Hóa sinh động vật (Tải: https://link1s.com/yHqvN)

Tuy nhiên, các cách phân loại này đều dựa trên cấu tạo hóa học hoặc một số tính chất của gốc R.. Mặt khác, mặc dầu không có trong cấu trúc protein, nhưng có hàng trăm loại amino acid khá

Chương 1

HÓA HỌC PROTEIN

Cao Đăng Nguyên, Hồ Trung Thông

1.1 Protein và vai trò sinh học của chúng

1.1.1 Khái niệm về protein

Protein là một nhóm các hợp chất đại phân tử sinh học, cùng với polysaccharide, lipid và nucleic acid, tạo nên các hợp phần chủ yếu của cơ thể sống Một cách cụ thể, protein là các polymer được tạo nên từ các trình tự xác định các amino acid Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống Về mặt số lượng, protein chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào Từ lâu người ta đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ thể sinh vật Ngoài vai trò là thành phần chính trong cấu trúc của tế bào và mô, protein còn có nhiều chức năng phong phú khác quyết định những đặc điểm cơ bản của sự sống như sự truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hoá các chất Thật vậy, các enzyme, các kháng thể chống lại bệnh tật, các hormon dẫn truyền các tín hiệu trong tế bào, đều có bản chất là protein Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống, người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tài của Engels P.: “Sự sống là phương thức tồn tại của những thể protein” Với sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống ngày càng được khẳng định Cùng với nucleic acid, protein là cơ sở vật chất của sự sống

1.1.2 Vai trò sinh học của protein

1.1.2.1 Tạo hình

Ngoài các protein làm nhiệm vụ cấu trúc như vỏ virus, màng tế bào, còn gặp những protein thường có dạng sợi như: sclerotin có trong lớp vỏ ngoài sâu bọ; fibrolin của tơ tằm, nhện; collagen, elastin của mô liên kết, mô xương Collagen đảm bảo cho độ bền và tính mềm dẻo của mô liên kết

1.1.2.2 Xúc tác

Hầu hết tất cả các phản ứng xảy ra trong cơ thể đều do các protein đặc biệt đóng vai trò xúc tác Những protein này được gọi là các enzyme Mặc dầu gần đây người ta đã phát hiện được một loại RNA có khả năng xúc tác quá trình chuyển hoá tiền RNA thông tin (pre-mRNA) thành RNA thông tin (mRNA), nghĩa là enzyme không nhất thiết phải là protein Tuy nhiên, hầu hết các phản ứng diễn ra trong các cơ thể sống đều được xúc tác bởi các enzyme có bản chất protein Bởi vậy, định nghĩa có tính chất kinh điển: enzyme

là những protein có khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hoá học, là chất xúc tác sinh học vẫn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Hiện nay người ta biết được khoảng 3.500 enzyme khác nhau, trong số đó nhiều enzyme đã được tinh sạch, kết tinh và nghiên cứu cấu trúc

1.1.2.3 Bảo vệ

Ngoài vai trò là chất xúc tác và tạo cấu trúc cho tế bào và mô, protein còn có chức năng chống lại bệnh tật để bảo vệ cơ thể Đó là các protein tham gia vào hệ thống miễn

dịch Đặc biệt nhiều loại protein thực hiện các chức năng riêng biệt tạo nên hiệu quả miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu Các protein miễn dịch được nhắc đến nhiều hơn cả là các kháng thể, bổ thể và các cytokine Ngoài ra, một số protein còn tham gia vào quá trình đông máu để chống mất máu cho cơ thể Một số loài có thể sản xuất ra những độc tố

có bản chất protein như enzyme nọc rắn, lectin, có khả năng tiêu diệt kẻ thù để bảo vệ

cơ thể

1.1.2.4 Vận chuyển

Trong cơ thể động vật có những protein làm nhiệm vụ vận chuyển như hemoglobin, mioglobin, hemocyanin vận chuyển O2, CO2 và H+ đi khắp các mô, các cơ quan trong cơ thể Ngoài ra còn có nhiều protein khác như lipoprotein vận chuyển lipid, seruloplasmin vận chuyển đồng (Cu) trong máu Một trong những protein làm nhiệm vụ vận chuyển được nhắc đến nhiều nhất đó là hemoglobin

1.1.2.5 Vận động

Nhiều protein làm nhiệm vụ vận động co rút như myosin và actin ở sợi cơ, chuyển

vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào,

1.1.2.6 Dự trữ và dinh dưỡng

Các protein làm nhiệm vụ dự trữ như casein của sữa, ovalbumin của trứng, feritin của lách (dữ trữ sắt) v.v Protein dự trữ này chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho các tổ chức mô, phôi phát triển

1.1.2.7 Dẫn truyền tín hiệu thần kinh

Nhiều loại protein tham gia vào quá trình dẫn truyền tín hiệu thần kinh đối với các kích thích đặc hiệu như sắc tố thị giác rodopsin ở võng mạc mắt

1.1.2.8 Điều hoà

Nhiều protein có khả năng điều hoà quá trình trao đổi chất thông qua việc tác động lên bộ máy thông tin di truyền như các hormon, các protein ức chế đặc hiệu enzyme … Một ví dụ điển hình là các protein repressor ở vi khuẩn có thể làm ngừng quá trình sinh tổng hợp enzyme từ các gene tương ứng

1.1.2.9 Cung cấp năng lượng

Protein là nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể sống Khi thủy phân protein, sản phẩm tạo thành là các amino acid, từ đó tiếp tục tạo thành hàng loạt các sản phẩm trong

đó có các keto acid, aldehyd và carboxylic acid Các chất này đều bị oxy hoá dần dần tạo thành CO2 và H2O đồng thời giải phóng ra năng lượng

1.2 Cấu tạo của phân tử protein

1.2.1 Thành phần nguyên tố

Cho đến nay người ta đã thu được nhiều loại protein tinh khiết ở dạng tinh thể Đã từ lâu thành phần các nguyên tố hoá học của các protein phân lập đã được nghiên cứu kỹ Thông thường trong cấu trúc của protein gồm bốn nguyên tố chính là C, H, O và N với tỷ

lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16% Điều đáng lưu ý là tỷ lệ N trong protein khá

ổn định Lợi dụng tính chất này, để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl người

2

ta tính lượng N rồi nhân với hệ số vốn đã được quy định tùy theo đối tượng nghiên cứu Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S (≈ 0-3%), P, Fe, Zn, Cu,

C

1.2.2 Amino acid - đơn vị cấu tạo cơ bản của protein

1.2.2.1 Cấu tạo chung

Amino acid là chất hữu cơ mà phân tử chứa ít nhất một nhóm carboxyl (-COOH)

và ít nhất một nhóm amin (-NH2), trừ prolin chỉ có nhóm NH (thực chất là một imino acid) Trong phân tử các amino acid tồn tại trong tự nhiên, các nhóm -COOH và -NH2 đều gắn với carbon ở vị trí α Hầu hết các amino acid thu nhận được khi thuỷ phân protein đều ở dạng L-α Như vậy các amino acid chỉ khác nhau ở mạch nhánh (được ký hiệu là R trong hình 1.1)

1.2.2.2 Phân loại theo quan điểm hoá học

Hiện nay người ta phân loại amino acid theo nhiều cách khác nhau Mỗi cách phân loại đều có ý nghĩa và mục đích riêng Tuy nhiên, các cách phân loại này đều dựa trên cấu tạo hóa học hoặc một số tính chất của gốc R Ví dụ: có người chia các amino acid thành 2 nhóm chính là nhóm mạch thẳng và nhóm mạch vòng Trong nhóm mạch thẳng lại tùy theo sự có mặt của số nhóm carboxyl hay số nhóm amin mà chia ra thành các nhóm nhỏ, nhóm amino acid trung tính (chứa một nhóm -COOH và một nhóm -NH2); nhóm amino acid kiềm tính (chứa một nhóm -COOH và hai nhóm -NH2); nhóm amino acid có tính acid (chứa hai nhóm -COOH và một nhóm -NH2) Trong nhóm mạch vòng lại chia ra thành nhóm vòng thơm hay dị vòng, Có người lại dựa vào tính phân cực của gốc R từ đó chia các amino acid thành 4 nhóm: nhóm không phân cực hoặc kỵ nước, nhóm phân cực nhưng không tích điện, nhóm tích điện dương và nhóm tích điện âm

Ở đây chúng tôi xin được giới thiệu cách phân loại các amino acid một cách chung nhất Theo cách này dựa vào gốc R, các amino acid được chia thành 5 nhóm:

Nhóm I: Gồm 7 amino acid có gốc R không phân cực và kỵ nước, đó là: glycine, alanine, proline, valine, leucine, isoleucine và methionine

Nhóm II: Gồm 3 amino acid có gốc R chứa nhân thơm, đó là phenylalanine, tyrosine và tryptophan.

Nhóm III: Gồm 5 amino acid có gốc R phân cực, không tích điện, đó là serine, threonine, cysteine, asparagine và glutamine

4

Nhóm IV: Gồm 3 amino acid có gốc R tích điện dương, đó là lysine, histidine và arginine.

Nhóm V: Gồm 2 amino acid có gốc R tích điện âm, đó là aspartate và glutamate

1.2.2.3 Phân loại theo quan điểm dinh dưỡng

Theo quan điểm dinh dưỡng người ta chia 20 loại amino acid thường gặp trong protein thành 2 nhóm: amino acid không thể thay thế (indispensable amino acid) hay còn gọi là amino acid thiết yếu (essential amino acid) và amino acid thay thế (disapensable amino acid) hay còn gọi là amino acid không thiết yếu Amino acid không thể thay thế là những amino acid mà cơ thể động vật không tổng hợp được hoặc tổng hợp không đủ đáp ứng nhu cầu sinh trưởng hoặc sinh sản một cách tối ưu Số lượng amino acid không thể thay thế có thể là từ 8-10 loại amino acid tùy theo từng loài động vật (bảng 1.1) Ngược lại với các amino acid không thể thay thế, amino acid thay thế là những amino acid mà cơ thể động vật có thể tổng hợp được và đủ đáp ứng nhu cầu của chúng Bộ khung carbon để tổng hợp amino acid chủ yếu được tạo ra từ glucose và các amino acid khác, còn gốc amin được sử dụng cho tổng hợp amino acid chủ yếu được cung cấp từ các amino acid khác có số lượng vượt quá nhu cầu của cơ thể động vật Khẩu phần ăn của vật nuôi hầu hết đều đáp ứng đủ số lượng amino acid thay thế hoặc đủ số lượng nhóm amin cho sự tổng hợp các amino acid thay thế kể cả trong trường hợp hàm lượng protein trong khẩu phần thấp, do đó sự quan tâm trong dinh dưỡng là dành cho các amino acid không thể thay thế

Bảng 1.1: Amino acid không thể thay thế đối với gia cầm, lợn và người

trường hợp có nhu cầu lớn như giai đoạn còn non, stress, … hai loại này được coi là amino acid không thể thay thế.

(1) Đối với gà con, arginine là amino acid không thay thế

Một số amino acid không được xếp vào nhóm không thể thay thế hay nhóm thay thế mà chúng được xếp vào nhóm bán thay thế (semi-dispensable) hay còn gọi là bán thiết yếu (semi-essential) Thuộc nhóm này có arginine, cysteine, tyrosine Arginine được coi là bán thay thế đối với lợn vì arginine có thể được tổng hợp từ glutamine Tuy vậy, sự tổng hợp này không đủ đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển cơ thể Do đó khẩu phần cho lợn sinh trưởng phải chứa một lượng arginine nhất định Tuy vậy, ở giai đoạn kể từ sau khi thành thục về giới tính và giai đoạn mang thai, nhiều nghiên cứu cho thấy lợn có thể tổng hợp arginine với số lượng đủ đáp ứng nhu

6

cầu của chúng Tuy nhiên, sự tổng hợp arginine có thể không đủ để đáp ứng nhu cầu tiết sữa của lợn nái Cysteine có thể được tổng hợp từ methionine Tuy vậy, cysteine và dạng oxy hóa của nó là cystine có thể đáp ứng khoảng 50% nhu cầu của tổng lượng amino acid chứa lưu huỳnh (methionine + cysteine) Bằng cách này, cysteine có thể làm giảm nhu cầu đối với methionine Tương tự như đối với nhóm amino acid chứa lưu huỳnh, phenylalanine có thể đáp ứng nhu cầu của tổng lượng phenylalanine và tyrosine (amino acid có nhân thơm) vì sự chuyển hóa phenylalanine có thể tạo thành tyrosine Tyrosine có thể đáp ứng tối thiểu 50% tổng nhu cầu của hai loại amino acid này nhưng nó không thể

là nguồn duy nhất và không thể thay thế cho phenylalanine vì nó không thể chuyển được thành phenylalanine

Bảng 1.2: Các amino acid thường gặp

Khối lượng (Mr)

Ngoài các amino acid thường gặp ở trên, trong phân tử protein đôi khi còn có một

số amino acid khác khác Đó là những loại ít gặp Các amino acid này đều là dẫn xuất của những amino acid thường gặp Ví dụ, trong phân tử collagen có chứa 4-hydroxyproline là

dẫn xuất của proline, 5-hydroxylysine là dẫn xuất của lysine, Mặt khác, mặc dầu không

có trong cấu trúc protein, nhưng có hàng trăm loại amino acid khác có thể tồn tại ở dạng

tự do hoặc liên kết với hợp chất khác trong các mô và tế bào Chúng có thể là tiền chất hay là các sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá trong cơ thể như citrulline, ornithine, β-alanine, γ-amino butyric acid (GABA)

1.2.2.4 Một số tính chất của amino acid

- Màu sắc và mùi vị của amino acid

Các amino acid thường không màu, nhiều loại có vị ngọt kiểu đường như glycine, alanine, valine, serine, histidine, tryptophan; một số loại có vị đắng như isoleucine, arginine hoặc không có vị như leucine Bột ngọt hay còn gọi là mì chính là muối của natri của glutamic acid (monosodium glutamate)

- Tính tan của amino acid

Các amino acid thường dễ tan trong nước và khó tan trong alcohol và ether (trừ proline và hydroxyproline) Chúng cũng dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ tyrosine)

- Tính hoạt động quang học của amino acid

Các amino acid trong phân tử protein đều có ít nhất một nguyên tử carbon bất đối (trừ glycine) Do vậy, chúng đều có tính hoạt động quang học, nghĩa là có thể làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang phải hoặc sang trái Quay phải được ký hiệu bằng dấu (+), quay trái được ký hiệu bằng dấu (-) Góc quay đặc hiệu của amino acid phụ thuộc vào pH của môi trường

Tuỳ theo sự sắp xếp trong cấu trúc phân tử của các nhóm liên kết với carbon bất đối

mà các amino acid có cấu trúc dạng D hay L (hình 1.7) gọi là đồng phân lập thể Trong tự nhiên, tất cả các amino acid đều ở dạng L ở nguyên tử carbon bất đối α Một cách tổng quát, số đồng phân lập thể của một amino acid được tính theo 2n (n là số carbon bất đối)

8

Hình 1.8: Phổ hấp thụ ánh sáng cực tím của tryptophan và tyrosine

Hầu hết các amino acid hấp thụ tia cực tím ở bước sóng (λ) từ 220 đến 280 nm Đặc biệt cùng nồng độ 10-3M, ở bước sóng 280 nm tryptophan hấp thụ ánh sáng cực tím mạnh nhất, gấp 4 lần khả năng hấp thụ của tyrosine (hình 1.8) và phenylalanine là yếu nhất Phần lớn các protein đều chứa tyrosine nên người ta sử dụng tính chất này để định lượng protein

- Tính lưỡng tính của amino acid

Trong phân tử amino acid có nhóm carboxyl (-COOH) cho nên có khả năng nhường proton (H+) thể hiện tính acid, mặt khác có nhóm amin (-NH2) cho nên có khả năng nhận proton nên thể hiện tính base Vì vậy các amino acid có tính chất lưỡng tính.Trong môi trường acid, amino acid ở dạng cation (tích điện dương), nếu tăng dần

pH, amino acid lần lượt nhường proton thứ nhất chuyển qua dạng lưỡng cực (trung hoà

về điện), nếu tiếp tục tăng pH, amino acid sẽ nhường proton thứ hai chuyển thành dạng anion (tích điện âm) (hình 1.9) Vì vậy đôi khi người ta coi amino acid như một di-acid

Tương ứng với độ phân ly H+ của các nhóm -COOH và -NH3+ có các trị số pK1 và

pK2 (biểu thị độ phân ly của các nhóm được 1/2) Từ đó người ta xác định được pHi (pI =

pH đẳng điện) = (pK1 + pK2)/2 Ví dụ: khi hoà tan glycine vào môi trường acid mạnh thì hầu như glycine đều ở dạng cation Nếu tăng dần lượng kiềm, thu được đường cong chuẩn độ Trên đường cong chuẩn độ thấy rằng: glycine lần lượt nhường 2 proton trước tiên chuyển sang dạng lưỡng tính và sau cùng chuyển thành dạng anion

Tương đương độ phân ly của nhóm -COOH được một nửa có trị số pK1= 2,34 và độ phân ly của -NH3+ được một nửa có trị số pK2= 9,60 Như vậy ta có

Mặt khác tại pK1 + 2 sự phân ly H+ của nhóm -COO- glycine là 99%, chỉ 1% ở dạng -COOH và ở pK2 -2 dạng -NH3+ là 99%, chỉ 1% ở dạng -NH2 Như vậy trong vùng

pH từ pK1 + 2 đến pK2 -2, phân tử glycine chủ yếu ở dạng lưỡng tính và kết quả ta có một vùng đẳng điện Ngoài ra các amino acid trong gốc R có thêm nhóm -COOH hay -NH2 sự phân ly của chúng sẽ có thêm một trị số phân ly nữa -pKR

- Các phản ứng hoá học của amino acid

Các amino acid đều có nhóm -NH2 và -COOH liên kết với Cα , vì vậy chúng có những tính chất hoá học chung Mặt khác, các amino acid khác nhau bởi gốc R, vì vậy chúng có những phản ứng riêng biệt Người ta chia các phản ứng hoá học của amino acid thành 3 nhóm:

+ Phản ứng của gốc R

Do các amino acid có cấu tạo gốc R khác nhau, cho nên người ta có thể dựa vào đó

để xác định từng amino acid riêng rẽ nhờ phản ứng đặc trưng của nó Ví dụ, phản ứng oxy hoá khử có thể được sử dụng để nhận biết nhóm SH của cysteine, phản ứng tạo muối

để nhận biết các nhóm -COOH hoặc -NH2 của glutamate hoặc của lysine, phản ứng tạo ester để nhận biết nhóm -OH của tyrosine,

+ Phản ứng chung

Là phản ứng có sự tham gia của cả hai nhóm α-COOH và α-NH2 Các amino acid phản ứng với ninhydrin trong điều kiện đun nóng tạo thành CO2 , NH3 , aldehyd và

10

ninhydrin bị khử, cuối cùng tạo nên sản phẩm có màu xanh tím (đối với proline cho màu vàng chanh).

+ Phản ứng riêng biệt

Các phản ứng của nhóm α-COOH: Ngoài các phản ứng của nhóm -COOH thông

thường như tạo ester, tạo amid, tạo muối, thì nó còn có những phản ứng đặc trưng khác như có thể bị khử thành hợp chất rượu amin dưới sự xúc tác của NaBH4.

Nhóm -COOH có thể tạo thành phức aminoacyl-adenylate trong phản ứng hoạt hóa amino acid để tổng hợp protein, hoặc có thể loại CO2 là phản ứng gặp rất nhiều trong quá trình phân giải amino acid

Các phản ứng của nhóm α-NH 2 : Nhiều phản ứng của nhóm amin được dùng để xác

định các chỉ tiêu của amino acid như:

Để định lượng nitrogen của amino acid người ta cho phản ứng với HNO2 để giải phóng N2

Để định lượng amino acid người ta cho phản ứng với aldehyd tạo thành base schiff

Để xác định amino acid đầu N-tận cùng người ta cho tác dụng với 2-4 dinitrofluobenzen (phản ứng Sanger) hay phenyliothiocyanate (phản ứng Edman)

1.2.3 Peptide

1.2.3.1 Khái niệm

Peptide có từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được hình thành do sự phân giải protein Trong phân tử peptide, các amino acid được liên kết với nhau thông qua liên kết peptide (hình 1.11)

Liên kết peptide có độ bền cao bởi cấu trúc của nó có 4 e/π, 2e/π thuộc về liên kết C=O còn 2e/π thuộc về bộ đôi e/ tự do của nguyên tử N Liên kết giữa C-N là liên kết phức tạp Nó có thể chuyển từ dạng ρ đến dạng lai (trung gian) là một phần ghép đôi của liên kết π (hình 1.12) Người ta cho rằng tỷ lệ của liên kết kép này là khoảng 30% đối với liên kết C-N và 70% đối với liên kết giữa C và O Ở đầu của một chuỗi peptide là amino acid có nhóm α-amin (α-NH2) tự do được gọi là đầu N-tận cùng và đầu kia có nhóm α-carboxyl (α-COOH) tự do được gọi là đầu C tận cùng Liên kết peptide tạo nên bộ khung chính của chuỗi peptide hoặc polypeptide, còn các gốc R tạo nên mạch bên của chuỗi.

1.2.3.2 Một số peptide có hoạt tính sinh học quan trọng

Trong tự nhiên tồn tại nhiều dạng peptide có chức phận quan trọng liên quan đến hoạt động sống của cơ thể như là các hormone, các chất kháng sinh Bên cạnh đó cũng

có những peptide có chức phận chưa rõ ràng Một số peptide là sản phẩm thủy phân đang còn dang dở của protein Sau đây sẽ giới thiệu một số peptide quan trọng, có nhiều ý nghĩa đối với hoạt động sống của sinh vật

- Các hormone sinh trưởng (GH)

Hormon sinh trưởng của người (HGH-human growth hormone) còn có tên gọi STH (somatotropin hormone) là một chuỗi polypeptide bao gồm 191 amino acid Trong cấu trúc có hai cầu disulfur được tạo thành giữa amino acid 53-165 và giữa amino acid 182-189 HGH có cấu tạo rất giống với hormone lactogen của nhau thai (85% trình tự amino acid giống nhau) và gần giống prolactin của người (32% trình tự amino acid giống nhau) Hormone sinh trưởng có tác dụng kích thích sự tăng trưởng nói chung, kích thích

sự tạo sụn hơn là tạo xương Nó cũng là một hormone chuyển hoá Hormone sinh trưởng kích thích sự tổng hợp protein từ những amino acid đã được vận chuyển dễ dàng vào trong tế bào nhờ HGH, và là hormone gây tăng đường huyết, sinh đái tháo đường, đồng thời kích thích sự phân giải lipid để đảm bảo nhu cầu về năng lượng cho cơ thể, gây tăng acid béo tự do trong huyết tương Sự thiếu hụt HGH nếu xảy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người lùn, sự dư thừa HGH nếu xảy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người khổng lồ, nếu xảy ra sau tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người bị to cực (phát triển chiều dày của đầu, xương và mặt)

12

- Insulin

Từ 1953, Sanger (2 giải thưởng Nobel về hóa học vào năm 1958 và 1980) đã nghiên cứu, tinh chế và xác định hoàn toàn cấu trúc của phân tử insulin Phân tử insulin bao gồm 51 amino acid, có cấu trúc gồm 2 chuỗi polypeptide, với khối lượng phân tử 5.700 Chuỗi A có 21 amino acid, chuỗi B có 30 amino acid Hai chuỗi được nối với nhau bằng 2 cầu disulfur Trong chuỗi A cũng hình thành 1 cầu disulfur giữa amino acid thứ 6

và amino acid thứ 11 Phần đặc hiệu (đặc trưng của một loài) chỉ tập trung vào các amino acid thứ 8-9-10, 12-14 của chuỗi A và đặc biệt là amino acid thứ 30 của chuỗi B (hình

1.13) Người ta cũng đã xác định được cấu trúc ba chiều của insulin và thấy rằng cấu trúc phân tử insulin được giữ vững bởi nhiều liên kết muối, liên kết hydro và cầu nối disulfur giữa chuỗi A và chuỗi B

Insulin có tác dụng rõ nhất trong tất cả các hormon của tuyến tụy, đặc biệt đối với quá trình chuyển hoá carbohydrate Nó có tác dụng hạ đường huyết Insulin còn kích thích quá trình tổng hợp và ức chế quá trình phân giải glycogen ở cơ, gan và mô mỡ Đặc biệt insulin tăng cường tổng hợp acid béo, protein và kích thích sự đường phân Tác dụng quan trọng nhất của insulin là kích thích sự xâm nhập glucose, một số đường khác, amino acid trong tế bào cơ và mỡ Do vậy insulin làm giảm lượng glucose trong máu Ngoài ra insulin cũng làm giảm sự tổng hợp mới glucose do làm giảm nồng độ enzyme như pyruvate carboxylase và fructose 1-6 diphosphatase

- Oxytocin, vasopressin và vasotocin

Oxytocin là một peptide có 9 amino acid Ở động vật có vú, oxytocin chỉ khác ở sự thay đổi của 2 amino acid là: amino acid ở vị trí thứ ba là isoleucine và amino acid ở vị trí thứ tám là leucine (bảng 1.3) Vasopressin của loài ếch nhái có cấu trúc trung gian giữa vasopressin và oxytocin của động vật có vú: amino acid thứ ba là isoleucine và amino acid thứ tám là arginine Vasopressin là một peptide có cấu trúc gồm 9 amino acid Phần lớn ở động vật có vú amino acid thứ 8 của vasopressin là arginine (arg-vasopressin), trừ ở lợn và hà mã, amino acid thứ 8 là lysine (lys-vasopressin) Ở động vật có xương sống nhưng không có vú, amino acid thứ 3 là isoleucine; vasopressin có tên là arginin-vasotocin (bảng 1.3)

Oxytocin có tác dụng trên cơ trơn của tử cung và tuyến vú, gây co tử cung khi sinh con và kích thích sự tiết sữa khi cho con bú Vasopressin có tác dụng chống lợi niệu, tăng cường tái hấp thu nước ở thận, đồng thời làm co mạch, do đó có tác dụng tăng huyết áp

14

1.2.4 Các bậc cấu trúc protein

Về mặt cấu trúc người ta phân biệt protein gồm bốn bậc: bậc 1, bậc 2, bậc 3 và bậc 4 (hình 1.14)

1.2.4.1 Cấu trúc bậc 1

Cấu trúc bậc 1 biểu thị trình tự các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide, cấu trúc này được giữ vững bằng liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị) Cấu trúc bậc 1 là phiên bản của mã di truyền, việc xác định được cấu trúc bậc 1 là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng biện pháp công nghệ sinh học.

1.2.4.2 Cấu trúc bậc 2

Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid

ở gần nhau trong mạch polypeptide Nói cách khác, là dạng không gian cục bộ của từng phần trong mạch polypeptide Cấu trúc này được làm bền nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa các liên kết peptide ở gần nhau

1.2.4.4 Cấu trúc bậc 4

Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc 3 trong phân tử protein Những phân tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau sắp xếp trong không gian tạo nên cấu trúc bậc 4 Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị, chúng gắn với nhau nhờ các liên kết hydro, tương tác Van der Waals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các tiểu đơn vị để làm bền cấu trúc bậc 4

- Áp suất thẩm thấu

Protein hòa tan trong nước tạo nên dung dịch keo có áp suất thẩm thấu gọi là áp suất keo nhỏ hơn rất nhiều so với áp suất thẩm thấu của dung dịch thật Áp suất keo đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước cùng các chất dinh dưỡng và cặn bã qua thành mạch

16

- Sự khuyếch tán

Trong dung dịch, protein khuyếch tán chậm Do chúng có kích thước lớn cho nên protein không đi qua được các màng bán thấm như màng tế bào, màng cellophan, … Nếu cho dung dịch protein vào màng bán thấm rồi nhúng vào cốc nước thì các phân tử có kích thước nhỏ như NaCl đi qua màng bán thấm một cách dễ dàng, còn protein vẫn nằm lại trong túi Đây là sự thẩm tích và màng bán thấm được gọi là màng thẩm tích Người ta ứng dụng phương pháp này để loại muối khỏi dung dịch protein

1.3.2 Tính lưỡng tính

Phân tử protein gồm nhiều amino acid kết hợp lại với nhau thành một hoặc nhiều chuỗi polypeptide Trên mỗi chuỗi polypeptid đều có một nhóm α-NH2 của amino acid N-tận và một nhóm α-COOH của amino acid C-tận Ngoài ra, trong phân tử protein còn

có thể có một số nhóm -NH2 tự do của các amino acid kiềm tính và một số nhóm -COOH của các amino acid acid tính Trong dung dịch các nhóm -NH2 và -COOH này có thể điện

li để tạo thành -NH+

3 và -COO- Do đó, protein cũng có tính lưỡng tính như amino acid và trong dung dịch chúng cũng có thể tồn tại dưới 3 dạng ion: anion, cation và ion lưỡng cực với các nồng độ khác nhau tùy theo pH của môi trường Mỗi loại protein cũng có điểm đẳng điện (pI) tương ứng và tỉ lệ của mỗi dạng ion trong dung dịch phụ thuộc vào pH của dung dịch hòa tan protein Nếu pH của môi trường = pI thì protein tồn tại ở dạng ion lưỡng cực nhiều nhất và protein sẽ không di chuyển trong điện trường Nếu pH của môi trường > pI thì anion chiếm nhiều nhất và protein sẽ di chuyển về phía cực dương của điện trường Nếu pH < pI thì dạng cation chiếm nhiều nhất và protein sẽ di chuyển trong điện trường về cực âm Tính chất này được ứng dụng để tách protein bằng kỹ thuật điện

di, ngoài ra còn được ứng dụng để chiết xuất và tinh chế protein bằng phương pháp sắc kí trao đổi ion

1.3.3 Đặc tính hòa tan

Ở trạng thái hòa tan, phân tử protein được hydrate hóa, lớp áo nước bao quanh là một trong các yếu tố làm bền vững dung dịch protein, làm cho các phân tử protein ngăn cách và không dính vào nhau Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính tan của protein

- Ảnh hưởng của pH

Độ tan của protein thấp nhất ở pH = pI của nó, độ tan của protein tăng lên khi pH nằm xa pI vì khi pH = pI thì phân tử protein không tích điện cho nên chúng không có lực đẩy tĩnh điện và dễ bị đông kết Khi pH ≠ pI thì các phân tử protein tích điện cùng dấu và đẩy nhau cho nên không không bị đông kết do đó độ tan tăng lên

- Ảnh hưởng của nồng độ muối

Muối trung tính ở nồng độ thấp làm tăng độ tan của nhiều loại protein Khi tăng nồng độ muối tới một giới hạn nhất định thì độ tan của protein giảm xuống và nếu nồng

độ muối tiếp tục tăng lên thì protein có thể đông kết hoàn toàn Tính chất này được ứng dụng để tách các loại protein theo phương pháp diêm tích

- Ảnh hưởng của dung môi

Khi cho các dung môi như ethanol, aceton, … vào dung dịch protein thì độ tan của protein bị giảm và có thể dẫn đến đông kết do giảm lớp vỏ hydrate hóa

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

Trong khoảng nhiệt độ 0 - 40oC, độ tan của đa số protein tăng khi nhiệt độ tăng Ở khoảng nhiệt độ 45 - 70oC đa số protein mất tính bền vững và có thể bị biến tính (trừ protein của một số sinh vật chịu nhiệt như vi khuẩn chịu nhiệt)

1.3.4 Sự đông kết và biến tính

Phân tử protein chỉ thể hiện được đặc tính sinh học của nó trong một khoảng giới hạn nhất định của môi trường Nếu vượt quá giới hạn đó sẽ làm cho protein bị mất tính chất ban đầu, mất tính chất sinh học, đó là sự biến tính của protein (giảm tính tan, tính chất sinh học không còn nữa) Sự biến tính không làm đứt các liên kết peptid mà chỉ làm đứt các liên kết yếu như liên kết hydro, liên kết muối, … Vì vậy, cấu trúc không gian của protein bị đảo lộn, các nhóm kị nước quay ra ngoài, các nhóm ưa nước quay vào trong, sự hydrate hóa bị giảm, các chuỗi polypeptid dễ kết hợp lại với nhau, do đó độ tan giảm và protein dễ bị đông kết Ở trong đường tiêu hóa của động vật, sự biến tính protein giúp cho quá trình tiêu hóa protein diễn ra dễ dàng hơn Có hai loại biến tính:

- Biến tính thuận nghịch

Cấu trúc không gian của phân tử protein bị biến đổi tạm thời và có thể trở lại trạng thái ban đầu nếu loại trừ nguyên nhân gây biến tính Một số yếu tố gây biến tính thuận nghịch như dung môi hữu cơ trung tính (ether, ethanol, aceton, …), một số muối trung tính ((NH4)2SO4)

- Biến tính không thuận nghịch

Cấu trúc không gian của phân tử protein bị phá vỡ vĩnh viễn, không tái lập dù ở điều kiện nào Các yếu tố gây biến tính không thuận nghịch như acid vô cơ đậm đặc (HCl, H2SO4, HNO3, …), acid hữu cơ (CCl3-COOH), nhiệt độ cao, …

1.3.5 Tính chất hóa học

- Protein có thể bị thủy phân bởi enzyme hoặc bởi một số yếu tố khác như acid hoặc base đặc (nồng độ 6N) ở nhiệt độ cao và trong nhiều giờ để tạo thành các sản phẩm

dở dang hoặc sản phẩm cuối cùng là các amino acid

- Protein cho phản ứng biurea (đặc trưng của liên kết peptid)

- Các gốc amino acid trong phân tử protein cũng cho các phản ứng đặc trưng của amino acid tự do tương ứng

- Phân tử protein có nhóm α-NH2 ở đầu N-tận cùng và α-COOH ở đầu C-tận cùng, ngoài ra chúng còn có thể có thêm một số nhóm -NH2 và COOH của các gốc amino acid nằm giữa chuỗi polypeptid Do vậy, protein có thể cho hoặc nhận proton (H+) để thể hiện tính acid hoặc base Nhờ đặc điểm này cho nên protein là một hệ đệm góp phần duy trì

pH của cơ thể động vật tương đối ổn định

1.3.6 Tính đặc hiệu sinh học

18

Chức năng sinh học của protein rất đa dạng, tuy vậy trong nhiều trường hợp không phải toàn bộ phân tử protein đều có giá trị như nhau đối với hoạt tính sinh học của nó mà

có bộ phận làm nhiệm vụ giữ khung không gian, có bộ phận trực tiếp quyết định hoạt tính sinh học Sự thay đổi các liên kết, các nhóm hóa học hoặc các amino acid nhất định trong phân tử protein, đặc biệt là ở bộ phận quyết định trực tiếp hoạt tính sinh học của nó đều dẫn tới sự thay đổi hoạt tính sinh học của protein Một số ví dụ về tính đặc hiệu sinh học của protein như tính đặc hiệu kiểu phản ứng và đặc hiệu cơ chất của enzyme, hiện tượng choáng khi truyền máu, hiện tượng không dung hòa khi vá da hoặc ghép mô, …

1.4 Phân loại protein

1.4.1 Phân loại theo hình dạng

da,

1.4.1.2 Protein dạng cầu

Có dạng gần như hình cầu hoặc hình bầu dục, chiều dài của phân tử protein cầu có thể lớn hơn đuờng kính của nó từ 3 đến 10 lần Protein cầu không bền vững bằng protein sợi, đa số tan trong dung dịch nước và dễ khuyếch tán, thường có chức năng hoạt động sống của tế bào như các enzyme, các hormone, các protein vận chuyển như albumin huyết thanh, hemoglobin

1.4.1.3 Protein dạng trung gian

Một số protein có dạng trung gian, vừa có đặc điểm của protein sợi, vừa có đặc điểm của protein cầu Ví dụ, myosin (yếu tố cấu trúc và chức năng quan trọng của cơ) có cấu trúc hình que dài là đặc điểm của protein sợi, nhưng lại tan trong dung dịch muối là đặc điểm của protein cầu Ngoài ra, trong nhóm trung gian này còn có chất tiền thân của

fibrin là fibrinogen

1.4.2 Phân loại theo thành phần hoá học

Protein gồm hàng trăm, hàng ngàn, thậm chí hàng vạn amino acid nối với nhau bằng liên kết peptide tạo nên một hoặc nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc phức tạp Căn

cứ sự có hay vắng mặt của một số thành phần có bản chất không phải protein mà người ta chia protein thành:

1.4.2.1 Protein đơn giản

Protein đơn giản là những phân tử protein mà phân tử của nó gồm toàn amino acid Ví

dụ, một số enzyme của tụy bò như ribonuclease gồm toàn amino acid nối với nhau thành một chuỗi polypeptide duy nhất (có 124 gốc amino acid, khối lượng phân tử 12.640), chymotrypsin gồm toàn amino acid nối với nhau thành ba chuỗi polypeptide (có 241 gốc amino acid, khối lượng phân tử 22.600), Dựa vào khả năng hòa tan trong nước hoặc trong dung dịch, người ta có thể chia các protein đơn giản ra một số nhóm nhỏ như:

- Albumin: tan trong nước, bị kết tủa ở nồng độ muối (NH4)2SO4 khá cao (70-100%).

- Globulin: không tan hoặc tan ít trong nước, tan trong dung dịch loãng của một số muối trung tính như NaCl, KCl, Na2SO4, và bị kết tủa ở nồng độ muối (NH4)2SO4 bán bão hoà

- Prolamin: không tan trong nước hoặc dung dịch muối loãng, tan trong ethanol,

isopropanol 70-80%

- Glutelin: chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng

- Histon: là protein có tính kiềm dễ tan trong nước, không tan trong dung dịch amoniac loãng

- Lipoprotein: nhóm ngoại là lipid

- Nucleoprotein: nhóm ngoại là nucleic acid

- Glycoprotein: nhóm ngoại là carbohydrate và dẫn xuất của chúng

- Phosphoprotein: nhóm ngoại là phosphoric acid

- Cromoprotein: nhóm ngoại là hợp chất có màu Tùy theo tính chất của từng nhóm ngoại mà có những màu sắc khác nhau như màu đỏ (ở hemoglobin), màu vàng (ở flavoprotein), Nếu nhóm ngoại là kim loại thì protein sẽ có tên gọi chung là metaloprotein

Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt

Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình, 1980 Hoá sinh học NXB Y học

Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng, 1999 Hoá sinh học NXB Giáo dục, Hà Nội

Nguyễn Lân Dũng, Phạm Văn Ty, Nguyễn Đình Quyến, 1999 Vi sinh vật học NXB Giáo dục

Lê Đức Trình, 1998 Hormon NXB Y học, Hà nội

Nguyễn Viết Tựu, 1980 Phương pháp nghiên cứu hoá học cây thuốc NXB Y học, Tp

Hồ Chí Minh

Tài liệu tiếng Anh

Copeland, R A., 2000 Enzymes; a practical introduction to structure mechanism and data analysis, 2nd ed Willey-VCH A John Willey & Sons, INC., Pub

20

Dennison, C., 2002 A guide to protein isolation Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, Lodon, Moscow.

Hans, U B., 1974 Methods of enzymatic analysis Second English Edition Acdemic Press, Inc., New York, San Francisco, London, Vol., 4

Liebler, D C, 2002 Introduction to proteomics Humana Press Inc Totuwa, New Jersey.Lodish, H., 2003 Molecular Cell Biology 5th ed E-Book

Nelson D L., Cox M M., 2005 Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition Freeman and Company, New York, USA

NRC, 1998 Nutrient requirements of swine Tenth revised edition, National Academy Press, Washington D C., USA

Walker, J M., 1996 The protein protocols, handbook, 2nded Humana Press Inc, Totuwa, New Jersey

Tài liệu tiếng Đức

Arbeitsgemeinschaft fuer Wirkstoffe in der Tierernaehrung e.V (AWT), 1998 Aminosaeren in der Tierernaehrung Agrimedia Buchedition, Verlag Alfred Strothe

- Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main

Chương 2

HÓA HỌC NUCLEIC ACID

Cao Đăng Nguyên, Hồ Trung Thông

2.1 Thành phần cấu tạo

Nucleic acid, vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống, là một polymer được hình thành từ các monomer là nucleotide Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần: nhóm phosphate, đường pentose (là đường 5 carbon) và một base nitơ

2.1.1 Base nitơ

Các base nitơ có trong phân tử nucleic acid đều là những dẫn xuất của base purine hoặc pyrimidine Các base purine gồm adenine (6-amino purine) và guanine (2-amino, 6-aminopurine), các base nitơ pyrimidine gồm thymine (2,6-dioxy, 5-methylpyrimidine), cytosine (2-oxy, 6-aminopyrimidine) và uracil (2, 6 dioxypyrimidine) (hình 2.1)

2.1.2 Đường pentose

Đường pentose trong nucleic acid gồm có hai loại là đường deoxyribose và ribose (hình 2.2) Sự có mặt của 2 loại đường này là một trong những đặc điểm để phân biệt DNA và RNA

2.1.3 Phosphoric acid

Là một acid vô cơ - H3PO4

2.2 Liên kết tạo thành nucleic acid

Nucleotide cũng là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của nucleic acid Nucleotide gồm có ba thành phần: đường pentose, base nitơ và phosphoric acid (hình 2.3).

2.2.3 Sự tạo thành nucleic acid

Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester thông qua các nhóm OH ở vị trí C3’ và C5’ của đường pentose để tạo thành một chuỗi dài gọi là

polynucleotide Do liên kết phosphodiester được tạo thành ở vị trí C3’ và C5’ cho nên chuỗi polypeptide có tính phân cực: đầu 5’ thường có gốc phosphate và đầu 3’ thường có

OH tự do Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo rất giống nhau là DNA

(desoxyribonucleic acid) và RNA (ribonucleic acid)

2.3 Một số nucleotide quan trọng không tham gia cấu tạo nucleic acid

2.3.1 ADP và ATP

ADP (adenosine diphosphate) và ATP (adenosine triphosphate) đều là những dẫn xuất của adenine, chúng tham gia quá trình phosphoryl hoá-oxy hoá ATP được coi là nguồn phosphate cao năng trong tế bào

2.3.2 cAMP (AMP vòng)

Adenosine monophosphate vòng được hình thành từ ATP cAMP chỉ tìm thấy ở tế bào động vật và vi khuẩn, nó thường liên kết với màng bào tương của tế bào và tham gia nhiều quá trình chuyển hoá cAMP có thể được sinh ra nhờ một số hormone hoạt hoá adenylcyclase Ngoài cAMP, một số nucleotide khác cũng tham gia vào các quá trình chuyển hóa trong cơ thể, ví dụ cGMP và ppGpp

2.3.3 UDP và UTP

UDP (uridine diphosphate) và UTP (uridine triphosphate) đều là những dẫn xuất của uracil Chúng đều là những chất quan trọng trong các phản ứng trung gian chuyển hoá glucose và galactose Ngoài ra, chúng còn tham gia trong quá trình hình thành những hợp chất phosphate giàu năng lượng

2.3.4 CDP và CTP

CDP (cytidine diphosphate) và CTP (cytidine triphosphate) là những dẫn xuất của cytidine CTP cũng là hợp chất giàu năng lượng và có thể tham gia nhiều phản ứng khác nhau như: phosphoryl hoá ethanolamine để dẫn đến sự sinh tổng hợp cephaline hoặc phản ứng với phosphate choline để hình thành cytidine diphosphate-choline (CDP-choline)

24

2.3.5 Các coenzyme nucleotide

Hiện nay người ta biết được một số nucleotide tham gia cấu tạo nên một số coenzyme quan trọng như coenzyme A (CoA hoặc CoA-SH), flavin adenine dinucleotide (FAD), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+), Để tạo thành các coenzyme này cần có các vitamin như vitamin

B5 (pantothenic acid) trong cấu trúc của CoA, vitamin B2 (riboflavine) trong cấu trúc của FAD, vitamin PP (nicotinic acid) trong cấu trúc của NAD+ và NADP+

2.4 Phân loại cấu hình và cấu trúc của nucleic acid

2.4.1 Deoxyribonucleic acid (DNA)

Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn Mỗi sợi đơn là một chuỗi polynucleotide Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường desoxyribose và một trong bốn base và thường được ký hiệu bằng chữ cái đầu tiên của các base đó (A: adenine, C: cytosine, G: guanine và T: thymine) Hai sợi đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydrogen hình thành giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi: A bổ sung cho T và C bổ sung cho G Mỗi sợi đơn có một trình tự định hướng với một đầu 5’phosphate tự do, đầu kia là 3’ hydroxyl tự do (quy ước là 5’ → 3’) Hướng của hai sợi đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, cho nên được gọi là hai sợi đối song Những phân tích cấu trúc hiện đại đã cho thấy cấu trúc của DNA không phải luôn luôn tương ứng với dạng được gọi là B mà Watson và Crick đã đưa ra Do sự tác động của các hợp chất có trọng lượng nhỏ hoặc protein, dạng B có thể chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) hoặc là dạng Z (xoắn trái) Chúng có thể tự gấp lại (DNA) hoặc xoắn mạnh, ví dụ một sợi kép DNA có độ dài là 20 cm được nén trong một chromosome có kích thước là 5 µm

26

Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote ở dạng thẳng, còn ở phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA có dạng vòng Dù ở dạng nào thì các phân tử DNA đều tồn tại dưới dạng cuộn chặt Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với các protein là histone

DNA eukaryote có kích thước rất lớn (ví dụ DNA ở người có thể dài đến 1 m) cho nên câu hỏi đặt ra là phân tử này phải được nén như thế nào vào thể tích rất hạn chế của nhân Việc nén được thực hiện ở nhiều mức độ, mức độ thấp nhất là nucleosome và mức độ cao nhất là cấu trúc nhiễm sắc chất

Thật vậy, đường kính của chuỗi xoắn DNA chỉ là 20 , trong khi sợi nhiễm sắc chất quan sát dưới kính hiển vi điện tử có đường kính 100 , đôi khi đạt 300 Điều này chứng tỏ phân tử DNA tham gia trong việc hình thành những cấu trúc phức tạp hơn (hình 2.6) Sợi có đường kính 100 là một chuỗi nhiều nucleosome Đó là những cấu trúc hình thành từ một sợi DNA quấn quanh một lõi gồm 8 phân tử histon Sợi 100 này được tổ chức thành cấu trúc phức tạp hơn là sợi có đường kính 300 Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác nhau và cả với các RNA tạo hành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA

Phân tử DNA được sắp xếp trên nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại hơn 50.000 lần

Các DNA ở eukaryote có đặc điểm khác với DNA prokaryote Toàn bộ phân tử DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein trong khi đó DNA eukaryote bao gồm những trình tự mã hoá (các exon) xen kẽ với những trình tự không mã hoá (intron) Các trình tự mã hoá ở eukaryote chìm ngập trong một khối lớn DNA mà cho đến nay vẫn chưa rõ tác dụng Tùy theo mức độ hiện diện của chúng trong nhân, các trình tự DNA được chia làm ba loại:

- Các trình tự lặp lại nhiều lần Ví dụ: ở động vật có vú các trình tự này chiếm 15% genome (hệ gene) Đó là những trình tự DNA ngắn (10-200 kb), không mã hoá, thường tập trung ở những vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như ở vùng tâm động (trình tự CEN) hay ở đầu các nhiễm sắc thể (trình tự TEL) Chức năng của các trình tự này chưa rõ, có thể chúng tham gia vào quá trình di chuyển DNA trên thoi vô sắc (trình tự CEN) hoặc vào quá trình sao chép toàn vẹn của phần DNA nằm ở đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL)

10-30

- Các trình tự có số lần lặp lại trung bình Ví dụ: ở genome người, các trình tự này chiếm 25-40 % Chúng đa dạng hơn và có kích thước lớn hơn (100-1.000 kb) các trình tự lặp lại nhiều lần Các trình tự này phân bố trên toàn bộ bộ gen Chúng có thể là những trình tự không mã hóa mà cũng có thể là những trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA và RNA 5S.

- Các trình tự duy nhất: là các gen mã hóa cho các protein, có trình tự đặc trưng cho từng gen

Một đặc điểm của phân tử DNA có ý nghĩa rất quan trọng được sử dụng vào phương pháp lai phân tử Đó là khả năng biến tính và hồi tính Biến tính là hiện tượng hai sợi đơn của phân tử DNA tách rời nhau khi các liên kết hydro giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi bị đứt do các tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay do tác nhân vật lý (nhiệt) Sau đó, nếu điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ muối thích hợp, các sợi đơn có thể bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, đó là sự hồi tính

2.4.2 Ribonucleic acid

Phân tử RNA có cấu tạo tương tự DNA với ba điểm khác biệt sau:

- Phân tử RNA là chuỗi đơn

- Đường pentose của phân tử RNA là ribose thay vì deoxyribose

- Thymine, một trong bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, được thay thế bằng uracil trong phân tử RNA.

Cấu trúc và chức năng của RNA có sự biến đổi rõ rệt Về cơ bản RNA chỉ là chất mang thông tin di truyền ở virus, sau đó người ta chứng minh rằng chúng không những đóng vai trò cơ bản ở việc chuyển thông tin di truyền mà còn có vai trò cấu trúc khi tạo nên phức hệ RNA-protein

Theo một lý thuyết tiến hóa mà đại diện là Manfred Eigen, RNA là chất mang thông tin di truyền, thành viên trung gian của sự biểu hiện gene, thành phần cấu tạo và là chất xúc tác Nhóm OH rượu ở vị trí thứ hai của ribose cần thiết cho đa chức năng làm nhiễu loạn sự tạo thành sợi kép, qua đó làm tăng độ không bền vững của liên kết phosphodiester

Trong tế bào có ba loại RNA chính, có các chức năng khác nhau:

2.4.2.1 Các RNA thông tin (mRNA)

mRNA là bản sao của những trình tự nhất định trên phân tử DNA, có vai trò trung tâm là chuyển thông tin mã hóa trên phân tử DNA đến bộ máy giải mã thành phân tử protein tương ứng Các RNA có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ hơn so với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa cho một hoặc vài protein và chỉ chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA trong tế bào

Ở Escherichia coli, kích thước trung bình của một phân tử mRNA khoảng 1,2 kb.

2.4.2.2 RNA vận chuyển (tRNA)

tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển các amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp protein từ các mRNA tương ứng Có ít nhất một loại tRNA cho một loại amino acid tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (có trọng lượng khoảng 25 kDa), là phân tử RNA nhỏ nhất Các tRNA có cấu trúc dạng cỏ ba lá (hình 2.7) Cấu trúc này được ổn định nhờ các liên kết bổ sung hiện diện ở nhiều vùng của phân tử tRNA Hai vị trí không có liên kết bổ sung đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với chức năng của tRNA:

- Trình tự anticodon gồm ba nucleotide

- Trình tự CCA, có khả năng liên kết cộng hóa trị với một amino acid đặc trưng

2.4.2.3 RNA ribosome (rRNA)

rRNA là thành phần cơ bản của ribosome, vừa đóng vai trò xúc tác và cấu trúc trong sự tổng hợp protein

Tùy theo hệ số lắng, rRNA được chia thành nhiều loại: ở eukaryote có rRNA 28S,

18S, 5,8S và 5S, còn các rRNA ở E coli có ba loại: 23S, 16S và 5S.

rRNA chiếm nhiều nhất trong ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến là tRNA và mRNA chỉ chiếm 5%

Ribosome của mọi tế bào đều gồm một tiểu đơn vị nhỏ và một tiểu đơn vị lớn Mỗi tiểu đơn vị có mang nhiều protein và rRNA có kích thước khác nhau

32

- hn RNA( heterogenous nuclear) là những RNA không đồng nhất ở nhân tế bào.

- scRNA (small cytoplasmic) là những RNA nhỏ tế bào chất

Nhìn chung tất cả RNA trong tế bào đều được tổng hợp nhờ enzyme RNA polymerase Enzyme này đòi hỏi những thành phần sau đây:

- Một khuôn mẫu, thường là DNA sợi đôi

- Tiền chất hoạt hóa: Bốn ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP và CTP.Sinh tổng hợp RNA giống DNA ở một số điểm, thứ nhất hướng tổng hợp là 5’ → 3’, thứ hai là cơ chế kéo dài giống nhau: nhóm 3’-OH ở đầu cuối của chuỗi tổng hợp là vị trí gắn kết của nucleoside triphosphate tiếp theo Thứ ba, sự tổng hợp xảy ra do thủy phân pyrophosphate

Tuy nhiên, khác với DNA là RNA không đòi hỏi mồi (primer) Ngoài ra RNA polymerase không có hoạt tính nuclease để sửa chữa khi các nucleotide bị gắn nhầm

Cả ba loại RNA trong tế bào được tổng hợp trong E coli nhờ một loại RNA

polymerase Ở động vật có vu,́ các RNA khác nhau được tổng hợp bằng các loại RNA polymerase khác nhau

Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt

Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình, 1980 Hoá sinh học NXB Y học, Hà Nội

Phạm Thị Trân châu, Trần Thị Áng, 1999 Hoá sinh học NXB Giáo dục, Hà Nội

Hồ Huỳnh Thuỳ Dương, 1998 Sinh học phân tử NXB Giáo dục, Hà Nội

Phạm Thành Hổ, 2001 Di truyền học, (tái bản lần thứ 3) NXB Giáo dục, thành phố Hồ Chí Minh

Tài liệu tiếng Anh

Lodish, H., 2003 Molecular Cell Biology 5th Ed E-book

34

Nelson D L., Cox M M., 2005 Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition Freeman and Company, New York, USA.

Chương 3

HÓA HỌC CARBOHYDRATE

Lê Văn An, Hồ Trung Thông

Carbohydrate là những phân tử sinh học có số lượng lớn nhất trên trái đất Một số loại carbohydrate như tinh bột và đường là nguồn thức ăn chủ yếu của hầu hết mọi nơi trên thế giới và quá trình oxy hóa carbohydrate là con đường khai thác năng lượng trung tâm của hầu hết các tế bào không quang hợp Ở thành tế bào vi khuẩn, thành tế bào thực vật và tế bào của mô liên kết ở động vật, các carbohydrate không hòa tan đóng vai trò là yếu tố cấu trúc hoặc bảo vệ Một số carbohydrate đóng vai trò là chất nhờn để bôi trơn các khớp xương hoặc tham gia vào cơ chế nhận biết hoặc kết dính giữa các tế bào Một số carbohydrate phức tạp khác liên kết chặt chẽ với protein hoặc lipid hoạt động như một tín hiệu và được gọi là glycoconjugate Nhiều loại carbohydrate có công thức cấu tạo là (CH2O)n, một số loại carbohydrate còn chứa nitơ, phosphor, lưu huỳnh Dựa vào kích thước phân tử người ta chia carbohydrate thành ba nhóm: monosaccharide, oligosaccharide và polysaccharide

3.1 Monosaccharide

3.1.1 Định nghĩa

Monosaccharide hay còn gọi là đường đơn là những carbohydrate đơn giản nhất, có tối thiểu 2 nhóm hydroxyl (-OH) và có thể tồn tại dưới một trong hai dạng aldehyde và ketone Tùy theo số lượng carbon mà các monosaccharide có thể được gọi là triose (3 carbon), tetrose (4 carbon), pentose (5 carbon), hexose (6 carbon), …

Monosaccharide có thể tồn tại ở dạng mạch thẳng hoặc mạch vòng Khi ở dạng mạch thẳng, một nguyên tử carbon có liên kết đôi với một nguyên tử oxy để tạo thành nhóm carbonyl (-C=O) còn mỗi một nguyên tử carbon còn lại của phân tử monosaccharide có một nhóm hydroxyl (-OH) Nếu nhóm carbonyl nằm ở cuối cùng của mạch carbon thì sẽ hình thành nhóm aldehyde (-CHO), trong trường hợp này monosaccharide là một aldose Nếu nhóm carbonyl nằm ở bất cứ một vị trí nào khác trên

chuỗi mạch thì sẽ tạo thành nhóm ketone, trong trường hợp này monosaccharide là một ketose (hình 3.1)

3.1.2 Đồng phân lập thể

Tất cả các monosaccharide trừ dihydroxyacetone đều có ít nhất một nguyên tử carbon bất đối xứng, do đó có thể tạo thành các dạng đồng phân lập thể dạng D hoặc dạng L (hình 3.2) Aldose đơn giản nhất là glyceraldehyde có một nguyên tử carbon bất đối xứng, do đó có hai dạng đồng phân lập thể Monosaccharide có n nguyên tử carbon bất đối xứng sẽ có 2n đồng phân lập thể

36

3.1.3 Cấu trúc dạng vòng

Để đơn giản, cấu tạo của các aldose và ketose được thể hiện dưới dạng mạch thẳng Tuy vậy, trong thực tế tất cả các monosaccharide có số nguyên tử carbon ≥ 5 tồn tại chủ yếu dưới dạng mạch vòng trong đó nhóm carbonyl thực hiện liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử oxy của một nhóm hydroxyl trong phân tử monosaccharide Sự hình thành cấu trúc dạng vòng là kết quả của phản ứng giữa alcohol với aldehyde hoặc ketone để tạo thành dẫn xuất gọi là hemiacetal hoặc hemiketal (hình 3.4) Các chất này có thêm một nguyên tử carbon bất đối xứng, do đó có hai đồng phân lập thể được kí hiệu là α và β (hình 3.5 và 3.6)

3.1.4 Các dẫn xuất của hexose

Ngoài các dạng hexose đơn giản như glucose, galactose và mannose, trong cơ thể sinh vật còn có nhiều dẫn xuất khác của đường (hình 3.7) Các dẫn xuất này được hình thành do nhóm hydroxyl của các monosaccharide bị thay thế bằng một nhóm khác hoặc một nguyên tử carbon bị oxy hóa thành nhóm carboxyl, ví dụ glucosamine, galactosamine, mannosamine N-acetylglucosamine là một phần của nhiều loại polymer cấu trúc bao gồm cả thành tế bào vi khuẩn Thành tế bào vi khuẩn còn có thêm một dẫn xuất của glucosamine là N-acetylmuramic acid Sự thay thế nhóm hydroxyl ở vị trí C6 của L-galactose và L-mannose bằng một nguyên tử hydro sẽ tạo thành L-fucose và L-rhamnose, các loại đường khử oxy này được tìm thấy trong polysaccharide của thực vật

và trong cấu tạo của các oligosaccharide của các glycoprotein và glycolipid Sự oxy hóa carbon carbonyl (aldehyde) của glucose đến carboxyl sẽ tạo thành gluconic acid, còn của các aldose khác sẽ tạo thành aldonic acid Sự oxy hóa carbon tận cùng của glucose, galactose, mannose sẽ tạo thành các uronic acid tương ứng: glucuronic, galacturonic, mannuronic acid Ngoài ra, một dẫn xuất của N-acetylmannosamine là N-acetylneuraminic acid (còn gọi là sialic acid) là một thành phần của nhiều loại glycoprotein và glycolipid trong mô bào động vật

38

3.1.5 Một số monosaccharide quan trọng

3.1.5.1 Triose: D-glyceraldehyde (aldotriose) và dihydroxyacetone (ketotriose) là những

sản phẩm chuyển hóa trung gian của carbohydrate

3.1.5.2 Pentose: Ribose và deoxyribose (bị khử oxy ở vị trí C2) là hai pentose quan trọng tham gia cấu tạo nucleic acid

3.1.5.3 Hexose: là loại đường gặp nhiều nhất trong cơ thể sinh vật so với các

monosaccharide khác

- D-glucose: là loại monosaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên, là thành phần cấu

tạo nhiều loại oligosaccharide và polysaccharide như saccharose, tinh bột, glycogen, cellulose Glucose có mặt khắp các dịch và mô bào trong cơ thể động vật, là cơ chất chuyển hóa chủ yếu của carbohydrate trong cơ thể người và động vật

- D-fructose: là một hexose quan trọng, có nhiều trong quả chín Cùng với glucose,

fructose là sản phẩm trung gian của nhiều con đường trao đổi chất quan trọng như đường phân, chu trình pentose, … Trong cơ thể, fructose thường tồn tại dưới dạng β-D-fructofuranose

- D-galactose: là thành phần cấu tạo của lactose (đường sữa).

3.2.2.1 Maltose: có nhiều trong mầm lúa, kẹo mạch nha, Maltose ít tồn tại ở dạng tự

do mà chủ yếu được tạo thành khi thủy phân tinh bột bởi enzyme amylase và khi hạt nảy mầm Maltose được cấu tạo từ hai phân tử D-glucose nối với nhau bằng liên kết glycoside giữa C1 của một gốc glucose với C4 của một gốc glucose còn lại Trong cấu tạo của maltose còn có một nhóm -OH tại vị trí C1 ở trạng thái tự do, do đó maltose là một đường khử

3.2.2.2 Lactose: còn gọi là đường sữa (có trong sữa của động vật và người), là

disaccharide được tạo thành từ một phân tử D-galactose và một phân tử D-glucose Lactose là một disaccharide có tính khử do một nhóm -OH ở vị trí C1 của gốc đường glucose còn ở trạng thái tự do

3.2.2.3 Saccharose: còn được gọi là sucrose hay đường mía, có nhiều trong củ cải

đường, thân cây mía và nhiều loại củ quả khác Saccharose không được tạo ra trong cơ thể động vật Khi thủy phân saccharose bằng acid hoặc enzyme saccharase sẽ thu được α-D-glucopyranose và β-D-fructofuranose Hai phân tử đường đơn này liên kết với nhau bằng liên kết 1,2-glycoside (hình 3.8) Khác với maltose và lactose, saccharose không có tính khử Saccharose là một sản phẩm trung gian quan trọng của quang hợp, trong cơ thể thực vật, saccharose là dạng vận chuyển đường từ lá về các bộ phận khác của cơ thể thực vật

3.3 Polysaccharide

3.3.1 Khái niệm

40