Bai giang protein cơ sở hóa sinh

một số phản ứng đặc trưng củaaminoacid: phản ứng với aldehydformic, với ninhydrin...Peptide có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vàichục amino acid nối với nhau Có khối lượng phân tử thường dưới 6.000 Dalton Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc đượchình thành do sự thoái hoá protein Trong các peptide, các amino acid được liên kết với nhauthông qua liên kết peptide

Chương 7: Các PP phân tích trong thực tập hóa sinh học

Chương 8: Giới thiệu chung về trao đổi chất và năng lượng

Chương 9: Trao đổi carbohydrate

Chương 10: Trao đổi lipid

Chương 11: Trao đổi acid nucleic

Chương 12: Trao đổi protein

Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, (2009) Hóa sinh

học NXB Giáo Dục

Nelson DL., Cox M.M., (2008) Lehninger Principles of

Biochemistry Worth Publishers, New York

Garrett and Grisham Biochemistry, 4th edition, 2010

Saunders College Publishers

Freeman Biological Science, 2nd edition, 2004

Prentice Hall Publishers

Nguyễn Quang Vinh, Bùi Phương Thuận, Phan Tuấn

Nghĩa, (2004) Thực tập Hóa sin học NXB ĐHQGHN

Định nghĩa

thành phần hóa học của các tế bào cơ thể

sống, cùng với các phản ứng và các quá

trình mà chúng trải qua.

 Nhiệm vụ của hoá sinh : Mô tả và giải thích ở mức độ phân

tử tất cả các tiến trình hóa học xảy ra trong các tế bào sống

 Tách riêng biệt tất cả các phân tử có trong tế bào

 Xác định cấu trúc của các phân tử này

 Xác định chức năng của từng phân tử

 Đối tượng : sinh vật sống (động vật, thực vật, vi sinh vật…).

Trên mỗi đối tượng, hoá sinh nghiên cứu song song hai mặt

Aminoacid - thành phần

cấu tạo của protein

α

Các amino acid thông dụng

Phân loại aminoacid

Aminoacid trung tính

Các aminoacid có tính acid

Các aminoacid có tính kiềm

Aminoacid mạch thẳng chứa lưu huỳnh

Các hydroxyl aminoacid mạch thẳng

Iminoaccid

Các aminoacid chức nhân thơm

Một số tính chất của aminoacid

 Tính tan

 dễ tan trong nước

 khó tan trong alcohol và ether (trừ proline và

hydroxyproline)

 dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ tyrosine)

 Biểu hiện tính quang học

 biểu hiện hoạt tính quang học (trừ glycine)

 hầu hết hấp thụ tia cực tím ở khoảng 220-280 nm

 Tính lưỡng tính

Hoạt tính quang học

Hầu hết các amino acid khác hấp thụ tia cực

tím ở bước sóng (λ) khoảng từ 220 - 280 nm

 Tính chất lưỡng tính

 Aminoacid là những chất đệm tốt

 Tuỳ theo pH của dung dịch mà aminoacid thể

hiện tính kiềm hoặc tính acid

 Ở điểm đẳng điện pI (isoelectric point) phân tử

aminoacid trung hoà về điện, không dịch

chuyển trong điện trường, độ hòa tan trong

nước kém nhất

 Dựa vào tính chất này để định tính và định

lượng các aminoacid trong dung dịch nghiên

cứu bằng phương pháp điện di, sắc ký

 Điểm đẳng điện và sự ion hóa aminoacid

 Phản ứng tạo muối (acid, base)

Phản ứng tạo phức chelate

Phản ứng tạo phức ester

Phản ứng oxy hoá khử

Cysteine và cystine đóng vai trò quan trọng trong

việc vận chuyển e- và H+ của quá trình oxy hoá

khử nói riêng và quá trình trao đổi chất nói chung

Phản ứng tạo amide (do nhóm -COOH)

Phản ứng khử amine hoá bởi HNO 2 (do nhóm -NH2)

Phản ứng đặc trưng của vòng thơm

 nitro hoá

 halogen hoá

 một số phản ứng đặc trưng của

aminoacid: phản ứng với aldehyd

formic, với ninhydrin

Liên kết peptide

Peptide

 Peptide có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vài

chục amino acid nối với nhau

 Có khối lượng phân tử thường dưới 6.000 Dalton

 Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được

hình thành do sự thoái hoá protein

 Trong các peptide, các amino acid được liên kết với nhau

thông qua liên kết peptide

amino acid

amino

group

amino group carboxylic

acid

group

amino acid peptide water

peptide bond

H

H

H H

R O N N

N

R

C C C C O

O

R

C C N

O

O

R

C C

Liên kết peptide

Đặc tính của liên kết peptide

 Liên kết peptide là một liên kết lai giữa liên

kết đơn và một liên kết đôi

 Hoạt tính kém hơn so với liên kết đơn

 Cấu trúc tương đối cứng và gần như phẳng

 Mô-men lưỡng cực lớn, phù hợp với sự hình

thành cấu trúc dạng trans

Liên kếp peptide: Cis - Trans

Hầu hết các aminoacid đều ở dạng cấu hình trans

Oxygen của nhóm carbonyl một

phần mang điện âm và nitrogen

 Sự quay xung quang liên kết peptide là không

được phép

 Sự quay quanh nối liên kết với carbon alpha thì

được phép

 φ (phi): góc quay quanh liên kết giữa carbon

alpha và nitrogen của nhóm amide

 ψ (psi): góc quay quanh liên kết giữa carbon

alpha và carbon của nhóm carbonyl

 Chuỗi polypeptide được duỗi hoàn toàn khi cả ψ

và φ đều bằng 180°

Các góc nhị diện fvà y

Các góc nhị diện fvà y

Vai trò của các liên kết yếu

Các lực yếu và vai trò của chúng

trong sự hình thành cấu trúc protein

 Tương tác kỵ nước: <40 kJ/mol

Liên kết hydrogen

Liên kết hydrogen

Tương tác kỵ nước

 Trong dung dịch, các phân tử nước luôn đẩy

các nhóm không phân cực ra xa hay là hiện

tượng các nhóm không phân cực luôn tự sắp

xếp sao cho chúng không tiếp xúc với các

phân tử nước

 Các tương tác kị nước có ý nghĩa quan trong

việc duy trì tính định hình của các phân tử

protein

 Những tương tác này chiếm khoảng 1/2 tổng

năng lượng tự do của quá trình đóng gói các

protein

Tương tác kỵ nước

Lực van der Waals

 Lực Van der Wals gồm lực hút và lực đẩy

 Lực hút Van der Waals gồm:

 Lực định hướng: Các phân tử phân cực hút lẫn nhau

bằng các lực ngược dấu của lưỡng cực phân tử Nhờ

vậy mà phân tử này định hướng lại với phân tử kia

theo một trật tự xác định.

 Lực cảm ứng: Khi phân tử không phân cực tiến gần

phân tử phân cực thì dưới ảnh hưởng của điện trường

gây ra bởi lưỡng cực, các phân tử không phân cực bị

cảm ứng điện và xuất hiện lưỡng cực cảm ứng.

 Lực khuyếch tán (phân tán london): Là lực hút xuất

hiện nhờ các lưỡng cực tạm thời trong phân tử.

Tương tác tĩnh điện

Cấu trúc bậc I

Cấu trúc của protein

 Phân tử protein hình thành cấu trúc

không gian 3-D ở trong dung dịch nước

 Cấu trúc như vậy làm cho protein có các

chức năng sinh học đặc biệt

Cấu trúc của protein

 Cấu trúc bậc I

 Biểu thị trình tự các gốc aminoacid

trong chuỗi polypeptide

 Được giữ vững bằng liên kết peptide

Trình tự aminoacid

của ribonuclease A

Cấu trúc của protein

 Cấu trúc bậc I

• Ribonuclease là một protein nhỏ, có chứa 8 gốc cysteine, tạo

thành 4 nối disulfide (-S-S-)

• Sử dụng urea cùng với sự có mặt của 2-mercaptoethanol sẽ

hoàn toàn làm biến tính ribonuclease (ribonuclease hoàn

toàn giải nối liên kết để tồn tại ở dạng mạch đơn)

• Khi urea và 2-mercaptoethanol được loại bỏ thì protein sẽ tự

động gấp cuộn lại và hình thành các nối disulfide và cấu trúc

gấp cuộn trở lại đúng chính xác như cấu trúc trước khi làm

biến tính

 Trình tự cấu trúc đã quyết định cấu hình tự nhiên của protein

(Chris Anfinsen, the 1972 Chemistry Nobel Prize)

của Ribonuclease

Sự gấp cuộn có lợi về mặt năng lượng

của Ribonuclease

Ý nghĩa cấu trúc bậc I của protein

 Là bước quan trọng đầu tiên để xác định

cơ sở phân tử hoạt tính sinh học, tính

chất hoá, lý của protein.

 Là cơ sở xác định cấu trúc không gian

của phân tử protein.

 Là bản phiên dịch mã di truyền Phần

nào cho thấy mối quan hệ họ hàng và

 Là yếu tố quan trọng góp phần trong

nghiên cứu bệnh lý phân tử (khi thay đổi

thứ tự aminoacid)

 Là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng

phương pháp hoá học hoặc bằng phương

pháp công nghệ sinh học

 Insulin là protein đầu tiên được tổng hợp bằng

phương pháp hoá học vào năm 1966

 Đến nay rất nhiều protein đã được xác định cấu

trúc bậc I

Ý nghĩa cấu trúc bậc I của protein

 Hiện nay nhiều loại protein đã biết được trình tự các

amino acid trong chuỗi polypeptide như:

 ribonuclease protein có 124 amino acid được nối với

nhau thành một chuỗi, có 4 cầu disulfur

 hemoglobin protein có 4 chuỗi polypeptide, 2 chuỗi α

(mỗi chuỗi 141 amino acid) và 2 chuỗi β (mỗi chuỗi

146 amino acid)

 trypsinogen bò (229 amino acid)

 chymotrypsin bò (229 amino acid)

 alcol dehydrogenase ngựa (374 amino acid)

 glutamate dehydrogenase bò (500 amino acid) v.v

Một số protein đã biết trình tự

Cấu trúc bậc II

Cấu trúc bậc II

 Là sự sắp xếp cục bộ của chuỗi polypeptide gây ra do

các tương tác kỵ nước và tương tác giữa các nhóm

chức hoặc nhóm bên với nhau

 Có hai loại sắp xếp thông thường:

 Xoắn α: Được bền hóa bởi các liên kết hydrogen

giữa các gốc gần nhau

 Phiến β: Được bền hóa bởi các liên kết hydrogen

giữa các vùng gần nhau trong không gian nhưng

Xoắn  (the α helix)

 Khung sườn chuỗi peptide ở dạng tương đối

nén lại bởi vì góc nhị diện ψ (N–C—C–N) nằm

trong khoảng 0  <y < -70 

 Sự xoắn của khung được giữ bởi các liên kết

hydrogen hình thành giữa gốc gần nhau

 Xoắn tay phải chứa trung bình 3.6 gốc (5.4 Å)

trên mỗi vòng xoắn

 Các liên kết peptide thì nằm gần song song

 Không phải toàn bộ các trình tự trong polypeptide

phù hợp với cấu trúc xoắn

 Các gốc kỵ nước bé như là Alamine và Leucine thì rất

phù hợp với sự hình thành xoắn

 Proline lại là tác nhân phá vỡ cấu trúc xoắn bởi vì nó

không có khả năng quay quanh liên kết N-Cα

việc hình thành cấu trúc xoắn anpha

Phiến  ( Sheets)

 Khung sườn của phiến beta thì duỗi rộng ra hơn so

với xoắn anpha vì góc nhị diện ψ (N–C—C–N) nằm

trong khoảng (90 <y < 180 )

 Cấu trúc phẳng của liên kết peptide và cấu hình tứ

diện của carbon anpha tạo nên cấu trúc phiến gấp

 Sự sắp xếp các phiến trên khung sườn thì được giữ

bởi các liên kết hydrogen giữa các amide nằm

tương đối xa nhau trên khung sườn

 Các mạch bên thò ra lần lượt theo hai hướng

trên-dưới từ các nếp gấp của hai phiến

Phiến bsong song và đối song

 Phiến song song: hai mạch polypeptide có

cùng hường (N – C) trong cùng một phiến

 Phiến đối song: hai mạch polypeptide khác

hường (N – C) trong cùng một phiến

 Trong phiến song song, các H-bonded

strands chạy cùng hướng

 Trong phiến đối song, the H-bonded strands

chạy theo các hướng ngược nhau

Phiến bsong song

Phiến bđối song

Số lượng xoắn α và phiến gấp β trong

chuỗi đơn một số protein

Các dạng cấu trúc bậc II phức

tạp (motifs)

Xoắn-vòng xoắn (helix-loop-helix)

beta-alpha-beta

Vòng b ( β Turns)

 β-turns thường xuất hiện khi các mạch trong

các phiến β thay đổi hướng trong không gian

 Vòng 1800sẽ được hoàn thành trên 4 gốc

aminoacid

 Vòng được làm bền bởi một liên kết hydrogen

từ một nguyên tử oxygen của nhóm carbonyl

và một nguyên tử hydrogen của nhóm amide

của gốc aminoacid thứ 4

 Proline ở vị trí thứ 2 hay glycine ở vị trí thứ 3

thì thường xuất hiện trong cấu trúc vòng β

Vòng b ( β Turns)

Xoắn vòng beta (beta helices)

Xoắn phiến beta (twisted beta)

Thùng beta (beta barrel)

Xoắn ái dầu trong

flavodoxin

Xoắn không phân cực

trong citrate synthase

Xoắn phân cực

trong calmodulin

Cấu trúc bậc III

Có hai loại cấu trúc bậc III chính:

– Protein cấu trúc dạng sợi (fibrous proteins)

¤ Không tan trong nước

¤ Được làm thành từ một cấu trúc bậc II đơn thuần

– Protein cấu trúc hình cầu (globular proteins)

¤tan được trong nước

¤ các protein màng tan được trong lipid

Cấu trúc bậc III của protein

Protein dạng cầu

 Chuỗi peptide phải đảm bảo được cấu trúc cố hữu

của nó (khung sườn liên kết không bị phá vỡ)

 Hầu hết các gốc phân cực nằm ở mặt ngoài của

protein và tương tác với dung môi nước

 Hầu hết các gốc kỵ nước nằm bên mặt trong của

protein và tương tác với nhau

 Tồn tại một số vùng không gian rỗng trong cấu trúc

 Vùng không gian rỗng sẽ hình thành các hốc nhỏ

Protein dạng cầu

Cấu trúc bậc III

 Biểu thị sự xoắn vàcuộn khúc của chuỗi polypeptide

thànhkhối, đặc trưng cho potein cầu

 Tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa

nhau trong chuỗi polypeptide

 Các gốc cystein tạo nên liên kết disulfur giữa các gốc

cystein xa nhau trong chuỗi polypeptide làm cho chuỗi

bị cuộn lại

 Các loại liên kết khác như Van der Waals, liên kết

hydrogen, liên kết tĩnh điện giữa các gốc amino acid

Cấu trúc bậc III

Cấu trúc bậc IV

Cấu trúc bậc IV

bậc III trong phân tử protein.

gọi là một tiểu đơn vị.

der Waals giữa các nhóm phân bố

trên bề mặt của các tiểu đợn vị làm

bền cấu trúc bậc IV.

Cấu trúc bậc IV

 Là protein giàu nhất trong cơ thể người.

 Trong da, collagen chiếm khoảng 75 %

 Phần lớn ở trong các mô liên kết.

 Các mô liên kết chứa chủ yếu là nền ngoại bào.

 Đặc tính cơ học của mô liên kết được xác định

COLLAGEN

Có khoảng 20 loại hiện diện trong cơ thể sinh vật sống.

Collagen I Dây chằng, xương, giác mạc, răng, sụn, đĩa đệm

Collagen II Sụn, tế bào thủy tinh thể, đĩa đệm

Collagen III Tử cung, da, ruột, màng tim, hàm

Collagen IV Các loại màng

Collagen V Giác mạc, xương, sụn

Collagen VI Màng bao tử, da và sụn

Collagen VII Da, phổi và giác mạc

Collagen VIII Chưa biết, được sản sinh ra trong tế bào của người

Collagen IX Sụn

Collagen X Sản sinh tế bào sụn trong quá trình xương, sụn hóa

Collagen XI Sụn, xương men xương

Collagen XII Dây chằng, gân, men răng

Cấu trúc sợi collagen

Cấu trúc sợi collagen

1 Tạo độ cứng cho da.

2 Tạo gắn kết với các mô liên kết.

3 Hỗ trợ sự gắn kết giữa các tế bào.

4 Giúp tăng cường sự phân chia và tăng sinh

tế bào (trong suốt thời kỳ phát triển của

sinh vật hay trong quá trình liền vết thương).

Chức năng chính của collagen:

Chức năng chính của collagen:

Collagen được chỉnh sửa sau khi dịch mã

 Các polypeptides được tổng hợp bởi ribosomes trên

RER gọi là các pre-procollagen

 Enzyme tín hiệu peptidase cắt bỏ đoạn AA từ đầu

amino của pre-procollagen và chuyển thành

procollagen.

 Hình thành các liên kết S-S nội và ngoại mạch.

 Một vài gốc Proline và Lysine bị hydroxyl hóa, một

vài gốc 5-OH-Lysine bị đường hóa (glycosylated)

 Procollagen được tiết ra

 170 AA ở đầu N và 220 AA ở đầu C của protocollagen

sẽ bị loại bỏ bởi enzyme protease ngoại bào để

chuyển thành tropocollagen

 Tropocollagen hợp thành các sợi fibrils

 Các liên kết theo phương ngang giữa các gốc lysine

góp phần quang trọng tạo nên độ bền của sợi fibrils

Sợi collagen (collagen fibrils)

Sợi collagen (collagen fibrils)

 Đơn vị cấu trúc cơ bản là tropocollagen gồm ba chuỗi

polypeptide xoắn vào nhau, theo hướng từ đầu C đầu N

 Collagen loại I - [1(I)]22(I)

- 2 chuỗi polypeptide dạng xoắn1(I)

- 1 chuỗi polypeptide dạng xoắn2(I)

 3 chuỗi xoắn lại với nhau theo kiểm xoắn phải

 Các đoạn ngắn của chuỗi polypeptide không hình thành

xoắn 3 gọi là telopeptide

 Các tropocollagen dạng que dài h.thành các sợi bằng cách

xếp song song và liên kết với nhau tạo thành trật tự so le

Sợi collagen (collagen fibrils)

Sợi collagen (cont)

 Có độ bền kéo rất lớn: sợi collagen có đường kính 1

mm có thể treo được  10 kg

 Độ bền theo thời gian kém (từ vài tuần đến vài năm)

 Khả năng chống lại sự phân của các enzyme protease

như trypsin, pepsin cao

 Bị phân hủy bởi enzyme collagenase nội bào

Sự chuyển hóa collagen thay đổi

theo tuổi già và bệnh tật

 Collagen của người già có nhiều liên kết theo phương ngang

hơn ở những người trẻ

 Sự hydroxyl hóa của các gốc proline và lysine yêu cầu sự có

mặt của vitamin C và ion Cu

- Sự thiếu hụt vitamin C sẽ làm giảm sự hydoryl hóa và dẫn tới

sự biến tính của collagen ở ngay tại nhiệt độ của cơ thể, làm

tăng khuynh hướng chảy máu răng, làm chậm quá trình liền

vết thương

Nguồn collagen

• Trong các sản phẩn từ đậu nành và pho mát.

• Các loại rau xanh đậm.

• Các loại rau quả màu đỏ như là tiêu đỏ, cà chua, củ cải đỏ.

• Cá hồi, cá thu.

• Các loại hạt như: hạt điều (cashews), hạt quả hồ đào

(pecans), hạt hạnh nhân (almonds)

• Thực phẩm giàu sulfur củng quan trọng trong việc sản sinh

ra collagen Chẳng hạn quả oliu (olives) và dưa leo tươi.

Thực phẩm chứa nhiều vitamin A cũng giúp giữ collagen ở

hàm lượng cao.

GOTU-KOLA (tích huyết thảo) NONI (nhàu rừng, họ cafe)

CUCUMBER (dưa leo)

Nguồn collagen dùng trong mỹ phẩm

Vai trò của collagen trong

quá trình liền vết thương

6 hours

24 hours

2 days