2.2 Cấu trúc và chức năng của một số đại phân tử sinh học
2.2.1 Cấu trúc của protein
Protein (Protid hay Đạm) là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là axit amin. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptide (gọi là chuỗi polypeptide). Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein.
Acid amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amine (−N H2), hai là nhóm cacboxyl (−COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với một nguyên tử hydrogen và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của acid amino. Người ta đã phát hiện ra có hơn 20 loại acid amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống.
Hầu hết các protein uốn gấp thành một cấu trúc ba chiều duy nhất. Các [5] cấu trúc ba chiều của protein bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm: nhiệt độ, pH, sự có mặt của chaotropic cosmotropic, hoặc sự hiện diện của chất làm biến tính.
Hình dạng mà một protein uốn gấp một cách tự nhiên được gọi là hình dạng nguyên sinh. Mặc dù nhiều protein có thể uốn gấp mà không cần hỗ trợ, chỉ đơn giản dựa trên các đặc tính hóa học của các axit amino thành phần, những protein khác đòi hỏi sự hỗ trợ của phân tử chaperone để uốn gấp thành hình dạng nguyên sinh của chúng.Về mặt cấu trúc và các dạng tồn tại trong không gian của các protein có khác nhau, hiện người ta phân biệt 4 loại cấu trúc của protein: I, II, III, IV:
2.2.1.1 Cấu trúc sơ cấp hay cấu trúc bậc I
Cấu trúc bậc I của protein là thành phần và trình tự sắp xếp của các gốc amino acid trong mạch polypeptide.. Trong hóa sinh, polypeptide luôn luôn được bắt đầu là nhóm amino của acid amino thứ nhấtN- đầu mạch và cuối mạch là nhóm Cacboxyl của axit amin cuối cùngC - cuối mạch, bởi vì đây là thứ tự mà các axit amin được thêm vào trong quá trình tổng hợp protein trong tế bào (quá trình này đã được thảo luận chi tiết trong sách giáo khoa của sinh học phân tử của tế bào).
Hình 2.2.1: cis−, trans−hai đồng phân xung quanh liên kết peptide Cα, C0,nguyên tử Nitrogen và nguyên tử oxygen của liên kết peptide hình thành một mặt phẳng hình. Liên kết giữaC’ vàN là ngắn hơn một chút so với một liên kết đơnC−N thường, vì C=O liên kết đôi. Do đó, nhóm R- của các axit amin có thể xuất hiện trong cấu hình cis− hoặc cấu hình trans− (hình 2.2.1). Bởi vì sự cồng kềnh nhóm R− , cấu hình trans− ổn định hơn đối với hầu hết các axit amin (xác suất là 99,95% ). Trường hợp ngoại lệ, nhóm R− xuất hiện trong cấu hình trans−thường xuyên hơn các axit amin khác (xác suất là 6%).
Cấu trúc bậc I của Protein có vai trò tối quan trọng vì trình tự các acid amino trên chuỗi polypeptide sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi, là cơ sở cho việc hình thành cấu trúc không gian của protein và từ đó quyết định đặc tính của protein. Phân tử protein ở bậc I chưa có hoạt tính sinh học vì chưa hình thành nên các trung tâm hoạt động. Phân tử protein ở cấu trúc bậc I chỉ mang tính đặc thù về thành phần acid amino, trật tự các acid amino trong chuỗi. Sự sai lệch trong quá trình sắp xếp của các acid amino có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất protein.
2.2.1.2 Cấu trúc bậc II
Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptide. Nói cách khác, cấu trúc bậc II là dạng không gian cục bộ của từng phần trong mạch polypeptide. Cấu trúc này được làm bền nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa liên kết peptide ở kề gần nhau, cách nhau những khoảng xác định. Theo Pauling và Cori (1951) cấu trúc bậc II của protein bao gồm 2 kiểu chính là xoắnα và phiến gấp nếp β.
1. Cấu trúc xoắnα: Khi nghiên cứu về cấu hình không gian của protein Linus
và Robert Corry đã chứng minh rằng, chuỗi polypeptide có cấu tạo xoắn ốc. Mỗi vòng xoắn gồm 3,6 gốc amino acid (18 gốc amino acid sẽ tạo được 5 vòng xoắn). Khoảng cách giữa các vòng xoắn là 5.4A0 (1.5A0cho mỗi amino acid). Các gốc bên của các amino acid không tham gia trực tiếp vào việc tạo thành mạch polypeptide đều hướng ra ngoài. Góc xoắn là 260. Có thể xoắnα phải và xoắnα trái (ngược chiều kim đồng hồ) (hình 2.2.2).
Hình 2.2.2: Mô tả xoắn α. a) Vòng xoắn ổn định nhờ liên kết hydrogen giữa các amino acid thứ n và n+4.
b) Xoắn phải.
c) Góc R hướng ra ngoài từ trục xoắn.
Cấu tạo xoắn được giữ bền vững nhờ liên kết hydro, các liên kết hydrogen được hình thành tối đa giữa các nhóm –CO của liên kết polypeptide này với nhóm –N H của liên kết nhóm peptide thứ 3 kề nó. Cấu trúc xoắn α của protein có độ bền rất cao và rất phổ biến trong các protein, tuy nhiên số lượng vòng xoắn α trong mỗi protein phụ thuộc vào số lượng và trình tự sắp xếp các amino acid trong protein đó. Một số amino acid không có khuynh hướng tham gia cấu tạo xoắn, ngược lại, một số khác lại đóng vai trò chủ đạo trong việc hình thành cấu tạo xoắn. Một số kiểu cấu tạo xoắn khác cũng được xác định như cấu tạo xoắn 310. Theo kiểu xoắn này, trong mỗi vòng xoắn có 3 gốc amino acid . Cấu tạo xoắn αx và αy thì có 4.4 và 5.2 gốc amino acid trong 1 vòng xoắn. Các dạng cấu tạo xoắn này ít gặp hơn cấu tạo xoắn α.
2. Cấu trúc gấp nếp β: là cấu trúc hình chữ chi, tương tự như tờ giấy gấp nếp, (hình 2.2.3) có dạng phiến. Mặt liên kết peptide nằm trên mặt phẳng gấp nếp (mặt phẳng tờ giấy), các gốc bên R của các amino acid có thể nằm ở trên hoặc ở dưới mặt phẳng gấp nếp. Các mạch polypeptide nằm kề nhau liên kết với nhau bằng liên kết hydro giữa nhóm –CO của mạch này với nhóm –N H của mạch kia. Khoảng cách trên trục giữa hai gốc amino acid kề nhau là 3.5A0 (ở xoắn α).
Hình 2.2.3: Cấu trúc phiến β.Các mũi tên chỉ hướng chuỗi các acid amino.
2.2.1.3 Cấu trúc bậc III
Cấu trúc bậc hai và bậc ba tạo dạng ổn định nhất cho phân tử protein , các cấu trúc này được hình thành nhờ các loại tương tác không cộng hóa trị (liên kết ion, liên kết hydrogen và các tương tác kị nước) giữa các chuỗi amino axit khác nhau trong phân tử và với (nước) các phân tử xung quanh nó. Cấu trúc bậc ba là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong mạch polypeptide,
là dạng cuộn lại trong không gian của toàn mạch polypeptide (hình dạng chung của chuỗi polypeptide).
Trong thực tế, nhiều protein có cấu trúc bậc III dạng hình cầu. Nguyên nhân làm cho các phân tử protein có thể cuộn lại thành hình cầu là do sự tương tác của các nhóm bên (gốc R) của amino acid. Do sự tương tác này mà cấu trúc bậc II đều đặn bị biến dạng, dẫn đến hình thành cấu trúc bậc III.
Như vậy, ở cấu trúc bậc III, chuỗi polypeptide có những vùng có cấu trúc bậc II xác định, có những vùng có cấu trúc gấp nếp β và những vùng xoắn ngẫu nhiên làm cho phân tử cuộn lại có dạng hình cầu.
Đặc điểm quan trọng trong cấu trúc bậc III là sự hình thành những vùng kị nước do các gốc bên không phân cực của các amino acid hợp thành. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng, cấu trúc bậc III được giữ vững và ổn định chủ yếu do sự tương tác kị nước và liên kết hydrogen. Ngoài ra, người ta cũng tìm thấy liên kết disulfur (−S−S) ở một số protein có cấu trúc bậc III, song sự hình thành cầu disunfua (hình 2.2.4a) không phải là lực chủ đạo làm cho mạch polypeptide cuộn lại, mà nó được hình thành ngẫu nhiên khi các nhóm –SH của các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide đã cuộn lại nằm kề nhau. Cầu disunfua đóng vai trò giữ vững và ổn định cấu trúc bậc III.
(a) (b)
Hình 2.2.4: (a)Cấu trúc bậc ba của protein.(b) Cấu trúc bậc bốn của protein.
Phần lớn các protein hình cầu có cấu trúc bậc III, có các gốc amino acid kị nước quay vào trong, còn các gốc amino acid ưa nước phân bố trên bề mặt.
2.2.1.4 Cấu trúc bậc IV
Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc III trong phân tử protein. Hay nói cách khác, những phân tử protein có cấu trúc từ 2 (hình 2.2.4b) hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau trong không gian tạo nên cấu trúc bậc IV. Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị (subunit), chúng
gắn với nhau nhờ các liên kết hydrogen, tương tác VanderWaals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các tiểu đơn vị để làm bền cấu trúc bậc IV.
Cấu trúc bậc IV có ý nghĩa quyết định đối với tính chất sinh học, hoạt tính và sự đặc hiệu của protein.