Sinh học tế bào ( phần 30 ) Các đặc tính của prôtêin 1. Trọng lượng phân tử Ngay phần định nghĩa đã nhấn mạnh: đặc điểm của protein là trọng lượng phân tử rất cao. Những nghiên cứu khác nhau gần đây cho thấy trọng lượng phân tử thực của protein nằm trong khoảng 6.000 - 12.000. Tuy nhiên, trong điều kiện tự nhiên phân tử protein thường liên kết với nhau tạo thành những phần (gọi là mixen) có trọng lượng phân tử rất lớn đạt tới hàng triệu. Trọng lượng phân tử của một số loại protein: Albumin sữa : 17.400 Albumin trứng : 44.000 Globulin huyết thanh : 310.000 Hemoglobin người : 68.000 Enzym pepsin : 45.000 Enzym ribonuclease: 12.700 Siêu vi khuẩn cúm: 322.000.000 Có thể nói: protein là "đại phân tử" bởi vì thành phần của nó gồm hàng trăm, hàng nghìn nguyên tử liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết đồng hoá trị. 2. Trạng thái keo Đầu thế kỷ XIX các nhà khoa học bàn cãi khá lâu về trạng thái nguyên sinh chất (protoplasma) ở sinh thể, bởi vì cố những mâu thuẫn: * Có thể nguyên sinh chất là trạng thái lỏng. Bởi vì tại sao các phản ứng hoá học tiến hành ở trong cơ thể với tốc độ nhanh? Điều này đặc trưng cho môi trường lỏng. * Nhưng tại sao cơ thể lại có khả năng giữ những hình thù đặc biệt của mình? Tính chất này chỉ có ở thể rắn. Mối mâu thuẫn đó được giải thích khi người ta phát hiện ra trạng thái keo của protein. Trạng thái keo của protein thể hiện ở các đặc điểm sau: - Gây áp suất thẩm thấu rất thấp 30 - 40mm Hg (0,03 tấm) - Khả năng khuếch tán ít - Độ nhớt cao. Độ nhớt phản ánh cấu trúc (hình dạng, kích thước) của phân tử - Kích thước càng lớn độ nhớt càng cao. Nếu lấy độ nhớt của nước làm chuẩn là 1 thì: Độ nhớt của albumin trứng gà là 1,2 - 1,57 Độ nhớt của gelatin là 4,54 - 14,2 - Khả năng hấp phụ các chất khác khá cao - Khả năng khuếch tán ánh sáng (hiện tượng Tindal) tức là khi cho 1 tia sáng qua dung dịch protein trên nền đục của dung dịch ta nhận rõ được những tia đó. 3. Lưỡng tính và điểm đẳng điện 3.1. Tính tương tính Trong dung dịch nước, phân tử protein có khả năng tác động như một acid, hoặc một kiềm yếu, bởi vì trong phân tử protein có các nhóm định chức quản và carboxyl có khả năng phân ly. Phân tử protein mang cả điện tích dương và điện tích âm như vậy gọi là amphiol. Khả năng phân ly của nhóm quan và nhóm carboxyl thay đổi phụ thuộc vào điều kiện môi trường, cụ thể là độ pa. Khi độ pH thấp, ion H+ ở môi trường nhiều thì nhóm COOH giảm sự phân ly. Ngược lại, nếu môi trường kiềm, tức ton OH nhiều thì NH2 sẽ bớt phân ly. Vì số lượng nhóm quan và carboxyl trong phân tử protein khác nhau, cho nên nếu số lượng nhóm COOH trội hơn nhóm NH2 thì sau khi phân ly, điện tích tổng số của hạt keo protein sẽ có dấu âm và ngược lại. Khi cho dòng điện một chiều đi qua môi trường đó thì những hạt keo nói trên sẽ di chuyển về điện cực tương ứng. Tuỳ đại lượng điện tích, tuỳ trọng lượng phân tử mà tốc độ di chuyển của mỗi loại protein khác nhau. Đó là cơ sở của phương pháp điện di trên giấy. 3.2. Điểm đẳng điện Như chúng ta đã biết, khả năng phân ly của các nhóm quan và carboxyl chịu sự chi phối của phản ứng môi trường, do đó bằng cách thêm acid hoặc kiềm ta có thể đạt tới một trị số pa, mà ở đó sự phân ly của NH2 và cỏoh bằng nhau. Độ pH này người ta gọi là điểm đẳng điện của protein (ký hiệu là pI). Tại điểm đẳng điện các hạt keo có điện tích bằng O Một vài ví dụ về điểm đẳng điện của protein: Casein 4,7 Zein ngô 6,2 Albumin 4,8 Miosin cơ 5,0 Globulin 5,4 Histon 8,5 Có thể dựa vào điểm đẳng điện để tách riêng từng loại protein. 3.4. Đặc tính hoà tan Trạng thái keo của protein bền vững là nhờ có lớp vỏ thuỷ hoá bao bọc bên ngoài các hạt keo và các điện tích 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 ơi vì khi pH = pI thì phân tử protein không tích điện nên chúng không có lực đẩy tĩnh điện và dễ bị đông kết. Khi pH khác ơi thì các phân tử protein tích điện cùng dấu và đẩy nhau cho nên 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 cồn, đe, benzen, aceton, cloroform vào dung dịch protein thì độ tan của protein bị giảm và có thể dẫn đến đông kết do phá vỡ lớp vỏ thủy hóa. - Ảnh hưởng của nhiệt độ Trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến 450C, độ tan của protein tăng khi nhiệt độ tăng. Còn ở khoảng nhiệt độ từ 45 - 750C đa số protein mất tính keo và có thể bị biến tính (trừ protein của một số loại sinh vật chịu nhiệt). 3.5. Hiện tượng sa lắng và biến tính Trạng thái keo của protein bền vững là nhờ sự cân bằng các điện tích và lớp vỏ thuỷ hoá. Khi trạng thái này bị phá vỡ bởi các yếu tố như nhiệt độ cao, muối các kim loại nặng, dung môi hữu cơ thì protein rất dễ bị sa lắng. Hiện tượng sa lắng protein có thể thuận nghịch, tức là nó có thể trở lại trạng thái ban đầu khi tác động của các yếu tố trên chưa thật sâu sắc. Tuy nhiên, nếu sự tác động đó mạnh và lâu sẽ làm cho protein bị biến tính. Khi bị biến tính protein sẽ mất hoạt tính sinh học của nó Cấu tạo hoá học của prôtêin 1. Acid amin - đơn vị cơ bản cấu tạo nên phân tử protein Vào đầu thế kỷ XIX (thời kỳ của nhà hoá học Hà Lan Mulder) người ta chưa phân biệt được protein của động vật và thực vật. Người ta tưởng rằng protein là đồng nhất, chỉ khác nhau về số lượng ở các sinh vật. Mãi cho tới năm 1820 lần đầu tiên Bracono đã dùng kiềm và acid đặc để thuỷ phân protein ở nhiệt độ cao (100 - 120 0 c) Và đã thu được Các acid amin đầu tiên, trong đó có tinh thể glycocol. Năm 1871 Lubavin đã cho thấy rằng protein dưới tác dụng của các dịch tiêu hoá phân tích thành các acid amin. Đặc biệt công trình của Fisher (1901 - 1902) đã có ý nghĩa quan trọng về việc nghiên cứu bản chất hoá học của protein. Tất cả các công trình nghiên cứu trên đã cho chúng ta thấy rằng: thành phần phân tử của protein là các acid amin. Ngày nay, người ta đã tìm thấy hơn 200 acid amin khác nhau, nhưng trong thành phần của protein tự nhiên thường có 20 loại acid amin. 1.1. Định nghĩa acid amin Acid quân là một acid hữu cơ, mà trong đó một nguyên tử hydro của gốc carbonalfa (Ca) được thay thế bởi nhóm quan (NH2) Nếu trong một acid amin có hai nhóm quản thì nhóm quan thứ 2 nằm ở vị trí carbon cuối cùng kể từ nhóm carboxyl (COOH). Ví dụ: 1.2. Hoạt tính quang học của acid amin Chỉ trừ glycin trong phân tử chất này không có nguyên tử carbon bất đối, còn tất cả các acid amin còn lại đều có ít nhất một nguyên tử carbon bất đối (tức là bốn hóa trị của nó được bão hòa bởi bốn nhóm nguyên tử khác nhau - ký hiệu C*), do đó chúng đều có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng, nghĩa là chúng đều là những chất hoạt quang. Tất cả các acid amin có trong thành phần protein đều có cấu hình L ở nguyên tử carbon a, các acid amin có cấu hình D rất ừ gặp trong thiên nhiên. Chữ L cho ta biết cấu lluul của phân tử chứ không cho ta biết hướng góc quay của mặt phẳng phân cực . - Các đồng phân hữu tuyến (làm quay mặt phẳng phân cực sang phải) được ký hiệu bằng dấu (+) - Các đồng phân tả tuyến (làm quay mặt phẳng phân cực sang trái) được ký hiệu bằng dấu (-) Người ta qui ước rằng đối với glucid, chất aldehyd D-glyceric được chọn làm chất tiêu chuẩn để so sánh, còn đối với acid amin L- serin được chọn làm chất tiêu chuẩn. Đa số các acid amin dãy D đều có vị ngọt, còn các acid quân thiên nhiên thuộc dãy L - thì đều có vị đắng hoặc không vị. Các acid amin tổng hợp đều là những RAXEMAT không có tính hoạt quang, nghĩa là một hỗn hợp cùng phân tử của dạng D và dạng L. . Sinh học tế bào ( phần 30 ) Các đặc tính của prôtêin 1. Trọng lượng phân tử Ngay phần định nghĩa đã nhấn mạnh: đặc điểm của protein là trọng lượng phân tử. dụng của các dịch tiêu hoá phân tích thành các acid amin. Đặc biệt công trình của Fisher (1 901 - 190 2) đã có ý nghĩa quan trọng về việc nghiên cứu bản chất hoá học của protein. Tất cả các. động của các yếu tố trên chưa thật sâu sắc. Tuy nhiên, nếu sự tác động đó mạnh và lâu sẽ làm cho protein bị biến tính. Khi bị biến tính protein sẽ mất hoạt tính sinh học của nó Cấu tạo hoá học