HÓA HỌC ACID AMIN VÀ PROTEIN docx

Phân loại và viết được công thức của 20 acid amin thường gặp trong phân tử protein.. Mô tả được các dạng liên kết trong cấu trúc của peptid và protein, các bậc cấu trúc và tính đặc hiệ

HÓA HỌC ACID AMIN VÀ PROTEIN

MỤC TIÊU

1 Phân loại và viết được công thức của 20 acid amin

thường gặp trong phân tử protein.

2 Trình bày được nguyên tắc phân tích một hỗn hợp acid

amin bằng phương pháp sắc ký trên giấy, sắc ký trao đổi ion, điện đi trên giấy.

3 Mô tả được các dạng liên kết trong cấu trúc của peptid và

protein, các bậc cấu trúc và tính đặc hiệu của protein.

4 Liệt kê được một số peptid có hoạt tính sinh học.

5 Trình bày được các bước xác định thứ tự của các acid amin trong chuỗi polypeptid.

6 Trình bày được phân loại và các chức năng của protein.

1- ĐẠI CƯƠNG

PROTEIN

- Hợp chất hữu cơ, trọng lượng phân tử cao

- Cấu tạo bởi nhiều acid amin nối với nhau bằng liên kết peptid

- Chứa 4 loại nguyên tố : C, H, O, N, có thể có S, PPhân biệt:

ACID AMIN : đơn vị cấu tạo nhỏ nhất của proteinPEPTID : từ 2 đến vài chục (< 50) acid amin M <

6000 (theo qui ước)

PROTEIN:

- > 50 acid amin cho tới cả ngàn hay vài chục ngàn

- Cấu trúc rất phức tạp

- M> 6000

Có 2 loại

- Protein đơn giản (Protein thuần = Holoprotein)

- Protein phức tạp (Protein tạp = Hétéroprotein) : có thêm nhóm ngoại trong phân tử (lipid, glucid, acid nucleic… )

2- ACID AMIN

- Sản phẩm thủy phân cuối cùng của peptid và protein

- Thường gặp 20 acid amin trong phân tử protein

- Cần cung cấp từ thức ăn 10 acid amin (aa cần thiết)

- Một số aa ít gặp trong protein, nhiều aa khác

không gặp trong protein

2.1- Cấu tạo hóa học

2.2- Phân loại

Tùy theo gốc R chia làm 2 loại:

- Acid amin mạch thẳng

- Acid amin mạch vòng

2.2.1- Acid amin mạch thẳng:

Có thể chia làm 3 nhóm tùy theo số nhóm –COOH và –NH2 có trong phân tử

2.2.1.1- Acid amin trung tính: (acid monoamin

monocarboxylic)

Có 9 acid amin, chứa một nhóm amin và một nhóm carboxyl

Gồm các phân nhóm:

*R là chuỗi hydrocarbon no (5 aa)

*R có chứa nhóm OH (2 aa)

2.2.1.2-Acid amin acid (acid monoamin dicarboxylic)Có 1 nhóm amin và 2 nhóm carboxyl (4aa)

- Acid aspartic (Asp)

- Asparagin (Asn)

- Acid glutamic (Glu)

- Glutamin (Gln)

2.2.1.3-Acid amin kiềm (acid diamin

monocarboxylic)

Có 2 nhóm amin và 1 nhóm carboxyl (2aa)-Lysin (Lys)*

-Arginin (Arg)**

2.2.2- Acid amin mạch vòng:

2.2.2.1- Acid amin có nhân thơm (2aa)

-Phenylalanin (Phe)*

-Tyrosin (Tyr)

2.2.2.2- Acid amin chứa dị vòng:

*R có nhân imidazol

H

Selenocystein ( acid L- - amin )

- Tìm thấy trong một số protein

- Một nguyên tử selen thay cho nguyên tử S trong cấu tạo của cystein

- Do selenocystein được kết hợp vào phân tử protein trong quá trình phiên dịch nên nó thường được xem như là “acid amin thứ 21”

OH

NH2HSe

Selenocystein

- Gặp tại trung tâm hoạt động của một số ít enzym như những enzym có tác dụng phân hủy các peroxyd ở động vật và một số it vi khuẩn Củng tìm thấy trong một số enzym tham gia vào quá trình chuyển hóa của các

hormon steroid

- Nhu cầu hàng ngày khoảng vài microgam

- Selenocystein không có trong protein thực vật hay nấm men

-Selenocystein không được mã hóa bởi bộ ba mật mã

như 20 acid amin chuẩn thường gặp trong phân tử

“Acid amin thứ 22” : Pyrrolysin

- Sự phân bố còn hạn chế

- Là thành phần của trung tâm hoạt động của enzym xúc tác phản ứng tạo metan từ methylamin ở một số vk

archeobacterie sinh metan thuộc loài Methanosarcina

O

OH

NH2

N H

O

N

CH3

-Trong quá trình STH protein, Pyrrolysin được vận chuyển bởi 1 ARNt đặc hiệu (ARNt Pyl)

- Anticodon của (ARNt Pyl) nhận biết được một codon stop trên ARNm codon (UAG) và như vậy Pyrrolysin được gắn vào chuỗi polypeptid.

Phân loại dựa vào tính phân cực và không phân cực của gốc R

Không phân cực Phân cực

Glutamin Glycin Histidin

- Ngoài 20 acid amin thường gặp, còn có 1 số acid amin hiếm gặp trong phân tử protein (dẫn xuất của các acid amin thường gặp)

Ví dụ:

- 4-hydroxy prolin (dẫn xuất của prolin); 5-oxy

lysin (dẫn xuất của lysin) có trong colagen và một số protein thực vật

- Monoiodo tyrosin và Diiodo tyrosin (dẫn xuất của tyrosin) có trong globulin của tuyến giáp

Môt số các acid amin hiếm gặp trong phân tử

I

4-hydroxy-prolin 5-oxy lysin

Monoiodo tyrosin Diiodo tyrosin

Một số các acid amin không gặp trong phân tử protein

2.3- Hóa học lập thể

Trừ Glycin, các acid amin khác đều có ít nhất 1 carbon bất đối do đó đều có tính quang hoạt (làm quay mặt

phẳng của ánh sáng phân cực)

- Góc quay đặc hiệu 20

D (D là độ dài sóng của ánh sáng đơn sắc) biểu thị tính quang hoạt

- Góc quay đặc hiệu của acid amin phụ thuộc vào pH dung dịch

- Dấu (+) biểu thị sự quay phải, dấu (-) biểu thị sự

Đồng phân lập thể

Sự sắp xếp của 4 nhóm liên kết với carbon bất đối

Có các dạng đồng phân lập thể (cấu hình L hay D) của acid amin

Đối với glucid glyceraldehyd làm tiêu

chuẩn

Đối với aa serin làm tiêu chuẩn gọi tên

Dạng đồng phân D và L của serin

H-C* Các aa/ protein : đều là LH-C* acid amin

- D-aa chỉ gặp ở thành tế bào của một số vi sinh vật

(D-glutamic ở vỏ vi khuẩn B subtilus)

- Các aa tổng hợp : ở dạng tiêu truyền (D,L aa)

- D và L biểu thị dạng cấu trúc, không chỉ chiều quay của ánh sáng phân cực

- Dạng D và L của cùng một aa có góc quay đặc hiệu bằng nhau và trái dấu

- Số đồng phân lập thể = 2n (n : số C bất đối)

- Đa số aa : có 2 đồng phân lập thể

- Threonin và Isoleucin : 4 đồng phân lập thể

H3

2.4- Tính chất lý học của acid amin

2.4.1- Tính hòa tan

- Dễ tan trong nước ( tùy thuộc vào cấu trúc của gốc R)

- Không, hoặc ít tan trong cồn

- Không tan trong ete (prolin và hydroxy prolin tan /cồn và ete)

2.4.2-Vị

-Vị ngọt kiểu đường

- Leucin không vị, Ile và Arg có vị đắng

- Muối Na của acid glutamic có vị ngọt kiểu đạm

2.4.3- Tính quang hoạt

Các aa đều có (trừ glycin)2.4.4- Phổ hấp thu

Tyrosin, tryptophan,

phenylalanin hấp thu mạnh ở vùng cực tím (240 – 280 nm)

Acid amin khác hấp thu ở  =220nm

2.5- Tính lưỡng tính của acid amin:

Nhóm carboxyl –COOH : thể hiện tính acidNhóm amin – NH2 : thể hiện tính baz

Acid amin có tính lưỡng tính

-Môi trường kiềm: aa phân ly như một acid và thành anion

Trong dung dịch nước: aa bao giờ cũng có 3 dạng ion

pH môi trường thay đổi : nồng độ các ion thay đổi

pHi : điểm đẳng điện

- Ion lưỡng cực nhiều nhất, cation và anion ít nhất và bằng nhau

- Tổng điện tích của các aa = 0 aa không di chuyển trong điện trường

pH môi trường > pHi (kiềm hơn so với pHi)

- aa vẫn có 3 dạng ion, anion chiếm tỷ lệ lớn

- aa di chuyển về phía cực dương

pH môi trường < pHi (acid hơn so với pHi)

- aa vẫn có 3 dạng ion, cation chiếm tỷ lệ lớn

- aa di chuyển về phía cực âm

Ưùng dụng: điện di các acid amin

Ví dụ: điện di hỗn hợp acid amin với dd đệm

pyridin/acid acetic/ nước có pH = 3,9

Điện di đồ thu được

M : hỗn hợp aa 1: aa kiềm 2 : aa trung tính

3 : acid glutamic 4 : acid aspartic

Giải thích:

- Ở pH = 3,9 các aa kiềm và trung tính có pHi > 3,9

tích điện dương và chạy về cực âm

- Ở pH = 3,9 aa acid có pHi < 3,9 tích điện âm và chạy về cực dương

- Acid aspartic có pHi = 2,77 nên chạy xa hơn acid glutamic có pHi = 3,12

Cách tính pHi của các acid amin:

pHi : pH trung bình giữa các giá trị pKa của các nhóm acid yếu

- Đối với một acid amin như alanin chỉ có 2 nhóm

phân ly (R-COOH và NH2)

pHi = pK1+ pK2 = 2,35 + 9,69 = 6,02

2 2Giá trị pK1 (R-COOH) là 2,35 và giá trị pK2 ( NH3+ ) là 9,69

-Đối với acid amin acid hay acid amin kiềm

Ví dụ pHi của acid aspartic

pHi = pK1+ pK3 = 2,09 + 3,96 = 3,02

2 2Đối với lysin thì

pHi = pK2+ pK3

2pHi cũng là pH trung bình giữa các giá trị pKa của nhóm R- COOH (pK1) hoặc NH3+ (pK2) và của gốc R (pK3)

2.6-Tính chất hóa học của acid amin

2.6.1.1-Phản ứng với HNO2

2.6.1.2-Phản ứng với Aldehyd (phản ứng tạo baz Schiff)

-Phản ứng trên chức amin của aa

2.6.1.3-Phản ứng với 2,4 dinitrofluorobenzen (DNFB) = Phản ứng Sanger

N C S NH C NH CH R

COOH S

N

NH R

2.6.2-Hóa tính của nhóm Carboxyl

2.6.2.1- Phản ứng khử nhóm carboxyl

CH R

- Các carboxylase có tính chuyên biệt với 1 aa hay

1 nhóm giới hạn

-Có nhiều các amin loại này trong cơ thể

-CO2-CO2-CO2

2.6.3- Hóa tính do 2 chức NH2 và COOH : phản ứng với Ninhydrin

Ninhydrin + acid amin CO2 + NH3 + aldehyd

+ Ninhydrin bị khửNinhydrin bị khử ngưng tụ với Ninhydrin không bị khử

Sản phẩm màu xanh tím

Ứng dụng : định tính, định lượng acid amin (sắc ký, điện di)

Các acid imin cho màu vàng nhạt với Ninhydrin

H H

H

CH R

2.6.4- Hóa tính của gốc R

Phản ứng tạo muối : nhóm – COOH và NH2

Phản ứng oxy hóa khử : nhóm –SH của cystein

Phản ứng nitro hóa và halogen hóa : nhân thơm của

phenylalanin và tyrosin

Phản ứng ester hóa : nhóm –OH alcol của serin và

2.7-Phân tích hổn hợp acid amin-Phương pháp sắc ký

-Phương pháp điện di

-Phương pháp vi sinh vật

2.7.1- Sắc ký trên giấy

Giấy lọc

Hướng di chuyển của dung môi

b

Rf = a/b a: khoảng cách từ điểm xuất phát đến tâm của acid amin muốn xác định

b: khoảng cách từ điểm xuất phát đến tiền

tuyến của dung môi

2.7.2- Sắc ký trao đổi ion

- Thường dùng cationit gắn Na+

- Dung dịch acid (pH=3) của hổn hợp acid amin

- Acid amin sẽ tích điện dương, đẩy Na+ ra và kết hợp vào

- Dùng dung dịch tách để tách các acid amin ra từng phân đoạn (có sự tăng dần pH và nồng độ NaCl)

- Hoặc là sản phẩm dở dang của protein

3.1- Cấu tạo và danh pháp

3.1.1- Cấu tạo

Các aa nối với nhau bằng liên kết peptid

3.1.2- Danh pháp

- Di, Tri, Tetra… polypeptid

- Gọi theo tên thông dụng : Glucagon, Insulin

- Theo danh pháp hóa học

3.2- Các liên kết ảnh hưởng đến cấu trúc của peptid và protein

3.2.1- Liên kết peptid

- Liên kết cơ bản mà các acid amin kết hợp với nhau

trong phân tử peptid và protein

-Liên kết amid (liên kết đồng hóa trị) tức là liên kết

được tạo thành do sự kết hợp giửa nhóm -COOH của acid amin này với nhóm -NH2 của acid amin kia (hoặc nhóm imin của prolin và hydroxy prolin) loại đi một

phân tử nước

CH R

N H

Liên kết peptid

-Đặc điểm : nguyên tử oxy của nhóm carboxyl ở vị trí

trans đối với nguyên tử hydro của nhóm NH

-Các nguyên tử trong nhóm peptid đều nằm trên một mặt phẳng

3.2.2- Các liên kết khác

-Có vai trò quan trong trong việc hình thành và duy trì cấu trúc bậc II, bậc III và bậc IV của protein

- Đó là các liên kết : disulfur, liên kết hydro, liên kết muối…

3.2.2.1- Liên kết disulfur (S-S)= cầu disulfur

- Liên kết đồng hóa trị được tạo thành do sự kết hợp giữa hai phân tử Cystein với nhau, loại đi 2 H

Cys- SH

+

- Hình thành giửa 2 Cystein/cùng một chuổi polypeptid hoặc giửa 2 Cystein thuộc 2 chuỗi polypeptid khác nhau

S

Cys Cùng 1 chuỗi

Giữa 2 chuỗi

3.2.2.2-Liên kết hydro

- lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử hydro thừa điện

dương và nguyên tử oxy thừa điện âm

- là liên kết yếu nhưng nhiều,

-tác dụng to lớn trong việc hình thành và duy trì cấu trúc không gian của chuỗi polypeptid, đặc biệt là cấu trúc bậc II của protein

N H

R CH

C O

NH

CH R C O

N N C R

H

C O

C H

R N H

C O

C N R

H H C O

C H

3.2.2.3-Liên kết muối (liên kết ion)

- lực hút tĩnh điện giữa các nhóm –COO- (của acid amin acid : Glu, Asp) và các nhóm NH3+ (của acid amin kiềm : Lys, Arg)

CH2

C

O O

NH3+

-Các tương tác không phân cực khác :

- Gốc phenyl của phenylalanin

- Nhóm – CH3 của Alanin, Leucin

- Nhóm – C2H5 của Isoleucin…

3.3- Tính chất của peptid

3.3.1- Tính acid-baz

3.3.2- Tính chất hóa học

- DNFB, PITC (nhóm -amin)

- Khử, loại nhóm carboxyl

- Phản ứng của gốc R

- Biuret (CuSO4/ môi trường kiềm)

3.4- Cách xác định thứ tự acid amin trong chuổi

polypeptid

3.4.1- Phân tích thành phần acid amin

-Thủy phân hoàn toàn chuổi polypeptid

HCl N ở 100-120 độ C /10 – 24 giờ

Nhược điểm :

- Tryptophan bị phá hủy hoàn toàn

- Serin và threonin bị phá hủy một phần

- Glutamin và asparagin chuyển thành acid glutamic, acid aspartic và NH4+

*Thủy phân bằng kiềm nóng

- Cystein, Serin và Threonin bị phá hủy

- Các acid amin đều bị racemic hóa

- Tryptophan không bị phá hủy

-Xác định thành phần acid amin

+ Sắc ký

+ Điện di

Định tínhĐịnh lượng

Số lượng của các acid amin

3.4.2- Xác định acid amin N tận của chuổi polypeptid

-Phản ứng Sanger

DNFB + H2N- peptid DNP-peptid + HF

DNP-peptid

DNP-aa(N tận) + (n-1) aa tự do

So với các DNP-aa mẫu

Thủy phân = HCl ở 100o C

OH- yếu (n acid amin)

Không màu, dễ

tách và xác định

bằng sắc ký so

với chuẩn

PITC

PTC-peptid

Phenylthiohydantoin

3.4.3- Xác định acid amin C tận của chuỗi polypeptid

-Sắc ký so với các alcol -amin mẫu

b- Bằng carboxypeptidase đặc hiệu (cắt đứt liên kết peptid của aa C tận)

- Sắc ký so với các aa mẫu

3.4.4- Thủy phân polypeptid thành những peptid nhỏ

- Cắt các polypeptid thành những peptid nhỏ hơn

- Xác định thứ tự của các peptid nhỏ này

- Suy ra thứ tự của chuỗi polypeptid

Thường dùng các enzym peptidase đặc hiệu : chymotrypsin, trypsin, pepsin, carboxypeptidase hoặc hoá chất

Tách các đoạn peptid nhỏ (điện di, sắc ký)Xác định thành phần aa, aa C tận, N tận của chúngTổng hợp để xác định thứ tự của chuỗi polypeptid

3.5- Vài peptid có hoạt tính sinh học

3.5.1-Glutathion G-SH

- Gồm Glu-Cys-Gly

- -COOH của Glu tham gia vào liên kết peptid với -NH2 của Cys

- Tham gia vào các phản ứng oxy hoá khử

- Là peptid nội bào phổ biến nhất (có ở tim,gan thận, phổi,hồng cầu…)

3.5.2- Peptid hormon

- Oxytocin, Vasopressin ( 9aa)

- Glucagon (29 aa)

- Insulin ( 51aa)

3.5.3- Peptid kháng sinh

- Penicillin (Penicilinum notatum) (peptid có chứa valin, cystein)

- Gramicidin ( Bacillus brevis) (10 aa vòng)

4- PROTEIN

- Cấu tạo bởi nhiều aa nối với nhau bằng liên kết

peptid

- Ranh giới giữa polypeptid và protid không rõ rệt

- M > 6000 (theo qui ước)

4.1- Cấu trúc của Protein

4 bậc:

Cấu trúc bậc I :

Biểu thị thứ tự của các aa trong chuỗi polypeptid hoặc nhiều chuỗi polypeptid và vị trí của các cầu disulfur (nếu có)

Cấu trúc bậc II :

Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptid (điển hình là

cấu trúc bậc II của protein sợi) Liên kết hydro giữ vai trò quan trọng trong cấu trúc bậc II

Cấu trúc bậc III:

Biểu thị sự xoắn và gấp khúc của chuỗi polypeptid Liên kết disulfur đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc này

Cấu trúc bậc IV :

Biểu thị sự kết hợp của nhiều chuỗi polypeptid có cấu trúc bậc III trong phân tử protein

- Mỗi chuỗi polypeptid: bán đơn vị

- Liên kết bởi lk hydro, tương tác Van der Waals

Bốn bậc cấu trúc của protein

(a) cấu trúc bậc I ( trình tự các acid amin) (b) cấu trúc bậc II

(c) cấu trúc bậc III

(d) cấu trúc bậc IV

Cấu trúc bậc III của myoglobin

Cấu trúc bậc IV của hemoglobin

4.2-Phân loại protein:

- Theo nguồn gốc : động vật hay thực vật

- Theo chức năng : enzym, hormon, cấu tạo

- Theo cấu trúc : cầu, sợi

- Theo thành phần hoá học

* Protein thuần (Holoprotein)

* Protein tạp (Hétéroprotein)

4.2.1-Protein thuần:

- Albumin : sữa, trứng, huyết thanh

- Globulin: huyết thanh, mô và các dịch sinh vật

- Protamin: protein kiềm có trong tế bào trứng

- Histon : protein kiềm có trong nhân tế bào động vật

- Keratin: protein sợi có chủ yếu trong lông, tóc, móng, sừng có nhiều cystein

- Colagen: protein sợi của mô liên kết

- Prolamin và glutelin : protein thực vật, có nhiều trong các hạt

4.2.2-Protein tạp:

- Nucleoprotein : một hoặc nhiều phân tử protein +

acid nucleic (nucleohiston)

- Glucoprotein : nhóm ngoại là glucid hay dẫn xuất của glucid (mucoprotein với nhóm ngoại là

mucopolysaccarid ở xương,sụn)

- Cromoprotein : nhóm ngoại là chất màu (hemoglobin

có nhóm ngoại là porphyrin + Fe2+)

- Lipoprotein : nhóm ngoại là lipid (phosphatid, sterol, acid béo)

- Phosphoprotein : nhóm ngoại là acid phosphoric ( casein của sữa)

- Metaloprotein : protein có kim loại (Fe, Cu, Zn, Mg…)(ferritin của gan và lách có 20% Fe 3+