tiểu luận hóa sinh phân tử

Tiểu luận hóa sinh phân tử 1 Mục lục Tiểu luận hóa sinh phân tử 1 Mục lục 2 CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨA Protein là hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là axit amin. Axit amin được cấu tạo bởi 3 thành phần: một là nhóm amin (-NH 2 ), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với một nguyên tử hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Protein là lớp chất bắt buộc phải có ở bất kỳ vật sống nào và có tỷ lệ khá ổn định. Ví dụ ở gia súc non và người hàm lượng protein khoảng 40 – 45% vật chất khô. Protein là lớp chất quan trọng bậc nhất của sự sống, là vật mang sự sống. 2 Protein có trong tất cả các loại tế bào với hàm lượng khác nhau: Bảng 1.1. Hàm lượng protein trong một số mô động, thực vật Protein điển hình chứa 200 – 300 axit amin, nhưng một số protein có số axit amin ít hơn (protein có số lượng axit amin ít nhất gọi là peptit) và một số protein có số lượng axit amin lớn hơn (protein lớn nhất được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn). Đặc điểm lớn nhất của axit amin là: phân tử có chứa Nitơ (N), khối lượng phân tử lớn. CHƯƠNG II: PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có Axit Nucleic. I/ AXIT NUCLEIC Axit Nucleic là hợp chất tự nhiên cao phân tử mang mã di truyền và thực hiện mã di truyền ở các sinh vật. Hàm lượng Axit Nucleic trong tế bào khá cao, dao động trong khoảng 5 – 15% vật chất khô. Trong tế bào có hai loại Axit Nucleic: axit ribonucleic (RNA) và axit desoxyribonucleic (DNA). Các đơn phân của Axit nucleic là các nucleotit. Mỗi nucleotit bao gồm hai thành phần: Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric. Mô Protein (% so với khối lượng vật chất khô) Gan 57 Xương 28 Cơ vân 80 Hạt lúa 6 – 12 Hạt ngô 9 – 13 Đậu nành 29 – 50 3 Tùy theo trọng lượng phân tử của Axit Nucleic mà chuỗi nucleotit có thể dài ngắn khác nhau. Trong chuỗi nucleotit, các nucleotit sắp xếp theo những trình tự nhất định tạo nên đặc trưng sinh học của Axit Nucleic, tức là tạo nên các gen di truyền. Thứ tự các nucleotit thường được xét theo từng bộ ba base. Một codon là một đơn vị mã di truyền, có chức năng mã hóa cho một axit amin. Axit Nucleic là bản thiết kế protein và bảng thiết kế này được viết bằng các mã di truyền. Thứ tự các mã quy định thứ tự các axit amin trong protein, quyết định đặc trưng sinh học của protein. Mỗi Axit Nucleic trong quá trình hình thành và hoạt động luôn luôn duy trì vững vàng trình tự các nucleotit. Một rối loạn trong quá trình này dẫn tới rối loạn tính di truyền, tức là gây nên hiện tượng biến dị. II/ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Thành phần nguyên tố của protein (% theo trọng lượng) C: 50 – 54; O: 20 – 23; H: 6 – 7; N: 15 - 18 (trung bình khoảng 16%); S: 0 - 2,4. Trong một số protein còn chứa P, Fe, I, Co, Zn và một số nguyên tố khác hàm lượng các nguyên tố này rất thấp nhưng có ý nghĩa rất lớn đối với sự sống. Để tạo nên trạng thái sống các nguyên tố này trước hết liên kết với nhau tạo nên các axit amin ( Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, Valine, Arginine, Histidine, Cysteine, Glutamine, Glycine, Proline, Serine, Tyrosine, Alanine, Glutamate, Asparagine, Aspartate) Axit amin là đơn vị cấu tạo cơ bản của protein. Axit amin là những dẫn xuất của axit hữu cơ mà trong phân tử một nguyên tử hydro (đôi khi 2) của gốc ankil được thay thế bởi gốc amin. Công thức chung như sau: 4 R-CH-COOH NH 2 Có thể định nghĩa khác là: axit amin gồm một nguyên tử Cacbon α liên kết với: • Một nguyên tử Hydro • Một nhóm Amin • Một nhóm Carboxyl • Một trong 20 gốc R, 20 gốc R khác nhau tạo nên 20 axit amin và quyết định tính chất đặt trưng của chúng. Axit amin hình bên là Alanin. Axit amin là monomer cấu tạo nên protein. Trong tự nhiên có khoảng 250 axit amin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axit amin gọi là axit amin sinh protein (proteinogenic amino acids). Hình dạng và đặc tính của protein được quy định bởi trình tự và số lượng các axit amin của protein. -H + + OH - R-CH-COOH R-CH-COO - R-CH-COO - NH 3+ + H + NH 3+ - OH - NH 2 Axit Trung tính Kiềm Trong môi trường trung tính phân tử axit amin mang cả điện tích âm và điện tích dương Trong môi trường kiềm axit amin mang điện tích âm Trong môi trường axit axit amin mang điện tích dương Người ta ứng dụng tính lưỡng tính của axit amin để phân tích hỗn hợp axit amin bằng dòng điện một chiều (phương pháp điện di). Ở giá trị pH của môi trường mà axit amin có tổng số điện tích âm bằng điện tích dương (axit amin trung hòa điện), pH đó gọi là điểm đẳng điện của axit amin (kí hiệu là pI). Các axit amin trung tính có pI khoảng 5 - 6,5 (hơi axit) Các axit amin axit tính có pI khoảng 3 (axit rõ rệt) Các axit amin kiềm tính có pI khoảng > 7 (kiềm) 2.1/ Cấu trúc bậc một của protein 5 Cấu trúc bậc 1 của protein là sự liên kết giữa các axit amin với nhau thành chuỗi thông qua liên kết peptit (-CO - NH-), Mạch liên kết này hình thành giữa nhóm COOH của axit amin trước với nhóm NH 2 của axit amin bên cạnh. Liên kết peptit là liên kết đồng hóa trị rất bền vững (năng lượng phá vỡ liên kết khoảng 6 - 7kcal/mol). Trong thực tế mạch liên kết peptit rất khó thủy phân (phải dùng HCl 6N với nhiệt độ ≥ 100 0 C). Trong chuỗi peptit, các axit amin cứ liên kết với nhau như vậy liên tục. Theo quy định axit amin đầu chuỗi (bên trái) có nhóm amin tự do gọi là axit amin N tận; axit amin cuối chuỗi (bên phải) có nhóm cacboxyl tự do gọi là axit amin C tận. Khoảng cách giữa nhóm -COOH và –NH 2 của các axit amin trong chuỗi polypeptit được L.Pauling và cộng sự dùng phương pháp nhiễu xạ Rơngen để nghiên cứu. 6 Cấu trúc bậc một của protein Khi khảo sát chuỗi peptit có hai vấn đề quan trọng: số lượng các axit amin và trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi. - Số lượng các axit amin: Số lượng các axit amin nhiều hay ít tùy loại protein và quy định độ dài ngắn, phân tử lượng của chuỗi. Protein lớn nhất được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim, chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn. Các protein phổ biến đặc biệt là các enzym có khoảng từ 150 - 300 axit amin. - Trình tự sắp xếp các axit amin: Trình tự của các axit amin trong chuỗi quyết định cấu trúc không gian của chuỗi và do đó quyết định tính chất, chức năng sinh học của protein. Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, được ghi lại 7 bằng các đơn vị tạo thành axit nucleic. Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x 10 19 tổ hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người ta tìm thấy khoảng 10 10 – 10 12 protein ở các cơ thể sống khác nhau). Mỗi tổ hợp có sự sắp xếp các axit amin với thứ tự khác nhau, chỉ cần 1 axit amin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tính chất vật lý, hóa học và sinh học của protein cũng thay đổi. Ví dụ: Trong bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, do đột biến ADN mà ở vị trí số 6 trên chuỗi β polypeptit của globulin trong hồng cầu là axit glutamic bị thay bằng valin. Oxytoxin và vasopressin là hai hocmon thùy sau tuyến yên, chúng đều có 9 axit amin, nhưng sắp xếp chỉ khác nhau ở vị trí số 3 và số 8: Oxytoxin có chức năng làm tăng co bóp cơ trơn tử cung: Xys - Tyr - Ile - Glu - Asn - Xys - Pro - Leu - Gly - NH 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vasopressin có chức năng làm tăng huyết áp động mạch, chống lợi niệu: Xys - Tyr - Phe - Glu - Asn - Xys - Pro - Arg - Gly - NH 2 3 8 Việc phát hiện ra cấu trúc bậc 1 là một thành tựu khoa học rất lớn trong hóa học protein. Nó là cấu trúc quan trọng nhất quyết định mức độ phức tạp, tính muôn hình muôn vẻ và hoạt tính sinh học của protein. Nguyên nhân của sự đặc trưng, đặc thù của sinh vật, tức là sự khác nhau về loài, giống, các thể và các bộ phận trong cơ thể chính là sự khác nhau về cấu trúc và chức năng của protein. Cấu trúc bậc 1 là yếu tố di truyền hết sức ổn định và đây cũng là minh chứng chứng minh “Protein là nền tảng của sự sống ”. Ví dụ: Insulin là 1 polypeptit hocmon bao gồm 51 axit amin, ở các động vật khác nhau, chúng chỉ khác nhau ở axit amin thứ 8, 9, 10. 8 9 10 Bò: Ala - Ser - Val Lợn: Tre - Ser - Ile Cừu: Ala - Gly – Val 8 Quá trình di truyền ở sinh vật chính là hiện tượng truyền đạt lại cho đời sau cấu trúc bậc 1 của protein đặc thù cho loài giống. Thiết kế protein được mã hóa qua tiết kế mã di truyền trong axit nucleic. 2.2/ Cấu trúc bậc hai của protein Cấu trúc bậc 2 của protein là cấu trúc có chu kỳ của chuỗi polypeptit. Chuỗi polypeptit được sắp xếp gọn lại trong không gian nhất là trong môi trường sinh vật, trong mô bào theo những hình thù nhất định, bền vững hơn phù hợp với chức năng của chúng. Nhiều protein chứa các đoạn có cấu trúc xoắn α, ví dụ: myoglobin, hemoglobin Chuỗi peptit cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành các vòng xoắn. Chu kỳ xoắn là 3,7 axit amin. Chiều dài mỗi vòng xoắn là 5,4A 0 . Chiều xoắn có thể là xoắn phải hoặc xoắn trái. Các xoắn α thấy ở các protein là xoắn phải (hình 1.1). Tỷ lệ giữa các đoạn xoắn và không xoắn trong protein chiếm khoảng 45% - 50% chiều dài của chuỗi peptit. Cũng có khi hai hoặc nhiều cuộn xoắn α bện lại với nhau như cuộn dây cáp được thấy ở các protein như keratin của tóc, myosin tropomyosin ở cơ, epidermin của da và fibrin của cục máu đông 9 Hình 1.1. Cấu trúc xoắn α Xoắn α được ổn định nhờ những liên kết hyđro. Liên kết này được hình thành giữa hai nguyên tử mang điện tích âm có khoảng cách 2 - 3A 0 , nguyên tử hyđro nằm giữa hai nguyên tử đó. Liên kết hyđro để tạo xoắn α trong cấu trúc bậc 2 của protein được tạo thành giữa nhóm = C=O và =N-H. Lúc này các gốc amit =C=O và =N-H nằm trong một mặt phẳng. Liên kết hyđro yếu, năng lượng phá vỡ liên kết khoảng 0,7 - 1,5Kcal/mol song có số lượng lớn nên xoắn α bền và ổn định. Liên kết hyđro giữ vị trí đặc biệt quan trọng trong tính cơ động, linh hoạt của các phân tử sinh học, của protein cũng như mô bào. Cấu trúc gấp nếp β, khác với xoắn α là ở chỗ nó là dạng tấm. Chuỗi polypeptit trong gấp nếp β hầu như duỗi thẳng chứ không phải cuộn lại hình lò xo như xoắn α. Điều khác nữa là cấu trúc gấp nếp β được ổn định bởi các liên kết hyđro giữa các nhóm =C=O và =N-H trong các chuỗi polypeptit khác nhau. Cấu trúc gấp nếp β thường đặc trưng cho nhiều protein dạng sợi, ví dụ colagen. 10 [...]... thành những đại phân tử, không kéo theo sự biến đổi về hoạt tính sinh học Vả lại, rất nhiều trường hợp protein phải tổ hợp lại mới có hoạt tính sinh học Trong những trường hợp này, cấu trúc bậc 4 là điều kiện để hình thành nên tính năng mới cho protein Ví dụ: Hemoglobin (huyết sắc tố - Hb) gồm 4 tiểu phần protein 2 tiểu phần α và 2 tiểu phần β Nếu 4 tiểu phần này tách rời nhau thì mỗi tiểu phần không... bậc bốn của protein Các protein chứa trong phân tử từ 2 chuỗi polypeptit trở lên thể hiện sự phức tạp hơn về mức độ cấu trúc phân tử được gọi là cấu trúc bậc 4 Protein có trạng thái tổ hợp hình thành từ nhiều tiểu phần protein gọi là protein olygomeric Mỗi chuỗi polypeptit trong một protein như vậy được gọi là là tiểu đơn vị (sub unit) hay là một protomer Mỗi tiểu đơn vị đều có cấu trúc bậc 1, 2, 3 riêng... nước (kỵ nước) và không tích điện Nước trong tế bào đẩy chúng lại với nhau tạo thành các búi kỵ nước trong phân tử protein Loại lực này chiếm 60% - 70% lực ổn định cấu trúc bậc 3 của nhiều phân tử protein dạng cầu Các liên kết yếu rất có ý nghĩa vì chúng có rất nhiều và phân bố khắp nơi trong phân tử protein Nhờ các liên kết này (đặc biệt lực liên kết giữa các nhóm kỵ nước) mà cấu trúc bậc 3 của protein... nhau thì mỗi tiểu phần không vận chuyển được 1 phân tử oxy Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành một khối không gian đặc thù (gần như hình tứ diện) thì mới có khả năng kết hợp và vận chuyển oxy Một phân tử Hb vận chuyển được 4 phân tử oxy 15 O2 – α – β – O2 | | O2 – α – β – O2 Enzym Glycogen photphorylase (ở cơ, gan) xúc tác cho quá trình phân giải glycogen thành glucose: Ở trạng thái... Protein có chức năng xúc tác sinh học Hầu hết các quá trình trao đổi chất đặc trưng đối với cơ thể sống đều tiến hành dưới sự xúc tác bởi những chất có hoạt tính sinh học đặc biệt đó là các enzym có bản chất là protein Ví dụ các enzyme thủy phân trong dạ dày phân giải thức ăn, enzyme amylase trong nước bọt phân giải tinh bột, enzyme pepsin dạ dày phân giải protein, enzyme lipase phân giải lipit 19 3.3/... liên kết, chức năng lắp ráp của đại phân tử protein trong hoạt động chức năng của nó Trong nhiều protein, đô men gắn liền với chức năng kết hợp đặc hiệu và ở nhiều enzym được cấu tạo từ các đô men, thì trung tâm hoạt động được bố trí tại biên giới của hai hay nhiều đô men Sự hình thành các đô men trong phân tử protein tạo khả năng tương tác linh hoạt giữa các đại phân tử, khả năng cơ động, dịch chuyển... là trạng thái sinh học được duy trì Mỗi biến đổi của hình dạng sẽ kéo theo sự biến đổi của hoạt tính Cấu trúc bậc ba đảm nhận chức năng tạo hình Chẳng hạn con sứa và mực nhiều nước nhưng vẫn có hình dạng nhất định của nó 2.4/ Đô men cấu trúc (structural domain) Đô men cấu trúc là những bộ phận, những khu vực trong một phân tử protein được cuộn gấp trong không gian giống như một phân tử protein nhỏ... từ cấu trúc bậc 1 Sự sắp xếp gọn lại trong không gian của phân tử protein khi đã có cấu trúc bậc 2 này giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống 11 Cấu trúc bậc 3 protein Cấu trúc bậc 3 tồn tại và ổn định nhờ các liên kết và các lực sau: a Liên kết disulfid Liên kết disulfid hình thành giữa 2 nhóm -SH (sulphydryl) của 2 gốc Cystein phân bố rải rác trong chuổi peptit, nhưng gần nhau trong... hai ion trái dấu này hút nhau Loại liên kết này nằm rải rác trong phân tử do có một số gốc axit amin có nhóm - COOH và –NH2 - Lực hấp dẫn Van der Vaals: Khi có 2 chất hoặc 2 nhóm hóa học nằm cạnh nhau với khoảng cách 1 - 2 lần đường kính thì giữa chúng sẽ có lực hấp dẫn lẫn nhau - Lực liên kết của các nhóm kỵ nước: Những nhóm không phân cực (thành phần chỉ có C, H) ví dụ: -CH2; -CH3 trong valin, leuxin,... protein tạo khả năng tương tác linh hoạt giữa các đại phân tử, khả năng cơ động, dịch chuyển tương ứng giữa những bộ phận trong quá trình thực hiện chức năng sinh học Xét về mặt đô men cấu trúc, khi phân tích sự hoạt động của hầu hết các phân tử protein đã biết, có thể chia chúng thành 3 nhóm: a Protein nhóm một có các đô men cố định và nối với nhau bằng những đoạn khá dài và dẻo của chuỗi peptit, . Tiểu luận hóa sinh phân tử 1 Mục lục Tiểu luận hóa sinh phân tử 1 Mục lục 2 CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨA Protein là hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân. Hemoglobin (huyết sắc tố - Hb) gồm 4 tiểu phần protein 2 tiểu phần α và 2 tiểu phần β. Nếu 4 tiểu phần này tách rời nhau thì mỗi tiểu phần không vận chuyển được 1 phân tử oxy. Khi kết hợp lại thành. trong một phân tử protein được cuộn gấp trong không gian giống như một phân tử protein nhỏ hoàn chỉnh và thường là nơi thực hiện chức năng liên kết, chức năng lắp ráp của đại phân tử protein