Laø caáu truùc cuûa chuoãi polypeptide, trong ñoù caùc amino acid n ố i v ớ i nhau b ở i LK peptide vaø chuùng ñöôïc saép xeáp theo moät trình töï nhaát ñònh ñaëc tröng rieâng cho töøng[r]
(1)BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC PHẦN I – SINH HÓA HỌC TĨNH
Chương III- PRITEIN VÀ AMINO ACID
TP.HỒ CHÍ MINH-2008
PGS,TS.NGUYỄN PHƯỚC NHUẬN Chương III – PROTEIN & AMINO ACID
1 Đại cương : Định nghĩa; Vai trò
2 Amino acid : ĐN; Tính chất & Phân loại
3 Cấu tạo : Peptide bậc cấu trúc phân tử protein
4 Một số tính chất quan trọng protein Phân loại
Lớp protein đơn giản Lớp protein phức tạp
MỤC TIÊU Định nghóavàvai trò sinh họccủa protein
2 Thuộc viết công thức cấu tạo cùa20 amino acid thường gặp protein thiên
3 Mô tảcác kiểu liên kếttrong cấu trúc phân tử protein (LK peptide, LK hydrogen, LK disulfite …) trình bàycác bậc cấu trúccủa phân tử protein ý nghĩa chúng
4 Mộtsốtính chất: tính hòa tan (trạng thái keo), kết tủa, biến tính tính đặc trưng sinh vật học protein
5 Vai trị sinh học củacác nhóm protein đơn giản phức tạp; chế hoạt động trao đổi khí củahemoglobin
1 ĐẠI CƯƠNG ĐỊNH NGHĨA
• - “Protein” bắt nguồn từchữ“protos” : chủyếu,
• - Theo quan điểm hóa học : protein lớp chất hữu trùng phân tự nhiên với đơn phân cácαααα-amino acid Chúng có đặc điểm :
Phân tử trọng lớn→→→→đại phân tử
Luôn chứa nitrogen với tỷ lệ tương đối ổn định khoảng 16%
→ → →
→Tỷ lệ % protein = SL N x 6,25 x 100 - Theo quan điểm SVH : protein lớp chất hữu
(2)VAI TROØ
Protein rấtđa dạng mặt cấu trúc, tính đặc hiệu lồi cao
→ → →
→chúng tham gia vào tất biểu sống :
–Sự vận động đáp nhận kích thích,
–Sự sinh trưởng, phát dục sinh sản,
–Sự di truyền biến dị,
–Sự trao đổi chất không ngừng với môi trường xung quanh
Các protein cấu trúc: tham gia cấu tạo tế bào, mô bào Các protein phi cấu trúc(có hoạt tính sinh học) : enzyme(xúc
tác sinh học); kháng thể(chức bảo vệ), hormone(điều hịa sinh học) …
Bị oxy hóa→→→→cung cấp khoảng 10-15% nhu cầu lượng
2 AMINO ACID
ĐỊNH NGHĨA: acid hữu có1 H Cαααα
của gốc alkyl nhóm amine (NH2).Nếu có nhóm amine thứ thường chúngnằm C xa so với nhóm -COOH Amino acid làđơn vị cấu tạo protein
R
H-CH - COOH + NH2
Acid hữu αααα-Amino acid
R
H2N-CH - COOH α
α α α
α αα α
TÍNH CHẤT
-Tính hoạt quang: amino acid có mộtC* bất đối (ngoại trừ glycine) →→→→chúng có tính hoạt quang (quay mặt phẳng tia phân cực ánh sáng) tồn hai dạng đồng phân quang họcD L(trong tựnhiên gặp chủ yếu dạng L)
L(-) Serine CH2-OH
H-C* –OH C=O
H
L-Glyceraldehyde
CH2-OH
H-C* –NH2 C=O
OH
CH2-OH H2N-C* –H
C=O OH D- Serine
Tính lưỡng tính điểm đẳng điện R-CH-COOH
NH3+ (OH-)
R-CH-COO -NH3+
R-CH-COO -NH3+
R-CH-COO-(H+) NH2
Cation Amphion
(Zwitterion)
Anion Điện tích tổng số phụ thuộc pH mơi trường số nhóm –NH2và -COOH phân tử
(3)PHÂN LOẠI
- THEO CẤU TẠO HÓA HOC :
Chia làm nhóm (B.3.2, T.52)
- THEO VAI TRÒ SINH HỌC
- Các amino acid thiết yếu(khơng thay được) - Các amino acid không thiết yếu(thay được) Protein cógiá trị dinh dưỡng hồn tồn(có nguồn
gốc động vật : thịt, trứng, sữa – chứa đầy đủ amino acid thiết yếu)
Protein cógiá trị dinh dưỡng khơng hồn tồn– Chứa khơng đầy đủ amino acid thiết yếu, thường
đó protein có nguồn gốc thực vật 10 Lysine Lys K
I Ile Isoleucine 09 H His Histidine 08 G Gly Glycine 07 F Phe Phenylalanine 06 E Glu Glutamic acid 05 D Asp Aspartic acid 04 C Cys Cysteine 03 B Asx
Asparagine hay aspartic acid 02
A Ala
Alanine 01
Viết tắt chữ Viết tắt chữ
Amino acid STT
CÁC AMINO ACID THƯỜNG GẶP TRONG PROTEINTỰNHIÊÊN
Z Glx
Glutamine hay glutamic acid 22 Y Tyr Tyrosine 21 W Trp Tryptophan 20 V Val Valine 19 T Thr Threonine 18 S Ser Serine 17 R Arg Arginine 16 Q Gln Glutamine 15 P Pro Proline 14 N Asn Asparagine 13 M Met Methionine 12 L Leu Leucine 11
Viết tắt chữ Viết tắt chữ
Amino acid
STT CÔNG THỨC CẤU TẠO CỦA CÁC AMINO ACID
Val [V] VALINE
(αααα-amino isovaleric acid)
03
Ala [A] ALANINE
(αααα-amino propionic acid)
02
Gly [G] GLYCINE
(Amino acetic a.) 01 (monoamino monocarboxylic acid t/ tính Aminoacid I
Cơng thức cấu tạo Ký hiệu
Tên STT
H-CH-COOH NH2
CH3-CH-COOH
NH2
CH-CH-COOH NH2
CH3
(4)Thr [T] THREONINE
(αααα-amino ββββ-hydroxyl butyricacid) 07
Công thức cấu tạo Ký hiệu
Tên STT
Ser [S] SERINE
(αααα-amino ββββ-hydroxyl propionicacid) 06
CHỨA NHÓM OH ACID
AMINO
II
Ile [I]
ISOLEUCINE
(αααα-amino ββββ-methyl valericacid) 05
Leu [L] LEUCINE
(αααα-amino isocapronic acid)
04 CH3-CH-CH2-CH-COOH
CH3 NH2
CH3-CH2-CH-CH-COOH
CH3NH2
CH2-CH-COOH OH NH2
CH3-CH-CH-COOH OH NH2
Công thức cấu tạo Ký hiệu Tên STT Met [M] METHIO-NINE
(αααα-amino
γ-thiomethyl butyric acid) 09
Cys [C] CYSTEINE
(αααα-amino β ββ β-mercapto propionicacid) 08
CHỨA LƯU HUỲNH
ACID AMINO III
CH2- CH-COOH
SH NH2
CH2-CH2-CH-COOH
S.CH3 NH2
Công thức cấu tạo Ký hiệu Tên STT Gln [Q] GLUTAMINE
(amid củaαααα-amino glutaric acid)
Glu [E]
A.GLUTAMIC
(αααα-amino glutaric acid)
11
Asn [N]
ASPARAGINE
(amid củaαααα-amino succinic acid) Asp [D] A.ASPARTIC α α α
α-amino succinic acid 10
AMINO DICARBOXYLIC MONO
AMINOACID IV
HOOC-CH2-CH-COOH NH2 H2N-C-CH2-CH-COOH
O NH2
HOOC-CH2-CH2-CH-COOH NH2 H2N-C-CH2-CH2- CH-COOH
O NH2
Công thức cấu tạo Ký hiệu Tên STT MONOCARBOXYLIC DIAMIN AMINOACID IV HYDROXY-LYSINE 14 Lys [K] LYSINE
(ααααε-diamino caproic acid)
13
Arg [R]
ARGININE (αααα -amino δ-guanidine valerianic acid
12 HN-CH2-CH2-CH2- CH-COOH
C=NH NH2
NH2
CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH
NH2 NH2
(5)Công thức cấu tạo Ký hiệu Tên STT MẠCH VÒNG ACID AMINO V Trp [W] TRYPTO-PHAN
(αααα-amino β β β β-indolyl propionic acid) 17 Tyr [Y] TYROSINE
(αααα-amino β β β β-hydroxyphenyl propionic acid) 16 Phe [F] PHENYL-ALANINE
(αααα-amino β
β β
β-phenyl propionic a
15 -CH2- CH-COOH
NH2
-CH2-CH-COOH NH2 -CH2-CH-COOH
NH2
OH
NH
Công thức cấu tạo Ký hiệu
Tên
STT
HYDROXY-PROLINE
(γ-hydroxy pirrolidine
α αα
α-carboxylic acid) 20 Pro [P] PROLINE (pyrrolidine α αα
α-carboxylic acid) 19
His [H] HISTIDINE
(αααα-amino β β β β-imizazolyl propionic acid) 18 NH
N -CH2-CH-COOH NH2
NH COOH
NH COOH HO
3 CẤU TẠO
3.1 PEPTIDE
-Khi nhómαααα-aminecủa AA kết hợp với nhómαααα
-carboxylcủa AA đứng kế cận (khử p/t nước) tạo LK peptide, nhiều AA kết hợp với tạo thành chuỗi dài polypeptide
- Liên kết peptide →→→→Sơ đồ chuỗi polypeptide - Cách biểu diễn : đầu N ? Đầu C?
- Danh phaùp?
- Một số peptide tự nhiên có vai trị sinh học quan trọng :
- Các hormone : oxytocine, vasoprescine … - Các kháng sinh, nội độc tố vi khuẩn, - Glutathione
H H O H – N+– C - C
H
N – C - C H H O
H H O
N – C - C N – C – C H H O
O(-)
N – C - C H H O
H H O N – C - C H H O N – C - C
CH2 CH2 S.CH3 CH2 CH2 CH2
CH2-NH2
COO(-)
CH2 CH2
OH
Met
LK peptide
Sườn peptide
Đầu N Đầu C
(6)3.2 CẤU TRÚC PHÂN TỬ PROTEIN
Các bậc cấu trúc phân tử protein:
Cấu trúc bậc I: biểu thị thứ tự AA chuỗi polypeptide
(LK peptide), nhiều chuỗi polypeptide vị trí LK disulfide (nếu có diện)
Cấu trúc bậc II: biểu thị xoắn chuỗi polypeptide LK
hydrogenlà lực chủ yếu ổn định cấu trúc xoắn(α-helix & β -sheet)
Cấu trúc bậc III: biểu thị xoắn gập khúc chuỗi
polypeptide LK disulfideđóng vai trị quan trọng việv trì cấu trúc bậc III
Cấu trúc bậc IV: biểu thị kết hợp nhiều chuỗi
polypeptide có cấu trúc bậc III p/t
CẤU TRÚC BẬC NHẤT
Là cấu trúc chuỗi polypeptide, amino acid nối với bởiLK peptidevà chúng đượcsắp xếp theo trình tự định đặc trưng riêng cho loại phân tử protein Chính trật tự amino acid địnhtính đặc trưng sinh vật họccủa phân tử protein
- Sườn peptide
H2N-CH-CO NH-CH-CO … NH-CH-COOH - Gốc bên R : gốc alkyl amino acid tạo cấu
trúc khơng gian phức tạp tạo hoạt tính sinh học phân tử protein
R1
R2
Rn
Proteins are linear polymers
Proteins are linear polymers
of amino acids
of amino acids
R1 NH3＋＋＋＋ C CO
H
R2
NH C CO
H
R3
NH C CO
H R2
NH3＋＋＋＋ C COOーーーー
H ＋ ＋ ＋ ＋ R1 NH3＋＋＋＋ C COOーーーー
H
＋ ＋＋ ＋
H2O H2O
Peptide bond
Peptide bond
The amino acid sequence is called as
primary structure
A F G N A
G S T
S D
K
A carboxylic acid condenses with an amino group with the release of a water
- Liên kết peptide hỗ biến :
• H
• - C- N - →→→→ - C =N –
• O OH
• - Với 20 loại amino acid tạo2 x 1018tổ hợp
• →→→→19 tỷprotein khác • - Chỉ cần thay đổi amino acid polypeptide
(7)CẤU TRÚC BẬC NHẤT CỦA PHÂN TỬ PROTEIN (Một đơn vị peptide khối xếp nguyên tử
N , H , C & O Khoảng cách nối tính A0)
CẤU TRÚC BẬC HAI
Là kết cấu cuộn xoắn không gian chuỗi polypeptide: AA tự nhiên bất đối nên chúng có khả quay tự quanh mối liên kết Cαα →αα→→→xu hướng hình thành cấu trúc xoắn :
Dạng xoắn lò xo : αααα-helix
Gấp nếp xếp lớp : ββββ-sheet
-Lực ổn định cho cấu trúc bậc II làliên kết hydrogen hình thành nhóm NH(+)và C=O(-)khi khoảng cách
giữa chúng2,79 ±±±±0,12 A0.
-Mỗi vòng xoắn chứa 3,6 gốc AA →AA thứ thứ 18 mặt phẳng
Mô hình cấu trúc bậc II
α α α α-helix
Mô hình cấu trúc bậc II xếp
(8)Basic structural units of proteins: Secondary structure
Basic structural units of proteins: Secondary structure
α-helix β-sheet
Secondary structures, α-helix and β-sheet, have regular
hydrogen-bonding patterns CÁC KIỂU KẾT CẤU BẬC HAI TRONG
PHÂN TỬ PROTEIN
CẤU TRÚC BẬC NHẤT (CHUỖI POLYPEPTIDE)
Trong tựnhiên chuỗi polypeptide phân tử protein
tồn nhiều dạng cấu trúc khác :
Chỉ dạngαααα-helix;
(9)Một dạng cấu trúc sợi đặc biệt : collagen, có nhiều tổ chức gân, sụn, da, xương Ở khoảng 40oC collagen →→→→gelatin.
TP AA collagen chủ yếu (Gly-Pro-Hyp); sợi gồm chuỗi αααα-helix, chuỗi khơng có LK H, chuỗi ổn định nhờ lực đẩy vịng pyrrolidonecủa Pro Hyp; chuỗi có LK H cáccầu disulfideđồng hóa trị bền vững →
→ →
→gân dai, khó tiêu hóa
CẤU TRÚC BẬC BA
Là dạng cấu trúc không gian chiều chuỗi polypeptide, protein có dạng cầu hay elip, enzyme, albumin, globulin …
Các cầu nối ổn định cấu trúc bậc ba : (1)- Nối tónh điện
(2)- Nối hydrogen :
(3)- Nối disulfid : liên kết nguyên tử sulfur cysteine vòng xoắnαααα-helix
(4)- Nối kỵ nước : xảy nhân vịng chi hồn hay gốc bên R khơng phân cực
(5)- Lực Val der Waals : lực xảy phân tử có
khoảng cách 1-2 lần đường kính phân tử CÁC CẦU NỐI TRONG CẤU TRÚC BẬC BA CỦA PROTEIN
1
1
2
3
2
(10)Three
Three dimensional structure of proteinsdimensional structure of proteins
Tertiary structure
Quaternary structure
•Nối(–S – S-)bền chúng cĩ it trongphân tử, nối khác bền nhưngcũng rấtquan trọng chúng cĩ khắp bề mặt vùng xoắn •Với cấu trúc bậc ba gốc kỵ nước đượcđẩy vào nhĩm ưa nước bố trí bề mặt phân tử→→→→tạo lớp vỏ nuớc, ổn định trạng thái keo
•Cấu trúc bậc bađặc thù riêng cho loại protein, phù hợp với chức sinh học chúng Thông qua cấu trúc bậc ba enzyme hình thành trung tâm hoạt động để thực chức xúc tác Chính dạng cấu trúc bậc baảnh hưởng định đến hoạt tính sinh học protein
• Các yếu tố mơi trường : to, pH … làm thay đổi cấu
trúc bậc ba làm thay đổi hoạt tính sinh học phân tử protein
CẤU TRÚC BẬC BỐN
• Là trạng thái tổ hợp nhiều đơn vị cấu truùc bậc ba
hồn chỉnh,tổ hợp ổn định nhờ LK (-S-S-) lực phụ khác
Rất nhiều protein phải dạng cấu trúc bậc bốn thể hoạt tính sinh học
Myoglobin
(11)CẤU TRÚC PHÂN TỬ COLLAGEN (a) VÀ Hb -αααα2,ββββ2 (b)
CẤU TRÚCDOMAIN
Là vùng có cấu trúc tương đối hồn chỉnh phân tử protein, nơi thực chức liên kết, chức lắp ráp phân tử protein Các domain tạo khả tương tác linh hoạt đại phân tử qúa trình hoạt động chúng
Summary
Summary
• Proteins are key players in our living systems
• Proteins are polymers consisting of 20 kinds of amino
acids
• Each protein folds into a unique three-dimensional
structure defined by its amino acid sequence
• Protein structure has a hierarchical nature • Protein structure is closely related to its function • Protein structure prediction is a grand challenge of
(12)4 MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CUÛA PROTEIN
Trọng lượng phân tử cao Protein có trạng thái keo
Tính lưỡng tính điểm đẳng điện Tính đặc trưng sinh vật học
5 PHÂN LOẠI
5.1 CÁC PROTEIN ĐƠN GIẢN
TP phân tử bao gồm amino acid ALBUMIN &GLOBULIN
Lưu ý tiểu phần albumin globulin huyếtthanh – Albumin nguồn V/C t/g xây dựng hầu hết loại cấu trúc tế bào, mô bào, chúng tổng hợp từ gan
- Chức : giữ áp lực keo máu, - Điều hòa TĐC máu dịch gian bào,
- Vận chuyển chất dinh dương (khoáng, acid béo, số vitamin …)
• GLOBULIN
αααα-Glo: αααα1& αααα2, có lipoprotein, glucoprotein, t/g chuyển hóa glucid, lipid
ββββ-Glo:t/g vận chuyển chuyển hóa kim loại :
transferrin (sắt), seruloplasmin (đồng) …
γγγγ-Glo: l/q lớp globulin miễn dịch - immunoglobulin (Ig)
IgA (αααα) IgM (µµµµ)
IgG (γγγγ)
IgD (δδδδ) IgE (εεεε)
PROTAMINE VAØ HISTONE
Là protein cótính kiềmvì p/t chứa nhiều AA kiềm tínhdiamine(Lys Arg) Histone có nhân tb, liên kết với DNA →→→→NST
Protamine có nhiều tinh dịch, trứng cá …
PROLAMINE VAØ GLUTELINE
Là protein thực vật, khơng tan nước, hồ tan alcohol 70 – 800.
SCLEROPROTEIN
(13)Cấu trúc phântử collagen (A) va elastin (B)
• Collagen : chiếm khoảng ¼ khối lượng protein thể , mơ liên kết, gân, dây chằng, sụn, xương răng, có khả đàn hồi chịu lực cao;
• Collagen + elastin tạo thành cấu trúc da Col đảm nhận tính co giãn da→→→→khi collagen thể bị thóai hóa (mỗi năm khoảng 1,5% khối lượng)thì qúa trình lão hóa nếp nhăn da gia tăng Col đảm nhận sựsăn chắc, elastin đảm nhận tínhlinh hoạtcủa mơ thể Hai tạo nên tính dẻo dai gân, cơ, mạch máu, da, giúp thể vận động dẻo dai, da săn khỏe mạnh
5.2 CÁC PROTEIN PHỨC TẠP
TP phân tử : ngồi amino acid cịn có nhóm ghép Tuỳ theo chất hóa học nhóm ghép, người ta phân protein phức tạp thành nhóm
Phosphoprotein : protein + gốc –P Glucoprotein : protein + glucid Lipoprotein : protein + lipid
Chromoprotein : protein + h/c hemin+ kim loại→có màu Nucleoprotein : protein + nucleic acid
PHOSPHOPROTEIN
Chuỗi polypeptide LK với H3PO4qua nhóm OH Ser Liên quan nhiều với chất dinh dưỡng động vật non : caseinogentrong sữa, ovovitelintrong lòng đỏ trứng, ictulintrong trứng cá …
GLUCOPROTEIN
- Nhóm ghép glucid (các hexose hexosamine …) tên chungmucopolysaccharide; gặp trạng thái tự a.hyaluronic, a.chondroitinsulfuric … - Chức : chấtciment gắn kết tế bào, mô bào; chất nhâøy giảm ma sát niêm dịch, dịch bao khớp : osteomucoid(xương), mucine(nước bọt), ovomucoid
(14)H O
- H N – C - C N – C - C
H H O
H H O
N – C - C N – C – CO -H -H
N – C - C H H O
H H O N – C - C H H O N – C - C
CH2 CH2 S.CH3
CH2
CH2 CH2
CH2-NH2
O –P =O
CH2 OH CH2
PHOSPHOPROTEIN
O – P = O LIPOPROTEIN
Nhoùm ghép lipid hay dẫn xuất lipid (lecithin, cholesterol, acid phosphatidic …)
Chức : tham gia cấu tạo vách tế bào loại màng sinh học (xem lại chương Lipid) T/p cấu trúc màng định tínhbán thấmvàtính hấp phụđặc hiệu màng; đóng vai trò quan trọng trongdẫn truyền xung động thần kinh
CHROMOPROTEIN
Chroma = màu sắc
Là lớp protein có màu sắcvì TP nhóm ghép có ngun tửkim loại Chúng liên quan đến q trình hơ hấptrao đổi khí:
- Hemoglobin máu : v/c trao đổi O2và CO2giữa
phổivà mô bào;
- Myoglobin : dự trữ O2trong cơ;
- Chlorophill chất diệp lục, t/g quang hợp thực vật; - Các enzyme : flavoprotein (FP)
HEMOGLOBIN (Hb)
• Hb = Globin + HEME Globin: chuỗi polypeptide :
2 chuoãiαααα(2 x 141 AA)
2 chuoãiββββ(2 x 146 AA)
Mỗi chuỗi kết hợp với HEME để v/c O2 Người ta xác định nhiều loại Hb khác :
- HbF(fetal Hb) : Hb bào thai;
- HbA(adult Hb) : Hb người trưởng thành;
- HbS: Hb bệnh nhân thiếu màu hồng cầulưỡi liềm (Gluở vị trí chuỗiββββthế bởiVal); - HbC: Hb bệnh nhân thiếu màu hồng cầuhình bia
(15)Cấu trúc bậc bốn tetramers hemoglobin A ( αααα2Aββββ2A)
• Ký hiệu Hb theo chuỗi peptide :
• - HbA = αααα2Aββββ2A = αααα2Aββββ26Glu
• - HbS = αααα2Aββββ2S = αααα2Aββββ26Val
(16)Cấu tạo nhóm heme : 1,3,5,8 tetramethyl
7
1
5
2
4
6
Fe2+
(17)Liên kết GLOBIN – HEME :
Fe2+của heme nối với N vịng pyrrole bởøi LK
phối trí LK cộïng hóa trị
Mỗi chuỗi polypeptide globin kết hợp với heme
qua LK phối trí Fe2+của heme N nhân
imidazone His, vị trí bị chiếm O2để tạo thành HbO2(lúc sắt có hóa trị 2) →
→ →
→mỗi p/t Hb v/c O2
Tính chất quan trọng Hb khả kết hợp
với chất khí, đặc biệt oxygen Sự liên kết
heme với chất khí phụ thc vàốp suất riêng
của chất khí
CẤU TRÚC MONOMER CỦA HEMOGLOBIN
(cấu trúc bậc ba : chuổi peptide gắn với nhóm heme)
Oxy hemoglobin (HbO2)
Carboxy hemoglobin (HbCO)
Met Hb (Fe3+)
Carbo hemoglobin (R-NH-COOH = HbCO2)
O2
CO
OH
HOẠT ĐỘNG TRAO ĐỔI O2VÀ CO2GIỮA PHỔI VÀ MÔ BÀO
MÁU CƠ
(18)Cấu trúc phân tử myoglobin
(một chuỗi peptide – 153 AA, heme)