giáo trình hoá sinh đại cương

Hoá sinh mới trở thành một ngành khoa học ñộc lập vào nửa sau thể kỷ thứ XIX, mặc dầu ngay từ thời thượng cổ, con người ñã làm quen với nhiều quá trình hoá sinh học trong cuộc sống hàng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ðẶNG THÁI HẢI, NGUYỄN VĂN KIỆM

GIÁO TRÌNH HOÁ SINH ðẠI CƯƠNG

Hà Nội - 2009

LỜI NÓI đẦU

Trong những năm cuối của thế kỷ XX và ựầu thế kỷ XXI loài người ựã và ựang chứng

kiến những thành tựu to lớn do các ngành công nghệ mũi nhọn (Công nghệ tin học, Công nghệ sinh học, Công nghệ vật liệu mới, Công nghệ năng lượng mới) ựem lại Trong số các ngành công nghệ mũi nhọn Công nghệ sinh học (Biotechnology) là ngành công nghệ ựầy hứa

hẹn Nền tảng của công nghệ sinh học dựa trên các thành tựu của Hoá sinh học, Di truyền học, Sinh học tế bào Hoá sinh học Ờ Môn khoa học ra ựời vào nửa cuối thế kỷ XIX Trong thế kỷ

XX Hoá sinh học ựã phát triển mạnh mẽ, ựạt ựược trình ựộ cao trong mọi lĩnh vực nhất là

trong lĩnh vực Protein và Nucleic acid cùng các môn khoa học sinh học khác hình thành lĩnh

vực Công nghệ sinh học Ngày nay loài người ựã có ựủ cơ sở ựể tạo ra những giống cây trồng,

vật nuôi có tắnh chống chịu ựối với các tác nhân gây bệnh, có tắnh chống chịu ựối với ựiều

kiện môi trường bất lợi, có phẩm chất`mong muốn Ầ, các giống vi sinh vật có khả năng tạo

ra các sản phẩm thực phẩm, các phụ gia thực phẩm ựặc biệt mà công nghệ truyền thống không

thể tạo ra hoặc với phẩm chất không cao, các vacxin chữa bệnh ựặc trị Ầ Do vậy kiến thức hoá sinh học là rất cần thiết cho các kỹ sư nông nghiệp, lâm nghiệp, cử nhân sinh học, kỹ sư công nghệ thực phẩm Ầ tương lai

Trong quá trình nâng cao chất lượng ựào tạo ựại học ựến nay Bộ giáo dục và đào tạo

ựã xây dựng thống nhất Chương trình khung ựào tạo các chuyên ngành Trên cơ sở khung

chương trình của môn học Hoá sinh ựại cương chúng tôi mạnh dạn biên soạn giáo trình ỘHoá sinh ựại cươngỢ Giáo trình ựược biên soạn trên cơ sở kinh nghiệm giảng dạy môn học nhiều

năm của tập thể cán bộ giảng dạy của Bộ môn Hoá sinh Ờ Công nghệ sinh học thực phẩm, Bộ môn Sinh lý Ờ Hoá sinh ựộng vật, trường đại học Nông nghiệp Hà Nội và cập nhật các kiến

thức mới của Hoá sinh hiện ựại

Giáo trình ựược phân công biên soạn như sau:

- PGS.TS Ngô Xuân Mạnh : Mở ựầu, Chương 4 và 8

- ThS Lại Thị Ngọc Hà : Chương 1 và 5

- TS đặng Thái Hải : Chương 2,3, 6 và 7

Giáo trình này là tài liệu học tập của sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh của các chuyên ngành nông nghiệp thuộc các trường đại học Nông nghiệp Ngoài Giáo trình là tài

liệu tham khảo tốt cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh các ngành sinh học, các cán bộ giảng dạy, cán bộ nghiên cứu và các nhà sản xuất trong lĩnh vực nông nghiệp, lâm nghiệp, sinh học, công nghệ thực phẩm Ầ

đây là lần ựầu tiên biên soạn theo nội dung khung chương trình mới, chắc chắn còn nhiều khiếm khuyết Chúng tôi mong nhận ựược sự ựóng góp ý kiến của người ựọc nhất là các

bạn sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ựể Giáo trình ngày càng hoàn thiện và tốt

hơn

Tháng 12 năm 2009

Các tác giả

CỦA VITAMIN

35

3.2.2 Các cofactor 49

3.2.4 Các tổ hợp ña enzyme và các enzyme dị lập thể 54

3.5.4 Ảnh hưởng của các chất hoạt hoá và chất ức chế 64

4.3.5 Sinh tổng hợp DNA (sự tái bản DNA - Replication) 81 4.3.6 Sinh tổng hợp RNA ( sự phiên mã-Transcription) 85

6.5.3 Tổng hợp glucose từ các sản phẩm chuyển hoá trung gian 131

7.4 TỔNG HỢP LIPID 167

7.4.2 Sinh tổng hợp Glycerophospholipid và Sphingolipid 174

Chương 8 TRAO ðỔI CHÂT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA CÁC CƠ THỂ

SỐNG

178

MỞ ðẦU

Hoá sinh học (Biochemistry) là một môn khoa học nghiên cứu thành phần hoá học

của cơ thể và những chuyển biến hoá học của các chất và của năng lượng xảy ra trong quá trình hoạt ñộng sống của con người, ñộng vật, thực vật và vi sinh vật

Việc nghiên cứu các chất có trong thành phần của cơ thể sinh vật là nhiệm vụ của tĩnh hoá sinh (Static biochemistry) Tĩnh hoá sinh có quan hệ rất mật thiết với hoá học hữu cơ

(Organic chemistry) Việc nghiên cứu các chuyển hoá hoá học xảy ra trong quá trình hoạt

ñộng sống của cơ thể nghĩa là nghiên cứu về mặt hoá học của sự trao ñổi chất là nhiệm vụ của

ñộng hoá sinh (Dynamic biochemistry) Cần nhấn mạnh rằng tĩnh hoá sinh và ñộng hoá sinh

liên quan liên quan với nhau rất chặt chẽ- việc nghiên cứu các quá trình hoá sinh học sẽ vô nghĩa nếu không có sự nghiên cứu các chất tham gia trong quá trình này

Hoá sinh mới trở thành một ngành khoa học ñộc lập vào nửa sau thể kỷ thứ XIX, mặc

dầu ngay từ thời thượng cổ, con người ñã làm quen với nhiều quá trình hoá sinh học trong

cuộc sống hàng ngày của họ (nướng bành mỳ, nấu rượu, thuộc da…)

Sự cố gắng làm tăng năng suất mùa màng trên ñồng ruộng và sử dụng các thực vật khác nhau ñể làm thức ăn, làm thuốc, làm sơn, làm vải… ñã khiến con người phải nghiên cứu các cấu tử của thực vật và sự ảnh hưởng của các chất khác nhau ñối với sự sinh trưởng và phát triển của chúng

Việc ñấu tranh với bệnh tật ñã khiến con người phải nghiên cứu các quá trình xảy ra trong cơ thể người ốm và người khoẻ cũng như ảnh hưởng của các dược liệu khác nhau lên cơ

thể con người

Sự phát triển khoa học ở cuối thể kỷ XVIII- ñầu thể kỷ XIX ñã cho phép người ta chiết xuất ñược từ thực vật hàng loạt acid hữu cơ (malic acid, oxalic acid, citric acid, lactic acid …) và glycerol Khi oxy hoá ñường, người ta ñã thu ñược formic acid Vole F (Friedrich Wohler, 1828) ñã tổng hợp ñược ure; ñiều này chứng tỏ có thể tổng hợp ñược chất hữu cơ của

cơ thể sống mà không cần “lực sống” Trong thời gian này, Lavoaziê (Lavoisier) cũng ñã giải thích ñược cơ chế hoá học của sự hô hấp và sự cháy; ông ñã xác nhận rằng khi hô hấp trong

cơ thể carbon và hydrogen bị oxy hoá từ từ; quá trình này giống sự cháy bình thường Vào

cuối thế kỷ XVIII, người ta ñã có những nhận xét và phát hiện ñầu tiên có tính chất khoa học

về sự tác dụng của các ezyme Ví dụ, người ta ñã chứng minh ñược rằng trong hạt lúa mì nảy

mầm chứa một chất có khả năng biến tinh bột thành ñường và dextrin và sau ñó người ta ñã chiết xuất ñược chất này từ mạch nha và goi là amylase Người ta cũng ñã mô tả về enzyme pepsin

Ở thế kỷ XIX, các nhà khoa học ñã ñạt ñược những thành tựu to lớn trong lĩnh vực

tĩnh hoá sinh và trong việc nghiên cứu sự trao ñổi chất ở trong cơ thể sinh vật Bằng cách sử

dụng các phương pháp nghiên cứu mới, Liebig ñã xác ñịnh thành phần của nhiều thực phẩm,

ñã chia các chất chứa trong thực phẩm thành protein, glucid, lipid và xác ñịnh hàm lượng nitơ trong protein

Các kết quả quan trọng trong việc nghiên cứu cơ chế hoá học của protein ñã thu ñược

nhờ các công trình của N.E.Liascopski và A.Ia.Danilepski Năm 1884, Danilepski lần ñầu tiên

ñã ñiều chế ñược các chất giống protein nhờ enzyme Sau ñó, Fise (Fischer) ñã tổng hợp ñược hàng loạt polypeptid Năm 1880, N.I.Lunin ñã phát hiện ra vitamin

Việc xác lập nên thành phần hoá học của cơ thể sống, việc phát hiện ra các enzyme và

việc làm sáng tỏ vai trò của chúng trong sự trao ñổi chất, sự phát hiện ra vitamin và hormon,

sự phát triển của hoá học về amionoacid và protein, về glucid, lipid ñã tạo ñiều kiện cho việc

hình thành ñộng hoá sinh ðồng thời chính nhờ sự phát triển của ñộng hoá sinh mà người ta

ñã xác ñịnh ñược những quan ñiểm thống nhất về các quy luật chung của các quá trình trao ñổi chất và những chuyển hoá năng lượng trong cơ thể sinh vật

Sơ ñồ lịch sử phát triển Hoá sinh học

Như trên ñã nói, Hoá sinh học ñã trở thành một khoa học ñộc lập ở nửa sau của thế kỷ

Hoá sinh học nghiên cứu những giai ñoạn riêng biệt của quá trình trao ñổi chất, nghiên

cứu mối liên quan tương hỗ và sự phụ thuộc lẫn nhau của các quá trình này; hoá sinh học nghiên cứu vai trò sinh lý của các chất riêng lẻ trong sự sống của cơ thể, nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp của chất hữu cơ phức tạp từ những chất ñơn giản cũng như nghiên cứu những chuyển hoá sinh ñịa hoá học của xác ñộng vật và thực vật

Nhiệm vụ quan trọng nhất của hoá sinh học là phát hiện cấu trúc và tổng hợp bằng con ñường nhân tạo các chất protein và nucleic acid tức là những chất mang sự sống

Vấn ñề về mối liên quan của các qúa trình trao ñổi chất với các chức năng sinh lý khác nhau của cơ thể cũng là một vấn ñề quan trọng của hoá sinh học hiện ñại

Tuỳ theo ñối tượng nghiên cứu mà người ta chia hoá sinh học thành hoá sinh ñại

cương, hoá sinh thực vật, hoá sinh ñộng vật, hoá sinh vi sinh vật và y hoá sinh

Hoá sinh học có một ý nghĩa thực hành to lớn ñối với y học, nông nghiệp và hàng loạt ngành công nghiệp khác

Việt Nam ñang trong thời kỳ phát triển, cùng với các ngành khoa học cơ bản (toán, lý, hoá, sinh…) và các ngành khoa học cơ sở khác (di truyền, sinh lý, vi sinh vật…), hoá sinh học

phải căn cứ trên những phương hướng và nhiệm vụ cụ thể nhằm phục vụ kịp thời và có hiệu

quả những ñòi hỏi nóng bỏng của sản xuất nông lâm ngư nghiệp cũng như của y tế và quốc phòng

Trong thế kỷ XXI các nhà hóa sinh học Việt Nam bằng những công trình nghiên cứu

của bản thân mình và bằng cách áp dụng những thành tựu của hoá sinh học hiện ñại của thế

giới có chọn lọc và sáng tạo, sẽ ñủ khả năng giải quyết những vấn ñề do thực tiễn của sản xuất

và ñời sống nước ta ñặt ra, sẽ góp phần xứng ñáng của mình trong sự nghiệp công nghiệp hoá,

hiện ñại hoá nông nghiệp và nông thôn

NHỮNG SỰ KIỆN CHÍNH TRONG LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÔN HOÁ SINH HỌC

1770 – 1774 – Priestley chứng minh cây thải oxygen và ñộng vật sử dụng nó

1773 – Rouelle phân lập ñược urea từ nước tiểu

1828 – Wohler tổng hợp chất hữu cơ ñầu tiên là urea từ chất vô cơ

1838 – Schleiden và Schwann ñưa ra giả thuyết về cấu tạo tế bào của cơ thể sống

1854 – 1864 – Pasteur chứng minh sự lên men nhờ vi sinh vật

1864 – Hoppe – Seyler nhận ñược tinh thể hemoglobin

1866 – Mendel ñưa ra quy luật phân ly ñộc lập và tổ hợp tự do của các allele ở ñậu

1893 – Ostwald chứng minh bản chất xúc tác của enzyme

1898 – Camillo Golgi – phát hiện bộ máy Golgi

1905 – Knoop tìm ra cơ chế oxyhoá - β phân hoá acid béo

1907 – Fletcher và Hopkins chứng minh lactic acid hình thành từ glucose trong sự co bóp cơ

ở ñiều kiện yếm khí

1910 – Morgan ñề ra học thuyết di truyền nhiễm sắc thể

1912 – Warburg phát hiện enzyme tham gia quá trình hô hấp

1913 – Michaelis và Menten xây dựng lý thuyết ñộng học xúc tác của enzyme

1922 – Mc Collum chứng minh sự thiếu vitamin D là nguyên nhân gây bệnh còi xương

1926 – Summer lần ñầu nhận ñược tinh thể urease

1926 – Jasen và Donath tách vitamin B1 (thiamine) từ cám gạo

1926 – 1930 – Svedberg chế tạo thiết bị siêu li tâm ñầu tiên

1928 – Levene chứng minh nucleotide là ñơn vị cấu tạo của nucleic acid

1928 – Szent – Gyorgyi phân lập vitamin C (ascorbic acid)

1928 – 1933 – Warburg chứng minh pophyrin chứa Fe có mặt trong chuỗi hô hấp

1929 – Burr và Burr phát hiện linoleic acid là acid béo thiết yếu ñối với ñộng vật

1931 – Englehardt phát hiện bản chất song hành liên hợp của quá trình phosphoryl hoá và hô

hấp

1932 – Warburg va Christian tìm ra “enzyme màu vàng” là flavoprotein

1933 – Krebs và Henseleit phát hiện ra chu trình urea

1933 – Embden và Meyerhof tìm ra các chất trung gian của quá trình glycolysis

1935 – Schoenheimer và Rittenberg lần ñầu tiên sử dụng ñồng vị trong nghiên cứu trao ñổi

chất

1935 – Stanley nhận ñược tinh thể virus bệnh khảm thuốc lá (TMV)

1937 – Krebs phát hiện chu trình citric acid

1937 – Warburg giải thích sự hình thành ATP xẩy ra song hành liên hợp với việc

glyceraldehyde – 3 – phosphate bị mất hydrogen

1938 – Hill chứng minh dịch vô bào chứa lục lạp thể tạo oxygen khi ñược chiếu sáng

1939 – C.Cori và G.Cori tìm ra hoạt tính xúc tác ñảo chiều của glycogen phossphorylase

1939 – Lipmann chứng minh vai trò trung tâm của ATP trong chu trình năng lượng

1939 – 1946 – Szent – Gyorgyi phát hiện phức actin – myosin

1940 – Beadle và Tatum nêu giả thuyết quan hệ một gene một enzyme

1942 – Bloch và Rittenberg phát hiện acetate là tiền chất tạo cholesterol

1944 – Avery, Mac Leofd và Mc Carty chứng minh DNA là nguyên nhân biến nạp ở vi

khuẩn

1947 – 1950 – Lipmann và Kaplan tách và ñịnh tính CoA

1948 – Leloir phát hiện vai trò uridine nucleotide trong chuyển hoá cacbohydrate

1948 – Hogeboom, Schneider và Palade tách phân ñoạn tế bào bằng phương pháp li tâm

1949 – Christian de Duve phát hiện ra lysosome

1950 – 1953 – Chargaff phát hiện sự tương ứng của các gốc trong DNA

1951 – Pauling và Corey ñưa ra mô hình ñường xoắn ỏ của ỏ-keratin

1952 – 1954 – Zamecnick xây dung hệ thống nghiên cứu tổng hợp protein vô bào

1953 – Vigneaud tổng hợp hormone ñầu tiên là oxytocin

1953 – Sanger và Thompson xác ñịnh thứ tự amino acid của insulin

1953 – Watson, Crick và Wilkins xây dung mô hình xoắn ñôi DNA

1954 – Hugh Huxley trình bày mô hình sợi trượt của quá trình co cơ

1956 – Kornberg phát hiện DNA polymerase

1956 – Anfinsen và White khẳng ñịnh thứ tự sắp xếp amino acid ñặc hiệu quyết ñịnh cấu trúc

không gian của phân tử protein

1957 – Hoagland, Zamecnik và Stephenson tách và xác ñịnh choc năng tDNA

1957 – Sutherland phát hiện AMP vòng

1958 – Weiss, Hurwitz và Stevens phát hiện enzyme RNA polymerase phụ thuộc DNA

1958 – Meselson và Stahl chứng minh DNA nhân ñôi theo cơ chế bán bảo tồn

1959 – Wakil và Ganguly chứng minh malonyl – CoA là chất trao ñổi trung tâm trong tổng

hợp acid béo

1959 – Krebs và Fischer phát hiện ra protein kinase

1960 – Kendrew thông báo về phân tích tán xạ X quang cấu trúc myoglobin

1961 – Jacob, Monod ñưa ra lý thuyết về operon

1961 – Jacob, Monod và Changeux nêu giả thuyết về cơ chế tác ñộng của enzyme dị lập thể

(allosteric enzyme)

1961 – Mitchell trình bày cơ chế hoá thẩm tạo ATP nhờ oxy hoá phosphorylhoá

1961 – Nirenberg và Matthaei phát hiện polyuridylic acid là mã di truyền của

polyphenylalanine

1962 – Racker tách F1 ATPase từ ti thể

1966 – Crick ñưa ra giả thuyết về liên kết “wobble”

1966 – Gilbert và Muller-Hill tách thành công lac repressor

1968 – Meselson và Yuan phát hiện enzyme DNA restrictase ñầu tiên

1970 – Temin và Baltimore phát hiện enzyme reverse transcriptase

1972 – Singer và Nicolson ñề xướng mô hình cấu trúc màng khảm

1973 – Cohen, Chang, Boyer và Helling thực hiện việc nhân dòng DNA

1975 – Sanger và Barrell ñề ra phương pháp xác ñịnh nhanh thứ tự nucleotide DNA

1977 – Starlinger lần ñầu tiên phát hiện ñoạn DNA gắn xen hàng

1978 – Tonegawa tìm ra cơ chế cắt DNA dư trong quá trình hình thành gene immunoglobulin

1981 – Steitz xác ñịnh cấu trúc CAP protein

1983 – Mullis ñề ra kỹ thuật nhân nhanh DNA – Phản ứng nhân sợi polymerase PCR

(polymerase chain reaction)

1984 – Michel, Deisenhofer và Huber xác ñịnh cấu tâm phản ứng quang hợp

1984 – Blobel phát hiện cơ chế chuyển vị trí protein xuyên màng

1988 – Elison và Hitching tổng hợp và sử dụng purine và pyrimidine trong hoá trị liệu

1989 – Synder tinh sạch và cải biến thụ thể (receptor) của inositol – 1,3,4 – P3

1994 – Gilman và Rodbell phát hiện G – protein và vai trò chuyển tín hiệu nội bào của nó

1995 – Lewis, Nusslein – Volhard và Wieschaus phát hiện cơ chế kiểm soát di truyền giai

ñoạn phát triển phôi Drosophila ñầu tiên

Chương1

PROTEIN

Tóm tắt:

Protein – nhóm h ợp chất cao phân tử thực hiện nhiều chức năng sinh học quan trọng Phân tử protein

c ấu tạo từ 20 aminoacid Các phân tử protein cấu tạo từ một hoặc vài mạch polypeptide Cấu trúc bậc

một của protein là số lượng và trình tự sắp xếp của aminoacid Cấu trúc bậc hai của protein là xoắn α

hay n ếp gấp β Cấu trúc bậc ba là cấu trúc không gian của protein ðại bộ phận protein khi có cấu trúc

b ậc ba thực hiện ñược chức năng sinh học Cấu trúc bậc bốn của protein là sự kết hợp vài tiểu ñơn vị

v ốn có cấu trúc bậc ba ñể tạo nên phân tử protein thực hiện ñược chức năng sinh học Protein có khối

l ượng phân tử cao, tính hấp phụ bề mặt và dễ bị biến tính, tính lưỡng tinh và các phản ứng hoá học ñặc

tr ưng Dựa vào thành phần cấu tạo protein ñược chia thành protein ñơn giản và protein phức tạp

1 1 KHÁI NIỆM

Thu ật ngữ protein bắt nguồn từ tiếng Hy lạp“proteios“ có nghĩa là quan trọng nhất hay chiếm vị trí th ứ nhất Trên thực tế, protein là loại hợp chất vô cùng quan trọng của tế bào sống cả về mặt

l ượng và về mặt chất bởi lẽ ngoài vai trò cấu trúc tế bào (protein chiếm hơn nửa khối lượng khô

t ế bào), protein còn ñảm nhận rất nhiều chức năng sinh học quan trọng, ñảm bảo cho sự hoạt ñộng và phát triển bình thường của tế bào

1.1.1 ðịnh nghĩa

Protein là các h ợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, mạch thẳng, ñược cấu tạo từ các α-aminoacid liên k ết với nhau bằng liên kết peptide (-CO-NH-), bị kết tủa bởi dung dịch trichloroacetic acid 10% Các phân t ử protein có thể ñược cấu tạo từ một hoặc từ nhiều chuỗi polypeptide Công thức cấu tạo

t ổng quát của chuỗi polypeptide như sau:

Trong ñó các Ri là các m ạch bên của aminoacid

không có m ặt của enzyme

Các enzyme ñều có bản chất hóa học là protein do ñó protein ñược coi là trung tâm của hầu hết biến ñổi

x ảy ra trong cơ thể sống, ñảm bảo sự chuyển hóa các chất xảy ra bình thường trong cơ thể Chức năng này c ủa protein sẽ ñược trình bày cụ thể ở chương enzyme

b Chức năng vận chuyển

Nhi ều protein ñóng vai trò là các „xe tải“ vận chuyển các chất trong cơ thể

Hemoglobine, myoglobine ( ở ñộng vật có xương sống), hemoxiamine (ở ñộng vật không xương sống)

k ết hợp với oxi rồi vận chuyển oxi theo máu ñến khắp các mô và cơ quan trong cơ thể Nhờ các chất

n

v ận chuyển này mà mặc dù oxi có ñộ hòa tan trong nước thấp, chúng vẫn ñược chuyển ñến và thỏa mãn ñược nhu cầu oxi của các cơ quan trong cơ thể

S ắt ñược vận chuyển trong huyết tương nhờ transferrine, một protein và ñược dự trữ ở dạng phức với ferritine, m ột protein khác

Các lipoprotein, m ột loại protein phức tạp ñóng vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển lipid trong c ơ thể Lipid không tan trong nước nhưng sau khi kết hợp với protein tạo lipoprotein, phần lipid kị

n ước bị cuộn vào trong, phần protein ưa nước tạo thành vỏ bọc bên ngoài do ñó lipid có thể ñược vận chuy ển trong môi trường nước ví dụ như máu Trong huyết tương có một số lipoprotein khác nhau về tỷ

tr ọng có vai trò khác nhau trong quá trình vận chuyển lipid: chylomicron có tỷ trọng nhỏ hơn 0.940 vận chuy ển triacylglycerol và các lipid khác của thức ăn từ ruột non ñến mỡ, gan; lipoprotein có tỷ trọng 0.940 – 1.006 v ận chuyển triacylglycerol ñược tổng hợp trong cơ thể ñến các mô mỡ; lipoprotein có tỷ

tr ọng 1.663 – 1.210 có vai trò vận chuyển cholesterol từ mô ngoại ñến gan

Các kháng th ể trong máu ñộng vật có xương sống là những glycoprotein ñặc biệt, có khả năng nhận

bi ết, kết hợp ñặc hiệu và vô hoạt các vật chất lạ như protein lạ, virus, vi khuẩn xâm nhập từ môi trường bên ngoài vào c ơ thể

Các v ật chất lạ này khi xâp nhập và cơ thể thường gây bệnh cho cơ thể và ñược gọi là các kháng nguyên Khi có tín hi ệu các vật chất lạ, tế bào lympho T-CD4 sẽ chỉ huy các tế bào lympho B và T của

h ệ miễn dịch tiến hành tổng hợp kháng thể ñặc hiệu với các vật chất lạ Các kháng thể này sẽ kết hợp ñặc hiệu với kháng nguyên tạo phức kháng nguyên – kháng thể và vô hoạt kháng nguyên

Các kháng th ể có bản chất glycoprotein ñược cấu tạo từ hai chuỗi nặng và hai cuỗi nhẹ Hai chuỗi này

k ết hợp với nhau nhờ các cầu disulfide Phân tử kháng nguyên gồm có hai vùng: vùng cố ñịnh và vùng thay ñổi Vùng thay ñổi chính là paratope, vị trí kháng thể kết hợp với kháng nguyên Vùng này có cấu

t ạo phù hợp ñể kết hợp ñặc hiệu và vô hoạt kháng nguyên

Các ch ất kháng virus ñược tổng hợp ở cả tế bào ñộng vật và thực vật Các interferon là những protein

do t ế bào ñộng vật có xương sống tổng hợp và tiết ra ñể chống lại sự nhiễm virus Tác dụng của interferon r ất mạnh, ở nồng ñộ 10-11M interferon ñã có hiệu quả kháng virus rõ rệt Ngoài ra, interferon

k ết hợp vào màng nguyên sinh chất của các tế bào khác trong cơ thể và cảm ứng trạng thái kháng virus

c ủa chúng

Trong các mô th ực vật, người ta cũng tìm thấy các chất có bản chất protein có khả năng kìm hãm sự phát tri ển và ngăn chặn sự xâm nhiễm của virus Chúng ñược gọi là các antivirus thực vật

Các protein tham gia quá trình ñông máu có vai trò bảo vệ cơ thể khỏi bị mất máu

Lectin, m ột loại glycoprotein có nhiều trong các loại ñậu có khả năng kìm hãm sự phân chia các tế bào

d ị dạng do ung thư do vậy ngăn chặn sự phát triển và lây lan của chúng

M ột số loài thực vật ví dụ như ñậu tương có protein kìm hãm protease (Protease-Protein Inhibitor – PPI) có tác d ụng kìm hãm protease của nấm mốc và sâu bọ, làm sâu bọ và nấm mốc không phát triển ñược trên các loại nông sản này

e Chức năng truyền xung thần kinh

M ột số protein có vai trò trung gian cho phản ứng trả lời của tế bào thần kinh ñối với các kích thích ñặc

hi ệu Ví dụ như opsin là protein kết hợp với 11-cis-retinal tạo rhodopsin là chất màu thị giác tham gia quá trình c ảm quang ở mắt

Hình 1-2 Rhodopsin tham gia quá trình cảm quang ở mắt

f Chức năng ñiều hòa

Nhi ều protein có chức năng ñiều hòa quá trình truyền thông tin di truyền, ñiều hòa quá trình trao ñổi

protein ức chế hoặc hoạt hóa các enzyme ñều có chức năng ñiều hòa quá trình trao ñổi chất Ở sinh vật

b ậc cao, sự phát triển và chuyên biệt hóa ñược kiểm soát bằng các factor tăng trưởng có bản chất protein

g Chức năng kiến tạo và chống ñỡ cơ học

Các protein ñảm bảo chức năng này thường là các protein sợi như α-keratin của tóc, da, móng tay; collagen, ellastin c ủa mô liên kết, mô xương; fibroin của tơ tằm, tơ nhện

h Chức năng dự trữ dinh dưỡng

Protein là nh ững chất dự trữ quan trọng, cung cấp aminoacid cho phôi phát triển như ovalbumine trong lòng tr ắng trứng, gliadin trong hạt lúa mỳ, zein trong ngô

1.2 CẤU TẠO PROTEIN

1.2.1 Thành phần nguyên tố

T ất cả các protein ñều chứa các nguyên tố C, H, O, N Một số còn chứa một lượng nhỏ S Tỷ lệ

kh ối lượng các nguyên tố này trong phân tử protein như sau:

C: 50-55% H: 6.5-7.3%

O: 21-24% N: 15-18% (th ường là 16%)

S: 0-0.24%

Ngoài các nguyên t ố kể trên, một số protein còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khác như P,

Fe, Zn, Cu, Mn, Ca

T ỷ lệ khối lượng của N trong phân tử protein thường là 16% do ñó trong thực tế, ñể xác ñịnh hàm

l ượng protein của một mẫu vật, người ta xác ñịnh hàm lượng nitơ protein của mẫu vật ñó và nhân

v ới 6.25 (100/16 = 6.25) Chỉ số này sẽ thay ñổi tùy thuộc hàm lượng nitơ trong protein của mẫu (th ường nhỏ hơn 6.25 ñối với ngũ cốc, lớn hơn 6.25 ñối với các loại ñậu )

1.2.2 Aminoacid – ñơn vị cấu tạo cơ sở của protein

1.2.2.1 ðịnh nghĩa

Aminoacid là d ẫn xuất của acid hữu cơ trong ñó một nguyên tử hydro (ñôi khi là hai) ñược thay

th ế bởi nhóm amine (-NH2) Nói m ột cách khác, phân tử aminoacid chứa ít nhất một nhóm carboxyl (-COOH) và m ột nhóm amine (-NH2) Tùy thu ộc vào vị trí nhóm amine so với nhóm carboxyl mà ta có các acid α, β hay γ-amine

Các aminoacid có trong t ế bào sinh vật hầu hết ở dạng α-amine Người ta tìm thấy β-alanine trong coenzyme A, d ịch tiết của rễ cây họ ñậu và trong một số peptid ở cơ của một vài loài cá

R ñược gọi là mạch bên của aminoacid Mạch bên R có thể chứa các nhóm chức như –OH, SH, COOH, - NH2 , s ự có mặt của các nhóm này ảnh hưởng ñến tính chất của các aminoacid cũng

-nh ư của các protein ñược cấu tạo từ các aminoacid Các aminoacid cấu tạo protein tự nhiên chỉ khác nhau ở phần mạch bên R Khi R khác nhau, aminoacid khác nhau Chính ñiều này tạo nên tính ña dạng của aminoacid

Trong t ự nhiên các aminoacid ñược chia thành 2 nhóm: Aminoacid có nguồn gốc protein (gồm

20 aminoacid có trong thành ph ần cấu tạo protein) và aminoacid tự do

1.2.2.2 Phân loại aminoacid

20 aminoacid tham gia c ấu tạo protein có tên gọi, công thức cấu tạo cũng như ñặc ñiểm và ký

2

NH

R-CH-COOH

2NH

R-CH- CH -COOH2

2NHR-CH- CH - CH -COOH2

2

Các aminoacid có th ể ñược phân loại theo cấu tạo, theo mức ñộ phân cực và theo giá trị dinh

+ Aminoacid m ạch thẳng với mạch bên chứa nhóm –OH: Serine, Threonine

+ Aminoacid m ạch thẳng với mạch bên chứa lưu huỳnh: Cysteine, Methionine

+ Aminoacid dicarbocylic và amid c ủa chúng: Acid aspartic, Acid glutamic, Asparagine, Glutamine

+ Aminoacid ki ềm tính: Lysine, Arginine

- Aminoacid m ạch vòng

+ Aminoacid mang vòng th ơm: Phenylalanine, Tyrosine, Tryptophane

+ Aminoacid mang d ị vòng: Proline, Histidine

b Phân lo ại theo ñộ phân cực

- Nhóm các aminoacid không phân c ực: Alanine, Valine, Glycine, Leucine, Isoleucine, Proline

- Nhóm các aminoacid phân c ực với chuỗi bên không mang ñiện: Serine, Threonine, Cysteine, Methionine, Asparagine, Glutamine

- Nhóm các aminoacid phân c ực với chuỗi bên mang ñiện dương: Lysine, Arginine, Histidine

- Nhóm các aminoacid phân c ực với chuỗi bên mang ñiện âm: Acid aspartic, Acid glutamic

- Nhóm các aminoacid v ới chuỗi bên mang nhân thơm: Phenylalanine, Tyrosine, Tryptophane

Bảng 1-1 Các aminoacid thường gặp trong phân tử protein (Lê Ngọc Tú, 1997)

Hình 1-3 Công thức cấu tạo của các aminoacid thường gặp trong phân tử protein

c Phân loại theo tắnh chất dinh dưỡng

- Aminoacid không thay th ế hay aminoacid cần thiết

Các aminoacid không thay th ế là các aminoacid mà cơ thể người và ựộng vật không tự tổng hợp ựược và phải ựưa từ bên ngoài vào theo con ựường thức ăn Khi thiếu dù chỉ một trong số các aminoacid không thay th ế, lượng protein tổng hợp ựược ắt hơn lượng protein phân giải dẫn ựến cân b ằng nitơ âm, cơ thể người và ựộng vật sẽ bị bệnh

Có 8 aminoacid c ần thiết ựối với cơ thể người lớn và ựộng vật trưởng thành đó là: Tryptophane, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Valine, Leucine, Isoleucine Tr ẻ em và ựộng vật còn non c ần thêm hai aminoacid nữa là Arginine, Histidine

Hàm l ượng các aminoacid không thay thế và tỷ lệ giữa chúng trong phân tử protein là một tiêu chu ẩn quan trọng ựể ựánh giá chất lượng protein

- Các aminoacid có th ể thay thế là các aminoacid còn lại mà cơ thể người và ñộng vật có thể tự

t ổng hợp ñược Tuy nhiên khi thiếu các aminoacid này cũng gây rối loạn các quá trình trao ñổi

ðể xác ñịnh ñồng phân dạng D và L của một aminoacid, người ta so sánh công thức cấu tạo không gian

c ủa nó với D và L-glyceraldehyde (Hình 1-4) Vì dạng công thức không gian của aminoacid phức tạp

do ñó người ta có thể dùng công thức hình chiếu Fisher ñể xác ñịnh dạng D và L của chúng: nếu nhóm –NH2 n ằm phía phải của trục phân tử, aminoacid thuộc dãy D và ngược lại

Hình 1-4 ðồng phân D, L-glyceraldehyde và ñồng phân D, L-aminoacid

M ột ñiều cần nhấn mạnh là dạng ñồng phân D và L không liên quan gì ñến khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân c ực của aminoacid Ký hiệu D và L chỉ nói lên vị trí của nhóm amine và nguyên tử hydro t ại nguyên tử carbon α Khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực của aminoacid ñược ký

hi ệu bằng (+) nếu quay sang phải hoặc (-) nếu quay sang trái ngay trước tên của aminoacid (ví dụ L (-) leucine) Kh ả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực của aminoacid phụ thuộc vào ñiều kiện môi

tr ường ñặc biệt là pH

H ầu hết các aminoacid tham gia cấu tạo protein tự nhiên ñều ở dạng ñồng phân L Tuy nhiên, trong một

s ố peptide của vi khuẩn ñặc biệt là các peptide tham gia cấu tạo thành tế bào vi khuẩn hoặc một số peptide kháng sinh, ng ười ta có tìm thấy D-aminoacid (Hình 1-5)

Hình 1-5 Công thức cấu tạo của tyrocidine, hỗn hợp các decapeptide dạng vòng sinh tổng hợp bởi Bacillus brevis tìm thấy trong ñất

S ố lượng các ñồng phân quang học của một aminoacid là 2n trong ñó n là số lượng nguyên tử carbon

b ất ñối trong phân tử Như vậy, ñối với các aminoacid có nhiều hơn 1 nguyên tử carbon bất ñối, số

l ượng ñồng phân quang học sẽ lớn hơn hai Trong trường hợp ñó, dạng L sẽ là dạng ñồng phân quang

h ọc có trong protein, dạng D là ảnh của nó qua gương phẳng, các ñồng phân quang học khác ñược gọi

là L-allo ho ặc D-allo tùy thuộc vào cấu hình nguyên tử Cα c ủa nó Các ñồng phân quang học của isoleucine ñược giới thiệu ở hình 1-5

Hình 1-5 Các ñồng phân quang học của isoleucine

Trong hóa h ọc hữu cơ, ký hiệu L và D thường ñược thay thế bằng S (tiếng latin „Sinistrum“, bên trái)

và R (ti ếng latin „Rectrum“, bên phải)

Theo thuy ết Bronted và Lowry về acid và base, aminoacid có thể cho H+ (1) và nh ận H+ (2) nên nó th ể

hi ện tính acid và base hay nói cách khác aminoacid có tính lưỡng tính Trong dung dịch, aminoacid

th ường tồn tại ở dạng ion lưỡng cực (dạng Zwitterion) hay dạng muối nội

T ương ứng với hai phân ly (1) và (2), ta có hai hằng số phân ly:

Giá tr ị K1 và K2 c ủa các aminoacid khác nhau, K1 = 10 – 10 và K2 = 10 – 10 Ng ười ta thường dùng pK1 = -log10K1, pK2 = - log10K2 cho các aminoacid ðối với mỗi aminoacid, khi biết giá trị pK1

và pK2, ng ười ta hoàn toàn có thể xác ñịnh tỷ lệ các phân tử bị ion hóa tại một pH nào ñó (pH = log10[H+]) b ằng cách thay giá trị [H+] vào bi ểu thức của K1 và K2 Nh ư vậy, mức ñộ ion hóa của aminoacid ph ụ thuộc vào pH của môi trường Khi thay ñổi pH của một dung dịch aminoacid phân tử aminoacid s ẽ tích ñiện (-) hoặc (+):

Giá tr ị ñẳng ñiện của aminoacid phụ thuộc vào số lượng nhóm amine và carboxyl có trong phân

t ử aminoacid Aminoacid có nhiều nhóm amine có ñiểm ñẳng ñiện cao và ngược lại ðối với aminoacid có m ột nhóm amine và một nhóm carboxyl, pH ñẳng ñiện ñược xác ñịnh bằng công

th ức: pI = pHi = 1/2(pK1 + pK2)

ðể nghiên cứu sự phân ly của các aminiacid và xác ñịnh các giá trị pK, người ta thường dùng HCl ho ặc NaOH ñể thêm vào dung dịch aminoacid, ño pH sau mỗi lần thêm và xây dựng ñường cong chu ẩn ñộ Hình 1-6 giới thiệu ñường cong chuẩn ñộ của glycine

Hình 1-6 ðường cong chuẩn ñộ của glycine

Hình 1-6 cho th ấy glycine có pK1 = 2.34; pK2 = 9.6 và pI = (2.34 + 9.6)/2 = 5.97

Giá tr ị ñẳng ñiện của các aminoacid ñược giới thiệu ở bảng 1-1 Giá trị ñẳng ñiện ñược ứng dụng ñể tách các aminoacid trong h ỗn hợp bằng phương pháp ñiện di

c Phản ứng của nhóm carboxyl

- T ạo muối với base

- Ph ản ứng decarboxyl hóa

Ph ản ứng này có thể thực hiện bằng con ñường hóa học trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên trong cơ thể

s ống phản ứng này ñược xúc tác bởi enzyme Phản ứng này ñược giới thiệu kỹ hơn trong chương về sự trao ñổi protein và aminoacid

d Phản ứng của nhóm amine

- T ạo muối với acid

- Ph ản ứng với formaldehyde (phản ứng Sörensen)

Formadehyde có th ể phản ứng với nhóm amine của aminoacid ở nhiệt ñộ thường và pH trung tính ñể

t ạo dẫn xuất dihydroxymethyl Ở dẫn xuất này, nhóm amine bị khóa, người ta có thể dùng một base ñể trung hòa g ốc –COOH Lượng kiềm tiêu tốn hết ñược dùng ñể xác ñịnh hàm lượng ñạm formol hay nit ơ formol Phản ứng này ñược dùng ñể xác ñịnh hàm lượng ñạm formol trong dung dịch

- Ph ản ứng với acid nitrơ (phản ứng Val Slyke)

Acid nitr ơ có thể phản ứng với nhóm amin của aminoacid giải phóng ra nitơ phân tử Lượng nitơ phân

t ử thoát ra có thể ñịnh lượng ñược ðây chính là nguyên tắc của phương pháp Val-Slyke ñể xác ñịnh số nhóm –NH2 t ự do của aminoacid, của peptid, của protein do ñó cho phép theo dõi sự thủy phân protein

- Ph ản ứng desamine hóa

Ph ản ứng loại nhóm amine và phản ứng chuyển vị nhóm amine là hai phản ứng enzyme rất quan trọng Các ph ản ứng này ñược giới thiệu kỹ trong chương về sự trao ñổi protein và aminoacid

e Phản ứng liên quan ñến sự có mặt ñồng thời của nhóm carboxyl và nhóm amine ở vị trí α

Ph ản ứng ninhydrin: ðây là phản ứng ñặc trưng của aminoacid Nguyên tắc của phản ứng như sau: ở nhi ệt ñộ cao, ninhydrin tác dụng với aminoacid tạo phức hợp có màu tím ñỏ Cơ chế của phản ứng ở hình 1-7

Ph ản ứng này ñược ứng dụng ñể hiện màu aminoacid trong phân tích ñịnh tính aminoacid bằng sắc ký

gi ấy, sắc ký bản mỏng, ñiện di hoặc dùng trong phân tích ñịnh lượng aminoacid của một hỗn hợp aminoacid (ph ản ứng và ño cường ñộ màu của các phân ñoạn ñi ra khỏi sắc ký trao ñổi ion)

f Phản ứng tạo phức với kim loại

Hình 1-7 Cơ chế của phản ứng Ninhydrin

g Các phản ứng liên quan ñến mạch bên

Tùy thu ộc vào nhóm chứ có trong mạch bên R của aminoacid mà aminoacid có thể tham gia một số

ph ản ứng hóa học nhất ñịnh Nếu mạch bên chứa nhóm –COOH, aminoacid có thể tham gia các phản ứng tạo muối với base, tạo amid, tạo ester với rượu Nếu mạch bên chứa nhóm amine, aminoacid có thể

b ị loại amine hóa Nếu mạch bên chứa nhóm –OH, aminoacid có thể tham gia các phản ứng hóa học ñặc trưng cho rượu như phản ứng ester hóa Nếu mạch bên chứa nhóm –SH, aminoacid có thể tham gia các ph ản ứng oxi hóa khử

- Ph ản ứng oxi hóa khử

Nhóm thiol (-SH) c ủa cysteine có thể bị oxi hóa tạo cystine Hệ cysteine – cystine do ñó có thể hoạt ñộng như hệ cho và nhận ñiện tử Ngoài ra việc oxi hóa các nhóm –SH của cysteine cho phép tạo các

c ầu disulfid, liên kết ñóng vai trò quan trọng nhất trong việc tạo và duy trì cấu trúc bậc ba của phân tử protein

- Ph ản ứng tạo ester

- Ph ản ứng tạo amid

Ch ỉ với 20 aminoacid, hàng ngàn, hàng vạn phân tử protein ñã ñược xây dựng nên ñảm bảo nhiều chức

n ăng quan trọng của cơ thể sống Sự ña dạng của phân tử protein do ñó ñược quyết ñịnh bởi sự sắp xếp các aminoacid trong phân t ử protein

1.3 CẤU TẠO PHÂN TỬ PROTEIN

1.3.1 Peptide và thuyết polypeptide

a Peptide

Peptide là h ợp chất ñược hình thành từ hai aminoacid trở lên liên kết với nhau bằng liên kết peptide Liên k ết peptide ñược hình thành do sự ngưng tụ giữa nhóm carboxyl của aminoacid này và nhóm amine c ủa aminoacid khác, có loại ñi một phân tử nước

Liên k ết peptide là liên kết bền vững, nó chỉ bị bẽ gãy dưới tác dụng của peptidase hoặc trong dung dịch acid ñặc, ở nhiệt ñộ cao, trong thời gian dài (ví dụ HCl 6N, 110°C, 24 giờ)

COOH 2

R

C H N H O

R1

C

2N CHH

2

O

C R

C H N H H O

R1

OH C

2N CH

H

2

H O

Tùy thu ộc vào số lượng aminoacid tham gia cấu tạo peptide mà chúng ñược gọi là dipeptide (2 aminoacid), tripeptide (3 aminoacid), tetrepeptide (4 aminoacid), oligopeptide (5-10 aminoacid), polypeptide (>10 aminoacid)

M ỗi peptide ñều có một ñầu có chứa nhóm amin tự do, ñược gọi là ñầu N, ñầu còn lại chứa nhóm carboxyl t ự do ñược gọi là ñầu C Trong chuỗi peptide, aminoacid ñược ñánh số thứ tự bắt ñầu từ ñầu

N ðể gọi tên peptide, người ta gọi tên lần lượt các aminacid bắt ñầu từ ñầu N trong ñó các aminacid nào có nhóm carboxyl tham gia t ạo liên kết peptide có ñuôi ñược ñổi thành „yl“ Tên aminoacid ñầu C ñược giữ nguyên Ví dụ peptide alanyl-valyl-phenylalanyl-isoleucine, ñược viết tắt là Ala-Val-Phe-Ile Peptide có các tính ch ất vật lý và hóa học không khác nhiều so với aminoacid do chúng cũng có một nhóm amine và m ột nhóm carboxyl tự do Sự khác biệt nếu có do mạch bên R tạo nên

M ột số peptide có vai trò sinh học quan trọng ñược giới thiệu sau ñây:

- Glutathione: Glutathione là m ột tripeptide (γ-L-glutamyl-L-cysteyl-glycine) có thể tồn tại ở dạng khử (d ạng thiol) hoặc dạng oxi hóa (hai phân tử gắn với nhau qua cầu disulfide) ðiều này cho phép glutathione v ận chuyển ñiện tử trong các phản ứng oxi hóa khử

- Các peptide hormon: m ột số peptide, ñặc biệt là các hormon tiết ra bởi tuyến yên và tuyến tụy ñều là các peptide Ocytocine có tác d ụng tăng cường co cơ dạ con, vasopressin làm tăng áp suất máu và có tác d ụng chống lợi tiểu

Insuline là hormon ñược tiết ra bởi tuyến tụy làm nhiệm vụ ñiều hòa lượng ñường glucose trong máu Khi hàm l ượng glucose trong máu vượt quá 6x10-3M, insuline ñược tiết ra từ tuyến yên và làm giảm

n ồng ñộ ñường xuống mức nền 5x10-3M Insuline ñược cấu tạo từ hai chuỗi polypeptide: chuỗi A

ch ứa 21 aminoacid, chuỗi B chứa 30 aminoacid Hai chuỗi này gắn với nhau nhờ hai cầu disulfide (Hình 1-7.)

Hình 1-8 Cấu tạo của insuline

- Các peptide có ho ạt tính kháng sinh Một số kháng sinh có nguồn gốc vi sinh vật có bản chất peptide

nh ư tyrocidine (Hình 1-4.)

b Thuyết polypeptide về cấu tạo phân tử protein

Vào n ăm 1888, A J Danhilepski (Nga) ñã phát hiện ra liên kết –CO-NH- ñóng vai trò quan trọng trong c ấu tạo của protein Năm 1900, Emil Fisher tiếp tục ñi sâu nghiên cứu cấu tạo phân tử protein, ñã khẳng ñịnh sự tồn tại của liên kết –CO-NH- , gọi nó là liên kết peptide và ñề ra học thuy ết polypeptide về cấu tạo phân tử protein

H ọc thuyết ñược phát biểu như sau: “Phân tử protein là một hoặc những chuỗi polypeptide khổng

l ồ, ñược xây dựng từ hàng chục ñến hàng trăm gốc aminoacid liên kết với nhau bằng liên kết peptide“

Nhi ều kết quả thí nghiệm ñã khẳng ñịnh tính ñúng ñắn của học thuyết polypeptide về cấu tạo phân t ử protein:

- Phân t ử protein ở trạng thái nguyên thể có rất ít nhóm amine và nhóm carboxyl tự do

- Khi th ủy phân protein có sự giải phóng một cách từ từ các nhóm amine và nhóm carboxyl với tỷ

l ệ hết sức nghiêm ngặt 1/1 ðiều này nói lên sự phân giải liên kết peptide

- Ph ản ứng Biure là phản ứng ñặc trưng cho liên kết peptide Tất cả protein ñều tham gia phản ứng Biure, ñiều này cho thấy trong phân tử protein có chứa các liên kết peptide

- B ản chất polypeptide của phân tử protein ñơn giản nhất là insulin ñã ñược chứng minh khi nó ñược tổng hợp bằng con ñường hóa học trong phòng thí nghiệm từ các aminoacid Ribonuclease

c ũng ñược tổng hợp trong phòng thí nghiệm từ 124 aminoacid

- B ằng phương pháp ñồ thị tia Rơnghen, người ta thấy rằng chuỗi polypeptide của phân tử protein

là s ự sắp xếp một cách liên tục các aminoacid ñặc trưng cho từng phân tử protein Các tính chất

c ủa liên kết peptide cũng ñã ñược xác ñịnh (Hình 1-9.)

Hình 1-9 ðặc ñiểm liên kết peptide

B ốn nguyên tử C, O, H, N tham gia tạo liên kết peptide nằm trong cũng mặt phẳng Nguyên tử O và H luôn n ằm ở vị trí trans so với liên kết peptide Các nhóm liên kết với Cα có kh ả năng quay tự do Liên

k ết giữa nguyên tử C và N trong nhóm –CO-NH- về ñặc tính có thể xem như dạng trung gian của liên

k ết ñôi và liên kết ñơn do hiệu ứng liên hợp của eΠ và c ặp ñiện tử không chia của nguyên tử oxi ðiều này cho phép aminoacid d ễ dàng chuyển từ dạng ceto sang dạng enol Dạng enol là dạng không bền do nguyên t ử hydro rất linh ñộng do ñó aminoacid có khả năng phản ứng cao, ñảm bảo tính ña chức năng

c ủa phân tử protein

Theo m ức ñộ phức tạp của phân tử, bốn mức cấu trúc của protein ñược ñưa ra

1.3.2 Cấu trúc bậc một của protein

a ðịnh nghĩa

C ấu trúc bậc một của protein là thành phần và trình tự sắp xếp các gốc aminoacid trong mạch polypeptide

N ếu thay ñổi dù chỉ một aminoacid bất kỳ của phân tử protein, cấu trúc bậc một bị thay ñổi, các tính

ch ất cũng như chức năng của phân tử protein cũng bị thay ñổi theo

b Liên kết tạo và giữ vững

Liên k ết tạo và giữ vững cấu trúc bậc 1 là liên kết peptide ðây là loại liên kết rất bền do ñó cấu trúc bậc

m ột là cấu trúc bền nhất trong bốn mức cấu trúc của phân tử protein

c Vai trò

C ấu trúc bậc một quyết ñịnh chức năng sinh học của phân tử protein Người ta thấy rằng các protein có

ñiều hòa sự phân hủy các protein khác có thứ tự sắp xếp các aminoacid tương ñồng nhau ở các loài rất khác nhau v ề mặt tiến hóa như người và ruồi dấm Cytochrome c, làm nhiệm vụ vận chuyển ñiện tử trong quá trình hô h ấp ở ty thể là một polypeptide dài 100 aminoacid Người ta ñã nghiên cứu cytochrome c ở 60 loài khác nhau và thấy rằng có ñến 27 vị trí aminoacid giống nhau, ở một số vị trí khác có s ự thay thế các gốc aminoacid có tính chất giống nhau: arginine ñược thay bằng lysine (cùng mang ñiện tích dương)

S ự thay ñổi dù chỉ một aminoacid trong chuỗi polypeptid tức là thay ñổi cấu trúc bậc một của protein sẽ làm thay ñổi tính chất và chức năng sinh học của protein Theo kết quả nghiên cứu, 1/3 trong số 1400

b ệnh di truyền liên quan ñến protein bất hoạt có nguồn gốc là sự thay ñổi trình tự aminoacid trong cấu trúc b ậc 1 Ví dụ ñiển hình là bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm ở người: do acid glutamic ở vị trí số 6 trong chu ỗi β của hồng cầu ñổi chỗ cho aminoacid valin ở vị trí thứ 7 làm cho hồng cầu chuyển từ dạng hình

c ầu sang dạng hình lưỡi liềm và không còn khả năng vận chuyển oxi cho cơ thể (Hình 1-10)

Hình 1-10 Bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm

C ấu trúc bậc một là bản dịch mã di truyền Cấu trúc bậc một cho biết quan hệ họ hàng và lịch sử tiến hóa c ủa thế giới sống

1.3.3 Cấu trúc bậc hai của protein

a ðịnh nghĩa

S ự sắp xếp thích hợp trong không gian của chuỗi polypeptide tạo nên cấu trúc bậc hai

Do các nguyên t ử Cα có th ể quay tự do xung quanh trục tạo thành bởi các liên kết ñồng hóa trị làm cho chu ỗi polypeptid có rất nhiều hình thể Tuy nhiên, trong những ñiều kiện bình thường, ñặc biệt là pH và nhi ệt ñộ thì mỗi chuỗi polypeptide chỉ có một hình thể ñặc trưng gọi là hình thể tự nhiên Về phương

di ện nhiệt ñộng học, hình thể này có năng lượng tự do nhỏ nhất do ñó nó là hệ thống bền

S ự sắp xếp chuỗi polypeptide một cách hợp lý là sự sắp xếp sao cho chuỗi polypeptide có hình thể có

l ợi nhất về mặt năng lượng tức là nó có năng lượng tự do nhỏ nhất do ñó nó bền nhất

Trong các protein, ng ười ta phát hiện ra hai cấu trúc bậc hai chủ yếu sau ñây: cấu trúc xoắn α và cấu trúc n ếp gấp β

b Cấu trúc xoắn α ( α Helix)

C ấu trúc xoắn α là cấu trúc có trật tự Trong cấu trúc xoắn α, bộ khung polypeptide xoắn quanh một

tr ục Mỗi vòng xoắn có 3.6 aminoacid (18 aminoacid tạo nên 5 vòng xoắn) Các nguyên tử Cα n ằm trên ñường sinh của hình trụ bao quanh xoắn ốc Các mạch bên R hướng ra phía ngoài ðường kính của

xo ắn ốc (không kể mạch bên R) là 0.6 nm Bước xoắn là 0.54 nm Góc xoắn 26°

Liên k ết tạo và giữ vững cấu trúc xoắn α là liên kết hydro Các liên kết hydro gần như song song với

tr ục của xoắn, nối nhĩm –NH của liên kết peptide này với nhĩm –CO của liên kết peptide thứ ba kề với

nĩ (Hình1-11) Nh ư vậy mỗi nhĩm –CO-NH- cĩ thể tạo hai liên kết hydro với các nhĩm –CO-NH- phía tr ước và phía sau nĩ Số lượng liên kết hydro do đĩ rất lớn Thêm vào đĩ, cấu trúc xoắn α cĩ mật

độ dày đặc, làm giảm tương tác với các phân tử khác Chính vì các lý do trên, cấu trúc xoắn α bền,

t ương tự cái lị xo

Hình 1-11 Liên kết hydro trong cấu trúc xoắn α

Khi t ạo cấu trúc xoắn α, khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải tăng ðiều này ứng

d ụng để xác định tỷ lệ xoắn trong phân tử protein

Kh ả năng tham gia tạo xoắn α của các aminoacid là khác nhau Ala, Leu, Phe, Tyr, Cys, Met, His, Asn, Glu, Val cĩ kh ả năng tạo xoắn α bền trong khi Ser, Ile, Arg, Thr, Gly cũng tạo được xoắn α nhưng khơng b ền Nếu cĩ proline xen giữa các bước của xoắn sẽ làm mất đi độ đồng đều của xoắn và làm

xo ắn cĩ hình thể khác đi Chính do vậy, nếu biết cấu trúc bậc một của phân tử protein nào đĩ cĩ thể dự đốn được tỷ lệ xoắn cũng như vị trí xoắn α trong phân tử protein đĩ

Xo ắn α là cấu trúc quan trọng và phổ biến nhất của các protein hình cầu như hemoglobine, myoglobine (75% xo ắn α), albumine huyết tương (50% xoắn α)

c Cấu trúc gấp nếp β

Khi các đoạn mạch của cùng một chuỗi polypeptide hoặc hai chuỗi polypeptide tiến lại gần nhau sẽ cĩ

s ự tạo thành liên kết hydro giữa các nhĩm –CO-NH- đảm bảo cho sự hình thành cấu trúc gấp nếp β Trong c ấu trúc gấp nếp β, bộ khung sợi polypeptide được xếp theo dạng zigzag Các nguyên tử của liên

k ết peptide nằm trong cùng một mặt phẳng, nguyên tử Cα n ằm trên giao tuyến của hai mặt phẳng chứa hai liên k ết peptide kề nhau, các gốc R hướng vuơng gĩc với mặt phẳng lớp nếp gấp Các đường zigzag

n ằm song song với nhau tạo cấu trúc dạng tấm Các đường zigzag cĩ thể song song hoặc đối song Cấu trúc n ếp gấp β được giữ chặt bởi các liên kết hydro giữa các nhĩm –CO-NH- (Hình 1-12)

Hình 1-12 Cấu trúc nếp gấp β

d Vai trò

C ấu trúc bậc hai bền chắc như vậy mang lại cho protein tính kiến tạo và chống ñỡ cơ học tốt

Hình 1-13 Cấu tạo của collagen

Collagen ñược cấu tạo từ nhiều sợi lớn, mỗi sợi lớn ñến lượt nó lại ñược cấu tạo từ nhiều sợi nhỏ Mỗi

s ợi nhỏ bao gồm nhiều sợi xoắn tropocollagen Mỗi tropocollagen bao gồm ba sợi polypeptide có cấu

t ạo xoắn α xoắn lại với nhau (Hình 1-13) Collagen có trong mô liên kết, khớp nối, dịch hữu cơ tủy

x ương

α-keratine cũng ñược cấu tạo từ nhiều chuỗi polypeptide cấu tạo xoắn α, xoắn lại với nhau α-keratine là thành ph ần chủ yếu của tóc, lông, móng tay, vuốt của ñộng vật có xương sống ñảm bảo ñộ dai chắc cho các b ộ phận này

Ngoài hai ki ểu cấu trúc bậc hai kể trên, trong phân tử protein còn có các dạng cấu trúc mặt cong β, cấu trúc hình th ể cuộn thống kê hay cấu trúc xoắn ngẫu nhiên

1.3.4 Cấu trúc bậc ba của protein

a ðịnh nghĩa

Chu ỗi peptide với các vùng có cấu trúc bậc hai xác ñịnh (xoắn α, gấp nếp β, cong β) hoặc kém xác ñịnh (xo ắn ngẫu nhiên) sắp xếp lại trong không gian ba chiều tạo thành cấu trúc bậc ba

b Liên kết tạo và giữ vững

Nhi ều loại liên kết tham gia tạo và giữ vững cấu trúc bậc ba: liên kết disulfid, liên kết hydro, tương tác

k ỵ nước, liên kết ion (Hình 1-14)

Hình 1-14 Các liên kết tham gia tạo và giữ vững cấu trúc bậc ba

Liên k ết disulfide ñược tạo thành giữa các gốc cysteine ðây là liên kết ñồng hóa trị, bền Liên kết này ñóng vai trò quan trọng nhất trong việc duy trì cấu trúc bậc ba của chuỗi polypeptide và làm cho phân tử protein ở trạng thái ổn ñịnh

Liên k ết ion là liên kết tĩnh ñiện, tạo thành giữa hai phần mang ñiện tích trái dấu (ví dụ giữa nhóm – COO- và –NH3

+

) Liên k ết này yếu hơn so với liên kết disulfide

Liên k ết hydro ñược tạo thành giữa nguyên tử hydro có gắn với nguyên tử nitơ hoặc oxi (mật ñộ ñiện tử

t ại hydro nhỏ) và nguyên tử nitơ hoặc oxi có ñôi ñiện tử không chia (mật ñộ ñiện tử lớn)

T ương tác kỵ nước ñược tạo thành giữa các mạch bên kỵ nước của các aminoacid như Val, Leu, Ile, Phe Các chu ỗi mạch hydrocarbon kỵ nước có xu hướng tiến lại gần nhau và tương tác với nhau nhờ

l ực Van der Waals

M ặc dù ngoài cầu disulfide, các liên kết còn lại là các liên kết yếu nhưng do số lượng của chúng trong phân t ử protein lớn nên chúng vẫn có khả năng giữ vững cấu trúc bậc ba của phân tử protein

Ngoài s ự tương tác giữa các aminoacid trên cùng một chuỗi polypeptide, sự tương tác của các aminoacid c ủa protein với các phân tử dung môi xung quanh cũng làm cho phân tử protein có cấu trúc xác ñịnh Các protein hình cầu tan trong nước như myoglobine, hemoglobine có các gốc aminoacid ưa

n ước phân bố ñều ñặn trên bề mặt, các gốc aminoacid kỵ nước quay vào phía trong Các protein không tan trong n ước, tan trong dung môi hữu cơ lại có các aminoacid kỵ nước phân bố phía ngoài

ðể mô tả cấu trúc bậc ba của protein, người ta thường dùng cấu trúc không gian lấp ñầy hoặc mô hình

d ải băng trong ñó mô hình dải băng thường ñược sử dụng Trong mô hình này, cấu trúc xoắn α ñược

mô t ả bằng hình xoắn, cấu trúc gấp nếp β ñược mô tả bằng mũi tên Hình 1-15 mô tả cấu trúc bậc ba

c ủa myoglobine, protein ñược cấu tạo từ 153 aminoacid, bao gồm 8 ñoạn xoắn α xen bởi 7 ñoạn có cấu trúc u ốn β, không chứa gấp nếp β

Hình 1-15 Cấu trúc bậc ba của myoglobine

195, imidazole c ủa Histidine 57 và –COOH của acid aspartic 105

Ngoài ch ức năng xúc tác, protein có cấu trúc bậc ba thực hiện chức năng vận chuyển (myoglobine), ñiều hòa (protein ñiều hòa quá trình biểu hiện gen ở vi khuẩn )

Vì m ột lý do nào ñó, các liên kết tạo và giữ vững cấu trúc bậc ba bị phá vỡ, phân tử protein mất hoạt tính hoàn toàn Ribonuclease là m ột protein có cấu trúc bậc ba ñược cấu tạo từ 124 aminoacid, trong phân t ử có 4 cầu disulfide tạo thành giữa các cystein 26-48, 40-95, 58-110, 65-72 Khi có mặt β- mecaptoethanol d ư và ure ở nồng ñộ cao, các cầu disulfide bị phá vỡ, enzyme mất hoạt tính Khi các

y ếu tố trên bị loại khỏi môi trường, các cầu disulfide ñược tái tạo, hoạt tính enzyme ñược khôi phục

1.3.5 Cấu trúc bậc bốn của protein

a ðịnh nghĩa

Các ph ần dưới ñơn vị (là chuỗi polypeptide) có cấu trúc bậc ba liên kết với nhau bằng các liên kết phi ñồng hóa trị tạo nên cấu trúc bậc bốn

Ví d ụ hemoglobine là phân tử protein có cấu trúc bậc bốn, ñược cấu tạo từ bốn chuỗi polypeptide có

c ấu trúc bậc ba ARN-polymerase của E coli, aspartate transcarboxylase ñược cấu tạo từ 12 tiểu ñơn vị

Pyruvate decarboxylase có 102 ti ểu ñơn vị

Trong c ấu trúc bậc bốn, các phần dưới ñơn vị ñược gọi là protom, phân tử protein có cấu trúc bậc bốn ñược gọi là oligom hay multim Các phần dưới ñơn vị có thể giống nhau hoặc không giống nhau và sự

s ắp xếp của chúng không bắt buộc phải ñối xứng

b Liên kết tạo và giữ vững

Liên k ết tạo và giữ vững cấu trúc bậc bốn là liên kết hydro, liên kết ion, tương tác kỵ nước ðây là các liên k ết phi ñồng hóa trị, là các liên kết yếu do ñó cấu trúc bậc 4 dễ bị phá hủy

c Vai trò

Protein có c ấu trúc bậc bốn ñảm bảo các chức năng vận chuyển (hemoglobine), xúc tác (các enzyme), ñiều hòa

Ví d ụ ñiển hình về protein có cấu trúc bậc 4 là hemoglobine làm nhiệm vụ vận chuyển oxi trong máu

ng ười và ñộng vật có xương sống Phân tử hemoglobine ñược hình thành từ 4 chuỗi polypeptide: hai chu ỗi α, mỗi chuỗi gồm 141 aminoacid và hai chuỗi β, mỗi chuỗi gồm 146 aminoacid Mỗi chuỗi polypeptide liên k ết với một nhóm hem có nguyên tử sắt ở giữa (Hình 1-16) Trong không gian, 4 nhóm hem ñược sắp xếp tại bốn ñỉnh của một hình tứ diện ñều làm cho phân tử hemoglobine có dạng hình

c ầu Mỗi nhóm hem là một trung tâm dể kết hợp với oxi do ñó mỗi phân tử hemoglobine có thể kết hợp

v ới bốn phân tử oxi

Hb + 4O2→ Hb(O2)4

Khi k ết hợp với oxi, cấu trúc hemoglobine thay ñổi, các phần dưới ñơn vị dịch lại gần nhau hơn, thể tích phân t ử do ñó giảm Khi tách oxi tại các cơ quan của cơ thể, thể tích phân tử hemoglobine trở lại bình th ường

Hình 1-16 Cấu trúc bậc bốn của hemoglobine và câu tạo nhóm hem

1.4 TÍNH CHẤT CỦA PROTEIN

1.4.1 Hình dạng và kích thước

Protein có kh ối lượng phân tử lớn từ hàng chục ñến hàng trăm nghìn Dalton Khối lượng của một số protein ñược giới thiệu ở bảng 1-2

ðể xác ñịnh khối lượng phân tử protein, Sverbergs, 1923 ñã ñề nghị sử dụng phương pháp siêu ly tâm

D ựa vào tốc ñộ kết lắng của các phân tử protein dưới tác dụng của lực trọng trường có thể tính ñược

kh ối lượng phân tử của chúng

V ề mặt hình dạng, protein ñược hai thành hai loại: protein hình sợi và protein hình cầu

Protein d ạng sợi: trong loại protein này, các chuỗi polypeptid phân bố song song theo một trục tạo thành các s ợi dài hoặc các lớp Protein dạng sợi là phần tử cấu trúc cơ bản của ñộng vật bậc cao như collagen

c ủa gân và mô xương, α-keratine của lông, tóc, sừng, móng vuốt Các protein dạng sợi tương ñối trơ về

m ặt hóa học, chủ yếu có chức năng cơ học

Protein hình c ầu: trong loại protein này, các chuỗi polypeptid cuốn lại với nhau thành cấu trúc hình cầu

ch ức năng hoạt ñộng cho tế bào Hầu hết các enzyme, các tế bào, một số các hormon, albumine huyết thanh, hemoglobine ñều là protein hình cầu

Bảng 1-2 Khối lượng phân tử của một số protein ñiển hình (Ngô Xuân Mạnh, 2006)

Protein Kh ối lượng phân tử

(Da)

S ố gốc aminoacid

S ố chuỗi polypepti ñe Insulin (bò)

Có kh ả năng cho proton nên là m ột acid

Trong ñiện trường di chuy ển về cực dương

Nh ư vậy khi ñặt protein trong ñiện trường, tùy thuộc vào pH của môi trường mà protein sẽ dịch chuyển

v ề cực âm hay cực dương Có một giá trị pH tại ñó protein không dịch chuyển trong ñiện trường, tổng ñiện tích dương bằng tổng ñiện tích âm hay phân tử protein lúc ñó trung hòa về ñiện Giá trị pH ñó ñược

g ọi là ñiểm ñẳng ñiện của protein và ñược ký hiệu là pI

- H+

+ H+

- H+

+ H+

Các protein khác nhau thì có ñiểm ñằng ñiện khác nhau Giá trị ñẳng ñiện của protein phụ thuộc vào số

l ượng aminoacid kiềm tính và acid tính cấu tạo nên chúng Protein có nhiều aminoacid acid tính có pI

t ại vùng acid và ngược lại Pepsin có pI = 1 và Trypsin có pI = 10.5

Ở môi trường có pH = pI, protein dễ dàng kết tụ lại với nhau do ñó có thể sử dụng tính chất này ñể xác ñịnh pI của protein cũng như ñể kết tủa protein Thêm vào ñó, do sự sai khác về pI giữa các protein khác nhau nên có th ể ñiều chỉnh pH của môi trường ñể tách protein ra khỏi hỗn hợp của chúng

1.4.3 Tính chất bị biến tính

a Khái niệm về biến tính

D ưới tác dụng của các tác nhân vật lý (nhiệt ñộ, tia UV, sóng siêu âm, khuấy cơ học ) hoặc các tác nhân hóa h ọc (acid mạnh, kiềm mạnh, muối của kim loại nặng, tanin ), protein bị biến ñổi các cấu trúc

b ậc hai, ba, bốn và mất ñi các tính chất ban ñầu Hiện tượng này ñược gọi là sự biến tính protein

Th ịt, trứng sau khi gia nhiệt thì bị ñặc lại hay lòng trắng trứng khi bị khuấy thì tạo thành kem là các ví

d ụ về sự biến tính protein

Có hai lo ại biến tính là biến tính thuận nghịch và biến tính không thuận nghịch Biến tính thuận nghịch

là lo ại biến tính mà sau khi loại ñi yếu tố gây biến tính, protein quay trở lại trạng thái ban ñầu, các tính

ch ất ban ñầu của nó ñược khôi phục Biến tính thuận nghịch chỉ xảy ra nếu sử dụng các tác nhân biến tính nh ẹ nhàng như acid, kiềm ở nồng ñộ thấp hoặc nhiệt ñộ thấp (bảo quản nông sản ở nhiệt ñộ thấp)

Bi ến tính không thuận nghịch là biến tính mà sau khi loại ñi yếu tố gây biến tính, protein không quay

tr ở lại ñược trạng thái ban ñầu, các tính chất ban ñầu của nó không ñược khôi phục Albumin làng trắng

tr ứng bị ñông tụ khi ñun nóng ở nhiệt ñộ 100°C; albumin, globulin của hạt ñậu tương bị kết tủa dưới tác

d ụng của pH, nhiệt ñộ nhất ñịnh khi làm ñậu phụ là các ví dụ về biến tính không thuận nghịch

Tính ch ất của protein khi bị biến tính:

- ñộ hòa tan của protein giảm do bị lộ các nhóm kỵ nước

- m ất hoạt tính sinh học

- t ăng ñộ nhạy ñối với sự tấn công của các enzyme protease do làm xuất hiện các liên kết peptide ứng

v ới các vùng tấn công ñặc hiệu của enzyme

- t ăng ñộ nhớt nội tại

- m ất khả năng kết tinh

b Các yếu tố gây biến tính

- Nhi ệt ñộ:

Nhi ệt ñộ là tác nhân gây biến tính thường gặp nhất Dưới tác dụng của nhiệt ñộ cao, các liên kết bị ñứt

ra, phân t ử protein bị giãn mạch, mất ñi cấu trúc và chức năng ban ñầu ñặc biệt là chức năng sinh học Các protein-enzyme th ường bị biến tính và mất ñi khả năng xúc tác ở nhiệt ñộ cao hơn 70°C

Nhi ệt ñộ thấp cũng làm biến tính protein: Nhiều enzyme bền ở nhiệt ñộ thường nhưng bị vô hoạt khi ở nhi ệt ñộ 0°C Protein của trứng, sữa thường bị tập hợp và kết tủa ở nhiệt ñộ lạnh ñông

Các protein ở trạng thái khô thường bền với biến tính nhiệt Các protein có tỷ lệ aminoacid kỵ

n ước/aminoacid ưa nước cao thì dễ bị biến tính ở nhiệt ñộ thấp

- pH quá cao và quá th ấp

Ph ần lớn protein bị biến tính tại các pH quá cao hoặc quá thấp Các pH cực trị này tạo ra lực ñẩy tĩnh ñiện giữa các nhóm bị ion hóa do ñó làm giãn mạch phân tử protein

- Các ion kim lo ại

Các ion kim lo ại nặng (Cu++, Fe++, Hg++, Ag+) ph ản ứng nhanh với protein tạo phức trong ñó có những ion t ạo phức bền với nhóm thiol

- Các dung môi h ữu cơ

Ph ần lớn các dung môi hữu cơ là các tác nhân biến tính protein Các dung môi hữu cơ làm thay ñổi

h ằng số ñiện môi của môi trường do ñó làm biến ñổi các lực tĩnh ñiện vốn làm bền phân tử protein Các dung môi h ữu cơ không cực cũng có thể xâm nhập vào các vùng kỵ nước, phá vỡ các tương tác kỵ

n ước do ñó làm biến tính protein

- X ử lý cơ học

Các x ử lý cơ học như nhào trộn hoặc cán bột mỳ tạo ra các lực cắt làm biến tính protein ðộng tác kéo

ñi kéo lại nhiều lần cũng làm biến tính protein do phá hủy các xoắn α

- Các tia b ức xạ

Các tia c ực tím bị hấp thụ bởi các gốc aminoacid thơm do ñó có thể dẫn ñến làm biến ñổi hình thể và

n ếu mức năng lượng ñủ lớn có thể làm ñứt cầu disulfide

Các b ức xạ của tia γ và các tia ion hóa cũng làm biến ñổi hình thể, oxi hóa một số gốc aminoacid, phá

h ủy cầu ñồng hóa trị, ion hóa và tạo thành các gốc protein tự do, cũng như tái tổ hợp và trùng hợp protein

Các y ếu tố làm biến tình protein thường ñược sử dụng ñể loại bỏ protein ra khỏi dung dịch, làm ngừng

ph ản ứng enzyme Các phương pháp có thể dùng là ñun sôi dung dịch protein; dùng các hóa chất làm

bi ến tính như các acid trichloroacetic, acid volframic, acid picric, acid sulfosalicilic; dùng muối của các kim lo ại nặng Pb, Hg, Cu, Fe

1.4.4 Các phản ứng ñặc trưng

a Phản ứng Biure

Là ph ản ứng ñặc trưng cho liên kết peptide Tất cả các peptide có từ hai liên kết peptide trở lên ñều cho

ph ản ứng này

C ơ chế của phản ứng: trong môi trường kiềm mạnh, các liên kết peptide trong phân tử protein phản ứng

v ới CuSO4 t ạo thành phức chất màu tím xanh (Hình 1-17)

Ph ức chất màu hấp thụ cực ñại tại bước sóng 540nm Cường ñộ của phức phụ thuộc vào nồng ñộ protein và n ồng ñộ Cu++ Ph ản ứng này ñược ứng dụng rộng rãi ñể phát hiện và ñịnh lượng protein

b Phản ứng Xanthoprotein

Ph ản ứng này ñặc trưng cho các aminoacid mang vòng thơm

C ơ chế phản ứng: dưới tác dụng của HNO3 ñậm ñặc các aminoacid mang vòng thơm của protein bị nitro hóa t ạo dẫn xuất dinitro có màu vàng Khi hỗ biến các dinitro tạo thành dạng enol và trong môi

tr ường kiềm sẽ tạo muối dạng quinoid có màu da cam (Hình 1-18)

Hình 1-17 Cơ chế phản ứng Biure

Hình 1-18 Cơ chế phản ứng Xanthoprotein

1.5 PHÂN LOẠI PROTEIN

Do s ự ña dạng về cấu trúc và chức năng của protein nên việc phân loại protein gặp khó khăn Người ta

ph ải dựa vào hình dạng (hình cầu hay sợi), chức năng sinh học (xúc tác, vận chuyển, bảo vệ ), ñộ hòa tan hay c ấu tạo ñể phân loại protein

1.5.1 Phân loại dựa vào ñộ hòa tan

D ựa vào ñộ hòa tan, người ta chia các protein ñơn giản thành các nhóm sau

tr ữ chủ yếu của các cây họ ñậu, chiếm khoảng 60-80% protein tổng số của các hạt này Ở nhiều hạt hòa

th ảo, globulin chỉ chiếm khoảng 2-13% protein của hạt và tập trung chủ yếu ở aloron của hạt Các protein thu ộc nhóm này thường chứa saccharide

c Prolamin

Prolamin không tan trong n ước và dung dịch muối, tan trong ethanol hoặc isopropanol 70-80% Ở một

s ố hạt hòa thảo, lượng protein hòa tan trong cồn có thể ñạt ñến 30-60% protein tổng số Gliadin của lúa

m ỳ, hordein của ñại mạch và zein của ngô là những protein thuộc loại này

d Glutelin

Glutelin ch ỉ tan trong dung dịch kiềm và dung dịch acid loãng, có trong nội nhũ của hạt hòa thảo và một

s ố hạt của cây khác Vắ dụ về protein loại này là glutelin của lúa mỳ, orizenin của lúa

Prolamin và glutelin là các protein d ự trữ ựiển hình của hạt hòa thảo, chúng kết hợp với các thành phần khác trong n ội nhũ của hạt tạo thành hợp phức có khối lượng phân tử rất lớn gọi là gluten

e Histon

Là protein ki ềm tắnh, có chứa nhiều aminoacid kiềm tắnh như Lys, Arg, dễ tan trong nước Vì có tắnh

ki ềm nên các hợp chất này có thể kết hợp với các chất có tắnh acid như acid nucleic

1.5.2 Phân loại dựa vào cấu tạo

D ựa vào cấu tạo, protein ựược phân thành hai nhóm lớn là protein ựơn giản và protein phức tạp Protein ựơn giản khi bị thủy phân cho các aminoacid Protein phức tạp ựược cấu tạo từ hai phần: phần protein

và ph ần phi protein Phần phi protein ựược gọi là nhóm prosthetic hay nhóm ngoại Tùy thuộc vào bản

ch ất nhóm prosthetic mà protein ựược phân thành chromoprotein, metalloprotein, phosphoprotein, glycoprotein, lipoprotein, nucleoprotein

a Phosphoprotein

đó là các protein có chứa acid phosphoric tạo liên kết ester với nhóm ỜOH của Ser hoặc Thr Phosphoprotein ph ổ biến trong cơ thể sinh vật, tham gia ựiều hòa nhiều quá trình quan trọng Vắ dụ ựiển hình c ủa protein loại này là casein của sữa, vitelline, vitellenine và phosvitine của lòng ựỏ trứng

Casein là t ập hợp các protein của sữa, bị ựông tụ bởi nhiệt, muối và enzyme (chymosin và các proteinase acid khác) Khi ựiện di thu ựược các dạng casein khác nhau là α, β và γ Các dạng này có thành ph ần aminoacid và hàm lượng phospho khác nhau Hàm lượng phospho trong α, β và γ-casein lần

l ượt là 0.96, 0.52 và 0.1%

b Glycoprotein

Nhóm ngo ại là glucid Các glucid trong glycoprotein có thể là monosaccharide, oligosaccharide hoặc

d ẫn xuất của chúng Phần glucid thường kết hợp với nhóm ỜOH của Ser, Thr và thường qua gốc acetylglucosamine ho ặc N-acetylgalactosamine Hàm lượng glucid thay ựổi trong khoảng rộng, có thể ựạt ựến 80% khối lượng phân tử glycoprotein

N-Glycoprotein có trong t ất cả các mô ựộng vật, thực vật và vi sinh vật: các globulin miễn dịch, muxin trong n ước bọt và màng nhầy, bromelain, các glycoprotein cấu trúc màng đối với các glycoprotein, nhóm glucid có vai trò ựịnh hướng glycoprotein trong màng và có thể có vai trò nhận biết giữa các tế bào

c Lipoprotein

Nhóm ngo ại là lipid Có hai loại lipoprotein với vai trò khác nhau là lipoprotein tế bào làm nhiệm vụ

c ấu tạo và lipoprotein vận chuyển làm nhiệm vụ vận chuyển lipid

Lipoprotein c ấu tạo tham gia cấu tạo màng ty thể, lạp thể Vắ dụ về loại protein này có thể kể ựến lipoprotein ty th ể của gan, lipovitelline, lipovitellenine của lòng ựỏ trứng

Lipid không tan trong n ước nhưng khi kết hợp với protein, phần kỵ nước lipid cuộn vào trong, phần protein t ạo thành lớp vỏ bọc xung quanh do ựó lipid có thể ựược vận chuyển trong môi trường nước (vắ

d ụ trong máu) đây là vai trò của các lipoprotein vận chuyển

Trong huy ết tương có một số loại lipoprotein vận chuyển có tỷ trọng khác nhau làm nhiệm vụ vận chuy ển lipid:

- d < 0.94 v ận chuyển triacylglycerol, cholesterol, lipid của thức ăn từ ruột non ựến mỡ, gan

- d = 0.94 Ờ 1.006 v ận chuyển triacylglycerol trong cơ thể ựến mô mỡ

- d = 1.006 Ờ 1.063 v ận chuyển cholesterol ựến mô mỡ

- d = 1.663 Ờ 2.210 v ận chuyển cholesterol từ mô ngoại ựến gan

Nhóm ngo ại là acid nucleic, phần protein thường có tính kiềm do ñó hai phần này liên kết với nhau rất

ch ặt chẽ Nucleoprotein thường tập trung trong nhân tế bào hoặc trong ribosom Ví dụ về protein loại này là nucleosom Nucleosom bao g ồm một ñoạn DNA khoảng 160-240 cặp base nitơ cuốn quanh lõi

g ồm bốn cặp phân tử histon Các nucleosom gắn với nhau nhờ DNA kết tạo thành nhiễm sắc chất.

e Chromoprotein

Nhóm ngo ại là hợp chất có màu Tùy theo ñặc tính nhóm ngoại mà các chromoprotein có màu khác nhau Hem (Hình 1-16) có màu ñỏ là nhóm ngoại của hemoglobine, myoglobine, cytochrome c, catalase; riboflavine có màu vàng là nhóm ngo ại của flavoprotein (dehydrogenase hiếu khí ) Các chromoprotein có ho ạt tính sinh học cao, tham gia nhiều quá trình sống quan trọng như hô hấp, oxi hóa

kh ử

f Metalloprotein

Nhóm ngo ại là kim loại Các kim loại thường gặp là Fe, Cu, Zn, Mn, Mo Các metalloprotein ñảm bảo nhi ều chức năng sinh học khác nhau như vận chuyển và dự trữ kim loại (transferin và ferritin vận chuy ển và dự trữ sắt) hay trực tiếp tham gia vào các hoạt ñộng xúc tác của enzyme: tyrosinase chứa Cu, carboxypeptidase ch ứa Zn, hệ nitrogenase chứa Fe, Mo Khi kim loại bị tách khỏi phần protein, các enzyme m ất hoạt tính xúc tác

Câu hỏi ôn tập:

1 Aminoacid là gì? Các aminoacid tham gia cấu tạo protein: công thức cấu tạo, tính chất và phân loại

2 Các chức năng sinh học của phân tử protein

3 Các mức cấu trúc của phân tử protein

4 Các ñặc ñiểm của protein

5 pH ñẳng ñiện của aminoacid và protein: ñịnh nghĩa, ứng dụng

6 Phân loại protein

7 Sự biến tính protein: ñịnh nghĩa, các tác nhân gây biến tính, ứng dụng

Tài liệu tham khảo:

1 Jaques-Henry Weil (1994) Biochimie générale 8e

Edition réservée eu augmenté Masson Paris Milan Barcelone

2 Lê Ngọc Tú, ðặng Thị Thu, Phạm Quốc Thăng, Nguyễn Thị Thịnh, Bùi ðức Hợi, Lưu Duẩn,

Lê Doãn Diên (1997) Hóa sinh công nghi ệp NXB Khoa học và Kỹ thuật

3 Ngô Xuân Mạnh, Vũ Kim Bảng, Nguyễn ðặng Hùng, Vũ Thy Thư (2006) Giáo trình Hóa sinh th ực vật NXB Nông nghiệp

4 Lubert Stryer, Jeremy M Berg, John L Tymoczko (2003) Traduit de l’américain par Serge Weinman Biochimie générale 5th Edition Edition Flammaration

5 P M Dey and J B Harborne (1997) Plant Biochemistry Academic press

Chương 2

VITAMIN

Tóm tắt:

Vitamin (còn g ọi là sinh tố) là những hợp chất hữu cơ, phân tử nhỏ, tự nhiên hoặc tổng hợp,

c ần với lượng rất nhỏ ñể giúp cho sinh vật hoạt ñộng bình thường, duy trì và phát triển

D ựa theo tính hòa tan, vitamin ñược chia thành hai nhóm lớn: nhóm tan trong mỡ gồm vitamin A, D, E, K, Q và nhóm tan trong n ước gồm các loại vitamin B, C, …

Nhi ều vitamin vitamin tan trong nước là thành phần cấu tạo của các coenzyme khác nhau

và tham gia vào nhi ều quá trình chuyển hóa vật chất của cơ thể Các vitamin tan trong mỡ cũng

gi ữ nhiều vai trò quan trọng; ví dụ: vitamin A có chức năng ñặc hiệu trong cơ chế cảm quang của

m ắt ñộng vật; vitamin D làm tăng sự hấp thu canxi và phospho; vitamin K cần cho quá trình sinh

t ổng hợp các yếu tố làm ñông máu, nên có tác dụng chống chảy máu; còn vitamin E lại có tác

d ụng như một chất chống ôxy hóa

2.1 ðẠI CƯƠNG VỀ VITAMIN

Vitamin còn g ọi là sinh tố, là yếu tố dinh dưỡng không thể thiếu ñược của mọi sinh vật

L ịch sử phát hiện ra vitamin và ñưa ra khái niệm về vitamin ñã hình thành trong quá trình nghiên

c ứu về những bệnh liên quan ñến chế ñộ dinh dưỡng của con người

N ăm 1753, Lindz (người Anh) ñã nhận ra nguyên nhân gây tử vong cho những người ñi

bi ển lâu ngày là do trong cơ thể thiếu một chất mà thức ăn của họ không có Nếu dùng thêm chanh ho ặc cam, người ta có thể tránh ñược bệnh, mà ngày nay ñược gọi là bệnh hoại huyết (scorbut) Lunin (nhà bác h ọc Nga) năm 1880 ñã cho biết rằng protein, carbohydrate, lipid và các

ch ất khoáng trong khẩu phần ăn hàng ngày chưa ñủ ñể ñảm bảo hoạt ñộng bình thường của người

và ñộng vật

N ăm 1897, Eijkmann (người Hà Lan) ñã tìm ra nguyên nhân gây bệnh tê phù (beri beri) ở

nh ững tù nhân trên ñảo Java (Indonesia) là do trong gạo họ ăn thiếu một chất, mà sau này mới

bi ết là vitamin B1 N ăm 1911, Funk (người Ba Lan) ñã tách ñược từ cám gạo hợp chất nói trên

Ch ất này cần thiết cho sự sống và có nhóm amin trong phân tử, nên ông ñã gọi nó là vitamin (ngh ĩa là amin của sự sống; vital: sự sống) Nhiều chất phát hiện ra sau này, tuy trong phân tử không có nhóm amin, song khi thi ếu chúng ñều gây ra những rối loạn về hoạt ñộng sinh lý bình

th ường của cơ thể, nên cũng ñược gọi là vitamin

Các nhà khoa h ọc ñã thống nhất một khái niệm chung về vitamin Vitamin là những hợp

chất hữu cơ, phân tử nhỏ, tự nhiên hoặc tổng hợp, cần với lượng rất ít ñể giúp cho sinh vật hoạt ñộng bình thường, duy trì và phát triển

Khái ni ệm về vitamin cũng chỉ là qui ước Một chất là vitamin của loài này, song có thể không ph ải là vitamin của loài khác Thật vậy, ascorbic acid là vitamin của người và khỉ, song lại không ph ải là vitamin của chuột; ngược lại p-aminobenzoic acid là vitamin của nhiều loài vi sinh

v ật, song lại không phải là vitamin của người

Trong t ự nhiên, vitamin chủ yếu do thực vật và vi sinh vật tổng hợp nên Người và ñộng vật

có th ể tổng hợp ñược một số vitamin, nhưng rất ít, không thoả mãn nhu cầu của cơ thể mà phải ñược cung cấp thêm qua con ñường thức ăn