chứng minh protein là nền tảng của sự sống

Protein có phân tử lượng lớn, được cấu thành từ các axit amin.. Trình tự sắp xếp của các axit amin trong mạchphân tử protein được mã hoá trong bộ máy di truyền của tế bào, proteinđược tổ

MỤC LỤCNỘI DUNG TRANG

2.4 Cấu tạo hóa học : 9

PHẦN I MỞ ĐẦU

ĐẶT VẤN ĐỀ

Giữa thế kỷ thứ 19, nhà hoá học người Đức Gerardus Mulder đãchiết được một loại hợp chất đặc biệt, chúng vừa có mặt ở tế bào độngvật, vừa có mặt ở tế bào thực vật Hợp chất này đóng vai trò quan trọngtrong sự tồn tại của mọi tế bào sinh vật trên trái đất Theo đề nghị củaBerzelius - nhà hoá học Thụy Điễn noi tiếng, G Mulder đặt tên chất đó là

protein - theo tiếng la tinh "proteos" có nghĩa là quan trọng hàng đầu.

Protein có phân tử lượng lớn, được cấu thành từ các axit amin Cácaxit amin trong phân tử protein liên kết với nhau bằng liên kết peptit vềmặt cấu trúc và tính chất, protein có những đặc tính không có ở bất kỳhợp chất hữu cơ nào và chính những đặc tính này bảo đảm chức năng "cơ

sở sự sống" của protein Trình tự sắp xếp của các axit amin trong mạchphân tử protein được mã hoá trong bộ máy di truyền của tế bào, proteinđược tổng hợp trong tế bào sống

Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơthể sống, về mặt số lượng, protein chiếm không dưới 50% trọng lượngkhô của tế bào; về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ yếu từcác amino acid vốn được nối với nhau bằng liên kết peptide gọi là chuỗipolypeptide Các chuỗi này có thể xoắn hoặc cuộn gấp theo nhiều cách đểtạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein Cho đến nayngười ta đã thu được nhiều loại protein ở dạng tinh thể và từ lâu cũng đãnghiên cứu kỹ thành phần các nguyên tố hoá học và đã phát hiện đượcrằng thông thường trong cấu trúc của protein gồm bốn nguyên tố chính là

C, H, O, N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16% Đặc biệt tỷ

lệ N trong protein khá ổn định (lợi dụng tính chất này để định lượngprotein theo phương pháp Kjeldahl bằng cách tính lượng N rồi nhân với6,25) Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S ≈0-3% và P, Fe, Zn, Cu

Phân tử protein có cấu trúc, hình dạng và kích thước rất đa dạng,khối lượng phân tử (MW) được tính bằng Dalton (1Dalton = 1/1000 kDa,đọc là kiloDalton) của các loại protein thay đổi trong những giới hạn rấtrộng, thông thường từ hàng trăm cho đến hàng triệu ví dụ: insulin cókhối lượng phân tử bằng 5.733 Da; glutamat-dehydrogenase trong gan bò

có khối lượng phân tử bằng 1.000.000 Da, v.v

Từ lâu người ta đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sốngtrong cơ thể sinh vật, protein có chức năng rất quan trọng cấu tạo nên cơthể của cơ thể sống của động vật Tất cả các enzyme, hầu hết các hoócmôn, một phần lớn hệ thống miễn dịch của chúng ta, tất cả các cơ và rấtnhiều các mô khác của cơ thể được tạo nên bởi protein

Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống,người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tàicủa Engels P “Sống là phương thức tồn tại của những thể protein” Với

sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống

2

càng được khẳng định Cùng với acid nucleic, protein là cơ sở vật chấtcủa sự sống

Protein là thành phần không thể thiếu được của tất cả các cơthể sống Protein là nền tảng về cấu trúc và chức năng của cơ thể sinh vật

Chúng ta tìm mối quan hệ chặt chẽ giữa tế bào - acid nucleic –Protein để chứng minh “ Protein là nền tảng của quá trình sống.”

PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN

1.1 Lịch sử nghiên cứu protein

Từ “Protein” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp (proteios) cónghĩa là “tầm quan trọng số một” Cái tên này được sử dụng bởi JonsJakob Berzelius năm 1938 để nhấn mạnh tầm quan trọng của những phân

tử này đối với cơ thể sinh vật

Năm 1955 ông Frederick Sanger xác định được chuỗi axit aminhoàn chỉnh của protein là insulin Đây là lần đầu tiên khoa học chứngminh được rằng tất cả các phân tử protein có cấu trúc riêng biệt

Proten là lớp chất bắt buộc phải có ở bất kỳ vật sống nào và có với

tỷ lệ khá ổn định Ví dụ ở gia súc và người hàm lượng protein khoảng 40

- 45% vật chất khô

Protein có ở 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

là nhờ protein loại bạch cầu, các kháng thể

Vậy Protein là hợp chất polymer cao phân tử được cấu tạo cấu tạo

từ một hay nhiều chuỗi axit amin không phân nhánh các axit amin nàyliên kết với nhau bằng liên kết peptit (-CO-NH-)

Protein điển hình chứa 200 – 300 axit amin, nhưng một số protein

có số axit amin ít hơn (protein có số lượng axit amin ít nhất gọi là peptit)

và một số protein có số lượng axit amin lớn hơn (protein lớn nhất đượcbiết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim chứa tới 26926 axitamin trong một chuỗi đơn)

Protein là lớp chất quan trọng bậc nhất của sự sống, là vậtmang sự sống Đặc điểm lớn nhất của protein là:

- Phân tử có chứa Nitơ (N)

- Khối lượng phân tử lớn

4

CHƯƠNG II PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG

Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có AxitNucleic

2.1 Axit nucleic.

Axit Nucleic là hợp chất tự nhiên cao phân tử mang mã di truyền vàthực hiện mã di truyền ở các sinh vật Hàm lượng Axit Nucleic trong tếbào khá cao, dao động trong khoảng 5 – 15% vật chất khô Trong tế bào cóhai loại Axit Nucleic: axit ribonucleic (RNA) và axit desoxyribonucleic(DNA)

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

Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric

Tùy theo trọng lượng phân tử của Axit Nucleic mà chuỗi nucleotit

có thể dài ngắn khác nhau Trong chuỗi nucleotit, các nucleotit sắp xếptheo những trình tự nhất định tạo nên đặc trưng sinh học của Axit Nucleic,tức là tạo nên các gen di truyền Thứ tự các nucleotit thường được xét theotừng bộ ba base Một codon là một đơn vị mã di truyền, có chức năng mãhóa cho một axit amin Axit Nucleic là bản thiết kế protein và bảng thiết kếnày được viết bằng các mã di truyền Thứ tự các mã quy định thứ tự cácaxit amin trong protein, quyết định đặc trưng sinh học của protein Mỗi

Axit Nucleic trong quá trình hình thành và hoạt động luôn luôn duy trìvững vàng trình tự các nucleotit Một rối loạn trong quá trình này dẫn tớirối loạn tính di truyền, tức là gây nên hiện tượng biến dị.

2.2 Cấu trúc protein

Thành phần nguyên tố của protein (% theo trọng lượng)

C: 50 - 54O: 20 - 23H: 6 - 7N: 15 - 18 (trung bình khoảng 16%)S: 0 - 2,4

Trong một số protein còn chứa P, Fe, I, Co, Zn và một số nguyên

tố khác hàm lượng các nguyên tố này rất thấp nhưng có ý nghĩa rất lớnđối với sự sống

Để tạo nên trạng thái sống các nguyên tố này trước hết liên kết vớinhau tạo nên các axit amin ( Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine,Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, Valine, Arginine, Histidine,Cysteine, Glutamine, Glycine, Proline, Serine, Tyrosine, Alanine,Glutamate, Asparagine, Aspartate)

Đơn vị cấu tạo cơ bản nhất của protein là axit amin Axit amin lànhững dẫn xuất của axit hữu cơ mà trong phân tử một nguyên tử hydro(đôi khi 2) của gốc ankil được thay thế bởi gốc amin Công thức chungnhư sau:

6

R-CH-COOH

NH2

Có thể định nghĩa khác là:

axit amin gồm một nguyên tử Cac

bon α liên kết với:

- Một nguyên tử Hydro

- Một nhóm Amin

- Một nhóm Carboxyl

- Một trong 20 gốc R, 20 gốc R khác nhau tạo nên 20 axit amin

và quyết định tính chất đặt trưng của chúng Axit amin hình bên làAlanin

Axit amin là monomer cấu tạo nên protein Trong tự nhiên cókhoảng 250 axit amin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axitamin gọi là axit amin sinh protein (proteinogenic amino acids)

Dựa vào nhu cầu dinh dưỡng của động vật, người ta chia axit aminthành 2 loại:

- Loại axit amin không thay thế được: là loại rất cần cho sự pháttriển bình thường của cơ thể động vật, nhưng cơ thể động vật không thể

tự tổng hợp được hoặc không tổng hợp được đủ nhu cầu, phải thườngxuyên được cung cấp từ thức ăn Ở người và vật nuôi có 9 axit aminkhông thay thế là: Leuxin, Isoleuxin, Valin, Lyzin, Methionin,Triptophan, Threonin, Histidin, Phenylalanin

- Loại axit amin thay thế được: Là những axit amin mà cơ thể cókhả năng tự tổng hợp được từ các sản phẩm chuyển hóa trung gian khác

Hai trong số các axit amin không thay thế, lysin và tryptophan, có

rất ít trong thực vật chho nên những người ăn chay trường cần bổ sung 2axit amin này

2.3 Phân loại Protein

Dựa vào lý hóa tính, chủ yếu là tính hoà tan và khối lượng phân tử

mà chia làm 2 loại :

Protein đơn giản: dựa vào tính hòa tan khác nhau của chúng

- Albumine: tan trong nước, khối lượng phân tử nhỏ; ví dụ nhưalbumine của trứng, ở thực vật thường có ở hạt ( 0,1 – 0,5% ) nhưLeucosine ( lúa mì, lúa mạch, lúa đại mạch ), Legumeline ( đậunành ), Ricinine ( hạt thầu dầu )

- Globuline: chỉ tan trong dung dịch loãng muối trung tính (KCl,NaCl 4- 10% )có nhiều ở thực vật, chủ yếu trong hạt cây họ đậu;khối lượng phân tử M = 100.000 – 300.000

- Prolamine: chỉ tan trong rượu ethylic 70-80% và có nhiều ở câythân thảo ( chứa nhiều prolin, các amid & acide glutamique ); ở lúa

mì và lúa mạch đen chứa prolamine có tên là gliadine, khối lượngphân tử của prolamine M = 26.000 – 40.000

- Gluteline: chỉ tan trong dung dịch acid hay kiềm loãng ( 2% ), có ở hạt ( 1-3% trọng lựơng hạt )

0.2 Protamine: khối lượng phân tử nhỏ M = 8.000 – 10.000, có tínhbazơ rất rõ vì hàm lượng arginine khá lớn, hiện diện nhiều ở phấnhoa, protamine tan trong nước và bazơ

Protein phức tạp : còn được gọi là Proteide, có cấu tạo ngoài thành

phần acid amin còn có một nhóm không phải protein

- Phosphoproteide: proteine + acid phosphoric ,ví dụ Casein cótrong sữa động vật

- Lipoproteide : proteine + dẫn xuất của Lecithine, cephaline vànhững lipid khác

- Glucoproteide : còn gọi là mucoproteide gồm protein + glucid

- Metalloproteide : proteine + kim loại; đây là cấu tạo của enzyme

ví dụ như Catalase, Peroxydase, Cytochrome có chứa Fe ;ascorbatoxydase và p- diphenoloxydase có chứa Cu

- Cromoproteide : proteine + nhóm phi proteine bất kỳ ví dụ nhưhợp chất chlorophyll trong quang hợp thường kết hợp với mộtproteine

- Nucleoproteide : proteine + acid nucleic

8

2.4 Cấu tạo hóa học :

2.4.1 Acid amin :

Acid amin là đơn vị cấu tạo cơ bản của protein; acid amin là dẫn

xuất của acid hữu cơ, đồng thời có chức acid ( COOH ) và chức kiềm

( NH2 ) Acid amin có công thức tổng quát là:

Các acid amin đầu tiên là Aspararin và Cystin được phát hiện vào

năm 1806 và 1810, vào thế kỷ này người ta biết được gần 20 acid amin

căn bản có mặt trong thành phần của các phân tử protein và đến cuối

những năm 40 của thế kỷ này ngưới ta biết được gần 40 acid amin thiên

nhiên

2.4.1.1 Các acid amin thường gặp trong protein:

 Acid amin trung tính : nhóm R là nhóm trung tính

OH

Glycine (Gly) ( G )

Alanine (Ala)

(A)

Serine (Ser) ( S )

H2N CH C

CH2

OH O

SH

H2N CH C

CH2

OH O

S

H2N CH C

CH2

OH O

S

Cysteine (CysSH) ( CSH )

Cystine (CysS-S)

(CS-S)

H 2 N CH C

CH

OH O

CH 2 S

CH 3

H 2 N CH C

CH 2

OH O

(V)

Nor-Valine (N-Val) ( N-V)

Methionine

(Met)

(M)

Leucine (Leu)

(L)

3

Nor- Leucine (N- Leu)

(N-L)

H 2 N CH C

CH

OH O

Phenylalanine (Phe)

(F)

H 2 N CH C

CH 2

OH O

OH

Tyrosine (Tyr)

(Y)

H 2 N CH C

CH 2

OH O

HN

Tryptophane (Try)

(W)

CH 3

10

 Acid amin acid : nhóm R có tính acid

CH2

OH O

C OH O

CH 2

CH 2 NH C

NH 2 NH

ARGININE (Arg) ( R)

H 2 N CH C

CH 2

OH O

N NH HISTIDINE (His)

(H)

 Các acid amin khác : imino acid

HN

C OH O

PROLINE (Pro)

(P)

HN

C OH O

HYDROXYPROLINE (ProOH)

(POH)

OH

Acid amin cần thiết là những acid amin mà cơ thể không tự tổnghợp được phải đưa từ bên ngoài vào Chúng gồm : Valine, Leucine,Isoleucine, Methionine, Threonine, Phenylalanine, Tryptophane, Lysine,Histidine

 Dạng D&L của acid amin :

+ Trường hợp có một C* ( Cα ), người ta chọn Serine làm chất đểqui ước; nếu nhóm NH2 ở bên phải là dạng D, nếu ở bên trái là dạng L

- Nếu Cα dạng L và Cβ dạng L thì gọi là L

- Nếu Cα dạng D và Cβ dạng L thì gọi là D- allo

- Nếu Cα dạng L và Cβ dạng D thì gọi là L - allo

Cα

COOH H

C 2 H5

α β

D - allo-isoleucine

 Tính lưỡng tính của acid amin :

Sự hiện diện đồng thời của 2 chức acid và kiềm trong cấu tạo của

acid amin làm cho nó vừa có tính acid vừa có tính baz

Equivalents of OH¯ : trị số tương đương của OH¯

Zwitterions : ion lưỡng cực

pI : điểm đồng điện tích

2.4.2 Protein

14

Protein là sự trùng hợp của nhiều acid amin bởi liên kết Peptide

nên còn được gọi là polypeptide

2.4.2.1 Liên kết peptide:

Liên kết peptide là liên kết amide giữa nhóm COOH và nhóm NH2

cuả 2 acid amin kề nhau

Nếu 2 acid amin liên kết nhau thì tạo thành dipeptid

Nếu 3 acid amin liên kết nhau thì tạo thành tripeptid

Nếu 4 acid amin liên kết nhau thì tạo thành tetrapeptid

Nếu 5 acid amin liên kết nhau thì tạo thành pentapeptid

Nếu nhiều acid amin liên kết nhau thì tạo thành polypeptid

N H

POLYPEPTIDE

Tên gọi của peptide tạo thành gồm tên của các acid amin thànhphần trong đó tên acid amin cuối cùng ( còn nhóm COOH ) vẫn giữnguyên còn tên các acid amin khác thì có tân cung là “ –il” Ví dụ: Alanin– Serin – Aspartic – Glycin, thì có tên là Alanilserilaspartilglycine

Liên kết này là do lực hút tĩnh điện giữa các nhóm acid và bazơ ví

dụ giữa nhóm NH3+ của các acid diamino monocarboxylic ( Lysine,Arginin) và COO ¯ của các acid monoaminodicarboxylic (acid glutamic,acid aspartic ) Đặc điểm trong cấu tạo của mạch polypeptide là cácnguyên tử C và N trong mạch được phân bố gần như là trên cùng mặtphẳng, trong khi các nguyên tử H và các nhóm CH-R tạo với mặt phẳng

đó một góc 1090 28/

2.4.2.3 Sự phân giải liên kết peptide:

Sự phân giải liên kết peptide sẽ giải phóng các acid amin tự do

 Phân giải bằng acid :

Dùng acid chlorhydric 6N ( 20% ) ở 1150C, trong điều kiện chânkhông, nếu không thì tryptophan bị phân hủy hoàn toàn Phương phápnày được sử dụng để làm nước tương

 Phân giải bằng kiềm:

16

Đun nóng proteine với các dung dịch kiềm loãng ở 1000C, hiệunăng cao hơn khi dùng acid nhưng hàng loạt acid amin bị phân hủy

 Phân giải bằng enzyme:

Sự phân giải này được thực hiện ở 370C bởi các enzyme thủy phân

Sự phân giải này thường dùng để điều chế các peptide là những sản phẩmphân cắt chưa hoàn toàn các proteine

2.5 Cấu trúc Protein

2.5.1 Cấu trúc bậc một của protein (Primary protein structure)

Cấu trúc bậc 1 của protein là sự liên kết giữa các axit amin vớinhau thành chuỗi thông qua liên kết peptit (-CO - NH-), Mạch liên kếtnày hình thành giữa nhóm COOH của axit amin trước với nhóm NH2 củaaxit amin bên cạnh

Hình 1: Sự hình thành liên kết peptit

Liên kết peptit là liên kết đồng hóa trị rất bền vững (năng lượngphá vỡ liên kết khoảng 6 - 7kcal/mol) Trong thực tế mạch liên kết peptitrất khó thủy phân (phải dùng HCl 6N với nhiệt độ (1000C).

Trong chuỗi peptit, các axit amin cứ liên kết với nhau như vậy liêntục Theo quy định axit amin đầu chuỗi (bên trái) có nhóm amin tự do gọi

là axit amin N tận; axit amin cuối chuỗi (bên phải) có nhóm cacboxyl tự

do gọi là axit amin C tận

Khi khảo sát chuỗi peptit có hai vấn đề quan trọng: số lượng cácaxit amin và trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi:

- Số lượng các axit amin: Số lượng các axit amin nhiều hay ít tùyloại 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 cơtim, chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn Các protein phổ biếnđặc biệt là các enzym có khoảng từ 150 - 300 axit amin

- Trình tự sắp xếp các axit amin: Năm 1955 lần đầu tiên toàn bộ trình

tự sắp xếp của 51 axit amin của insulin đã được Sanger xác định Sau đó,trình tự các axit amin của ribonuclease, protein của virus khảm thuốc lá,hemoglobin đã được xác định

Trình tự của các axit amin trong chuỗi quyết định cấu trúc khônggian của chuỗi và do đó quyết định tính chất, chức năng sinh học củaprotein Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, được ghi lại bằngcác đơn vị tạo thành axit nucleic Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x

1019 tổ hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người tatìm thấy khoảng 1010 - 1012 protein ở các cơ thể sống khác nhau) Mỗi

tổ hợp có sự sắp xếp các axit amin với thứ tự khác nhau, chỉ cần 1 axitamin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tính chất vật lý, hóa học và sinh họccủa protein cũng thay đổi Có thể lấy vài ví dụ:

Trong bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, do đột biến ADN mà ở vị trí

số 6 trên chuỗi ( polypeptit của globulin trong hồng cầu là axit glutamic

bị thay bằng valin

18