Bài giảng Hóa sinh học - Bài 1: Protein - Nguyễn Thị Hồng Loan

HOÁ  SINH  HỌC  (BIOCHEMISTRY)   TS.  NGUYỄN  THỊ  HỒNG  LOAN   (Mobi:  0988266362;  Mail:  loannguyen@hus.edu.vn)   •   Hoá sinh học hay Sinh hoá học •  Đối tượng nghiên cứu của hoá sinh học •  Hoá sinh học ra đời và phát triển thế nào ? •  Các phương pháp để nghiên cứu •  Sự liên quan giữa hoá sinh học và các chuyên ngành khoa học khác của sinh học HÓA SINH HỌC Hoá sinh học là gì? •  Nghiên cứu: thành phần, cấu tạo, tính chất, cấu trúc và chức năng của các hợp chất sống và các quá trình chuyển hoá của chúng trong cơ thể sống. Protein, enzyme, saccharide, acid nucleic, lipid, hormon •  Nghiên cứu cơ sở phân tử của sự sống ở mức độ thấp nhất, gốc gác. •  Cố gắng để giải thích cuộc sống qua các phản ứng của hoá sinh học HÓA SINH HỌC §  Mục tiêu môn học: v  Phần lý thuyết: Cần hiểu được thành phần cấu tạo, cấu trúc, tính chất, chức năng và sự chuyển hoá, điều hoà của các chất trong hệ thống sống, đồng thời giải thích được những hiện tượng cơ bản liên quan đến các quá trình chuyển hoá vật chất trong cơ thể sống.   v  Phần thực hành: Sinh viên hiểu được nguyên lý và biết thực hiện được các thí nghiệm cơ bản trong nghiên cứu hoá sinh học, các phản ứng thường dùng để phát hiện, nhận biết một số thành phần hoá học cơ bản của hệ thống sống và làm quen với một số phương pháp định lượng thông thường các chất này, qua đó làm sáng tỏ, cũng cố kiến thức lý thuyết đã học   KHÁI QUÁT VỀ CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC PHẦN I: Thành phần cấu tạo, cấu trúc, tính chất của các hợp chất sống Chương 1: Mở đầu Chương 2: Protein Chương 3: Enzyme Chương 4: Saccharide Chương 5: Lipid Chương 6: Acid nucleic Chương 7: Vitamin Chương 8: Hormon PHẦN II: Phân giải và tổng hợp của các hợp chất sống Chương 9: Giới thiệu chung về trao đổi chất và trao đổi năng lượng Chương 10: Trao đổi Saccharide Chương 11: Trao đổi lipid Chương 12: Trao đổi acid nucleic Chương 13: Trao đổi protein Chương 14: Giới thiệu về công nghệ DNA tái tổ hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 1.  Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng, Lê Thị Phương Hoa, Nguyễn Huỳnh Minh Quyên, Đào Văn Tấn (2016). Hoá sinh học. NXB Giáo dục. 2.  Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (2009). Hoá sinh học. NXB Giáo dục. 3.  Nguyễn Quang Vinh, Bùi Phương Thuận, Phan Tuấn Nghĩa (2004). Thực tâp hoá sinh học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. 4.  Nelson, D. L., Cox, M. M. (2017). Lehninger principles of biochemistry. The 7th Edition, Worth Publishers, New York. VÀI NÉT VỀ CÁCH HỌC, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ Cách học: §  Đọc trước phần lý thuyết ở nhà. §  Lưu ý những vấn đề không hiểu (đưa ra câu hỏi). §  Tham gia tích cực các bài giảng, thảo luận chuyên môn ở lớp. Kiểm tra, đánh giá: §  Thường xuyên: Thông qua mức độ tích cực giờ học ở lớp, thảo luận, trả lời các vấn đề CBGD nêu ra trong các bài giảng. §  Giữa kỳ: Trắc nghiệm, 20 câu hỏi thuộc phần I của giáo trình §  Cuối kỳ: Trắc nghiệm và các câu hỏi ngắn (90 phút). Tổng thời gian lên lớp lý thuyết: 30 tiết, 15 tuần Sơ lược về lịch sử và phát triển của Hoá sinh học (Nội dung Chương Mở đầu) •  1828: tổng hợp được urea (Friedich Wohler). •  1897: Thử nghiệm thành công lên men vô bào (Eduard Buchner), giải nobel Hoá học năm 1907 •  1926: Kết tinh urease từ cây đâu kiếm (Jame Sumner), 1946 giải Nobel Hoá học với phương pháp kết tinh protein •  Nửa đầu thế kỷ 20: phát hiện thấy sự liên quan giữa một số bệnh tật, hormon, vitamin và vai trò của chúng. •  36-50: Ra đời kính hiển vi, cho phép nghiên cứu các bào quan. •  Đến năm 1950 - tính chất các chất chủ yếu và con đường trao đổi của chúng trong cơ thể sống. •  1953: Cấu trúc xoắn kép và nguyên tắc bổ sung của DNA (công bố bởi Watson, Crick và Wilkin). •  1959: Tổng hợp DNA trong ống nghiệm (Arthur Kormberg), người đầu tiên phân lập DNA pol I. •  60-62: Các phát hiện cơ chế biểu hiện gen (Monod và Jacob). •  61-66: Giải mã di truyền và mã bộ ba (Niren Berg và Khorana). •  1973: Ra đời công nghệ DNA tái tổ hợp (Boyer và Cohen). •  1982: Phát hiện ra ribozyme (Thormas Cech). •  1983: Nhân bản gen trong ống nghiệm (Kary Mullis). •  1998: Phát hiện ra các RNA gây nhiễu (Craig Mello and Andrew Fire). •  2001: Giải xong trình tự gen. •  2009: Giải xong trình tự epigenome của người. •  Xu hướng: tìm hiểu quá trình sinh tổng hợp protein, acid nucleic, liên quan giữa biến đổi di truyền và bệnh lý, các cơ chế phân tử của hoạt động trong cơ thể sống.nhằm điều khiển hoạt động và quá trình sống theo hướng có lợi nhất, bảo vệ môi trường và sức khoẻ của con người. Các phương pháp nghiên cứu Hoá sinh •   Các  phương  pháp  tách,  -nh  sạch  các  hợp  chất  sinh  học   •  Các phương pháp phân tích tính chất •  Các phương pháp phân tích cấu trúc •  Các phương pháp định tính, định lượng •  Phương pháp vật lý, hoá học, sinh học và miễn dịch Phần 1. Cấu Trúc Và Chức Năng Của Các Phân Tử Sống CHƯƠNG 2. PROTEIN Những vấn đề chính của chương: 2.1. Cấu tạo, thành phần nguyên tố của protein 2.2. Các amino acid cấu tạo nên protein 2.3. Sự liên kết giữa các amino acid bằng liên kết peptide, phản ứng đặc trưng của liên kết peptide 2.4. Cấu tạo, đặc tính, phân loại và vai trò sinh học của protein 2.5. Giới thiệu về các phương pháp tách chiết, tinh sạch và nghiên cứu cấu trúc của protein Lưu ý các chức năng/vai trò sinh học của protein PROTEIN •  Tên khác là protit, đạm •  Là các đại phân tử lớn, có mặt trong mọi tế bào và cơ thể sống, mang tính đặc trưng cho từng loài, cơ thể, mô, cơ quan, bào quan. §  Hàm lượng protein: Thịt gà > thuỷ hải sản > thịt, cá nước ngọt > sữa, trứng §  Thành phần nguyên tố: CHON và một số nguyên tố khác: S, P, Mg, Ca, Fe (tỷ lệ tương ứng C: 50-55%, H: 6,5-7,3%, O: 21-24%, N: 15-18%, S;-0-0,24%). §  Protein được cấu tạo chủ yếu từ các amino acid (amino acid chuẩn) CẤU TẠO, THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ CỦA PROTEIN α-L-AMINO ACID   Những vấn đề cần nắm: §  Dạng L và D (hoạt tính quang học làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng). §  Tính chất lưỡng tính, giá trị Pi §  Nhóm chức và đặc trưng của từng acid amin (tích điện, phân cực, độ hòa tan trong các dung môi, khả năng hấp thụ ánh sáng, khả năng tạo các liên kết với các nhóm chức khác, khả năng phản ứng). R  NO,  KHÔNG  PHÂN  CỰC  (KỴ  NƯỚC)   R  PHÂN  CỰC,  KHÔNG  TÍCH  ĐIỆN   R  VÒNG  THƠM   R  TÍCH  ĐIỆN  DƯƠNG   R  TÍCH  ĐIỆN  DƯƠNG   R  TÍCH  ĐIỆN  ÂM   PHÂN LOẠI CÁC AMINO ACID CẤU TẠO NÊN PROTEIN Lưu ý cách phân loại khác: §  Monoaminmonocarboxylic §  Monoaminodicarboxylic §  Diaminomonocarboxylic Selenocystein  có   trong  enzyme   thioredoxin   reductase     Arginine   Hisddine   Cysteine   Tên  của  các  amino  acid   Ba  chữ  cái  thường  là  ba  tên   đầu  của  tên  đầy  đủ,  ngoại  trừ     asparagine  (Asn),   glutamine  (Gln),   isoleucine  (Ile),  và   tryptophan  (Trp).   MỘT SỐ AMINO ACID KHÔNG CHUẨN TÍNH  CHẤT  LƯỠNG  TÍNH   1.  Tính  tan   2.   Hoạt  Mnh  quang  học   3.   Các  phản  ứng  thường  dùng  để  xác  định  amino  acid   -­‐  Phản  ứng  với  ninhydrin  của  anpha  amino  acid  (tạo  sản  phẩm   màu  hấp  thụ  tại  570  nm)  và  prolin  (440  nm).   -­‐   Phản  ứng  riêng  của  nhóm  bên  R.   Các  snh  chất  khác   SỰ  HÌNH  THÀNH  LIÊN  KẾT  PEPTIDE   -­‐  Pep-de  và  protein  là  các  polymer  của  các  amino  acid  liên  kết  với  nhau  bằng  liên   kết  pep-de.  Pep-de  (oligopep-de)  có  số  gốc  amino  acid   ít  hơn  protein,  Mw  <  10   kDa.   SỰ HÌNH THÀNH CHUỖI POLYPEPTIDE §  Đầu N và đầu C. §  Những điểm giống và khác nhau giữa protein và amino acid cấu thành.                Đầu  N  (+)                                                                                                              Đầu  C  (-­‐)              Serylglycyltyrosylalanylleucine              Ser  –  Gly  –  Tyr  –  Ala  -­‐  Leu          SGYAL                                                     CÁC LIÊN KẾT TRONG MỘT ĐƠN VỊ PEPTIDE CÁC AMINO ACID CẤU TẠO NÊN PROTEIN CÁC BẬC CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Bậc I II III IV Định nghĩa, các đặc trưng, liên kết làm bền Vai trò của nghiên cứu cấu trúc -  Chức năng -  Cơ chế -  Nguồn gốc tiến hoá -  Thiết kế thuốc -  Giải quyết các vấn đề về cuộn gập của protein Ø Cấu   trúc   bậc   I   của   protein:   là   trình   tự   sắp   xếp   của   các   gốc   amino   acid   trong   chuỗi   polypep-de.  Các  gốc  amino  acid  liên  kết  với   nhau  bằng  liên  kết  pep-de.   Ø   Vai  trò  của  cấu  trúc  bậc  I:   ü Là   cơ   sở  nghiên   cứu  di   truyền   của  gen  mã   hoá  protein  đó.   ü    Quyết   định   cấu   trúc   bậc   cao   hơn   của   protein.   ü   Cơ  sở  m  hiểu  nguyên  nhân  bệnh  lý  thông   qua  việc  m  hiểu  cấu  trúc  và  chức  năng.   Cấu  trúc  bậc  hai   •   Chuỗi  polypep-de  cuộn  gập  lại  theo  kiểu:  xoắn  α (α helix), gấp nếp β (β sheet), quay β (β turn) hoặc thòng lọng Ω  (Ω  loop).   •  Được  làm  bền  bởi  các  liên  kết  hidro   Mô  hình  liên  kết  hidro  trong  xoắn  α   Xoắn alpha §  Khoảng cách giữa hai amino acid kế tiếp nhau dọc trục xoắn là 1.5 Å. §  Các cầu hydrogen nội chuỗi giữa nhóm carboxyl của C=O này với nhóm amide (=N-H) cách đó 4 gốc. §  Chu kỳ lặp lại 3,6 gốc, góc quay 100 độ, chiều cao tương ứng 5,4 Å. §  Chiều của vòng xoắn có thể là xoắn phải hoặc trái Ví dụ protein keratin của tóc CẤU TRÚC XOẮN ALPHA NHÌN TỪ CÁC GÓC ĐỘ KHÁC NHAU ẢNH HƯỞNG CỦA TRÌNH TỰ ĐẾN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HELIX •  Không phải tất cả các trình tự của chuỗi polypeptide đềut tham gia vào cấu trúc xoắn α. •  Các amino acid kỵ nước với R nhỏ như Ala và Leu thuận tiện cho hình thành cấu trúc. •  Pro có amin bậc 2 nên liên kết N-Ca khó quay cho hình thành cấu trúc. •  Gly quá nhỏ và thường tạo thành cấu hình khác. GẤP NẾP BETA Khoảng cách giữa các C là 3,5 Å, liên kết hydrogen hình thành giữa các chuỗi song song hoặc đối song song, chu kỳ lặp lại là 2 gốc. Ví dụ collagen của sụn, xương. Kết Quả Phân Tích Cấu Trúc Bậc 2 Bằng CD (Circular dichroism spectroscopy) CẤU TRÚC QUAY BETA CẤC  TRÚC  BẬC    III  CỦA  MYOGLOBIN   CÁC TRÚC BẬC IV CỦA HEMOGLOBIN 2  α  (đỏ)  và  2  β (vàng) – α2β2 Một  số  snh  chất  quan  trọng  của  protein   •   Khối  lượng  và  hình  dạng  phân  tử   •   Tính  chất  lưỡng  Mnh   •   Tính  chất  keo  và  sự  kết  tủa  của  protein   •   Khả  năng  hấp  thụ  -a  tử  ngoại   •   Các  phản  ứng  định  Mnh  và  định  lượng  amino  acid    và  protein   MỘT SỐ PROTEIN KHÁC NHAU                            Protein KLPT Số gốc Số chuỗi (Dalton) amino acid peptide Biure  định  lượng  protein     Lowry  định  lượng  protein     Bradford  cho  định  lượng  protein   CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PROTEIN §  Tách chiết, tinh sạch. §  Xác định thành phần cấu tạo, tính chất, hoạt tính sinh học. §  Nghiên cứu cấu trúc, liên quan cấu trúc-chức năng NGHIÊN  CỨU  PEPTIDE  VÀ  PROTEIN  CẦN     1.  Trình tự và thành phần ? 2.  Cấu trúc bậc III ? 3.  Vai trò hoá sinh học của nó ? 4.  Chức năng ? 5.  Tương tác với các đại phân tử ? 6.  Mối liên quan với các protein khác ? 7.  Vị trí của nó trong tế bào ? 8.  Đặc tính hoá sinh lý ? HỖN  HỢP  CÁC  PROTEIN  CÓ  THỂ  ĐƯỢC  PHÂN  TÁCH  DỰA  TRÊN   u Phân  tách  dựa  trên  các  đặc  Mnh  hoá  lý  của  protein:   ü   Độ  Mch  điện   ü   Kích  thước     ü Ái  lực  với  các  phối  tử   ü   Tính  tan   ü   Bền  nhiệt   u   Phương  pháp  sắc  ký  là  phổ  biến  nhất  để  -nh  sạch  protein.   ĐIỆN  DI  CHO  PHÂN  TÍCH  PROTEIN   1.   Dựa  vào  độ  Mch  điện  của   protein.   2.   Dựa  vào  hình  dáng  và  kích  thước   của  protein.   3.   SDS  làm  cho  toàn  bộ  phân  tử   protein  không  cuộn  gập  và  Mch   điện  âm.