1.2.3.1. Peptide và thuyết polypeptide
- Peptide là chuỗi aa l/kết với nhau bằng l/kết peptide
- L/kết peptide: đồng hoá trị, hình thành nhờ loại nước (ngưng tụ) giữa α-COOH của AA trước với α-NH2 của AA sau.
a. Peptide:
Hai aa nối với nhau qua một l/k peptide → dipeptide.
Ba aa nối với nhau qua 2 l/k peptide → tripeptide.
Một số aa l/kết với nhau → oligopeptide.
Chuỗi có 2 đầu: Đầu N chứa NH+3 tự do (của aa số 1, các aa tiếp theo là số 2, 3, 4, …. ); đầu C chứa nhóm COO- tự do của aa cuối chuỗi.
Các peptide tồn tại ở dạng ion hoá:
Nhờ các nhóm amin và carboxyl ở đầu và cuối chuỗi hoặc gốc R của các aa trong chuỗi polypeptide, các peptide tồn tại ở dạng ion hoá khác nhau, tùy thuộc vào m/trường.
→ Các peptide cũng có đường cong chuẩn độ đặc trưng, và dựa vào đó có thể x/định được pI của các peptide này.
Ph/ứng h/học đặc trưng của các peptide:
- Có thể bị th/phân:
Nhờ chất x/t vô cơ như HCl 6M (trong 1 giờ) hoặc base mạnh Nhờ các protease: trong ống TH, protein TĂ bị th/phân.
Peptide HCl 6M (hoặc protease) + H2O
Các AA tự do
- Ph/ứng đặc trưng của lk peptide là pứ biure:
Trong m/t kiềm, các ph/tử có chứa từ 2 l/k peptide trở lên sẽ tạo phức chất có màu xanh tím với Cu++.
Ứ/dụng: - Ph/hiện protein trong các vật phẩm,
- Định lượng protein h/thanh và các dịch s/học khác.
Cu++
| CO
|
| N _
CO H N CR
CO
|
| _
|
HCR
| CO H
CO
|
| N OC
| N
| RC _
| _
RCH
|
| H CO
CO
|
| NH OC
| NH
| RC _
| _
RCH
| CO |
|
| HN _
CO H HN CR
CO
|
| _
|
HCR
Cu++
OH-
Phức chất màu xanh tím Protein
|
|
b. Thuyết polypeptide về cấu tạo phân tử protein
• Danhilepsky (1888): lk –CO – NH – v/trò q/t trong c/t protein.
• Fisher (1900) kh/định sự t/tại của lk peptide (–CO – NH –), đề ra thuyết polypeptide về c/tạo ph/tử protein:
“Ph/tử protein là 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide, tạo nên từ
hàng chục hoặc hàng trăm gốc aa nối với nhau bằng lk peptide”.
Ở tr/thái nguyên vẹn, ph/tử có rất ít nhóm NH2 và COOH tự do
Khi bị th/phân, các nhóm NH2 và COOH từ từ g/phóng với tỷ lệ 1/1 lk peptide bị ph/giải.
Biure là p/ư đặc trưng cho lk peptide. Các ph/tử protein đều th/gia p/ư này trong ph/tử có các lk peptide
Nhiều TN đã kh/định thuyết polypeptide:
T/hợp nhân tạo được protein (insulin) → Bản chất polypeptide của protein được k/định.
Ph/pháp nhiễu xạ tia X cho thấy: trong chuỗi polypeptide, các aa được s/xếp liên tục đ/trưng cho từng ph/tử protein. Các đặc điểm của lk peptide đã được xác định.
Các đặc điểm của lk peptide:
• Bốn ng/tử C, O, H, N tạo lk peptide nằm trong 1 mặt phẳng, O và H luôn nằm ở vị trí trans so với lk peptide.
• Các nhóm lk với Cα có k/năng quay tự do.
• Lk giữa C và N trong nhóm –CO – NH – vừa có đ/tính của lk đơn, vừa có đ/tính của lk đôi lk peptide tồn tại ở 2 dạng ketone và enol. Dạng enol không bền, do ng/tử H rất linh động protein có kh/năng ph/ứng cao, đa ch/năng.
(Lk C-N trong peptide có độ dài 1,32 A°, ngắn hơn lk C-N trong aa đơn lẻ (1,49 A°) và dài hơn kh/cách giữa C-N trong lk đôi (1,27 A°). Ng/nhân: có sự cộng hưởng hoặc chia phần của 2 đôi điện tử dùng chung giữa C của nhóm carbonyl và nitơ. Ôxy có thừa điện âm hơn, còn nitơ thừa điện
dương hơn; O của nhóm (-CO-) và hydro của NH sẽ tr/đổi e- cho nhau → l/kết amid C-N tồn tại ở dạng nửa đôi.
1.2.3.2. Các bậc cấu trúc của protein
a. Cấu trúc bậc nhất
- Ctb1 = Trình tự và số lượng các aa trong chuỗi polypeptide.
Các aa s/xếp với số lượng nh/định, theo một tr/tự nh/định đ/hiệu riêng cho từng loại protein; Ctb1 q/định cấu hình kh/gian ba chiều và ch/năng của protein.
Trình tự s/xếp của các aa trong protein do mã d/truyền q/định.
Di truyền ở SV là sự truyền lại cho đời sau ctb1 của protein.
- Các aa trong chuỗi nối với nhau nhờ lk peptide.
Lk q/định ctb1 là lk peptide.
- Qui ước nhóm amin ở bên trái và đánh số thứ tự aa từ trái sang phải chuỗi polypeptide.
- Là c/trúc c/bản, q/trọng nhất; q/định mọi t/chất của protein, hàng loạt v/đề như nòi giống, ph/chất, kh/n kháng bệnh,…
- Được q/định bởi số lượng và trình tự các aa trong chuỗi. 2 điểm này tạo nên tính ĐTSH của protein (Mỗi loài, mỗi mô bào của một cơ thể, mỗi cấu tử của TB đều có những protein có c/trúc và ch/n đ/hiệu t/ứng. Có sự l/quan ch/chẽ giữa c/trúc và c/n s/học. Mỗi sự th/đổi về c/trúc → th/đổi h/tính và c/n.
Ý nghĩa của ctb1 ở protein:
Số lượng các aa trong chuỗi polypeptide q/định TLPT.
Trình tự các aa → tính đa dạng về cấu trúc và chức năng (mặc dù chỉ x/phát từ 20 loại - aa)
Sự th/đổi về trình tự s/xếp aa có thể dẫn đến những trường hợp bệnh lý. VD điển hình: bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm.
Hb cấu tạo từ 2 chuỗi và 2 chuỗi . Ở người bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, aa thứ 6 trên chuỗi là Glu được thay bằng Val:
COO- CH3 | |
(CH2)2 CH- CH3 | |
- HN- CH- CO- - HN- CH – CO – (Glu) (Val)
Ở các loài khác nhau, protein th/hiện cùng một c/năng s/học có thể hơi khác nhau. VD: insulin, gồm 2 chuỗi: chuỗi A có 21 aa và chuỗi B có 30 aa; các loài khác nhau, aa tại các vị trí 8; 9 và 10 trên chuỗi A không giống nhau:
→ Số /lượng và trình tự aa trong chuỗi = 2 yếu tố qui định nên th/giới SV đa dạng và ph/tạp. Việc phân chia chủng loại, nòi giống, kh/năng tự vệ, kiểu TĐC, vv.. đều do 2 y/tố này.
Loài Aminoacid
8 9 10 Bò Ala Ser Val Lợn Thr Ser Ile Ngựa Thr Gly Ile
b. Cấu trúc bậc hai
- Là sự t/tác kh/gian của các gốc aa gần nhau hay cạnh nhau trong từng đoạn của chuỗi, mô tả cấu trúc kh/gian bên trong của từng phần trong ph/tử.
- Hai dạng thường gặp: Xoắn α
Gấp nếp
- Chuỗi cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành những bước xoắn.
- Đ/trưng cho protein dạng cầu của các mô mềm (cơ, máu; trứng, sữa).
- Một vòng xoắn có 3,6 gốc aa;
kh/cách giữa 2 gốc aa là 1,5 A°;
chiều cao một bước xoắn 5,4 A°.
- Bước xoắn tồn tại nhờ l/kết hydro, hình thành giữa –CO- của aa này với –NH- của aa đứng trước 4 gốc aa.
Xoắn α (α-helix):
Lk hydro
Gấp nếp :
- Thường gặp ở protein dạng sợi
- Chuỗi polypeptide duỗi thẳng, không cuộn lại như xoắn α.
Khoảng cách giữa các aa cạnh nhau theo đường trục là 3,5A° (1,5A° trong xoắn α).
- Gấp nếp ổn định nhờ lk hydro giữa nhóm –NH- và –CO- trong các chuỗi khác nhau (hoặc giữa những đoạn khác nhau trong một chuỗi).
- Trong gấp nếp , các chuỗi polypeptie nằm song song hoặc đối song song.
Các protein dạng sợi chỉ có một dạng ctb2, protein hình cầu (enzyme, protein v/c, một số hormone và immunoglobulin) lại có thể kết hợp nhiều dạng ctb2 trong cùng một ph/tử.
Song song
Đối nhau
c. Cấu trúc bậc ba
Myoglobin
- Là cấu trúc kh/gian 3 chiều của chuỗi polypeptide
- Là sự t/tác kh/gian của từng đoạn của chuỗi đã có ctb2 hoàn chỉnh, tạo cho ph/tử có h/dáng ổn định và đ/trưng.
- Mỗi biến đổi ctb3 đều kéo theo những hệ quả về h/tính của protein. VD: Khi pH mt th/đổi → ctb3 th/đổi
→ TTHĐ của enzyme bị b/đổi, enzyme mất t/dụng với cơ chất.
Các l/kết ổn định ctb3 :
Lk disulfide (-S-S-)
- Cys- SH + HS-Cys- -Cys-S-S-Cys-
L/k disulfide
-2H
Lk đồng hoá trị, NL mạch lớn, khoảng 10 kcal/mol
Số lượng trong ph/tử không nhiều. Protein chứa 150 aa cũng chỉ có 3 - 5 lk này → Sự đóng góp của lk này vào việc ổn định ctb3 không lớn.
Các liên kết yếu:
NL mạch thấp (0,3-0,5 →1kcal/mol),
Có nhiều trong ph/tử → đóng v/trò q/định để ổn định ctb3.
Là nền tảng của mọi t/tác s/học, VD: t/tác E-S, H-R, KT-KN Gồm 4 loại: ion, hydro, kỵ nước, Van der Waals
Liên kết ion (tĩnh điện, muối):
-Glu-COO- .... H3N+-Lys-
Liên kết hydro: hình thành khi một proton (hạt nhân ng/tử hydro) nằm giữa hai tr/tâm tích điện âm cách nhau một khoảng không quá 4A° (giữa O hay N).
-Tyr-O-H ….-O-CO-Asp-
Tương tác kỵ nước giữa các gốc aa kỵ nước gần nhau.
Lực Van der Waals (nhà b/học Hà Lan): lực hút vạn vật ở th/giới vĩ mô
Khi pH, t° hay áp suất th/đổi → ảh nhanh và rõ rệt tới các lk yếu trên → ả/h tới c/trúc của các h/thống s/học.
Ch/năng của protein ph/thuộc vào ctb3. Khi ctb3 bị phá huỷ
→ protein biến tính và mất h/tính s/học. Ví dụ: enzyme bị b/tính sẽ mất kh/năng x/tác, các KT biến tính sẽ mất kh/năng gắn KN.
Ý nghĩa của ctb3:
- Tiền đề tạo nên TTHĐ ở các protein ch/năng
- Chuỗi được bố cục gọn hơn trong không gian và ổn định hơn trong mt TB
d. Cấu trúc bậc bốn của protein
- Là sự tụ hợp lại của các chuỗi đã có ctb3 h/chỉnh, tạo thành tổ hợp ph/tạp nhằm th/hiện những ch/năng s/học.
- Các protein oligomer hay multimer có nhiều chuỗi cùng loại hay khác loại l/k với nhau.
VD: Kháng thể có 2 chuỗi H và 2 chuỗi L, Hb có 2 chuỗi α và 2 chuỗi β l/k với nhau.
Trong ctb4, s/lượng các lk disulfide rất ít. Các monomer (chuỗi) gắn kết với nhau chủ yếu nhờ các lk yếu ở những vùng gọi là giao diện bổ sung.
Sự tồn tại ctb4 giúp cho c/thể SV kh/năng điều tiết rất linh hoạt. Những qt h/hoá hay ức chế (khoá enzyme, khoá hormone…) đều thực hiện thông qua việc t/động lên ctb4.
VD: Glycogen phosphorylase (ph/giải glycogen) tồn tại ở 2 dạng: dạng dimer (có 2 chuỗi) không h/động, khi 2 dimer tổ hợp lại thành tetramer (có 4 chuỗi) thì h/động. H/tính x/tác của enzyme được đ/khiển nhờ sự b/đổi giữa 2 dạng trên.
Ý nghĩa của ctb4:
Phosphorylase “b”
Dạng dimer
Không hoạt động
Phosphorylase “a”
Dạng tetramer Hoạt động
4ATP 4ADP
4Pi
P
P P
P +
H2O