PHÂN TỬ SINH HỌC: PHÂN LOẠI VÀ CHỨC NĂNG CHÍNH - SINH HỌC

Các phân tử sinh học là những phân tử được tạo ra trong cơ thể sống. Tiền tố "bio" có nghĩa là cuộc sống; do đó, một phân tử sinh học là một phân tử được tạo ra bởi một sinh vật sống. Chúng sinh được tạo thành từ các loại phân tử khác nhau thực hiện các chức năng khác nhau cần thiết cho sự sống.

Trong tự nhiên, có các hệ thống sinh vật (sống) và phi sinh học (không sống) tương tác và trong một số trường hợp, trao đổi các yếu tố. Một đặc điểm mà tất cả các sinh vật có điểm chung là chúng là hữu cơ, có nghĩa là các phân tử cấu thành của chúng được tạo thành từ các nguyên tử cacbon.

Các phân tử sinh học cũng có những điểm chung khác ngoài cacbon. Các nguyên tử này chủ yếu bao gồm hydro, oxy, nitơ, phốt pho và lưu huỳnh. Những nguyên tố này còn được gọi là nguyên tố sinh học vì chúng là thành phần chính của các phân tử sinh học.

Tuy nhiên, có những nguyên tử khác cũng có trong một số phân tử sinh học, mặc dù với số lượng nhỏ hơn. Chúng thường là các ion kim loại như kali, natri, sắt và magiê, trong số những ion khác. Do đó, phân tử sinh học có thể có hai loại: hữu cơ hoặc vô cơ.

Do đó, các sinh vật được tạo thành từ nhiều loại phân tử dựa trên cacbon, ví dụ: đường, chất béo, protein và axit nucleic. Tuy nhiên, có những hợp chất khác cũng dựa trên cacbon và không phải là một phần của phân tử sinh học.

Những phân tử chứa carbon này không được tìm thấy trong các hệ thống sinh học có thể được tìm thấy trong vỏ trái đất, trong hồ, biển và đại dương, và trong khí quyển. Sự chuyển động của các nguyên tố này trong tự nhiên được mô tả trong những gì được gọi là chu trình sinh địa hóa.

Người ta cho rằng những phân tử hữu cơ đơn giản này được tìm thấy trong tự nhiên là những phân tử đã tạo ra các phân tử sinh học phức tạp nhất, là một phần của cấu trúc cơ bản cho sự sống: tế bào. Đây là lý thuyết được gọi là lý thuyết tổng hợp phi sinh học.

Phân loại và chức năng của phân tử sinh học

Các phân tử sinh học rất đa dạng về kích thước và cấu trúc, tạo cho chúng những đặc điểm riêng biệt để thực hiện các chức năng khác nhau cần thiết cho sự sống. Do đó, các phân tử sinh học hoạt động như một kho lưu trữ thông tin, nguồn năng lượng, hỗ trợ, chuyển hóa tế bào, và những thứ khác.

Các phân tử sinh học có thể được phân loại thành hai nhóm lớn, dựa trên sự hiện diện hay vắng mặt của nguyên tử cacbon.

Phân tử sinh học vô cơ

Chúng là tất cả những phân tử có trong cơ thể sống và không chứa cacbon trong cấu trúc phân tử của chúng. Các phân tử vô cơ cũng có thể được tìm thấy trong các hệ thống (không sống) khác trong tự nhiên.

Các loại phân tử sinh học vô cơ như sau:

Nước

Nó là thành phần chính và cơ bản của chúng sinh, nó là một phân tử được hình thành bởi một nguyên tử oxy liên kết với hai nguyên tử hydro. Nước cần thiết cho sự tồn tại của sự sống và là phân tử sinh học phổ biến nhất.

Từ 50 đến 95% trọng lượng của bất kỳ sinh vật nào là nước, vì nó cần thiết để thực hiện một số chức năng quan trọng, chẳng hạn như điều hòa nhiệt và vận chuyển các chất.

Muối khoáng

Chúng là những phân tử đơn giản được tạo thành từ các nguyên tử tích điện trái dấu, phân tách hoàn toàn trong nước. Ví dụ: natri clorua, được tạo thành từ một nguyên tử clo (tích điện âm) và một nguyên tử natri (tích điện dương).

Muối khoáng tham gia vào việc hình thành các cấu trúc cứng, chẳng hạn như xương của động vật có xương sống hoặc bộ xương ngoài của động vật không xương sống. Các phân tử sinh học vô cơ này cũng cần thiết để thực hiện nhiều chức năng quan trọng của tế bào.

Khí

Chúng là những phân tử ở dạng khí. Chúng cần thiết cho quá trình hô hấp của động vật và quá trình quang hợp ở thực vật.

Ví dụ về các khí này là: oxy phân tử, được tạo thành từ hai nguyên tử oxy liên kết với nhau; và carbon dioxide, được tạo thành từ một nguyên tử carbon liên kết với hai nguyên tử oxy. Cả hai phân tử sinh học đều tham gia vào quá trình trao đổi khí mà sinh vật thực hiện với môi trường của chúng.

Các phân tử sinh học hữu cơ

Phân tử sinh học hữu cơ là những phân tử có chứa nguyên tử cacbon trong cấu trúc của chúng. Các phân tử hữu cơ cũng có thể được tìm thấy phân bố trong tự nhiên như một phần của các hệ thống không sống, và chúng tạo thành thứ được gọi là sinh khối.

Các loại phân tử sinh học hữu cơ như sau:

Carbohydrate

Carbohydrate có lẽ là chất hữu cơ phổ biến và phong phú nhất trong tự nhiên, và chúng là thành phần thiết yếu của mọi sinh vật.

Carbohydrate được cây xanh tạo ra từ carbon dioxide và nước trong quá trình quang hợp.

Các phân tử sinh học này được tạo thành chủ yếu từ các nguyên tử cacbon, hydro và oxy. Chúng còn được gọi là carbohydrate hoặc saccharide, và chúng có chức năng như nguồn năng lượng và là thành phần cấu trúc của sinh vật.

- Monosaccharid

Monosaccharide là carbohydrate đơn giản nhất và thường được gọi là đường đơn. Chúng là các khối xây dựng nguyên tố mà từ đó tất cả các carbohydrate lớn nhất được hình thành.

Monosaccarit có công thức phân tử chung (CH2O) n, trong đó n có thể là 3, 5 hoặc 6. Do đó, monosaccarit có thể được phân loại theo số nguyên tử cacbon có trong phân tử:

Nếu n = 3, phân tử là một triose. Ví dụ: glixeraldehit.

Nếu n = 5, phân tử là một pentose. Ví dụ: ribose và deoxyribose.

Nếu n = 6, phân tử là một hexose. Ví dụ: fructose, glucose và galactose.

Pentoses và hexoses có thể tồn tại ở hai dạng: tuần hoàn và không chu kỳ. Ở dạng không mạch vòng, cấu trúc phân tử của nó có hai nhóm chức: một nhóm chức anđehit hoặc một nhóm xeton.

Monosaccharide có chứa nhóm aldehyde được gọi là aldoses, và những chất có nhóm ketone được gọi là ketoses. Aldoses là loại đường khử, trong khi ketoses là loại đường không khử.

Tuy nhiên, trong nước pentoses và hexoses chủ yếu tồn tại ở dạng mạch vòng, và chính ở dạng này, chúng kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử saccharide lớn hơn.

- Disaccharid

Hầu hết các loại đường được tìm thấy trong tự nhiên là disaccharide. Chúng được hình thành do sự hình thành liên kết glycosidic giữa hai monosaccharide, thông qua phản ứng ngưng tụ giải phóng nước. Quá trình hình thành liên kết này đòi hỏi năng lượng để giữ hai đơn vị monosaccharide lại với nhau.

Ba disaccharide quan trọng nhất là sucrose, lactose và maltose. Chúng được hình thành từ sự ngưng tụ của các monosaccharide thích hợp. Sucrose là một loại đường không khử, trong khi lactose và maltose là đường khử.

Disaccharid hòa tan trong nước, nhưng là các phân tử sinh học quá lớn để vượt qua màng tế bào bằng cách khuếch tán. Vì lý do này, chúng bị phân hủy trong ruột non trong quá trình tiêu hóa để các thành phần thiết yếu của chúng (tức là monosaccharide) đi vào máu và các tế bào khác.

Monosaccharid được tế bào sử dụng rất nhanh. Tuy nhiên, nếu một tế bào không cần năng lượng, nó có thể lưu trữ ngay lập tức dưới dạng các polyme phức tạp hơn. Do đó, monosaccharid được chuyển thành disaccharid thông qua phản ứng ngưng tụ xảy ra trong tế bào.

- Oligosaccharid

Oligosaccharide là các phân tử trung gian được tạo thành từ ba đến chín đơn vị đường đơn giản (monosaccharide). Chúng được hình thành bằng cách phá vỡ một phần carbohydrate phức tạp hơn (polysaccharides).

Hầu hết các oligosaccharide tự nhiên được tìm thấy trong thực vật, ngoại trừ maltotriose, con người khó tiêu hóa chúng vì cơ thể con người thiếu các enzym cần thiết trong ruột non để phân hủy chúng.

Trong ruột già, vi khuẩn có lợi có thể phân hủy oligosaccharide thông qua quá trình lên men; do đó chúng được chuyển hóa thành các chất dinh dưỡng có thể hấp thụ được để cung cấp một số năng lượng. Một số sản phẩm phân hủy của oligosaccharide có thể có tác dụng có lợi đối với lớp niêm mạc của ruột già.

Ví dụ về oligosaccharide bao gồm raffinose, một trisaccharide từ các loại đậu và một số loại ngũ cốc bao gồm glucose, fructose và galactose. Maltotriose, một trisaccharide glucose, xuất hiện trong một số loài thực vật và trong máu của một số loài động vật chân đốt.

- Polysaccharid

Các monosaccharide có thể trải qua một loạt phản ứng ngưng tụ, thêm đơn vị này đến đơn vị khác vào chuỗi cho đến khi hình thành các phân tử rất lớn. Đây là những polysaccharid.

Các đặc tính của polysaccharid phụ thuộc vào một số yếu tố trong cấu trúc phân tử của chúng: chiều dài, các nhánh bên, các nếp gấp và liệu chuỗi là "thẳng" hay "cuộn". Có một số ví dụ về polysaccharid trong tự nhiên.

Tinh bột thường được sản xuất trong thực vật như một cách để dự trữ năng lượng, và nó được tạo thành từ các polyme α-glucose. Nếu polyme phân nhánh nó được gọi là amylopectin, và nếu nó không phân nhánh nó được gọi là amyloza.

Glycogen là polysaccharide dự trữ năng lượng ở động vật và được tạo thành từ amylopectin. Do đó, tinh bột của thực vật được phân hủy trong cơ thể để tạo ra glucose, đi vào tế bào và được sử dụng trong quá trình trao đổi chất. Glucose không được sử dụng sẽ trùng hợp và tạo thành glycogen, chất dự trữ năng lượng.

Lipid

Lipid là một loại phân tử sinh học hữu cơ khác có đặc điểm chính là chúng kỵ nước (chúng đẩy nước) và do đó, chúng không hòa tan trong nước. Tùy thuộc vào cấu trúc của chúng, lipid có thể được phân thành 4 nhóm chính:

- Chất béo trung tính

Chất béo trung tính được tạo thành từ một phân tử glycerol gắn với ba chuỗi axit béo. Axit béo là một phân tử mạch thẳng có chứa axit cacboxylic ở một đầu, tiếp theo là một chuỗi hydrocacbon và một nhóm metyl ở đầu kia.

Tùy thuộc vào cấu trúc của chúng, axit béo có thể bão hòa hoặc không bão hòa. Nếu chuỗi hydrocacbon chỉ chứa các liên kết đơn, nó là một axit béo no. Ngược lại, nếu chuỗi hydrocacbon này có một hoặc nhiều liên kết đôi thì axit béo là không no.

Trong danh mục này là dầu và chất béo. Trước đây là nguồn dự trữ năng lượng của thực vật, chúng không bị bão hòa và ở thể lỏng ở nhiệt độ phòng. Ngược lại, chất béo là nguồn dự trữ năng lượng của động vật, chúng là những phân tử bão hòa và rắn ở nhiệt độ phòng.

Phospholipid

Phospholipid tương tự như chất béo trung tính ở chỗ chúng có một phân tử glycerol gắn với hai axit béo. Sự khác biệt là các phospholipid có một nhóm photphat trên cacbon thứ ba của glycerol, chứ không phải là một phân tử axit béo khác.

Những chất béo này rất quan trọng vì cách chúng có thể tương tác với nước. Bằng cách có một nhóm photphat ở một đầu, phân tử trở nên ưa nước (hút nước) trong vùng đó. Tuy nhiên, nó vẫn kỵ nước trong phần còn lại của phân tử.

Do cấu trúc của chúng, các phospholipid có xu hướng tự tổ chức theo cách mà các nhóm photphat có sẵn để tương tác với môi trường nước, trong khi các chuỗi kỵ nước mà chúng tổ chức bên trong lại xa nước. Do đó, phospholipid là một phần của tất cả các màng sinh học.

- Thuốc steroid

Steroid được tạo thành từ bốn vòng carbon hợp nhất, mà các nhóm chức năng khác nhau được gắn vào. Một trong những chất quan trọng nhất là cholesterol, vì nó rất cần thiết cho chúng sinh. Nó là tiền chất của một số hormone quan trọng như estrogen, testosterone và cortisone, trong số những loại khác.

- Sáp

Sáp là một nhóm nhỏ các chất béo có chức năng bảo vệ. Chúng được tìm thấy trong lá cây, trong lông của các loài chim, trong tai của một số loài động vật có vú và ở những nơi cần cách ly hoặc bảo vệ khỏi môi trường bên ngoài.

Axit nucleic

Axit nucleic là các phân tử vận chuyển chính của thông tin di truyền trong cơ thể sống. Chức năng chính của nó là chỉ đạo quá trình tổng hợp protein, quyết định các đặc tính di truyền của mỗi sinh vật. Chúng bao gồm các nguyên tử cacbon, hydro, oxy, nitơ và phốt pho.

Axit nucleic là các polyme được tạo thành từ sự lặp lại của các đơn phân, được gọi là nucleotit. Mỗi nucleotide bao gồm một gốc thơm chứa nitơ gắn với một đường pentose (năm nguyên tử cacbon), đến lượt nó được gắn với một nhóm photphat.

Hai lớp chính của axit nucleic là axit deoxyribonucleic (DNA) và axit ribonucleic (RNA). DNA là phân tử chứa tất cả thông tin của một loài, đó là lý do tại sao nó có mặt trong tất cả các sinh vật và hầu hết các loại virus.

RNA là vật chất di truyền của một số loại virus, nhưng nó cũng được tìm thấy trong tất cả các tế bào sống. Ở đó nó thực hiện các chức năng quan trọng trong các quá trình nhất định, chẳng hạn như sản xuất protein.

Mỗi axit nucleic chứa bốn trong năm bazơ có thể chứa nitơ: adenin (A), guanin (G), cytosine (C), thymine (T) và uracil (U). DNA có các bazơ là adenine, guanine, cytosine và thymine, trong khi RNA có các bazơ giống nhau ngoại trừ thymine, được thay thế cho uracil trong RNA.

- Axit deoxyribonucleic (DNA)

Phân tử DNA được tạo thành từ hai chuỗi nucleotide nối với nhau bằng các liên kết gọi là liên kết phosphodiester. Mỗi chuỗi có cấu trúc hình xoắn ốc. Hai chuỗi xoắn kết hợp với nhau để tạo ra một chuỗi xoắn kép. Các bazơ nằm bên trong vòng xoắn và các nhóm photphat ở bên ngoài.

DNA được tạo thành từ xương sống của đường deoxyribose liên kết với phốt phát và bốn bazơ nitơ: adenine, guanine, cytosine và thymine. Các cặp bazơ được hình thành trong DNA sợi kép: adenine luôn liên kết với thymine (AT) và guanine với cytosine (GC).

Hai vòng xoắn được tổ chức với nhau bằng cách ghép đôi các gốc nucleotide bằng liên kết hydro. Cấu trúc đôi khi được mô tả như một bậc thang trong đó các chuỗi đường và phốt phát là hai bên và các liên kết bazơ-bazơ là bậc thang.

Cấu trúc này cùng với tính ổn định hóa học của phân tử khiến DNA trở thành vật liệu lý tưởng để truyền thông tin di truyền. Khi một tế bào phân chia, DNA của nó được sao chép và truyền từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tiếp theo.

- Axit Ribonucleic (RNA)

RNA là một polyme axit nucleic có cấu trúc được tạo thành từ một chuỗi nucleotide đơn: adenin, cytosine, guanin và uracil. Như trong DNA, cytosine luôn liên kết với guanine (CG) nhưng adenine liên kết với uracil (AU).

Nó là trung gian đầu tiên trong việc chuyển giao thông tin di truyền trong tế bào. RNA cần thiết cho quá trình tổng hợp protein, vì thông tin chứa trong mã di truyền thường được truyền từ DNA sang RNA và từ đó đến protein.

Một số RNA cũng có chức năng trực tiếp trong quá trình trao đổi chất của tế bào. ARN thu được bằng cách sao chép trình tự cơ sở của một đoạn ADN được gọi là gen, lên một phần của axit nucleic mạch đơn. Quá trình này, được gọi là phiên mã, được xúc tác bởi một enzym gọi là RNA polymerase.

Có một số loại ARN khác nhau, chủ yếu có 3. Loại thứ nhất là ARN thông tin, là loại được sao chép trực tiếp từ ADN thông qua phiên mã. Loại thứ hai là RNA vận chuyển, là loại chuyển các axit amin chính xác để tổng hợp protein.

Cuối cùng, lớp RNA khác là RNA ribosome, cùng với một số protein, tạo thành ribosome, bào quan tế bào chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các protein trong tế bào.

Chất đạm

Protein là những phân tử lớn, phức tạp, thực hiện nhiều chức năng quan trọng và thực hiện hầu hết các công việc trong tế bào. Chúng cần thiết cho cấu trúc, chức năng và sự điều chỉnh của các sinh vật. Chúng được tạo thành từ các nguyên tử cacbon, hydro, oxy và nitơ.

Protein được tạo thành từ các đơn vị nhỏ hơn gọi là axit amin, liên kết với nhau bằng liên kết peptit và tạo thành chuỗi dài. Axit amin là những phân tử hữu cơ nhỏ có tính chất lý hóa rất đặc biệt, có 20 loại khác nhau.

Trình tự axit amin xác định cấu trúc ba chiều duy nhất của mỗi protein và chức năng cụ thể của nó. Trên thực tế, chức năng của các protein riêng lẻ cũng đa dạng như trình tự axit amin duy nhất của chúng, xác định các tương tác tạo ra cấu trúc ba chiều phức tạp.

Các chức năng khác nhau

Protein có thể là thành phần cấu trúc và chuyển động của tế bào, chẳng hạn như actin. Một số khác hoạt động bằng cách tăng tốc các phản ứng sinh hóa bên trong tế bào, chẳng hạn như DNA polymerase, là enzyme tổng hợp DNA.

Có những loại protein khác có chức năng truyền tải một thông điệp quan trọng đến cơ thể. Ví dụ, một số loại hormone như hormone tăng trưởng truyền tín hiệu để điều phối các quá trình sinh học giữa các tế bào, mô và cơ quan khác nhau.

Một số protein liên kết với nhau và mang các nguyên tử (hoặc phân tử nhỏ) trong tế bào; chẳng hạn như trường hợp của ferritin, có nhiệm vụ lưu trữ sắt trong một số sinh vật. Một nhóm protein quan trọng khác là kháng thể, thuộc về hệ thống miễn dịch và có nhiệm vụ phát hiện độc tố và mầm bệnh.

Do đó, protein là sản phẩm cuối cùng của quá trình giải mã thông tin di truyền bắt đầu từ DNA của tế bào. Các chức năng đa dạng đáng kinh ngạc này có nguồn gốc từ mã đơn giản đáng ngạc nhiên có khả năng chỉ định một tập hợp cấu trúc vô cùng đa dạng.

Người giới thiệu

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Sinh học phân tử của tế bào (xuất bản lần thứ 6). Khoa học Garland.
Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Hóa sinh (xuất bản lần thứ 8). WH Freeman và Công ty.
Campbell, N. & Reece, J. (2005). Sinh học (xuất bản lần thứ 2) Pearson Education.
Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Sinh học tế bào phân tử (xuất bản lần thứ 8). WH Freeman và Công ty.
Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Sinh học (xuất bản lần thứ 7) Cengage Learning.
Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Các nguyên tắc cơ bản của hóa sinh: Sự sống ở cấp độ phân tử (xuất bản lần thứ 5). Wiley.

PHÂN TỬ SINH HỌC: PHÂN LOẠI VÀ CHỨC NĂNG CHÍNH - SINH HỌC - 2026