Sinh học phân tử - CHƯƠNG II.doc

Sinh học phân tử

Chơng II

CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC và liên kết hóa học yếu

I Các đại phân tử

1 Nội dung và nhiệm vụ

- Nghiờn cứu về cấu trỳc, đặc tớnh và chức năng của cỏc đại phõn tử sinh họcnhư DNA, RNA, protein, cỏc đường, tinh bột, chất bộo, cỏc chất thơm lànhững thành phần khụng thể thiếu được trong cơ thể sống

- Đặc điểm chung của cỏc đại phõn tử là chỳng thường được hỡnh thành từnhững phõn tử nhỏ cựng loại (monomer) liờn kết với nhau bằng liờn kết cộnghúa trị như protein, axit nucleic, polysacharide

- Mỗi phân tử có một chức năng nhất định và sự tương tỏc giữa cỏc phõn tửsinh học với nhau sẽ quy định vai trũ của từng thành phần trong một tổng thểthống nhất, hài hũa của một cơ thể sống

Những phõn tử trong tế bào được chia thành 2 nhúm:

- Kớch thước phõn tử nhỏ như đường đơn, axit amin, axit bộo, cú khoảng 750loại phõn tử nhỏ khỏc nhau tỡm thấy trong tế bào sinh vật

- Nhúm đại phõn tử trong đú axit nucleic, chất mang thông tin di truyền vàprotein, sản phẩm đợc hình thành từ thông tin di truyền cú vai trũ quan trọngnhất Hiện cỏc nhà khoa học phỏn đoỏn đang tồn tại hơn 200 loại đại phõn tử

Nhờ phản ứng sinh húa xỳc tỏc bởi enzyme chỳng ta cú thể:

- Cắt nhỏ cỏc đại phõn tử thành cỏc tiểu phõn tử tỏch rời, rồi sau đú cú thể lắpghộp lại để tạo thành một đại phõn tử mới

- Quỏ trỡnh phản ứng giải phúng năng lượng hoặc tạo ra những phõn tử mới cúnăng lượng cao hơn nhiều

- Tổng hợp lờn khối phõn tử nhỏ là thành phần của đại phõn tử tế bào

- Lắp ghộp cỏc khối phõn tử đơn thành đại phõn tử mong muốn theo nhu cầu vàgiai đoạn phỏt triển của mụ

2 Axit nucleic

a Điểm lại những nghiên cứu phát hiện về gen và DNA trớc Watson và Crick

- Theo Mendel, gen là nhân tố di truyền quy định những tính trạng đặc thù,

nh-ng bản chất nh thế nào thì vẫn cha rõ Tơnh-ng tự nh vậy, đột biến làm thay đổichức năng của gen nhng chính xác là do cơ chế nào thì không rõ

- Thuyết một gen-một protein đã mô hình hoá việc gen quy định cấu trúc củaprotein

- Gen đợc phát hiện nằm trên nhiễm sắc thể

- Nhiễm sắc thể chứa DNA và protein (các histon)

- Hàng loạt các công trình nghiên cứu vào những năm 1920, chứng minh rằngDNA là vật chất mang thông tin di truyền

- Thí nghiệm phát hiện hiện tợng biến nạp (transformation) của phế cầu khuẩn

Streptococcus pneumoniae gây bệnh viêm phổi ở ngời và làm cho cho chuột

chết do Frederick Griffith, ngời Anh, tiến hành vào năm 1928 Có thể tóm tắt

nh sau: phế cầu khuẩn có 2 dạng S và R, dạng S có vỏ bao tế bào bằngpolysaccharit nên cản trở bạch cầu phá vỡ tế bào vi khuẩn, nên gây chuột chết,còn dạng R do không có vỏ bao nên bị bạch cầu tiêu diệt nên không gây bệnh.Dạng S khi đợc nuôi cấy sẽ cho khuẩn lạc nhẵn, còn dạng R cho khuẩn lạc ráp.Thí nghiệm tiến hành nh sau:

+ Tiêm vi khuẩn S sống gây bệnh cho chuột thì chuột chết

+ Tiêm vi khuẩn R sống không gây bệnh thì chuột sống

+ Tiêm vi khuẩn S bị đun chết cho chuột thì chuột sống

+ Tiêm hỗn hợp vi khuẩn S bị đun chết với R sống cho chuột thì chuột chết.Trong xác chuột chết tìm thấy có cả vi khuẩn S và R Kết quả trên chứng tỏDNA của S đã truyền sang R và nhờ protein còn sống của R hoạt hoá gen tạo rathể vi khuẩn S và gây bệnh làm chuột chết

- Năm 1944, Oswald Avery và 2 đồng nghiệp khác là Colin MacLeod vàMaclyn McCarty đã xác định tác nhân gây biến nạp chính là DNA vì sau khi xử

lí vi khuẩn S sống bằng protease, enzym phân huỷ protein, hoặc bằng RNase,enzyme phân huỷ RNA thì khả năng biến nạp vẫn còn Nhng nếu xử lí bằngDNase, enzyme phân huỷ DNA thì hoạt tính biến nạp không còn, chứng tỏDNA chính là nhân tố gây biến nạp

- Thí nghiệm nghiên cứu sự xâm nhiễm của DNA virut vào tế bào vi khuẩnthông qua phơng pháp đánh dấu đồng vị phóng xạ S35 và P32 của AlfredHershey và Martha Chase tiến hành vào năm 1952 chứng minh khi thực khuẩnxâm nhập vào tế bào vi khuẩn thì chỉ có DNA đợc đa vào trong tế bào cònprotein của thực khuẩn thẻ nằm bên ngoài tế bào vi khuẩn Ngày nay ngời ta đãkhẳng định ở đâu có DNA, một ít trờng hợp là RNA(virut) thì ở đó chứa genmang thông tin di truyền qui định và có thể tạo lên tính trạng

b Cấu trúc DNA

Đặc tính của vật chất di truyền

Trớc khi phát hiện ra cấu trúc DNA, thì đã có nhiều tranh cãi về vật chất

di truyền là gi, protein, acid nhân hay một chất nào khác Cuối cùng đều thốngnhất là vật chất di truyền cần phải có 3 đặc tính cơ bản sau:

- Mọi tế bào soma trong một cơ thể sinh vật cần phải có cùng một cấu trúc

di truyền, vật chất di truyền phải đợc tái bản một cách chính xác qua mỗilần phân chia tế bào

- Vật chất di truyền phải tàng chứa những thông tin di truyền quy định việctạo ra các protein có chức năng xúc tác cho quá trình hình thành tínhtrạng

- Phải có khả năng đột biến và di truyền lại để làm cơ sở cho tiến hoá sinhvật

DNA có đủ các đặc tính trên ngoài ra nó còn có cả tiềm năng tự sửa sai đểbảo toàn tính nguyên vẹn

Cấu trúc DNA theo Watson và Crick

- Thành phần hoá học

DNA là phõn tử trựng phõn, mạch thẳng khụng phõn nhỏnh, bao gồm 2mạch đơn, mỗi mạch hỡnh thành do liờn kết trựng phõn giữa 4 nucleotide tạonờn chuỗi phõn tử dài hàng trăm, ngàn thậm chớ hàng triệu nucleotide

6

Các đồng phân của Purine

Mỗi nucleotide bao gồm:

+ Đường 2’ deoxyribose, là đường pentose chứa 5 nguyờn tử cacbon vàcacbon ở vi trớ số 2’ chứa nhúm H thay bằng nhúm OH của đờng ribose trongRNA

+ Bazơ nitơ cú 4 loại là A, T, C và G, chia thành 2 nhúm là bazơ purine(bazơ to, cú 2 vũng thơm) gồm Adenine và Guanine, cũn nhúm pyrimidine(bazơ nhỏ chứa 1 vũng thơm) gồm Thymine và Cytosine) Liờn kết giữacacbon số 1 của đường pentose với nitro số 1 của bazơ nhúm pyrimidinehoặc nitơ số 9 của bazơ purine sẽ tạo thành một nucleoside

+ Nucleoside gồm đường liờn kết với bazơ nitơ, khi thờm gốc phosphate sẽthành nucleotide Trong tế bào chứa cả 3 loại là dNMP, dNDP và dNTPnhưng chỉ dNTP là được sử dụng để tổng hợp DNA Tờn đầy đủ của 4dNTP là: 2’-deoxyadenosine 5’-triphosphate, 2’-deoxycytidine 5’-triphosphate, 2’-deoxyguanosine 5’-triphosphate, 2’-deoxythymidine 5’-triphosphate

+ Nhúm phosphate cú thể gồm 1, 2 hoặc 3 gốc phosphate gắn vào vị trớcacbon số 5 của đường, theo thứ tự lần lượt là α, β và γ

+ Chuỗi polynucleotide được tạo thành do cỏc nucleotide liờn kết với nhaubằng liờn kết phosphodiester giữa nhúm OH của bazơ trước với gốc phosphate

ở vị trớ cacbon số 5 của nucleotide tiếp theo tạo thành, quỏ trỡnh này liờn quanđến việc loại bỏ 2 gốc phosphate bên ngoài (β và γ) của nucleotide tới Hai đầucủa chuỗi polynucleotide cú cấu tạo hoỏ học xỏc định, đầu 5’ chứa 1 hoặc 3 gốcphosphate (5’-P terminus) khụng hoạt động, cũn đầu kia 3’ (cacbon số 3) chứanhúm OH Điều này cú nghĩa rằng phõn tử DNA cú hướng hoỏ học 5’→3’ hoặc3’→5’, nhưng hướng tổng hợp của tất cả cỏc DNA polymerase đều theo chiều5’→3’

Hỡnh 1.2 Cấu trỳc húa học và chuỗi xoắn kép phõn tử DNA

- Quy tắc Chargaff về thành phần các nucleotide trong một phân tử DNA

+Tổng số phân tử pyrimidine (T + C) luôn bằng tổng số phân tử purine (A +G)

+ Số phân tử nu T luôn luôn bằng số phân tử nu A và số phân tử nu C luônluôn bằng số phân tử nu G Nhng tổng số nu A + T không cần thiết phảibằng C + G Tỷ số này biến động theo loài sinh vật nhng giống nhau ở cácmô khác nhau trong cùng một cơ thể sinh vật

- Chuỗi soắn kộp DNA

+ DNA là một đại phõn tử gồm 2 chuỗi polynucleotide đơn xoắn vào nhau(dsDNA) Watson và Crick năm 1953 đó phỏt minh ra cấu trỳc này Mỗi mạch

cú cỏc cặp bazơ đối xứng nhau theo quy luật A luụn liờn kết với T bằng 2 liờnkết hydro, cũn C luụn liờn kết với G bằng 3 liờn kết hydro Cỏc nucleotit của 2mạch luụn luụn đối xứng nhau Một đặc tớnh nữa của chuỗi xoắn kộp DNA sựtương tỏc liờn kết hyđro giữa cỏc cặp bazơ lõn cận làm cho phõn tử DNA khi ởtrạng thỏi xoắn kộp sẽ bền vững hơn Hướng xoắn của 2 mạch đơn ngược chiềunhau nờn gọi chỳng là hai mạch đối xứng song song Mỗi mạch đơn (ssDNA)mang trỡnh tự cỏc bazơ khỏc nhau, cho nờn mỗi mạch mang thụng tin di truyềnkhỏc so với mạch kia Hai mạch đơn liờn kết với nhau bởi liên kết hydro giữacác bzơ bổ sung trên 2 mạch, do vậy trong quỏ trỡnh tự sao chộp sẽ tuõn thủtheo nguyờn tắc bỏn bảo thủ

+ Khi viết trình tự một phân tử DNA, ngời ta thờng chỉ viết trình tự một sợi

đơn hớng 5' – 3', đầu 5' ở bên trái còn đầu 3' ở bên phải

+ Chiều dài phân tử DNA đợc đo bằng số cặp bazơ (bp, Kb và Mb)

Đặc tính của DNA

+ Đặc tớnh biến tớnh là khả năng sợi kộp DNA trong điều kiện nhiệt độ caogần điểm sụi hoặc pH<3 hay trờn 10 cú thể sẽ tỏch rời thành 2 sợi đơn vàngược lại, nếu điều kiện trờn quay lại trạng thỏi ban đầu một cỏch từ từ thì 2 sợiđơn này lại cú thể ghộp bổ sung thành sợi kộp ban đầu Người ta lợi dụng đặctớnh này trong phương phỏp lai DNA và PCR

+ DNA mang điện õm cũn những protein histon lại tớch điện dương, làm trunghũa điện tớch của DNA trong nhiễm sắc thể

+ DNA nằm chủ yếu ở trong nhõn tế bào, trong nhiễm sắc thể chiếm đến 98 99%, mỗi nhiễm sắc thể có một sợi DNA, ngoài ra cũn nằm ở ty thể, lạp thể,virut, viroid gõy bệnh hoặc vi sinh vật khỏc sống ký sinh trong tế bào nh vikhuẩn wolbachia sống trong té bào sinh sản của côn trùng chân đốt có tác dunglàm thay đổi giới tính

+ DNA của sinh vật nhõn thật cú cấu tạo dạng thẳng, cũn của sinh vật tiềnnhõn cú cấu tạo dạng vũng (vi khuẩn và virut), tuy nhiờn chỳng đều cuộn chặtthành một phức hợp gọi là nhiễm sắc thể

+ DNA thường cú kớch thước rất lớn vớ dụ ở người cú sợi DNA cú thể dài đến1mm, như vậy nú phải nộn chặt tựy theo mức độ, thấp là ở thể nucleosome vàcao là nhiễm sắc thể Sợi nhiễm sắc cú kớch thước khoảng 100Ao nhiều khi đạttới 300Ao, trong khi đường kớnh DNA chỉ đạt 20Ao

+ Sợi cú đường kớnh 100Ao là chuỗi gồm nhiều nucleosome, 1 nucleosomechứa 1 sợi DNA quấn quanh 1 lừi gồm 8 phõn tử histon Cỏc sợi 100Ao lại tổchức thành một cấu trỳc phức tạp và lớn hơn cú đường kớnh 300Ao gọi là cỏcsolenoid

+ Trong nhõn tế bào, cỏc sợi solenoid kết hợp chặt chẽ với nhiều protein và cảRNA tạo thành nhiễm sắc chất, khi đạt độ nộn cực đại sẽ tạo thành nhiễm sắcthể

- Chu kỳ sống của tế bào gồm 4 pha:

+ G1: Chuẩn bị cho quỏ trỡnh sinh tổng hợp DNA

+ S: Tổng hợp DNA và histon

+ G2: chuẩn bị phõn đụi

+ M: phõn chia (4 kỳ) Chu kỳ ngừng phõn chia tiếp tục, tế bào bước vào Gohoặc chuyển sang giai đoạn phõn hoỏ

- Kớch thước DNA của Eukaryote hoàn toàn khụng cú mối liờn quan gỡ đến kớch

thước và mức độ tiến hoỏ của sinh vật Thớ dụ ở một số thực vật và động vật

lưỡng thờ, genome của chỳng cú thể cú kớch thước DNA lớn gấp trăm lần ởngười.

- Toàn bộ DNA của gen sinh vật tiền nhõn đều mang thụng tin di truyền mó húa

cho cỏc protein, cũn DNA sinh vật nhõn thật gồm trỡnh tự mó húa exon vàkhụng mó húa intron xen nhau Ở người, bộ genome chứa 3.109bp trong đúchứa từ 30.000 – 40.000 gen với tổng lơng DNA chỉ chiếm 5% tổng số tronggenome

- Cấu trỳc DNA trong genome gồm:

+ Trỡnh tự lặp lại nhiều lần chiếm 10-15% bộ gen động vật cú vỳ Đõy lànhững trỡnh tự ngắn (10-200kb) khụng mó húa nằm ở tõm động và đầu cỏcnhiễm sắc thể (vị trớ tel), chức năng chưa rừ, nhưng tham gia vào quỏ trỡnh dichuyển sợi nhiễm sắc tử khi phõn bào

+ Trỡnh tự lặp lại trung bỡnh chiếm từ 25-40%, trong bộ gen người, kớchthước từ 100-1000 kb, đa dạng hơn và khụng tập trung ở tõm động và tel mànằm rải rỏc trong genome, cú thể khụng và gồm cả trỡnh tự mó húa chủ yếu tạothành rRNA, tRNA và RNA 5S

+ Trỡnh tự duy nhất là cỏc gen mó húa cỏc protein đặc trưng cho từng gen

c RNA

Điểm khác biệt với DNA

Cấu trỳc RNA cú 4 điểm khỏc so với DNA là:

- RNA thờng là một chuỗi nucleotide mạch đơn, không xoắn kép nh DNA Dovậy RNA dễ linh động hơn và có thể hình thành đợc nhiều hình dạng phân tử cókhông gian 3 chiều Nó có thể gập lại nhờ ghép cặp giữa các bazơ với nhau tạolên những hình thể nhất định

- RNA chứa đường ribose trong các nucleotide, đờng này khác đờngdeoxyribose ở nhóm OH thay bằng H tại vị trí carbon số 2

- Nucleotide của RNA gồm A, G và C, còn thymine đợc thay bằng uracine.Uracil có khả năng ghép cặp với G và A, và U với G chỉ ghép cặp đợc khi nócuộn lại chứ không ghép cặp khi phiên mã 2 liên kết hydro giữa U và G nàyyếu hơn giữa U và A Khả năng ghép cặp giữa U và G đã giúp RNA tạo đợcnhững cấu trúc phức tạp, đóng vai trò quan trọng trong một số quá trình sinhhọc

- RNA giống với protein chứ không giống DNA là có thể xúc tác cho nhữngphản ứng sinh học, vì thế có thể gọi là ribozyme

Cú 3 loại RNA là mRNA, tRNA và rRNA

mRNA

- Là bản sao của DNA, đối mó với sợi đơn hướng 3’- 5’ của DNA gen Đóngvai trũ trung gian chuyển thụng tin mó húa từ phõn tử DNA đến bộ mỏy giải móthành protein.

- Cỏc mRNA cú cấu trỳc đa dạng thường ngắn hơn đoạn gen DNA mà nú được

mó húa, mỗi mRNA gồm thờm 1 hoặc vài protein Tuỳ mỗi lượng, mRNAthường chiếm khoảng 2 - 5% tổng RNA trong tế bào

- Sơ đồ mối quan hệ giữa DNA và RNA như sau: Sao chộp (DNA)  Phiờn

mó (RNA)  Dịch mó (Protein)

- mRNA sinh vật nhõn thật thường cú đầu 3’ là polyA, đuụi này đớnh vào mạchngay sau khi tổng hợp xong mRNA, cũn đầu 5’ đớnh 7 methyl-Gppp, mũ nàyđớnh vào mạch mRNA trong quỏ trỡnh tổng hợp, cú vai trũ điều khiển quỏ trỡnhdịch mó chớnh xỏc từ codon khởi đầu AUG qua ribosome

- mRNA của sinh vật nhõn thật thường đợc sinh ra từ 1 gen phiờn mó trongnhõn, sau khi thành thục sẽ chuyển ra tế bào chất mRNA của sinh vật tiền nhõnthờng là một chuỗi phiờn mó của nhiều gen vớ dụ như các gen cấu trúc của Lacoperon

RNA chức năng

- RNA vận chuyển (tRNA)

+ Vận chuyển chính xác axit amin đến mRNA trong quá trình dịch mã tạo

protein

+ Cấu trỳc dưới dạng 3 chạc, ổn định nhờ 1 số đoạn cú liờn kết bổ sung

+ Cú 2 vị trớ khụng cú liờn kết bổ sung, một là anticodon (bộ 3 nu bổ sung với

bộ 3 nucleotit codon của mRNA), còn đầu kia cú trỡnh tự CCA nối cộng húa trịvới một axit amin tương ứng

- Cỏc RNA của ribosome(rRNA)

+ Là thành phần chính của ribosome, giúp mRNA và tRNA kết gắn các amino

axit tạo thành chuỗi protein

+ Chiếm 80% tổng RNA của tế bào nằm chủ yếu ở tế bào chất

+ Cỏc rRNA kết hợp với cỏc protein chuyờn biệt tạo thành cỏc ribosome + Tựy theo hệ số lắng S, mà rRNA của sinh vật nhõn thật chia thành nhiềuloại: 28S, 18S, 5,8S và 5S

+ rRNA của mọi tế bào đều gồm 1 tiều phần lớn và 1 tiểu phần nhỏ khỏcnhau bởi mang nhiều hay ớt protein và kớch thước hai rRNA cấu thành cũngkhỏc nhau

+ Nhiều rRNA cũn cú chức năng xỳc tỏc như 1 protein enzyme

+ rRNA được trưởng thành từ một phân tử tiền thân, thường cần xúc tác củaenzym, trường hợp không cần xúc tác thì có trình tự intron trong nội phân tửRNA sẽ tự xúc tác cho quá trình đó.

+ Gần đây nhóm RNA xúc tác được phát hiện trong quá trình trưởng thànhcủa tRNA và chu kỳ sống của một số viroid thực vật

- Viroid là một nhân tố gây bệnh thực vật, có cấu tạo gồm những phân tử RNA

sợi đơn, dài từ 270 đến 380 nu nhỏ hơn hàng ngàn lần so với loại virus nhỏ bénhất, nó không có vỏ protein, không trải qua giai đoạn DNA trong chu kỳ sống,tái bản trực tiếp tạo RNA và không kết gắn vào genome của ký chủ, gây bệnhnhờ có chứa đoạn bổ sung với 7S RNA của ký chủ, tác dụng như một antigenRNA ngăn cản việc hình thành và tạo ra chức năng của cấu tử nhận biết tínhiệu, làm rụt đỉnh sinh trưởng, ví dụ như viroid cà chua

- Trong nhân, RNA tập trung thành một số hạt đậm đặc đính vào các nhiễm sắc thể.

+ Ribosome là những hạt Ribonucleoprotein có đường kính từ 10 - 20m, lànơi dịch mã Ribosome gồm 2 cấu tử (subunit) kích thước không bằng nhau,được ràng buộc với nhau bằng ion Mg2+, mỗi cấu tử được tạo bởi những phầntương ứng nhau của RNA và protein Mỗi cấu tử ribosome được lắp ghép bởimột phân tử RNA liên kết với từ 20 –30 protein có khối lượng phân tử nhỏ đểhình thành 1 khối cuộn chắc

+ Ở sinh vật nhân chuẩn, các RNA ribosome trong tế bào chất được tạo ra từcác cistron (các đoạn DNA tạo ra RNA) nằm ở vùng nhiễm sắc thể gắn giầuRNA Ít nhất có 4 loại ribosome khác nhau bởi hệ số lắng Ở Ribosome độngvật có chứa 2 tiểu cấu tử là 5,8S liên kết hydro với 28S, cả 2 cùng được sinh ra

từ tiểu cấu tử 28S ban đầu

+ Gen mã hóa sinh ra RNA ribosome nằm trong những đơn vị lặp lại kế tiếpnhau của vùng nhiễm sắc thể gắn giầu RNA Mỗi đơn vị cách nhau bởi mộtkhoảng cách, phần này không phiên mã và chứa 3 cistron mã hóa tạo thành 3ribosome là: 18S, 5,8S và 28S, theo thứ tự đoạn này từ đầu 5’ là 18S đến 5,8Srồi đến 28S ở đầu 3’ Những gen tạo RNA được ký hiệu là rDNA

+ Nucleolus organizer (tổ chức nucleolus) là một thể hình cầu, giàu RNA, ởcây ngô thể này nằm cạnh và đính vào nhiễm sắc thể số 6, thể này xuất hiện ởtiền kỳ, và chứa những gen tổng hợp RNA ribosome

+ Nucleolus được hợp thành bởi sản phẩm ban đầu của những gen tạoribosome, một số protein và nhiều enzyme như RNA polymerase, RNAmethylase và RNA endonuclease

- Các RNA nhỏ ở trong nhân(small nuclear RNAs, snRNA), là thành phần của

hệ thống tham gia vào quá trình phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn

+ Một số snRNA kết hợp với cấu tử protein để hình thành nênribonucleoprotein nh spliceosome có nhiệm vụ cắt bỏ các intron ra khỏi mRNA.Nhiều gen trong genome phiên mã tạo ra RNA chức năng tham gia vào quátrình điều hoà mức độ hoạt động của gen

+ Các tiểu RNA (MicroRNAs, miRNA), đợc tổng hợp bởi nhiều gen tronggenome, có

vai trò lớn trong việc điều hoà hàm lợng protein từ nhiều gen trong sinh vậtnhân chuẩn

+ RNA nhỏ can thiệp (small interfering RNAs), giúp thực, động vật bảo vệ tínhtoàn vẹn của genome, bằng cách ức chế sự sinh sản và xâm nhập của virut, ngănngừa sự di chuyển của những yếu tố di động đến vị trí locus khác trên nhiễmsắc thể

3 Protein

a Cấu trỳc, thành phần

- Đơn vị cơ bản tạo nờn cấu trỳc protein là axit amin, giới sinh vật bao gồm cảthẩy cú 20 axit amin, với cụng thức gồm các axit amin liên kết vơí nhau bằngliên kết peptide

Liên kết peptide là sự kết hợp giữa nhóm amine của một amino acid với nhómcarboxyl của amino acid kế tiếp Phản ứng kết hợp n y ày tạo thành một liờn kếtpeptide và giải phóng ra một phân tử nớc Peptide là một phức hợp được tạothành từ 2 đến 30 axit amin, còn nếu dài hơn thỡ gọi là polypeptide

- Cấu tạo hóa học của 20 axit amin, các gốc R và chữ viết tắt

+ Nhúm trung tớnh kỵ nước ở nhỏnh bờn sẽ khụng mang điện tớch

+ Nhúm trung tớnh phõn cực thỡ nhỏnh bờn thường mang nhúm OH

+ Tất cả cỏc chuỗi polypeptide đều cú 2 axit amin ở 2 đầu tận cựng một đớnh

nhúm amin, cũn đầu kia đớnh gốc COOH tự do và được tổng hợp từ trỏi sangphải, bắt đầu từ a.amin chứa đầu amin và kết thỳc là a.amin chứa đầu cacboxin

R

+ Các protein khác nhau có trình tự và thành phần các axit amin khác nhau,trỡnh tự và thành phần cỏc acid amin quyết định tính chất và chất lợng củaprotein.

- Protein là chỉ 1 đơn vị chức năng gồm không chỉ là trình tự các axit amin

trong chuỗi mà còn bao gồm cả cấu trúc không gian phức tạp, một protein cóthể được tạo thành từ nhiều polypeptide Có 4 kiểu cấu trúc protein (4 bậc):+ Cấu trúc bậc 1 là trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi protein, cảthẩy có 20 a.amin cấu tạo nên protein Các a amin đều có 3 nhóm gốc giốngnhau là amin (-NH2), cacboxin (-COOH) và hydro (-H) còn gốc R thì khácnhau và quy định tính chất khác biệt giữa các a.amin Liên kết peptit (-CO-NH-) là liên kết đồng hoá trị hình thành giữa nhóm amin của a.amin này vớinhóm cacboxin của a.amin bên cạnh Phản ứng trùng hợp thường được gọi làphản ứng trùng hợp mất nước

+ Cấu trúc bậc 1 quy định tính đặc thù của phân tử protein, đồng thời còn quyđịnh cấu trúc không gian của phân tử protein Nếu chuỗi protein bị mất, thừahoặc thay đổi trình tự dù chỉ một a amin cũng sẽ dẫn đến sự thay đổi tính đặcthù và tính chất của protein

+ Trong chuỗi polypeptide có chứa các a.amin đặc thù, quy định vùng hoạtđộng chức năng đặc thù của protein như enzyme, trung tâm nhận biết các phân

tử khác, vùng liên kết với DNA, vùng chứa địa chỉ nơi mà protein sẽ được vậnchuyển đến các cơ quan tử như: ty thể, lạp thể, ribosome, nhân, màng sinh chấthoặc xuất ra ngoài tế bào

+ Cấu trúc bậc 2 là sự uốn các phần của từng chuỗi thành cấu trúc đều đặntrong không gian theo kiểu dạng xoắn  hay phiến gấp nếp  Liên kết hydrođóng vai trò quan trọng tạo nên cấu trúc bậc 2 Những yếu tố nào ảnh hưởngđến cấu trúc bậc 2 thì đều ảnh hưởng đến hoạt tính và chức năng của protein.Cấu trúc bậc 2 là dạng trung gian chuyển tiếp để phân tử protein hình thành nêncấu trúc bậc 3 phức tạp hơn

+ Cấu trúc bậc 3 được hình thành do các chuỗi polypeptíde cuộn xoắn hay gấpkhúc tạo nên phân tử có cấu hình không gian 3 chiều, cấu hình 3D của protein.Cấu hình 3D cũng quy định hoạt tính, chức năng của protein Cấu trúc 3D đượctạo nên bởi các liên kết yếu như liên kết ion, liên kết kỵ nước, hoặc liên kếtdisulphit giữa 2 a.amin chứa lưu huỳnh Khi có tác động của nhiệt độ, pH, hoặchoá chất độc sẽ dẫn đến làm thay đổi hình thù 3D gọi là quá trình gây biến tínhprotein sẽ dẫn đến việc huỷ hoại chức năng, thậm trí tạo nên trạng thái gâybệnh Ví dụ điển hình là một protein có tên là prion, đây là loại protein gâynhiễm bệnh làm cừu, dê và bò điên Trước kía người ta lầm tưởng bệnh này dovirut chậm hoặc viroid gây nên Nguồn gốc sinh ra prion là do gen mã hoáprotein lành bị đột biến làm thay đổi cấu trúc 3D, bình thường gồm 3 chuỗi

xoắn  và 2 chuỗi , nhưng khi bị biến đổi một chuỗi  biến thành chuỗi ,chỳng bị biến đổi cấu hỡnh tạo thành prion gõy bệnh Ở trạng thỏi prion gõybệnh chỳng chống chịu được với cỏc enzyme phõn giải và tỏc nhõn tiệt trựng,hơn nữa chỳng cũn cú thể làm cỏc prion lành khỏc thành cỏc prion gõy bệnh vỡthế chỳng trở thành phõn tử protein truyền bệnh.

+ Cấu trỳc bậc 4 được hỡnh thành do 2 hoặc nhiều chuỗi polypeptide thànhphần tương tỏc với nhau tạo nờn

- Hầu hết cỏc protein chỉ chứa 1 chuỗi polypeptide, một số ớt khỏc nhưhemoglobin chứa tới 4 polypeptide, 2 chuỗi trỡnh tự đặc thự  và 2 chuỗi trỡnh

tự  Thành phần một polypeptide cú thể chứa từ 5 đến 4000 axit amin Trong

tế bào, protein luụn được tổng hợp, phõn giải và thay thế Tất cả cỏc proteinđều được tổng hợp trờn ribosome theo mó bộ 3 nu trờn mRNA Khi proteinkhụng cũn được sử dụng hoặc bị sai lệch chỳng sẽ bị phõn giải bởi nhiềuphương thức: bằng cỏc enzyme phõn giải tự do trong tế bào chất hoặc dịchnhõn, phõn giải trong cỏc proteasome là tổ chức hỡnh ống trong chứa cỏcprotease Ubikinin là loại protein đặc thự thường gắn vào protein bị phõn giảirồi chuyển đến proteasome để phõn giải tại đú

b Đặc tính của protein

- Điểm đẳng điện (Isoelectric point): Là pH tại đú tổng điện tớch của phõn tử

protein bằng khụng Mỗi protein tuỳ theo gốc R cú chứa nhúm –NH2 hay –COO- mà cú pH kiềm hay axit, để duy trỡ nguyờn pH vốn cú của protein người

ta thường dựng chất ampholyte

- Ampholyte: Là một chất cú hoạt tớnh trong cả mụi trường axit và bazơ,

ampholyte mất proton (điện tử) ở phớa kiểm của điểm đẳng điện và thu nhậnproton ở đầu axit của điểm đẳng điện Cho nờn khi ampholyte tương tỏc vớiprotein sẽ giữ nguyờn pH vốn cú của protein trong trường điện di Chất này cúthể duy trỡ được một phạm vi pH nhất định tuỳ theo sản phẩm của nhà sản xuất.Thí dụ ampholyte 7 – 14 sẽ giữ nguyên đợc pH của những protein nào có pH

từ 7 – 14

- Enzyme hay fecment : Là một dạng protein cú khả năng xỳc tỏc cho những

phản ứng hoỏ sinh học, nú khỏc so với những chất vụ cơ khỏc bởi tớnh đặc thựcao của mỡnh, cú nghĩa là chỳng chỉ xỳc tỏc cho những phản ứng cú liờn quanđến một hoặc một vài chất tương đồng nhau, và chỳng cú khả năng phõn biệtđược giữa những chất đồng phõn lập thể (stereoisomer)

- Cỏc enzyme khi đuợc tỏch chiết ra khỏi cơ thể sống chỳng vẫn cú khả năngxỳc tỏc đặc hiệu cho cỏc phản ứng cựng loại ở bờn ngoài tế bào.

- Hoạt tớnh xỳc tỏc của enzyme phụ thuộc vào cấu trỳc bậc 1, 2, 3, 4 và trạngthỏi tự nhiờn của phõn tử protein enzyme đú

- Một số enzyme thể hiện hoạt tớnh xỳc tỏc khụng cần sự cú mặt của cỏc yếu

tố khỏc ngoài phõn tử protein enzyme Số khỏc thỡ yờu cầu ngoài phõn tửprotein enzyme ra khi muốn cú hoạt tớnh xỳc tỏc thỡ cần sự phối hợp tỏc độngvới một số ion kim loại khỏc như: Fe+ 2, Mg+2, Mn+2 hoặc Zn+2, cỏc nguyờn tốkim loại này như là cỏc cộng tố

- Một vài enzyme khỏc thỡ lại cần sự cú mặt và phối hợp hoạt động với cỏcphức hữu cơ hoặc phức hữu cơ với kim loại để tạo thành phức hợp đồngenzyme (coenzyme), làm thay đổi đặc tính, định hớng di chuyển hoặc mới cúthể thực hiện được hoạt tớnh xỳc tỏc của mỡnh Người ta gọi phần protein củaenzyme là apoenzyme, cũn cỏc đồng yếu tố gọi là nhúm ngoại (prostheticgroup) Phức hợp chứa cả 2 phần là protein và nhúm ngoại của enzyme thỡđược gọi là enzyme hoàn chỉnh (holoenzyme)

- Phần phõn tử protein enzyme chứa cỏc nhúm chức, trực tiếp kết hợp với cơchất để hỡnh thành lên một cấu hình bao bọc, cắt đứt cỏc liờn kết của cơ chất tạothành sản phẩm của phản ứng gọi là trung tõm hoạt động của enzyme

- Phần lớn cỏc enzyme cú tỏc dụng xỳc tỏc cho cỏc phản ứng như: oxy hoỏkhử, vận chuyển, thuỷ phõn, thờm một nhúm hoỏ học vào liờn kết kộp (lyases),xỳc tỏc cho việc chuyển nhúm hoỏ học nội vi phõn tử hỡnh thành lờn cỏc đồngphõn (isomerases) hoặc xỳc tỏc cho việc hỡnh thành cỏc liờn kết giữa C - C, C -

S, C - O hoặc C - N(ligases)

- Hầu hết tất cả cỏc biến đổi sinh hoỏ trong tế bào và cơ thể sống đều đượcxỳc tỏc bởi enzyme ở độ pH trung tớnh, nhiệt độ và ỏp suất bỡnh thường, trongkhi đú đa số cỏc chất xỳc tỏc vụ cơ lại chỉ xỳc tỏc ở nhiệt độ và ỏp xuất cao Sở

dĩ enzyme cú khả năng xỳc tỏc tuyệt vời như vậy vỡ nú tạo được mụi trườngđặc hiệu cú lợi nhất về mặt năng lượng để thực hiện phản ứng Mụi trường đặchiệu trờn được tạo bởi tõm hoạt động liờn kết với cơ chất mà nú xỳc tỏc, phứchợp enzyme - cơ chất (E-S) cú năng lượng hoạt hoỏ thấp đó cho phộp phản ứngxẩy ra ở nhiệt độ cơ thể sinh vật

- Hiện nay nguời ta đã tổng hợp nhân tạo đợc một số enzyme có hoạt tính phângiải ester giống nh chymortrypsin từ các chất nguyên liệu ban đầu có cấu trúcphân tử thấp nh cyclodextrin (có 6 – 10 gốc D-glucose, đầu nối đuôi tạo thànhvòng) sau đó gắn thêm các nhóm chức trong trung tâm hoạt động của enzyme.Hoặc ngời ta tổng hợp nhiều peptide riêng rồi nối chúng lại tạo thành E hoặcghép một enzyme vào một khung cấu trúc khác để tạo ra E mới Những enzymenày gọi là synzyme