Tài liệu Chuyên đề “protein đại phân tử sinh học thiết yếu trong tế bào

MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài “Thành phần hóa học của tế bào” là một nội dung cơ bản, làm cơ sở cho việc nghiên cứu cấu tạo, chức năng của các thành phần cấu tạo tế bào cũng như các cấp tổ chức sống cao hơn. Một nội dung quan trọng trong nghiên cứu thành phần hóa học của tế bào đó là nghiên cứu cấu trúc và chức năng của các đại phân tử sinh học. Trong đó, protein là nhóm chất hữu cơ có trong cơ thể với hàm lượng lớn nhất (Chiếm trên 50% khối lượng khô của tế bào) và có vai trò đặc biệt quan trọng. Tuy nhiên, những kiến thức về protein được giới thiệu trong sách giáo khoa mới dừng ở mức cơ bản, cơ sở. Để hỗ trợ cho việc học tập, nghiên cứu chuyên sâu hơn của học sinh chuyên, giáo viên cần thiết phải làm sáng tỏ hơn một số nội dung liên quan đến cấu tạo, đặc tính, chức năng của protein và ứng dụng của chúng trong thực tiễn; đồng thời hướng dẫn học sinh một số nội dung thực hành hóa sinh liên quan trong định tính, định lượng protein và một số axit amin. Từ đó khơi dậy ở học sinh niềm say mê nghiên cứu khoa học cũng như có kĩ năng thực hành nhằm tiếp cận với yêu cầu của thi học sinh giỏi hiện nay. Vì thế tôi viết chuyên đề “protein – đại phân tử sinh học thiết yếu trong tế bào ”. Đây là kiến thức về protein mà người dạy chuyên yêu cầu ở học sinh dưới góc nhìn của protein- một thành phần hóa học quan trọng cấu tạo nên tế bào. 2. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài nhằm định hướng cho học sinh nghiên cứu đầy đủ hơn về cấu trúc, tính chất, chức năng của protein. Từ hiểu biết về cấu tạo sẽ hiểu rõ hơn về tính chất, từ hiểu rõ về tính chất sẽ hiểu sâu hơn về chức năng của chúng, đồng thời biết tiến hành thí nghiệm cũng như giải thích hiện tượng thí nghiệm trong các phản ứng nhận biết, định tính, định lượng protein. 1 NỘI DUNG I. cÊu t¹o ph©n tö protein 1. Thµnh phÇn nguyªn tè cña protein Mäi ph©n tö protein ®Òu chøa c¸c nguyªn tè C, O, N, H; mét sè cßn chøa S. TØ lÖ phÇn tr¨m khèi lîng c¸c nguyªn tè nµy trong ph©n tö protein lµ: Thµnh phÇn nguyªn tè trong ph©n tö protein Cacbon (C) Oxi (O) Nit¬ (N) Hi®ro (H) Lu huúnh (S) % khèi lîng trong ph©n tö 50 – 55 21 – 24 15 – 18 6.5 – 7.3 0 – 0.24 Ngoµi c¸c nguyªn tè trªn, mét sè protein cßn chøa mét lîng rÊt Ýt c¸c nguyªn tè kh¸c nh: photpho, s¾t, kÏm, ®ång, mangan, canxi,… 2. Axit amin Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các axit amin. Thuû ph©n hoµn toµn ph©n tö protein, chñ yÕu thu ®îc c¸c L-α-axit amin. Trong ph©n tö c¸c axit amin nµy, nguyªn tö C ë vÞ trÝ α so víi nhãm cacboxyl kÕt hîp víi nhãm amin, nguyªn tö H vµ gèc R. C«ng thøc cÊu t¹o chung nh sau: Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH 2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên tử 2 hyđro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Người ta đã phát hiện ra được tất cả 20 axit amin vµ 2 amit t¬ng øng trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống. Các axit amin được liệt kê đầy đủ dưới bảng sau: Tên axit amin Viết tắt Glycine Gly Alanine Ala Valine Val Leucine Leu MethionineIle Isoleucine Tính chất Met Không phân cực, kỵ nước Phenylalanine Phe Tryptophan Trp SerinePro Proline Ser CysteineThr Threonine Cys AsparagineTyr Tyrosine Asn Glutamine Gln Aspartic acid Asp Glutamic acid Glu Lysine Lys Arginine Arg Histidine His Các axit amin được phân nhóm theo tính chất chuỗi bên của chúng. Các axit amin axit có chuỗi bên, nói chung tích điện âm do chứa nhóm cacboxyl thường phân li (ion hóa) ở pH tế bào. Các axit amin bazo có chuỗi bên, nói chung tích điện dương. (Thuật ngữ này chỉ xét đến các nhóm trên chuỗi bên). Vì chúng tích điện nên các chuỗi bên axit, bazow đều ưa nước. Theo cÊu t¹o, c¸c axit amin thêng gÆp trong ph©n tö protein cßn ®îc chia thµnh c¸c nhãm: 3 Nhãm C¸c axit amin trung tÝnh m¹ch kh«ng vßng C¸c hi®roxyl axit amin m¹ch kh«ng vßng C¸c axit amin Glixin, alanin, valin, l¬xin, izol¬xin M¹ch th¼ng, cã 1 nhãm amin, 1 nhãm cacboxyl trong ph©n tö. Xerin, treonin C¸c axit amin chøa lu huúnh m¹ch kh«ng vßng Xistein, metionin C¸c axit amin vµ amit cña chóng Axit asparaginic, axit glutamic C¸c axit amin kiÒm Acginin, lizin, histi®in Iminoaxit Prolin C¸c axit amin th¬m vµ dÞ vßng th¬m. Phenilalanin, tirozin, triptophan §Æc ®iÓm M¹ch th¼ng, cã 1 nhãm amin, 1 nhãm cacboxyl vµ 1 nhãm hi®roxyl trong ph©n tö. T¹o thµnh cÇu ®isunfua trong ph©n tö protein. Cã 1 nhãm amin, 2 nhãm cacboxyl trong ph©n tö. ë pH sinh lÝ chóng tÝch ®iÖn ©m nªn cßn ®îc gäi lµ aspactat vµ glutamat ®Ó nhÊn m¹nh tÝnh axit cña chóng. Amit ho¸ nhãm cacboxyl ë m¹ch bªn cña chóng t¹o thµnh c¸c amit t¬ng øng lµ asparagin vµ glutamin. Acginin vµ lizin tÝch ®iÖn ©m cßn histi®in cã tÝnh baz¬ yÕu ë pH = 7. Nhãm amin bËc 1 ë cacbon anpha kÕt hîp víi m¹ch bªn t¹o thµnh vßng pirolidin nªn prolin chøa nhãm amin bËc 2. Cã chøa vßng th¬m trong ph©n tö. Nhóm 1: các axit amin có gốc R không phân cực kị nước, thuộc nhóm này có 6 axit amin: Gly (G), Ala (A), Val (V), Leu (L), ILe (I), Pro (P) 4 Nhóm 2: các axit amin có gốc R là nhân thơm, thuộc nhóm này có 3 axit amin: Phe (F), Tyr (Y), Trp (W) c) Nhóm 3: các axit amin có gốc R bazơ, tích điện dương, thuộc nhóm này có 3 axit amin: Lys (K), Arg (R), His (H) Nhóm 4: các axit amin có gốc R phân cực, không tích điện, thuộc nhóm này có 6 axit amin: Ser (S), Thr (T), Cys (C), Met (M), Asn (N), Gln (Q) 5 Nhóm 5: các axit amin có gốc R axit, tích điện âm, thuộc nhóm này có 2 axit amin: Asp (D), Glu (E) Ngoµi c¸c axit amin trªn, trong ph©n tö protein cßn chøa d¹ng hiÖu chØnh cña c¸c axit amin. VÝ dô colagen cã chøa hi®roxiprolin, hi®roxilizin, protrombin cã chøa cacboxiglutamat, nhiÒu protein kh¸c aminobutiric cã vai trß truyÒn xung thÇn kinh, Dglutamat cã trong thµnh tÕ bµo nhiÒu vi khuÈn, D-alanin trong Êu trïng 1 sè s©u bä. Bên cạnh đó, ở một số loài sinh vật nhân thật đơn bào, trong hệ gen ti thể, lạp thể hoặc như bộ ba mã kết thúc được dịch mã thành 2 loại axit amin hiếm là pyrrollysine và selenocystein, chứng tỏ trong quá trình tiến hóa, chọn lọc tự nhiên đã tác động để duy trì một hệ thống mã di truyền có tính ưu việt và phổ biến như ngày nay. Sự có mặt của 2 loại axit amin này, dù hiếm gặp nhưng cũng là lí do nhiều tài liệu nói rằng có hơn 20 loại axit amin cấu tạo nên các phân tử protein. Trong sè 20 axit amin cÊu t¹o nªn c¸c protein cã mét sè axit amin mµ c¬ thÓ ng êi vµ ®éng vËt kh«ng thÓ tù tæng hîp ®îc, ph¶i ®a tõ ngoµi vµo qua thøc ¨n gäi lµ c¸c axit amin kh«ng thay thÕ. C¸c axit amin kh«ng thay thÕ lµ: Val, Leu, Ile, Met, Thr, Phe, Trp vµ Lys. §èi víi trÎ em cÇn thªm 2 axit amin n÷a lµ Arg vµ His. 3.C¸c bËc cÊu tróc cña protein 6 3.1.CÊu tróc bËc I cña ph©n tö protein CÊu tróc bËc I lµ tr×nh tù s¾p xÕp cña c¸c axit amin trong chuçi polipeptit. CÊu tróc nµy ®îc gi÷ v÷ng nhê liªn kÕt peptit gi÷a c¸c axit amin. Cấu trúc bậc một của protein có vai trò tối quan trọng vì trình tự các axit amin trên chuỗi polypeptit sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptit, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein. Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các axit amin có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein. Sự khác nhau về thành phần, số lượng và trật tự sắp xếp các axit amin tạo nên sự đa dạng của protein, từ đó tạo nên tính đa dạng của sinh giới. Liªn kÕt peptit ®îc t¹o thµnh do ph¶n øng kÕt hîp gi÷a nhãm cacboxyl cña axit amin nµy víi nhãm amin cña axit amin kh¸c, lo¹i ®i 1 ph©n tö níc. 7 Qu¸ tr×nh nµy lÆp ®i lÆp l¹i t¹o ra chuçi polipeptit. ë 1 ®Çu cña chuçi polipeptit lµ nhãm amin tù do, ®Çu kia lµ nhãm cacboxyl tù do. Nh vËy, cÊu tróc bËc I lµ tr×nh tù duy nhÊt c¸c axit amin. Từ 20 loại axit amin kết hợp với nhau theo những cách khác nhau tạo nên vô số loại prôtêin khác nhau (trong các cơ thể động vật, thực vật ước tính có khoảng 1014 – 1015 loại prôtêin). Mỗi loại prôtêin đặc trưng bởi số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp các axit amin trong phân tử. Điều đó giải thích tại sao trong thiên nhiên các prôtêin vừa rất đa dạng, lại vừa mang tính chất đặc thù. NÕu tÝnh theo x¸c suÊt, 1 chuçi polipeptit gåm n axit amin th× sÏ cã 20n c¸ch t¹o chuçi. Mçi ph©n tö protein cã thÓ chøa tõ 50 ®Õn vµi ngh×n axit amin. TÊt nhiªn, cÊu tróc bËc I chÝnh x¸c cña protein ®îc x¸c ®Þnh kh«ng ph¶i bëi sù liªn kÕt ngÉu nhiªn c¸c axit amin mµ bëi th«ng tin di truyÒn. * Lưu ý: Chuỗi polypeptit là cơ sở cấu trúc bậc I của protein. Tuy nhiên, không phải mọi chuỗi polypeptit đều là protein bậc I. Nhiều chuỗi polypeptit chỉ tồn tại ở dạng tự do trong tế bào mà không tạo nên phân tử protein. Những chuỗi polypeptit có trật tự axit amin xác định thì mới hình thành phân tử protein. * TÇm quan träng cña viÖc x¸c ®Þnh cÊu tróc bËc I cña ph©n tö protein: - Lµ bíc ®Çu tiªn quan träng ®Ó x¸c ®Þnh c¬ së ph©n tö ho¹t tÝnh sinh häc vµ tÝnh chÊt ho¸ lÝ cña protein. - Lµ c¬ së x¸c ®Þnh cÊu tróc kh«ng gian cña ph©n tö protein, vÝ dô dù ®o¸n sù ®Þnh vÞ cÇu ®isulfua. - Lµ yÕu tè gãp phÇn quan träng trong nghiªn cøu bÖnh lÝ ph©n tö. VÝ dô bÖnh hång cÇu lìi liÒm lµ do gèc axit amin Glu ë vÞ trÝ thø 6 trong chuçi β cña hemoglobin A (b×nh thêng) bÞ thay thÕ b»ng Val. - CÊu tróc bËc I lµ phiªn b¶n dÞch m· di truyÒn. V× vËy, cÊu tróc nµy nãi lªn quan hÖ hä hµng vµ lÞch sö tiÕn ho¸ cña thÕ giíi sèng. 8 - ViÖc x¸c ®Þnh ®îc cÊu tróc bËc I lµ c¬ së ®Ó tæng hîp nh©n t¹o proein. 3.2. CÊu tróc bËc II cña ph©n tö protein H cña nhãm -NH- lu«n ë vÞ trÝ trans so víi O cña nhãm cacboxyl, nhng nhãm peptit cã cÊu h×nh ph¼ng. MÆt kh¸c, kho¶ng c¸ch gi÷a C víi N trong liªn kÕt peptit lµ 1,32 A 0, n»m gi÷a kho¶ng c¸ch gi÷a C vµ N cña liªn kÕt ®¬n (1,49 A0) vµ liªn kÕt ®«i (1,27 A0). V× vËy liªn kÕt peptit cã 1 phÇn tÝnh chÊt cña liªn kÕt ®«i: kh«ng cã sù tù quay quanh liªn kÕt nµy. Ngîc l¹i, kh¶ n¨ng quay tù do xung quanh c¸c liªn kÕt nèi nhãm peptit víi C anpha lµ rÊt m¹nh lµm m¹ch peptit cã khuynh híng h×nh thµnh cÊu tróc xo¾n. CÊu tróc bËc II cña ph©n tö protein lµ kÕt qu¶ do c¸c liªn kÕt hi®ro gi÷a c¸c phÇn lÆp ®i lÆp l¹i cña bé khung cña chuçi polipeptit (kh«ng ph¶i lµ chuçi bªn cña axit amin). Có 2 kiểu cấu trúc chính là xoắn α và phiến gấp nếp β. -Cấu trúc xoắn α (α helix): Đoạn mạch polipeptit xoắn chặt lại, những nhóm peptit (CO-NH-), Cα tạo thành phần bên trong (lõi) của xoắn, các mạch bên (nhóm R) của các gốc axit amin quay ra phía ngoài. Liªn kÕt hi®ro ®îc t¹o thµnh gi÷a nhãm cacboxyl cña 1 liªn kÕt peptit víi nhãm NH cña mét liªn kÕt peptit thø t sau nã (c¸ch nhau 3 axit amin) trªn cïng mét m¹ch polipeptit. Trong cấu trúc xoắn α, cứ mỗi nhóm –CO-NH- có thể tạo 2 liên kết hidro với 2 nhóm –CO-NH- khác. Các liên kết hidro được tạo thành với số lượng tối đa, bảo đảm độ bền vững của cấu trúc α. 9 Theo mô hình của Paulin và Cori, trong cấu trúc xoắn giữa 2 gốc acid amine kế tiếp nhau có khoảng cách dọc theo trục xoắn là 1,5A0 và góc quay 1000; 1 vòng xoắn có 3,6 gốc axit amin, có chiều cao tương ứng là 5,4 A0. Chiều của vòng xoắn có thể là xoắn phải hoặc xoắn trái. Xoắn α trong phân tử protein thường là xoắn phải. - PhiÕn gÊp nÕp β (β sheet): Cấu trúc phiến gấp β tìm thấy trong fiborin của tơ, nó khác với xoắn α ở một số điểm như sau: +Đoạn mạch polipeptit có cấu trúc phiến gấp β thường duỗi dài ra chø không cuộn xoắn chặt như xoắn α. Khoảng cách giữa 2 gốc axit amin kề nhau là 3,5A0. +Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm –NH- và –CO- trên 2 mạch polipeptit khác nhau, các mạch này có thể chạy cùng hướng hay ngược hướng với nhau. Trong phân tử của nhiều protein hình cầu cuộn chặt, còn gặp kiểu cấu trúc "quay- β". Ở đó mạch polipeptit bị đảo hướng đột ngột. Đó là do tạo thành liên kết hidro giữa nhóm –CO của liên kết peptit thứ n với nhóm –NH của liên kết peptide thứ n+2. - Cấu trúc kiểu "xoắn colagen" Kiểu cấu trúc này tìm thấy trong phân tử colagen. Thành phần axit amin của colagen rất đặc biệt so với các protein khác: glyxin 35%, prolin 12% tổng số axit amin trong phân tử. Ngoài ra, colagen còn chứa 2 axit amin ít gặp là hydroxiproline và hydroxilizin. Đơn vị cấu trúc của colagen là tropocolagen bao gồm 3 mạch polipeptit bện vào nhau thành một "dây cáp" siêu xoắn (vì mỗi mạch đều có cấu trúc xoắn). 3 mạch polipeptit trong "dây cáp" nối với nhau bằng các liên kết hidro. Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm –NH- của gốc glyxin trên mạch polipeptit với nhóm -CO- trong liên kết peptit ở trên mạch polipeptit khác. Ngoài ra các nhóm hydroxyl của hydroxipoline cũng tham gia tạo thành liên kết hydro làm tăng độ bền của cấu trúc siêu xoắn. 10 3.3. CÊu tróc bËc III cña ph©n tö protein Trong khi cÊu tróc bËc II bao gåm sù t¬ng t¸c gi÷a c¸c thµnh phÇn cña bé khung th× cÊu tróc bËc ba lµ h×nh d¹ng chung cña chuçi polipeptit h×nh thµnh do sù t¬ng t¸c gi÷a c¸c chuçi bªn (R) cña axit amin. Cấu trúc bậc III được giữ vững nhê các cầu disulfua, tương tác VanderWaals, liên kết hidro, lực ion. Vì vậy khi phá vỡ các liên kết này, phân tử duỗi ra đồng thời làm thay đổi một số tính chất của nó, đặc biệt là tính tan và hoạt tính xúc tác của nó. Mét kiÓu t¬ng t¸c ®ãng gãp vµo sù h×nh thµnh cÊu tróc bËc III lµ t¬ng t¸c kÞ níc. Khi chuçi polipeptit cuén ®Ó t¹o h×nh d¹ng chøc n¨ng th× c¸c axit amin cã chuçi bªn kÞ n íc thêng quay vµo phÝa lâi protein. Khi c¸c chuçi bªn kh«ng ph©n cùc cña c¸c axit amin n»m c¹nh nhau th× t¬ng t¸c Van der Waals liªn kÕt chóng l¹i víi nhau. Trong khi ®ã, liªn kÕt hi®ro gi÷a c¸c chuçi bªn ph©n cùc vµ liªn kÕt ion gi÷a c¸c chuçi bªn tÝch ®iÖn ©m vµ d¬ng còng gióp æn ®Þnh cÊu tróc bËc III. TÊt c¶ chóng ®Òu lµ mèi t¬ng t¸c yÕu nhng céng gép l¹i còng gióp gi÷ cho protein cã h×nh d¹ng riªng. H×nh d¹ng cña protein cã thÓ ®îc cñng cè tiÕp nhê c¸c liªn kÕt céng ho¸ trÞ ®îc gäi lµ cÇu ®isulfua. Liên kết được hình thành từ hai phân tử cystein nằm xa nhau trên mạch peptid nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian do sự cuộn lại của mạch oevtid. Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững. Những protein có nhiều liên kết loại này có tính bền nhiệt, bền hóa chất,… rất cao. 11 Cấu trúc bậc III đã tạo nên trung tâm hoạt động của phần lớn các loại enzim. Sự thay đổi cấu trúc bậc ba dẫn đến sự thay đổi hướng xúc tác của enzim hoặc mất khả năng xúc tác hoàn toàn. Cấu trúc riêng của protein xác định nó hoạt động như thế nào. Chức năng của protein phụ thuộc vào khả năng nhận biết và gắn kết với một vài phân tử nào đó khác. 3.4. CÊu tróc bËc IV cña ph©n tö protein Phân tử protein có cấu trúc bậc IV có thể phân li thuận nghịch thành các tiểu phần đơn vị. Khi phân li, hoạt tính sinh học của nó bị thay đổi hoặc có thể mất hoàn toàn. Do tồn tại tương tác giữa các tiểu phần đơn vị nên khi kết hợp với một chất nào đó dù là phân tử bé cũng kéo theo những biến đổi nhất định trong cấu trúc không gian của chúng. Là một trạng thái tổ hợp hình thành từ nhiều tiểu phần protein đã có cấu trúc bậc ba hoàn chỉnh. Một số protein có xu hướng kết hợp lại với nhau thành những phức hợp, thành những đại phân tử, không kéo theo sự biến đổi về hoạt tính sinh học. Rất nhiều trường hợp protein phải tổ hợp lại mới có hoạt tính sinh học. Trong những trường hợp này, cấu trúc bậc bốn là điều kiện để hình thành nên tính năng mới của protein.Ví dụ: - Hemoglobin gồm 4 tiểu phần protein: hai tiểu phần α và hai tiểu phần β. Nếu 4 tiểu phần tách rời nhau thì mỗi tiểu phần không thể vận chuyển được một phân tử O 2. Khi kết hợp lại thành trạng thái tetrame tạo thành một khối không gian đặc thù gần như hình tứ diện thì mới có khả năng kết hợp và vận chuyển khí oxy. Một phân tử hemoglobin vận chuyển được 4 phân tử oxy. 12 - Enzym glycogen phosphorylase: + Ở trạng thái không hoạt động enzym này ở dạng "b" (dạng hai dime tách rời nhau). + Ở trạng thái hoạt động, hai dime tổ hợp lại thành tetrame (dạng "a"). Khi nhu cầu giải phóng glucose giảm, tetrame lại tách thành hai dime, enzym trở lại dạng không hoạt động. Tuỳ theo protein mà số lượng monome có thể thay đổi từ 2,4,6,8 là phổ biến, cá biệt có thể lên tới trên 50 monome. Sự hình thành cấu trúc bậc bốn tạo điều kiện cho quá trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, chính xác. 4. C¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn cÊu tróc cña ph©n tö protein H×nh d¹ng riªng lµm cho mçi protein cã chøc n¨ng ®Æc hiÖu. Vậy c¸i g× lµ yÕu tè chÝnh x¸c ®Þnh cÊu tróc protein? Chuçi polipeptit víi tr×nh tù axit amin x¸c ®Þnh cã thÓ tù ®éng s¾p xÕp thµnh d¹ng 3 chiÒu vµ duy tr× h×nh d¹ng ®ã nhê c¸c mèi t¬ng t¸c quy ®Þnh cÊu tróc bËc II vµ bËc III. Sù cuén xo¾n thêng x¶y ra khi protein ®îc tæng hîp trong tÕ bµo. Tuy nhiªn, cÊu tróc protein còng phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn vËt lÝ vµ ho¸ häc cña m«i trêng. NÕu ®é pH, nång ®é muèi, nhiÖt ®é hoÆc c¸c yÕu tè kh¸c cña m«i trêng thay ®æi th× protein cã thÓ gì xo¾n ra vµ mÊt ®i h×nh d¹ng vèn cã, sù biÕn ®æi ®ã ®îc gäi lµ biÕn tÝnh. V× bÞ biÕn d¹ng nªn protein biÕn tÝnh kh«ng ho¹t ®éng sinh häc. C¸c t¸c nh©n kh¸c g©y biÕn tÝnh: dung m«i h÷u c¬, c¸c chÊt ho¸ häc ph¸ huû liªn kÕt hi®ro, liªn kÕt ion vµ cÇu nèi ®isulfua hoÆc nhiÖt ®é qu¸ cao,… 13 NÕu protein biÕn tÝnh kh«ng bÞ hoµ tan, nã thêng cã thÓ phôc håi l¹i khi c¸c ®iÒu kiÖn ho¸ häc vµ vËt lÝ cña m«i trêng trë l¹i b×nh thêng. HiÖn tîng nµy gäi lµ sù håi tÝnh cña protein. 5. Sù cuén xo¾n protein trong tÕ bµo C¸c nhµ khoa häc ®· ph¸t hiÖn ra Chaperonin (hay protein chaperon) gióp cuén xo¾n c¸c protein kh¸c. Ngay trong khi đang được tổng hợp, sợi peptit được chapperon bám vào để ngăn cản liên kết giữa các axit amin của các sợi gây sai lệch hoặc ảnh hưởng đến cấu trúc không gian. Hơn nữa, chaperon có thể tương tác với protein để duy trì cấu hình không gian mà protein đã có; nhờ đó kiểm soát hoạt tính của protein hoặc tạo thuận lợi để vận chuyển protein về đích. Ngoài ra, trong một số trường hợp, chaperon ngăn cản nguy cơ lắng đọng protein, hoặc phức các protein khi nồng độ của chúng tăng cao trong tế bào chất. Chaperon có 2 nhóm: - Các chaperon phân tử như Hsp 60 và Hsp70 (heat shock protein) gắn và ổn định các protein không hoặc cuộn gấp 1 phần, nhờ vậy ngăn các protein mới tổng hợp tạo thành phức hợp hay bị phân hủy. Hsp70 là họ các protein chaperon phổ biến trong tế bào vi khuẩn cũng như tế bào eukaryot (có trong tế bào chất, lưới nội chất, ti thể, lục lạp). Protein Hsp70 có 2 vùng chức năng khác nhau: vùng phía đầu NH 2 có hoạt tính ATPase, còn phía đầu COOH có khả năng tương tác với cơ chất (protein). Khi liên kết với ATP, Hsp70 bám vào cơ chất và tách ra rất nhanh. Tuy nhiên, khi ATP phân hủy thành ADP, quá trình này xảy ra chậm. Thay đổi liên kết của Hsp70 giữa ATP và ADP phụ thuộc vào 2 protein Hsp40 và GrpE. Hsp40 giúp phức Hsp70-ATP tương tác với cơ chất (protein). ATP phân hủy thành ADP để thay đổi sự gấp khúc của protein. ADP được thay thế bởi ATP nhờ GrpE. Chu trình sẽ lặp lại trên dọc chiều dài sợi peptit nhằm đảm bảo tính chính xác cho cấu trúc không gian của protein. - Chaperonin kh«ng x¸c ®Þnh cÊu tróc cuèi cïng cña chuçi polipeptit; thay vµo ®ã chóng gi÷ cho chuçi polipeptit khái t¸c ®éng cã h¹i cña m«i trêng trong tÕ bµo khi nã cuén xo¾n tù nhiªn. 14 GÇn ®©y, c¸c nhµ khoa häc ®· t×m ra c¸c hÖ thèng ph©n tö trong tÕ bµo t¬ng t¸c víi chaperonin vµ kiÓm tra xem sù cuén xo¾n cã diÔn ra ®óng hay kh«ng. ii. mét sè ĐẶC ĐIỂM quan träng cña protein 1. Khối lượng và hình dạng phân tử Protein có khối lượng phân tử tương đối lớn và thay đổi trong một dải rộngtừ hơn mười nghìn đến hàng trăm nghìn dalton hoặc lớn hơn nữa Hình dạng: hình hạt, hình bầu dục ,hoặc hình sợi. + Protein hình cầu tan trong nước họăc dung dịch muối pha loãng, rất hoạt động về mặt hóa học. Thuộc nhóm này có hầu hết protein có hoạt tính xúc tác: albumin, glubulin, moglobin… + Protein hình sợi tương đối trơ về mặt hóa học, chủ yếu có chức năng cơ học. VD: -Colagen của da, xương, sụn, gân,… Karatin của tóc, lông, móng,… 2. Sự biến tính của protein Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý như tia cực tím, sóng siêu âm, khuấy cơ học... hay tác nhân hóa học như axit, kiềm mạnh, muối kim loại nặng,... các cấu trúc bậc hai, ba và bậc bốn của protein bị biến đổi nhưng không phá vỡ cấu trúc bậc một của nó, kèm 15 theo đó là sự thay đổi các tính chất của protein so với ban đầu. Đó là hiện tượng biến tính protein. Sau khi bị biến tính, protein thường thu được các tính chất sau: - Độ hòa tan giảm do làm lộ các nhóm kỵ nước vốn đã chui vào bến trong phân tử protein. - Khả năng giữ nước giảm. - Mất hoạt tính sinh học ban đầu. - Tăng độ nhạy đối với sự tấn công của enzim proteaza do làm xuất hiện các liên kết peptit ứng với trung tâm hoạt động của proteaza. - Tăng độ nhớt nội tại. - Mất khả năng kết tinh. 3. Tính kỵ nước của protein Do các gốc kỵ nước của các axit amin trong chuỗi polipectit của protein huớng ra ngoài, các gốc này liên kết với nhau tạo liên kết kỵ nước. §ộ kỵ nước có thể giải thích như sau: do các gốc aa có chứa các gốc R- không phân cực nên nó không có khả năng tác dụng với nước. VD: nhóm 7 axit amin không phân cực :glysin, alanin, valin, pronin, methionin, lơxin, isoloxin chúng không tác dụng với nước. Tính kỵ nước sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến tính tan của protein. 4. Tính chất của dung dịch keo Trong môi trường nước, protein kết hợp với nước, trương lên trở thành dung dịch keo, các phân tử protein trở thành dạng hidrat hóa giúp chúng không bị kết dính với nhau để trở thành dạng kết tủa. Khi hoà tan protein thành dung dịch keo thì nó không đi qua màng bán thấm. Hai yếu tố đảm bảo độ bền của dung dịch keo: - Sự tích điện cùng dấu của các protein. 16 - Lớp vỏ hidrat bao quanh phân tử protein. Có 2 dạng kết tủa: kết tủa thuận nghịch va không thuận nghịch: - Kết tủa thuận nghịch: sau khi chúng ta loại bỏ các yếu tố gây kết tủa thì protein vẫn có thể trở lại trạng thái dung dịch keo bền như ban đầu. - Kết tủa không thuận nghịch: là sau khi chúng ta loại bỏ các yếu tố gây kết tủa thì protein không trở về trạng thái dung dịch keo bền vững như trước nữa. Thùc chÊt th× kÕt tña protein còng chÝnh lµ biÕn tÝnh protein. * øng dông c¸c yÕu tè kÕt tña protein: - C¸c yÕu tè kÕt tña thuËn nghÞch protein ®îc dïng ®Ó thu nhËn chÕ phÈm protein. Ngêi ta thêng dïng muèi trung hoµ nh (NH4)2SO4, dung m«i h÷u c¬ nh axeton, etanol vµ ph¶i thiÕn hµnh kÕt tña ë nhiÖt ®é díi 00C. Muèi trung hoµ võa lµm trung hoµ ®iÖn võa lo¹i bá líp hi®rat cña protein; cßn dung m«i h÷u c¬ h¸o níc, ph¸ huû líp hi®rat mét c¸ch nhanh chãng. - C¸c yÕu tè kÕt tña kh«ng thuËn nghÞch (biÕn tÝnh kh«ng håi tÝnh ®îc) ®îc sö dông ®Ó lo¹i bá protein khái dung dÞch, lµm ngõng ph¶n øng enzim. 5. Tính chất lưỡng tính Axit amin có tính chất lưỡng tính vì trong axit amin có chứa cả gốc axit (COO-) và gốc baz¬ (NH2) do ®ã, protein cũng có tính chất lưỡng tính. Trong môi trường axit, sự phân ly của nhóm axit bị kìm hãm, protein có tác dụng như một bazơ , tích điện + (cation) , chuyển về cực âm trong điện trường. -Trong môi trường bazơ , sự phân ly của nhóm bazơ bị kìm hãm , protein có tác dụng như một acid , tích điện – (anion) , chuyển về cực + điện trường. Chính nhờ đặc điểm này mà protein trở thành hệ đệm và là hệ đệm mạnh nhất trong cân bằng nội môi. 17 Ở 1 pH nào đó mà tổng số điện tích dương và điện tích âm của phân tử protein bằng không , phân tử protein không di chuyển trong điện trường gọi là pHi của protein. -Ở môi trường co pH < pH i , protein là một đa cation , số điện tích dương hơn số điện tích âm . Ở pH> pHi , phân tử protein thể hiện tính axit cho ion H+ do đó số điện tích âm lớn hơn số điện tích dương , protein là đa anion tích điện âm. - Ở trong môi trường có pH = pHi , protein dễ dàng kết tụ lại với nhau, do đó có thể sử dụng tính chất này để xác định pH i của protein cũng như để kết tủa protein . Mặt khác do sự sai khác về pHi giữa các protein khác nhau có thể điều chỉnh pH môi trường để tách các protein ra khỏi hỗn hợp của chúng . 6. Kh¶ n¨ng hÊp thô tia tö ngo¹i cña protein Dung dÞch protein cã kh¶ n¨ng hÊp thô tia tö ngo¹i ë 2 vïng bíc sãng kh¸c nhau lµ 180-220 nm vµ 250-300 nm. * øng dông : §Þnh lîng protein ®· tinh s¹ch hoÆc ®Ó x¸c ®Þnh ph©n tö protein trong c¸c ph©n ®o¹n nhËn ®îc khi s¾c kÝ t¸ch c¸c protein qua cét. 7. Kh¶ n¨ng kÕt hîp víi c¸c phÇn kh«ng ph¶i lµ protein Nh÷ng protein nµy ®îc gäi lµ protein phøc t¹p, khi thuỷ phân ngoài phần protein đơn giản, còn có thêm nhóm ghép (nhãm ngo¹i). PhÇn protein trong ph©n tö protein phøc t¹p gäi lµ apoprotein. Phụ thuộc vào nhóm ghép mà protein phức tạp có tên gọi tương ứng. Sau đây ta xét từng loại: Nhãm protein phøc t¹p Nhã m ngo¹ i §Æc ®iÓm Hay gặp trong cơ thể động vật thường chia làm hai loại: Glucoprot Dẫn ein Mucin: là những chất thường có nhiều trong nước bọt, nước mắt, dịch nhờn bao khớp, dịch mô liên kết, dịch nang bào, niêm dịch. 18 N¬i cã xuất * Mucoid: có nhiều ở mô bào của gluci d Nhã m ngo¹i liên kết với phần prote in bằng nhữn g liên kết đồng hoá trị. Gluc oprot ein có vai trò quan trọng trong 19 cấu tạo của nhiều loại mô chốn g đỡ và bảo vệ. một số gluco prote in có chức năng sinh học quan trọng như hooc mon FSH, prola nA 20