Vận chuyển qua màng sinh chất

Vận chuyển qua màng sinh chất

CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨA

Protein là hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân làaxit amin Axit amin được cấu tạo bởi 3 thành phần:

một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng lànguyên tử cacbon trung tâm đính với một nguyên tử hydro và nhóm biến đổi Rquyết 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 ổnđịnh Ví dụ ở gia súc non và người hàm lượng protein khoảng 40 – 45% vật chấtkhô 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

Mô Protein (% so với khối lượng vật chất khô)

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 lớnnhất 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 dàingắn khác nhau Trong chuỗi nucleotit, các nucleotit sắp xếp theo những trình tựnhất định tạo nên đặc trưng sinh học của Axit Nucleic, tức là tạo nên các gen ditruyền Thứ tự các nucleotit thường được xét theo từng bộ ba base Một codon làmột đơn vị mã di truyền, có chức năng mã hóa cho một axit amin Axit Nucleic làbản thiết kế protein và bảng thiết kế này được viết bằng các mã di truyền Thứ tựcác mã quy định thứ tự các axit amin trong protein, quyết định đặc trưng sinh họccủa protein Mỗi Axit Nucleic trong quá trình hình thành và hoạt động luôn luônduy trì vững vàng trình tự các nucleotit Một rối loạn trong quá trình này dẫn tới rốiloạn 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 hàmlượng các nguyên tố này rất thấp nhưng có ý nghĩa rất lớn đối với sự sống Để tạonên trạng thái sống các nguyên tố này trước hết liên kết với nhau tạo nên các axitamin ( 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 xuấtcủa axit hữu cơ mà trong phân tử một nguyên tử hydro (đôi khi 2) của gốc ankilđược thay thế bởi gốc amin Công thức chung như sau:

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 axitamin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axit amin gọi là axit amin sinhprotein (proteinogenic amino acids) Hình dạng và đặc tính của protein được quyđịnh 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 điệntích dương

R-CH-COOH

NH 2

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 axitamin 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 điệntích 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 thànhchuỗi thông qua liên kết peptit (-CO - NH-), Mạch liên kết này hình thành giữanhóm 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 liênkết 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 Theoquy 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 polypeptitđược 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 vàtrình 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, chứatới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn Các protein phổ biến đặc biệt là cácenzym có khoảng từ 150 - 300 axit amin

- Trình tự sắp xếp các axit amin: Trình tự của các axit amin trong chuỗiquyết định cấu trúc không gian của chuỗi và do đó quyết định tính chất, chức năngsinh học của protein Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, được ghi lạibằng các đơn vị tạo thành axit nucleic Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x 1019 tổhợp, 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 axitamin với thứ tự khác nhau, chỉ cần 1 axit amin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tínhchất vật lý, hóa học và sinh học của protein cũng thay đổi Ví dụ: Trong bệnh hồngcầu hình lưỡi liềm, do đột biến ADN mà ở vị trí số 6 trên chuỗi β polypeptitcủa globulin trong hồng cầu là axit glutamic bị thay bằng valin

Oxytoxin và vasopressin là hai hocmon thùy sau tuyến yên, chúng đều có 9axit 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

thù của sinh vật, tức là sự khác nhau về loài, giống, các thể và các bộ phận trong cơthể 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 vậtkhác 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 saucấu trúc bậc 1 của protein đặc thù cho loài giống Thiết kế protein được mã hóa quatiết 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 Chuỗipolypeptit 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 năngcủa 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 làxoắn 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 vớinhau như cuộn dây cáp được thấy ở các protein như keratin của tóc, myosintropomyosin 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 tửmang điện tích âm có khoảng cách 2 - 3A0, nguyên tửhyđro nằm giữa hai nguyên tử đó Liên kết hyđro đểtạo xoắn α trong cấu trúc bậc 2 của protein được tạothành giữa nhóm = C=O và =N-H Lúc này các gốcamit =C=O và =N-H nằm trong một mặt phẳng

Liên kết hyđro yếu, năng lượng phá vỡ liên kếtkhoảng 0,7 - 1,5Kcal/mol song có số lượng lớn nênxoắn α bền và ổn định

Liên kết hyđro giữ vị trí đặc biệt quan trọng trongtính cơ động, linh hoạt của các phân tử sinh học, củaprotein cũng như mô bào

Cấu trúc gấp nếp β, khác với xoắn α

là ở chỗ nó là dạng tấm Chuỗipolypeptit trong gấp nếp β hầu nhưduỗi thẳng chứ không phải cuộn lạihình lò xo như xoắn α Điều khácnữa là cấu trúc gấp nếp β được ổnđịnh bởi các liên kết hyđro giữa cácnhóm =C=O và =N-H trong cácchuỗi polypeptit khác nhau Cấu trúcgấp nếp β thường đặc trưng chonhiều protein dạng sợi, ví dụcolagen

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, cuộnlại của cấu trúc bậc 2 tạo cho protein có hình thù nhất định đặc trưng cho từng loạiprotein và hình thù đặc trưng này được quyết định từ cấu trúc bậc 1 Sự sắp xếpgọn lại trong không gian của phân tử protein khi đã có cấu trúc bậc 2 này giúp chophân 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 cónguyên tử hydro

- Liên kết ion: Liên kết này hình thành giữa 2 ion trái dấu của 2 gốc axitamin nằm xa nhau theo thứ tự trong chuỗi peptit, nhưng gần nhau về không giantrong 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 rảirác 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 cạnhnhau với khoảng cách 1 - 2 lần đường kính thì giữa chúng sẽ có lực hấp dẫn lẫnnhau

- Lực liên kết của các nhóm kỵ nước: Những nhóm không phân cực (thànhphần chỉ có C, H) ví dụ: -CH2; -CH3 trong valin, leuxin, isoleuxin hoặc phenyltrong 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 tửprotein 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 nơitrong phân tử protein Nhờ các liên kết này (đặc biệt lực liên kết giữa các nhóm kỵnước) mà cấu trúc bậc 3 của protein ổn định trong môi trường Tuy nhiên nănglượng liên kết của các liên kết nói trên rất yếu cho nên cấu trúc bậc 3 cũng rất dễ bịbiến đổi bởi sự thay đổi các yếu tố môi trường Các yếu tố như nhiệt độ, pH khi tácđộng tới protein tức là ảnh hưởng lên các liên kết yếu này, ví dụ: nhiệt độ tăng quácao (≥ 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 biếnđổi 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 chứcnăng của chúng Ở các protein chức năng như các enzym, các kháng thể, proteincủa các hệ thống đông máu, thông qua cấu trúc bậc 3 mà hình thành được các trungtâm hoạt động, là nơi thực hiện các chức năng của protein Sự duy trì hình dạnggiúp protein ở trạng thái nguyên vẹn, tức là trạng thái sinh học được duy trì Mỗibiến 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 mựcnhiều 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 proteinđược cuộn gấp trong không gian giống như một phân tử protein nhỏ hoàn chỉnh vàthường là nơi thực hiện chức năng liên kết, chức năng lắp ráp của đại phân tửprotein trong hoạt động chức năng của nó Trong nhiều protein, đô men gắn liềnvới chức năng kết hợp đặc hiệu và ở nhiều enzym được cấu tạo từ các đô men, thìtrung 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 linhhoạt giữa các đại phân tử, khả năng cơ động, dịch chuyển tương ứng giữa những bộphận trong quá trình thực hiện chức năng sinh học Xét về mặt đô men cấu trúc, khiphân tích sự hoạt động của hầu hết các phân tử protein đã biết, có thể chia chúngthành 3 nhóm:

a Protein nhóm một có các đô men cố định và nối với nhau bằng những đoạnkhá dài và dẻo của chuỗi peptit, cho phép chúng xê dịch với những khoảng khárộng

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 tiếpcận, 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 đadạng

Ở những protein có nguồn gốc khác nhau, nhưng có chức năng tương tự thìcác 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 hiệnđầy 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 phứctạp 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 chuỗipolypeptit trong một protein như vậy được gọi là là tiểu đơn vị (sub unit) hay làmột 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 nhữngtrường hợp này, cấu trúc bậc 4 là điều kiện để hình thành nên tính năng mới choprotein

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 vậnchuyển được 1 phân tử oxy Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành mộtkhối không gian đặc thù (gần như hình tứ diện) thì mới có khả năng kết hợp và vậnchuyển oxy Một phân tử Hb vận chuyển được 4 phân tử oxy