Quá trình phân giải protein, axit amin, peptide trong cơ thể sinh vật

Protein có phân tử lượng lớn, được cấu thành từ các axit amin. Các axit amin trong phân tử protein liên kết với nhau bằng liên kết peptit. về mặt cấu trúc và tính chất, protein có những đặc tính không có ở bất kỳ hợp chất hữu cơ nào và chính những đặc tính này bảo đảm chức năng "cơ sở sự sống" của protein. Trình tự sắp xếp của các axit amin trong mạch phân tử protein được mã hoá trong bộ máy di truyền của tế bào, protein được tổng hợp trong tế bào sống.LỜI MỞ ĐẦU2CHƯƠNG 13ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN3CHƯƠNG 25ĐẠI CƯƠNG VỀ AXIT AMIN5CHƯƠNG 37ĐẠI CƯƠNG VỀ PEPTIDE7CHƯƠNG 49QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PROTEIN, AXIT AMIN, PEPTIDE94.1. QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PROTEIN94.2. QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PEPTIDE124.3. QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI AXIT AMIN134.3.1 Khử amine134.3.2 Khử carboxyl144.3.3 Chuyển vị amine144.3.4 Sự biến đổi các sản phẩm của quá trình phân giải amino acid15

1

LỜI MỞ ĐẦU 2

HƯƠNG 1 3

ĐẠI ƯƠNG VỀ PROTEIN 3

HƯƠNG 2 5

ĐẠI ƯƠNG VỀ AXIT AMIN 5

HƯƠNG 3 7

ĐẠI ƯƠNG VỀ PEPTIDE 7

HƯƠNG 4 9

QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PROTEIN, AXIT AMIN, PEPTIDE 9

4.1 QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PROTEIN 9

4.2 QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PEPTIDE 12

4.3 QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI AXIT AMIN 13

4.3.1 Khử amine 13

4.3.2 Khử carboxyl 14

4.3.3 Chuyển vị amine 14

4.3.4 Sự biến đổi các sản phẩm của quá trình phân giải amino acid 15

KẾT LUẬN 17

T I I U TH HẢ 18

2

ỜI Ở ĐẦU

Giữa thế kỷ thứ 19, nhà hoá học người Đức Gerardus Mulder đã chiết được một loại hợp chất đặc biệt, chúng vừa có mặt ở tế bào động vật, vừa có mặt ở tế bào thực vật Hợp chất này đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại của mọi tế bào sinh vật trên trái đất Theo

đề nghị của Berzelius - nhà hoá học Thụy Điển nổi tiếng, G Mulder đặt tên chất đó là

protein - theo tiếng la tinh "proteos" có nghĩa là quan trọng hàng đầu

Protein có phân tử lượng lớn, được cấu thành từ các axit amin Các axit amin trong phân tử protein liên kết với nhau bằng liên kết peptit về mặt cấu trúc và tính chất, protein

có những đặc tính không có ở bất kỳ hợp chất hữu cơ nào và chính những đặc tính này bảo đảm chức năng "cơ sở sự sống" của protein Trình tự sắp xếp của các axit amin trong mạch phân tử protein được mã hoá trong bộ máy di truyền của tế bào, protein được tổng hợp trong tế bào sống

Protein là thành phần không thể thiếu được của tất cả các cơ thể sống Protein là nền tảng về cấu trúc và chức năng của cơ thể sinh vật Bên cạnh qua trình tổng hợp thì quá trình phân giải protein, axit amin, peptide đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sự hình thành các chất có họat tính sinh học cao có vai trò trong quá trình trao đổi chất, các hoạt động sinh lý của cơ thể sinh vật

Nhóm chúng tôi chọn đề tài : “Quá trình phân giải protein, axit amin, peptide trong

cơ thể sinh vật để khẳng định tầm quan trọng của quá trình này đối với sự sống cũng như một lần nữa chứng minh cho nhận định “ Protein là nền tảng của quá trình sống.”

3

HƯƠNG 1

ĐẠI ƯƠNG VỀ PR TEIN

Protein (Protid hay Đạm) là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là acid amin Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptide (gọi là chuỗi polypeptide) Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein

Protein là một nhóm các hợp chất đại phân tử sinh học, cùng với polysaccharide, lipid và nucleic acid, tạo nên các hợp phần chủ yếu của cơ thể sống Một cách cụ thể, protein là các polymer được tạo nên từ các trình tự xác định các amino acid Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống Về mặt số lượng, protein chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào Từ lâu người ta đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ thể sinh vật Ngoài vai trò là thành phần chính trong cấu trúc của tế bào và mô, protein còn có nhiều chức năng phong phú khác quyết định những đặc điểm cơ bản của sự sống như sự truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hoá các chất Thật vậy, các enzyme, các kháng thể chống lại bệnh tật, các hormon dẫn truyền các tín hiệu trong tế bào, đều có bản chất là protein

Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống, người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tài của Engels P.: “Sự sống là phương thức tồn tại của những thể protein” Với sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống ngày càng được khẳng định Cùng với nucleic acid, protein là cơ sở vật chất của sự sống

4

Cấu trúc của protein

5

HƯƠNG 2

ĐẠI ƯƠNG VỀ XIT IN

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

Có thể định nghĩa khác là: axit amin

gồm một nguyên tử Cacbon α liên kết

với:

 Một nguyên tử Hydro

 Một nhóm Amin

 Một nhóm Carboxyl

 Một trong 20 gốc R, 20 gốc R khác nhau tạo nên 20 axit amin và quyết định tính chất đặt trưng của chúng Axit amin hình bên là Alanin

Axit amin là monomer cấu tạo nên protein Trong tự nhiên có khoảng 250 axit amin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axit amin gọi là axit amin sinh protein (proteinogenic amino acids) Hình dạng và đặc tính của protein được quy định bởi trình tự

và số lượng các axit amin của protein

-H+ + OH

R-CH-COOH R-CH-COO- R-CH-COO

NH3+ + H+ NH3+ - OH - NH2

xit Trung tính

R-CH-COOH

NH2

6

Trong phân tử amino acid đều có các nhóm COOH và NH2 gắn với carbon ở vị trí

α Hầu hết các amino acid thu nhận được khi thuỷ phân protein đều ở dạng L-α amino acid Như vậy các protein chỉ khác nhau ở mạch nhánh (thường được ký hiệu: R)

Trong môi trường trung tính phân tử axit amin mang cả điện tích âm và điện tích dương

Trong môi trường kiềm 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 hợp axit 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 bằng điện tích dương (axit amin trung hòa điện), pH đó gọi là điểm đẳng điện của axit amin (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)

7

HƯƠNG 3

ĐẠI ƯƠNG VỀ PEPTIDE

- Là hợp chất gồm nhiều axit amin liên kết với nhau bằng liên kết peptit

- Liên kết peptit là liên kết được hình thành bởi nhóm cacboxyl của axit amin này với nhóm a min của axit amin bên cạnh đồng thời loại đi 1 phân tử nước

 liên kết peptit

NH2-CH-COOH + H2N-CH-COOHH2N-CH- CO-NH - CH- COOH + H2O

   

R1 R2 R1 R2

- Peptit có trong tự nhiên dưới dạng tự do (hocmon, peptit kháng sinh)

Peptide là những protein thường có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau, có khối lượng phân tử thường dưới 6.000 Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được hình thành do sự thoái hoá protein Trong các peptide các amino acid được liên kết với nhau thông qua liên kết peptide (hình 2)

Hình 2 Sự tạo thành liên kết peptide

Peptide có từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được hình thành do sự phân giải protein Trong phân tử peptide,

các amino acid được liên kết với nhau thông qua liên kết peptide

Liên kết peptide có độ bền cao bởi cấu trúc của nó có 4 e/π, 2e/π thuộc về liên kết C=O còn 2e/π thuộc về bộ đôi e/

tự do của nguyên tử N Liên kết giữa C-N là liên kết

8

phức tạp Nó có thể chuyển từ dạng π đến dạng lai (trung gian) là một phần ghép đôi của liên kết π (hình 1.12) Người ta cho rằng tỷ lệ của liên kết kép này là khoảng 30% đối với liên kết C-N và 70% đối với liên kết giữa C và O Ở đầu của một chuỗi peptide là amino acid có nhóm α-amin (α-NH2) tự do được gọi là đầu N-tận cùng và đầu kia có nhóm α-carboxyl (α-COOH) tự do được gọi là đầu C tận cùng Liên kết peptide tạo nên bộ khung chính của chuỗi peptide hoặc polypeptide, còn các gốc R tạo nên mạch bên của chuỗi

Dạng cộng hoá trị ρ Dạng ion ρ+π

Dạng lai (hybrid)

Hình 3 Sự tồn tại các dạng của liên kết peptide

Mạch chính

Mạch bên

Hình 4 ạch bên và khung của một chuỗi polypeptide

9

HƯƠNG 4

QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PROTEIN, AXIT AMIN,

PEPTIDE

4.1 QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PR TEIN

Thủy phân là con đường phân giải protein phổ biến ở thực vật và động vật Quá trình thủy phân protein xảy ra tại lysosome, nơi chứa nhiều enzyme thủy phân protein là protease Quá trình thủy phân xảy ra qua 2 giai đoạn

- Nhờ peptid-peptido hydrolase, protein bị thủy phân thành các đoạn peptid ngắn

- Nhờ peptid-hydrolase thủy phân tiếp các peptid thành amino acid

Kết quả chung là

Ở động vật có vú, sự phân giải protein đầu tiên do tác động của pepsin Tế bào niêm mạc dạ dày tiết ra pepsinogen Nhờ pepsin và HCl của dịch dạ dày, pepsinogen biến đổi thành pepsin họat động và pepsin họat động sẽ thủy phân protein thành amino acid

Quá trình chuyển hóa protein trong cơ thể:

 Tiêu hóa và hấp thu protein ở động vật dạ dày đơn:

Dưới tác động của nhóm enzyme protease, protein thức ăn được thủy phân thành các polypeptide, oligopeptide và cuối cùng thành các amino acid Sự thủy phân protein xảy

ra ở dạ dày và ruột non

 Tiêu hóa protein trong dạ dày

10

Thức ăn đến dạ dày sẽ kích thích tuyến dạ dày tiết hormone gastrin, sau đó kích thích tế bào rìa tiết ra HCl và tế bào chính tiết ra pepsinogen Độ acid của dạ dày cao, pH dịch dạ dày 1,5- 2,5 cho nên có tác dụng diệt khuẩn và làm biến tính các protein hình cầu tạo điều kiện cho các enzyme thủy phân liên kết peptide hoạt động pepsine được giữ dưới dạng pepsinogen(trọng lượng phân tử 42.000) trong các tế bào chủ của niêm mạc dạ dày và chỉ hoạt hóa thành pepsine(trọng lượng phân tử 35.000) khi đã được tiết ra xoang dạ dày

Kiểu phản ứng này là phản ứng tự xúc tác trong đó protein là chất hoạt hóa còn HCl tăng cường hoạt lực của pepsine ở trong môi trường acid của dạ dày, pepsine thường

có hoạt lực cao, 1g pepsine của dịch dạ dày có thể thủy phân 50kg albumin trứng trong vòng 2h ở những điều kiện thích hợp pepsine có thể thủy phân collagen và elastine nhưng không thủy phân keratin của tóc, lông và cả các protein đơn giản có nguồn gốc thực vật pepsine chủ yếu thủy phân liên kết peptide trong đó có sự tham gia của amino acid mạch vòng và liên kết Ala-Ala, Ala-Ser và một số liên kết khác Cơ chế tổng quát về tác động của enzyme pepsine đối với protein như sau:

Trong dạ dày múi khế của động vật nhai lại ở giai đoạn bú sữa có chứa enzyme renine có vai trò làm đông vón sữa renine là chuỗi polypeptide có trọng lượng phân tử khoảng 40.000, chúng hoạt động trong môi trường acid yếu(pH 5,0-5,3)

Và cần sự có mặt của Ca++ Renine làm đông vón sữa bằng cách biến caseinogens thành caseinate calcium, tạo điều kiện cho tiêu hóa protein sữa

 Tiêu hóa protein ở ruột non

Các polypeptide cao phân tử, các peptone khi xuống ruột non sẽ được hệ thống enzyme của dịch tụy và dịch ruột phân giải triệt để thành amino acid tripsin trong dịch tụy và dịch ruột khi mới tiết ra ở dạng chưa hoạt động là tripsinogen Dưới tác động của enzyme enterokinase, tripsinogen biến thành tripsin hoạt động, sau đó quá trình này có thể xảy ra theo phương thức tự hoạt hóa, nghĩa là chịu tác động ngay của enzyme tripsine Tripsine hoạt động tốt nhất trong môi trường pH 7-8 dưới tác dụng của tripsine, các protein còn sót, các peptide lớn sẽ bị thủy phân đến dạng peptide có phân tử trọng nhỏ hơn và một phần thành amino acid Tripsine thể hiện hoaatj lực cao nhất đối với các liên kết peptide

có chứa nhóm carboxyl của amino acid diamin(lysine, arginine)

11

Chymotripsin chứa trong dịch tụy ở dạng chưa hoạt động là chymotripsinogen Dưới tác động của enzyme tripsine và chymotripsine, chymotripsinogen biến thành dạng hoạt động enzyme này hoạt động tối ưu ở pH=8,0, chúng thủy phân liên kết peptide có nhóm –CO- thuộc amino acid nhân thơm(Phe, Tyr,và Trp) Các peptide ngắn hơn được thủy phân hoàn toàn ở ruột non nhờ carboxypeptidase phân cắt các liên kết peptide nằm sát đầu nhóm carboxyl tự do Dipeptidase phân giải dipeptide thành 2 amino acid Ngoài những enzyme trên, trong dịch ruột còn gặp protaminase thủy phân protamine, prolinase thủy phân các liên kết peptide có chứa proline

Như vậy, dưới tác động của các enzyme tiêu hóa, các protein của thức ăn đã bị thủy phân hoàn toàn thành các amino acid Amino acid được hấp thu qua phần đáy và phần bên của màng bào tương tế bào niêm mạc ruột vào máu để đến gan ở gan các amino acid có thể biến đổi khác nhau

 Chuyển hóa protein trong ruột già

Tuyến ruột già tiết ít dịch, enzyme ít và hoạt động yếu tiêu hóa chủ yếu nhờ enzyme từ dưỡng chấp ruột non xuống ruột già chủ yếu hấp thu nước và muối khoáng

Trong cơ thể, protein thường xuyên được chuyển hóa Khi thừa, protein sẽ chuyển thành glucide hoặc lipid Khi thiếu protein , sự trao đổi chất sẽ bị rối loạn, cơ thể chậm phát triển và suy yếu

12

4.2 QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PEPTIDE

Các peptid bị thủy phân hoàn toàn trong dung dich axit nóng hoặc dung dịch kiềm nóng cho sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các amino acid Thường thủy phân bằng dung dịch HCl 2N ở 1100C trong khoảng 24-72h

Các peptid có thể được thủy phân không hoàn toàn thành những đoạn peptid ngắn hơn nhờ các enzyme đặc hiệu:

 amino acid đầu N được tách ra khỏi mạch nhờ enzyme aminopeptidase

Ví dụ:

aminopeptidase

H2N-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-… + H2O

R1 R2 R3

H2N-CH-COOH + H2N-CH-CO-NH-CH-CO-…

R1 R2 R3

 Amino acid đuôi C được tách ra khỏi mạch nhờ enzyme peptidase

 Đặc biệt trong quá trình tiêu hóa, peptid và protein thức ăn được các enzyme thủy phân protein có trong dịch tiêu hóa thủy phân thành các peptid và cuối cùng thành các acid amin tự do Proteinase là các peptidase xúc tác các phản ứng cắt đứt các liên kết peptid với sự tham gia của nước

liên kết peptid

H2N-CH….HN-CH-CO HN-CH-CO….CH-COOH

R R’ HO H R” R”’

Đầu N tận đầu C tận

H2N-CH… HN-CH-COOH + H2N-CH-CO… CH-COOH

R R’ R” R”’

13

Sự thủy phân protein và peptid

Mỗi peptidase có tác dụng đặc hiệu đối với vị trí của liên kết peptid và bản chất của gốc R của các acid amin tham gia tạo thành liên kết peptid của chuỗi protein

4.3 QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI XIT IN

Có nhiều con đường phân giải amino acid:

4.3.1 hử amine

Bằng nhiều con đường khác nhau, các amino acid bị khử nhóm amine tạo ra các sản phẩm tương ứng

- Khử amin bằng các enzyme khử Nhờ enzyme khử xúc tác, amino acid bị khử thành acid tương ứng và giải phóng NH3

- Khử amin bằng con đường oxi hóa

Nhờ amino acid oxydase, amino acid bị oxi hóa để tạo ceto acid tương ứng và NH3

- Khử amine bằng con đường thủy phân

Nhờ tác dụng của enzyme thủy phân hydrolase, amino acid bị thủy phân tạo oxiacid tương ứng và NH3

Ngoài các con đường đó ra, aspartic acid còn bị khử amin bằng con đường khử nội phấn tử nhờ enzyme dezaminase xúc tác