Mục lục bài họcĐang ở d03-b1
Carbohydrates, Lipids and Proteins
Carbohydrates: same monomer, opposite jobs
Monosaccharides such as glucose are joined by condensation into disaccharides and polysaccharides; hydrolysis reverses the process. Three storage or structural polysaccharides show how a small change in the monomer or the linkage changes everything:
- Starch (plants) is a mixture of unbranched amylose and branched amylopectin, both from $\alpha$-glucose. It is compact, osmotically inactive and easily hydrolysed.
- Glycogen (animals and fungi) is also $\alpha$-glucose but is much more highly branched than amylopectin, so many free ends can be hydrolysed at once and glucose is released rapidly.
- Cellulose (plant cell walls) is built from $\beta$-glucose with every second monomer inverted. The chains are straight and hydrogen-bond side by side into microfibrils of enormous tensile strength.
Lipids store more energy than carbohydrates
A triglyceride is one glycerol plus three fatty acids joined by ester bonds. In a saturated fatty acid every carbon carries the maximum number of hydrogens and the chain is straight; an unsaturated chain has one or more $\ce{C=C}$ double bonds that put a kink in it, so the molecules cannot pack tightly and the lipid is liquid at room temperature. Triglycerides yield roughly twice the energy per gram of carbohydrate because their hydrocarbon tails are far more reduced: they carry more $\ce{C-H}$ bonds whose electrons can be passed to oxygen, and they are hydrophobic so they are stored without water of hydration.
Proteins and the membrane they sit in
Amino acids are joined by peptide bonds. Primary structure is the sequence; secondary structure ($\alpha$-helix, $\beta$-pleated sheet) comes from hydrogen bonds along the backbone; tertiary structure is the three-dimensional fold produced by R-group interactions including disulfide bridges; quaternary structure appears when two or more polypeptides associate, as in haemoglobin. Denaturation breaks the weak interactions of the tertiary fold without breaking peptide bonds. The proteome is the whole set of proteins a cell or organism actually produces, and it differs between cell types although the genome does not.
A phospholipid replaces one fatty acid with a phosphate-containing head, making the molecule amphipathic. In water the lowest-energy arrangement is a bilayer, and the fluid mosaic model describes that bilayer with integral (transmembrane) proteins embedded in it, peripheral proteins attached to its surfaces, and cholesterol wedged between the tails acting as a fluidity buffer.
Cacbohiđrat: cùng một đơn phân, hai nhiệm vụ ngược nhau
Monosaccharide (đường đơn, ví dụ glucose) nối với nhau bằng phản ứng condensation (loại nước) thành disaccharide rồi polysaccharide; chiều ngược lại là hydrolysis (thuỷ phân, thêm nước để bẻ liên kết). Ba polysaccharide dưới đây cho thấy chỉ cần đổi dạng đơn phân hoặc đổi kiểu liên kết là chức năng đổi hẳn:
- starch (tinh bột, ở thực vật) gồm amylose mạch thẳng và amylopectin có phân nhánh, cả hai từ $\alpha$-glucose. Nó gọn, không hoạt động thẩm thấu nên trữ được nhiều mà không kéo nước vào tế bào.
- glycogen (ở động vật và nấm) cũng từ $\alpha$-glucose nhưng phân nhánh dày hơn hẳn amylopectin. Nhiều nhánh nghĩa là nhiều đầu tự do, enzim cắt được đồng thời ở nhiều chỗ nên glucose ra rất nhanh — đúng cái một cơ thể vận động cần.
- cellulose (ở thành tế bào thực vật) dựng từ $\beta$-glucose và cứ một đơn phân lại lộn ngược một đơn phân. Nhờ vậy chuỗi thẳng tuột, các chuỗi nằm cạnh nhau tạo liên kết hiđro chéo thành microfibril (vi sợi) chịu kéo cực khoẻ.
Vì sao lipit trữ năng lượng tốt hơn cacbohiđrat
triglyceride gồm một glycerol gắn ba fatty acid bằng liên kết ester. saturated (no) nghĩa là mọi cacbon đã mang tối đa hiđro, mạch thẳng, xếp sát nhau nên thường rắn ở nhiệt độ phòng. unsaturated (không no) có nối đôi $\ce{C=C}$ làm mạch gấp khúc, không xếp sát được nên thường lỏng. Mỗi gam triglyceride cho gần gấp đôi năng lượng của mỗi gam cacbohiđrat vì hai lý do tách bạch: (1) đuôi hiđrocacbon bị khử sâu hơn — nhiều liên kết $\ce{C-H}$ hơn, tức nhiều electron hơn để chuyển cho oxi trong hô hấp; (2) lipit kị nước nên trữ khan, còn glycogen luôn kéo theo khoảng hai gam nước cho mỗi gam nên thực tế còn nặng hơn nữa.
Protein và tấm màng mà protein cắm vào
Các amino acid nối nhau bằng peptide bond. Bốn bậc cấu trúc: primary là trình tự; secondary là $\alpha$-helix và $\beta$-sheet do liên kết hiđro dọc khung; tertiary là hình gấp ba chiều do tương tác giữa các nhóm R, kể cả cầu disulfide; quaternary là nhiều chuỗi ghép lại, như hemoglobin. denaturation (biến tính) chỉ phá các tương tác yếu giữ bậc ba, không phá liên kết peptit — nên trình tự còn nguyên mà chức năng thì mất. proteome là toàn bộ tập protein mà một tế bào thực sự làm ra: hai tế bào cùng genome vẫn có proteome khác nhau.
phospholipid thay một fatty acid bằng đầu chứa phosphate, thành phân tử amphipathic (một đầu ưa nước, hai đuôi kị nước). Trong nước, cách sắp xếp có năng lượng thấp nhất là bilayer (lớp kép). fluid mosaic model mô tả tấm màng ấy: protein xuyên màng (integral) cắm qua lớp kép, protein bám màng (peripheral) dính ở hai mặt, và cholesterol chèn giữa các đuôi làm đệm độ linh động.
Một vận động viên trữ $400$ g glycogen trong cơ và gan, và $6$ kg mỡ dưới da. Biết cacbohiđrat giải phóng khoảng $17$ kJ/g còn triglyceride khoảng $37$ kJ/g, và mỗi gam glycogen giữ thêm khoảng $2$ g nước. Hãy tính năng lượng của hai kho và giải thích vì sao tiến hoá chọn lipit làm kho dài hạn còn glycogen làm kho ngắn hạn.
Bước 1 — tính năng lượng của hai kho. Kho glycogen: $400 \times 17 = 6\,800$ kJ. Kho mỡ: $6\,000 \times 37 = 222\,000$ kJ. Kho mỡ lớn hơn kho glycogen khoảng $33$ lần.
Bước 2 — tính khối lượng thật sự phải mang. $400$ g glycogen kéo theo khoảng $800$ g nước, tổng $1\,200$ g cho $6\,800$ kJ, tức khoảng $5{,}7$ kJ trên mỗi gam khối lượng cơ thể. Mỡ trữ khan: $37$ kJ/g. Chênh lệch thực tế vì thế không phải hai lần mà khoảng sáu lần rưỡi.
Bước 3 — vì sao vẫn phải giữ glycogen. Ưu thế của glycogen không nằm ở mật độ năng lượng mà ở tốc độ. Phân tử glycogen phân nhánh rất dày nên có hàng nghìn đầu không khử để enzim tấn công cùng lúc, và glucose giải phóng ra tan ngay trong bào tương, dùng được cả khi thiếu oxi qua đường glycolysis kị khí. Mỡ thì ngược lại: phải huy động qua lipase, vận chuyển trong máu nhờ protein, rồi $\beta$-oxi hoá trong ti thể — chậm và bắt buộc cần oxi.
Kết luận: lipit thắng ở chỉ tiêu kJ trên mỗi gam mang theo, còn glycogen thắng ở chỉ tiêu kJ trên mỗi giây. Một sinh vật cần cả hai, và đó là lý do không loài nào bỏ hẳn một trong hai kho.
Lòng trắng trứng đun ở $80\ ^\circ\text{C}$ đông đặc lại và không trong trở lại dù để nguội. Hãy dùng bốn bậc cấu trúc protein để giải thích, và nói rõ bậc nào mất, bậc nào còn.
Cái bị phá. Nhiệt cung cấp động năng đủ để bẻ các tương tác yếu đang giữ hình gấp: liên kết hiđro giữa các nhóm R, tương tác kị nước trong lõi phân tử, cầu ion. Đó chính là những thứ dựng nên tertiary structure (và cả quaternary nếu protein có nhiều chuỗi). Chuỗi polypeptit bung ra khỏi hình cầu gọn ghẽ của nó.
Cái vẫn còn. Primary structure nguyên vẹn, vì liên kết peptide là liên kết cộng hoá trị, cần năng lượng lớn hơn nhiều mới bẻ được. Phần lớn secondary structure cũng chỉ hỏng cục bộ. Nói cách khác trình tự axit amin không hề đổi — thứ mất là hình dạng, không phải thông tin.
Vì sao không hồi lại được. Khi bung ra, các đoạn kị nước vốn nằm kín trong lõi nay phơi ra ngoài. Chúng dính vào đoạn kị nước của phân tử bên cạnh, các chuỗi khoá chéo với nhau thành một mạng lưới không tan. Đó là lý do lòng trắng chuyển từ trong sang trắng đục và rắn. Làm nguội không gỡ được mạng lưới ấy vì trạng thái kết tụ có năng lượng còn thấp hơn trạng thái gấp đúng.
Ý nghĩa cho phòng thi: câu hỏi IB thường hỏi ngược — “giải thích vì sao enzim mất hoạt tính vĩnh viễn”. Câu trả lời ăn điểm phải nêu đủ ba nấc: phá tương tác yếu, mất hình dạng active site, và kết tụ nên không đảo ngược.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme B1–B2 — Molecules and Membranes 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.