Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 1: Protein

Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 1 Protein cung cấp cho người học những kiến thức như: Đại cương, cấu tạo của protein, các tính chất của protein, phân loại protein. Mời các bạn cùng tham khảo!

1.1.1 Định nghĩa

- Quan điểm hóa học:

Protein = polymer, tạo thành từ các -aa nối với nhau bằng lk peptide và không tan trong TCA 10%

- Quan điểm triết học:

Protein = Chất hữu cơ mang sự sống

1.1 ĐẠI CƯƠNG

“Protein” = “đầu tiên”, hay “quan trọng nhất” (tiếng Hy Lạp)

Ph/tử protein có 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide

CHƯƠNG 1: PROTEIN

• Các biêu hiện của sự sống?

• Tại sao protein là chất mang sự sống?

 Dinh dưỡng và dự trữ dinh dưỡng:

Ovalbumin LTT, Casein sữa

Ferritin là dạng dự trữ sắt

 Cấu trúc (kiến tạo và chống đỡ cơ học):

Collagen: trong gân và sụn, dạng sợi, chun giãn và bền

Elastin trong dây chằng cũng có tính chun giãn cao

Keratin trong tóc, móng, lông chứa nhiều

Fibroin là th/phần chính của tơ, mạng nhện

………

Protein là th/phần c/tạo, tạo nên tính đ/thù cho từng TB và các c/quan

• Ricin là độc tố của cây thầu dầu có t/dụng b/vệ cây

• Fibrinogen và thrombin trong qt đông máu

• Các kháng thể (globulin miễn dịch)

 Cung cấp NL: OXH 1g protein cho 4,1 kcal

 Các vai trò khác

• Hạt cây họ đậu: đậu tương, lạc, vừng, …

• Các loại khô dầu: đậu tương, lạc, vừng, …

1.2 CẤU TẠO CỦA PROTEIN

1.2.2 Aminoacid (acid amin)

- Đơn vị cấu tạo cơ bản của protein

- Dẫn xuất của 1 acid hữu cơ, 1 H ở C được thay thế bằng nhóm amin (NH2), gọi là - aminoacid

1.2.2.2 Phân loại aminoacid

+ Theo cấu tạo

+ Theo độ phân cực - gốc R + Theo quan điểm dinh dưỡng

a Phân loại theo cấu tạo

+ AA mạch thẳng:

- Trung tính (Gly, Ala, Val, Leu, Ile)

- Chứa nhóm OH (Ser, Thr)

- Chứa lưu huỳnh (Cys, Met)

- Chứa 2 nhóm carboxyl và các amid của chúng (Asp, Glu, Asn, Gln)

- Kiềm tính (Lys, Arg) + AA mạch vòng: Phe, Tyr, Trp, His, Pro

- Vòng thơm: Phe, Tyr, Trp

- Vòng khác : His, Pro

b Phân loại theo độ phân cực - gốc R

- Gốc R không phân cực, kỵ nước (Nonpolar, Aliphatic R Groups)

- Gốc R chứa nhân thơm (Aromatic R Groups)

- Gốc R phân cực, không mang điện (Polar, Uncharged R Groups)

- Gốc R mang điện dương, kiềm tính - Positively Charged (Basic) R Groups

- Gốc R mang điện âm, tính acid - Negatively Charged (Acidic) R Groups

c Theo quan điểm dinh dưỡng

- AA thiết yếu (essential amino acid): không được t/hợp hay t/hợp không thỏa mãn nhu cầu trong cơ thể, phải được c/cấp trong TĂ

- AA không thiết yếu (nonessential amino acid): được t/hợp trong cơ thể đ/vật

Một AA là thiết yếu hay không thiết yếu phụ thuộc vào gì?

- Loài và giai đoạn ph/triển của cơ thể

VD, Lợn và trẻ con không tổng hợp được: Phe, His, Ile, Leu, Lys, Val, Met, Arg, Thr và Trp

(Suy ra từ 2 tên người: PHILL V MATT)

Trong 10 aa trên, người tr/thành tổng hợp được His và Arg

- Sự có mặt hay không của AA khác; VD:

Met là tiền chất của Cys  khi thiếu Met, Cys là EAA

Phe là tiền chất của Tyr  khi thiếu Phe, Tyr cũng là EAA

4-hydroxyproline và 5-hydroxylysine có trong collagen

Mythyllysine là th/phần của myosin

γ-carboxyglutamate có trong prothrombin th/gia đông máu

d Các aa bất thường có chức năng quan trọng

Ornithine và citruline là SPTG trong vòng Ornitine

e Các aa không có trong protein, nhưng có trong sinh thể

1.2.2.3 Tính chất của aminoacid

a Tính đồng phân quang học

Các aa (trừ Gly) chứa C* (bất đối), → có hoạt tính quang học (khả năng quay mặt phẳng tia phân cực)

Nếu nhóm NH2 gắn bên phải, aa thuộc đ/phân hàng D

(dextrorotatary) ghi dấu (+), nếu bên trái là đ/phân hàng L

(levorotatary) ghi dấu (-) trước tên aa

Khi nhóm NH2 nhận proton, có phương trình (2):

Theo thuyết Bronsted và Lowry về acid và base, amino acid

cho H+ (1) và nhận H+ (2)  thể hiện như 1 acid hay base, có tính lưỡng tính

Trong d/dịch, aa tồn tại ở dạng lưỡng cực (dạng Zwitterion)

hay dạng muối nội

Từ (1) và (2), có thể tính được 2 hằng số phân ly:

Giá trị pH, tại đó AA trung hòa về điện = điểm đẳng điện pI

(isoelectric point) hay pHi

pI của AA phụ thuộc số nhóm NH2 và COOH trong ph/tử AA

nhiều nhóm amine có pI cao, và ngược lại Các

monoamino-monocarboxylic acid, pH đẳng điện được xác định nhờ c/thức:

pI = pHi = ½(pK1 + pK2)

Đường cong ch/độ đ/trưng của dd Ala 0,1M ở 25°C có 3 điểm uốn

Nồng độ OH - (Eq)

Kh/năng ph/ly lưỡng tính của aa có đường cong chuẩn độ đ/ trưng

Để x/định các giá trị pK, dùng NaOH thêm vào dd AA, đo pH

sau mỗi lần thêm, x/dựng được đường cong chuẩn độ

+ Phản ứng của nhóm carboxyl:

- Tạo muối với base

- Phản ứng khử nhóm carboxyl (decarboxyl hóa)

+ Phản ứng của nhóm amine:

- Tạo muối với acid

- Phản ứng với formaldehyde (Phản ứng Sorensen)

- Phản ứng với HNO2 (Phản ứng Val Slyke)

- Phản ứng deamine hóa (khử nhóm amine)

c Các phản ứng hóa học đặc trưng của AA (Tự đọc)

+ Phản ứng Ninhydrin

+ Phản ứng tạo phức với kim loại

+ Các phản ứng liên quan đến mạch bên (gốc R)

1.2.3 Cấu tạo phân tử

1.2.3.1 Peptide và thuyết polypeptide

- Peptide là chuỗi aa l/kết với nhau bằng l/kết peptide

- L/kết peptide: đồng hoá trị, hình thành nhờ loại nước (ngưng tụ) giữa α-COOH của AA trước với α-NH2 của AA sau

a Peptide:

Hai aa nối với nhau qua một l/k peptide → dipeptide

Ba aa nối với nhau qua 2 l/k peptide → tripeptide

Một số aa l/kết với nhau → oligopeptide

Chuỗi có 2 đầu: Đầu N chứa NH+

3 tự do (của aa số 1, các

aa tiếp theo là số 2, 3, 4, … ); đầu C chứa nhóm COO- tự

do của aa cuối chuỗi

Các peptide tồn tại ở dạng ion hoá:

Nhờ các nhóm amin và carboxyl ở đầu và cuối chuỗi hoặc gốc

R của các aa trong chuỗi polypeptide, các peptide tồn tại ở dạng ion hoá khác nhau, tùy thuộc vào m/trường

→ Các peptide cũng có đường cong chuẩn độ đặc trưng, và dựa vào đó có thể x/định được pI của các peptide này

Ph/ứng h/học đặc trưng của các peptide:

- Ph/ứng đặc trưng của lk peptide là pứ biure:

Trong m/t kiềm, các ph/tử có chứa từ 2 l/k peptide trở lên sẽ tạo phức chất có màu xanh tím với Cu++

Ứ/dụng: - Ph/hiện protein trong các vật phẩm,

- Định lượng protein h/thanh và các dịch s/học khác

|

|

b Thuyết polypeptide về cấu tạo phân tử protein

• Danhilepsky (1888): lk –CO – NH – v/trò q/t trong c/t protein

• Fisher (1900) kh/định sự t/tại của lk peptide (–CO – NH –), đề

ra thuyết polypeptide về c/tạo ph/tử protein:

“Ph/tử protein là 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide, tạo nên từ

hàng chục hoặc hàng trăm gốc aa nối với nhau bằng lk peptide”

 Ở tr/thái nguyên vẹn, ph/tử có rất ít nhóm NH2 và COOH tự do

 Khi bị th/phân, các nhóm NH2 và COOH từ từ g/phóng với tỷ lệ 1/1  lk peptide bị ph/giải

 Biure là p/ư đặc trưng cho lk peptide Các ph/tử protein đều th/gia p/ư này  trong ph/tử có các lk peptide

Nhiều TN đã kh/định thuyết polypeptide:

 T/hợp nhân tạo được protein (insulin) → Bản chất polypeptide của protein được k/định

 Ph/pháp nhiễu xạ tia X cho thấy: trong chuỗi polypeptide, các

aa được s/xếp liên tục đ/trưng cho từng ph/tử protein Các đặc điểm của lk peptide đã được xác định

Các đặc điểm của lk peptide:

• Bốn ng/tử C, O, H, N tạo lk peptide nằm trong 1 mặt phẳng, O và H luôn nằm ở vị trí trans so với lk peptide

• Các nhóm lk với Cα có k/năng quay tự do

• Lk giữa C và N trong nhóm –CO – NH – vừa có đ/tính của lk đơn, vừa có đ/tính của lk đôi  lk peptide tồn tại ở 2 dạng ketone và enol Dạng enol không bền, do ng/tử H rất linh động  protein có kh/năng ph/ứng cao, đa ch/năng

(Lk C-N trong peptide có độ dài 1,32 A°, ngắn hơn lk C-N trong aa đơn lẻ (1,49 A°) và dài hơn kh/cách giữa C-N trong lk đôi (1,27 A°) Ng/nhân: có

sự cộng hưởng hoặc chia phần của 2 đôi điện tử dùng chung giữa C của nhóm carbonyl và nitơ Ôxy có thừa điện âm hơn, còn nitơ thừa điện

dương hơn; O của nhóm (-CO-) và hydro của NH sẽ tr/đổi e- cho nhau → l/kết amid C-N tồn tại ở dạng nửa đôi

1.2.3.2 Các bậc cấu trúc của protein

a Cấu trúc bậc nhất

- Ctb1 = Trình tự và số lượng các aa trong chuỗi polypeptide

Các aa s/xếp với số lượng nh/định, theo một tr/tự nh/định đ/hiệu riêng cho từng loại protein; Ctb1 q/định cấu hình kh/gian ba chiều

và ch/năng của protein

Trình tự s/xếp của các aa trong protein do mã d/truyền q/định

Di truyền ở SV là sự truyền lại cho đời sau ctb1 của protein

- Các aa trong chuỗi nối với nhau nhờ lk peptide

Lk q/định ctb1 là lk peptide

- Qui ước nhóm amin ở bên trái và đánh số thứ tự aa từ trái sang phải chuỗi polypeptide

- Là c/trúc c/bản, q/trọng nhất; q/định mọi t/chất của protein, hàng loạt v/đề như nòi giống, ph/chất, kh/n kháng bệnh,…

- Được q/định bởi số lượng và trình tự các aa trong chuỗi 2 điểm này tạo nên tính ĐTSH của protein (Mỗi loài, mỗi mô bào của một cơ thể, mỗi cấu tử của TB đều có những protein có c/trúc và ch/n đ/hiệu t/ứng Có sự l/quan ch/chẽ giữa c/trúc và c/n s/học Mỗi sự th/đổi về c/trúc → th/đổi h/tính và c/n

Ý nghĩa của ctb1 ở protein:

Số lượng các aa trong chuỗi polypeptide q/định TLPT

Trình tự các aa → tính đa dạng về cấu trúc và chức năng (mặc

dù chỉ x/phát từ 20 loại  - aa)

Sự th/đổi về trình tự s/xếp aa có thể dẫn đến những trường hợp bệnh lý VD điển hình: bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm

Hb cấu tạo từ 2 chuỗi  và 2 chuỗi  Ở người bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, aa thứ 6 trên chuỗi  là Glu được thay bằng Val:

Ở các loài khác nhau, protein th/hiện cùng một c/năng s/học

có thể hơi khác nhau VD: insulin, gồm 2 chuỗi: chuỗi A có 21

aa và chuỗi B có 30 aa; các loài khác nhau, aa tại các vị trí 8; 9

và 10 trên chuỗi A không giống nhau:

→ Số /lượng và trình tự aa trong chuỗi = 2 yếu tố qui định nên th/giới SV đa dạng và ph/tạp Việc phân chia chủng loại, nòi giống, kh/năng tự vệ, kiểu TĐC, vv đều do 2 y/tố này

b Cấu trúc bậc hai

- Là sự t/tác kh/gian của các gốc aa gần nhau hay cạnh nhau trong từng đoạn của chuỗi, mô tả cấu trúc kh/gian bên trong của từng phần trong ph/tử

- Hai dạng thường gặp: Xoắn α

Gấp nếp 

- Chuỗi cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành những bước xoắn

- Đ/trưng cho protein dạng cầu của các mô mềm (cơ, máu; trứng, sữa)

- Một vòng xoắn có 3,6 gốc aa; kh/cách giữa 2 gốc aa là 1,5 A°; chiều cao một bước xoắn 5,4 A°

- Bước xoắn tồn tại nhờ l/kết hydro, hình thành giữa –CO- của aa này với –NH- của aa đứng trước 4 gốc aa Xoắn α (α-helix):

Lk hydro

Gấp nếp :

- Thường gặp ở protein dạng sợi

- Chuỗi polypeptide duỗi thẳng, không cuộn lại như xoắn α Khoảng cách giữa các aa cạnh nhau theo đường trục là 3,5A° (1,5A° trong xoắn α)

- Gấp nếp  ổn định nhờ lk hydro giữa nhóm –NH- và –CO- trong các chuỗi khác nhau (hoặc giữa những đoạn khác nhau trong một chuỗi)

- Trong gấp nếp , các chuỗi polypeptie nằm song song hoặc đối song song

Các protein dạng sợi chỉ có một dạng ctb2, protein hình cầu (enzyme, protein v/c, một số hormone và immunoglobulin) lại

có thể kết hợp nhiều dạng ctb2 trong cùng một ph/tử

Song song

Đối nhau

c Cấu trúc bậc ba

Myoglobin

- Là cấu trúc kh/gian 3 chiều của chuỗi polypeptide

- Là sự t/tác kh/gian của từng đoạn của chuỗi đã có ctb2 hoàn chỉnh, tạo cho ph/tử có h/dáng ổn định và đ/trưng

- Mỗi biến đổi ctb3 đều kéo theo những hệ quả về h/tính của protein VD: Khi

pH mt th/đổi → ctb3 th/đổi

→ TTHĐ của enzyme bị b/đổi, enzyme mất t/dụng với cơ chất

Lk đồng hoá trị, NL mạch lớn, khoảng 10 kcal/mol

Số lượng trong ph/tử không nhiều Protein chứa 150 aa cũng chỉ có 3 - 5 lk này → Sự đóng góp của lk này vào việc ổn định ctb3 không lớn

khoảng không quá 4A° (giữa O hay N)

Khi pH, t° hay áp suất th/đổi → ảh nhanh và rõ rệt tới các lk yếu trên → ả/h tới c/trúc của các h/thống s/học

Ch/năng của protein ph/thuộc vào ctb3 Khi ctb3 bị phá huỷ

→ protein biến tính và mất h/tính s/học Ví dụ: enzyme bị b/tính sẽ mất kh/năng x/tác, các KT biến tính sẽ mất kh/năng gắn KN

Ý nghĩa của ctb3:

- Tiền đề tạo nên TTHĐ ở các protein ch/năng

- Chuỗi được bố cục gọn hơn trong không gian và ổn định hơn trong mt TB

d Cấu trúc bậc bốn của protein

- Là sự tụ hợp lại của các chuỗi đã có ctb3 h/chỉnh, tạo thành tổ hợp ph/tạp nhằm th/hiện những ch/năng s/học

- Các protein oligomer hay multimer có nhiều chuỗi cùng loại hay khác loại l/k với nhau

VD: Kháng thể có 2 chuỗi H và 2 chuỗi L, Hb có 2 chuỗi α và 2 chuỗi β l/k với nhau

Trong ctb4, s/lượng các lk disulfide rất ít Các monomer (chuỗi) gắn kết với nhau chủ yếu nhờ các lk yếu ở những vùng gọi là giao diện bổ sung

Sự tồn tại ctb4 giúp cho c/thể SV kh/năng điều tiết rất linh hoạt Những qt h/hoá hay ức chế (khoá enzyme, khoá hormone…) đều thực hiện thông qua việc t/động lên ctb4

VD: Glycogen phosphorylase (ph/giải glycogen) tồn tại ở 2 dạng: dạng dimer (có 2 chuỗi) không h/động, khi 2 dimer tổ hợp lại thành tetramer (có 4 chuỗi) thì h/động H/tính x/tác của enzyme được đ/khiển nhờ sự b/đổi giữa 2 dạng trên

Ý nghĩa của ctb4:

H2O

1.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA PROTEIN

- Tính đặc trưng sinh học

- Khối lượng phân tử lớn

- Lưỡng tính

- Tính hòa tan, kết tủa và biến tính

- Các phản ứng đặc trưng: biure, xantoprotein

Các tính chất này được khảo sát trong thực hành

1.4 PHÂN LOẠI PROTEIN

1.4.2 Theo chức năng sinh học

1.4.3 Phân loại protein theo thành phần cấu tạo

1.4.3.1 Protein đơn giản

- Albumin và globulin,

- Protamin và histon,

- Glutelin và prolamin

- Các proteinoid (collagen, fibroin, keratin, ….)

thuần tuý chỉ chứa các aa

- Protein đơn giản

- Protein phức tạp

a Albumin và globulin

- Hai protein phổ biến ở mô bào đv (cơ, máu, trứng, sữa)

- Trong máu, tỷ lệ A/G thường ổn định, thay đổi khi mắc bệnh

→ Tỷ lệ A/G có ý/nghĩa ch/đoán bệnh, đ/giá t/trạng s/khoẻ

- Ở cơ thể trẻ, đang ph/triển, h/lượng albumin thường cao

Vai trò của albumin và globulin:

- Albumin h/thanh: nguồn vật chất cơ bản th/gia xd hầu hết các cấu tử của TB; được t/hợp ở gan; giữ các c/n s/lý quan trọng: áp lực keo cho máu, đhoà TĐC giữa máu và dịch gian bào, v/c các chất dd như khoáng, a/béo, vitamin, …

- Globulin h/thanh chiếm phần lớn trong protein h/thanh, gồm

3 tiểu phần chính: α, β và γ với c/năng slý khác nhau

α-globulin gồm α1 và α2-globulin, là t/phần c/tạo nên lipoprotein

- ”Giống” protein (mất tính hoà tan)

- Các đại diện: collagen (đun nóng thành gelatin hoà tan); keratin; elastin; eibroin, fibroin, …

1.4.3.2 Protein phức tạp

Ngoài thành phần chính là các aa còn có nhóm ghép (nhóm ngoại) Gồm 6 nhóm:

a Phosphoprotein

- Protein ph/tạp có nhóm ghép là phosphate

- Phosphate gắn nhờ lk este qua OH của Ser, Thr (hoặc Asp)

- Khi được gắn phosphate (được phosphoryl hóa), cấu trúc của protein th/đổi, làm h/ tính th/đổi theo Đây là 1 biện pháp đ/hòa h/tính protein

Nhiều phosphoprotein có v/trò dd: ovalbumin trong trứng, ictulin trứng cá, casein sữa,… c/cấp ddưỡng cho phôi và g/súc non

b Glycoprotein

- Có nhóm ghép là glucid (carbohydrate)

- C/n: cấu trúc (màng), bảo vệ (mucin, kháng thể)

Phần glucid có v/trò định hướng glycoprotein trong màng và nhận biết giữa các TB

- Các đại diện: Hb, myoglobin, catalase, cytochrome, chlorophylls

- Có h/tính s/học cao, th/gia nhiều qt sống q/trọng (hô hấp, OXHK)