Mục lục bài họcĐang ở d01-b1
Water and Nucleic Acids
Water is polar, and that single fact carries the theme
Oxygen is far more electronegative than hydrogen, so the shared electrons in each $\ce{O-H}$ bond sit closer to oxygen. The molecule is polar: a partial negative charge on oxygen, partial positive charges on the two hydrogens. Neighbouring molecules attract each other through hydrogen bonds. Each is individually weak, but each water molecule can form up to four of them, so collectively they dominate.
The emergent properties examined by the IB
- Cohesion — water molecules stick to one another, allowing a continuous column of water to be pulled up xylem under tension, and producing surface tension strong enough to support pond skaters.
- Adhesion — water sticks to other polar surfaces such as cellulose, which is why water creeps along cell walls.
- Thermal properties — a high specific heat capacity buffers temperature change, and a high latent heat of vaporisation makes sweating an efficient coolant.
- Solvent properties — polar and charged solutes dissolve; hydrophobic substances such as lipids do not, and must be carried by transport proteins in blood.
Nucleic acids
A nucleotide is a pentose sugar, a phosphate group and a nitrogenous base. Nucleotides join by covalent phosphodiester bonds into a directional strand with a $5'$ and a $3'$ end. In DNA two strands run antiparallel and are held together by complementary base pairing: $A$ with $T$ by two hydrogen bonds, $G$ with $C$ by three. RNA is single-stranded, uses ribose, and carries uracil in place of thymine.
Nước là phân tử polar, và mọi thứ trong Theme A1 đi ra từ đúng một dữ kiện đó
Oxygen hút electron mạnh hơn hydrogen rất nhiều, nên đôi electron dùng chung lệch về phía O. Kết quả: O mang điện âm một phần, hai H mang điện dương một phần. Hai phân tử nước cạnh nhau hút nhau bằng hydrogen bond (liên kết hydro — lực hút giữa H mang điện dương của phân tử này với O mang điện âm của phân tử kia). Từng mối rất yếu, nhưng mỗi phân tử nước nối được tới bốn mối, nên cộng lại chúng chi phối toàn bộ tính chất của nước.
Bốn nhóm tính chất đề IB hỏi đi hỏi lại
- Cohesion (các phân tử nước dính vào NHAU) — nhờ đó cả một cột nước liên tục bị kéo lên trong xylem mà không đứt, và nhờ đó có surface tension đủ đỡ con cà cuống nước đứng trên mặt ao.
- Adhesion (nước dính vào BỀ MẶT KHÁC, ví dụ cellulose của thành tế bào). Đừng lẫn với cohesion — đề rất hay bẫy đúng cặp này.
- Tính chất nhiệt — specific heat capacity cao nên thân nhiệt và nhiệt độ ao hồ ít dao động; latent heat of vaporisation cao nên bay hơi một lượng mồ hôi nhỏ đã lấy đi rất nhiều nhiệt.
- Dung môi — chất phân cực và chất mang điện thì tan; lipid hydrophobic thì không, nên máu phải dùng protein vận chuyển để chở chúng.
Axit nucleic
Một nucleotide gồm đường pentose, nhóm phosphate và base nitơ. Các nucleotide nối nhau bằng liên kết cộng hoá trị phosphodiester thành mạch có chiều, một đầu $5'$ và một đầu $3'$. Trong DNA hai mạch chạy antiparallel (ngược chiều nhau) và giữ nhau bằng complementary base pairing: $A$ với $T$ bằng hai hydrogen bond, $G$ với $C$ bằng ba. RNA thì một mạch, dùng đường ribose, và mang uracil thay cho thymine.
Một mẫu DNA mạch kép có $32\%$ nucleotide mang base thymine. Tính phần trăm của mỗi base còn lại, và giải thích vì sao chỉ cần một con số đầu vào là đủ.
Bước 1 — dùng complementary base pairing. Trong DNA mạch kép, mỗi $T$ luôn ghép với một $A$, nên $\%A = \%T = 32\%$.
Bước 2 — trừ ra phần còn lại. Bốn base cộng lại bằng $100\%$, nên $\%G + \%C = 100 - 32 - 32 = 36\%$.
Bước 3 — chia đôi. Mỗi $G$ ghép với một $C$, nên $\%G = \%C = 36 \div 2 = 18\%$.
Kết quả: $A = 32\%$, $T = 32\%$, $G = 18\%$, $C = 18\%$. Kiểm lại tổng: $32 + 32 + 18 + 18 = 100$.
Vì sao một con số là đủ: quy tắc ghép cặp áp đặt hai phương trình ràng buộc ($A = T$ và $G = C$) lên bốn ẩn, cộng với ràng buộc tổng bằng $100$. Chỉ còn một bậc tự do — biết một base là suy ra được cả ba base kia. Đây chính là quy tắc Chargaff, và nó chỉ đúng với DNA mạch kép: với RNA mạch đơn thì không có ràng buộc nào cả.
Nước có specific heat capacity cao và latent heat of vaporisation cao. Khi giải thích tác dụng làm mát của mồ hôi, phải dùng tính chất nào, và vì sao không phải tính chất kia?
Phải dùng latent heat of vaporisation. Đây là lượng nhiệt cần cung cấp để chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi mà không làm nhiệt độ tăng. Muốn một phân tử nước thoát ra khỏi bề mặt da, phải phá đứt toàn bộ hydrogen bond đang giữ nó lại — việc đó rất tốn năng lượng.
Nguồn năng lượng ấy lấy từ đâu? Từ chính da và máu bên dưới. Nước bay đi mang theo nhiệt, phần còn lại nguội đi. Vì trị số này rất lớn, chỉ cần bay hơi một khối lượng mồ hôi nhỏ đã lấy đi được rất nhiều nhiệt — cơ thể không phải mất nhiều nước mới hạ được nhiệt.
Vì sao không phải specific heat capacity. Specific heat capacity nói về việc nước hấp thụ nhiệt mà ít đổi nhiệt độ, tức tính chất đệm. Nó giải thích vì sao thân nhiệt và nhiệt độ ao hồ ổn định, nhưng nó không lấy nhiệt ra khỏi cơ thể — nhiệt vẫn nằm trong người, chỉ là nằm ở dạng ít làm nhiệt độ nhích lên.
Muốn thải nhiệt ra ngoài thì phải có vật chất mang nhiệt rời khỏi cơ thể, và đó đúng là điều bay hơi làm. Lẫn hai tính chất này là lỗi mất điểm phổ biến nhất của Theme A1.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme A1–A2 — Water, Nucleic Acids and Cells gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.