CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

CHƯƠNG 7: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein được cấu thành từ amino acid Hai mươi amino acid cấu thành các chuỗi polypeptide sinh học Những amino acid cho thấy sự bất đối quanh

CHƯƠNG 7: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

Protein được cấu thành từ amino acid

Hai mươi amino acid cấu thành các chuỗi polypeptide sinh học

Những amino acid cho thấy sự bất đối quanh carbon alpha

Cấu trúc của protein phản ánh bốn cấp độ tổ chức

Cấu trúc bậc hai của protein hình thành dựa vào liên kết hydro

Cấu trúc bậc ba của protein

Rất nhiều lực tham gia duy trì cấu trúc 3-D của protein

Cysteine tạo thành các liên kết disulfide

Nhiều vùng cuộn gấp trong những protein lớn

Cấu trúc bậc 4 của protein:

Cấu trúc lắp ráp ở cấp độ cao và quá trình tự lắp ráp

Các cofactor và các ion kim loại thường được liên kết với protein

Nucleoprotein, lipoprotein và glycoprotein là các protein kết hợp

Bộ máy protein

Enzyme xúc tác phản ứng chuyển hóa

Các mức độ đặc hiệu của enzyme rất đa dạng:

Mô hình ổ khóa-chìa khóa và mô hình khớp cảm ứng miêu tả mối tương tác giữa enzyme và cơ chất

Enzyme hoạt động bằng việc giảm năng lượng hoạt hóa

Tốc độ phản ứng của enzyme

Những chất chất đồng hình với cơ chất ức chế hoạt động của enzyme tại trung tâm hoạt động

Enzyme có thể được điều hòa trực tiếp

Enzyme dị lập thể bị ảnh hưởng bởi phân tử tín hiệu

Enzymes có thể được kiểm soát bởi những biến đổi hóa học

Protein kết hợp với DNA theo một vài cách khác nhau

Sự biến tính protein

Protein được cấu thành từ amino acid

Các nucleic acid DNA và RNA phần lớn liên quan đến việc lưu trữ và truyền thông tin di truyền, và vì vậy được gọi là các đại phân tử thông tin Ngược lại, protein là các polymer sinh học thực hiện hầu hết các chức năng thông thường của tế bào Một số protein là phân tử cấu trúc hay tham gia vào việc duy trì hình dạng tế bào và thực hiện việc vận động của tế bào; một số khác tham gia vận chuyển chất dinh dưỡng và chất thải;

số khác nữa thực hiện chức năng xúc tác thông qua việc tổng hợp năng lượng và thực hiện các phản ứng sinh hóa, bao gồm việc tổng hợp nucleotide và lắp ráp chúng thành nucleic acid

Những phân tử DNA và mRNA với chức năng chính là mang thông tin di truyền

là những đại phân tử mạch thẳng với cấu trúc lặp lại đều đặn.[Chú ý là điều ngược lại không đúng: có một cấu trúc dạng thẳng, lặp đi lặp lại chưa chắc đã mang thông tin di truyền như chất dẻo, polyethylen và một vài cấu trúc của protein như collagen cũng thuộc loại kiểu cấu trúc này] Những phân tử cấu trúc và chức năng vận chuyển và/hoặc là enzyme thường cuộn gấp lại thành cấu trúc bậc ba (3-D) Chúng bao gồm protein và một

số phân tử RNA như: rRNA và tRNA Tuy nhiên cả protein và phân tử RNA uốn nếp đều cấu tạo từ polymer thẳng đầu tiên về sau mới gấp lại

Protein bao gồm một chuỗi đơn phân mạch thẳng, được biết đến là các axít amin,

và uốn nếp tạo nhiều hình dạng 3-D phức tạp Một chuỗi amino acid được gọi là một chuỗi polypeptide Sự khác biệt giữa một chuỗi polypeptide và protein là gì? Thứ nhất, một số protein bao gồm nhiều hơn một chuỗi polypeptide và thứ hai, nhiều protein

có chứa các thành phần bổ sung như các ion kim loại hoặc các phân tử hữu cơ nhỏ được biết đến là cofactor, thêm vào phần polypeptide (xem bên dưới)

Sự hình thành các chuỗi polypeptide

Hai mươi amino acid khác nhau được sử dụng để cấu thành các protein Tất cả

các amino acid đều có một nguyên tử cacbon trung tâm, các carbon alpha, bao quanh bởi một nhóm amino, một nhóm carboxyl, một nguyên tử hydro và một chuỗi bên hoặc nhóm-R, như trong hình 7.01A (proline là một trường hợp ngoại lệ, xem dưới đây) Amino acid đơn giản nhất là glycine (Hình 7.01B), trong đó gốc R chỉ là một nguyên tử hydro duy nhất Trong dung dịch, ở điều kiện sinh lý, các nhóm amin và nhóm carboxyl

của các amino acid đều bị ion hóa, tạo thành phân tử lưỡng cực hay ion lưỡng cực với một cực tích điện dương và một cực tích điện âm (Hình 7.01C)

Amino acid được nối với nhau bằng liên kết peptide (Hình 7.02) để tạo thành một chuỗi polypeptide Amino acid đầu tiên trong chuỗi có nhóm amino (-NH2) tự do và đầu

này được gọi là đầu amino hay đầu N của chuỗi polypeptide Amino acid cuối cùng được

gắn vào chuỗi với một nhóm carboxyl (-COOH) tự do, do đó đầu đó được gọi là đầu

carboxyl hay đầu C Khi tổng hợp, polypeptide được kéo dài từ đầu amino (N) về phía

đầu carboxyl (C)

Hai mươi amino acid cấu thành các chuỗi polypeptide sinh học

Hai mươi amino acid thấy trong protein có nhiều nhóm hóa học khác nhau (Hình 7.03) Khả năng hình thành nhiều monomer khác nhau làm thành tập hợp các protein rất

đa năng, với nhiều đặc tính và khả năng, bao gồm rất nhiều cấu hình 3-D có thể khác nhau Các amino acid có thể được phân chia thành các nhóm dựa vào các đặc điểm lý hóa của chúng Sự phân chia cơ bản chia chúng thành nhóm có nhóm bên (R-group) ưa nước (hydrophilic) và nhóm có nhóm bên kỵ nước (hydrophobic) Glycine có nhóm bên là một nguyên tử hydro, nên nó không thực sự phù hợp một nhóm nào trong hai nhóm kể trên

Các amino acid ưa nước có thể được chia thành nhóm kiềm, axít và trung tính Các amino acid kiềm góp điện tích dương cho protein trong khi các gốc axít cung cấp điện tích âm Chính xác hơn, việc tích điện này chỉ đúng trong dung dịch ở khoảng pH sinh lý Các gốc trung tính có các chuỗi bên có khả năng hình thành các liên kết hydro Nhóm bên của các amino acid ưa nước mang các nhóm hóa học có thể tham gia trong các phản ứng Vị trí hoạt động của các enzyme (xem dưới đây) thường chứa serine, histidine, amino acid kiềm và các amino acid axít

Các amino acid kỵ nước có thể được chia thành nhóm các amino acid béo (Ala, Leu, Ile,Val, Met) và nhóm có vòng thơm (Phe, Trp và Tyr) Các amino acid này phần lớn có chức năng cấu trúc, ngoại trừ tyrosine trong đó có một nhóm hydroxyl đính vào vòng thơm và do đó có thể tham gia vào một loạt các phản ứng Việc phân loại tyrosine còn nhập nhằng vì nó có nhóm hydroxyl có bản chất là phân cực Proline có vòng không thơm, nói đúng, nó là imino acid (chứ không phải là amino acid) vì nó có một nhóm-NH-(imino) như là một phần của một vòng (thay vì một nhóm amin tự do)

Hai trong số các amino acid kỵ nước, Met và Cys, chứa lưu huỳnh Khi một chuỗi polypeptide lần đầu tiên tổng hợp, methionine luôn luôn là amino acid đầu tiên, mặc dù

nó có thể được cắt ra sau đó Cysteine quan trọng với cấu trúc 3-D vì nó tạo ra liên kết disulfide (xem dưới đây) Các nhóm sulfhydryl tự do của cysteine rất dễ tham gia phản ứng và thường được sử dụng trong các vị trí hoạt động enzyme hoặc để liên kết với các nhóm chất hóa học khác nhau vào protein

Hai mươi amino acid khác nhau thấy trong các protein có thể được viết tắt bằng

hệ thống ba chữ cái và hệ thống một chữ cái (bảng 7.01) Chữ viết tắt các amino acid thường là (những) chữ cái đầu của tên, nhưng một số amino acid đôi khi bắt đầu với cùng

một chữ của bảng chữ cái, những chữ khác cần một chút trí tưởng tượng Chúng đặc biệt được sử dụng khi viết ra các trình tự protein Các amide, asparagine and glutamine, tương đối không ổn định và bị phá vỡ một cách dễ dàng thành các axit tương ứng, là aspartate

và glutamate Do đó, khi phân tích, nhiều nhà khoa học không phân biệt các amino acid axit với amide của chúng Các chữ viết tắt Asx và Glx đã được phát minh để biểu thị chung cho các cặp không rành mạch này

Những amino acid cho thấy sự bất đối quanh carbon alpha

Ngoài glycine, các amino acid có bốn nhóm hóa học khác nhau xung quanh các

nguyên tử carbon alpha trung tâm Carbon này được gọi là chiral hoặc trung tâm bất đối

xứng (Hình 7.04) Do đó các amino acid như vậy tồn tại hai dạng đồng phân đối xứng qua gương với đặc tính đối xứng hay chiều khác nhau Một cặp đồng phân qua gương, được biết đến như enantiomers hoặc đồng phân quang học Chúng được gọi là dạng L

nhau của đồng phân L và D được biết đến như một hỗn hợp đẳng quang (racemic

mixture) và enzyme chuyển đổi qua lại giữa đồng phân D và L của phân tử được gọi là racemases Một phân tử có nhiều các trung tâm bất đối xứng, chẳng hạn như một chuỗi

polypeptide, sẽ có thể có nhiều đồng phân lập thể, vì mỗi trung tâm có thể tồn tại dưới dạng cấu tạo L hoặc D

(http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization)

Tất cả các amino acid được tìm thấy trong protein là dạng L Mặc dù L- axit min đôi khi được gọi là đồng phân "tự nhiên", D- amino acid có tồn tại trong tự nhiên Các

peptidoglycan trong vách tế bào vi khuẩn chứa vài loại D- amino acid khác nhau, và một

số kháng sinh peptide được amino acid

Cấu trúc của protein phản ánh bốn cấp độ tổ chức

Các chuỗi polypeptide thẳng phải được cuộn gấp thành cấu trúc 3-D để có thể thực hiện đúng chức năng Hơn nữa, nhiều protein được tạo thành từ nhiều hơn một chuỗi

polypeptide và cũng có nhiều protein còn có thêm các cofactor hay nhóm ngoại (prosthetic group) là các phân tử kết hợp có bản chất không phải là amino acid Cấu

trúc cuối cùng của một protein được xác định bởi trình tự amino acid của nó, do đó, protein với các trình tự protein tương đồng sẽ có cấu hình 3-D tương tự

Polypeptide điển hình dài khoảng 300-400 amino acid Polypeptide ngắn hơn nhiều hoặc lớn hơn nhiều ít phổ biến hơn Tuy nhiên, nhiều hormone và các yếu tố tăng trưởng, chẳng hạn như insulin, lại cấu tạo bởi các chuỗi polypeptide tương đối ngắn Một polypeptide đặc biệt với hơn một nghìn amino acid là rất hiếm và các protein rất lớn có

xu hướng cấu thành bởi vài chuỗi polypeptide riêng biệt nhiều hơn là một chuỗi đơn dài

Cấu trúc của các đại phân tử sinh học, cả protein và nucleic acid, thường chia thành bốn cấp độ tổ chức

1 Cấu trúc bậc một là trình tự của các monomer: tức là trình tự của các

amino acid trong một protein hay của các nucleotide trong DNA hoặc RNA

2 Cấu trúc bậc hai là cấu trúc gấp hay vặn xoắn của các chuỗi polymer

nhờ liên kết hydro Trong trường hợp của protein, các liên kết hydro hình thành giữa các nguyên tử của xương sống polypeptide (trong nhóm peptide)

3 Cấu trúc bâc 3 là cấu trúc gấp hơn nữa tạo thành cấu trúc không gian 3

chiều cuối cùng của một polymer Trong trường hợp protein, điều này liên quan đến tương tác giữa nhóm R của các axit amin

4 Cấu trúc bậc 4 là do sự lắp ghép các chuỗi polypeptide đơn để tạo

thành cấu trúc cuối cùng

Cấu trúc bậc hai của protein hình thành dựa vào liên kết hydro

Theo định nghĩa, cấu trúc bậc 2 là sự cuộn gấp chỉ phụ thuộc vào liên kết

hydro Trong DNA, liên kết hydro do bắt cặp bổ sung là nền tảng của chuỗi xoắn kép helix Trong protein, liên kết hydro tạo thành cấu trúc bậc hai xảy ra giữa các nhóm peptide làm xương sống của các polypeptide (hình 7.05) Các chuỗi polypeptide phải được cuộn gấp lại để mang hai nhóm peptide sát với nhau Các hydro trên nitơ của một nhóm peptide sau đó liên kết với oxy của nhóm kia [Chú ý rằng liên kết hydro cũng góp phần tạo nên cấu trúc bậc 3, nhưng ở đây liên kết hydro không phải là liên kết duy nhất hoặc thậm chí là liên kết chính tham gia tạo thành cấu trúc đó.]

Hầu hết các cấu trúc bậc 2 trong protein thuộc một trong hai của cấu trúc bậc hai là

chuỗi xoắn alpha (α-/ alpha helix) và nếp gấp beta (β- /beta sheet) Cả hai cấu trúc đều

cho phép tạo thành lượng liên kết hydro tối đa có thể và do đó rất ổn định

Trong một chuỗi xoắn α-helix (Hình 7.06), một chuỗi polypeptide đơn được cuộn xoắn thành xoắn phải và liên kết hydro chạy theo chiều dọc lên xuống, song song với trục xoắn Trong thực tế, các liên kết hydro trong một chuỗi xoắn a-helix không phải là song song với trục nó hơi nghiêng so với trục xoắn vì có 3,6 amino acid cho mỗi vòng chứ không phải là số nguyên Chiều dài của một vòng xoắn là 0,54 nm và chiều cao của một amino acid là 0,15 nm

Các liên kết hydro giữ các vòng xoắn kế tiếp nhau của các chuỗi xoắn helix, và chúng chạy từ nhóm C=O của một amino acid đến nhóm N-H của amino acid thứ 4 phía dưới trong chuỗi Chuỗi xoắn kép helix rất ổn định bởi vì tất cả các nhóm peptide (-NH-CO-) đều tham gia vào hai liên kết hidro; một ở trên, một ở dưới dọc theo trục xoắn Chuỗi xoắn phải là ổn định nhất cho các L- axit amin (một chuỗi xoắn ổn định không thể được hình thành với cả D- và L- amino acid mặc dù xoắn bên trái có thể xoắn ổn định

về mặt lí thuyết khi được hình thành từ các D- axít amin

Các nhóm R quay ra phía ngoài của xương sống peptide được gói chặt của chuỗi polypeptide Trong số 20 axit amin, Ala, Glu, Leu và Met là các amino acid hình thành chuỗi xoắn alpha tốt nhưng nhưng Tyr, Ser, Gly và Pro thì không Proline là hoàn toàn không phù hợp với một chuỗi xoắn alpha, do cấu trúc của nó là dạng vòng tròn cứng nhắc Hơn nữa, khi proline có mặt trên chuỗi polypeptide, nó không còn nguyên tử hydro nào trên nguyên tử nitơ tham gia liên kết peptide Do đó, proline làm gián đoạn các kiểu liên kết hydro Ngoài ra, hai gốc amino acid cồng kềnh hay hai gốc có cùng điện tích nằm cạnh nhau trong các chuỗi polypeptide sẽ không khớp vào một chuỗi xoắn alpha Nhìn chung, các chuỗi xoắn alpha tạo thành các gậy rắn hình trụ

Các nếp gấp beta cũng được tổ chức với nhau bởi liên kết hydro giữa các nhóm peptide nhưng trong trường hợp này chuỗi polypeptide được gấp ngược lại trên chính

nó để cho ra các cấu trúc mặt phẳng dẹt gấp kiểu zig-zag (Hình 7.07) Cũng giống như các chuỗi xoắn alpha các nếp gấp beta cũng rất ổn định bởi vì tất cả các nhóm peptide (ngoại trừ nhóm trên mép của dải) đều tham gia vào hai liên kết hydro Trong các nếp gấp beta các liên kết hydro hướng về hai bên cạnh nhóm peptide, mỗi liên kết một bên Trong cấu trúc beta- sheet, các đoạn của chuỗi polypeptide thường nằm cạnh nhau theo kiểu, mặc dù không luôn luôn, đối song và nhóm R- nằm xen kẽ ở trên và dưới các mặt phẳng zig -zag của nếp gấp beta

Có nhiều dạng cấu hình beta – sheet đã biết Mặc dù một số nếp gấp beta là phẳng, hầu hết các gấp nếp beta được biết đến nhiều lại xoắn theo chiều phải nên các dải cấu trúc beta không phải là phẳng mà cong Trong một số trường hợp các nếp gấp beta cong vòng xung quanh để sợi cuối liên kết với sợi đầu, tạo thành một cấu trúc như

là cái thùng

Một cấu trúc quay ngược (cũng được biết như đoạn β-turn hay β-bend) là nơi

mà các chuỗi polypeptide quay ngược lại Dải beta đảo ngược ở cuối của từng phân đoạn, nhưng cũng tìm thấy ở những nơi khác Pro và Gly thường được tìm thấy trong các đoạn quay đảo ngược Những vùng của protein không có dạng cấu trúc bậc hai gọi là xoắn

ngẫu nhiên-“random coil” mặc dù chúng không thực sự ngẫu nhiên mà chỉ là các cấu

trúc lặp không đều đặn

Cấu trúc bậc ba của protein

Sự cuộn gấp thêm hơn nữa của chuỗi polpeptide tạo thành cấu trúc bậc 3 Trong một nucleic acid cấu trúc bậc ba là do siêu xoắn tạo thành Trong một protein, chuỗi polypeptide, với các đoạn chuỗi xoắn alpha và nếp gấp beta, cuộn gấp lại để tạo thành cấu trúc 3-D cuối cùng Nhìn chung, các chuỗi polypeptide với trình tự các chuỗi amino acid tương tự sẽ uốn gấp để tạo ra cấu trúc 3-D giống nhau Uốn gấp cấu trúc bậc 3 phụ thuộc vào sự tương tác giữa các nhóm bên của mỗi amino acid riêng biệt Vì có 20 amino acid khác nhau nên có thể có một lượng lớn có cấu trúc 3-D có thể, mặc dù hầu hết các polypeptide là hình cầu

Các mô đun xoắn alpha và nếp gấp beta là dạng cấu trúc cơ bản của protein (hình 7.09) Chúng được liên kết bởi các vòng của xoắn ngẫu nhiên (random coil) với độ dài khác nhau Nhiều trong số các vòng xoắn ngẫu nhiên nằm ở bề mặt của protein, tiếp xúc với một dung môi và phần lớn chứa các gốc tích điện hay phân cực Các cấu trúc vòng cứng nhắc của proline làm quay xương sống của chuỗi polypeptide một góc khoảng 900

Do đó, proline phá vỡ cấu trúc bậc 2, góp phần vào hình thành các khúc cong/đoạn đổi hướng để các cấu trúc bậc 2 cuộn gấp thành cấu trúc bậc 3 Khi nghiên cứu cấu trúc 3-D của protein, người ta thấy hàng ngàn protein có trong thực tế đều có cấu tạo từ một số kiểu-motif cấu trúc xác định Motif cấu trúc như vậy thường bao gồm một số đoạn xoắn alpha và/hoặc một số beta-sheet tạo thành một cấu trúc hữu ích và dễ nhận biết (hình 7.10)

Việc cuộn gấp thành cấu trúc 3-D chủ yếu là do hoạt động của hai yếu tố Nhiều amino acid có nhóm R rất dễ hòa tan trong nước (ưa nước) Những chuỗi bên này

“thích” nằm ở trên bề mặt của phân tử protein nơi chúng có thể hòa tan vào nước xung quanh protein và tạo liên kết hidro với phân tử nước Ngược lại, các nhóm R đẩy nước (kỵ nước) tụm vào nhau bên trong phân tử protein, tránh xa nước (hình 7.11) Các phân

tử kỵ nước có tính chất của chất béo và không hòa tan Sắp xếp này được biết đến như là

những cấu trúc kiểu giọt dầu (oil drop model) của protein Thuật ngữ “tương tác kỵ

nước”, “liên kết kỵ nước” hay “liên kết không phân cực” ám chỉ xu hướng những nhóm không phân cực kết tụ lại với nhau để tránh tiếp xúc với nước

Sự hình thành liên kết kỵ nước chủ yếu do ảnh hưởng của nước chứ không phải

do sức hút vốn có của các nhóm kỵ nước với nhau Nói đúng ra thuật ngữ kỵ nước (có

nghĩa là sợ/ không ưa nước) dẫn đến việc hiểu nhầm vì chính nước mới “không thích” các nhóm hòa tan không phân cực Các gốc hydrocarbon tiếp xúc với nước tạo ra một tác động mang tính sắp xếp đối với các phân tử nước quanh nó Điều này làm giảm entropy của nước và không thuận về nhiệt động học Việc loại bỏ lượng hydrocarbon cho phép nước giảm cấu trúc liên kết hydro có tổ chức, kết quả, làm tăng entropy khoảng 0,7 Kcal cho mỗi nhóm methylene được loại bỏ Do đó việc loại bỏ chuỗi bên của leucin không cho tiếp xúc với nước giải phóng ra 3,5 Kcal/mole.Vì tương tác kỵ nước phụ thuộc vào entropy, độ mạnh của liên kết kỵ nước tăng khi nhiệt độ tăng, không giống như các liên kết khác thường trở nên ít ổn định hơn ở nhiệt độ cao hơn

Protein được chèn sâu vào màng sinh chất có cấu hình ngược với mô hình giọt dầu chuẩn chúng bộc lộ những nhóm kỵ nước trên bề mặt tiếp xúc với màng lipid Phần còn lại là nhóm ưa nước chúng cụm lại ở bên trong, nhưng một số ít lại tìm thấy tại bề mặt ở những vùng mà protrein nhô ra ngoài màng (hình 7.12)

Rất nhiều lực tham gia duy trì cấu trúc 3-D của protein

Ngoài ảnh hưởng chủ yếu của liên kết kỵ nước trong lõi của protein và các liên kết hydro của chuỗi bên ưa nước, một loạt các hiệu ứng cũng rất quan trọng (Hình 7.13) Chúng bao gồm liên kết ion, liên kết hydro, lực van der Waals và liên kết disulfide Liên kết hydro có thể hình thành giữa các nhóm R của 2 amino acid gần nhau Những amino acid với nhóm hydroxyl, amin hoặc amide trên chuỗi bên có thể tham gia liên kết hydro như vậy Tương tự, liên kết ion (-NH 3+-OOC-) có thể tạo thành giữa nhóm

R của amino acid bazơ và amino acid axít (hình 7.13) Trong thực tế có rất ít liên kết ion được hình thành theo cách này vì các amino acid phân cực thường nằm trên bề mặt của phân tử protein và hình thành liên kết hydro với nước

Lực Van der Waals giữ các phân tử hoặc các phần của các phân tử với nhau nếu chúng đủ gần Lực Van der Waals là lực rất yếu và giảm theo khoảng cách Chúng chỉ quan trọng với vùng lớn bổ sung về cấu hình (lắp khít nhau về không gian) Liên kết disulfide giữa các cysteine đôi khi cũng quan trọng trong việc duy trì cấu trúc 3-D ( xem dưới đây)

Cysteine tạo thành các liên kết disulfide

Trong các điều kiện oxy hóa, các nhóm sulfhydryl của 2 cysteine có thể hình thành một liên kết disulfide Dimer gồm 2 cysteine (phát âm là "cystEEn") tham gia một

liên kết disulfide được biết đến như một cystine (phát âm là "cystYne") (hình 7.14) Liên

kết disulfide giữa cysteine rất quan trọng trong việc duy trì cấu trúc 3-D ở một số trường hợp (xem hình 7.13 ở trên) Liên kết disulfide có thể giữ hai vùng của một chuỗi polypeptide (liên kết disulfide trong cùng một chuỗi tạo thành cấu trúc bậc 3) lại với nhau hoặc có thể liên kết hai chuỗi polypeptide riêng biệt (liên kết giữa các chuỗi tạo thành cấu trúc bậc bốn)

Do liên kết disulfide dễ dàng bị khử thành hai nhóm sulfhydryl bên trong tế bào nên chúng ít được sử dụng trong việc ổn định protein nội bào Liên kết disulfide chủ yếu

để ổn định protein ngoại bào trong điều kiện oxy hóa Ví dụ cổ điển là những kháng thể lưu thông trong máu của động vật có xương sống Các enzyme tiết ra ngoại bào như lysozyme hoặc hormone, như insulin, cũng dựa vào liên kết disulfide Những sinh vật

đơn bào ít protein ngoại bào hơn so với sinh vật đa bào bậc cao nên chúng sử dụng ít liên kết disulfide hơn

Nhiều vùng cuộn gấp trong những protein lớn

Những chuỗi polypeptide dài có thể chứa một số vùng cuộn gấp ít nhiều độc lập được kết hợp với nhau qua các vùng nối có ít cấu trúc bậc 3 Những vùng như vậy được biết đến như các domain và có thể dài 50-350 amino acid (Hình 7.15) Những protein ngắn có thể có domain duy nhất, và những protein rất dài đôi khi có thể có đến cả tá domain

Chú ý rằng các protein bắt đầu cuộn gấp trước khi chúng được tổng hợp hoàn toàn Ngay sau khi chuỗi polypeptide đang được ribosome tổng hợp đủ dài, nó sẽ cuộn gấp thành cấu trúc 3-D Do đó domain cuộn gấp độc lập, đoạn này rồi đến đoạn tiếp theo (bởi vì trình tự cuộn gấp khác nhau nên việc cuộn gấp lại của polypeptide đã biến tính thường khác đáng kể so với sự cuộn gấp ngay từ đầu)

Nhiều yếu tố phiên mã bao gồm hai domain, một liên kết DNA và một liên kết với các phân tử tín hiệu Khi các phân tử tín hiệu được gắn vào, domain thay đổi hình dạng của mình (hình 7.16) Sự thay đổi về cấu hình đó được truyền sang domain bám DNA làm nó thay đổi cấu hình Vì vậy mặc dù các domain không cuộn gấp cùng nhau, chúng vẫn có tương tác mang tính vật lý với nhau

Cấu trúc bậc 4 của protein:

Nhiều protein bao gồm nhiều chuỗi polypeptide riêng biệt Điều này đặc biệt đúng

với các protein có tổng khối lượng phân tử lớn hơn 50000 Dalton (khoảng 400 axit

amin) [Mặc dù thỉnh thoảng tìm thấy chuỗi polypeptide có 1000 amino acid hoặc nhiều

hơn thế, nhưng chúng tương đối hiếm] Việc lắp ráp nhiều tiểu đơn vị lại với nhau tạo

nên cấu trúc bậc 4 (Hình 7.17)

(Protein chỉ với một chuỗi polypeptide không có cấu trúc bậc bốn) Số lượng các tiểu

đơn vị, hay protomer, thường tồn tại dạng số chẵn, hầu hết là hai hoặc là bốn Thuật ngữ

trimer, tetramer, oligomer và multimer ám chỉ các cấu trúc tương ứng với 2, 3, 4, vài hay

nhiều tiểu đơn vị Ít hơn 10 phần trăm protein phức có số lượng lẻ các tiểu đơn vị Các

tiểu đơn vị có thể giống hệt nhau hoặc khác nhau hoàn toàn hay khác nhau một vài cặp

(có thể nhiều hơn) Ví dụ, chất ức chế lactose bao gồm bốn tiểu đơn vị giống hệt nhau,

trong khi hemoglobin có hai tiểu đơn vị alpha và hai tiểu đơn vị beta Các tiền tố (giống) và hetero-(khác nhau) đôi khi được sử dụng để cho biết các tiểu đơn vị đều giống nhau hoặc khác nhau Do đó, chất ức chế lactose là một homo-tetramer, trong khi hemoglobin là một hetero-tetramer

homo-Các lực kỵ nước chịu trách nhiệm cho phần lớn cấu trúc bậc 3 cũng là lực được tham gia vào việc lắp ráp nhiều tiểu đơn vị Protein hòa tan, chỉ với một chuỗi đơn polypeptide, cuộn gấp sao cho gần như tất cả các gốc kỵ nước của chúng được ẩn bên trong phân tử Trong trường hợp của protein gồm nhiều tiểu đơn vị, các chuỗi polypeptide được gấp lại, để lại một cụm các gốc kỵ nước tiếp xúc với nước ở bề mặt protein (Hình 7.18) Đây là một sự sắp xếp không thuận lợi về nhiệt động học và khi hai chuỗi polypeptide với các vùng kỵ nước lộ ra ngoài tiếp xúc với nhau, chúng có xu hướng dính với nhau, giống như việc dính các miếng đính móc vào miếng đính vòng Như đã nói ở trên, liên kết kỵ nước sẽ yếu hơn khi ở nhiệt độ thấp hơn, do đó nhiều tiểu đơn vị protein có xu hướng tách ra ngoài khi nhiệt độ thấp

hook-and-loop fasteners

vỏ của virus khảm thuốc lá Trong trường hợp khác, cấu trúc cấp cao đòi hỏi các protein khác và các cofactor giúp lắp ráp

Các cofactor và các ion kim loại thường được liên kết với protein

Để hoạt động được, nhiều protein cần thêm thành phần, được gọi là cofactor hay nhóm ngoại (prosthetic group) không có bản chất là protein Nhiều protein sử dụng các nguyên tử kim loại đơn làm cofactor; một số khác cần nhiều phân tử hữu cơ phức tạp Nói đúng ra, các nhóm ngoại được cố định vào một protein, trong khi cofactor được

di chuyển tự do xung quanh protein này đến protein khác Tuy nhiên, việc phân loại này không đúng vì cùng một cofactor có thể liên kết cộng hóa trị cố định với một enzyme nào

đó nhưng lại không liên kết cộng hóa trị với một enzyme khác Do đó, các thuật ngữ trên thường sử dụng một cách linh hoạt Một protein mà không có nhóm ngoại được gọi là

một apoprotein

Ví dụ, protein vận chuyển oxy như hemoglobin có một nhóm cofactor hữu cơ hình chữ thập được gọi là nhân heme có chứa một nguyên tử sắt ở trung tâm Nhân heme được bao bọc trong vị trí hoạt động của apoprotein, trong trường hợp này là globin, tạo thành phân tử hemoglobin Ôxy liên kết với nguyên tử sắt ở trung tâm nhân heme và hemoglobin mang nó đi khắp cơ thể Nhóm ngoại thường được dùng chung bởi nhiều hơn một protein, ví dụ: heme dùng cho cả hemoglobin và myoglobin, phân tử nhận oxy

và phân phối vào trong tế bào cơ

Hầu hết các vi khuẩn và thực vật có khả năng tổng hợp được nhóm ngoại riêng của chúng Tuy nhiên, các động vật không thể tự tổng hợp nhiều nhóm ngoại hữu cơ của enzyme và do đó chúng hay tiền chất trực tiếp của chúng phải được cung cấp thông qua

ăn uống Các cofactor như vậy hay tiền chất của chúng được gọi là vitamin (Bảng7.02)

Một vài cofactor, chẳng hạn như heme, có thể được tổng hợp bởi động vật và vì vậy chúng không được gọi là vitamin Ngược lại, không phải tất cả các vitamin đều là cofactor hoặc các tiền chất của chúng Ví dụ, vitamin D là tiền chất của hormone Vitamin A khó phân loại vì một phần được chuyển đổi để tạo ra retinaldehyde- một cofactor của protein và một phần thành axit retinoic- một hormone Vitamin C không

hoạt động trực tiếp giống như cofactor, nhưng nó cần thiết để giữ các ion kim loại (chẳng

hạn như Cu và Fe) hoạt động như các cofactor ở “dạng khử” Vấn đề phức tạp khi các

cofactor có thể được tổng hợp được ở một số loài động vật nhưng loài khác lại không

thể Giống như vitamin C là một loại vitamin dành cho con người nhưng hầu hết các

động vật khác không cần có nó trong thức ăn

Nucleoprotein, lipoprotein và glycoprotein là các protein kết hợp

Protein kết hợp là các protein liên kết với các phân tử khác Ví dụ, các

nucleoprotein là phức hợp protein và nucleic acid, lipoprotein là các protein với các gốc

lipid đính vào, glycoprotein có các thành phần carbohydrate

Nhiều glycoprotein được tìm thấy trên bề mặt của các tế bào Chúng mang các

chuỗi carbohydrate ngắn cấu tạo từ vài phân tử đường, các phân tử thường thò ra ngoài tế

bào (hình7.21) Chuỗi đường thường được liên kết vào protein thông qua các nhóm

hydroxyl của serine hoặc threonin hoặc nhóm amide của nhóm asparagine Glycoprotein

thường có chức năng kết dính tế bào, đặc biệt ở các sinh vật (động vật) mà thành tế bào

thiếu độ cứng Ngoài ra, phần carbohydrate của các lipoprotein thường là nhân tố then

chốt trong sự nhận biết tế bào Ví dụ, tinh trùng nhận ra tế bào trứng bằng cách gắn vào

các phần carbohydrate của glycoprotein bề mặt Việc nhận biết của hệ thống miễn dịch

thường phụ thuộc vào cấu trúc chính xác của chuỗi carbohydrate của glycoprotein Ví dụ,

các kháng nguyên A và B của hệ nhóm máu ABO được biết đến hiện nay là chuỗi

carbohydrate khác nhau mang trên protein với sự có mặt hay vắng mặt của đường đơn

Nhiều lipoprotein được gắn lên màng bằng đuôi lipit của chúng (hình 7.22) Một

ví dụ là β-lactamase được tìm thấy trong nhiều vi khuẩn Gram dương, chẳng hạn như

họ β-lactam, trong đó bao gồm penicillin Vì mục tiêu tác dụng của penicillin là thành tế bào, nên các enzyme bảo vệ cần ở bên ngoài tế bào Đuôi lipit đảm bảo cho nó không bị trôi ra môi trường xung quanh

Các proteolipid là phân lớp đặc biệt của lipoprotein, với đặc tính cực kì kỵ nước

và do đó không tan trong nước Chúng hoà tan được trong dung môi hữu cơ và được tìm thấy ở vùng kỵ nước bên trong màng Các tính chất này không chỉ do các nhóm lipid đính kèm Một phần tính kỵ nước của chúng là do có tỉ lệ lớn các gốc amino acid kỵ nước Thay vì ẩn vào bên trong các protein, nhiều trường hợp các amino acid này được bộc lộ trên bề mặt

Protein thực hiện nhiều chức năng của tế bào

Protein chiếm khoảng 60% vật chất hữu cơ của các cơ quan tử của sinh vật Chúng chịu trách nhiệm cho hầu hết những phản ứng chuyển hoá và nhiều thành phần cấu trúc của tế bào Không ngạc nhiên khi chức năng của protein rất đa dạng Tuy nhiên, các protein có thể phân chia thành các loại chính như sau:

Enzyme là những protein xúc tác cho những phản ứng hoá học Vấn đề này sẽ

được thảo luận chi tiết hơn ở phần dưới Enzyme có nhiều đặc tính giống với các protein khác như có các “túi” gắn những phân tử nhỏ (trung tâm phản ứng) và có khả năng thay đổi cấu hình

Nhiều cấu trúc dưới tế bào cấu tạo phần lớn hoặc một phần bởi các protein cấu trúc, chẳng hạn như: tơ của roi vi khuẩn có thể bơi lội, các vi ống có tác dụng điều chỉnh dòng chuyển động bên trong tế bào sinh vật bậc cao, các “sợi” (fiber) trong mô liên kết,

và vỏ/áo ngoài của virus (xem ch 17) là những ví dụ về các cấu trúc được xây dựng có

sử dụng protein

Những protein chuyên biệt (specialized proteins) được biết có thể kiểm soát cấu trúc của nước Cá sống ở những vùng địa cực có protein chống đông để giữ máu của cơ thể khỏi đóng băng Những protein này liên kết với bề mặt đá và ngăn cản hình thành sự phát triển của tinh thể Ngược lại, những protein bề mặt của một số vi khuẩn lại là nhân tố xúc tiến hình thành nên tinh thể đá và đóng vai trò quan trọng trong nguyên nhân tạo sương giá làm huỷ hoại cây trồng Các tế bào thực vật có hại giải phóng các chất mà chất

đó có các vi khuẩn có thể phát triển và mô thực vật cũng có thể chấp nhận sự xâm chiếm của vi khuẩn đó

Các protein kết hợp gắn các phân tử nhỏ nhưng không giống các enzyme chúng không thực hiện phản ứng hoá học Tuy nhiên, chúng cũng cần các “vị trí hoạt động” để

kết hợp với các phân tử nhỏ Protein vận chuyển hay protein mang mang cơ chất của

chúng đi khắp cơ thể Các protein vận chuyển hay permease nằm xuyên màng và vận chuyển các phân tử mục tiêu của chúng qua màng Các chất dinh dưỡng, như đường, phải được vận chuyển vào trong tế bào, trong khi đó các chất thải bị bài xuất ra ngoài Nhiều permease bao gồm một bó của một đoạn xoắn helix (thường là 7 hoặc 11) nằm xuyên màng tế bào và được nối bởi các vùng xoắn ngẫu nhiên (hình 7.23) Hầu hết các permease cần năng lượng để hoạt động

Trái ngược với permease, protein mang hoà tan được, không có màng giới hạn Hầu hết trong số chúng vận chuyển chất dinh dưỡng bên trong cơ thể các sinh vật đa bào Các protein mang đôi khi là protein ngoại bào, có trong máu và các chất dịch thể khác Trong trường hợp khác, các protein mang được tìm thấy trong các tế bào chuyên hóa di chuyển khắp cơ thể như các tế bào máu Các ví dụ cổ điển về protein vận chuyển là

hemoglobin và myoglobin, tương ứng nằm trong các tế bào máu và mô cơ, với vai trò

vận chuyển oxy ở động vật

Protein dự trữ cất giữ các chất dinh dưỡng hoặc các phân tử khác, nhưng thay vì

vận chuyển chúng, các protein này dự trữ chúng Ví dụ, ferritin ở tế bào động vật và

bacterioferritin tương ứng ở vi khuẩn dự trữ sắt Metallothionein liên kết với các kim

loại nặng, và vai trò chính của nó là bảo vệ (hình 7.24)

Gene mã hóa metallothionein được cảm ứng biểu hiện bởi nồng độ rất nhỏ của các kim loại nặng và nó có một promoter rất mạnh được sử dụng trong công nghệ gene Các protein bảo vệ liên kết kim loại cũng được tìm thấy ở một số vi khuẩn Chúng đôi khi được ứng dụng trong quy trình công nghệ sinh học để tách kim loại như vàng hoặc uranium từ quặng hoặc chất thải công nghiệp

Các hệ thống miễn dịch của động vật có nhiều protein kết hợp chuyên hoá cao có chức năng bảo vệ chống lại sự xâm nhập của virus và vi khuẩn Chúng bao gồm các kháng thể và các thụ thể tế bào T

Các protein cơ học đôi khi được phân loại như các protein cấu trúc chuyên hoá hoặc như các enzyme Chúng thực hiện hoạt động vật lí với sự tiêu tốn năng lượng sinh học (thường là nhờ thuỷ phân ATP hoặc GTP) Việc tiêu thụ năng lượng làm thay đổi thuận nghịch về cấu hình của chúng Họ protein myosin, co rút khi được hoạt hóa bằng năng lượng, được tìm thấy ở sợi cơ và sợi roi của sinh vật nhân chuẩn Các actin được tìm thấy ở cơ cùng với myosin, nơi mà cả 2 protein tham gia vào chức năng co rút như sự

co rút của cơ (Hình 7.26), nhưng chúng cũng tham gia vào các hoạt động vận động trong

tế bào như endocytosis (sự nhập nội bào) và vận động theo kiểu amip