I. Lý thuyết trọng tâm

1. Khái niệm và đặc điểm chung của phân tử sinh học

Phân tử sinh học là những phân tử hữu cơ được tổng hợp và tồn tại trong các tế bào sống. Bốn loại phân tử sinh học chính: carbohydrate, lipid, protein, nucleic acid.

Đặc điểm chung:

• Thành phần hóa học chủ yếu: nguyên tử carbon và hydrogen liên kết tạo bộ khung hydrocarbon đa dạng.
• Bộ khung hydrocarbon liên kết với các nhóm chức khác nhau (amino, carboxyl,…) → tạo vô số hợp chất với tính chất hóa học khác nhau.
• Trong đó, protein, carbohydrate và nucleic acid là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (polymer) gồm nhiều đơn phân (monomer) hợp thành → kích thước rất lớn.

Lưu ý: Lipid KHÔNG cấu tạo theo nguyên tắc đa phân. Đây là điểm khác biệt quan trọng giữa lipid với 3 loại phân tử sinh học còn lại. Protein là đại phân tử chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong cơ thể sinh vật.

2. Carbohydrate – Chất đường bột

2.1. Đặc điểm chung

Carbohydrate được cấu tạo từ 3 nguyên tố C, H, O, có công thức tổng quát là $C_n(H_2O)_m$. Dựa vào số lượng đơn phân, carbohydrate chia thành 3 nhóm: đường đơn, đường đôi, đường đa.

Chức năng chính của carbohydrate: cung cấp năng lượng, dự trữ năng lượng, và làm vật liệu cấu trúc tế bào. Carbohydrate không có chức năng điều hòa sinh trưởng.

Nguồn thực phẩm: từ các bộ phận dự trữ của thực vật như củ, quả, hạt, thân cây (củ cải đường, mía,…).

2.2. Đường đơn (Monosaccharide)

Đường đơn phổ biến nhất có 6 nguyên tử carbon ($C_6H_{12}O_6$), gồm 3 loại chính:

Đặc điểm chung của đường đơn: có vị ngọt, dễ tan trong nước, dễ lên men bởi vi sinh vật, chứa 3–7 carbon. Đường đơn không cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (vì chính nó là đơn phân).

Lưu ý: Glucose và fructose cùng công thức $C_6H_{12}O_6$ nhưng có vị ngọt khác nhau vì cấu trúc không gian khác nhau (glucose dạng vòng 6 cạnh, fructose dạng vòng 5 cạnh).

Deoxyribose ($C_5H_{10}O_4$) là đường 5 carbon, không phải đường 6 carbon. Deoxyribose là thành phần cấu tạo nucleotide của DNA.

Chức năng: (1) Cung cấp năng lượng cho hoạt động sống; (2) Làm nguyên liệu cấu tạo các phân tử sinh học khác.

2.3. Đường đôi (Disaccharide)

Đường đôi hình thành khi 2 phân tử đường đơn liên kết cộng hóa trị (gọi là liên kết glycosidic) sau khi loại đi 1 phân tử nước.

Đường đôi còn gọi là đường vận chuyển vì sinh vật chuyển glucose đến các bộ phận khác dưới dạng đường đôi (do đường đôi không bị phân giải trong quá trình vận chuyển). Ví dụ: glucose tổng hợp ở lá liên kết với fructose thành sucrose rồi vận chuyển đến các bộ phận khác của cây.

2.4. Đường đa (Polysaccharide)

Đường đa là polymer gồm hàng trăm đến hàng nghìn đơn phân đường đơn (chủ yếu là glucose) liên kết bằng liên kết glycosidic. Chức năng chính: dự trữ năng lượng và cấu trúc tế bào.

Đặc điểm chung của polysaccharide: cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, khi thủy phân thu được glucose, thành phần gồm C, H, O. Công thức tổng quát $(C_6H_{10}O_5)_n$. Lưu ý: cellulose không tan trong nước (khác với tinh bột phần nào tan được).

Vai trò của cellulose với tiêu hóa ở người: Con người không tiêu hóa được cellulose, nhưng cellulose kích thích niêm mạc ruột tiết dịch nhầy, giúp thức ăn di chuyển trơn tru, đồng thời cuốn trôi cặn bã bám thành ruột. Thiếu cellulose dễ bị táo bón → nên ăn nhiều loại rau xanh khác nhau.

Tại sao ăn quá nhiều carbohydrate có hại? Dư thừa carbohydrate có thể gây béo phì, tiểu đường, gan nhiễm mỡ. Đặc biệt, ăn nhiều fructose (trong nước ngọt chế biến sẵn) không chỉ tăng nguy cơ các bệnh trên mà quá trình phân giải fructose ở gan còn tạo ra uric acid có hại.

3. Lipid – Chất béo

3.1. Đặc điểm chung

Lipid là nhóm chất rất đa dạng về cấu trúc, có đặc tính chung là kị nước (không hoặc rất ít tan trong nước). Nguyên nhân: chứa nhiều liên kết C–H không phân cực, tạo sợi dài và chứa ít oxygen.

Lipid bao gồm: mỡ động vật, dầu thực vật, phospholipid, steroid, hormone sinh dục, một số sắc tố, sáp, và một số vitamin (A, D, E, K).

Lipid KHÔNG cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (khác với carbohydrate, protein, nucleic acid).

Chức năng chính của lipid: dự trữ năng lượng (dài hạn), cấu trúc màng sinh chất, cấu tạo hormone, hòa tan vitamin. Lipid không trực tiếp tham gia chức năng vận động của tế bào.

3.2. Mỡ và dầu (Triglyceride)

Cấu tạo: 1 phân tử glycerol + 3 phân tử acid béo.

Vai trò: Dự trữ năng lượng cho tế bào và cơ thể; lớp mỡ dưới da cách nhiệt giữ ấm; lạc đà sử dụng mỡ ở bướu làm nguồn cung cấp nước; dung môi hòa tan vitamin A, D, E, K.

Lưu ý: Dầu ăn (chất béo) khác với mỡ bôi trơn (hydrocarbon) – chúng không có cùng thành phần nguyên tố. Ăn quá nhiều dầu mỡ với acid béo không có lợi → béo phì, xơ vữa động mạch, bệnh tim mạch.

Chất béo trans: Được tạo ra khi hydrogen hóa acid béo không bão hòa thành dạng giống acid béo bão hòa → có nhiều trong thức ăn nhanh, đồ chế biến sẵn. Ăn nhiều chất béo trans → xơ vữa động mạch, bệnh tim mạch.

3.3. Phospholipid

Cấu tạo: 1 phân tử glycerol + 2 phân tử acid béo + 1 nhóm phosphate ($-PO_4^{3-}$). Nhóm phosphate thường liên kết thêm với choline tạo phosphatidylcholine.

Tính chất lưỡng cực: Một đầu ưa nước (phosphatidylcholine) + hai đuôi acid béo kị nước.

Chức năng chính: Cấu tạo màng sinh chất của tế bào.

Tại sao phospholipid là chất lưỡng cực? Do đầu phosphate có tính phân cực (ưa nước), còn đuôi acid béo có tính không phân cực (kị nước). Nhờ đặc điểm này, phospholipid tự sắp xếp thành lớp kép tạo nên cấu trúc cơ bản của màng tế bào.

3.4. Steroid

Steroid là lipid đặc biệt, không chứa acid béo, các nguyên tử carbon liên kết tạo 4 vòng.

HDL và LDL: Cholesterol không tan trong nước → phải liên kết với protein tạo lipoprotein để vận chuyển trong máu.

• HDL (mật độ cao): vận chuyển cholesterol đến gan → giảm cholesterol máu → cholesterol “tốt”.
• LDL (mật độ thấp): mang cholesterol đến mạch máu → LDL cao → tích tụ mảng bám → hẹp mạch máu, bệnh tim mạch → cholesterol “xấu”.

3.5. Carotenoid

Sắc tố màu vàng cam ở thực vật, bản chất là lipid. Khi con người và động vật ăn carotenoid → chuyển hóa thành vitamin A → chuyển thành sắc tố võng mạc, có lợi cho thị giác.

Khi ăn cà chua hoặc hành chưng trong mỡ, cơ thể hấp thụ được các vitamin tan trong dầu mỡ: vitamin A, D, E, K (vì mỡ là dung môi hòa tan các vitamin này).

4. Protein – Chất đạm

4.1. Chức năng của protein

Protein tham gia vào hầu hết mọi hoạt động sống của tế bào, có rất nhiều chức năng:

Protein KHÔNG có chức năng: điều hòa thân nhiệt, lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền (đó là chức năng của DNA).

Nguồn thực phẩm giàu protein: thịt, sữa, trứng, cá (động vật); đậu, hạt (thực vật). Cần đa dạng nguồn protein vì mỗi loại thức ăn cung cấp các loại amino acid khác nhau – đảm bảo đủ 20 loại amino acid, đặc biệt 9 loại amino acid không thay thế mà cơ thể người không tự tổng hợp được.

4.2. Cấu trúc của protein

Đơn phân: amino acid. Có 20 loại amino acid cấu tạo protein (không phải 22). Trong đó có 9 loại amino acid không thay thế phải lấy từ thức ăn.

Cấu tạo chung của amino acid: 1 nguyên tử C trung tâm liên kết với:

• 1 nhóm amino ($-NH_2$)
• 1 nhóm carboxyl ($-COOH$)
• 1 nguyên tử H
• 1 chuỗi bên (nhóm R)

→ Các amino acid khác nhau ở nhóm R.

Liên kết peptide: 2 amino acid liên kết cộng hóa trị với nhau bằng phản ứng loại đi 1 phân tử nước → tạo liên kết peptide. Nhiều amino acid liên kết → chuỗi polypeptide.

Tính đa dạng và đặc thù của protein được quy định bởi: số lượng, thành phần, trình tự sắp xếp các amino acid và các bậc cấu trúc.

4 bậc cấu trúc:

Cấu trúc không gian (bậc 3, 4) quy định chức năng sinh học của protein. Cấu trúc này được duy trì nhờ các liên kết yếu: liên kết hydrogen, tương tác kị nước, tương tác Van der Waals, liên kết ion, và liên kết cộng hóa trị S–S (cầu disulfide).

Biến tính protein: Khi pH, nhiệt độ, áp suất, nồng độ ion thay đổi quá mức → các liên kết yếu bị đứt gãy → cấu hình không gian bị thay đổi → protein mất chức năng sinh học.

Ứng dụng biến tính protein: Tiêu diệt vi sinh vật bằng cách đun chín, ướp muối, nhúng giấm, khử trùng bằng cồn 70°,…

Ví dụ: Khi luộc trứng, protein albumin trong lòng trắng trứng bị biến tính do nhiệt độ cao → cấu trúc không gian bị phá vỡ → protein đông đặc lại (từ dạng lỏng → rắn).

Tại sao trẻ em thiếu protein dễ gầy yếu, chậm lớn, phù nề, dễ mắc bệnh truyền nhiễm? Vì protein đảm nhận rất nhiều chức năng: cấu trúc tế bào (thiếu → chậm phát triển), bảo vệ cơ thể qua kháng thể (thiếu → giảm miễn dịch), tham gia mọi hoạt động sống (thiếu → suy dinh dưỡng, phù nề do áp suất thẩm thấu máu giảm).

5. Nucleic acid – Acid nhân

Nucleic acid (acid nhân) được phát hiện ban đầu chủ yếu ở nhân tế bào. Nucleic acid được cấu tạo từ 5 nguyên tố: C, H, O, N, P. Có hai loại: DNA và RNA.

5.1. DNA (Deoxyribonucleic acid)

Chức năng: Mang, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền – chứa chỉ dẫn để tế bào tổng hợp protein. Sơ đồ truyền đạt thông tin:

$$DNA \xrightarrow{\text{Tái bản}} DNA \xrightarrow{\text{Phiên mã}} mRNA \xrightarrow{\text{Dịch mã}} Protein$$

So với protein, DNA có ít chức năng hơn (chủ yếu chức năng di truyền).

Cấu trúc:

• Gồm 2 chuỗi polynucleotide song song, ngược chiều nhau (3’→5′ và 5’→3′).
• Mỗi chuỗi gồm nhiều nucleotide liên kết bằng liên kết phosphodiester.
• Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần: gốc phosphate ($-PO_4^{3-}$), đường deoxyribose (5C), và 1 base (A, T, G hoặc C).
• Các nucleotide chỉ khác nhau ở thành phần base.

Nguyên tắc bổ sung (NTBS): Hai chuỗi liên kết bằng liên kết hydrogen theo quy tắc:

• A liên kết với T bằng 2 liên kết hydrogen
• G liên kết với C bằng 3 liên kết hydrogen

→ Hệ quả: A = T, G = C (về số lượng).

Tại sao đường kính DNA không đổi (20 Å)? Vì theo NTBS, một base lớn (purin: A hoặc G) luôn liên kết với một base nhỏ (pyrimidine: T hoặc C) → tổng kích thước mỗi cặp base luôn bằng nhau.

Chiều dài 1 chu kì xoắn: 34 Å (gồm 10 cặp nucleotide), không phải 3,4 Å. Mỗi nucleotide dài 3,4 Å.

Mô hình xoắn kép do James Watson và Francis Crick công bố năm 1953 (giải Nobel Y học).

Các dạng DNA:

Đặc trưng của DNA: Số lượng DNA trong tế bào và trình tự nucleotide đặc trưng cho từng loài, một số trình tự còn đặc trưng cho từng cá thể (dấu vân tay DNA – DNA fingerprinting, ứng dụng trong xác định huyết thống, điều tra tội phạm).

5.2. RNA (Ribonucleic acid)

Cấu trúc:

• Chủ yếu gồm 1 chuỗi polynucleotide (khác DNA: 2 chuỗi).
• Mỗi nucleotide gồm: base + đường ribose (5C) + gốc phosphate.
• 4 loại base: A, U, G, C (có uracil thay cho thymine).

So sánh DNA và RNA:

Các loại RNA và chức năng: (phân chia dựa trên chức năng của mỗi loại)

Lưu ý: KHÔNG phải tất cả RNA đều làm khuôn tổng hợp protein – chỉ có mRNA. Tất cả RNA đều được tổng hợp trên khuôn DNA.

Bệnh goute: Khi rối loạn chuyển hóa uric acid, ăn nhiều thực phẩm giàu nucleic acid (tôm, cua, nội tạng, thịt đỏ) → nhân purin bị chuyển hóa thành uric acid → tích lũy ở khớp xương → gây bệnh goute.

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Phân loại và xác định chức năng các loại carbohydrate

Phương pháp giải:

• Bước 1: Xác định loại đường dựa trên số đơn phân: đường đơn (1), đường đôi (2), đường đa (hàng trăm – nghìn).
• Bước 2: Nhớ thành phần cấu tạo từng loại đường đôi: maltose = glucose + glucose; sucrose = glucose + fructose; lactose = glucose + galactose.
• Bước 3: Xác định chức năng: đường đơn → cung cấp năng lượng trực tiếp; đường đôi → vận chuyển; đường đa → dự trữ năng lượng hoặc cấu trúc.
• Lưu ý phân biệt đường đa: tinh bột (DT thực vật, ít nhánh), glycogen (DT động vật + nấm, nhiều nhánh), cellulose (thành TB thực vật, mạch thẳng), chitin (xương ngoài giáp xác + thành TB nấm).

Bài mẫu (SGK): Phân tử glucose có công thức cấu tạo là $C_6H_{12}O_6$. Nếu 10 phân tử glucose liên kết với nhau tạo nên một phân tử đường đa thì phân tử này sẽ có công thức cấu tạo như thế nào? Giải thích.

Hướng dẫn giải:

Khi 10 phân tử glucose liên kết với nhau, mỗi liên kết glycosidic loại đi 1 phân tử nước ($H_2O$). Với 10 đơn phân → có 9 liên kết glycosidic → loại đi 9 phân tử nước.

Công thức tính:

$$C_{6 \times 10}H_{12 \times 10 – 2 \times 9}O_{6 \times 10 – 9} = C_{60}H_{102}O_{51}$$

Hay viết theo dạng tổng quát: $(C_6H_{10}O_5)_{10} \cdot H_2O$ (vì 2 đầu mạch còn dư H và OH).

Dạng 2: So sánh cấu trúc và chức năng các loại lipid

Phương pháp giải:

• Bước 1: Phân loại lipid: lipid đơn giản (mỡ, dầu, sáp) và lipid phức tạp (phospholipid, steroid).
• Bước 2: Nắm cấu tạo từng loại: triglyceride = glycerol + 3 acid béo; phospholipid = glycerol + 2 acid béo + nhóm phosphate; steroid = 4 vòng carbon, không chứa acid béo.
• Bước 3: Xác định chức năng đặc trưng: triglyceride → dự trữ năng lượng; phospholipid → cấu tạo màng; steroid → hormone, thành phần màng.

Bài mẫu (SGK): Khi ăn cà chua hoặc hành chưng trong mỡ, cơ thể người có thể hấp thụ được những loại vitamin gì? Giải thích.

Hướng dẫn giải:

Cơ thể có thể hấp thụ được các vitamin A, D, E, K – đây là những vitamin tan trong chất béo (lipid). Khi chưng cà chua/hành trong mỡ, chất béo đóng vai trò dung môi hòa tan các vitamin này, giúp cơ thể hấp thụ dễ dàng hơn. Đặc biệt, carotenoid trong cà chua (bản chất là lipid) được hòa tan tốt hơn trong mỡ → chuyển hóa thành vitamin A hiệu quả hơn.

Dạng 3: Phân tích mối quan hệ cấu trúc – chức năng của protein

Phương pháp giải:

• Bước 1: Xác định câu hỏi đang hỏi về bậc cấu trúc nào hoặc chức năng nào.
• Bước 2: Nhớ nguyên tắc cốt lõi: cấu trúc không gian 3 chiều (bậc 3, 4) quy định chức năng → khi cấu trúc không gian bị phá vỡ (biến tính) → mất chức năng.
• Bước 3: Giải thích tính đa dạng protein: từ 20 loại amino acid → vô số chuỗi polypeptide khác nhau về số lượng, thành phần, trình tự → đa dạng cấu trúc → đa dạng chức năng.
• Bước 4: Giải thích biến tính: các yếu tố (nhiệt độ, pH, áp suất,…) → đứt liên kết yếu → cấu trúc không gian thay đổi → mất chức năng.

Bài mẫu (SGK): Tại sao khi luộc trứng thì protein của trứng lại bị đông đặc lại?

Hướng dẫn giải:

Khi luộc trứng, nhiệt độ cao làm đứt gãy các liên kết yếu (liên kết hydrogen, tương tác kị nước, tương tác Van der Waals, liên kết ion,…) duy trì cấu trúc không gian 3 chiều của protein albumin trong lòng trắng trứng. Cấu hình không gian bị phá vỡ → protein bị biến tính → các chuỗi polypeptide duỗi ra, tiếp xúc và liên kết với nhau tạo thành khối rắn → trứng đông đặc. Protein sau khi biến tính không thể trở lại cấu trúc ban đầu và mất chức năng sinh học.

Dạng 4: So sánh cấu trúc và chức năng DNA – RNA

Phương pháp giải:

• Bước 1: Phân biệt 5 tiêu chí chính: số mạch, loại đường, loại base, chức năng, cấu trúc không gian.
• Bước 2: Với DNA: nhớ nguyên tắc bổ sung (A=T, G≡C) và các hệ quả (A=T, G=C về số lượng).
• Bước 3: Với RNA: phân biệt 3 loại chính (mRNA, tRNA, rRNA) dựa trên chức năng.
• Bước 4: Khi gặp câu hỏi về đặc trưng DNA → nhớ: số lượng DNA trong tế bào và trình tự nucleotide đặc trưng cho loài; dấu vân tay DNA đặc trưng cho cá thể.

Bài mẫu (SGK): Tại sao cùng được cấu tạo từ các phân tử đường glucose nhưng tinh bột và cellulose lại có đặc tính vật lí và chức năng sinh học khác nhau?

Hướng dẫn giải:

Mặc dù cùng đơn phân là glucose nhưng tinh bột và cellulose khác nhau ở kiểu liên kết glycosidic giữa các đơn phân và cấu trúc không gian của phân tử:

• Tinh bột: Liên kết α-glycosidic → phân tử cuộn xoắn, ít phân nhánh (amylose) hoặc phân nhánh vừa (amylopectin) → dễ bị enzyme amylase cắt đứt → chức năng dự trữ năng lượng.
• Cellulose: Liên kết β-glycosidic → các phân tử glucose xếp thẳng hàng → nhiều chuỗi liên kết song song tạo bó sợi rất vững chắc → con người không có enzyme phân giải → chức năng cấu trúc (thành tế bào thực vật).

→ Sự khác biệt về kiểu liên kết và cấu trúc không gian dẫn đến đặc tính và chức năng hoàn toàn khác nhau.

III. Bảng sai lầm thường gặp

IV. Sơ đồ tư duy

BÀI 5: CÁC PHÂN TỬ SINH HỌC
│
├── 1. KHÁI NIỆM
│   ├── Phân tử hữu cơ tổng hợp và tồn tại trong tế bào sống
│   ├── 4 loại: Carbohydrate, Lipid, Protein, Nucleic acid
│   ├── Protein, Carbohydrate, Nucleic acid → nguyên tắc đa phân (polymer)
│   └── Lipid → KHÔNG theo nguyên tắc đa phân
│
├── 2. CARBOHYDRATE (C, H, O)
│   ├── Đường đơn: glucose, fructose, galactose → cung cấp NL
│   ├── Đường đôi: maltose, sucrose, lactose → vận chuyển
│   │   └── Liên kết glycosidic (loại 1 H₂O)
│   └── Đường đa: tinh bột (DT thực vật), glycogen (DT động vật),
│       cellulose (thành TB TV), chitin (xương ngoài, thành TB nấm)
│
├── 3. LIPID (kị nước, KHÔNG đa phân)
│   ├── Dầu & mỡ: glycerol + 3 acid béo → dự trữ NL
│   │   ├── Dầu: acid béo không no → lỏng
│   │   └── Mỡ: acid béo no → rắn
│   ├── Phospholipid: glycerol + 2 acid béo + phosphate → lưỡng cực → màng TB
│   ├── Steroid: 4 vòng C → cholesterol, hormone sinh dục, vitamin D
│   │   ├── HDL: cholesterol "tốt"
│   │   └── LDL: cholesterol "xấu"
│   └── Carotenoid: sắc tố vàng cam → vitamin A → thị giác
│
├── 4. PROTEIN (đa phân, đơn phân = amino acid)
│   ├── 20 loại AA, khác nhau ở nhóm R, 9 loại không thay thế
│   ├── Liên kết peptide (loại 1 H₂O)
│   ├── 4 bậc cấu trúc: bậc 1 → bậc 2 → bậc 3 → bậc 4
│   ├── Bậc 3, 4: cấu trúc KG → quy định chức năng
│   ├── Biến tính: pH, nhiệt độ,... → mất cấu trúc KG → mất CN
│   └── Chức năng: cấu trúc, xúc tác, bảo vệ, vận động,
│       tiếp nhận thông tin, điều hòa, vận chuyển
│
└── 5. NUCLEIC ACID (đa phân, đơn phân = nucleotide, gồm C,H,O,N,P)
    ├── DNA: 2 mạch, deoxyribose, A-T-G-C
    │   ├── NTBS: A=T (2 LK H), G≡C (3 LK H)
    │   ├── CN: mang, bảo quản, truyền đạt TTDT
    │   └── Dấu vân tay DNA → xác định huyết thống, điều tra tội phạm
    └── RNA: 1 mạch, ribose, A-U-G-C
        ├── mRNA: khuôn tổng hợp protein
        ├── tRNA: vận chuyển amino acid
        ├── rRNA: cấu tạo ribosome
        └── Ribozyme: xúc tác (như enzyme)

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú