tiểu luận hóa sinh phân tử

Axit amin được cấu tạo bởi 3 thành phần: một là nhóm amin -NH2, 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 quy

Tiểu luận hóa sinh phân tử

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 (-NH2), 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

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

Các đơn phân của Axit nucleic là các nucleotit Mỗi nucleotit bao gồm hai thành phần:

Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric

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:

R-CH-COOH

NH 2

Có thể định nghĩa khác là: axit amin gồm một nguyên tử Cacbon α liên kết với:

-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

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 NH2 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 ≥ 1000C)

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 –NH2 của các axit amin trong chuỗi polypeptit được L.Pauling và cộng sự dùng phương pháp nhiễu xạ Rơngen để nghiên cứu

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

bằng các đơn vị tạo thành axit nucleic Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x 1019 tổ hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người ta tìm thấy khoảng

1010 – 1012 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 - NH2

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

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 5,4A0 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

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 - 3A0, 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

Trong cơ thể, xét về cấu trúc bậc 2, protein có thể chia ra làm 3 loại:

- Loại hoàn toàn cấu tạo từ xoắn α

- Loại hoàn toàn cấu tạo từ gấp nếp β

- Loại chứa cả xoắn α và gấp nếp β

2.3/ Cấu trúc bậc ba của protein

Là cấu hình không gian phức tạp của chuỗi polypeptit do sự gấp khúc, cuộn lại của cấu trúc bậc 2 tạo cho protein có hình thù nhất định đặc trưng cho từng loại protein và hình thù đặc trưng này được quyết định 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

B gồm 30 axit amin, hai chuỗi này gắn với nhau bằng 2 liên kết disulfid

b Các liên kết yếu

- Liên kết hydro: Liên kết này xuất hiện giữa 2 nhóm mang điện tích âm có nguyên tử hydro

- Liên kết ion: Liên kết này hình thành giữa 2 ion trái dấu của 2 gốc axit amin nằm xa nhau theo thứ tự trong chuỗi peptit, nhưng gần nhau về không gian trong cấu trúc bậc ba

Ví dụ: Gốc axit glutamic trong chuỗi polypeptit có nhóm -COOH tự do, trong môi trường nhất định của cơ thể nhóm này có thể phân ly thành –COO- Trong cấu trúc bậc 3 gốc này nằm gần gốc NH2 tự do, nhóm NH2 có khả năng nhận

H+ tạo thành NH3+ Do đó 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, isoleuxin hoặc phenyl trong phenylanin là những nhóm không ưa 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 ổn định trong môi trường Tuy nhiên năng lượng liên kết của các liên kết nói trên rất yếu cho nên cấu trúc bậc 3 cũng rất dễ bị biến đổi bởi sự thay đổi các yếu tố môi trường Các yếu tố như nhiệt độ, pH khi tác động tới protein tức là ảnh hưởng lên các liên kết yếu này, ví dụ: nhiệt độ tăng quá cao (≥ 5000C) làm protein bị biến tính (tức không trở lại trạng thái cũ của protein ví

dụ : luộc trứng) hoặc giảm quá thấp làm protein ngừng hoạt động; pH của môi

trường thay đổi sẽ làm thay đổi độ điện ly của –NH2 hoặc -COOH những biến đổi này có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực đến chức năng của protein.

Do có cấu trúc bậc 3 các protein có hình thù đặc trưng và phù hợp với chức năng của chúng Ở các protein chức năng như các enzym, các kháng thể, protein của các hệ thống đông máu, thông qua cấu trúc bậc 3 mà hình thành được các trung tâm hoạt động, là nơi thực hiện các chức năng của protein Sự duy trì hình dạng giúp protein ở trạng thái nguyên vẹn, tức 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 hoàn chỉnh và thường là nơi thực hiện chức năng 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 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, cho phép chúng xê dịch với những khoảng khá rộng

b Protein nhóm hai có các đô men cố định nối với nhau bằng kiểu ‘’bản lề’’ nên phạm vi xê dịch rất hạn chế và đòi hỏi tương tác phải rất chính xác, chặt chẽ

c Protein nhóm ba có tính vận động chức năng rất đa dạng, giúp cho sự tiếp cận, lắp ghép giữa chúng với các đối tượng hoạt động sinh học trở nên phong phú,

đa dạng

Ví dụ: Protein kháng thể (Ig) sử dụng sự mềm dẻo cấu trúc của mình để các

đô men gắn kháng nguyên, tương tác tối ưu với kháng nguyên là những hợp chất đa dạng

Ở những protein có nguồn gốc khác nhau, nhưng có chức năng tương tự thì các đô men có cấu trúc tương đối giống nhau

Đô men là từng khu vực đó có cấu trúc hoàn chỉnh của 1 protein và thực hiện đầy đủ chức năng của 1 protein

2.5/ Cấu trúc 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 của nó

Một số protein có xu hướng kết hợp lại với nhau thành những phức hợp, 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 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

Tùy theo protein, số lượng monomer có thể thay đổi từ 2, 4, 6, 8 là phổ biến,

cá biệt có protein có thể có trên 50 monomer Sự hình thành cấu trúc bậc 4 tạo điều kiện cho quá trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, chính xác