Trong khi đó môi trường xung quanh là hỗn hợp vô trật tự của các hợp chất khá đơn giản; - Mỗi bộ phận tạo thành của cơ thể sống cơ quan, mô, tế bào, các cấu trúc dưới tế bào và các phân [r]
(1)TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐAØ LẠT F7G GIAÙO TRÌNH HOÁ SINH HỌC GS.TS MAI XUAÂN LÖÔNG 2001 Lop8.net (2) Hoá sinh học -1- MUÏC LUÏC MỤC LỤC - MỞ ĐẦU - CHƯƠNG AMINOACID VAØ PROTEIN - 10 I AMINOACID - 10 Cấu tạo - 11 Hoạt tính quang học - 13 Tính chất lưỡng tính - 14 Các phản ứng hóa học đặc trưng - 16 II PEPTIDE - 19 III TÍNH CHẤT CỦA LIÊN KẾT PEPTIDE - 21 IV CÁC LIÊN KẾT THỨ CẤP TRONG PHÂN TỬ PROTEIN - 21 V CẤU TRÚC CỦA PROTEIN - 23 1.Cấu trúc bậc - 23 Cấu trúc bậc hai - 23 Cấu trúc bậc ba - 25 Cấu trúc bậc bốn - 25 VI TÍNH CHẤT CỦA PROTEIN - 26 Tính chất lưỡng tính - 26 Hoạt tính quang học - 26 Tính hydrate-hóa - 26 Sự biến tính protein - 27 Các phản ứng màu đặc trưng - 28 Hoạt tính và chức sinh học protein - 28 VII PHÂN LOẠI PROTEIN - 29 VIII PHÂN GIẢI PROTEIN - 31 IX PHÂN GIẢI AMINOACID - 32 1.Chuyển amin hóa - 32 Desamin hóa - 33 Decarboxyl hóa - 34 Số phận ammoniac và chu trình urea - 34 Dị hóa aminoacid và chu trình acid tricarboxylic - 35 X SINH TỔNG HỢP AMINOACID - 36 1.Khử nitrate và cố định nitơ - 36 Amin hóa khử - 37 Tổng hợp các aminoacid thứ cấp - 37 XI SINH TỔNG HỢP PROTEIN - 38 Các yếu tố cần thiết cho sinh tổng hợp protein và các giai đoạn quá trình này - 38 Điều hòa sinh tổng hợp protein; mô hình operon và lý thuyết điều hòa Jacob vaø Monod - 41 - GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (3) Hoá sinh học -2- CHƯƠNG EMZYME - 45 I CÁC BIỂU THỨC DÙNG TRONG ENZYME HỌC - 45 II BẢN CHẤT HÓA HỌC CỦA ENZYME - 45 III ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG ENZYME - 47 IV ẢNH HƯỞNG CỦA pH LÊN HOẠT TÍNH ENZYME - 50 V ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN HOẠT TÍNH ENZYME - 51 VI HOẠT HÓA ENZYME - 51 VII ỨC CHẾ ENZYME - 52 VIII TÍNH ĐẶC HIỆU CỦA ENZYME - 57 IX DANH PHÁP VAØ PHÂN LOẠI ENZYME - 58 X HỆ THỐNG MULTIENZYM VAØ VAI TRÒ CỦA ENZYME ĐIỀU HÒA - 59 XI ISOENZYME - 61 CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TRAO ĐỔI CHẤT - 63 I ĐỒNG HÓA VAØ DỊ HÓA - 63 II CÁC HÌNH THỨC VẬN CHUYỂN NĂNG LƯỢNG TRONG TRAO ĐỔI CHẤT - 65 III NĂNG LƯỢNG SINH HỌC VAØ CHU TRÌNH ATP - 66 IV VẬN CHUYỂN NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA – KHỬ - 70 CHƯƠNG GLUCID - 73 I MONOSACHARIDE (MONOSE) - 73 cấu tạo - 73 Tính chất hóa học - 77 II OLIGOSACCHARIDE - 80 1.Disacchride - 80 2.Trisaccharide - 81 3.Tetrasaccharide - 81 III POLYSACCHARIDE (POLYOSE) - 81 1.Homopolisaccharide - 82 2.Heteropolysaccharide - 85 IV PHÂN GIẢI POLYSACCHARIDE - 88 1.Phân giải tinh bột và glycogen - 88 2.Phân giải các polysaccharide khác - 90 V CHUYỂN HÓA TƯƠNG HỖ GIỮA CÁC MONOSE - 90 1.Trao đổi (vận chuyển) các nhóm glycosyl glycosylphosphate: - 90 2.Epimer hóa: - 90 3.Oxy hóa hexose và decarboxyl hóa thành pentose: - 91 VI GLYCOLYS - 91 VII CHU TRÌNH PENTOSOPHOSPHATE - 95 VIII OXY HÓA HIẾU KHÍ GLUCID - 96 1.Decarboxyl hóa oxy hóa acid pyruvic - 96 - GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (4) Hoá sinh học -3- Chu trình acid tricarboxylic (Chu trình Krebs) - 97 Ý nghĩa chu trình acid tricarboxylic - 98 Các phản ứng bù đắp - 99 IX PHOSPHORYL HÓA OXY HÓA - 99 X QUANG HỢP - 103 Phương trình tổng quát quang hợp - 103 Khái niệm tích chất hai giai đoạn quang hợp - 104 Vai trò lượng ánh sáng quang hợp - 105 Cơ sở cấu trúc quang phosphoryl-hóa - 111 Cố định CO2 pha tối quang hợp - 113 CHƯƠNG LIPID - 117 I ACID BÉO - 117 II.CÁC ESTER CỦA GLYCEROL - 119 1.Lipid trung tính - 119 2.Phosphatide - 122 3.Glycerogalactolipid và glycerosulfolipid - 123 III XPHINGOLIPID VAØ GLYCOLIPID - 124 IV SÁP - 125 V STEROL VAØ STEROID - 126 VI SẮC TỐ QUANG HỢP - 127 1.Chlorophyll - 127 Caroteneoid - 128 Phycobilin - 130 VII VITAMIN TAN TRONG LIPID - 131 1.Vitamin A - 131 2.Vitamin D - 132 Ubiquinone và plastoquinone - 134 VIII PHÂN GIẢI LIPID - 135 1.Phân giải lipid trung tính - 135 2.Oxy-hóa acid béo - 136 Thể cetone - 142 Sử dụng lipid dự trữ cho mục đích sinh tổng hợp Chu trình glyoxylate - 143 IX SINH TỔNG HỢP ACID BÉO - 144 Sinh tổng hợp acid béo no - 144 Sinh tổng hợp acid béo không no - 146 X SINH TỔNG HỢP TRIACYLGLYCERIN - 148 XI SINH TỔNG HỢP GLYCEROPHOSPHOLIPID VAØ GLYCEROGALACTOLIDID - 149 XII SINH TỔNG HỢP SPHYINGOLIPID VAØ GLYCOLIPID - 150 XIII SINH TỔNG HỢP STERINE - 151 - GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (5) Hoá sinh học -4- CHÖÔNG NUCLEOTIDE VAØ ACID NUCLEIC - 153 I NUCLEOTIDE - 153 II POLYNUCLEOTIDE - 159 III ADN, NHIEÃM SAÉC THEÅ VAØ MAÄT MAÕ DI TRUYEÀN - 160 IV ARN - 167 1.ARN thoâng tin (mARN) - 167 ARN vaän chuyeån (tARN) - 168 ARN ribosome (rARN) - 171 V PHAÂN GIAÛI ACID NUCLEIC - 172 Taùc duïng cuuûa exo- vaø endonuclease - 172 Taùc duïng cuûa acid vaø kieàm - 174 Phaân giaûi nucleotide vaø nucleoside - 174 Phaân giaûi pentose vaø base nitô Caùc pentose tieáp tuïc chuyeån hoùa theo đường chuyển hoá chung glucide - 174 - GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (6) Hoá sinh học -5- MỞ ĐẦU LOGICH PHÂN TỬ CỦA VẬT THỂ SỐNG VAØ NHIEÄM VUÏ CUÛA HOÙA SINH HOÏC Hóa sinh học có thể xem hóa học các vật thể sống Mọi vật thể sống cấu tạo từ phân tử vô sinh song lại có tính chất đặc biệt mà giới vô sinh không có Đó là: - Tính phức tạp và mức độ tổ chức cao Trong cấu trúc phức tạp đó chứa vô số các hợp chất hóa học với các kiểu cấu trúc khác Trong đó môi trường xung quanh là hỗn hợp vô trật tự các hợp chất khá đơn giản; - Mỗi phận tạo thành thể sống (cơ quan, mô, tế bào, các cấu trúc tế bào và các phân tử hóa học khác nhau) phân công thực các chức xác ñònh; - Khả tiếp nhận lượng và nguyên liệu từ môi trường và biến hóa nó để sử dụng cho việc xây dựng và trì cấu trúc phức tạp mình; đó các hệ thống vô sinh bị phân hủy chúng hấp thụ lượng; - Khả sinh sản, tức tự khôi phục cách chính xác để tạo từ hệ này đến hệ khác cá thể giống hệt mình (nếu tránh các yếu tố gây biến dò) Là phận không thể tách rời tự nhiên, vật thể sống không thể không chịu điều khiển tất các quy luật tự nhiên Tuy vậy, ngoài quy luật chung tự nhiên, các phân tử thể sống còn tương tác với và với môi trường xung quanh trên sở hệ thống các nguyên tắc đặc biệt mà ta có thể gọi chung là logich phân tử vật thể sống Đó là hệ thống quy luật xác định chất, chức các phân tử đặc biệt mà ta tìm thấy thể sống và tương tác chúng mà nhờ đó thể trở nên có khả tự tổ chức và tự khoâi phuïc Phần lớn các thành phần hóa học thể sống là hợp chất hữu mà đó carbon tồn dạng có mức độ khử cao Nhiều phân tử sinh học còn chứa nitơ Hai nguyên tố này giới vô sinh ít phổ biến và tồn dạng hợp chất đơn giản CO2, N2, CO32-, NO3- v.v Các hợp chất hữu thể sống đa dạng và phần lớn là phức tạp Thậm chí thể sống đơn giản là vi khuẩn, ví dụ Escherichia coli, đã chứa tới 5000 loại hợp chất hữu khác nhau, đó có khoảng 3000 loại protein và 1000 loại acid nucleic Trong thể phức tạp – động vật và thực vật – mức độ đa dạng còn cao nhiều Ví dụ, thể người có đến triệu loại protein, GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (7) Hoá sinh học -6- đó không loại nào giống hoàn toàn với protein E coli, mặc dù số loại có chức giống Tuy nhiên dù cho các phân tử sinh học có đa dạng và phức tạp đến đâu, tất chúng có nguồn gốc đơn giản: tất protein hình thành từ 20 loại aminoacid, toàn acid nucleic – từ loại nucleotide chủ yếu Những phân tử vật liệu xây dựng đơn giản này chọn lọc quá trình tiến hóa để thực không phải mà nhiều chức để đảm bảo nguyên tắc tiết kiệm tối đa Trong thể sống không thể tìm thấy hợp chất nào mà không đảm nhiệm ít chức nào đó Từ điều nói trên có thể rút quy luật: Tính đa dạng và phức tạp các phân tử sinh học có cội nguồn khá đơn giản: thể sống có nguồn gốc chung và tạo nên trên sở tiết kiệm phân tử Moät khía caïnh ñaëc bieät khaùc cuûa cô theå soáng laø: baèng caùch naøo cô theå soáng coù thể tạo và trì tính trật tự và phức tạp cấu trúc quá trình vật lý và hóa học, theo định luật thứ hai nhiệt động học, có xu hướng tiến tới chỗ trật tự và hỗn loạn, tức hướng phía tăng entropy? Cơ thể sống không thể không tuân theo các quy luật tự nhiên, tức chúng không thể xuất cách tự phát từ hỗn loạn Nó không thể tạo lượng từ chỗ không có gì, trái với định luật bảo toàn lượng Thế thể sống có tính chất đặc thù quan trọng là có khả tiếp nhận lượng từ môi trường điều kiện nhiệt độ và áp suất cụ thể, biến hóa lượng đó thành dạng lượng thích hợp cho thân chúng Năng lượng hữu ích mà thể sống có thể sử dụng gọi là lượng tự Đó là phần lượng có thể tạo công điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi Phần lượng mà tế bào thải môi trường thường là dạng nhiệt Điều đó góp phần làm tăng entropy môi trường, tức làm tăng tính hỗn loạn nó Vật thể sống là hệ thống hở (theo cách diễn đạt nhiệt động học), hay hệ thống cách ly tương đối (theo cách nói điều khiển học) Cả hai cách diễn đạt có nghĩa là hệ thống này có liên hệ với môi trường xung quanh, đó môi trường cần cho thể sống không nguồn lượng mà còn là nguồn vật liệu xây dựng Đặc điểm loại hệ thống này là chúng không thiết lập trạng thái cân với môi trường, mặc dù có thể cảm giác thể tồn trạng thái cân vì không nhận thấy có biến đổi quan sát chúng khoảng thời gian nào đó Trên thực tế thì không phải Cơ thể sống có thể thiết lập trạng thái cân động với môi trường, tức trạng thái mà tốc độ vận chuyển vật chất và lượng từ môi trường vào hệ thống cân với tốc độ dòng ngược lại Như vậy, tế bào là hệ thống hở không cân bằng, máy tiếp nhận lượng tự từ môi trường để làm tăng tính trật tự thân, đồng thời làm tăng entropy môi trường Máy tiếp nhận lượng này hoạt động với hiệu suất cao GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (8) Hoá sinh học -7- nhiều so với máy móc người sáng chế Đó là mặt thứ hai nguyên tắc tiết kiệm thể sống – tiết kiệm lượng Cơ chế tiếp nhận lượng thể sống xây dựng từ hợp chất hữu tương đối kém bền vững, nhạy cảm với điều kiện thái cực nhiệt độ quá cao, dòng điện quá mạnh, độ pH quá lệch phía kiềm acid v.v Toàn heä thoáng soáng, ví duï teá baøo, laø moät heä thoáng ñaúng nhieät Vì theá chuùng khoâng theå duøng nhiệt làm nguồn lượng Nói cách khác, tế bào là máy hóa học đẳng nhiệt Chúng có thể thu nhận lượng từ môi trường dạng hóa năng, sau đó biến hóa lượng này để thực các công hóa học việc tổng hợp các thành phaàn cuûa teá baøo, coâng thaåm thaáu vieäc vaän chuyeån vaät chaát, coâng cô hoïc động tác co v.v Sở dĩ tế bào có thể hoạt động máy hóa học đẳng nhiệt là nhờ chúng chứa hệ thống các chất xúc tác sinh học gồm hàng ngàn loại enzyme khác Đó là phân tử protein có khả xúc tác cách đặc hiệu phản ứng xác định, làm cho điều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường tế bào các biến đổi hóa học có thể xảy với tốc độ và hiệu cao Nhờ tính đặc hiệu cao enzyme mà hàng loạt các phản ứng khác có thể xảy đồng thời tế bào Tính đặc hiệu này là thể nguyên tắc quan trọng sống – nguyên tắc bổ sung: enzyme có thể tiếp nhận chất mình, tức chất có cấu tạo phân tử phù hợp với trung tâm hoạt động enzyme Giữa các phản ứng enzyme khác tế bào tồn mối liên hệ phức tạp Sản phẩm phản ứng này có thể là chất phản ứng Hàng loạt các phản ứng kế tục xảy để thực chức xác định Những chuỗi phản ứng đó còn có thể tạo các mạch nhánh để góp phần hình thành nên các mạng lưới với chức sinh học khác Toàn mạng lưới đó kết hợp với tạo nên hệ thống thống các quá trình hóa học tế bào có tên gọi là trao đổi chất Nhờ mối liên hệ chặt chẽ các phản ứng enzyme mà lượng hóa học có thể di chuyển hệ thống đẳng nhiệt Năng lượng mà thể tiếp nhận từ môi trường nhờ mối liên hệ này có thể tích lũy lại cách phosphoryl-hóa adenosyldiphosphate (ADP) thành adenosyltriphosphate (ATP) Ngược lại, ATP bị phân giải thành ADP kèm theo giải phóng lượng Nhờ liên hệ các phản ứng enzyme lượng đó sử dụng để tổng hợp các hợp chất khác để thực công nào đó Mối liên hệ các phản ứng enzyme còn là sở để tạo các hệ thống điều hòa thể sống, đó tốc độ phản ứng đặc hiệu có thể điều hòa nhờ tốc độ phản ứng khác Nhờ chế điều hòa đó phản ứng xảy theo chiều hướng xác định với tốc độ xác định đủ để tế bào trì trạng thái ổn định bình thường mình Trong trường hợp đơn giản tích lũy sản phẩm GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (9) Hoá sinh học -8- trung gian (chất trao đổi) với hàm lượng quá mức cần thiết có tác dụng tín hiệu làm giảm tốc độ chuỗi phản ứng tạo chúng Cách điều hòa gọi là ức chế theo nguyên tắc liên hệ ngược Những enzyme đứng đầu chuỗi phản ứng đứng điểm phân nhánh thường là enzyme điều hòa, trực tiếp bị ức chế saûn phaåm cuoái cuøng Khả tự điều hòa tế bào còn thể chỗ nó tự điều khiển tổng hợp hệ thống enzyme mình Khi tế bào đã nhận từ môi trường sản phẩm cần thiết nào đó, nó tạm thời đình hoạt động hệ thống enzyme vốn cần thiết để tạo sản phẩm đó Ngược lại, tiếp nhận từ môi trường chất cần phải tiếp tục biến hóa, tế bào đưa hệ thống tổng hợp enzyme cần thiết cho biến hóa đó vào hoạt động Cuối cùng, số tính chất kỳ diệu thể sống, kỳ diệu là khả sinh sản, tức khả tạo với mức độ chính xác tuyệt đối cá thể hệ sau giống hệt hệ trước Hơn nữa, sai sót đôi xảy quá trình sinh sản có thể làm xuất hệ sau dạng đột biến không phải lúc nào có hại Ngược lại, đột biện là yếu tố quan trọng góp phần làm cho thể sống ngày càng hoàn thiện, là động lực tiến hóa Khó có thể tưởng tượng khối lượng khổng lồ thông tin di truyền cần để tái tạo thể phức tạp lại có thể gói gọn nhân tế bào trứng và tinh trùng bé nhỏ dạng trật tự các nucleotide phân tử acid deoxyribonucleic (ADN) với trọng lượng không quá 6.10-12 gam Tính chất kỳ diệu này là hệ phù hợp mặt kích thước mật mã di truyền với phận tạo thành phân tử ADN, tức là hệ tính bổ sung mặt cấu trúc Nhờ nguyên tắc bổ sung này mà phân tử ADN có thể làm khuôn để đúc nên phân tử ADN khác quá trình có tên là nhân mã (replation) tạo các phân tử acid ribonucleic thông tin (mARN) quá trình mã (transcription) Cũng chính nhờ nguyên tắc này mà mARN có thể làm khuôn để “đúc” nên các phân tử protein quá trình phiên mã (translation) Kết là thông tin di truyền vốn có cấu trúc “một chiều” dạng trật tự nucleotide phân tử ADN biến thành dạng thông tin “ba chiều” đặc trưng cho cấu trúc phân tử và trên phân tử vật thể sống Trật tự nucleotide ADN định trật tự aminoacid các phân tử protein Mỗt trật tự aminoacid đó chứa đựng mối tương tác vật lý và hóa học phức tạp, làm cho phân tử protein tự động tạo cho mình kiểu cấu trúc không gian ổn định và đặc hiệu, cho phép chúng đảm nhận chức định hệ thống các quá trình hoạt đông soáng cuûa teá baøo Có thể tóm tắt nguyên tắc đã trình bày trên đây logich phân tử vaät theå soáng moät caùch ngaén goïn nhö sau: Teá baøo laø moät heä thoáng ñaúng nhieät coù khaû tự tổ chức, tự điều khiển và tự tái tạo Hệ thống này hình thành từ số lớn các phản ứng vốn liên quan mật thiết với và thúc đẩy nhờ các chất xúc tác hữu thân tế bào tạo Mọi hoạt động tế bào tuân thủ cách GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (10) Hoá sinh học -9- nghiêm ngặt nguyên tắc tiết kiệm tối đa vật chất lượng và thông tin Logich phân tử vật thể sống hoàn toàn không mâu thuẩn với quy luật vật lý và hóa học nào không đòi hỏi phải phát biểu quy luật Tuy nhieân, ñieàu quan troïng laø caùc cô cheá cuûa teá baøo soáng vaãn chæ taùc duïng phaïm vi quy luật điều khiển hoạt động máy móc người tạo ra, song phản ứng, quá trình xảy tế bào sống hoàn thiện nhiều so với máy tự động đại Con người tiến gần đến chỗ hiểu biết cách sâu sắc nguồn gốc và tiến hóa các phân tử sinh học, hiểu đầy đủ phản ứng enzyme kết thành các quá trình hóa học thống tế bào Và đó người hiểu logich phân tử vật thể sống xuất nào và chứng minh quy luật nó Hóa sinh học cùng với các lĩnh vực khác sinh học đại và với hỗ trợ toán học, vật lý học, hóa học hướng mục tiêu đầy hấp dẫn đó thực nhiệm vụ đặc thù mình là nghiên cứu đặc điểm đã mô tả trên đây với các mức độ khác nhau: thể, quan, mô, tế bào, tế bào, phân tử và phân tử GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (11) Hoá sinh học - 10 - CHÖÔNG AMINOACID VAØ PROTEIN Protein là sở cho hình thành trì cấu trúc và chức các vật thể sống nhờ chúng có đặc điểm mà hợp chất hữu nào khác không thể có Đó là: cao; - Tính đa dạng vô cùng cấu trúc và song song với nó là tính đặc hiệu loài - Tính ña daïng voâ cuøng cuûa caùc chuyeån hoùa vaät lyù vaø hoùa hoïc; - Khả tương tác nội phân tử; - Khả phản ứng với tác động bên ngoài cách biến đổi cấu hình phân tử theo quy luật định và khôi phục trạng thái ban đầu sau tác động đó không còn nữa; - Khuynh hướng tương tác với các hợp chất hóa học khác để tạo nên phúc hệ và cấu trúc trên phân tử; - Sự tồn tính chất xúc tác sinh học và các hoạt tính sinh học khác Trung bình, phân tử protein có 50-55% C, 21-24% O, 15-18% N, 6,5-7,5% H, 0-2,4% S, 0-2% P Trong số protein còn có chứa Fe, Mg, I, Cu, Zn, Br, Mn, Ca v.v Do hàm lượng nitơ trung bình protein là 16% nên để biết hàm lượng protein mẫu phân tích, người ta thường xác định hàm lượng nitơ nhân với hệ số 100/16, tức 6,25 Protein cấu tạo từ 20 loại aminoacid khác I AMINOACID Aminoacid là acid hữu mạch béo, vòng thơm dị vòng có chứa ít nhóm amin (-NH2) Trong tự nhiên có khoảng 150 loại aminoacid khác có 20 loại số chúng tham gia cấu tạo nên phân tử protein Nhóm amin 20 aminoacid này luôn gắn nguyên tử carbon α-, vì chúng xếp vào nhoùm α-aminoacid GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (12) Hoá sinh học - 11 - Caáu taïo Dựa vào cấu tạo và tính chất gốc R có thể chia aminoacid thành nhoùm sau ñaây (baûng 1.1): - Aminoacid chứa gốc R không phân cực hay kỵ nuớc; - Aminoacid chứa gốc R phân cực không tích điện; - Aminoacid chứa gốc R tích điện âm; - Aminoacid coù goác R tích ñieän döông Bảng 1.1 Cấu tạo các aminoacid thường gặp protein Teân goïi Cấu thức cấu tạo A Aminoacid chứa gốc R không phân cực hay kỵ nuớc Alanine (Ala, A) Valine (Val) Leucine (Leu) Isoleucine (Ile) Proline (Pro) Phenylalanine (Phe) Tryptophan (Trp) Metionine NH2 H3C -C-COOH H H 3C NH2 CH-C-COOH H 3C H H 3C NH2 HC-CH2-C-COOH H 3C H NH2 H3C-CH2-CH-CH2-C-COOH CH3 H CH2 H 2C CH-COOH H 2C NH NH2 -CH2-C-COOH H NH2 -CH2-C-COOH H NH NH2 H3C-S-CH2-CH2-C-COOH GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (13) Hoá sinh học - 12 H (Met) B Aminoacid chứa gốc R phân cực không tích điện NH2 H -C-COOH H NH2 HO-CH2 -C-COOH H Glycine (Gly, G) Serine (Ser, S) Bảng 1.1 Cấu tạo các aminoacid thường gặp protein (tiếp theo) Threonine (Thr, T) Tyrosine (Tyr, Y) Cysteine (Cys, C) Asparagine (Asn, N) Glutamine (Gln, Q) HO NH2 H3C-CH -C-COOH OH H NH2 CH2-C-COOH H NH2 HS-CH2 -C-COOH H O NH2 H2N-C-CH2 -C-COOH H O NH2 H2N-C-(CH2 )2-C-COOH H C Aminoacid chứa gốc R tích điện âm Acid asparaginic (Asp, D) Acid glutamic (Glu, E) NH2 HOOC-CH2-C-COOH H NH2 HOOC-(CH2)2-C-COOH H D Aminoacid coù goác R tích ñieän döông Lysine (Lys, K) NH2 H2N-(CH2)4-C-COOH H GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (14) Hoá sinh học - 13 NH NH2 H2N-C- (CH2)3-C-COOH H NH2 -CH2-C-COOH Arginine (Arg, R) Histidine (His, H) N NH H Hoạt tính quang học Phân tử aminoacid trừ glycine chứa ít nguyên tử carbon bất đối, đó là hợp chất có hoạt tính quang học Chúng có thể tồn các dạng đồng phân lập thể D L Tuy nhiên, tự nhiên hầu hết aminoacid có dạng L Cơ thể động thực vật nói chung có thể hấp thụ dạng này Các dạng đồng phân D và L aminoacid có cấu trúc đối xứng qua gương phẳng E Fisher diễn tả hai dạng đồng phân quang học này sau: Theo kiểu diễn đạt này liên kết nét đậm là các liên kết trên mặt phẳng nằm ngang hướng phía người đọc, còn các liên kết nét nhỏ là liên kết nằm phía trên (nhóm –COOH) và phía (gốc R) mặt phẳng này Để thuận tiện hơn, Fisher đề xuất cách diễn đạt khác gọi là công thưc hình chiếu, đó hóa trị nguyên tử carbon bất đối biểu diễn các gạch nối nét nhỏ nhau, vị trí các nguyên tử và nhóm nguyên tử giữ nguyên trên Ví dụ L-alanin biểu diễn sau: GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (15) Hoá sinh học - 14 - Hoạt tính quang học chất liên quan với cấu trúc bất đối nó, hay nói cách khác, với vị trí các nguyên tử phân tử chất đó Kết là dạng đồng phân quang học có khả xoay mặt phẳng tía sáng phân cực góc định sang trái (-) sang phải (+) Về mặt định lượng, hoạt tính quang học thể giá trị có tên gọi là độ quay riêng: Giá trị này phụ thuộc nhiệt độ và bước sóng tia sáng (thường dùng tia D natri với λ = 5461ℑ) Trong dãy D L tồn đại diện có hoạt tính (+) (-) với giá trị độ quay riêng đặc trưng Hỗn hợp gồm 50% dạng D và 50% dạng L aminoacid nào đó gọi là rasemate Hoạt tính quang học hỗn hợp đó không Tính chất lưỡng tính Aminoacid có ít hai nhóm có khả bị ion-hóa: nhóm α-carboxyl với pK nằm 1,7 và 3,0 và nhóm α-amin với pK vào khoảng 10 Trong dung dịch có pH và aminoacid tồn dạng ion lưỡng tính (zwisterion) hai nhóm trên bị ion hóa: R – CH – COOH NH3+ H+ + R – CH – COONH3+ pH = 1,7 – 2,8 R – CH – COOH+ + R – CH – COOpH = – 10,7 + NH3 NH2 Ngoài ra, số aminoacid còn chứa các nhóm ion-hóa khác: - Caùc nhoùm β- vaø γ-carboxyl cuûa acid asparaginic vaø acid glutamic: R – COOH - H+ + COO- pH = 4,3 Nhoùm β-imidazol cuûa histidine: NH+ H + N + - NH Nhoùm ε-amin cuûa lysine: - R – NH3+ H+ + Nhoùm β-sulfhydril cuûa cysteine: - R - SH H+ + R – SNhoùm δ-guanidine cuûa arginine: pH = 6,1 NH GS.TS Mai Xuaân Löông NH2 pH = 10,5 pH = 8,1 – 8,3 Khoa Sinh hoïc Lop8.net (16) Hoá sinh học - 15 H+ + H2N – C – NH – R pH = 12,5 NH H2N – C – NH – R NH2+ Hình 1.1 trình bày đường cong chuẩn độ mô tả ion-hóa cùa lysine (aminoacid coù tính base) vaø acid asparaginic (aminoacid coù tính acid) Quá trình phân ly các nhóm ion-hóa phân tử hai chất này minh họa các loạt phản ứng (1) và (2) : Hình 1.1 Đường cong chuẩn độ lysine và acid asparaginic (1) OH- COOH CHNH3+ (CH2)3 H+ CHNH3+ CH2 OH- CHNH3+ pK1=2,18 CH2)3 CH2NH3+ (2) COOH COO- H+ H+ COO- OH- H+ CHNH3+ H+ pK2=3,80 CHNH2 CH2NH2 COO- OH- COO- CHNH3+ H+ CHNH2 CH2 COO- COOH COO- pK3=10,53 CH2)3 CH2NH3+ OH- COOH OH- CHNH2 pK2=8,95 (CH2)3 CH2NH3+ pK1=2,01 CH2 COO- pK3=9,93 CH2 COO- Ở pH sinh lý hai nhóm –NH2 lysine nhóm –COOH nó bị ion-hóa, tạo điện tích dương yếu phân tử Cũng giá trị pH này acid asparaginic mang điện tích âm yếu phân ly các nhóm carboxyl nó GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (17) Hoá sinh học - 16 - Các giá trị pK các aminoacid khác giới thiệu bảng 1.2 Cần nhớ pK là giá trị âm loga thập phân số phân ly K, đó: [A-] K = [H ] x ⎯⎯⎯ (HA là aminoacid trạng thái không phân ly) [HA] + phaân Theo phương trình Henderson-Hasselbalch, pH, tức giá trị âm loga thập [A+] cuûa [H ], baèng pK + log ⎯⎯⎯ [HA] + Baûng 1.2 Giaù trò pK cuûa moät soá aminoacid Aminoacid Gly Ala Ser Cys Met Val Leu Ile Tyr Phe Trp PK1 2,35 2,34 2,21 1,96 2,28 2,32 2,36 2,36 2,60 2,58 2,38 PK2 9,78 9,87 9,15 8,18 9,21 9,62 9,60 9,68 9,10 9,24 9,39 PK3 10,28 10,10 - Aminoacid PK1 PK2 Pro 2,20 10,60 HyPro* 1,92 9,73 Glu 2,19 4,28 Asp 2,09 3,87 His 1,77 6,10 Lys 2,18 8,95 Arg 2,09 9,04 Thr 2,63 10,40 Gln 2,17 9,13 Asn 2,02 8,80 * - HyPro - Hydroxyproline PK3 9,66 8,82 8,17 10.53 12,48 - Giá trị pH mà đó phân tử aminoacid (hoặc chất điện phân lưỡng tính) mang số điện tích âm và dương gọi là điểm đẳng điện và ký hiệu là pHi Tại giá trị này aminoacid không di chuyển điện trường chiều Mỗi aminoacid coù ñieåm ñaúng ñieän ñaëc tröng Thông thường, giá trị pHi aminoacid là giá trị trung bình cộng caùc giaù trò pK cuûa noù Các phản ứng hóa học đặc trưng Tính chất hóa học đặc trưng aminoacid bao gồm các phản ứng liên quan với nhóm α-carboxyl, α-amin và các nhóm chức khác thành phần gốc R a/ Các phản ứng nhóm α-carboxyl: - Phản ứng với kiềm để tạo muối tương ứng: GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (18) Hoá sinh học - 17 - R – CH – COO- + NaOH ⎯⎯→ R – CH – COONa + H2O NH2 NH2 - Phản ứng với rượu để tạo ester: R – CH – COOH + CH3 - CH2OH ⎯→ R – CH – C – O – CH2-CH3 + H2O NH2 N O Nhữnbg ester này có thể ngưng tụ đun nóng để tạo pản phẩm màu dicetopyperasine tương ứng: CHR R – CH – COOR’ ⎯→ O = C NH2 HN NH + 2R’ -OH CO CHR Dưới tác dụng các tác nhân khử mạnh, ví dụ borhydrite natri, aminoacid bị khử thành rượu amine tương ứng: NaBH4 R – CH – COOH + CH3 - CH2OH ⎯⎯⎯⎯→ R – CH – CH2OH NH2 NH2 - Kết hợp với ammoniac để tạo amide: NaBH4 R – CH – COOH + NH3 ⎯⎯⎯⎯→ R – CH – C - NH2 NH2 NH2 O Hai phản ứng này thường sử dụng để xác định trật tự aminoacid chuỗi polypeptide từ đầu tận cùng chứa nhóm –COOH tự (C-tận cùng) b/ Các phản ứng nhóm α-amine - Phản ứng với HNO2 tạo nên oxyacid tương ứng, nitơ tự và nước: R – CH – COOH + HNO2 ⎯⎯⎯⎯→ R – CH – COOH + N2 + H2O OH NH2 Phản ứng với aldehyde, ví dụ pormaldehyde, để tạo các hợp chất linh động có tên chung là hợp chất schiff: R – CH – COOH + CH2O ⎯⎯⎯⎯→ R – CH – COOH + H2O NH2 N=CH2 Hai phản ứng này thường dùng để định lượng aminoacid tự - Phản ứng với ninhydrin: Khi đun nóng với ninhydrin đa số aminoacid bị oxyhóa và phân giải thành anhydride tương ứng, CO2 và NH3 GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (19) Hoá sinh học - 18 - Trong điều kiện định NH3 ngưng tụ với dicetohydrinden và với phân tử ninhydrin thứ hai để tạo thành sản phẩm màm tím đỏ hay lam đỏ: Phản ứng này nhạy và dùng để định lượng aminoacid phương phaùp saéc kyù vaø ñieän di treân giaáy Proline và oxyproline tạo với ninhydrin các sản phẩm màu vàng - Phản ứng Sanger: Phản ứng này Sanger dùng để xác định trật tự aminoacid chuỗi polypeptide từ đầu N-tận cùng, tức đầu tận cùng chứa nhóm NH2 tự Phản ứng với 1-dimethylaminophtalin-β-sulfonylchloride (gọi tắt là dansylchloride): - Phản ứng Edman: α-Aminoacid phản ứng với phenylisothiocianate để tạo các dẫn xuất phenylthio-hydatoyl tương ứng: GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (20) Hoá sinh học - 19 - Hai phản ứng cuối cùngđược sử dụng với mục đích phản ứng Sanger c/ Các phản ứng gốc R Gốc R các aminoacid khác chứa các nhóm hoạt động khác đã giới thiệu mục (1) Các phản ứng với tham gia chúng đa dạng và là yếu tố quan trọng góp phần xác định đặc điểm cấu trúc và hoạt tính sinh học protein Chúng xem xét tới sau các mục IV và VI II PEPTIDE Peptide là hợp chất hình thành từ ít hai phân tử aminoacid, đó nhóm α-amine aminoacid này kết hợp với nhóm α-carboxyl aminoacid baèng lieân keát -CO-NH- (lieân keát peptide): Tùy thuộc số gốc aminoacid phân tử, người ta phân biệt di-, tri-, tetrapeptide v.v Những peptide chứa từ hai đến khoảng 10 gốc aminoacid gọi chung là oligopeptide Nếu số gốc aminoacid đạt đến hàng trăm, ta có polypeptide – sở cấu trúc protein Để gọi tên các peptide phân tử nhỏ, người ta ghép từ đầu N-tận cùng tên các gốc aminoacid, đó đuôi “-ine” đổi thành “-yl”; riêng tên aminoacid C-tận cùng giữ nguyên Ví dụ glycylalanin, glycylalanylserin v.v Trong tự nhiên đã phát nhiều peptide khác có vai trò sinh học quan troïng nhö glutation, oxytosin,vasopresin Glutation (γ-glutamylcysteylglycine) laø moät tripeptide coù caáu taïo nhö sau: HOOC – CH – CH2 – CH2 – CO – NH – CH – CO – NH – CH2 – C00H NH2 Goác acid glutamic CH2SH Goác cysteine Goác glycine Glutation có vai trò quan trọng hô hấp Trừ dạng khử trên đây nó có thể chuyeån hoùa thuaän nghòch thaønh daïng oxy hoùa: GS.TS Mai Xuaân Löông Khoa Sinh hoïc Lop8.net (21)