Bài giảng sinh học phân tử - Hoá học Protid - Ths. Nguyễn Kim Thạch

1Bộ môn Hóa Sinh – Sinh Học Phân Tử HÓA HỌC PROTID ThS. Nguyễn Kim Thạch Email: nguyenkimthach@pnt.edu.vn Từ Gene đến Protein Nhân Tế bào chất Điều hòa sao mã Chu trình điều hòa RNA Điều hòa vận chuyển RNA Điều hòa dịch mã Điều hòa thoái hóa RNA mRNA mất hoạt tính Điều hòa sau dịch mã MỤC TIÊU 1. Nêu khái niệm acid amin, peptid, protein và protid. 2. Hiểu các cách phân loại 3. Nắm các dạng điện tích của aa 4. Hiểu khái niệm pHi 5. Liên kết peptid 6. Mô tả được các liên kết và các bậc cấu trúc của protein. • Protid: là chất hữu cơ có PTL rất lớn, một trong ba nhóm chất sinh học cơ bản chính của cơ thể. • Cấu tạo: nguyên tố C, H, O,N, đôi khi : S, P • Protid: acid amin, peptid, protein. • Được tế bào tổng hợp có chức năng: • Xây dựng - bảo vệ • Xúc tác phản ứng • Vận chuyển các chất • Dinh dưỡng - dự trữ • Điều hòa Đại cương Phần I. Acid amin • Nhóm amin và carboxyl gắn vào C α α - acid amin • Trong các dd, aa luôn luôn ở dạng lưỡng cực (ion hoá). • Các aa khác nhau ở gốc R (cấu trúc, kích thước, điện tích,..) 1. Công thức chung 2. Vai trò • Chức năng chính: đơn vị cấu tạo của protein • Chức năng khác: - Tham gia cấu trúc tế bào - Hormon - Xúc tác - Điều hòa sự tăng trưởng tế bào - Chất dẫn truyền thần kinh thủy phân thủy phân 3. Tên gọi và ký hiệu • Trong thiên nhiên có khoảng 300 acid amin • Chỉ có 20 acid amin tham gia vào cấu trúc protein 4. Phân loại Nhiều cách tuỳ cấu trúc mạch hay tính phân cực của gốc R. Theo tính phân cực Khoâng phaân cöïc Phaân cöïc Alanin Isoleucin Leucin Methionin Phenylalanin Prolin Tryptophan Valin Arginin Asparagin Acid aspartic Cystein Acid glutamic Glutamin Glycin Histidin Lysin Serin Threonin Tyrosin Theo cấu trúc gốc R R là mạch thẳng • Hydrocacbon (monoamin - mono dicarboxyl) • chứa nhóm –OH • chứa nhóm acid (monoamin dicarboxyl) và amid của nó • chứa nhóm baz (diamin –monocarboxyl) • chứa nguyên tử S R chứa nhân thơm • đồng vòng: tyrosin, phénylalanin • dị vòng: histidin, tryptophan, prolin (Imino acid) Gốc R là mạch thẳng 4. 1. Hydrocacbon (monoamin - mono dicarboxyl) 4. 2. Chứa nhóm -OH Xem nhoùm chöùa nhaân thôm 4. 3. Chứa nguyên tử S 4. 4. Chứa nhóm acid (monoamin dicarboxyl) và amid của nó 4. 5. Chứa nhóm baz (diamin –monocarboxyl) Gốc R chứa nhân thơm Dẫn xuất của các acid amin thường gặp: Dẫn xuất aa Vai trò 4-hydroxyproline 5-hydroxylysine Thành phần của collagen Methyllysine Thành phần của myosin Demosine (4 Lys) Thành phần của elastin γ-carboxyglutamate Thành phần của prothrombin Selenocysteine Tham gia hoạt hóa men trong quá trình tổng hợp protein Cystine (dicysteine) Cấu trúc protein Monoiodotyrosin Diiodotyrosin Tiền chất của hormone tuyến giáp Ornithine và Citrulline Sản phẩm trung gian trong chu trình ure 5. TÍNH CHẤT VẬT LÝ 5. 1. Tính hoà tan – AA có khả năng ion hoá tan trong các dung môi phân cực (nước, ethanol,) – AA càng dễ tan khi gốc R càng nhỏ. 5. TÍNH CHẤT VẬT LÝ 5. 2 Tính triền quang: cấu hình lập thể: – Cα là carbon bất đối xứng (trừ glycin) 2 đồng phân quang học D và L -acid amin – Các aa tham gia cấu tạo protein là L-acid amin D – acid amin L – acid amin 5. TÍNH CHẤT VẬT LÝ 5. 3. Các dạng điện tích Acid amin có ít nhất 2 nhóm acid yếu: -COOH và –NH3 +  phân ly trong dung dịch: R-COOH ⇌ R-COO- + H+ R-NH3 + ⇌ R-NH2 + H + Dạng hiện diện thực sự trong dịch cơ thể là dạng A. 5. 3. Các dạng điện tích R-CH-COOH R-CH-COOH R-CH-COO - NH 3 NH2 NH2 + cation (zwitterion) anion H + H + sự ion hoá của aa phụ thuộc vào pH của môi trường hoà tan chúng pH bazpHi pHi: pH mà ở đó dạng ion lưỡng cực chiếm đa số, cation = anion (chiếm ít nhất)  điện tích = 0. 5. TÍNH CHẤT VẬT LÝ pH acid pHi = pK1 + pK2 2 5. 4. Các tính chất vật lý khác: • Hấp thu ánh sáng hồng ngoại tốt nhất ở bước sóng 280 nm. • Có vị ngọt kiểu đường (glycin, serin,), kiểu đạm (bột ngọt: Na glutamat). • Tan trong dung môi phân cực (nước, ethanol). • Không tan trong dung môi không phân cực (benzen, ether,) 5. TÍNH CHẤT VẬT LÝ 6. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 6. 1. Phản ứng do nhóm -amin Goác R coù nhieàu nhoùm chöùc hoùa hoïc khaùc nhau  caùc phản ứng ñaëc bieät giuùp nhaän bieát 1 soá acid amin  tạo muối với acid vô cơ  phản ứng với DNP (phản ứng Sanger)  phản ứng với phenylisothiocyanat (PITC) (phản ứng Edman) 6. 2. Phản ứng do nhóm -carboxyl  tạo muối với baz  phản ứng khử gốc carboxyl Histidine histamine Các gốc R khác nhau sẽ cho phản ứng khác nhau CO2 6. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 6. 3. Phản ứng do nhóm -carboxyl và -amin Phản ứng tạo liên kết peptid  Là phản ứng quan trọng nhất  Phản ứng giữa α-amin của aa này với α-carboxyl của một aa khác, tạo liên kết peptid. Phản ứng Ninhydrin  định tính, định lượng aa • Acid amin chöùa α–COOH, α-NH 2 vaø goác R • Tham gia caáu truùc protein laø 20 L-α-acid amin • Acid amin ñöôïc phaân loaïi theo ñieän tích vaø tính phaân cöïc cuûa goác R • Acid amin thay ñoåi tính ion hoùa (acid-base) theo pH moâi tröôøng. • Nhaän bieát aa baèng phaûn öùng NINHYDRIN • 2 aa keá caän seõ taïo LK peptid Tóm tắt Phần II. Liên kết Peptid 1. 1. Cấu tạo • Các acid amin trong phân tử peptid nối với nhau bằng liên kết peptid. • Mỗi chuỗi peptide đều có nhóm α-carboxyl và α-amin tự do ở 2 đầu. • Peptid có n aa thì có (n-1) liên kết peptid. 1. CẤU TẠO – DANH PHÁP A. Gọi tên theo số aa aa –aa  dipeptid aa –aa –aa tripeptid  số aa < 10 : oligopeptid  số aa > 10 : polypeptid B. Gọi theo danh pháp hóa hữu cơ: thay “ in” = “ yl” Serin - Alanin - Methionin -Valin - Glycin Seryl - Alanyl - Methionyl - Valyl – Glycin C. Gọi theo tên riêng Glucagon (29 aa) Insulin (51 aa) . 1. 2. Gọi tên Biểu thị thành phần, thứ tự aa trong phân tử peptid Serin - Alanin - Methionin -Valin – Glycin Ser – Ala – Met – Val - Gly SAMVG • Ñoaïn chöa xaùc ñònh ñöôïc thöù töï vieát trong ngoaëc ñôn Ser – Gly - (Ala, Gly, Tyr) – Pro – Cys 2. Tính chất: có đủ đặc tính của aa và protein • Phản ứng BIURET: các peptid có ≥ 3aa cho phản ứng màu (+)  giúp xác định liên kết peptid, định lượng protein. • Thủy phân bởi acid, base mạnh, enzyme protease. Một số peptide có hoạt tính sinh học • Bradykinin: (9aa) hạ huyết áp, tăng phản ứng tự vệ, giảm đau. Arg–Pro–Pro–Gly–Phe–Ser–Pro–Phe–Arg • Glutathion: tham gia vào hệ thống oxy hóa khử  – glutamyl – cysteinyl – glycin • Vasopressin : (9aa) tăng HA. • Ocitocine: (9aa) co bóp tử cung. • Chất độc của nấm, các KS • Insulin (51aa): 2 chuỗi polypeptid (30 aa và 21 aa). Hạ đường huyết • Glucagon: (29 aa). Tăng đường huyết 1 hay nhiều chuỗi polypeptid kết hợp lại, có PTL rất lớn Thuỷ phân hoàn toàn aa Thuỷ phân không hoàn toàn peptid Phần III. CẤU TRÚC PROTEIN 1. Phân loại • Thành phần hóa học : thuần (chỉ aa): albumin, globulin tạp (aa + nhóm ngoại): glucoprotein, lipoprotein • Tính tan: albumin (tan trong nước, dd muối) globulin (tan trong dd muối) • Tính chất vật lý: tỷ trọng (VLDL, LDL,) điện di pro huyết thanh (1, 2, , globin) • Hình dạng: Protein cầu: insulin, albumin, globulin Protein sợi: keratin, myosin • Chức năng: protein cấu trúc, protein vận chuyển  2 LK chính : lk peptid, lk disulfur  3 LK phụ : lk hydro, lk muối, lk giữa các nhóm không phân cực 2. Liên kết PEPTID R CH NH3 C O OH H NH CH R COOH CH R NH3 C O NH HC COOH R + + H2O + + __ • Lk chính trong peptid và protein • Là liên kết đôi do hiện tượng cộng hưởng 3. Liên kết DISULFUR • Nội chuỗi hoặc liên chuỗi peptid. • Vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc bậc III của protein. 4. Liên kết HYDRO • Liên kết yếu • Số lượng nhiều  quan trọng để duy trì cấu trúc không gian chuỗi polypeptid • Lực hút tĩnh điện giữa : nguyên tử H2 ( thuộc nhóm Imino –NH-) thừa điện tích (-) và nguyên gtử O2 (thuộc nhóm carbonyl –CO-) thừa điện tích (+) 5. Liên kết ION • Lực hút tĩnh điện giữa: – Các nhóm NH3 + của aa diamin – Các nhóm COO- của aa dicarboxylic Liên kết giữa các nhóm không phân cực = lực Vander-Walls 6. Các bậc cấu trúc của PROTEIN 6. 1. CẤU TRÚC BẬC I  Do caùc aa noái nhau baèng LK peptid  Trình töï aa: ñaàu taän amin ñeán ñaàu taän carboxyl.  Quyết định hình dạng lập thể và tính chất protein. 6. 2. CẤU TRÚC BẬC II Do chuoãi polypeptid xoaén laïi, LK hydro ñoùng vai troø quan troïng 6. 3. CẤU TRÚC BẬC III  Do chuoãi polypeptid xoaén cuoän, gaäp khuùc (caáu truùc 3 chieàu) vôùi söï tham gia cuûa LK disulfur  Có vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng protein. 6. 4. CẤU TRÚC BẬC IV • Do caùc caáu truùc baäc 3 keát hôïp laïi thaønh moät phaân töû. • Giuùp giaûm thieåu kích thöôùc cuûa protein • Taïo ra caáu hình khoâng gian thích hôïp ñeå protein thöïc hieän caùc chöùc naêng sinh lyù. 7. Chức năng  Vaän chuyeån: transferrin, lipoprotein, Hb  Xuùc taùc: enzym  Vaän ñoäng: actin, myosin  Caáu truùc: collagen, elastin  Baûo veä: Ig, yeáu toá ñoâng maùu  Ñieàu hoøa: protein gaén vaøo ADN, hormon  Dinh döôõng: albumin, haït thöïc vaät Aspartame (50 dipeptid tổng hợp): chất ngọt nhân tạo 8. TÍNH CHẤT 8. 1. TÍNH ACID- BAZ VÀ SỰ TÍCH ĐIỆN: – Có tính lưỡng tính, trong dd có 3 dạng ion. – Tùy pH của môi trường so với pHi, điện tích của protein thay đổi – ÖÙng duïng: phaân taùch protein baèng pp ñieän di (trong nghieân cöùu vaø trong chaån ñoaùn laâm saøng). 8. 2. TÍNH HÒA TAN VÀ KẾT TỦA 4 yếu tố ảnh hưởng độ hòa tan • pH • Nồng độ muối (salting in - salting out) • Dung môi • Nhiệt độ salting in – salting out 8. 3. ÁP SUẤT KEO  Protein tan ñöôïc trong nöôùc taïo dd keo dd coù aùp suaát keo  Quan troïng trong vieäc trao ñoåi dịch qua thaønh maïch vaø maøng teá baøo : hieän töôïng phuø vaø traøn dòch ña maøng (dịch thấm)  Hiện tượng thẩm tích : Protein không qua được màng thẩm tích, khi tan trong nước dung dịch keo Dung dịch keo bền vững nhờ 2 yếu tố: -Lớp áo nước bao quanh các tiểu phần tử protein - Sự tích điện cùng dấu của các tiểu phần trên. Protein tủa nếu mất 2 yếu tố này.  Màng thẩm tích:  Nhân tạo: màng celophan, màng lọc thận nhân tạo  Trong cơ thể: màng tế bào, phúc mạc, màng lọc cầu thận 8. 4. SỰ THẨM TÍCH Ứng dụng sự thẩm tích: 8. 5. SỰ BIẾN TÍNH Trước khi biến tính Sau khi biến tính Biến tính không thuận nghịch của oval albumin trong lòng trắng trứng bởi nhiệt  Ly taâm  Ñieän di  Saéc kyù loûng  Phöông phaùp mieãn dòch  Söû duïng ñoàng vò phoùng xaï  Ño maät ñoä quang  Phöông phaùp hoaù hoïc  Phaân tích trình töï gen Nghieân cöùu PROTEIN Qui trình xác định protein TÓM TẮT 1. aa chứa nhóm –COOH, –NH3, gốc R (khác nhau giữa các aa) 2. 20 aa thường gặp đều ở dạng L-aa. 3. Aa được phân loại theo nhiều cách tuỳ điện tích và tính phân cực của R. 4. Aa thay đổi tính acid- baz (tính ion hoá) tùy pH môi trường Các câu hỏi trắc nghiệm lượng giá Câu 1: Chọn câu đúng. a. Protein là cấu trúc đại phân tử gồm các đơn vị cấu tạo là các acid amin, ngoài ra còn chứa các thành phần khác. b. Trong thiên nhiên có 300 loại acid amin khác nhau, nhưng cơ thể chỉ tổng hợp được 20 loại acid amin, các acid amin khác được cung cấp qua thức ăn. c. Các acid amin phân cực tan trong nước, alcool; các acid amin không phân cực tan trong benzen, ether. Điện tích của acid amin thay đổi tùy pH của môi trường. d. a và c đúng. e. b và c đúng. Câu 2: Chức năng của protid: chọn câu sai a. Tham gia cấu trúc màng tế bào b. Chất dẫn truyền thần kinh c. Chuyển hóa cơ chất trong tế bào d. Hormon và xúc tác e. Điều hòa sự tăng trưởng tế bào. Câu 3: Tính chất của acid amin: chọn câu đúng a. Các acid amin ở dạng lưỡng cực trong dung dịch b. Các acid amin đều là lưỡng tính c. Các acid amin có vị ngọt kiểu đường và kiểu đạm. d. Các acid amin hấp thu tốt nhất ở bước sóng hồng ngoại 280 nm. e. Tất cả đều đúng. Câu 4: Protein bị biến tính bởi các yếu tố sau, ngoại trừ: a. pHi, Alcool, aceton, Formandehyde b. Acid mạnh, baz mạnh c. Muối kim loại mạnh d. Acid Tricloracetic (TCA) e. Nhiệt độ. Câu 5: Albumin và globulin miễn dịch (α1, α2, β và γ globulin) là các protein có trong: a. Tế bào máu b. Huyết tương c. Gan d. Tuyến tụy e. Thận  Aa  peptid (  polypeptid)  protein  Tb chứa hàng ngàn protein khác nhau, mỗi loại protein có chức năng sinh học riêng.  Protein có thể là những chuỗi pp dài nhưng cũng có thể chỉ gồm 1 vài aa, hoặc do nhiều tiểu đơn vị protein nối kết với nhau.  Tp của protein có thể chỉ là aa, cũng có thể được gắn thêm gốc kim loại, nhóm thế hữu cơ.  Protein có 4 bậc cấu trúc. Trình tự aa (cấu trúc b1) thể hiện đặc tính của protein đó.  Sự ổn định của cấu trúc bậc 1 nhờ liên kết peptid, các bậc cấu trúc cao hơn nhờ các liên kết yếu. Lk peptid KẾT LUẬN KẾT THÚC