BÀI GIẢNG HÓA SINh PROTEIN

Nội dung Aminoacid Liên kết peptide Vai trò của các liên kết yếu Cấu trúc bậc I Cấu trúc bậc II Cấu trúc bậc III Cấu trúc bậc IV Chức năng của protein Câu hỏi ôn tậpTài liệu tham khảoPhạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, (2009). Hóa sinhhọc. NXB Giáo Dục.Nelson DL., Cox M.M., (2008). Lehninger Principles ofBiochemistry. Worth Publishers, New York.Garrett and Grisham. Biochemistry, 4th edition, 2010.Saunders College Publishers.Freeman. Biological Science, 2nd edition, 2004.Prentice Hall Publishers.Nguyễn Quang Vinh, Bùi Phương Thuận, Phan TuấnNghĩa, (2004). Thực tập Hóa sin học. NXB ĐHQGHN.

Hóa Sinh Học

Nội dung:

Mở đầu Chương 1: Protein

Chương 2: Các PP phân tích trong thực tập hóa sinh học Chương 3: Enzyme

Chương 10: Trao đổi lipid

Chương 11: Trao đổi acid nucleic

Chương 12: Trao đổi protein

Nội dung:

Mở đầu Chương 1: Protein

Chương 2: Các PP phân tích trong thực tập hóa sinh học Chương 3: Enzyme

Chương 10: Trao đổi lipid

Chương 11: Trao đổi acid nucleic

Chương 12: Trao đổi protein

Tài liệu tham khảo

Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, (2009) Hóa sinhhọc NXB Giáo Dục

Nelson DL., Cox M.M., (2008) Lehninger Principles ofBiochemistry Worth Publishers, New York

Garrett and Grisham Biochemistry, 4th edition, 2010.Saunders College Publishers

Freeman Biological Science, 2nd edition, 2004

Prentice Hall Publishers

Nguyễn Quang Vinh, Bùi Phương Thuận, Phan TuấnNghĩa, (2004) Thực tập Hóa sin học NXB ĐHQGHN

Tài liệu tham khảo

Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, (2009) Hóa sinhhọc NXB Giáo Dục

Nelson DL., Cox M.M., (2008) Lehninger Principles ofBiochemistry Worth Publishers, New York

Garrett and Grisham Biochemistry, 4th edition, 2010.Saunders College Publishers

Freeman Biological Science, 2nd edition, 2004

Prentice Hall Publishers

Nguyễn Quang Vinh, Bùi Phương Thuận, Phan TuấnNghĩa, (2004) Thực tập Hóa sin học NXB ĐHQGHN

 Lịch sử: thế kỉ XIX

 Đối tượng: sinh vật sống (động vật, thực vật, vi sinh vật…).

Trên mỗi đối tượng, hoá sinh nghiên cứu song song hai mặt

“tĩnh“ và “động".

 Nhiệm vụ của hoá sinh: Mô tả và giải thích ở mức độ phân tử

tất cả các tiến trình hóa học xảy ra trong các tế bào sống.

 Tách riêng biệt tất cả các phân tử có trong tế bào.

 Xác định cấu trúc của các phân tử này.

 Xác định chức năng của từng phân tử.

 Lịch sử: thế kỉ XIX

 Đối tượng: sinh vật sống (động vật, thực vật, vi sinh vật…).

Trên mỗi đối tượng, hoá sinh nghiên cứu song song hai mặt

“tĩnh“ và “động".

 Nhiệm vụ của hoá sinh: Mô tả và giải thích ở mức độ phân tử

tất cả các tiến trình hóa học xảy ra trong các tế bào sống.

 Tách riêng biệt tất cả các phân tử có trong tế bào.

 Xác định cấu trúc của các phân tử này.

 Xác định chức năng của từng phân tử.

Định nghĩa

 Hóa sinh học: là môn học nghiên cứu về những

cơ sở hóa học của sự sống (cổ điển).

 Hóa sinh học: là môn học nghiên cứu về thành

phần hóa học của các tế bào cơ thể sống, cùng với các phản ứng và các quá trình mà chúng trải qua.

 Mối liên quan giữa quá trình hoá học và sinh

vật học.

 Mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng sống

của các cơ quan trong cơ thể.

 Cơ chế điều hoà toàn bộ quá trình sống.

 Hóa sinh học: là môn học nghiên cứu về những

cơ sở hóa học của sự sống (cổ điển).

 Hóa sinh học: là môn học nghiên cứu về thành

phần hóa học của các tế bào cơ thể sống, cùng với các phản ứng và các quá trình mà chúng trải qua.

 Mối liên quan giữa quá trình hoá học và sinh

vật học.

 Mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng sống

của các cơ quan trong cơ thể.

 Cơ chế điều hoà toàn bộ quá trình sống.

 Kiến thức hóa sinh cần thiết cho tất cả các ngành khoa học

về sự sống:

 Vi sinh vật học, động vật học, thực vật học: sử dụng kiến thức

hóa sinh cho sự giải thích hầu hết tất cả các vất đề liên quan

 Di truyền: DNA, RNA

 Sinh lý học: nghiên cứu chức năng của cơ thể

 Miễn dịch học: sử dụng nhiều kỹ thuật của hóa sinh

 Dược học và dược lực học: dựa trên cơ sở lý thuyết về hóa

sinh học và sinh lý học Hầu hết các dược phẩm đều đượcchuyển hóa bằng các phản ứng xúc tác bởi enzym

 Bệnh lý học: sử dụng kiến thức hóa sinh để nghiên cứu các

khía cạnh căn bản của các loại bệnh

 Kiến thức hóa sinh cần thiết cho tất cả các ngành khoa học

về sự sống:

 Vi sinh vật học, động vật học, thực vật học: sử dụng kiến thức

hóa sinh cho sự giải thích hầu hết tất cả các vất đề liên quan

 Di truyền: DNA, RNA

 Sinh lý học: nghiên cứu chức năng của cơ thể

 Miễn dịch học: sử dụng nhiều kỹ thuật của hóa sinh

 Dược học và dược lực học: dựa trên cơ sở lý thuyết về hóa

sinh học và sinh lý học Hầu hết các dược phẩm đều đượcchuyển hóa bằng các phản ứng xúc tác bởi enzym

 Bệnh lý học: sử dụng kiến thức hóa sinh để nghiên cứu các

khía cạnh căn bản của các loại bệnh

Chương I: Protein

 Chức năng của protein

 Câu hỏi ôn tập

 Chức năng của protein

 Câu hỏi ôn tập

Aminoacid

Aminoacid - thành phần

cấu tạo của protein

α

Phân loại aminoacid

Aminoacid trung tính

Các aminoacid có tính acid

Các aminoacid có tính kiềm

Aminoacid mạch thẳng chứa lưu huỳnh

Các hydroxyl aminoacid mạch thẳng

Iminoaccid

Các aminoacid chức nhân thơm

Một số tính chất của aminoacid

 Tính tan

 dễ tan trong nước

 khó tan trong alcohol và ether (trừ proline và

hydroxyproline)

 dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ tyrosine)

 Biểu hiện tính quang học

 biểu hiện hoạt tính quang học (trừ glycine)

 hầu hết hấp thụ tia cực tím ở khoảng 220-280 nm

 Tính lưỡng tính

 Tính tan

 dễ tan trong nước

 khó tan trong alcohol và ether (trừ proline và

hydroxyproline)

 dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ tyrosine)

 Biểu hiện tính quang học

 biểu hiện hoạt tính quang học (trừ glycine)

 hầu hết hấp thụ tia cực tím ở khoảng 220-280 nm

 Tính lưỡng tính

 Điểm đẳng điện và sự ion hóa aminoacid

Một số tính chất của aminoacid

pH < pI pH = pI pH > pI

Một số tính chất của aminoacid

 Tính chất lưỡng tính

 Aminoacid là những chất đệm tốt

 Tuỳ theo pH của dung dịch mà aminoacid thể

hiện tính kiềm hoặc tính acid

 Ở điểm đẳng điện pI (isoelectric point) phân tử

aminoacid trung hoà về điện, không dịchchuyển trong điện trường, độ hòa tan trongnước kém nhất

 Dựa vào tính chất này để định tính và định

lượng các aminoacid trong dung dịch nghiêncứu bằng phương pháp điện di, sắc ký

 Tính chất lưỡng tính

 Aminoacid là những chất đệm tốt

 Tuỳ theo pH của dung dịch mà aminoacid thể

hiện tính kiềm hoặc tính acid

 Ở điểm đẳng điện pI (isoelectric point) phân tử

aminoacid trung hoà về điện, không dịchchuyển trong điện trường, độ hòa tan trongnước kém nhất

 Dựa vào tính chất này để định tính và định

lượng các aminoacid trong dung dịch nghiêncứu bằng phương pháp điện di, sắc ký

 Phản ứng tạo muối (acid, base)

Phản ứng tạo muối (acid, base)

Phản ứng tạo phức chelate

Phản ứng tạo phức ester

Phản ứng oxy hoá khử

Cysteine và cystine đóng vai trò quan trọng trongviệc vận chuyển e- và H+ của quá trình oxy hoákhử nói riêng và quá trình trao đổi chất nói chung

Phản ứng tạo amide (do nhóm -COOH)

Phản ứng khử amine hoá bởi HNO 2 (do nhóm -NH2)

Phản ứng đặc trưng của vòng thơm

 nitro hoá

 halogen hoá

 một số phản ứng đặc trưng của

aminoacid: phản ứng với aldehyd

formic, với ninhydrin

 nitro hoá

 halogen hoá

 một số phản ứng đặc trưng của

aminoacid: phản ứng với aldehyd

formic, với ninhydrin

Liên kết peptide

 Peptide có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vài

chục amino acid nối với nhau

 Có khối lượng phân tử thường dưới 6.000 Dalton

 Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được

hình thành do sự thoái hoá protein

 Trong các peptide, các amino acid được liên kết với nhau

thông qua liên kết peptide

 Peptide có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vài

chục amino acid nối với nhau

 Có khối lượng phân tử thường dưới 6.000 Dalton

 Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được

hình thành do sự thoái hoá protein

 Trong các peptide, các amino acid được liên kết với nhau

thông qua liên kết peptide

amino acid

amino

group

amino group

carboxylic acid

group

amino acid peptide water

peptide bond

R O

N N

N

R

C C C C O

O

R

C C N

O

O R

C C

Liên kết peptide

Đặc tính của liên kết peptide

 Liên kết peptide là một liên kết lai giữa liên

kết đơn và một liên kết đôi

 Hoạt tính kém hơn so với liên kết đơn

 Cấu trúc tương đối cứng và gần như phẳng

 Mô-men lưỡng cực lớn, phù hợp với sự hình

thành cấu trúc dạng trans

 Liên kết peptide là một liên kết lai giữa liên

kết đơn và một liên kết đôi

 Hoạt tính kém hơn so với liên kết đơn

 Cấu trúc tương đối cứng và gần như phẳng

 Mô-men lưỡng cực lớn, phù hợp với sự hình

thành cấu trúc dạng trans

Liên kếp peptide: Cis - Trans

Hầu hết các aminoacid đều ở dạng cấu hình trans

Cấu trúc phẳng của nhóm peptide

Oxygen của nhóm carbonyl một

phần mang điện âm và nitrogen

của nhóm amide một phần

mang điện dương, hình thành

m ộ t l ư ỡ n g c ự c đ i ệ n n h ỏ

 Sự quay xung quang liên kết peptide là không

được phép

 Sự quay quanh nối liên kết với carbon alpha thì

được phép

 φ (phi): góc quay quanh liên kết giữa carbon

alpha và nitrogen của nhóm amide

 ψ (psi): góc quay quanh liên kết giữa carbon

alpha và carbon của nhóm carbonyl

 Chuỗi polypeptide được duỗi hoàn toàn khi cả ψ

 φ (phi): góc quay quanh liên kết giữa carbon

alpha và nitrogen của nhóm amide

 ψ (psi): góc quay quanh liên kết giữa carbon

alpha và carbon của nhóm carbonyl

 Chuỗi polypeptide được duỗi hoàn toàn khi cả ψ

và φ đều bằng 180°

Các góc nhị diện fvà y

Các góc nhị diện fvà y

- Cho biết các thành phần cấu trúc bậc II thông dụng

- Chỉ ra các vùng mà cấu trúc khung sườn không

- Cho biết các thành phần cấu trúc bậc II thông dụng

- Chỉ ra các vùng mà cấu trúc khung sườn không

thường gặp

Biểu đồ Ramachandran

Xoắn trái anpha

Phiến

beta

Xoắn phải anpha

Biểu đồ Ramachandran

 Tính toán các góc phi/psi cho phép dựa trên mô hình

 Mô hình xây dựng cho bộ ba peptide

 Xem các nguyên tử là các quả cầu

 Các góc cho phép phụ thuộc một phần vào khoảng

cách giới hạn giữa các nguyên tử Chẳng hạn khoảng cách giữa H-H bằng 2 angstrom, giữa C-C bằng 3

angstrom

 Khoảng cách giới hạn giữa các nguyên tử càng nhỏ

thì vùng góc cho phép càng rộng

 Trong thực tế, protein có mạch polypeptide rất dài

và vì vậy vùng góc quay cho phép cũng bị giới hạn nhiều hơn

 Tính toán các góc phi/psi cho phép dựa trên mô hình

 Mô hình xây dựng cho bộ ba peptide

 Xem các nguyên tử là các quả cầu

 Các góc cho phép phụ thuộc một phần vào khoảng

cách giới hạn giữa các nguyên tử Chẳng hạn khoảng cách giữa H-H bằng 2 angstrom, giữa C-C bằng 3

angstrom

 Khoảng cách giới hạn giữa các nguyên tử càng nhỏ

thì vùng góc cho phép càng rộng

 Trong thực tế, protein có mạch polypeptide rất dài

và vì vậy vùng góc quay cho phép cũng bị giới hạn nhiều hơn

Vai trò của các liên kết yếu

Các lực yếu và vai trò của chúng trong sự hình thành cấu trúc protein

 Liên kết hydrogen: 12-30 kJ/mol

 Lực van der Waals: 0.4 - 4 kJ/mol

 Tương tác tĩnh điện: 20 kJ/mol

 Tương tác kỵ nước: <40 kJ/mol

 Liên kết hydrogen: 12-30 kJ/mol

 Lực van der Waals: 0.4 - 4 kJ/mol

 Tương tác tĩnh điện: 20 kJ/mol

 Tương tác kỵ nước: <40 kJ/mol

Liên kết hydrogen

Liên kết hydrogen

Liên kết hydrogen

Liên kết hydrogen giữa các phân tử H2O

hydrogen bonds

Tương tác kỵ nước

 Trong dung dịch, các phân tử nước luôn đẩy

các nhóm không phân cực ra xa hay là hiện tượng các nhóm không phân cực luôn tự sắp xếp sao cho chúng không tiếp xúc với các

phân tử nước.

 Các tương tác kị nước có ý nghĩa quan trong

việc duy trì tính định hình của các phân tử

protein.

 Những tương tác này chiếm khoảng 1/2 tổng

năng lượng tự do của quá trình đóng gói các protein.

 Trong dung dịch, các phân tử nước luôn đẩy

các nhóm không phân cực ra xa hay là hiện tượng các nhóm không phân cực luôn tự sắp xếp sao cho chúng không tiếp xúc với các

phân tử nước.

 Các tương tác kị nước có ý nghĩa quan trong

việc duy trì tính định hình của các phân tử

protein.

 Những tương tác này chiếm khoảng 1/2 tổng

năng lượng tự do của quá trình đóng gói các protein.

Tương tác kỵ nước

Lực van der Waals

 Lực Van der Wals gồm lực hút và lực đẩy.

 Lực hút Van der Waals gồm:

 Lực định hướng: Các phân tử phân cực hút lẫn nhau

bằng các lực ngược dấu của lưỡng cực phân tử Nhờ vậy mà phân tử này định hướng lại với phân tử kia theo một trật tự xác định.

 Lực cảm ứng: Khi phân tử không phân cực tiến gần

phân tử phân cực thì dưới ảnh hưởng của điện trường gây ra bởi lưỡng cực, các phân tử không phân cực bị cảm ứng điện và xuất hiện lưỡng cực cảm ứng.

 Lực khuyếch tán (phân tán london): Là lực hút xuất

hiện nhờ các lưỡng cực tạm thời trong phân tử.

 Lực Van der Wals gồm lực hút và lực đẩy.

 Lực hút Van der Waals gồm:

 Lực định hướng: Các phân tử phân cực hút lẫn nhau

bằng các lực ngược dấu của lưỡng cực phân tử Nhờ vậy mà phân tử này định hướng lại với phân tử kia theo một trật tự xác định.

 Lực cảm ứng: Khi phân tử không phân cực tiến gần

phân tử phân cực thì dưới ảnh hưởng của điện trường gây ra bởi lưỡng cực, các phân tử không phân cực bị cảm ứng điện và xuất hiện lưỡng cực cảm ứng.

 Lực khuyếch tán (phân tán london): Là lực hút xuất

hiện nhờ các lưỡng cực tạm thời trong phân tử.

Lực khuếch tán (lực phân tán london)

 Trong phân tử, các điện tử luôn ở trạng thái

chuyển động liên tục và các hạt nhân nguyên tử luôndao động quanh vị trí cân bằng

 Do vậy sự phân bố điện tích âm và dương thườngxuyên bị lệch khỏi vị trí cân bằng, làm xuất hiện

những lưỡng cực tạm thời trong phân tử

 Lưỡng cực tạm thời luôn xuất hiện, triệt tiêu, đổidấu và có tác dụng cảm ứng đối với phân tử bêncạnh

 Do đó các phân tử không phân cực cũng có thể

hút lẫn nhau nhờ lưỡng cực tạm thời này

 Trong phân tử, các điện tử luôn ở trạng thái

chuyển động liên tục và các hạt nhân nguyên tử luôndao động quanh vị trí cân bằng

 Do vậy sự phân bố điện tích âm và dương thườngxuyên bị lệch khỏi vị trí cân bằng, làm xuất hiện

những lưỡng cực tạm thời trong phân tử

 Lưỡng cực tạm thời luôn xuất hiện, triệt tiêu, đổidấu và có tác dụng cảm ứng đối với phân tử bêncạnh

 Do đó các phân tử không phân cực cũng có thể

hút lẫn nhau nhờ lưỡng cực tạm thời này

Tương tác tĩnh điện

Cấu trúc bậc I

Cấu trúc của protein

 Phân tử protein hình thành cấu trúc

không gian 3-D ở trong dung dịch nước

 Cấu trúc như vậy làm cho protein có các

chức năng sinh học đặc biệt

 Phân tử protein hình thành cấu trúc

không gian 3-D ở trong dung dịch nước

 Cấu trúc như vậy làm cho protein có các

chức năng sinh học đặc biệt

Cấu trúc của protein

 Biểu thị trình tự các gốc aminoacid

trong chuỗi polypeptide

 Được giữ vững bằng liên kết peptide

 Biểu thị trình tự các gốc aminoacid

trong chuỗi polypeptide

 Được giữ vững bằng liên kết peptide

Cấu trúc của protein

Trình tự aminoacid

của ribonuclease A

Ý nghĩa cấu trúc bậc I của protein

 Là bước quan trọng đầu tiên để xác định

cơ sở phân tử hoạt tính sinh học, tính

chất hoá, lý của protein.

 Là cơ sở xác định cấu trúc không gian

của phân tử protein.

 Là bản phiên dịch mã di truyền Phần

nào cho thấy mối quan hệ họ hàng và

lịch sử tiên hoá của thế giới sinh vật.

 Là bước quan trọng đầu tiên để xác định

cơ sở phân tử hoạt tính sinh học, tính

chất hoá, lý của protein.

 Là cơ sở xác định cấu trúc không gian

của phân tử protein.

 Là bản phiên dịch mã di truyền Phần

nào cho thấy mối quan hệ họ hàng và

lịch sử tiên hoá của thế giới sinh vật.

 Là yếu tố quan trọng góp phần trong

nghiên cứu bệnh lý phân tử (khi thay đổi

thứ tự aminoacid)

 Là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng

phương pháp hoá học hoặc bằng phương

pháp công nghệ sinh học

 Insulin là protein đầu tiên được tổng hợp bằng

phương pháp hoá học vào năm 1966

 Đến nay rất nhiều protein đã được xác định cấu

trúc bậc I

Ý nghĩa cấu trúc bậc I của protein

 Là yếu tố quan trọng góp phần trong

nghiên cứu bệnh lý phân tử (khi thay đổi

thứ tự aminoacid)

 Là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng

phương pháp hoá học hoặc bằng phương

pháp công nghệ sinh học

 Insulin là protein đầu tiên được tổng hợp bằng

phương pháp hoá học vào năm 1966

 Đến nay rất nhiều protein đã được xác định cấu

trúc bậc I