CHƯƠNG I: PROTEIN

NỘI DUNG

I. ĐẠI CƯƠNG VỀPROTEIN1.1. Định nghĩa

1.2. Chức năng sinh học

II. THÀNH PHẦN CẤU TẠO2.1. Thành phần nguyên tố

2.2. Amino acid2.2.1. Khái niệm

2.2.2. Phân loại

2.2.3. Một số tính chất của amino acid

2.3. Peptide và thuyết polypeptide

2.4. Các bậc cấu trúc của protein2.4.1. Cấu trúc bậc I

2.4.2. Cấu trúc bậc II

2.4.3. Cấu trúc bậc III

2.4.4. Cấu trúc bậc IV

2.5. Tính chất của protein

2.6. Phân loại protein

I. ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN

1.1. Định nghĩa

Về mặt hoá học: protein là những polymer

sinh học cao phân tử được cấu tạo bởi

monomer là các α-amino acid liên kết với

nhau bằng liên kết peptide và không tan

trong trichloracetic acid (TCA) 10%

Về mặt sinh hoc: protein là chất hữu cơ

mang sự

1.2. Chức năng sinh học

PROTEIN

Xúc tác

Vận chuyển

Dinh dưỡng và

dự trữ

Vận động

Cấu trúc

Bảo vệ

Điều hòa

Cung cấp năng

lượng

1.3. Nguồn protein

PROTEIN

Động vật

Thịt, cá, trứng, sữa

Bột cá, bột xương, bột thịt,

bột lông vũ

Thực vật

Các hạt họ đậu: đậu tương…

Các khô dầu: đỗ tương, lạc…

II. CẤU TẠO CỦA PROTEIN

2.1. Thành phần nguyên tố (% VCK)

C: 50-55%

O: 21-24%

S: 0.3-2.5%

N: 15-18% (TB 16%)

P, Fe, Cu, Zn…

H: 6.5-7.3%

2.2. Amino acid

2.2.1. Định nghĩa

Đơn vị cấu tạo cơ bản của protein.

Dẫn xuất của 1 acid hữu cơ, trong đó 1 H ở Cđược thay thế bằng nhóm amin (NH2), gọi là - aminoacid.

CTTQ: (trừ Prolin) R - C H - COOH | NH2

- aminoacid

2.2.2. Phân loại amino acid

Theo độ phân cực của gốc R

Theo cấu tạo hóa học của gốc R

Theo quan điểm dinh dưỡng

Glycine

Alanine

Leucine

Trytophane

Isoleucine

Methionine

Proline

Phenylalanine

Valine

Không phân cực (kỵ nước) Glutamine

Acid glutamic

Arginine

Cysteine

Acid aspartic

Asparagine

Threonine

Tyrosine

Serine

Lysine

Histidine

Phân cực (ưa nước)

Theo độ phân cực của gốc R

Cấu tạo hóa học

của gốc R

AA mạch thẳng

AA chứa nhóm OH

AA chứa lưu huznh

AA toan tính

AA kiềm tính

AA chứa nhân thơm

AA chưa mạch

vòng khác

Glycine (Gly)Alanine (Ala)Valine (Val)Leucine (Leu)Isoleucine (Ilu)

Serine (Ser)Threonine (Thr)

Methionine (Met)Cysteine (Cys)

Aspatate (Asp)Asparagine (Asn)Glutamate (Glu)Glutamine (Gln)

Lysine (Lys)Arginine (Arg)Histidine (His)

Phenylalanine (Phe)Tyrosine (Tyr)

Proline (Pro)Trytophane (Try)

Quan điểm dinh dưỡng

AA thiết yếu (không thay thế)

Động vật, VSV không thể tự

tổng hợp được

AA không thiết yếu (thay thế)

Động vật, VSV có thể tổng hợp

được

Một AA được gọi là thay thế hay không thay thế phụ thuộc vào:

Loài và giai đoạn phát triển của cơ thểLợn con: 10 AA không thay thế: Phe, His, Ile, Leu, Lys,

Val, Met, Arg, Thr và Trp

Người trưởng thành: 8 AA không thay thế trong 10 AA kể trên trừ His và Arg

Trẻ em: 10 AA không thay thế giống như trên

Sự có mặt hay không có mặt của AA khácMet Cys; nếu thiếu Met thì Cys là AA thiết yếu

Phe Tyr; nếu thiếu Phe thì Tyr là AA thiết yếu

Ý nghĩa: cung cấp đầy đủ AA thiết yếu theo nhu cầu của từng giống, loài và giai đoạn phát triển của cơ thể

2.2.3. Một số tính chất của amino acid

• 2.2.3.1. Tính đồng phân quang học

Các aa (trừ Gly) đều chứa C bất đối xứng (C*),nên có hoạt tính quang học (có khả năng quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng sang trái hoặc phải).

Nếu nhóm NH2 gắn bên phải C* D (dextrorotatory) ghi dấu (+) trước aa

Nếu nhóm NH2 gắn bên trái C* L (Levorotatory) ghi dấu (-) trước aa

Số đồng phân = 2n (n: C* )

Trong tự nhiên:D-aa tìm thấy trong vi khuẩn, peptide kháng sinhL-aa trong protein động vật, thực vật

COO –+ l

H3N – C* – HlCH3

L- Alanin

COO –

l +

H – C* – NH3lCH3

D - Alanin

2.2.3.2. Tính lưỡng tính

Amino acid có:Nhóm carboxyl (-COOH) nhường proton (H+) acid

ion (-)

Nhóm amine (- NH2) nhận proton (H+) base ion (+)

H2N - CH - COOHlR

H2N – CH – COO-

lR

+H+

+ H+ H3N+ – CH-COOHlR

H2N - CH - COOHlR

Trong môi trường acid aa (+), nếu pH aa nhường 1 proton aa trung hòa về điện, nếu pH aa nhường proton 2 aa (-)

Khi pH thay đổi, AA chuyển dần từ cation sang anion. Có 1 giá trị pH, tại đó AA trung hòa về điện, gọi là điểm đẳng điện pI (isoelectric point) hay pHi.

H3N+ – CH-COOHlR

H3N+ – CH-COO-

lR

H2N – CH – COO-

lR

-H++H+

-H+ +H+

pH<pI pI pH>pI

Khi dòng điện 1 chiều chạy qua dd chứa aa

pHm/t = pI aa lưỡng cực, không di chuyển

pHm/t < pI aa (+), di chuyển về cực (-)

pHm/t > pI aa (-), di chuyển về cực (+)

pI của AA phụ thuộc số nhóm NH2 và COOH trong ph/tử, AA nhiều nhóm amine có pI cao, và ngược lại.

Các monoamino-monocarboxylic acid, pH đẳng điện được xác định nhờ c/thức:

pI = pHi = ½(pK1 + pK2)

2.2.3.3. Các phản ứng đặc trưng của AA Phản ứng của nhóm carboxyl:

Tạo muối với base

Phản ứng khử nhóm carboxyl (decarboxyl hóa)

Phản ứng của nhóm amine:

Tạo muối với acid

Phản ứng với formaldehyde (Phản ứng Sorensen)

Phản ứng với HNO2 (Phản ứng Val Slyke)

Phản ứng deamine hóa (khử nhóm amine)

Phản ứng Ninhydrin

Phản ứng tạo phức với kim loại

Các phản ứng liên quan đến mạch bên (gốc R)

2.3. Cấu tạo phân tử

2.3.1. Peptide và thuyết polypeptide

2.3.1.1. Peptide

Sự hình thành và đặc điểm của peptide

Peptide là chuỗi aa l/kết với nhau bằng l/kết peptide

L/kết peptide là l/k đồng hoá trị, hình thành nhờ sự loại nước (ngưng tụ) giữa nhóm α-COOH của AA đứng trước với nhóm α-NH2 của AA sau.

Hai aa nối với nhau → 1 l/k peptide → dipeptide.

Ba aa nối với nhau → 2 l/k peptide → tripeptide.

Một số aa l/kết với nhau → oligopeptide.

Chuỗi polypeptide có 2 aa ở 2 đầu:

Đầu chứa NH+3 tự do gọi là aa đầu N và mang số 1, các aa

tiếp theo là số 2, 3, 4, ….

AA cuối chứa nhóm COO- tự do là aa đầu C.

Tính chất và phản ứng hóa học đặc trưng của các peptide

Các peptide tồn tại ở dạng ion hoá

Phản ứng hoá học đặc trưng của các peptide:

Có thể bị th/phân:

Peptide HCl 6M (hoặc protease)

+ H2O

Các AA tự do

Phản ứng đặc trưng của liên kết peptide là pứ biure

Cu++

|CO

|

|N

_CO

H

CRN

CO

|

|_

|

HCR

|

COH

CO

|

|

NOC

|

N

|

RC _

|_

RCH

|

|

COH

CO

|

|

NHOC

|

NH

|

RC _

|_

RCH

| |CO

|

|HN

_CO

H

CRHN

CO

|

|_

|

HCR

Cu++

OH-

Phức chất màu xanh tímProtein (có các

liên kết peptide)

|

|

ƯD: ph/hiện protein trong các vật phẩm, protein trong h/thanh vàtrong các dịch s/học khác.

2.3.1.2. Thuyết polypeptide về cấu tạo phân tử protein

Danhilepsky (1988): Liên kết –CO – NH – đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo protein.

Fisher (1990): khẳng định sự tồn tại của liên kết –CO – NH –(gọi là lk peptide), đề ra thuyết polypeptide về c/tạo ph/tử protein:

“Ph/tử protein là 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide khổng lồ, được tạo nên từ hàng chục hoặc hàng trăm gốc aa nối với nhau bằng lk peptide”.

Các thí nghiệm chứng minh thuyết polypeptide:

Protein ở trạng thái nguyên vẹn có rất ít nhóm NH2 và COOH tự do.

Khi protein bị thủy phân, các nhóm NH2 và COOH được tạo ra với tỷ lệ 1/1.

Protein tham gia phản ứng Biure trong protein có các lk peptide.

Bản chất polypeptide của protein được khẳng định khi tổng hợp được protein (insulin từ 51 aa, ribonuclease từ 124 aa).

Phương pháp nhiễu xạ tia X: trong chuỗi polypeptide, các aa được sắp xếp liên tục đặc trưng cho từng phân tử protein

Các đặc điểm của lk peptide:

Bốn ng/tử C, O, H, N th/gia 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 đặc tính

của lk đơn, vừa có đặc tính của lk đôi lk peptide tồn tại ở 2 dạng ketone và enol.

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°).

2.3.2. Các bậc cấu trúc của protein

2.3.2.1. Cấu trúc bậc một của protein

Khái niệm: Trình tự và số lượng các aa trong chuỗi polypeptide của protein, giúp ph/biệt protein này với protein kia.

Trình tự và số lượng các aa quyết định:Tính đặc hiệu, chức năng sinh học của protein:

protein là enzyme, hormon, protein cấu trúcE. coli có ~ 3000, người 50.000 - 100.000 protein có cấu

trúc khác nhau và thực hiện các chức năng sinh học khác nhau.

Cấu trúc không gian ba chiều của protein chức năng của protein

Trình tự aa trong do mã di truyền quyết định sự di tryền ở sv là sự tryền lại cho đời sau cb1 của prtein

Qui ước nhóm amin ở bên trái và đánh số thứ tự aa từ trái sang phải chuỗi polypeptide.

Liên kết quyết định cấu trúc bậc 1 là liên kết peptide

Ở ph/tử có nhiều chuỗi, ngoài lk peptide còn có các lk disulfide, lk hydro và lk ion, .. để gắn các chuỗi lại với nhau.

Ý nghĩa của cấu trúc bậc 1 ở protein:

Là cấu trúc cơ bản, quan trọng nhất quyết định:Các tính chất của proteinVấn đề về nòi giống, phẩm chất, khả năng kháng

bệnh…

Số lượng và trình tự các aa trong chuỗi đặc tính sinh học của protein:Mỗi loài, mỗi mô bào của một cơ thể, mỗi thành phần

của TB đều có những protein có cấu trúc và chức năng đặc hiệu tương ứng. Sự thay đổi về cấu trúc → thay đổi hoạt tính và chức năng.VD: Oxytocin và Vasopressin

Ý nghĩa của cấu trúc bậc 1 ở protein:

Ý nghĩa của cấu trúc bậc 1 ở protein:

Số lượng aa trong chuỗi polypeptide q/định TLPT của nó.

Trình tự sắp xếp của các aa là l{ do tạo cho thế giới SV có số lượng và các kiểu protein khổng lồ mà chỉ xuất phát từ 20 loại - aa

Sự thay đổi về trình tự sắp xếp aa có thể dẫn đến những trường hợp bệnh l{. VD điển hình: bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm. Hb cấu tạo từ 2 chuỗi và 2 chuỗi . Ở người bệnh, aa thứ 6 trên chuỗi là Glu được thay bằng Val.

Ý nghĩa của cấu trúc bậc 1 ở protein:

Ở các loài khác nhau, những protein thực hiện cùng một chức năng sinh học có cấu trúc hơi khác nhau

VD: Insulin – hormone gồm 2 chuỗi: chuỗi A (21 aa) và chuỗi B (30 aa). Ở các loài khác nhau, aa tại các vị trí 8; 9 và 10 trên chuỗi A không giống nhau:

Loài Amino acid

8 9 10

Bò Ala Ser Val

Lợn Thr Ser Ile

Ngựa Thr Gly Ile

2.3.2.2. Cấu trúc bậc hai của protein

Khái niệm: Là sự tương tác không gian của các gốc aa gần nhau hay cạnh nhau trong từng đoạn của chuỗi, mô tả cấu trúc không gian bên trong của từng phần trong phân tử.

Gồm 2 dạng: xoắn α và gấp nếp β.

Xoắn α (α – helix)

Chuỗi polypeptide cuộn lại theo hình lò xobước xoắn.

Mạch lk peptide của chuỗi polypeptide được sắp xếp thẳng đứng x/quanh trục ph/tử, R của các aa đẩy ra vòng ngoài trục xoắn của chuỗi.

Liên kết hydro

Xoắn α (α – helix)

Một vòng xoắn có 3,6 gốc aa; kh/cách giữa hai gốc aa cạch nhau là 1,5 A°; chiều cao một bước xoắn 5,4 A°.

Sự tồn tại bước xoắn là nhờ l/kết hydro; hình thành giữa –CO- của aa này với –NH- của aa đứng trước nó 4 gốc aa.

Đặc trưng cho những protein dạng cầu: protein của cơ, máu; trứng, sữa.

Liên kết hydro

Gấp nếp :

Gấp nếp có cấu trúc hình dạng tấm, chuỗi polypeptide duỗn thẳng.

Khoảng cách giữa các aa cạnh nhau theo đường trục là 3,5A° (1,5A° trong xoắn α).

Gấp nếp được ổn định nhờ lk hydro giữa nhóm –NH- và –CO- trong các chuỗi polypeptide khác nhau (hoặc giữa những đoạn khác nhau trong một chuỗi).

Gấp nếp :

Thường gặp ở protein dạng sợi như protein trong tơ tằm, hoặc xương sống.

Trong cấu hình gấp nếp , các chuỗi polypeptie nằm song song hoặc đối song song.

Các protein dạng sợi chỉ có một dạng ctb2, các 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

2.3.2.2. Cấu trúc bậc ba của protein

Khái niệm: Là sự tương tác không gian của từng đoạn của chuỗi đã có ctb2 hoàn chỉnh phân tử có hình dáng ổn định và đặc trưng.

Có sự tương tác xa của các gốc aa trong ctb1. Các aa có thể xa nhau trên chuỗi

polypeptide (ctb1), nhưng lại gần nhau về kh/gian trong ctb3.

Là sự sắp xếp vừa xoắn vừa gấp khúc một cách dày đặc của chuỗi polypeptie.

Đặc thù cho từng loại protein và th/hợp cho việc th/hiện các ch/năng của ph/tử protein.

Các lực (tương tác, liên kết) ổn định cấu trúc bậc 3

Có hai loại:

Disulfide (cộng hoá trị)

Các liên kết yếu:

Liên kết ion (tĩnh điện, muối)

Liên kết hydro

Tương tác kỵ nước

Lực Van der Waals

Các lực (tương tác, liên kết) ổn định cấu trúc bậc 3

Liên kết Disulfide (cộng hoá trị): xuất hiện giữa hai aa Cys

Liên kết Disulfide

Lk đồng hoá trị, chính, năng lượng mạch lớn, khoảng 10 kcal/mol.

Số lượng trong ph/tử protein không nhiều. Albumin là protein có nhiều lk disulfide nhất, ph/tử

khoảng 70 kD, có tới 17 cầu -S-S-

Đối với ph/tử protein chứa 100 - 150 aa cũng chỉ có 3 -5 lk này → Sự đóng góp của lk này vào việc ổn định ctb3 không lớn.

Hay gặp lk –S-S- ở những protein được tiết ra ngoài TB(ở h/tương, dịch gian bào, …). Trong bào tương, pH là tr/tính, m/t có tính khử, lk disulfide khó hình thành. Cầu –S-S- hình thành thuận lợi khi pH<7.

Các liên kết yếu

Năng lượng mạch thấp (0,3-0,5 →1kcal/mol)

Có nhiều trong ph/tử protein → các lk yếu đóng v/trò q/định trong việc ổn định ctb3 của protein.

Là nền tảng của mọi tương tác sinh học

VD: tương tác E-S, H-R, KT-KN

Gồm 4 loại: ion, hydro, kỵ nước, Van der Waals

Các liên kết yếu

Liên kết ion (tĩnh điện hay muối)

Được hình thành giữa hai nhóm ion tích điện trái dấu nằm gần nhau (khoảng cách giữa cation và anion là 5-6A°)

Các liên kết yếuLiên kết hydro

Hình thành khi một proton (hạt nhân ng/tử hydro) nằm giữa hai trung tâm tích điện âm cách nhau một khoảng < 4A° (giữa O hay N).

Các liên kết yếu

Tương tác kị nước

Các gốc aa kỵ nước ở gần nhau sẽ xuất hiện tương tác.

T/tác kỵ nước không theo một định hướng rõ rệt.

T/tác kỵ nước có lực khá mạnh.

Đối với các protein dạng cầu,

t/tác kỵ nước cung câp ~ 60% lực ổn định cấu trúc

Các liên kết yếu

• Lực Van der Waals - lực hút vạn vật ở th/giới vĩ mô.

– VD: Nhân dương của ph/tử A hút e- (mang điện tích âm)của ph/tử B. Kh/cách giữa 2 ph/tử càng nhỏ thì lực hút nàycàng lớn. Tuy nhiên, tới một giới hạn kh/cách nào đó sẽx/hiện lực đẩy. Kh/cách biến đổi th/đổi giữa lực hút và đẩygọi là bán kính Van der Waals. B/kính này là hằng định giữacác ng/tử.

• Lực Van der Waals không có tính định hướng. Kết quảlà các hạt vật chất chỉ được gần nhau ở một khoảngcách nhất định, đó là bán kính Van der Waals.

• Lực Van der Waals thường có ở khắp nơi trong ph/tử

Ý nghĩa của cấu trúc bậc 3 ở protein:

Nhờ ctb3, chuỗi được bố cục gọn hơn trong không gian và ổn định hơn trong mt TB

Tiền đề tạo nên TTHĐ ở các protein ch/năng (enzyme, KT…) VD ở enzyme, TTHĐ: nơi gắn c/chất và xảy ra pứ

hh; tạo thành từ 1 số nhóm chức của các gốc aa bình thường cách xa nhau trên chuỗi, nhưng gần nhau trong kh/gian nhờ sự cuộn lại, gấp nếp lại của chuỗi (ctb3) để cùng ph/hợp thực hiện c/n x/tác.

2.3.2.4. Cấu trúc bậc bốn của protein

Khái niệm: là sự tụ hợp lại của các chuỗi đã có ctb3 hoàn chỉnh tạo thành tổ hợp phức tạp nhằm thực hiện những chức năng sinh học.

Các ph/tử protein oligomer hay multimer thường có nhiều chuỗi cùng loại hay khác loại 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.

VD: Kháng thể, Hb

VD: Các KT có 2 chuỗi nặng (H) và 2 chuỗi nhẹ (L), Hb có 2 chuỗi α và 2 chuỗi β l/k với nhau

Ý nghĩa của cấu trúc bậc 4 ở protein:

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)

Phosphorylase “b”

Dạng dimer

Không hoạt động

Phosphorylase “a”

Dạng tetramer

Hoạt động

4ATP 4ADP

4Pi

P

P

P

P

+

H2O

Ý nghĩa của cấu trúc bậc 4 ở protein:

2.4. Tính chất của protein

Tính đặc trưng sinh học

Khối lượng phân tử lớn

Lưỡng tính

Tính hòa tan, kết tủa và biến tính

Các phản ứng đặc trưng: biure, xantoprotein

2.5. Phân loại protein

PROTEIN

Theo chức năng sinh học

Theo hình dáng phân tử

Theo thành phần cấu tạo

2.5. Phân loại protein

Theo hình dáng phân tử

Protein enzyme

Protein vận chuyển

Protein cấu trúc

Protein bảo vệ

Protein điều hòa

…..

2.5. Phân loại protein

Theo chức năng sinh học

Protein dạng cầu

Chuỗi polypeptide phân bố song song

VD: Enzyme, hormon, albumin, Hb

Protein dạng sợi

Chuỗi polypeptide cuộn lại VD: Collagen, keratin…

2.5. Phân loại protein

Theo thành phần cấu tạo

Protein đơn giản

chỉ gồm các aa

Protein phức tạp

gồm aa và nhóm ghép

2.5. Phân loại protein

Protein đơn giản

Albumin và globulin

Protamin và histon

Glutelin và prolamin

Glutelin và prolamin

Các chất proteinoid (colagen, fibroin, keratin, ….)

Protein phức tạpLớp Nhóm ghép Ví dụ

Lipoprotein Lipid β1- lipoprotein trong máu

Glycoprotein Carbohydrate Immunoglobulin G, mucin

Phosphoprotein Phosphate Ovalbumin, casein trong sữa

Hemoprotein Heme Hemoglobin

Chromoprotein Flavin nucleotide Hb, myoglobin, catalase, cytochrome, chlorophylls

Metalloprotein Fe Ferritin

Zn Alcohol dehydrogenase

Ca Calmodulin

Mo Dinitrogenase

Cu Plastocyanin