CHUYÊN ĐỀ SINH HỌC: TÍCH HỢP DI TRUYỀN HOÁ SINH VI SINH VẬT

Chun đề
TÍCH HỢP DI TRUYỀN HỐ SINH VI SINH VẬT
1. Lí do tiếp cận chun đề
Vi sinh vật khơng phải là một khái niệm phân loại, các vi sinh vật có thể thuộc
những nhóm phân loại rất xa nhau. Chúng thường có một số đặc điểm chung như có
kích thước hiển vi, cơ thể đơn bào, sinh trưởng nhanh, phân bố rộng, thích ứng cao với
mơi trường. Thuộc nhóm Vi sinh vật có vi khuẩn (thuộc Giới Vi khuẩn), động vật
nguyên sinh và vi tảo (thuộc Giới Nguyên sinh) và Vi nấm (thuộc Giới Nấm), vi sinh
vật cổ (thuộc lãnh Giới Vi sinh cổ theo quan điểm phân chia 3 lãnh Giới). Ngồi ra,
người ta cịn xếp virut vào nhóm Vi sinh vật mặc dù hiện nay virut không được xem là
cơ thể sống vì chúng khơng có cấu tạo tế bào và có đời sống kí sinh bắt buộc trong tế
bào. Virut không tồn tại và sống trong môi trường tự nhiên khi ở ngoài tế bào. Vi sinh
vật có vai trị quan trọng đối với hệ sinh thái cũng như đời sống con người.
Việc nghiên cứu di truyền học trên các đối tượng vi sinh vật chưa được tiến
hành cho mãi đến những năm 40. Tuy ra đời chậm nhưng di truyền học vi sinh vật đã
đóng vai trị “cách mạng hố” tạo ra những bước tiến nhảy vọt cho di truyền học nói
riêng và sinh học nói chung về cả phương diện lí thuyết và ứng dụng thực tiễn. Các
nghiên cứu di truyền được tiến hành một mặt trên các vi sinh vật nhân thực như nấm
men, nấm mốc, vi tảo có sinh sản hữu tính, mặt khác trên các vi khuẩn và virut. Di
truyền học của virut và vi khuẩn đã góp phần đáng kể cho sự ra đời của kĩ thuật tái tổ
hợp DNA dẫn đến kĩ thuật di truyền làm bùng nổ Công nghệ sinh học.
Hoá sinh học là ngành khoa học nghiên cứu đến cấu trúc và q trình hố học
diễn ra trong cơ thể sinh vật. Đây là nội dung có liên quan chặt chẽ với các kiến thức
hoá học, sinh học, mà phần lớn là sinh học tế bào, sinh học phân tử và di truyền. Kiến
thức phần hoá sinh học có ý nghĩa tiên quyết tạo nền tảng đi sâu vào giải quyết các vấn
đề đặc biệt quan trọng trong y dược và cơng nghệ sinh học. Hố sinh học được chia
thành hai lĩnh vực chính: Hố sinh tĩnh và hoá sinh động. Hoá sinh tĩnh nghiên cứu các
vấn đề thuộc về enzyme và các hợp chất hữu cơ. Tế bào chính là đơn vị nhỏ nhất của
sự sống - nơi diễn ra hoạt động hoá sinh to lớn được gọi là sự trao đổi chất. Đây là quá
trình thay đổi hố học và vật lí diễn ra liên tục trong sinh vật sống bao gồm q trình
xây dựng mơ mới, thay thế mô cũ, chuyển đổi thức ăn thành năng lượng, xử lý chất

thải, sinh sản, ...Để quá trình trao đổi chất được diễn ra thuận lợi thì vai trị của enzyme
là khơng thể thiếu. Sự hoạt động của hợp chất có hoạt tính sinh học cao này giúp cho
các phản ứng diễn ra trong quá trình trao đổi chất diễn ra dễ dàng và thuận lợi hơn, tạo
thành một hệ thống hồn chỉnh. Các phản ứng hố học diễn ra trong tế bào có sự tham
gia của các hợp chất hữu cơ: protein, cacbonhidrat, lipid và axit nucleic, ... Một khía
cạnh khác của hố sinh học là nghiên cứu về tính chất và các đặc tính sinh học của các
đại phân tử đó. Đó là xác định các thành phần tạo nên những cấu trúc lơn hơn phân tử,
mô tả cách lắp ráp, quan sát không gian ba chiều và mơ tả vai trị của chúng trong sự
sống sinh vật. Hố sinh động nghiên cứu các q trình trao đổi saccarit, lipit, tổng hợp


DNA, RNA, protein. Một trong những dấu hiệu đặc trưng cơ bản của sinh vật sống là
sự trao đổi chất và năng lượng. Như đã nói ở trên, hố sinh động sẽ xem xét cách thức
các tế bào sản xuất ra năng lượng từ các hợp chất hữu cơ. Thông qua nguyên tắc của sự
biến đổi năng lượng trong tế bào, các con đường dị hoá phân tử glucose sẽ được mơ tả
trong sự có mặt hoặc vắng mặt oxi phân tử. Cùng với đó, vai trị của lipit trong cung
cấp và dự trữ năng lượng cho sinh vật cũng được làm sáng tỏ, thơng qua đó xây dựng
mối quan hệ trong con đường trao đổi chất giữa lipit và saccarit. Trong tế bào, quá trình
tổng hợp DNA, RNA, protein là yếu tố cơ bản cấu thành nên toàn hệ sinh vật. Hoá sinh
động cũng đề cập đến những nét cơ bản của nhân đôi DNA, phiên mã, dịch mã.
Nhân loại đang sống ở thời kì Cơng nghệ sinh học. Di truyền học đi sâu vào các
vấn đề cơ bản của sự tồn tại và lưu truyền sự sống nên nó giữ một vị trí đặc biệt quan
trọng, có người ví "Di truyền học là trái tim của Sinh học", vì khơng ít thì nhiều, nó
liên quan và chi phối bất kì lĩnh vực nào của sinh học, từ các cơ chế phân tử của sự
sống cho đến sự tiến hóa của tồn bộ thế giới sinh vật trên hành tinh của chúng ta.
Những phát minh lớn với số lượng tăng vọt của di truyền học đã có tác dụng cách
mạng hóa sinh học, biến sinh học từ mơ tả thành thực nghiệm chính xác. Hội nghị
Di truyền học thế giới ở Toronto (Canada) năm 1988 đã nêu phương châm "Di truyền
học hóa" Sinh học. Các đối tượng vi sinh vật đã góp phần chủ yếu vào các phát minh
nền tảng không những của di truyền học phân tử, mà của sinh học phân tử và sinh học

hiện đại nói chung.
Đối với các trường THPT Chuyên, việc lựa chọn, phát hiện và bồi dưỡng học
sinh giỏi, học sinh năng khiếu là một trong những nhiệm vụ then chốt. Với nguồn học
liệu dồi dào và mở như hiện nay, học sinh khối lớp Chuyên Sinh có thể tiếp cận được
nguồn tri thức nhanh chóng và hiệu quả, tuy nhiên việc lựa chọn những nội dung kiến
thức trọng tâm, có tính chất hệ thống làm cơ sở nền tảng phát huy khả năng tự học, tự
đọc của học sinh vẫn đang là vấn đề cần được quan tâm đầu tư.
Qua quá trình tự nghiên cứu, tơi tự nhận thấy mức độ tích hợp các nội dung
kiến thức Sinh học trong các câu hỏi ở đề thi học sinh giỏi các cấp, đặc biệt là kì thi
học sinh giỏi Quốc gia ngày càng tăng lên về số lượng và độ “khó”. Vì vậy, với mục
đích bổ sung thêm nguồn học liệu có tính chất hệ thống, định hướng cho học sinh cách
thức tiếp cận và tư duy logic đối với kiến thức phần Hố sinh, vi sinh và di truyền, tơi
lựa chọn và tiếp cận chun đề “Tích hợp di truyền hố sinh vi sinh vật”
2. Mục đích của chuyên đề
- Hệ thống hoá nội dung kiến thức phần hoá sinh, vi sinh và di truyền trên
phương diện tiếp cận “sự tích hợp”.
- Biên soạn chuyên đề để nâng cao hiệu quả tự học của cá nhân, cung cấp thêm
nguồn tài liệu cho học sinh trong đội tuyển.
- Rèn luyện khả năng tự học, tự đọc tài liệu và khai thác kiến thức.


- Hướng dẫn học sinh cách thức phân tích nội hàm trong các câu hỏi, tránh trả
lời không đúng trọng tâm.
3. Khái quát nội dung chuyên đề
Chuyên đề được biên soạn thành 2 phần: Phần A: Cơ sở lý thuyết và phần B:
Câu hỏi, bài tập vận dụng.
Phần Cơ sở lí thuyết chuyên đề nghiên cứu các nội dung phần hoá sinh tế bào vi
sinh vật và hiện tượng di truyền ở vi sinh vật.
Phần Câu hỏi, bài tập vận dụng sưu tầm chủ yếu trong các đề thi học sinh giỏi
Quốc gia các năm, hướng dẫn phân tích kiến thức lí thuyết và trả lời.

NỘI DUNG
PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. THÀNH PHẦN HOÁ SINH TẾ BÀO VI SINH VẬT
1. Enzyme
1.1. Cấu trúc enzyme
Enzyme có bản chất là protein (một số ít là RNA - ribozim), có tác dụng xúc
tác, làm tăng tốc độ phản ứng một cách đặc hiệu. Enzyme có mặt trong tất cả các hoạt
động sống của tế bào, có đầy đủ đặc tính lý hố của một chất xúc tác.
- Tính đặc hiệu cao: enzyme thường đặc trưng cho một phản ứng nhất định. Ví
dụ enzyme ureaza chỉ xúc tác phản ứng phân giải ure. Một số enzyme khác cũng có
tính đặc hiệu tương đối, chẳng hạn enzyme lipase có khả năng phân huỷ nhiều loại este
khác nhau.
- Hiệu suất xúc tác lớn: tốc độ phản ứng có thể tăng lên 10 5 - 107 lần so với khi
khơng có chất xúc tác. Ví dụ enzyme catalase xúc tác phản ứng phân huỷ H 2O2 -> H2O
+ O2 chỉ trong một giây nhưng với chất xúc tác là Fe thì cần đến 300 năm.
- Tác dụng xúc tác ở điều kiện bình thường: pH mơi trường gần trung tính, áp
suất và nhiệt độ bình thường.
Enzyme được chia thành 6 lớp dựa vào kiểu xúc tác (theo thống nhất của Hội
hoá sinh học quốc tế năm 1961).
A - Oxidoreductase: xúc tác cho phản ứng oxi hoá khử (vận chuyển điện tử, các
ion hydride hoặc nguyên tử hidro)
B - Transferase: xúc tác cho phản ứng chuyển vị các nhóm từ một phân tử này
đến một phân tử khác.
C- Hydrolase: Xúc tác các phản ứng thuỷ phân (cũng là phản ứng vận chuyển
các nhóm chức năng)
D - Lyase: xúc tác cho các phản ứng thêm các nhóm vào nối đơi, hoặc tạo thành
nối đơi bằng cách loại các nhóm.
E - Isomerase: xúc tác cho các phản ứng đồng phân hoá, hoặc chuyển vị các

nhóm trong nội bộ phân tử thành các dạng đồng phân.
F - Ligase: xúc tác cho các phản ứng tạo thành liên kết C-C, C-O, C-S và C-N
bằng phản ứng ngưng tụ, kèm theo phản ứng cắt đứt các liên kết giàu năng lượng của
các nucleoside triphotphate, thường dấu hiệu nhận biết của kiểu enzyme này với lyase
có sự xuất hiện của ATP.
Cấu trúc enzyme: Enzyme là các đại phân tử có khối lượng phân tử từ 12000
đến hàng triệu đơn vị Dalton (Da). Cũng như các protein, về thành phần cấu tạo,
enzyme chia thành 2 loại: enzyme một thành phần và enzyme hai thành phần. Enzyme
một thành phần: chỉ có một thành phần duy nhất là protein như enzyme pepsin của dạ


dày. Enzyme hai thành phần (haloenzyme) gồm 2 thành phần: phần protein gọi là
apoenzyme, phần không phải protein là cofactor (hoặc coenzyme). Hầu hết phần ngoại
protein có chức năng xúc tác apoenzyme. Coenzyme là các dẫn xuất của vitamin hoà
tan trong nước (ví dụ NAD+) vì vậy khi thiếu một vitamin nào đó, gây nên những bệnh
đặc trưng (chẳng hạn như bệnh pellagra, Scorbut, ...). Cofactor là các ion kim loại với
hàm lượng nhỏ (các nguyên tố vi lượng như Cu 2+ có trong cytocrom oxidase, carbonic
anhydrase, alcohol dehydrogenaza chứa Zn 2+, hexokinase, glucose - 6 - phosphatease,
pyruvate kinase chứa Mg2+, ....)
Trung tâm hoạt động là một vùng đặc biệt của enzyme có tác dụng gắn với cơ
chất để xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất thành sản phẩm. Mỗi enzyme có thể có
một hoặc hai hay nhiều trung tâm hoạt động. Tại đây sẽ chứa những nhóm hoá học và
những liên kết tiếp xúc trực tiếp với cơ chất hoặc khơng tiếp xúc trực tiếp nhưng có
chức năng trực tiếp trong quá trình xúc tác.
Về thành phần cấu tạo: Trung tâm hoạt động của enzyme thường bao gồm các
axit amin có các nhóm hố học có hoạt tính cao như serine (có nhóm -OH), cystein (có
nhóm SH), glutamate có nhóm y-COO), lysine (có nhóm S-NH 3+) histidine có nhóm
imidazol+, tryptophan có nhóm indol +, ... đây là những nhóm phân cực hoặc ion hố,
có khả năng tạo liên kết hidro hoặc ion với cơ chất.
Để mô tả sự liên kết giữa enzyme và cơ chất, đã có nhiều giả thuyết được đưa

ra: Thuyết “mơ hình cảm ứng không gian” được Koshland D đưa ra năm 1958 đã giải
thích tính đặc hiệu tương đối của enzyme. Theo thuyết này, trung tâm hoạt động của
enzyme có tính mềm dẻo và linh hoạt, có thể biến đổi về cấu hình khơng gian trong
q trình hoạt động tương tác với cơ chất sao cho phù hợp với cấu hình khơng gian
của cơ chất, để có thể hình thành phức hợp enzyme cơ chất (ES).
Enzyme dị lập thể (Enzyme allosteric)
Đây là loại enzyme ngồi trung tâm hoạt động cịn có một vài vị trí dị lập thể,
trung tâm hoạt động tiếp nhận cơ chất để xúc tác cho phản ứng enzyme trong khi vị trí
dị lập thể tiếp nhận yếu tố dị lập thể để điều chỉnh hoạt động xúc tác của enzyme. Phân
tử enzyme dị lập thể có thể có thể có vị trí dị lập thể dương, vị trí lập thể âm hoặc chứa
cả hai. Khi vị trí dị lập thể dương tiếp nhận yếu tố dị lập thể dương A (chất hoạt hóa)
thì cấu hình enzyme thay đổi theo hướng có lợi hơn, enzyme được hoạt hóa, ái lực
enzyme với cơ chất tăng lên, tăng tốc độ phản ứng. Khi vị trí dị lập thể âm tiếp nhận
yếu tố dị lập thể âm (chất ức chế) thì cấu hình enzyme thay đổi theo hướng có hại,
enzyme bị ức chế, ái lực enzyme với cơ chất giảm nên tốc độ phản ứng giảm đi.
Thơng thường, những chất hoạt hóa dị lập thể là những chất đứng trước cơ chất
trong chuỗi phản ứng, trong khi những chất ức chế dị lập thể là những chất đứng sau
chuỗi phản ứng hoặc là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản ứng. Chẳng hạn, trong con
đường đường phân, enzyme phospho fructokinase là một enzyme dị lập thể được hoạt
hóa bởi yếu tố dị lập thể dương là ADP và AMP, nhưng bị ức chế bởi yếu tố dị lập thể
âm là ATP và citrate.


1.2. Cơ chế tác động
Enzyme thực hiện chức năng xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách giảm
năng lượng hoạt hóa gồm 2 giai đoạn chính:
- Tạo thành phức ES.
- Phân ly phức ES giải phóng E ở trạng thái ban đầu, giải phóng sản phẩm.

Hình 1: Cơ chế tác động của enzyme

Khi có mặt cơ chất, cơ chất cảm ứng sự định hướng không gian của các nhóm
chức trong trung tâm hoạt động của E, tạo nên sự định hướng tương ứng thích hợp
giữa các nhóm chức trong TTHĐ của E và các nhóm chức của cơ chất, dọn đường cho
S kết hợp vào TTHĐ của E, tạo thành phức ES, đồng thời loại các phân tử nước ra
ngoài. Tương tác giữa các gốc amino acid của E với cơ chất, thay đổi đám mây
electron, giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết để đưa đến trạng thái chuyển tiếp.

Hình 2: Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hố
Phức ES sau khi tạo thành kém bền, chỉ tồn tại trong thời gian ngắn và nhanh
chóng chuyển hóa thành sản phẩm và giải phóng E tự do, E lại quay vịng xúc tác như
ban đầu.
Năng lượng hoạt hóa là sự sai khác giữa mức năng lượng tự do của trạng thái cơ
bản (ground state) và trạng thái chuyển tiếp (transition state), được hình thành do sự
tiếp xúc, và chạm giữa các phân tử làm tăng tốc độ phản ứng.


1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc của enzyme
1.3.1. Nhiệt độ
Mỗi enzyme hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định, đa số các enzyme
tối ưu ở nhiệt độ 40 - 45°C. Khi cao hơn nhiệt độ tối ưu, tốc độ phản ứng giảm nhanh
vì nhiệt độ cao làm enzyme biến tính, trung tâm hoạt động mất đi cấu hình chuẩn và
khơng cịn phù hợp được với cơ chất, vai trò xúc tác bị ảnh hưởng. Cá biệt có những
enzyme chịu được nhiệt độ cao như amylase trong cơng nghiệp dệt chịu được nhiệt độ
hơn 100°C. Lồi cá băng ở Nam cực có enzyme hoạt động hiệu quả ở -2°C.
1.3.2. Độ pH
Mỗi loại enzyme có một độ pH tối ưu, pH trên hay dưới ngưỡng tối ưu đều làm
cho hoạt tính enzyme bị giảm hoặc mất hoạt tính. pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa
các gốc R của các gốc amino acid trong phân tử E, ion hóa các nhóm chức trong trung
tâm hoạt động, ion hóa cơ chất, do đó ảnh hưởng đến hai tham số động học Km và V.

Hình 3: Ảnh hưởng của độ pH đến hoạt tính enzyme
1.3.3. Nồng độ cơ chất
Cơ chất là chất mà enzyme xúc tác. Sự thay đổi nồng độ cơ chất khác nhau sẽ
ảnh hưởng rất lớn đến hoạt độ của enzyme. Khi nồng độ cơ chất thấp, nhiều phân tử
enzyme có trung tâm hoạt động tự do và sự cung cấp hạn chế có chất sẽ xác định tốc
độ phản ứng. Ngược lại nồng độ cơ chất cao, hầu hết các trung tâm hoạt động bị chiếm
lĩnh do đó lúc này số lượng phân tử enzyme lại là yếu tố quyết định phản ứng. Trong
hoạt động trao đổi chất của tế bào mối tương quan này có tầm quan trọng như những
phương thức kiểm soát tốc độ phản ứng khác nhau.


Hình 4: Mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng và nồng độ cơ chất
1.3.4. Ảnh hưởng của chất kìm hãm
Chất kiềm hãm (Inhibitor = I) là những chất làm giảm tốc độ phản ứng do
enzyme xúc tác. Các chất này có thể là ion kim loại, chất hữu cơ hay vơ cơ. Các chất
kìm hãm có thể chia theo nhiều cách khác nhau: kìm hãm thuận nghịch hay kìm hãm
khơng thuận nghịch.
a. Kìm hãm thuận nghịch
Kìm hãm thuận nghịch là kìm hãm enzyme bằng cách kết hợp với enzyme và
tác động đến sự kết hợp của E với S.
* Kìm hãm cạnh tranh
Kìm hãm cạnh tranh: Chất ức chế liên kết vào trung tâm hoạt động của enzyme
(cạnh tranh với cơ chất). Nhận biết: Km tăng (ái lực giảm) và Vmax khơng đổi.
* Kìm hãm khơng cạnh tranh
- Kìm hãm không cạnh tranh: Chất ức chế liên kết phức hợp enzyme có chất
(khơng phải enzyme tự do) ở vị trí khác trung tâm hoạt động ảnh hưởng đến đến trung
tâm hoạt động dẫn đến giảm hoạt tính xúc tác của enzyme. Nhận biết Km không thay
đổi và Vmax giảm.
* Kìm hãm hỗn hợp
- Kìm hãm kiểu hỗn hợp: Chất ức chế đồng thời liên kết được vào cả tâm hoạt

động và vị trí khác (enzyme tự do và phức hợp enzyme - cơ chất). Nhận biết: đồng
thời Km tăng (hoặc ái lực giảm) và Vmax giảm.
b. Các chất kìm hãm không thuận nghịch
Các không thuận nghịch kết hợp với E tạo thành phức EI không hoạt động,
không phân ly, hoặc rất khó phân ly, hoặc phân ly với vận tốc khơng đáng kể. Người ta
ứng dụng các chất kìm hãm không thuận nghịch để nghiên cứu cơ chế phản ứng của
enzyme.
1.4. Điều hoà hoạt độ của enzyme
Hoạt độ của enzyme, cũng như hoạt độ của các protein có hoạt tính sinh học
khác trong tế bào. Chúng phải được điều hòa nghiêm ngặt, tiến hành đúng chỗ, đúng
lúc và với mức vừa đủ theo yêu cầu của cơ thể.
Hoạt độ của E được điều hòa cả về số lượng và hoạt độ phân tử. Gọi là điều hòa
hoạt độ phân tử có nghĩa là số lượng phân tử protein E được tổng hợp là không thay
đổi. Hoạt độ của enzyme có thể bị thay đổi bằng cách kết hợp với chất điều hòa (điều


hịa allosteric); hoặc cải biến cộng hóa trị thuận nghịch; hoặc thay đổi tỷ lệ giữa các
dạng phân tử enzyme có mức độ hoạt động khác nhau, ...
1.4.1. Điều hịa Allosteric
Kiểu điều hòa này hoạt động dựa trên nhu cầu của tế bào. Khi lượng sản phẩm
cuối cùng của chu trình đáp ứng đủ cho tế bào, nó sẽ quay ngược trở lại kìm hãm hoạt
độ enzyme.

Hình 5: Mơ hình điều hòa allosteric dưới tác dụng của sản phẩm cuối cùng khi
nồng độ các chất này đã đáp ứng nhu cầu.
1.4. 2. Điều hòa tỷ lệ các dạng khác nhau của enzyme có hoạt độ khác nhau
Isozyme (hay cịn gọi là isoenzyme) là các enzyme khác nhau trong chuỗi
amino acid nhưng xúc tác cho phản ứng hóa học tương tự. Các enzyme này thường
hiển thị các thông số động học khác nhau (ví dụ các giá trị K và V khác nhau) hoặc các
đặc tính điều chỉnh khác nhau. Sự tồn tại của isozyme cho phép tinh chỉnh sự trao đổi

chất để đáp ứng nhu cầu cụ thể của một mơ hoặc giai đoạn phát triển.

Hình 6: Enzyme hexokinase xúc tác phản ứng


Enzyme hexokinase xúc tác cho phản ứng trên gồm 4 isoenzyme (kí hiệu I, II,
III và IV). Khi nồng độ glucose trong mức bình thường, các isoenzyme III hoạt động
với tốc độ cực đại, còn IV chỉ làm việc 25%.
1.4. 3. Cải biến cộng hóa trị
Chủ yếu hoạt động cải biến hóa trị là kết hợp thuận nghịch với nhóm phosphate.
Với các đặc điểm phổ biến:
- Phản ứng chuyển nhóm phosphoryl từ ATP đến enzyme do protein kinase xúc
tác còn phản ứng tách phosphate khỏi enzyme do protein phosphatase xúc tác.
- Các gốc amino acid của enzyme kết hợp với nhóm phosphoryl là: Tyr, Ser,
Thr, His.
- Việc kết hợp với nhóm phosphate có thể chuyển enzyme từ dạng có hoạt động
thấp thành dạng có dạng hoạt động cao hay ngược lại. Ví dụ: Cơ chế điều hịa của
glycogen phosphorylase. Protein kinase (PKA) có vai trị điều hịa hoạt độ enzyme
bằng cách phosphoryl hóa. Với cách điều hịa này, tín hiệu điều hịa có thể khuếch đại
nhiều lần vì protein kinase có thể tác dụng lên nhiều phân tử mục tiêu khác nhau.
2. Các hợp chất hữu cơ
2.1. Saccharide
Saccharide là một chất hữu cơ chứa 3 nguyên tử là carbon (C), oxy (O) và
hydro (H). Các đơn vị cơ bản của saccaride được gọi là monosaccharide, ví dụ như
glucose, galactose, và fructose. Công thức thu gọn tổng quát của một monosaccaride là
(CH2O)n với n lớn hơn hoặc bằng 3; tuy nhiên, không phải tất cả saccharide đều tuân
theo công thức này (như acid uronic), hoặc không phải tất cả các chất hóa học có cơng
thức như trên thì được xếp vào nhóm saccharide. Monosaccharide có thể được liên kết
với nhau để tạo thành polysaccharide (hay oligosaccharide) theo nhiều cách khác nhau.
Saccharide giữ nhiều vai trò quan trọng trong cơ thể sống như:

- Chúng tồn tại ở dạng dự trữ năng lượng, nhiên liệu và chất trao đổi trung gian
(glucose, glycogen, ...).
- Một số loại đường như ribose và deoxyribose tạo thành một phần trong cấu
trúc của RNA và DNA (vật chất di truyền của hầu hết sinh vật trên Trái Đất).
- Tham gia cấu tạo các thành phần cấu trúc của thành tế bào vi khuẩn và thực
vật (cellulose).
- Saccharide liên kết với một số protein và lipid, các chất này có ý nghĩa trong
việc tương tác gián tiếp giữa các tế bào và sự tương tác giữa các tế bào với các thành
phần khác trong môi trường của tế bào (proteoglycan, glycoprotein, glycolipid, ...).
a. Đường đơn (Monosaccharide): là dẫn xuất của aldehyde, hoặc ketone và hai
hay nhiều nhóm hydroxyl (-OH). Mỗi phân tử có từ 3 đến 7 cacbon và chia thành hai
nhóm chính là đường aldose và ketose.


- Đường aldose: là đường chứa nhóm carbonyl là aldehyde (-CHO)
- Đường ketose: là đường chứa nhóm carbonyl là ketone (-CO-)

Hình 7: Đường aldose và ketose
- Tính chất: vị ngọt, tan nhiều trong nước, có tính khử mạnh, tham gia các phản
ứng oxi hố-khử
- Vai trị:
+ Cung cấp năng lượng cho tế bào, ví dụ đường glucose.
+ Là nguyên liệu để tạo đường đôi, đường đa; tham gia cấu tạo các thành phần
của tế bào, ví dụ đường pentose tham gia cấu tạo DNA, RNA.
+ Dùng trong các sản phẩm chữa bệnh như xylitol hay chẩn đoán bệnh như xác
định lượng glucose trong máu.
b. Đường đôi (Disaccharide)
Disaccharide được cấu tạo từ hai monosaccharide, ví dụ như sucrose và lactose.
Chúng liên kết với nhau bằng một liên kết cộng hóa trị tạo thành từ phản ứng khử
nước (hydrolase), theo đó sẽ tách ra một nguyên tử hydro của một monosaccharide và

một nhóm hydroxyl của monosaccharide cịn lại. Mặc dù có nhiều disaccharide, chỉ
một số ít disaccharide là được chú ý.
* Maltose:
- Cấu trúc từ một phân tử anpha-glucose (1->4) glucose
- Có tính khử nhưng yếu hơn so với glucose
- Đường chủ yếu là mạch nha, có ít ở thực vật bậc cao
- Bị thuỷ phân bởi maltase ở hoặc acid loãng nhiệt độ cao
* Lactose
- Cấu tạo từ beta-galactose (1-4) Beta-glucose.


- Đường chủ yếu của sữa, có một ít trong hoa
- Có tính khử
- Bị thuỷ phân bởi beta-galactoside
* Sucarose
- Cấu tạo từ anpha glucose (1->2) beta-fructose.
- Khơng có tính khử
- Có nhiều trong mía, củ cải đường
- Bị thuỷ phân bởi saccaraza, axit loãng
c. Đường đa (Polysaccharide)
Polysaccharide là phân tử carbohydrate cao phân tử gồm chuỗi dài của đơn vị
monosaccharide liên kết với nhau bằng liên kết glycosidic và thủy phân cung cấp cho
các thành phần hoặc monosaccharide, oligosaccharide. Ví dụ polysaccharide lưu trữ
như tinh bột và glycogen, và polysaccharide cấu trúc như cellulose và chitin.
Tinh bột
Amilozo
Kích
thước
Liên kết

50-500

Amilopectin
Có thể lên
đến 1 triệu

Glicogen
50000

Anpha (1Anpha (1Anpha
4) glicozit
>4) glicozit
(1->4) glicozit

Xenlulozo
15000
Beta(1>4) glicozit

Anpha (1Anpha
>6) glicozit
(1->6) glicozit

Cấu trúc

Nơi tích luỹ
chủ yếu

Khơng
phân Phân nhánh ở Phân
nhánh

nhánh, xoắn kiểu khoảng
20-30 nhiều hơn
lò xo, nhờ liên kết gốc
hidro giữa các
nhóm OH
Thực vật, mơ dự trữ (hạt, củ)

Khơng
phân
nhánh,
xếp
thành bó sợi, có
nhiều liên kết
hidro giữa các
bó sợi

Tế bào gan Thành tế bào
động vật, vi thực vật bậc
khuẩn
cao, vỏ ngoài
cứng của một
số động vật
không xương
sống


Enzyme thuỷ
phân

Amilaza

Amilaza

Chức năng

Dự trữ năng lượng

Dự trữ
lượng

Xenlulaza
năng Cấu trúc

Bảng 1: Cấu trúc và chức năng polysaccharide
2.2. Lipid
Lipid là hợp chất sinh học bao gồm các acid béo và các dẫn xuất của chúng có
trong tự nhiên.
a. Phân loại dựa theo thành phần cấu tạo
- Lipid đơn giản: là ester của alcohol và acid béo – triacylglycerol, sáp, steride
- Lipid phức tạp: ngồi các thành phần của lipid đơn giản cịn chứa các gốc
phosphoric, choline, saccharide.
Ví dụ glycolipid, glycerolglycolipid....
b. Tính chất vật lí – hóa học
- Khơng tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ như benzen, acetone,
…
- Mạch hydrocacbon càng dài, ít nối đơi, độ hịa tan trong nước càng kém, nhiệt
độ nóng chảy càng cao do giữa chúng hình thành các tương tác Van der Waals làm bến
cấu trúc ở mạch dài.
- Acid béo không no dạng cis thường bị uốn cong nên kém bền hơn so với dạng
trans. Vì vậy khi dầu đã rán nhiều lần, lượng acid béo trans tăng cao làm cho lượng

cholesterol tỉ trọng thấp (LDL) nhiều gây tăng nguy cơ tim mạch, làm yếu cấu trúc
màng, dễ bị nhiễm khuẩn và Cis Trans hóa chất độc.

Hình 8: Cấu hình cis và trans của acid béo
c. Chức năng


- Thành phần cơ bản của màng sinh học (phospholipid và cholesterol tham gia
cấu trúc nên màng sinh học của hầu hết sinh vật trên Trái Đất).
- Là nguồn nguyên liệu dự trữ quan trọng cung cấp năng lượng cho các hoạt
động sống của cơ thể (acid béo và glycerol là nguồn năng lượng cũng như chất dự trữ
quan trọng cho con người và động vật).
- Là chất mang điện tử, sắc tố hấp thụ ánh sáng, thành phần cấu tạo hormone,
chất truyền tin nội bào, hay bảo vệ (glycoprotein tham gia nhận biết đính trên mặt
ngồi màng sinh chất; các hormone steroid vận chuyển các chất đến toàn bộ cơ thể).
2.3. Acid nucleic
2.3.1. Nucleotit - đơn phân của axit nucleic
Mỗi nucleotit được cấu tạo từ 3 thành phần: một gốc base nitro gen, một gốc
pentose và một gốc photphat. Nucleotit có vai trị tham gia vào cấu trúc nên các hợp
chất sống hữu cơ (DNA, RNA), là thành phần cấu tạo của các coenzyme quan trọng
như NAD+, cấu trúc nên phân tử ATP, ...
2.3.2. DNA
Mơ hình cấu trúc
Theo J. Waston và F. Crick, phân tử DNA là chuỗi xoắn kép gồm hai mạch
polinucleotit xoắn đều quanh một trục theo chiều từ trái sang phải như một thang dây
xoắn, mà hai tay thang là các phân tử đường (C5H10O4) và axit photphoric sắp xếp xen
kẽ nhau, còn mỗi bậc thang là một cặp bazo đối diện và liên kết với nhau bằng các liên
kết hidro theo nguyên tắc bổ sung, nghĩa là một bazo lớn (A hoặc G) được bù bằng
một base nhỏ (T hoặc X) hay ngược lại. Do đặc điểm cấu trúc, A liên kết với T bằng 2
liên kết hidro, G liên kết với X bằng 3 liên kết hidro. Do các cặp nucleotit liên kết với

nhau theo nguyên tắc bổ sung đã đảm bảo cho chiều rộng của chuỗi xoắn kép bằng
20Ao, khoảng cách giữa các bậc thang trên chuối là 3,4A o, phân tử DNA xoắn theo chu
kì xoắn, mỗi chu kì xoắn có 10 cặp nucleotit có chiều cao 34A o. Ở một số loài virus và
thực khuẩn thể, DNA của lạp thể, ty thể lại có dạng vịng khép kín. Ngồi mơ hình của
Waston Crick cho đến nay người ta còn phát hiện ra 4 dạng khác nhau là A, C, D, Z.
Các mơ hình này khác với dạng B ở một vài chỉ số: số cặp nucleotit trong một chu kì
xoắn, đường kính, chiều xoắn.
Thơng tin trong axit nucleic được mã hóa bởi trình tự sắp xếp của các
nucleotide dọc theo chuỗi polynucleotide, và trong DNA sợi đơi, trình tự của mỗi sợi
xác định trình tự của chuỗi bổ sung phải như thế nào. Mức độ tương đồng về trình tự
giữa các DNA từ các vi sinh vật khác nhau là tiêu chí nghiêm ngặt nhất để xác định
mức độ liên quan chặt chẽ của chúng.
* Chức năng của DNA:
- Tự nhân đơi trong qúa trình phân chia tế bào, tạo thành 2 bản sao từ một phân
tử DNA ban đầu.


- Là khuôn để tạo thành các bản phiên mã khác nhau, các RNA, protein.
-> DNA là vật chất di truyền có chức năng lưu giữ, bảo quản và truyền đạt
thông tin di truyền qua các thế hệ, đảm bảo cho sự di truyền giữa các thế hệ đời sau.
2.3.3. RNA
Những nghiên cứu cho thấy, các phân tử RNA xuất hiện sớm hơn DNA và
protein trong lịch sử tiến hoá. Các phân tử RNA có nhiều điểm cấu trúc giống với
DNA nhưng làm chức năng trung gian trong qúa trình sinh tổng hợp protein với ba
dạng khác nhau (rRNA, tRNA, mRNA). Tuy nhiên, trong hai thập niên gần đây, nhiều
loại RNA mới được phát hiện cho thấy vai trò đa dạng và quan trọng của chúng trong
tế bào. Đáng chú ý có gRNA với vai trị dẫn đường được ứng dụng trong cơ chế chỉnh
sửa hệ gen CRISPR/Cas 9 - một bước đột phá của kĩ thuật thao tác DNA bộ gen.
a. Thành phần hoá học và cấu trúc
Các RNA giống với DNA là cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các

nucleotit khác nhau ở thành phần đường 5 (pentozo) là ribozo, 4 loại bazo nito là A, U,
G, X. Tuy nhiên RNA có cấu trúc 1 mạch đơn thẳng, chiều dài ngắn hơn so với DNA.
RNA có thể hình thành các cấu trúc khơng gian như kẹp tóc, thuỳ trịn, ...đây là những
cấu hình mạch kép do những đoạn nucleotit có trình tự bắt cặp bổ sung theo nguyên
tắc G với X và A với U.
b. Cấu trúc và chức năng của các loại RNA
Loại

Chức năng

mRN

RNA thơng tin, mã hố cho protein

RNA
A
rRNA
tRNA

RNA ribosome, tạo cấu trúc căn bản của ribosome và xúc tác
tổng hợp protein
RNA vận chuyển, làm cầu nối giữa mRNA và axit amin

snRN
Small nulear RNA có chức năng trong các q trình ở nhân tế
A(RNA bé bào, gồm splicing (cắt nối) các tiền mRNA (pre-mRNA)
của nhân)
snoR

RNA nhỏ hạch nhân (sno RNA - small nucleolar RNA) chế biến

và biến đổi hố học các rRNA

miRN

Điều hồ biểu hiện gen, điển hình là ngăn dịch mã mRNA theo
lựa chọn

siRN

RNA nhỏ can thiệp (small interfering siRNA), đóng (dừng) sự
biểu hiện gen bằng phân huỷ định hướng các mRNA theo chọn lọc và
tạo cấu trúc chất nhiễm sắc cuộn chặt

NA
A
A


RNA
Có nhiều chức năng trong tế bào như tạo đầu mút NST
không
mã (telomerase), bất hoạt NST X, vận chuyển các protein vào lưới nội chất
hoá khác
Bảng 2: Cấu trúc và chức năng của các loại RNA
RNA ribosome (rRNA)
rRNA là thành phần cấu tạo, chiếm phân nửa khối lượng riboxom. Tế bào có số
lượng lớn ribosome, nên rRNA chiếm tỉ lệ cao, có thể lên tới 75% của tổng số RNA tế
bào. Đối với tế bào vi khuẩn, rRNA được tổng hợp ở tế bào chất, ở đây, nó kết hợp với
protein thành các tiểu phần của riboxom. Các tiểu phần (rRNA) khác nhau được đánh
giá và đặt tên theo hệ số lắng khi siêu li tâm là S (Svedberg - đơn vị đánh giá tốc độ

lắng xuống đáy Sedimentation của ống li tâm, S = 1cm 3 x 10-13) S càng lớn thì phân tử
RNA càng dài. Các riboxom của lục lạp, ti thể và vi khuẩn đều là các riboxom có hệ số
lắng li tâm là 70S, gồm hai tiểu đơn vị: Tiểu đơn vị lớn 50S có 1 rRNA 23S và 1 rRNA
5S; tiểu đơn vị nhỏ 30S chỉ có 1 rRNA 16S.
Các ribosome của sinh vật nhân chuẩn thuộc loại 80S, gồm 2 tiểu đơn vị: Tiểu
đơn vị lớn 60S có 1 rRNA 28S, 1 rRNA 5,8S và 1rRNA 5S, tiểu đơn vị nhỏ 40S chỉ có
1 rRNA 18S
RNA vận chuyển (transfer RNA)
Trong tế bào có đến hơn 50 loại tRNA khác nhau và ít nhất mỗi loại RNA đặc
hiệu cho mỗi loại axit amin. Các tRNA có cấu trúc chung: chiều dài khoảng 70-90
nucleotit, gồm một mạch cuộn lại nhu hình lá chẻ ba nhờ các bắt cặp bổ sung bên
trong phân tử, đầu mút 3’ có trình tự kết thúc. Đầu 3’ là nơi gắn vào của axit amin, một
thuỳ sẽ mang bộ ba đối mã (anti codon) khớp bổ sung với bộ ba mã hố trên mRNA là.
Bằng cách đó tRNA dịch ngơn ngữ (các codon) trên mRNA thành chuỗi axit amin của
mạch polipeptit.
RNA thơng tin (mRNA)
mRNA có kích thước rất khác nhau, thời gian sống ngắn, bị phân giải nhanh sau
khi dịch mã. Chiều dài trung bình của phân tử mRNA vào khoảng 1,2kilobase. mRNA
là một giai đoạn trung gian trong quá trình biểu hiện gen. Các trình tự trên DNA mã
hố cho protein được phiên mã quá tổng hợp phân tử mRNA. Enzyme RNApolymerase dựa vào mạch khuôn mã của DNA mã hoá tạo phân tử mRNA. Bản phiên
mã sơ cấp của mRNA tế bào vi khuẩn và cả sinh vật nhân chuẩn chứa trình tự
nucleotide nhiều hơn số bộ ba dùng mã hố protein.
- mRNA vi khuẩn (nhân sơ) mang trình tự mã hố nhiều gen, mà đầu mỗi đoạn
gen có trình tự điển gắn với ribosome, cịn gọi là shine-dalgRNAo, để bắt cặp với trình
tự bổ sung trên RNA 16S và ở cuối sau dấu dừng có trình tự khơng mã hoá.
- mRNA trưởng thành của sinh vật nhân chuẩn có cấu trúc phức tạp hơn: đầu 5’
có mũ cap (methyl guanine triphosphate, tiếp theo là các đoạn mã hoá, sau tín hiệu kết


thúc là đoạn 3’ khơng mã hố, và cuối cùng là đuôi poly-A (150-200 đơn phân

adenine). Cấu trúc phức tạp hơn của mRNA nhân chuẩn có lẽ liên quan đến thời gian
tồn tại ngắn hay dài để biểu hiện gen
Chức năng: Làm trung gian truyền đạt thông tin di truyền từ DNA đến protein.
Xúc tác cho việc cắt đứt các liên kết phosphodieste của các axit nucleic (ribozim).
Ngoài ra, ở virus, RNA còn là các vật chất di truyền.
2.4. Protein
- Thành phần hoá học: bao gồm các nguyên tố C, H, O, N và một số protein ó
lượng nhỏ S. Ngồi các ngun tố trên cịn có một lượng rất ít các nguyên tố khác như
Fe, Cu, Mn, Ca, …
- Cấu trúc đơn phân: Mỗi acid amin được cấu tạo từ 3 thành phần: Nhóm amino
(-NH2), nhóm Carboxyl (-COOH), gốc hữu cơ (R-CH).
- Cấu trúc không gian: Protein gồm 4 bậc cấu trúc, trong đó cấu trúc bậc III, bậc
IV là các cấu trúc không gian.
* Chức năng
Protein là cấu trúc sinh học rất đa dạng và linh hoạt nhất trong hệ thống sống.
Chính vì vậy, protein có rất nhiều chức năng quan trọng như sau:
- Xúc tác: enzyme tham gia nhiều phản ứng xúc tác trong cơ thể.
- Vận tải: hệ thống hemoglobin tham gia vận chuyển oxi, cung cấp cho toàn bộ
cơ thể.
- Vận động: actin và myosin đảm nhận vai trò vận động.
- Bảo vệ: interferon là một cấu trúc tuyệt vời trong việc nhận biết các tế bào ung
thư.
- Dự trữ: casein trong sữa mẹ là nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu cho trẻ
em.
- Điều hịa: hệ thống promoter giúp điều khiển q trình tổng hợp protein.
* Các liên kết trong từng bậc
- Cấu trúc bậc 1 được tạo ra bởi liên kết peptide là liên kết cộng hóa trị.
- Cấu trúc bậc 2 được hình thành chủ yếu nhờ liên kết hydro giữa các nguyên tử
H với N hoặc O là thành phần của các liên kết peptide (khung polipeptide).
- Cấu trúc bậc 3 được hình thành chủ yếu nhờ tương tác kỵ nước giữa các nhóm

R khơng phân cực và nhờ liên kết hydro giữa các nhóm R phân cực hoặc tích điện (các
acid amin có tính kiềm và acid) của các acid amin.
- Cấu trúc bậc 4 phổ biến được hình thành chủ yếu do các tương tác Van der
Waals giữa các tiểu phần (chuỗi polipeptide với nhau. Cầu disulfide (-S - S-) được


hình thành giữa các acid amin cystein là thành phần của các protein có vai trị hình
thành ổn định ở các cấu trúc bậc 3 hoặc 4 của các protein nhất định.
3. Các quá trình trao đổi chất
3.1. Trao đổi saccharide
Phân giải Saccharide
Có hai cách phân giải polysaccharide
monosaccharide; thủy phân và phosphoryl phân.

và

disaccharide

tạo

thành

- Thủy phân là quá trình phân giải các chất nhờ sự có mặt của enzyme và có sự
tham gia của nước tạo thành các phân tử nhỏ.
Tinh bột + H2O

Amylase glucose + dextrin

- Phosphoryl phân: acid phosphoric thay thế vai trị của nước trong q trình
thủy phân. Vai trò của phosphorylase là cắt liến kết glycoside của tinh bột hoặc

glycogen.
a) Phân giải monosaccaride
Quá trình đường phân
Đường phân hay còn gọi là con đường Embden-Meyerhof xảy ra ở tất cả các
sinh vật. Quá trình đường phân xảy ra trong bào tương, sử dụng nguồn nguyên liệu
glucose tạo thành 2 phân tử acid pyruvic, tích lũy 2 NADH và kèm theo 2 ATP được
giải phóng bằng cách oxy hóa phosphoryl hóa ở mức cơ chất.
Phương trình tổng qt:
C6H12O6 + 2ADP + 2NAD+ + 2P -> 2C3H4O3 + 2ATP + 2H+ + 2H2O
- Giai đoạn tiêu tốn năng lượng gồm 5 phản ứng:
+ Bước 1: là sự phosphoryl hóa glucose, tạo glucose-6-phosphate. Phản ứng cần
ATP và Mg2+ tham gia.
+ Bước 2: là sự đổng phân hóa glucose-6-phosphate chuyển thành fructose-6phosphate.
+ Bước 3: là sự phosphoryl hóa lần thứ 2 giữa 2 dạng đường aldose và ketose
+ Bước 4: là phản ứng cắt mạch carbon, biến fructose 1,6-bisphosphate thành
dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde-3-phosphate
+ Bước 5: là phản ứng chuyển hóa nội phân tử giữa dihydroxyacetone
phosphate và glyceraldehyde-3-phosphate. Kết quả tạo 2 phân tử glyceraldehyde-3phosphate
- Giai đoạn tái tạo năng lượng
+ Bưóc 6: phản ứng oxy hóa kèm theo sự phosphoryl hóa ở cơ chất biến
glyceraldehyde-3- phosphate thành 1,3-bisphosphate.


+ Bước 7: là chuyển gốc phosphate cao năng cho ADP tạo thành 2ATP và 3phosphoglycerate
+ Bước 8: cũng là phản ứng đồng phân hóa, biến đổi 3-phosphoglycerate thành
2-phosphoglycerate
+ Bước 9 là phản ứng loại nước của 2-phosphoglycerate tạo thành
phosphoenolpyruvate
+ Bước 10: là phản ứng tạo pyruvate từ phosphoenolpyruvate và 2 phân tử ATP

Hình 9: Sơ đồ quá trình đường phân
Điều hịa đường phân
Q trình đường phân gồm 10 phản ứng với ba phản ứng không thuận nghịch
được xúc tác bởi hexokinase, phosphofructokinase-1, pyruvate kinase. Đây là các
enzyme dị lập thể, chúng được tăng cường khi nồng độ ADP, AMP cao và bị ức chế
khi nồng độ ATP và citrate cao. Chính vì vậy, khi năng lượng tế bào ở mức thấp, hoạt
độ của các enzyme này tăng cao. Hoặc, với nồng độ citrate cao, phosphofructo kinase
bị ức chế vì vậy quá trình đường phân sẽ bị ức chế. Quá trình đường phân bị ức chế
glucose sẽ được vận chuyển nhò các đơn chuyển glucose vào các tế bào gan và dự trữ
dưới dạng glycogen. Ngoài ra, glucose-6-phosphatase là enzyme xúc tác phản ứng tách
glucose khỏi glucose 6-phosphate từ gan vào vịng tuần hồn. Khi nồng độ glucose 6phosphate tăng, glycogen phosphorylase bị ức chế và glycogen synthase được hoạt
hóa, hậu quả là nồng độ glucose trong máu không tăng khi đáp ứng glucagon và
epinephrine (Thiếu hụt glucose-6-phosphatase (bệnh Von Gierke)).
Fructose 2,6-bisphosphate là một chất hóa học có khả năng hoạt hóa enzyme
phosphofructo kinase-1 bằng cách tăng ái lực giữa enzyme này với fructose 6-


phosphate. Chẳng hạn, khi nồng độ insulin tăng cao, dưới sự xúc tác của enzyme
phosphofructo kinase-2, sản phẩm từ fructose 6-phosphate là fructose 2,6bisphosphate. Quá trình này sử dụng năng lượng ATP, có thể thấy fructose 2,6bisphosphate cịn có khả năng giảm hiệu ứng ức chế khi nồng độ ATP cao và thúc đẩy
quá trình đường phân diễn ra nhanh chóng một cách gián tiếp. Ngược lại, khi glucagon
được giải phóng từ lá lách, chúng sẽ thúc đẩy hoạt tính phosphatase của phosphofructo
kinase-2 làm chậm quá trình đường phân.
Biến đổi pyruvate thành các sản phẩm trong điêu kiện thiếu oxy
- Sự tạo thành lactate do xúc tác của lactate dehydrogenase.
Trong mô động vật, lactate được tạo ra trong điều kiện oxy cung cap khơng đủ.
Để duy trì hoạt động sống, lactate được tạo ra nhằm cung cấp một nguồn năng lượng
tạm thời cho cơ thể. Ngoài ra, một số vi sinh vật có khả năng tạo lactate như lên men
sữa chua, muối dưa, cà, ...
C6H12O6 + 2ADP + 2NAD+ + 2P -> 2 lactate + 2ATP + 2H2O
- Quá trình lên men rượu do một số vi sinh vật khác, chẳng hạn nấm men có khả

năng khử nhóm carboxyl thành acetaldehyde và CO 2 nhờ xúc tác của pyruvate
decarboxylase. Trong bước thứ hai, acetaldehyde bị khử thành ethanol do xúc tác của
alcohol dehydrogenase (ADH).

Hình 10: Quá trình khử acetaldehyde thành ethanol
Chu trình CORI
Khi lượng oxy cung cấp cho cơ thể bị hạn chế do hoạt động căng thẳng, mệt
mỏi (chạy nhảy, bơi lội, …) thì hệ cơ hầu hết hoạt động trong điều kiện yếm khí,
nguồn ATP được cung cấp chủ yếu từ đường phân. Vì vậy, khi mơ cơ hoạt động, lượng
lactate được tạo ra nhiều sẽ gây độc cho cơ thể (nhiễm toan). Tuy nhiên, một con
đường nhằm điều chỉnh nồng độ lactate trong cơ được thực hiện khi lượng lactate cao
sẽ vận chuyển đến gan. Tại gan, lactate sẽ được biến đổi thành pyruvate và thực hiện
con đường tái tạo glucose (gluconeogenesis). Sau đó glucose lại được đưa đến hệ cơ
cung cấp trở lại ATP cho hoạt động. Chu trình này đã giải thích vì sao lượng lactate
trong cơ bắp của vận động viên khi tập luyện căng thẳng hay khi thi đầu không ở mức
quá cao.


Hệ cơ

Hình 11: Chu trình Cori

Gan

Từ pyruvate đến acetyl CoA.
Oxy hóa acetyl CoA trong chu trình acid citric.
Oxy hóa các coenzyme khử qua chuỗi hơ hấp

Hình 12: Sự khử caroboxyl hóa pyruvate tạo thành acetyl CoA
Kết quả của phản ứng: từ pyruvate chứa 3 carbon và kém hoạt động đã biến

thành hợp chất 2 carbon ở dạng hoạt hóa là acetyl coenzyme A có chứa liên kết cao
năng trong phân tử. Đồng thời, do q trình oxy hóa ngun tử hydro của cơ chất được
chuyển đến coenzyme NAD+ tạo thành coenzyme dạng khử NADH.
Chu trình acid citric (Chu trình Krebs)
Chu trình acid citric xảy ra ở ty thể thơng qua 8 phản ứng đã tạo ra nhiều sản
phẩm trung gian là các chất hữu cơ như acid fumarate, acid succinate, acid aketoglutarate, … Các sản phẩm trung gian này sẽ được chuyển hóa thành sản phẩm
cuối cùng là CO2, hoặc được vận chuyển ra khỏi ty thể cung cấp cho việc tổng hợp các
hợp chất hữu cơ trong tế bào.
Phương trình tổng quát:


Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD+ + GDP + P + 2H2O -> 2CO2 + 3NADH + FADH2
+ GTP + 2H+ + CoA
Như vậy, từ 2 phân tử acid pyruvic trải qua quá trình phân giải đến sản phẩm
cuối cùng là CO2 thì đã tạo được 8NADH, 2FADH2 và 2ATP.
Tính đến đây, 1 phân tử glucose trải qua 2 giai đoạn đường phân và chu trình
Krebs, đã tạo ra được 10NADH, 2FADH 2 và 4ATP. Chu trình axit citric có ý nghĩa
quan trọng:
- Phân tử glucose bị oxy hóa hồn tồn đến CO 2 và H2O và giải phóng tồn bộ
năng lượng.
- Tạo ra nhiều coenzyme khử.
- Nguồn carbon cho các q trình sinh tổng hợp khác nhau
- Là mắt xích liên hợp, là điểm giao lưu của nhiều đường hướng phân giải và
tổng hợp các chất khác nhau trong tế bào, đồng thời cũng là đường hướng chính để
phân giải các hợp chất hữu cơ.

Hình 13: Chu trình axit citric
Chuỗi vận chuyên điện tử - sự phosphoryl hóa
NADH và FADH2 được sinh ra từ giai đoạn đường phần, chu trình Krebs sẽ
được đưa đến màng trong ty thể để thực hiện việc vận chuyển điện tử cho các chất

nhận điện tử trên màng ty thể.
Khi một cơ chất bị oxy hóa trong chất nền ty thể, dịng electron sẽ được vận
chuyển trong chuỗi hô hấp, tạo sự chênh lệch proton giữa hai bên màng trong ty thể.
Đó là động lực để tổng hợp ATP từ ADP và P thông qua kênh ATP synthase. Khi H +
được vận chuyển từ xoang ty thế vào chất nền (ngược trở lại) theo tỷ lệ: cứ 4H + sẽ tổng
hợp 1 ATP. Vì vậy NADH cho 10H + và FADH2 cho 6H+ (do FADH2 đi vào phức hệ II
nên bỏ qua phức hệ I dẫn đến lượng proton H+ tạo ra ít hơn).


Hình 14: Chuỗi vận chuyển điện tử trên màng trong ty thể
3.2. Trao đổi lipid
Tế bào có thể phân giải từ 3 nguồn: lipid thức ăn, lipid dự trữ và lipid tổng hợp
diễn ra ở các cơ quan trong cơ thể.
Sự phân giải lipid bắt đầu là sự thủy phân các liên kết ester, giải phóng các hợp
phần cấu tạo như acid béo, glycerol. Sau đó, acid béo và glycerol bị phân giải theo các
con đường khác nhau, tạo ra năng lượng hoặc tham gia vào quá trình tổng hợp các chất
trung gian trong cơ thể.
3.2.1. Thuỷ phân các liên kết ester trong lipid
Ở động vật có xương sống, triacylglycerol từ thức ăn được nhũ tương hóa nhờ
muối mật thành các hạt micelle nhỏ dễ khuếch tán và bị thủy phân dưới tác dụng của
lipase tuyến tụy cắt liên kết ester, tạo thành 2- monoacylglycerol và hai gốc acid béo.
Các acid béo tự do và monoacylglyecrol được chuyển đến các tế bào niêm mạc
ruột để tái tạo triacylglycerol rồi được chuyển đến các mơ và bị phân giải tại đó. Các
acid béo được biến đổi thành acetyl - CoA. Ba phân tử acetyl - CoA có thể kết hợp với
glycerol, hoặc hai phân tử có thể kết hợp với một monoacylglyecrol để tạo thành
triacylglycerol. Triacylglycerol kết hợp với cholesterol và các apoprotein tạo thành
chylomicron và được chuyển từ ruột non qua hệ bạch huyết và máu đến mô cơ và mô
mỡ. Tại mao mạch của các mô này, enzyme ngoại bào lipoprotein lipase sẽ phân giải
triacylglycerol thành acid béo và glycerol đi vào trong tế bào để oxy hóa tạo năng
lượng (mô cơ), hoặc để tổng hợp triacylglycerol dự trữ (mô mỡ).

Chylomicron vận chuyển triacylglycerol đến các mô ngoại biên như mơ mỡ và
mơ cơ. Phần cịn lại của nó sẽ đến gan, VLDL được hình thành tại gan và vận chuyển
lipid nội sinh đến các mô ngoại biên. VLDL bị phân giải thành IDL, kết hợp với
cholesterol và cholesteryl ester từ HDL tạo nên LDL, mang cholesterol đến các mô
khác. HDL vận chuyển cholesterol từ huyết thanh và các mơ ngoại biên đến gan. Tại
gan, cholesterol có thê biến đổi thành muối mật và đi vào túi mật.


3.2.2. Chuyển hố glyxerol
Q trình phân giải triacylglycerol nhờ hệ thống enzyme thủy phân liên kết
ester tạo thành glycerol và acid béo. Glycerol được phosphoryl hóa thành L-glycerol3-phosphate (glycerol-3- phosphate ở q trình đường phân dạng D), rồi oxy hóa thành
dihydroxyacetone phosphate và sau đó chuyên thành D-glycerol-3-phosphate. Dglycerol-3-phosphate có thể tiếp tục oxy hóa theo con đường đường phân và chu trình
acid citric để tạo thành CO2, H2O và năng lượng, hoặc tham gia tổng hợp glucose.
3.2.3. Oxi hoá axit béo
a. Acid béo được hoạt hoá thành acetyl - CoA ở bào tương
Acid béo được hoạt hóa thành acetyl - CoA với sự xúc tác của acetyl - CoA
synthetase và sự tham gia của ATP. Pyrophosphate được hình thành sẽ bị thủy phân bởi
pyrophosphate từ hai phân tử phosphate.

Hình 15: Hoạt hoá axit béo
b. Acetyl-CoA được vận chuyển vào ty thể
Ở tế bào sinh vật nhân thực, acid béo thường được hoạt hóa ở bào tương gần
màng ngồi ty thể và được vận chuyển vào ty thể. Các acetyl có từ 12 carbon trở
xuống sẽ trực tiếp đi qua màng ty thể. Acetyl-CoA được ester hóa với cRNAitine thành
acetyl-cRNAitine giải phóng HS-CoA dưới sự xúc tác của cRNAitine acyltransferase I
và đi qua các lỗ lớn ở màng ngoài ty thể. Acetyl-cRNAitine có thể được hình thành
ngay ở khoang gian màng. Sau đó acyl-cRNAitine được chuyển vào bên trong ty thê
nhờ chầ't vận chuyển acetyl-cRNAitine. Gốc acetyl - CoA được tái tạo nhờ cRNAitine
acetyltransferase II và cRNAitine và được giải phóng, quay trở lại khoang gian màng
đê tham gia vận chuyển tiếp các gốc acid béo khác.

Hình 16: Sự vận chuyển Acetyl-CoA vào hệ thống
Quá trình oxy hố acetyl - CoA
Acid béo (ROOH) được oxy hóa qua một chuỗi 4 phản ứng tạo sản phẩm
Acetyl-CoA và Acetyl-CoA ngắn hơn 2 carbon. Acetyl-CoA di chuyển vào ty thể tham
gia vào chu trình citric tiếp tục oxy hóa cung cấp năng lượng cho cơ thể. Trong khi đó,
Acetyl-CoA tiếp tục phân cắt theo con đường 3-oxy hóa tạo Acetyl-CoA.

Hình 17: Q trình oxi hố của Palmitoy-CoA
Phương trình tổng quát:
Cn-acetyl CoA + CoA + FAD+ + NAD+ + H2O->
Cn2-acetyl CoA + acetyl - CoA + FADH+ + NADH + + H+
II. ƯU THẾ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG VI SINH VẬT TRONG NGHIÊN
CỨU HOÁ SINH VÀ DI TRUYỀN HỌC
Trong nghiên cứu di truyền học, các đối tượng vi sinh vật có nhiều ưu thế hơn
hẳn các động vật thực vật bậc cao.
1. Thời gian thế hệ ngắn, tốc độ sinh sản nhanh
Trong điều kiện thuận lợi, tế bào E. coli có thể phân chia một lần trong 20 phút,
cịn bacteriophage có thể trong 30 - 40 phút tạo ra hàng trăm cá thể, nấm men có thể
phân chia tế bào trong 2 giờ. Đặc điểm của nghiên cứu di truyền học là theo dõi qua
nhiều thế hệ nên các đối tượng vi sinh vật giúp rút ngắn đáng kể thời gian thí nghiệm.
Ví dụ, với E. coli, thí nghiệm hơm trước, qua ngày sau đã có thể đánh giá kết quả.