bài giảng hóa sinh đc ban học tập liên chi hội khoa thú y

Laø caáu truùc cuûa chuoãi polypeptide, trong ñoù caùc amino acid n ố i v ớ i nhau b ở i LK peptide vaø chuùng ñöôïc saép xeáp theo moät trình töï nhaát ñònh ñaëc tröng rieâng cho töøng[r]

BÀI GIẢNG SINH HĨA HỌC

PHẦN I – SINH HĨA HỌC TĨNH

Chương III- PRITEIN VÀ AMINO ACID

TP.HỒ CHÍ MINH-2008

1 Đại cương : Định nghĩa; Vai trò

2 Amino acid : ĐN; Tính chất & Phân loại

3 Cấu tạo : Peptide và các bậc cấu trúc của phân tử protein

4 Một số tính chất quan trọng của protein

5 Phân loại Lớp protein đơn giản Lớp protein phức tạp

MỤC TIÊU

1 Định nghĩa và vai trò sinh học của protein.

2 Thuộc và viết được công thức cấu tạo cùa 20 amino acid

thường gặp trong protein thiên.

3 Mô tả các kiểu liên kết trong cấu trúc phân tử protein (LK

peptide, LK hydrogen, LK disulfite …) và trình bày các bậc

cấu trúc của phân tử protein và ý nghĩa của chúng.

4 Một số tính chất : tính hòa tan (trạng thái keo), kết tủa, biến

tính và tính đặc trưng sinh vật học của protein.

5 Vai trò sinh học của các nhóm protein đơn giản và phức tạp ;

cơ chế hoạt động trao đổi khí của hemoglobin

1 ĐẠI CƯƠNG

ĐỊNH NGHĨA

• - “Protein” bắt nguồn từ chữ “protos” : chủ yếu, đầu tiên

• - Theo quan điểm hóa học : protein là lớp chất hữu cơ trùng phân tự nhiên với các đơn phân là cácα-amino acid Chúng có 2 đặc điểm :

Phân tử trọng lớn →→→ đại phân tử Luôn chứa nitrogen với tỷ lệ tương đối ổn định khoảng 16%

→

→ Tỷ lệ % protein = SL N x 6,25 x 100

- Theo quan điểm SVH : protein là lớp chất hữu cơ mang sự sống

VAI TRÒ

 Protein rất đa dạng về mặt cấu trúc, tính đặc hiệu loài rất cao

→

→ chúng tham gia vào tất cả các biểu hiện của sự sống :

– Sự vận động và đáp nhận kích thích,

– Sự sinh trưởng, phát dục và sinh sản,

– Sự di truyền và biến dị,

– Sự trao đổi chất không ngừng với môi trường xung quanh.

 Các protein cấu trúc : tham gia cấu tạo mọi tế bào, mô bào.

 Các protein phi cấu trúc (có hoạt tính sinh học) : enzyme (xúc

tác sinh học); kháng thể (chức năng bảo vệ), hormone (điều hòa

sinh học) ….

 Bị oxy hóa → → → cung cấp khoảng 10-15% nhu cầu năng lượng.

2 AMINO ACID

ĐỊNH NGHĨA: là acid hữu cơ trong đó có1 H ở Cα

của gốc alkyl được thế bởi nhóm amine (NH2).Nếu có nhóm amine thứ 2 thì thường chúngnằm ở C xa nhất

so với nhóm -COOH Amino acid làđơn vị cấu tạo của protein

R

H-CH - COOH + NH2

R

H2N-CH - COOH α

α

TÍNH CHẤT

-Tính hoạt quang: do amino acid có ít nhất mộtC*

bất đối (ngoại trừ glycine) →→→ chúng có tính hoạt

quang (quay mặt phẳng tia phân cực của ánh sáng)

và tồn tại dưới hai dạng đồng phân quang họcD và

L(trong tự nhiên gặp chủ yếu dạng L)

L(-) Serine

CH2-OH

H-C* –OH

C=O

H

L-Glyceraldehyde

CH2-OH H-C* –NH2 C=O OH

CH2-OH

H2N-C* –H

C=O OH

D- Serine

 Tính lưỡng tính và điểm đẳng điện

R-CH-COOH

NH3+ (OH-)

R-CH-COO

-NH3+

R-CH-COO

-NH3+

R-CH-COO-(H+)

NH2

(Zwitterion)

Anion

Điện tích tổng số phụ thuộc pH môi trường và số nhóm –NH2và -COOH trong phân tử

Ở trị số pH mà tại đó amino acid trung hòa điện tích ( = 0) thì gọi đó làđiểm đẳng điện (pI)

PHÂN LOẠI

- THEO CẤU TẠO HÓA HOC :

Chia làm 5 nhóm (B.3.2, T.52)

- THEO VAI TRÒ SINH HỌC

- Các amino acid thiết yếu(không thay thế được)

- Các amino acid không thiết yếu(thay thế được)

 Protein cógiá trị dinh dưỡng hoàn toàn(có nguồn

gốc động vật như : thịt, trứng, sữa – chứa đầy đủ các

amino acid thiết yếu)

 Protein cógiá trị dinh dưỡng không hoàn toàn–

Chứa không đầy đủ các amino acid thiết yếu, thường

I Ile

Isoleucine 09

H His

Histidine 08

G Gly

Glycine 07

F Phe

Phenylalanine 06

E Glu

Glutamic acid 05

D Asp

Aspartic acid 04

C Cys

Cysteine 03

B Asx

Asparagine hay aspartic acid 02

A Ala

Alanine 01

Viết tắt 1 chữ Viết tắt 3 chữ

Amino acid STT

CÁC AMINO ACID THƯỜNG GẶP TRONG

PROTEIN TỰ NHIÊÊN

Z Glx

Glutamine hay glutamic

acid

22

Y Tyr

Tyrosine

21

W Trp

Tryptophan

20

V Val

Valine

19

T Thr

Threonine

18

S Ser

Serine

17

R Arg

Arginine

16

Q Gln

Glutamine

15

P Pro

Proline

14

N Asn

Asparagine

13

M Met

Methionine

12

L Leu

Leucine

11

Viết tắt 1 chữ Viết tắt 3 chữ

Amino acid

Val [V]

VALINE (α α α- amino isovaleric acid)

03

Ala [A]

ALANINE

(α α α- amino propionic acid)

02

Gly [G]

GLYCINE

(Amino acetic a.)

01

(monoamino monocarboxylic acid

t/ tính Aminoacid

I

Cơng thức cấu tạo

Ký hiệu Tên

STT

H-CH-COOH

NH2

CH3-CH-COOH

NH2

CH-CH-COOH

NH2

Thr [T]

THREONINE

( α - amino β -hydroxyl

butyric acid)

07

Công thức cấu tạo

Ký hiệu Tên

STT

Ser [S]

SERINE

( α - amino β -hydroxyl

propionic acid)

06

CHỨA NHÓM OH ACID

AMINO

II

Ile [I]

ISOLEUCINE

( α - amino β -methyl

valeric acid)

05

Leu [L]

LEUCINE

( α - amino isocapronic

acid)

CH3 NH2

CH3-CH2-CH-CH-COOH

CH3NH2

CH2-CH-COOH

OH NH2

CH3-CH-CH-COOH

OH NH2

Công thức cấu tạo

Ký hiệu Tên

STT

Met [M]

METHIO-NINE

( α - amino

γ -thiomethyl butyric

acid)

09

Cys [C]

CYSTEINE ( α - amino

β -mercapto propionic acid)

08

ACID AMINO III

CH2- CH-COOH

SH NH2

CH2-CH2-CH-COOH

S.CH3 NH2

Công thức cấu tạo

Ký hiệu Tên

STT

Gln [Q]

GLUTAMINE

(amid của α - amino

glutaric acid)

Glu [E]

A.GLU TAM IC

( α - amino glutaric

acid)

11

Asn [N]

ASPARAGINE

(amid của α - amino

succinic acid)

Asp [D]

A.ASPARTIC

α - amino succinic acid

10

AMINO DICARBOXYLIC MONO

AMINOACID

IV

NH2

H2N - C-CH2-CH-COOH

HOOC-CH2-CH2- CH-COOH

NH2

H2N -C-CH2-CH2- CH-COOH

Công thức cấu tạo

Ký hiệu Tên

STT

MONOCARBOXYLIC DIAMIN

AMINOACID

IV

HYDROXY-LYSINE

14

Lys [K]

LYSINE

( α ε-diamino caproic acid) 13

Arg [R]

ARGININE ( α -amino δ-guanidine valerianic acid

NH2

CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH

CH2-CH-CH2-CH2- CH-COOH

NH2 OH NH2

Cơng thức cấu tạo

Ký hiệu Tên

STT

MẠCH VỊNG

ACID AMINO

V

Trp [W]

TRYPTO-PHAN

( α - amino

β -indolyl propionic

acid)

17

Tyr [Y]

TYROSINE

( α - amino

β -hydroxyphenyl

propionic acid)

16

Phe [F]

PHENYL-ALANINE

( α - amino

β -phenyl propionic a

15 -CH2- CH-COOH

NH2

-CH2-CH-COOH

NH2

-CH2-CH-COOH

NH2

OH

NH

Cơng thức cấu tạo

Ký hiệu Tên

STT

HYDROXY-PROLINE

(γ-hydroxy pirrolidine

α -carboxylic acid)

20

Pro [P]

PROLINE

(pyrrolidine

α -carboxylic acid)

19

His [H]

HISTIDINE

( α - amino

β -imizazolyl propionic acid)

18

NH

N -CH2-CH-COOH

NH2

HO

3 CẤU TẠO 3.1 PEPTIDE

-Khi nhómαα-aminecủa AA này kết hợp với nhómα-α

carboxylcủa AA đứng kế cận (khử p/t nước) sẽ tạo ra

LK peptide, nhiều AA kết hợp với nhau tạo thành

chuỗi dài polypeptide

- Liên kết peptide →→→ Sơ đồ chuỗi polypeptide

- Cách biểu diễn : đầu N ? Đầu C?

- Danh pháp?

- Một số peptide trong tự nhiên có vai trò sinh học quan

trọng :

- Các hormone : oxytocine, vasoprescine …

- Các kháng sinh, nội độc tố vi khuẩn,

- Glutathione

H H O

H – N + – C - C H

N – C - C

H H O

H H O

N – C - C N – C – C

H H O

O (-)

N – C - C

H H O

H H O

N – C - C

H H O

N – C - C

CH2

CH2 S.CH3

CH2

CH2

CH2

CH2-NH2

COO (-)

OH

Met

LK peptide

Sườn peptide

3.2 CẤU TRÚC PHÂN TỬ PROTEIN

Các bậc cấu trúc của phân tử protein :

 Cấu trúc bậc I : biểu thị thứ tự AA trong chuỗi polypeptide

(LK peptide), hoặc nhiều chuỗi polypeptide và vị trí LK

disulfide (nếu có hiện diện).

 Cấu trúc bậc II : biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide LK

hydrogen là lực chủ yếu ổn định cấu trúc xoắn ( α-helix &

β-sheet)

 Cấu trúc bậc III : biểu thị sự xoắn và gập khúc của chuỗi

polypeptide LK disulfide đóng vai trò quan trọng trong việv

duy trì cấu trúc bậc III.

 Cấu trúc bậc IV : biểu thị sự kết hợp của nhiều chuỗi

polypeptide có cấu trúc bậc III trong p/t.

 CẤU TRÚC BẬC NHẤT

Là cấu trúc của chuỗi polypeptide, trong đó các amino acid nối với nhau bởi LK peptide và chúng đượcsắp xếp theo một trình tự nhất định đặc trưng riêng cho từng loại phân tử protein Chính trật tự amino acid quyết địnhtính đặc trưng sinh vật họccủa phân tử protein

- Sườn peptide

H2N-CH-CO NH-CH-CO … NH-CH-COOH

- Gốc bên R : gốc alkyl của các amino acid tạo cấu trúc không gian phức tạp và tạo hoạt tính sinh học của phân tử protein

R1

R2

Rn

Proteins are linear polymers

of amino acids

R 1

NH3＋ C CO

H

R 2

NH C CO H

R 3

NH C CO H

R2

NH 3 ＋ C COO

ー H

＋

R1

NH 3 ＋ C COO

ー H

＋

H2O

H2O

Peptide bond

Peptide bond

The amino acid sequence is called as primary structure

G

S T

S D K

A carboxylic acid condenses with an amino group with the release of a water

- Liên kết peptide có thể hỗ biến :

• - C- N - →→ - C =N –

• - Với 20 loại amino acid có thể tạo2 x 1018tổ hợp

• - Chỉ cần thay đổi một amino acid trong polypeptide thì sẽ làm thay đổi tính chất sinh vật học của protein

Thí dụ trongbệnh hồng cầu lưỡi liềm: do một thay đổi nhỏ trong gene →→Glubị thay thế bởiVal

CẤU TRÚC BẬC NHẤT CỦA PHÂN TỬ PROTEIN

(Một đơn vị peptide là một khối sắp xếp của 4 nguyên tử

N , H , C & O Khoảng cách các nối tính bằng A 0 )

CẤU TRÚC BẬC HAI

Là kết cấu cuộn xoắn trong không gian của chuỗi polypeptide: các AA tự nhiên đều bất đối nên chúng có khả năng quay tự do quanh mối liên kết của Cααα →→→ xu hướng hình thành cấu trúc xoắn :

Dạng xoắn lò xo : αα-helix Gấp nếp xếp lớp : ββ-sheet

- Lực ổn định cho cấu trúc bậc II làliên kết hydrogen

hình thành giữa nhóm NH(+)và C=O(-)khi khoảng cách giữa chúng2,79 ±±±± 0,12 A0

-Mỗi vòng xoắn chứa 3,6 gốc AA → AA thứ nhất và thứ

18 ở trên cùng một mặt phẳng

Mô hình cấu

trúc bậc II

α

α-helix

Mô hình cấu trúc bậc II xếp lớp ββββ

Basic structural units of proteins: Secondary structure

Secondary structures , α-helix and β-sheet, have regular hydrogen-bonding patterns CÁC KIỂU KẾT CẤU BẬC HAI TRONG

PHÂN TỬ PROTEIN

CẤU TRÚC BẬC NHẤT (CHUỖI POLYPEPTIDE)

VÀ CÁC DẠNG BẬC HAI CỦA PROTEIN

 Trong tự nhiên chuỗi polypeptide của phân tử protein có thể tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc khác nhau :

Chỉ một dạng α α α-helix;

Cả 2 dạng cấu trúc xen nhau : dạng α α α (biểu diễn bằng hình trụ) và dạng xếp lớp ββββ (biểu diễn bằng hình mũi tên);

Các protein dạng sợi chỉ có dạng xếp lớp ββββ , đó là các protein biến tính tự nhiên (không cho trạng thái keo, không chịu tác dụng thủy phân của enzyme tiêu hóa …).

 Một dạng cấu trúc sợi đặc biệt : collagen, có nhiều

trong tổ chức gân, sụn, da, xương và răng Ở

khoảng 40oC collagen →→→ gelatin

 TP AA của collagen chủ yếu là (Gly-Pro-Hyp); mỗi

sợi gồm 3 chuỗi ααα-helix, trong từng chuỗi không có

LK H, mỗi chuỗi được ổn định nhờ lực đẩy giữa các

vòng pyrrolidonecủa Pro và Hyp; giữa 3 chuỗi có

LK H và cả cáccầu disulfideđồng hóa trị bền vững

→

→ gân rất dai, khó tiêu hóa

CẤU TRÚC BẬC BA

Là dạng cấu trúc không gian 3 chiều của chuỗi polypeptide ,

đây là các protein cĩ dạng cầu hay elip, như enzyme, albumin,

globulin …

Các cầu nối ổn định cấu trúc bậc ba :

(1)- Nối tĩnh điện

(2)- Nối hydrogen :

(3)- Nối disulfid : liên kết giữa 2 nguyên tử sulfur của

cysteine trong vòng xoắn α -helix.

(4)- Nối kỵ nước : xảy ra giữa 2 nhân vòng chi hoàn hay gốc

bên R không phân cực.

(5)- Lực Val der Waals : lực này xảy ra giữa mọi phân tử có

1

1

2

3

4

2 2

Three-dimensional structure of proteins

Tertiary structure

Quaternary structure

• Nối(–S – S-)bền nhưng chúng cĩ it trong phân tử, các nối khác kém bền hơn nhưng cũng rất quan trọng vì chúng cĩ ở khắp bề mặt và cả trong vùng giữa xoắn

• Với cấu trúc bậc ba các gốc kỵ nước được đẩy vào trong

và các nhĩm ưa nước được bố trí ở bề mặt phân tử →→→ tạo lớp vỏ nuớc, ổn định trạng thái keo

• Cấu trúc bậc bađặc thù riêng cho từng loại protein, phù hợp với chức năng sinh học của chúng Thơng qua cấu trúc bậc ba các enzyme sẽ hình thành các trung tâm hoạt động để thực hiện chức năng xúc tác Chính dạng cấu trúc bậc baảnh hưởng quyết định đến hoạt tính sinh học của protein

• Các yếu tố mơi trường : to, pH … làm thay đổi cấu

trúc bậc ba sẽ làm thay đổi hoạt tính sinh học của

phân tử protein

CẤU TRÚC BẬC BỐN

• Là trạng thái tổ hợp của nhiều đơn vị cấu trúc bậc ba

hoàn chỉnh,tổ hợp này ổn định nhờ các LK (-S-S-) và

các lực phụ khác

 Rất nhiều protein phải ở dạng cấu trúc bậc bốn mới

thể hiện được hoạt tính sinh học

Myoglobin

Staphylococcal nuclease

Triophosphate isomerase

Pyruvate kinase

CẤU TRÚC PHÂN TỬ COLLAGEN (a) VÀ Hb -α2, βα ββ2 (b)

CẤU TRÚC DOMAIN

Là những vùng có cấu trúc tương đối hoàn chỉnh trong phân tử protein, là nơi thực hiện chức năng liên kết, chức năng lắp ráp các phân tử protein Các domain tạo khả năng tương tác linh hoạt giữa các đại phân tử trong qúa trình hoạt động của chúng

Summary

• Proteins are key players in our living systems

• Proteins are polymers consisting of 20 kinds of amino acids

• Each protein folds into a unique three-dimensional structure defined by its amino acid sequence

• Protein structure has a hierarchical nature

• Protein structure is closely related to its function

• Protein structure prediction is a grand challenge of computational biology

4 MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CỦA

PROTEIN

 Trọng lượng phân tử cao

 Protein có trạng thái keo

 Tính lưỡng tính và điểm đẳng điện

 Tính đặc trưng sinh vật học

5 PHÂN LOẠI

5.1 CÁC PROTEIN ĐƠN GIẢN

TP phân tử chỉ bao gồm các amino acid

ALBUMIN &GLOBULIN Lưu ý các tiểu phần albumin và globulin huyếtthanh – Albumin là nguồn V/C cơ bản t/g xây dựng hầu hết mọi loại cấu trúc của tế bào, mô bào, chúng được tổng hợp từ gan

- Chức năng : giữ áp lực keo của máu,

- Điều hòa TĐC giữa máu và dịch gian bào,

- Vận chuyển các chất dinh dương (khoáng, acid béo, một số vitamin …)

• GLOBULIN

 ααα-Glo: ααα1& ααα2, có trong lipoprotein, glucoprotein, t/g

chuyển hóa glucid, lipid

 βββ-Glo:t/g vận chuyển và chuyển hóa kim loại :

transferrin (sắt), seruloplasmin (đồng) …

 γγγγ-Glo: l/q lớp globulin miễn dịch - immunoglobulin (Ig)

IgA (ααα)

IgM (µµµµ)

IgG (γγγγ)

IgD (δδδδ)

IgE (εεεε)

PROTAMINE VÀ HISTONE Là những protein cótính kiềmvì trong p/t chứa nhiều AA kiềm tínhdiamine(Lys Arg) Histone có trong nhân tb, liên kết với DNA →→→ NST

Protamine có nhiều trong tinh dịch, trứng cá …

PROLAMINE VÀ GLUTELINE Là những protein thực vật, không tan trong nước, hoà tan trong alcohol 70 – 800

Là các protein dạng sợi, biến tính tự nhiên, không

bị thủy phân bởi enzyme tiêu hóa protein Các đại diện điển hình: collagen, elastin; keratin (trong tóc, lông);

fibroin (trong tơ tằm ) …

Cấu trúc p hân tử collagen (A) va elastin (B)

• Collagen : chiếm khoảng ¼ khối lượng protein cơ thể , là tp chính của các mơ liên kết, của gân, dây chằng, sụn, xương và răng, cĩ khả năng đàn hồi và chịu lực cao;

• Collagen + elastin tạo thành cấu trúc chính của da Col đảm nhận tính co giãn của da → → → khi collagen trong cơ thể bị thĩai hĩa (mỗi năm mất khoảng 1,5% khối lượng) thì qúa trình lão hĩa cùng các nếp nhăn trên da gia tăng Col đảm nhận

sự săn chắc, cịn elastin đảm nhận tính linh hoạt của các mơ trong cơ thể Hai tp này tạo nên tính dẻo dai của gân, cơ, mạch máu, da, giúp cơ thể vận động dẻo dai, làn da săn chắc khỏe mạnh.

5.2 CÁC PROTEIN PHỨC TẠP

TP phân tử : ngoài các amino acid còn có các nhóm

ghép Tuỳ theo bản chất hóa học của nhóm ghép, người

ta phân protein phức tạp thành 5 nhóm chính

 Phosphoprotein : protein + các gốc –P

 Glucoprotein : protein + glucid

 Lipoprotein : protein + lipid

 Chromoprotein : protein + h/c hemin+ kim loại→ cĩ màu

 Nucleoprotein : protein + nucleic acid

PHOSPHOPROTEIN Chuỗi polypeptide LK với H3PO4qua nhóm OH của Ser Liên quan nhiều với các chất dinh dưỡng của động vật non : caseinogentrong sữa, ovovitelintrong lòng đỏ trứng, ictulintrong trứng cá …

GLUCOPROTEIN

- Nhóm ghép là glucid (các hexose hoặc hexosamine …) tên chungmucopolysaccharide; có thể gặp ở trạng thái tự do như a.hyaluronic, a.chondroitinsulfuric …

- Chức năng : chấtciment gắn kết tế bào, mô bào; chất nhâøy giảm ma sát trong niêm dịch, dịch bao khớp

(trứng) …