Màu nền Màu tối Mặc định Xám nhạt Xanh nhạt Xanh đậm Vàng nhạt Màu sepia Vàng đậm Vàng ố

Font chữ: Palatino Linotype Bookerly Segoe UI Patrick Hand Times New Roman Verdana Tahoma Arial

Chiều cao dòng: 100 120 140 160 180 200

Kích cỡ chữ:

GIÁO TRINH SINH HỌC đẠI CƯƠNG 4 đVHT MỞ đẦU Chương I SINH HỌC - KHOA HỌC VỀ SỰ SỐNG

1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SINH HỌC Sinh học có thể nói đó là khoa học về sự sống. Trong sinh học bao gồm nhiều lĩnh vực nghiên cứu như thực vật học, động vật học, vi sinh vật học, tế bào học, sinh lý học, di truyền học, ... Sự phát triển ngày càng mạnh của ngành khoa học này xuất hiện thêm nhiều bộ môn mới của sinh học như sinh học phân tử, công nghệ gen, công nghệ sinh học, ... Sinh học tập hợp những kiến thức khổng lồ về sự sống. Sinh học đại cương cung cấp cho sinh viên những kiến thức về cấu tạo và hoạt động của tế bào sống. Là những liến thức cơ sở quan trọng về sự sống, về cấu tạo tế bào, về sự phân chia tế bào để tạo nên một thế hệ mới, về quá trình chuyển hoá và tích luỹ năng lượng cũng như cơ sở khoa học về các quá trình vận động sinh học và quá trình tiến hoá. Sinh học nghiên cứu sự đa dạng của các cơ thể sống, cấu tạo chức năng, tiến hoá, phát triển cá thể và những mối tương quan với môi trường chung quanh của chúng [1]. Sinh học là một tập hợp khổng lồ về các học thuyết về cơ thể sống. Trong ngành khoa học này người ta thường phân chia ra thành các lĩnh vực như thực vật học, động vật học, vi sinh vật học - đó là kiểu phân chia theo đặc điểm loài của sinh giới, ngoài ra để nghiên cứu về cấu tạo bên trong cơ thể, chức năng và sự phát triển, các nhà nghiên cứu còn phân chia thành các bộ môn như giải phẩu học, sinh lý học, phôi sinh học, di truyền học, ... Tuy vậy toàn bộ các sinh vật trên trái đất, dù là động vật, thực vật hay vi sinh vất thì mỗi cơ thể đều được tạo thành từ đơn vị cấu tạo của sự sống đó là tế bào. Tế bào mới được hình thành bằng cách phân chia từ các tế bào ban đầu. Có nhiều loại tế bào, tuy nhiên các tế bào đều có những đặc điểm cấu tạo và thành phần hoá học cơ bản giống nhau như màng tế bào, tế bào chất và các TRANG 2 Các sinh vật trên trái đất đều tuân theo các định luật vật lý và hoá học. Mặc dù các quá trình hoá học xảy ra trong cơ thể sống rất phức tạp tuy nhiên các kết quả nghiên cứu đều chứng minh rằng nhiều quá trình phức tạp xảy ra trong tế bào sống cũng có thể thực hiện được bên ngoài cơ thể trong những điều kiện thích hợp. điều đó khẳng định rằng khi con người hiểu biết một cách đầy đủ về các hệ thống sống và cách vận hành của chúng thì con người có thể tái tạo được sự sống từ vật liệu không sống. Tế bào làm nhiệm vụ chuyển hoá năng lượng, chúng biến đổi năng lượng hoá học của thức ăn thành năng lượng có thể sử dụng cho hoạt động sống của cơ thể. Chỉ có cây xanh có chứa diệp lục là có thể thu năng lượng ánh sáng, chúng sử dụng năng lượng mặt trời cùng với các chất vô cơ như nước, khí CO 2 tổng hợp nên hợp chất hữu cơ như đường, tinh bột, xenlulo, ... thông qua quá trình quang hợp. Cây xanh là những sinh vật tự dưỡng có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tích luỹ trong các hợp chất hữu cơ. Tất cả các sinh vật di dưỡng khác như động vật, vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ do cây xanh tổng hợp làm nguồn thúc ăn và tế bào làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng hoá học có mặt trong thực phẩm thành các dạng năng lượng cần thiết cho cơ thể sống. động vật, thực vật và vi sinh vật, mỗi loại có những đặc điểm khác biệt về cấu tạo của cơ thể sống tuy nhiên trong cấu tạo tế bào giữa chúng cũng có nhiều điểm chung giống nhau, đôi khi khó có thể tách biệt được, cả về cấu tạo và chức năng. Sự tiến hoá của các sinh vật trên trái đất như thế nào cũng là một trong những nhiệm vụ nghiên cứu của sinh học. Nhiều nhà nghiên cứu triết học và tự nhiên đã nêu ra các quan niệm về sự tiến hoá của sinh vật, nhưng chỉ sau khi S. Darwin xuất bản cuốn sách "Nguồn gốc các loài bằng con đường chọn lọc tự nhiên" vào năm 1859 thì học thuyết tiến hoá mới được chú ý tới. Trong quyển sách này Darwin đã giải thích về sự tiến hoá của các loài thông qua chọn lọc tự nhiên. Một khái niệm quan trọng đó là sự tương quan giữa cơ thể sống và môi trường xung quanh. Từ những nghiên cứu tỉ mỉ về các quần xã thực vật, động vật trên trái đất người ta đã rút ra được rằng các cơ thể sống phân bố ở một vùng nhất định đều nằm trong mối tương quan chặt chẽ lẫn nhau và với môi trường chung quanh. Khái quát này cho thấy các dạng các dạng động vật và thực vật khác nhau không phân bố trên trái đất một cách ngẫu nhiên mà TRANG 3 chúng có tác động qua lại với nhau và với môi trường sống bên ngoài. Giữa sinh vật sống và môi trường sống luôn có mối quan hệ khắn khít với nhau. Vì thế nên khi ta nghiên cứu một cơ thể sống ở một nơi nào đó thì chúng ta phải quan tâm đến môi trường sống ở đó và phân tích mối quan hệ qua lại giữa chúng. Nghiên cứu về mối quan quan hệ qua lại giữa môi trường và cơ thể sống là đặc biệt quan trọng. Con người cũng có một vị trí quan trọng trong thế giới sinh vật, vai trò của con người trong quá trình chọn lọc nhân tạo, góp phần định hướng sự phát triển của một số loài, vì vậy nên chúng ta nên quan tâm đến vai trò của con người trong sự phát triển của sinh học, đặc biệt là hiện nay với sự hiểu biết sâu sắc về di truyền học con người đã tạo ra nhiều loại sinh vật có những tính chất mới mà thiên nhiên chưa có. 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA SINH HỌC Sinh học là một ngành khoa học xuất hiện rất sớm, từ thời cổ xưa con người đã có thể xác định được loài động vật nào có thẻ ăn được, loài nào nguy hiểm cho con người. đối với thực vật cũng vậy, con người đã tìm những cây thuốc để chữa bệnh. Aristos (384-322 trước công nguyên) là một trong những nhà triết học Hy lạp vĩ đại nhất. Trong cuốn sách "Historia animalium" đã mô tả nhiều loài động vật, ông đã nghiên cứu khá tỉ mỉ về sự phát triển của một số loài như sự phát triển của gà con, sự sinh sản của cá mập, của ong. Nhìn chung sinh học mô tả chiếm ưu thế trong thời gian phát triển ban đầu. Các nhà nghiên cứu về động, thực vật học thì mô tả các loài, Các nhà giải phẩu học thì mô tả cấu tạo của các cơ quan trong cơ thể... Một số nét cơ bản về sự phát triển của sinh học có thể mô tả như sau: - Giai đoạn trước thế kỷ 17, quan niệm các tế bào sống được hình thành bằng con đường tự sinh. Năm 1680 Redi đã đánh đổ quan niệm trên bằng một thí nghiệm đơn giản sau đây: Ông đã dùng 3 cái bình sau đó cho thịt vào, bình thứ nhất ông để hở, bình thứ hai ông dùng vải màng mỏng bịt lại, còn bình thứ ba ông dùng miếng da thuộc bịt chặt lại. Sau khi để một thời gian thịt trong cả ba bình đều bị thối nhưng dòi chỉ xuất hiện trong thịt ở bình để hở, bình thứ hai thì có xuất hiện một ít dòi phía trên vải màng bịt, nhưng thịt để trong bình thứ hai và bình thứ 3 thì không có dòi. Như vậy Redi đã chứng minh rằng "con dòi" không thể tự sinh ra trong thịt thối được mà chúng đã nở ra từ trứng của do ruồi đẻ ra trên thịt. Sau này L. Pasteur cũng SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 4 bằng một thí nghiệm đơn giản đã chứng minh rằng các vi sinh vật cũng không thể xuất hiện được bằng con đường tự sinh từ vật chất không sống. Ông dùng hai bình cầu tròn có cổ, rót vào hai bình môi trường dinh dưỡng, bình thứ nhất cổ thẳng hở, bình thứ hai ông kéo cong cổ bình thành hình chữ S. Môi trường dinh dưỡng trong hai bình được đun sôi để diệt các vi sinh vật có mặt trong đó. Sau khi để một thời gian thấy rằng trong bình cổ thẳng xuất hiện các vi sinh vật, những vi sinh vật này rơi từ bên ngoài vào, trong khi đó ở bình có cổ hình chữ S không xuất hiện vi sinh vật, mặt dù môi trường dinh dưỡng cũng không tách biệt với không khí bên ngoài nhưng chúng không xâm nhập dược là do chúng bị giữ lại ở ống cong. Tiếp theo Pasteur cũng cứng minh rằng nếu bẻ gãy ống cong thì vi khuẩn nhanh chóng xuất hiện còn nếu giữ nguyên thì có thể để lâu dài mà không có vi khuẩn. Qua đó cho thấy các vi khuẩn không xuất hiện bằng con đường tự sinh mà chúng có trong không khí và rơi vào môi trường dinh dưỡng cùng với các hạt bụi. A B C

Hình 1-1: Các thí nghiệm của Pasteur Chúng ta đều biết rằng hiện nay không có sự tự sinh của sự sống, nhưng chắc chắn rằng hiện tượng tự sinh đã diễn ra hàng tỉ năm trước đây khi sự sống xuất hiện lần đầu tiên trên hành tinh chúng ta. Cùng với sự phát triển của vật lý học kính hiển vi được sáng chế và hoàn thiện, cho phép các nhà sinh học quan sát được những vật thể nhỏ, phát hiện tế bào, vi khuẩn, virus, ... Trong thế kỷ 19 sinh học tế bào phát triển một cách mạnh mẽ nhờ kính hiển vi ngày một hoàn thiện với độ phóng đại ngày càng cao. Năm 1833, Brao đã mô tả nhân của tế bào thực vật. Năm 1880, SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 5 Flemin đã mô tả nhiễm sắc thể. Những phát hiện này là nền móng cho các nghiên cứu phát hiện ra các giai đoạn của quá trình phân bào nguyên phân và tiếp theo là giảm phân. Các lĩnh vực khác như thực vật học, động vật học, phôi sinh học, vi sinh vật học cũng phát triển mạnh mẽ trong giai đoạn này. Sự phát triển mạnh mẽ của vật lý, hoá học, toán học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà nghiên cứu sinh học. Trong thế kỷ 20, sinh học đã phát triển với một nhịp điệu phi thường, với nhiều phát minh quan trọng như cấu tạo của protein, axit nucleic. Một số ngành sinh học mới như di truyền học, công nghệ sinh học xuất hiện. 1.3. CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA SINH HỌC Ngày nay, những kết quả nghiên cứu và lý luận sinh học đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như y, dược, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, bảo vệ môi trường, ... Ngành công nghệ sinh học đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng tiến bộ sinh học trong đời sống và phát triển kinh tế. 1.3.1. Ứng dụng trong nông nghiệp Sử dụng các kiến thức sinh học về cấu tạo tế bào, sinh lý thực vật, di truyền, ... ngày nay, con người đã tạo ra được nhiều giống mới, xây dựng các phương pháp chọn giống cây trồng vật nuôi: nhờ vậy mà đã tăng năng xuất cây trồng, tạo ra những sản phẩm mới góp phần phát triển kinh tế. 1.3.2. Ứng dụng trong sản xuất Một số chất hữu cơ như axit xitric, axit axetic, axit glutamic và một số vitamin đã được sản xuất bằng con đường sinh học thông qua sử dụng các chủng vi sinh vật có khả năng lên men. 1.3.3. Ứng dụng trong y, dược Kháng sinh để chữa bệnh hoàn toàn được sản xuất bằng con đường sinh học. Những hiểu biết về cấu tạo và sinh lý của con người đã giúp các bác sĩ chuẩn đoán bệnh cho bệnh nhân và chữa bệnh. Ứng dụng có giá trị đầu tiên của sinh học trong y tế là tiêm vacine - kết quả nghiên cứu của Pasteur. Ngày nay, việc chuẩn đoán bệnh thông qua sử dụng kỹ thuật ADN cho kết quả rất đáng tin cậy. Việc sử dụng công nghệ gen trong y học mở ra một khả năng chữa bệnh bằng liệu pháp gen, nghĩa là sửa chữa những gen bị hư gây bệnh thành gen lành. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 6 1.3.4. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Những nghiên cứu về hoàn thiện các qui trình lên men dựa vào việc sử dụng các chủng mới, chọn lọc bằng con đường sinh học giúp tăng năng suất và hoàn thiện sản phẩm được thực hiện trong sản xuất thực phẩm, đặc biệt là sản xuất các sản phẩm sữa lên men như fomat, sữa chua. Trước 1950 tinh bột được thuỷ phân chủ yếu bằng axit, nhưng hiện nay chủ yếu được thuỷ phân bằng enzyme. Trong công nghệ sản xuất rượu, cồn và nước uống lên men hiện nay cũng ngày càng hoàn thiện với việc sử dụng các giống mới có năng suất cao và hoàn thiện qui trình. Nhờ những kết quả nghiên cứu chọn giống có hiệu quả lên men cao bằng các con đường sinh học đã giúp các nhà sản xuất thực phẩm tạo ra các sản phẩm có năng suất và chất lượng cao.

SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 7

Chương II SINH HỌC TẾ BÀO

Sinh học là một tập hợp khổng lồ các sự kiện và lý luận (học thuyết) về các cơ thể sống. để sắp xếp khối tài liệu khổng lồ ấy, thường người ta tách biệt sự nghiên cứu thực vật (thực vật học) với sự nghiên cứu động vật (động vật học), tách biệt sự nghiên cứu cấu trúc của cơ thể (hình thái học hoặc giải phẩu học) với sự nghiên cứu chức năng của cơ thể (sinh lý học). Tất cả sự sắp xếp và phân chia như vậy đều là tương đối - bởi vì, mặc dù có những sự khác biệt giữa chúng, vẫn có rất nhiều những cái chung đôi khi không thể nào tách biệt, như khi nghiên cứu chức năng của một cơ quan nào đó điều cần thiết là phải biết cấu trúc của cơ quan đó. Vì thế, có lẽ tốt hơn cả là phân chia sinh học phù hợp với mức độ khác nhau của tổ chức sinh vật. Sự sáng chế ra kính hiển vi và việc áp dụng nó vào đầu thế kỷ thứ 17 để nghiên cứu các cơ thể sống đã tạo ra mảnh đất cho việc xuất hiện học thuyết tế bào - học thuyết do Matriaxa Slâyđen và Teodo Soan đề xướng vào năm 1838. Học thuyết này phát triển một cách mạnh mẽ với sự hoàn thiện của kính hiển vi. Tế bào là một đơn vị cơ bản về cấu trúc và chức năng của vật chất sống. Sự hoàn thiện kính hiển vi và sự phát minh kính hiển vi điện tử tạo điều kiện cho việc phát hiện ra những tổ chức mới - tổ chức dưới tế bào như riboxom, mitochondri và các bào quan khác của bào chất. Nhờ có kính hiển vi điện tử, cùng với việc phân tích các cấu trúc bằng tia Rơngen, bằng cộng hưởng điện từ hạt nhân, ... cho phép thu nhận được ngày càng rõ hơn về hình dạng các phân tử cấu tạo nên cơ thể sống, kết hợp chúng lại thành những hợp phần cấu trúc lớn hơn, ví dụ như màng. Sự phát triển một cách nhanh chóng các phương pháp hóa học và vật lý cho phép xác định trình tự sắp xếp các axit amin trong protein, các nucleotit trong ADN và ARN, ... Ngày nay sinh học phân tử đã làm sáng tỏ những biến đổi vật chất và biến đổi năng lượng - là những biến đổi đặc trưng cho các hiện tượng sống. Trong chương này chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu về cấu trúc tế bào qua cấu trúc của một loại đơn bào là vi khuẩn, sự sinh sản và phát triển của chúng, sự quan hệ qua lại giữa tế bào sống và môi trường xung quanh. 2.1. CẤU TRÚC TẾ BÀO SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 8 2.1.1. đại cương về tế bào Người ta thường định nghĩa sinh học là "khoa học về cơ thể sống" nhưng trước hết chúng ta cần phân biệt cái "sống" và cái "không sống". Rất dễ dàng thấy rằng, con người, cây tre, bụi hồng, con giun, con cá, ... là những vật sống - còn tảng đá, hòn sỏi là vật không sống. Hầu hết tất cả các cơ thể đều cấu tạo từ những đơn vị riêng biệt gọi là tế bào. Tế bào là một đơn vị cơ bản về cấu trúc và chức năng của vật chất sống. Mỗi một tế bào là một đơn vị độc lập, còn những quá trình diễn ra trong cơ thể là một sự tổ hợp các chức năng được điều chỉnh của các tế bào. Các tế bào có thể rất khác nhau về kích thước, hình dạng và chức năng. Cơ thể của một số động vật nhỏ nhất chỉ gồm một tế bào. Các cơ thể khác ví dụ con người được cấu tạo từ nhiều tỉ tế bào liên kết lại với nhau. Ở các thực vật và động vật khác nhau và ở các cơ quan khác nhau của cùng một động vật hay thực vật, các tế bào đa dạng về kích thước, hình dạng, màu sắc và về cấu tạo bên trong. Ví dụ như ở cây xanh, tế bào rễ cây hoàn toàn khác với tế bào của lá, tế bào rễ không có màu xanh vì nó không chứa các hạt sắc tố như diệp lục - còn tế bào lá, ngược lại, chứa các hạt sắc tố đặc biệt là diệp lục để làm nhiệm vụ quang hợp tạo nên các chất hữu cơ để nuôi cây; hay ở cơ thể người tế bào gan khác với tế bào của cơ bắp và khác với tế bào của mắt, ... Bởi vì, đối với các cơ thể sống đa bào như cây xanh, con người, ... thì các tế bào ở mỗi cơ quan có nhiệm vụ và chức năng khác nhau nên về đặc điểm câú tạo có những điểm không giống nhau. Tuy vậy, tất cả các tế bào đều có một số các đặc điểm chung giống nhau như: mỗi tế bào đều có màng tế bào (là bộ phận tiếp xúc với môi trường sống xung quanh), bên trong màng tế bào là chất nguyên sinh, nhân tế bào và các bào quan khác nhau như ti thể, mạng lưới nội chất, phức hệ Gongi, lizoxom, trung thể, ... Dựa vào mức độ tổ chức của tế bào - đặc biệt là nhân, người ta phân biệt hai loại sinh vật: - Prokaryot - gồm vi khuẩn, vi rut (nhân sơ), - Eukaryot - gồm nấm men, nấm mốc, các loại tảo và tất cả các sinh vật đa bào bậc cao (nhân chuẩn). 2.1.2. Cấu trúc của các tế bào đơn giản (prokaryot) đặc điểm chính để phân biệt các tế bào prokaryot là chúng chưa có màng nhân rõ ràng ngăn cách với tế bào chất, vị trí mà ở đó, định vị nhiễm SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 9 sắc thể (ADN) người ta gọi là thể nhân, tế bào vi khuẩn thường có một nhiễm sắc thể chính. 2.1.2.1. Tế bào vi khuẩn Theo đặc điểm hình thái thì nhóm vi khuẩn có ba loại là cầu khuẩn, trực khuẩn và xoắn khuẩn. Trong phạm vi của giáo trình này chúng ta chỉ đi sâu nghiên cứu cấu trúc của tế bào vi khuẩn như một ví dụ tiêu biểu, đại diện cho kiểu tế bào nhân sơ (prokaryot). Người ta có thể tìm thấy vi khuẩn ở khắp mọi nơi trên trái đất, ngay cả ở chiều sâu 5m trong đất, trong nước, trong không khí, ... Việc phân biệt ra hai loại vi khuẩn gram dương và vi khuẩn gram âm được đề xuất từ năm 1884 bởi nhà vi khuẩn học đan mạch Christian Gram. Muốn nhuộm gram trước hết người ta nhuộm tiêu bản vi khuẩn bằng tím kết tinh (Cristal Voilet), sau đó xử lý bằng hỗn hợp I 2 -KI, rồi tẩy màu bằng cồn hoặc axeton. Cuối cùng nhuộm lại bằng Fuchsin hay Salranin. Vi khuẩn được gọi là gram dương nếu không bị tẩy mất màu bằng cồn hoặc axeton (màu tím). Vi khuẩn được coi là gram âm nếu khi tẩy bị mất màu của thuốc nhuộm thứ nhất và sau đó bắt màu của thuốc nhuộm thứ hai (màu hồng). Chỉ một số ít loài vi khuẩn là không cho phản ứng màu ổn định khi nhuộm gram. Vi khuẩn gram âm và gram dương có nhiều đặc điểm khác nhau: 1,- Kích thước Tế bào vi khuẩn rất nhỏ bé, chiều dài thường nhỏ hơn 1 tới 10 micron, chiều rộng từ 0,2 đến 1 micron. Phần lớn vi khuẩn có dạng đơn bào, nhưng ở một số loài các tế bào có thể kết với nhau thành chuỗi. 2,- Vách tế bào Tế bào vi khuẩn được bao bọc bỡi một lớp vỏ nhầy (capsule), dưới lớp vỏ nhầy là lớp thành tế bào (cell wall), hay còn gọi là màng tế bào, lớp trong cùng, tiếp xúc với tế bào chất là màng nguyên sinh chất (cytoplasmic membrane). - Lớp vỏ nhầy có chiều dày thay đổi, với chiều dày lớn hơn 0,2 micron thì có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi, còn nếu nhỏ hơn 0,2 micron thì không thấy được dưới kính hiển vi thường mà chỉ thấy dưới kính hiển vi điện tử. Chiều dày của lớp vỏ nhầy thay đổi phụ thuộc vào điều kiện môi trường sống và phụ thuộc vào chủng loại. Ví dụ như vi khuẩn Azotobacter chroococcum khi nuôi cấy trên môi trường chứa nhiều nitơ thì lớp vỏ nhầy mỏng còn nuôi cấy trên môi trường chứa ít nitơ thì lớp vỏ nhầy dày. Có vi khuẩn (trực khuẩn SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 10 than) chỉ hình thành vỏ nhầy sau khi đã xâm nhập vào cơ thể người và động vật, ... Vỏ nhầy có tác dụng góp phần bảo vệ tế bào vi khuẩn - ví dụ: phế cầu khuẩn (Streptococcus pneumoniae) khi có vỏ nhầy sẽ tránh được tác dụng thực bào của bạch cầu do đó có khả năng gây bệnh, còn khi mất khả năng hình thành vỏ nhầy thi sẽ nhanh chóng bị bạch cầu tiêu diệt. Vỏ nhầy còn là nơi tích lũy chất dinh dưỡng, trong trường hợp ngoài môi trường cạn kiệt chất dinh dưỡng thì vi khuẩn sử dụng vỏ nhầy thay cho nguồn dinh dưỡng và vì vậy vỏ nhầy bị tiêu biến dần đi. Vi khuẩn có vỏ nhầy sẽ tạo thành những khuẩn lạc trơn, ướt, bóng. Loại không có vỏ nhầy thì khuẩn lạc xù xì, khô, còn những vi khuẩn có lớp dịch nhầy rất dày thì khuẩn lạc sẽ nhầy nhớt. Thành phần hóa học của vỏ nhầy là nước và polysaccharid, nước chiếm một tỉ lệ cao, có thể lên tới trên 90%. Thành phần và cấu tạo của polysaccharid thay đổi theo từng chủng loại vi khuẩn và phụ thuộc vào điều kiện dinh dưỡng của chúng. Polysaccharid có thể là homo- hay heteropolysaccharid chủ yếu là glucan, mannan, phân tử có phân nhánh chứa chủ yếu các liên kết (có thể α , β) 1-3 , 1-4 , 1-6. Ở nhiều vi khuẩn gây bệnh, tính chất của các thành phần polysaccharid khác nhau trong vỏ nhầy có liên quan trực tiếp đối với tính kháng nguyên và tính gây bệnh của chúng. - Thành tế bào: Thành tế bào vi khuẩn có kích thước khác nhau tùy chủng loại. Nói chung vi khuẩn gram dương có thành tế bào dầy hơn vi khuẩn gram âm. Thành tế bào có tác dụng bao bọc, che chở cho tế bào vi khuẩn và làm cho vi khuẩn có những hình dạng nhất định. Thành phần cấu tạo của thành tế bào gồm: Glycopeptit (hàm lượng của nó biến đổi trong một phạm vi rộng từ trên 90% ở một số vi khuẩn gram dương đến 5÷10% ở một số vi khuẩn gram âm) - đặc biệt, thành tế bào vi khuẩn gram dương có axit teichoic (teichos nghĩa là màng). Axit teichoic được liên kết với glycopeptit nhờ liên kết phosphodiester giữa gốc phosphat của axit với gốc axit muramic của glycopeptit. Màng tế bào còn có phospholipit. Thành tế bào vi khuẩn gram âm thành phân hóa học phức tạp hơn. Chúng chứa ít glycopeptit nhưng nhiều lipit hơn và khi thủy phân thì thu được đủ các loại axit amin có trong thành phần protein. - Màng nguyên sinh chất (cytoplasmic membrane) hay còn gọi là màng nguyên sinh chất - Màng nguyên sinh chất đảm nhiệm bốn chức năng sau: • Duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào, SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 11 • đảm bảo sự vận chuyển các chất dinh dưỡng cho tế bào và đào thải các sản phẩm trao đổi chất ra ngoài tế bào, • Là nơi xảy ra các quá trình tổng hợp một số thành phần của tế bào, nhất là các thành phần của thành tế bào và vỏ nhầy, • Là nơi chứa các enzyme đảm bảo cho quá trình vận chuyển và tổng hợp. 3,- Các tổ chức bên trong tế bào Phía trong màng là tế bào chất - là thành phần chính của tế bào vi khuẩn. đó là một khối chất keo bán lỏng, chứa từ 80 đến 90% nước. Thành phần hữu cơ của tế bào chất chủ yếu là lipoprotein. độ nhớt của tế bào chất vi khuẩn cũng thay đổi tùy thuộc vào điều kiện bên trong và bên ngoài tế bào. Khi tăng nhiệt độ hoặc khi nâng cao nồng độ các ion Ca +2 ; Mg +2 ; Al +3 trong môi trường có thể làm tăng độ nhớt của tế bào chất. Khi còn non, tế bào chất có cấu tạo đồng nhất, bắt màu giống nhau khi nhuộm màu. Khi già, do xuất hiện không bào và các thể ẩn nhập (thể vùi, granula inclusion) mà tế bào chất trở nên có dạng lổn nhổn, bắt màu không đồng dều. Trong tế bào chất của các vi khuẩn trưởng thành, người ta quan sát thấy có nhiều cơ quan con khác nhau như: riboxom, mezoxom, không bào, các hạt sắc tố (ở một số vi khuẩn), các hạt dự trử nội bào và các cấu trúc của nhân. Khác với tế bào các sinh vật bậc cao ở chỗ là không có ti thể và mạng lưới nội chất. - Riboxom: Thành phần hóa học của riboxom tương tự như ở các sinh vật khác. Riboxom của vi khuẩn có chứa khoảng 40÷60% ARN và phần còn lại là protein và một phần nhỏ lipit và các enzyme như ribonucleaza. Trong tế bào vi khuẩn phần lớn riboxom nằm tự do trong tế bào chất, còn một phần nhỏ bám trên màng nguyên sinh chất (trong tế bào động thực vật, riboxom thường liên kết với mạng lưới nội chất). Riboxom tồn tại dưới dạng những hạt gồm hai tiểu thể dưới đơn vị có kích thước khác nhau. Tiểu thể lớn của riboxom có hằng số lắng là 50S (S là đơn vị Svedberg, 1S = 10 -12 cm/giây) còn tiểu thể nhỏ có hằng số lắng là 30S. Riboxom gồm cả hai tiểu thể có hằng số lắng là 70S, còn khi hai riboxom dính liền nhau (gồm 4 tiểu thể) thì có hằng số lắng là 100S. Mỗi tế bào vi khuẩn có trên 1.000 riboxom. Trong mỗi tế bào vi khuẩn đang phát triển mạnh mẽ có thể có đến 15.000 riboxom. Riboxom là trung tâm tổng hợp protein của tế bào. Nhưng không phải mọi riboxom đều có khả năng tổng hợp protein như nhau. Trong tế bào chỉ khoảng 5÷10% riboxom trên toàn bộ riboxom của tế bào là trực tiếp tham gia tổng hợp protein (riboxom hoạt động). SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 12 - Mezoxom: Là thể hình cầu, nằm ở vách ngăn ngang và chỉ xuất hiện ở vi khuẩn khi phân chia tế bào. Mezoxom có vai trò quan trọng trong quá trình phân chia tế bào. - Các hạt dự trử nội bào: Trong tế bào vi khuẩn thường gặp một số hạt có hình dạng và kích thước không giống nhau. Các hạt này đối với chúng như là các hạt dự trử, vì các hạt này thường hình thành khi môi trường dinh dưỡng dồi dào, tế bào tổng hợp thừa các chất hữu cơ. Ngược lại các hạt này được sử dụng khi nguồn dinh dưỡng thiếu. Các hạt thường gặp là: • Hydrat carbon (hạt tinh bột, glycogen) - khi tác dụng với iot thì cho màu xanh, đỏ hoặc nâu, • Giọt mỡ: một số vi khuẩn có khả năng tích lũy các giọt mỡ trong tế bào. Các giọt mỡ này xuất hiện nhiều khi nuôi cấy vi khuẩn trên môi trường chứa nhiều đường, glixerin hay các hợp chất carbon dễ đồng hóa, • Giọt lưu huỳnh: loại này thường có trong các tế bào vi khuẩn chứa lưu huỳnh. Những giọt lưu huỳnh được vi khuẩn lưu huỳnh sử dụng làm nguồn năng lượng khi đã sử dụng hết H 2 S trong môi trường xung quanh (vì khi oxy hóa, H 2 S sẽ giải phóng năng lượng). • Volutin: trừ một số loại vi khuẩn (như Mycobacterium) là thường xuyên chứa hạt volutin trong tế bào ở giai đoạn sinh trưởng cuối còn nói chung, vi khuẩn chỉ tích lũy volutin trong điều kiện dinh dưỡng bất thường. Thành phần của hạt volutin gồm có lipoprotein, ARN, polyphosphat và ion magie. Ngoài các hạt kể trên trong tế bào của một số vi khuẩn còn có "tinh thể giết côn trùng". 4,- Nhân Nhân của tế bào vi khuẩn không phân hóa thành khối rõ rệt như ở các tế bào bậc cao. Ngày nay sự hiểu biết về nhân vi khuẩn gắn liền với những thành tựu khoa học trong lĩnh vực di truyền, và kính hiển vi điện tử. Người ta đã xác định rằng cấu trúc chứa ADN của vi khuẩn chưa phải là nhân thật sự mà là thể nhân. Thể nhân được coi như nhiễm sắc thể cấu tạo bởi sợi ADN xoắn kép rất dài. Nhiễm sắc thể của vi khuẩn có dạng hình tròn. Ở cầu khuẩn thường có một nhân còn ở trực khuẩn có thể có hai hay nhiều thể nhân. Thể nhân ở vi khuẩn khác với nhân thật ở chỗ chưa có màng nhân, thể nhân của vi khuẩn tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất. Nhiễm sắc thể đảm nhận mọi chức SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 13 năng như của nhân ở các tế bào bậc cao. Ở E. coli chứa một phân tử ADN (một nhiễm sắc thể) có dạng vòng tròn. Một số vi khuẩn có khả năng di động, cơ quan để di động là tiêm mao. Tiêm mao là những sợi nguyên sinh chất rất mảnh, chiều rông chỉ khoảng 0,01 đến 0,05 micron, con chiều dài thì thay đổi tùy theo từng chủng loại. 2.1.2.2. Sự sinh sản của vi khuẩn Vi khuẩn thường sinh sản bằng con đường vô tính: nhân đôi tế bào. Sự nhân đôi tế bào có nhiều điểm giống sự phân bào nguyên nhiễm, nhưng ở vi khuẩn cấu trúc nhân chưa hoàn chỉnh nên trong quá trình phân bào cũng không xảy ra một cách hoàn thiện như ở sinh vật bậc cao. Quá trình phân bào cũng tiến hành nhân đôi nhiễm sắc thể, phân chia thể nhân, phân chia tế bào chất. Tuy nhiên sự nhân đôi nhiễm sắc thể và phân chia miền nhân không phải luôn lúc nào cũng xảy ra một cách đồng thời với sự phân chia các phần còn lại của tế bào. Vì vậy có thể gặp một số trường hợp trong một tế bào có 1 hoặc nhiều thể nhân. Sự hình thành vách ngăn phân chia tế bào làm đôi thì ở vi khuẩn hình que và hình xoắn vách ngăn hình thành theo bề ngang của tế bào, còn ở cầu khuẩn thì vách ngăn được tạo nên theo bất kỳ một đường kính nào. Phần lớn vi khuẩn sau khi phân chia các tế bào con tách khỏi nhau, nhưng ở một số khác tế bào con không lìa nhau mà xếp thành chuỗi. Sự phân chia tế bào ở vi khuẩn xảy ra rất nhanh chóng - đối với một số vi khuẩn cứ 20÷30 phút chúng lại phân chia một lần. Với tốc độ sinh sản như vậy, nếu trong điều kiện rất thuận lợi cho chúng trong khoảng thời gian 6 giờ thì từ một tế bào vi khuẩn có thể tạo thành 250.000 tế bào. Với tốc độ sinh sản như vậy cho nên chúng ta dễ dàng hiểu vì sao chỉ có một số lượng nhỏ vi khuẩn gây bệnh xâm nhập vào cơ thể mà chẳng bao lâu sau có thể xuất hiện triệu chứng bệnh tật. Tương tự vậy nếu sản phẩm thực phẩm bị nhiễm khuẩn thì cũng sẽ nhanh chóng bị hư. Một số nghiên cứu cho thấy thỉnh thoảng ở vi khuẩn có thể có hiện tượng giống như sinh sản hữu tính. Khi đó xảy ra sự liên kết giữa hai tế bào và trao đổi các nhân tố di truyền. Các tế bào vi khuẩn bình thường đều là đơn bội. Khi sinh sản hữu tính thì nhiễm sắc thể từ tế bào đực một phần hoặc toàn bộ chuyển sang tế bào cái và kết quả là hình thành nên tế bào lưỡng bội. Sự phân li nhiễm sắc thể tiếp theo sẽ dẫn tới sự hình thành các tế bào đơn bội ở thế hệ con. 2.1.2.3. Phản ứng của vi khuẩn đối với sự thay đổi của môi trường SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 14 Sự hình thành bào tử ở vi khuẩn được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. đa số các nhà nghiên cứu cho rằng trong điều kiện bất lợi như môi trường dinh dưỡng cạn kiệt, nhiệt độ, pH không thích hợp, môi trường tích lũy nhiều sản phẩm có hại, ... vi khuẩn có khả năng hình thành bào tử. Khi hình thành bào tử, vi khuẩn sử dụng một phần lớn nguyên sinh chất trong tế bào. Lúc đầu tế bào chất và chất nhân tập trung lại ở một vị trí nhất định trong tế bào. Vị trí này gọi là vùng bào sinh, ở đó tế bào chất bị mất nước tự do và đặc lại tạo thành tiền bào tử. Tiền bào tử sau đó được bao bọc bỡi các lớp màng và bắt đầu khác tế bào dinh dưỡng. Tiền bào tử phát triển dần và trở thành bào tử. Mỗi tế bào vi khuẩn chỉ có một bào tử. Trong rất ít trường hợp (như ở xoắn khuẩn Spirillum volutans) có thể thấy trong tế bào có tới hai hoặc nhiều bào tử. Bào tử của vi khuẩn không bao giờ có chức năng của cơ quan sinh sản như của nhiều loại vi sinh vật khác. Bào tử của vi khuẩn có thể giữ được sức sống rất lâu, năm 1911 một nhà sinh học Liên xô (Omelianski) đã tìm thấy bào tử vi khuẩn ở xác một con voi mamut vùi sâu trong băng tuyết hàng nghìn năm. Bào tử cũng có thể chịu đựng được khá cao các điều kiện bất lợi của ngoại cảnh. Khả năng này không giống nhau đối với từng loài vi khuẩn. Ví dụ: bào tử vi khuẩn gây ngộ độc thức ăn (clostridium botulinum) có thể chịu được nhiệt ở 180°C trong thời gian 10 phút, còn bào tử Bac. subtilis ở nhiệt độ 100°C có thể chịu được 180 phút. Muốn tiêu diệt bào tử vi khuẩn phải khử trùng ở nhiệt độ 121°C trong 20 phút (sức nóng ướt). Các bào tử khi gặp điều kiện thuận lợi sẽ nảy mầm và phát triển thành một tế bào dinh dưỡng mới. Ngày nay, có một số tác giả cho rằng không thể nói vì điều kiện bất lợi mà tế bào vi khuẩn sinh bào tử vì người ta tìm thấy có một số vi khuẩn cho bào tử nhiều hơn trong điều kiện dinh dưỡng thuận lợi so với điều kiện bất lợi, cũng như tác động của độ thoáng khí, pH, nhiệt độ, chất độc, ... đều không phải là nguyên nhân trục tiếp. Do đó vấn đề nguyên nhân và ý nghĩa của việc hình thành bào tử vẫn còn là vấn đề tranh luận. 2.1.2.4. Các vi khuẩn có lợi và có hại cho con người Vi sinh vật được đặc trưng bỡi sự phổ biến rộng rãi và khả năng trao đổi chất đặc biệt có hiệu xuất cao. Việc ứng dụng vi sinh vật nói chung, vi khuẩn nói riêng đã có từ rất lâu. ở đây chúng ta đề cập chủ yếu là vi khuẩn, còn phạm vi ứng dụng của vi sinh vật thì rất rộng lớn. 1,- Một số vi khuẩn có lợi cho con người SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 15 Vi khuẩn được ứng dụng rộng rãi trong nghành thực phẩm, trong y- dược và một số ngành sản xuất công nghiệp, sau đây là một số dẫn chứng cụ thể nêu lên những ứng dụng của vi khuẩn: để lên men lactic người ta sử dụng một số chủng như: Lactobacillus bulgaricus; L. delbruckii; L. brevis; Leuconostos mesenteroides, ... lên men lactic được sử dụng trong việc sản xuất các sản phẩm từ sữa (sữa chua, váng sữa, phomai) hay trong sản xuất các loại thực phẩm muối chua. để sản xuất dấm (axit axetic) người ta dùng vi khuẩn Acetobacter suboxydans đối với y học các sản phẩm lên men cũng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là trong kỹ nghệ dược. Vi khuẩn cũng được sử dụng để sản xuất một số chế phẩm như E. coli được sử dụng để sản xuất Asparaginaza là một enzyme được sử dụng để kìm hãm một số khối u và bệnh bạch cầu. Leuconostos mesenteroides sử dụng để sản xuất chất thay thế huyết tương (dextran). 2,- Một số vi khuẩn có hại Vi khuẩn khi xâm nhập vào thực phẩm của người và động vật sẽ làm cho thực phẩm nhanh chóng bị hỏng, vì như chúng ta đã biết vi khuẩn có một tốc độ sinh sản rất nhanh chóng, điều đó chứng tỏ rằng vi khuẩn sử dụng nguồn dinh dưỡng trong môi trường rất mạnh, cho nên nếu thực phẩm bị nhiễm khuẩn thì sẽ bị phá hủy nhanh chóng. Ví dụ: vi khuẩn Bacillus stearothermophilus là loại thường làm hỏng đồ hộp. Bào tử của chúng có khả năng chịu nhiệt cao nên nếu khử trùng đồ hộp không kỹ thì bào tử tồn tại trong hộp và sau đó phát triển làm đồ hộp bị hư hỏng.Vì vậy trong bảo quản lương thực và thực phẩm người ta thường tìm các biện pháp để tránh sự phá hủy của vi sinh vật nói chung và vi khuẩn nói riêng. Ngoài ra, một số vi khuẩn là nguyên nhân gây ra một số bệnh cho người và động vật khi chúng xâm nhập vào cơ thể. Dưới đây là một số thí dụ cụ thể về một số vi khuẩn gây bệnh: Bệnh bạch hầu do vi khuẩn Corynebacterium diphtheriae; bệnh uốn ván do trực khuẩn Clostridium tetani; trực khuẩn Cl. botulinum thường gây ngộ độc thức ăn, ngoài ra một số vi khuẩn như Staphylococcus aureus, Staph. emidermidis cũng là những vi khuẩn gây ngộ độc thức ăn; bệnh tả do vi khuẩn Vibrio cholera; bệnh thương hàn do Salmonella, ... 2.1.3. Cấu trúc của tế bào eukaryot 2.1.3.1. Cấu trúc 1,- Màng sinh chất SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 16 Mỗi tế bào đều được bao bọc bởi một lớp màng mỏng, đàn hồi, lớp màng này tiếp xúc với chất nguyên sinh ở phía trong tế bào. Giống như ở phần vi khuẩn chúng ta đã đề cập đến các chức năng của màng sinh chất. Nói chung về chức năng thì màng sinh chất của tế bào prokaryot cũng giống như ở tế bào eukaryot. Màng tế bào đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc điều chỉnh thành phần của dịch nội bào, bỡi vì các chất dinh dưỡng cũng như các chất thải đi vào và đi ra đều qua màng tế bào. 2,- Các tổ chức bên trong tế bào Trong màng tế bào là chất nguyên sinh. đó là một khối chất keo bán lỏng chứa 80 đến 90% nước. Trong tế bào chất có những cơ quan chức năng như: * Mạng lưới nội chất

Hình 2-1: Lưới nội chất và các vi thể Là một hệ thống màng, những màng của lưới nội chất gắn chặt vào nhau tạo thành các kênh phức tạp đường kính gần 50÷100 nm. Mạng lưới nội chất thường có hai loại là loại trơn và loại hạt. Loại trơn chỉ gồm có một loại màng còn loại hạt màng của chúng có nhiều riboxom là nơi tổng hợp protein. Cùng một tế bào có thể chứa mạng lưới nội chất trơn hoặc hạt. Chức năng của mạng lưới trơn chưa được biết rõ, có thể chúng tham gia vào quá trình tổng hợp một số chất đặc trưng của tế bào. * Riboxom Về cấu tạo của Riboxom giống như ở vi khuẩn mà chúng ta đã đề cập đến gồm hai tiểu đơn vị có hằng số lắng khác nhau. Riboxom chứa ARN- Riboxom, protein, enzyme. điểm khác nhau giữa tế bào prokaryot và eukaryot ở chỗ Riboxom ở tế bào prokaryot thường nằm trong tế bào chất chứ không gắn vào màng như ở tế bào eukaryot. Riboxom được tổng hợp trong nhân và được chuyển ra bào chất, ở đây, chúng thực hiện chức năng của mình. * Nhân SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 17 Mỗi tế bào thường có một nhân, nhân có thể hình cầu hoặc hình trứng. Trong một số tế bào nhân thường có vị trí nhất định ở giữa tế bào, nhưng cũng có trường hợp nhân không định vị nhất định ở một chỗ mà có thể di động nên có thể tìm thấy ở những vị trí khác nhau. ở tế bào eukaryot, nhân tách biệt với tế bào chất bằng màng nhân. Màng nhân điều hòa sự chuyển vận các chất từ nhân đi ra tế bào chất và ngược lại. Màng nhân được cấu tạo từ hai lớp và có các lỗ, qua đó các chất có thể vận chuyển qua. Thành phần chính của nhân là các nhiễm sắc thể - chúng được cấu tạo từ ADN, protein. Số lượng nhiễm sắc thể cố định đối với từng loài sinh vật - ví dụ: như ở ruồi dấm có 8 nhiễm sắc thể (bốn cặp), ở người có 46 nhiễm sắc thể (23 cặp), ở ngô 20 nhiễm sắc thể (10 cặp). Tế bào có hai bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh gọi là tế bào lưỡng bội (tức mỗi loại có hai nhiễm sắc thể giống nhau). Tế bào chỉ có một bộ nhiễm sắc thể (mỗi loại chỉ có một nhiễm sắc thể) gọi là tế bào đơn bội. Tế bào đơn bội thường là tế bào giới tính như tinh trùng, trứng; ở thực vật như: phấn hoa, noãn hoa. Trong nhân có một thể hình tròn gọi là hạch nhân (nhân con). ở phần lớn tế bào, hạch nhân rất dao động, nó thay đổi hình dạng, lúc xuất hiện, lúc biến đi (khi tế bào chuẩn bị phân chia). Trong nhân có thể có một số hạch nhân, nhưng thường thì tế bào mỗi loài động vật, thực vật có số lượng nhân con nhất định. Nhân con tham gia vào qúa trình tổng hợp axit nucleic. Nếu phá hủy hạch nhân bằng tia Rơngen hoặc tia tử ngoại thì sự phân chia tế bào bị ức chế. * Thể Golgi

Hình 2-2: Bộ máy Golgi Là một thành phần của tế bào chất, có trong hầu hết các loại tế bào (trừ tinh trùng và hồng cầu) chúng có cấu trúc một hệ mạng lưới những kênh được lót bỡi các màng. Chúng thường nằm cạnh nhân và bao quanh trung tử. Dưới kính hiển vi điện tử, phức hệ Golgi được cấu tạo từ các nhóm màng song song với nhau, không có hạt, ở những phần riêng biệt các khoảng giữa các màng có thể được kéo dài ra tạo thành những bóng nhỏ. Theo một số nhà nghiên cứu thì phức hệ Golgi dùng để bảo quản tạm thời các chất được sản SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 18 xuất ra trong mạng lưới nội chất, còn các kênh của nó nối liền với màng sinh chất - điều đó làm cho việc tiết những sản phẩm được dễ dàng. * Ty thể (Mitochondrie)

Hình 2-3: Cấu tạo ty thể Ty thể có kích thước từ 0,2 đến 5 micron, hình dạng của chúng dao động từ hình cầu, hình que, hình sợi. Số lượng ty thể trong tế bào có thể khác nhau từ vài ty thể tới hàng nghìn. Ty thể thường tập trung ở phần tế bào mà ở đó sự trao đổi chất diễn ra tích cực nhất. Ty thể được bao bọc bỡi lớp màng kép, lớp ngoài màng tạo thành bề mặt nhẵn, còn lớp trong có nhiều phần lồi ra chạy song song ăn sâu vào trung tâm ty thể, đôi khi phần lồi xuất phát từ hai hướng ngược nhau kết hợp với nhau. Các nếp lồi gọi là mao răng lược, có chứa các enzyme tham gia vào hệ thống chuyển vận điện tử. Chất lỏng ở bên trong ty thể là chất nền - chứa các enzyme của chu trình Crebs. Chức năng của ty thể là chuyển hóa năng lượng thành dạng sinh học có ích nên người ta đôi khi gọi chúng là trạm năng lượng của tế bào. Trong ty thể còn có ADN của ty thể- là ADN ngoài nhân. * Lạp thể Là một thể nhỏ ở tế bào thực vật, ở đó diễn ra sự tổng hợp hoặc tích lũy các chất hữu cơ. Lạp thể quan trọng nhất là lục lạp có chứa clorofil làm cho cây có màu xanh và có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp. Dưới kính hiển vi điện tử, lục lạp được cấu tạo từ các màng xếp song song khít chặt vào nhau. Lục lạp có thể phân chia và lớn lên thành các lục lạp con. Lục lạp cũng là cơ quan có chứa ADN ngoài nhân. Ngoài lục lạp ra còn có bạch lạp là lạp thể không màu chứa tinh bột và các chất khác; sắc lạp là lạp thể có chứa các sắc tố khác nhau làm cho hoa quả có màu sắc. * Lisoxom Nhóm các bào quan có ở tế bào động vật, có kích thước gần như ty thể nhưng kém vững chắc hơn. Lisoxom được giới hạn bỡi các màng, nó chứa nhiều loại enzyme khác nhau có khả năng thủy phân các thành phần đại phân tử của tế bào như polysaccharid, protein, axit nucleic. Khi tế bào còn sống, SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 19 các enzyme đó được điều tiết qua màng, ngược lại khi tế bào bị chết, màng Lisoxom bị phá hủy, những enzyme đó được giải phóng ra nên nó thủy phân nhanh chóng các protein, polysaccharid làm tế bào dễ bị tiêu hủy. * Trung tử Trong tế bào động vật và một số thực vật bậc thấp có hai thể nhỏ nhuộm màu mạnh nằm gần nhân gọi là trung tử. Trung tử có vai trò mạnh trong sự phân chia tế bào: khi bắt đầu phân chia hai trung tử tách khỏi nhau và chuyển về hai cực đối nhau của tế bào và giữa chúng hình thành thoi phân bào. Trung tử có dạng hình trụ, ở thành hình trụ có xếp 9 nhóm ống dọc, mỗi nhóm gồm 3 ống. Trong trường hợp điễn hình, hai trung tử thường xếp thẳng góc với nhau theo trục trụ dọc. * Lông và roi Tương tự như ở phần vi khuẩn mà chúng ta đã đề cập tới, ở một số động vật nguyên sinh (như trùng roi) cũng di chuyển nhờ tiêm mao. ở một số sinh vật, tiêm mao còn có chức năng nữa là giúp cho cơ thể bám được tốt trên bề mặt cơ chất. động vật bậc cao có khuynh hướng hình thành các mô (là một nhóm hay một lớp tế bào chuyển hóa như nhau cùng thực hiện một chức năng này hay khác), và ta cũng gặp các biểu mô lông (biểu mô là mô là mô xếp thành từng lớp phủ ngoài thân thể hoặc mặt trong xoang thân thể). Trên bề mặt tự do của biểu mô lông có rất nhiều lông bằng chất nguyên sinh cực nhỏ gọi là tiêm mao, sự chuyển động nhịp nhàng của chúng làm cho các chất trên bề mặt tế bào chuyển động theo một hướng. ở người và động vật, phần lớn ống hô hấp có loại biểu mô lông này, những lông của nó dùng để loại trừ các hạt bụi và các vật lạ khác. 2.1.3.2. Nước, hàm lượng và trạng thái của nước Nước là thành phần quan trọng không thể thiếu được của tế bào. Trong tế bào, hàm lượng của nước thường trên 60% - ở một số loại lên tới 90% nước trong tế bào như: ở người 58÷60% ; sữa 96÷99% ; rau quả 80÷94% ; nấm men 54÷83% ; vi khuẩn 75÷88%. Nước đóng vai trò quan trọng trong tế bào - nước đóng vai trò là chất phản ứng vì nó tham gia hàng loạt các phản ứng sinh hóa như phản ứng thủy phân, phản ứng tổng hợp, phản ứng oxyhóa khử, ... Nước vừa là dung môi, môi trường mà ở đó diễn ra vô vàn phản ứng sinh hóa, ... Nước tham gia hàng loạt những quá trình sống căn bản như tiêu hóa, hô hấp, bài tiết, quang hợp, ... * Cấu tạo phân tử nước SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 20

a, - Góc giữa 2 liên kết OH b, - Cấu trúc của đám mây điện tử của phân tử nước Hình 2-4: Sơ đồ cấu trúc đám mây điện tử Cấu tạo phân tử nước đơn phân là một tam giác cân, đỉnh là nguyên tử oxy, ở hai góc của đáy là hai proton, góc giữa hai liên kết O−H bằng 104,5º . độ dài giữa hạt nhân của nguyên tử oxy và hydro trong liên kết OH bằng 0,96Å ( 0,96 x 10 -7 mm). Trong nước, ngoài các phân tử nước đơn giản còn chứa các phân tử nước liên hợp, được biểu diễn bằng công thức tổng quát [H 2 O]x - giá trị x luôn luôn thay đổi tùy thuộc vào trạng thái của nước. Khi đun nóng sự liên hợp của các phân tử nước bị phá hủy và khi nhiệt độ đạt 100ºC thì hầu hết các phân tử nước tồn tại dưới dạng đơn phân. Nguyên nhân cơ bản của sự hình thành những liên hợp phân tử nước là do liên kết hydro tạo thành giữa hai phân tử nước. * Trạng thái của nước trong tế bào Nước trong tế bào tồn tại dưới hai dạng chính là nước tự do và nước liên kết. Trong nhóm nước liên kết thì người ta thấy cách thức và mức độ liên kết của chúng cũng khác nhau. Có thể phân chia các trạng thái của nước như sau: 1,- Nước cấu trúc Nước liên kết với các hợp phần hữu cơ của tế bào bỡi các cầu hydrogen. Loại nước này không đóng vai trò như dung môi hoặc tác nhân phản ứng. Số lượng của loại nước này bé và không thể tách ra mà không làm thay đổi cấu hình của hợp chất hữu cơ (ví dụ như protein). 2,- Lớp nước đơn phân tử Nước này bị hấp phụ trên bề mặt của các phân tử mang điện tích (ví dụ như protein)- vì, như chúng ta đã biết: phân tử nước là một phân tử lưỡng cực. Nước này thường không có khả năng hoặc rất ít khả năng đóng vai trò như là dung môi. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 21 Nước cấu trúc và nước đơn phân tử thường không đông đặc khi hạ nhiệt độ thấp. 3,- Nước mao quản Loại này nằm trong các mao quản hay giữa các phân tử protein gần nhau trong tế bào. nước này có khả năng đóng vai trò như dung môi và chất phản ứng, nước này có thể tách ra khỏi các mao quản của chúng, nhưng cần có năng lượng lớn. 4,- Nước hydrat hóa Loại này góp phần tạo cấu hình protein, loại này khó xác định hàm lượng của chúng vì nó nằm trong phần cấu trúc. 5,- Nước hydrat hóa thủy động học Bao bọc xung quanh các phân tử hữu cơ, nước này được xem như nước tự do. Tuy nhiên, sự phân chia như trên cũng chỉ là tương đối vì ranh giới của các trạng thái nước khác nhau không thể cố định một cách chính xác và phụ thuộc nhiều vào điều kiện ngoại cảnh của môi trường và trạng thái của tế bào. 2.2. MÀNG TẾ BÀO Màng tế bào có tác dụng bao bọc, che chở cho tế bào và làm cho tế bào có hình dạng nhất định. Ở các loại sinh vật đơn bào thì màng tế bào là ranh giới giữa tế bào với môi trường bên ngoài, nó tiếp xúc trực tiếp với môi truờng. Màng tế bào đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất giữa tế bào với môi trường. Phần lớn tế bào eukaryot có các cấu trúc dưới tế bào như lysoxom, thể Golgi, ty thể, ... mỗi một tiểu thể như vậy đều có một màng riêng ngăn cách, còn ở tế bào prokaryot hệ thống màng chủ yếu là màng tế bào và màng sinh chất. Thành phần chính của màng tế bào là lipit, protein và polysaccharid. Tỷ lệ giữa chúng thay đổi tùy thuộc vào chủng loại màng và chủng loại vi sinh vật. Polysaccharid thường liên kết với protein tạo thành glycoprotein hoặc liên kết đồng hóa trị với lipit tạo thành lipopolysaccharid. 2.2.1. Nền tảng lipit của màng Lipit có trong thành phần màng tế bào chủ yếu là phospholipit, ngoài ra còn có lipit trung tính, glycolipit và đặc biệt là trong màng tế bào động vật còn có cholesterol. * Phospholipit SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 22 Nhóm u cực đầ Chuỗi hydrocacbon

Hình 2-5: Phospholipit Phospholipit là loại hợp chất có phân tử lưỡng cực. ở đầu có nhóm phosphat và các gốc đính phụ khác là đầu cực hóa và ưa nước còn đầu chứa gốc carburhydro không phân cực và kỵ nước. Chính cấu trúc phân tử đặc biệt như vậy nên khi cho phospholipit vào trong nước thì ta thấy chỉ có một phần rất nhỏ phospholipit tồn tại ở dạng đơn phân tử, còn phần còn lại chúng tạo thành lớp phospholipit đơn phân tử trên bề mặt của nước với đầu ưa nước hướng vào nước, tạo thành các micelle và đặc biệt là chúng tạo thành các ''bong bóng" với lớp màng phospholipit hai lớp. * Tấm phospholipit 2 lớp [Hình 2-6] Tấm phospholipit hai lớp gồm hai lớp phân tử, đầu không phân cực của hai lớp phân tử phospholipit hướng vào nhau còn đầu phân cực của hai lớp quay ra ngoài. Sự hình thành tấm phospholipit là một đặc tính của phospholipit mà chúng ta đã đề cập trên đây. Sự có mặt của tấm phospholipit 2 lớp là một điểm đặc trưng của màng tế bào. Thực ra thì màng không có cấu trúc đồng bộ như vậy, ngày nay người ta đã chứng minh rằng trên màng còn chứa protein, enzyme và một số chất làm chức năng vận chuyển. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 23 Nhóm có cực Protein ngoài Gốc carburhydro 40 Å OH OH OH OH OH OH

Hình 2-6: Tấm Phospholipid 2 lớp 2.2.2. Cấu trúc của màng sinh chất Màng sinh chất có cấu tạo ba lớp, ngoài cùng và trong cùng là hai lớp protein còn ở giữa là tấm phospholipit hai lớp. Hiện nay nhiều nhà nghiên cứu cho rằng màng sinh chất có cấu tạo khảm, các khối protein nằm xen vào giữa màng phospholipit hai lớp. đặc biệt trên màng sinh chất có loại protein-enzyme có tác dụng chủ động vận chuyển các chất qua màng tế bào gọi là permease. Theo giả thuyết của một số tác giả thì tại vị trí có phân tử permease, các phân tử phospholipit sẽ hướng đầu ưa nước vào nhau để tạo thành lỗ hở chứa phân tử permease này. Ở màng sinh chất còn có hệ thống sợi nâng đỡ. Các sợi này có cấu trúc rất mảnh với đường kính khoảng 50Å, các sợi này được cấu tạo từ những tế bào sợi tương tự như actin trong các cơ bắp ở động vật. Hệ sợi nâng đỡ này có hai dạng: dạng lưới - các sợi liên kết với nhau tạo thành dạng mạng như lưới nối với miosin và tropomiosin của sinh chất; dạng bó - tồn tại từng nhóm chạy sát phía dưới thành sinh chất. Cả hai dạng này đều làm chức năng nâng đỡ của màng sinh chất và đóng vai trò quan trọng trong quá trình co, giãn (khả năng biến dạng) của màng tế bào. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 24 Ở tế bào eukaryot (ví dụ như tế bào nấm men) còn có màng tế bào. Màng tế bào vi khuẩn chúng ta đã xét ở phần trên, ở đây chúng ta xét cấu trúc màng của tế bào eukaryot. Hình 2-8 biểu diễn mô hình cấu tạo màng của tế bào eukaryot. Mặt ngoài cùng nơi tiếp xúc với môi trường là lớp oligo- hoặc polysaccharid, polysaccharid này liên kết với protein hoặc lipit màng tạo thành glycoprotein và glycolipit, nên chú ý là phần polysaccharid luôn luôn hướng ra ngoài môi trường chứ không phải ở mặt tiếp xúc với nguyên sinh chất. Glycolipid Gèc ®−êng Glycoprotein

Hình 2-7: Mô hình cấu tạo màng của tế bào eukaryot Khi thủy phân glycoprotein và glycolipit của màng tế bào eukaryot người ta nhận được một số loại đường đơn giản sau: mannose, galactose, glucose, glucosamin, galactosamin và axit sialic. Lớp tiếp theo là tấm lipit hai lớp, trong đó có các phân tử protein. 2.2.3. Tương tác giữa tế bào với môi trường qua màng tế bào Màng tế bào là bộ phận liên hệ trực tiếp giữa tế bào với môi trường xung quanh (đối với các thể đơn bào). Mọi thông tin như sự thay đổi pH, nhiệt độ, sự thay đổi thành phần dinh dưỡng, ... tế bào tiếp nhận được đều qua màng tế bào. Trong sự trao đổi vật chất giữa tế bào và môi trường, màng tế bào có khả năng hấp thụ chọn lọc, nghĩa là nó có thể cho hoặc không cho một số chất đi vào tế bào và đi ra khỏi tế bào. Các chất dinh dưỡng, nước đi từ môi trường vào tế bào và các chất thải được đưa ra khỏi tế bào. Ngoài ra giữa tế bào với môi trường còn có sự trao đổi khí, sự trao đổi này cũng thông qua màng tế bào. Ví dụ: tế bào da ếch có khả năng hấp thụ O 2 và thải CO 2 , khi gặp tiết trời nóng, da khô lại và sự hô hấp cũng dừng lại; hay tế bào phổi cũng làm chức năng hô hấp tức trao đổi khí với môi trường. 2.2.4. Sự vận chuyển của các phân tử đi ra và vào tế bào 2.2.4.1. Sự thẩm thấu và áp suất thẩm thấu SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 25 Những chất trao đổi giữa tế bào và môi trường thường hòa tan trong nước. Do sự chênh lệch về nồng độ mà nước có thể và các chất hòa tan có thể thấm qua màng tế bào. Hiện tượng này xảy ra nhờ áp xuất thẩm thấu. để hiểu rõ hơn ta xét ví dụ sau đây: 1,- Phân biệt các loại màng • Màng thấm: Màng có hệ thống lỗ mà bất kỳ chất nào cũng qua được. • Màng không thấm: Không cho bất kỳ chất nào đi qua. • Màng bán thấm: Chỉ cho một số chất chứ không phải tất cả. Màng tế bào thuộc vào loại màng bán thấm. 2,- Chuẩn bị thí nghiệm Lấy một cái túi colodion (có các lỗ màng không quá nhỏ để phân tử đường và nước có thể đi qua được) đựng đầy dung dịch đường 5% và để vào cốc nước, sau một thời gian đường trong nước bao quanh túi sẽ bằng nồng độ đường trong túi. điều đó chứng tỏ đường trong túi đi qua màng túi vào cốc và nước từ cốc đi vào trong túi. Nếu lấy một túi khác có kích thước lỗ nhỏ chỉ cho nước đi qua mà không cho phân tử đường qua được sau đó ta cũng đổ dung dịch đường 5% vào và cột miệng túi vào một ống thủy tinh và cho vào cốc nước. Sau một thời gian ta thấy nước dâng lên cột thủy tinh (Hình 2-8). Sự khuyếch tán như vậy của các phân tử nước hay của dung môi nào khác qua màng gọi là thẩm thấu. Mực nước trong ống thủy tinh sẽ dâng lên cao để sao cho áp suất do cột nước trong ống gây ra bằng với lực bắt nước đi vào trong túi. Áp xuất của cột nước được dùng làm mức đo áp suất thẩm thấu. Sự thẩm thấu xảy ra khi có sự chênh lệch về nồng độ giữa dung dịch trong và ngoài màng. Sự khuếch tán của các phân tử chất hòa tan qua màng bán thấm còn gọi là sự thẩm tích; còn sự khuếch tán của các phân tử dung môi qua màng bán thấm gọi là thẩm thấu. Màng tế bào hoạt động như một màng bán thấm. Khi cho tế bào vào chất lỏng có cùng áp suất thẩm thấu như trong tế bào thì nước không đi vào và đi ra khỏi tế bào vì vậy tế bào không bị phồng lên mà cũng không bị co lại, chất lỏng như vậy gọi là chất lỏng đẳng trương. Dung dịch muối ăn 0,85% là đẳng trương so với tế bào của người và một số động vật (dung dịch sinh lý). 3,- Thí nghiệm biểu diễn áp suất thẩm thấu A - đổ dung dịch đường 5% vào túi làm bằng màng bán thấm (xenlofan) treo trong nước. Các phần tử nước khuyếch tán vào túi làm cho cột nước trong SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 26 ống thủy tinh dâng lên cao. Các phần tử đường lớn hơn, và vì vậy, không thể đi qua màng xenlofan. B - Khi đạt cân bằng, áp suất của cột nước trong ống bằng đúng với áp suất thẩm thấu của dung dịch đường và dùng làm mức đo áp suất ấy.

Hình 2-8: Mô hình biểu diễn áp suất thẩm thấu 4,- Sự khuếch tán Chúng ta đều biết các phân tử chất lỏng, rắn, khí đều luôn chuyển động. Sự sai khác nhau giữa ba trạng thái rắn, lỏng, khí được xác định bỡi bậc tự do chuyển động giữa các phân tử. Các phân tử chất lỏng và khí chuyển động mạnh hơn so với chất rắn, do sự chuyển động như vậy mà sự phân bố của các chất trong chất lỏng và chất khí sau một thời gian sẽ đạt trạng thái cân bằng. Sự khuếch tán có nghĩa là sự chuyển dịch của các phân tử theo tất cả các hướng, nếu dung dịch có sự chênh lệch nồng độ thì sau một thời gian sẽ được phân bố đều. Có thể hiểu nôm na sự khuếch tán là sự phân bố các phân tử từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn, do chuyển động nhiệt của chúng gây ra. Các chất khác nhau ở cùng trong một dung dịch khuếch tán không phụ thuộc vào nhau. Thẩm tích và thẩm thấu chỉ là hai dạng đặc biệt của khuếch tán. 2.2.5. Sự vận chuyển có chọn lọc của các phân tử 2.2.5.1. Sự khuếch tán có chọn lọc Như chúng ta đã đề cập ở phần trên đây rằng tế bào có khả năng tiếp nhận và đào thải một cách có chọn lọc các chất. đặc tính chọn lọc này chính SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 27 là của màng tế bào, vì tất cả sự trao đổi đều qua màng. Ngày nay người ta cho rằng sự chọn lọc này là do: 1,- Kích thước đường kính lỗ của màng Những chất đi qua màng được là những chất có đường kính các phân tử tương quan với đường kính lỗ của màng. Ví dụ tế bào quản cầu thận của các loài thú có đường kính lỗ từ 18÷50Å nên nó không để lọt từ máu vào nước tiểu các phân tử protein có khối lượng quá 40.000 Dalton. Nhưng lỗ màng của quản cầu thận của chuột đồng là 60÷70Å nên nó cho qua các phân tử protein có khối lượng 60.000 Dalton. 2,- Chất vận chuyển Trên màng có chứa các chất làm nhiệm vụ vận chuyển. Các chất này có khả năng tiếp nhận một cách có chọn lọc. 3,- Sự vận chuyển tích cực Sự khuyếch tán lý học, các chất hòa tan đi từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. đối với các tế bào sống sự hấp thụ và thải một số chất có thể ngược lại với dốc nồng độ, tức là các chất có thể đi từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp ví dụ ở thận nồng độ urê trong nước tiểu đậm đặc gấp 65 lần trong máu, nồng độ phosphat gấp 16 lần trong máu, nhưng các chất ấy vẫn thấm từ máu vào qua màng tế bào vào nước tiểu; còn tại ống thận tuy nồng độ glucose thấp hơn máu, nhưng glucose vẫn được thu hồi lại, tức là thấm qua màng tế bào để vào máu. Như vậy màng tế bào sống có thể chủ động vận chuyển một số chất ngược chiều với sự khuếch tán lý học. đó là khả năng hoạt tải của màng tế bào. Màng tế bào còn có thể thực hiện sự trao đổi chất nhờ sự biến dạng tích cực của nó. đối với một số chất (thức ăn) có kích thước lớn không lọt qua các lỗ màng được thì tại nơi tiếp xúc với chúng thì màng tế bào lõm vào tạo thành túi bọc lấy chúng và sau đó khép lại tạo thành không bào chứa chất lấy vào. Tế bào sẽ tiết enzyme để phân hủy chất lấy vào thành phần nhỏ và hấp thụ qua màng. 2.2.6. Sự tiếp nhận thông tin qua màng tế bào Những sinh vật đơn bào như vi khuẩn, nấm men, ... thì tế bào liên hệ trực tiếp với môi trường, mọi thông tin được tiếp nhận qua màng tế bào, nhưng sự phản ứng của chúng đối với những biến đổi yếu ớt, thụ động vì chưa có sự phân hóa về chức năng như ở những sinh vật đa bào. Ở sinh vật đa bào sự liên hệ giữa tế bào với môi trường xung quanh và với những tế bào SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 28 khác trong cơ thể cần thiết có những mô chuyên hóa để tiếp nhận và dẫn truyền các tín hiệu thông tin (mô thần kinh). Những kích thích được các tế bào thần kinh tiếp nhận và truyền về hệ thần kinh trung ương, đồng thời tế bào thần kinh cũng dẫn truyền những tín hiệu phản xạ của hệ thần kinh trung ương. Quá trình tiếp nhận và dẫn truyền các tín hiệu thông tin đều có sự tham gia trực tiếp của màng sinh chất của tế bào thần kinh. Màng tế bào thần kinh có tính thấm chọn lọc đối với ion K + và Na + (màng tế bào dễ cho ion kali đi qua hơn Na). Khi có sự chênh lệch về nồng độ ion giữa trong và ngoài màng thì sẽ có một thế năng điện hóa. (Cơ chế của quá trình tiếp nhận và dẫn truyền các xung động dưới dạng sóng của một chuỗi quá trình cực hóa của màng). 2.3. PROTEIN VÀ VAI TRÒ CỦA PROTEIN đỐI VỚI SỰ SỐNG - Protein là những chất có trong cơ thể sống, có trọng lượng phân tử lớn, chúng được tạo thành từ axit amin và không hòa tan trong dung dịch axit Tricloaxetic 10%. - Là vật chất cơ bản nhất của tế bào. - Làm nhiệm vụ xúc tác đặc biệt cho cơ thể sống. - Protein là những cấu tử quan trọng nhất về mặt số lượng của tất cả các cơ thể sống, đặc biệt là cơ thể có tổ chức cao. Trong các mô của động vật có vú, Protein chiếm 10÷20% còn Gluxit và Lipit chỉ chiếm 1÷5%. Protein có nhiều đặc tính không có ở bất kỳ hợp chất hữu cơ nào như tính đa dạng về mặt cấu trúc, tính đặc hiệu loại rất cao, khả năng phản ứng lớn, khả năng thích ứng đối với tác dụng của môi trường ngoài và tái lập trạng thái ban đầu khi ngừng tác dụng → Chính những đặc tính này đảm bảo chức năng '' cơ sở sự sống '' của Protein. - Protein rất khác nhau về cấu trúc, tính chất và đặc biệt là vai trò sinh lý, trong cơ thể Protein là: 1- chất tạo hình để tạo thành các mô, 2- là chất xúc tác (enzyme), 3- là kháng thể, tham gia tạo thành các hocmôn, điều hòa qúa trình sống. - Trong tất cả các Protein đều có chứa 4 nguyên tố C, H, O, N ngoài ra còn một số lượng rất ít S, Fe, Cu, .... 2.3.1. Cấu tạo của phân tử Protein SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 29 Khi thủy phân Protein - ví dụ như đun sôi chúng với axit hoặc kiềm hoặc cho thủy phân bằng các Enzyme - chủ yếu là 20 axit amin (có 80 axit amin trong tự nhiên) và 2 amit. Thủy phân bằng axit, ví dụ: HCl 6N, H 2 S0 4 ... sẽ làm phân hủy một số axit amin, chủ yếu là Triprophan. đặc biệt, khi thủy phân các Protein có chứa Gluxit sẽ tạo thành sản phẩm phụ có màu nâu đậm gọi là Humin là chất có thể liên kết 1 phần với các axit amin. Thủy phân bằng kiềm, giữ được Triprophan nhưng nhiều axit amin bị racemic hóa tức là sự chuyển từ dạng L sang dạng D, vì vậy, thủy phân bằng Enzymin là ưu việt nhất. Axit amin là dẫn xuất của axit caboxylic trong đó 1 hoặc 2 nguyên tử hydro của gốc Alcyl được thay thế mỗi nhóm amin- Công thức tổng quát: COOH R NH 2 CH

Trong phân tử của một số axit amin, ngoài nhóm −NH 2 và −COOH còn có chứa các gốc Hydroxil (−OH), gốc Phenil (C 6 H 5 ), gốc Thiol (−SH). Trong 20 axit amin và 2 amit thường gặp trong thành phần của Protein có 10 axit amin không thay thế: Leucine (Leu.); Izoleucine (Ileu.); Methionine (Met.); Valin (Val.); Lysine (Lys); Threonine (Thr.); Phenylalanine (Phe.); Tryptophan (Try.), • Các axit amin này trong cơ thể người và động vật không tự tổng hợp được mà phải thu nhận qua đường thức ăn - đối với các cơ thể trẻ đang phát triển còn có Arginine (Arg) và Histidine (His), • Số còn lại là các axit amin có thể thay thế; tức là cơ thể người và động vật có thể tự tổng hợp được: 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. Cấu trúc phân tử Protein Hiện nay người ta phân biệt 4 bậc cấu trúc của phân tử Protein khác nhau bởi mức độ phức tạp và dạng liên kết trong nội tại phân tử của chúng. 2.3.2.1. Cấu trúc bậc 1 Những công trình nghiên cứu cho thẩy rằng, một Protein nhất định của cùng một loại thể sống được tạo nên từ những axit amin như nhau và trong phân tử của Protein, đó trình tự kết hợp của các axit amin là hoàn toàn xác định. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 30 - Các phân tử Protein đều là các Polypeptit do hàng chục, có khi hàng trăm phân tử axit amin kết hợp với nhau bằng liên kết Peptit. - Liên kết Peptit được tạo thành do kết quả tác dụng của nhóm cacboxyl của axit amin này với nhóm amin của axit amin khác. Ví dụ: COOH COOH COOH C Ch O H N NH 2 NH 2 NH 2 CH 3 H o 3 CH 3 Ch 2 Ch 2 CH Glyxin Alamin Glyxilalamin Dipeptit này có thể tác dụng với 1 axit amin thứ 3 nữa tạo thành một Tripeptit, sau đó với axit amin thứ 4, thứ 5, ... để tạo thành các Peptit tương ứng: Tetrapeptit pentapeptit, ... - gọi là Polypeptit. - Về nguyên tắc gọi tên như sau: Tên các axit amin có nhóm Cacboxyl tham gia phản ứng ở vần cuối đều được đổi thành " il ", còn axit amin có nhóm Cacboxyl không tham gia phản ứng giữ nguyên tên gọi: Glyxin + Alamin → Glyxil alamin Alamin + Glyxin → Alamil glyxin - Ta thấy axit amin có thể kết hợp theo nhiều cách để tạo thành các peptit. - Trên nguyên tắc: nếu có n− axit amin sẽ có n− cách kết hợp và dẫn đến ta có n− đồng phân. Mạch polypeptit là dạng cấu trúc đầu tiên và được gọi là cấu trúc bậc I của phân tử protein. - Qua kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy rằng: những axit amin có 2 nhóm NH 2 → thì chỉ có nhóm NH 2 trong liên kết peptit là nhóm α- amin. - Thành phần của protein và trình tự các axit amin kết hợp với nhau bằng liên kết peptit trong nó được gọi là cấu trúc bậc I. - để xác định cấu trúc bậc I của một protein, người ta dùng tripxin để thủy phân (vì nó phân giải các liên kết peptit nhất định) sau đó → sắc ký và điện di để có được các vệt phân bố một cách đặc trưng cho một protein (fingerprint). - Vì liên kết peptit luôn luôn được tạo nên giữa nhóm α−amin và nhóm cacboxil đứng cạnh nên trong mỗi chuỗi polypeptit có trục cốt như nhau trong protein. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 31 - Các chuỗi polypeptit của những protein khác nhau chỉ khác nhau ở tính chất của gốc R gắn với trục cốt của chuỗi polypeptit. - Khi nghiên cứu cấu trúc, tinh thể của các axit amin và peptit cho thấy kích thước của nhóm peptit chứa một số α−amin như nhau thì gần như bằng nhau - không kể là nó được tạo thành bởi các axit amin nào. Kết quả xác định khoảng cách giữa các gốc hóa trị giữa các nguyên tử C, H, O, N như sau: H O O H C C C C C C { } H {H} N 123°C 114°C N N N CH R 1 R 2 O H 1,47 Å 1,47 Å 1,32 Å 1,53 Å 1,47 Å 1,53 Å 1,24 Å 1,24 Å R 1 R 2

- độ dài 1,24 Å giữa C O → lớn hơn bình thường ( 1,21 Å ) - độ dài 1,32 Å giữa O N C → nhỏ hơn bình thường ( 1,47 Å )

- đó là kết quả của hiện tượng hỗ biến dẫn tới thành dạng enol (khoảng 40%) của liên kết peptit: H O OH C C N N

- Nhóm peptit có thể tồn tại dưới 2 dạng đồng phân "cis" và "trans": O O O trans cis C C C H H C C N N

- Vì vậy, trong protein thường chỉ tồn tại ở dạng " trans " ( bền ). 2.3.2.2. Cấu trúc bậc II - Hầu như tất cả các axit amin đều chứa nguyên tố cacbon bất đối - nên các gốc axit amin có khả năng quay tự do quanh mối liên kết ở vị trí α. Kết quả làm cho mạch polypeptit có khuynh hướng hình thành cấu trúc xoắn. - Trong việc hình thành cấu tạo xoắn của mạch polypeptit thì liên kết hydro giữ một vai trò quan trọng giữa hai nhóm: SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 32 O O và C H H C N N • •• • •

- Từ những nghiên cứu trên, Pauling và Kory (1955) đã đề xuất ra một mô hình cấu tạo xoắn α của các mạch polypeptit. Lý thuyết này được chứng minh trực tiếp và được thừa nhận rộng rãi. 5 4 3 2 1 10,1 Å 27 Å 5,4 Å 18 gèc 3,6 gèc

Theo thuyết đó thì: • Mỗi vòng xoắn gồm 3,6 gốc axit amin; • 5 vòng xoắn bao gồm 18 gốc axit amin; • Khoảng cách giữa 2 vòng xoắn là 5,4Å (1,5Å cho mỗi axit amin); • đường kính trong là: 10,1Å; Các gốc bên của các axit amin không tham gia trực tiếp và việc tạo thành mạch polypeptit đều hướng ra ngoài.

Chứng minh cho sự tồn tại của liên kết hydro: đun nhẹ → dần đến mất những tính chất sinh học ban đầu - mặc dù những tác động này không gây những biến đổi trong liên kết peptit hay trong cầu disulfit (do làm đứt liên kết hydro). Sự tồn tại của liên kết hydro được xác nhận nhờ người ta phát hiện được rằng: protein có thể bị biến tính bằng những chất mà bản thân chúng rất đễ dàng tạo nên liên kết hydro. Ngay ở nhiệt độ rất thấp đã có thể làm biến tính nhiều protein mà không gây những biến đổi trong các liên kết đồng hóa trị. 1,- Tương tác kỵ nước trong Protein Trong thời gian gần đây người ta cho rằng các lực liên kết trong lòng protein xuất hiện không những được hình thành bằng liên kết hydro mà còn nhờ sự tương tác của các nhóm kỵ nước. Người ta tìm thất rằng các axit amin của phân tử hemoglobin có các gốc kỵ nước như valine, leucine, phenylalanine được phân bổ trong lòng SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 33 phân tử còn các axit amin phân cực được phân bố trên bề mặt, vì vậy các tương tác kỵ nước chính có vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc không gian của phân tử protein. 2,- Cấu trúc bậc 3 Khi nghiên cứu cấu trúc phân tử của một số protein dạng hình cầu như albumin của huyết thanh, Hemoglobin, ... người ta thấy nếu chỉ dựa vào thuyết cấu tạo xoắn thôi thì chưa giải thích được. Ví dụ: Phân tử albumin → được tạo nên bởi 600 gốc axit amin, nếu dựa theo lý thuyết cấu tạo xoắn thì độ dài mỗi axit amin là 1,5Å → 1,5Å x 600 = 900Å, đường kính trong của cấu tạo xoắn là 10,1Å, → Như vậy, số liệu tính theo lý thuyết - tỷ lệ trục lớn trên trục nhỏ sẽ là: 900/ 10,1 = 90 → nhưng trên thực tế chỉ có 4, điều đó cho thấy phân tử có cấu trúc dạng cầu Như vậy: Sự sắp xếp không gian của những phần xoắn và vô định hình của mạch polypeptin theo một trật tự nhất định để tạo thành dạng cầu được gọi là cấu trúc bậc III của phân tử protein. Các phân tử có cấu trúc bậc III: Albumin, Mioglobin, Kimotrip- xinogen, Ribonucleaza. 3,- Cấu trúc bậc 4 Kết qủa nghiên cứu của những năm gần đây cho thấy, ngoài cấu trúc bậc 3, nhiều Protein còn có cả cấu trúc bậc 4. - Cấu trúc bậc 4 của phân tử Protein là do hai hay nhiều tiểu đơn vị có cấu trúc bậc 3 kết hợp tạo thành. - Ví dụ: Hemoglobin, phân tử của nó được hình thành từ 4 tiểu đơn vị, 2 mạch α và 2 mạch β hay insulin (2 tiểu đơn vị), pepxin, aminlaza (12 tiểu đơn vị). - Cấu trúc bậc 4 được hình thành và ổn định nhờ các lực tương tác giữa các nhóm bên phân bố trên bề mặt của các tiểu đơn vị protein hình cầu, như các liên kết hydro, liên kết "Van-der-walls", tĩnh điện, .... Cấu trúc bậc cao là một trong những đặc điểm phân biệt protein với các hữu chất hữu cơ khác. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 34 2.3.2. Một số tính chất đặc trưng của axit amin 2.3.2.1. Tính chất 1,- Khi kết tinh cho tinh thể màu trắng, bền ở nhiệt độ 20÷25ºC. 2,- Tính tan trong nước của chúng rất khác nhau, tan tốt nhất là Proline kém nhất là Tyrosine và Cysteine. Sự có mặt của muối ảnh hưởng đến tính tan của axit amin trong nước. Nhiều axit amin tan tốt hơn khi thêm 1 lượng nhỏ muối, nhưng kết tủa khi tăng mạnh lực ion của dạng dung dịch. 3,- đa số các axit amin bền trong dung dịch axit mạnh - trừ Triptophan bị phân hủy hoàn toàn và các axit amin có chứa lưu huỳnh như Cysteine Cystin và chứa nhóm −OH như Serine,Threonine sẽ bị oxy hóa từ 10÷30%. - Trong dung dịch kiềm mạnh (NaOH : 4 - 8N) thì các axit amin chứa nhóm OH (Serine, Treomine) bị deamin hóa, các axit amin chứa nhóm lưu huỳnh như Cysteine, Cistin bị phá hỏng, Arginine bị phân hủy và đa số các axit amin bị Raxemic hóa, nghĩa là chuyển từ dạng L sang dạng D. - Dưới tác dụng của kiềm xẩy ra sự chuyển biến thuận nghịch của nhóm Caboxyl thành dạng enol dẫn tới làm mất tính bất đối của nguyên tử Cabon−α qúa trình đi có thể biểu diễn như sau: C COOH COOH OH OH H H H R R R C C C NH 2 NH 2 NH 2

4,- Tính hoạt quang: Trừ Glycine, còn tất cả các axit amin khác đều là chất hoạt quang, có thể tồn tại dưới 2 dạng hoạt động quang học - dạng D và dạng L. Chất chính dùng để xác định dạng của các phân tử là L−serine, có cấu trúc không gian giống cấu trúc không gian của L−aldehyt glyxerinic, dạng D và dạng L được biểu diễn như sau:

Dạng D Dạng L Một số các axit amin có 2 nguyên tử Cacbon bất đối, chúng có 4 đồng phân quang học, trong trường hợp này ký hiệu L và D được dùng chỉ các dạng đồng phân gặp trong thành phần của protein, 2 dạng đồng phân còn lại SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 35 chỉ thu được bằng phương pháp tổng hợp hóa học, được ký hiệu là D−allo và L−allo axit amin - Ví dụ như Isoleucin: COOH COOH COOH COOH H Isoleucin Allo isoleucin H H H H H H H C C C C C C C C C H 2 5 C H 2 5 C H 2 5 C H 2 5 NH 2 NH 2 NH 2 NH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3

- Tất cả các axit amin có trong thành phần của Protein đều thuộc dạng L; động và thực vật không có khả năng hấp thu axit amin dạng D; không những thế, đôi khi còn có ảnh hưởng xấu đến qúa trình trao đổi chất. 5,- Tính điện ly lưỡng tính - Axít amin có tính điện ly lưỡng tính vì do trong phân tử có chứa đồng thời nhóm −COOH (cacboxyl ) và nhóm −NH 2 . - Trong dung dịch nước nó có thể tồn tại đồng thời dưới hai dạng: dạng phân tử và chủ yếu dưới dạng ion lưỡng cực. COOH - R C NH 3 +

- Sự phân ly trong môi trường axit và kiểm xảy ra như sau: COOH COOH COO - COO - H 3 + H + OH - H N 3 + H N 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 2

Như vậy trong các dung dịch axit mạnh của axit amin tồn tại ở dạng ion dương và ngược lại trong kiềm mạnh thì ở dạng ion âm, tại miền trung tính, phân tử không có điện tích nhưng tất nhiên nó vẫn phân cực mạnh. pI - gọi là điểm đẳng điện của phân tử axit amin, vậy: Giá trị pH, tại đó phân tử trung hòa điện, được gọi là điểm đẳng điện pI. Ta thấy gía trị pI của các axit amin khác nhau thì không giống nhau, vì vậy ở một gía trị pH thích hợp, các axit amin sẽ chuyển về cực âm hay cực dương với những vận tốc khác nhau → phương pháp điện di → dùng để phân tích hổn hợp axit amin. 2.3.2.2. Các phản ứng đặc trưng quan trọng 1,- Phản ứng với axit nitrơ SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 36 - Các axit amin (trừ Prolin và Oxyprolin) đều phản ứng với axit nitrơ để giải phóng khí nitơ và tạo thành Oxyaxit tương ứng: R R COOH COOH HNO 2 N 2 H O 2 CH CH NH 2 OH

- Phản ứng này được Van-Slyke dùng để định lượng axit amin bằng cách xác định lượng N 2 tạo thành. 2,- Phản ứng với formalin (Phản ứng Sorensen ) - Khi thêm một lượng dư formalin trung tính vào dung dịch axit amin, focmalin sẽ tác dụng với nhóm −NH 2 của axit amin: R R COOH COOH H CHO CH OH 2 CH CH NH 2 NH đây là cơ sở của phương pháp định lượng Sorensen cho các α-amin. định lượng bằng phương pháp chuẩn độ nhóm −COOH bằng NaOH-0,1N 3,- Phản ứng với ninhydrin - Khi đun nóng, đa số axit amin tác dụng với Ninhydrin để tạo thành CO 2 , NH 3 và andehyt tương ứng: OH H N OH OH O O OH O O O NH 3 3 H O 2 O O OH OH OH OH O O O Ninhydrin Màu xanh tím Hydrindantin O COOH R H N 2 H N 2 RCHO CO 2 CH

- Ta có thể định lượng amin tham gia phản ứng thông qua xác định lượng khí CO 2 NH 3 hoặc Aldehyl tạo thành. - Khi PH của môi trường phản ứng lớn hơn 4 sẽ xảy ra phản ứng ngưng tụ tiếp theo với NH 3 mới tạo thành, để tạo thành một hợp chất có màu tím xanh - phản ứng này được dùng nhiều trong phản ứng định tính và định lượng axit amin trong các phương pháp sắc ký và điện di trên giấy - trừ 3 axit amin: • Axit aspactic + Ninhydrin cho 2 phân tử CO 2 , SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 37 • Prolin và oxy prolin khi tác dụng cho hợp chất màu vàng và không tạo thành NH 3 . 4,- Phản ứng tạo phức với các kim loại - Hầu hết các axit amin đều có khả năng tạo phức với các ion kim loại hóa trị 2: O O NH NH O O R R Me C C CH CH

- độ bền của các phản ứng tăng theo trật tự: Mg + 2 < Mn + 2 < Fe + 2 < Cd + 2 < Co + 2 < Zn + 2 < Cu + 2

SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 38

Chương III NĂNG LƯỢNG HỌC

3.1. NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ TRAO đỔI CHẤT 3.1.1. Năng lượng tự do Vật chất và năng lượng trong vũ trụ liên quan với nhau theo phương trình nổi tiếng của Anhxtanh: e = mc 2 ( e là năng lượng m là khối lượng và c là tốc độ của ánh sáng - là một đại lượng không đổi). Trong cuộc sống thì hai khái niệm năng lượng và vật chất tách biệt nhau. Vật chất chiếm một khoảng không gian nhất định và có trọng lượng - còn năng lượng, đó là khả năng gây ra những biến đổi vật chất, hoặc làm cho vật chất chuyển động, nghĩa là có khả năng sinh ra công. Năng lượng được xác định như khả năng sinh ra công có thể là nhiệt năng, năng lượng ánh sáng, điện năng, cơ năng hoặc hóa năng. Các nhà vật lý còn phân biệt động năng và thế năng. Thế năng là khả năng sinh ra công được xác định bỡi vị trí hoặc trạng thái của một vật thể. động năng là năng lượng chuyển động. Một hòn đá nằm trên dốc nó có một thế năng được xác định bỡi vị trí của nó, khi nó rơi xuống thì thế năng chuyển thành động năng. Người ta còn phân biệt ra năng lượng tự do, tức là năng lượng có khả năng sinh ra công trong điều kiện đẳng nhiệt và năng lượng không có khả năng sản ra công trong điều kiện đẳng nhiệt đó là entropi - trạng thái hỗn độn của năng lượng bên trong. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì khối lượng chung của năng lượng trong bất kỳ một hệ thống cách ly nào là không đổi. Như vậy năng lượng tự do và entropi phụ thuộc lẫn nhau; tăng entropi trong quá trình không thuận nghịch kèm theo việc giảm năng lượng tự do. Năng lượng tự do là năng lượng có lợi - còn entropi là thước đo năng lượng không dùng được. Tất cả những quá trình vật lý và hóa học xảy ra với sự giảm năng lượng tự do cho tới khi mà chúng chưa đạt tới trạng thái cân bằng, trong đó năng lượng tự do của hệ thống là cực tiểu còn entropi là cực đại. 3.1.2. Oxy hóa khử Theo quan niệm hiện đại, quá trình mất điện tử hoặc proton (H) của phân tử chất nào đó gọi là sự oxy hóa, còn ngược lại: quá trình nạp điện tử hoặc proton của một phân tử chất nào đó gọi là sự khử. Chất nhường điện tử và proton gọi là chất bị oxy hóa, chất nhận điện tử và proton gọi là chất oxy hóa. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 39 Sự oxy hóa và sự khử luôn luôn xảy ra đồng thời và liên hệ chặt chẽ với nhau thành một phản ứng oxy hóa khử thống nhất. 3.1.2.1. Phản ứng oxy hóa khử sinh học Cơ thể sinh vật oxy hóa các sản phẩm dinh dưỡng bằng oxy, chuyển hóa chúng thành CO 2 và H 2 O đồng thời sử dụng năng lượng giải phóng ra để đáp ứng nhu cầu hoạt động sống. Khi đó, hydro được giải phóng khỏi hợp chất hữu cơ và kết hợp với oxy kèm theo sự tỏa năng lượng. Phản ứng oxy hóa khử được tiến hành trong cơ thể sống với sự tham gia của những hệ enzyme đặc biệt - đó là phản ứng oxy hóa khử sinh học. Các quá trình oxy hóa khử sinh học thuộc loại các phản ứng dị hóa không những chỉ là nguồn năng lượng quan trọng dùng để thực hiện các phản ứng tổng hợp khác nhau, mà còn là nguồn cung cấp các hợp chất trung gian làm nguyên liệu cho các phản ứng tổng hợp và đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc liên hợp các quá trình trao đổi chất. * Sự khác nhau giữa oxy hóa khử sinh học và oxy hóa khử thông thường: - Sự oxy hóa sinh học không phải là phản ứng phát nhiệt một giai đoạn như sự cháy mà là một chuỗi phản ứng - trong đó, năng lượng được giải phóng ra một phần dưới dạng nhiệt, còn phần lớn được tích lũy dưới dạng liên kết cao năng. - Quá trình oxy hóa sinh học luôn có enzyme xúc tác. - Khi đốt cháy các chất hữu cơ ở ngoài cơ thể, năng lượng giải thoát ra nhờ sự oxy hóa carbon đến CO 2 . Trong lúc đó, phản ứng oxy hóa từng bậc hydro đến H 2 O xảy ra trong quá trình oxy hóa sinh học ở cơ thể lại là phản ứng cung cấp năng lượng. Phản ứng oxy hóa này ở điều kiện thường là phản ứng nổ. 3.1.2.2. Thế oxy hóa khử Sự chuyển dịch điện tử có thể thực hiện được khi trong tế bào cơ chất có khả năng thu nhận điện tử, nghĩa là có ái lực đối với điện tử. Trong phản ứng oxy hóa khử, các chất tham gia phản ứng có ái lực đối với điện tử khác nhau. Chất nào có ái lực đối với điện tử lớn hơn thì chất đó là chất nhận. Người ta đo ái lực đối với điện tử cho từng chất trong mạch điện thế kế với điện cực chuẩn hydro có điện thế bằng không. đại lượng này phản ánh khả năng thu hay nhường điện tử, tức là khả năng oxy hóa khử của chất và được gọi là thế oxy hóa khử. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 40 Thế oxy hóa khử có thể tính được theo phương trình sau: RT [dạng oxyhóa] E = Eo + ln nF [dạng khử] Trong đó: • E : Thế oxy hóa khử của một chất nhất định trong những điều kiện xác định • Eo: Thế oxy hóa khử ở các điều kiện tiêu chuẩn (nồng độ của hai dạng bằng nhau) • R : Hằng số khí (1,98 calo/ mol. ºC ) • T : Nhiệt độ tuyệt đối • n : Số điện tử được di chuyển • F : Số Faraday (95.500 culong/ptg hay 23,066 Kcalo/mol Thế oxy hóa khử còn có thể dùng để tính năng lượng tự do được giải phóng ra trong quá trình oxy hóa khử bằng phương trình sau: ΔG nF . ΔE Trong đó: ΔΔΔΔG : Năng lượng tự do ΔΔΔΔE : Hiệu thế oxy hóa khử của hai hệ 3.1.3. Năng lượng hoạt hoá đối với bất kỳ một phản ứng hóa học nào, thậm chí đối với phản ứng tỏa nhiệt với ΔG âm cũng có hàng rào năng lượng phải vượt qua trước khi phản ứng bắt đầu. Hàng rào năng lượng ấy gọi là năng lượng hoạt hóa. để làm tăng tốc độ phản ứng cần phải làm tăng năng lượng của phần lớn số phân tử trong quần thể để vượt qua hàng rào năng lượng. Năng lượng hoạt hóa càng cao, phản ứng càng khó thực hiện (tốc độ phản ứng càng nhỏ), ngược lại năng lượng hoạt hóa nhỏ, phản ứng dễ thực hiện (tốc độ phản ứng lớn). Các chất xúc tác có tác dụng làm tăng vận tốc phản ứng, như vậy chất xúc tác bằng con đường nào đó làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Chất xúc tác thực hiện được điều ấy bằng cách tạo thành phức hợp trung gian không bền vững với cơ chất, gây những biến đổi trong nội phân tử cơ chất làm cho cơ chất dễ dàng tham gia vào phản ứng và sau đó phức hợp ấy phân hủy thành sản phẩm của phản ứng và giải phóng chất xúc tác tự do 3.1.4. Enzyme 3.1.4.1. đại cương về enzyme SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 41 Enzyme là hợp chất protein có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học. Chúng có trong tất cả các tế bào của động thực vật và vi sinh vật, và thường được gọi là chất xúc tác sinh học. 3.1.4.2. Bản chất của enzyme Bản chất hóa học của enzyme là protein hay nói cách khác enzyme là những protein đặc hiệu làm nhiệm vụ xúc tác các phản ứng hóa sinh học trong cơ thể sống. 1,- Enzyme có đầy đủ mọi tính chất của protein: • Tính tan: đa số tan trong H 2 O, dung dịch muối lỏng, • Không bền đối với tác dụng của nhiệt độ, • Mất khả năng hoạt động nếu protein bị biến tính dưới tác dụng lý, hóa khác nhau, • Tính lưỡng tính - có thể phân tách bằng phương pháp điện di. 2,- Cấu trúc: Dựa vào cấu tạo phân tử enzyme người ta chia enzyme thành 2 nhóm: • Enzyme một cấu tử là những enzyme mà trong phân tử chỉ chứa protein. • Enzyme hai cấu tử: Là những enzyme mà ngoài protein, trong phân tử còn có chứa một nhóm ngoại không có bản chất của protein. Phần protein được gọi là Apoenzyme còn phần không phải protein được gọi là Coenzyme hay còn gọi là nhóm ngoại. Trong phân tử enzyme, phần protein và phần Coenzyme được liên kết chặt chẽ với nhau - Ví dụ: Enzyme 1 cấu tử như Pepxin, Amilaza, Ureaza, ... đối với các enzyme 2 cấu tử thì coenzyme trực tiếp tham gia phản ứng xúc tác, giữ vai trò quyết định kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác còn apoenzyme có tác dụng nâng cao lực xúc tác của coenzyme và quyết định tính đặc hiệu của enzyme - Ví dụ enzyme 2 cấu tử như: Catalase, Peroxydase (2 enzyme này có nhóm ngoại giống nhau - nhân Hem.Fe ) nhưng phần apoenzyme khác nhau nên xúc tác 2 phản ứng hóa học khác nhau: Catalase: phân ly → 2 H 2 O 2 →→→→ 2 H 2 O + O 2 Peroxidase: phản ứng oxy hóa khử → 2 H 2 O 2 →→→→ 2 H 2 O + 2 O Trong nhóm enzyme 2 cấu tử, nhiều enzyme có coenzyme là những vitamin: • Coenzyme của aminotransferase là vitamin B 6 • Dehydrogenase hiếu khí chứa vitamin B 2 SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 42 • Dehydrogenase kỵ khí chứa vitamin PP 3,- Cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme: Trong quá trình xúc tác của enzyme có giai đoạn tạo thành phức enzyme cơ chất. Sự kết hợp đặc hiệu giữa enzyme và cơ chất chỉ xảy ra trên một phần xác định của phân tử enzyme. Phần của enzyme tham gia trực tiếp vào phản ứng để kết hợp vào cơ chất được gọi là trung tâm hoạt động của enzyme. • Ở các enzyme 1 cấu tử, trung tâm hoạt động của enzyme do 1 số nhóm chức của axit amin trong thành phần phân tử của enzyme phối hợp tạo thành (thông qua các cấu trúc bậc 2, 3, 4 mà các nhóm chức có điều kiện nằm kề nhau), các nhóm đó như : −OH, −SH, −COOH, ε−NH 2 , ... • Ở các enzyme 2 cấu tử, ngoài phần mạch polypeptit thực hiện nhiệm vụ kết hợp, đặc biệt tham gia vào việc tạo thành trung tâm hoạt động, còn có các nhóm chức của coenzyme hoặc nhóm ngoại của phân tử enzyme. • Ở một số enzyme, trong phân tử có thể chứa 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động - Ví dụ: Alcoldehydrogenase của nấm men có 4, của gan có 2 (tthđ). • Giữa các nhóm chức tham gia tạo thành tâm hoạt động của enzyme thường phân biệt các nhóm của" tâm xúc tác" tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc tác của enzyme và các nhóm của " miền tiếp xúc" làm nhiệm vụ đảm bảo tính đặc hiệu của enzyme, nghĩa là sự kết hợp đặc hiệu để tạo thành phức E−S. Sự phân biệt này chỉ là tương đối vì lúc nào cũng có tác dụng tương hỗ. • Ngoài ra, ở một số enzyme còn có "tâm dị không gian"- là phần của enzyme, khi kết hợp với các chất có phân tử nhỏ nào đó thì cấu trúc bậc 3 của toàn bộ phân tử enzyme sẽ bị biến đổI dẫn đến làm biến đổi cấu trúc của tâm hoạt động, do đó kèm theo sự biến đổi hoạt tính của enzyme. • Ở một số loại enzyme còn tồn tại dưới dạng tiền enzyme (dạng không hoạt động được) gọi là các Zimogen, ví dụ: Pepxinogen, Tripxinnogen, Kimo tripxinogen, ... để chuyển chúng sang dạng hoạt động, phải qua quá trình hoạt hóa: quá trình này thường xảy ra sự đứt một số liên kết peptit trong phân tử zimogen. Loại bỏ đi đoạn peptit có tác dụng kìm hãm hoặc bao vây các nhóm hoạt động của enzyme - khi cắt bỏ đoạn peptit kìm hãm đi dẫn đến sự sắp xếp lại nội tại phân tử, hình thành trung tâm hoạt động. 3.1.4.3. Cường lực xúc tác của enzyme SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 43 Tốc độ của một phản ứng hóa học được xác định bởi giá trị của năng lượng hóa học (năng lượng dư thừa) mà các phản ứng phải có trên mức độ năng lượng tế bào của các phân tử để có thể phá vỡ các liên kết có trong chúng và sau đó có thể xuất hiện các loại mới. Năng lượng hóa học của phản ứng nào đó càng lớn, tốc độ của phản ứng sẽ càng nhỏ và ngược lại năng lượng hóa học càng nhỏ, tốc độ phản ứng hóa học sẽ càng lớn - như vậy, chất xúc tác bằng con đường nào đó làm giảm năng lượng hóa học của phản ứng hóa học. để có thể hình dung được cụ thể về sự sai khác của năng lượng giữa năng lượng tự do ở đầu và cuối phản ứng, chúng ta so sánh với thế năng của một vật nặng bất kỳ nào đó: nếu vật nặng này nằm ở sườn núi trong các hố thì lúc đầu phải nâng nó lên tới miệng hố để rồi sau đó khi lăn xuống thấp nó sẽ chuyển vào một hố khác đạt tới trạng thái ổn định.

I - Năng lượng hoạt hóa II - Sự thay đổi năng lượng tự do A - Phản ứng không có xúc tác B - Phản ứng có xúc tác - Chất xúc tác có tác dụng hạ thấp năng lượng hóa học → làm tăng vận tốc phản ứng (các chất xúc tác không ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng của phản ứng). - Trong các phản ứng sinh học thì enzyme là những chất xúc tác. So với các chất xúc tác vô cơ thì enzyme có cường lực xúc tác mạnh hơn nhiều lần. Ví dụ như sự thủy phân đường mía: Bằng ion H + thì năng lượng hoạt hóa là 25.600 kcal / phân tử Bằng β−fructofuranolidase của nấm men : 9.400 kcal / phân tử Bằng β−fructofuranolidase của đại mạch: 13.000 kcal / phân tử 3.1.4.4. Tính tác dụng đặc hiệu của enzyme Khác với chất xúc tác vô cơ, enzyme chỉ tác dụng lên một cố cơ chất và kiểu nối hóa học nhất định trong phân tử: tính chất đó được gọi là tính đặc hiệu. Người ta phân biệt các dạng đặc hiệu sau: 1,- đặc hiệu quang học SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 44 Enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một dạng đồng phân quang học nhất định (hoặc là dạng D hoặc là dạng L, có thể là dạng Cis hoặc dạng Trans, ...). Ví dụ: Axit L-malic Trans axit fumaric Fumarathydeatase HOOC H H +H O 2 −H O 2 CH OH C C COOH COOH COOH CH 2

Axit L-malic Axit fumaric Fumarat- dehydeogenase HOOC CH CH CH OH COOH COOH COOH CH 2

Enzyme này không tác dụng lên dạng D của axit malic - vì trung tâm hoạt động của enzyme có cấu trúc tương ứng với cơ chất dạng đồng phân L (tạo E−S). Theo thuyết đa ái lực của Berman và Fruton trong cơ chế đặc hiệu quang học là E phải kết hợp với cơ chất ít nhất ở 3 điểm. 2,- đặc hiệu tuyệt đối Enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất định: COOH Thay Dạng este L arginin − L ornitin − U rê Argininase NH NH H O 2 C CH C O COOH CH NH 2 NH 2 NH 2 NH 2 (CH ) 2 3 (CH ) 2 3 NH 2 COOCH 3 NH 2

SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 45 Trong trường hợp này thì cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme tương ứng chặt chẽ với cơ chất, nếu có một sự sai khác nhỏ nào đó thì cũng đủ làm cho enzyme không thể sai khác được. Nếu ta thay đổi bất kỳ nhóm nào trong phân tử thì cũng đủ làm cho phân tử enzyme không hoạt động được như dạng este metylic của arginin. 3,- đặc hiệu tương đối Là trường hợp enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất định mà không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các cấu tử tham gia tạo thành mối liên kết đó. Ví dụ: lipase → thủy phân tất cả các liên kết este aminopeptidase → thủy phân nhiều liên kết peptit 4,- đặc hiệu nhóm Enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất định với điều kiện một trong hai cấu tử tham gia tạo thành liên kết phải có cấu tạo xác định. Ví dụ: Enzyme protease cắt đầu hoặc cuối chuổi protit: CH CH CO COOH CO NH 2 NH R Aminopeptidase Cacboxypeptidase R •••••••••• CO

3.1.4.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme 1,- Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất Nếu làm thay đổi nồng độ của cơ chất và xác định xem điều đó ảnh hưởng thế nào tới tốc độ của phản ứng enzyme thì nói chung sẽ thấy rằng, với một lượng E không đổi, ở pH không đổi, lực ion không đổi, để đạt được tốc độ ban đầu cực đại cần phải có một lượng tương đối lớn cơ chất. đối với nhiều enzyme, nồng độ nâng cao hơn so với nồng độ của các chất nhất định của cơ thể. Tình trạng này rất quan trọng vì nó chứng tỏ rằng: Enzyme trong điều kiện của cơ thể thường tác dụng ít hiệu quả hơn so với trường hợp có những điều kiện nhân tạo, ở đó, enzyme được bão hòa bởi một lượng cơ chất lớn. Sự phụ thuộc giữa tốc độ của phản ứng enzyme và nồng độ của cơ chất được giải thích như thuyết của Michaelis và Menten:

E k 1 k 2 k 3 S P (1) E ES SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 46 Trong đó: k 1 → hằng số vận tốc của phản ứng tạo phức " ES " k 2 → hằng số vận tốc của phản ứng phân ly phức " ES " k 3 → hằng số vận tốc của phản ứng phân ly phức " ES " để tạo thành sản phẩm Gọi: v 1 là vận tốc của phản ứng tạo thành phức " ES ", v 2 là vận tốc của phản ứng phân ly phức " ES ", v 3 là vận tốc của phản ứng phân ly tạo thành sản phẩm, Ta có: v 1 = k 1 [ E ] [ S ] v 2 = k 2 [ E S ] v 3 = k 3 [ E S ] Khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng, nghĩa là sự phân ly của phức " ES " theo phản ứng (3) và (2) cân bằng với sự tạo thành phức chất đó theo phản ứng (1), ta có: k 2 [ ES ] + k 3 [ ES ] = k 1 [ E ] [ S ] ( 2 ) →→→→ [ ES ] ( k 2 + k 3 ) = k 1 [ E ] [ S ] Gọi nồng độ của enzyme khi bắt đầu phản ứng là E o , ta có: [ E o ] = [E ] + [E ] ( 3 ) [ E ] = [ E o ] −−−− [ ES ]

Thay E của 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 ] = ---------------- →→→→ đặt: -------- = k m , ta có: k 2 + 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 ] SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 47 Mặt khác, vận tốc của phản ứng enzyme tính theo sự tạo thành sản phẩm, ta có: [ E o S ] v = k 3 [ E S ] và v = k 3 x --------- ( 4 ) k m + [ S ]

Nồng độ của phản ứng càng cao kém nồng độ của ES càng lớn và độ lớn cực đại sẽ bằng nồng độ của enzyme ban đầu là E o : v max = k 2 [ E o ] ( 5 ) Thay (5) vào (4) ta có: v max [ S ] v = ---------- ( 6 ) k m + [ S ] Phương trình (6) biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng E vào nồng độ của cơ chất → đường biểu diễn có dạng hyperbol:

V max

V km

[S] ½ V

• k m : gọi là hằng số Michalic và đặc trưng cho mỗi enzyme, nó đặc trưng cho ái lực của enzyme với cơ chất • k m có trị càng nhỏ thì ái lực của enzyme đối với cơ chất càng lớn, nghĩa là vận tốc của phản ứng enzyme càng lớn v max Từ phương trình (6), ta thấy khi: v = ---- thì k m = (S) 2 Vậy hằng số Michalis có trị số bằng nồng độ của cơ chất khi vận tốc phản ứng bằng một nữa vận tốc cực đại. * k m : không phụ thuộc vào nồng độ E Ý nghĩa của hằng số Michalis là: • đánh giá đặc điểm của E, SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 48 • Cho phép tính được tác dụng của E trong những trường hợp khi ta không thể xác lập được bằng phương pháp thực nghiệm. Giả thiết của Michaelis-Menten: - Nếu k 2 >> k 3 thì k m = k 2 / k 1 - Khi [E] + [S] và [ES] ở trạng thái cân bằng - thì sự tạo thành sản phẩm sẽ ít và giá trị k m sẽ tỷ lệ nghịch với ái lực của enzyme với cơ chất - Nghĩa là k m càng nhỏ thì ái lực của enzyme với cơ chất càng lớn. - Nếu k 2 << k 3 - thì giả thiết của Michaelis-Menten không đúng nữa và k m không còn tỷ lệ với ái lực của enzyme với cơ chất nữa - Mà lúc này, phải coi k m như một số và bằng nồng độ của cơ chất khi vận tốc phản ứng bằng V max / 2 trong điều kiện thí nghiệm xác định. Phương trình Michaelis-Menten cũng có thể viết dưới dạng phương trình đường thẳng: 1 k m 1 1 --- = ---- x ---- + ----- V V max [ S ] V max * Cách biểu diễn đồ thị Có một số cách biểu diễn đồ thị phụ thuộc của vận tốc phản ứng enzyme vào nồng độ của cơ chất: V V a V km m m S

V V V 1 1 1 −1 k k b m m m m [S]

V độ dốc: k − m V V / S m m V k m c

V độ dốc: /K 1 m − k k m m m d S [S] v

- Hình 2-1-a: Theo Michaelis-Menten - dưới dạng sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào nồng độ cơ chất - Hình 2-1-b: Theo Lineweaver và Burk - dưới dạng đường thẳng - Hình 2-1-c: Theo Eadice - dưới dạng đường thẳng: V = f (v/s) - Hình 2-1-d: Theo Dixon - dưới dạng đường thẳng: s/v = f (s) SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 49 2,- Ảnh hưởng của nhiệt độ Cũng như các phản ứng hóa học, thường vận tốc của phản ứng tăng khi tăng nhiệt độ. Tuy nhiên, do enzyme có bản chất protein nên nó không bền đối với tác dụng của nhiệt, đa số enzyme bị mất khả năng hoạt động ở nhiệt độ trên 70ºC. Trong trường hợp phản ứng enzyme, khi tăng nhiệt độ: một mặt, vận tốc phản ứng tăng theo quy luật thông thường; mặt khác, tăng nhiệt độ tới một mức nào đó cũng đồng thời có tác dụng ngược lại, làm giảm vận tốc phản ứng do sự biến tính của enzyme do nhiệt độ gây ra. đường biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng và nhiệt độ như sau: T ( C) ° V

Nhiệt độ tối thích của các enzyme không giống nhau nhưng đa số nằm trong khoảng 35°C÷60°C (động vật là 35÷50°C, thực vật là 45÷60°C). * Nhiệt độ tối thích của mỗi enzyme không phải là một hằng số mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, đặc biệt là thời gian tác dụng. Thời gian tác dụng càng dài, nhiệt độ tối thích của enzyme càng thấp. Ngoài ra, nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất, dạng tồn tại của enzyme cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ tối thích của enzyme. 3,- Ảnh hưởng của pH pH V

Mỗi enzyme chỉ hoạt động mạnh nhất ở một vùng pH xác định gọi là pH tối thích (pH optimum). Hình trên là đường biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hoạt động của enzyme. Cũng như nhiệt độ, pH tối thích của mỗi enzyme không cố định, có thể thay đổi tùy theo tính chất và nồng độ của cơ chất. Khi thay đổi pH → thay đổi trạng thái in hóa của các nhóm chức trong trung tâm hoạt động và đồng thời nó cũng làm thay đổi trạng thái ion hóa của cơ chất và vì vậy, làm thay đổi hoạt động của enzyme. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 50 Vì các nhóm chức của trung tâm hoạt động của enzyme chỉ có thể hoàn thành chức năng xúc tác khi ở trạng thái ion hóa thích hợp nhất định nên bằng cách xác định hằng số ion hóa của các nhóm đó có thể nhận biết được sự có mặt của nhóm này hoặc nhóm khác trong trung tâm hoạt động của enzyme. cơ chất là casein →→→→ pH opitimum = 1,8 Ví dụ: pepxin cơ chất là hemoglobin →→→→ pH opitimum = 2,2 Thông qua nghiên cứu sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng enzyme và pH môi trường, có thể xác định được nhóm chức nào của phân tử enzyme đã tham gia quá trình xúc tác. 4,- Ảnh hưởng của các chất hoạt hoá Chất hoạt hóa là những chất có tác dụng làm cho enzyme từ trạng thái không hoạt động trở thành hoạt động hoặc từ trạng thái hoạt động yếu trở thành hoạt động mạnh hơn. Chất hoạt hóa có bản chất rất khác nhau, có thể là: • Các chất hữu cơ phức tạp làm nhiệm vụ vận chuyển một nhóm nào đó trong quá trình phản ứng, ví dụ: NAD, NADP (chuyển H 2 ). • Những chất có khả năng phá vỡ một số liên kết trong phân tử tiền enzyme (zimogen) → loại bỏ một số liên kết → phá thế bị bao vây của các nhóm hoạt động trong trung tâm hoạt động của enzyme → trở lại dạng hoạt động. • Các chất có tác dụng làm phục hồi những nhóm chức hoạt động của trung tâm hoạt động của enzyme. Ví dụ: Trung tâm hoạt động của enzyme papain có chứa nhóm −SH: Dưới tác dụng của nhóm oxy hóa, nhóm −SH sẽ chuyển thành −S−S− . → Enzyme mất khả năng hoạt động. Nếu thêm vào môi trường các chất hoạt hóa có tính khử, nhóm −SH được phục hồi và enzyme sẽ hoạt động trở lại. 5,- Ảnh hưởng của các chất kìm hãm Chất kìm hãm là chất có khả năng làm yếu hoặc làm chấm dứt hoàn toàn tác dụng của enzyme. Các chất kìm hãm có bản chất hóa học khác nhau có thể là các ion kim loại, các anion, các hợp chất hữu cơ phân tử nhỏ hoặc là protein. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 51 Chất kìm hãm có thể phản ứng thuận nghịch (kìm hãm thuận nghịch) hoặc không thuận nghịch (kìm hãm không thuận nghịch) với enzyme. Thường phân biệt 2 loại kìm hãm thuận nghịch là kìm hãm thuận nghịch cạnh tranh và thuận nghịch không cạnh tranh. a,- Kìm hãm thuận nghịch cạnh tranh Xảy ra khi enzyme thiếu tính đặc hiệu tuyệt đối. Trong trường hợp này, chất kim loại có cấu tạo rất giống cấu tạo của cơ chất. Nó kết hợp với phân tử enzyme cũng tại trung tâm hoạt động mà enzyme dùng để kết hợp tới cơ chất. Ví dụ: Axit malonic là chất kìm hãm cạnh tranh của enzyme sucxinat dehydrogenase, là enzyme xúc tác quá trình oxy hóa axit sucxinic thành axit fumaric, nó có cấu tạo gần giống cấu tạo của axit sucxinic: Axit suxinic Axit suxinic Axit fumaric COOH COOH COOH COOH COOH COOH CH 2 CH 2 CH CH 2 CH

đối với trường hợp trong phản ứng có mặt của các chất kìm hãm, việc tính toán vận tốc phản ứng enzyme phức tạp hơn nhiều. Chất kìm hãm và cơ chất cũng có khả năng kết hợp với trung tâm hoạt động - ta có 2 phương trình: k 1 k 3 k i + 1 E + S ⇔⇔⇔⇔ E S →→→→ E + P và E + I ⇔⇔⇔⇔ E I k 2 k i + 1 Bằng cách tính toán như phần trước người ta rút ra: V max x [ S ] V i = -------------------- k m (1 + [ I ] / k i ) + [ S ] → Viết dưới dạng phương trình đường thẳng: 1 k m 1 [ I ] 1 --- = ---- x ---- x ( 1 + --- ) + -------- V i V max [ S ] k i V max [ I i ]

[ I i ] Như vậy khi có chất kìm hãm cạnh tranh, gía trị của Km tăng lên (1 + ---- ) lần, có nghĩa là khi đó, ái lực giữa enzyme và cơ chất giảm, kết qủa k i vận tốc của phản ứng enzyme giảm. đường biểu diễn vận tốc: SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 52 V max V km [S] ½ V

1 /V V Không có kìm hãm k k

max m mi [S] V max = V i max 1 [ ]S [ ]I . V 0 V 1 k m k m k mi

b,- Trong trường hợp kìm hãm không cạnh tranh Trong trường hợp này, chất kìm hãm có thể gắn cả vào enzyme tự do cũng như vào phức hợp enzyme - cơ chất theo phản ứng sau: k 1 E + S ⇔⇔⇔⇔ E S →→→→ E + P k 2 k i + 1 E + I ⇔⇔⇔⇔ E I k i + 2 k i + 3 E S + I ⇔⇔⇔⇔ I E S k i + 4 k i + 5 E I + S ⇔⇔⇔⇔ I E S k i + 6 Giả thiết rằng k +3 rất nhỏ so với k +1 và k +2 , phức " E S " không tạo thành sản phẩm → bằng cách tính toán, người ta rút ra: V max [ S ] V i = -------------------- (k m + [ S ] ) (1 + [ I ] / k i ) Cũng có thể viết ra dưới dạng đường thẳng: 1 k m 1 [ I ] 1 [ I ] -- = --- x --- (1 + --- ) + ---- (1 + --- ) V i V max [S ] k i V max k i đồ thị biểu diễn trong trường hợp này có dạng: SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 53 V max Không có kìm hãm k m [S 1 2 ] 1 /V V Không có kìm hãm Có chất kìm hãm • max [S] 1 2

So sánh vận tốc khi không có chất kìm hãm với vận tốc phản ứng khi có chất kìm hãm, ta có: Kìm hãm cạnh tranh Kìm hãm không cạnh tranh V o k m / k i --- = 1 + -------- [ I ] V i k m + [ S ] V o [ I ] --- = 1 + --- V i k i → Sự biến đổi hoạt tính phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và nồng độ chất kìm hãm → Không phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và phụ thuộc vào nồng độ chất kìm hãm

3.2. HÔ HẤP TẾ BÀO 3.2.1. đại cương về hô hấp tế bào Hô hấp tế bào là một tập hợp những quá trình xảy ra trong từng tế bào do enzyme xúc tác, kết quả của những quá trình ấy là các phân tử gluxit, axit béo và axit amin cuối cùng bị phân hủy đến khí cacbonic và nước, còn năng lượng sinh học giải phóng ra một phần được sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào, phần còn lại được tế bào tích lũy lại dưới dạng các liên kết cao năng. Tất cả các hoạt động sống: vận động, cảm ứng, sinh trưởng, sinh sản vv... đều cần đến năng lượng. Năng lượng cần thiết đó tế bào lấy tử các liên kết phosphat cao năng trong phân tử ATP (các liên kết ấy có năng lượng tự do thủy phân tương đối cao). Quá trình hô hấp tế bào hay quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong tế bào có thể tóm tắt như sau: - Ở cơ thể động vật và vi sinh vật gluxit, lipit, protein bị phân giải thành các cấu tử hợp phần dưới tác dụng của các hệ enzyme nội và ngoại bào. Tiếp đó các đơn cấu tử được thấm vào tế bào nhờ các cơ chế đặc biệt. Các hợp phần của protein, gluxit, lipit như glucose, axit amin và axit béo dưới tác dụng của các enzyme đặc hiệu đều tạo thành một sản phẩm chuyển hóa như nhau đó là axetilcoenzyme A. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 54 - Axetilcoenzyme A được tiếp tục oxy hóa trong chu trình kín gọi là chu trình xitrat (chu trình Krebs hay chu trình axit xitric). Trong chu trình Krebs, axetilcoenzyme A bị oxy hóa hoàn toàn, giải phóng ra CO 2 còn các nguyên tử hydro giải phóng ra nằm trong các coenzyme khử NAD.H 2 , NADP.H 2 và coenzyme flavin khử. - Sản phẩm cuối cùng thứ hai là H 2 O được hình thành do sự oxy hóa các coenzyme khử trên. Sự oxy hóa này kèm theo sự giải phóng năng lượng và quá trình này xảy ra qua hệ chuyển vận điện tử và proton gọi là chuỗi hô hấp. Trong giai đoạn này xảy ra sự tổng hợp ATP hợp chất chứa liên kết cao năng. Quá trình giải phóng năng lượng trong giai đoạn này là do sự khử hóa hydro trong chuỗi hô hấp. Sản phẩm cuối cùng là H 2 O. Sơ đồ 3-1 minh họa chuỗi các phản ứng trao đổi chất, trong quá trình của các phản ứng đó điện tử được chuyển từ cơ chất đến oxy và năng lượng được tích lũy dưới dạng liên kết cao năng trong phân tử ATP. Isocitric Cis-aconitic Oxaloacetic Oxalosuxinic α-Cetoglutaric Malic Suxinic Fumaric NADPH 2 FAD.H 2 FAD.H 2 CoQ Cytb Cytc Cyta Cyta 3 H O 2 FS 2H + FN O 2 − 0,32 − 0,06 0,00 0,26 0,06 0,26 0,03 0,24 0,02 0,27 1 0 0 3 1 1 0 0 1 1 0,26 0,29 0,53 0,55 0,82 E' (v) 0 E' Δ ½ e e e e e TH ATP - ATP - Kh¶ n¨ng lý thuyÕt: §−îc thùc tÕ: TH NADH Citric

Ghi chú: b, c, a, a3: Là những xitocrôm Hình 3-1: Sơ đồ chuỗi các phản ứng trao đổi chất 3.2.2. Glicolis - Chu trình đường phân Glicolis là quá trình phân giải đường trong tế bào. Sự đường phân nằm trong quá trình dị hóa. Các phân tử đường, dưới tác dụng của các enzyme bị oxy hóa trong tế bào. Quá trình biến đổi này có sự tham gia của phân tử ATP đồng thời cũng có sự tổng hợp ATP. Sự phân giải đường trong tế bào có thể theo con đường Pentoso- phosphat hay theo sơ đồ Embden-Meyerhof để tạo thành axit piruvic. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 55 3.2.2.1. Sự oxy hóa trực tiếp glucose - Chu trình Pentosophosphat Ở cơ thể sinh vật còn tồn tại một kiểu chuyển hóa glucose tới CO 2 và H 2 O không theo sơ đồ Embden-Meyerhof và chu trình Krebs. Người ta gọi con đường này là kiểu phân giải Hexosomonophosphat, và chu trình qua đó xảy ra sự chuyển hóa gọi là chu trình Pentosophosphat. Sơ đồ rút gọn của chu trình này có thể biểu diễn như sau: 1mol glucose-6-phosphat + 12NADP + 7H 2 O=6CO 2 + 12NADP.H 2 + H 3 PO 4 Trong quá trình biến đổi của chu trình này không có phản ứng nào tổng hợp trực tiếp ra phân tử ATP. Các phân tử ATP sẽ được tổng hợp nhờ sự chuyển hóa tiếp tục của NADP.H 2 qua chuỗi oxyhóa khử. 3.2.2.1. Sơ đồ Embden-Meyerhof - Quá trình chuyển hóa được biểu diễn trên sơ đồ 3-2. Ta nhận thấy: Cứ một phân tử NADP.H 2 chuyển hóa qua chuỗi oxyhóa khử sẽ tổng hợp được 3 phân tử ATP. Như vậy toàn bộ chu trình sẽ tổng hợp được 36 phân tử ATP. Qua quá trình biến đổi ta thấy: Từ một phân tử đường glucose sẽ tạo ra hai phân tử 3- phosphoglyxeraldehyd (phân tử thứ hai có được do sự chuyển hóa từ dioxyaxetophosphat), từ đó tạo thành hai phân tử axit piruvic. Trong quá trình biến đổi từ glucose đến axit piruvic hình thành 4 phân tử ATP, tuy nhiên hai trong số đó được sử dụng lại ngay trong quá trình đó. Như vậy cuối cùng còn lại hai phân tử ATP. Axit piruvic sau đó sẽ kết hợp với axetilcoenzyme-A tạo thành mạch hai carbon để đi vào chu trình Krebs. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 56 CH OH 2 CHOH 2 3 CH CHOH 2 CHOH CHOH COOH CHOH COOH CH 2 CH 2 CH 2 HC 2 H H H H H H HO HO OH ATP ADP OH OH OH OH OH O Glucose Fructose-(1-6)-diphosphat Glucokinase Phospho hexose isomerase Glucose-6-phosphat Axit phosphoenolpiruvic Axit piruvic Glixeraldehyt-3- P Axit-(1-3) diphospho glyxerinic O O O O O O O O C HC C O O P P P P P P P CH 2 O CHO OH H C P ATP ADP Phospho-fructo kinase CH 2 HC 2 H H OH OH Fructose-(1-6)-diphosphat O O O P P HPO 3 4 NADH 2 NAD Phosphoglyxerndehyt- dehydrogenase-(SH) ADP ATP Phosphoglyxeratkinase ADP ATP Enolase 3 CH COOH O C CHOH 2 CHOH 2 CHOH 2 CHOH CHOH 2 CH 2 CH 2 HPO 4 NADH 2 HO 2 HO 2 NAD Triose- P -isomerase Glycero- P -dehydrogenase Phosphataza phosphoglixeratmutase Dioxyaxeton phosphat O O O O C C P P

Hình 3-2: Sơ đồ Embden-Meyerhof SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 57 3.2.3. Sự lên men Sự lên men theo nghĩa rộng là quá trình trao đổi chất, qua đó các chất hữu cơ mà trước tiên là đường bị biến đổi dưới tác dụng của vi sinh vật. Về bản chất thì lên men chính là quá trình oxyhóa khử sinh học cung cấp năng lượng và các hợp chất trung gian - như hô hấp. Trong quá trình đó, các nguyên tử carbon của cơ chất bị khử đến CO 2 còn các nguyên tử hydro được chuyển cho các hợp chất trung gian và sau đó được đưa đến chất tiếp nhận cuối cùng. điểm khác nhau cơ bản giữa lên men và hô hấp ở chỗ chất tiếp nhận hydro cuối cùng. Chất tiếp nhận hydro cuối cùng trong quá trình lên men thường là một hợp chất hữu cơ, hợp chất hữu cơ này sau khi tiếp nhận hydro không thể tiếp tục chuyển hóa tiếp và nếu tích tụ lại trong tế bào với nồng độ cao sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình sống của chúng nên và sau đó khuyếch tán ra ngoài môi trường và tích tụ lại trong môi trường. Chất tiếp nhận hydro cuối cùng của quá trình hô hấp là oxy. Như vậy sự lên men và hô hấp đều là những quá trình oxy hóa khử sinh học qua đó tế bào vi sinh vật thu được năng lượng. Sự lên men cũng như hô hấp quá trình biến đổi các hợp chất hữu cơ như đường, protein, lipit trong giai đoạn dị hóa là đặc biệt quan trọng. Các chu trình Embden-Meyerhof, chu trình Krebs, chu trình Pentosophosphat đóng vai trò quan trọng và là trung tâm của các quá trình lên men. Ví dụ lên men rượu: Các phân tử đường dưới tác dụng của hệ enzyme trong tế bào vi sinh vật biến đổi theo chu trình Embden-Meyerhof cho đến aldehydphosphoglyxerinic, sau đó quá trình biến đổi tiếp cho đến rượu. Trong quá trình đó có sự tạo thành sản phẩm phụ là glyxerin. Như vậy aldehydphosphoglyxerinic trong trường hợp này không chuyển thành axit piruvic như trong sơ đồ Embden-Meyerhof như chúng ta đã khảo sát trên đây. điều đó xảy ra được là do hệ enzyme của chính vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình lên men và trong những điều kiện xác định. Quá trình đó được biểu diễn qua mô hình 3-3. Vi sinh vật thường hay được sử dụng trong quá trình lên men rượu và sản xuất bia là Sacharomyces cereviceae. Nếu nuôi chúng trong điều kiện đầy đủ oxy thì sự tích tụ rượu trong môi trường là hầu như không đáng kể. Vì trong điều kiện đó, quá trình hô hấp xảy ra mạnh mẽ, vi sinh vật phát triển sinh khối mạnh. Khi nuôi chúng trong điều kiện yếm khí, không đủ oxy thì chúng sẽ kém hoặc không phát triển. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 58 CH 2 O P C O CH 2 OH CH 2 O P CHOH CH 2 OH CH 2 OH CHOH CH 2 OH H 2 PO 4 H 2 O NAD + NADH 2 Fructose 1-6 di P Glucose 2 ATP

2 ADP CH 2 O P CHOH CH 2 OH COOH C O CH 3 CH 3 CH 2 OH

CO 2 CHO CH 3

Decarbo- Xylase Dioxyaxeton phosphat Glyxealdehyd 3P Axetaldehyd Alcohol etylic

NAD + NADH 2

Hình 3-3: Sự chuyển hoá hoá học trong quá trình lên men rượu