Chuong 3 cau truc va chuc nang cua protein pps

Acid amin thiết yếuVal, Leu, Ile, Met, Thr, Phe, Trp và Lys, Arg, His Hàm lượng các amino acid không thay thế và tỷ lệ giữa chúng trong phân tử protein là một tiêu chuẩn quan trọng để đá

CHƯƠNG 3

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG

CỦA PROTEIN

I ACID AMIN

1 Công thức cấu tạo

“Acid amin chuẩn” ở các sinh vật khác nhau đều được mã hóa từ các mã di truyền giống nhau

2 Phân loại acid amin

a Các acid amin không phân cực, R mạch thẳng

Nhóm R không phân cực, kỵ nước, có khuynh hướng tụ

lại với nhau → hiệu quả kỵ nước

b Các amino acid có nhóm R không vòng

 1 nhóm amino

 1 nhóm carboxyl

 Mạch thẳng có chứa một nhóm -OH

c Amino acid chứa lưu huỳnh, nhóm R không vòng

d Các amino acid có tính acid và amid của chúng

Gồm acid asparaginic và acid glutamic

e Các amino acid kiềm

Trong 3 amino acid thuộc nhóm này, arginine và lysine tích điện dương (pH 7) còn histidine chứa nhóm imidazol, pH 7 tồn tại ở dạng cation là dạng trung hòa

f Iminoacid (proline)

Khác với tất cả các amino acid khác, amino bậc 1 ở carbon α kết hợp với mạch bên tạo thành vòng pyrolidine, proline là

một iminoacid chứa nhóm amino bậc 2 Do cấu trúc vòng làm

nó ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc protein

g Các amino acid thơm và dị vòng thơm

 Các amino acid thuộc nhóm này là phenylalanine, tyrosine, tryptophane phân cực mạnh

 Do có chứa vòng thơm nên các amino acid này có một số tính chất đặc trưng có thể dùng để định tính

và định lượng chúng

 Tyrosine và tryptophane có khả năng hấp thu ánh sáng ở bước sóng 280 nm (phenylalanine hấp thụ yếu hơn)

 Phenylalanine hoàn toàn kỵ nước, tryptophane và Tyrosine ít kỵ nước hơn vì có nhóm NH hoặc OH

Ngoài 20 amino acid chuẩn, còn acid amin selenocystein

được xem là amino acid chuẩn thứ 21 (mã di truyền UGA)

 Selenocystein có nguồn gốc từ serine, có trong thành

phần của một số rất ít protein

 Có trong thành phần của một số enzyme như: thioredoxin

reductase, formate dehydrogenase

2 Phân loại acid amin dựa vào độ phân cực và

3 Acid amin thiết yếu

Val, Leu, Ile, Met, Thr, Phe, Trp và Lys, (Arg, His)

Hàm lượng các amino acid không thay thế và tỷ lệ giữa chúng trong phân tử protein là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng protein

3.1.2 Tính chất của các amino acid chuẩn

a Tính chất lưỡng tính (Thuyết Brondsted)

Một chất có tính chất acid → cho proton → phản ứng với

base tạo thành muối

Tính chất base → nhận proton → kết hợp acid tạo thành

muối

Acid amin đồng thời có 2 nhóm ion hóa → chất điện ly lưỡng tính

 Khi nhóm carboxyl phân ly → acid amin là một anion

 Khi nhóm amin proton hóa → acid amin là một cation

R C O

O O + H

Trong dung dịch acid (pH=1), nhóm –COOH không bị ion hóa, nhóm amin bị ion hóa (-NH3+) → acid amin là một cation tích điện dương → trong điện trường nó chạy về cực âm

Trong môi trường kiềm (pH=11), nhóm –COOH bị ion hóa, nhóm amin không bị ion hóa (-NH2) → acid amin là một anion tích điện âm → trong điện trường nó chạy về cực dương

Khi sự ion hóa của nhóm carboxyl bằng nhóm amin → acid amin trung hòa về điện → pH đẳng điện (pI)

• Sự cân bằng điện tích của acid aspartic

b Hoạt tính quang học

Các phân tử có hoạt tính quang học có trung tâm bất đối

xứng Do đó, phân tử có chứa C bất đối có hoạt tính quang học

6 Tính chất hóa học

O N H

CH

R2 O

C O

N C

O

C C O

C C O

C

O

C

O

R Acid amin H

H N CH COOH

Phản ứng với 1-fluro-2,4-dinitrobenzen (Phản ứng Sanger)

Trong môi trường kiềm yếu FDNB tác dụng với nhóm amin tạo dẫn xuất màu vàng 2,4-dinotro-phenyl-acid amin (DNP-aa)

(c) Phản ứng do nhóm α-amin

+ N

H H

CH R

Phenylisothiocyanate Acid amin

Acid phenylthiohydantoic Phenylthiohydantion

PITC phản ứng với nhóm amin (hoặc N-tận cùng) tạo thành acid phenylthiohydantoic Môi trường acid trong dung môi nitromethan, phenylthiohydantoic đóng vòng thành phenylthiohydantoin → xác định đầu N tận cùng của chuỗi polypeptide

Phản ứng với phenyl isothiocyanat (PITC) (Phản ứng Edman)

Dẫn xuất của các acid amin

Ornithine và citrulline là sản phẩm trung gian quan trọng của quá trình trao đổi chất

Các amino acid không chuẩn

Các amino acid được hiệu chỉnh khi chuỗi peptide được tổng hợp

II Liên kết peptide giữa các đơn phân acid amin

1 Sự tạo thành liên kết peptide

Liên kết peptide (-CO-NH-) được tạo thành do phản

ứng kết hợp giữa nhóm α-carboxyl của một amino acid này với nhóm α-amino của một amino acid khác, loại đi một phân tử nước

Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu (SGYAL)

2 Đặc tính của liên kết peptide: cứng, phẳng

Liên kết peptide (-CO-NH-) được tạo thành do phản

ứng kết hợp giữa nhóm α-carboxyl của một amino acid này với nhóm α-amino của một amino acid khác, loại đi một phân tử nước

Liên kết peptide nằm trên cùng một mặt phẳng, H của nhóm

–NH – luôn ở vị trí trans so với O của nhóm –CO – Trong

chuỗi polypeptide luôn có các đoạn lặp lại –CO –NH –CH –

Liên kết C – N của liên kết peptide có một phần đặc tính

của nối đôi Đặc tính của nối đôi thể hiện ở chiều dài của

Trong liên kết peptide, oxygen có một phần điện tích âm, nitrogen có một phần điện tích dương, tạo nên một lưỡng cực bé

→ liên kết C – N không thể quay tự do, là “cứng” → giới

hạn số dạng không gian có thể có của chuỗi polypeptide

Các nhóm peptide (trừ một số trường hợp) có dạng không

gian trans → Cα kế tiếp nhau sắp xếp ở vị trí đối nhau → do dạng cis có những trở ngại lập thể nên kém bền hơn dạng

trans.

Các dạng không gian của polypeptide được định đoạt bởi các góc quay φ (phi, C α– N ) và ψ (psi, C α– C )

104 124 129 153

1 1 1 1 Chymotrypsin

574 609 972 4.158 4.536 5.628 26.926

4 1 2 5 1 12 1

1 Các liên kết trong phân tử protein, vai trò làm bền cấu

trúc protein

Liên kết cộng hóa trị, chủ yếu là liên kết peptide nối với

các gốc amino acid với nhau → chuỗi polypeptide → giữ

vững cấu trúc bậc 1

Liên kết disulfide (S-S), do 2 nhóm SH của 2 gốc cystein

→ làm cuộn phân tử protein → làm bền cấu trúc bậc 3

Liên kết hydrogen, được tạo thành giữa nhóm cho acid

yếu (D-H) với chất nhận A còn cặp electron tự do Trong

protein, cả D và A có thể là nguyên tử N và O có điện tích

âm cao, và cả S Các nhóm C-H acid yếu như Cα-H có

thể có vai trò là chất cho liên kết H nhưng yếu, các hệ

thống điện tử phân cực của vòng

Tương tác ion, mạnh, giữa các nhóm ion hóa tích điện trái dấu Lực tương tác phụ thuộc vào nồng độ muối hòa tan Do nhóm ion thường ở trên bề mặt phân tử nên bị solvat hóa mạnh → đóng góp không nhiều trong làm bền cấu trúc không gian của protein

Tương tác kỵ nước, tương tác giữa các nhóm R không phân cực của các amino acid, làm giảm tương tác của chúng với các phân tử nước tới mức tối thiểu

Các phân tử protein hạt, có cá nhóm R không phân cực

được giấu ở phần lõi của phân tử → tương tác kỵ nước

phải có vai trò quan trọng quyết định cấu trúc protein

Tương tác van der Waals, tương tác của các đám mây điện tử, là các tương tác phi cộng hóa trị giữa các phân

tử trung hòa điện không phân cực, góp phần đáng kể làm bền cấu trúc không gian phần bên của protein

2 Các bậc cấu trúc của phân tử protein

C u trúc b c 1:ấ ậ

→ Trình t s p x p c a các amino acid trong chu i ự ắ ế ủ ỗ

polypeptide

→ C u trúc này đ c gi v ng nh liên k t c ng hóa tr ấ ượ ữ ữ ờ ế ộ ị

(peptide) → c u trúc hóa tr c a proteinấ ị ủ

→ C u trúc b c 1 xác đ nh c u trúc không gian ba chi u, tính ấ ậ ị ấ ề

ch t hóa lý c a protein, có liên quan ch t ch đ n ch c năng ấ ủ ặ ẽ ế ứ

c a proteinủ

2.1 Khái quát chung

Cấu trúc bậc 2

→ Là dạng không gian cục bộ của từng đoạn trong chuỗi polypeptide

→ Xoắn α, phiến gấp β, quay β, thòng lọng ω

→ Bền nhờ liên kết hydro được tạo thành giữa các liên kết peptide gần kề nhau, cách nhau những khoảng xác định

Cấu trúc bậc 3

→ Dạng cuộn lại trong không gian của toàn mạch

→ Bền nhờ liên kết disulfide, van der Waals, liên kết tĩnh điện, liên kết hydrogen…

→ Các protein hình hạt có các vùng phân tử cuộn lại thành một

hay một số khối hình hạt, gọi là domain

Cấu trúc bậc 4

→ Gồm 2 hay nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc bậc 3

→ là sự sắp xếp trong không gian giữa các chuỗi bậc 3 trong phân tử

→ Mỗi chuỗi polypeptide gọi là “phần dưới đơn vị” (subunit)

→ Cấu trúc bậc 4 bền nhờ liên kết hydrogen, tương tác van der

Waals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các phần dưới đơn vị

 Thay th g c amino acid trong trung tâm ho t đ ng c a ế ố ạ ộ ủ

enzyme ho c trong trung tâm ph n ng c a ch t k m hãm ặ ả ứ ủ ấ ề

enzyme → thay đ i tính đ c hi u tác d ng, ho c làm m t ho t ổ ặ ệ ụ ặ ấ ạtính sinh h cọ

 C u trúc b c 1 là c s xác đ nh c u trúc không gianấ ậ ơ ở ị ấ

2.3 Cấu trúc bậc 2 của các phân tử protein

a C u trúc xo n ấ ắ α

 Do Linus Pauling và Robert Corey đ a ra năm 1951 ư

 Đã đ c tìm th y trong keratin b i Max Perutzượ ấ ở

 C u trúc xo n ấ ắ  luôn hi n di n trong các phân t proteinệ ệ ử

 C u hình b n v ng nh các liên k t hydro ấ ề ữ ờ ế

Liên kết hydro được hình thành giữa nhóm

COOH của một liên kết peptide với nhóm –NH của liên kết

peptide thứ tư (cách nhau 3 gốc amino acid)

b Cấu trúc phiến gấp β (dạng không gian β)

Linus Pauling và Robert Corey năm 1951

Cấu hình bền vững nhờ các liên kết hydro

Các sợi có thể là song song hoặc đối song song

R groups perpendicular to the

plane, extending out on

alternating sides

-carbons

N’C’

N’

C’

Đối song song

 nhỏ hơn

 Các gốc kỵ nước và ưa nước xen kẽ nhau sao cho tất cả các gốc kỵ nước nằm trên một hướng của phiến

Song song

 có cấu trúc lớn (hơn 5 sợi)

 không có sự phân bố đặc biệt của các gốc R kỵ nước và ưa nước

Đặc điểm của phiến gấp β

 Khoảng cách trên trục giữa hai gốc amino acid kề nhau là

3,5Ǻ

 Liên kết hydro được hình thành giữa các nhóm –NH và –CO–

 Phiến gấp β là cấu trúc bậc 2 chủ yếu và quan trọng trong nhiều protein

C u trúc đ o chi u giúp các ki u xo n alpha và phi n beta xích ấ ả ề ể ắ ế

l i g n nhau trong các protein hình c uạ ầ ầ

proline và glycine hi n di n th ng xuyên trong ệ ệ ườ c u trúc đ o ấ ảchi uề

c Cấu trúc đảo chiều Beta

Liên k t hydro đ c thành l p gi a nhóm C=O c a acid amin ế ượ ậ ữ ủ

th n, và nhóm N-H c a n + 3 ứ ủ

Khuynh h ng c a các acid amin hi n di n trong c u trúc ướ ủ ệ ệ ấ

b c hai đ c bi t ậ ặ ệ

2.4 Cấu trúc bậc 3 và 4 của phân tử protein

Cấu trúc bậc 3 là dạng không gian 3 chiều của toàn bộ chuỗi

polypeptide, cấu trúc bậc 4 bao gồm một số chuỗi polypeptide có cấu trúc bậc 3

3 Tính chất của protein

a Tính chất lưỡng tính của protein

 Phân tử protein có nhiều nhóm mạch bên (gốc R) của các amino

acid, một số gốc này có tính phân cực hoặc tích điện

 Trạng thái tích điện của các nhóm này tùy thuộc vào pH môi

trường

 Ở pH nào đó, tổng số điện tích âm và điện tích dương bằng 0 →

phân tử protein không di chuyển trong điện trường gọi là pI của

protein

 Protein có chứa nhiều amino acid kiềm → pI ở vùng kiềm

 pH<pI protein là 1 đa cation → số điện tích (+)>(-)

 pH>pI phân tử protein thể hiện tính acid → điện tích (-)>(+)

 pH=pI protein dễ dàng kết tụ lại với nhau → điều chỉnh pH môi

trường để tách riêng các protein

b) Tính chất dung dịch keo protein

 Protein có tính chất dung dịch keo → phần tử keo có kích thước lớn, không đi qua màng bán thấm → tinh sạch phân tử thấp bằng phương pháp thẩm tích

 Hai yếu tố đảm bảo độ bền của dung dịch keo protein

 Sự tích điện cùng dấu của phân tử protein

 Lớp vỏ hydrate bao quanh phân tử protein

Loại bỏ hai yếu tố này protein sẽ bị kết tủa

Sau khi protein bị kết tủa, nếu loại bỏ các yếu tố gây kết tủa, protein lại có thể tạo thành dung dịch keo bền (kết tủa thuận nghịch), hoặc mất khả năng này (kết tủa không thuận nghịch)

Thêm acid Giảm pH

Cation protein

Sơ đồ minh họa sự kết tủa protein

Các yếu tố gây biến tính protein

Ở điều kiện nhất định, sau khi biến tính protein có thể trở về trạng thái ban đầu

☺Ví dụ nghiên cứu trên phân tử ribonuclease (Christian

Anfisen)

N', N-terminusC', C-terminus

pH = 7, t = 37ºC Phá vỡ liên kết phi cộngUrea, guanidine chloride hóa trị

β- mercaptoethanol Khử tất cả cầu nối disulfied

tạo thành 8 nhóm –SH tự do

Thẩm tích dung dịch enzyme Cầu nối disulfide dầnloại bỏ urea, β- mercaptoethanol được tạo thành

Oxy hóa enzyme đã mất cầu Hoạt độ enzyme chỉ –S – S trong môi trường có urea phục hồi 1%

Hoạt độ enzyme được phục hồi

e Khả năng hấp thu tia tử ngoại của dung dịch protein

 Dung dịch protein có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở 2 vùng bước sóng khác nhau 180-220 nm, và 250-300 nm

 Bước sóng từ 180-250 nm: Đây là vùng hấp thụ của liên kết

peptide trong phân tử protein, cực đại hấp thụ ở 190 nm

 Bước sóng 250 – 300 nm: Đây là vùng hấp thụ của các amino acid thơm (Phe, Tyr, Trp) có trong phân tử protein, cực đại hấp thụ ở 280 nm