Chứng minh protein là nền tảng của sự sống

CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨAProtein là hợp chất đại phân tử, được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là axit amin.. Axit amin được cấu tạo bởi 3 thành phần: Một là nhóm amin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN

TIỂU LUẬN:

CHỨNG MINH PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG

Người thực hiện: Phạm Hữu Trí

MỤC LỤC

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 4

LỜI CAM ĐOAN 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

CHƯƠNG I 1

CHƯƠNG II 1

I AXIT NUCLEIC 2

II CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 2

HÌNH 1: CẤU TẠO ALANIN 3

HÌNH 2: HÌNH DẠNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA PROTEIN 4

2.1 Cấu trúc bậc một của protein 4

HÌNH 3: SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT PEPTIT 5

HÌNH 4: CẤU TRÚC BẬC MỘT CỦA PROTEIN 6

2.2 Cấu trúc bậc hai của protein 8

HÌNH 5: CẤU TRÚC XOẮN Α 9

HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Β 9

HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Α VÀ Β 10

2.3 Cấu trúc bậc ba của protein 10

HÌNH 7: CẤU TRÚC BẬC 3 PROTEIN 11

a Liên kết disulfid 11

b Các liên kết yếu 12

2.4 Đô men cấu trúc (structural domain) 13

2.5 Cấu trúc bậc bốn của protein 14

III CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 18

3.1 Chức năng tạo hình 18

3.2 Protein có chức năng xúc tác sinh học 18

HÌNH 8: MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG XÚC TÁC 18

3.3 Protein có tác dụng điều hòa chuyển hóa 19

HÌNH 9: PHẢN ỨNG ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA 19

3.4 Protein có chức năng vận chuyển các chất 20

HÌNH 10: CẤU TRÚC HEMOGLOBIN 20

3.5 Protein có vai trò trong việc co duỗi, vận động 20

HÌNH 11: CẤU TRÚC SỢI ACTIN 21

3.6 Protein có chức năng bảo vệ 21

HÌNH 12: GLOBULIN MIỄN DỊCH G 21

3.7 Dẫn truyền thông tin 22

3.8 Cung cấp năng lượng và dự trữ 22

HÌNH 11: CẤU TRÚC ALBUMIN 22

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 4

LỜI CAM ĐOAN 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

CHƯƠNG I 1

CHƯƠNG II 1

I AXIT NUCLEIC 2

II CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 2

HÌNH 1: CẤU TẠO ALANIN 3

HÌNH 2: HÌNH DẠNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA PROTEIN 4

2.1 Cấu trúc bậc một của protein 4

HÌNH 3: SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT PEPTIT 5

HÌNH 4: CẤU TRÚC BẬC MỘT CỦA PROTEIN 6

2.2 Cấu trúc bậc hai của protein 8

HÌNH 5: CẤU TRÚC XOẮN Α 9

HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Β 9

HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Α VÀ Β 10

2.3 Cấu trúc bậc ba của protein 10

HÌNH 7: CẤU TRÚC BẬC 3 PROTEIN 11

a Liên kết disulfid 11

b Các liên kết yếu 12

2.4 Đô men cấu trúc (structural domain) 13

2.5 Cấu trúc bậc bốn của protein 14

III CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 18

3.1 Chức năng tạo hình 18

3.2 Protein có chức năng xúc tác sinh học 18

HÌNH 8: MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG XÚC TÁC 18

3.3 Protein có tác dụng điều hòa chuyển hóa 19

HÌNH 9: PHẢN ỨNG ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA 19

3.4 Protein có chức năng vận chuyển các chất 20

HÌNH 10: CẤU TRÚC HEMOGLOBIN 20

3.5 Protein có vai trò trong việc co duỗi, vận động 20

HÌNH 11: CẤU TRÚC SỢI ACTIN 21

3.6 Protein có chức năng bảo vệ 21

HÌNH 12: GLOBULIN MIỄN DỊCH G 21

3.7 Dẫn truyền thông tin 22

3.8 Cung cấp năng lượng và dự trữ 22

HÌNH 11: CẤU TRÚC ALBUMIN 22

LỜI CAM ĐOAN

Đây là Tiểu luận của tôi, tôi cam đoan rằng nội dung trình bày trong Tiểu luận là những kiến thức mà tôi đã học từ Đại học, Cao học gần đây và tài liệu tham khảo Chắc chắn nội dung của Tiểu luận chưa được phong phú, đầy đủ và còn nhiều thiếu sót Vì vậy tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô, bạn bè đồng nghiệp và độc giả để bài tiểu luận được hoàn chỉnh hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Phạm Hữu Trí

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• HỒ huỳnh Thùy Dương, 1998 Sinh học phân tử, NXBGD, Hà Nội

• PGS.TS Trần Quang Hân, Bài giảng Sinh học Phân tử, hệ Cao học

• Nguyễn Hoàng Lộc, Trần thị Lệ, Hà Thị Minh Thi Giáo trinh sinh họcphân tử

• Lê Đức Trình, Sinh học phân tử của tế bào NXB Khoa học và Kỹ thuật,

2001, 264tr

CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨA

Protein là hợp chất đại phân tử, được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân

là axit amin Axit amin được cấu tạo bởi 3 thành phần: Một là nhóm amin

(-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trungtâm đính với một nguyên tử hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất củaaxit amin

Protein là lớp chất bắt buộc phải có ở bất kỳ động vật nào và có tỷ lệ khá

ổn định Ví dụ ở gia súc non và người hàm lượng protein khoảng 40 – 45% vậtchất khô Protein là lớp chất quan trọng nhất của sự sống, là vật mang sự sống

Protein có trong tất cả các loại tế bào với hàm lượng khác nhau

Bảng 1.1 Hàm lượng protein trong một số mô động thực vật:

Đặc điểm lớn nhất của axit amin là phân tử có chứa Nito (N), khối lượngphân tử lớn nhất

CHƯƠNG II PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG

Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có Axit Nucleic.

I AXIT NUCLEIC

Axit Nucleic là hợp chất tự nhiên cao phân tử mang mã di truyền và thựchiện mã di truyền ở các sinh vật Hàm lượng Axit Nucleic trong tế bào khá cao,dao động trong khoảng 5 – 15% vật chất khô Trong tế bào có hai loại AxitNucleic: Axit ribonucleic (RNA) và Axit desoxyribonucleic (DNA)

Các đơn phân của Axit nucleic là các nucleotit Mỗi nucleotit bao gồm haithành phần:

Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric

Tùy theo trọng lượng phân tử của Axit Nucleic mà chuỗi nucleotit có thểdài ngắn khác nhau Trong chuỗi nucleotit, các nucleotit sắp xếp theo nhữngtrình tự nhất định tạo nên đặc trưng sinh học của Axit Nucleic, tức là tạo nên cácgen di truyền Thứ tự các nucleotit thường được xét theo từng bộ ba base Mộtcodon là một đơn vị mã di truyền, có chức năng mã hóa cho một axit amin AxitNucleic là bản thiết kế protein và bảng thiết kế này được viết bằng các mã ditruyền Thứ tự các mã quy định thứ tự các axit amin trong protein, quyết địnhđặc trưng sinh học của protein Mỗi Axit Nucleic trong quá trình hình thành vàhoạt động luôn luôn duy trì vững vàng trình tự các nucleotit Một rối loạn trongquá trình này dẫn tới rối loạn tính di truyền, tức là gây nên hiện tượng biến dị

II CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

Thành phần nguyên tố của protein (% theo trọng lượng):

C: 50 – 54; O: 20 – 23; H: 6 – 7; N: 15 – 18 (trung bình khoảng 16%);S: 0 – 2,4 Trong một số protein còn chứa P, Fe, I, Co, Zn và một số nguyên tốkhác Hàm lượng các nguyên tố này rất thấp nhưng có ý nghĩa rất lớn đối với sựsống Để tạo nên trạng thái sống các nguyên tố này trước hết liên kết với nhautạo nên các axit amin (Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine,

Threonine, Tryptophan, Valine, Arginine, Histidine, Cysteine, Glutamine,Glycine, Proline, Serine, Tyrosine, Alanine, Glutamate, Asparagine, Aspartate).

Axit amin là đơn vị cấu tạo cơ bản của protein Axit amin là những dẫnxuất của axit hữu cơ mà trong phân tử một nguyên tử hydro (đôi khi 2) của gốcankil đuợc thay thế bởi gốc amin Công thức chung như sau:

Axit amin hình trên là Alanin

Axit amin là monomer cấu tạo nên protein Trong tự nhiên có khoảng 250axit amin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axit amin gọi là axit aminsinh protein (proteinogenic amino acid)

Hình dạng và đặc tính của protein đuợc quy định bởi trình tự và số luợngcác axit amin của protein

Trong môi trường kiềm tính, axit amin mang điện tích âm.

Trong môi trường axit, axit amin mang điện tích dương

Người ta ứng dụng tính lưỡng tính của axit amin để phân tích hỗn hợpaxit amin bằng dòng điện một chiều (phương pháp điện di)

Ở giá trị pH của môi trường mà axit amin có tổng số điện tích âm bằngđiện tích dương (axit amin trung hòa điện), pH đó gọi là điểm đẳng điện của axitamin (kí hiệu là pI)

Các axit amin trung tính có pI khoảng 5 – 6,5 (hơi axit)

Các axit amin axit tính có pI khoảng 3 (axit rõ rệt)

Các axit amin kiềm tính có pI khoảng > 7 (kiềm)

2.1 Cấu trúc bậc một của protein

Cấu trúc bậc 1 của protein là sự liên kết giữa các axit amin với nhau thànhchuỗi thông qua liên kết peptit (-CO – NH-) Mạch liên kết này hình thành giữanhóm COOH của axit amin trước với nhóm NH2 của axit amin bên cạnh

Liên kết peptit là liên kết đồng hóa trị rất bền vững (năng lượng phá vỡliên kết khoảng 6 – 7kcal/mol) Trong thực tế mạch liên kết peptit rất khó thủyphân (phải dùng HCl 6N với nhiệt độ ≥ 100°C).

Trong chuỗi peptit, các axit amin cứ liên kết với nhau như vậy liên tục.Theo quy định axit amin đầu chuỗi (bên trái) có nhóm amin tự do gọi là axitamin N tận; axit amin cuối chuỗi (bên phải) có nhóm cacboxyl tự do gọi là axitamin C tận Khoảng cách giữa nhóm -COOH và -NH2 của các axit amin trongchuỗi polypeptit được L

Pauling và cộng sự dùng phương pháp nhiễu xạ Rơngen để nghiên cứu

Hình 3: Sự hình thành liên kết peptit

Khi khảo sát chuỗi peptit có hai vấn đề quan trọng: Số lượng các axitamin và trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi.

- Số lượng các axit amin: Số lượng các axit amin nhiều hay ít tùy loạiprotein và quy định độ dài ngắn, phân tử lượng của chuỗi

Protein lớn nhất được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim,chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn Các protein phổ biến đặc biệt làcác enzym có khoảng từ 150 - 300 axit amin

- Trình tự sắp xếp các axit amin: Trình tự của các axit amin trong chuỗi

Hình 4: Cấu trúc bậc một của protein

năng sinh học của protein Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, đượcghi lại bằng các đơn vị tạo thành axit nucleic Với 20 axit amin có thể tạo hơn

2 x 1019 tổ hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người ta tìmthấy khoảng 1010 – 1012 protein ở các cơ thể sống khác nhau)

Mỗi tổ hợp có sự sắp xếp các axit amin với thứ tự khác nhau, chỉ cần 1axit amin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tính chất vật lý, hóa học và sinh họccủa protein cũng thay đổi Ví dụ: Trong bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, do độtbiến ADN mà ở vị trí số 6 trên chuỗi β polypeptit của globulin trong hồng cầu làaxit glutamic bị thay bằng valin

Oxytoxin và vasopressin là hai hocmon thùy sau tuyến yên, chúng đều có

9 axit amin, nhưng sắp xếp chỉ khác nhau ở vị trí số 3 và số 8:

Oxytoxin có chức năng làm tăng co bóp cơ trơn tử cung:

Xys – Tyr – Ile – Glu – Asn – Xys – Pro – Leu – Gly – NH2

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Vasopressin có chức năng làm tăng huyết áp động mạch, chống lợi niệu:

Xys – Tyr – Ple – Glu – Asn – Xys – Pro – Arg – Gly – NH2

Việc phát hiện ra cấu trúc bậc 1 là một thành tựu khoa học rất lớn tronghóa học protein Nó là cấu trúc quan trọng nhất, quyết định mức độ phức tạp,tính muôn hình muôn vẻ và hoạt tính sinh học của protein Nguyên nhân của sựđặc trưng, đặc thù của sinh vật, tức là sự khác nhau về loài, giống, các thể và các

bộ phận trong cơ thế chính là sự khác nhau về cấu trúc và chức năng của protein

Cấu trúc bậc 1 là yếu tố di truyền hết sức ổn định và đây cũng là minh

chứng chứng minh “Protein là nền tảng của sự sống”.

Ví dụ: Insulin là 1 polypeptit hocmon bao gồm 51 axit amin Ở các độngvật khác nhau, chúng chỉ khác nhau ở axit amin thứ 8, 9, 10

8 9 10Bò: Ala – Ser – Val

Lợn: Tre – Ser – Ile

Cừu: Ala – Gly – Val

Quá trình di truyền ở sinh vật chính là hiện tuợng truyền đạt lại cho đờisau cấu trúc bậc 1 của protein đặc thù cho loài giống Thiết kế protein được mãhóa qua thiết kế mã di truyền trong axit nucleic

2.2 Cấu trúc bậc hai của protein

Cấu trúc bậc 2 của protein là cấu trúc có chu kỳ của chuỗi polypeptit.Chuỗi polypeptit được sắp xếp gọn lại trong không gian, nhất là trong môitrường sinh vật, trong mô bào theo những hình thù nhất định, bền vững hơn phùhợp với chức năng của chúng

Nhiều protein chứa các đoạn có cấu trúc xoắn α Ví dụ: Myoglobin,hemoglobin, Chuỗi peptit cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành các vòng xoắn.Chu kỳ xoắn là 3,7 axit amin Chiều dài mỗi vòng xoắn là 5,4A0 Chiều xoắn cóthể là xoắn phải hoặc xoắn trái

Các xoắn α thấy ở các protein là xoắn phải (Hình 5) Tỷ lệ giữa các đoạn

xoắn và không xoắn trong protein chiếm khoảng 45% – 50% chiều dài của chuỗipeptit

Cũng có khi hai hoặc nhiều cuộn xoắn α bện lại với nhau như cuộn dâycáp được thấy ở các protein như keratin của tóc, myosin tropomyosin ở cơ,epidermin của da và fibrin của cục máu đông

Xoắn α được ổn định nhờ những liênkết hydro Liên kết này được hình thành giữahai nguyên tử mang điện tích âm có khoảngcách 2 – 3A0, nguyên tử hydro nằm giữa hainguyên tử đó Liên kết hydro để tạo xoắn αtrong cấu trúc bậc 2 của protein được tạothành giữa nhóm = C = O và = N – H Lúc nàycác gốc amin = C = O và = N – H nằm trongmột mặt phẳng.

Liên kết hydro yếu, năng lượng phá vỡliên kết khoảng 0,7 – l,5Kcal/mol Song có sốlượng lớn nên xoắn a bền và ổn định

Liên kết hydro giữ vị trí đặc biệt quantrọng trong tính cơ động, linh hoạt của cácphân tử sinh học, của protein cũng như môbào

Cấu trúc gấp nếp β, khác vớixoắn α là ở chỗ nó là dạng tấm.Chuỗi polypeptit trong gấp nếp βhầu như duỗi thẳng chứ không phảicuộn lại hình lò xo như xoắn α

Điều khác nữa là cấu trúc gấpnếp β được ổn định bởi các liên kếthydro giữa các nhóm = C = O và =

N – H trong các chuỗi polypeptitkhác nhau, cấu trúc gấp nếp βthường đặc trưng cho nhiều protein dạng sợi Ví dụ colagen

Hình 6: Cấu trúc xoắn β

Hình 5: Cấu trúc xoắn α

Trong cơ thể, xét về cấu trúc bậc 2, protein có thể chia ra làm 3 loại:

- Loại hoàn toàn cấu tạo từ xoắn α

- Loại hoàn toàn cấu tạo từ gấp nếp β

- Loại chứa cả xoắn a và gấp nếp β

2.3 Cấu trúc bậc ba của protein

Là cấu hình không gian phức tạp của chuỗi polypeptit do sự gấp khúc,cuộn lại của cấu trúc bậc 2 tạo cho protein có hình thù nhất định, đặc trưng chotừng loại protein và hình thù đặc trưng này được quyết định từ cấu trúc bậc 1

Sự sắp xếp gọn lại trong không gian của phân tử protein khi đã có cấu trúcbậc 2 này giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống

Hình 6: Cấu trúc xoắn α và β

Cấu trúc bậc 3 tồn tại và ổn định nhờ các liên kết và các lực sau:

Ví dụ: Insulin là hormon của tuyến tụy tham gia điều hòa hàm lượngđường trong máu Khi thiếu insulin, hàm lượng đường trong máu tăng cao, dẫntới bệnh đái đường Insulin được cấu tạo từ 2 chuỗi peptit: Chuỗi A gồm 21 axitamin, chuỗi B gồm 30 axit amin Hai chuỗi này gắn với nhau bằng 2 liên kếtdisulfid

Hình 7: Cấu trúc bậc 3 protein

Ví dụ: Gốc axit glutamic trong chuỗi polypeptit có nhóm - COOH tự do,trong môi trường nhất định của cơ thể nhóm này có thể phân ly thành – COO-

.

Trong cấu trúc bậc 3, gốc này nằm gần gốc NH2 tự do, nhóm NH2 có khả năngnhận H+ tạo thành NH3+ Do đó hai ion trái dấu này hút nhau Loại liên kết nàynằm rải rác trong phân tử do có một số gốc axit amin có nhóm - COOH và -NH2

- Lực hấp dẫn Van der Vaals: Khi có 2 chất hoặc 2 nhóm hóa học nằmcạnh nhau với khoảng cách 1 – 2 lần đường kính thì giữa chúng sẽ có lực hấpdẫn lẫn nhau

- Lực liên kết của các nhóm kỵ nước: Những nhóm không phân cực(thành phần chỉ có C, H) Ví dụ: - CH2; - CH3 trong valin, leuxin, isoleuxin hoặcphenyl trong phenylanin là những nhóm không ưa nước (kỵ nước) và khôngtích điện Nước trong tế bào đẩy chúng lại với nhau tạo thành các búi kỵ nướctrong phân tử protein Loại lực này chiếm 60% – 70% lực ổn định cấu trúc bậc 3của nhiều phân tử protein dạng cầu

Các liên kết yếu rất có ý nghĩa vì chúng có rất nhiều và phân bố khắp nơitrong phân tử protein Nhờ các liên kết này (đặc biệt lực liên kết giữa các nhóm

kỵ nước) mà cấu trúc bậc 3 của protein ổn định trong môi trường Tuy nhiênnăng lượng liên kết của các liên kết nói trên rất yếu, cho nên cấu trúc bậc 3 cũngrất dễ bị biến đổi bởi sự thay đổi các yếu tố môi trường Các yếu tố như nhiệt độ,

độ pH khi tác động tới protein tức là ảnh hưởng lên các liên kết yếu này Ví dụ:nhiệt độ tăng quá cao (> 5000C) làm protein bị biến tính (tức không trở lại trạng