Hóa học của sự sống

Ý tưởng lớn 4 — Tương tác Hệ thống: Các hệ thống sinh học tương tác với nhau, và các hệ thống cũng như sự tương tác của chúng thể hiện các tính chất phức tạp.

Mục tiêu học tập 1.1.A: Giải thích cách các tính chất của nước phát sinh từ độ phân cực và liên kết hydro ảnh hưởng đến chức năng sinh học của nó.

• 1.1.A.1 Các hệ thống sống phụ thuộc vào các tính chất của nước để duy trì sự sống.
  • 1.1.A.1.i Nước có độ phân cực, do sự hình thành các liên kết cộng hóa trị phân cực giữa hydro và oxy bên trong các phân tử nước. Độ phân cực này góp phần tạo ra liên kết hydro giữa và bên trong các phân tử sinh học.
  • 1.1.A.1.ii Nước có nhiệt dung riêng cao, cho phép duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định (homeostasis) trong các sinh vật sống.
  • 1.1.A.1.iii Nước có nhiệt bay hơi cao, cho phép làm mát môi trường xung quanh qua quá trình bay hơi. Trong các sinh vật sống, tính chất này giúp duy trì nhiệt độ cơ thể.
• 1.1.A.2 Các liên kết hydro giữa các phân tử nước phân cực liền kề tạo ra lực liên kết (cohesion), lực bám dính (adhesion) và sức căng bề mặt.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng: Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì trạng thái cân bằng động (dynamic homeostasis).

Mục tiêu học tập 1.2.A: Mô tả cấu tạo của các macromolecule mà các sinh vật sống cần thiết.

• 1.2.A.1 Nguyên tử và phân tử từ môi trường là cần thiết để xây dựng các phân tử mới. Carbon, hydro và oxy là các nguyên tố phổ biến nhất được sử dụng để xây dựng các phân tử sinh học như carbohydrate, protein, lipid và axit nucleic. Ngoài ra:
  • 1.2.A.1.i Lưu huỳnh được sử dụng trong việc xây dựng protein.
  • 1.2.A.1.ii Phospho được sử dụng trong việc xây dựng phospholipid (một loại lipid) và axit nucleic.
  • 1.2.A.1.iii Nitơ được sử dụng trong việc xây dựng axit nucleic.

Ý tưởng lớn 4 — Tương tác Hệ thống: Các hệ thống sinh học tương tác với nhau, và các hệ thống cũng như sự tương tác của chúng thể hiện các tính chất phức tạp.

Mục tiêu học tập 1.3.A: Mô tả các phản ứng hóa học xây dựng và phá vỡ các macromolecule sinh học.

• 1.3.A.1 Thủy phân là một phản ứng hóa học liên quan đến việc cắt đứt liên kết cộng hóa trị. Loại phản ứng này phân rã các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn. Khi thêm nước vào liên kết giữa các monomer trong polymer, liên kết đó sẽ bịbreaking. Ion hydro từ một phân tử nước được thêm vào một monomer và nhóm hydroxyl của phân tử nước được thêm vào monomer kia, hoàn tất phản ứng.
• 1.3.A.2 Tổng hợp mất nước xảy ra khi hai phân tử nhỏ hơn được nối với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị. Một ion hydro bị loại bỏ khỏi một monomer và một nhóm hydroxyl bị loại bỏ khỏi monomer kia. Điều này dẫn đến việc mất đi lượng tương đương một phân tử nước từ các chất tham gia và sự kết nối của hai monomer còn lại. Sự kết nối của nhiều monomer được gọi là quá trình trùng hợp.

Ý tưởng lớn 4 — Tương tác Hệ thống: Các hệ thống sinh học tương tác với nhau, và các hệ thống cũng như sự tương tác của chúng thể hiện các tính chất phức tạp.

Mục tiêu học tập 1.4.A: Mô tả cấu trúc và chức năng của carbohydrate.

• 1.4.A.1 Monosaccharide (đường đơn) là monomer của polysaccharide (carbohydrate phức tạp). Các monomer này được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị để tạo thành polymer như carbohydrate phức tạp, có thể là dạng mạch thẳng hoặc mạch nhánh.
  • Ví dụ minh họa cho 1.4.A.1:
    • Cellulose
    • Tinh bột
    • Glycogen
  • Lưu ý loại trừ: Cấu trúc phân tử của các polymer carbohydrate cụ thể nằm ngoài phạm vi đề thi AP.

Ý tưởng lớn 4 — Tương tác Hệ thống: Các hệ thống sinh học tương tác với nhau, và các hệ thống cũng như sự tương tác của chúng thể hiện các tính chất phức tạp.

Mục tiêu học tập 1.5.A: Mô tả cấu trúc và chức năng của lipid.

• 1.5.A.1 Lipid thường là các phân tử không phân cực, kỵ nước mà cấu trúc và chức năng của chúng xuất phát từ cách các thành phần cấu tạo nên chúng được lắp ráp. Axit béo có thể được mô tả là bão hòa hoặc không bão hòa.
  • 1.5.A.1.i Axit béo bão hòa chỉ chứa liên kết đơn giữa các nguyên tử carbon.
  • 1.5.A.1.ii Axit béo không bão hòa chứa ít nhất một liên kết đôi giữa các nguyên tử carbon, điều này gây ra sự uốn cong của chuỗi carbon.
  • 1.5.A.1.iii Càng nhiều liên kết đôi trong đuôi axit béo, lipid càng trở nên không bão hòa.
  • 1.5.A.1.iv Lipid càng không bão hòa thì ở trạng thái lỏng nhiều hơn ở nhiệt độ phòng.
• 1.5.A.2 Lipid cung cấp nhiều chức năng khác nhau cho sinh vật sống. Một số ví dụ về lipid là chất béo, steroid bao gồm cholesterol, và phospholipid.
  • 1.5.A.2.i Chất béo cung cấp dự trữ năng lượng và hỗ trợ chức năng tế bào. Trong một số trường hợp, chúng cũng có thể cung cấp lớp cách nhiệt giúp động vật có vú giữ ấm.
  • 1.5.A.2.ii Steroid là hormone hỗ trợ các chức năng sinh lý bao gồm tăng trưởng và phát triển, chuyển hóa năng lượng và duy trì cân bằng nội môi.
  • 1.5.A.2.iii Cholesterol cung cấp tính ổn định cấu trúc thiết yếu cho màng tế bào động vật.
  • 1.5.A.2.iv Phospholipid nhóm lại với nhau để tạo thành các lớp kép lipid có trong màng tế bào và màng plasma.
  • Lưu ý loại trừ: Cấu trúc phân tử của các lipid cụ thể nằm ngoài phạm vi đề thi AP.

Ý tưởng lớn 3 — Lưu trữ và Truyền tải Thông tin: Các hệ thống sống lưu trữ, truy xuất, truyền tải và phản hồi thông tin thiết yếu cho các quá trình sống.

Mục tiêu học tập 1.6.A: Mô tả cấu trúc và chức năng của DNA và RNA.

• 1.6.A.1 Trong axit nucleic (DNA và RNA), thông tin sinh học được mã hóa trong các chuỗi monomer nucleotide. Mỗi nucleotide có các thành phần cấu trúc sau: đường năm carbon (deoxyribose hoặc ribose), nhóm phosphate và bazơ nitơ (adenine, thymine, guanine, cytosine hoặc uracil).
• 1.6.A.2 Axit nucleic có một chuỗi tuyến tính của các nucleotide có hai đầu, được xác định bởi nhóm hydroxyl 3' (ba prime) và phosphate 5' (năm prime) của đường trong nucleotide. Trong quá trình tổng hợp axit nucleic, các nucleotide được thêm vào đầu 3' của strand đang phát triển, dẫn đến sự hình thành các liên kết cộng hóa trị giữa các nucleotide.
  • Lưu ý loại trừ: Cấu trúc phân tử của các nucleotide cụ thể nằm ngoài phạm vi đề thi AP.
• 1.6.A.3 DNA có cấu trúc xoắn kép song song ngược chiều, với hai strand nucleotide chạy theo hướng 5' đến 3' ngược nhau. Trong DNA, nucleotide adenine liên kết với nucleotide thymine qua liên kết hydro (A-T), và nucleotide cytosine liên kết với nucleotide guanine qua liên kết hydro (C-G). Trong RNA, adenine liên kết với uracil (A-U).
• 1.6.A.4 Sự khác biệt về cấu trúc giữa DNA và RNA bao gồm:
  • 1.6.A.4.i DNA chứa đường deoxyribose, và RNA chứa đường ribose.
  • 1.6.A.4.ii DNA chứa bazơ nitơ thymine, và RNA chứa bazơ nitơ uracil.
  • 1.6.A.4.iii DNA thường có dạng strand đôi, trong khi RNA thường có dạng strand đơn.

Ý tưởng lớn 3 — Lưu trữ và Truyền tải Thông tin: Các hệ thống sống lưu trữ, truy xuất, truyền tải và phản hồi thông tin thiết yếu cho các quá trình sống.

Mục tiêu học tập 1.7.A: Mô tả cấu trúc và chức năng của protein.

• 1.7.A.1 Protein bao gồm các chuỗi tuyến tính của amino acid được liên kết với nhau bằng sự hình thành các liên kết cộng hóa trị (liên kết peptid) giữa nhóm carboxyl ($-\text{COOH}$) của một amino acid và nhóm amine ($-\text{NH}_2$) của amino acid tiếp theo, tạo thành một chuỗi peptid đang phát triển.
• 1.7.A.2 Amino acid được cấu tạo từ một nguyên tử carbon trung tâm có liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử hydro, một nhóm carboxyl, một nhóm amine và một nhóm R biến đổi. Nhóm R của một amino acid có thể được phân loại dựa trên ba đặc tính hóa học có thể có: kỵ nước/không phân cực, ưa nước/phân cực, hoặc ion. Sự tương tác của các nhóm R này quyết định cấu trúc và chức năng của vùng đó trong protein.
• 1.7.A.3 Trình tự cụ thể của các amino acid trong protein xác định cấu trúc sơ cấp của polypeptide cũng như hình dáng tổng thể của protein.
  • Lưu ý loại trừ: Cấu trúc phân tử của amino acid nằm ngoài phạm vi đề thi AP.
• 1.7.A.4 Cấu trúc thứ cấp của protein được tạo ra thông qua việc gấp cuộn cục bộ phát sinh từ tương tác giữa các nguyên tử trong khung xương polypeptide của chuỗi amino acid. Liên kết hydro tạo ra các hình dạng như xoắn alpha và lá beta xếp nếp.
• 1.7.A.5 Hình dạng ba chiều của cấu trúc bậc ba của protein phát sinh từ sự hình thành các liên kết hydro, tương tác kỵ nước, tương tác ion hoặc cầu nối disulfide.
• 1.7.A.6 Cấu trúc bậc bốn phát sinh từ tương tác giữa nhiều polypeptide. Cả bốn cấp độ cấu trúc của protein đều quyết định chức năng của protein.