Chương 6 NUCLEIC ACID VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ CỦA NUCLEIC ACID
7.2 Chức năng của protein
Chức năng của protein được chia ra các nhóm như sau:
1. Chức năng enzyme 2. Chức năng cấu trúc 3. Chức năng dự trữ 4. Chức năng vận chuyển 5. Hormone
6. Chức năng bảo vệ 7. Chức năng co rút 8. Chất độc
Về chức năng enzyme của protein đã được đề cập nhiều lần, đặc biệt trong “cấu tạo và cơ chế tác động của enzyme”. Protein là chất xây dựng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong cơ thể động vật. Chất khung được tạo nên từ protein. Thuộc loại này gồm có da, tóc, sừng, lông và collagen là thành phần cơ bản của gân và có khoảng 18% tham gia vào cấu tạo của xương.
Một chức năng phổ biến khác của protein là cấu tạo nên màng sinh học.
Màng sinh học có chức năng là giới hạn những vùng trao đổi chất và tham gia vào việc vận chuyển các chất. Màng sinh học cũng có khả năng chuyển đi những tín hiệu. Protein màng cũng có thể là các enzyme. Chức năng này được thể hiện ở màng trong của ty thể và lạp thể. Màng sinh học bao gồm lớp kép lipid với những protein phân bố ở trong đó. Những thành phần lipid quan trọng nhất là phosphoglyceric, glycoglyceric, sterol và sphingolipid. Lớp kép lipid của màng sinh học là những phân tử lipid có những đuôi kỵ nước quay lại với nhau, trong khi đó những gốc đường và phosphate hướng ra phía ngoài (hình 7.2).
Ở đây thành phần glycerine là trục vuông góc với mặt phẳng của màng. Lớp kép lipid không đối xứng, nghĩa là ở hai phía của màng có những phân tử lipid khác nhau. Những phân tử protein nằm trong lớp kép lipid làm bền vững màng và nhô ra ở hai phía màng (hình 7.2). Thành phần protein nằm ở trong lớp kép lipid, có đặc tính chủ yếu là kỵ nước, thành phần protein mà nhô ra phía ngoài, có đặc tính chủ yếu là ưa nước.
Sợi protein nhô ra ở phía tế bào chất thường kết hợp với một protein ngoại
vi, những phân tử protein hướng về phía màng tế bào thì thường kết hợp với một chuỗi carbohydrate (hình 7.2).
Ở trong lớp kép lipid thì phân tử protein có những liên kết kỵ nước và liên kết ion. Những liên kết ion như liên kết giữa nhóm NH3+ của protein và của gốc phosphate của phospholipid. Những liên kết này nhạy cảm với độ pH. Vì vậy màng sinh học bị ảnh hưởng, thậm chí bị phá huỷ bởi giá trị pH thái quá. Mức độ quánh đặc nhiều hay ít của màng sinh học bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp màng sinh học có cấu trúc giống như tinh thể. Khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ chuyển pha cấu trúc rắn sẽ chuyển sang cấu trúc tinh thể lỏng. Nhiệt độ chuyển pha tăng theo độ dài và độ no của acid béo. Ca2+ làm ổn định màng, nó liên kết với những nhóm ở phần đầu chủ yếu tích điện âm, ví dụ gốc phosphate của phospholipid. Ca2+ có khả năng tạo liên kết với hai nhóm tích điện âm. Vì vậy Ca2+ sẽ làm giảm tính thấm của màng, trong khi những ion hoá trị một, đặc biệt là H+ làm tăng tính thấm. Tính thấm cũng bị ảnh hưởng bởi đặc tính của lipid. Thành phần steroid và những gốc acid béo no và có mạch carbon dài làm cho màng sít lại, những gốc acid béo chưa no làm cho màng lỏng lẻo ra, do vậy làm tăng tính thấm của màng.
Khi người ta nói đến tính thấm của màng chủ yếu là nói đến tính thấm của những chất ưa nước. Những chất này thấm qua màng rất ít, trong khi đó những phân tử kỵ nước có thể thấm qua hoặc khuếch tán qua màng.
Hầu hết những chất trao đổi có đặc tính ưa nước, đối với chúng màng sinh
học là cái chắn đáng kể và ở đây chúng cần một cơ chế đặc biệt hơn để vận chuyển qua màng.
Protein dự trữ được tích luỹ trong mô dự trữ và khi cần sử dụng thì được huy động. Protein dự trữ điển hình ở động vật là protein trứng và sữa. Đó là protein cần thiết đối với động vật còn non, tương tự protein của hạt và quả, là nguồn dinh dưỡng đối với cây con.
Chất lượng protein được đánh giá theo thành phần các aminoacid không thay thế. Đó là những aminoacid mà cơ thể người và động vật không có khả năng tổng hợp được. Hàm lượng các aminoacid không thay thế của các loại protein khác nhau được trình bày ở bảng 7.1 và 7.2
Bảng 7.1 Những aminoacid không thay thế đối với người ---
Valine Lysine Phenylalanine
Leucine Methionine Tryptophan Isoleucine Threonine
Bảng 7.2 Hàm lượng aminoacid không thay thế của các loại protein khác nhau (%)
--- Protein trứng 51 Protein đậu tương 40
Protein sữa 50 Protein gạo 39
Protein mô cơ 47 Nấm 35
Collagen 17 Protein lúa mỳ 33 Protein lá cây 40 Protein hạt lạc 32
--- Những protein động vật, và cả protein của lá cây phần lớn là giàu aminoacid không thay thế. Protein của hạt và ngũ cốc chứa ít aminoacid
không thay thế. Ở protein ngũ cốc là lysine, ở protein hạt và đậu các loại là methionine có hàm lượng thấp và nó giới hạn giá trị sinh học của những loại protein này.
Ở sự giải độc các kim loại nặng nhờ những polypeptide đơn giản theo kiểu phytochelatin có ý nghĩa quan trọng. Ví dụ polypeptide đơn giản có nguồn gốc từ glutation và có công thức chung như sau:
(γ-glutamyl-cysteinyl)n-glycine
Do có nhiều nhóm SH chúng có khả năng kết hợp chặt với các kim loại nặng, làm cho những kim loại nặng này không thể gây rối loạn trao đổi chất. Sự tổng hợp phytochelatin được kích thích bởi những kim loại nặng như Cd, Cu, Ag, Bi và Au.
Protein bảo vệ có một vai trò lớn trong sinh học miễn dịch. Động vật có xương sống có một cơ chế phức tạp, phát triển cao, với cơ chế này chúng ngăn ngừa những tác nhân vi sinh vật gây bệnh (virus, vi khuẩn, nấm, chất độc vi khuẩn). Chức năng này có phần liên quan đến đặc tính của chuỗi polypeptide. Hệ thống tự vệ toàn bộ, sinh học miễn dịch là một lĩnh vực khoa học phát triển độc lập. Một protein lạ (virus, vi khuẩn, nấm) xâm nhập vào máu hoặc vào mô thì cơ chế tự vệ được huy động rất nhanh.
Protein lạ được gọi là antigen. Nó có một vùng gồm một trật tự xác định các nguyên tử, với vùng này nó kết hợp với tế bào lympho và kích thích tế bào này sản sinh ra kháng thể. Những tế bào lympho tồn tại trong hệ thống miễn dịch với số lượng 109 và có trên bề mặt của nó những vùng nhận, nơi mà antigen được kết hợp vào. Những vùng nhận này rất khác nhau và
“phù hợp” mỗi vùng cho 1 antigen xác định. Những tác nhân khác nhau có những tế bào lympho xác định khác nhau với những vùng nhận phù hợp.
Khi một antigen kết hợp với tế bào lympho thì nó bắt đầu sản sinh kháng thể đặc hiệu đối với tác nhân gây bệnh. Những tế bào lympho khác không được kích thích cho việc sản sinh ra kháng thể. Có sẵn một số lượng lớn các tế bào lympho khác nhau, chúng có thể tổng hợp được rất nhanh những kháng thể khác nhau khi kháng nguyên xuất hiện. Những loại kháng thể khác nhau này là xác định, tồn tại với số lượng không đếm được, có thể một vài triệu, ở đây mỗi một loại có một vị trí kết hợp duy nhất đặc trưng. Khả năng lớn không thể tưởng tượng được của hệ thống miễn dịch đã làm cho protein lạ, protein của tác nhân gây bệnh trở thành vô hại. Những kháng thể này được gọi là globulin miễn dịch. Chúng chiếm khoảng 20% protein tổng số trong máu.
Globulin miễn dịch Ig được chia làm 5 nhóm khác nhau. Tuy nhiên thành viên cơ bản Ig các nhóm đều có dạng chữ Y. Cấu trúc này gồm 2 sợi
polypeptide ngắn, xác định, mỗi sợi có khoảng 220 gốc aminoacid (hình 7.4).
Hình 7.4: Sơ đồ biểu diễn kháng thể và kháng nguyên.
a) Kháng thể gồm 4 chuỗi polypeptide b) Kháng thể kết hợp với kháng nguyên c) Kết hợp giữa kháng nguyên và kháng thể
Cơ chế mà kháng thể nhận biết vị trí kháng nguyên của protein lạ là đặc biệt thú vị. Sự kết hợp giữa kháng thể và kháng nguyên là thuận nghịch và có thể so sánh với sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất.
Liên kết này không phải đồng hoá trị mà là những liên kết hydro và liên kết ion. Điều đó làm rõ rằng trình tự aminoacid của vị trí kết hợp xác định tính đặc hiệu của liên kết. Từ đó rút ra rằng chuỗi polypeptide ngắn hay dài của kháng thể là một đoạn siêu biến có từ 20-30 gốc aminoacid,
người ta cho rằng, trong vùng siêu biến này chứa vị trí liên kết đặc hiệu đối với kháng thể. Chỗ kết hợp thực sự chỉ gồm 5-10 aminoacid. Vị trí kết hợp rất chọn lọc đối với kháng nguyên.
Ví dụ protein vận chuyển là albumin và hemoglobin trong máu, myoglobin trong mô cơ và leghemoglobin ở trong màng của Rhizobium.
Albumin vận chuyển acid béo. Hemoglobin, myoglobin, leghemoglobin có khả năng kết hợp lỏng lẽo với O2 ở heme của chúng. Chúng giống nhau ở chỗ đều là phương tiện vận chuyển O2. Sự kết hợp này chỉ xảy ra ở dạng Fe khử (Fe2+), nghĩa là kết hợp với heme. Hemoglobin vận chuyển O2 từ phổi qua máu đến những cơ quan và mô rất khác nhau.
Leghemoglobin điều khiển sự cung cấp O2 cho chuỗi enzyme hô hấp của vi khuẩn. Myoglobin vận chuyển O2 trong mô cơ, có nhiều trong mô cơ của người lặn và là chất dự trữ O2. Trong khi lặn (khi dừng thở) thì O2
được kết hợp với myoglobin, được giải phóng ra ở ty thể. Fe2+ của heme có thể kết hợp với CN- và CO làm cho vị trí hấp thụ O2 bị đóng lại, hậu quả là O2 không được vận chuyển, dẫn đến chết ngạt. Nồng độ tương đối cao CO trong không khí cũng như sự đốt cháy không hoàn toàn trong động cơ, và khi hút thuốc lá, cản trở sự vận chuyển O2 trong máu. Người ta gọi là “hút bị động”, là nguyên nhân gây hại đến sức khoẻ
Ví dụ về chức năng hormone của protein là insulin, gồm 1 chuỗi A với 21 aminoacid và 1 chuỗi B với 30 aminoacid, hai chuỗi này được nối với nhau qua hai cầu disulfide. Insulin điều khiển nồng độ đường glucose trong máu. Khi không đủ insulin thì sự tiếp nhận đường trong tế bào bị hạn chế. Vì vậy mức đường trong máu tăng và dẫn đến sự thải đường mạnh mẽ qua nước tiểu (bệnh đái đường). Vì vậy những tế bào này thiếu đường làm cho toàn bộ cơ thể suy yếu.
Một số peptide quan trọng trong tự nhiên:
- Glutation (tripeptide): glutamyl-cysteinyl-alanine: là một tripeptide có chức năng sinh lý quan trọng. Nó được tạo nên từ 1 gốc glutamyl, 1 gốc cysteine và glycine.
Hai nguyên tử glutatione có khả năng phản ứng để tách 2H tạo thành 1 disulfide. Đây là hệ thống đệm sulfhydryl, chức năng quan trọng nhất của nó là giữ nhóm SH của enzyme và coenzyme ở trạng thái khử.
Glutathione có trong tất cả các cơ thể sống, tham gia vào nhiều phản ứng oxy hoá khử, ví dụ sự giải độc các gốc độc. Ngoài ra trong thực vật glutathione còn là dạng dự trữ và dạng vận chuyển lưu huỳnh ở dạng khử.
Trong những loài cỏ có những tripeptide tương tự như glutatione và trong cây họ đậu 1 glutamyl-cysteinyl-alanine được tìm thấy.
Những dạng tương tự có chức năng như glutatione. Cysteine và cystine về nguyên tắc tạo nên hệ thống oxy hoá khử tương tự glutatione, biểu diễn như sau:
Oxytocin và vasopressin: Oxytocin và vasopressin là những oligopeptide, chúng có cấu trúc rất giống nhau, đều bao gồm 9 gốc aminoacid khác nhau, trong phân tử có một cầu disulfide. Hormone oxytocin kích thích phần cơ phẳng của ruột già, bàng quang, túi mật và tử cung. Hormone vasopressin ảnh hưởng đến co rút của phần cơ phẳng của mạch máu, làm tăng áp huyết. Vasopressin có vai trò quan trọng trong việc làm đặc nước tiểu. Nếu nồng độ thấp thì động vật có vú thải ra 1 lượng lớn nước tiểu loãng, là một bệnh được gọi là bệnh tháo nhạt.