Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 5: Chuyển hóa protein và acid amin

Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 5 Chuyển hóa protein và acid amin cung cấp cho người học những kiến thức như: Nhu cầu năng lượng trong quá trình tổng hợp protein; Một số kháng sinh và độc tố ức chế quá trình sinh tổng hợp protein; Operon cảm ứng mã hóa cho các enzyme dị hóa.

CHƯƠNG 5 TRAO ĐỔI PROTEIN VÀ

ACID AMIN

- N/dung chủ yếu của q/trình sống trong th/giới SV, chiếm vị trí q/trọng nhất trong nc TĐC Thông qua q/trình này, aa và protein (chất h/cơ mang s/sống được h/thành

- Khi nc q/trình này, hiểu được c/chế của q/trình s/trưởng và ph/triển, hiểu được hàng loạt những ng/nhân rối loạn TĐ …

→ K/thức về vấn đề này vừa có ý nghĩa về lý luận, vừa có ý nghĩa về th/hành

- Sự ch/hoá protein được th/hiện liên tục trong cơ thể SV với nh/điệu và cường độ thay đổi, tuỳ theo t/chất của các mô bào

và gi/đoạn ph/triển của SV

5.1 TRAO ĐỔI AMINOACID

5.1.1 Tổng hợp acid amin

Vòng luân chuyển nitơ trong tự nhiên

- Nguồn gốc N trong mọi cơ thể sống là N2 (nitơ phân tử) có trong khí quyển

Nitơ ph/ tử trơ về mặt hoá học, phần lớn các SV không sử dụng được SV nhận nitơ dưới dạng các h/chất như NO3-,

NH4+ hay dưới dạng các h/chất ph/tạp hơn như các aa

- Các VSV cố định nitơ có kh/năng khử N2 thành NH4+ Rồi

NH4+ lại được các VSV nitrite hoá và nitrate hoá chuyển thành

NO2- và NO3- NO3- là dạng hợp chất chính của nitơ mà th/vật

có thể hấp thu được Trong cơ th/vật, NO3 - lại bị khử thành

NH4+, rồi từ đây hình thành nên các aa, protein và các hợp chất chứa nitơ khác

- Đv s/dụng protein th/vật và protein đv khác làm nguồn nitơ

Đv lại thải NH4 + và ure (là SP bài tiết của sự trao đổi các h/chất N) Ure lại bị phân giải cho ra NH4 +, trong đất NH4 + cũng là SP ph/giải xác đv, th/vật chết Ở đất, các SP này lại bị các VSV nitrite hoá và nitrate hoá ôxy hoá thành NO2 - và NO3 - và chất này lại được th/vật h/thu và s/dụng

Người và đ/vật không s/dụng được các h/chất chứa N vô cơ Th/vật có thể s/d các h/chất chứa N vô cơ để tạo các h/chất chứa N, trong đó có các aa Q/trình này gồm nhiều g/đ:

- Chuyển N vô cơ thành amoniac (NH3),

- Gắn amoniac vào khung C tạo các aa sơ cấp và

- Sự chuyển nhóm amin từ các aa sơ cấp cho ketoacid để tạo

aa khác

Nguồn N vô cơ: nitrate và N2 trong không khí

Q/t chuyển nitrate → amoniac = q/trình khử nitrate,

Q/t chuyển N2 → amoniac = q/trình cố định nitơ

Ngoài ra, th/vật có thể lấy trực tiếp amoniac từ sự phân giải aa

và protein hoặc lấy từ phân bón

a Quá trình khử nitrate

NO3- + 2 H+ + 2 e-  NO2- + H2O

Ở thực vật bậc cao, nguồn N cơ bản để tạo amoniac là

nitrate Nitrate được hấp thụ và bị khử nhanh chóng tại rễ

Sự khử nitrate thành amoniac trải qua 2 g/đ:

- Khử nitrate thành nitrite và

- Khử nitrite thành ion amonium

Nitrate reductase x/t cho g/đ 1:

Nitrite reductase xúc tác cho g/đ 2:

NO2- + 8 H+ + 6 e-  NH4+ + H2O NADH+H+ hoặc NADPH+H+, chất cho điện tử được lấy từ q/t quang hợp và hô hấp của cây

b Quá trình cố định nitơ phân tử

- B/chất hóa sinh của q/t cố định nitơ phân tử là sự khử nitơ

phân tử thành amoniac

- Do vi khuẩn hiếu khí (Azotobacter) và kỵ khí (Clostridium)

trong đất hay vi khuẩn quang hợp hoặc vi khuẩn Rhizobium

sống cộng sinh ở nốt sần rễ cây họ đậu thực hiện

- NL cần thiết cho v/c 1 điện tử đến khử nitơ phân tử là 2ATP, → ph/trình tổng quát là:

N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP  2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

- Enzyme x/tác: nitrogenase

Các con đường tổng hợp từng aa rất khác nhau, song sự tổng hợp các aa có những nét chung:

- Bộ khung C của aa bắt nguồn từ các SPTG của q/t đường phân, vòng pentosephosphate hay vòng Krebs

- Sự t/hợp một số aa bắt nguồn từ những tiền chất chung

và qua nhiều SPTG giống nhau

- Nhìn chung có 6 con đường STH các acid amin:

c Nguồn mạch carbon của các aminoacid

Khả năng t/hợp aa không giống nhau ở các sv khác nhau

1) Thực vật có kh/năng t/hợp tất cả các aa từ các nguồn nitơ như NH4+, NO3 - hay NO2 - (loài cây họ đậu, nhờ các vsv cố định nitơ cộng sinh, có thể t/hợp được aa từ N2

AA đầu tiên hình thành từ khung C của α-ketoglutarate ( SPTG của chu trình Krebs) là Glu và Gln Hai AA này có hàm lượng cao hơn các AA khác trong cơ thể SV

Glu được t/hợp nhờ pư gắn trực tiếp NH4+ vào α-KGL (chiều

nghịch của pư khử amin OXH Glu) nhờ GDH và nhờ qt chuyển amine cho α-KGL

- Tổng hợp Glu

- Tổng hợp Gln: Glu k/hợp với NH4+, nhờ glutamine synthetase

Glu + NH4+ + ATP  Gln + ADP + Pi

Nhờ glutamate synthase, nhóm amine được chuyển từ Gln đến ketoglutarate (α-KGL) tạo thành hai phân tử Glu

α-Gln + α-KGL + NADPH + H +  2 Glu + NADP+

GOT GPT

GOT = Glutamate – Oxaloacetate - Transaminase

GPT = Glutamate – Pyruvate - Transaminase

PLP = Pyridoxalphosphate,

Dx của vitamin B6 Glu cũng được tạo ra từ α-ketoglutarate nhờ phản ứng chuyển amin do GOT và GPT xúc tác:

Ala hoặc Asp cũng có thể được tạo thành bằng cách amine hóa pyruvate hoặc oxaloacetate, là SPTG của qt ch/hóa glucid

Các AA hình thành theo đường hướng này gọi là các AA sơ cấp (vì được tạo ra trước và có thể là ng/liệu để t/hợp các aa khác)

STH các aa thứ cấp: tạo thành chủ yếu theo đường hướng

chuyển amine giữa aa và ketoacid nhờ x/tác của transaminase (aminotransferase Ph/trình ph/ứng như sau:

5.1.2 Sự biến đổi các aminoacid

Tự đọc trong giáo trình

5.2 SỰ TRAO ĐỔI PROTEIN

thành ph/tử protein có hoạt tính sinh học Bộ bản mã di truyền

được áp dụng cho mọi cơ thể sống

Q/trình t/hợp sợi polypeptide là qt dịch mã DT trên khuôn mRNA,

có sự th/gia của nhều yếu tố và các enzyme

mRNA (RNA thông tin) và mã di tryền:

- Sợi đơn polynucleotide, h/thành theo ng/tắc bắt cặp b/sung với các base của 1 mạch DNA trong qt phiên mã

- Th/phần nucleotide rất khác nhau, d/động từ vài chục - vài nghìn nucleotide MW 3.10 5 - 4.10 6 Da, dài 5.10 4 -50.10 4 Å Th/gian sống

ngắn, 2-3 phút (ở prokaryote) và 2-4h (ở eukaryote)

- mRNA mang th/tin d/truyền x/định tr/tự các aa của chuỗi

polypeptide cần tổng hợp Th/tin chép từ DNA  mRNA trong qt

phiên mã Có một „mật mã“ để chuyển từ tr/tự các nucl trên NA  tr/tự các aa trên chuỗi polypeptide

- Ở prokaryote, mRNA mã cho nhiều chuỗi polypeptide

(polycystronic) Ở eukaryote, mRNA là monocistronic (mã cho 1

(1): Ký hiệu cho nucleotide thứ nhất, thứ hai và thứ ba trong một codon

AUG là codon mở đầu, mã cho Met

(2): Trong ty thể đv có vú, AUA mã cho Met và UGA mã cho Trp; AGA và AGG

là những mã kết thúc, không mã cho Arg

- Ở s/v eukaryote từ thấp tới cao, gồm cả người, các tRNA ty thể đọc 4 codon khác với các tRNA trong tế bào chất của cùng

TB Codon AUA trong ty thể đv có vú được đọc cho Met, và

UGA cho Trp Trong ty thể, AGA và AGG là codon k/thúc (không

mã cho Arg) Từ đó, ty thể chỉ cần 22 ph/tử tRNA, còn hệ thống phiên dịch của tế bào chất có tới 31 loại tRNA

- Dù có ngoại lệ trên, song mã DT là phổ quát, chung

- Tần suất s/dụng mỗi codon khác nhau giữa các loài và giữa

các mô trong cùng một loài

- Bảng mã DT đang trở nên chính xác hơn, khi số gen và bộ gen được giải trình tự ngày càng tăng Điều này có ý/n đ/biệt, vì từ ctb1 của protein, suy ra c/trúc của mRNA, để có thể có thể t/hợp những mẫu oligonucleotde ứ/dụng trong c/nghệ tái tổ hợp DNA Insulin, … đã được sx ở q/mô lớn nhằm m/đích đ/trị, nhờ c/nghệ DNA tái tổ hợp

tRNA (RNA vận chuyển)

-tRNA có ph/tử tương đối nhỏ, cấu tạo từ 73-93

nucleotide, MW 23-30 kDa, hằng số lắng 4S,

- Nhiệm vụ: v/c đặc hiệu các aa trong qt t/hợp

chuỗi polypeptide

- có 60-70% nucl cuộn xoắn

tạo thành 3 vòng lớn và một nút nhỏ

-Trên vòng lớn chứa bộ ba đối

mã (anticodon)

- anticodon trên tRNA sẽ nhận

biết codon trên mRNA nhờ quy tắc mã – đối mã

Các tRNA có tính đ/hiệu cao (mỗi aa được v/c bởi ít nhất một tRNA đ/hiệu cho nó)

Số lượng tRNA b/động theo loài: 30-40

ở prokaryote và 50-60 ở eukaryote Qt gắn aa vào tRNA cần enz aminoacyl- tRNA synthetase (Có 20 loại để gắn 20

aa vào tRNA)

Ribosome

- Sinh tổng hợp protein diễn ra ở ribosome

- Được cấu tạo từ các rRNA và protein

- Ribosome của mọi loại tb có c/trúc chung, gồm 2 tiểu phần lớn

và nhỏ Giữa 2 t/phần có một đường rãnh để tiếp nhận và gắn với mRNA Trong qt dịch mã, 2 t/phần này có thể ph/ly và tái

hợp liên tục

- Trên ribosome cũng có các vị trí để gắn các yếu tố mở đầu

(IFs), yếu tố kéo dài (EFs) và kết thúc (RFs)

Ribosome 70S ở vi khuẩn Ribosome 80S ở bào Eukaryote

Các enzyme

Hai enzyme q/trọng nhất x/tác q/trình dịch mã:

aminoacyl-tRNA synthetase và peptidyl transferase

- Aminoacyl-tRNA synthetase xt quá trình h/hóa aa (tạo

ph/hợp aminoacyl-tRNA) Các aa-tRNA synthetase của 20 aa

đã được tinh chế Có tính đặc hiệu cao

- Peptidyl transferase x/t việc tạo lk peptide giữa các aa trong gi/đoạn kéo dài chuỗi polypeptide

Các yếu tố mở đầu, kéo dài và kết thúc

b Cơ chế sinh tổng hợp protein

Mở đầu

Các thành viên tham gia: t/phần 30S, mRNA, aa mở đầu được h/hóa là fMet-tRNA fMet , các y/tố m/đầu: IF-1, IF-2 và IF-3, GTP, tiểu phần lớn 50S và Mg 2+

Sau khi gắn với tRNA i , methionine mở đầu bị formyl hóa nhờ enzyme

formyltransferase Nguồn formyl được cung cấp từ N 10 -formyltetrahydrofolate (N 10 -Formyl -THF)

bổ sung với đoạn giàu pyrimidin ở đầu 3' của rRNA 16S trong tiểu phần 30S)

Tương tác mRNA-rRNA16S đặt codon mở đầu AUG của mRNA vào vị trí chính xác ở tiểu phần 30S nơi cần mở đầu dịch mã

Ribosome ở tế bào prokaryote có ba khu vực: khu A (gắn aminoacyl), khu P (gắn peptidyl, và khu E (exit)

Codon mở đầu AUG được đặt ở khu P là nơi duy nhất mà fMet-tRNAfMet được gắn vào fMet-tRNAfMet là aminoacyl-

tRNA duy nhất gắn vào khu P;

Trong giai đoạn kéo dài tiếp theo, tất cả các aa-tRNA khác (gồm cả Met-tRNAMet gắn với codon AUG bên trong chuỗi ) trước tiên vào khu A

Khu E là nơi các tRNA tách ra khỏi ribosome trong giai đoạn kéo dài

Yếu tố IF-1 gắn tại khu A và ngăn cản các aa-tRNA vào đây trong quá trình mở đầu

- Bước 2: fMet-tRNAfMet gắn với IF2-GTP và được đưa vào tiểu phần 30S Đối mã của tRNAfMet cặp đúng với mã mở đầu AUG trong mRNA

- Bước 3: phức hợp lớn này kết hợp với tiểu phần 50S,

đồng thời GTP gắn với IF2 bị thủy phân thành GDP và Pi

Cả ba yếu tố mở đầu tách rời khỏi ribosome

Các phức hợp protein trong quá trình hình thành phức hợp mở đầu

Kéo dài chuỗi

Bước 1: Định vị aa tiếp theo

AA2-tRNA theo gắn với phức hợp EF-Tu.GTP, tạo thành phức hợp

AA2-tRNA-EF-Tu.GTP và phức hợp này vào khu A của phức hợp mở đầu 70S

GTP bị thủy phân và phức hợp Tu-GDP được giải phóng khỏi

EF-ribosome 70S

EF-Tu-GTP được tái tạo nhờ EF-Ts

và GTP

Bước 2: Tạo liên kết peptide

- fMet từ fMet-tRNA được chuyển từ khu P sang A, góp nhóm COOH để kết hợp với nhóm -amin của acid amin vào sau

- Phản ứng tạo ra một

dipeptidyl-tRNA ở vị trí A

- t.RNAfMet vẫn ở khu P

Enzyme: peptidyl transferase

(rRNA23S - một ribozyme)

Bước 3: Chuyển vị

- Ribosome dịch chuyển một

codon về phía đầu 3' của mRNA

- dipeptidyl-tRNA vẫn gắn với codon thứ hai của mRNA chuyển từ khu A sang P,

- tRNA (bị tách acyl) của acid amin vào trước chuyển từ P sang E và từ đây được giải phóng vào bào tương

- Codon thứ ba của mRNA nằm ở

khu A và codon thứ hai ở khu P

- Dịch chuyển của ribosome dọc theo mRNA cần EF-G (còn gọi là

translocase) và năng lượng được

cung cấp nhờ thủy phân GTP

Chu kỳ kéo dài trong sinh vật nhân chuẩn hoàn toàn tương tự như trong prokaryote

Ba yếu tố kéo dài ở tế bào eukaryote eEF1, eEF1 và

eEF2 có chức năng tương tự như của EF-Tu, EF-Ts và EF-G tương ứng ở prokaryote

Ribosome 80S không có khu E; tRNA đã nhả chuỗi peptide bị tách khỏi ribosome trực tiếp từ khu P

Kết thúc

- Sự kéo dài tiếp tục đến khi ribosome gắn thêm acid amin

cuối cùng được mã hóa bởi mRNA

- Kết thúc khi một trong ba codon kết thúc (UAA, UAG,

UGA) vào khu A của ribosome

- Ba yếu kết thúc RF-1, RF-2 và RF-3 sẽ k/thích các q/trình: (1) thủy phân liên kết của peptidyltRNA cuối cùng

(2) g/phóng chuỗi polypeptide và tRNA cuối khỏi khu P, và

(3) phân ly ribosome 70S thành 30S và 50S

RF-1 nhận ra UAA và UAG, RF-2 nhận ra UAA và UGA

RF-1 hoặc RF-2 liên kết với codon kết thúc và k/thích peptidyl transferase th/phân chuỗi polypeptide

RF-3 làm ribosome phân ly thành 2 tiểu phần lớn và nhỏ

Eukaryote chỉ có 1 yếu tố eRF để nhận ra cả 3 codon kết thúc

Biến đổi sau dịch mã

Sau tổng hợp, các chuỗi polypeptide tách khỏi ribosome và trải qua nhiều

biến đổi để có hoạt tính sinh học Quá trình này được gọi là cải biên sau dịch

mã (posttranslational modifications)

- Hầu hết các protein được loại bỏ aminoacid mở đầu

- Nhiều protein được tổng hợp ở dạng tiền chất (chưa hoạt động),

chúng sẽ được sửa đổi để trở thành dạng có hoạt tính VD: Các

protease tuyến tụy (chymotrypsin, trypsin , )

- Sự thay đổi của aminoacid riêng biệt trong chuỗi polypeptide:

Gắn thêm phosphate làm polypeptide mang điện tích âm Ví dụ: casein của sữa có nhiều nhóm phosphate làm casein gắn với Ca ++ Nhóm OH của các aminoacid như Ser, Thr, Tyr trong một số polypeptide được phosphoryl hóa bởi ATP

Gắn thêm nhóm carboxyl vào Asp, Glu của một vài protein Prothrombin

chứa nhiều carboxyl glutamate mang điện tích âm và gắn với Ca ++ nhờ đó

có tác dụng đông máu

- Gắn thêm nhóm phụ ghép: để tạo thành các protein có hoạt tính sinh học; ví dụ, biotin trong enz acetyl-CoA-carboxylase hoặc heme trong cytochrome c

- Tạo liên kết disulfide: giữa các gốc cysteine trong chuỗi

hoặc ở giữa các chuỗi polypeptide Các cầu disulfide sẽ bảo

vệ được hình thể tự nhiên của ph/tử protein khỏi biến tính

Polyribosome

Khi việc dịch mã tiến hành, đầu 5' của mRNA trở nên thích nghi cho việc gắn ribosome khác để bắt đầu cho một phân tử protein nữa và tiến hành đến tận đầu 3'

Theo cách này phân tử mRNA có thể kết hợp với nhiều ribosome Thông tin càng dài, số lượng ribosome kết hợp càng nhiều

Tập hợp các ribosome nối với nhau bởi mRNA gọi là polyribosome hay

polysome

Các ribosome có đường kính khoảng 22nm và cách xa nhau từng 3nm và

cứ mỗi 80 nucleotide lại có một ribosome trên mRNA để dịch mã một cách rất hiệu quả

Ở vi khuẩn, 2 qt sao mã và dịch mã diễn ra đồng thời

mRNA được dịch mã khi còn đang được sao chép từ DNA

Nhu cầu năng lƣợng trong q/trình t/hợp protein

- Giai đoạn hoạt hóa aminoacid cần 1ATP

- Giai đoạn mở đầu cần 1GTP để cung cấp năng lượng

- Mỗi giai đoạn của quá trình kéo dài đều cần năng lượng từ

sự thủy phân 2 phân tử GTP thành GDP và Pi để làm thay đổi cấu hình cần thiết cho việc di chuyển của tRNA và mRNA trên ribosome

- Việc hình thành liên kết peptide không đòi hỏi sự thủy phân GTP, NL xuất hiện nhờ sự thủy phân liên kết giữa sợi peptide mới sinh ra và tRNA với sự thay đổi năng lượng tự do âm

(∆Go = -28 kJ/mol)

Một số kháng sinh và độc tố ức chế quá trình sinh tổng hợp protein

c Điều hòa sinh tổng hợp protein

Operon cảm ứng mã hóa cho các enzyme dị hóa

Khi được nuôi cấy trong môi trường có glucose, vi khuẩn

phát triển bình thường Khi chuyển sang môi trường chỉ có

lactose là nguồn carbon duy nhất, lúc đầu E coli không phát

triển, sau một thời gian lại phát triển bình thường

Nguyên nhân: sau khi tiếp xúc với lactose, E coli đã tổng

hợp ra các enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân lactose thành glucose và galactose Glucose tạo ra sẽ đáp ứng nhu

cầu carbon của E coli

Như vậy, lactose đã cảm ứng sự tạo thành các enzyme thủy phân lactose