Thuyết nguồn gốc sự sống
Năm 1984, một hòn đá được tìm thấy ở vùng băng Allan Hills ở Antartica. ALH 84001, tên mà nó được gọi, là một thiên thạch có nguồn gốc từ sao Hỏa. Chúng ta biết điều này vì thành phần của các khí bị mắc lại trong đá giống với khí quyển của sao Hỏa, vốn khác nhiều so với thành phần khí quyển Trái đất. Định tuổi bằng phóng xạ và phân tích chất khoáng xác định ALH 84001 đã 4.5 tỉ năm tuổi và đã bị nổ bắn ra khỏi sao Hỏa cách đây 16 triệu năm, rơi xuống trái đất khá gần đây, khoảng 11.000 năm trước.
Các nhà khoa học đã tìm thấy nước được giữ dưới bề mặt của thiên thạch sao Hỏa. Khám phá này không gây ngạc nhiên khi ta biết rằng các quan sát bề mặt của sao Hỏa đã chỉ ra rằng nước lỏng có khả năng đã có mặt rất nhiều ở trên đó trước đây. (xem Chương 2) Bởi vì nước là điều kiện tiên quyết cho sự sống, các nhà khoa học đã tự hỏi rằng liệu thiên thạch có mang một dấy hiệu khác của sự sống chăng. Phân tích của họ đã cho biết 2 chất liên quan đến sự sống. Thứ nhất, những phân tử có C đơn giản được gọi là hydrocacbon đa vòng thơm có mặt ở mức nhỏ nhưng không thể nhầm được; những chất này được hình thành bởi những sinh vật đang phân rã như vi khuẩn. Thứ hai, tinh thể quặng sắt từ, một quặng sắt oxit được sản xuất bởi nhiều vật sống trên trái đất, đã được tách ra từ bên trong khối đá.
ALH 84001 không chỉ là vị khách duy nhất từ ngoài hành tinh được chứng minh là mang dấu hiệu hóa học của sự sống. Những mảnh vỡ của một thiên thạch rơi xuống thị trấn Murchison, Úc vào năm 1969 được phát hiện có chứa phân tử chỉ có ở sự sống, gồm có purine và pyrimidine (các đơn vị cấu tạo nên DNA) và amino acid (liên kết với nhau tạo thành protein). Tất cả các amino acid đều có "chiều thuận tay" (L amino acid) đặc trưng duy nhất ở sự sống.
Những thiên thạch nói lên rằng sự sống không chỉ có ở trái đất, nhưng chúng không trả lời câu hỏi sự sống sinh ra từ chất không sống như thế nào và ở đâu. Chúng ta bắt đầu chương này bằng cách đưa ra 2 giả thuyết về nguồn gốc sự sống trên trái đất. Sau khi thảo luận về những giả thuyết, chúng ta nghiên cứu chi tiết về 4 loại phân tử lớn đặc trưng cho sinh vật sống: protein, carbonhydrate, lipit (mỡ), và a.nucleic.
Thuyết nguồn gốc của sự sống
Sinh vật sống được cấu tạo từ cùng những nguyên tố tạo nên thế giới không sống, là 92 nguyên tố trong Bảng hệ thống tuần hoàn (hình 2.3). Nhưng sự sắp xếp của những nguyên tử này thành các phân tử trong hệ thống sinh học thì chỉ có ở các cơ thể sống. Ta không thể tìm thấy DNA trong đá trừ phi nó có từ một sinh vật đã từng sống. Sự sống bắt đầu như thế nào trong khoảng thời gian 600 triệu năm trong kỷ Headean chúng ta không thể biết chắc chắn với khoảng thời gian quá dài đã trôi qua như vậy. Có 2 thuyết hình thành nguồn gốc của sự sống: sự sống bắt nguồn từ bên ngoài trái đất, và tiến hóa hóa học.
Liệu sự sống có đến từ bên ngoài Trái đất?
Như đã đề cập ở Chương 2, sao chổi có thể mang nước đến Trái đất. Những mảnh thiên thạch được mô tả ở đầu chương là bằng chứng cho rằng đặc điểm phân tử của cuộc sống đã đi vào Trái đất từ không gian. Đồng thời, 2 sự quan sát này cùng đưa ra gợi ý rằng một vài phân tử phức tạp của trái đất đến từ không gian. Mặc dù sự có mặt của những phân tử như vậy trong đá gợi ý rằng những khối đá chứa đựng sự sống, nhưng nó không chứng minh rằng có sự sống trong đá khi nó ở trái đất. Việc khẳng định rằng những vật hình cầu được thấy trong ALH 84001 là những tàn dư của sinh vật cổ đại Martin rất khó được sự chấp nhận của toàn bộ những nhà khoa học trong lĩnh vực.
Hầu hết những nhà khoa học khó có thể tin rằng sinh vật trong khối thiên thạch có thể sống sót cả hàng ngàn năm qua không gian, qua những nơi nhiệt độ cực kỳ khắc nghiệt trong bầu khí quyển Trái đất. Nhưng có vài bằng chứng cho rằng nhiệt độ bên trong vài thiên thạch không hề khắc nghiệt. Khi đá được từ hóa nóng lên, nó thay đổi từ tính để thẳng hàng với từ tính chung quanh Trái đất, được tác động thiên thạch khi nó đến gần hành tinh chúng ta. Đo đạc cẩn thận cho thấy có sự thay đổi hướng trên bề mặt đá chứ không xảy ra bên trong. Benjamin Weiss và Joseph Kirschvink, Viện Kỹ thuật California đã thực hiện sự đo đạc này và xác định bên trong ALH 84001 không bao giờ tăng lên nhiệt độ 400C trong chuyến hành trình đến Antartica, trong suốt chuyến hành trình liên hành tinh.
các phân tử lơn: các polimer lớn
Có bốn loại phân tử lơn được hình thành từ những con đường giống nhau và chúng hiện diện một cách cân đối trong tất cả các tổ chức sống(hình 3.3). Một protein có vai trò chắc chắn trong một cây táo cũng có thể có vai trò tương tự trong cơ thể nguời. Bởi vì tính chất hóa học căn bản của chúng là giống nhau. Đây là một điều quan trọng làm nên tính đồng nhất của hóa sinh học, vì vậy mà những sinh vật này có thể lấy được những chất sinh học cần thiết xây dựng lên cơ thể của chúng nhờ vào việc ăn những sinh vật khác, khi bạn ăn một quả táo thức ăn bạn ăn vào bao gồm cacbonhydrat, lipids, các protein. Những thức ăn này cũng có thể lấy trong những nguần đa dạng mà con ngừoi sử dụng.
Những đại phân tử là những polime lớn. Cấu tạo lên nhờ các liên kết cộng hóa trị của các phân tử nhỏ hơn gọi là các monomer(bảng3.1) Những mônmer này có thể giống hoặc không giống nhau, nhưng chúng luân có những cấu trúc hóa học tương tự nhau. Những phân tử cấu tạo nên từ những mônmer có khối lượng lớn hơn 1000 thì được gọi là các phân tử lớn (iant monomer). Các protein, các poli saccharit và các nucleotit nằm trong các loài phân lử lớn này.
những phân tử lớn này thường thực hiện một vài chức năng kết hợp như: dự trữ năng lượng, cấu trúc, vận chuyển và mang thông tin di truyền, những vai trò của chúng là không loại trừ lẫn nhau , như cả hai loại cacbonhydrat và protein có thể cùng có các vai trò cấu trúc cung cấp và bảo vệ mô tế bào. Chỉ có các acid nucleid là các phân tử đặc biệt thông tin di truyền và có chức năng như một vật liệu di truyền. Mang cả hai thông tin di truyền của loài và của cá thể từ bộ gen của cha mẹ truyền cho thế hệ con cháu.
Những chức năng của phân rử lớn có liên quan mật thiết đến hình dạng, cấu trúc cũng như độ dài các tính chất hóa học của các monomer. Nhiều phân tử lớn có cấu trúc hình cầu, với cấu trúc bề mặt đặc biệt giúp chúng có thể tan trong nước và chúng có thể phản ứng với các phân tử khác. Các phân tử protein và các cacbonhydrat có cấu tạo mạch dài và dạng hệ sợi chính vì thế chúng tham gia dắc lực vào cấu trúc của các tổ chức cơ quan tạo lên sự sự vững chắc cho các tổ chức cơ quan này.
Các phân tử lớn có chứa nhiều gốc chức năng khác nhau, chúng quyết định tính chất của phân tử. ví dụ protein có thể chứa nhiều nhóm hydrophobic, các nhóm phân cực. Việc thay đổi các gốc này có thể làm thay đổi tín chất của các phân tử lớn.
Phản ứng trùng ngưng và phản ứng thủy phân
Polymer được tạo nên từ các monomer bằng một chuỗi các phản ứng gọi là phản ứng trùng ngưng hay phản ứng dehydrat hóa (cả hai đều nói lên sự mất nước). Các phản ứng trùng ngưng tạo ra các monomer liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị (Hình 3.3a) và giải phóng một phân tử nước cho mỗi liên kết tạo thành. Các phản ứng trùng ngưng tạo thành các loại polymer khác nhau thì khác nhau về chi tiết, nhưng trong mọi trường hợp, polymer chỉ được tạo thành khi cung cấp năng lượng cho hệ thống. Ở các hệ thống sống, năng lượng này được cung cấp bởi các phân tử đặc hiệu giàu năng lượng.
Phản ứng ngược lại với phản ứng trùng ngưng là phản ứng thủy phân. Phản ứng thủy phân phá vỡ polymer và tạo monomer. Nước phản ứng với các liên kết tạo thành polymer và sản phẩm là các monomer. Các thành phần (H và O) của H2O trở thành một phần của sản phẩm (Hình 3.3b)
Hai loại phản ứng này giống nhau ở mọi sinh vật sống, và như chúng ta đã thấy, là một bước quan trọng trong nguồn gốc sự sống trong môi trường nước. Chúng ta bắt đầu tìm hiểu các đại phân tử sinh học với một nhóm polymer rất đa dạng, protein.
Proteins : Polymers của amino acids
Các chức năng của protein bao gồm tham gia vào các cấu trúc, bảo vệ, vận chuyển, xúc tác, miễn dịch, điều hòa và vận chuyển. Trong số những chức năng của các đại phân tử liệt kê ở trên, chỉ có chức năng dự trữ năng lượng và chứa thông tin di truyền thường không do protein thực hiện.
Protein có kích thước thay đổi từ nhỏ như những enzyme ribonuclease A tiêu hủy RNA, có trọng lượng phân tử 5,733 gồm 51 amino acid, đến rất lớn như protein vận chuyển cholesterol apolipoprotein B, có trọng lượng phân tử 513,000 gồm 4,636 amino acid. (Từ residue cũng như monomer đều chỉ một đơn phân trong cấu trúc đa phân). Mỗi protein này là một chuỗi đa phân các amino acid (chuỗi polypeptide) không phân nhánh được gập lại thành hình dạng ba chiều đặc trưng.
Nhiều protein đòi hỏi nhiều hơn một chuỗi polypeptide để tạo nên đơn vị chức năng. Ví dụ protein vận chuyển oxy hemoglobin gồm bốn chuỗi được gập riêng và liên kết với nhau để tạo nên một protein có thể thực hiện chức năng. Như chúng ta sẽ thấy sau trong cuốn sách này, vô số các protein có thể liên kết, tạo nên "các bộ máy đa protein" để thực hiện những vai trò phức tạp như sự tổng hợp DNA.
Thành phần của một protein nói đến số lượng của các amino acid khác nhau mà nó chứa. Không phải mọi protein đều chứa tất cả các amino acid hay có cùng số lượng mỗi loại amino acid. Sự đa dạng về số lượng và trình tự amino acid là nguồn gốc của sự đa dạng về cấu trúc và chức năng của protein.
Một số chương tiếp theo sẽ mô tả các chức năng của protein. Để hiểu chúng trước hết chúng ta tìm hiểu về cấu trúc protein. Đầu tiên chúng ta sẽ tìm hiểu các tính chất của amino acid và xem xem chúng liên kết như thế nào để tạo thành protein. Sau đó chúng ta sẽ xem xét một cách hệ thống cấu trúc protein và tìm hiểu rõ một chuỗi amino acid thẳng được gập một cách thống nhất thành cấu trúc ba chiều gọn gẽ như thế nào. Cuối cùng chúng ta sẽ tìm hiểu cấu trúc ba chiều này cung cấp một môi trường Hóa Lý đặc thù như thế nào mà nó ảnh hưởng tới phương thức các phân tử khác tương tác với protein.
Protein được cấu tạo từ amino acid
Trong chương 2 chúng ta đã xem xét kỹ cấu t