CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.2 Khái quát chung về vải lụa tơ tằm
1.2.3 Hình thái, cấu tạo vật lý và cấu trúc của tơ tằm
Hình thái và cấu tạo vật lý
Tơ tằm là một sợi protein có chứa các axit amin. Đặc tính vật lý của sợi
16
được xác định bởi cấu trúc của mạch đại phân tử fibroin. Một phần trong các mạch đại phân tử bao gồm các axit amin với trọng lượng phân tử thấp. Phần còn lại của các đại phân tử được đặc trưng bởi các vùng vô định hình kèm theo các axit amin của một trọng lượng phân tử cao hơn. Với vùng tinh thể và vô định hình nên tơ tằm có kết cấu bền vững độ đàn hồi cao.
Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của tơ thô
Sợi tơ tằm (B. mori) mọc ra từ kén tằm bao gồm fibroin ở lớp bên trong và sericin ở lớp ngoài. Các sợi tơ thô (bave) có một dải dọc dài và bao gồm hai sợi tròn đến trilobal, fibroin có chiều dài trung bình 10 – 14 m sợi tơ (brins) được phủ bởi sericin hoặc keo (Hình 1.3). Do đó, tơ thô có cấu trúc hỗn hợp vỏ bọc xung quanh hai lõi. Hệ thống phân cấp của một sợi xơ, bao gồm các sợi nhỏ, microfibrils và các phân tử polymer, được thể hiện trong hình 1.6
Hình 1.6 Kết cấu của sợi tơ
Các sợi Fibroin được tổ chức dưới dạng các bó sợi nano tương ứng với 70% -75% trọng lượng sợi tơ. Khối lượng còn lại là sericin (20 - 310 kDa), một loại protein giống như keo hòa tan trong nước liên kết các sợi xơ với nhau.
17 Serisin được loại bỏ trong quá trình chuội. [8]
Fibroin không tan trong nước và có cấu trúc bền vững theo định hướng và kết tinh. Fibroin có tỉ lệ cao của alanine, glycine, serisin. Một lượng nhỏ cystein cũng có mặt. Các amino axit và axit amin có trong thành phần cơ bản. Đây là một trong những lý do tại sao lụa hấp thụ lượng axit và kiềm tương đối thấp hơn so với len. Liên kết hydro là liên kết quan trọng trong filroin filament.
Trong số các lớp sericin bao quanh sợi xơ, sericin ngoài cùng dễ dàng hòa tan trong nước sôi, sericin giữa hòa tan ở chính xác 120°C trong nước và sericin trong cùng chỉ tan trong nước sôi kiềm.
Hình 1.7 Mặt cắt ngang của sợi tơ được phóng đại 1300 lần
Mặt cắt ngang của tơ thô có dạng elip, sợi fibroin đôi hình tam giác được bao phủ bởi serisin. Vẻ đẹp, sự mềm mại, độ bóng của tơ tằm là do mặt cắt ngang hình tam giác của sợi tơ. Sau khi chuội, sợi fibroin đôi tách thành các sợi riêng lẻ nên xơ mềm mại, mịn và bóng hơn.
Hình 1.8 Mặt cắt ngang của tơ tằm
18
Quét các vi sóng điện tử của các hình nhìn theo chiều dọc của các sợi tơ chưa chuội và đã chuội màu được trình bày trong Hình 1.9 và 1.10, tương ứng. Người ta thấy rằng lụa dâu tằm có bề mặt nhẵn hơn (Hình 1.10 a) trong khi các loại tơ tasar, muga và eri (Hình 1.10 b, 1.10 c và 1.10 d) đều có các vân trên bề mặt. Quét các vi sóng điện tử mặt cắt ngang của các sợi tơ được trình bày trong hình 1.9. Mặt cắt ngang của sợi tơ làm từ hai loại protein (sericin và fibroin) được thể hiện trong hình này. Nó đã được tìm thấy rằng hai sợi fibroin được bao bọc bởi sericin không xơ (the non-fibrous sericin). Khi một sợi của sợi xơ được mở rộng, cấu trúc bên trong xuất hiện dưới dạng một bó chứa một số lượng lớn sợi nhỏ (Minagawa, 2000).
Hình 1.9 Nhìn dọc của sợi tơ tằm chưa chuội keo
Hình 1.10 Nhìn dọc của các sợi tơ đã khử màu: (a) dâu tằm, (b) tasar, (c) muga, (d) eri
Có các biến thể tùy thuộc vào loại tằm và cả trong các kén cá thể. Có thể thấy rằng về mặt này, tằm dâu và tằm dại thể hiện một hình thái cắt ngang hoàn toàn khác nhau. Các loại dâu tằm cho thấy mặt cắt hình tam giác nhiều hay ít và bề mặt nhẵn (Hình 1.11 a). Trong số các giống dâu tằm, tasar và muga thể hiện một mặt cắt hình chữ nhật dài hoặc hình nêm và diện tích mặt cắt ngang lớn
19
(Hình 1.11 b và 1.11 c). Tơ Eri có hình dạng tam giác nhiều hay ít (Hình 1.11 d).
Các sợi kén của tằm trong nước như dâu tằm và eri thường có tiết diện không đều, từ hình tam giác đến hình tròn. Ngay cả trong cùng một sợi filroin, có thể có các biến thể trong mặt cắt ngang, tùy thuộc vào mức độ của lớp kén. [11]
Hình 1.11 Mặt cắt ngang của sợi tơ đã khử keo: (a) dâu tằm, (b) tasar, (c) muga;
(d) eri
Cấu trúc hóa học
Các phân tích tia X của tơ tằm cho thấy sự định hướng tương đối cao của các chuỗi polypeptide dọc theo trục sợi (Sonthisombat và speakman, 2004). Sợi có hệ thống hai pha bao gồm các pha tinh thể và vô định hình. Chuỗi polypeptide của một phân tử sợi được thể hiện trong Hình 1.12 [11]
Hình 1.12 Chuỗi polypeptide của phân tử sợi.
Pha tinh thể bao gồm các phần của chuỗi polypeptide chứa glycine, alanine và serine. Các phần này có phân nhánh đơn giản do các chuỗi có thể được sắp xếp chặt chẽ và gọn gàng. Các phần có chứa dư lượng axit tyrosine, proline, diamine và dicarboxylic được đặc trưng bởi dư lượng cồng kềnh cản trở việc đóng thường xuyên và chặt chẽ của chuỗi và do đó, các khu vực ít định hướng (vô định hình) được hình thành. Các nhóm được tìm thấy trong độ bão hòa đầy đủ vô định hình của các nhóm cơ bản với một số axit là có thể mà không có bất kỳ thay đổi nào trong mô hình tia X của sợi. Tuy nhiên, các nhóm hydroxyl
20
của dư lượng serine ít có khả năng tiếp cận với tác dụng của thuốc thử hóa học.
Các phân tử tơ fibroin được tìm thấy trong chuỗi polypeptide với công thức (- CHR-R-CO-NH-) n, trong đó n = 1100 và R là một trong những dư lượng axit amin khác nhau. Chuỗi polypeptide có cả chuỗi xương sống và chuỗi bên bao gồm các gốc R của axit amin. Mức độ phân nhánh của chuỗi polypeptide phụ thuộc vào các axit amin có trong protein. Do đó, chuỗi bên tạo thành 19% trọng lượng trong sợi tơ. Các chuỗi bên có thể không phân cực, ví dụ như dư lượng hydrocarbon:
và có thể chứa các nhóm cực như:
Các tính chất vật lý và hóa học của protein, đó là vị trí của vùng đẳng điện, khả năng thủy phân, trương nở, độ hòa tan, ..., phần lớn được xác định bởi bản chất của chuỗi bên, cũng như các đặc tính phản ứng hóa học của protein. Sự tương tác có thể phát sinh giữa các chuỗi bên và các loại liên kết không bền khác nhau, dẫn đến sự sắp xếp không gian cụ thể của chuỗi polypeptide hoặc độ tin cậy của phân tử.
Cấu trúc chính là thứ tự liên tiếp trong đó dư lượng axit amin được sắp xếp trong chuỗi polypeptide tạo thành phân tử protein. Cấu trúc thứ cấp là đặc điểm cấu hình hình học của chuỗi polypeptide có trong thành phần phân tử của protein đã cho hoặc của một phần riêng biệt của chuỗi polypeptide. Trong sợi tơ tằm, chuỗi polypeptide có mặt trong các chuỗi protein β-form. Các chuỗi protein được kéo dài tương phản với dạng α xoắn ốc và hình dạng zig-zag của chuỗi polypeptide được mở rộng hoàn toàn. Theo các nghiên cứu chi tiết của Marsh và cộng sự, (1955), ô đơn vị cho tơ B. mori được mô tả là bao gồm các kích thước
21
sau: (a) interchain = 0,94nm, (b) trục bre = 0,697nm, (c) đầu vào = 0,92nm. Tế bào đơn vị của các kích thước này bao gồm bốn chuỗi polypeptide hoặc tám dư lượng axit amin được sắp xếp chống song song, được gấp lại và một số chuỗi chống song song được nhóm lại với nhau để tạo thành các tấm xếp nếp song song với mặt phẳng b (Hình 1.13). Mỗi chuỗi mở rộng được liên kết hydro thông qua các liên kết của -C = O và N = H gốc giữa hai chuỗi lân cận. Các nghiên cứu tia X của Warwicker (1960) trên nhiều loại protein khác nhau đã chỉ ra rằng trong khi trục sợi và khoảng cách giữa các mắt xích (tọa độ a và b) giống nhau cho tất cả các fibroin, thì khoảng cách mắt xich (tọa độ c) khác nhau và có liên quan đến kích thước của chuỗi bên. Cấu trúc protein bậc ba là sự sắp xếp không gian chung của một hoặc một số chuỗi polypeptide (xoắn ốc, kéo dài hoặc cả hai) tạo thành một phân tử.[11]
Hình 1.13 Cấu hình tấm – pleated không song song của B.mori
Do cách liên kết giữa các acid amine để tạo thành chuỗi polipeptide, trong mạch dài polipeptide luôn lặp lại các đoạn -CO-NH-CH-. Mạch bên của các acid amine không tham gia tạo thành bộ khung của mạch, mà ở bên ngoài mạch polipeptide.[14]
Kết quả nghiên cứu của Paulin và Cori (Linus Pauling, Robert Corey 1930) và những người khác cho thấy nhóm peptide (-CO-NH-CH-) là phẳng và
"cứng".
H của nhóm -NH- luôn ở vị trí tăng so với O của nhóm carboxyl. Nhưng
22
nhóm peptide có cấu trúc hình phẳng, nghĩa là tất cả các nguyên tử tham gia trong liên kết peptide nằm trên cùng một mặt phẳng. Paulin và Cori đã xác định được khoảng cách giữa N và C của liên kết đơn (1,46 AO) và khoảng cách giữa C và N trong không gian. Trong liên kết đôi -C=N-, khoảng cách này là 1,27 AO.
Như vậy, liên kết peptide có một phần của liên kết đôi, có thể hình thành dạng enol
Do đó liên kết peptide "cứng", không có sự tự do quay xung quanh liên kết này. Ngược lại, khả năng quay tự do xung quanh các liên kết nối nhóm peptide với các carbon xung quanh (giữa C và Cα, giữa N và Cα) là rất lớn, mạch peptide có khuynh hướng hình thành cấu trúc xoắn.[14]
Cấu trúc bậc một: chuỗi acid amin cơ bản
Từ các acid amin, nhờ liên kết peptid nối chúng lại với nhau tạo nên chuỗi polypeptid: phần chi tiết
Chuỗi polypeptid là cơ sở cấu trúc bậc I của protein. Tuy nhiên, không phải mọi chuỗi polypeptid đều là protein bậc I. Nhiều chuỗi polypeptid chỉ tồn tại ở dạng tự do trong tế bào mà không tạo nên phân tử protein. Những chuỗi polypeptid có trật tự acid amin xác định thì mới hình thành phân tử protein.
Người ta xem cấu tạo bậc I của protein là trật tự các acid amin có trong chuỗi polypeptid. Thứ tự các acid amin trong chuỗi có vai trò quan trọng vì là cơ sở cho việc hình thành cấu trúc không gian của protein và từ đó quy 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 amin, trật tự các acid amin trong chuỗi.
Trong tế bào protein thường tồn tại ở các bậc cấu trúc không gian. Sau khi chuỗi polypeptid - protein bậc I được tổng hợp tại ribosome, nó rời khỏi ribosome và hình thành cấu trúc không gian (bậc II, III, IV) rồi mới di chuyển đến nơi sử dụng thực hiện chức năng của nó.[14]
Cấu trúc bậc hai: Cuộn gấp không gian
Theo Paulin và Cori (1951), có 2 kiểu cấu trúc chính là xoắn α và phiến gấp nếp β.
- Cấu trúc xoắn α (α helix): Đoạn mạch polipeptide xoắn chặt lại, những nhóm peptide (-CO-NH-), Cα tạo thành phần bên trong (lõi) của xoắn, các mạch
23
bên (nhóm R) của các gốc acid amine quay ra phía ngoài. mỗi aa được tạo bởi 3 nucleotit. Cấu trúc xoắn α được giữ vững chủ yếu nhờ liên kết hidro. Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm carboxyl của 1 liên kết peptide với nhóm - NH của liên kết peptide thứ tự sau nó (cách nhau 3 gốc acid amine) trên cùng một mạch polipeptide. Tất cả các nhóm -CO-, -NH- trong liên kết peptide của mạch polipeptide đều tạo thành liên kết hidro theo cách này.
Trong cấu trúc xoắn α, cứ mỗi nhóm -CO-NH- có thể tạo 2 liên kết hidro với 2 nhóm -CO-NH- khác. Các liên kết hidro được tạo thành với số lượng tối đa, bảo đảm độ bền vững của cấu trúc α.
Theo mô hình của Paulin và Cori, trong cấu trúc xoắn giữa 2 gốc acid amine kế tiếp nhau có khoảng cách dọc thep trục xoắn là 1,5AO và góc quay 100°, 1 vòng xoắn có 3,6 gốc acid amine có chiều cao tương ứng là 5,4 AO.
Chiều của vòng xoắn có thể là xoắn phải (theo chiều thuận kim đồng hồ) hoặc xoắn trái (ngược chiều kim đồng hồ). Xoắn α trong phân tử protein thường là xoắn phải. Sự tạo thành và độ bền của cấu trúc xoắn α phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ thành phần và trình tự sắp xếp của các acid amine trong mạch polipeptide, pH môi trường, … Đến nay người ta đã biết được một số quy luật cơ bản để tạo thành xoắn α, Vì vậy, nếu xác định được cấu trúc bậc I của phân tử protein thì có thể dự đoán tỉ lệ xoắn α (% số gốc acid amine tham gia tạo thành xoắn) và vị trí của cấu trúc xoắn α trong phân tử protein. Tỉ lệ % xoắn α trong phân tử protein khác nhau thay đổi khá nhiều.
Ví dụ trong hemoglobin và mioglobin là 75%, lozozim là 35%, kimotripsin hầu như không có xoắn α, chỉ có một phần xoắn rất ngắn ở đầu C.
Khi tạo thành cấu trúc xoắn α, khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang bên phải tăng lên, vì thế có thể dựa vào tình chất này để xác định % xoắn trong phân tử protein.
- Cấu trúc phiến gấp β (β sheet): Cấu trúc phiến gấp β tìm thấy trong fiborin của tơ, nó khác với xoắn α ở một số điểm như sau
+ Đoạn mạch polipeptide có cấu trúc phiến gấp β thường duỗi dài ra chú không cuộn xoắn chặt như xoắn α. Khoảng cách giữa 2 gốc acid amine kề nhau là 3,5AO.
24
+ Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm -NH- và -CO- trên 2 mạch polipeptide khác nhau, các mạch này có thể chạy cùng hướng hay ngược hướng với nhau.
+ Trong phân tử của nhiều protein hình cầu cuộn chặt, còn gặp kiểu cấu trúc "quay- β". Ở đó mạch polipeptide bị đảo hướng đột ngột. Đó là do tạo thành liên kết hidro giữa nhóm –CO của liên kết peptide thứ n với nhóm -NH của liên kết peptide thứ n+2
- Cấu trúc kiểu "xoắn colagen": Kiểu cấu trúc này tìm thấy trong phân tử colagen. Thành phần acid amine của colagen rất đặc biệt so với các proteein khác: glyxin 35%, prolin 12% tổng số acid amine trong phân tử. Ngoài ra, colagen còn chứa 2 acid amine ít gặp trong các acid amine khác là hydroxiproline và hydroxilizin. Đơn vị cấu trúc của colagen là tropocolagen bao gồm 3 mạch polipeptide bện vào nhau thành một "dây cáp" siêu xoắn (vì mỗi mạch đều có cấu trúc xoắn). 3 mạch polipeptide trong "dây cáp" nối với nhau bằng các liên kết hidro.
Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm -NH- của gốc glyxin trên mạch polipeptide với nhóm -CO- trong liên kết peptide ở trên mạch polipeptide khác. Ngoài ra các nhóm hydroxyl của hydroxipoline cũng tham gia tạo thành liên kết hydro làm tăng độ bền của cấu trúc siêu xoắn.
Ngoài các kiểu cấu trúc bậc II trên, trong phân tử của nhiều protein hình cầu còn có các đoạn mạch không cấu trúc xoắn, phần vô định hoặc cuộn lộn xộn.[14]
Cấu trúc bậc ba: Liên kết disulfide (-S – S-)
Cấu trúc bậc III được giữ vững nhờ các cầu disulfua, tương tác VanderWaals, liên kết hidro, lực ion. Vì vậy khi phá vỡ các liên kết này phân tử duỗi ra đồng thời làm thay đổi một số tính chất của nó, đặc biệt là tính tan và hoạt tính xúc tác của nó.
25
Cấu trúc bậc ba là dạng không gian của cấu trúc bậc hai, làm cho phân tử protein có hình dạng gọn hơn trong không gian. Sự thu gọn như vậy giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống. Cơ sở của cấu trúc bậc ba là liên kết disulfid. Liên kết được hình thành từ hai phân tử cystein nằm xa nhau trên mạch peptid nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian do sự cuộn lại của mạch oevtid. Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững.
Cấu trúc bậc 3 đã tạo nên trung tâm hoạt động của phần lớn các loại enzym. Sự thay đổi cấu trúc bậc ba dẫn đến sự thay đổi hướng xúc tác của enzym hoặc mất khả năng xúc tác hoàn toàn.
Ngoài liên kết disulfit, cấu trúc bậc ba còn được ổn định (bền vững) nhờ một số liên kết khác như:
- Liên kết hydro: liên kết này xuất hiện khi giữa hai nhóm tích điện âm có nguyên tử hydro.
Ví dụ về cấu trúc bậc 3 như phân tử insulin là một polypeptid bao gồm 51 acid amin chuỗi A có 21 gốc acid amin và chuỗi B có 30 gốc acid amin. Hai chuỗi nối với nhau bởi 2 cầu disulfid: cầu thứ nhất giữa gốc cystein ở vị trí 20 của chuỗi A và vị trí 19 của chuỗi B; cầu thứ hai giữa gốc cystein ở vị trí thứ 7 của cả 2 chuỗi. Trong chuỗi A còn có một cầu disulfit giữa 2 gốc cystein ở vị trí thứ 6 và 11. Insulin là hoocmôn tuyến tuỵ tham gia điều hoà hàm lượng đường trong máu. Khi thiếu insulin, hàm lượng đường trong máu tăng cao, dẫn tới hiện tượng bệnh đái đường insulin có tác dụng hạ đường huyết bằng cách xúc tiến quá trình tổng hợp glycogen dự trữ từ glucose.
- Lực Van der Waals: là lực hút giữa hai chất hoặc hai nhóm hoá học nằm cạnh nhau ở khoảng cách 1 - 2 lần đường kính phân tử.
Lực liên kết của các nhóm kỵ nước, những nhóm không phân cực (- CH2;
-CH3) trong vang, leucin, isoleucin, phenylalanin... Nước trong tế bào đẩy các gốc này lại với nhau, giữa chúng xảy ra các lực hút tương hỗ và tạo thành các đuôi kỵ nước trong phân tử protein. Do có cấu trúc bậc ba mà các protein có được hình thù đặc trưng và phù hợp với chức năng của chúng. Ở các protein chức năng như enzym và các kháng thể, protein của hệ thống đông máu... thông qua cấu trúc bậc ba mà hình thành được các trung tâm hoạt động là nơi thực hiện các chức năng của protein.