Phân tử, Chế độ ăn, Vận chuyển và Sức khỏe

Một hồng cầu rời khỏi phổi bạn mang theo oxy trên haemoglobin, chạy dọc theo động mạch, luồn qua mao mạch hẹp hơn chính nó, giải phóng oxy cho tế bào đang hô hấp, và trở lại qua tĩnh mạch. Mọi cấu trúc trong hành trình đó đều được xây dựng từ các phân tử mà đơn vị học bắt đầu với, và mọi câu hỏi thi về chủ đề này đều yêu cầu bạn liên kết cấu trúc với chức năng.

WBI11 Phân tử, Chế độ ăn, Vận chuyển và Sức khỏe là đơn vị IAS đầu tiên: bài viết dài 1 giờ 30 phút, tổng 80 điểm, tất cả đều bắt buộc. Bài thi đánh giá Chủ đề 1 (Phân tử, Vận chuyển và Sức khỏe) và Chủ đề 2 (Màng, Protein, DNA và Biểu hiện Gen). Hãy chuẩn bị cho các câu hỏi dựa trên dữ liệu nghiên cứu sức khỏe, phép tính với dạng tiêu chuẩn, và câu trả lời mở rộng yêu cầu nêu tên cấu trúc và giải thích cơ chế.

Nước là môi trường vận chuyển vì nó là chất tan phân cực. Trong phân tử nước, nguyên tử oxygen kéo các electron dùng chung mạnh hơn hydro: mỗi liên kết O–H có đầu âm nhẹ ở O và đầu dương nhẹ ở H. Đây là đặc tính dipole của nước. Các điện tích trái dấu giữa các phân tử lân cận tạo thành liên kết hydro, và các hạt phân cực hoặc mang điện (glucose, ion natri, axit amin) hòa tan vì nước bao quanh chúng.

Carbohydrate được liên kết và tách rời bởi hai phản ứng:

• Condensation (phản ứng tạo liên kết): loại bỏ một phân tử nước khi liên kết glycosidic hình thành giữa hai đường.
• Hydrolysis (thủy phân): thêm nước trở lại và phá vỡ liên kết đó.

Hai phân tử glucose liên kết tạo thành maltose; glucose cộng fructose tạo thành sucrose; glucose cộng galactose tạo thành lactose. Chuỗi dài tạo thành polysaccharide: amylose (liên kết 1,4, cuộn thành xoắn ốc, cấu trúc chặt chẽ), amylopectin và glycogen (cả hai đều có chuỗi 1,4 với nhánh 1,6; glycogen là nguồn dự trữ động vật trong gan và cơ). Nhánh nhiều giúp nhiều đầu chuỗi, nên glucose có thể được giải phóng nhanh; cấu trúc xoắn ốc cho phép chứa nhiều năng lượng trong không gian nhỏ.

Thực hành cốt lõi 1: ước lượng nồng độ đường và tinh bột

Đường khử làm thuốc thử Benedict màu xanh nhạt đi khi đun nóng, tạo kết tủa màu đỏ gạch. Để ước lượng nồng độ chưa biết, hãy so sánh màu sắc với các mẫu chuẩn có nồng độ đã biết, hoặc đọc dung dịch bằng máy đo màu quang phổ.

Kiểm tra ví dụ. Các mẫu chuẩn 0, 0.5, 1, 2 và 4 % glucose cho độ hấp thụ lần lượt là 0.02, 0.09, 0.18, 0.35, 0.64. Một mẫu chưa biết cho kết quả 0.58. Trên phần tuyến tính, cứ mỗi 1 % tăng thêm khoảng 0.16 độ hấp thụ, nên mẫu chưa biết nằm gần $0.58/0.16 \approx 3.6\%$. Đọc ngoài phạm vi mẫu chuẩn (ngoại suy vượt quá 4 %) kém tin cậy hơn việc đo lường bên trong phạm vi đó — đây là điểm mà giám khảo mong bạn chỉ ra. Iodine hóa xanh đen với tinh bột; độ đậm của màu xanh đen cung cấp cùng loại ước lượng cho tinh bột.

Một triglyceride gồm một glycerol cộng ba axit béo, được nối với nhau bởi ba phản ứng condensation tạo thành liên kết este. Axit béo bão hòa không có liên kết C=C: chuỗi thẳng xếp sát nhau, nên mỡ động vật ở thể rắn ở nhiệt độ phòng. Axit béo không bão hòa có một hoặc nhiều liên kết đôi khiến chuỗi bị uốn cong, xếp lỏng lẻo hơn, và dầu ở thể lỏng. Lipid lưu trữ nhiều năng lượng hơn per gam so với carbohydrate vì chúng có mức độ khử cao hơn.

Khuếch tán chỉ cung cấp dinh dưỡng cho các tế bào cách xa vài phần nghìn milimet. Một sinh vật lớn cần vận chuyển khối: một chiếc bơm và hệ ống dẫn mang nguồn cung cấp và chất thải cho từng tế bào. Ba loại mạch máu tương ứng với ba nhiệm vụ:

Tim động vật có vú là hai bơm trong một cơ quan.半边 phải đưa máu đến phổi; bên trái, với thành thất dày hơn, đưa máu đến toàn thân. Atri nhận máu; thất đẩy máu đi. Các động mạch vành nuôi dưỡng chính cơ tim — tắc nghẽn tại đây dẫn đến nhồi máu cơ tim.

Chu kỳ tim

Một nhịp đập gồm ba pha. Co thắt tâm nhĩ ép phần máu còn lại vào thất. Co thắt tâm thất làm áp lực thất vượt quá áp lực động mạch, van bán nguyệt mở, máu bị đẩy ra. Thải trương làm cơ giãn, áp lực giảm, van bán nguyệt đóng kín (âm thanh tim thứ hai), các buồng được nạp máu từ tĩnh mạch.

Đọc biểu đồ theo cách giám khảo mong muốn: trạng thái van được quyết định bởi chênh lệch áp lực, không phải bằng lệnh. Van nhĩ thất mở khi áp lực nhĩ vượt áp lực thất; van bán nguyệt mở khi áp lực thất vượt áp lực động mạch chủ.

Hemoglobin là protein gồm bốn chuỗi polypeptide, mỗi chuỗi gấp cuộn quanh nhóm heme mang một ion Fe²⁺ liên kết với một phân tử O₂ — tổng cộng bốn. Việc liên kết oxy đầu tiên làm thay đổi hình dạng toàn bộ phân tử và giúp việc liên kết tiếp theo dễ dàng hơn: liên kết cộng hợp tạo cho đường phân ly oxy hình chữ S nông rồi dốc.

Ở phổi (pO₂ cao) đường cong phẳng gần 100 % độ bão hòa. Ở mô nghỉ ngơi gần 1–2 kPa đường cong dốc, nên pO₂ giảm nhẹ sẽ giải phóng lượng oxy lớn — đúng nơi cần thiết. Khi mô hô hấp mạnh, nó giải phóng thêm carbon dioxide; ion hydro gắn vào hemoglobin và đẩy toàn bộ đường cong sang phải (hiệu ứng Bohr), buộc nhiều oxy hơn phải được giải phóng ở mô hoạt động mạnh nhất.

Ví dụ minh họa. Tại pO₂ 2 kPa, đường cong bình thường đọc khoảng 30 % độ bão hòa và đường cong dịch chuyển khoảng 15 % — hemoglobin giữ ít hơn một phần ba lượng oxy ở áp suất riêng phần đó, nên hầu hết bốn vị trí liên kết của nó đã được giải phóng vào mô sớm hơn.

Xơ vữa động mạch bắt đầu với tổn thương nội mô lót trong động mạch. Phản ứng viêm phát triển, lipoprotein tỷ trọng thấp xâm nhập, cơ trơn và mô liên kết xây dựng mảng xơ, động mạch thu hẹp và cứng lại, và cuối cùng cục máu đông có thể tắc hoặc vỡ ra.

Quá trình đông máu là một chuỗi phản ứng. Tổn thương giải phóng thromboplastin, chất này (cùng ion canxi) chuyển protein huyết tương tan prothrombin thành enzyme thrombin; thrombin chuyển fibrinogen tan thành mạng lưới fibrin không tan trapping tiểu cầu và tế bào.

Áp suất máu được báo cáo là tâm thu trên tâm trương. Tăng huyết áp, hút thuốc, cholesterol LDL máu cao, chế độ ăn, thiếu vận động, tuổi tác, giới tính và di truyền là yếu tố nguy cơ — và chúng nhân lên chứ không cộng gộp: hai yếu tố nguy cơ mức trung bình có thể quan trọng hơn một yếu tố nguy cơ nghiêm trọng.

Đọc dữ liệu rủi ro sức khỏe

Câu hỏi 8 và 9 của mọi đề thi nằm ở đây. Bốn thói quen bao phủ hầu hết điểm số:

• Sự tương quan không phải là nguyên nhân. Hai biến số di chuyển cùng nhau có thể chia sẻ một nguyên nhân ẩn, hoặc mối liên hệ có thể chỉ là ngẫu nhiên.
• Đánh giá nghiên cứu: Kích thước mẫu là bao nhiêu? Mẫu được chọn như thế nào? Những yếu tố nào đã được kiểm soát? Nghiên cứu có mù không? Có những yếu tố gây nhiễu nào như tuổi tác hoặc hút thuốc?
• Tính toán cẩn thận: thay đổi phần trăm, tỷ lệ theo dạng chuẩn, tỷ lệ bình quân đầu người.
• Hỏi xem ai hoặc cái gì bị thiếu: người không phản hồi, các nghiên cứu chưa công bố, đường ngoại suy.

Kiểm tra ví dụ. Một nghiên cứu tìm thấy bệnh nha chu có tương quan với tổn thương nội mô. Trước khi khẳng định một nguyên nhân gây ra kia, bạn cần cơ chế, mô hình liều–đáp ứng và loại bỏ các yếu tố gây nhiễu (chế độ ăn uống, hút thuốc, tuổi) — và câu hỏi "các nhóm có được cân bằng về huyết áp không?" chính xác là một câu hỏi về yếu tố gây nhiễu.

Cân bằng năng lượng quyết định khối lượng cơ thể. Béo phì và thừa cân được sàng lọc bằng BMI (khối lượng kg chia cho bình phương chiều cao mét; 18.5–24.9 là khoảng sức khỏe) và tỷ lệ vòng eo/hông (WHR). Chất béo bão hòa trong chế độ ăn làm tăng LDL-cholesterol trong máu; chất béo không bão hòa và chất xơ hòa tan làm giảm nó.

Kiểm tra ví dụ. Một phụ nữ có khối lượng 74 kg và chiều cao 1.66 m: BMI $= 74 / 1.66^2 = 74/2.76 = 26.8$ — vừa bước vào khoảng thừa cân. Vòng eo 84 cm và hông 98 cm cho WHR $= 84/98 = 0.86$.

Các phương pháp điều trị đều đi kèm rủi ro bên cạnh lợi ích:

• Thuốc hạ huyết áp (beta blocker, ACE inhibitor, thuốc lợi tiểu) làm giảm huyết áp.
• Statins (ví dụ simvastatin) ức chế enzyme gan trong tổng hợp cholesterol, giúp tế bào hấp thụ LDL từ máu.
• Thuốc chống đông (warfarin) và thuốc chống kết tập tiểu cầu (aspirin) làm giảm đông máu, do đó nguy cơ chảy máu tăng lên.

Một câu hỏi yêu cầu bạn "thảo luận" muốn cả hai phía plus một phán đoán dựa trên dữ liệu đã cho.

Mọi bề mặt trao đổi đều là màng thực hiện hoạt động có kiểm soát. Mô hình mosaic lỏng là hình ảnh được chấp nhận rộng rãi: lớp kép phospholipid (lỏng vì đuôi có thể trượt), đính kèm các protein nội tại xuyên qua lớp kép (kênh, chất mang), protein ngoại tại, cholesterol kiểm soát độ lỏng, và glycoprotein, glycolipid cho việc nhận diện.

Bốn tuyến đường vận chuyển:

• ** khuếch tán** — sự di chuyển ròng xuống gradient nồng độ, không cần ATP.
• Khuếch tán hỗ trợ — xuống gradient thông qua kênh hoặc protein chất mang.
• Vận chuyển chủ động — ngược gradient, được cung cấp năng lượng bởi ATP, thông qua protein chất mang thay đổi hình dạng.
• Thẩm thấu — nước di chuyển từ nơi có tiềm năng nước cao hơn sang nơi thấp hơn qua màng bán thấm. Nội bào và xuất bào di chuyển vật chất khối lượng lớn trong túi.

Đối với khuếch tán, định luật Fick: tốc độ tỷ lệ thuận với (diện tích bề mặt × chênh lệch nồng độ) ÷ khoảng cách khuếch tán. Bề mặt trao đổi khí đáp ứng tất cả ba yếu tố: diện tích lớn, duy trì gradient và tường chỉ dày một hoặc hai tế bào. Đây là lý do tại sao phế nang, mao mạch và mang cá đều có hình dáng như vậy.

Một amino acid mang một nhóm amin, một nhóm carboxyl, một nguyên tử hydro và một nhóm R trên một carbon trung tâm; hai amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptid trong phản ứng ngưng tụ. Cấu trúc sơ cấp là trình tự; liên kết hydro cuộn nó thành cấu trúc thứ cấp; các liên kết hydro, ion và disulfide bổ sung gấp lại cấu trúc bậc ba; các chuỗi riêng biệt lắp ráp thành cấu trúc bậc bốn — hemoglobin là ví dụ điển hình.

Một enzyme là một protein có trung tâm hoạt động phù hợp với hình dạng của một cơ chất. Sự liên kết không cứng nhắc: mô hình gắn cảm ứng cho thấy cả phân tử và trung tâm đều linh hoạt cho đến khi tương thích. Đây là lý do tại sao nhiệt độ và pH làm thay đổi tốc độ — chúng tác động lên cấu trúc bậc ba — và vì sao trung tâm hoạt động có tính đặc hiệu cao.

Chất ức chế cạnh tranh liên kết vào trung tâm hoạt động và bị vượt mặt khi nồng độ cơ chất tăng; chất ức chế không cạnh tranh liên kết vào vị trí khác và làm biến dạng trung tâm, nên tốc độ giảm bất kể nồng độ như thế nào.

Kiểm tra hướng dẫn. Q10 được trích dẫn tại 2.4: giữa 10 °C và 20 °C, tốc độ nhanh hơn 2.4 lần; giữa 45 °C và 55 °C, cùng hệ số này có nghĩa là enzyme đã bị biến tính đang sụp đổ với tốc độ ngày càng tăng. Q10 chỉ mô tả; nó không giải thích.

Một mononucleotide bao gồm một pentose (deoxyribose hoặc ribose), một nhóm phosphate và một base nitơ. Phản ứng ngưng tụ giữa phosphate và đường của các nucleotide lân cận tạo thành một mạch giữ bởi liên kết phosphodiester. DNA gồm hai mạch song song ngược chiều: A ghép với T (hai liên kết hydro), G ghép với C (ba liên kết hydro), xoắn thành cấu trúc xoắn kép.

Quá trình nhân đôi là bán bảo tồn: helicase tách đôi hai mạch, mỗi mạch đóng vai trò khuôn, và DNA polymerase nối các nucleotide tự do theo hướng từ 5' đến 3'. Meselson và Stahl nuôi cấy vi khuẩn trước trên nitơ nặng ¹⁵N sau đó trên nitơ nhẹ ¹⁴N; sau một vòng nhân đôi, tất cả DNA đều có mật độ trung gian, sau hai vòng, một nửa là nhẹ — đúng chính xác những gì mô hình bán bảo tồn dự đoán và các giả thuyết khác cấm đoán.

Một gen là một trình tự base mã hóa cho một trình tự amino acid. Mã di truyền là mã bộ ba: ba base quy định một amino acid. Nó không chồng chập (đọc theo từng nhóm liên tiếp), phân rã (hầu hết các amino acid có nhiều codon, nên một số đột biến sẽ im lặng), và chứa các codon khởi đầu và dừng.

Kiểm tra hướng dẫn. Một gen có 300 cặp base mã hóa cho một protein có 99 amino acid cộng thêm một codon dừng: $99 \times 3 + 3 = 300$. ✓

Phiên mã: RNA polymerase liên kết với gen, sử dụng một mạch làm khuôn để tổng hợp mRNA. Dịch mã: trong tế bào chất, một ribosome đọc các codon của mRNA, và các phân tử tRNA có anticodon ghép đôi với các codon đó để đưa amino acid theo thứ tự; liên kết peptid nối chúng lại.

Đột biến phát sinh từ lỗi trong quá trình nhân đôi. Thay thế hoán đổi một base: một amino acid thay đổi, hoặc không thay đổi gì (do tính phân rã). Chèn hoặc xóa thêm hoặc loại bỏ một base và dịch chuyển toàn bộ khung đọc sau điểm đó — một dịch khung, thường phá hủy hoàn toàn protein.

Viêm nang nhớt là mô hình của khóa học: việc xóa ba base khiến mất một phenylalanine trong protein CFTR, dẫn đến vận chuyển chloride thất bại, chất nhớt trở nên đặc quánh và đường hô hấp bị tắc nghẽn. Allel này là lặn: người mang allel bệnh khỏe mạnh. Sàng lọc di truyền có thể xác định người mang, kiểm tra phôi (chẩn đoán di truyền tiềnimplantation) hoặc thai nhi (châm hút dịch ối, lấy mẫu绒毛膜). Các câu hỏi về sàng lọc luôn đi kèm vấn đề đạo đức: ai được xét, ai được thông báo, và kết quả dương tính sẽ dẫn đến hậu quả gì.

1. Giải thích tại sao amylopectin giải phóng glucose nhanh hơn amylose, liên quan đến liên kết và các đầu của chuỗi.
2. Tính BMI của một nam giới nặng 91 kg và cao 1.83 m, đồng thời phân loại tình trạng của anh ta.
3. Trong kỳ thu thất, van nào mở và van nào đóng, và tại sao?
4. Độ bão hòa oxy tại 4 kPa giảm từ khoảng 60 % xuống khoảng 34 % khi CO₂ tăng. Giải thích nguyên nhân phân tử.
5. Mô tả cascade đông máu theo thứ tự, từ tổn thương nội mạc đến sự hình thành fibrin.
6. Một nghiên cứu cho thấy những người ăn nhiều sữa chua có ít cuộc tấn công tim hơn. Liệt kê ba kiểm tra bạn sẽ thực hiện trước khi tin vào một tuyên bố nhân quả.
7. Giải thích tại sao chất ức chế cạnh tranh làm giảm tốc độ ở nồng độ cơ chất thấp nhưng không ở nồng độ rất cao.
8. Meselson và Stahl đã loại bỏ mô hình nhân bản bảo tồn. Quan sát nào, sau một chu kỳ, đã chứng minh điều đó?
9. Đột biến dịch khung thường nghiêm trọng hơn đột biến thay thế. Hãy giải thích tại sao, sử dụng các từ "bộ ba" và "giảm tính đặc hiệu".
10. Nêu hai lợi ích và hai rủi ro của việc sàng lọc gen đối với người mang gen dị hợp tử bệnh xơ nang.

Đáp án: 1 nhiều 1,6-nhánh tạo ra nhiều đầu chuỗi để enzyme tấn công đồng thời; 2 $91/1.83^2 = 27.2$, thừa cân; 3 van nhĩ thất đóng, van bán nguyệt mở, vì áp lực tâm thất vượt quá áp lực động mạch chủ nhưng không vượt quá áp lực nhĩ trên; 4 ion hydro từ CO₂ liên kết hemoglobin, làm thay đổi hình dạng và giảm ái lực với oxy (hiệu ứng Bohr); 5 tổn thương暴露 collagen, tiểu cầu và tế bào bị tổn thương giải phóng thromboplastin, thromboplastin + Ca²⁺ chuyển prothrombin thành thrombin, thrombin chuyển fibrinogen thành fibrin, lưới fibrin bẫy tế bào; 6 kích thước mẫu và phương pháp chọn lọc, các yếu tố nhiễu như tuổi tác/tập luyện/chế độ ăn, so sánh mù, cơ chế hoặc mối quan hệ liều-lượng; 7 chất ức chế cạnh tranh vị trí hoạt động, nên ở nồng độ cơ chất rất cao hầu hết va chạm với vị trí đều là cơ chất; 8 sau một chu kỳ, toàn bộ DNA chỉ xuất hiện một băng trung gian — mô hình bảo tồn dự đoán một băng nặng và một băng nhẹ; 9 đột biến dịch khung thay đổi mọi bộ ba sau điểm đột biến, do đó toàn bộ protein từ điểm đó trở đi là chuỗi axit amin khác nhau, trong khi sự giảm tính đặc hiệu cho phép nhiều đột biến thay thế không gây thay đổi gì; 10 lợi ích — lập kế hoạch gia đình có ý thức, điều trị sớm hoặc thay đổi lối sống; rủi ro — lo lắng, phân biệt đối xử bởi công ty bảo hiểm hoặc nhà tuyển dụng, kết quả dương tính giả hoặc âm tính giả.