Hóa học protein

Bài giảng: hóa học Protein, Protid là hợp chất hữu cơ quan trọng của cơ thể sống, nó tham gia vào các quá trình chuyển hóa (enzym, hormon), sinh sản (gen)...là cơ sở cấu trúc tế bào và mô.

Liệt kê một số peptid có chức năng sinh học.

Mô tả các dạng liên kết trong cấu trúc của protein.

Mô tả 4 bậc cấu trúc và phân loại enzym.

Trình bày được tính chất của protein:Khuếch tán, tích điện, hòa tan, kết tủa và biến tính.

NỘI DUNG

Protid là hợp chất hữu cơ quan trọng của cơ

thể sống, nó tham gia vào các quá trình

chuyển hóa (enzym, hormon), sinh sản

(gen) là cơ sở cấu trúc tế bào và mô.

Danh từ protid dùng để chỉ 3 loại chất :Acid amin, peptid và protein.

1 Acid amin 1.1 Công thức chung

Acid amin là hợp chất hữu cơ mà phân tử chứa 2 nhóm: Amin

(-NH2) và carboxyl (-COOH) Công thức chung của các acid amin thường gặp

là :

- Gốc R: Riêng cho từng acid amin

- Phần còn lại : Phần chung cho mọi acid amin

*Vì nhóm amin và nhóm carboxyl gắn vào carbon  nên acid amin tương ứng được gọi là acid amin  (một số acid amin có nhóm amin không gắn vào carbon , mà lại gắn vào carbon ,  (thí dụ :  Alanin)

* Mặc dù có độ 300 acid amin hiện diện trong tự nhiên nhưng chỉ có

20 acid amin hiện diện trong các phân tử protein Các acid amin thường gặp trong tự nhiên đa số đều thuộc loại acid amin 

Không phân cực Phân cực

Isoleucin Asparagin

Methionin Cystein Phenylalanin Acid glutamic

Tryptophan Glycin

Lysin Serin Threonin Tyrosin

1.2 Phân loại acid amin

Các acid amin hiện diện trong protein có thể được chia làm 2 nhóm nếu dựa trên nền tảng phân cực (polar) hay không phân cực (Nonpolar) của gốc R gắn vào carbon .

* Xếp loại các L  - acid amin hiện diện trong protein dựa trên nền tảng liên quan đến tính phân cực của gốc R.

Tên Ký hiệu Công thức cấu tạo

- Chuỗi bên là hydrocarbon (Aliphatic) Glycin

Với mỗi chuỗi bên chứa nhóm OH ( Hydroxylic)

CH2 CH

SH + NH3

COO

-CH2 CH2S

CH

NH3

COO

CH3 +

Với mỗi chuỗi bên chứa nhóm acid và các amit của chúng

Với chuỗi bên chứa nhóm bazơ

Với chuỗi bên chứa nhân thơm (Aromatic ring)

CH2 CH COO

-NH3

+

-1.3 Hóa học lập thể của acid amin

Trừ glycin, các acid amin gặp trong protein đều có ít nhất

1 carbon bất đối do đó đều có hoạt tính quang học, hoạt tính quang học được biểu thị bằng góc quay đặc hiệu Tùy theo sự sắp xếp của 4 nhóm liên kết với carbon bất đối mà acid amin có cấu hình L hay cấu hình

Các dạng D và L đó là các dạng đồng phân lập thể của acid amin, trong tự nhiên thường gặp các acid amin dạng L

COOH C

R

NH2H

COOH C

R

H

H2N

1.4 Tính chất Acid - Base của acid amin

1.4.1 Sự phân ly của acid - Base:

Theo quan niệm hiện đại thì:

Acid là chất có khả năng giải phóng proton ( tức ion hydro H+) hay chất cho proton

1.4.2 Sự phân ly của acid amin:

Acid amin có nhóm carboxyl (-COOH) thể hiện tính acid (nhả proton) đồng thời có nhóm amin (-NH2) thể hiện tính baz (nhận proton)

vì vậy acid amin có tính lưỡng tính tùy theo pH của môi trường hòa tan

acid amin mà acid amin có thể tích điện dương hay điện âm

•Ở môi trường kiềm: Acid amin phân ly như một acid và trở thành

CHCOOH

NH3+R

Khi thay đổi pH của môi trường sẽ dẫn đến sự thay đổi số lượng ( nồng độ) các dạng ion, có 3 trường hợp:

•Ở pH của môi trường trong đó acid amin có dạng ion lưỡng cực chiếm nhiều nhất, 2 dạng cation và anion chiếm ít nhất và bằng nhau thì tổng diện tích của acid amin bằng không Acid amin không di chuyển trong điện trường pH của môi trường

đó được gọi là pH đẳng điện (pHi).

•Ở pH của môi trường lớn hơn pHi (tức pH kiềm so với pHi) acid amin vẫn có 3 dạng ion, nhưng dạng anion chiếm tỷ lệ lớn, acid amin di chuyển trong điện trường về phía cực dương.

•Ở pH của môi trường nhỏ hơn pHi (tức pH acid so với pHi) acid amin vẫn có 3 dạng ion, nhưng dạng cation chiếm tỷ lệ lớn, acid amin di chuyển trong điện trường về phía cực âm Dựa vào tính chất tích điện của acid amin trong môi trường có

pH nhất định được ứng dụng trong kỹ thuật điện di acid amin

1.5 Tính chất lý học và những ứng dụng

•Nói chung các acid amin dể tan trong nước, ít tan trong alcol và không tan trong este; prolin và hydroxyprolin tan trong alcol và este các acid amin thường tan trong acid và kiềm loãng tạo thành các muối của acid amin

•Các acid amin thường có vị ngọt kiểu đường (Gly, Ala, val, Ser ) Muối Natri của acid glutamic có vị ngọt kiểu đậm nên thường được dùng làm gia vị (bột ngọt)

•Phổ hấp phụ: Có 3 acid amin là tyrosin, tryptophan, phenylalanin hấp thu mạnh ở vùng cực tím 240nm - 290 nm, các acid amin khác hấp thụ tia cực tím 220nm Phần lớn protein đều chứa tyrosin nên người ta sử dụng tính chất trên để định lượng protein ở bước sóng 280nm

Trong Y khoa người ta dùng dịch Moriamin (gồm toàn acid amin

để truyền cho bệnh nhân thay cho chế độ ăn uống bằng đường tiêu hóa, trong sinh hoạt gia đình ta dùng nước mắm để nêm (thực chất đây là dung dịch chứa acid amin)

1.6 Tính chất hóa học

Các acid amin có những tính chất hóa học chung cho các nhóm COOH và -NH2 quyết định, đồng thời cũng có những tính chất hóa học riêng do gốc R quyết định

-1.6.1 Những phản ứng của nhóm  - amin

•Phản ứng của aldehyt: các aldehyt kết hợp với những amin bậc nhất

tạo nên baz Schiff

Sorensen dùng phản ứng này(với aldehyt formic) trong việc định

lượng acid amin

Phản ứng với 2,4 dinitroflorua benzen viết tắt ( DNFB) hay phản

Phản ứng với phenylisothiocynat (PITC) hay phản ứng

Edman.

PITC phản ứng với các acid amin và tạo thành dẫn xuất phenythiocarbonyl - acidamin, chất này ở môi trường acid hay trong dung môi nitrometan đóng vòng thành

phenylthiohydantoin tương ứng.

Những dẫn xuất phenylthiohydantoin không màu dễ dàng tách biệt và phân định bằng sắc ký Phản ứng Edman được sử dụng rộng rãi để xác định acid amin N tận của chuỗi peptid.

1.6.2 Những phản ứng của nhóm  - carboxyl Nhóm  - carboxyl của mỗi acid amin đều có thể tham gia nhiều phản ứng

ở đây chỉ giới thiệu phản ứng thường được dùng trong phân tích acid amin và polypeptid đó là phản ứng khử nhóm carboxyl tạo thành alcol  amin (tác nhân khử NaBH4)

1.6.3 Phản ứng với ninhydrin:

Có sự tham gia của hai nhóm  - carboxyl và  amin Ninhydrin tác dụng với acid amin trong điều kiện đun nóng tạo thành CO2, NH2, aldehyt và ninhydrin bị khử, sau đó ninhydrin bị khử ngưng tụ với ninhydrin không bị khử tạo nên sản phẩm màu xanh tím Riêng prolin, OH prolin cho màu vàng

CH

NH2

COOHR

1.6.4 Phản ứng của gốc R

Do gốc R có những hóa chức khác nhau, nên chúng có thể cho những phản ứng hóa học khác nhau: oxy hóa khử (do nhóm - SH của cystein) tạo muối (do nhóm -NH2 của acid amin kiềm, -COOH của acid amin acid )

1.7 Phân tích một hỗn hợp acid amin

Sự tách biệt và định lượng từng acid amin trong hỗn hợp có rất nhiều

phương pháp khác nhau để sử dụng ở đây giới thiệu vắn tắt về phép sắc ký acid amin trên giấy

Cách tiến hành đại thể như sau: lấy 1 giọt hỗn hợp acid amin chấm lên trên một

tờ giấy lọc đặc biệt, vết chấm cách mép tờ giấy vài cm (vết chấm gọi là điểm xuất phát) Sau đó nhúng mép tờ giấy gần điểm xuất phát vào dung môi bão hòa nước (butanol ,phenol ) đựng trong máng, giấy và dung môi đều được để trong một bình kín (gọi là buồng sắc ký) nhiệt độ không thay đổi Khi dung môi thấm qua vết chấm hỗn hợp acid amin thì các acid amin được rút ra và kéo đi với tốc độ khác nhau (tốc độ này phụ thuộc đặc điểm cấu tạo, tính chất lý hóa, trọng lượng phân tử của acid amin) Khi dung môi thấm gần hết tờ giấy thì lấy

tờ giấy ra, do tốc độ di chuyển khác nhau nên các acid amin được phân bổ

thành từng vùng riêng biệt trên tờ giấy lọc theo chiều di chuyển của dung môi Nhuộm tờ giấy bằng thuốc thử Ninhydrin rồi sấy nóng, các vùng phân bố acid amin thể hiện dưới dạng các vết màu tím xanh Vị trí của mỗi vết (ứng với một acid amin nhất định) được xác định bằng chỉ số Rf, Rf là tỷ số khoảng cách a từ điểm xuất phát tới trung tâm của vết acid amin với khoảng cách b từ điểm xuất phát tới tiền tuyến của dung môi Mỗi acid amin có một Rf tương ứng vì vậy có thể dựa vào tỷ số Rf để xác định từng acid amin một

2 Peptid

Peptid là những protid gồm từ 2 đến vài chục acid amin nối với nhau và có trọng lượng phân tử < 6000 Chúng có trong tự nhiên dưới dạng tự do với hoạt tính sinh học nhất định hoặc chúng là sản phẩm thủy phân dở dang của protein

2.1Cấu tạo và danh pháp

Trong dipeptid trên, acid amin A có nhóm  -NH2 tự do nên có thể kết hợp với nhóm  -COOH của acid amin khác tạo nên một liên kết peptid nữa và acid này lại còn nhóm  -NH2 tự do và có thể tạo liên kết peptid với acid amin nữa Mặt khác acid amin B còn có nhóm  -COOH tự do nên có thể kết hợp với nhóm  -NH2 của acid amin khác tạo nên một liên kết peptid nữa v.v cứ như thế peptid có thể kéo dài được cả 2 đầu, với n acid amin thì có (n-1) phân tử nước Chuỗi gồm nhiều acid amin nối với nhau bằng liên kết peptid như vậy được gọi là chuỗi peptid Chuỗi peptid có thể ngắn hoặc dài tùy theo số lượng acid amin

có trong chuỗi

Trong tự nhiên thường gặp những chuỗi peptid có nhiều acid amin,

đó là chuỗi polypeptid

2.1.2 Cách gọi tên

• Gọi tên theo số acid amin: Dipeptid (có 2 acid amin) tripeptid (có 3 acid amin) Polypeptid: thuật ngữ polypeptid chỉ các peptid có từ 10 acid amin trở lên Cách gọi tên peptid theo các gốc acid amin N tận lần lượt tới acid amin C - tận Theo nguyên tắc giữ nguyên tên acid amin C - tận và thay đuôi tận các acid amin khác bằng đuôi -YL

Thí dụ: Alanin-Serin -Methionin-Valin-Gycin

Alanyl -S eryl - Methionyl - Valyl - Glycin

•Gọi theo tên riêng

Thí dụ: - Glutathion (là tripeptid Glutamyl - Cysteyl-Glycin)

- Inssulin (polypeptid gồm 51 acid amin)

- ACTH (polypeptid gồm 39 acid amin)

Để biểu thị thành phần và thứ tự của các acid amin trong phân tử peptid, người ta dùng ký hiệu 3 chữ (hoặc ký hiệu 1 chữ nếu chuỗi polypeptid dài) của aicd amin viết liền nhau theo thứ tự đã được xác định từ acid amin N tận đến acid amin C tận

Thí dụ: Pentapeptid

Seryl -Glycyl - Tyroryl - Alanyl -Leucin được viết như sau:

Ser -Gly-Tyr-Ala-Leu hoặc SGYALThường người ta viết acid amin N -tận ở bên trái và viết acid amin C-tận ở bên phải, có thể ghi rõ đầu nào của chuỗi peptid là acid amin N-tận (thí dụ: H2N- Ser-) và đầu nào là acid amin C-tận (thí dụ: -Leu-COOH)

2.2 Tính chất của peptid

Phân tử peptid được tạo thành từ nhiều acid amin liên kết lại với nhau Nên những tính chất acid, base, các phản ứng hóa học do nhóm -NH2,  -COOH của các acid amin đều cũng có thể sử dụng được trong việc chạy điện di để tách các chuỗi peptid, xác định thành phần acid amin trong phân

tử peptid

Ngoài các tính chất trên, thường ta hay sử dụng một phản ứng màu khác để xác định cuỗi peptid, đó là phản ứng Biurê Những peptid và protein có từ 3 acid amin trở lên đều cho phản ứng Biurê dương tính

2.3 Một số peptid có hoạt tính sinh học

• Glutathion: là tripeptid  - Glutamyl - Cysteyl - Glycin

G SH

S G

- 2H

+ 2H

Dạng khử Dạng oxy hóa

Glutathion đóng vai trò quan trọng trong hệ thống oxy hóa khử,

glutathion có nhiều ở gan, thận, lách, tim, phổi, hồng cầu

Peptid hormon: Một số hormon có bản chất là peptid

Thí du: Bradikinin và Kallidin là những chất gây hạ huyết áp ở

cơ trơn chúng được tạo ra từ những acid amin sau:

+Bradikinin: Arg - Pro- Pro - Gly -Phe -Ser- Pro- Phe- Arg.+Kallidin: Lys - Arg - Pro - Pro - Gly - Phe - Ser - Pro - Phe - Arg

+Glucagon có 29 acid amin: làm tăng đường máu

+ACTH có 39 acid amin: kích thích tố hướng vỏ thường thận.+Insulin có 51 acid amin: Làm hạ đường máu

Peptid kháng sinh: Do vi khuẩn hay nấm sản sinh ra,nó chứa cả 2 loại

D và L aa và 1 số aa không có trong protein Ví dụ:Tyrocylin và

Gramicidin S là những PP vòng chứa D-Phenyalanin và Ornithin

Protein là protid mà phân tử gồm hàng trăm, hàng ngàn acid amin nối với nhau bằng liên kết peptid tạo thành một hay nhiều chuỗi polypeptid có cấu trúc phức tạp và trọng lượng phân tử lớn hơn 6000

3.1Cấu dạng của protein

Là cấu trúc và hình dạng không gian của protein * Dựa theo hình dạng của tiểu phân protein, người ta chia protein ra làm hai loại hình:

•Protein sợi có dạng dài, thường là hình sợi, chiều dài lớn hơn đường kính hàng trăm lần

•Protein cầu: Có hình dạng gần như hình cầu hay hình bầu dục, chiều dài lớn hơn đường kính từ 3-10 lần

Mỗi loại protein có những đặc tính riêng, protein sợi tương đối vững bền không tan trong nước và dung dịch muối loãng, các chuỗi polypeptid của protein sợi nằm dọc theo một trục thành những sợi dài, protein sợi là yếu tố cấu trúc cơ bản của mô liên kết của động vật cao cấp (ví dụ Colagen

ở gân và mô xương)

Protein cầu không bền vững bằng protein sợi, đa số tan trong dung dịch nước và dể khuếch tán, thường có chức năng hoạt động sống của tế bào (thí dụ: enzym, hormon các protein vận chuyển như albumin huyết thanh, hemoglobin )

Một số protein thuộc loại trung gian, vừa có đặc điểm của protein sợi vừa có đặc điểm của protein cầu Thí dụ: Myosin, Fibrinogen

•* Cấu trúc của protein: Về mặt cấu trúc phân tử, protein có 4 bậc:

Cấu trúc bậc I: Biểu thị thứ tự các gốc acid amin trong chuỗi polypeptid

Cấu trúc bậc II: Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptid( điển hình là cấu trúc bậc II của protein sợi)

Cấu trúc bậc III: Biểu thị sự xoắn và cuộn khúc của chuỗi polypeptid thành khối đặc trưng cho protein cầu

Cấu trúc bậc IV: Biểu thị sự kết hợp của nhiều chuỗi polypeptid

có cấu trúc bậc III trong phân tử protein oligome

Cấu trúc bậc II,III,IV có được là nhờ những nối giữ cho chuỗi

polypeptid có hình thù đặc biệt, các nối này không bền bằng nối peptid, những nối này được gọi là nối ngang (liên kết ngang) Đó là các liên kết disulfua, liên kết hydro, liên kết muối

•Liên kết disulfua: Đây là liên kết được tạo thành giữa hai phân tử cystein loại đi hai hydro

2Cys SH

2Cystein

Cys S S Cys 2Cys SH

Liên kết disulfua: Còn gọi là cầu disulfua, cầu này có thể nối giữa 2 phân

tử cystein trên cùng một chuỗi hay chuỗi khác, cầu disulfua đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc bậc III của protein

Phân tử protein có càng nhiều cầu disulfua thì càng chặt chẽ và bền

S

S CysSSCys

•Cầu S - S giữa hai cystein thuộc cùng một chuỗi polypeptid

•Cầu S - S giữa 2 chuỗi polypeptid

Những protein không tan như protein của lông tóc, móng, sừng rất bền vững với các tác nhân hóa học, chứa tới 12% là Cystein.

•Liên kết hydro: Đó là lực hút tĩnh điện giữa một bên là nguyên tử hydro

thừa điện tích dương và một bên là nguyên tử oxy thừa điện âm (có thể

nguyên tố khác như N, Cl): Nguyên tử hydro thuộc nhóm imin-NH - của một chuỗi polypeptid và nguyên tử oxy thuộc nhóm carbonyl - CO - ở khúc khác của chuỗi polypeptid đó hay ở chuỗi polypeptid khác

•Liên kết hydro là liên kết yếu nhưng nhiều nên có tác dụng to lớn trong việc hình thành và duy trì cấu trúc không gian của chuỗi polypeptid, đặc biệt là cấu trúc bậc II

C C N

H O C C R

N H O

N

H

C C N R

R C C O

H O

C

H O C N H

C H

H

H

R R

Liên kết hydro

•Liên kết muối (hay liên kết ion): Đó là lực hút tĩnh điện giữa các COO- (của acid amin acid: Glu, Asp) và các nhóm –NH3+ (của các acid amin kiềm: Lys, Arg)

nhóm-HN CO CH NH CO

CH2

CH2C O

O

(CH2)4

CH NH CO CO