Giáo trình môn Sinh học đại cương
117 trang
610
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Sinh học đại cương", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Tài liệu đính kèm:
- giao_trinh_mon_sinh_hoc_dai_cuong.pdf
Nội dung text: Giáo trình môn Sinh học đại cương
- SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 1 GIÁO TRINH SINH H C ð I CƯƠNG 4 ðVHT M ð U Chương I SINH H C KHOA H C V S S NG 1.1. CÁC KHÁI NI M CƠ B N V SINH H C Sinh h c có th nói ñó là khoa h c v s s ng. Trong sinh h c bao g m nhi u lĩnh v c nghiên c u như th c v t h c, ñ ng v t h c, vi sinh v t h c, t bào h c, sinh lý h c, di truy n h c, S phát tri n ngày càng m nh c a ngành khoa h c này xu t hi n thêm nhi u b môn m i c a sinh h c như sinh h c phân t , công ngh gen, công ngh sinh h c, Sinh h c t p h p nh ng ki n th c kh ng l v s s ng. Sinh h c ñ i cương cung c p cho sinh viên nh ng ki n th c v c u t o và ho t ñ ng c a t bào s ng. Là nh ng li n th c cơ s quan tr ng v s s ng, v c u t o t bào, v s phân chia t bào ñ t o nên m t th h m i, v quá trình chuy n hoá và tích lu năng lư ng cũng như cơ s khoa h c v các quá trình v n ñ ng sinh h c và quá trình ti n hoá. Sinh h c nghiên c u s ña d ng c a các cơ th s ng, c u t o ch c năng, ti n hoá, phát tri n cá th và nh ng m i tương quan v i môi trư ng chung quanh c a chúng [1]. Sinh h c là m t t p h p kh ng l v các h c thuy t v cơ th s ng. Trong ngành khoa h c này ngư i ta thư ng phân chia ra thành các lĩnh v c như th c v t h c, ñ ng v t h c, vi sinh v t h c ñó là ki u phân chia theo ñ c ñi m loài c a sinh gi i, ngoài ra ñ nghiên c u v c u t o bên trong cơ th , ch c năng và s phát tri n, các nhà nghiên c u còn phân chia thành các b môn như gi i ph u h c, sinh lý h c, phôi sinh h c, di truy n h c, Tuy v y toàn b các sinh v t trên trái ñ t, dù là ñ ng v t, th c v t hay vi sinh v t thì m i cơ th ñ u ñư c t o thành t ñơn v c u t o c a s s ng ñó là t bào. T bào m i ñư c hình thành b ng cách phân chia t các t bào ban ñ u. Có nhi u lo i t bào, tuy nhiên các t bào ñ u có nh ng ñ c ñi m c u t o và thành ph n hoá h c cơ b n gi ng nhau như màng t bào, t bào ch t và các bào quan. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 2 Các sinh v t trên trái ñ t ñ u tuân theo các ñ nh lu t v t lý và hoá h c. M c dù các quá trình hoá h c x y ra trong cơ th s ng r t ph c t p tuy nhiên các k t qu nghiên c u ñ u ch ng minh r ng nhi u quá trình ph c t p x y ra trong t bào s ng cũng có th th c hi n ñư c bên ngoài cơ th trong nh ng ñi u ki n thích h p. ði u ñó kh ng ñ nh r ng khi con ngư i hi u bi t m t cách ñ y ñ v các h th ng s ng và cách v n hành c a chúng thì con ngư i có th tái t o ñư c s s ng t v t li u không s ng. T bào làm nhi m v chuy n hoá năng lư ng, chúng bi n ñ i năng lư ng hoá h c c a th c ăn thành năng lư ng có th s d ng cho ho t ñ ng s ng c a cơ th . Ch có cây xanh có ch a di p l c là có th thu năng lư ng ánh sáng, chúng s d ng năng lư ng m t tr i cùng v i các ch t vô cơ như nư c, khí CO 2 t ng h p nên h p ch t h u cơ như ñư ng, tinh b t, xenlulo, thông qua quá trình quang h p. Cây xanh là nh ng sinh v t t dư ng có kh năng chuy n năng lư ng ánh sáng thành năng lư ng hoá h c tích lu trong các h p ch t h u cơ. T t c các sinh v t di dư ng khác như ñ ng v t, vi sinh v t s d ng các ch t h u cơ do cây xanh t ng h p làm ngu n thúc ăn và t bào làm nhi m v bi n ñ i năng lư ng hoá h c có m t trong th c ph m thành các d ng năng lư ng c n thi t cho cơ th s ng. ð ng v t, th c v t và vi sinh v t, m i lo i có nh ng ñ c ñi m khác bi t v c u t o c a cơ th s ng tuy nhiên trong c u t o t bào gi a chúng cũng có nhi u ñi m chung gi ng nhau, ñôi khi khó có th tách bi t ñư c, c v c u t o và ch c năng. S ti n hoá c a các sinh v t trên trái ñ t như th nào cũng là m t trong nh ng nhi m v nghiên c u c a sinh h c. Nhi u nhà nghiên c u tri t h c và t nhiên ñã nêu ra các quan ni m v s ti n hoá c a sinh v t, nhưng ch sau khi S. Darwin xu t b n cu n sách "Ngu n g c các loài b ng con ñư ng ch n l c t nhiên" vào năm 1859 thì h c thuy t ti n hoá m i ñư c chú ý t i. Trong quy n sách này Darwin ñã gi i thích v s ti n hoá c a các loài thông qua ch n l c t nhiên. M t khái ni m quan tr ng ñó là s tương quan gi a cơ th s ng và môi trư ng xung quanh. T nh ng nghiên c u t m v các qu n xã th c v t, ñ ng v t trên trái ñ t ngư i ta ñã rút ra ñư c r ng các cơ th s ng phân b m t vùng nh t ñ nh ñ u n m trong m i tương quan ch t ch l n nhau và v i môi trư ng chung quanh. Khái quát này cho th y các d ng các d ng ñ ng v t và th c v t khác nhau không phân b trên trái ñ t m t cách ng u nhiên mà www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 3 chúng có tác ñ ng qua l i v i nhau và v i môi trư ng s ng bên ngoài. Gi a sinh v t s ng và môi trư ng s ng luôn có m i quan h kh n khít v i nhau. Vì th nên khi ta nghiên c u m t cơ th s ng m t nơi nào ñó thì chúng ta ph i quan tâm ñ n môi trư ng s ng ñó và phân tích m i quan h qua l i gi a chúng. Nghiên c u v m i quan quan h qua l i gi a môi trư ng và cơ th s ng là ñ c bi t quan tr ng. Con ngư i cũng có m t v trí quan tr ng trong th gi i sinh v t, vai trò c a con ngư i trong quá trình ch n l c nhân t o, góp ph n ñ nh hư ng s phát tri n c a m t s loài, vì v y nên chúng ta nên quan tâm ñ n vai trò c a con ngư i trong s phát tri n c a sinh h c, ñ c bi t là hi n nay v i s hi u bi t sâu s c v di truy n h c con ngư i ñã t o ra nhi u lo i sinh v t có nh ng tính ch t m i mà thiên nhiên chưa có. 1.2. L CH S PHÁT TRI N C A SINH H C Sinh h c là m t ngành khoa h c xu t hi n r t s m, t th i c xưa con ngư i ñã có th xác ñ nh ñư c loài ñ ng v t nào có th ăn ñư c, loài nào nguy hi m cho con ngư i. ð i v i th c v t cũng v y, con ngư i ñã tìm nh ng cây thu c ñ ch a b nh. Aristos (384 322 trư c công nguyên) là m t trong nh ng nhà tri t h c Hy l p vĩ ñ i nh t. Trong cu n sách "Historia animalium" ñã mô t nhi u loài ñ ng v t, ông ñã nghiên c u khá t m v s phát tri n c a m t s loài như s phát tri n c a gà con, s sinh s n c a cá m p, c a ong. Nhìn chung sinh h c mô t chi m ưu th trong th i gian phát tri n ban ñ u. Các nhà nghiên c u v ñ ng, th c v t h c thì mô t các loài, Các nhà gi i ph u h c thì mô t c u t o c a các cơ quan trong cơ th M t s nét cơ b n v s phát tri n c a sinh h c có th mô t như sau: Giai ño n trư c th k 17, quan ni m các t bào s ng ñư c hình thành b ng con ñư ng t sinh. Năm 1680 Redi ñã ñánh ñ quan ni m trên b ng m t thí nghi m ñơn gi n sau ñây: Ông ñã dùng 3 cái bình sau ñó cho th t vào, bình th nh t ông ñ h , bình th hai ông dùng v i màng m ng b t l i, còn bình th ba ông dùng mi ng da thu c b t ch t l i. Sau khi ñ m t th i gian th t trong c ba bình ñ u b th i nhưng dòi ch xu t hi n trong th t bình ñ h , bình th hai thì có xu t hi n m t ít dòi phía trên v i màng b t, nhưng th t ñ trong bình th hai và bình th 3 thì không có dòi. Như v y Redi ñã ch ng minh r ng "con dòi" không th t sinh ra trong th t th i ñư c mà chúng ñã n ra t tr ng c a do ru i ñ ra trên th t. Sau này L. Pasteur cũng www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 4 b ng m t thí nghi m ñơn gi n ñã ch ng minh r ng các vi sinh v t cũng không th xu t hi n ñư c b ng con ñư ng t sinh t v t ch t không s ng. Ông dùng hai bình c u tròn có c , rót vào hai bình môi trư ng dinh dư ng, bình th nh t c th ng h , bình th hai ông kéo cong c bình thành hình ch S. Môi trư ng dinh dư ng trong hai bình ñư c ñun sôi ñ di t các vi sinh v t có m t trong ñó. Sau khi ñ m t th i gian th y r ng trong bình c th ng xu t hi n các vi sinh v t, nh ng vi sinh v t này rơi t bên ngoài vào, trong khi ñó bình có c hình ch S không xu t hi n vi sinh v t, m t dù môi trư ng dinh dư ng cũng không tách bi t v i không khí bên ngoài nhưng chúng không xâm nh p dư c là do chúng b gi l i ng cong. Ti p theo Pasteur cũng c ng minh r ng n u b gãy ng cong thì vi khu n nhanh chóng xu t hi n còn n u gi nguyên thì có th ñ lâu dài mà không có vi khu n. Qua ñó cho th y các vi khu n không xu t hi n b ng con ñư ng t sinh mà chúng có trong không khí và rơi vào môi trư ng dinh dư ng cùng v i các h t b i. A B C Hình 1 1: Các thí nghi m c a Pasteur Chúng ta ñ u bi t r ng hi n nay không có s t sinh c a s s ng, nhưng ch c ch n r ng hi n tư ng t sinh ñã di n ra hàng t năm trư c ñây khi s s ng xu t hi n l n ñ u tiên trên hành tinh chúng ta. Cùng v i s phát tri n c a v t lý h c kính hi n vi ñư c sáng ch và hoàn thi n, cho phép các nhà sinh h c quan sát ñư c nh ng v t th nh , phát hi n t bào, vi khu n, virus, Trong th k 19 sinh h c t bào phát tri n m t cách m nh m nh kính hi n vi ngày m t hoàn thi n v i ñ phóng ñ i ngày càng cao. Năm 1833, Brao ñã mô t nhân c a t bào th c v t. Năm 1880, www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 5 Flemin ñã mô t nhi m s c th . Nh ng phát hi n này là n n móng cho các nghiên c u phát hi n ra các giai ño n c a quá trình phân bào nguyên phân và ti p theo là gi m phân. Các lĩnh v c khác như th c v t h c, ñ ng v t h c, phôi sinh h c, vi sinh v t h c cũng phát tri n m nh m trong giai ño n này. S phát tri n m nh m c a v t lý, hoá h c, toán h c ñã t o ñi u ki n thu n l i cho các nhà nghiên c u sinh h c. Trong th k 20, sinh h c ñã phát tri n v i m t nh p ñi u phi thư ng, v i nhi u phát minh quan tr ng như c u t o c a protein, axit nucleic. M t s ngành sinh h c m i như di truy n h c, công ngh sinh h c xu t hi n. 1.3. CÁC NG D NG TH C TI N C A SINH H C Ngày nay, nh ng k t qu nghiên c u và lý lu n sinh h c ñã ñư c ng d ng vào nhi u lĩnh v c như y, dư c, nông nghi p, công nghi p th c ph m, b o v môi trư ng, Ngành công ngh sinh h c ñóng vai trò quan tr ng trong nghiên c u ng d ng ti n b sinh h c trong ñ i s ng và phát tri n kinh t . 1.3.1. ng d ng trong nông nghi p S d ng các ki n th c sinh h c v c u t o t bào, sinh lý th c v t, di truy n, ngày nay, con ngư i ñã t o ra ñư c nhi u gi ng m i, xây d ng các phương pháp ch n gi ng cây tr ng v t nuôi: nh v y mà ñã tăng năng xu t cây tr ng, t o ra nh ng s n ph m m i góp ph n phát tri n kinh t . 1.3.2. ng d ng trong s n xu t M t s ch t h u cơ như axit xitric, axit axetic, axit glutamic và m t s vitamin ñã ñư c s n xu t b ng con ñư ng sinh h c thông qua s d ng các ch ng vi sinh v t có kh năng lên men. 1.3.3. ng d ng trong y, dư c Kháng sinh ñ ch a b nh hoàn toàn ñư c s n xu t b ng con ñư ng sinh h c. Nh ng hi u bi t v c u t o và sinh lý c a con ngư i ñã giúp các bác sĩ chu n ñoán b nh cho b nh nhân và ch a b nh. ng d ng có giá tr ñ u tiên c a sinh h c trong y t là tiêm vacine k t qu nghiên c u c a Pasteur. Ngày nay, vi c chu n ñoán b nh thông qua s d ng k thu t ADN cho k t qu r t ñáng tin c y. Vi c s d ng công ngh gen trong y h c m ra m t kh năng ch a b nh b ng li u pháp gen, nghĩa là s a ch a nh ng gen b hư gây b nh thành gen lành. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 6 1.3.4. ng d ng trong công ngh th c ph m Nh ng nghiên c u v hoàn thi n các qui trình lên men d a vào vi c s d ng các ch ng m i, ch n l c b ng con ñư ng sinh h c giúp tăng năng su t và hoàn thi n s n ph m ñư c th c hi n trong s n xu t th c ph m, ñ c bi t là s n xu t các s n ph m s a lên men như fomat, s a chua. Trư c 1950 tinh b t ñư c thu phân ch y u b ng axit, nhưng hi n nay ch y u ñư c thu phân b ng enzyme. Trong công ngh s n xu t rư u, c n và nư c u ng lên men hi n nay cũng ngày càng hoàn thi n v i vi c s d ng các gi ng m i có năng su t cao và hoàn thi n qui trình. Nh nh ng k t qu nghiên c u ch n gi ng có hi u qu lên men cao b ng các con ñư ng sinh h c ñã giúp các nhà s n xu t th c ph m t o ra các s n ph m có năng su t và ch t lư ng cao. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 7 Chương II SINH H C T BÀO Sinh h c là m t t p h p kh ng l các s ki n và lý lu n (h c thuy t) v các cơ th s ng. ð s p x p kh i tài li u kh ng l y, thư ng ngư i ta tách bi t s nghiên c u th c v t (th c v t h c) v i s nghiên c u ñ ng v t (ñ ng v t h c), tách bi t s nghiên c u c u trúc c a cơ th (hình thái h c ho c gi i ph u h c) v i s nghiên c u ch c năng c a cơ th (sinh lý h c). T t c s s p x p và phân chia như v y ñ u là tương ñ i b i vì, m c dù có nh ng s khác bi t gi a chúng, v n có r t nhi u nh ng cái chung ñôi khi không th nào tách bi t, như khi nghiên c u ch c năng c a m t cơ quan nào ñó ñi u c n thi t là ph i bi t c u trúc c a cơ quan ñó. Vì th , có l t t hơn c là phân chia sinh h c phù h p v i m c ñ khác nhau c a t ch c sinh v t. S sáng ch ra kính hi n vi và vi c áp d ng nó vào ñ u th k th 17 ñ nghiên c u các cơ th s ng ñã t o ra m nh ñ t cho vi c xu t hi n h c thuy t t bào h c thuy t do Matriaxa Slâyñen và Teodo Soan ñ xư ng vào năm 1838. H c thuy t này phát tri n m t cách m nh m v i s hoàn thi n c a kính hi n vi. T bào là m t ñơn v cơ b n v c u trúc và ch c năng c a v t ch t s ng. S hoàn thi n kính hi n vi và s phát minh kính hi n vi ñi n t t o ñi u ki n cho vi c phát hi n ra nh ng t ch c m i t ch c dư i t bào như riboxom, mitochondri và các bào quan khác c a bào ch t. Nh có kính hi n vi ñi n t , cùng v i vi c phân tích các c u trúc b ng tia Rơngen, b ng c ng hư ng ñi n t h t nhân, cho phép thu nh n ñư c ngày càng rõ hơn v hình d ng các phân t c u t o nên cơ th s ng, k t h p chúng l i thành nh ng h p ph n c u trúc l n hơn, ví d như màng. S phát tri n m t cách nhanh chóng các phương pháp hóa h c và v t lý cho phép xác ñ nh trình t s p x p các axit amin trong protein, các nucleotit trong ADN và ARN, Ngày nay sinh h c phân t ñã làm sáng t nh ng bi n ñ i v t ch t và bi n ñ i năng lư ng là nh ng bi n ñ i ñ c trưng cho các hi n tư ng s ng. Trong chương này chúng ta s ñi sâu nghiên c u v c u trúc t bào qua c u trúc c a m t lo i ñơn bào là vi khu n, s sinh s n và phát tri n c a chúng, s quan h qua l i gi a t bào s ng và môi trư ng xung quanh. 2.1. C U TRÚC T BÀO www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 8 2.1.1. ð i cương v t bào Ngư i ta thư ng ñ nh nghĩa sinh h c là "khoa h c v cơ th s ng" nhưng trư c h t chúng ta c n phân bi t cái "s ng" và cái "không s ng". R t d dàng th y r ng, con ngư i, cây tre, b i h ng, con giun, con cá, là nh ng v t s ng còn t ng ñá, hòn s i là v t không s ng. H u h t t t c các cơ th ñ u c u t o t nh ng ñơn v riêng bi t g i là t bào. T bào là m t ñơn v cơ b n v c u trúc và ch c năng c a v t ch t s ng. M i m t t bào là m t ñơn v ñ c l p, còn nh ng quá trình di n ra trong cơ th là m t s t h p các ch c năng ñư c ñi u ch nh c a các t bào. Các t bào có th r t khác nhau v kích thư c, hình d ng và ch c năng. Cơ th c a m t s ñ ng v t nh nh t ch g m m t t bào. Các cơ th khác ví d con ngư i ñư c c u t o t nhi u t t bào liên k t l i v i nhau. các th c v t và ñ ng v t khác nhau và các cơ quan khác nhau c a cùng m t ñ ng v t hay th c v t, các t bào ña d ng v kích thư c, hình d ng, màu s c và v c u t o bên trong. Ví d như cây xanh, t bào r cây hoàn toàn khác v i t bào c a lá, t bào r không có màu xanh vì nó không ch a các h t s c t như di p l c còn t bào lá, ngư c l i, ch a các h t s c t ñ c bi t là di p l c ñ làm nhi m v quang h p t o nên các ch t h u cơ ñ nuôi cây; hay cơ th ngư i t bào gan khác v i t bào c a cơ b p và khác v i t bào c a m t, B i vì, ñ i v i các cơ th s ng ña bào như cây xanh, con ngư i, thì các t bào m i cơ quan có nhi m v và ch c năng khác nhau nên v ñ c ñi m câú t o có nh ng ñi m không gi ng nhau. Tuy v y, t t c các t bào ñ u có m t s các ñ c ñi m chung gi ng nhau như: m i t bào ñ u có màng t bào (là b ph n ti p xúc v i môi trư ng s ng xung quanh), bên trong màng t bào là ch t nguyên sinh, nhân t bào và các bào quan khác nhau như ti th , m ng lư i n i ch t, ph c h Gongi, lizoxom, trung th , D a vào m c ñ t ch c c a t bào ñ c bi t là nhân, ngư i ta phân bi t hai lo i sinh v t: Prokaryot g m vi khu n, vi rut (nhân sơ), Eukaryot g m n m men, n m m c, các lo i t o và t t c các sinh v t ña bào b c cao (nhân chu n). 2.1.2. C u trúc c a các t bào ñơn gi n (prokaryot) ð c ñi m chính ñ phân bi t các t bào prokaryot là chúng chưa có màng nhân rõ ràng ngăn cách v i t bào ch t, v trí mà ñó, ñ nh v nhi m www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 9 s c th (ADN) ngư i ta g i là th nhân, t bào vi khu n thư ng có m t nhi m s c th chính. 2.1.2.1. T bào vi khu n Theo ñ c ñi m hình thái thì nhóm vi khu n có ba lo i là c u khu n, tr c khu n và xo n khu n. Trong ph m vi c a giáo trình này chúng ta ch ñi sâu nghiên c u c u trúc c a t bào vi khu n như m t ví d tiêu bi u, ñ i di n cho ki u t bào nhân sơ (prokaryot). Ngư i ta có th tìm th y vi khu n kh p m i nơi trên trái ñ t, ngay c chi u sâu 5m trong ñ t, trong nư c, trong không khí, Vi c phân bi t ra hai lo i vi khu n gram dương và vi khu n gram âm ñư c ñ xu t t năm 1884 b i nhà vi khu n h c ðan m ch Christian Gram. Mu n nhu m gram trư c h t ngư i ta nhu m tiêu b n vi khu n b ng tím k t tinh (Cristal Voilet), sau ñó x lý b ng h n h p I 2 KI, r i t y màu b ng c n ho c axeton. Cu i cùng nhu m l i b ng Fuchsin hay Salranin. Vi khu n ñư c g i là gram dương n u không b t y m t màu b ng c n ho c axeton (màu tím). Vi khu n ñư c coi là gram âm n u khi t y b m t màu c a thu c nhu m th nh t và sau ñó b t màu c a thu c nhu m th hai (màu h ng). Ch m t s ít loài vi khu n là không cho ph n ng màu n ñ nh khi nhu m gram. Vi khu n gram âm và gram dương có nhi u ñ c ñi m khác nhau: 1, Kích thư c T bào vi khu n r t nh bé, chi u dài thư ng nh hơn 1 t i 10 micron, chi u r ng t 0,2 ñ n 1 micron. Ph n l n vi khu n có d ng ñơn bào, nhưng m t s loài các t bào có th k t v i nhau thành chu i. 2, Vách t bào T bào vi khu n ñư c bao b c b i m t l p v nh y (capsule), dư i l p v nh y là l p thành t bào (cell wall), hay còn g i là màng t bào, l p trong cùng, ti p xúc v i t bào ch t là màng nguyên sinh ch t (cytoplasmic membrane). L p v nh y có chi u dày thay ñ i, v i chi u dày l n hơn 0,2 micron thì có th nhìn th y dư i kính hi n vi, còn n u nh hơn 0,2 micron thì không th y ñư c dư i kính hi n vi thư ng mà ch th y dư i kính hi n vi ñi n t . Chi u dày c a l p v nh y thay ñ i ph thu c vào ñi u ki n môi trư ng s ng và ph thu c vào ch ng lo i. Ví d như vi khu n Azotobacter chroococcum khi nuôi c y trên môi trư ng ch a nhi u nitơ thì l p v nh y m ng còn nuôi c y trên môi trư ng ch a ít nitơ thì l p v nh y dày. Có vi khu n (tr c khu n www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 10 than) ch hình thành v nh y sau khi ñã xâm nh p vào cơ th ngư i và ñ ng v t, V nh y có tác d ng góp ph n b o v t bào vi khu n ví d : ph c u khu n (Streptococcus pneumoniae) khi có v nh y s tránh ñư c tác d ng th c bào c a b ch c u do ñó có kh năng gây b nh, còn khi m t kh năng hình thành v nh y thi s nhanh chóng b b ch c u tiêu di t. V nh y còn là nơi tích lũy ch t dinh dư ng, trong trư ng h p ngoài môi trư ng c n ki t ch t dinh dư ng thì vi khu n s d ng v nh y thay cho ngu n dinh dư ng và vì v y v nh y b tiêu bi n d n ñi. Vi khu n có v nh y s t o thành nh ng khu n l c trơn, ư t, bóng. Lo i không có v nh y thì khu n l c xù xì, khô, còn nh ng vi khu n có l p d ch nh y r t dày thì khu n l c s nh y nh t. Thành ph n hóa h c c a v nh y là nư c và polysaccharid, nư c chi m m t t l cao, có th lên t i trên 90%. Thành ph n và c u t o c a polysaccharid thay ñ i theo t ng ch ng lo i vi khu n và ph thu c vào ñi u ki n dinh dư ng c a chúng. Polysaccharid có th là homo hay heteropolysaccharid ch y u là glucan, mannan, phân t có phân nhánh ch a ch y u các liên k t (có th α , β) 1 3 , 1 4 , 1 6. nhi u vi khu n gây b nh, tính ch t c a các thành ph n polysaccharid khác nhau trong v nh y có liên quan tr c ti p ñ i v i tính kháng nguyên và tính gây b nh c a chúng. Thành t bào : Thành t bào vi khu n có kích thư c khác nhau tùy ch ng lo i. Nói chung vi khu n gram dương có thành t bào d y hơn vi khu n gram âm. Thành t bào có tác d ng bao b c, che ch cho t bào vi khu n và làm cho vi khu n có nh ng hình d ng nh t ñ nh. Thành ph n c u t o c a thành t bào g m: Glycopeptit (hàm lư ng c a nó bi n ñ i trong m t ph m vi r ng t trên 90% m t s vi khu n gram dương ñ n 5 ÷10% m t s vi khu n gram âm) ñ c bi t, thành t bào vi khu n gram dương có axit teichoic (teichos nghĩa là màng). Axit teichoic ñư c liên k t v i glycopeptit nh liên k t phosphodiester gi a g c phosphat c a axit v i g c axit muramic c a glycopeptit. Màng t bào còn có phospholipit. Thành t bào vi khu n gram âm thành phân hóa h c ph c t p hơn. Chúng ch a ít glycopeptit nhưng nhi u lipit hơn và khi th y phân thì thu ñư c ñ các lo i axit amin có trong thành ph n protein. Màng nguyên sinh ch t (cytoplasmic membrane) hay còn g i là màng nguyên sinh ch t Màng nguyên sinh ch t ñ m nhi m b n ch c năng sau: • Duy trì áp su t th m th u c a t bào, www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 11 • ð m b o s v n chuy n các ch t dinh dư ng cho t bào và ñào th i các s n ph m trao ñ i ch t ra ngoài t bào, • Là nơi x y ra các quá trình t ng h p m t s thành ph n c a t bào, nh t là các thành ph n c a thành t bào và v nh y, • Là nơi ch a các enzyme ñ m b o cho quá trình v n chuy n và t ng h p. 3, Các t ch c bên trong t bào Phía trong màng là t bào ch t là thành ph n chính c a t bào vi khu n. ðó là m t kh i ch t keo bán l ng, ch a t 80 ñ n 90% nư c. Thành ph n h u cơ c a t bào ch t ch y u là lipoprotein. ð nh t c a t bào ch t vi khu n cũng thay ñ i tùy thu c vào ñi u ki n bên trong và bên ngoài t bào. Khi tăng nhi t ñ ho c khi nâng cao n ng ñ các ion Ca +2 ; Mg +2 ; Al +3 trong môi trư ng có th làm tăng ñ nh t c a t bào ch t. Khi còn non, t bào ch t có c u t o ñ ng nh t, b t màu gi ng nhau khi nhu m màu. Khi già, do xu t hi n không bào và các th n nh p (th vùi, granula inclusion) mà t bào ch t tr nên có d ng l n nh n, b t màu không ñ ng d u. Trong t bào ch t c a các vi khu n trư ng thành, ngư i ta quan sát th y có nhi u cơ quan con khác nhau như: riboxom, mezoxom, không bào, các h t s c t ( m t s vi khu n), các h t d tr n i bào và các c u trúc c a nhân. Khác v i t bào các sinh v t b c cao ch là không có ti th và m ng lư i n i ch t. Riboxom : Thành ph n hóa h c c a riboxom tương t như các sinh v t khác. Riboxom c a vi khu n có ch a kho ng 40 ÷60% ARN và ph n còn l i là protein và m t ph n nh lipit và các enzyme như ribonucleaza. Trong t bào vi khu n ph n l n riboxom n m t do trong t bào ch t, còn m t ph n nh bám trên màng nguyên sinh ch t (trong t bào ñ ng th c v t, riboxom thư ng liên k t v i m ng lư i n i ch t). Riboxom t n t i dư i d ng nh ng h t g m hai ti u th dư i ñơn v có kích thư c khác nhau. Ti u th l n c a riboxom có h ng s l ng là 50S (S là ñơn v Svedberg, 1S = 10 12 cm/giây) còn ti u th nh có h ng s l ng là 30S. Riboxom g m c hai ti u th có h ng s l ng là 70S, còn khi hai riboxom dính li n nhau (g m 4 ti u th ) thì có h ng s l ng là 100S. M i t bào vi khu n có trên 1.000 riboxom. Trong m i t bào vi khu n ñang phát tri n m nh m có th có ñ n 15.000 riboxom. Riboxom là trung tâm t ng h p protein c a t bào. Nhưng không ph i m i riboxom ñ u có kh năng t ng h p protein như nhau. Trong t bào ch kho ng 5 ÷10% riboxom trên toàn b riboxom c a t bào là tr c ti p tham gia t ng h p protein (riboxom ho t ñ ng). www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 12 Mezoxom : Là th hình c u, n m vách ngăn ngang và ch xu t hi n vi khu n khi phân chia t bào. Mezoxom có vai trò quan tr ng trong quá trình phân chia t bào. Các h t d tr n i bào : Trong t bào vi khu n thư ng g p m t s h t có hình d ng và kích thư c không gi ng nhau. Các h t này ñ i v i chúng như là các h t d tr , vì các h t này thư ng hình thành khi môi trư ng dinh dư ng d i dào, t bào t ng h p th a các ch t h u cơ. Ngư c l i các h t này ñư c s d ng khi ngu n dinh dư ng thi u. Các h t thư ng g p là: • Hydrat carbon (h t tinh b t, glycogen) khi tác d ng v i iot thì cho màu xanh, ñ ho c nâu, • Gi t m : m t s vi khu n có kh năng tích lũy các gi t m trong t bào. Các gi t m này xu t hi n nhi u khi nuôi c y vi khu n trên môi trư ng ch a nhi u ñư ng, glixerin hay các h p ch t carbon d ñ ng hóa, • Gi t lưu huỳnh : lo i này thư ng có trong các t bào vi khu n ch a lưu huỳnh. Nh ng gi t lưu huỳnh ñư c vi khu n lưu huỳnh s d ng làm ngu n năng lư ng khi ñã s d ng h t H 2S trong môi trư ng xung quanh (vì khi oxy hóa, H 2S s gi i phóng năng lư ng). • Volutin : tr m t s lo i vi khu n (như Mycobacterium ) là thư ng xuyên ch a h t volutin trong t bào giai ño n sinh trư ng cu i còn nói chung, vi khu n ch tích lũy volutin trong ñi u ki n dinh dư ng b t thư ng. Thành ph n c a h t volutin g m có lipoprotein, ARN, polyphosphat và ion magie. Ngoài các h t k trên trong t bào c a m t s vi khu n còn có "tinh th gi t côn trùng". 4, Nhân Nhân c a t bào vi khu n không phân hóa thành kh i rõ r t như các t bào b c cao. Ngày nay s hi u bi t v nhân vi khu n g n li n v i nh ng thành t u khoa h c trong lĩnh v c di truy n, và kính hi n vi ñi n t . Ngư i ta ñã xác ñ nh r ng c u trúc ch a ADN c a vi khu n chưa ph i là nhân th t s mà là th nhân. Th nhân ñư c coi như nhi m s c th c u t o b i s i ADN xo n kép r t dài. Nhi m s c th c a vi khu n có d ng hình tròn. c u khu n thư ng có m t nhân còn tr c khu n có th có hai hay nhi u th nhân. Th nhân vi khu n khác v i nhân th t ch chưa có màng nhân, th nhân c a vi khu n ti p xúc tr c ti p v i t bào ch t. Nhi m s c th ñ m nh n m i ch c www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 13 năng như c a nhân các t bào b c cao. E. coli ch a m t phân t ADN (m t nhi m s c th ) có d ng vòng tròn. M t s vi khu n có kh năng di ñ ng, cơ quan ñ di ñ ng là tiêm mao. Tiêm mao là nh ng s i nguyên sinh ch t r t m nh, chi u rông ch kho ng 0,01 ñ n 0,05 micron, con chi u dài thì thay ñ i tùy theo t ng ch ng lo i. 2.1.2.2. S sinh s n c a vi khu n Vi khu n thư ng sinh s n b ng con ñư ng vô tính: nhân ñôi t bào. S nhân ñôi t bào có nhi u ñi m gi ng s phân bào nguyên nhi m, nhưng vi khu n c u trúc nhân chưa hoàn ch nh nên trong quá trình phân bào cũng không x y ra m t cách hoàn thi n như sinh v t b c cao. Quá trình phân bào cũng ti n hành nhân ñôi nhi m s c th , phân chia th nhân, phân chia t bào ch t. Tuy nhiên s nhân ñôi nhi m s c th và phân chia mi n nhân không ph i luôn lúc nào cũng x y ra m t cách ñ ng th i v i s phân chia các ph n còn l i c a t bào. Vì v y có th g p m t s trư ng h p trong m t t bào có 1 ho c nhi u th nhân. S hình thành vách ngăn phân chia t bào làm ñôi thì vi khu n hình que và hình xo n vách ngăn hình thành theo b ngang c a t bào, còn c u khu n thì vách ngăn ñư c t o nên theo b t kỳ m t ñư ng kính nào. Ph n l n vi khu n sau khi phân chia các t bào con tách kh i nhau, nhưng m t s khác t bào con không lìa nhau mà x p thành chu i. S phân chia t bào vi khu n x y ra r t nhanh chóng ñ i v i m t s vi khu n c 20 ÷30 phút chúng l i phân chia m t l n. V i t c ñ sinh s n như v y, n u trong ñi u ki n r t thu n l i cho chúng trong kho ng th i gian 6 gi thì t m t t bào vi khu n có th t o thành 250.000 t bào. V i t c ñ sinh s n như v y cho nên chúng ta d dàng hi u vì sao ch có m t s lư ng nh vi khu n gây b nh xâm nh p vào cơ th mà ch ng bao lâu sau có th xu t hi n tri u ch ng b nh t t. Tương t v y n u s n ph m th c ph m b nhi m khu n thì cũng s nhanh chóng b hư. M t s nghiên c u cho th y th nh tho ng vi khu n có th có hi n tư ng gi ng như sinh s n h u tính. Khi ñó x y ra s liên k t gi a hai t bào và trao ñ i các nhân t di truy n. Các t bào vi khu n bình thư ng ñ u là ñơn b i. Khi sinh s n h u tính thì nhi m s c th t t bào ñ c m t ph n ho c toàn b chuy n sang t bào cái và k t qu là hình thành nên t bào lư ng b i. S phân li nhi m s c th ti p theo s d n t i s hình thành các t bào ñơn b i th h con. 2.1.2.3. Ph n ng c a vi khu n ñ i v i s thay ñ i c a môi trư ng www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 14 S hình thành bào t vi khu n ñư c nhi u nhà nghiên c u quan tâm. ða s các nhà nghiên c u cho r ng trong ñi u ki n b t l i như môi trư ng dinh dư ng c n ki t, nhi t ñ , pH không thích h p, môi trư ng tích lũy nhi u s n ph m có h i, vi khu n có kh năng hình thành bào t . Khi hình thành bào t , vi khu n s d ng m t ph n l n nguyên sinh ch t trong t bào. Lúc ñ u t bào ch t và ch t nhân t p trung l i m t v trí nh t ñ nh trong t bào. V trí này g i là vùng bào sinh, ñó t bào ch t b m t nư c t do và ñ c l i t o thành ti n bào t . Ti n bào t sau ñó ñư c bao b c b i các l p màng và b t ñ u khác t bào dinh dư ng. Ti n bào t phát tri n d n và tr thành bào t . M i t bào vi khu n ch có m t bào t . Trong r t ít trư ng h p (như xo n khu n Spirillum volutans ) có th th y trong t bào có t i hai ho c nhi u bào t . Bào t c a vi khu n không bao gi có ch c năng c a cơ quan sinh s n như c a nhi u lo i vi sinh v t khác. Bào t c a vi khu n có th gi ñư c s c s ng r t lâu, năm 1911 m t nhà sinh h c Liên xô (Omelianski) ñã tìm th y bào t vi khu n xác m t con voi mamut vùi sâu trong băng tuy t hàng nghìn năm. Bào t cũng có th ch u ñ ng ñư c khá cao các ñi u ki n b t l i c a ngo i c nh. Kh năng này không gi ng nhau ñ i v i t ng loài vi khu n. Ví d : bào t vi khu n gây ng ñ c th c ăn ( clostridium botulinum ) có th ch u ñư c nhi t 180 °C trong th i gian 10 phút, còn bào t Bac. subtilis nhi t ñ 100 °C có th ch u ñư c 180 phút. Mu n tiêu di t bào t vi khu n ph i kh trùng nhi t ñ 121 °C trong 20 phút (s c nóng ư t). Các bào t khi g p ñi u ki n thu n l i s n y m m và phát tri n thành m t t bào dinh dư ng m i. Ngày nay, có m t s tác gi cho r ng không th nói vì ñi u ki n b t l i mà t bào vi khu n sinh bào t vì ngư i ta tìm th y có m t s vi khu n cho bào t nhi u hơn trong ñi u ki n dinh dư ng thu n l i so v i ñi u ki n b t l i, cũng như tác ñ ng c a ñ thoáng khí, pH, nhi t ñ , ch t ñ c, ñ u không ph i là nguyên nhân tr c ti p. Do ñó v n ñ nguyên nhân và ý nghĩa c a vi c hình thành bào t v n còn là v n ñ tranh lu n. 2.1.2.4. Các vi khu n có l i và có h i cho con ngư i Vi sinh v t ñư c ñ c trưng b i s ph bi n r ng rãi và kh năng trao ñ i ch t ñ c bi t có hi u xu t cao. Vi c ng d ng vi sinh v t nói chung, vi khu n nói riêng ñã có t r t lâu. ñây chúng ta ñ c p ch y u là vi khu n, còn ph m vi ng d ng c a vi sinh v t thì r t r ng l n. 1, M t s vi khu n có l i cho con ngư i www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 15 Vi khu n ñư c ng d ng r ng rãi trong nghành th c ph m, trong y dư c và m t s ngành s n xu t công nghi p, sau ñây là m t s d n ch ng c th nêu lên nh ng ng d ng c a vi khu n: ð lên men lactic ngư i ta s d ng m t s ch ng như: Lactobacillus bulgaricus; L. delbruckii; L. brevis; Leuconostos mesenteroides, lên men lactic ñư c s d ng trong vi c s n xu t các s n ph m t s a (s a chua, váng s a, phomai) hay trong s n xu t các lo i th c ph m mu i chua. ð s n xu t d m (axit axetic) ngư i ta dùng vi khu n Acetobacter suboxydans ð i v i y h c các s n ph m lên men cũng ñóng vai trò quan tr ng, ñ c bi t là trong k ngh dư c. Vi khu n cũng ñư c s d ng ñ s n xu t m t s ch ph m như E. coli ñư c s d ng ñ s n xu t Asparaginaza là m t enzyme ñư c s d ng ñ kìm hãm m t s kh i u và b nh b ch c u. Leuconostos mesenteroides s d ng ñ s n xu t ch t thay th huy t tương (dextran). 2, M t s vi khu n có h i Vi khu n khi xâm nh p vào th c ph m c a ngư i và ñ ng v t s làm cho th c ph m nhanh chóng b h ng, vì như chúng ta ñã bi t vi khu n có m t t c ñ sinh s n r t nhanh chóng, ñi u ñó ch ng t r ng vi khu n s d ng ngu n dinh dư ng trong môi trư ng r t m nh, cho nên n u th c ph m b nhi m khu n thì s b phá h y nhanh chóng. Ví d : vi khu n Bacillus stearothermophilus là lo i thư ng làm h ng ñ h p. Bào t c a chúng có kh năng ch u nhi t cao nên n u kh trùng ñ h p không k thì bào t t n t i trong h p và sau ñó phát tri n làm ñ h p b hư h ng.Vì v y trong b o qu n lương th c và th c ph m ngư i ta thư ng tìm các bi n pháp ñ tránh s phá h y c a vi sinh v t nói chung và vi khu n nói riêng. Ngoài ra, m t s vi khu n là nguyên nhân gây ra m t s b nh cho ngư i và ñ ng v t khi chúng xâm nh p vào cơ th . Dư i ñây là m t s thí d c th v m t s vi khu n gây b nh: B nh b ch h u do vi khu n Corynebacterium diphtheriae ; b nh u n ván do tr c khu n Clostridium tetani ; tr c khu n Cl. botulinum thư ng gây ng ñ c th c ăn, ngoài ra m t s vi khu n như Staphylococcus aureus, Staph. emidermidis cũng là nh ng vi khu n gây ng ñ c th c ăn; b nh t do vi khu n Vibrio cholera ; b nh thương hàn do Salmonella, 2.1.3. C u trúc c a t bào eukaryot 2.1.3.1. C u trúc 1, Màng sinh ch t www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 16 M i t bào ñ u ñư c bao b c b i m t l p màng m ng, ñàn h i, l p màng này ti p xúc v i ch t nguyên sinh phía trong t bào. Gi ng như ph n vi khu n chúng ta ñã ñ c p ñ n các ch c năng c a màng sinh ch t. Nói chung v ch c năng thì màng sinh ch t c a t bào prokaryot cũng gi ng như t bào eukaryot. Màng t bào ñóng vai trò c c kỳ quan tr ng trong vi c ñi u ch nh thành ph n c a d ch n i bào, b i vì các ch t dinh dư ng cũng như các ch t th i ñi vào và ñi ra ñ u qua màng t bào. 2, Các t ch c bên trong t bào Trong màng t bào là ch t nguyên sinh. ðó là m t kh i ch t keo bán l ng ch a 80 ñ n 90% nư c. Trong t bào ch t có nh ng cơ quan ch c năng như: * M ng lư i n i ch t Hình 2 1: Lư i n i ch t và các vi th Là m t h th ng màng, nh ng màng c a lư i n i ch t g n ch t vào nhau t o thành các kênh ph c t p ñư ng kính g n 50 ÷100 nm. M ng lư i n i ch t thư ng có hai lo i là lo i trơn và lo i h t. Lo i trơn ch g m có m t lo i màng còn lo i h t màng c a chúng có nhi u riboxom là nơi t ng h p protein. Cùng m t t bào có th ch a m ng lư i n i ch t trơn ho c h t. Ch c năng c a m ng lư i trơn chưa ñư c bi t rõ, có th chúng tham gia vào quá trình t ng h p m t s ch t ñ c trưng c a t bào. * Riboxom V c u t o c a Riboxom gi ng như vi khu n mà chúng ta ñã ñ c p ñ n g m hai ti u ñơn v có h ng s l ng khác nhau. Riboxom ch a ARN Riboxom, protein, enzyme. ði m khác nhau gi a t bào prokaryot và eukaryot ch Riboxom t bào prokaryot thư ng n m trong t bào ch t ch không g n vào màng như t bào eukaryot. Riboxom ñư c t ng h p trong nhân và ñư c chuy n ra bào ch t, ñây, chúng th c hi n ch c năng c a mình. * Nhân www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 17 M i t bào thư ng có m t nhân, nhân có th hình c u ho c hình tr ng. Trong m t s t bào nhân thư ng có v trí nh t ñ nh gi a t bào, nhưng cũng có trư ng h p nhân không ñ nh v nh t ñ nh m t ch mà có th di ñ ng nên có th tìm th y nh ng v trí khác nhau. t bào eukaryot, nhân tách bi t v i t bào ch t b ng màng nhân. Màng nhân ñi u hòa s chuy n v n các ch t t nhân ñi ra t bào ch t và ngư c l i. Màng nhân ñư c c u t o t hai l p và có các l , qua ñó các ch t có th v n chuy n qua. Thành ph n chính c a nhân là các nhi m s c th chúng ñư c c u t o t ADN, protein. S lư ng nhi m s c th c ñ nh ñ i v i t ng loài sinh v t ví d : như ru i d m có 8 nhi m s c th (b n c p), ngư i có 46 nhi m s c th (23 c p), ngô 20 nhi m s c th (10 c p). T bào có hai b nhi m s c th hoàn ch nh g i là t bào lư ng b i (t c m i lo i có hai nhi m s c th gi ng nhau). T bào ch có m t b nhi m s c th (m i lo i ch có m t nhi m s c th ) g i là t bào ñơn b i. T bào ñơn b i thư ng là t bào gi i tính như tinh trùng, tr ng; th c v t như: ph n hoa, noãn hoa. Trong nhân có m t th hình tròn g i là h ch nhân (nhân con). ph n l n t bào, h ch nhân r t dao ñ ng, nó thay ñ i hình d ng, lúc xu t hi n, lúc bi n ñi (khi t bào chu n b phân chia). Trong nhân có th có m t s h ch nhân, nhưng thư ng thì t bào m i loài ñ ng v t, th c v t có s lư ng nhân con nh t ñ nh. Nhân con tham gia vào qúa trình t ng h p axit nucleic. N u phá h y h ch nhân b ng tia Rơngen ho c tia t ngo i thì s phân chia t bào b c ch . * Th Golgi Hình 2 2: B máy Golgi Là m t thành ph n c a t bào ch t, có trong h u h t các lo i t bào (tr tinh trùng và h ng c u) chúng có c u trúc m t h m ng lư i nh ng kênh ñư c lót b i các màng. Chúng thư ng n m c nh nhân và bao quanh trung t . Dư i kính hi n vi ñi n t , ph c h Golgi ñư c c u t o t các nhóm màng song song v i nhau, không có h t, nh ng ph n riêng bi t các kho ng gi a các màng có th ñư c kéo dài ra t o thành nh ng bóng nh . Theo m t s nhà nghiên c u thì ph c h Golgi dùng ñ b o qu n t m th i các ch t ñư c s n www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 18 xu t ra trong m ng lư i n i ch t, còn các kênh c a nó n i li n v i màng sinh ch t ñi u ñó làm cho vi c ti t nh ng s n ph m ñư c d dàng. * Ty th (Mitochondrie) Hình 2 3: C u t o ty th Ty th có kích thư c t 0,2 ñ n 5 micron, hình d ng c a chúng dao ñ ng t hình c u, hình que, hình s i. S lư ng ty th trong t bào có th khác nhau t vài ty th t i hàng nghìn. Ty th thư ng t p trung ph n t bào mà ñó s trao ñ i ch t di n ra tích c c nh t. Ty th ñư c bao b c b i l p màng kép, l p ngoài màng t o thành b m t nh n, còn l p trong có nhi u ph n l i ra ch y song song ăn sâu vào trung tâm ty th , ñôi khi ph n l i xu t phát t hai hư ng ngư c nhau k t h p v i nhau. Các n p l i g i là mao răng lư c, có ch a các enzyme tham gia vào h th ng chuy n v n ñi n t . Ch t l ng bên trong ty th là ch t n n ch a các enzyme c a chu trình Crebs. Ch c năng c a ty th là chuy n hóa năng lư ng thành d ng sinh h c có ích nên ngư i ta ñôi khi g i chúng là tr m năng lư ng c a t bào. Trong ty th còn có ADN c a ty th là ADN ngoài nhân. * L p th Là m t th nh t bào th c v t, ñó di n ra s t ng h p ho c tích lũy các ch t h u cơ. L p th quan tr ng nh t là l c l p có ch a clorofil làm cho cây có màu xanh và có vai trò quan tr ng trong quá trình quang h p. Dư i kính hi n vi ñi n t , l c l p ñư c c u t o t các màng x p song song khít ch t vào nhau. L c l p có th phân chia và l n lên thành các l c l p con. L c l p cũng là cơ quan có ch a ADN ngoài nhân. Ngoài l c l p ra còn có b ch l p là l p th không màu ch a tinh b t và các ch t khác; s c l p là l p th có ch a các s c t khác nhau làm cho hoa qu có màu s c. * Lisoxom Nhóm các bào quan có t bào ñ ng v t, có kích thư c g n như ty th nhưng kém v ng ch c hơn. Lisoxom ñư c gi i h n b i các màng, nó ch a nhi u lo i enzyme khác nhau có kh năng th y phân các thành ph n ñ i phân t c a t bào như polysaccharid, protein, axit nucleic. Khi t bào còn s ng, www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 19 các enzyme ñó ñư c ñi u ti t qua màng, ngư c l i khi t bào b ch t, màng Lisoxom b phá h y, nh ng enzyme ñó ñư c gi i phóng ra nên nó th y phân nhanh chóng các protein, polysaccharid làm t bào d b tiêu h y. * Trung t Trong t bào ñ ng v t và m t s th c v t b c th p có hai th nh nhu m màu m nh n m g n nhân g i là trung t . Trung t có vai trò m nh trong s phân chia t bào: khi b t ñ u phân chia hai trung t tách kh i nhau và chuy n v hai c c ñ i nhau c a t bào và gi a chúng hình thành thoi phân bào. Trung t có d ng hình tr , thành hình tr có x p 9 nhóm ng d c, m i nhóm g m 3 ng. Trong trư ng h p ñi n hình, hai trung t thư ng x p th ng góc v i nhau theo tr c tr d c. * Lông và roi Tương t như ph n vi khu n mà chúng ta ñã ñ c p t i, m t s ñ ng v t nguyên sinh (như trùng roi) cũng di chuy n nh tiêm mao. m t s sinh v t, tiêm mao còn có ch c năng n a là giúp cho cơ th bám ñư c t t trên b m t cơ ch t. ð ng v t b c cao có khuynh hư ng hình thành các mô (là m t nhóm hay m t l p t bào chuy n hóa như nhau cùng th c hi n m t ch c năng này hay khác), và ta cũng g p các bi u mô lông (bi u mô là mô là mô x p thành t ng l p ph ngoài thân th ho c m t trong xoang thân th ). Trên b m t t do c a bi u mô lông có r t nhi u lông b ng ch t nguyên sinh c c nh g i là tiêm mao, s chuy n ñ ng nh p nhàng c a chúng làm cho các ch t trên b m t t bào chuy n ñ ng theo m t hư ng. ngư i và ñ ng v t, ph n l n ng hô h p có lo i bi u mô lông này, nh ng lông c a nó dùng ñ lo i tr các h t b i và các v t l khác. 2.1.3.2. Nư c, hàm lư ng và tr ng thái c a nư c Nư c là thành ph n quan tr ng không th thi u ñư c c a t bào. Trong t bào, hàm lư ng c a nư c thư ng trên 60% m t s lo i lên t i 90% nư c trong t bào như: ngư i 58 ÷60% ; s a 96 ÷99% ; rau qu 80 ÷94% ; n m men 54 ÷83% ; vi khu n 75 ÷88%. Nư c ñóng vai trò quan tr ng trong t bào nư c ñóng vai trò là ch t ph n ng vì nó tham gia hàng lo t các ph n ng sinh hóa như ph n ng th y phân, ph n ng t ng h p, ph n ng oxyhóa kh , Nư c v a là dung môi, môi trư ng mà ñó di n ra vô vàn ph n ng sinh hóa, Nư c tham gia hàng lo t nh ng quá trình s ng căn b n như tiêu hóa, hô h p, bài ti t, quang h p, * C u t o phân t nư c www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 20 a, Góc gi a 2 liên k t OH b, C u trúc c a ñám mây ñi n t c a phân t nư c Hình 2 4: Sơ ñ c u trúc ñám mây ñi n t C u t o phân t nư c ñơn phân là m t tam giác cân, ñ nh là nguyên t oxy, hai góc c a ñáy là hai proton, góc gi a hai liên k t O −H b ng 104,5º . ð dài gi a h t nhân c a nguyên t oxy và hydro trong liên k t OH b ng 0,96Å ( 0,96 x 10 7 mm). Trong nư c, ngoài các phân t nư c ñơn gi n còn ch a các phân t nư c liên h p, ñư c bi u di n b ng công th c t ng quát [H 2O]x giá tr x luôn luôn thay ñ i tùy thu c vào tr ng thái c a nư c. Khi ñun nóng s liên h p c a các phân t nư c b phá h y và khi nhi t ñ ñ t 100ºC thì h u h t các phân t nư c t n t i dư i d ng ñơn phân. Nguyên nhân cơ b n c a s hình thành nh ng liên h p phân t nư c là do liên k t hydro t o thành gi a hai phân t nư c. * Tr ng thái c a nư c trong t bào Nư c trong t bào t n t i dư i hai d ng chính là nư c t do và nư c liên k t. Trong nhóm nư c liên k t thì ngư i ta th y cách th c và m c ñ liên k t c a chúng cũng khác nhau. Có th phân chia các tr ng thái c a nư c như sau: 1, Nư c c u trúc Nư c liên k t v i các h p ph n h u cơ c a t bào b i các c u hydrogen. Lo i nư c này không ñóng vai trò như dung môi ho c tác nhân ph n ng. S lư ng c a lo i nư c này bé và không th tách ra mà không làm thay ñ i c u hình c a h p ch t h u cơ (ví d như protein). 2, L p nư c ñơn phân t Nư c này b h p ph trên b m t c a các phân t mang ñi n tích (ví d như protein) vì, như chúng ta ñã bi t: phân t nư c là m t phân t lư ng c c. Nư c này thư ng không có kh năng ho c r t ít kh năng ñóng vai trò như là dung môi. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 21 Nư c c u trúc và nư c ñơn phân t thư ng không ñông ñ c khi h nhi t ñ th p. 3, Nư c mao qu n Lo i này n m trong các mao qu n hay gi a các phân t protein g n nhau trong t bào. nư c này có kh năng ñóng vai trò như dung môi và ch t ph n ng, nư c này có th tách ra kh i các mao qu n c a chúng, nhưng c n có năng lư ng l n. 4, Nư c hydrat hóa Lo i này góp ph n t o c u hình protein, lo i này khó xác ñ nh hàm lư ng c a chúng vì nó n m trong ph n c u trúc. 5, Nư c hydrat hóa th y ñ ng h c Bao b c xung quanh các phân t h u cơ, nư c này ñư c xem như nư c t do. Tuy nhiên, s phân chia như trên cũng ch là tương ñ i vì ranh gi i c a các tr ng thái nư c khác nhau không th c ñ nh m t cách chính xác và ph thu c nhi u vào ñi u ki n ngo i c nh c a môi trư ng và tr ng thái c a t bào. 2.2. MÀNG T BÀO Màng t bào có tác d ng bao b c, che ch cho t bào và làm cho t bào có hình d ng nh t ñ nh. các lo i sinh v t ñơn bào thì màng t bào là ranh gi i gi a t bào v i môi trư ng bên ngoài, nó ti p xúc tr c ti p v i môi tru ng. Màng t bào ñóng vai trò quan tr ng trong quá trình trao ñ i ch t gi a t bào v i môi trư ng. Ph n l n t bào eukaryot có các c u trúc dư i t bào như lysoxom, th Golgi, ty th , m i m t ti u th như v y ñ u có m t màng riêng ngăn cách, còn t bào prokaryot h th ng màng ch y u là màng t bào và màng sinh ch t. Thành ph n chính c a màng t bào là lipit, protein và polysaccharid. T l gi a chúng thay ñ i tùy thu c vào ch ng lo i màng và ch ng lo i vi sinh v t. Polysaccharid thư ng liên k t v i protein t o thành glycoprotein ho c liên k t ñ ng hóa tr v i lipit t o thành lipopolysaccharid . 2.2.1. N n t ng lipit c a màng Lipit có trong thành ph n màng t bào ch y u là phospholipit, ngoài ra còn có lipit trung tính, glycolipit và ñ c bi t là trong màng t bào ñ ng v t còn có cholesterol. * Phospholipit www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 22 Nhóm ñ u c c Chu i hydrocacbon Hình 2 5: Phospholipit Phospholipit là lo i h p ch t có phân t lư ng c c. ñ u có nhóm phosphat và các g c ñính ph khác là ñ u c c hóa và ưa nư c còn ñ u ch a g c carburhydro không phân c c và k nư c. Chính c u trúc phân t ñ c bi t như v y nên khi cho phospholipit vào trong nư c thì ta th y ch có m t ph n r t nh phospholipit t n t i d ng ñơn phân t , còn ph n còn l i chúng t o thành l p phospholipit ñơn phân t trên b m t c a nư c v i ñ u ưa nư c hư ng vào nư c, t o thành các micelle và ñ c bi t là chúng t o thành các ''bong bóng" v i l p màng phospholipit hai l p. * T m phospholipit 2 l p [Hình 2 6] T m phospholipit hai l p g m hai l p phân t , ñ u không phân c c c a hai l p phân t phospholipit hư ng vào nhau còn ñ u phân c c c a hai l p quay ra ngoài. S hình thành t m phospholipit là m t ñ c tính c a phospholipit mà chúng ta ñã ñ c p trên ñây. S có m t c a t m phospholipit 2 l p là m t ñi m ñ c trưng c a màng t bào. Th c ra thì màng không có c u trúc ñ ng b như v y, ngày nay ngư i ta ñã ch ng minh r ng trên màng còn ch a protein, enzyme và m t s ch t làm ch c năng v n chuy n. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 23 Protein ngoài Nhóm có c c G c carburhydro 40 Å OH OH OH OH OH OH Hình 2 6: T m Phospholipid 2 l p 2.2.2. C u trúc c a màng sinh ch t Màng sinh ch t có c u t o ba l p, ngoài cùng và trong cùng là hai l p protein còn gi a là t m phospholipit hai l p . Hi n nay nhi u nhà nghiên c u cho r ng màng sinh ch t có c u t o kh m, các kh i protein n m xen vào gi a màng phospholipit hai l p. ð c bi t trên màng sinh ch t có lo i protein enzyme có tác d ng ch ñ ng v n chuy n các ch t qua màng t bào g i là permease. Theo gi thuy t c a m t s tác gi thì t i v trí có phân t permease, các phân t phospholipit s hư ng ñ u ưa nư c vào nhau ñ t o thành l h ch a phân t permease này. màng sinh ch t còn có h th ng s i nâng ñ . Các s i này có c u trúc r t m nh v i ñư ng kính kho ng 50Å, các s i này ñư c c u t o t nh ng t bào s i tương t như actin trong các cơ b p ñ ng v t. H s i nâng ñ này có hai d ng: d ng lư i các s i liên k t v i nhau t o thành d ng m ng như lư i n i v i miosin và tropomiosin c a sinh ch t; d ng bó t n t i t ng nhóm ch y sát phía dư i thành sinh ch t. C hai d ng này ñ u làm ch c năng nâng ñ c a màng sinh ch t và ñóng vai trò quan tr ng trong quá trình co, giãn (kh năng bi n d ng) c a màng t bào. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 24 t bào eukaryot (ví d như t bào n m men) còn có màng t bào. Màng t bào vi khu n chúng ta ñã xét ph n trên, ñây chúng ta xét c u trúc màng c a t bào eukaryot. Hình 2 8 bi u di n mô hình c u t o màng c a t bào eukaryot. M t ngoài cùng nơi ti p xúc v i môi trư ng là l p oligo ho c polysaccharid , polysaccharid này liên k t v i protein ho c lipit màng t o thành glycoprotein và glycolipit, nên chú ý là ph n polysaccharid luôn luôn hư ng ra ngoài môi trư ng ch không ph i m t ti p xúc v i nguyên sinh ch t . Gèc ®−êng Glycoprotein Glycolipid Hình 2 7: Mô hình c u t o màng c a t bào eukaryot Khi th y phân glycoprotein và glycolipit c a màng t bào eukaryot ngư i ta nh n ñư c m t s lo i ñư ng ñơn gi n sau: mannose, galactose, glucose, glucosamin, galactosamin và axit sialic. L p ti p theo là t m lipit hai l p, trong ñó có các phân t protein. 2.2.3. Tương tác gi a t bào v i môi trư ng qua màng t bào Màng t bào là b ph n liên h tr c ti p gi a t bào v i môi trư ng xung quanh (ñ i v i các th ñơn bào). M i thông tin như s thay ñ i pH, nhi t ñ , s thay ñ i thành ph n dinh dư ng, t bào ti p nh n ñư c ñ u qua màng t bào. Trong s trao ñ i v t ch t gi a t bào và môi trư ng, màng t bào có kh năng h p th ch n l c, nghĩa là nó có th cho ho c không cho m t s ch t ñi vào t bào và ñi ra kh i t bào. Các ch t dinh dư ng, nư c ñi t môi trư ng vào t bào và các ch t th i ñư c ñưa ra kh i t bào. Ngoài ra gi a t bào v i môi trư ng còn có s trao ñ i khí, s trao ñ i này cũng thông qua màng t bào. Ví d : t bào da ch có kh năng h p th O 2 và th i CO 2, khi g p ti t tr i nóng, da khô l i và s hô h p cũng d ng l i; hay t bào ph i cũng làm ch c năng hô h p t c trao ñ i khí v i môi trư ng. 2.2.4. S v n chuy n c a các phân t ñi ra và vào t bào 2.2.4.1. S th m th u và áp su t th m th u www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 25 Nh ng ch t trao ñ i gi a t bào và môi trư ng thư ng hòa tan trong nư c. Do s chênh l ch v n ng ñ mà nư c có th và các ch t hòa tan có th th m qua màng t bào. Hi n tư ng này x y ra nh áp xu t th m th u. ð hi u rõ hơn ta xét ví d sau ñây: 1, Phân bi t các lo i màng • Màng th m: Màng có h th ng l mà b t kỳ ch t nào cũng qua ñư c. • Màng không th m: Không cho b t kỳ ch t nào ñi qua. • Màng bán th m: Ch cho m t s ch t ch không ph i t t c . Màng t bào thu c vào lo i màng bán th m. 2, Chu n b thí nghi m L y m t cái túi colodion (có các l màng không quá nh ñ phân t ñư ng và nư c có th ñi qua ñư c) ñ ng ñ y dung d ch ñư ng 5% và ñ vào c c nư c, sau m t th i gian ñư ng trong nư c bao quanh túi s b ng n ng ñ ñư ng trong túi. ði u ñó ch ng t ñư ng trong túi ñi qua màng túi vào c c và nư c t c c ñi vào trong túi. N u l y m t túi khác có kích thư c l nh ch cho nư c ñi qua mà không cho phân t ñư ng qua ñư c sau ñó ta cũng ñ dung d ch ñư ng 5% vào và c t mi ng túi vào m t ng th y tinh và cho vào c c nư c. Sau m t th i gian ta th y nư c dâng lên c t th y tinh (Hình 2 8). S khuy ch tán như v y c a các phân t nư c hay c a dung môi nào khác qua màng g i là th m th u. M c nư c trong ng th y tinh s dâng lên cao ñ sao cho áp su t do c t nư c trong ng gây ra b ng v i l c b t nư c ñi vào trong túi. Áp xu t c a c t nư c ñư c dùng làm m c ño áp su t th m th u. S th m th u x y ra khi có s chênh l ch v n ng ñ gi a dung d ch trong và ngoài màng. S khu ch tán c a các phân t ch t hòa tan qua màng bán th m còn g i là s th m tích ; còn s khu ch tán c a các phân t dung môi qua màng bán th m g i là th m th u. Màng t bào ho t ñ ng như m t màng bán th m. Khi cho t bào vào ch t l ng có cùng áp su t th m th u như trong t bào thì nư c không ñi vào và ñi ra kh i t bào vì v y t bào không b ph ng lên mà cũng không b co l i, ch t l ng như v y g i là ch t l ng ñ ng trương. Dung d ch mu i ăn 0,85% là ñ ng trương so v i t bào c a ngư i và m t s ñ ng v t (dung d ch sinh lý). 3, Thí nghi m bi u di n áp su t th m th u A ð dung d ch ñư ng 5% vào túi làm b ng màng bán th m (xenlofan) treo trong nư c. Các ph n t nư c khuy ch tán vào túi làm cho c t nư c trong www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 26 ng th y tinh dâng lên cao. Các ph n t ñư ng l n hơn, và vì v y, không th ñi qua màng xenlofan. B Khi ñ t cân b ng, áp su t c a c t nư c trong ng b ng ñúng v i áp su t th m th u c a dung d ch ñư ng và dùng làm m c ño áp su t y. Hình 2 8: Mô hình bi u di n áp su t th m th u 4, S khu ch tán Chúng ta ñ u bi t các phân t ch t l ng, r n, khí ñ u luôn chuy n ñ ng. S sai khác nhau gi a ba tr ng thái r n, l ng, khí ñư c xác ñ nh b i b c t do chuy n ñ ng gi a các phân t . Các phân t ch t l ng và khí chuy n ñ ng m nh hơn so v i ch t r n, do s chuy n ñ ng như v y mà s phân b c a các ch t trong ch t l ng và ch t khí sau m t th i gian s ñ t tr ng thái cân b ng. S khu ch tán có nghĩa là s chuy n d ch c a các phân t theo t t c các hư ng, n u dung d ch có s chênh l ch n ng ñ thì sau m t th i gian s ñư c phân b ñ u. Có th hi u nôm na s khu ch tán là s phân b các phân t t nơi có n ng ñ cao ñ n nơi có n ng ñ th p hơn, do chuy n ñ ng nhi t c a chúng gây ra. Các ch t khác nhau cùng trong m t dung d ch khu ch tán không ph thu c vào nhau. Th m tích và th m th u ch là hai d ng ñ c bi t c a khu ch tán. 2.2.5. S v n chuy n có ch n l c c a các phân t 2.2.5.1. S khu ch tán có ch n l c Như chúng ta ñã ñ c p ph n trên ñây r ng t bào có kh năng ti p nh n và ñào th i m t cách có ch n l c các ch t. ð c tính ch n l c này chính www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 27 là c a màng t bào, vì t t c s trao ñ i ñ u qua màng. Ngày nay ngư i ta cho r ng s ch n l c này là do: 1, Kích thư c ñư ng kính l c a màng Nh ng ch t ñi qua màng ñư c là nh ng ch t có ñư ng kính các phân t tương quan v i ñư ng kính l c a màng. Ví d t bào qu n c u th n c a các loài thú có ñư ng kính l t 18 ÷50Å nên nó không ñ l t t máu vào nư c ti u các phân t protein có kh i lư ng quá 40.000 Dalton. Nhưng l màng c a qu n c u th n c a chu t ñ ng là 60 ÷70Å nên nó cho qua các phân t protein có kh i lư ng 60.000 Dalton. 2, Ch t v n chuy n Trên màng có ch a các ch t làm nhi m v v n chuy n. Các ch t này có kh năng ti p nh n m t cách có ch n l c. 3, S v n chuy n tích c c S khuy ch tán lý h c, các ch t hòa tan ñi t nơi có n ng ñ cao ñ n nơi có n ng ñ th p. ð i v i các t bào s ng s h p th và th i m t s ch t có th ngư c l i v i d c n ng ñ , t c là các ch t có th ñi t nơi có n ng ñ cao sang nơi có n ng ñ th p ví d th n n ng ñ urê trong nư c ti u ñ m ñ c g p 65 l n trong máu, n ng ñ phosphat g p 16 l n trong máu, nhưng các ch t y v n th m t máu vào qua màng t bào vào nư c ti u; còn t i ng th n tuy n ng ñ glucose th p hơn máu, nhưng glucose v n ñư c thu h i l i, t c là th m qua màng t bào ñ vào máu. Như v y màng t bào s ng có th ch ñ ng v n chuy n m t s ch t ngư c chi u v i s khu ch tán lý h c. ðó là kh năng ho t t i c a màng t bào. Màng t bào còn có th th c hi n s trao ñ i ch t nh s bi n d ng tích c c c a nó. ð i v i m t s ch t (th c ăn) có kích thư c l n không l t qua các l màng ñư c thì t i nơi ti p xúc v i chúng thì màng t bào lõm vào t o thành túi b c l y chúng và sau ñó khép l i t o thành không bào ch a ch t l y vào. T bào s ti t enzyme ñ phân h y ch t l y vào thành ph n nh và h p th qua màng. 2.2.6. S ti p nh n thông tin qua màng t bào Nh ng sinh v t ñơn bào như vi khu n, n m men, thì t bào liên h tr c ti p v i môi trư ng, m i thông tin ñư c ti p nh n qua màng t bào, nhưng s ph n ng c a chúng ñ i v i nh ng bi n ñ i y u t, th ñ ng vì chưa có s phân hóa v ch c năng như nh ng sinh v t ña bào. sinh v t ña bào s liên h gi a t bào v i môi trư ng xung quanh và v i nh ng t bào www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 28 khác trong cơ th c n thi t có nh ng mô chuyên hóa ñ ti p nh n và d n truy n các tín hi u thông tin (mô th n kinh). Nh ng kích thích ñư c các t bào th n kinh ti p nh n và truy n v h th n kinh trung ương, ñ ng th i t bào th n kinh cũng d n truy n nh ng tín hi u ph n x c a h th n kinh trung ương. Quá trình ti p nh n và d n truy n các tín hi u thông tin ñ u có s tham gia tr c ti p c a màng sinh ch t c a t bào th n kinh. Màng t bào th n kinh có tính th m ch n l c ñ i v i ion K + và Na + (màng t bào d cho ion kali ñi qua hơn Na). Khi có s chênh l ch v n ng ñ ion gi a trong và ngoài màng thì s có m t th năng ñi n hóa. (Cơ ch c a quá trình ti p nh n và d n truy n các xung ñ ng dư i d ng sóng c a m t chu i quá trình c c hóa c a màng). 2.3. PROTEIN VÀ VAI TRÒ C A PROTEIN ð I V I S S NG Protein là nh ng ch t có trong cơ th s ng, có tr ng lư ng phân t l n, chúng ñư c t o thành t axit amin và không hòa tan trong dung d ch axit Tricloaxetic 10%. Là v t ch t cơ b n nh t c a t bào. Làm nhi m v xúc tác ñ c bi t cho cơ th s ng. Protein là nh ng c u t quan tr ng nh t v m t s lư ng c a t t c các cơ th s ng, ñ c bi t là cơ th có t ch c cao. Trong các mô c a ñ ng v t có vú, Protein chi m 10 ÷20% còn Gluxit và Lipit ch chi m 1 ÷5%. Protein có nhi u ñ c tính không có b t kỳ h p ch t h u cơ nào như tính ña d ng v m t c u trúc, tính ñ c hi u lo i r t cao, kh năng ph n ng l n, kh năng thích ng ñ i v i tác d ng c a môi trư ng ngoài và tái l p tr ng thái ban ñ u khi ng ng tác d ng → Chính nh ng ñ c tính này ñ m b o ch c năng '' cơ s s s ng '' c a Protein. Protein r t khác nhau v c u trúc, tính ch t và ñ c bi t là vai trò sinh lý, trong cơ th Protein là: 1 ch t t o hình ñ t o thành các mô, 2 là ch t xúc tác (enzyme), 3 là kháng th , tham gia t o thành các hocmôn , ñi u hòa qúa trình s ng. Trong t t c các Protein ñ u có ch a 4 nguyên t C, H, O, N ngoài ra còn m t s lư ng r t ít S, Fe, Cu, 2.3.1. C u t o c a phân t Protein www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 29 Khi th y phân Protein ví d như ñun sôi chúng v i axit ho c ki m ho c cho th y phân b ng các Enzyme ch y u là 20 axit amin (có 80 axit amin trong t nhiên) và 2 amit. Th y phân b ng axit, ví d : HCl 6N, H 2S0 4 s làm phân h y m t s axit amin, ch y u là Triprophan. ð c bi t, khi th y phân các Protein có ch a Gluxit s t o thành s n ph m ph có màu nâu ñ m g i là Humin là ch t có th liên k t 1 ph n v i các axit amin. Th y phân b ng ki m, gi ñư c Triprophan nhưng nhi u axit amin b racemic hóa t c là s chuy n t d ng L sang d ng D, vì v y, th y phân b ng Enzymin là ưu vi t nh t. Axit amin là d n xu t c a axit caboxylic trong ñó 1 ho c 2 nguyên t hydro c a g c Alcyl ñư c thay th m i nhóm amin Công th c t ng quát: R CH COOH NH 2 Trong phân t c a m t s axit amin, ngoài nhóm −NH 2 và −COOH còn có ch a các g c Hydroxil (−OH ), g c Phenil (C6 H5 ), g c Thiol (−SH ). Trong 20 axit amin và 2 amit thư ng g p trong thành ph n c a Protein có 10 axit amin không thay th : Leucine (Leu.); Izoleucine (Ileu.); Methionine (Met.); Valin (Val.); Lysine (Lys); Threonine (Thr.); Phenylalanine (Phe.); Tryptophan (Try.), • Các axit amin này trong cơ th ngư i và ñ ng v t không t t ng h p ñư c mà ph i thu nh n qua ñư ng th c ăn ñ i v i các cơ th tr ñang phát tri n còn có Arginine (Arg) và Histidine (His), • S còn l i là các axit amin có th thay th ; t c là cơ th ngư i và ñ ng v t có th t t ng h p ñư c: Glycine (Gly. ); Alanine ( Ala. ); Serine ( Ser. ); Cysteine (Cys. ); Glutamine ( Glu. ) Aspactic ( Asp .); Tyrosine ( Tyr .); Proline ( Pro .); Cystine ; Hydroxy proline; Asparagin ( Asp −NH 2 hay Asn .); Glutamine (Glu −NH 2 hay Gln .). 2.3.2. C u trúc phân t Protein Hi n nay ngư i ta phân bi t 4 b c c u trúc c a phân t Protein khác nhau b i m c ñ ph c t p và d ng liên k t trong n i t i phân t c a chúng. 2.3.2.1. C u trúc b c 1 Nh ng công trình nghiên c u cho th y r ng, m t Protein nh t ñ nh c a cùng m t lo i th s ng ñư c t o nên t nh ng axit amin như nhau và trong phân t c a Protein, ñó trình t k t h p c a các axit amin là hoàn toàn xác ñ nh . www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 30 Các phân t Protein ñ u là các Polypeptit do hàng ch c, có khi hàng trăm phân t axit amin k t h p v i nhau b ng liên k t Peptit. Liên k t Peptit ñư c t o thành do k t qu tác d ng c a nhóm cacboxyl c a axit amin này v i nhóm amin c a axit amin khác. Ví d : CH O H CH 3 3 H o NH Ch COOH NH CH COOH 3 NH Ch C N Ch COOH 2 2 2 2 2 Glyxin Alamin Glyxilalamin Dipeptit này có th tác d ng v i 1 axit amin th 3 n a t o thành m t Tripeptit, sau ñó v i axit amin th 4, th 5, ñ t o thành các Peptit tương ng: Tetrapeptit pentapeptit, g i là Polypeptit. V nguyên t c g i tên như sau: Tên các axit amin có nhóm Cacboxyl tham gia ph n ng v n cu i ñ u ñư c ñ i thành " il ", còn axit amin có nhóm Cacboxyl không tham gia ph n ng gi nguyên tên g i: Glyxin + Alamin → Glyxil alamin Alamin + Glyxin → Alamil glyxin Ta th y axit amin có th k t h p theo nhi u cách ñ t o thành các peptit. Trên nguyên t c: n u có n− axit amin s có n− cách k t h p và d n ñ n ta có n− ñ ng phân . M ch polypeptit là d ng c u trúc ñ u tiên và ñư c g i là c u trúc b c I c a phân t protein. Qua k t qu c a nhi u nghiên c u cho th y r ng: nh ng axit amin có 2 nhóm NH 2 → thì ch có nhóm NH 2 trong liên k t peptit là nhóm α amin. Thành ph n c a protein và trình t các axit amin k t h p v i nhau b ng liên k t peptit trong nó ñư c g i là c u trúc b c I . ð xác ñ nh c u trúc b c I c a m t protein, ngư i ta dùng tripxin ñ th y phân (vì nó phân gi i các liên k t peptit nh t ñ nh) sau ñó → s c ký và ñi n di ñ có ñư c các v t phân b m t cách ñ c trưng cho m t protein (fingerprint). Vì liên k t peptit luôn luôn ñư c t o nên gi a nhóm α−amin và nhóm cacboxil ñ ng c nh nên trong m i chu i polypeptit có tr c c t như nhau trong protein. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 31 Các chu i polypeptit c a nh ng protein khác nhau ch khác nhau tính ch t c a g c R g n v i tr c c t c a chu i polypeptit. Khi nghiên c u c u trúc, tinh th c a các axit amin và peptit cho th y kích thư c c a nhóm peptit ch a m t s α−amin như nhau thì g n như b ng nhau không k là nó ñư c t o thành b i các axit amin nào. K t qu xác ñ nh kho ng cách gi a các g c hóa tr gi a các nguyên t C, H, O, N như sau: H R2 {H} O H R2 N N1,47 Å N N1,47 Å CH 123°C 114°C CCCCCC1,53 Å 1,32 Å 1,47 Å 1,53 Å 1,24 Å 1,24 Å H O R1 { } OH R1 ð dài 1,24 Å gi a C O → l n hơn bình thư ng ( 1,21 Å ) O ð dài 1,32 Å gi a N C → nh hơn bình thư ng ( 1,47 Å ) ðó là k t qu c a hi n tư ng h bi n d n t i thành d ng enol (kho ng 40%) c a liên k t peptit: C N C N O H OH Nhóm peptit có th t n t i dư i 2 d ng ñ ng phân "cis" và "trans": O O O H CCNN CC trans H cis C Vì v y, trong protein thư ng ch t n t i d ng " trans " ( b n ). 2.3.2.2. C u trúc b c II H u như t t c các axit amin ñ u ch a nguyên t cacbon b t ñ i nên các g c axit amin có kh năng quay t do quanh m i liên k t v trí α. K t qu làm cho m ch polypeptit có khuynh hư ng hình thành c u trúc xo n. Trong vi c hình thành c u t o xo n c a m ch polypeptit thì liên k t hydro gi m t vai trò quan tr ng gi a hai nhóm: www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 32 O H C và N N H ••••• O C T nh ng nghiên c u trên, Pauling và Kory (1955) ñã ñ xu t ra m t mô hình c u t o xo n α c a các m ch polypeptit. Lý thuy t này ñư c ch ng minh tr c ti p và ñư c th a nh n r ng rãi. 5 Theo thuy t ñó thì: • M i vòng xo n g m 3,6 g c axit 4 amin ; • 5 vòng xo n bao g m 18 g c axit 27 Å amin; 3 18 gèc • Kho ng cách gi a 2 vòng xo n là 5,4Å (1,5Å cho m i axit amin); 2 • ðư ng kính trong là: 10,1Å; 5,4 Å Các g c bên c a các axit amin không 1 3,6 gèc tham gia tr c ti p và vi c t o thành m ch polypeptit ñ u hư ng ra ngoài. 10,1 Å Ch ng minh cho s t n t i c a liên k t hydro : ðun nh → d n ñ n m t nh ng tính ch t sinh h c ban ñ u m c dù nh ng tác ñ ng này không gây nh ng bi n ñ i trong liên k t peptit hay trong c u disulfit (do làm ñ t liên k t hydro). S t n t i c a liên k t hydro ñư c xác nh n nh ngư i ta phát hi n ñư c r ng: protein có th b bi n tính b ng nh ng ch t mà b n thân chúng r t ñ dàng t o nên liên k t hydro. Ngay nhi t ñ r t th p ñã có th làm bi n tính nhi u protein mà không gây nh ng bi n ñ i trong các liên k t ñ ng hóa tr . 1, Tương tác k nư c trong Protein Trong th i gian g n ñây ngư i ta cho r ng các l c liên k t trong lòng protein xu t hi n không nh ng ñư c hình thành b ng liên k t hydro mà còn nh s tương tác c a các nhóm k nư c. Ngư i ta tìm th t r ng các axit amin c a phân t hemoglobin có các g c k nư c như valine, leucine, phenylalanine ñư c phân b trong lòng www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 33 phân t còn các axit amin phân c c ñư c phân b trên b m t, vì v y các tương tác k nư c chính có vai trò quan tr ng trong vi c duy trì c u trúc không gian c a phân t protein. 2, C u trúc b c 3 Khi nghiên c u c u trúc phân t c a m t s protein d ng hình c u như albumin c a huy t thanh, Hemoglobin, ngư i ta th y n u ch d a vào thuy t c u t o xo n thôi thì chưa gi i thích ñư c. Ví d : Phân t albumin → ðư c t o nên b i 600 g c axit amin, n u d a theo lý thuy t c u t o xo n thì ñ dài m i axit amin là 1,5Å → 1,5Å x 600 = 900Å, ñư ng kính trong c a c u t o xo n là 10,1Å, → Như v y, s li u tính theo lý thuy t t l tr c l n trên tr c nh s là: 900/ 10,1 = 90 → nhưng trên th c t ch có 4, ñi u ñó cho th y phân t có c u trúc d ng c u Như v y : S s p x p không gian c a nh ng ph n xo n và vô ñ nh hình c a m ch polypeptin theo m t tr t t nh t ñ nh ñ t o thành d ng c u ñư c g i là c u trúc b c III c a phân t protein. Các phân t có c u trúc b c III: Albumin, Mioglobin, Kimotrip xinogen, Ribonucleaza. 3, C u trúc b c 4 K t q a nghiên c u c a nh ng năm g n ñây cho th y, ngoài c u trúc b c 3, nhi u Protein còn có c c u trúc b c 4. C u trúc b c 4 c a phân t Protein là do hai hay nhi u ti u ñơn v có c u trúc b c 3 k t h p t o thành. Ví d : Hemoglobin, phân t c a nó ñư c hình thành t 4 ti u ñơn v , 2 m ch α và 2 m ch β hay insulin (2 ti u ñơn v ), pepxin, aminlaza (12 ti u ñơn v ). C u trúc b c 4 ñư c hình thành và n ñ nh nh các l c tương tác gi a các nhóm bên phân b trên b m t c a các ti u ñơn v protein hình c u, như các liên k t hydro, liên k t "Van der walls", tĩnh ñi n, C u trúc b c cao là m t trong nh ng ñ c ñi m phân bi t protein v i các h u ch t h u cơ khác. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 34 2.3.2. M t s tính ch t ñ c trưng c a axit amin 2.3.2.1. Tính ch t 1, Khi k t tinh cho tinh th màu tr ng, b n nhi t ñ 20 ÷25ºC. 2, Tính tan trong nư c c a chúng r t khác nhau, tan t t nh t là Proline kém nh t là Tyrosine và Cysteine. S có m t c a mu i nh hư ng ñ n tính tan c a axit amin trong nư c. Nhi u axit amin tan t t hơn khi thêm 1 lư ng nh mu i, nhưng k t t a khi tăng m nh l c ion c a d ng dung d ch. 3, ða s các axit amin b n trong dung d ch axit m nh tr Triptophan b phân h y hoàn toàn và các axit amin có ch a lưu huỳnh như Cysteine Cystin và ch a nhóm −OH như Serine,Threonine s b oxy hóa t 10 ÷30%. Trong dung d ch ki m m nh (NaOH : 4 8N) thì các axit amin ch a nhóm OH (Serine, Treomine) b deamin hóa, các axit amin ch a nhóm lưu huỳnh như Cysteine, Cistin b phá h ng, Arginine b phân h y và ña s các axit amin b Raxemic hóa, nghĩa là chuy n t d ng L sang d ng D. Dư i tác d ng c a ki m x y ra s chuy n bi n thu n ngh ch c a nhóm Caboxyl thành d ng enol d n t i làm m t tính b t ñ i c a nguyên t Cabon −α qúa trình ñi có th bi u di n như sau: NH 2 NH 2 OH H RCCC COOH RRC COOH H H OH NH 2 4, Tính ho t quang: Tr Glycine, còn t t c các axit amin khác ñ u là ch t ho t quang, có th t n t i dư i 2 d ng ho t ñ ng quang h c d ng D và d ng L. Ch t chính dùng ñ xác ñ nh d ng c a các phân t là L −serine, có c u trúc không gian gi ng c u trúc không gian c a L −aldehyt glyxerinic, d ng D và d ng L ñư c bi u di n như sau: D ng D D ng L M t s các axit amin có 2 nguyên t Cacbon b t ñ i, chúng có 4 ñ ng phân quang h c, trong trư ng h p này ký hi u L và D ñư c dùng ch các d ng ñ ng phân g p trong thành ph n c a protein, 2 d ng ñ ng phân còn l i www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 35 ch thu ñư c b ng phương pháp t ng h p hóa h c, ñư c ký hi u là D −allo và L−allo axit amin Ví d như Isoleucin: COOH COOH COOH COOH NH 2 C H H C NH 2 NH 2 C H H C NH 2 CH 3 C H H C CH 3 H C CH 3 CH 3 C H C2 H 5 C2 H 5 C2 H 5 C2 H 5 Isoleucin Allo isoleucin T t c các axit amin có trong thành ph n c a Protein ñ u thu c d ng L; ñ ng và th c v t không có kh năng h p thu axit amin d ng D; không nh ng th , ñôi khi còn có nh hư ng x u ñ n qúa trình trao ñ i ch t. 5, Tính ñi n ly lư ng tính Axít amin có tính ñi n ly lư ng tính vì do trong phân t có ch a ñ ng th i nhóm −COOH (cacboxyl ) và nhóm −NH 2 . Trong dung d ch nư c nó có th t n t i ñ ng th i dư i hai d ng: d ng phân t và ch y u dư i d ng ion lư ng c c. RC COOH – NH + 3 S phân ly trong môi trư ng axit và ki m x y ra như sau: NH 2 CH 2 COOH + – H 3 CH 2 COO – H + OH + – H3 N CH 2 COOH H3 N CH 2 COO Như v y trong các dung d ch axit m nh c a axit amin t n t i d ng ion dương và ngư c l i trong ki m m nh thì d ng ion âm, t i mi n trung tính, phân t không có ñi n tích nhưng t t nhiên nó v n phân c c m nh. pI g i là ñi m ñ ng ñi n c a phân t axit amin, v y: Giá tr pH, t i ñó phân t trung hòa ñi n, ñư c g i là ñi m ñ ng ñi n pI . Ta th y gía tr pI c a các axit amin khác nhau thì không gi ng nhau, vì v y m t gía tr pH thích h p, các axit amin s chuy n v c c âm hay c c dương v i nh ng v n t c khác nhau → phương pháp ñi n di → dùng ñ phân tích h n h p axit amin. 2.3.2.2. Các ph n ng ñ c trưng quan tr ng 1, Ph n ng v i axit nitrơ www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 36 Các axit amin (tr Prolin và Oxyprolin) ñ u ph n ng v i axit nitrơ ñ gi i phóng khí nitơ và t o thành Oxyaxit tương ng: NH 2 OH R CHCOOHR CH COOH N HNO 2 2 H2 O Ph n ng này ñư c Van Slyke dùng ñ ñ nh lư ng axit amin b ng cách xác ñ nh lư ng N 2 t o thành. 2, Ph n ng v i formalin (Ph n ng Sorensen ) Khi thêm m t lư ng dư formalin trung tính vào dung d ch axit amin, focmalin s tác d ng v i nhóm −NH 2 c a axit amin: R CH COOH H CHO R CH COOH NH 2 NH CH2 OH ðây là cơ s c a phương pháp ñ nh lư ng Sorensen cho các α amin. ð nh lư ng b ng phương pháp chu n ñ nhóm −COOH b ng NaOH 0,1N 3, Ph n ng v i ninhydrin Khi ñun nóng, ña s axit amin tác d ng v i Ninhydrin ñ t o thành CO 2, NH 3 và andehyt tương ng: O O OH OH H2 N CH COOH H2 N RCHO CO 2 OH OH R O O Ninhydrin Hydrindantin OOO O OH OH NH 3 N 3 H2 O OH H O O OH O Màu xanh tím Ta có th ñ nh lư ng amin tham gia ph n ng thông qua xác ñ nh lư ng khí CO 2 NH 3 ho c Aldehyl t o thành. Khi PH c a môi trư ng ph n ng l n hơn 4 s x y ra ph n ng ngưng t ti p theo v i NH 3 m i t o thành, ñ t o thành m t h p ch t có màu tím xanh ph n ng này ñư c dùng nhi u trong ph n ng ñ nh tính và ñ nh lư ng axit amin trong các phương pháp s c ký và ñi n di trên gi y tr 3 axit amin: • Axit aspactic + Ninhydrin cho 2 phân t CO 2 , www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 37 • Prolin và oxy prolin khi tác d ng cho h p ch t màu vàng và không t o thành NH 3 . 4, Ph n ng t o ph c v i các kim lo i H u h t các axit amin ñ u có kh năng t o ph c v i các ion kim lo i hóa tr 2: O C O NH CH R Me R CH NH O C O ð b n c a các ph n ng tăng theo tr t t : Mg + 2 < Mn + 2 < Fe + 2 < Cd + 2 < Co + 2 < Zn + 2 < Cu + 2 www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 38 Chương III NĂNG LƯ NG H C 3.1. NĂNG LƯ NG VÀ S TRAO ð I CH T 3.1.1. Năng lư ng t do V t ch t và năng lư ng trong vũ tr liên quan v i nhau theo phương trình n i ti ng c a Anhxtanh: e = mc 2 ( e là năng lư ng m là kh i lư ng và c là t c ñ c a ánh sáng là m t ñ i lư ng không ñ i). Trong cu c s ng thì hai khái ni m năng lư ng và v t ch t tách bi t nhau. V t ch t chi m m t kho ng không gian nh t ñ nh và có tr ng lư ng còn năng lư ng, ñó là kh năng gây ra nh ng bi n ñ i v t ch t, ho c làm cho v t ch t chuy n ñ ng, nghĩa là có kh năng sinh ra công. Năng lư ng ñư c xác ñ nh như kh năng sinh ra công có th là nhi t năng, năng lư ng ánh sáng, ñi n năng, cơ năng ho c hóa năng. Các nhà v t lý còn phân bi t ñ ng năng và th năng . Th năng là kh năng sinh ra công ñư c xác ñ nh b i v trí ho c tr ng thái c a m t v t th . ð ng năng là năng lư ng chuy n ñ ng. M t hòn ñá n m trên d c nó có m t th năng ñư c xác ñ nh b i v trí c a nó, khi nó rơi xu ng thì th năng chuy n thành ñ ng năng. Ngư i ta còn phân bi t ra năng lư ng t do , t c là năng lư ng có kh năng sinh ra công trong ñi u ki n ñ ng nhi t và năng lư ng không có kh năng s n ra công trong ñi u ki n ñ ng nhi t ñó là entropi tr ng thái h n ñ n c a năng lư ng bên trong. Theo ñ nh lu t b o toàn năng lư ng thì kh i lư ng chung c a năng lư ng trong b t kỳ m t h th ng cách ly nào là không ñ i. Như v y năng lư ng t do và entropi ph thu c l n nhau; tăng entropi trong quá trình không thu n ngh ch kèm theo vi c gi m năng lư ng t do. Năng lư ng t do là năng lư ng có l i còn entropi là thư c ño năng lư ng không dùng ñư c. T t c nh ng quá trình v t lý và hóa h c x y ra v i s gi m năng lư ng t do cho t i khi mà chúng chưa ñ t t i tr ng thái cân b ng, trong ñó năng lư ng t do c a h th ng là c c ti u còn entropi là c c ñ i. 3.1.2. Oxy hóa kh Theo quan ni m hi n ñ i, quá trình m t ñi n t ho c proton (H) c a phân t ch t nào ñó g i là s oxy hóa, còn ngư c l i: quá trình n p ñi n t ho c proton c a m t phân t ch t nào ñó g i là s kh . Ch t như ng ñi n t và proton g i là ch t b oxy hóa, ch t nh n ñi n t và proton g i là ch t oxy hóa. www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 39 S oxy hóa và s kh luôn luôn x y ra ñ ng th i và liên h ch t ch v i nhau thành m t ph n ng oxy hóa kh th ng nh t. 3.1.2.1. Ph n ng oxy hóa kh sinh h c Cơ th sinh v t oxy hóa các s n ph m dinh dư ng b ng oxy, chuy n hóa chúng thành CO 2 và H 2O ñ ng th i s d ng năng lư ng gi i phóng ra ñ ñáp ng nhu c u ho t ñ ng s ng. Khi ñó, hydro ñư c gi i phóng kh i h p ch t h u cơ và k t h p v i oxy kèm theo s t a năng lư ng. Ph n ng oxy hóa kh ñư c ti n hành trong cơ th s ng v i s tham gia c a nh ng h enzyme ñ c bi t ñó là ph n ng oxy hóa kh sinh h c. Các quá trình oxy hóa kh sinh h c thu c lo i các ph n ng d hóa không nh ng ch là ngu n năng lư ng quan tr ng dùng ñ th c hi n các ph n ng t ng h p khác nhau, mà còn là ngu n cung c p các h p ch t trung gian làm nguyên li u cho các ph n ng t ng h p và ñóng vai trò h t s c quan tr ng trong vi c liên h p các quá trình trao ñ i ch t. * S khác nhau gi a oxy hóa kh sinh h c và oxy hóa kh thông thư ng: S oxy hóa sinh h c không ph i là ph n ng phát nhi t m t giai ño n như s cháy mà là m t chu i ph n ng trong ñó, năng lư ng ñư c gi i phóng ra m t ph n dư i d ng nhi t, còn ph n l n ñư c tích lũy dư i d ng liên k t cao năng. Quá trình oxy hóa sinh h c luôn có enzyme xúc tác. Khi ñ t cháy các ch t h u cơ ngoài cơ th , năng lư ng gi i thoát ra nh s oxy hóa carbon ñ n CO 2. Trong lúc ñó, ph n ng oxy hóa t ng b c hydro ñ n H 2O x y ra trong quá trình oxy hóa sinh h c cơ th l i là ph n ng cung c p năng lư ng. Ph n ng oxy hóa này ñi u ki n thư ng là ph n ng n . 3.1.2.2. Th oxy hóa kh S chuy n d ch ñi n t có th th c hi n ñư c khi trong t bào cơ ch t có kh năng thu nh n ñi n t , nghĩa là có ái l c ñ i v i ñi n t . Trong ph n ng oxy hóa kh , các ch t tham gia ph n ng có ái l c ñ i v i ñi n t khác nhau. Ch t nào có ái l c ñ i v i ñi n t l n hơn thì ch t ñó là ch t nh n. Ngư i ta ño ái l c ñ i v i ñi n t cho t ng ch t trong m ch ñi n th k v i ñi n c c chu n hydro có ñi n th b ng không. ð i lư ng này ph n ánh kh năng thu hay như ng ñi n t , t c là kh năng oxy hóa kh c a ch t và ñư c g i là th oxy hóa kh . www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 40 Th oxy hóa kh có th tính ñư c theo phương trình sau: RT [d ng oxyhóa] E = Eo + ln nF [d ng kh ] Trong ñó: • E : Th oxy hóa kh c a m t ch t nh t ñ nh trong nh ng ñi u ki n xác ñ nh • Eo : Th oxy hóa kh các ñi u ki n tiêu chu n (n ng ñ c a hai d ng b ng nhau) • R : H ng s khí (1,98 calo/ mol. ºC ) • T : Nhi t ñ tuy t ñ i • n : S ñi n t ñư c di chuy n • F : S Faraday (95.500 culong/ptg hay 23,066 Kcalo/mol Th oxy hóa kh còn có th dùng ñ tính năng lư ng t do ñư c gi i phóng ra trong quá trình oxy hóa kh b ng phương trình sau: G nF . E Trong ñó: G : Năng lư ng t do E : Hi u th oxy hóa kh c a hai h 3.1.3. Năng lư ng ho t hoá ð i v i b t kỳ m t ph n ng hóa h c nào, th m chí ñ i v i ph n ng t a nhi t v i G âm cũng có hàng rào năng lư ng ph i vư t qua trư c khi ph n ng b t ñ u. Hàng rào năng lư ng y g i là năng lư ng ho t hóa. ð làm tăng t c ñ ph n ng c n ph i làm tăng năng lư ng c a ph n l n s phân t trong qu n th ñ vư t qua hàng rào năng lư ng. Năng lư ng ho t hóa càng cao, ph n ng càng khó th c hi n (t c ñ ph n ng càng nh ), ngư c l i năng lư ng ho t hóa nh , ph n ng d th c hi n (t c ñ ph n ng l n). Các ch t xúc tác có tác d ng làm tăng v n t c ph n ng, như v y ch t xúc tác b ng con ñư ng nào ñó làm gi m năng lư ng ho t hóa c a ph n ng. Ch t xúc tác th c hi n ñư c ñi u y b ng cách t o thành ph c h p trung gian không b n v ng v i cơ ch t, gây nh ng bi n ñ i trong n i phân t cơ ch t làm cho cơ ch t d dàng tham gia vào ph n ng và sau ñó ph c h p y phân h y thành s n ph m c a ph n ng và gi i phóng ch t xúc tác t do 3.1.4. Enzyme 3.1.4.1. ð i cương v enzyme www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 41 Enzyme là h p ch t protein có kh năng xúc tác ñ c hi u các ph n ng hóa h c. Chúng có trong t t c các t bào c a ñ ng th c v t và vi sinh v t, và thư ng ñư c g i là ch t xúc tác sinh h c. 3.1.4.2. B n ch t c a enzyme B n ch t hóa h c c a enzyme là protein hay nói cách khác enzyme là nh ng protein ñ c hi u làm nhi m v xúc tác các ph n ng hóa sinh h c trong cơ th s ng. 1, Enzyme có ñ y ñ m i tính ch t c a protein: • Tính tan: ða s tan trong H 2O, dung d ch mu i l ng, • Không b n ñ i v i tác d ng c a nhi t ñ , • M t kh năng ho t ñ ng n u protein b bi n tính dư i tác d ng lý, hóa khác nhau, • Tính lư ng tính có th phân tách b ng phương pháp ñi n di. 2, C u trúc : D a vào c u t o phân t enzyme ngư i ta chia enzyme thành 2 nhóm: • Enzyme m t c u t là nh ng enzyme mà trong phân t ch ch a protein. • Enzyme hai c u t : Là nh ng enzyme mà ngoài protein, trong phân t còn có ch a m t nhóm ngo i không có b n ch t c a protein. Ph n protein ñư c g i là Apoenzyme còn ph n không ph i protein ñư c g i là Coenzyme hay còn g i là nhóm ngo i. Trong phân t enzyme, ph n protein và ph n Coenzyme ñư c liên k t ch t ch v i nhau Ví d : Enzyme 1 c u t như Pepxin, Amilaza, Ureaza, ð i v i các enzyme 2 c u t thì coenzyme tr c ti p tham gia ph n ng xúc tác, gi vai trò quy t ñ nh ki u ph n ng mà enzyme xúc tác còn apoenzyme có tác d ng nâng cao l c xúc tác c a coenzyme và quy t ñ nh tính ñ c hi u c a enzyme Ví d enzyme 2 c u t như: Catalase, Peroxydase (2 enzyme này có nhóm ngo i gi ng nhau nhân Hem.Fe ) nhưng ph n apoenzyme khác nhau nên xúc tác 2 ph n ng hóa h c khác nhau: Catalase : phân ly → 2 H 2O2 →→→ 2 H 2O + O 2 Peroxidase : ph n ng oxy hóa kh → 2 H 2O2 →→→ 2 H 2O + 2 O Trong nhóm enzyme 2 c u t , nhi u enzyme có coenzyme là nh ng vitamin: • Coenzyme c a aminotransferase là vitamin B 6 • Dehydrogenase hi u khí ch a vitamin B 2 www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 42 • Dehydrogenase k khí ch a vitamin PP 3, C u trúc trung tâm ho t ñ ng c a enzyme: Trong quá trình xúc tác c a enzyme có giai ño n t o thành ph c enzyme cơ ch t. S k t h p ñ c hi u gi a enzyme và cơ ch t ch x y ra trên m t ph n xác ñ nh c a phân t enzyme. Ph n c a enzyme tham gia tr c ti p vào ph n ng ñ k t h p vào cơ ch t ñư c g i là trung tâm ho t ñ ng c a enzyme. • các enzyme 1 c u t , trung tâm ho t ñ ng c a enzyme do 1 s nhóm ch c c a axit amin trong thành ph n phân t c a enzyme ph i h p t o thành (thông qua các c u trúc b c 2, 3, 4 mà các nhóm ch c có ñi u ki n n m k nhau), các nhóm ñó như : −OH, −SH, −COOH, ε−NH 2 , • các enzyme 2 c u t , ngoài ph n m ch polypeptit th c hi n nhi m v k t h p, ñ c bi t tham gia vào vi c t o thành trung tâm ho t ñ ng, còn có các nhóm ch c c a coenzyme ho c nhóm ngo i c a phân t enzyme. • m t s enzyme, trong phân t có th ch a 2 ho c nhi u trung tâm ho t ñ ng Ví d : Alcoldehydrogenase c a n m men có 4, c a gan có 2 (tthñ). • Gi a các nhóm ch c tham gia t o thành tâm ho t ñ ng c a enzyme thư ng phân bi t các nhóm c a" tâm xúc tác" tham gia tr c ti p vào ho t ñ ng xúc tác c a enzyme và các nhóm c a " mi n ti p xúc" làm nhi m v ñ m b o tính ñ c hi u c a enzyme, nghĩa là s k t h p ñ c hi u ñ t o thành ph c E −S. S phân bi t này ch là tương ñ i vì lúc nào cũng có tác d ng tương h . • Ngoài ra, m t s enzyme còn có " tâm d không gian " là ph n c a enzyme, khi k t h p v i các ch t có phân t nh nào ñó thì c u trúc b c 3 c a toàn b phân t enzyme s b bi n ñ I d n ñ n làm bi n ñ i c u trúc c a tâm ho t ñ ng, do ñó kèm theo s bi n ñ i ho t tính c a enzyme. • m t s lo i enzyme còn t n t i dư i d ng ti n enzyme (d ng không ho t ñ ng ñư c) g i là các Zimogen , ví d : Pepxinogen, Tripxinnogen, Kimo tripxinogen, ð chuy n chúng sang d ng ho t ñ ng, ph i qua quá trình ho t hóa: quá trình này thư ng x y ra s ñ t m t s liên k t peptit trong phân t zimogen. Lo i b ñi ño n peptit có tác d ng kìm hãm ho c bao vây các nhóm ho t ñ ng c a enzyme khi c t b ño n peptit kìm hãm ñi d n ñ n s s p x p l i n i t i phân t , hình thành trung tâm ho t ñ ng. 3.1.4.3. Cư ng l c xúc tác c a enzyme www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 43 T c ñ c a m t ph n ng hóa h c ñư c xác ñ nh b i giá tr c a năng lư ng hóa h c (năng lư ng dư th a) mà các ph n ng ph i có trên m c ñ năng lư ng t bào c a các phân t ñ có th phá v các liên k t có trong chúng và sau ñó có th xu t hi n các lo i m i. Năng lư ng hóa h c c a ph n ng nào ñó càng l n, t c ñ c a ph n ng s càng nh và ngư c l i năng lư ng hóa h c càng nh , t c ñ ph n ng hóa h c s càng l n như v y, ch t xúc tác b ng con ñư ng nào ñó làm gi m năng lư ng hóa h c c a ph n ng hóa h c. ð có th hình dung ñư c c th v s sai khác c a năng lư ng gi a năng lư ng t do ñ u và cu i ph n ng, chúng ta so sánh v i th năng c a m t v t n ng b t kỳ nào ñó: n u v t n ng này n m sư n núi trong các h thì lúc ñ u ph i nâng nó lên t i mi ng h ñ r i sau ñó khi lăn xu ng th p nó s chuy n vào m t h khác ñ t t i tr ng thái n ñ nh. I Năng lư ng ho t hóa II S thay ñ i năng lư ng t do A Ph n ng không có xúc tác B Ph n ng có xúc tác Ch t xúc tác có tác d ng h th p năng lư ng hóa h c → làm tăng v n t c ph n ng (các ch t xúc tác không nh hư ng ñ n tr ng thái cân b ng c a ph n ng). Trong các ph n ng sinh h c thì enzyme là nh ng ch t xúc tác. So v i các ch t xúc tác vô cơ thì enzyme có cư ng l c xúc tác m nh hơn nhi u l n. Ví d như s th y phân ñư ng mía : + kcal B ng ion H thì năng lư ng ho t hóa là 25.600 /phân t kcal B ng β−fructofuranolidase c a n m men : 9.400 /phân t kcal B ng β−fructofuranolidase c a ñ i m ch: 13.000 /phân t 3.1.4.4. Tính tác d ng ñ c hi u c a enzyme Khác v i ch t xúc tác vô cơ, enzyme ch tác d ng lên m t c cơ ch t và ki u n i hóa h c nh t ñ nh trong phân t : tính ch t ñó ñư c g i là tính ñ c hi u . Ngư i ta phân bi t các d ng ñ c hi u sau: 1, ð c hi u quang h c www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 44 Enzyme ch có kh năng tác d ng lên m t d ng ñ ng phân quang h c nh t ñ nh (ho c là d ng D ho c là d ng L, có th là d ng Cis ho c d ng Trans, ) . Ví d : COOH H COOH Fumarathydeatase −H O CC 2 OH CH +H2 O HOOC H CH Trans axit fumaric 2 COOH Axit L malic COOH CH COOH Fumarat OH CHHOOC CH dehydeogenase Axit fumaric CH 2 COOH Axit L malic Enzyme này không tác d ng lên d ng D c a axit malic vì trung tâm ho t ñ ng c a enzyme có c u trúc tương ng v i cơ ch t d ng ñ ng phân L (t o E −S). Theo thuy t ña ái l c c a Berman và Fruton trong cơ ch ñ c hi u quang h c là E ph i k t h p v i cơ ch t ít nh t 3 ñi m. 2, ð c hi u tuy t ñ i Enzyme ch có kh năng tác d ng lên m t cơ ch t nh t ñ nh : NH 2 NH 2 NH 2 (CH2 ) 3 Argininase C NH C NH 2 CH NH 2 H2 O NH O COOH U rê L− ornitin (CH2 ) 3 D ng este CH NH 2 Thay COOCH 3 COOH L− arginin www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 45 Trong trư ng h p này thì c u trúc trung tâm ho t ñ ng c a enzyme tương ng ch t ch v i cơ ch t, n u có m t s sai khác nh nào ñó thì cũng ñ làm cho enzyme không th sai khác ñư c. N u ta thay ñ i b t kỳ nhóm nào trong phân t thì cũng ñ làm cho phân t enzyme không ho t ñ ng ñư c như d ng este metylic c a arginin. 3, ð c hi u tương ñ i Là trư ng h p enzyme có kh năng tác d ng lên m t ki u n i hóa h c nh t ñ nh mà không ph thu c vào b n ch t hóa h c c a các c u t tham gia t o thành m i liên k t ñó. Ví d : lipase → th y phân t t c các liên k t este aminopeptidase → th y phân nhi u liên k t peptit 4, ð c hi u nhóm Enzyme có kh năng tác d ng lên m t ki u n i hóa h c nh t ñ nh v i ñi u ki n m t trong hai c u t tham gia t o thành liên k t ph i có c u t o xác ñ nh. Ví d : Enzyme protease c t ñ u ho c cu i chu i protit: NH 2 CHCO CO •••••••••• CO NH CH COOH R R Aminopeptidase Cacboxypeptidase 3.1.4.5. Các y u t nh hư ng ñ n ho t tính c a enzyme 1, nh hư ng c a n ng ñ cơ ch t N u làm thay ñ i n ng ñ c a cơ ch t và xác ñ nh xem ñi u ñó nh hư ng th nào t i t c ñ c a ph n ng enzyme thì nói chung s th y r ng, v i m t lư ng E không ñ i, pH không ñ i, l c ion không ñ i, ñ ñ t ñư c t c ñ ban ñ u c c ñ i c n ph i có m t lư ng tương ñ i l n cơ ch t. ð i v i nhi u enzyme, n ng ñ nâng cao hơn so v i n ng ñ c a các ch t nh t ñ nh c a cơ th . Tình tr ng này r t quan tr ng vì nó ch ng t r ng: Enzyme trong ñi u ki n c a cơ th thư ng tác d ng ít hi u qu hơn so v i trư ng h p có nh ng ñi u ki n nhân t o, ñó, enzyme ñư c bão hòa b i m t lư ng cơ ch t l n. S ph thu c gi a t c ñ c a ph n ng enzyme và n ng ñ c a cơ ch t ñư c gi i thích như thuy t c a Michaelis và Menten: k k E SP1 ES 3 E (1) k 2 www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 46 Trong ñó: k1 → h ng s v n t c c a ph n ng t o ph c " ES " k2 → h ng s v n t c c a ph n ng phân ly ph c " ES " k3 → h ng s v n t c c a ph n ng phân ly ph c " ES " ñ t o thành s n ph m G i: v1 là v n t c c a ph n ng t o thành ph c " ES ", v2 là v n t c c a ph n ng phân ly ph c " ES ", v3 là v n t c c a ph n ng phân ly t o thành s n ph m, Ta có: v1 = k 1 [ E ] [ S ] v 2 = k 2 [ E S ] v 3 = k 3 [ E S ] Khi h ñ t t i tr ng thái cân b ng, nghĩa là s phân ly c a ph c " ES " theo ph n ng (3) và (2) cân b ng v i s t o thành ph c ch t ñó theo ph n ng (1), ta có: k2 [ ES ] + k 3 [ ES ] = k 1 [ E ] [ S ] ( 2 ) →→→ [ ES ] ( k 2 + k 3 ) = k 1 [ E ] [ S ] G i n ng ñ c a enzyme khi b t ñ u ph n ng là E o, ta có: [ E o ] = [E ] + [E ] ( 3 ) [ E ] = [ E o ] −−− [ ES ] Thay E c a phương trình (3) vào phương trình (2), ta có: [ ES ]( k 2 + k 3 ) = k 1 ([ E o ] −−− [ ES ]) [ S ] k 1 [ E o ] [ S ] k 2 + k 3 [ ES ] = –––––––––––––––– →→→ ñ t: –––––––– = k m , ta có: k2 + k 3 + k 1 [ S ] k 1 1 k 2 + k 3 + k 1 [ S ] k m 1 ––––– = ––––––––––––––––– = –––––––– + –––– [ ES ] k 1 [ E o ] [ S ] [ E o ] [ S ] [ E o ] [ E o ] [ S ] [ ES ] = –––––––––– k m + [ S ] www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 47 M t khác, v n t c c a ph n ng enzyme tính theo s t o thành s n ph m, ta có: [ E o S ] v = k 3 [ E S ] và v = k 3 x ––––––––– ( 4 ) k m + [ S ] N ng ñ c a ph n ng càng cao kém n ng ñ c a ES càng l n và ñ l n c c ñ i s b ng n ng ñ c a enzyme ban ñ u là Eo : v max = k 2 [ E o ] ( 5 ) Thay (5) vào (4) ta có: v max [ S ] v = –––––––––– ( 6 ) k m + [ S ] Phương trình (6) bi u di n s ph thu c c a v n t c ph n ng E vào n ng ñ c a cơ ch t → ðư ng bi u di n có d ng hyperbol: V Vmax ½ V km [S] • k m : g i là h ng s Michalic và ñ c trưng cho m i enzyme, nó ñ c trưng cho ái l c c a enzyme v i cơ ch t • k m có tr càng nh thì ái l c c a enzyme ñ i v i cơ ch t càng l n, nghĩa là v n t c c a ph n ng enzyme càng l n v max T phương trình (6), ta th y khi: v = –––– thì k m = (S) 2 V y h ng s Michalis có tr s b ng n ng ñ c a cơ ch t khi v n t c ph n ng b ng m t n a v n t c c c ñ i. * k m: không ph thu c vào n ng ñ E Ý nghĩa c a h ng s Michalis là: • ðánh giá ñ c ñi m c a E, www.Beenvn.com
- SINH H C ð I CƯƠNG 2007 TRANG 48 • Cho phép tính ñư c tác d ng c a E trong nh ng trư ng h p khi ta không th xác l p ñư c b ng phương pháp th c nghi m. Gi thi t c a Michaelis Menten: N u k2 >> k 3 thì km = k 2 / k 1 Khi [E] + [S] và [ES] tr ng thái cân b ng thì s t o thành s n ph m s ít và giá tr km s t l ngh ch v i ái l c c a enzyme v i cơ ch t Nghĩa là km càng nh thì ái l c c a enzyme v i cơ ch t càng l n. N u k2 << k 3 thì gi thi t c a Michaelis Menten không ñúng n a và km không còn t l v i ái l c c a enzyme v i cơ ch t n a Mà lúc này, ph i coi km như m t s và b ng n ng ñ c a cơ ch t khi v n t c ph n ng b ng Vmax / 2 trong ñi u ki n thí nghi m xác ñ nh. Phương trình Michaelis Menten cũng có th vi t dư i d ng phương trình ñư ng th ng: 1 k m 1 1 ––– = –––– x –––– + ––––– V V max [ S ] V max * Cách bi u di n ñ th Có m t s cách bi u di n ñ th ph thu c c a v n t c ph n ng enzyme vào n ng ñ c a cơ ch t: V 1 k m Vm V Vm 1 V V m m −1 k m km S 1 a b [S] V [S] v V m k m 1 Vm ð d c: /K m ð d c: − k m − k m V V m /S S c k d m Hình 2 1 a: Theo Michaelis Menten dư i d ng s ph thu c c a v n t c ph n ng vào n ng ñ cơ ch t Hình 2 1 b: Theo Lineweaver và Burk dư i d ng ñư ng th ng Hình 2 1 c: Theo Eadice dư i d ng ñư ng th ng: V = f (v/s) Hình 2 1 d: Theo Dixon dư i d ng ñư ng th ng: s/v = f (s) www.Beenvn.com
