Chứng minh protein là nền tảng của sự sống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN TIỂU LUẬN: CHỨNG MINH PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Người thực hiện: Phạm Hữu Trí Buôn Ma Thuột, 2010 MỤC LỤC PHỤ LỤC HÌNH ẢNH LỜI CAM ĐOAN TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG I CHƯƠNG II I AXIT NUCLEIC II CẤU TRÚC CỦA PROTEIN HÌNH 1: CẤU TẠO ALANIN HÌNH 2: HÌNH DẠNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA PROTEIN 2.1 Cấu trúc bậc protein HÌNH 3: SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT PEPTIT HÌNH 4: CẤU TRÚC BẬC MỘT CỦA PROTEIN 2.2 Cấu trúc bậc hai protein HÌNH 5: CẤU TRÚC XOẮN Α HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Β HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Α VÀ Β 10 2.3 Cấu trúc bậc ba protein 10 HÌNH 7: CẤU TRÚC BẬC PROTEIN 11 a Liên kết disulfid 11 b Các liên kết yếu 12 2.4 Đô men cấu trúc (structural domain) 13 2.5 Cấu trúc bậc bốn protein 14 III CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 18 3.1 Chức tạo hình 18 3.2 Protein có chức xúc tác sinh học 18 HÌNH 8: MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG XÚC TÁC 18 3.3 Protein có tác dụng điều hòa chuyển hóa 19 HÌNH 9: PHẢN ỨNG ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA 19 3.4 Protein có chức vận chuyển chất 20 HÌNH 10: CẤU TRÚC HEMOGLOBIN 20 3.5 Protein có vai trò việc co duỗi, vận động 20 HÌNH 11: CẤU TRÚC SỢI ACTIN 21 3.6 Protein có chức bảo vệ 21 HÌNH 12: GLOBULIN MIỄN DỊCH G .21 3.7 Dẫn truyền thông tin 22 3.8 Cung cấp lượng dự trữ 22 HÌNH 11: CẤU TRÚC ALBUMIN 22 PHỤ LỤC HÌNH ẢNH PHỤ LỤC HÌNH ẢNH LỜI CAM ĐOAN TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG I CHƯƠNG II I AXIT NUCLEIC II CẤU TRÚC CỦA PROTEIN HÌNH 1: CẤU TẠO ALANIN HÌNH 2: HÌNH DẠNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA PROTEIN 2.1 Cấu trúc bậc protein HÌNH 3: SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT PEPTIT HÌNH 4: CẤU TRÚC BẬC MỘT CỦA PROTEIN 2.2 Cấu trúc bậc hai protein HÌNH 5: CẤU TRÚC XOẮN Α HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Β HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Α VÀ Β 10 2.3 Cấu trúc bậc ba protein 10 HÌNH 7: CẤU TRÚC BẬC PROTEIN 11 a Liên kết disulfid 11 b Các liên kết yếu 12 2.4 Đô men cấu trúc (structural domain) 13 2.5 Cấu trúc bậc bốn protein 14 III CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 18 3.1 Chức tạo hình 18 3.2 Protein có chức xúc tác sinh học 18 HÌNH 8: MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG XÚC TÁC 18 3.3 Protein có tác dụng điều hòa chuyển hóa 19 HÌNH 9: PHẢN ỨNG ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA 19 3.4 Protein có chức vận chuyển chất 20 HÌNH 10: CẤU TRÚC HEMOGLOBIN 20 3.5 Protein có vai trò việc co duỗi, vận động 20 HÌNH 11: CẤU TRÚC SỢI ACTIN 21 3.6 Protein có chức bảo vệ 21 HÌNH 12: GLOBULIN MIỄN DỊCH G .21 3.7 Dẫn truyền thông tin 22 3.8 Cung cấp lượng dự trữ 22 HÌNH 11: CẤU TRÚC ALBUMIN 22 LỜI CAM ĐOAN Đây Tiểu luận tôi, cam đoan nội dung trình bày Tiểu luận kiến thức mà học từ Đại học, Cao học gần tài liệu tham khảo Chắc chắn nội dung Tiểu luận chưa phong phú, đầy đủ nhiều thiếu sót Vì mong nhận ý kiến đóng góp quý Thầy, Cô, bạn bè đồng nghiệp độc giả để tiểu luận hoàn chỉnh Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên thực Phạm Hữu Trí TÀI LIỆU THAM KHẢO • HỒ huỳnh Thùy Dương, 1998 Sinh học phân tử, NXBGD, Hà Nội • PGS.TS Trần Quang Hân, Bài giảng Sinh học Phân tử, hệ Cao học • Nguyễn Hoàng Lộc, Trần thị Lệ, Hà Thị Minh Thi Giáo trinh sinh học phân tử • Lê Đức Trình, Sinh học phân tử tế bào NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001, 264tr CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨA Protein hợp chất đại phân tử, tạo thành từ nhiều đơn phân axit amin Axit amin cấu tạo thành phần: Một nhóm amin (- NH2), hai nhóm cacboxyl (-COOH) cuối nguyên tử cacbon trung tâm đính với nguyên tử hydro nhóm biến đổi R định tính chất axit amin Protein lớp chất bắt buộc phải có động vật có tỷ lệ ổn định Ví dụ gia súc non người hàm lượng protein khoảng 40 – 45% vật chất khô Protein lớp chất quan trọng sống, vật mang sống Protein có tất loại tế bào với hàm lượng khác Bảng 1.1 Hàm lượng protein số mô động thực vật: STT Mô Protein (% so với khối lượng vật chất khô) Gan 57 Xương 28 Cơ vân 80 Hạt lúa – 12 Hạt ngôn – 13 Đậu nành 29 – 50 Protein điển hình chứa 200 – 300 axit amin, số protein có số axit amin (protein lớn biết đến titin vân tim, chứa tới 26.926 axit amin chuỗi đơn) Đặc điểm lớn axit amin phân tử có chứa Nito (N), khối lượng phân tử lớn CHƯƠNG II PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Protein tảng sống thân có Axit Nucleic I AXIT NUCLEIC Axit Nucleic hợp chất tự nhiên cao phân tử mang mã di truyền thực mã di truyền sinh vật Hàm lượng Axit Nucleic tế bào cao, dao động khoảng – 15% vật chất khô Trong tế bào có hai loại Axit Nucleic: Axit ribonucleic (RNA) Axit desoxyribonucleic (DNA) Các đơn phân Axit nucleic nucleotit Mỗi nucleotit bao gồm hai thành phần: Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric Tùy theo trọng lượng phân tử Axit Nucleic mà chuỗi nucleotit dài ngắn khác Trong chuỗi nucleotit, nucleotit xếp theo trình tự định tạo nên đặc trưng sinh học Axit Nucleic, tức tạo nên gen di truyền Thứ tự nucleotit thường xét theo ba base Một codon đơn vị mã di truyền, có chức mã hóa cho axit amin Axit Nucleic thiết kế protein bảng thiết kế viết mã di truyền Thứ tự mã quy định thứ tự axit amin protein, định đặc trưng sinh học protein Mỗi Axit Nucleic trình hình thành hoạt động luôn trì vững vàng trình tự nucleotit Một rối loạn trình dẫn tới rối loạn tính di truyền, tức gây nên tượng biến dị II CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Thành phần nguyên tố protein (% theo trọng lượng): C: 50 – 54; O: 20 – 23; H: – 7; N: 15 – 18 (trung bình khoảng 16%); S: – 2,4 Trong số protein chứa P, Fe, I, Co, Zn số nguyên tố khác Hàm lượng nguyên tố thấp có ý nghĩa lớn sống Để tạo nên trạng thái sống nguyên tố trước hết liên kết với tạo nên axit amin (Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, Valine, Arginine, Histidine, Cysteine, Glutamine, Glycine, Proline, Serine, Tyrosine, Alanine, Glutamate, Asparagine, Aspartate) Axit amin đơn vị cấu tạo protein Axit amin dẫn xuất axit hữu mà phân tử nguyên tử hydro (đôi 2) gốc ankil đuợc thay gốc amin Công thức chung sau: R – CH – COOH NH2 m Có định nghĩa khác là: Axit amin gồm nguyên tử Cacbon α liên kết với: • Một nguyên tử Hydro • Một nhóm Amin • Một nhóm Carboxyl • Một 20 gốc R, 20 gốc R khác tạo nên 20 axit amin định tính chất đặt Hình 1: Cấu tạo Alanin trưng chúng Axit amin hình Alanin Axit amin monomer cấu tạo nên protein Trong tự nhiên có khoảng 250 axit amin protein thể sống chứa 20 axit amin gọi axit amin sinh protein (proteinogenic amino acid) Hình dạng đặc tính protein đuợc quy định trình tự số luợng axit amin protein -H+ R – CH – COOH + OHR – CH – COO R – CH – COO Xoắn α ổn định nhờ liên kết hydro Liên kết hình thành hai nguyên tử mang điện tích âm có khoảng cách – 3A0, nguyên tử hydro nằm hai nguyên tử Liên kết hydro để tạo xoắn α cấu trúc bậc protein tạo thành nhóm = C = O = N – H Lúc gốc amin = C = O = N – H nằm mặt phẳng Liên kết hydro yếu, lượng phá vỡ liên kết khoảng 0,7 – l,5Kcal/mol Song có số lượng lớn nên xoắn a bền ổn định Liên kết hydro giữ vị trí đặc biệt quan trọng tính động, linh hoạt phân tử sinh học, protein mô Hình 5: Cấu trúc xoắn α bào Cấu trúc gấp nếp β, khác với xoắn α chỗ dạng Chuỗi polypeptit gấp nếp β duỗi thẳng cuộn lại hình lò xo xoắn α Điều khác cấu trúc gấp nếp β ổn định liên kết hydro nhóm = C = O = N – H chuỗi polypeptit Hình 6: Cấu trúc xoắn β khác nhau, cấu trúc gấp nếp β thường đặc trưng cho nhiều protein dạng sợi Ví dụ colagen Hình 6: Cấu trúc xoắn α β Trong thể, xét cấu trúc bậc 2, protein chia làm loại: - Loại hoàn toàn cấu tạo từ xoắn α - Loại hoàn toàn cấu tạo từ gấp nếp β - Loại chứa xoắn a gấp nếp β 2.3 Cấu trúc bậc ba protein Là cấu hình không gian phức tạp chuỗi polypeptit gấp khúc, cuộn lại cấu trúc bậc tạo cho protein có hình thù định, đặc trưng cho loại protein hình thù đặc trưng định từ cấu trúc bậc Sự xếp gọn lại không gian phân tử protein có cấu trúc bậc giúp cho phân tử protein ổn định môi trường sống 10 Hình 7: Cấu trúc bậc protein Cấu trúc bậc tồn ổn định nhờ liên kết lực sau: a Liên kết disulfid Liên kết disulfid hình thành nhóm -SH (sulphydryl) gốc Cystein phân bố rải rác chuỗi peptit gần không gian HOOC-CH-CH2-SH NH2 HOOC-CH-CH2-S-S-H2C-CH-COOH NH2 NH2 Đây liên kết đồng hóa trị, bền chiếm số lượng không nhiều: Phân tử protein với khoảng 100 – 200 axit amin có khoảng – liên kết disulfid Ví dụ: Insulin hormon tuyến tụy tham gia điều hòa hàm lượng đường máu Khi thiếu insulin, hàm lượng đường máu tăng cao, dẫn tới bệnh đái đường Insulin cấu tạo từ chuỗi peptit: Chuỗi A gồm 21 axit amin, chuỗi B gồm 30 axit amin Hai chuỗi gắn với liên kết disulfid 11 b Các liên kết yếu - Liên kết hydro: Liên kết xuất nhóm mang điện tích âm có nguyên tử hydro - Liên kết ion: Liên kết hình thành ion trái dấu gốc axit amin nằm xa theo thứ tự chuỗi peptit, gần không gian cấu trúc bậc ba Ví dụ: Gốc axit glutamic chuỗi polypeptit có nhóm - COOH tự do, môi trường định thể nhóm phân ly thành – COO- Trong cấu trúc bậc 3, gốc nằm gần gốc NH2 tự do, nhóm NH2 có khả nhận H+ tạo thành NH3+ Do hai ion trái dấu hút Loại liên kết nằm rải rác phân tử có số gốc axit amin có nhóm - COOH -NH2 - Lực hấp dẫn Van der Vaals: Khi có chất nhóm hóa học nằm cạnh với khoảng cách – lần đường kính chúng có lực hấp dẫn lẫn - Lực liên kết nhóm kỵ nước: Những nhóm không phân cực (thành phần có C, H) Ví dụ: - CH2; - CH3 valin, leuxin, isoleuxin phenyl phenylanin nhóm không ưa nước (kỵ nước) không tích điện Nước tế bào đẩy chúng lại với tạo thành búi kỵ nước phân tử protein Loại lực chiếm 60% – 70% lực ổn định cấu trúc bậc nhiều phân tử protein dạng cầu Các liên kết yếu có ý nghĩa chúng có nhiều phân bố khắp nơi phân tử protein Nhờ liên kết (đặc biệt lực liên kết nhóm kỵ nước) mà cấu trúc bậc protein ổn định môi trường Tuy nhiên lượng liên kết liên kết nói yếu, cấu trúc bậc dễ bị biến đổi thay đổi yếu tố môi trường Các yếu tố nhiệt độ, độ pH tác động tới protein tức ảnh hưởng lên liên kết yếu Ví dụ: nhiệt độ tăng cao (> 5000C) làm protein bị biến tính (tức không trở lại trạng thái cũ protein Ví dụ: Việc luộc trứng) giảm thấp làm protein 12 ngừng hoạt động; pH môi trường thay đổi làm thay đổi độ điện ly - NH2 - COOH biến đổi có ảnh hưởng tiêu cực tích cực đến chức protein Do có cấu trúc bậc protein có hình thù đặc trưng phù hợp với chức chúng Ở protein chức enzym, kháng thể, protein hệ thống đông máu Thông qua cấu trúc bậc mà hình thành trung tâm hoạt động, nơi thực chức protein Sự trì hình dạng giúp protein trạng thái nguyên vẹn, tức trạng thái sinh học trì Mỗi biến đổi hình dạng kéo theo biến đổi hoạt tính Cấu trúc bậc ba đảm nhận chức tạo hình Chẳng hạn, sứa mực nhiều nước có hình dạng định 2.4 Đô men cấu trúc (structural domain) Đô men cấu trúc phận, khu vực phân tử protein cuộn gấp không gian giống phân tử protein nhỏ hoàn chỉnh thường nơi thực chức liên kết, chức lắp ráp đại phân tử protein hoạt động chức Trong nhiều protein, đô men gắn liền với chức kết hợp đặc hiệu nhiều enzym cấu tạo từ đô men, trung tâm hoạt động bố trí biên giới hai hay nhiều đô men Sự hình thành đô men phân tử protein tạo khả tương tác linh hoạt đại phân tử, khả động, dịch chuyển tương ứng phận trình thực chức sinh học Xét mặt đô men cấu trúc, phân tích hoạt động hầu hết phân tử protein biết, chia chúng thành nhóm: a Protein nhóm có đô men cố định nối với đoạn dài dẻo chuỗi peptit, cho phép chúng xê dịch với khoảng rộng 13 b Protein nhóm hai có đô men cố định nối với bàng kiểu “bản lề” nên phạm vi xê dịch hạn chế đòi hỏi tương tác phải xác, chặt chẽ c Protein nhóm ba có tính vận động chức đa dạng, giúp cho tiếp cận, lắp ghép chúng với đối tượng hoạt động sinh học trở nên phong phú, đa dạng Ví dụ: Protein kháng thể (Ig) sử dụng mềm dẻo cấu trúc để đô men gắn kháng nguyên, tương tác tối ưu với kháng nguyên hợp chất đa dạng Ở protein có nguồn gốc khác nhau, có chức tương tự đô men có cấu trúc tương đối giống Đô men khu vực có cấu trúc hoàn chỉnh protein thực đầy đủ chức protein 2.5 Cấu trúc bậc bốn protein Các protein chứa phân tử từ chuỗi polypeptit trở lên thể phức tạp mức độ cấu trúc phân tử gọi cấu trúc bậc Protein có trạng thái tổ hợp hình thành từ nhiều tiểu phần protein gọi protein olygomeric Mỗi chuỗi polypeptit protein gọi là tiểu đơn vị (subunit) protomer Mỗi tiểu đơn vị có cấu trúc bậc 1, 2, riêng Một số protein có xu hướng kết hợp lại với thành phức hợp, thành đại phân tử, không kéo theo biến đổi hoạt tính sinh học Vả lại, nhiều trường hợp protein phải tổ hợp lại có hoạt tính sinh học Trong trường hợp này, cấu trúc bậc điều kiện để hình thành nên tính cho protein Ví dụ: Hemoglobin (huyết sắc tố – Hb) gồm tiểu phần protein, tiểu phần α tiểu phần β Nếu tiểu phần tách rời tiểu phần 14 không vận chuyển phân tử oxy Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành khối không gian đặc thù (gần hình tứ diện) có khả kết hợp vận chuyển oxy Một phân tử Hb vận chuyển phân tử oxy O2 α β O2 O2 α β O2 Enzym Glycogen photphorylase (ở cơ, gan) xúc tác cho trình phân giải glycogen thành glucose: Ở trạng thái không hoạt động, enzym dạng “b”: dạng dimer tách rời Ở trạng thái hoạt động (khi có tín hiệu thể cần đường) enzym dạng “a”: dạng dimer tổ hợp lại thành dạng tetramer O O O O O O O O dạng “b” dạng “a” Khi nhu cầu giải phóng glucose giảm đi, tetramer lại tách thành dimer enzym trở lại trạng thái không hoạt động Tùy theo protein, số lượng monomer thay đổi từ 2, 4, 6, phổ biến, cá biệt có protein có 50 monomer Sự hình thành cấu trúc bậc tạo điều kiện cho trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, xác 15 16 17 III CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein tảng trình sống, điều thể chức sống, cụ thể sau: 3.1 Chức tạo hình Protein thành phần cấu tạo tế bào kể từ siêu vi khuẩn đến tế bào có nhân, mô dịch sinh vật Nhờ chức tạo hình protein mà sinh vật có hình dáng ổn định, đặc trưng Đặc biệt cấu trúc nâng đỡ Collagen Elastin tạo nên cấu trúc sợi bền mô liên kết, dây chằng, gân Keratin tạo nên cấu trúc da, lông, móng Protein tơ, nhện, vỏ kén 3.2 Protein có chức xúc tác sinh học Hầu hết trình trao đổi chất đặc trưng thể sống tiến hành xúc tác chất có hoạt tính sinh học Đặc biệt enzym có chất protein Ví dụ enzyme thủy phân dày phân giải thức ăn, enzyme amylase nước bọt phân giải tinh bột, enzyme pepsin dày phân giải protein, enzyme lipase phân giải lipit Hình 8: Mô chức xúc tác 18 3.3 Protein có tác dụng điều hòa chuyển hóa Một số peptit protein có khả tăng cường kìm hãm hoạt động enzym, tham gia điều hòa tốc độ cân trình sinh học thể Ví dụ hocmon glucagon, adrenalin làm tăng cường phân giải glycogen thông qua adenylatcyclase, photphorylase AMP vòng, insulin có tác dụng điều hòa hàm lượng đường glucose máu động vật có xương sống làm giảm đường huyết Hình 9: Phản ứng điều hòa chuyển hóa 19 3.4 Protein có chức vận chuyển chất Rất nhiều phân tử nhỏ ion vận chuyển protein đặc hiệu Ví dụ hemoglobin vận chuyển khí, sắc vận chuyển huyết transferin, cytocrom vận chuyển điện tử Hình 10: Cấu trúc Hemoglobin 3.5 Protein có vai trò việc co duỗi, vận động Protein thành phần chủ yếu Sự co thực chuyển động trượt loại protein sợi: Actin miosin, tubulin có vai trò vận động lông, roi sinh vật đơn bào Sự chuyển động chromosom phân bào vận động tinh trùng nhờ chuyển động tập hợp co rút chứa protein Sợi actin, loại protein cấu trúc hình thành từ nhiều tiểu đơn vị, giúp co trì hình dạng tế bào 20 Hình 11: Cấu trúc sợi Actin 3.6 Protein có chức bảo vệ Cơ sống có khả tổng hợp protein đặc hiệu, biệt hóa cao gọi kháng thể, chúng có khả nhận biết kết hợp với yếu tố ngoại lai (các kháng nguyên) vi rút, vi khuẩn, độc tố vi khuẩn, trombin, fibrin yếu tố đông máu, số protein chống đông Nọc rắn loại protein Hình 12: Globulin miễn dịch G 21 Globulin miễn dịch G loại kháng thể lưu thông máu nhận biết hạt ngoại lai gây hại Foreign particle binding site: Điểm bám hạt ngoại lai 3.7 Dẫn truyền thông tin Protein chất thụ cảm hocmon phân tử báo hiệu khác 3.8 Cung cấp lượng dự trữ Sự chuyển hóa khung cacbon axit amin chu trình Krebs đóng góp phần lượng cho thể Albumin lòng trắng trứng nguồn cung cấp axit amin cho phôi phát triển Casein sữa mẹ nguồn cung cấp axit amin cho Trong hạt có chứa nguồn protein dự trữ cần cho hạt nẩy mầm Hình 11: Cấu trúc Albumin 22 IV KẾT LUẬN Protein tảng sống thân có Axit Nucleic Chức thể cấu trúc, cấu trúc bậc một bên có nhóm – COOH, bên nhóm NH2, có hai đầu (N C) Chỉ cần thay đổi trình tự xếp axit amin cấu trúc protein thay đổi từ chức sinh học thay đối Cấu trúc bậc hai có chu kỳ gồm xoắn α gấp nếp β Cấu trúc bậc ba có hình khối không gian, đảm nhận chức tạo hình Đomen cấu trúc có hình khối không gian, đảm nhận chức tạo hình Đômen cấu trúc dạng cấu trúc bậc ba thực chức xúc tác hocmon Cấu trúc bậc bốn thực nhiều chức phức tạp, tạo điều kiện cho trình điều tiết sinh học thêm tinh vi xác Protein hợp chất hữu phức tạp tìm thấy tất trình xảy tế bào Mỗi loại thể có loại protein đặc hiệu mình, thêm vào chúng chiếm số lượng lớn thể dễ dàng tìm thấy tự nhiên Chúng đóng vai trò đặc biệt quan trọng thể Protein tảng trình sống 23 ... axit amin phân tử có chứa Nito (N), khối lượng phân tử lớn CHƯƠNG II PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Protein tảng sống thân có Axit Nucleic I AXIT NUCLEIC Axit Nucleic hợp chất tự nhiên cao phân... vật, tức khác loài, giống, thể phận khác cấu trúc chức protein Cấu trúc bậc yếu tố di truyền ổn định minh chứng chứng minh Protein tảng sống Ví dụ: Insulin polypeptit hocmon bao gồm 51 axit... tiết sinh học thêm tinh vi, xác 15 16 17 III CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein tảng trình sống, điều thể chức sống, cụ thể sau: 3.1 Chức tạo hình Protein thành phần cấu tạo tế bào kể từ siêu vi khuẩn