Tài liệu Tế bào học qua việc phân tích học thuyết tế bào

Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 TẾ BÀO HỌC QUA VIỆC PHÂN TÍCH HỌC THUYẾT TẾ BÀO A. MỞ ĐẦU Sinh học là khoa học về sự sống, sự vận động vật chất của giới hữu cơ có sự khác biệt với sự vận động của vật chất vô cơ. Đơn vị của cơ thể sinh vật là tế bào vì vậy nghiên cứu tế bào học có nghĩa là nghiên cứu toàn bộ kiến thức của sinh học. Nguyên tắc nghiên cứu sinh học là: - Kiến thức Sinh học nằm trong hệ thống hóa của sinh giới xét theo cấu tạo, hoạt động sống sinh vật theo quan điểm tiến hóa 3 chiều hướng: thích nghi, cấu tạo ngày càng phức tạp, đa dạng phong phú. -Tế bào là đơn vị nghiên cứu của Sinh học về cấu trúc và chức năng - Sự thống nhất giữa cấu trúc và chức năng biểu hiện ở tất cả ở các mức độ tổ chức khác của sự sống. - Tất cả các sinh vật đều có thành phần vật lí và toàn bộ quá trình sinh sống đều tuân theo các quy luật vật lí và hóa học. - Các sinh vật phải thu nhân năng lượng và vật liệu để duy trì cấu trúc đặc thù, thải phế thải ra ngoài. - Bộ gen chứa thông tin di truyền cho sự sinh sản và phát triển - Nghiên cứu sinh học phải đặt trong tiến trình của sự phát triển cá thể - Cơ chế trả lời kích thích môi trường theo cơ chế phổ biến - Nghiên cứu sinh học có sự kế thừa các quá trình sinh học Để giúp học sinh có kiến thức sinh học sâu sắc, có cơ sở vững vàng vận dụng vào các môn học khác, ứng dụng cho thi học sinh giỏi và giải quyết các vấn đề của thực tiễn đời sống, tôi đã thiết kế chuyên đề tế bào học dựa theo quan điểm của thuyết tế bào. B. NỘI DUNG Nội dung tóm tắt của thuyết tế bào: “…Tất cả các sinh vật đều được cấu tạo từ tế bào và các sản phẩm của tế bào, những tế bào mới được tạo nên từ sự phân chia của các tế bào trước nó, có sự giống nhau 1 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 căn bản về thành phần hóa học và các hoạt tính trao đổi chất giữa tất cả các loại tế bào, hoạt động của cơ thể là sự tích hợp hoạt tính của các đơn vị tế bào độc lập...” Thuyết tế bào thể hiện các vấn đề: 1. Các tế bào giống nhau về thành phần hóa học. 2. Cơ thể sinh vật đều được cấu tạo từ tế bào hoặc là từ sản phẩm của tế bào. 3. Các tế bào giống nhau về hoạt tính trao đổi chất. 4. Tế bào được tạo ta từ các tế bào trước nó thông qua sự phân chia tế bào mẹ. 5. Hoạt động của cơ thể là sự thống nhất trong hoạt động sống của các tế bào. NỘI DUNG I: THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO 1. Phương pháp nghiên cứu: - Phân tích thành tro của thực vật trên kính hiển vi quan sát cấu tạo tinh thể các nguyên tố khoáng có trong tế bào thực vật. - Sử dụng chất đồng vị phóng xạ: chất đồng vị phóng xạ là chất mà hạt nhân của nó khi bị phân hủy giải phóng ra hạt và năng lượng. Khi bị phân hủy dẫn đến thay đổi số proton thì nó chuyển đổi nguyên tử sang nguyên tử của nguyên tố khác. => Người ta đưa vào trong tế bào hoặc cơ thể chất đồng vị phóng xạ. => Các chất đồng vị phát ra các hạt dưới nguyên tử => va đập với các electron do các phản ứng hóa học tạo ra trong tế bào. => Dùng máy phát hiện năng lượng xác định được vị trí có mặt của nguyên tố hay điểm nóng trong tế bào như khối u. Trong nghiên cứu sinh học người ta dựa vào những nguyên tố đặc trưng của phân tử để phát hiện ra sự có mặt của nó trong cấu trúc hoặc cơ chế sinh học. Ví dụ: chứng minh oxi thải ra trong quang hợp có nguồn gốc từ nước, người ta dùng nước có chứa oxi đồng vị phóng xạ là O18 sản phẩm oxi thải ra là O18 . Bằng các phương pháp nghiên cứu người ta phát hiện được sinh vật đa dạng phong phú nhưng thống nhất về thành phần hóa học, được cấu tạo từ một số nguyên tố hóa học trong tự nhiên. 2. Các nguyên tố hóa học cấu tạo nên cơ thể sinh vật - Khoảng 60 nguyên tố hóa học trong tự nhiên có trong thành phần của tế bào, trong đó 96% là 4 nguyên tố hóa học trong tự nhiên C – H – O – N còn lại khoảng 12 2 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 nguyên tố khác tìm thấy trong sinh vật được gọi là các nguyên tố sính học, cấu tạo nên 2 loại: chất vô cơ và chất hữu cơ. - Tỉ lệ các nguyên tố rất khác nhau => nguyên tố sinh học có tính chất đặc biệt để chúng là cơ sở của sự sống: O2=65%, C=18%, H2=10%, N2=3%, Ca=2%, P=1%. - Các nguyên tố đa lượng: Ca, Mg, K, Na, P,… (10-4): có vai trò trong cấu trúc chính của tế bào. - Các nguyên tố vi lượng: Fe, I, Mo,… có vai trò tham gia vào các thành phần của các E, hoócmôn, … Nếu thiếu các nguyên tố này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự sống Ví dụ: Nếu thiếu Iốt có thể mắc bệnh bướu cổ; thiếu Fe có thể mắc bệnh thiếu máu; thiếu Mo, cây phát triển chậm hoặc chết. 3. Liên kết hóa học - Liên kết cộng hóa trị: là loại liên kết giữa các nguyên tử, trong đó các nguyên tử có thể chia sẻ được các electeron hóa trị, có khả năng tạo số liên kết tương ứng với số liên kết hóa trị mà nguyên tử đó được hình thành. Khi liên kết được hình thành, chúng bù thêm electeron vào lớp hóa trị cho đầy đủ, khả năng liên kết đó được gọi là hóa trị của nguyên tử. Đây là loại liên kết bền vững vì nó tạo trạng thái trơ của các nguyên tử. Khả năng hút electeron của một loại nguyên tử nhất định trong liên kết cộng hóa trị gọi là độ âm điện. => Kiểu liên kết trong đó các electeron góp chung được sử dụng cân bằng được gọi là liên kết cộng hóa trị không phân cực. Trong các chất hữu cơ, các nguyên tử tạo liên kết không phân cực là những phần kị nước ví dụ như gốc R(C xHy) của các phân tử protein. => Khi liên kết một nguyên tử với một nguyên tử khác có độ âm điện lớn hơn thì các electron của liên kết không được chia sẻ đều được gọi là liên kết cộng hóa trị phân cực. Trong chất hữu cơ, các nguyên tử hình thành liên kết phân cực tạo nên phần ưa nước ví dụ như gốc COOH của protein. - Liên kết ion: là liên kết giữa các ion mang điện tích dương (cation) với các ion mang điện tích âm (anion). 3 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 - Liên kết Hiđro: là liên kết một nguyên tử hidro liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử mang điện âm bị hút bởi một nguyên tử có độ âm điện khác. Đây là loại liên kết không bền, có thể hình và phá vỡ trong điều kiện sinh lí của tế bào. Do vậy nó có vai trò tạo cấu trúc không gian của các đại phân tử sinh học và giúp chúng thực hiện chức năng. => Các nhà khoa học đã ứng dụng đặc tính này của liên kết hidro để nghiên cứu cấu trúc của các đại phân tử sinh học và mức độ quan hệ về nguồn gốc giữa các loài sinh vật bằng phương pháp biến tính và hồi tính và lai phân tử. Biến tính ADN: đun nóng phân tử ADN vượt quá nhiệt độ sinh lí =>liên kết hidro bị đứt hai mạch đơn của nó tách rời. Nhiệt độ làm hai mạch tách rời nhau gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy của phân tử càng cao chứng tỏ cấu trúc của phân tử càng bền vững. Hồi tính ADN: Hạ nhiệt độ từ từ với phân tử đã biến tính hai mạch lại hình thành liên kết hidro trở lại. => muốn xác định mức độ quan hệ nguồn gốc giữa các loài, các nhà khoa học gây biến tính hai phân tử ADN của hai loài, rồi cho hồi tính trong một môi trường=> từ số đoạn hình thành liên kết hidro giữa hai mạch của hai phân tử ADN người ta xác định mức độ gần nhau về nguồn gốc ví dụ như giữa ADN của người và chuột chỉ giống nhau 25% nucleotit. - Tương tác Van der Waals: Lực tương tác giữa các vùng tích điện dương và vùng tích điện âm. Loại liên kết yếu này chỉ xảy ra với những phân tử và nguyên tử gần nhau, nhưng số lượng lớn nó có vai trò quan trọng với sự sống ví dụ như nhờ hàng trăm nghìn liên kết Van der Waals trên một ngón chân con thạch sùng mà đã nâng đỡ trọng lượng cơ thể giúp nó nằm ngược trên trần nhà. Các liên kết Hidro, tương tác Vander Waals, liên kết ion trong nước và các liên kết khác trong tương tác cộng gộp của chúng tạo cấu trúc không gian ba chiều của các đại phân tử sinh học như axitnucleic, protein…nhờ đó chúng có đặc tính đặc biệt của sự sống. 4. Hợp chất 4 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 4.1. Chất vô cơ 4.1. 1. Nước a. Cấu trúc của nước: - Cấu tạo từ 1 nguyên tử O kết hợp với 2 nguyên tử H bằng liên kết cộng hóa trị phân cực - Điện tử của Hidro trong mối liên kết bị kéo lệch về phía O 2 nên phân tử nước có hai đầu trái dấu nhau. - Tính phân cực của nước làm cho phân tử nọ hút phân tử kia qua liên kết Hiđro và hút các phân tử phân cực khác tạo cho nó có vai trò quan trọng đặc biệt đối với sự sống. b. Đặc tính của nước Đặc tính Phân cực cao Nhiệt dung đặc trưng cao Giải thích Vì phân cực nên nó có thể hút các ion và các chất phân cực khác làm cho chúng dễ tan trong nước Vai trò đối với sự sống Dung môi hòa tan nhiều chất; thành phần cấu tạo chính của tế bào, tạo môi trường cho các phản ứng sinh hóa xảy ra. Các liên kết Hidro giữa các phân tử nước bị phá vỡ sẽ hấp thu nhiệt Ổn định nhiệt độ cơ thể sinh vật, và khi hình thành sẽ giải phóng nhiệt độ môi trường. nhiệt Liên kết Hidro gắn kết các phân tử - Nhờ các lực này mà nước có nước lại với nhau giữ nước ở trạng sức căng bề mặt giúp một số Lực gắn kết thái lỏng ngay ở nhiệt độ cơ thể sinh vật có thể sống trên bề mặt sống. Nước liên kết hidro với các nước chất khác tạo lực mao dẫn. - Lực mao dẫn giúp cây có thể Nhiệt bay hút nước từ đất lên lá. Nhiều liên kết Hidro bị phá vỡ thì Nước bay hơi làm giảm nhiệt độ hơi cao Nước đá nước mới bay hơi được. của cơ thể sinh vật. Các phân tử nước trong nước đá Về mùa đông lớp nước bề mặt nhẹ hơn cách xa nhau nên mật độ phân tử đóng băng tạo lớp cách nhiệt nước nước thấp hơn so với nước giữa lớp không khí lạnh với lớp thường thường. nước ở phía dưới. 5 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 c. Các dạng nước trong tế bào Khái Nước tự do Nước liên kết Là dạng nước ở xa các hạt keo và các Là loại nước gồm liên kết thẩm niệm ion với khoảng cách mà lực tương tác thấu được giữ bởi các ion mang giữa chúng không đáng kể. Dạng điện và liên kết keo là loại nước nước tự do mang đầy đủ tính chất lí được giữ bởi các ion, đứng cạnh hóa điển hình của nước do vậy có các gốc ưa nước của chất hữu cơ nghĩa quan trọng với hoạt động sống (-SH, -CO, -COO-,…) nước có của tế bào. thể hợp quanh các đại phân tử tạo dung dịch keo tạo nên vỏ nước khá bền do vậy các phân tử nước này không còn mang những tính chất thông thường của nước Vai trò - Môi trường hòa tan và môi trường Bảo vệ các hạt keo chống lại sự phản ứng hóa học trong tế bào. ngưng kết và biến tính. Do đó, - Nhân tố đảm bảo sự trao đổi chất độ ưa nước của keo càng cao, vỏ thường xuyên và thống nhất trong nước càng dày thì keo càng bền nội bộ của tế bào và cơ thể (vận vững lúc gặp điều kiện bất lợi chuyển nước và ion khoáng trong của môi trường. cây hoặc dòng máu và bạch huyết vận chuyển trong cơ thể động vật). - Điều hòa nhiệt độ của cơ thể. (thoát hơi nước qua lá ở thực vật, thoát mồ hôi ở động vật và người). - Tham gia trực tiếp vào các phản ứng hóa sinh: quang hợp, hô hấp,...). 4.1.2. Các muối khoáng: 6 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 Trong tế bào tồn tại hai dạng muối hòa tan trong dịch bào và liên kết tĩnh điện trên màng sinh chất và bề mặt hạt keo, chiếm 2% trọng lượng khô của chất nguyên sinh. Các muối phân li thành các cation ( K +, Na +,…) và các anion ( NO3-, SO42-,…) hút bám trên bề mặt hạt keo. Vai trò: o Đảm bảo trạng thái bền vững, độ ngậm nước, độ nhớt, độ phân tán của hệ keo. Ví dụ: - K+ làm tăng độ ngậm nước, giảm độ nhớt của keo nguyên sinh nhờ đó quá trình trao đổi chất diễn ra thuận lợi. - Ca2+ có tác dụng ngược lại và làm tăng tính chống chịu của hệ keo với điều kiện bất lợi. o Muối khoáng và chất hữu cơ hòa tan tạo áp suất thẩm thấu và sức hút nước của tế bào. o Các ion khoáng không đều ở hai bên màng sinh chất tạo nên hiệu điện thế màng (bên ngoài màng sinh chất nồng độ ion Natri cao, ion Kali thấp; trong tế bào chất, nồng độ ion Kali cao, ion Natri thấp) => làm xuất hiện điện thế nghỉ khi tế bào không hưng phấn và hình thành điện thế hoạt động khi màng nhận tín hiệu từ môi trường => Cơ chế dẫn truyền xung điện. 4.2. Chất hữu cơ: 7 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 4.2.1. Gluxít Gluxít Monosacarit (C3, C4, C5, C6) Đisacarit C12H22O11 Polisacarit (C6H10O5)n Thực vật Tinh bột Xenlulo và các chất cấu tạo khác Động vật Glicogen Khác * Đường đơn (monosacarit): C6H12O6 gồm glucose, fructose, ngoài ra còn có các đường chứa từ 4 đến 7 C. Đường đơn có vai trò: - Nguồn cung cấp năng lượng cơ bản của mọi sinh vật, nguyên liệu chủ yếu cho hô hấp nội bào, là nguyên liệu dễ dị hóa nhất. - Đơn vị cấu tạo nên đường đôi và các đường phức tạp, tạo gốc glucozit C6H10O5. - Thành phần cấu tạo nên các chất hữu cơ khác. Ví dụ: C5H10O4 là thành phần cấu tạo nên axit nucleic (ADN). * Đường đôi (đisacarit): C12H22O11 cấu tạo bởi hai gốc glucozit, là loại đường có trong thiên nhiên (mía: mantose; sữa: lactose;…)=> dự trữ năng lượng tạm thời. 8 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 * Đường phức tạp (polisacarit): (C6H10O5)n phân tử gồm nhiều gốc glucozit. Có thể phân biệt thành hai loại đường dự trữ năng lượng (tinh bột và glicogen) và cấu tạo xenlulose, kitin,… a. Tinh bột * Vai trò: - Chất dự trữ năng lượng phổ biến nhất trong thiên nhiên. - Chất dinh dưỡng của người, động vật. - Tích lũy trong các loại hạt, củ, quả. * Cấu tạo: - Trong tế bào, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước bé. - Cấu tạo từ 2 cấu tử, đều được cấu tạo từ các gốc glucozit liên kết với nhau ở liên kết  1,4 glucozit do đó các gluco đều ở vị trí ngửa. + Amilo: cấu tạo chuỗi không phân nhánh 300-1000 gốc glucozit xoắn lò xo, mỗi xoắn có cấu trúc xoắn nhờ liên kết Hidro. Bên trong có thể kết hợp các nguyên tử khác, amilose tạo thành màu xanh tím khi kết hợp với I 2. Nếu Nếu đun nóng liên kết Hidro bị đứt chuỗi amilose duỗi thẳng Iốt tách ra khỏi amilose thì dung dịch mất màu xanh. + Amilopectin: chỉ khác với amilose ở chỗ nó có cấu trúc phân nhánh, mỗi nhánh bắt đầu bằng liên kết  1,6 glucozit. => Tinh bột là nguyên liệu lí tưởng vì: - Tinh bột không khuyếch tán ra khỏi tế bào. - Không có hiệu ứng thẩm thấu. - Dự trữ dưới dạng hạt tinh bột, có mặt trong lục lạp và cơ quan dự trữ. b. Glicogen: là chất hữu cơ dự trữ của người và động vật, tồn tại ở cơ, gan nên đường đơn chuyển hóa thành glicogen chủ yếu xảy ra ở cơ và gan. => Cấu tạo tương tự như tinh bột nhưng phân nhánh nhiều hơn. - Các gốc glucozit liên kết với nhau qua liên kết  1,4 glucozit, liên kết  1,6 glucozit ở chỗ phân nhánh. - Glicogen có thể bị thủy phân dưới tác dụng của hoócmôn glucagon hoặc axit. - Hòa tan trong nước nóng tạo đỏ tím, trong Iốt tạo màu nâu. 9 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 => glicogen dễ bị phân hủy hơn tinh bột => điều đó giúp cho động vật huy động năng lượng dễ dàng hơn thực vật vì nhu cầu năng lượng của động vật lớn hơn nhiều so với thực vật (năng lượng cần dùng cho vận động, tìm thức ăn, chạy trốn kẻ thù hoặc tìm kiếm bạn tình,...). c. Xenlulose * Cấu tạo: - Các gốc glucose liên kết với nhau bằng liên kết  1,4 glucozit, các gốc liên kết với nhau theo kiểu sấp ngửa. - Cấu trúc bền vững, khó phân giải: cấu tạo bởi 8000 gốc monosacarit, là các chuỗi xenlulose xếp song song tạo sợi có đường kính 3,5 nm. - Các chuỗi có nhiều nhóm –OH tự do nên các sợi liên kết với nhau bằng liên kết Hidro được tạo thành giữa các nhóm – OH. - Các sợi kết hợp kết hợp với nhau tạo bó mixen có đường kính 0,2nm. - Giữa các sợi trong các bó mixen có những khoảng trống lớn: ở tế bào non chứa đầy nước, tế bào già chứa linhin, hemixenlulose là thành phần làm cho gỗ cứng. * Vai trò: - Cấu tạo nên thành tế bào thực vật. - Nguồn dinh dưỡng của nhiều loài động vật ăn thực vật, các động vật có Enzym xenluloaza trong đường tiêu hóa (vi sinh vật trong dạ cỏ của động vật 4 túi, manh tràng của thỏ ngựa, trùng roi trong ruột mối, mọt.). - Điều hòa hoạt động tiêu hóa của người và động vật ăn tạp. - Các vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulose thành glucose có enzym xenluloaza. d. Một số loại khác: - Kitin: tạo vỏ côn trùng, giáp xác, có khoảng 50 loại vi sinh vật có khả năng phân giải kitin. - Hemixenlulose: tạo vỏ cứng hạt, quả trấu. - Fructose: ở một số thực vật ngoài sự tích lũy tinh bột còn tích lũy fructose. Ví dụ: Các loại quả hình thành từ hoa kép như dứa, mít,... - Mannan: chứa trong gỗ của một số cây thông (11%), có trong nấm men. 10 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 - Pectin: là loại chất gian bào có vai trò gắn các tế bào trong các mô, hợp chất này có trong các loại quả. - Thạch (agar): trong tế bào đã hóa gỗ thành phần linhin khoảng 18-30%, tập trung ở màng thứ cấp của thành tế bào là chất khó phân giải nhất, chiếm tỉ lệ cao trong mùn đất. Một số loài nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn có khả năng phân giải linhin. - Xilan (C5H8O4)n : hemixenlulo. e. Phép thử hóa học cho gluxit Hidratcacbon Phép thử Đường khử Dung dịch Benedict Điều kiện Kết quả Nghiền mẫu mô với một ít Đổi màu hoặc (glucose, nước, lọc, cho 2cm3 dịch cho kết tủa màu fructose) chiết vào ống nghiệm, thêm gạch. 2cm3 dung dịch Benedict, đun nóng 900C trong 2 Maltose và phút. Dung dịch felinh 1 Cho 1 cm3 dung dịch felinh Đổi lactose và 2 màu hoặc 1 và 1cm3 dung dịch felinh cho kết tủa màu 2 vào 2cm3dịch chiết mô, gạch Đường không Dung dịch Benedict khử: đun lên 950C trong 2 phút. - Thử như đường khử Đổi không có phản ứng. màu hoặc cho kết tủa màu - Đun nóng 2cm3 dịch chiết gạch sacarose mô tươi với 2cm3 dun dịch HCl loãng để thủy phân đường mía thành đường đơn, trung hòa bằng NaOH, làm phép thử như đường Tinh bột khử. Iot trong dung dịch Nhỏ dung dịch lên mẫu mô Màu xanh đen Glicogen KI làm nát với nhiệt độ phòng Iot trong dung dịch Nhỏ dung dịch lên mẫu mô Màu đỏ tím Xenlulose KI Dung dịch Schultz làm nát với nhiệt độ phòng Cho lát cắt mô vào dung Màu đỏ tím 11 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 dịch và đưa lên kính hiển vi quang học để quan sát. 4.2.2. Lipit Lipit đơn giản Photpho lipit Steroit Cấu (dầu, mỡ) Gồm 1 phân tạo glixerol liên kết với glixerol liên kết với mạch vòng. tử - Gồm phân Sáp tử Lipit có cấu trúc Cấu trúc giữa rượu 3 axit béo=> các axit béo trong đó 1 Cấu trúc cơ sở của mạch thẳng lipit khác nhau chủ hoặc hai axit béo nó là 4 vòng với axit béo. yếu ở thành phần được thay thế bởi Cacbon ( 3 vòng 6 => không axit béo. thường Dầu gốc phốt phát. chứa cạnh, 1 vòng 5 thấm nước axit - Phốt pho lipit có cạnh) nối với nhau => tạo nên béo không no, mỡ tính phân cực: đầu => chứa axit béo no. chứa nhóm phốt phát khác các steroit các cấu trúc nhau ở như tầng ưa nước, đuôi CxHy nhánh bên khác cuntin của của axit béo nước=>trong kị nhau gắn với bề mặt lá, cấu khung Cacbon. suberin,... trúc màng các đầu ưa nước quay ra ngoài và vào phía dịch bào, còn phần kị nước quay vào nhau. Chức - Dự trữ năng lượng Cấu tạo chính nên - Colesteron: là - Hạn chế năng khi thừa gluxit. màng sinh chất thành phần màng sự thoát hơi - Giảm mất nhiệt. tế bào động vật. - Tăng tính đàn hồi - Các axit mật: cây đảm của da. nước của dưới dạng muối bảo cân mật có tác dụng bằng nước . nhũ lipit. tương hóa - Bảo vệ tế bào chống 12 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 Các loại sự xâm hoocmôn nhập của testosteron, mầm bệnh. ơstrogen, progestrogen, coocticosteroit, ecđixơn, vitamin D2. Hoócmôn điển hình (steroit): STT Hoócmôn điển Nơi tạo thành Tác dụng sinh học chính hình 1 Progesteron - Thể vàng Dưỡng thai, chuẩn bị dạ con để trứng - Vỏ thượng thân phát triển, bảo vệ thai. Vỏ thượng thận - Kích thích tổng hợp glicogen trong trong gan và cơ, tích lũy glicogen trong 2 Cooctizol gan và cơ. - Tăng cường phân giải protein, chất béo. 3 Andosteron 4 Tinh hoàn Vỏ thượng thận thận, tăng tích nước, bài tiết K+. Cần cho sự phát Test triển giới oste đực. ron 5 Ơstrogen - Chống viêm, tăng tích nước, muối Na. Tăng tính hấp thu Na+, Cl+, HCO3- bởi Buồng trứng tính Cần cho sự phát triển giới tính cái. * Phép thử hóa học lipit: Phép thử nhũ: nghiền mẫu mô trong etanol để hòa tan dầu mỡ. Lọc và đổ 2cm 3 dịch chiết vào 2cm3 nước trong ống nghiệm. Kết quả hình thành nhũ tương màu trắng sữa. 13 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 4.2.3. Protein: đại phân tử sinh học tham gia vào cấu trúc cơ bản nên tế bào, thực hiện mọi hoạt động sống của tế bào cũng như cơ thể sinh vật. a. Cấu tạo hóa học: - Cấu tạo bởi 4 nguyên tố hóa học cơ bản của sự sống C-H-O-N, ngoài ra còn được cấu tạo bởi các nguyên tố khác như S (Protein có S khi phân giải thải khí H2S). - Nguyên tắc cấu tạo: đa phân – đơn giản là các axitamin, khối lượng phân tùy loại Protein khoảng từ hàng nghìn đến hàng triệu đvC. - Axit amin có khối lượng 110 đvC, cấu tạo bởi 3 thành phần: gốc R (C xHy), nhóm – COOH và nhóm –NH2. - Các axit amin khác nhau ở thành phần gốc R và số lượng gốc –COOH. Có khoảng trên 20 loại axitamin khác nhau cấu tạo nên vô số các loại P của toàn bộ thế giới sinh vật. - Có 4 dạng axit amin: + Axit amin có gốc R không phân cực: valin, izolơxin, prolin, phenilalanin, tryptophan, metionin. + Axit amin có gốc R phân cực: glixin, treonin, xystein, tyroxin, asparagin, glutamin. + Axit amin có gốc R axit ( tích điện âm): aspataic, glutamic. + Axit amin có gốc R bagiơ ( tích điện dương): lyzin, arginin, histidin. - Các axitamin liên kết với nhau tạo chuỗi polipeptit bằng liên kết peptit. => Một phân tử Protein được cấu tạo bởi 1 hoặc nhiều chuỗi polipeptit. b. Cấu trúc không gian: Tùy theo chức năng của từng loại protein mà nó có 1 trong 4 bậc cấu trúc sau: - Bậc 1: Chuỗi protein hoàn chỉnh là sản phẩm giải mã di truyền, cấu trúc mạch thẳng, có số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp các axit amin đặc trưng cho loài, đặc trưng cho từng loại protein: đầu mạch là là nhóm NH2 cuối mạch là nhóm COOH. - Bậc 2: 14 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 + Chuỗi bậc 1 xoắn lò xo theo kiểu xoắn α là kiểu xoắn trong đó nhóm C=O và nhóm N - H ở các vòng peptit kéo lại gần nhau và hình thành liên kết Hidro =>tạo cấu trúc protein dạng sợi bền, chịu lực khỏe. + Kiểu gấp nếp β: hai chuỗi polipeptit kép dài xếp song song và liên kết hidro tạo nên nhiều nếp gấp. - Bậc 3: Hình dạng phân tử protein trong không gian ba chiều do xoắn bậc hai cuộn lại theo kiểu dạng sợi (miozin) hoặc dạng cầu như: glubolin, mioglobin. - Bậc 4: Cấu trúc của protein gồm hai hoặc nhiều nhiều chuỗi kết hợp với nhau tạo cấu trúc bậc 4. => Protein thực hiện chức năng ở cấu trúc bậc ba hoặc bậc 4. => Các yếu tố của môi trường như nhiệt độ, độ pH,... có thể phá vỡ cấu trúc không gian của protein làm cho chúng mất chức năng, gọi là sự biến tính của protein. Nhiệt độ làm cho protein mất cấu trúc không gian khác nhau ở tùy loài, tùy loại Protein. + Tùy loài: cơ thể đơn bào thường có nhiệt độ đông tụ thấp hơn cơ thể đa bào. Khi bị bệnh do vi sinh vật gây ra, cơ thể động vật hằng nhiệt có phản ứng gây sốt (tăng nhiệt độ cơ thể hơn so với nhiệt độ bình thường là 37 οC). Đó là tác dụng tự bảo vệ của cơ thể để tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh bằng cách làm mất cấu hình không gian của protein của vi sinh vật. Khi đó, enzym của chúng không còn hoạt tính. + Tùy loại protein: ở nhiệt độ cao, protein liên kết Hidro bị phá hủy cấu trúc không gian bị thay đổi, liến kết yếu bị đứt => các vùng kị nước có xu hướng kết lại với nhau, các vùng ưa nước quay ra ngoài tiếp xúc với nước => kích thước phân tử bị phồng lên, thể tích tăng, khối lượng phân tử giảm gây nên hiện tượng nhẹ hơn một số chất như nước. Ví dụ như canh cua khi đun nóng tạo thành bè mảng nổi lên trên. c. Chức năng của protein: Protein là phân tử cấu trúc chủ yếu của tế bào và thực hiện mọi hoạt động sống của tế bào cũng như cơ thể. Ở cơ thể đa bào các tế bào thuộc các cơ phan khác nhau về cấu trúc và chức năng tức là khác nhau về những loại protein 15 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 được tổng hợp (nhờ cơ chế điều hòa sinh tổng hợp protein - cơ chế điều hòa hoạt động gen). - Chức năng cấu trúc: protein là thành phần cấu trúc cơ bản của màng sinh chất (màng tế bào và 6 bào quan có cấu trúc là màng). - Chức năng chuyển hóa: protein là thành phần chính của các enzym xúc tác các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào - Chức năng điều hòa: protein là thành phần chính của các hoócmôn làm ức chế hoặc tăng cường hoạt động của các cơ quan đích. Ví dụ: Hoócmôn là dẫn xuất axit amin và hoócmôn polipeptit Hoócmôn Hoócmôn Tên gọi - Adrenalin Nơi tạo thành Tác dụng sinh học chính - Tuyến trên thận - Tăng cường phân giải glicogen là dẫn xuất axitamin => tăng đường trong máu. - Noadrenalin - Tác dụng ngược lại adrenalin. - Tiroxin - Tuyến giáp - Tăng cường chuyển hóa cơ bản, Hoócmôn - trạng - Tuyến giáp phát triển, biệt hóa hình thể. - Giảm Ca2+ trong máu. polipeptit Thyrocalcitonin - Tuyến cận giáp - Tăng Ca2+ trong máu. - Hoócmôn tuyến cận giáp Insulin Tụy Giảm Glucagon Oxitoxin đường HGF trong máu. Tụy Tăng đường trong máu. Thùy sau tuyến Tác dụng thúc đẻ, gây co dạ con. ADH yên Thùy sau tuyến Tăng huyết áp, chống bài niệu. MSH yên Thùy STH tuyến yên da. Thùy trước Kích thích tăng trưởng, trao đổi ACTH tuyến yên chất. Thùy trước Kích thích tuyến trên thận. trước Kích thích tế bào tạo chất màu ở 16 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 tuyến yên TSH Thùy trước Kích thích tuyến giáp. FSH tuyến yên Thùy trước Kích thích tạo estrodiol . LH tuyến yên Thùy trước Kích thích các tế bào tuyến kẽ làm tuyến yên LTH Thùy phát triển tổ chức kẽ kích thích tạo hoócmôn sinh dục. trước Kích thích bài tiết sữa. tuyến yên - Chức năng vận động: protein là thành phần của cơ, Hemoglobin, mioglobin trong cơ, các protein cấu tạo nên tinh trùng. - Chức năng bảo vệ: protein là thành phần chủ yếu của các chất kháng thể chống lại vi khuẩn, virus,... - Chức năng nhận tín hiệu: thụ thể trên màng. - Chức năng dự trữ: protein albumin, protein trong sữa, protein dự trữ trong các hạt cây. d. Phép thử hóa học Phép thử Điều kiện Kết quả 3 3 Dung dịch nitrat thủy Cho 1 cm thuốc thử vào 2 cm dịch Kết tủa đỏ hồng ngân và axit nitric chiết mô trong ống nghiệm, đun sôi 900C trong 2 phút. Cho 2 cm3 dụng dịch KOH vào ống Màu tím Phản ứng biure nghiệm có 2 cm3 dịch chiết mô, cho thêm 1- 2 giọt sulphat đồng và lắc. 4.2.4. Axit nucleic (ADN): Vật chất chủ yếu của hiện tượng di truyền và biến dị. a. Những vấn đề chung về Axit nucleic: - Trong tế bao nhân sơ ADN tồn tại ở tế bào chất - Trong tế bào nhân thực: 95% ADN trong nhân tế bào, 5% ở các bào quan ty thể và lục lạp - Trong tế bào, ADN tiến hóa theo chiều hướng từ dạng vòng kép thành dạng ADN xoắn kép thẳng => cơ sở của sự phức tạp dần về tổ chức cấu tạo của sinh vật. b. Cấu tạo hóa học: 17 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 - Cấu tạo bởi 4 nguyên tố hóa học C-H-O-N ( P). - Nguyên tắc cấu tạo đa phân: đơn phân là các nucleotit, khối lượng phân tử hàng triệu đvC. - Mỗi nucleotit có khối lượng phân tử ≈300đvC. Gồm 3 thành phần: + H3PO4 + C5H10O4 + 1 trong 4 loại bazơ nitric có tính chất kiềm yếu là: adenin (A), guanin (G), xitonin (X), timin (T). Các nucleotit chỉ khác nhau ở thành phần bazơ. Người ta dùng tên của các bazơ là tên của các nucleotit. ADN được cấu tạo bởi 4 loại nucleotit là A,G,X,T. - Các nucleotit liên kết với nhau tạo thành chuỗi polinucleotit (mạch đơn) bằng liên kết cộng hóa trị giữa đường và axit theo nguyên tắc C 5 và C3 của đường 2 nucleotit bên cạnh nhau cùng liên kết với Oxi của gốc phốt phát. =>Phân tử ADN được cấu tạo bởi 2 mạch polinucleotit ngược chiều nhau. Đảm bảo tính bền vững của phân tử giúp cho nó thực hiện chức năng lưu giữ, bảo quản thông tin di truyền của tế bào. 5’ 3’ A T G T A X X G 3’ 5’ Tính ngược chiều thể hiện trong cấu trúc của ADN - Mỗi ba giơ của một mạch đơn liên kết với một bagiơ của mạch đối diện bằng liên kết Hidro theo nguyên tắc bổ sung: nucleotit của mạch 1 liên kết với nucleotit của mạch 2: A - T (bằng 2 liên kết H) T - A G - X (bằng 3 liên kết H) X - G => Nguyên tắc bổ sung là nguyên tắc cấu tạo trong các đại phân tử sinh học trong đó 1 ba giơ có kích thước lớn bổ sung kích thước với 1 phân tử nhỏ hơn. => Liên kết Hidro theo nguyên tắc bổ sung đảm bảo tính linh động của phân tử khi thực hiện chức năng truyền đạt thông tin di truyền. 18 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 c. Cấu trúc không gian: mô hình của Waltson và Crick năm 1953 (dạng B) - ADN là một chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch đơn song song và ngược chiều. - Đường kính của vòng xoắn: 20Å - Chiều xoắn từ trái qua phải. - Chu kỳ xoắn: 34Å, gồm 10 cặp nucleotit. - Một số dạng ADN: A, Z, C=> có cấu hình không gian khác so với dạng B. + ADN của vi khuẩn, một số vi rut, ADN ở bào quan ty thể và lục lạp là dạng vòng kép. + ADN của một số loại virut: ADN đơn. d. Chức năng của ADN - ADN chứa thông tin di truyền của tế bào vì: + ADN chứa nhiều gen sắp xếp theo chiều dọc, gồm gen vận hành, gen cấu trúc, gen điều hòa (ở tế bào nhân thực còn chứa các gen khác như gen nhảy hoạt động như các yếu tố di truyền vận động) + Gen cấu trúc là một đoạn xoắn kép của ADN chứa khoảng 600-1500 cặp nucleotit, mang thông tin quy định cấu trúc của một loại protein, là cơ sở để hình thành nên một hoặc một số tính trạng của cơ thể sinh vật (gọi là thông tin di truyền) => tế bào nhân sơ có gen không phân mảnh (gen có vùng mã hóa liên tục => một gen mang thông tin tổng hợp 1 chuỗi polipeptit. => tế bào nhân thực đa số có gen phân mảnh (gen có vùng mã hóa không liên tục là trong gen tồn tại những đoạn nucleotit không mã hóa cho aa được gọi là intron, đoạn mã hóa cho axitamin gọi là exon) => một gen có thể mang thông tin để tổng hợp nhiều chuỗi polipeptit nếu sự cắt intron và nối các exon khác nhau. Đặc điểm này của gen ở sinh vật nhân thực có ý nghĩa tiết kiệm thông tin di truyền, tế bào có thể tổng hợp nhiều loại protein khác nhau từ một nguồn thông tin di truyền. + Tất cả các phân tử ADN trong tế bào chứa tất cả các gen mang thông tin quy định cấu trúc của tất cả các loại protein là cơ sở để hình thành nên tất cả các tính trạng của cơ thể sinh vật. Do đó ADN chứa thông tin di truyền của tế bào. - ADN truyền đạt thông tin di truyền của tế bào: 19 Hội thảo các trường chuyên miền Duyên Hải Bắc Bộ 2014 + ADN truyền đạt thông tin di truyền từ tế bào này sang tế bào khác, từ thế hệ này sang thế hệ khác nhờ cơ chế tự sao theo nguyên tắc bán bảo toàn và nguyên tắc bổ sung, là cơ sở cho sự tự nhân đôi nhiễm sắc thể (NST) ở kỳ trung gian giữa 2 lần phân bào. + ADN truyền đạt thông tin di truyền từ nhân ra tế bào chất đến nơi tổng hợp protein thông qua vai trò trung gian của ARN, điều khiển quá trình giải mã protein theo nguyên tắc cứ 3 nucleotit trên mạch mã gốc của gen cấu trúc (gọi là bộ ba mã hóa) xác định 1 axit amin trong protein. => gen trong ADN quy định cấu trúc của protein. - ADN có khả năng bị đột biến: Dưới tác nhân của môi trường (phóng xạ, tia tử ngoại, sốc nhiệt, hóa chất) hoặc những rối loạn về quá trình sinh lý hóa sinh hoặc do vi rut làm cho cấu trúc của ADN có thể thay đổi. => Là cơ sở của hiện tượng biến dị và tiến hóa. 4.2.5. Axit nucleic (ARN) a. Cấu tạo hóa học: - Cấu tạo bởi 4 nguyên tố hóa học C-H-O-N ngoài ra còn có P. - Nguyên tắc cấu tạo đa phân: đơn phân là các nucleotit, khối lượng phân tử hàng triệu đvC (trọng lượng nhỏ hơn ADN). - 1 nucleotit có khối lượng phân tử ≈300đvC. Gồm 3 thành phần: + H3PO4 + C5H10O5 + 1 trong 4 loại bazơ nitric có tính chất kiềm yếu là adenin (A), guanin (G), xitonin (X), uraxin (U). Các nucleotit chỉ khác nhau ở thành phần bazơ. Người ta dùng tên của các bazơ là tên của các nucleotit. ARN được cấu tạo bởi 4 loại nucleotit là A, U, G. X. - Các nucleotit liên kết với nhau tạo thành chuỗi polinucleotit (mạch đơn) bằng liên kết cộng hóa trị giữa đường và axit theo nguyên tắc C5 và C3 của đường 2 nucleotit bên cạnh nhau cùng liên kết với O2 của gốc phốt phát trong axit. => Phân tử ARN được cấu tạo bởi 1 mạch đơn theo chiều: 5’ 3’ 20