Sinh học phân tử Protein

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Protein được cấu thành từ amino acid Cofactors, coenzymes, prosthetic groups Sự hình thành các chuỗi polypeptide HỆ THỐNG TÊN VIẾT TẮT CỦA CÁC AMINO ACID Đồng phân quang học dạng L và D của các amino acid 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 VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

Protein được cấu thành từ amino acid

Protein đơn bao gồm một chuỗi amino acid

mạch thẳng uốn nếp tạo nhiều cấu hình 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.

Cofactors, coenzymes, prosthetic groups

Cofactor Vitamin Enzyme reaction (example)

Thiamine diphosphate Thiamine, B1 Oxidative decarboxylation

FAD, FMN Riboflavin, B2 Redox reactions (transfer of H+)

NAD+, NADP+ Niacin, B3 Redox reactions (transfer of H+)

Coenzyme A Pantothenic acid, B5 Metabolism of FA (transfer of acyl

groups )Pyridoxalphosphate Pyridoxine, B6 Transamination, decarboxylation of

AACarboxybiotin Biotin, H, B7 Carboxylation (CO2)

Tetrahydrolic acid Folic acid, B9 Transfer of C1

Ascorbic acid Vitamin C Hydroxylation reaction (collagen)

cis-retinal + opsin Retinol, A Electron transport , antioxidant

? Tocoferol, E Redox reaction, antioxidantMenaquinone Vitamin K Transfer of carbonyl group and

electrons

5

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

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

thường chứa serine, histidine,

amino acid kiềm và các amino acid

axít

Hai mươi amino acid cấu thành các chuỗi polypeptide sinh học

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

HỆ THỐNG TÊN VIẾT TẮT CỦA CÁC AMINO ACID

HỆ THỐNG TÊN VIẾT TẮT CỦA CÁC AMINO ACID

Cấu trúc của protein phản ánh bốn cấp độ tổ chức

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

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)

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

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

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

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

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

Ala, Glu, Leu và Met là các amino acid hình thành chuỗi xoắn alpha tốt nhưng nhưng Tyr, Ser, Gly và Pro thì không

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

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

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

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

Cấu trúc bậc ba 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 Chúng bao gồm liên kết ion, liên kết hydro, lực van der Waals và liên kết disulfide

Nhiều vùng cuộn gấp trong những protein lớn – Protein Domains

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

PFAM 24.0

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

Nucleoprotein, lipoprotein và glycoprotein là các protein kết hợp

Nhiều lipoprotein được gắn lên màng bằng đuôi lipit của chúng

Một ví dụ là β-lactamase được tìm thấy trong nhiều vi khuẩn Gram dương,

chẳng hạn như Bacillus (vi khuẩn hình que) B-Lactamase bảo vệ tế bào bằng

cách phân hủy kháng sinh 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 lipid đảm bảo cho nó không bị trôi ra môi trường xung quanh

Bộ máy protein

Nhiều quá trình trong tế bào như tổng hợp DNA, cắt nối ARN, phân hủy protein được thực hiện các nhóm gồm một tá protein hoặc nhiều hơn cùng nhau phối hợp hoạt động Khi mà các nhóm protein liên kết lại với nhau, tiêu thụ năng lượng và thực hiện các vận động được điều khiển một cách chính xác cũng như xúc tác các phản ứng hoá học, chúng đôi khi được gọi là các bộ máy protein

The range in complexity of mitochondrial protein transport machines

Lithgow T , Schneider A Phil Trans R Soc B

2010;365:799-817

©2010 by The Royal Society

Enzyme xúc tác phản ứng chuyển hóa

Một số enzyme chỉ gắn vào một phân tử cơ chất duy nhất; những enzyme khác có thể gắn vào hai hay nhiều cơ chất và phản ứng chúng với nhau để cho sản phẩm cuối cùng. Nhiều phản ứng enzyme xúc là thuận nghịch, nghĩa

là, enzyme tăng tốc độ phản ứng theo một trong hai hướng

Nhiều enzyme dựa vào các cofactor hoặc nhóm ngoại (prosthetic) để hỗ trợ xúc tác Chúng có thể là những phân tử hữu cơ, như NAD (nicotinamide adenine dinucleotide), NAD mang các nguyên tử hydro để thêm vào (hoặc gỡ

bỏ từ) các cơ chất của nhiều enzyme. Các ion kim loại cũng khá phổ biến. Các ion kẽm được tìm thấy tại vị trí hoạt động của hầu hết enzyme tổng hợp hoặc phân giải nucleic acid. Zn2+ liên kết với các nhóm phosphate tích điện âm và làm suy yếu các liên kết quan trọng

Cofactor Vitamin Enzyme reaction (example)

Thiamine diphosphate Thiamine, B1 Oxidative decarboxylation

FAD, FMN Riboflavin, B2 Redox reactions (transfer of H+)

NAD+, NADP+ Niacin, B3 Redox reactions (transfer of H+)

Coenzyme A Pantothenic acid, B5 Metabolism of FA (transfer of acyl

groups )Pyridoxalphosphate Pyridoxine, B6 Transamination, decarboxylation of

AACarboxybiotin Biotin, H, B7 Carboxylation (CO2)

Tetrahydrolic acid Folic acid, B9 Transfer of C1

Ascorbic acid Vitamin C Hydroxylation reaction (collagen)

cis-retinal + opsin Retinol, A Electron transport , antioxidant

? Tocoferol, E Redox reaction, antioxidantMenaquinone Vitamin K Transfer of carbonyl group and

electronsLipoamide Lipoic acid Transfer of electrons and acyl groupCobalamine Cobalamine, B12 Izomeration, transfer of methyl group

Các enzyme có mức độ đặc hiệu rất đa dạng

Các enzyme có mức độ đặc hiệu rất đa dạng

Các enzyme có mức độ đặc hiệu 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

Đối với mô hình ổ khóa và chìa khóa, vị trí hoạt động của enzyme gắn vừa khít với cơ chất

Ngược lại, mô hình khớp cảm ứng lại cho rằng cơ chất làm thay đổi cấu hình của enzyme do đó enzyme và cơ chất khớp với nhau hơn

Enzyme được đặt tên và phân loại theo cơ chất

Phân loại enzyme

 • Every enzyme is identified by a unique set of 4 numbers.

 • There are 6 main classes based on the type of reaction catalyzed.

 This makes up the first number of the enzyme identity.

 • Oxidoreductase: oxidation-reduction reaction.

 (Dehydrogenases)

 • Transferase: transfer of intact functional group

 • Hydrolase: hydrolysis (addition or removal of water)

 • Lyase: Cleavage of a C-C or C-N or C-O bond Removal (or

 addition) of water across double bond.

 • Isomerase: Isomerization (L<->D, cis-trans, CHO<->C=O etc.)

Enzyme hoạt động bằng việc giảm năng lượng hoạt hóa

Enzyme không thể thay đổi năng lượng tự do tổng thể của một phản ứng, ví

dụ, sự khác biệt năng lượng giữa chất phản ứng và sản phẩm Vai trò của

enzyme là hạ thấp năng lượng ở trạng thái chuyển tiếp, hoặc bằng cách ổn

định các chất trung gian trong trung tâm hoạt động, hoặc bằng cách cung cấp một cơ chế phản ứng thay thế diễn ra theo con đường chuyển hóa có mức năng lượng thấp hơn

Tốc độ phản ứng của enzyme

1

21

S

1

1 -

k k

k

+

→

 + ↔

[ ] [ ] S K

v

The Michaelis - Menten equation

[ ] T 2

KM, hoặc hằng số Michaelis, là nồng độ cơ chất cho phép

đạt một nửa vận tốc tối đa Nó chủ yếu phụ thuộc vào ái lực

của các cơ chất và vị trí hoạt động của enzyme và không

phụ thuộc vào nồng độ của enzyme Km càng thấp, ái lực

của cơ chất và enzyme càng cao và phản ứng càng nhanh

hơn

Tốc độ phản ứng của enzyme

[ ] [ ] S K

v

The Michaelis - Menten equation

Những chất tương tự (đồng hình-analog) như cơ chất ức chế hoạt động của enzyme tại trung tâm hoạt động

Các chất đồng hình là các phân tử đủ giống như cơ chất để có thể gắn vào

trung tâm hoạt động của enzyme Một vài chất đồng hình hoạt động như những cơ chất thay thế cho các enzyme Một số chất đồng hình khác liên kết với trung tâm hoạt động, nhưng thay vì phản ứng thì nó lại ức chế trung tâm

hoạt động và ức chế enzyme Các chất như vậy gọi là chất ức chế cạnh

tranh, vì chúng cạnh tranh với cơ chất trong việc liên kết với enzyme Mức độ

ức chế phụ thuộc vào nồng độ và ái lực giữa chất ức chế, cơ chất với enzyme

Nhiều (thậm chí hầu hết) trung tâm hoạt động của các enzyme được thiết kế

để phù hợp tốt hơn với chất phản ứng trung gian hoặc trạng thái chuyển tiếp, chứ không phải là với cơ chất của nó Thiết kế này có xu hướng làm biến dạng các cơ chất theo hướng yêu cầu của phản ứng và giúp phản ứng diễn

ra Do đó, một số các chất ức chế cạnh tranh là các phân tử bắt chước cấu trúc của chất phản ứng trung gian Được gọi là “dạng đồng hình với trạng thái

chuyển tiếp - transition state analog.”

Những chất tương tự (đồng hình-analog) như cơ chất ức chế hoạt động của enzyme tại trung tâm hoạt động

Proline racemase chuyển đổi đồng phân D và L của proline bằng cách loại

bỏ một phân tử H và thay bằng cấu hình khác (Hình 7.35) Các cơ chất và sản phẩm đều là tứ diện tâm carbon nhưng phân tử chuyển tiếp lại dạng phẳng Chất ức chế cạnh tranh tốt nhất là các hợp chất vòng phẳng chứ không phải

là hợp chất có cấu hình tứ diện giống cơ chất

Những chất tương tự (đồng hình-analog) như cơ chất ức chế hoạt động của enzyme tại trung tâm hoạt động

[ ] [ ] S K

S V

=

I

K

I 1

α

[ ][ ] [ ] EI

I E

K I =

Lượng enzyme lại phụ thuộc vào mức độ

biểu hiện của gen mã hóa enzyme đó Tuy

nhiên, một tỷ lệ đáng kể các enzyme cũng

được trực tiếp điều hòa theo nhiều cách khác

nhau Điều này có ưu điểm là nó ít nhiều tức

thời

 Điều hòa như vậy thường là thuận nghịch

Vì vậy mà một loại enzyme có thể tạm thời

không hoạt động mà không bị phân hủy,

nhưng có thể được được sử dụng lại sau này

nếu cần thiết

Nhiều con đường tổng hợp sinh học được

quy định bởi cơ chế điều hòa ngược (negative

feedback) Các sản phẩm cuối cùng của con

đường chuyển hóa ức chế enzyme xúc tác

phản ứng đầu tiên trong con đường đó Bằng

cách này khi sản phẩm đã đủ, tế bào không

lãng phí vật liệu tổng hợp enzyme nữa

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

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

Một vài protein thay đổi cấu hình và hoạt động sau khi liên kết với một phân tử nhỏ. Trong trường hợp khác, hình dạng thay đổi là do sự thay đổi

về mặt hóa học của protein Bình thường điều này xảy ra khi một nhóm chất được thêm vào và nó có thể được gỡ bỏ ra được sau đó. 

Nhóm phosphate là ví dụ điển hình của các phân tử nhỏ có ảnh hưởng đến sự thay đổi hình dạng, nhưng các nhóm khác bao gồm acetyl, methyl,

và adenyl (AMP) có thể cũng có hiệu quả

Khoảng một phần ba của tất cả 10.000 protein khác nhau hoặc nhiều hơn trong một tế bào động vật được phosphoryl hóa tại bất cứ thời điểm nào Khi nhận được tín hiệu từ bên ngoài, chúng thường phản ứng lại bằng cách phosphoryl hóa một tập hợp các protein bao gồm cả enzyme và các yếu tố phiên mã

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

Protein kết hợp với DNA theo một vài cách khác nhau

Rất nhiều các protein có liên kết với DNA Những protein này có liên quan đến quá trình tái bản DNA, trong quá trình biểu hiện gen và sự điều khiển quá trình đó, trong việc bảo vệ và sửa chữa DNA, và nhiều các quá trình khác Sự hiểu biết về các thuộc tính của protein liên kết với DNA là

cơ sở quan trọng trong công nghệ sinh học, lĩnh vực mà chúng được sử dụng để điều khiển sự biểu hiện gene tái tổ hợp Protein liên kết với DNA cũng có vai trò rất lớn trong nghiên cứu y học phân tử, đặc biệt là trong nghiên cứu ung thư và lão hóa

Mặc dù 1 số lượng rất lớn protein liên kết với DNA, nhưng chỉ có một vài cách phổ biến để những protein này tương tác với DNA