Chương Mở đầu:Lịch sử, đối tượng, nhiệm vụ của hoá sinh Ở thế kỷ XIX
Lịch sử, đối tượng, nhiệm vụ của hoá sinh Ở thế kỷ XIX, khi mà hoá học phát triển như vũ bão, thì ở ranh giới giữa sinh học và hoá học đã xuất hiện một lĩnh vực khoa học mới nhằm nghiên cứu thành phần hoá học của cơ thể sống và những quá trình chuyển hoá
11
Mở đầu
1. Lịch sử, đối tượng, nhiệm vụ của hoá sinh
Ở thế kỷ XIX, khi mà hoá học phát triển như vũ bão, thì ở ranh
giới giữa sinh học và hoá học đã xuất hiện một lĩnh vực khoa học mới
nhằm nghiên cứu thành phần hoá học của cơ thể sống và những quá trình
chuyển hoá hoá học của các chất và của năng lượng trong quá trình hoạt
động sống xảy ra trong cơ thể của chúng. Lĩnh vực khoa học này được gọi
là hoá học sinh vật hoặc vắn tắt hơn- hoá sinh học (biochemistry).
Có thể nói rằng, hoá sinh học là một phần lĩnh vực của khoa học
cuộc sống. Nhiệm vụ của chúng nhằm nghiên cứu các hiện tượng sống
bằng các phương pháp hoá học.
Đây là một khoa học trẻ tuổi của thế kỷ XX đang trên đà phát triển
mạnh mẽ và đang xâm nhập vào nhiều lĩnh vực mũi nhọn của sinh vật học,
y học và nông học... Hoá sinh học mới trở thành một khoa học độc lập vào
nửa sau thế kỷ thứ XIX mặc dầu ngay từ thời thượng cổ con người đã làm
quen với nhiều quá trình hoá sinh học trong cuộc sống hàng ngày của họ
(nấu rượu, nướng bánh mì, thuộc da, làm dấm, tương, nước mắm...).
Tuy vậy chỉ mới gần đây, tất cả mọi quá trình sinh học này mới
được nghiên cứu một cách khoa học và được giải thích một cách đầy đủ.
Có thể nói, sự xuất hiện môn hoá sinh học là kết quả tất yếu của sự
phát triển và phối hợp giữa hoá học và sinh vật học.
Tính chất và phương hướng của hoá sinh học là nghiên cứu trên cơ
thể sống, tìm ý nghĩa chức phận của tất cả mọi thành phần, mọi sản phẩm
chuyển hoá, trên cơ sở đó, tìm hiểu sâu về:
- Mối liên quan giữa quá trình hoá học và sinh vật học.
- Mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng sống của các cơ quan
trong cơ thể.
- Cơ chế điều hoà toàn bộ quá trình sống.
Tuỳ theo đối tượng nghiên cứu mà người ta phân chia hoá sinh học
thành hoá sinh động vật, hoá sinh thực vật, hoá sinh vi sinh vật và y hoá
sinh.
Trên mỗi đối tượng, hoá sinh nghiên cứu song song hai mặt "tĩnh"
và "động".
Việc nghiên cứu các chất có trong thành phần của cơ thể sinh vật
là nhiệm vụ của tĩnh hoá sinh. Tĩnh hoá sinh gắn liền rất mật thiết với hoá
học sinh hữu cơ. Đây chính là hóa sinh mô tả.
Còn việc nghiên cứu các chuyển hóa hoá học xảy ra trong quá
trình hoạt động sống của cơ thể nghĩa là nghiên cứu về mặt hoá học của sự
12
trao đổi chất trong mối liên quan với toàn bộ cơ thể và môi trường xung
quanh là nhiệm vụ của động hoá sinh.
Tĩnh hoá sinh và động hoá sinh liên quan với nhau rất chật chẽ -
việc nghiên cứu các quá trình hóa sinh học sẽ vô nghĩa nếu không có sự
nghiên cứu các chất tham gia trong các quá trình này.
Hoá sinh mô tả gắn liền với sự phát triển của hoá hữu cơ. Cuối thế
kỷ XVIII, đầu thế kỷ XIX, hàng loạt các hợp chất hữu cơ đã được tách ra
từ thực vật và từ các tổ chức động vật: citric acid, malic acid, tatric acid,
oxalic acid, urea và các alkaloid. Người ta đã xác nhận rằng trong thành
phần của tất cả các chất béo đều chứa glycerin. Trong thời gian này,
Lavoisier cũng đã giải thích được cơ chế hoá học của sự hô hấp và sự
cháy. Ông đã chứng minh rằng, lượng nhiệt do các cơ thể sống sản sinh ra
cũng bằng lượng nhiệt thu được khi đốt cháy các chất dinh dưỡng bên
ngoài cơ thể (khi hô hấp trong cơ thể, carbon và hydrogen bị oxy hóa từ
từ, quá trình này rất giống sự cháy bình thường).
Tiếp theo các công trình chiết xuất, tinh chế và phân tích các chất
hữu cơ là những công trình nghiên cứu tổng hợp các chất hữu cơ. Quan
điểm cho rằng, vật chất sống khác với vật chất không sống đã bị đánh đổ
hoàn toàn khi mà Wöhler vào năm 1828 đã điều chế được carbamid (urea)
bằng phương pháp nhân tạo từ các chất vô cơ. Phát minh của Wöhler là
bằng chứng cho rằng để tạo nên chất sống không cần thiết bất kỳ một
"lực" sống nào (vis vitalis) và như vậy đã mở đường hướng để cho hoá
sinh phát triển. (Thời kỳ này khoa học đi sâu vào sự sống đang bị khống
chế và kìm hãm bởi thuyết "hoạt lực" cho rằng các chất hữu cơ tham gia
vào cấu tạo của cơ thể sinh vật chỉ có thể tạo ra bởi một "đấng siêu tự
nhiên").
Trong suốt khoảng hai thế kỷ trước, sự phát triển của hoá sinh học
xảy ra tương đối chậm. Sự bắt đầu thật sự của hoá sinh học thường được
coi là vào năm 1866 khi Tübigen thành lập bộ môn hoá sinh đầu tiên dưới
sự lãnh đạo của Hoppe - Seyler (ở nước Đức). Số đầu tiên của tạp chí
mang tính chất hoá sinh học được ra mắt vào năm 1877 (Hoppe - Seyler's
Zeitschrift für physiologische Chemie). Tiền đề của nó là sự hoạt động của
Liebig ở Đức và trường phái hoá học hữu cơ của ông. Bằng cách sử dụng
các phương pháp nghiên cứu mới, Liebig đã xác định thành phần của
nhiều thực phẩm, đã chia các chất chứa trong thực phẩm thành protein,
glucid, lipid và đã xác định hàm lượng nitrogen trong protein. Sau những
công trình nghiên cứu của Pasteur về sự lên men, các nhà khoa học đã chú
ý nhiều đến bản chất enzyme vốn xúc tác cho các quá trình khác nhau
trong cơ thể sống. Nhiều công trình có giá trị khác, trong đó có công trình
của Fischer đã đi vào cấu trúc và tổng hợp glucid, lipid, amino acid và
13
protein, Pavlov trong thời gian này đã nghiên cứu các cơ chế enzyme và
Miescher thì nghiên cứu nucleic acid. Thời gian này người ta cũng đã phát
hiện ra vitamin.
Việc xác lập nên thành phần hoá học của thực vật, việc phát hiện
ra các enzyme và việc làm sáng tỏ vai trò của chúng trong sự trao đổi chất,
sự phát hiện ra vitamin và hormon, sự phát triển của hoá học về amino
acid và protein, về glucid, lipid đã tạo điều kiện cho việc hình thành động
hoá sinh và chính nhờ sự phát triển của động hoá sinh mà người ta đã xây
dựng được những quan điểm thống nhất về các quy luật chung của các quá
trình trao đổi chất và của những chuyển hoá năng lượng trong cơ thể sinh vật.
Ngày nay chúng ta biết rõ rằng, tất cả các chất xây dựng nên tế bào
sống, đều thay đổi không ngừng. Đặc trưng của sự sống là sự biến đổi hoá học.
Như vậy hoá sinh học hiện đại trước hết là động hoá sinh. Trước
tiên đó là những hiện tượng trao đổi chất, là sự chuyển hoá và phân giải
các chất dinh dưỡng nhằm thu nhận năng lượng hoá học cũng như để xây
dựng vật chất của tế bào. Các phản ứng hoá học này được xảy ra nhờ tác
dụng xúc tác của những enzyme, vì vậy việc nghiên cứu các enzyme
chiếm một phần quan trọng trong hoá sinh học.
Thứ đến thuộc về động hoá sinh là điều hoà hoá học. Điều này
được xảy ra trên con đường các sản phẩm trao đổi chất xác định, thường là
cùng với sự tham gia của những chất đặc biệt là hormon được tạo thành
trong các tuyến nội tiết.
Thứ ba thuộc về động hoá sinh là các quá trình hoá học được xảy
ra gắn liền với các cấu trúc và thực hiện các chức năng của các phần tử
cấu trúc.
Việc xác định trình tự của amino acid trong protein và cấu trúc
không gian của protein (Sanger, Perutz và Kendrew) cũng như cấu trúc
của nucleic acid (Chargaff, Watson và Crick) là bắt đầu một giai đoạn mới
trong sự phát triển của hoá sinh học tức là thời kỳ của sinh học phân tử.
Một điều rõ ràng là không thể tách riêng sinh học phân tử và hoá sinh học
ra khỏi nhau. Về cơ bản mà nói thì "sinh học phân tử" chỉ là tên mới,
nhưng là một phân ngành riêng của hoá sinh. Nó cố gắng làm sáng tỏ các
hiện tượng sống cơ bản trên cơ sở phân tử có nghĩa là trên cơ sở hoá sinh
học. Chính vì vậy theo quan niệm hiện đại thì hoá sinh học là khoa học
nghiên cứu cơ sở phân tử của sự sống.
2. Thành phần hoá học của cơ thể sống
Trong cơ thể sống, nước là thành phần quan trọng nhất. Trừ một số
mô hoặc loại tế bào (các hạt thực vật, các bào tử mô xương, mô mỡ),
lượng nước của chúng không đạt đến 80%, còn lượng nước của một số
sinh vật khác cũng vượt quá 90% (toàn bộ lượng nước của cơ thể con
14
người khoảng 50-70%). điều cần lưu ý là ở một số dạng sống bậc thấp, các
virus, các bào tử sống qua trạng thái khô héo hoàn toàn, song trong trạng
thái không có nước thì các hoạt động sống của chúng bị hoãn lại.
Từ các cơ sở trên chúng ta có thể nói rằng các quá trình hoá học
đặc trưng cho sự sống được xem như là những phản ứng tiến hành ở trong
môi trường nước.
Ngoài ra người ta đã phát hiện được hơn 60 nguyên tố có trong cơ
thể sống. Các nguyên tố này có trong cơ thể với những lượng rất khác
nhau. Một số được coi là những nguyên tố cần thiết để xây dựng cơ thể và
phục vụ cho sự phát triển bình thường của cơ thể; một số khác thì chức
năng sinh học của chúng chưa được biết rõ; số còn lại được coi như do sự
xâm nhập ngẫu nhiên. C H O N S P Cl Ca Mg K Na đều là những nguyên
tố rất cần thiết đối với cơ thể sống, 11 nguyên tố này chiếm gần 100%
khối lượng toàn phần của thực vật và động vật. Những nguyên tố ở dạng
vết được gọi là yếu tố vi lượng, vai trò quan trọng của chúng đối với cuộc
sống cũng dần dần được sáng tỏ đó là những ion kim loại nặng Co, Zn,
Mn, Mo; trong trường hợp các cơ thể động vật bậc cao còn có I, ở các cây
xanh thì có B. Cần nhớ rằng, trừ I và Mo, các nguyên tố đã được kể đến
đều nằm trong số 30 nguyên tố đầu của hệ thống tuần hoàn và hơn một
nửa các nguyên tố có số thứ tự đến 30 có vai trò sinh học quan trọng.
Nhiều hợp chất hữu cơ trước đây được coi như là riêng biệt thuộc
giới sinh vật, nay cũng đã được nghiên cứu, tổng hợp trong phòng thí
nghiệm. Đó là các protein, nucleic acid, glucid, lipid, enzyme và vitamin.
Đây là những chất chiếm vị trí hàng đầu trong sinh học và cũng chính là
đối tượng nghiên cứu chính của các chương trong giáo trình này.
3. Mối quan hệ của hoá sinh với các ngành khoa học của sinh
học, nông nghiệp và y học
Trong sinh học có nhiều ngành, nhưng nghiên cứu sinh học ngày
nay là nghiên cứu ở mức độ phân tử. Hoá sinh là khoa học nghiên cứu sự
sống ở mức độ phân tử, cho nên có thể nói bất cứ chuyên ngành nào của
sinh học như động vật học, thực vật học, vi khuẩn học, sinh lý học, tế bào
học, mô phôi học... đều cần phải trang bị kiến thức và kỹ thuật hoá sinh để
nghiên cứu khoa học chuyên ngành mình. Do đó khi nói đến các chuyên
ngành của sinh học hiện đại thì trước hết phải nói đến hoá sinh trong
những năm gần đây. Ngay cả công nghệ gen, công nghệ enzyme cũng
chính là lãnh địa của hoá sinh. Chẳng hạn đối với động vật, thực vật, vi
sinh vật, ngày nay muốn nghiên cứu phân loại chính xác các giống chủng
cũng phải dùng các chỉ tiêu phân tử một số protein, enzyme hay nucleic
acid trong ty lạp thể. Đối với nông nghiệp muốn tăng năng suất cây trồng
phải chú ý đến quá trình hoá sinh quang hợp, quá trình hoá sinh nảy mầm,
15
quá trình hoá sinh phát dục, quá trình chuyển hoá, sinh tổng hợp các chất
tạo nên hạt, quả, quá trình tác động hoá sinh của các cytokinin đến sự sinh
trưởng và phát triển của cây. Đối với vật nuôi cũng vậy, muốn có năng
suất thịt, sữa, trứng cao, người chăn nuôi phải hiểu được các quá trình hoá
sinh phát triển đến từng giai đoạn phát triển của con vật, đến từng bộ phận
cơ bắp, buồng trứng của chúng để có sự tác động mạnh mẽ. Đối với y
dược học, vấn đề chủ chốt nghiên cứu bệnh nguyên, bệnh lý, chẩn đoán và
điều trị bệnh cũng đều liên quan chặt chẽ đến hoá sinh, tức liên quan đến
sự thay đổi các phân tử bệnh lý xảy ra trong cơ thể và tìm những chất hoạt
tính sinh học có tác dụng phòng chống hoặc chữa khỏi bệnh.
Vì vậy có thể nói hoá sinh là gốc, là cơ bản để giúp hiểu sâu sắc
các khoa học khác của sinh học, nông nghiệp và y học.
4. Một số thành tựu nổi bật của hóa sinh trong thời gian gần đây
Trong quá trình phát triển của mình, nhiều ngành nhỏ của hoá sinh
đã ra đời.Về hoá sinh một số chức phận hệ thống quan trọng có hoá sinh
miễn dịch, hoá sinh di truyền, đặc biệt một ngành mới gần đây đã xuất
hiện đó là công nghệ hoá sinh. Các lĩnh vực nhỏ của hoá sinh đã đóng góp
một cách tích cực vào thành tích chung của hoá sinh. Nhiều giải thưởng
Nobel đã ghi công các kết quả nghiên cứu quan trọng, mở ra nhiều cánh
cửa mới cho sự phát triển của hoá sinh như hoá sinh của hệ thống miễn
dịch của Snell, Bena Cerraf và Dausset năm 1980. Cùng năm ấy Paul Berg
cũng được giải thưởng Nobel bởi công trình nghiên cứu gắn các mẫu
DNA. Năm 1981-1982, thành tựu tổng hợp gen α - interferon gồm 514 đôi
base bởi Leicester đã được thực hiện. Từ đó đến nay hàng loạt công trình
khác về nghiên cứu hoá sinh đã được áp dụng trong lĩnh vực khoa học.
Gần đây, năm 1997 giải thưởng Nobel y học trao cho Staley
Prusiner về công trình nghiên cứu prion, một khái niệm mới về "nhiễm
khuẩn", gây bệnh não thể xốp ở người và động vật. Prion (PrP) là protein
tồn tại hai dạng đồng phân alpha và bêta. Ở cơ thể khoẻ mạnh thì PrP có
dạng alpha còn khi cơ thể bị bệnh thì dạng alpha bị duỗi ra và xếp thành
các băng song song gọi là PrP bêta. Dạng này rất bền với enzyme tiêu hoá
và không bị phá huỷ ở nhiệt độ cao (đến 200oC). Do vậy prion như là tác
nhân gây bệnh hoàn toàn mới được bổ sung vào danh sách những tác nhân
gây bệnh như virus, vi khuẩn, nấm. Công trình này đưa ra khái niệm bệnh
lý phân tử hoàn toàn mới trong sinh học và y học. Công trình không chỉ
phát hiện ra tác nhân gây bệnh xốp não mà còn đặt nền móng cho sự tìm
hiểu cơ chế mất trí liên quan đến bệnh già và bệnh Alzheimer, cũng như
đặt nguyên tắc chặt chẽ cho việc ghép các cơ quan phủ tạng của động vật
cho con người và thuốc men chế từ động vật dùng cho người.
16
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
1. Trần Thị Ân (chủ biên). 1979. Hóa sinh đại cương (tập I, II). NxB KH&KT.
Hà Nội.
2. Đái Duy Ban. 2005. Hóa sinh học và hóa sinh y học. Hóa sinh học. 1: 8-13.
3. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 2000. Hóa sinh học. Nxb Giáo dục. Hà
Nội.
4. Lê Doãn Diên. 1975. Hóa sinh thực vật. Nxb Nông nghiệp. Hà Nội
5. Nguyễn Tiến Thắng, Nguyễn Đình Huyên. 1998. Giáo trình sinh hóa hiện
đại. Nxb Giáo dục. Hà Nội.
6. Nguyễn Xuân Thắng, Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn
Đồng, 2004. Hóa sinh học. Nxb Y học, Hà Nội.
Tài liệu tiếng nước ngoài
1. Karlson. P., 1972. Biokémia. Medicina Könyv Kiadó Budapest.
2. Lehninger A.L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman.
3. Stryer L., 1981. Biochemistry. W.H.Freeman and company. San Francisco.
4. Straub .F. B. 1965. Biokémia. Medicina Könyv Kiadó Budapest.
