Mục lục bài họcĐang ở d02-b1
Condensation, Carbohydrates and Lipids
Four monomer families, one reaction
Almost every macromolecule in a Cambridge answer is built by condensation: two monomers join, a covalent bond forms and one molecule of water is released. The reverse reaction, hydrolysis, breaks the bond by inserting water. The bond has a different name in each family — a glycosidic bond between sugars, an ester bond between glycerol and a fatty acid, a peptide bond between amino acids, a phosphodiester bond between nucleotides — but the chemistry is the same. A chain of $n$ monomers therefore contains $n-1$ bonds and has released $n-1$ molecules of water.
Carbohydrates
Alpha and beta glucose differ only in the orientation of the hydroxyl group on carbon $1$, and that single difference decides everything downstream. Starch and glycogen are polymers of $\alpha$-glucose: amylose is unbranched $1,4$ linked and coils into a helix, amylopectin and glycogen carry $1,6$ branch points that give many free ends for rapid hydrolysis. Cellulose is a polymer of $\beta$-glucose in which alternate residues are flipped through $180^{\circ}$, producing a straight chain; neighbouring chains are cross-linked by hydrogen bonds into microfibrils of very high tensile strength.
Lipids
A triglyceride is glycerol plus three fatty acids joined by three ester bonds, releasing three molecules of water. Fatty acids are saturated when every carbon–carbon bond is single, and unsaturated when one or more double bonds create kinks that stop the chains packing closely, lowering the melting point. Triglycerides are richer in carbon–hydrogen bonds than carbohydrates, so they release roughly twice as much energy per gram, and they are hydrophobic so they can be stored without the water that glycogen carries with it. In a phospholipid, one fatty acid is replaced by a phosphate group, giving a molecule with a hydrophilic head and two hydrophobic tails.
Bốn họ đơn phân, chung một phản ứng
Gần như mọi đại phân tử mà đề Cambridge hỏi đều được dựng bằng condensation (ngưng tụ): hai đơn phân nối lại, sinh ra một liên kết cộng hoá trị và tách ra một phân tử nước. Phản ứng ngược, hydrolysis (thuỷ phân), cắt liên kết bằng cách chèn nước vào. Liên kết mang tên khác nhau ở từng họ — glycosidic bond giữa các đường, ester bond giữa glycerol và acid béo, peptide bond giữa các amino acid, phosphodiester bond giữa các nucleotide — nhưng hoá học thì y hệt. Vậy một chuỗi $n$ đơn phân có $n-1$ liên kết và đã giải phóng $n-1$ phân tử nước. Con số này ra đề rất thường xuyên.
Carbohydrate
Alpha glucose và beta glucose chỉ khác nhau ở hướng của nhóm hydroxyl trên carbon số $1$, mà đúng một khác biệt đó quyết định toàn bộ phần sau. Tinh bột và glycogen là polymer của $\alpha$-glucose: amylose chỉ nối $1{,}4$, không phân nhánh, và cuộn thành xoắn ốc; amylopectin và glycogen có thêm điểm nhánh $1{,}6$ nên có rất nhiều đầu mút tự do, thuỷ phân ra glucose rất nhanh khi cần. Cellulose là polymer của $\beta$-glucose, trong đó cứ một gốc lại bị lật ngược $180^{\circ}$, khiến mạch thẳng; các mạch cạnh nhau nối với nhau bằng hydrogen bond thành vi sợi có sức chịu kéo rất lớn.
Lipid
Triglyceride gồm glycerol cộng ba acid béo, nối bằng ba ester bond và tách ra ba phân tử nước. Acid béo là saturated (no) khi mọi liên kết carbon–carbon đều là liên kết đơn, và unsaturated (không no) khi có nối đôi tạo chỗ gấp khúc làm các mạch không xếp sát nhau được, nên nhiệt độ nóng chảy thấp hơn. Triglyceride nhiều liên kết carbon–hydrogen hơn carbohydrate nên toả ra khoảng gấp đôi năng lượng trên mỗi gam, lại kỵ nước nên dự trữ được mà không phải kéo theo nước như glycogen. Ở phospholipid, một acid béo được thay bằng nhóm phosphate, cho ra phân tử có đầu ưa nước và hai đuôi kỵ nước.
Một mạch amylose gồm $180$ gốc $\alpha$-glucose. Tính số liên kết glycosidic trong mạch, số phân tử nước cần để thuỷ phân hoàn toàn mạch đó thành glucose, và số phân tử nước đã bị tách ra khi mạch được tổng hợp.
Số liên kết. Xếp $180$ gốc thành hàng thì có $179$ khe giữa hai gốc kề nhau, mỗi khe là một liên kết. Vậy $180 - 1 = 179$ liên kết glycosidic.
Số nước để thuỷ phân. Mỗi liên kết bị cắt tiêu tốn đúng một phân tử nước, nên cần $179$ phân tử nước.
Số nước đã tách ra khi tổng hợp. Bằng đúng số liên kết đã tạo, tức cũng $179$. Hai con số này luôn bằng nhau vì ngưng tụ và thuỷ phân là hai chiều của cùng một phản ứng.
Bẫy ở đây là con số $180$. Rất nhiều bài làm ghi $180$ vì cứ thấy $n$ gốc là ghi $n$ liên kết. Cách kiểm nhanh trong ba giây: hai gốc thì có mấy liên kết? Một. Nếu công thức của bạn cho ra $2$ thì công thức sai.
Lưu ý về amylose: mạch không phân nhánh nên toàn bộ $179$ liên kết đều là $1{,}4$. Nếu đề đổi sang amylopectin thì tổng số liên kết vẫn là $179$, chỉ khác ở chỗ một phần trong đó là liên kết $1{,}6$ tại các điểm nhánh.
Một con hải cẩu dự trữ năng lượng chủ yếu dưới dạng triglyceride, còn cơ người dự trữ dưới dạng glycogen. Nêu hai lý do khác nhau khiến triglyceride là chất dự trữ hiệu quả hơn tính theo khối lượng, và một lý do vì sao cơ vẫn phải giữ glycogen.
Lý do thứ nhất — nhiều liên kết carbon–hydrogen hơn. Năng lượng giải phóng khi hô hấp đến từ việc oxi hoá các liên kết $\ce{C-H}$. Acid béo là mạch hydrocarbon dài gần như thuần $\ce{C-H}$, còn glucose đã mang sẵn nhiều nguyên tử oxygen, tức đã bị oxi hoá một phần. Kết quả: khoảng $39$ kJ mỗi gam với lipid so với khoảng $17$ kJ mỗi gam với carbohydrate.
Lý do thứ hai — không kéo theo nước. Triglyceride kỵ nước nên tích trữ ở dạng giọt gần như khan. Glycogen thì ưa nước và giữ quanh nó khoảng hai tới ba lần khối lượng của chính nó bằng nước liên kết. Tính cả phần nước đó thì lợi thế năng lượng trên mỗi gam khối lượng cơ thể của lipid còn lớn hơn con số gấp đôi ở trên.
Lợi ích phụ ở hải cẩu: lớp mỡ dưới da còn cách nhiệt và giúp nổi, hai việc glycogen không làm được.
Vì sao cơ vẫn giữ glycogen. Glycogen phân nhánh dày nên có rất nhiều đầu mút không khử để enzyme tấn công cùng lúc, vì thế huy động ra glucose rất nhanh. Ngoài ra glucose là chất duy nhất dùng được cho hô hấp kỵ khí; acid béo bắt buộc phải có oxygen mới đốt được. Cơ đang co mạnh mà thiếu oxygen thì chỉ glycogen cứu được.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Biological Molecules gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.