Đề tài cấu trúc và tính chất lý hoá của protein

Một số liên kết hydro quan trọng trong hệ thống sốnga giữa hydro của một ancohol và oxy của nước; b giữa nhóm carbonyl keto và nước; c giữa nhóm peptide trong polypeptide; 1.2.1 Liên kế

Đề tài:

CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT LÝ HOÁ CỦA

PROTEIN

I CÁC KIỂU LIÊN KẾT TRONG CẤU TRÚC PROTEIN

II HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC VÀ CẤU TRÚC CỦA PHÂN TỬ PROTEIN

III TÍNH CHẤT LÝ HOÁ CỦA PROTEIN

IV BIẾN TÍNH PROTEIN

I CÁC KIỂU LIÊN KẾT TRONG CẤU TRÚC PROTEIN

1.1 Các liên kết cộng hoá trị

a Liên kết peptide

H

CH 2 OH -CH- COOH

H N

H N OH

Serine

H 2 O

Alanine

AlanylSerine Liên kết peptid

b Liên kết disunfua

Sự hình thành cầu disunfua giữa hai phân tử cysteine

Một số liên kết hydro quan trọng trong hệ thống sống

a) giữa hydro của một ancohol và oxy của nước;

b) giữa nhóm carbonyl keto và nước;

c) giữa nhóm peptide trong polypeptide;

1.2.1 Liên kết hydro

D – H + A D – H  A

1.2 Các liên kết yếu làm ổn định cấu trúc protein

Ví dụ:

NaCl → Na+ + Cl

-2.2.3 Liên kết Van der Waals

Là các tương tác không đặc hiệu xuất hiện giữahai nguyên tử khi chúng tiến lại gần nhau

Tương tác này không do sự phân phối lệch củacác điện tử giữa hai phân tử mà do các biếnđộng thoáng qua của đám mây điện tử gây ra sựphân cực nhất thời trên phân tử

Liên kết Van der Waals là kết quả của lực hút vàlực đẩy Hai lực này cân bằng ở một khoảngcách nhất định, đặc trưng cho từng loại nguyên

tử Khoảng cách này được gọi là bán kính Vander Waals Đây là lực liên kết yếu nhất, với giá trịchỉ khoảng 1 k cal mol-1

2.2 4 Liên kết kị nước (tương tác kị nước)

Lực thúc đẩy các phân tử không phân cực,hay các vùng không phân cực của các phân tửliên kết với nhau thay vì với các phân tử H2O (đẩyphân tử H2O ra ngoài) được gọi là liên kết kịnước

Đây không phải là một lực liên kết đúng nghĩa

mà là khuynh hướng loại trừ các nhóm khôngphân cực ra khỏi mạng lưới nước Còn liên kếtthật sự tồn tại giữa các phân tử không phân cực

là liên kết Van der Waals

II HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC VÀ CẤU TRÚC CỦA

PHÂN TỬ PROTEIN

2.1 Hình dạng kích thước

Protein có khối lượng phân tử (Mr) tương đốilớn và thay đổi trong một dải rộng từ hơn 10nghìn đến hàng trăm nghìn dalton (bảng 4.1).Các phân tử protein có thể có dạng cầu (kể cảhình bầu dục) hoặc dạng sợi

2.2 Cấu trúc bậc nhất

Cấu trúc bậc nhất biểu thị thành phần, trình

tự aa trong phân tử protein mạch thẳng

Cấu trúc này được giữ vững nhờ liên kếtcộng hoá trị và liên kết peptide

Cấu trúc bậc nhất của ribonuclesae của bò

* Cấu trúc bậc I của một số protein đã biết

Ngoài một số loại protein đã biết rõ cấu trúc bậc I như insulin, hiện nay nhiều loại protein khác đã biết được trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide như:

- ribonuclease là một protein có 124 amino acid, nối với nhau thành một chuỗi;

- hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide, 2 chuỗi α (mỗi chuỗi 141 amino acid) và 2 chuỗi β (mỗi chuỗi 146 amino acid)

- tripsinogen bò (229 amino acid)

- chimotrypsin bò (229 amino acid)

- alcohol dedhyrogenase ngựa (374 amino acid)

- glutamate dehdrogenase bò (500 amino acid).

* Tính quy luật trong cấu trúc bậc I của protein

Những protein đồng thể của những loài khácnhau có một số gốc amino acid tương đốikhông đổi ở những vị trí đặc biệt và có nhữnggốc amino acid thay đổi, nghĩa là ở những loàikhác nhau, các amino acid khác có thể thay thếcho nhau

Các cấu trúc bậc 2 cơ sở là xoắn α và phiến β

và đoạn ngoặt β ngắn hình chữ U

Các cấu trúc bậc 2 cơ sở là xoắn α phiến β và đoạn ngoặt

β ngắn hình chữ U.

Xoắn α

Phiến gấp β

* Xoắn α

Ở cấu trúc dạng này O thuộc nhóm –CO- của mỗi liên kết peptide tạo liên kết hydro với H thuộc nhóm -NH- của gốc aa thứ 4 tính từ đầu C.

Xoắn α dài 36 aa sẽ có 10 vòng xoắn và dài 5.4 nm Liên kết H trong xoắn α làm mạch khung có dạng trụ dài, thẳng Do đó nhóm R của aa quay ra ngoài.

Nhóm amino và carboxyl phân cực đều tham gia liên kết H nên các nhóm R xác định tính chất kỵ nước hoặc

ưa nước của xoắn riêng proline không nằm trong xoắn α.

=> Xoắn α là cấu trúc điển hình, rất ổn định và phổ biến nhất trong protein nhưng cũng có những biến thể khác như xoắn cặp đôi.

* Phiến β

Phiến β chứa các mạch β kết nối theo biên.Mỗi mạch β là một phân đoạn ngắn (chứa 5 - 8aa) và hầu như trải ra hết cỡ

Liên kết H trong phiến β hình thành giữa cácnguyên tử nằm trên khung của những mạch βriêng biệt nhưng liền kề

* Đoạn ngoặt β

Gồm 4 aa, nằm trên bề mặt ptotein, tạo thành đường cong hẹp, uốn khung polypeptide quay ngược vào trong Cấu trúc này bền nhờ liên kết H giữa 2 đầu.

Glycine và proline thường nằm trong đoạn ngoặt.

Đoạn ngoặt β giúp các protein lớn gập lại rất gọn có 6 loại đoạn ngoặt xác định Cấu trúc chi tiết của chúng phụ thuộc vào sắp xếp tương tác gắn H.

* Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bậc 2

- Phổ hồng ngoại

- Phổ tử ngoại - khả biến

- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

- Trao đổi H nặng

Tính chất hoá học của nhóm R của aa quyết định cấu trúc bậc 3 của protein.

Dựa vào cấu trúc bậc III có thể chia protein thành 3 loại: protein sợi, protein cầu và protein xuyên màng.

* Mô hình gấp nếp giọt dầu

Các aa với mạch nhánh không phân cực, kỵnước thường bị cô lập cách xa bề mặt tiếp xúcnước của protein Chúng tạo thành lõi trung tâmkhông hoà tan trong nước gọi là mô hình giọt dầucủa protein cầu

2.5 Cấu trúc bậc IV

Vị trí của sự sắp xếp các protein có cấu trúcbậc 3 trong không gian tạo thành cấu trúc bậc 4

Cấu trúc bậc 4 chỉ đặc trưng cho những phân

tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗiprotein hình cầu, tương tác với nhau sắp xếptrong không gian tạo nên Mỗi chuỗi polypeptide

đó được gọi là 1 tiểu đơn vị (subunit), chúng gắnvới nhau nhờ các liên kết H, tương tác Van derwaals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt củacác tiểu đơn vị để làm bền cấu trúc bậc IV

Bậc I Bậc II Bậc III Bậc IV

* Phương pháp xác định khối lượng phân tử protein

- Phương pháp ly tâm siêu tốc

- Phương pháp điện di

- Phương pháp sắc ký lọc gel (lọc sàngphân tử)

* Tính quy luật trong cấu trúc bậc IV của protein

Các protein có cấu trúc bậc IV, phân tử cóthể được cấu tạo từ hai cho tới hàng trăm tiểuđơn vị Tuy nhiên phần lớn các phân tử proteinđược cấu trúc từ các tiểu đơn vị đồng nhất hoặc

từ các nhóm tiểu đơn vị giống nhau, vì thế phân

tử protein thường được cấu tạo đối xứng

Những protein cấu trúc từ các tiểu đơn vịđồng nhất có một hay một số nhất định kiểu đốixứng như đối xứng quay tròn hay xoắn ốc Nhưvậy các tiểu đơn vị có thể xếp chồng lên nhauquanh một hoặc một số trục hay là đường xoắnốc

Hai kiểu đối xứng vòng tròn trong cấu trúc protein

* Tính quy luật trong cấu trúc bậc IV của protein

* Motif là tổ hợp cấu trúc bậc II và bậc III có quy tắc

Các tổ chức cấu trúc bậc II và bậc III nhấtđịnh được gọi là motif cấu trúc hay kiểu gấp nếp.chúng thường xuất hiện như các phân đoạntrong nhiều loại protein

- Motif góp phần hình thành cấu trúc tổngthể của toàn bộ protein và mỗi loại motif thườngthực hiện một chức năng chung trong các proteinkhác nhau

* Miền cấu trúc và miền chức năng là các module cấutrúc bậc III

Các vùng cấu trúc bậc III dễ nhận thấy trong protein thường được gọi là miền Có 3 loại miền protein chính:

- Miền chức năng: là vùng có hoạt tính, thường ngay cả khi tách khỏi phần còn lại của protein.

- Miền cấu trúc: là vùng chứa lớn hơn hoặc bằng 40 aa, gấp nếp thành cấu trúc bậc II hoặc bậc III bền với cấu hình đặc trưng dễ nhận thấy và độc lập với phần còn lại của protein các miền cấu trúc riêng biệt có thể gắn với nhau đôi khi thông qua vùng đệm để tạo thành protein đa miền, lớn.

- Miền topo học: là các vùng protein có tương quan không gian khác với phần protein còn lại.

* Protein kết hợp thành cấu trúc đa phân và tổ hợp đại phân tử

Protein đa tiểu phần chứa lớn hơn hoặc bằng 2 polypeptide (tiểu phần) mức tổ chức cấu trúc thứ 4, cấu trúc bậc IV mô tả số lượng và vị trí tương đối của các tiểu phần trong protein đa tiểu phần.

- Thông thường, các tiểu phần riêng biệt không có chức năng trừ khi chúng lắp ráp thành protein đa tiểu phần trong một số trường hợp, protein đa tiểu phần bố trí tiểu phần kề nhau theo chuỗi phản ứng cần cho một con đường tế bào và điều này làm tăng hiệu quả vận hành của chúng.

- Bậc cấu trúc cao nhất của protein là sự kết hợp các protein thành tổ hợp đại phân tử.

- Tổ hợp đại phân tử với chức năng cấu trúc bao gồm sapsid và các bó sợi khung tế bào.

- Các tổ hợp đại phân tử khác hoạt động như bộ máy phân tử, thực hiện hầu hết các quá trình phức tạp của tế bào bằng cách tích hợp những chức năng riêng lẻ thành một chỉnh thể thống nhất.

2.6 Gấp nếp của protein

2.6.1 Mặt phẳng liên kết peptide hạn chế hìnhdạng của protein

- Mặt phẳng liên kết peptide hạn chếphương thức gấp nếp của chuổi polypeptide và làđặc trưng cấu trúc rất quan trọng của chuỗi này

- Liên kết peptide không thể tự quay quanh

nó Do vậy biến thiên cấu hình của chuỗipolypeptide chỉ do độ linh động của khung quyếtđịnh

2.6.2 Trình tự aa mã hoá thông tin gấp nếp củaprotein

- Các ràng buộc trong góc liên kết mạchkhung dường như gây ra hạn chế rất lớn đối vớicấu hình của protein, tuy trên lý thuyến thì mộtchuỗi polypeptide rất ngắn vẫn có thể mangnhiều hình dạng khác nhau Nhưng thực tế mọiprotein chỉ có 1 hoặc 1 số rất ít cấu hình đặctrưng mang chức năng gọi là cấu hình tự nhiên.cấu hình này là cấu hình bền nhất và có nănglượng tự do thấp nhất

* Chaperone thúc đẩy quá trình gấp nếp

in vivo của protein

chaperone phân tử gắn và ổn định protein chưa gấp nếp hay đã một phần nào gấp nếp, do đó ngăn chặn các protein này kết tụ và phân huỷ.

Tương tự với chapronin: tạo thành hốc gấp nếp nhỏ Trong hốc này protein chưa gấp nếp bị cô lập, mang lại thời gian và môi trường thích hợp để nó gấp nếp chính xác

* Sự gấp nếp khác biệt của protein có thểliên quan đến bệnh

Protein có thể gấp nếp thành các cấu trúc lập thể khác nhau do biến đổi cộng hoá trị không thích hợp sau khi tổng hơp hoặc các lý do khác.

Sự "gấp nếp sai" không chỉ làm protein mất chức năng thông thường mà còn hướng nó tới quá trình phân huỷ protein Tuy nhiên, nếu quá trình phân huỷ không xảy ra hoặc xảy ra không hoàn toàn thì những protein này có thể tích luỹ và góp phần vào một số bệnh thoái hoá được đặc trưng bởi sự có mặt của các mảng protein không hoà tan trong nhiều cơ quan bao gồm gan và não.

VD: bệnh bò điên ở bò và cừu

III TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA PROTEIN

3.2 Tính ngậm nước của protein

Trong môi trường nước, protein kết hợp với nướctrương lên trở thành dạng keo hay nói cách khácprotein ở trạng thái hydrate hoá, các phân tửnước bám vào các nhóm ưa nước trong phân tửprotein như -NH2, -COOH , lớp áo nước baoquanh phân tử protein là một trong các yếu tố làmbền vững cấu trúc, ngăn cách các phân tử proteinkhông cho chúng dính vào nhau để thành tủa

3.1 Tính tan của protein

Các loại protein khác nhau có khả năng hoà tan

dễ dàng trong một số loại dung môi nhất định

3.3 Độ nhớt của dung dịch protein

Khi protein hoà tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau có độ nhớt khác nhau

3.4 Hằng số điện môi của dung dịch protein

Hằng số điện môi của dung môi làm ngăn cản lực tĩnh điện giữa các nhóm tích điện của protein và nước Mối liên hệ đó được đặc trưng bởi biểu thức:

L1 - l2

F =

D r 2

Trong đó: D - hằng số điện môi của dung dịch

F- lực tĩnh điện giữa các ion tích điện

L1 , l2 - điện tích các ion, r - khoảng cách giữa các ion

Ở đây lực tĩnh điện giữa các ion tỷ lệ nghịch với hằng số điện môi

và khoảng cách giữa các ion protein.

3.5 Tính chất điện li của protein

P rotein là chất điện li lưỡng tính vì trong phân tử protein

có nhiều nhóm phân cực mạnh (gốc bên R) của amino acid.

pHgi là điểm đẳng điện của protein.

Ở môi trường có pH < pHi, đa số protein là một cation, số điện tích dương lớn hơn số điện tích âm Ở pH > pHi phân tử protein thể hiện tính acid, cho ion H+, do đó số điện tích âm lớn hơn số điện tích dương, protein là một đa anion, tích điện âm.

Trong môi trường có pH = pHi , protein dễ dàng kết tụ lại với nhau vì thế người ta lợi dụng tính chất này để xác định pHi của protein cũng như để kết tủa protein Mặt khác do sự sai khác nhau về pHi giữa các protein khác nhau, có thể điều chỉnh pH của môi trường để tách riêng các protein ra khỏi hỗn hợp của chúng.

3.6 Sự kết muối của dung dịch protein

Độ hoà tan của protein không phụ thuộc vàobản chất của muối trung tính, mà phụ thuộc vàonồng độ muối và số điện tích của mỗi ion trongdung dịch

Khi tăng đáng kể nồng độ muối trung tính thì

độ tan của protein bắt đầu giảm và ở nồng độmuối rất cao, protein có thể bị tủa hoàn toàn

Các protein khác nhau tủa ở những nồng độmuối trung tính khác nhau

3.7 Biểu hiện quang học của protein

Cũng như nhiều chất hoá học khác, protein

có khả năng hấp thụ và bức xạ xạ ánh sángdưới dạng lượng tử hγ

Nhìn chung protein đều có khả năng hấp thụánh sáng trong vùng khả kiến (từ 350nm-800nm) và vùng tử ngoại (từ 320nm xuống tới180nm)

3.8 Kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch

protein

Khi protein bị kết tủa đơn thuần bằng dungdịch muối trung tính có nồng độ khác nhau hoặcbằng alcohol, aceton ở nhiệt độ thấp thì proteinvẫn giữ nguyên được mọi tính chất của nó kể cảtính chất sinh học và có thể hoà tan trở lại gọi làkết tủa thuận nghịch.

Ngược lại kết tủa không thuận nghịch làphân tử protein sau khi bị kết tủa không thể phụchồi lại trạng thái ban đầu

Ngoài ra, còn một số phản ứng màu đặc trưng khác, có ý nghĩa quan trọng trong phát hiện protein và các gốc amio acid trong chuỗi polypeptide:

- Phản ứng với thuốc thử Folin-Ciocalteau

- Phản ứng với ninhydrin

3.9 Các phản ứng hóa học của prptein

Cũng như các amino acid và peptide protein

có các phản ứng hoá học tương tự đó là: phảnứng của các nhóm -COOH, -NH2, gốc R và phảnứng tạo màu đặc trưng của liên kết peptide nhưphản ứng biure

IV BIẾN TÍNH PROTEIN

4.1 Khái niệm chung

Sau khi protein bị kết tủa, nếu loại bỏ cácyếu tố gây kết tủa mà protein vẫn mất khả năngtạo thành dung dịch keo bền như trước và mấtnhững tính chất ban đầu, chẳng hạn độ hoàtan giảm, tính chất sinh học bị mất gọi là sựbiến tính protein

Có nhiều yếu tố tác động gây ra sự biến tínhprotein như: nhiệt độ cao, tia tử ngoại, sóngsiêu âm, acide, kiềm, kim loại nặng.

Vì vậy, trong thực tế người ta rất chú ý ảnhhướng của các yếu tố có khả năng làm biếntính protein

4.2 Các yếu tố gây biến tính

Những thay đổi dễ thấy nhất ở protein biếntính là thay đổi tính tan, khả năng phản ứnghoá học và hoạt tính sinh học.

Người ta phân biệt hai dạng biến tính:

- Biến tính thuận nghịch (biến tính trở lạidạng ban đầu với tính chất và chức năng nguyênthuỷ của nó, đó là sự hoàn nguyên) Vd: trườnghợp của tripsin

- Biến tính không thuận nghịch (proteinkhông trở lại dạng ban đầu của nó).vd: lòng trắngtrứng luộc

4.3 Tính chất của protein biến tính