Hóa sinh học

Hóa sinh (tiếng Anh: Biochemistry hoặc biological chemistry) là ngành nghiên cứu các quá trình hóa học diễn ra trong và liên quan đến sinh vật sống. Là sự giao thoa giữa hóa học và sinh học, hóa sinh được chia thành ba lĩnh vực chính: sinh học cấu trúc, enzym và trao đổi chất. Trong các thập kỷ cuối của thế kỷ 20, hóa sinh đã giải thích được nhiều quy trình sinh học nhờ vào các lĩnh vực này. Ngành này đóng vai trò quan trọng trong việc khám phá và phát triển các lĩnh vực khoa học sự sống thông qua nghiên cứu và phương pháp hóa sinh học. Hóa sinh tập trung vào hiểu biết hóa học cơ bản giúp giải thích các quá trình trong tế bào và giữa các tế bào, liên quan đến mô, cơ quan, và cấu trúc sinh vật. Ngành này có liên quan chặt chẽ với sinh học phân tử, nghiên cứu cơ chế phân tử của các hiện tượng sinh học.

Hóa sinh chủ yếu tập trung vào các cấu trúc, liên kết, chức năng và tương tác của các đại phân tử sinh học như protein, acid nucleic, carbohydrate và lipid. Những đại phân tử này cấu thành nên cấu trúc tế bào và thực hiện nhiều chức năng sống. Hóa học của tế bào còn phụ thuộc vào các phản ứng của các phân tử và ion nhỏ, có thể là hợp chất vô cơ (như nước và ion kim loại) hoặc hữu cơ (như acid amin, cần để tổng hợp protein). Cơ chế tế bào chuyển hóa năng lượng từ môi trường qua các phản ứng hóa học được gọi là trao đổi chất. Các nghiên cứu trong hóa sinh được ứng dụng rộng rãi trong y học, dinh dưỡng và nông nghiệp, từ việc tìm hiểu nguyên nhân bệnh tật và phát triển thuốc, đến nghiên cứu sức khỏe, dinh dưỡng, và cải thiện canh tác cũng như kiểm soát sâu bệnh.

Lịch sử

Hóa sinh học có thể được coi là ngành nghiên cứu các thành phần và cấu trúc của sinh vật, cũng như cách chúng tương tác để tạo ra sự sống. Theo định nghĩa này, lịch sử hóa sinh có thể truy về thời Hy Lạp cổ đại. Tuy nhiên, hóa sinh như một ngành khoa học chính thức bắt đầu từ thế kỷ 19 (hoặc sớm hơn), tùy thuộc vào góc độ nghiên cứu. Một số cho rằng hóa sinh khởi đầu từ phát hiện enzyme diastase (hay amylase) của Anselme Payen năm 1833, trong khi người khác xem màn trình bày về lên men rượu của Eduard Buchner năm 1897 là sự ra đời của hóa sinh. Cũng có ý kiến cho rằng sự khởi đầu của hóa sinh liên quan đến công trình của Justus von Liebig năm 1842, hoặc các nghiên cứu của Antoine Lavoisier thế kỷ 18. Nhiều nhà khoa học tiên phong như Emil Fischer và F. Gowland Hopkins đã đặt nền móng cho hóa sinh hiện đại.

Thuật ngữ 'biochemistry' (hóa sinh) là sự kết hợp giữa sinh học và hóa học. Vào năm 1877, Felix Hoppe-Seyler lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ này (biochemie trong tiếng Đức) trong lời tựa của tạp chí Zeitschrift für Physiologische Chemie, kêu gọi việc thành lập các viện nghiên cứu chuyên về lĩnh vực này. Tuy nhiên, Carl Neuberg thường được coi là người đặt ra thuật ngữ này vào năm 1903, dù cũng có ý kiến ghi công cho Franz Hofmeister.

Năm 1828, Friedrich Wöhler công bố việc tổng hợp ure từ potassium cyanat và ammonium sulfat, được xem là bước đầu tiên phá vỡ lý thuyết sinh lực luận và hình thành hóa học hữu cơ. Mặc dù một số người phản đối kết luận của Wöhler, hóa sinh đã có những tiến bộ đáng kể từ giữa thế kỷ 20 nhờ các kỹ thuật mới như sắc ký, tinh thể học tia X, quang phổ NMR, và mô phỏng động lực học phân tử. Những kỹ thuật này cho phép phân tích sâu các phân tử và các con đường trao đổi chất như đường phân và chu trình Krebs, dẫn đến hiểu biết hóa sinh cấp phân tử.

Một sự kiện quan trọng trong hóa sinh là khám phá DNA và vai trò của nó trong việc truyền thông tin di truyền trong tế bào. Trong thập niên 1950, Watson, Crick, Franklin và Wilkins đã giải mã cấu trúc DNA và mối quan hệ của nó với thông tin di truyền. Năm 1958, Beadle và Tatum nhận giải Nobel cho nghiên cứu về gen và enzym. Năm 1988, Pitchfork bị kết tội ám sát bằng chứng DNA, góp phần phát triển khoa học pháp y. Gần đây, Fire và Mello nhận giải Nobel 2006 nhờ phát hiện vai trò của RNA can thiệp (RNAi) trong việc điều chỉnh biểu hiện gen.

Nguyên liệu cơ bản: các nguyên tố hóa học cần cho sự sống

Có khoảng hai chục nguyên tố hóa học thiết yếu cho nhiều dạng sống sinh học. Hầu hết các nguyên tố hiếm trên Trái Đất không cần thiết cho sự sống (trừ seleni và iod), trong khi một số nguyên tố phổ biến như nhôm và titan không được sử dụng. Nhu cầu về nguyên tố có thể khác nhau giữa thực vật và động vật; ví dụ, tảo biển cần brom, nhưng thực vật trên cạn và động vật không cần. Tất cả động vật cần natri, trong khi một số thực vật không cần. Thực vật cần bor và silic, nhưng có thể không cần hoặc chỉ cần rất ít.

Chỉ có 6 nguyên tố—carbon, hydro, nitro, oxy, canxi và photpho—chiếm gần 99% khối lượng tế bào sống, bao gồm cả tế bào trong cơ thể người (xem danh sách chi tiết trong bài về thành phần cơ thể người). Bên cạnh 6 nguyên tố chính, con người còn cần thêm ít nhất 18 nguyên tố khác ở lượng nhỏ.

Các phân tử sinh học

Bốn nhóm phân tử chính trong hóa sinh, thường được gọi là phân tử sinh học, bao gồm carbohydrat, lipid, protein và acid nucleic. Nhiều phân tử sinh học là các polymer, trong đó các monomer nhỏ kết hợp lại để tạo thành các đại phân tử lớn hơn. Quá trình này, gọi là tổng hợp khử nước, tạo ra các polymer sinh học từ các monomer. Những đại phân tử này có thể liên kết để tạo thành các phức hợp lớn hơn với các hoạt tính sinh học.

Carbohydrat

Carbohydrat chủ yếu có hai chức năng chính: dự trữ năng lượng và cung cấp cấu trúc. Glucose, một loại đường phổ biến, là một dạng carbohydrat, nhưng không phải tất cả carbohydrat đều là đường. Carbohydrat là nhóm phân tử sinh học phổ biến nhất trên Trái Đất, đóng vai trò trong việc lưu trữ năng lượng và thông tin di truyền, cũng như trong các tương tác và kết nối tế bào.

Carbohydrat đơn giản nhất là monosaccharide, chứa carbon, hydro và oxy theo tỷ lệ 1:2:1, với công thức tổng quát là C_nH_2nO_n (với n từ 3 trở lên). Glucose (C₆H₁₂O₆) là một monosaccharide quan trọng; các loại khác bao gồm fructose (C₆H₁₂O₆) và deoxyribose (C₅H₁₀O₄), thành phần của DNA. Monosaccharide có thể chuyển đổi giữa dạng mạch hở và mạch vòng, với dạng vòng hình thành từ nhóm chức carbonyl và nhóm hydroxyl. Dạng mạch vòng có thể là hemiacetal hoặc hemiketal, tùy thuộc vào tính chất của mạch thẳng.

Trong dạng mạch vòng, vòng thường có 5 hoặc 6 nguyên tử, gọi là furanose và pyranose, tương ứng với furan và pyran. Ví dụ, aldohexose glucose có thể tạo liên kết hemiacetal giữa nhóm hydroxyl trên carbon 1 và oxy trên carbon 4, tạo ra phân tử vòng 5-cạnh (glucofuranose). Phản ứng tương tự giữa carbon 1 và 5 tạo thành phân tử vòng 6-cạnh (glucopyranose). Dạng vòng 7-cạnh (heptoses) khá hiếm.

Lipid

Lipid bao gồm nhiều phân tử và đóng vai trò xúc tác cho các hợp chất sinh học không tan trong nước hoặc phi phân cực, như sáp, acid béo, phospholipid, sphingolipid, glycolipid, và terpenoid (như retinoid và steroid). Một số lipid có cấu trúc phân tử mạch hở và thẳng, trong khi số khác có mạch vòng. Chúng có thể là chất thơm với cấu trúc mạch vòng và thẳng hoặc không, và có thể linh hoạt hoặc cố định.

Lipid thường gồm một phân tử glycerol kết hợp với các phân tử khác. Trong triglyceride, loại lipid chủ yếu, có một phân tử glycerol và ba acid béo. Các acid béo này có thể là bão hòa (không có liên kết đôi trong chuỗi carbon) hoặc không bão hòa (có một hoặc nhiều liên kết đôi trong chuỗi carbon).

Hầu hết lipid có tính chất phân cực ngoài các phần phi phân cực. Chúng chủ yếu là các chất kị nước, không tương tác tốt với dung môi phân cực như nước, nhưng một phần cấu trúc của chúng là phân cực hoặc ưa nước, nên có xu hướng liên kết với dung môi phân cực. Điều này làm cho chúng trở thành các phân tử lưỡng tính, như cholesterol với nhóm –OH (hydroxyl hoặc alcohol) hoặc phospholipid với nhóm phân cực lớn hơn và phân cực hơn.

Protein

Protein là các phân tử lớn—polymer sinh học khổng lồ—được cấu thành từ các amino acid. Mỗi amino acid gồm một nguyên tử carbon alpha kết hợp với nhóm amino –NH₂, nhóm carboxylic –COOH (hoặc –NH₃ và –COO trong điều kiện sinh lý), một nguyên tử hydro, và một nhánh bên gọi là '–R'. Nhánh bên 'R' này khác nhau giữa các amino acid (có tới 20 loại khác nhau). Chính nhóm 'R' làm cho từng amino acid có đặc điểm riêng, ảnh hưởng lớn đến cấu trúc ba chiều của protein. Một số amino acid có chức năng riêng như glutamic, là chất dẫn truyền thần kinh. Amino acid liên kết với nhau qua liên kết peptide, trong đó một phân tử nước được loại bỏ và liên kết peptide hình thành giữa nitơ của nhóm amino và carbon của nhóm carboxylic từ amino acid khác. Kết quả là một dipeptide, trong khi các chuỗi ngắn của amino acid (thường dưới 30) gọi là peptide hay polypeptide. Các chuỗi dài hơn được gọi là protein, chẳng hạn như albumin huyết tương với 585 gốc amino acid.

Sách tham khảo

Xem thêm

Các liên kết ngoài

• “Hội Sinh Hóa Học”. Bản gốc lưu trữ ngày 22 tháng 5 năm 2016. Truy cập ngày 17 tháng 5 năm 2016.
• Thư viện Ảo Sinh Hóa Học Và Sinh Học Tế Bào
• Sinh Hóa, ấn bản 5. Toàn văn của Berg, Tymoczko, và Stryer, nhờ NCBI.
• SystemsX.ch - Sáng kiến Thụy Sĩ trong Sinh Học Hệ Thống
• Toàn văn Sinh Hóa của Kevin và Indira, sách giáo khoa sinh hóa nhập môn.