Protein là nền tảng của mọi quá trình sống.

Protein là nền tảng của mọi quá trình sống.

CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨA Protein là hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là axit amin. Axit amin được cấu tạo bởi 3 thành phần: một là nhóm amin (-NH 2 ), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với một nguyên tử hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Protein là lớp chất bắt buộc phải có ở bất kỳ vật sống nào và có tỷ lệ khá ổn định. Ví dụ ở gia súc non và người hàm lượng protein khoảng 40 – 45% vật chất khô. Protein là lớp chất quan trọng bậc nhất của sự sống, là vật mang sự sống. Protein có trong tất cả các loại tế bào với hàm lượng khác nhau: Bảng 1.1. Hàm lượng protein trong một số mô động, thực vật 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 được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn). Đặc điểm lớn nhất của axit amin là: phân tử có chứa Nitơ (N), khối lượng phân tử lớn. Mô Protein (% so với khối lượng vật chất khô) Gan 57 Xương 28 Cơ vân 80 Hạt lúa 6 – 12 Hạt ngô 9 – 13 Đậu nành 29 – 50 1 CHƯƠNG II: PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có Axit Nucleic. I/ AXIT NUCLEIC Axit Nucleic là hợp chất tự nhiên cao phân tử mang mã di truyền và thực hiện mã di truyền ở các sinh vật. Hàm lượng Axit Nucleic trong tế bào khá cao, dao động trong khoảng 5 – 15% vật chất khô. Trong tế bào có hai loại Axit Nucleic: axit ribonucleic (RNA) và axit desoxyribonucleic (DNA). Các đơn phân của Axit nucleic là các nucleotit. Mỗi nucleotit bao gồm hai thành phần: Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric. Tùy theo trọng lượng phân tử của Axit Nucleic mà chuỗi nucleotit có thể dài ngắn khác nhau. Trong chuỗi nucleotit, các nucleotit sắp xếp theo 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 theo từng bộ ba base. Một codon là một đơn vị mã di truyền, có chức năng mã hóa cho một axit amin. Axit Nucleic là bản thiết kế protein và bảng thiết kế này được viết bằng các mã di truyền. Thứ tự các mã quy định thứ tự các axit 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 trì vững vàng trình tự các nucleotit. Một rối loạn trong quá trình này dẫn tới rối loạn tính di truyền, tức là gây nên hiện tượng biến dị. II/ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Thành phần nguyên tố của protein (% theo trọng lượng) C: 50 – 54; O: 20 – 23; H: 6 – 7; N: 15 - 18 (trung bình khoảng 16%); S: 0 - 2,4. Trong một số protein còn chứa P, Fe, I, Co, Zn và một số nguyên tố khác hàm lượng các nguyên tố này rất thấp nhưng có ý nghĩa rất lớn đối với sự sống. Để tạo nên trạng thái sống các nguyên tố này trước hết liên kết với nhau tạo nên các axit amin ( Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, 2 Tryptophan, Valine, Arginine, Histidine, Cysteine, Glutamine, Glycine, Proline, Serine, Tyrosine, Alanine, Glutamate, Asparagine, Aspartate) Axit amin là đơn vị cấu tạo cơ bản của protein. Axit amin là những dẫn 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 chung như sau: Có thể định nghĩa khác là: axit amin gồm một nguyên tử Cacbon 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 là Alanin. Axit amin là monomer cấu tạo nên protein. Trong tự nhiên có khoảng 250 axit amin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axit amin gọi là axit amin sinh protein (proteinogenic amino acids). Hình dạng và đặc tính của protein được quy định bởi trình tự và số lượng các axit amin của protein. -H + + OH - R-CH-COOH R-CH-COO - R-CH-COO - NH 3+ + H + NH 3+ - OH - NH 2 Axit Trung tính Kiềm Trong môi trường trung tính phân tử axit amin mang cả điện tích âm và điện tích dương Trong môi trường kiềm axit amin mang điện tích âm 3 R-CH-COOH NH 2 Trong môi trường axit axit amin mang điện tích dương Người ta ứng dụng tính lưỡng tính của axit amin để phân tích hỗn hợp axit amin bằng dòng điện một chiều (phương pháp điện di). Ở giá trị pH của môi trường mà axit amin có tổng số điện tích âm bằng điện tích dương (axit amin trung hòa điện), pH đó gọi là điểm đẳng điện của axit amin (kí hiệu là pI). Các axit amin trung tính có pI khoảng 5 - 6,5 (hơi axit) Các axit amin axit tính có pI khoảng 3 (axit rõ rệt) Các axit amin kiềm tính có pI khoảng > 7 (kiềm) 2.1/ Cấu trúc bậc một của protein Cấu trúc bậc 1 của protein là sự liên kết giữa các axit amin với nhau thành chuỗi thông qua liên kết peptit (-CO - NH-), Mạch liên kết này hình thành giữa nhóm COOH của axit amin trước với nhóm NH 2 của axit amin bên cạnh. 4 Liên kết peptit là liên kết đồng hóa trị rất bền vững (năng lượng phá vỡ liên kết khoảng 6 - 7kcal/mol). Trong thực tế mạch liên kết peptit rất khó thủy phân (phải dùng HCl 6N với nhiệt độ ≥ 100 0 C). Trong chuỗi peptit, các axit amin cứ liên kết với nhau như vậy liên tục. 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. Khoảng cách giữa nhóm -COOH và –NH 2 của các axit amin trong chuỗi polypeptit được L.Pauling và cộng sự dùng phương pháp nhiễu xạ Rơngen để nghiên cứu. Cấu trúc bậc một của protein 5 Khi khảo sát chuỗi peptit có hai vấn đề quan trọng: số lượng các axit amin và trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi. - Số lượng các axit amin: Số lượng các axit amin nhiều hay ít tùy loại protein và quy định độ dài ngắn, phân tử lượng của chuỗi. Protein lớn nhất được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim, chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn. Các protein phổ biến đặc biệt là các enzym có khoảng từ 150 - 300 axit amin. - Trình tự sắp xếp các axit amin: Trình tự của các axit amin trong chuỗi quyết định cấu trúc không gian của chuỗi và do đó quyết định tính chất, chức năng sinh học của protein. Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, được ghi lại bằng các đơn vị tạo thành axit nucleic. Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x 10 19 tổ hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người ta tìm thấy khoảng 10 10 – 10 12 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 axit amin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tính chất vật lý, hóa học và sinh học của protein cũng thay đổi. Ví dụ: Trong bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, do đột biến ADN mà ở vị trí số 6 trên chuỗi β polypeptit của globulin trong hồng cầu là axit glutamic bị thay bằng valin. Oxytoxin và vasopressin là hai hocmon thùy sau tuyến yên, chúng đều có 9 axit amin, nhưng sắp xếp chỉ khác nhau ở vị trí số 3 và số 8: Oxytoxin có chức năng làm tăng co bóp cơ trơn tử cung: Xys - Tyr - Ile - Glu - Asn - Xys - Pro - Leu - Gly - NH 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vasopressin có chức năng làm tăng huyết áp động mạch, chống lợi niệu: Xys - Tyr - Phe - Glu - Asn - Xys - Pro - Arg - Gly - NH 2 3 8 Việc phát hiện ra cấu trúc bậc 1 là một thành tựu khoa học rất lớn trong hóa học protein. Nó là cấu trúc quan trọng nhất quyết định mức độ phức tạp, tính muôn hình muôn vẻ và hoạt tính sinh học của protein. Nguyên nhân của sự đặc trưng, đặc 6 thù của sinh vật, tức là sự khác nhau về loài, giống, các thể và các bộ phận trong cơ thể chính là sự khác nhau về cấu trúc và chức năng của protein. Cấu trúc bậc 1 là yếu tố di truyền hết sức ổn định và đây cũng là minh chứng chứng minh “Protein là nền tảng của sự sống ”. Ví dụ: Insulin là 1 polypeptit hocmon bao gồm 51 axit amin, ở các động vật khác nhau, chúng chỉ khác nhau ở axit amin thứ 8, 9, 10. 8 9 10 Bò: Ala - Ser - Val Lợn: Tre - Ser - Ile Cừu: Ala - Gly – Val Quá trình di truyền ở sinh vật chính là hiện tượng truyền đạt lại cho đời sau cấu trúc bậc 1 của protein đặc thù cho loài giống. Thiết kế protein được mã hóa qua tiết kế mã di truyền trong axit nucleic. 2.2/ Cấu trúc bậc hai của protein Cấu trúc bậc 2 của protein là cấu trúc có chu kỳ của chuỗi polypeptit. Chuỗi polypeptit được sắp xếp gọn lại trong không gian nhất là trong môi trường sinh vật, trong mô bào theo những hình thù nhất định, bền vững hơn phù hợp với chức năng của chúng. Nhiều protein chứa các đoạn có cấu trúc xoắn α, ví dụ: myoglobin, hemoglobin . Chuỗi peptit cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành các vòng xoắn. Chu kỳ xoắn là 3,7 axit amin. Chiều dài mỗi vòng xoắn là 5,4A 0 . Chiều xoắn có thể là xoắn phải hoặc xoắn trái. Các xoắn α thấy ở các protein là xoắn phải (hình 1.1). Tỷ lệ giữa các đoạn xoắn và không xoắn trong protein chiếm khoảng 45% - 50% chiều dài của chuỗi peptit. Cũng có khi hai hoặc nhiều cuộn xoắn α bện lại với nhau như cuộn dây cáp được thấy ở các protein như keratin của tóc, myosin tropomyosin ở cơ, epidermin của da và fibrin của cục máu đông . 7 Hình 1.1. Cấu trúc xoắn α Xoắn α được ổn định nhờ những liên kết hyđro. Liên kết này được hình thành giữa hai nguyên tử mang điện tích âm có khoảng cách 2 - 3A 0 , nguyên tử hyđro nằm giữa hai nguyên tử đó. Liên kết hyđro để tạo xoắn α trong cấu trúc bậc 2 của protein được tạo thành giữa nhóm = C=O và =N-H. Lúc này các gốc amit =C=O và =N-H nằm trong một mặt phẳng. Liên kết hyđro yếu, năng lượng phá vỡ liên kết khoảng 0,7 - 1,5Kcal/mol song có số lượng lớn nên xoắn α bền và ổn định. Liên kết hyđro giữ vị trí đặc biệt quan trọng trong tính cơ động, linh hoạt của các phân tử sinh học, của protein cũng như mô bào. Cấu trúc gấp nếp β, khác với xoắn α là ở chỗ nó là dạng tấm. Chuỗi polypeptit trong gấp nếp β hầu như duỗi thẳng chứ không phải cuộn lại hình lò xo như xoắn α. Điều khác nữa là cấu trúc gấp nếp β được ổn định bởi các liên kết hyđro giữa các nhóm =C=O và =N-H trong các chuỗi polypeptit khác nhau. Cấu trúc gấp nếp β thường đặc trưng cho nhiều protein dạng sợi, ví dụ colagen. 8 Trong cơ thể, xét về cấu trúc bậc 2, protein có thể chia ra làm 3 loại: - Loại hoàn toàn cấu tạo từ xoắn α - Loại hoàn toàn cấu tạo từ gấp nếp β - Loại chứa cả xoắn α và gấp nếp β 2.3/ Cấu trúc bậc ba của protein Là cấu hình không gian phức tạp của chuỗi polypeptit do sự gấp khúc, cuộn lại của cấu trúc bậc 2 tạo cho protein có hình thù nhất định đặc trưng cho từng loại protein và hình thù đặc trưng này được quyết định từ cấu trúc bậc 1. Sự sắp xếp gọn lại trong không gian của phân tử protein khi đã có cấu trúc bậc 2 này giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống. 9 Cấu trúc bậc 3 protein Cấu trúc bậc 3 tồn tại và ổn định nhờ các liên kết và các lực sau: a. Liên kết disulfid Liên kết disulfid hình thành giữa 2 nhóm -SH (sulphydryl) của 2 gốc Cystein phân bố rải rác trong chuổi peptit, nhưng gần nhau trong không gian 2 HOOC-CH-CH 2 -SH → HOOC-CH-CH 2 -S-S-H 2 C-CH-COOH NH 2 NH 2 NH 2 Đây là liên kết đồng hóa trị, bền nhưng chiếm số lượng không nhiều: phân tử protein với khoảng 100 - 200 axit amin có khoảng 4 - 5 liên kết disulfid. Ví dụ: Insulin là hormon của tuyến tụy tham gia điều hòa hàm lượng đường trong máu. Khi thiếu insulin, hàm lượng đường trong máu tăng cao, dẫn tới bệnh đái đường. Insulin được cấu tạo từ 2 chuỗi peptit: chuỗi A gồm 21 axit amin, chuỗi B gồm 30 axit amin, hai chuỗi này gắn với nhau bằng 2 liên kết disulfid. b. Các liên kết yếu 10 [...]... theo protein, số lượng monomer có thể thay đổi từ 2, 4, 6, 8 là phổ biến, cá biệt có protein có thể có trên 50 monomer Sự hình thành cấu trúc bậc 4 tạo điều kiện cho quá trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, chính xác 14 15 16 III/ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein là nền tảng của mọi quá trình sống, điều này được thể hiện ở các chức năng của nó đối với sự sống, cụ thể như sau: 3.1/ Chức năng tạo hình Protein. .. kiện cho quá trình điều tiết sinh học thêm tinh vi và chính xác Protein là một hợp chất hữu cơ phức tạp được tìm thấy trong tất cả các quá trình xảy ra trong tế bào Mỗi loại cơ thể đều có các loại protein đặc hiệu của mình, thêm vào đó chúng chiếm số lượng lớn trong cơ thể và có thể dễ dàng tìm thấy trong tự nhiên Chúng đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong cơ thể Protein là nền tảng của mọi quá trình. .. 5000C) làm protein bị biến tính (tức không trở lại trạng thái cũ của protein ví dụ : luộc trứng) hoặc giảm quá thấp làm protein ngừng hoạt động; pH của môi 11 trường thay đổi sẽ làm thay đổi độ điện ly của –NH 2 hoặc -COOH những biến đổi này có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực đến chức năng của protein Do có cấu trúc bậc 3 các protein có hình thù đặc trưng và phù hợp với chức năng của chúng Ở các protein. .. sự mềm dẻo cấu trúc của mình để các đô men gắn kháng nguyên, tương tác tối ưu với kháng nguyên là những hợp chất đa dạng Ở những protein có nguồn gốc khác nhau, nhưng có chức năng tương tự thì các đô men có cấu trúc tương đối giống nhau Đô men là từng khu vực đó có cấu trúc hoàn chỉnh của 1 protein và thực hiện đầy đủ chức năng của 1 protein 2.5/ Cấu trúc bậc bốn của protein Các protein chứa trong phân... thể hiện sự phức tạp hơn về mức độ cấu trúc phân tử được gọi là cấu trúc bậc 4 Protein có trạng thái tổ hợp hình thành từ nhiều tiểu phần protein gọi là protein olygomeric Mỗi chuỗi polypeptit trong một protein như vậy được gọi là là tiểu đơn vị (sub unit) hay là một protomer Mỗi tiểu đơn vị đều có cấu trúc bậc 1, 2, 3 riêng của nó Một số protein có xu hướng kết hợp lại với nhau thành những phức hợp,... và dự trữ Sự chuyển hóa của một bộ khung cacbon của axit amin trong chu trình Krebs cũng đóng góp một phần năng lượng cho cơ thể Albumin lòng trắng trứng là nguồn cung cấp axit amin cho phôi phát triển Casein trong sữa mẹ là nguồn cung cấp axit amin cho con Trong hạt cây có chứa nguồn protein dự trữ cần cho hạt nẩy mầm IV/ KẾT LUẬN Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có Axit Nuclic Chức... fibrin là các yếu tố đông máu, một số protein chống đông Nọc rắn cũng là một loại protein Globulin miễn dịch G 20 Globulin miễn dịch G là loại kháng thể lưu thông trong máu và nhận biết hạt ngoại lai gây hại Foreign particle binding site : điểm bám của hạt ngoại lai 3.7/ Dẫn truyền thông tin Protein là chất thụ cảm của hocmon và các phân tử báo hiệu khác 3.8/ Cung cấp năng lượng và dự trữ Sự chuyển hóa của. .. nước nhưng vẫn có hình dạng nhất định của nó 2.4/ Đô men cấu trúc (structural domain) Đô men cấu trúc là những bộ phận, những khu vực trong một phân tử protein được cuộn gấp trong không gian giống như một phân tử protein nhỏ hoàn chỉnh và thường là nơi thực hiện chức năng liên kết, chức năng lắp ráp của đại phân tử protein trong hoạt động chức năng của nó Trong nhiều protein, đô men gắn liền với chức năng... các protein chức năng như các enzym, các kháng thể, protein của các hệ thống đông máu, thông qua cấu trúc bậc 3 mà hình thành được các trung tâm hoạt động, là nơi thực hiện các chức năng của protein Sự duy trì hình dạng giúp protein ở trạng thái nguyên vẹn, tức là trạng thái sinh học được duy trì Mỗi biến đổi của hình dạng sẽ kéo theo sự biến đổi của hoạt tính Cấu trúc bậc ba đảm nhận chức năng tạo... bào Sự chuyển động của các chromosom trong phân bào và sự vận động của tinh trùng là nhờ sự chuyển động của các tập hợp co rút chứa các protein Cấu trúc sợi Actin: Sợi actin, một l oại protein cấu trúc hình thành từ nhiều tiểu đơn vị, giúp co cơ và duy trì hình dạng tế bào 3.6/ Protein có chức năng bảo vệ Cơ thể sống có khả năng tổng hợp những protein đặc hiệu, biệt hóa cao gọi là các kháng thể, chúng . CHƯƠNG II: PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có Axit Nucleic. I/ AXIT NUCLEIC Axit Nucleic là hợp chất. cho quá trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, chính xác. 14 15 16 III/ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein là nền tảng của mọi quá trình sống,