nhau.
• Chuỗi polynucleotide có thể ở dạng thẳng, không có liên kết với hydrogen (mRNA) hoặc có liên kết hydrogen cục bộ (tRNA, rRNA).

Chức năng

Mỗi loại RNA có một chức năng riêng, phù hợp với cấu trúc của nó:

• RNA thông tin (mRNA): đóng vai trò làm khuôn mẫu để tổng hợp protein tại ribosome.
• RNA vận chuyển (tRNA): vận chuyển amino acid đến ribosome và thực hiện quá trình dịch mã.
• RNA ribosome (rRNA): tham gia cấu tạo nên ribosome, nơi diễn ra quá trình tổng hợp protein.
• Các loại RNA nhỏ khác: tham gia vào quá trình điều hòa hoạt động của gene.
• Một số loại RNA còn có chức năng xúc tác cho các phản ứng hóa học, tương tự như các enzyme.

Sơ đồ tư duy các phân tử sinh học

Dưới đây là sơ đồ tư duy về các phân tử sinh học, giúp bạn tổ chức và ghi nhớ các thông tin chính về chúng:

Sơ đồ tư duy các phân tử sinh học chi tiết nhất