giáo trình hóa sinh động vât

Sách gồm 10 chương đề cập tới hầu hết các nội dung của sinh học phân tử về vấn đề cấu trúc vμ quá trình chuyển hoá vật chất cấu tạo nên cơ thể sống, như protein, acid nuclei sống, như p

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

nguyÔn v¨n kiÖm (Chủ biên)

nguyÔn v¨n k×nh , nguyÔn v¨n mïi

Ho¸ sinh §éng vËt

Animal Biochemistry

Lời nói đầu Lời nói đầu

tại vμ phát triển một cách bình thường

Hoá sinh động vật được xuất bản lần nμy với mục đích phục vụ chủ yếu cho các bạn đọc của ngμnh chăn nuôi thú y ở các trường

cho các bạn đọc của ngμnh chăn nuôi thú y ở các trường nông nghiệp vμ các nông nghiệp vμ các ngμnh có liên quan Các vấn đề đều được cập nhật tới năm 2004.

ngμnh có liên quan Các vấn đề đều được cập nhật tới năm 2004

Sách gồm 10 chương đề cập tới hầu hết các nội dung của sinh học phân

tử về vấn đề cấu trúc vμ quá trình chuyển hoá vật chất cấu tạo nên cơ thể sống, như protein, acid nuclei

sống, như protein, acid nucleic, các quá trình phiên mã vμ giải mã ADN, quá c, các quá trình phiên mã vμ giải mã ADN, quá trình chuyển hoá, hấp thu các chất trong cơ thể, quá trình tổng hợp ATP, việc tạo vμ sử dụng năng lượng cho các hoạt động sống Sự điều hoμ các quá trình trao đổi chất hay sự kháng lại các tác nhân gây bệnh.

trao đổi chất hay sự kháng lại các tác nhân gây bệnh

Nội dung của cuốn sách còn chứa đựng nhiều khía cạnh khoa học có tính thời sự như sự hoμn thiện vμ định cư của các chuỗi polypeptide

tính thời sự như sự hoμn thiện vμ định cư của các chuỗi polypeptide sau khi được sau khi được tổng hợp Đây lμ cơ sở của bệnh lý học ở mức phân tử, tế bμo.

tổng hợp Đây lμ cơ sở của bệnh lý học ở mức phân tử, tế bμo

Hoá sinh động vật với nội dung hiện hữu của nó cũng có thể lμ tμi liệu Hoá sinh động vật với nội dung hiện hữu của nó cũng có thể lμ tμi liệu tham khảo hữu ích cho các sinh viên thuộc các trường khoa học cơ bản, các trường sư phạm, các trường y, dược học.

để cuốn sách ngμy cμng hoμn thiện hơn.

để cuốn sách ngμy cμng hoμn thiện hơn

Mục lục

Trang

mở đầu Sinh hoá học vμ vai trò của sinh hoá học

2.1 Axit amin - đơn vị cấu tạo nên protein 4

5 Sequence amino axit chuyên hoá cấu trúc không gian của protein 23

6 Sự gắn đặc hiệu và những thay đổi cấu trúc là cơ sở của tác động protein 26

Chương II

Axit nucleic và cơ chế di truyền tế bào

PGS.TS Nguyễn Văn Mùi, TS Nguyễn Văn Kiệm

34

2.5 Cấu trúc bậc III và siêu cấu trúc của axit nucleic 49

Chương III

ENzyme

PGS.TS Nguyễn Văn Kình, TS Nguyễn Văn Kiệm

71

3.1 Hai nguyên lý cơ bản về tác dụng của hormone 104

Trao đổi vật chất và năng lượng

PGS.TS Nguyễn Văn Kình, TS Nguyễn Văn Kiệm

2 Phân loại gluxit 143

4.2 Cách phân giải yếm khí glucose ở mô bào động vật - Quá trình đường phân 154

4.4 Sự lên men vi sinh vật tạo thành các sản phẩm có giá trị thương mại 170 4.5 Các monosaccharide khác có thể đi vào con đường đường phân 170

5.2 Các con đường thứ cấp của sự oxy hoá glucose 192

6 Sơ lược về vai trò và sự chuyển hoá các dạng lipoide 225

Chương VIII

Trao đổi protein

PGS.TS Nguyễn Văn Kình, TS Nguyễn Văn Kiệm

228

7.1 Sự chuyển hoá của hemoglobin 244

10 Sự loại trừ alen đảm bảo cho kháng thể có tính đặc hiệu cao 290

11 Sự chuyển đổi tự dạng liên kết màng đến dạng tiết của một kháng thể 290

M Ở ĐẦU

HOÁ SINH H ỌC VÀ VAI TRÒ CỦA HOÁ SINH HỌC

Hoá sinh học là môn học cơ sở, có nhiệm vụ nghiên cứu sự sống về mặt hoá học trên hai

phương diện:

Nghiên cứu về cấu tạo, thành phần hoá học, tính chất lý hoá, chức năng sinh học của các

chất trong cơ thể sống: máu, cơ, não, sinh dịch

Nghiên cứu về sự chuyển hoá của các thành phần cấu tạo nên cơ thể sống, đó là sự trao đổi vật chất (TĐVC) ở trong cơ thể, là các quá trình chuyển hoá, sự biến đổi của các chất, sự

tổng hợp, phân giải từ những sản phẩm chuyển hoá tạo nên những chất cấu tạo nên cơ thể

TĐVC giữa cơ thể sống và môi trường gồm nhiều mặt, nhiều quá trình có liên quan chặt chẽ

với nhau, để dễ hiểu người ta tách chúng ra thành từng quá trình như trao đổi protein, trao đổi lipid, trao đổi đường

Từ hoá sinh lần đầu tiên được nhà hoá học Đức Carl Neuberg (1903) đề xuất từ hai chữhoá và sinh ( Biochemistry, Bio: là sự sống)

Hoá sinh được hình thành từ sự phát triển của các môn hoá học và sinh học vào cuối thế

kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, dựa vào sự tiến bộ của các ngành khoa học vật lý, hoá phân tích

với các công trình như tổng hợp được ure (Waller, 1828), vai trò của diệp lục trong quang hợp (Timirazep, 1843 – 1920), chất xúc tác sinh học của Enzyme (Kirgop, Pasteur, Buchner) Sang thế kỷ XX nhiều phát minh về hoá sinh được ghi nhận, năm 1926 Enzyme có bản chất protein được xác định, ATP được chiết xuất (Fiske và Subbarow, 1929), Hans Krebs (1937) tìm ra chu trình acidxidric Năm 1944, Avery, Maclesa và Mac Carty chỉ ra DNA là cơ sở của

sự di truyền mở đầu cho hoá sinh di truyền Kennedy và Lehninger (1950) tìm ra sự hô hấp tếbào sản sinh ra ATP ở ty thể Emil Fischer (1953) đã xác định được toàn bộ thứ tự các acid amin trong cấu trúc bậc I của Insuline Jemes Watson và Francis Crick (1954) đã tìm ra cấu trúc của DNA Năm 1961 Nirenberg và Matthei đã tìm ra được chuỗi poli U mã hoá cho Phe Song song với việc tìm ra cấu tạo, vai trò và thành phần hoá học của sự sống, hoá sinh cũng khám phá được nhiều cơ chế hoá học cụ thể của từng khâu quan trọng nhất trong quá trình trao đổi vật chất của cơ thể như sự hô hấp tế bào, hoạt động xúc tác của Enzyme, cơ chếquang hợp của cây xanh, cơ chế tiêu hoá hấp thu ở động vật, cơ chế vận chuyển qua màng, Cùng những năm 60 của thế kỷ XX Jacob và Monod đã tìm ra sự điều hoà gen tổng hợp protein và một loạt các quá trình sinh tổng hợp purin, acid amin, glucid, lipid lần lượt được sáng tỏ Ngày nay với sự hoàn thiện về kỹ thuật xác định trình tự DNA và việc áp dụng tựđộng hoá và tin học hoá đã cho phép giải mã toàn bộ thể gen (genome) của nhiều loài sinh

vật

Hoá sinh có vai trò quan trọng trong toàn bộ lĩnh vực phát triển sinh học Nhờ sự phát triển nhanh chóng và những phát kiến do hoá sinh mang lại mà nhiều cuộc “cách mạng”trong sinh học đã bùng nổ, đã giải quyết được nhiều vấn đề lớn cho yêu cầu của con người như vấn đề bệnh tật của con người và vật nuôi, vấn đề gây đột biến gen đã tạo nên hàng loạt cây trồng có tính kháng sâu bệnh, có năng suất đột biến để giải quyết vấn đề lương thực và

Hoá sinh đã giữ vai trò là công cụ quan trọng trong sự phát triển của sinh học phân tử và hàng loạt các ngành hoá sinh ra đời như hoá sinh miễn dịch, công nghệ hoá sinh, hoá sinh lâm sàng

Hoá sinh cũng là cơ sở của hàng loạt các ngành như di truyền học, dược học, nhân và

tạo giống gia súc, dinh dưỡng học

Sinh vật biến đổi gen hay là sinh vật chuyển gen (genetically modified organisms - GMO) là một bản anh hùng ca (epic event) của thời đại và có một ý nghĩa vô cùng to lớn trong lĩnh vực Sinh học Ngoài tính chính xác trong việc thêm đặc tính mới, sự chuyển gen hay sự biến nạp gen còn cho phép xoá bỏ ranh giới giữa các giống, loài nghĩa là vượt qua

được “hàng rào tự nhiên” trong công tác tạo giống Đây là một vấn đề chưa từng có trong

lịch sử ứng dụng các nghiên cứu Hoá sinh học

Trong khuôn khổ của ngành chăn nuôi-thú y, những kiến thức mà hoá sinh mang lại sẽgiúp cho những nhà chăn nuôi và bác sĩ thú y không những hiểu biết cơ bản về hiện tượng

sống, bản chất của quá trình trao đổi vật chất trong cơ thể, cơ chế và những nguyên nhân gây nên bệnh tật để từ đó có thể chủ động đề xuất các biện pháp tác động nhằm tăng năng suất

và chất lượng các sản phẩm thịt, sữa, trứng đồng thời có biện pháp phòng chống bệnh cho vật nuôi để nâng cao được hiệu quả trong ngành

CH ƯƠNG I

1 khái ni ệm và Chức năng của protein

1.1 Khái niệm: Protein - đi từ chữ Proteios của Hy Lạp nghĩa là "tầm quan trọng số

m ột" Một từ của Jửns J Berselius năm 1938 để nhấn mạnh tầm quan trọng của những phân

t ử này.

V ề mặt hoá học: Protein là một polyme tự nhiên được cấu tạo từ các monome là các

acid amin

V ề mặt sinh học: Protein là chất mang sự sống Điều này đã được Angel viết: “Sự sống

là phương thức tồn tại của các thể protein và phương thức tồn tại này, về thực chất, là sự đổi mới thường xuyên của các cấu tử hoá học trong những thể protein này” Thật vậy xét về các

mặt thể hiện của sự sống, chúng ta đều gặp sự tham gia của protein như sự di chuyển trong không gian của sinh vật là nhờ chức năng co dãn của protein có dạng sợi, dạng cầu trong tơ cơ

đó là miozin và actin Sự tiêu hoá, chuyển hoá các chất là nhờ các protein enzyme Sự tự vệcủa cơ thể là nhờ protein loại bạch cầu, các kháng thể

Protein có trong tất cả các loại tế bào với tỷ lệ khác nhau (% so với khối lượng vật chất khô): lúa: 6-12, ngô: 9-13, đậu tương: 29-50, gan: 57, xương: 28, cơ vân: 80

1.2 Chức năng của protein: Protein giữ vai trò rất quan trọng trong tất cả các quá

trình sinh h ọc Ý nghĩa đáng kể của chúng được thể hiện qua các chức năng sau đây:

T ạo hình: Protein là thành phần cấu tạo của các tế bào, kể từ siêu khuẩn đến các tế bào

có nhân, các mô, các sinh dịch

Xúc tác sinh h ọc: đó là vai trò của các enzyme-một loại protein đặc biệt, dưới tác dụng

của chúng, giúp cho các phản ứng hoá sinh học xẩy ra

Điều hoà chuyển hoá: đó là các protein hormone, giúp cho các phản ứng trong tế bào

xảy ra đúng chiều hướng, đúng cường độ mà cơ thể đòi hỏi

V ận chuyển các chất: Ví dụ Hb vận chuyển khí, Transferin vận chuyển sắt, Xytocrom

vận chuyển điện tử

Ch ức năng co duỗi, vận động: sự vận động của cơ thể là nhờ chức năng co dãn của

protein miozin và actin trong tơ cơ

Ch ức năng bảo vệ cơ thể: là nhờ các kháng thể, các bạch cầu Các kháng thể là các

protein đặc hiệu cao, nó nhận biết và kết hợp với các chất lạ như virus, vi khuẩn và các tế bào

từ các cơ thể khác Vì thế protein giữ một vai trò sinh tử trong việc phân biệt giữa mình (self)

và không phải mình (nonself)

Tr ợ giúp cơ học (Mechanical support) Sự kéo căng của da và xương là do collagen-

một protein sợi

võng mạc Các protein Receptor cũng có thể được tạo ra bởi các phân tử nhỏ đặc hiệu chẳng

hạn như Acetylcholine, nó đáp ứng cho sự vận chuyển xung thần kinh ở các synaps (khoảng không giữa tế bào thần kinh và các các mô bào khác)

Ki ểm soát sự sinh trưởng và biệt hoá Sự kiểm soát thông tin di truyền là cần thiết để

sinh trưởng và biệt hoá có trật tự của tế bào Chỉ có một phần nhỏ genome của một tế bào là được biểu hiện ở một thời điểm nào đó Ở vi khuẩn, các protein kìm hãm là các yếu tố kiểm soát quan trọng các đoạn đặc hiệu "im lặng" của DNA của một tế bào Ở các cơ thể có tổ chức cao hơn, sự sinh trưởng và biệt hoá được kiểm soát bởi các protein yếu tố sinh trưởng Chẳng hạn, yếu tố sinh trưởng thần kinh hướng dẫn sự hình thành mạng lưới neuron Hoạt tính của các tế bào khác nhau trong các cơ thể đa tế bào được điều phối bởi các hormone Chẳng hạn

như Insuline và hormone tuyến giáp đều là protein Như vậy, protein hoạt động trong các tếbào như là các cảm thụ quan (sensor) kiểm soát dòng năng lượng và các quá trình khác

Cung c ấp năng lượng: khi bị phân giải 1 gam protein cung cấp cho cơ thể 4,1 kcal

2 C ấu tạo của protein

Protein được cấu tạo từ các nguyên tố hoá học phổ biến trong tự nhiên và theo một tỷ lệ

là (% khối lượng protein):

C: 50-54%; O: 20-23%; H: 6-7%; N≈ 16% Ngoài ra còn có S, P, Fe,

Ở protein cấu trúc là cơ sở của chức năng, nên việc tìm hiểu về cấu trúc của chúng là

vấn đề số một Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và từ đó cũng có hàng loạt các phương pháp, phương tiện và đi đôi với chúng là hàng loạt các phát hiện mới trong cấu trúc của protein như cấu trúc của các hormone, các enzyme, các kháng thể và đặc biệt là cấu trúc DNA

Trước hết phải hiểu được đơn vị cấu tạo nên mọi loại protein đó là các acid amin

2.1 Acid amin- đơn vị cơ bản cấu tạo nên protein

có bản chất khác nhau Nhóm R được biểu thị như là một chuỗi bên Gốc R khác nhau và tạo nên các acid amin khác nhau Trong tự nhiên người ta đã tìm được 250 loại acid amin nhưng protein trong cơ thể sinh vật mặc dù khác nhau cũng chỉ chứa trong số 20 loại acid amin nhất định mà thôi

Các acid amin trong dung dịch pH trung tính chủ yếu ở dạng lưỡng cực (Zwidterions)

hơn là dạng các phân tử không ion hoá Trong dạng lưỡng cực của acid amin thì nhóm amin ở

dạng (-NH3+

) và nhóm Carboxyl bị phân ly (- COO

-) Trạng thái ion hoá của một acid amin thay đổi theo pH Trong dung dịch acid (pH =1) nhóm Carboxyl không bị ion hoá (- COOH)

và nhóm amin lại bị ion hoá (- NH3+)

(Dạng không Ion hoá) (Dạng Ion lưỡng cực hoặc Zwidterion)

Trong dung dịch kiềm (pH =11), nhóm Carboxyl bị ion hoá (- COO

-) và nhóm amin lại không bị ion hoá (-NH2) Đối với Glycine, pK của nhóm Carboxyl là 2,3 và của nhóm amin là 9,6 Nói một cách khác, là điểm giữa của sự ion hoá thứ nhất ở pH 2,3 và sự ion hoá thứ hai ở

pH 9,6

Khối tứ diện của 4 nhóm bao quanh nguyên tử carbon α tạo nên hoạt tính quang học trên các acid amin Hai dạng hình ảnh đối diện qua gương được gọi là đồng phân quay cực trái L và đồng phân quay cực phải D Chỉ những L acid amin mới tham gia cấu trúc Protein

Có 20 loại chuỗi bên khác nhau về kích thước, hình dạng, diện tích, khả năng liên kết Hydrogen cũng như tính phản ứng hoá học thường thấy ở các protein Thật vậy, các protein trong tất cả các mẫu từ vi khuẩn tới người đều được cấu trúc từ cùng một bộ 20 acid amin Những chức năng quan trọng của protein là do tính đa dạng và sự linh hoạt của 20 loại acid amin này Chúng ta sẽ khảo sát những phương thức mà điều cơ bản này đã tạo nên cấu trúc không gian 3 chiều phức tạp để cho protein có thể thực hiện được nhiều quá trình sinh học Đơn giản nhất là glycine, nó có đúng một nguyên tử Hydrogen ở chuỗi bên (Hình 1.1)

Tiếp đó là Alanine, có một nhóm methyl Các chuỗi bên hydrat carbon lớn hơn (3 và 4 C ) có

ở valine, leucine và isoleucine Những chuỗi bên lớn hơn này là kỵ nước (Hydrophobic) tức là

nó ghét nước và thích cụm lại Cấu trúc 3 chiều của các protein hoà tan trong nước được ổn định bởi sự cụm lại của các chuỗi bên kỵ nước Hình dạng và kích thước của các chuỗi bên hydrat carbon này (Hình 1.1) làm cho chúng có thể bao với nhau tạo nên cấu trúc đặc cùng với các lỗ

Hình 1.1: Công th ức của các acid amin có chuỗi bên béo

Proline cũng có một chuỗi bên nhưng khác với chuỗi bên của các thành viên khác của acid amin là nó gắn cả với nguyên tử nidrogen và cả nguyên tử carbon α Cấu trúc chu trình được tạo thành (Hình 1.2) ảnh hưởng đáng kể đến kiến tạo protein Proline thường thấy ở

những chỗ thắt nút của chuỗi protein cuộn, và không ghét nước

C OH O

Hình 1.2 C ấu trúc phân tử Proline

3 acid amin có chuỗi bên thơm (Hình 1 3) là Phenylalanine như tên của nó đã chỉ rõ,

có chứa một vòng phenyl gắn với một nhóm methylene (- CH2 -) Vòng thơm của Tyrosine

chứa một nhóm Hydroxyl tạo cho Tyrosine ít kỵ nước hơn so với Phenylalanine Tuy nhiên, nhóm Hydroxyl này có tính phản ứng ngược lại với các chuỗi bên trơ của các amin acid khác Tryptophan có một vòng indole nối với một nhóm methylene; chuỗi bên này có một nguyên

tử nidrogen thêm vào các nguyên tử carbon và hydrogen Phenylalanine và Tryptophan kỵnước cao Vòng thơm của Phenylalanine, Tryptophan và Tyrosine có chứa mây điện trở ∏không định vị (delocalized) làm cho chúng tương tác được với hệ thống ∏ khác và với các điện tử vận chuyển

Nguyên tử lưu huỳnh có ở chuỗi bên của 2 α-aminoacid (Hình 1.4) Cystein chứa một nhóm sulfhydryl (- SH) và Methionine chứa một nguyên tử lưu huỳnh trong liên kết Thioester (- S - CH3) Cả 2 chuỗi bên chứa lưu huỳnh đều ghét nước Nhóm sulfhydryl của Cystein có tính phản ứng cao Cystein giữ một vai trò đặc biệt trong cấu hình của một số protein bằng cách tạo các liên kết disulfide

Hình 1.4: Các acid amin ch ứa lưu huỳnh

Hai acid amin Serine và Threonine có chứa các nhóm Hydroxyl (Hình 1.5) Nhóm Hydroxyl trên Serine và Threonine làm cho chúng ưa nước hơn và có tính phản ứng hơn Alanine và Valine Threonine cũng giống như Isoleucine có chứa 2 trung tâm bất đối Tất cảcác acid amin khác trong bộ cơ bản 20 trừ glycine đều có 1 trung tâm bất đối (nguyên tửcarbon α) Glycine là chất duy nhất (unique) bất hoạt quang học

Hình 1.3: Các acid amin th ơm.

Hình 1.5: Các acid amin ch ứa nhóm OH

Các acid amin có chuỗi bên rất phân cực và làm chúng ưa nước là Histidine, Lysine và Arginine Lysine và Arginine tích điện dương ở pH trung tính Histidine có thể không tích điện hay tích điện dương, tuỳ thuộc vào môi trường của nó Histidine thường thấy ở các vị trí

hoạt hoá của Enzyme, ở đó vòng imidazole có thể chuyển đổi giữa các trạng thái để xúc tác bẻgãy các liên kết

Những acid amin kiềm được ghi trong hình (1.6) Các chuỗi bên của Arginine và Lysine

là dài nhất trong số 20 acid amin

Hình 1.6: Các acid amin ki ềm tính

Các acid amin chứa chuỗi bên acid là Aspartic và glutamic Các acid amin này thường

gọi là Aspartate và glutamate để nhấn mạnh rằng chuỗi bên của chúng gần như luôn luôn tích điện âm ở điều kiện pH sinh lý (Hình 1.7) Những dẫn xuất không tích điện của glutamate và aspartate là glutamine và asparagine

H 2 N CH C

CH2

OH O

CH2

C OH O

Axit Glutamic

H2N CH C

CH 2

OH O

C

NH2O

Asparagin

H2N CH C

CH2

OH O

CH 2

C

NH2O

Glutamin

Hình1.7: Các acid amin có tính acid và các amide c ủa chúng

Ngoài ra còn 2 acid amin có chuỗi bên là nhóm kị nước và có chứa lưu huỳnh là Nor leucin và Cystin là dẫn xuất của Leucin và Cystein

Giá trị pK đặc trưng và cân bằng đối với sự ion hoá chuỗi bên của Arginine, Lysine, Histidine, Aspartic và Acid glutamic, Cysteine và Tyrosine được ghi trong bảng (1.1) Hai nhóm khác trong protein: nhóm cuối α amin (α amin terminal) và nhóm cuối α carboxyl (αcarboxyl terminal) có thể bị ion hoá cũng được ghi trong bảng này

Các acid amin thường được ký hiệu hoặc bằng 3 chữ viết tắt hoặc một chữ tượng trưng

để dễ dàng trong thông tin (bảng 1.2)

Viết tắt của các acid amin là 3 chữ đầu tiên tên acid amin trừ trường hợp Acid glutamic (Glu), Acid apartic (Asp), Asparagin (Asn), Glutamine (Gln) và Isoleucine (Ile), Nor leucin (Nor leu) Những tượng trưng của một số ít acid amin là chữ đầu tiên tên acid amin (tức là G cho Glycine và L cho Leucine)

2.1.2 Phân lo ại acid amin

Phân loại theo hoá học: liên kết thẳng, liên kết vòng; trung tính, acid, base

Phân loại theo sinh lý (giá trị dinh dưỡng): acid amin là những chất dinh dưỡng cực kỳquan trọng đối cơ thể, khi người ta nói đến thức ăn cần có protein tức là cần có các acid amin

Ở cơ thể động vật cao đẳng (người và gia súc) khả năng tự tổng hợp acid amin bị hạn chế, trong số 20 acid amin cần thiết để tổng hợp protein thì những động vật đó chỉ tổng hợp được trên dưới 10 loại Những acid amin mà cơ thể không tự tổng hợp được người ta gọi là "acid

amin c ần thiết", còn những acid amin cơ thể tự tổng hợp được được gọi là "acid amin không

cần thiết" Do khả năng của mỗi loài động vật khác nhau nên số "acid amin cần thiết" cũng khác nhau, thông thường gồm 9 loại sau: Tre, Met, Val, Leu, Ileu, Lyz, Phe, Try, His Các acid amin cần thiết này còn phụ thuộc vào lứa tuổi ví dụ ở gà con lại cần Gly và Arg, khi

trưởng thành thì lại không cần nữa vì chúng tự tổng hợp được

Acid amin trong cơ thể ở dạng đồng phân quay cực trái (dạng L)

2.2 C ấu trúc bậc I của protein

2.2.1 Định nghĩa: Đây là cách liên kết giữa các acid amin lại với nhau bằng liên kết

peptide để tạo nên chuỗi peptide:

- C - N -

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜ ⎜⎜⎜⎜

O H

Liên kết peptide là liên kết hình thành bởi nhóm định chức carboxyl của acid amin này

với nhóm định chức amin của acid amin bên cạnh Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững, để phá vỡ liên kết này, trong phòng thí nghiệm người ta phải dùng những tác nhân

mạnh như acid HCl, H2SO4 với nồng độ 4-6 N đun ở nhiệt độ 1020

C kéo dài 24 giờ

Đặc tính nổi bật của protein là chúng có cấu trúc 3 chiều Vào những năm cuối 1930, Linus Pauling và Robert Corey bắt đầu các nghiên cứu các cấu trúc của các acid amin và peptide Mục đích của họ là biết được khoảng cách và các gốc liên kết tiêu chuẩn của các acid

B ảng 1.1 và 1.2 Giá trị pK của các nhóm Ion hoá và viết tắt của các acid amin

amin và rồi dùng những thông tin này để dự đoán cấu trúc của protein Một trong số các phát

kiến quan trọng là đơn vị peptide cứng và phẳng (Hình1.9) Hydrogen của nhóm amin thay

thế hầu như luôn luôn ở dạng Trans (đối nghịch) với oxy của nhóm carbonyl chỉ trừ liên kết peptide X-pro (X là gốc bất kỳ), nó có thể là cis (cùng một phía) hoặc Trans Liên kết giữa nguyên tử carbon carbonyl và nguyên tử Nidrogen của đơn vị peptide là không tự do để có thểquay được bởi vì liên kết này có đặc tính riêng

Chiều dài của liên kết này là 1,32 A0 nó nằm giữa chiều dài liên kết của liên kết đơn (-N (1,46 A0) và liên kết đôi (=N (1,51 A0) Ngược lại, liên kết giữa nguyên tử Carbon α và nguyên tử Carbon Carbonyl lại là liên kết đơn thật sự Liên kết giữa nguyên tử Carbon α và nguyên tử Nidrogen peptide cũng là một liên kết đơn thuần khiết Cuối cùng, có một mức độlớn về sự tự do quay xung quanh những liên kết này ở phía đơn vị peptide cứng (Hình 1.9)

Độ cứng của liên kết peptide tạo cho protein có dạng 3 chiều xác định Sự tự do quay ở phía đơn vị peptide cũng có tầm quan trọng tương đương bởi vì nó cho phép protein cuộn lại theo nhiều cách

Angstrom (A) - đơn vị đo chiều dài bằng 10-10

met 1 A0 = 10-10m = 10-8cm = 10-μm =

10-1nm Anders J Angstrom (1814 - 1874)

Hình1.9 C ấu trúc một đơn vị peptide

2.2.2 Đặc điểm của cấu trúc bậc I: có 2 dặc điểm quan trọng là:

Thứ tự sắp xếp trước sau của acid amin trong chuỗi Ví dụ: có 3 loại: Val, Tre, Lyz sẽ

Trong chuỗi, đầu chuỗi bao giờ cũng có nhóm amin tự do, cuối chuỗi có nhóm carboxyl

loại protein và được di truyền rất chặt chẽ qua nhiều thế hệ (được mã hoá trong DNA)

2.3 C ấu trúc bậc II của protein

2.3.1 Định nghĩa: Là cách xoắn gọn lại của chuỗi peptide, tạo cho chuỗi peptide những

đoạn xoắn kiểu xoắn α hay gấp nếp β

Năm 1951 Linus Pauling và Robert Corey giảđịnh có 2 cấu trúc polypeptide là xoắn α

và nếp gấp β Xoắn α là một cấu trúc giống như một cái gậy Chuỗi polypeptide liên kết chính

cuộn chặt lại tạo nên phần bên trong của gậy, còn các chuỗi bên trải rộng ra ngoài trong một hình xoắn (Hình 1.10) Xoắn α được ổn định bởi liên kết hydrogen giữa các nhóm NH và CO

của chuỗi chính Nhóm CO của mỗi acid amin tạo liên kết Hydrogen với nhóm NH của acid amin cách 4 gốc về phía trước (Hình1.10) Trong xoắn α, nhóm CO của gốc n liên kết Hydrogen với nhóm NH của gốc (n + 4) Như vậy tất cả các nhóm CO và NH của chuỗi chính đều được liên kết Hydrogen Gốc nọ cách gốc kia 1,5 A0 dọc theo trục xoắn và góc quay là

100° gồm 3,6 gốc acid amin cho một chu kỳ xoắn Như vậy các amin acid được trải rộng lại

rất gần về mặt không gian trong xoắn α Khoảng cách của xoắn α là 1,5 A0 và khoảng cách trong một chu kỳ (3,6 gốc) là 5,4 A0

Vòng xoắn có thể là bên phải (Clockwise) thuận chiều kim đồng hồ hoặc bên trái (counter clockwise) đối kim đồng hồ Các xoắn α của protein là quay phải Mức xoắn α của protein rất rộng từ 0 tới gần 100% Ví dụ Enzyme tiêu hoá chymotrypsin không có xoắn α

Ngược lại myoglobin và hemoglobin có tới 75 % là xoắn α Xoắn α đơn thường có chiều dài

nhỏ hơn 45 A0 Tuy nhiên, hai hay nhiều xoắn α có thể đan với nhau để tạo nên những cấu trúc rất ổn định nó có thể dài đến 1000 A0 (100nm hay 0,1μm) hoặc hơn Những xoắn α(Hình 1.11) thấy ở Myosin và Tropomyosin của cơ, fibrin trong các cục máu và keratin trong tóc Các cáp xoắn trong những protein này giữ vai trò cơ học trong việc hình thành những bó

rắn chắc của các sợi như trong lông lợn

Cấu trúc xoắn α được Pauling và Corey suy diễn khoảng 10 năm trước đây khi họ quan sát qua cấu trúc tia X của Myoglobin Sự giải thích về cấu trúc của xoắn α là một bước ngoặt trong sinh học phân tử bởi vì nó chứng minh được rằng cấu trúc của một chuỗi polypeptide có

thể được dự đoán nếu bản chất các thành phần của nó đã được hiểu một cách chính xác và tuân theo một nguyên tắc nghiêm ngặt

Pauling và Corey cũng đã phát hiện một cấu trúc khác là nếp gấp β (gọi là β bởi vì nó được xác định là cấu trúc thứ hai còn xoắn α là thứ nhất) Nếp gấp β khác nhiều so với xoắn

α Một chuỗi polypeptide trong nếp gấp β gọi là một dây (sợi) β hầu như được duỗi ra hoàn

toàn chứ không cuộn chặt như trong xoắn α Dạng nếp gấp β được ổn định bởi liên kết di sunfid (- s - s -) liên kết này được hình thành từ 2 nhóm sulfihydryl (-SH) của 2 acid amin Cys khi chúng ở gần nhau trong không gian Dạng gấp nếp β có bước xoắn thưa thường có ở

những protein dạng sợi như keratin ở lông, tóc, sừng, móng

Khoảng cách trục giữa các acid amin kế cận là 3,5 A0, ngược lại ở xoắn α là 1,5 A0 Một sai khác nữa là nếp gấp β được làm ổn định bởi các liên kết Hydrogen giữa các nhóm NH

và CO trong các sợi polypeptide khác nhau, trong khi đó ở xoắn α, liên kết Hydrogen là giữa các nhóm NH và CO trong cùng một sợi Những chuỗi kề cận trong nếp gấp β có thể chạy cùng một hướng (nếp β song song) hoặc các hướng đối nghịch (nếp β đối song song) (hình 1.12), ví dụ như các sợi tơ bao gồm chủ yếu các nếp gấp β Gấp β là một cấu trúc có trong nhiều protein Những đơn vị cấu trúc này thông thường bao gồm từ 2 đến 5 sợi song song

hoặc đối song song

2.4.2 Các l ực nối ổn định cấu trúc bậc III:

Lực disulfid - S - S - liên kết này được hình thành từ 2 nhóm sulfihydryl (-SH ) của 2 acid amin Cys khi chúng ở gần nhau trong không gian khoảng 2 lần đường kính phân tử Đây

là liên kết đồng hoá trị nên tương đối bền vững (W = 4-5Kcal/mol), tuy nhiên số lượng liên

Hình 1.10 Xo ắn ααα