Phân tử sinh học hay hợp chất sinh học (Biomolecule) là một thuật ngữ trong lĩnh vực sinh học, hóa học cho mục đích miêu tả một cách rộng rãi để chỉ các phân tử có mặt trong các cơ thể sống và quan trọng đối với một hoặc nhiều quy trình thường là sinh học, như sự chia tách tế bào, hình thành hình dạng, hoặc phát triển.
Các phân tử sinh học được phân chia thành nhiều loại và một tên chung hơn cho lớp vật liệu này là vật liệu sinh học.
1. Tổng quan
Chúng ta có thể thấy các phân tử sinh học ở khắp mọi nơi do chúng là một thành phần quan trọng trong tất cả các cơ thể của sự sống trên trái đất, chúng thường là endogenous (sản sinh bên trong cơ thể), nhưng các cơ thể thường cần những biomolecule exogenous (tức là cần lấy từ nguồn bên ngoài), ví dụ như một số dạng chất dinh dưỡng, để tồn tại.
Ngành sinh học và các lĩnh vực con như sinh hóa và sinh học phân tử nghiên cứu phân tử sinh học và các phản ứng của chúng.
Hiện nay, hầu hết các phân tử sinh học đều là hợp chất hữu cơ mà chỉ bao gồm bốn nguyên tố hóa học cơ bản là: oxi, carbon, hydro, và nitơ – chiếm 96% khối lượng cơ thể con người.
Tuy nhiên, nhiều nguyên tố khác, chẳng hạn các kim loại vi lượng khác nhau, cũng có mặt trong số ít.
Các loại phân tử sinh học cơ bản trong cơ thể sống và cách chúng tham gia vào các quy trình quan trọng như tạo cấu trúc tế bào, chuyển hóa năng lượng và phát triển là những đặc trưng trong mọi loại cơ thể của các sự sống trên trái đất.
Dù sự sống trên trái đât tuy đa dạng về các hình dạng ssống cũng như số lượng loài nhưng đều chia sẻ những đặc trưng chung và chúng được gọi là “nguyên tắc sinh hóa”.
2. Nguyên tắc hóa sinh
Nguyên tắc sinh hóa (Biochemical principles) đề cập đến những nguyên tắc và quy luật căn bản liên quan đến cấu trúc, chức năng và tương tác của các phân tử sinh học trong cơ thể sống và quá trình sinh hóa diễn ra trong chúng.
Điều này bao gồm các khía cạnh quan trọng về cấu trúc và tính chất của biomolecule (như protein, carbohydrat, lipid, axit nucleic) và các quá trình sinh hóa chính như chuyển hóa năng lượng, truyền đạt thông tin di truyền, và các phản ứng hoá học quyết định các chức năng sinh học.
Các nguyên tắc sinh hóa giúp hiểu rõ hơn về cách cơ thể sống hoạt động, tương tác với môi trường, và duy trì sự cân bằng sinh học.
Hiểu biết về nguyên tắc này cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu, ứng dụng y học, nghiên cứu dược phẩm và các lĩnh vực liên quan đến sinh học và y sinh.
3. Phân loại phần tử sinh học
Phân chia biomolecules thành hai nhóm chính “Small Molecules” và “Monomers, oligomers and polymers” là để tạo ra sự phân loại và hiểu rõ hơn về tính chất và cấu trúc của các phân tử quan trọng trong sinh học.
Small Molecules:
- Định nghĩa: Đây là các phân tử có kích thước nhỏ, thường đơn giản và không phức tạp, thường được xem là đơn vị cơ bản không được kết hợp thành cấu trúc lớn hơn.
- Tính chất: Các small molecules thường tham gia vào các quy trình sinh học cơ bản và thường không đóng vai trò quan trọng như các monomers trong việc xây dựng cấu trúc lớn hơn.
- Ví dụ: Lipids, monosaccharides (đường đơn), vitamins, hormones, neurotransmitters, và các metabolites là các small molecules phổ biến.
Monomers, Oligomers, and Polymers:
- Định nghĩa: Đây là các đơn vị cơ bản (monomers) hoặc dạng kết hợp của chúng (oligomers), hoặc các chuỗi lớn hơn hình thành từ monomers (polymers).
- Tính chất: Monomers là đơn vị cơ bản và thường được kết hợp thành oligomers hoặc polymers thông qua các quá trình sinh học. Các oligomers và polymers đóng vai trò quan trọng trong xây dựng và duy trì cấu trúc sinh học lớn hơn.
- Ví dụ: Amino acids (được tổ chức thành proteins), nucleotides (được tổ chức thành nucleic acids), và các monosaccharides (được tổ chức thành polysaccharides) là các monomers, oligomers, và polymers quan trọng.
4. Nhóm phân tử nhỏ (Small Molecules)
Các phân tử nhỏ hay Tiểu phân tử (Small Molecules), còn được gọi là các phân tử vi mô, đề cập đến các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp thường nhỏ hơn hoặc bằng 1000 daltons.
Chúng rất quan trọng trong lĩnh vực sinh học phân tử và dược lý vì có khả năng điều chỉnh nhiều quy trình sinh học khác nhau. Những phân tử này có kích thước tương đối nhỏ, thường trong khoảng từ 1 nanomet.
4.1. Nghiên cứu Tiểu phân tử để làm gì
Trong lĩnh vực dược lý, thuật ngữ “phân tử nhỏ” thường được sử dụng để mô tả các hợp chất kết hợp với các hợp chất sinh học cụ thể và thay đổi hoạt động hoặc chức năng của mục tiêu.
Nhiều loại thuốc thuộc loại phân tử nhỏ và chúng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y học. Những phân tử này có thể có các chức năng và ứng dụng đa dạng trong sinh học, đóng vai trò như các phân tử tín hiệu tế bào, thuốc điều trị, thuốc trừ sâu trong nông nghiệp và nhiều vai trò khác.
Các phân tử nhỏ có thể tồn tại tự nhiên, chẳng hạn như các chất trung gian chuyển hóa, hoặc được tạo tổng hợp, như các loại thuốc chống vi rút.
Chúng có thể tạo ra tác dụng có lợi, chống lại các bệnh (ví dụ: các loại thuốc), hoặc trong một số trường hợp, chúng có thể gây hại, đóng vai trò như chất gây dị tật hoặc chất gây ung thư.
Hơn nữa, các phân tử nhỏ có giá trị như công cụ nghiên cứu quan trọng, hỗ trợ trong việc nghiên cứu các chức năng sinh học và đóng góp vào việc phát triển các chất đối tượng mới.
Một số phân tử nhỏ có thể ức chế một số chức năng cụ thể của protein hoặc làm gián đoạn tương tác giữa các protein.
4.2. Phân loại tiểu phân tử (Small Molecules)
Lipids:
- Đặc điểm: Đây là các phân tử chủ yếu bao gồm dầu, chất béo và các dẫn xuất liên quan. Chúng thường không hòa tan trong nước.
- Chức năng: Đóng vai trò quan trọng trong lưu trữ năng lượng, cấu trúc tế bào và truyền thông tế bào.
Fatty Acids:
- Đặc điểm: Là axit béo, các đơn vị cấu tạo nên lipids.
- Chức năng: Đóng vai trò quan trọng trong lưu trữ và cung cấp năng lượng, cấu trúc màng tế bào.
Glycolipids:
- Đặc điểm: Cấu trúc gồm lipid và các đường đơn.
- Chức năng: Chủ yếu có vai trò trong cấu trúc màng tế bào và nhận diện tế bào.
Sterols:
- Đặc điểm: Nhóm lipids chứa cấu trúc steroid.
- Chức năng: Đóng vai trò trong cấu trúc tế bào và làm việc như làm môi trường cho các phân tử khác.
Monosaccharides:
- Đặc điểm: Là đơn vị đơn của carbohydrates, thường có công thức hóa học (CH₂O)ₙ.
- Chức năng: Là nguồn năng lượng chính cho cơ thể và tham gia vào nhiều quá trình sinh học.
Vitamins:
- Đặc điểm: Là các hợp chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể với một số lượng nhỏ.
- Chức năng: Đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học, bảo vệ sức khỏe và chuyển hóa chất béo và protein.
Hormones, Neurotransmitters:
- Đặc điểm: Là các dạng phân tử tương tác với hệ thống nội tiết (hormones) hoặc truyền tín hiệu trong hệ thần kinh (neurotransmitters).
- Chức năng: Điều chỉnh các hoạt động sinh học và tương tác giữa các tế bào.
Metabolites:
- Đặc điểm: Là các phân tử trung gian trong các quá trình sinh học và metabolic pathways.
- Chức năng: Tham gia và điều chỉnh các quá trình metabolic quan trọng như quá trình tiến hóa và sản xuất năng lượng.
5. Nhóm Monomers, oligomers and polymers
Trong phân tử sinh học, nhóm “Monomers, oligomers and polymers” đề cập đến các thành phần cơ bản và cấu trúc khác nhau của các hợp chất hữu cơ.
Monomers (Những phân tử đơn): “Biomonomers” thường được sử dụng khi nói về các đơn vị cơ bản trong các hợp chất sinh học, trong khi “monomers” thường được sử dụng một cách tổng quát để ám chỉ các đơn vị cơ bản trong hợp chất hóa học.
Trong sinh học chúng là các đơn vị cơ bản và không thể phân chia thành các đơn vị nhỏ hơn mà vẫn giữ tính chất của mình.
Ví dụ, amino acid là monomer của protein, nucleotide là monomer của acid nucleic.
Oligomers (Những phân tử có số lượng đơn vị trung bình): Oligomers là các hợp chất có chứa một số hạn chế các đơn vị, thường là từ một vài đến một số ít đơn vị. Chúng đủ nhỏ để xem xét từng đơn vị một.
Polymers (Những phân tử đa đơn vị): Polymers được tạo thành bằng cách kết hợp nhiều đơn vị lặp lại của monomers thông qua liên kết hóa học. Chúng có cấu trúc phức tạp hơn và thường có tính chất và chức năng đặc trưng. Ví dụ, protein là một loại polymer được tạo bởi việc kết hợp nhiều monomers là amino acid.
Nhóm Monomers, oligomers và polymers quan trọng trong hiểu biết về cấu trúc và tính chất của các hợp chất sinh học, và chúng cấu thành nền tảng của nhiều quy trình sinh học quan trọng.
