Cấu trúc và chức năng của protein Ngoài ADN và ARN thì protein cũng là một đại phân tử sinh học được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, mà các đơn phân của protein là các axit amin aa.. -
Trang 1Bài 3 Protein và cơ chế giải mã
I.LÝ THUYẾT CƠ BẢN
1 Mã di truyền
̶) Thông tin di truyền được ghi trên ADN dưới dạng mã bộ ba gồm 3 nucleotit kế tiếp nhau Mỗi bộ ba mã hóa, mã hóa cho một loại axit amin Người ta gọi các bộ ba mã hóa đó là
mã di truyền
2 Đặc điểm của mã di truyền :
̶) Mã di truyền được đọc theo 1 chiều trên phân tử mARN (5’ → 3’)
̶) Mã di truyền được đọc liên tục, không gối lên nhau
̶) Mã di truyền mang tính đặc hiệu : Mỗi loại bộ ba mã hóa chỉ mã hóa cho 1 loại axit amin
̶) Mã di truyền mang tính thái hóa : Đó là trường hợp 1 số axit amin có thể đồng thời do một số bộ ba mã hóa (Ví dụ : Alanin có thể được mã hóa bởi 4 bộ ba khác nhau)
̶) Mã di truyền có tính phổ biến : Ở tất cả các loài sinh vật, thông tin di truyền đều được mã hóa theo nguyên tắc chung là mã bộ ba
3 Phân biệt bộ ba mã hóa và mã hóa bộ ba :
̶) Bộ ba mã hóa : Là tổ hợp gồm 3 nucleotit đứng kế tiếp nhau tạo thành một đơn vị mã di truyền
̶) Mã hóa bộ ba : Mỗi axit amin trong phân tử protein được mã hóa trên ADN bằng ba nucleotit đứng kế tiếp nhau Người ta gọi đó là sự mã hóa theo nguyên tắc mã hóa bộ ba
4 Cấu trúc và chức năng của protein
Ngoài ADN và ARN thì protein cũng là một đại phân tử sinh học được cấu tạo theo nguyên tắc
đa phân, mà các đơn phân của protein là các axit amin (aa) Protein có cấu trúc và chức năng cụ
thể như sau:
a Cấu trúc hóa học protein:
- Khối lượng 1 phân tử của một aa bằng 110đvC
- Mỗi aa gồm 3 thành phần:
+ Nhóm cacboxin: −¿COOH
+ Nhóm amin: −¿NH2
+ Gốc hữu cơ R (gồm 20 loại khác nhau) => có 20 loại aa khác nhau
Trang 2- Công thức tổng quát của 1 aa
H
|
(gốc hữu cơ R) R – C – COOH (nhóm cacboxin)
|
NH2 (nhóm amin)
- Các aa liên kết với nhau bằng liên kết peptit (nhóm amin của aa này liên kết với nhóm
cacboxin của aa tiếp theo và giải phóng 1 phân tử nước) tạo thành chuỗi polipeptit Mỗi phân tử protein gồm 1 hay nhiều chuỗi polipeptit
R1 R2 R1 R2
| | | |
HNH-C-COOH + HNH-C–COOH → HNH-C-CO-NH-C-COOH + H2O
| | | |
NH2 NH2 NH2 NH2
b Cấu trúc không gian:
Protein có 4 bậc cấu trúc cơ bản như sau:
* Cấu trúc bậc 1: là trình tự sắp xếp các aa trong chuỗi polipeptit
- Thành phần, số lượng, trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi polypeptit thể hiện cấu trúc bậc 1 của protein.Các axit amin liên kết với nhau bằng các liên kết peptit tạo nên chuỗi polypeptit Đầu mạch polypeptit là nhóm amin của axit amin thứ nhất và cuối mạch là nhóm
cacboxyl của axit amin cuối cùng
- Cấu trúc bậc 1 của protein có vai trò tối quan trọng vì trình tự các axit amin trên chuỗi
polypeptit sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptit, là cơ sở cho việc hình thành cấu trúc không gian của protein và từ đó quy định đặc tính của protein Phân tử protein ở bậc 1 chưa có hoạt tính sinh học vì chưa hình thành nên các trung tâm hoạt động Phân tử protein ở cấu trúc bậc 1 chỉ mang tính đặc thù về thành phần acid amin, trật tự các acid amin trong chuỗi Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các axit amin có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein
- Trong tế bào protein thường tồn tại ở các bậc cấu trúc không gian Sau khi chuỗi polypeptit - protein bậc 1 được tổng hợp tại ribosome, nó rời khỏi ribosome và hình thành cấu trúc không gian (bậc 2, 3, 4) rồi mới di chuyển đến nơi sử dụng thực hiện chức năng của nó
Trang 3* Cấu trúc bậc 2: là chuỗi polipeptit bậc 1 có câu trúc xoắn hình lò xo.
- Cấu trúc bậc 2 của protein là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptit trong không gian Chuỗi
polypeptit thường không ở dạng thẳng mà xoắn lại tạo nên cấu trúc xoắn α và cấu trúc nếp gấp β, được cố định bởi các liên kết hydro giữa những axit amin ở gần nhau.
- Liên kết hydro được tạo thành giữa các nhóm cacboxyl của 1 liên kết peptit với nhóm –NH của liên kết peptide thứ tự sau nó (cách nhau 3 gốc axit amin) trên cùng một mạch polypeptit
- Ví dụ : Các protein sợi như keratin, Collagen (có trong lông, tóc, móng, sừng) gồm nhiều
xoắn α, trong khi các protein cầu (hemoglobin và mioglobin) có nhiều nếp gấp β hơn
* Cấu trúc bậc 3: do cấu trúc bậc 2 uốn khúc đặc trưng cho mỗi loại protêin
- Các xoắn a hoặc gấp nếp b lại có thể cuộn lại với nhau thành búi có cấu hình không gian ba chiều đặc trưng cho từng loại protein Đó là cấu trúc bậc 3 của protein Cấu trúc không gian này quyết định hoạt tính chức năng của protein Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào tính chất
của nhóm -R trong các mạch polypeptit
- Cấu trúc bậc 3 là dạng không gian của cấu trúc bậc 2, làm cho phân tử protein có hình dạng gọn hơn trong không gian, giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống Cấu trúc bậc 3 đã tạo nên trung tâm hoạt động của phần lớn các loại enzym
- Cấu trúc bậc 3 được giữ vững nhờ các liên kết cầu disunfit (-S-S-), tương tác VanderWaals, liên kết hydro, liên kết ion Liên kết -S-S- được hình thành từ hai phân tử cystein nằm xa nhau
trên mạch peptit nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian do sự cuộn lại của mạch polypeptit Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững Vì vậy khi phá vỡ các liên kết này phân tử duỗi ra đồng thời làm thay đổi một số tính chất của nó, đặc biệt là tính tan và hoạt tính xúc tác của nó
* Cấu trúc bậc 4: do nhiều cấu trúc bậc 3 kết hợp thành khối cầu
- Là một trạng thái tổ hợp hình thành từ nhiều tiểu phần protein đã có cấu trúc bậc ba hoàn chỉnh Khi protein có chứa từ 2 chuỗi polypeptit trở lên, chúng có cấu trúc bậc 4 Các chuỗi polypeptide liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hyđro
- Phân tử protein có cấu trúc bậc 4 có thể phân li thuận nghịch thành các tiểu phần đơn vị Khi phân li, hoạt tính sinh học của nó bị thay đổi hoặc có thể mất hoàn toàn Do tồn tại tương tác giữa các tiểu phần đơn vị nên khi kết hợp với một chất nào đó dù là phân tử bé cũng kéo theo những biến đổi nhất định trong cấu trúc không gian của chúng
Trang 4- Rất nhiều trường hợp protein phải tổ hợp lại mới có hoạt tính sinh học Trong những trường hợp này, cấu trúc bậc bốn là điều kiện để hình thành nên tính năng mới của protein
Protein chỉ thực hiện được chức năng ở cấu trúc không gian (cấu trúc bậc 3 hoặc bậc 4)
5 Tính chất của protein:
Protein có tính đa dạng và đặc thù: được quy định bởi số lượng + thành phần + trật tự sắp xếp của các aa trong chuỗi polipeptit.
6 Chức năng của protein:
Cấu trúc, nâng đỡ
Xúc tác sinh học: tăng nhanh, chọn lọc các phản ứng sinh hóa
Điều hòa các hoạt động sinh lý
Vận chuyển các chất
Tham gia vào chức năng vận động của tế bào và cơ thể
Cảm nhận, đáp ứng các kích thích của môi trường
Dự trữ chất dinh dưỡng
Như vậy: protein đảm nhiệm nhiều chức năng liên quan đến toàn bộ hoạt động sống của tế bào, quy định các tính trạng và các tính chất của cơ thể sống
Quá trình tổng hợp protein trong tế bào
Như đã biết, ADN quy định cấu trúc của protein thong qua mARN Bởi vậy, quá trình sinh tổng hợp protein bao gồm 2 giai đoạn chủ yếu
1 Sao mã
Chính là quá trình sinh tổng hợp mARN theo cơ chế đã nói ở phần trước Sauk hi được tổng hợp, phân tử mARN ra khỏi nhân, đi tới tế bào chất để tham gia vào quá trình giải mã
2 Giải mã (dịch mã)
Trang 5Giải mã: là quá trình tổng hợp protein trên khuôn mARN tại các riboxom Quá trình này gồm 2 giai đoạn: hoạt hóa axit amin và tổng hợp chuỗi polypeptit
a Hoạt hóa axit amin
- Trong tế bào chất, nhờ enzym đặc hiệu (Aminoacyl-tRNA synthetase) và ATP, mỗi axit amin được hoạt hóa và gắn với tARN tương ứng tạo nên phức hợp axit amin – tARN (aa – tARN) Axit amin + tARN → aa – tARN
b Tổng hợp chuỗi polypeptit
Mở đầu:
- Tiểu phần bé của Riboxom gắn với mARN ở vị trí nhận biết đặc hiệu (gần mã mở đầu) và di chuyển đến bộ ba mở đầu AUG Aamở đầu = Met – tARN tiến vào bộ ba mở đầu, đối mã của nó là UAX khớp với mã mở đầu AUG, sau đó tiểu phần lớn của Riboxom gắn vào tạo nên Riboxom hoàn chỉnh
Kéo dài chuỗi polypeptit:
- Đầu tiên, aa1- tARN tiến vào Riboxom Đối mã của nó khớp với mã thứ 1, sau mã mở đầu trên mARN theo nguyên tắc bổ sung, liên kết peptit được hình thành giữa aamở đầu=Met và aa thứ 1 Riboxom dịch chuyển sang bộ ba thứ 2, tARN vận chuyển aa mở đầu được giải phóng
- Tiếp theo, aa2- tARN tiến vào Riboxom Đối mã của nó khớp với mã thứ 2, hình thành liên kết peptit giữa aa1 và aa2 Riboxom dịch chuyển sang bộ ba thứ 3, tARN vận chuyển aa1 được giải phóng Riboxom giữ vai trò như một khung đỡ mARN và phức hợp aa – tARN
- Quá trình cứ tiếp diễn cho đến khi Riboxom dịch chuyển đến mã kết thúc trên mARN
Kết thúc:
- Khi Riboxom tiếp xúc với mã kết thúc trên mARN, quá trình dịch mã dừng lại
- Nhờ enzym đặc hiệu, aa mở đầu (Met) được cắt khỏi chuỗi polypeptit vừa tổng hợp, Chuỗi polypeptit tiếp tục hình thành các bậc cấu trúc cao hơn, tạo ra protein có hoạt tính sinh học
* Trong quá trình dịch mã, mARN thường không gắn với từng Riboxom riêng rẽ mà đồng thời gắn với một nhóm Riboxom gọi là Polyxom, giúp tăng hiệu suất tổng hợp protein
Các công thức cơ bản
tự sao AND sao mã ARN giải mã Protein Tính trạng
Trang 6- Phân tử Prôtêin cấu tạo từ 20 loại đơn phân axit amin Mỗi loại axit amin có kích thước trung bình là 3 A0 và 110 đvC.
- Phân tử Protein có cấu trúc bậc 1 là một mạch pôlipeptit gồm hàng trăm axit amin, đứng ở đầu mạch là nhóm –NH2, và cuối mạch là nhóm –COOH
- Qui ước: Số lượng axit amin của một phân tử protein : SLaa
Chiều dài của phân tử protein : Lp= SLaa x 3A0
Khối lượng của phân tử protein : MP = SLaa x 110 đvC
Cấu tạo mỗi axit amin và chuỗi polipeptit:
- Cấu tạo mỗi axit amin gồm 3 thành phần: Nhóm amin (-NH2), nhóm cacboxyl (-COOH) và gốc hoá học (-R)
-Cấu tạo một mạch polipeptit là do các axit amin liên kết với nhau bằng các liên kết peptit tạo thành do nhóm –COOH liên kết với nhóm –NH2 giữa 2 axit amin kế tiếp với nhau và giải phóng
1 phân tử H2O
Quá trình tổng hợp protein (dịch mã)
a Xác định số lượng axit amin của một phân tử prôtêin (SLaa)
- Riboxom chuyển dịch trên mARN mỗi bước là một bộ ba rN (độ dài 10,2 A0) thì tổng hợp được 1 axit amin
- Phân tử có 1 bộ ba kết thúc không tổng hợp axit amin (UAA, UAG, UGA)
- Một chuỗi polipeptit vừa mới tổng hợp xong (1) có chứa axit amin mở đầu là Metionin (AUG)
- Protein có chức năng hoàn chỉnh (2) không có axit amin mở đầu.
SLaa (1) = N6 −¿ 1 = NmARN3 −¿ 1; SLaa (2) = N6 −¿ 2 = NmARN3 −¿2
b Xác định số phân tử ARNm - Số riboxom trượt qua mỗi mARN - Số phân tử protein tổng hợp
- Số lượng axit amin môi trường tế bào cung cấp cho quá trình dịch mã (SlaaMT)
SLprotein = SL mARN x SL riboxom
Số liên kết peptit = H 2 O = SL aa – 1= N/6 - 2
Trang 7SLaaMT = SL aa (1) x SL protein = (N/6 -1) x SL protein
c Xác định số lượng phân tửt ARN - Số lượng từng loại rN trong các bộ ba đối mã trên các tARN = SlaaMT
Khoảng cách riboxom trên mARN - Số Ri trượt qua mỗi mARN
- Khoảng cách đều giữa các Ri là k, với đơn vị là Å(tính theo chiều dài) hoặc là s (tính theo thời
gian)
- Khoảng cách tử Ri1 đến Ri cuối cùng là K, với đơn vị là Å hoặc s
Thời gian tổng hợp prôtêin
- t: thời gian một Ri trượt hết chiều dài ptử mARN = thời gian tổng hợp 1 phân tử prôtêin (s)
- V: vận tốc Ri trượt trên mARN (A 0 /s)
- T: thời gian quá trình tổng hợp prôtêin trên 1 mARN = thời gian Ri cuối cùng trượt hết mARN
I CÁC CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM LÍ THUYẾT
Câu 136 Protein là thành phần tham gia cấu trúc của:
A Tế bào chất; B NST;
C Màng sinh chất và màng nhân; D A, B và C đều đúng
Câu 137 Chức năng nào sau đây không phải là của protein?
A.Thành phần cấu trúc của hoocmon điều hoà quá trình trao đổi chất trong cơ thể
B.Thành phần cấu tạo của màng tế bào
C Có khả năng tự nhân đôi để duy trì tính ổn định của protein
D Enzim xúc tác cho các phản ứng sinh hoá trong tế bào
Câu 138 Đơn vị cấu trúc cơ bản của phân tử của chuỗi polipeptit là gì?
lượt dịch mã của các tARN (Slaatb) tARN = Số lượt dịch mã của mỗi tARN
số lượt dịch mã của mỗi tARN
K = k (SL Ri – 1)
t = LmARN / V
T = t + K
T = t + (SLRi – 1).k
Trang 8A Nucleotit B Ribonucleotit C Axit amin D Axit glutamic
Câu 139 Đặc điểm cấu trúc cơ bản của một axit amin là:
A.H3PO4, nhóm -COOH và một trong bốn loại bazo nitơ A, T, G, X
B.H3PO4, đường C5H10O4 và bazo nitric
C Nhóm -NH2, nhóm -COOH, bazo nitric
D Nhóm -NH2 , nhóm -COOH; gốc R đặc trưng cho từng loại axit amin
Câu 140 Các loại protein khác nhau được phân biệt bởi?
A.Số lượng, thành phần, trật tự sắp xếp của các axit amin và cấỉ trúc không gian của phân tử protein
B.Cấu trúc không gian của phân tử protein
C.C Do các gốc R trong cấu trýc của axit amin
D Số lượng và trật tự sắp xếp các axit amin
Câu 141 Sự đa dạng và tính đặc thù của phân tử protein được quyết định bởi?
A.Cấu trúc không gian của phân tử prôtêin
B.Số lượng, thành phần, trật tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi polipeptit
C Do các gốc R trong cấu trúc của axit amin
D Số lượng và trật tự sắp xếp các axit amin
Câu 142 Liên kết hoá học chỉ có trong cấu trúc bậc 1 của protein là:
A Liên kết tính điện B Liên kết hydro
C Liên kết hoá trị D Liên kết peptit
Câu 143 Liên kết giữa nhóm -NH2 của axit amin này với nhóm - COOH của axit amin kế tiếp cùng loại đi một phân tử nước là liên kết:
A.Liên kết cộng hoá trị B.Liên kết hydro
C.Liên kết peptit D.Liên ion
Câu 144 Bộ ba mã hoá cho axit amin Metionin là bộ ba :
A UGA B AUG C UGA D.UAA
Câu 145 Ở tế bào của sinh vật nhân thực, axit amin đầu tiên được đưa đến riboxom trong quá trình giải mã là:
A Alanin B Triptophan C Metionin D Foocmin metionin Câu 146 Quá trình giải mã sẽ kết thúc khi:
A Môi trường nội bào không còn axit amin
B Riboxom trở lại dạng tự do với 2 tiểu phần
C Riboxom trượt đến mã bộ ba AUG
D Riboxom tiếp xúc với 1 trong 3 mã bộ ba UAA, UAG, UGA
Câu 147 Sự điều hoà quá trình sinh tổng hợp prôtêin nhằm mục đích:
A Điều chỉnh hàm lượng protein cho phù hợp với nhu cầu của tế bào
Trang 9B Tùy theo từng gia đoạn phát triển trong những điều kiện môi trường cụ thể mà gen có sự điều chỉnh nhằm tạo sự cân đối và nhịp nhàng
C Tham gia vào sự biệt hoá tế bào và phân hoá chức năng trong cơ thể đa bào.
D Câu A, B, C đều đúng
Câu 148 Cấu tạo opêron Lac theo Jaccop và Mônô gồm các thành phần:
A Vùng vận hành và một nhóm gen cấu trúc
B Vùng khởi động, vùng vận hành và một nhóm gen cấu trúc
C Vùng khởi động và một nhóm gen cấu trúc liên quan nhau
D Vùng khởi động, vùng điều hoà, vùng vận hành và một nhóm gen
Câu 149 Trật tự các thành phần cấu trúc opêron tham gia cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ như sau?
A Vùng điều hòa → vùng khởi động → vùng vận hành → gen cấu trúc.
B Vùng khởi động → vùng điều hòa → vùng vận hành → gen cấu trúc.
C Vùng vận hành → vùng khởi động → nhóm gen cấu trúc.
D Vùng khởi động → vùng vận hành → nhóm gen cấu trúc
Câu 150 Cơ chế điều hoà hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn so với sinh vật nhân sơ là do
A.Do hoạt động sống phức tạp của tế bào
B.Do cơ chế tái bản ADN
C Do cơ chế sao mã diễn ra trong nhân còn giải mã diễn ra ở tế bào
D Do cấu trúc phức tạp của ADN trong nhiễm sắc thể
Câu 151 Điều hoà hoạt động của gen chính là?
A.Điều hoà quá trình tái bản của ADN
B.Điều hoà sự phiên mã và dịch mã
C.Điều hoà sự dịch mã
D Tất cả đều đúng
Câu 152 Cơ chế điều hoà hoạt động các gen được phát hiện bởi:
A Watson và F.Crick B Moocgan
D.Jaccop và Mônô D.Fleeming
Câu 153 Cơ chế điều hoà hoạt động các gen được Jaccöp và Mônô phát hiện trên đối tượng nào?
A Đậu Hàlan; B Ruồi giấm;
C Vi khuẩn E.coli; D.Cừu Đôli
Câu 154 Cơ chế điều hoà hoạt động các gen được Jaccöp và Mônô phát hiện trên vi khuẩn E.coli vào năm nào?
A 1953 B 1961 c 1958 D 1971
Câu 155 Cơ chế điều hoà hoạt động đối với opêron Lac ở E.coli dựa vào tương tác của các yếu
tố nào?
A.Dựa vào tương tác của chất ức chế với nhóm gen cấu trúc;
Trang 10B.Dựa vào tương tác của chất ức chế với gen điều hoà (R);
C.Dựa vào tương tác của chất ức chê với vùng khởi đầu (P);
D.Dựa vào tương tác của chất ức chế với vùng vận hành (O)
Câu 156 Trong cơ chế điều hoà hoạt động sinh tổng hợp prôtêin của opêron Lac ở vi khuẩn
E.coli, chất cảm ứng có vai trò gì?
A.Tăng cường tính ức chế, ngăn cản sự hoạt động của vùng vận hành;
B.Kích thích gen cấu trúc tiến hành hoạt động phiên mã;
C Ức chế gen điều hoà, ngăn cản sự tổng hợp prôtêin ức chế;
D Vô hiệu hoá prôtêin ức chế, giải phóng vùng vận hành
Câu 157 Trong cơ chế điều hoà hoạt động sinh tổng hợp prôtêin của opêron Lac ở vi khuẩn E.coli, chất ức chế có vai trò gì?
A.Ức chế hoạt động phiên mã của các gen cấu trúc
B.Kích thích gen cấu trúc tiến hành hoạt động phiên mã
C.Vô hiệu hóa protein ức chế, giải phóng vùng vận hành
D.Gắn vào vùng vận hành để cản trở sự phiên mã
Câu 158 Vai trò của gen điều hòa là :
A Tổng hợp protein cảm ứng gắn vào vùng vận hành
B Tổng hợp protein ức chế gắn vào cùng vận hành
C Tổng hợp protein ức chế gắn vào vùng khởi động
D Tổng hợp protein ức chế gắn vào gen cấu trúc
Câu 159 Vai trò của các gen tăng cường là :
A Tác động lên các gen cấu trúc làm tăng sự dịch mã
B Tác động lên các gen cấu trúc làm giảm sự phiên mã
C Tác động lên gen điều hòa làm tăng quá trình dịch mã
D Tác động lên gen điều hòa làm tăng quá trình phiên mã
Câu 160 Vai trò của các gen gây bất hoạt là :
A Tác động lên gen cấu trúc làm ngừng sự dịch mã
B Tác động lên gen cấu trúc làm tăng sự dịch mã
C Tác động lên gen điều hòa làm ngừng quá trình dịch mã
D Tác động lên gen điều hòa làm ngừng quá trình phiên mã
II BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM
Câu 161 Khối lượng phân tử của một phân tử ADN bằng bao nhiêu, biết rằng để tổng hợp 10 phân tử protein do ADN quy định, đã cần môi trường cung cấp 2090 axit amin?
A 6479200đvC B 378000đvC C 756000đvC D 1436400đvC
Đáp án : Số lượng aa có trong phân tử protein là : 2090: 10 = 209 (aa)