CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein được cấu thành từ amino acid Cofactors, coenzymes, prosthetic groups Sự hình thành các chuỗi polypeptide HỆ THỐNG TÊN VIẾT TẮT CỦA CÁC AMINO ACID Đồng phân quang học dạng L và D của các amino acid Cấu trúc của protein phản ánh bốn cấp độ tổ chức Cấu trúc bậc hai của protein hình thành dựa vào liên kết hydro ...
CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein cấu thành từ amino acid Protein đơn bao gồm chuỗi amino acid mạch thẳng uốn nếp tạo nhiều cấu hình 3-D phức tạp Một chuỗi amino acid gọi chuỗi polypeptide Sự khác biệt chuỗi polypeptide protein gì? Thứ nhất, số protein bao gồm nhiều chuỗi polypeptide và… …thứ hai, nhiều protein có chứa thành phần bổ sung ion kim loại phân tử hữu nhỏ biết đến cofactor, thêm vào phần polypeptide Cofactors, coenzymes, prosthetic groups Cofactor Vitamin Enzyme reaction (example) Thiamine diphosphate Thiamine, B1 Oxidative decarboxylation FAD, FMN Riboflavin, B2 Redox reactions (transfer of H+) NAD+, NADP+ Niacin, B3 Redox reactions (transfer of H+) Coenzyme A Pantothenic acid, B5 Metabolism of FA (transfer of acyl groups ) Pyridoxalphosphate Pyridoxine, B6 Transamination, decarboxylation of AA Carboxybiotin Biotin, H, B7 Carboxylation (CO2) Tetrahydrolic acid Folic acid, B9 Transfer of C1 Ascorbic acid Vitamin C Hydroxylation reaction (collagen) cis-retinal + opsin Retinol, A Electron transport , antioxidant Tocoferol, E Redox reaction, antioxidant Menaquinone Vitamin K Transfer of carbonyl group and electrons Lipoamide Lipoic acid Transfer of electrons and acyl group Cobalamine Cobalamine, B12 Izomeration, transfer of methyl group ? Sự hình thành chuỗi polypeptide Amino acid nối với liên kết peptide để tạo thành chuỗi polypeptide Amino acid chuỗi có nhóm amino (-NH2) tự đầu gọi đầu amino hay đầu N chuỗi polypeptide Amino acid cuối gắn vào chuỗi với nhóm carboxyl (-COOH) tự do, đầu gọi đầu carboxyl hay đầu C Khi tổng hợp, polypeptide kéo dài từ đầu amino (N) phía đầu carboxyl (C) Hai mươi amino acid cấu thành chuỗi polypeptide sinh học Các amino acid ưa nước chia thành nhóm kiềm, axít trung tính Các amino acid kiềm góp điện tích dương cho protein gốc axít cung cấp điện tích âm Chính xác hơn, việc tích điện dung dịch khoảng pH sinh lý Các gốc trung tính có chuỗi bên có khả hình thành liên kết hydro Nhóm bên amino acid ưa nước mang nhóm hóa học tham gia phản ứng Vị trí hoạt động enzyme thường chứa serine, histidine, amino acid kiềm amino acid axít Hai mươi amino acid cấu thành chuỗi polypeptide sinh học Các amino acid kỵ nước chia thành nhóm amino acid béo (Ala, Leu, Ile,Val, Met) nhóm có vòng thơm (Phe, Trp Tyr) Các amino acid phần lớn có chức cấu trúc, ngoại trừ tyrosine có nhóm hydroxyl đính vào vòng thơm tham gia vào loạt phản ứng Việc phân loại tyrosine nhập nhằng có nhóm hydroxyl có chất phân cực Proline có vòng không thơm, nói đúng, imino acid (chứ amino acid) có nhóm-NH-(imino) phần vòng (thay nhóm amin tự do) HỆ THỐNG TÊN VIẾT TẮT CỦA CÁC AMINO ACID HỆ THỐNG TÊN VIẾT TẮT CỦA CÁC AMINO ACID 10 Enzyme điều hòa trực tiếp Tốc độ mà phần lớn enzyme làm việc đơn giản phụ thuộc vào nồng độ chất lượng enzyme có mặt Lượng enzyme lại phụ thuộc vào mức độ biểu gen mã hóa enzyme Tuy nhiên, tỷ lệ đáng kể enzyme trực tiếp điều hòa theo nhiều cách khác Điều có ưu điểm nhiều tức thời Điều hòa thường thuận nghịch Vì mà loại enzyme tạm thời không hoạt động mà không bị phân hủy, được sử dụng lại sau cần thiết Nhiều đường tổng hợp sinh học quy định chế điều hòa ngược (negative feedback) Các sản phẩm cuối đường chuyển hóa ức chế enzyme xúc tác phản ứng đường Bằng cách sản phẩm đủ, tế bào không lãng phí vật liệu tổng hợp enzyme 37 Enzyme dị lập thể bị ảnh hưởng phân tử tín hiệu 38 Enzymes kiểm soát biến đổi hóa học Một vài protein thay đổi cấu hình hoạt động sau liên kết với phân tử nhỏ. Trong trường hợp khác, hình dạng thay đổi thay đổi mặt hóa học protein Bình thường điều xảy nhóm chất thêm vào gỡ bỏ sau đó. Nhóm phosphate ví dụ điển hình phân tử nhỏ có ảnh hưởng đến thay đổi hình dạng, nhóm khác bao gồm acetyl, methyl, adenyl (AMP) có hiệu Khoảng phần ba tất 10.000 protein khác nhiều tế bào động vật phosphoryl hóa thời điểm Khi nhận tín hiệu từ bên ngoài, chúng thường phản ứng lại cách phosphoryl hóa tập hợp protein bao gồm enzyme yếu tố phiên mã 39 Enzymes kiểm soát biến đổi hóa học 40 Protein kết hợp với DNA theo vài cách khác Rất nhiều protein có liên kết với DNA Những protein có liên quan đến trình tái DNA, trình biểu gen điều khiển trình đó, việc bảo vệ sửa chữa DNA, nhiều trình khác Sự hiểu biết thuộc tính protein liên kết với DNA sở quan trọng công nghệ sinh học, lĩnh vực mà chúng sử dụng để điều khiển biểu gene tái tổ hợp Protein liên kết với DNA có vai trò lớn nghiên cứu y học phân tử, đặc biệt nghiên cứu ung thư lão hóa Mặc dù số lượng lớn protein liên kết với DNA, có vài cách phổ biến để protein tương tác với DNA 41 Protein kết hợp với DNA theo vài cách khác Mặc dù có vài protein liên kết với DNA theo cách không đặc hiệu, đa số nhận biết bám vào trình tự đặc hiệu DNA Hầu tất protein liên kết với DNA bám vào rãnh lớn DNA sợi kép, cho phép chúng nhận biết tiếp xúc với bazơ nitơ Khi số vị trí nhận biết protein bám DNA định so sánh với nhau, chúng nhận thấy có nhiều trình tự tương đồng, giống hoàn toàn Rất nhiều protein liên kết DNA, gồm protein điều hòa enzyme cắt biến đổi DNA, nhận biết trình tự lặp đảo dài khoảng đến cặp bazơ (bp) phân tử DNA Trong trường hợp này, protein chứa tiểu phần đơn thường liên kết với phần lặp đảo có tổng chiều dài 4-8 bp Các protein chứa tiểu đơn vị cặp đôi thường bám vào trình tự lặp đảo dài bp cách khoảng trình tự gồm nửa tá cặp bazơ không thực quan trọng DBD 42 Protein kết hợp với DNA theo vài cách khác DBD 43 Protein kết hợp với DNA theo vài cách khác DBD 44 Protein kết hợp với DNA theo vài cách khác Một số lượng lớn yếu tố phiên mã khác protein điều hòa khác liên kết với DNA vùng liên kết với lượng tương đối nhỏ vùng DNA kết hợp với protein Các dạng biết đến nhiều gồm helix-turn-helix (HTH), helix-loop-helix (HLH), leucine zipper (khóa kéo leucine) zinc finger (ngón tay kẽm) Vùng HTH sử dụng phổ biến sinh vật nhân sơ sinh vật nhân chuẩn, khi, dạng HLH tìm thấy chủ yếu sinh vật nhân chuẩn 45 Protein kết hợp với DNA theo vài cách khác Một số lượng lớn yếu tố phiên mã khác protein điều hòa khác liên kết với DNA vùng liên kết với lượng tương đối nhỏ vùng DNA kết hợp với protein Các dạng biết đến nhiều gồm helix-turn-helix (HTH), helix-loop-helix (HLH), leucine zipper (khóa kéo leucine) zinc finger (ngón tay kẽm) Dạng cấu trúc leucine zipper gồm xoắn alpha với xuất leucine sau trình tự gồm amino acid Ngoài amino acid hai leucine thường kỵ nước Việc gắn vào DNA thực amino acid có nhóm bên kiềm tính phía trước vùng khóa kéo 46 Protein kết hợp với DNA theo vài cách khác Dạng zinc finger (ngón tay kẽm) chứa nguyên tử Zn trung tâm với đoạn 25-30 gốc amino acid xếp quanh Ở dạng zinc finger cổ điển, Zn liên kết với cysteine nằm đoạn β sheet ngắn - cấu trúc kẹp tóc beta- histidine nằm cấu trúc xoắn alpha ngắn Đầu xa cấu trúc xoắn alpha nhô vào vùng rãnh lớn DNA Hơn 1000 protein dạng biết tới, nhiều chúng có nhiều cấu trúc ngón tay (dạng ngón tay kẽm phức) Protein dạng phát yếu tố phiên mã TFIIIA sinh vật nhân chuẩn, cóc Xenopus, protein mà chứa ngón tay kẽm Tính đặc hiệu trình tự DNA nhận biết zinc finger protein phụ thuộc vào trình tự amino acid chuỗi polypeptide nằm His Cys mà liên kết với Zn Các amino acid vùng tạo liên kết hydro với bazơ DNA 47 Sự biến tính protein Biến tính cấu trúc 3-D đúng, nghĩa cấu trúc bậc bậc Sự biến tính liên quan đến phá vỡ, thay đổi liên kết không cộng hoá trị Sự biến tính cấu trúc protein kèm theo chức hoạt động protein Đặc biệt enzyme dễ bị làm biến tính Khi protein bị biến tính chúng thường kết tủa dung dịch, xảy với protein trứng bị đun sôi Nhiệt độ, độ pH, tác nhân hoá học phá huỷ cấu trúc không cộng hoá trị làm biến tính protein Thậm chí việc khuấy/ đánh trứng kích thích biến tính số protein lòng trắng trứng tạo thành bánh trứng 48 Sự biến tính protein Các lực kỵ nước có vai trò trì cấu trúc 3D protein bị phá vỡ chất tẩy rửa tác nhân chaotropic Các chất tẩy rửa bao gồm đuôi kỵ nước nối với nhóm tan tốt nước Chúng hoạt động cách liên kết trực tiếp với vùng kỵ nước phân tử khác hoà tan chúng Chất tẩy rửa SDS (sodium dodexyl sulfate) sử dụng rộng rãi để hoà tan làm biến tính protein trước chạy chúng gel polyacrylamide SDS có đuôi hydrocarbon dài liên kết với chuỗi polypepetide mang nhóm sulfate tích điện âm chia vào nước làm tan phức hệ protein /SDS Một giả thuyết liên kết với nhóm R axít amin không phân cực SDS liên kết theo tỉ lệ SDS với gốc amino acid cho phần lớn protein điều cho thấy liên kết bền vững 49 Sự biến tính protein Các chất làm biến tính protein khác phân tử phá vỡ liên kết hydro, liên kết trì cấu trúc bậc hai Ví dụ ure, guanidine guanidinium chloride Chúng hoạt động cách hình thành liên kết hydro nhóm CO NH2 chúng với tất nhóm protein có khả tham gia vào liên kết hydro Nhiệt độ cao pH cực đoan phá vỡ liên kết hydro Sự biến tính hổ trợ việc phá vỡ liên kết disulfide dùng để ổn định cấu trúc protein Trong phòng thí nghiệm, β-mercaptoethanol hay BME (HOCH2CH2SH) thường sử dụng để khử liên kết disulfide tạo nhóm SH phá vỡ liên kết 50 51 ... 24.0 17 Nucleoprotein, lipoprotein glycoprotein protein kết hợp Protein kết hợp protein liên kết với phân tử khác Ví dụ, nucleoprotein phức hợp protein nucleic acid, lipoprotein protein với gốc... lipid đính vào, glycoprotein có thành phần carbohydrate Nhiều glycoprotein tìm thấy bề mặt tế bào Chúng mang chuỗi carbohydrate ngắn cấu tạo từ vài phân tử đường, phân tử thường thò tế bào (hình7.21)... đường thường liên kết vào protein thông qua nhóm hydroxyl serine threonin nhóm amide nhóm asparagine 18 Nucleoprotein, lipoprotein glycoprotein protein kết hợp Nhiều lipoprotein gắn lên màng đuôi