Gt hoa sinhdongvat_

3,837 views
3,712 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
3,837
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
106
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Gt hoa sinhdongvat_

  1. 1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI nguyÔn v¨n kiÖm (Chủ biên) nguyÔn v¨n k×nh , nguyÔn v¨n mïiHo¸ sinh §éng vËt Animal Biochemistry Hμ néi -2005 http://www.ebook.edu.vn
  2. 2. Lêi nãi ®Çu TÊt c¶ c¸c qóa tr×nh sinh tr−ëng, ph¸t triÓn hay sù tiÕn triÓn cña bÖnh ph¸ttËt ®Òu diÔn ra trong tÕ bμo. §¶m nhiÖm ®−îc nh÷ng chøc n¨ng Êy, c¬ thÓ sèngcã c¸c ph©n tö ®Æc biÖt nh− protein, saccharide, lpipide, n−íc vμ c¶ acidnucleic v. v. C¸c ph©n tö nμy lμ nh÷ng “viªn g¹ch” t¹o nªn tÕ bμo, m«, vμ c¸cc¬ quan cña c¬ thÓ víi møc chuyªn ho¸ tinh vi ®Æc biÖt, ®¶m b¶o cho c¬ thÓ tånt¹i vμ ph¸t triÓn mét c¸ch b×nh th−êng . Ho¸ sinh ®éng vËt ®−îc xuÊt b¶n lÇn nμy víi môc ®Ých phôc vô chñ yÕucho c¸c b¹n ®äc cña ngμnh ch¨n nu«i thó y ë c¸c tr−êng n«ng nghiÖp vμ c¸cngμnh cã liªn quan. C¸c vÊn ®Ò ®Òu ®−îc cËp nhËt tíi n¨m 2004. S¸ch gåm 10 ch−¬ng ®Ò cËp tíi hÇu hÕt c¸c néi dung cña sinh häc ph©ntö vÒ vÊn ®Ò cÊu tróc vμ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ vËt chÊt cÊu t¹o nªn c¬ thÓsèng, nh− protein, acid nucleic, c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· vμ gi¶i m· ADN, qu¸ nucleic,tr×nh chuyÓn ho¸, hÊp thu c¸c chÊt trong c¬ thÓ, qu¸ tr×nh tæng hîp ATP, viÖct¹o vμ sö dông n¨ng l−îng cho c¸c ho¹t ®éng sèng. Sù ®iÒu hoμ c¸c qu¸ tr×nhtrao ®æi chÊt hay sù kh¸ng l¹i c¸c t¸c nh©n g©y bÖnh. Néi dung cña cuèn s¸ch cßn chøa ®ùng nhiÒu khÝa c¹nh khoa häc cãtÝnh thêi sù nh− sù hoμn thiÖn vμ ®Þnh c− cña c¸c chuçi polypeptide sau khi ®−îctæng hîp. §©y lμ c¬ së cña bÖnh lý häc ë møc ph©n tö, tÕ bμo. Ho¸ sinh ®éng vËt víi néi dung hiÖn h÷u cña nã còng cã thÓ lμ tμi liÖutham kh¶o h÷u Ých cho c¸c sinh viªn thuéc c¸c tr−êng khoa häc c¬ b¶n, c¸ctr−êng s− ph¹m, c¸c tr−êng y, d−îc häc. C¸c t¸c gi¶ tuy ®· cã nhiÒu cè g¾ng vÒ néi dung vμ c¸ch tr×nh bμy. Songch¾c thiÕu sãt trong cuèn s¸ch nμy lμ khã tr¸nh khái. V× vËy chóng t«i mongr»ng sau khi sö dông cuèn s¸ch nμy, sÏ ®−îc ®éc gi¶ gãp nhiÒu ý kiÕn bæ Ých®Ó cuèn s¸ch ngμy cμng hoμn thiÖn h¬n. Hμ néi, th¸ng 12 n¨m 2004 C¸c t¸c gi¶ http://www.ebook.edu.vn
  3. 3. Môc lôc Trang më ®Çu Sinh ho¸ häc vμ vai trß cña sinh ho¸ häc 1 TS. NguyÔn V¨n KiÖm Ch−¬ng I 3 Protein PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh, TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. Kh¸i niÖm vµ chøc n¨ng cña protein 32. CÊu t¹o cña protein 42.1. Axit amin - ®¬n vÞ cÊu t¹o nªn protein 42.2. CÊu tróc bËc I cña protein 102.3 CÊu tróc bËc II cña protein 122.4 CÊu tróc bËc III cña protein 142.5 CÊu tróc bËc IV cña protein 173. C¾t vµ söa ®æi protein t¹o nªn kh¶ n¨ng míi 174. Bèn møc cÊu tróc cña protein 225. Sequence amino axit chuyªn ho¸ cÊu tróc kh«ng gian cña protein 236. Sù g¾n ®Æc hiÖu vµ nh÷ng thay ®æi cÊu tróc lµ c¬ së cña t¸c ®éng protein 267. §Æc tÝnh lý ho¸ cña protein 288. Ph©n lo¹i protein 29 Ch−¬ng II 34 Axit nucleic vµ c¬ chÕ di truyÒn tÕ bµo PGS.TS. NguyÔn V¨n Mïi, TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. Kh¸i niÖm vÒ axit nucleic 342. CÊu tróc cña axit nucleic 342.1. Mononucleotit 342.2. Dinucleotit 422.3. CÊu tróc bËc I cña axit nucleic 432.4. CÊu tróc bËc II cña axit nucleic 452.5. CÊu tróc bËc III vµ siªu cÊu tróc cña axit nucleic 493. Ph©n lo¹i axit nucleic 494. Phøc hîp axit nucleic -protein 545. Sù ph©n gi¶i axit nucleic 566. Sù tæng hîp axit nucleic 59 http://www.ebook.edu.vn
  4. 4. Ch−¬ng III 71 ENzyme PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh, TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. Kh¸i niÖm vÒ enzyme 712. B¶n chÊt cña enzyme 713. Trung t©m ho¹t ®éng cña enzyme 724. ChÊt phèi hîp cña enzyme 745. §Æc ®iÓm ho¹ tÝnh cña enzyme 836. Tªn gäi vµ ph©n lo¹i enzyme 847. C¬ chÕ xóc t¸c cña enzyme 868. §éng häc enzyme 919. VÝ dô vÒ ph¶n øng xóc t¸c cña enzyme 9410. Enzyme ®iÒu hoµ 96 Ch−¬ng IV 98 Sinh ho¸ hormone TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. §¹i c−¬ng vÒ hormone 982. Ph©n lo¹i hormone 1023. C¬ chÕ t¸c dông cña hormone 1043.1. Hai nguyªn lý c¬ b¶n vÒ t¸c dông cña hormone 1043.2. C¬ chÕ t¸c dông cña hormone 1053.2.1. C¬ chÕ t¸c dông lªn mµng 1063.2.2. C¬ chÕ t¸c dông lªn gen 1134. Mét sè hormone vµ vai trß cña chóng 1174.1. Adrenalin vµ Noradrenalin 1174.2. Glucagon 1184.3. Insulin 1194.4. Tèc ®é trao ®æi chÊt c¬ b¶n vµ hormone tuyÕn gi¸p 123 Ch−¬ng V 126 Trao ®æi vËt chÊt vµ n¨ng l−îng PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh, TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. Trao ®æi vËt chÊt lµ g×? 1262. Trao ®æi n¨ng l−îng 1292.1. Sinh vËt sèng b»ng n¨ng l−îng g×? 1292.2. Sù h« hÊp m« bµo 1302.3. Qu¸ tr×nh phosphoryl ho¸ 137 Ch−¬ng VI 142 Gluxit vµ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ gluxit PGS.TS. NguyÔn V¨n Mïi, TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. Kh¸i niÖm vµ vai trß vÒ gluxit http://www.ebook.edu.vn 142
  5. 5. 2. Ph©n lo¹i gluxit 1433. Tiªu ho¸, hÊp thu vµ dù tr÷ gluxit ë ®éng vËt 1443.1. Tiªu ho¸, hÊp thu tinh bét 1443.2. Sinh tæng hîp glycogen 1463.3. Sù ph©n gi¶i glycogen 1483.4. Sù tiªu ho¸ vµ hÊp thu chÊt x¬ 1514. Sù chuyÓn ho¸ trung gian cña glucose 1544.1. Kh¸i qu¸t vÒ sù chuyÓn ho¸ glucose 1544.2. C¸ch ph©n gi¶i yÕm khÝ glucose ë m« bµo ®éng vËt - Qu¸ tr×nh ®−êng ph©n 1544.3. Qu¸ tr×nh lªn men r−îu etylic 1694.4. Sù lªn men vi sinh vËt t¹o thµnh c¸c s¶n phÈm cã gi¸ trÞ th−¬ng m¹i 1704.5. C¸c monosaccharide kh¸c cã thÓ ®i vµo con ®−êng ®−êng ph©n 1705. Sù oxy ho¸ glucose trong ®iÒu kiÖn cã ®ñ oxy 1725.1. Oxy ho¸ theo vßng Krebs 1735.2. C¸c con ®−êng thø cÊp cña sù oxy ho¸ glucose 1926. Sù ®iÒu hoµ trao ®æi gluxit 1987. Mét sè bÖnh do rèi lo¹i trao ®æi ®−êng 202 Ch−¬ng VII 204 Lipid vµ sù chuyÓn ho¸ lipid TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. §¹i c−¬ng vÒ lipid 2042. Mét sè ®Æc ®iÓm vÒ tiªu ho¸, hÊp thu, vËn chuyÓn vµ dù tr÷ lipid ë ®éng vËt 2053. Sù ph©n gi¶i triglyceride 2094. Sù h×nh thµnh vµ chuyÓn ho¸ thÓ xeton 2165. Tæng hîp axit bÐo vµ triglyceride 2206. S¬ l−îc vÒ vai trß vµ sù chuyÓn ho¸ c¸c d¹ng lipoide 2257. §iÒu hoµ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ lipid 227 Ch−¬ng VIII 228 Trao ®æi protein PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh, TS. NguyÔn V¨n KiÖm1. ý nghÜa cña sù chuyÓn ho¸ protein ë ®éng vËt 2282. §Æc ®iÓm cña trao ®æi protein ë ®éng vËt 2283. Tiªu ho¸ vµ hÊp thu protein 2294. Sù chuyÓn ho¸ trung gian cña axitamin 2334.1. Ph¶n øng khö amin 2334.2. Ph¶n øng chuyÓn amin 2354.3. Ph¶n øng khö carboxyl 2365. Sù thèi r÷a prtein ë ruét giµ do vi khuÈn 2396. Sù bµi tiÕt c¸c chÊt cÆn b chøa nit¬ 2406.1. Sù vËn chuyÓn amiac trong c¬ thÓ 2406.2. Sù tæng hîp vµ bµi tiÕt ure (vßng ornitin) 2416.3 Sù bµi tiÕt axit uric 2427. Sù chuyÓn ho¸ cña c¸c protein phøc t¹p http://www.ebook.edu.vn 244
  6. 6. 7.1. Sù chuyÓn ho¸ cña hemoglobin 2447.2. Rèi lo¹n chuyÓn ho¸ hemoglobin 2458. Qu¸ tr×nh sinh tæng hîp protein 2468.1. ý nghÜa cña qu¸ tr×nh 2468.2. Sinh tæng hîp theo khu«n mÉu 2478.3 Tæng hîp protein ë ty l¹p thÓ 2618.4. §iÒu hoµ tæng hîp protein 2619. Sù hoµn thiÖn ph©n tö protein sau khi ®−îc tæng hîp 26410. Sù biÕn ®æi mét sè protein xuÊt ngo¹i 26511. Sù gluxit ho¸ protein 26612. C¸c protein ®i vµo ty l¹p thÓ 26813. C¸c protein nh©n tÕ bµo 269 Ch−¬ng IX 270 MiÔn dÞch häc PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh1. HÖ thèng miÔn dÞch cña c¬ thÓ 2701.1. HÖ thèng miÔn dÞch tÕ bµo 2701.2. HÖ thèng miÔn dÞch thÓ dÞch 2731.3. HÖ thèng miÔn dÞch lµ hÖ thèng tù dung n¹p 2742. CÊu tróc vµ vai trß cña kh¸ng thÓ (immunoglobulin) 2753. Kh¸ng thÓ ®¬n dßng 2824. VÞ trÝ g¾n kh¸ng nguyªn cña kh¸ng thÓ 2825. Sù ph¸t sinh tÝnh ®a d¹ng cña kh¸ng thÓ 2846. C¸c chuçi nhÑ λ 2877. Sù l¾p r¸p c¸c gen chuçi nÆng 2878. Protein RAG1 vµ RAG2 2899. §ét biÕn dinh d−ìng 28910. Sù lo¹i trõ alen ®¶m b¶o cho kh¸ng thÓ cã tÝnh ®Æc hiÖu cao 29011. Sù chuyÓn ®æi tù d¹ng liªn kÕt mµng ®Õn d¹ng tiÕt cña mét kh¸ng thÓ 29012. Sù chuyÓn líp immunoglobulin cña c¸c tÕ bµo B 29113. Receptor tÕ bµo T 29214. Phøc hîp hoµ hîp tæ chøc chÝnh 29415. HÖ thèng bæ thÓ 29716. Vaccine cña hiÖn t¹i vµ t−¬ng lai 303 Ch−¬ng X 305 Sù vËn chuyÓn chÊt qua mµng PGS.TS NguyÔn V¨n K×nh1. Nh÷ng nÐt ®¹i c−¬ng vÒ mµng tÕ bµo 3052. Thµnh phÇn ho¸ häc cña mµng tÕ bµo 3053. Sù vËn chuyÓn c¸c chÊt qua mµng 3074. Sù vËn chuyÓn tÝch cùc qua líp tÕ bµo http://www.ebook.edu.vn
  7. 7. MỞ ĐẦU HOÁ SINH HỌC VÀ VAI TRÒ CỦA HOÁ SINH HỌC Hoá sinh học là môn học cơ sở, có nhiệm vụ nghiên cứu sự sống về mặt hoá học trên haiphương diện: Nghiên cứu về cấu tạo, thành phần hoá học, tính chất lý hoá, chức năng sinh học của cácchất trong cơ thể sống: máu, cơ, não, sinh dịch... Nghiên cứu về sự chuyển hoá của các thành phần cấu tạo nên cơ thể sống, đó là sự traođổi vật chất (TĐVC) ở trong cơ thể, là các quá trình chuyển hoá, sự biến đổi của các chất, sựtổng hợp, phân giải từ những sản phẩm chuyển hoá tạo nên những chất cấu tạo nên cơ thể.TĐVC giữa cơ thể sống và môi trường gồm nhiều mặt, nhiều quá trình có liên quan chặt chẽvới nhau, để dễ hiểu người ta tách chúng ra thành từng quá trình như trao đổi protein, trao đổilipid, trao đổi đường... Từ hoá sinh lần đầu tiên được nhà hoá học Đức Carl Neuberg (1903) đề xuất từ hai chữhoá và sinh ( Biochemistry, Bio: là sự sống). Hoá sinh được hình thành từ sự phát triển của các môn hoá học và sinh học vào cuối thếkỷ XIX và đầu thế kỷ XX, dựa vào sự tiến bộ của các ngành khoa học vật lý, hoá phân tích...với các công trình như tổng hợp được ure (Waller, 1828), vai trò của diệp lục trong quang hợp(Timirazep, 1843 – 1920), chất xúc tác sinh học của Enzyme (Kirgop, Pasteur, Buchner)...Sang thế kỷ XX nhiều phát minh về hoá sinh được ghi nhận, năm 1926 Enzyme có bản chấtprotein được xác định, ATP được chiết xuất (Fiske và Subbarow, 1929), Hans Krebs (1937)tìm ra chu trình acidxidric. Năm 1944, Avery, Maclesa và Mac Carty chỉ ra DNA là cơ sở củasự di truyền mở đầu cho hoá sinh di truyền. Kennedy và Lehninger (1950) tìm ra sự hô hấp tếbào sản sinh ra ATP ở ty thể. Emil Fischer (1953) đã xác định được toàn bộ thứ tự các acidamin trong cấu trúc bậc I của Insuline. Jemes Watson và Francis Crick (1954) đã tìm ra cấutrúc của DNA. Năm 1961 Nirenberg và Matthei đã tìm ra được chuỗi poli U mã hoá cho Phe. Song song với việc tìm ra cấu tạo, vai trò và thành phần hoá học của sự sống, hoá sinhcũng khám phá được nhiều cơ chế hoá học cụ thể của từng khâu quan trọng nhất trong quátrình trao đổi vật chất của cơ thể như sự hô hấp tế bào, hoạt động xúc tác của Enzyme, cơ chếquang hợp của cây xanh, cơ chế tiêu hoá hấp thu ở động vật, cơ chế vận chuyển qua màng,Cùng những năm 60 của thế kỷ XX Jacob và Monod đã tìm ra sự điều hoà gen tổng hợpprotein và một loạt các quá trình sinh tổng hợp purin, acid amin, glucid, lipid lần lượt đượcsáng tỏ... Ngày nay với sự hoàn thiện về kỹ thuật xác định trình tự DNA và việc áp dụng tựđộng hoá và tin học hoá đã cho phép giải mã toàn bộ thể gen (genome) của nhiều loài sinhvật. Hoá sinh có vai trò quan trọng trong toàn bộ lĩnh vực phát triển sinh học. Nhờ sự pháttriển nhanh chóng và những phát kiến do hoá sinh mang lại mà nhiều cuộc “cách mạng”trong sinh học đã bùng nổ, đã giải quyết được nhiều vấn đề lớn cho yêu cầu của con ngườinhư vấn đề bệnh tật của con người và vật nuôi, vấn đề gây đột biến gen đã tạo nên hàng loạtcây trồng có tính kháng sâu bệnh, có năng suất đột biến để giải quyết vấn đề lương thực vàthực phẩm.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 1 http://www.ebook.edu.vn
  8. 8. Hoá sinh đã giữ vai trò là công cụ quan trọng trong sự phát triển của sinh học phân tử vàhàng loạt các ngành hoá sinh ra đời như hoá sinh miễn dịch, công nghệ hoá sinh, hoá sinh lâmsàng... Hoá sinh cũng là cơ sở của hàng loạt các ngành như di truyền học, dược học, nhân vàtạo giống gia súc, dinh dưỡng học... Sinh vật biến đổi gen hay là sinh vật chuyển gen (genetically modified organisms -GMO) là một bản anh hùng ca (epic event) của thời đại và có một ý nghĩa vô cùng to lớntrong lĩnh vực Sinh học. Ngoài tính chính xác trong việc thêm đặc tính mới, sự chuyển genhay sự biến nạp gen còn cho phép xoá bỏ ranh giới giữa các giống, loài nghĩa là vượt quađược “hàng rào tự nhiên” trong công tác tạo giống. Đây là một vấn đề chưa từng có tronglịch sử ứng dụng các nghiên cứu Hoá sinh học. Trong khuôn khổ của ngành chăn nuôi-thú y, những kiến thức mà hoá sinh mang lại sẽgiúp cho những nhà chăn nuôi và bác sĩ thú y không những hiểu biết cơ bản về hiện tượngsống, bản chất của quá trình trao đổi vật chất trong cơ thể, cơ chế và những nguyên nhân gâynên bệnh tật... để từ đó có thể chủ động đề xuất các biện pháp tác động nhằm tăng năng suấtvà chất lượng các sản phẩm thịt, sữa, trứng đồng thời có biện pháp phòng chống bệnh cho vậtnuôi để nâng cao được hiệu quả trong ngành.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 2 http://www.ebook.edu.vn
  9. 9. CHƯƠNG I CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 1. khái niệm và Chức năng của protein. 1.1. Khái niệm: Protein - đi từ chữ Proteios của Hy Lạp nghĩa là "tầm quan trọng sốmột". Một từ của Jửns J. Berselius năm 1938 để nhấn mạnh tầm quan trọng của những phântử này. Về mặt hoá học: Protein là một polyme tự nhiên được cấu tạo từ các monome là cácacid amin. Về mặt sinh học: Protein là chất mang sự sống. Điều này đã được Angel viết: “Sự sốnglà phương thức tồn tại của các thể protein và phương thức tồn tại này, về thực chất, là sự đổimới thường xuyên của các cấu tử hoá học trong những thể protein này”. Thật vậy xét về cácmặt thể hiện của sự sống, chúng ta đều gặp sự tham gia của protein như sự di chuyển trongkhông gian của sinh vật là nhờ chức năng co dãn của protein có dạng sợi, dạng cầu trong tơ cơđó là miozin và actin. Sự tiêu hoá, chuyển hoá các chất là nhờ các protein enzyme. Sự tự vệcủa cơ thể là nhờ protein loại bạch cầu, các kháng thể... Protein có trong tất cả các loại tế bào với tỷ lệ khác nhau (% so với khối lượng vật chấtkhô): lúa: 6-12, ngô: 9-13, đậu tương: 29-50, gan: 57, xương: 28, cơ vân: 80... 1.2. Chức năng của protein: Protein giữ vai trò rất quan trọng trong tất cả các quátrình sinh học. Ý nghĩa đáng kể của chúng được thể hiện qua các chức năng sau đây: Tạo hình: Protein là thành phần cấu tạo của các tế bào, kể từ siêu khuẩn đến các tế bàocó nhân, các mô, các sinh dịch... Xúc tác sinh học: đó là vai trò của các enzyme-một loại protein đặc biệt, dưới tác dụngcủa chúng, giúp cho các phản ứng hoá sinh học xẩy ra. Điều hoà chuyển hoá: đó là các protein hormone, giúp cho các phản ứng trong tế bàoxảy ra đúng chiều hướng, đúng cường độ mà cơ thể đòi hỏi. Vận chuyển các chất: Ví dụ Hb vận chuyển khí, Transferin vận chuyển sắt, Xytocromvận chuyển điện tử... Chức năng co duỗi, vận động: sự vận động của cơ thể là nhờ chức năng co dãn củaprotein miozin và actin trong tơ cơ Chức năng bảo vệ cơ thể: là nhờ các kháng thể, các bạch cầu. Các kháng thể là cácprotein đặc hiệu cao, nó nhận biết và kết hợp với các chất lạ như virus, vi khuẩn và các tế bàotừ các cơ thể khác. Vì thế protein giữ một vai trò sinh tử trong việc phân biệt giữa mình (self)và không phải mình (nonself). Trợ giúp cơ học (Mechanical support). Sự kéo căng của da và xương là do collagen-một protein sợi Phát xung và vận chuyển các xung thần kinh. Sự đáp ứng của các tế bào thần kinh đốivới một kích thích đặc hiệu được thực hiện qua trung gian các protein tiếp nhận (Receptor).Chẳng hạn như Rhodopsin là một protein nhạy cảm với ánh sáng trong các tế bào hình que ởTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 3 http://www.ebook.edu.vn
  10. 10. võng mạc. Các protein Receptor cũng có thể được tạo ra bởi các phân tử nhỏ đặc hiệu chẳnghạn như Acetylcholine, nó đáp ứng cho sự vận chuyển xung thần kinh ở các synaps (khoảngkhông giữa tế bào thần kinh và các các mô bào khác). Kiểm soát sự sinh trưởng và biệt hoá. Sự kiểm soát thông tin di truyền là cần thiết đểsinh trưởng và biệt hoá có trật tự của tế bào. Chỉ có một phần nhỏ genome của một tế bào làđược biểu hiện ở một thời điểm nào đó. Ở vi khuẩn, các protein kìm hãm là các yếu tố kiểmsoát quan trọng các đoạn đặc hiệu "im lặng" của DNA của một tế bào. Ở các cơ thể có tổ chứccao hơn, sự sinh trưởng và biệt hoá được kiểm soát bởi các protein yếu tố sinh trưởng. Chẳnghạn, yếu tố sinh trưởng thần kinh hướng dẫn sự hình thành mạng lưới neuron. Hoạt tính củacác tế bào khác nhau trong các cơ thể đa tế bào được điều phối bởi các hormone. Chẳng hạnnhư Insuline và hormone tuyến giáp đều là protein. Như vậy, protein hoạt động trong các tếbào như là các cảm thụ quan (sensor) kiểm soát dòng năng lượng và các quá trình khác. Cung cấp năng lượng: khi bị phân giải 1 gam protein cung cấp cho cơ thể 4,1 kcal. 2. Cấu tạo của protein Protein được cấu tạo từ các nguyên tố hoá học phổ biến trong tự nhiên và theo một tỷ lệlà (% khối lượng protein): C: 50-54%; O: 20-23%; H: 6-7%; N ≈ 16%. Ngoài ra còn có S, P, Fe,... Ở protein cấu trúc là cơ sở của chức năng, nên việc tìm hiểu về cấu trúc của chúng làvấn đề số một. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và từ đó cũng có hàng loạt các phươngpháp, phương tiện và đi đôi với chúng là hàng loạt các phát hiện mới trong cấu trúc củaprotein như cấu trúc của các hormone, các enzyme, các kháng thể và đặc biệt là cấu trúcDNA... Trước hết phải hiểu được đơn vị cấu tạo nên mọi loại protein đó là các acid amin. 2.1. Acid amin- đơn vị cơ bản cấu tạo nên protein 2.1.1. Định nghĩa Acid amin-đơn vị cơ bản cấu tạo nên protein, là những monome để tạo nên chất polymeprotein. Công thức chung của acid amin là: R CH NH2 COOH Trong cấu tạo của acid amin ta thấy có một nhóm carboxyl mang tính acid, một nhómamin mang tính kiềm nằm ở vị trí Carbon α (nguyên tử Carbon có tên là α bởi vì nó đứng kếcận nhóm Carboxyl) nên còn có tên là α-aminoacid, một nguyên tử Hydrogen và một nhóm Rcó bản chất khác nhau. Nhóm R được biểu thị như là một chuỗi bên. Gốc R khác nhau và tạonên các acid amin khác nhau. Trong tự nhiên người ta đã tìm được 250 loại acid amin nhưngprotein trong cơ thể sinh vật mặc dù khác nhau cũng chỉ chứa trong số 20 loại acid amin nhấtđịnh mà thôi.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 4 http://www.ebook.edu.vn
  11. 11. Các acid amin trong dung dịch pH trung tính chủ yếu ở dạng lưỡng cực (Zwidterions)hơn là dạng các phân tử không ion hoá. Trong dạng lưỡng cực của acid amin thì nhóm amin ởdạng (-NH3+) và nhóm Carboxyl bị phân ly (- COO-). Trạng thái ion hoá của một acid aminthay đổi theo pH. Trong dung dịch acid (pH =1) nhóm Carboxyl không bị ion hoá (- COOH)và nhóm amin lại bị ion hoá (- NH3+). NH2 NH3+ H C COOH H C COO- R R (Dạng không Ion hoá) (Dạng Ion lưỡng cực hoặc Zwidterion) Trong dung dịch kiềm (pH =11), nhóm Carboxyl bị ion hoá (- COO-) và nhóm amin lạikhông bị ion hoá (-NH2). Đối với Glycine, pK của nhóm Carboxyl là 2,3 và của nhóm amin là9,6. Nói một cách khác, là điểm giữa của sự ion hoá thứ nhất ở pH 2,3 và sự ion hoá thứ hai ởpH 9,6. Khối tứ diện của 4 nhóm bao quanh nguyên tử carbon α tạo nên hoạt tính quang họctrên các acid amin. Hai dạng hình ảnh đối diện qua gương được gọi là đồng phân quay cựctrái L và đồng phân quay cực phải D. Chỉ những L acid amin mới tham gia cấu trúc Protein. Có 20 loại chuỗi bên khác nhau về kích thước, hình dạng, diện tích, khả năng liên kếtHydrogen cũng như tính phản ứng hoá học thường thấy ở các protein. Thật vậy, các proteintrong tất cả các mẫu từ vi khuẩn tới người đều được cấu trúc từ cùng một bộ 20 acid amin.Những chức năng quan trọng của protein là do tính đa dạng và sự linh hoạt của 20 loại acidamin này. Chúng ta sẽ khảo sát những phương thức mà điều cơ bản này đã tạo nên cấu trúckhông gian 3 chiều phức tạp để cho protein có thể thực hiện được nhiều quá trình sinh học. Đơn giản nhất là glycine, nó có đúng một nguyên tử Hydrogen ở chuỗi bên (Hình 1.1).Tiếp đó là Alanine, có một nhóm methyl. Các chuỗi bên hydrat carbon lớn hơn (3 và 4 C ) cóở valine, leucine và isoleucine. Những chuỗi bên lớn hơn này là kỵ nước (Hydrophobic) tức lànó ghét nước và thích cụm lại. Cấu trúc 3 chiều của các protein hoà tan trong nước được ổnđịnh bởi sự cụm lại của các chuỗi bên kỵ nước. Hình dạng và kích thước của các chuỗi bênhydrat carbon này (Hình 1.1) làm cho chúng có thể bao với nhau tạo nên cấu trúc đặc cùngvới các lỗ.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 5 http://www.ebook.edu.vn
  12. 12. Hình 1.1: Công thức của các acid amin có chuỗi bên béo Proline cũng có một chuỗi bên nhưng khác với chuỗi bên của các thành viên khác củaacid amin là nó gắn cả với nguyên tử nidrogen và cả nguyên tử carbon α. Cấu trúc chu trìnhđược tạo thành (Hình 1.2) ảnh hưởng đáng kể đến kiến tạo protein. Proline thường thấy ởnhững chỗ thắt nút của chuỗi protein cuộn, và không ghét nước. O C OH HN Proline (Pro, P) Hình 1.2. Cấu trúc phân tử Proline 3 acid amin có chuỗi bên thơm (Hình 1..3) là Phenylalanine như tên của nó đã chỉ rõ,có chứa một vòng phenyl gắn với một nhóm methylene (- CH2 -). Vòng thơm của Tyrosinechứa một nhóm Hydroxyl tạo cho Tyrosine ít kỵ nước hơn so với Phenylalanine. Tuy nhiên,nhóm Hydroxyl này có tính phản ứng ngược lại với các chuỗi bên trơ của các amin acid khác.Tryptophan có một vòng indole nối với một nhóm methylene; chuỗi bên này có một nguyêntử nidrogen thêm vào các nguyên tử carbon và hydrogen. Phenylalanine và Tryptophan kỵnước cao. Vòng thơm của Phenylalanine, Tryptophan và Tyrosine có chứa mây điện trở ∏không định vị (delocalized) làm cho chúng tương tác được với hệ thống ∏ khác và với cácđiện tử vận chuyển.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 6 http://www.ebook.edu.vn
  13. 13. Hình 1.3: Các acid amin thơm. Nguyên tử lưu huỳnh có ở chuỗi bên của 2 α-aminoacid (Hình 1.4). Cystein chứa mộtnhóm sulfhydryl (- SH) và Methionine chứa một nguyên tử lưu huỳnh trong liên kết Thioester(- S - CH3). Cả 2 chuỗi bên chứa lưu huỳnh đều ghét nước. Nhóm sulfhydryl của Cystein cótính phản ứng cao. Cystein giữ một vai trò đặc biệt trong cấu hình của một số protein bằngcách tạo các liên kết disulfide. Hình 1.4: Các acid amin chứa lưu huỳnh. Hai acid amin Serine và Threonine có chứa các nhóm Hydroxyl (Hình 1.5). NhómHydroxyl trên Serine và Threonine làm cho chúng ưa nước hơn và có tính phản ứng hơnAlanine và Valine. Threonine cũng giống như Isoleucine có chứa 2 trung tâm bất đối. Tất cảcác acid amin khác trong bộ cơ bản 20 trừ glycine đều có 1 trung tâm bất đối (nguyên tửcarbon α). Glycine là chất duy nhất (unique) bất hoạt quang học.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 7 http://www.ebook.edu.vn
  14. 14. Hình 1.5: Các acid amin chứa nhóm OH. Các acid amin có chuỗi bên rất phân cực và làm chúng ưa nước là Histidine, Lysine vàArginine. Lysine và Arginine tích điện dương ở pH trung tính. Histidine có thể không tíchđiện hay tích điện dương, tuỳ thuộc vào môi trường của nó. Histidine thường thấy ở các vị tríhoạt hoá của Enzyme, ở đó vòng imidazole có thể chuyển đổi giữa các trạng thái để xúc tác bẻgãy các liên kết. Những acid amin kiềm được ghi trong hình (1.6). Các chuỗi bên của Arginine và Lysinelà dài nhất trong số 20 acid amin Hình 1.6: Các acid amin kiềm tính. Các acid amin chứa chuỗi bên acid là Aspartic và glutamic. Các acid amin này thườnggọi là Aspartate và glutamate để nhấn mạnh rằng chuỗi bên của chúng gần như luôn luôn tíchđiện âm ở điều kiện pH sinh lý (Hình 1.7). Những dẫn xuất không tích điện của glutamate vàaspartate là glutamine và asparagine.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 8 http://www.ebook.edu.vn
  15. 15. O O O O H 2N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH H2N CH C OH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C O CH2 C O C O OH C O NH2 NH2 OH Axit Aspartic Asparagin Axit Glutamic Glutamin Hình1.7: Các acid amin có tính acid và các amide của chúng. Ngoài ra còn 2 acid amin có chuỗi bên là nhóm kị nước và có chứa lưu huỳnh là Norleucin và Cystin là dẫn xuất của Leucin và Cystein CH3-CH2-CH2-CH2-CH- COOH CH2- S ⎯ S - CH2 ⎜ ⎜ ⎜ NH2 CH - NH2 CH - NH2 ⎜ ⎜ COOH COOH Hình 1.8. Cấu trúc phân tử Nor leuxin và CystinTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 9 http://www.ebook.edu.vn
  16. 16. Bảng 1.1 và 1.2. Giá trị pK của các nhóm Ion hoá và viết tắt của các acid amin Giá trị pK đặc trưng và cân bằng đối với sự ion hoá chuỗi bên của Arginine, Lysine, Histidine, Aspartic và Acid glutamic, Cysteine và Tyrosine được ghi trong bảng (1.1). Hai nhóm khác trong protein: nhóm cuối α amin (α amin terminal) và nhóm cuối α carboxyl (α carboxyl terminal) có thể bị ion hoá cũng được ghi trong bảng này. Các acid amin thường được ký hiệu hoặc bằng 3 chữ viết tắt hoặc một chữ tượng trưng để dễ dàng trong thông tin (bảng 1.2). Viết tắt của các acid amin là 3 chữ đầu tiên tên acid amin trừ trường hợp Acid glutamic (Glu), Acid apartic (Asp), Asparagin (Asn), Glutamine (Gln) và Isoleucine (Ile), Nor leucin (Nor leu). Những tượng trưng của một số ít acid amin là chữ đầu tiên tên acid amin (tức là G cho Glycine và L cho Leucine). 2.1.2. Phân loại acid amin. Phân loại theo hoá học: liên kết thẳng, liên kết vòng; trung tính, acid, base. Phân loại theo sinh lý (giá trị dinh dưỡng): acid amin là những chất dinh dưỡng cực kỳ quan trọng đối cơ thể, khi người ta nói đến thức ăn cần có protein tức là cần có các acid amin. Ở cơ thể động vật cao đẳng (người và gia súc) khả năng tự tổng hợp acid amin bị hạn chế, trong số 20 acid amin cần thiết để tổng hợp protein thì những động vật đó chỉ tổng hợp được trên dưới 10 loại. Những acid amin mà cơ thể không tự tổng hợp được người ta gọi là "acid amin cần thiết", còn những acid amin cơ thể tự tổng hợp được được gọi là "acid amin không cần thiết". Do khả năng của mỗi loài động vật khác nhau nên số "acid amin cần thiết" cũng khác nhau, thông thường gồm 9 loại sau: Tre, Met, Val, Leu, Ileu, Lyz, Phe, Try, His. Các acid amin cần thiết này còn phụ thuộc vào lứa tuổi ví dụ ở gà con lại cần Gly và Arg, khi trưởng thành thì lại không cần nữa vì chúng tự tổng hợp được. Acid amin trong cơ thể ở dạng đồng phân quay cực trái (dạng L) 2.2. Cấu trúc bậc I của protein 2.2.1. Định nghĩa: Đây là cách liên kết giữa các acid amin lại với nhau bằng liên kết peptide để tạo nên chuỗi peptide: -C-N- ⎜⎜ ⎜ O H Liên kết peptide là liên kết hình thành bởi nhóm định chức carboxyl của acid amin này với nhóm định chức amin của acid amin bên cạnh. Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững, để phá vỡ liên kết này, trong phòng thí nghiệm người ta phải dùng những tác nhân mạnh như acid HCl, H2SO4... với nồng độ 4-6 N đun ở nhiệt độ 1020C kéo dài 24 giờ. Đặc tính nổi bật của protein là chúng có cấu trúc 3 chiều. Vào những năm cuối 1930, Linus Pauling và Robert Corey bắt đầu các nghiên cứu các cấu trúc của các acid amin và peptide. Mục đích của họ là biết được khoảng cách và các gốc liên kết tiêu chuẩn của các acid Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 10 http://www.ebook.edu.vn
  17. 17. amin và rồi dùng những thông tin này để dự đoán cấu trúc của protein. Một trong số các phátkiến quan trọng là đơn vị peptide cứng và phẳng (Hình1.9). Hydrogen của nhóm amin thaythế hầu như luôn luôn ở dạng Trans (đối nghịch) với oxy của nhóm carbonyl chỉ trừ liên kếtpeptide X-pro (X là gốc bất kỳ), nó có thể là cis (cùng một phía) hoặc Trans. Liên kết giữanguyên tử carbon carbonyl và nguyên tử Nidrogen của đơn vị peptide là không tự do để có thểquay được bởi vì liên kết này có đặc tính riêng. Chiều dài của liên kết này là 1,32 A0 nó nằm giữa chiều dài liên kết của liên kết đơn (-N(1,46 A0) và liên kết đôi (=N (1,51 A0). Ngược lại, liên kết giữa nguyên tử Carbon α vànguyên tử Carbon Carbonyl lại là liên kết đơn thật sự. Liên kết giữa nguyên tử Carbon α vànguyên tử Nidrogen peptide cũng là một liên kết đơn thuần khiết. Cuối cùng, có một mức độlớn về sự tự do quay xung quanh những liên kết này ở phía đơn vị peptide cứng (Hình 1.9).Độ cứng của liên kết peptide tạo cho protein có dạng 3 chiều xác định. Sự tự do quay ở phíađơn vị peptide cũng có tầm quan trọng tương đương bởi vì nó cho phép protein cuộn lại theonhiều cách. Angstrom (A) - đơn vị đo chiều dài bằng 10-10 met. 1 A0 = 10-10m = 10-8cm = 10-μm =10-1nm. Anders J. Angstrom (1814 - 1874) Hình1.9. Cấu trúc một đơn vị peptide. 2.2.2. Đặc điểm của cấu trúc bậc I: có 2 dặc điểm quan trọng là: Thứ tự sắp xếp trước sau của acid amin trong chuỗi. Ví dụ: có 3 loại: Val, Tre, Lyz sẽcó các cách sắp xếp sau: Val - Tre - Lyz, Tre - Lyz - Val, Lyz - Tre - Val, Val - Lyz - Tre, Tre - Val - Lyz,Lyz - Val - Tre Như vậy có 6 kiểu và quy luật là 3! = 1.2.3 = 6 kiểu và tạo nên 6 loại peptide khác nhau.Vậy với 20 loại acid amin thì sẽ có 20! và sẽ tạo ra số lượng các loại protein khác nhau là rấtlớn. Chính nhờ khả năng sắp xếp hết sức phong phú này của các acid amin trong chuỗipeptide mà tuy chỉ có 20 loại acid amin ta thấy thế giới sinh vật hết sức đa dạng.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 11 http://www.ebook.edu.vn
  18. 18. Trong chuỗi, đầu chuỗi bao giờ cũng có nhóm amin tự do, cuối chuỗi có nhóm carboxyltự do. Số lượng các acid amin trong chuỗi làm cho chuỗi peptide dài ngắn khác nhau: 2 acidamin gọi là đi peptide, 3 gọi là tri peptide, 4-10 gọi là olygopeptide và >10 gọi là polypeptide.Khối lượng phân tử của chuỗi peptide phụ thuộc vào điều này. Trung bình mỗi chuỗi cókhoảng 150 acid amin ví dụ Insuline có 51 acid amin, glucagon có 19 acid amin... Sự khác nhau của các protein về cấu trúc bậc I tạo nên tính đặc trưng sinh học củaprotein từ đó quyết định đặc tính, tính trạng của sinh vật. Tính đặc trưng này riêng cho từngloại protein và được di truyền rất chặt chẽ qua nhiều thế hệ (được mã hoá trong DNA) 2.3. Cấu trúc bậc II của protein 2.3.1. Định nghĩa: Là cách xoắn gọn lại của chuỗi peptide, tạo cho chuỗi peptide nhữngđoạn xoắn kiểu xoắn α hay gấp nếp β. Năm 1951 Linus Pauling và Robert Corey giả định có 2 cấu trúc polypeptide là xoắn αvà nếp gấp β. Xoắn α là một cấu trúc giống như một cái gậy. Chuỗi polypeptide liên kết chínhcuộn chặt lại tạo nên phần bên trong của gậy, còn các chuỗi bên trải rộng ra ngoài trong mộthình xoắn (Hình 1.10). Xoắn α được ổn định bởi liên kết hydrogen giữa các nhóm NH và COcủa chuỗi chính. Nhóm CO của mỗi acid amin tạo liên kết Hydrogen với nhóm NH của acidamin cách 4 gốc về phía trước (Hình1.10). Trong xoắn α, nhóm CO của gốc n liên kếtHydrogen với nhóm NH của gốc (n + 4). Như vậy tất cả các nhóm CO và NH của chuỗi chínhđều được liên kết Hydrogen. Gốc nọ cách gốc kia 1,5 A0 dọc theo trục xoắn và góc quay là100° gồm 3,6 gốc acid amin cho một chu kỳ xoắn. Như vậy các amin acid được trải rộng lạirất gần về mặt không gian trong xoắn α. Khoảng cách của xoắn α là 1,5 A0 và khoảng cáchtrong một chu kỳ (3,6 gốc) là 5,4 A0. Vòng xoắn có thể là bên phải (Clockwise) thuận chiều kim đồng hồ hoặc bên trái(counter clockwise) đối kim đồng hồ. Các xoắn α của protein là quay phải. Mức xoắn α củaprotein rất rộng từ 0 tới gần 100%. Ví dụ Enzyme tiêu hoá chymotrypsin không có xoắn α.Ngược lại myoglobin và hemoglobin có tới 75 % là xoắn α. Xoắn α đơn thường có chiều dàinhỏ hơn 45 A0. Tuy nhiên, hai hay nhiều xoắn α có thể đan với nhau để tạo nên những cấutrúc rất ổn định nó có thể dài đến 1000 A0 (100nm hay 0,1μm) hoặc hơn. Những xoắn α(Hình 1.11) thấy ở Myosin và Tropomyosin của cơ, fibrin trong các cục máu và keratin trongtóc. Các cáp xoắn trong những protein này giữ vai trò cơ học trong việc hình thành những bórắn chắc của các sợi như trong lông lợn. Cấu trúc xoắn α được Pauling và Corey suy diễn khoảng 10 năm trước đây khi họ quansát qua cấu trúc tia X của Myoglobin. Sự giải thích về cấu trúc của xoắn α là một bước ngoặttrong sinh học phân tử bởi vì nó chứng minh được rằng cấu trúc của một chuỗi polypeptide cóthể được dự đoán nếu bản chất các thành phần của nó đã được hiểu một cách chính xác vàtuân theo một nguyên tắc nghiêm ngặt. Pauling và Corey cũng đã phát hiện một cấu trúc khác là nếp gấp β (gọi là β bởi vì nóđược xác định là cấu trúc thứ hai còn xoắn α là thứ nhất). Nếp gấp β khác nhiều so với xoắnα. Một chuỗi polypeptide trong nếp gấp β gọi là một dây (sợi) β hầu như được duỗi ra hoànTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 12 http://www.ebook.edu.vn
  19. 19. toàn chứ không cuộn chặt như trong xoắn α. Dạng nếp gấp β được ổn định bởi liên kết disunfid (- s - s -) liên kết này được hình thành từ 2 nhóm sulfihydryl (-SH) của 2 acid amin Cyskhi chúng ở gần nhau trong không gian. Dạng gấp nếp β có bước xoắn thưa thường có ởnhững protein dạng sợi như keratin ở lông, tóc, sừng, móng. Khoảng cách trục giữa các acid amin kế cận là 3,5 A0, ngược lại ở xoắn α là 1,5 A0.Một sai khác nữa là nếp gấp β được làm ổn định bởi các liên kết Hydrogen giữa các nhóm NHvà CO trong các sợi polypeptide khác nhau, trong khi đó ở xoắn α, liên kết Hydrogen là giữacác nhóm NH và CO trong cùng một sợi. Những chuỗi kề cận trong nếp gấp β có thể chạycùng một hướng (nếp β song song) hoặc các hướng đối nghịch (nếp β đối song song) (hình1.12), ví dụ như các sợi tơ bao gồm chủ yếu các nếp gấp β. Gấp β là một cấu trúc có trongnhiều protein. Những đơn vị cấu trúc này thông thường bao gồm từ 2 đến 5 sợi song songhoặc đối song song..Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 13 http://www.ebook.edu.vn
  20. 20. Hình 1.10. Xoắn α Hình 1.11. Siêu xoắn α.Hình 1.12. Cấu trúc đối β. Các sợi β mới tạo thành chạy theo những hướng ngược lại. 2.4. Cấu trúc bậc III của protein 2.4.1. Định nghĩa: Là cách xắp xếp gọn lại trong không gian của chuỗi peptide khi đãcó cấu trúc bậc II. 2.4.2. Các lực nối ổn định cấu trúc bậc III: Lực disulfid - S - S - liên kết này được hình thành từ 2 nhóm sulfihydryl (-SH ) của 2acid amin Cys khi chúng ở gần nhau trong không gian khoảng 2 lần đường kính phân tử. Đâylà liên kết đồng hoá trị nên tương đối bền vững (W = 4-5Kcal/mol), tuy nhiên số lượng liênTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 14 http://www.ebook.edu.vn
  21. 21. kết này ít (4-6 liên kết trong 1 phân tử) nên tác dụng ổn định cấu trúc bậc III là không giữ vaitrò quyết định. Một số protein có chứa liên kết disulfide. Sự liên kết chéo giữa các chuỗi hoặc giữa cácbộ phận của một chuỗi được tạo ra bởi sự oxy hoá của các gốc Cystein disulfide để tạo thànhliên kết disulfide (hình 1.13). Các protein trong nội bào thường thiếu liên kết disulfide, trongkhi đó các protein ngoại bào thường chứa một vài liên kết này. Dẫn xuất của những liên kếtchéo không lưu huỳnh của các chuỗi bên của lysine cũng có mặt trong một số protein. Chẳnghạn như, các sợi collagen ở mô liên kết làm cho mô này vững chắc, hay là các sợi đông máu Hình1.13 Cầu Disulfide (-S-S-)được hình thành từ các nhóm SH của Cys trongInsuline Có thể nói cấu trúc bậc III của protein chủ yếu ổn định được là nhờ một loạt các liên kếtphụ, có lực nối yếu, nhưng có mặt ở khắp mọi nơi trong phân tử protein. Đó là: Liên kết Hydro > N....H... N <. Đây là liên kết xuất hiện trong trường hợp chất có hiệntượng phân cực, giữa hai nhóm mang điện tích âm có khoảng cách 2-3 A0 có hydro ở giữa Liên kết của các nhóm kỵ nước (nhóm không ưa nước, chỉ chứa C, H như: Val, Leu...)nhóm này có tính đẩy nước và bị nước đẩy, trong dung dịch keo khi chúng gần nhau sẽ tạothành một đám tạo nên lực liên kết. Lực Valderval (lực hấp dẫn vi mô): là lực nối xuất hiện giữa các nhóm phân tử khichúng nằm gần nhau một khoảng cách bằng 1,5-2 lần đường kính phân tử. Liên kết ion xuất hiện giữa các acid amin còn dư nhóm cacboxyl (-COOH) và nhómamin (-NH2 ) trong dung dịch chúng phân ly thành các ion COO- và NH3+. Liên kết peptide xuất hiện giữa các acid amin còn dư nhóm -COOH và -NH2 khi chúngở gần nhau (số lượng liên kết này cũng rất ít). ( Hình 1.14)Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 15 http://www.ebook.edu.vn
  22. 22. Hình 1.14. Mô hình các liên kết trong cấu trúc bậc III của protein Đặc điểm của các liên kết này là năng lượng liên kết thấp, nó là liên kết yếu nhưng nócó mặt ở khắp nơi trong phân tử protein cho nên tác dụng ổn định cấu trúc của nó là rất lớn,đồng thời do yếu nên dễ chịu ảnh hưởng tác dụng của môi trường (t0 và pH). 2.4.3. Hệ quả của cấu trúc bậc III: Trong cấu trúc bậc III có một điều có ý nghĩa quyết định đối với hoạt tính của proteinlà thông qua việc hình thành cấu trúc bậc III trong phân tử protein hình thành nên các trungtâm hoạt động: Trung tâm hoạt động là yếu tố bắt buộc phải có ở các protein chức năng (enzyme, khángthể...), là nơi tiếp xúc giữa protein với đối tượng tác động, là nơi thực hiện các phản ứng hoásinh của protein. Trung tâm hoạt động được hình thành từ một số acid amin bình thường nằm xa nhaudọc theo chuỗi peptide, nhưng nhờ có cấu trúc bậc III mà chúng được gần nhau trong khônggian để phối hợp với nhau thực hiện chức năng của protein như trypsinogen ( Hình 1.15) Hình 1.15: Cấu trúc của trypsinogenTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 16 http://www.ebook.edu.vn
  23. 23. Các gốc acid amin thường tham gia vào trung tâm hoạt động là: Cys với nhóm -SH, Ser,Tyr, Tre với nhóm - OH; Lyz, Arg với nhóm -NH2, Glu, Asp với nhóm –COOH, His vớinhóm imidazon. Có thể nói trung tâm hoạt động của protein có được là nhờ có cấu trúc bậc III và ổn địnhđược là nhờ sự ổn định của cấu trúc bậc III. Vì lý do trên tất cả những yếu tố gì ảnh tới cácliên kết duy trì cấu trúc bậc III đều ảnh hưởng tới trung tâm hoạt động, ảnh hưởng này có thểtích cực hoặc tiêu cực đối với chức năng của protein, nếu là ảnh hưởng tích cực làm choprotein thực hiện chức năng thuận lợi hơn ta gọi đó là hiện tượng hoạt hoá protein, ngược lạinếu là ảnh hưởng tiêu cực làm rối loạn méo mó cấu trúc bậc III, làm cho protein hoạt độngyếu đi, thậm chí không hoạt động, người ta gọi là hiện tượng ức chế hoặc làm tê liệt chứcnăng của protein. Những yếu tố ảnh hưởng tới trung tâm hoạt động là những yếu tố ảnh hưởng tới các liênkết trong cấu trúc bậc III từ đó ảnh hưởng tới hoạt tính của protein. Trong cơ thể động vật cácyếu tố đó là t0 và độ pH. Ở động vật, nhiệt độ ổn định của cơ thể có những trị số nhất định(người: 36-37 0C, trâu bò 37-380C, gia cầm 39-410C...), mỗi một mô bào tuỳ theo chức năngmà có độ pH riêng của mình. Nhiệt độ và độ pH là điều kiện tối ưu của những protein chứcnăng. 2.5. Cấu trúc bậc IV của protein. 2.5.1. Định nghĩa: Là cách tập hợp, kết hợp với nhau của một số tiểu phần protein đãcó cấu trúc bậc III tạo nên những tổ hợp phức tạp và qua đó tạo cho phân tử protein có nhữngđặc tính mới. Ví dụ: Hb có 4 tiểu phần liên kết với nhau bằng cấu trúc bậc IV theo hình tứ diện đều. Phân tử enzyme Phosphorylase thực hiện phản ứng phân giải glycogen thành glucosetrong chuyển hoá đường, khi ở trạng thái dime (dạng phosphorylase b) chúng không có hoạtlực, khi chuyển sang dạng tetrame (dạng phosphorylase a) thì chúng có hoạt lực: P P 4ATP 4ADP O-O O-O Protein-kinase O-O P P Phosphorylase ‘b’ dạng dime Phosphorylase ‘a’ dạng tetrame 2.5.2. Ý nghĩa: đây là cách điều hoà hoạt tính của protein đồng thời tiết kiệm đượcnguyên liệu. 3. Cắt và sửa đổi protein tạo nên các khả năng mới. Nhiều trong số 20 acid amin có thể bị thay đổi sau khi chuỗi polypeptide đã được tổnghợp nên đã làm tăng thêm khả năng của protein. Ví dụ các amin chót của nhiều protein đãacetyl hoá, điều đó làm cho protein tăng sự kháng lại sự phân giải. Ở các collagen tổng hợpmới, nhiều gốc protein đã hydroxyl hoá để tạo hydroxyproline (Hình 1.16). Những nhómTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 17 http://www.ebook.edu.vn
  24. 24. hydroxyl được thêm vào đã làm ổn định sợi collagen. Ý nghĩa sinh học của sự sửa đổi này đãđược dẫn ra trong bệnh thiếu vitamin C (Scurvy) nguyên nhân là do sự hydroxyl hoá khôngđầy đủ của collagen vì thiếu vitamin C. Các amin acid chuyên biệt khác cũng được tạo ra nhưγ - carboxyglutamate. Khi thiếu vitamin K, sự carboxyl hoá không đủ của glutamate trongprothrombin, một nhóm protein đóng cục do đó dẫn tới sự xuất huyết. Hầu hết các protein,chẳng hạn như các kháng thể được tiết ra bởi các tế bào đòi hỏi phải có đơn vị carbohydratetrên các gốc asparagine đặc hiệu. Việc thêm carbohydrate vào làm cho protein ưa nước hơn.Ngược lại, một protein có thể trở nên ghét nước hơn nếu thêm một acid béo vào nhóm α-aminhoặc một nhóm sulfhydryl của Cystein. Nhiều Hormone, chẳng hạn như Adrenalin, đã làm thay đổi hoạt tính của nhiều Enzymedo sự kích thích phosphoryl hoá của acid amin hydroxyl là serine và Threonine.Phosphoserine và phosphothreonine là các acid amin được sửa đổi thường xuyên nhất trongcác protein. Các yếu tố sinh trưởng tác động bằng cách tạo nên sự phosphoryl hoá nhómhydroxyl của Tyrosine để tạo nên phosphoTyrosine. Các nhóm phosphate trên 3 acid aminsửa đổi này có thể bị loại đi, làm cho chúng có thể tác động như sự chuyển đổi nghịch trongsự điều hoà các quá trình của tế bào. Thật vậy, một số gen sản sinh ung thư (oncogene) tácđộng bằng cách kích thích sự phosphoryl hoá dư thừa các gốc Tyrosine trên các protein kiểmsoát sự tăng sinh của tế bào. Hình 1.16: Sự sửa đổi các gốc acid amin ở một số protein. Nhiều protein bị cắt xén sau khi sinh tổng hợp. Chẳng hạn như các Enzyme tiêu hoákhi được tổng hợp, tiền thân của nó là bất hoạt có thể cất giữ an toàn ở tuỵ. Sau khi được giảiphóng vào đường tiêu hoá, những tiền thân này trở nên hoạt hoá do cắt đi liên kết peptide.Trong quá trình đông máu, fibrinogen hoà tan chuyển thành fibrin không hoà tan cũng do sựcắt bớt liên kết peptide. Nhiều hormone polypeptide chẳng hạn như adrenocorticotropin do sựchẻ nhỏ của một protein tiền thân. Cũng giống như vậy, các protein của poliovirus được tạonên do sự xén bớt của một polyprotein tiền thân lớn hơn. Một vài protein chủ chốt của Virus-1 (HIV-1) gây nên AIDS là do sự cắt xén đặc hiệu của một tiền thân dài hơn.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 18 http://www.ebook.edu.vn
  25. 25. Các chuỗi Polypeptide có thể đảo hướng do sự quay gấp. Nhiều protein có hình cầu,gọn có sự đảo hướng trong các chuỗi polypeptide của chúng. Nhiều sự đổi hướng được hoàntất bởi một yếu tố cấu trúc gọi là sự đổi hướng β. Trong sự quay này nhóm CO gốc (n) liênkết Hydrogen với nhóm NH của gốc (n + 3) (Hình 1.17). Như vậy một chuỗi polypeptide cóthể đổi hướng một cách bất ngờ. Sự đổi hướng β thường để nối các sợi β đối song song. Nócũng được hiểu như là sự đổi hướng hay sự bẻ gập đột ngột. Xoắn Collagen được ổn định bởi Proline và Hydroxypoline. Một dạng đặc biệt của xoắn có trong Collagen - thành phần sợi chính của da, xươnggân, sụn và răng. Những protein ngoại bào có chứa 3 chuỗi polypeptide xoắn. Mỗi chuỗi dài1000 gốc. Trình tự acid amin của collagen rất điều hoà: gần như 1/3 gốc là glycine, prolinechiếm 12%. Hơn nữa collagene có chứa 2 acid amin hiếm gặp là Hydroxyproline vàhydroxylusine. Trình tự glycine - Proline - Hydroxyproline (Gly - Pro - Hyp) cũng thườngđược tái diễn (Hình 1.18). Collagen là một phân tử hình que dài khoảng 3000 A0 nhưng đường kính chỉ 15 A0.Hoạ tiết xoắn 3 (Hình1.18) hoàn toàn khác với xoắn α. Liên kết Hydrogen có trong nội bộmột sợi. 3 dây cuộn lại với nhau tạo nên cáp siêu xoắn. Khoảng cách trục cho 1 gốc trong siêuxoắn là 2,9 A0 và có gần 3 gốc cho một chu trình. 3 dây này có liên kết Hydrogen với nhau.Chất cho Hydrogen là nhóm NH peptide của gốc glycine và chất nhận hydrogen là nhóm COcuả các chuỗi khác. Nhóm Hydroxyl của các gốc Hydroxyproline cũng tham gia trong liên kếtHydrogen. Đến bây giờ chúng ta đã hiểu tại sao glycine chiếm 1/3 vị trí trải dài hàng nghìn gốc tạonên vùng xoắn của collagen. Phía bên trong của cáp dây 3 này rất chặt. Vì vậy, chỉ có glycinelà có thể vừa khít ở vị trí bên trong này. Vì có 3 gốc cho một chu trình xoắn, cho nên phải có1/3 gốc trên mỗi dây là glycine. Khi quan sát sợi collagen ta thấy có vằn ngang, đó là các phân tử Tropocolagen ở cácdẫy kề nhau xếp lệch nhau 1/4 phân tử. Trên cùng một dẫy, giữa phân tử Tropocollagen cómột khớp dài 400 A0. H×nh 1.17: §¶o h−íng quay cña peptide.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 19 http://www.ebook.edu.vn
  26. 26. Protein giÇu liªn kÕt hydrogen. Nh÷ng nh©n tè nµo x¸c ®Þnh cÊu tróc 3 chiÒu cñaprotein? C¸c t−¬ng t¸c ph©n tö trong c¸c hÖ thèng sinh häc ®Òu qua 3 nh©n tè trung gian: liªnkÕt tÜnh ®iÖn, liªn kÕt Hydrogen vµ liªn kÕt Valderval. Chóng ta còng ® thÊy liªn kÕtHydrogen gi÷a c¸c nhãm NH vµ CO cña chuçi chÝnh ®Ó t¹o xo¾n α, nÕp gÊp β vµ c¸pcollagen. Trong thùc tÕ, c¸c chuçi bªn cña 11 trong sè 20 acid amin nÒn t¶ng ®Òu cã thÓ thamgia liªn kÕt Hydrogen. V× thÕ chóng ta nãi c¸c acid amin nµy cã tiÒm n¨ng liªn kÕt Hydrogen: 1. C¸c chuçi bªn cña Tryptophan vµ Arginine cã thÓ ho¹t ®éng chØ nh− chÊt cho liªn kÕtHydrogen (Hydrogen bond donor). 2. Còng gièng nh− chÝnh ®¬n vÞ peptide, c¸c chuçi bªn cña Asparagine, Glutanine vµThreonine ho¹t ®éng nh− nh÷ng chÊt cho vµ nhËn liªn kÕt Hydrogen. 3..Kh¶ n¨ng liªn kÕt Hydrogen cña Lysine (vµ nhãm cuèi Amin), Aspartic vµ Acidglutamic (vµ nhãm cuèi Carboxyl), Tyrosine vµ Histidine thay ®æi theo pH. C¸c nhãm nµy cãthÓ ho¹t ®éng víi t− c¸ch lµ chÊt nhËn còng nh− chÊt cho trong mét thang pH x¸c ®Þnh vµ víit− c¸ch lµ chÊt nhËn hoÆc chÊt cho (chø kh«ng ph¶i c¶ hai) ë nh÷ng pH kh¸c nh− Aspartatevµ Glutamate trªn h×nh (1.19). MÉu h×nh liªn kÕt Hydrogen cña c¸c gèc cã thÓ ion ho¸ nµy lµphô thuéc pH. Trình tự acid amin của chuỗi Collagen Cấu trúc một chuỗi Collagen xoắn ba Hình 1.18 Cấu trúc của Collagen xoắn ba. Nhóm cho hydrogen của tryptophan Nhóm cho hydrogen của Arginine Hình1.19: Các nhóm liên kết hydrogen của một số chuỗi bên ở protein. Protein hoà tan trong nước cuộn lại trong các cấu trúc thích hợp có các lõi khôngphân cực.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 20 http://www.ebook.edu.vn
  27. 27. Những nghiên cứu tia X chỉ rõ chi tiết cấu trúc 3 chiều của trên 300 protein. Chúng tabắt đầu với Myoglobuline, protein đầu tiên được nhìn nhận chi tiết ở mức nguyên tử. Myoglobine, là chất dự trữ oxy ở cơ, nó là một chuỗi polypeptide đơn với 153 acidamin, khối lượng phân tử là 18Kd. Myoglobine có khả năng gắn với oxy phụ thuộc vào sự cómặt của Hem, một nhóm prosthetic không polypeptide bao gồm protoporphyrin và mộtnguyên tử sắt ở trung tâm. Myoglobine là một phân tử cực kỳ thích hợp với chức năng vậnchuyển O2. Kích thước của nó là 45 x 35 x 25A0. Cấu trúc bậc 1 của Myoglobine là các xoắnα, phân tử này có 8 xoắn. Khoảng 70% chuỗi chính cuộn lại trong các xoắn α và nhiều phầncòn lại của chuỗi tạo thành các chu trình giữa các xoắn. Có 4 vòng chứa proline, có xu hướnglàm phá vỡ các xoắn α bởi vì nó làm chướng ngại không gian bởi một vòng 5 rắn chắc (rigid). Sự cuộn lại của chuỗi chính ở Myoglobine cũng giống như các protein khác, nó là mộtphức hợp và không cân đối. Sự thật nổi bật là ở bên trong bao gồm hầu hết các gốc khôngphân cực như Leucine, Valine, Methionine và Phenylalanine. Những gốc phân cực nhưAspartate, Glutamate, Lysine và Arginine không có mặt trong Myoglobine. Riêng chỉ có vàigốc phân cực có mặt ở phía trong là 2 Histidine giữ vai trò đặc biệt trong việc gắn oxy củaHem. Mặt khác, phía ngoài của Myoglobine lại chứa cả những gốc phân cực và không phâncực. Mô hình không gian đầy đủ cũng chỉ rõ rằng nó có rất ít khoảng trống ở bên trong.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 21 http://www.ebook.edu.vn
  28. 28. Hình 1.20. Phân tử Ribonuclease Sự phân phối đối nghịch của các gốc phân cực và không phân cực đã vạch rõ nhữngkhía cạnh có tính chất chìa khoá của kiến trúc protein. Trong một môi trường nước, cácprotein cuộn lại là do khuynh hướng loại trừ nước mạnh mẽ của các gốc kỵ nước. Cần phảinhắc lại rằng nước cấu kết rất cao còn các nhóm kỵ nước lại ổn định nhiệt động hơn khi tụbên trong phân tử. Chuỗi Polypeptide vì thế cuộn lại một cách tự phát để cho các chuỗi bên kỵnước chìm vào bên trong, những chuỗi tích điện phân cực thì nằm trên bề mặt. Số phận củachuỗi chính đi kèm với chuỗi bên kỵ nước cũng rất quan trọng. Bí mật của việc chôn sâu mộtđoạn của chuỗi chính trong một môi trường kỵ nước là để tạo cặp tất cả các nhóm NH và CObằng liên kết Hydrogen. Các cặp đôi này được hoàn thiện trong xoắn α hoặc nếp gấp β. Liênkết Valderval giữa các chuỗi bên Hydrocarbon cũng góp phần làm ổn định cho protein. Bâygiờ thì chúng ta hiểu tại sao bộ 20 acid amin có chứa một vài acid amin khác nhau về hìnhdạng và kích thước một cách tinh tế như vậy. Ribonuclease, một Enzyme tuyến tuỵ phân giải RNA là một ví dụ về các cách khácnhau của cuộn protein. Chuỗi polypeptide đơn này gồm 124 gốc cuộn lại chủ yếu trong cácdây β. Ngược lại, với Myoglobine có chứa các xoắn α nhưng thiếu các dây β. Ribonucleasecũng giống như Myoglobine có chứa bên trong chất không phân cực cao và cuốn rất chặt.Enzyme này được làm ổn định xa hơn bởi 4 liên kết disulfide. Cấu trúc của một protein có thểđược tượng trưng trong dạng xơ đồ tạo với các dây β như những mũi tên rộng còn xoắn α nhưmột đường xoắn và những vùng nối như những sợi dây bện (string). Mô hình Ribonuclease (hình 1.20) của Richardson rất lợi ích cho việc thể hiện các mốiliên quan của các yếu tố trong các protein, đặc biệt là các protein lớn và rất lợi cho việc xácđịnh các tiết hoạ cấu trúc trong các protein khác. Những protein màng không thể thiếu được, nó trải trên các màng sinh học, được thiết kếkhác so với các protein hoà tan trong dung dịch nước. Barrier tính thẩm của màng được tạobởi các Lipide, chúng là các chất kỵ nước mạnh. Như vậy, phần protein màng trải trên vùngnày phải có đầu ngoài kỵ nước, phần vận chuyển màng của protein màng thường bao gồm cácbó xoắn α với các chuỗi bên không phân cực (chẳng hạn như Leucine và Phenylalanine)chúng hướng ra ngoài bề mặt của protein này. 4. Bốn mức cấu trúc của protein. Cấu trúc bậc 1 là trình tự các acid amin. Cấu trúc bậc 2 là sự sắp xếp không gian của cácgốc acid amin, gốc nọ kề gốc kia trong trình tự thẳng. Xoắn α và dây β là các thành viên củacấu trúc bậc 2. Cấu trúc bậc 3 là sự sắp xếp không gian của các gốc acid amin ở xa nhau vàmô hình của liên kết disulfide và các liên kết phụ. Tuy nhiên việc chọn ra cấu trúc bậc 2 haybậc 3 chỉ là cảm giác. Cấu trúc bậc 4 là sự sắp xếp không gian của các đơn vị (Subunid) và bản chất tiếp xúccủa nó. Ví dụ như Hemoglobine, có chứa 2 chuỗi α và 2 chuỗi β. Các đơn vị này giao diệnvới nhau trong một Tetramer để tham gia vào vận chuyển thông tin giữa các vị trí gắn xa đốivới O2, CO2 và H.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 22 http://www.ebook.edu.vn
  29. 29. Những nghiên cứu về cấu trúc chức năng và sự tiến hoá của protein đã vạch rõ tầm quantrọng của 2 mức khác nữa của tổ chức. Cấu trúc siêu bậc 2 (Supersecondary Structure) chỉcụm những cấu trúc bậc 2, chẳng hạn như một dây β tách biệt với một dãy β khác bởi mộtxoắn α đã thấy ở nhiều protein. Hoạ tiết này được gọi là đơn vị βαβ (Hình 1.21). Một số chuỗi polypeptide cuộn lại trong 2 hoặc nhiều hơn các vùng chắc đặc (compact)có thể nối với nhau bởi những đoạn co rãn của chuỗi polypeptide cũng giống như các quả lêtrên một cành. Những đơn vị hình cầu chắc đặc này gọi là domain, có kích thước từ khoảng100 đến 400 gốc acid amin. Chẳng hạn như, chuỗi L25 - Kd của một kháng thể cuộn lại trong2 domain (Hình 1.21). Những đơn vị hình cầu này gắn cái nọ với cái kia, điều đó khiến ngườita cho rằng chúng được xuất hiện do sự nhân đôi của một gen nguyên thuỷ. Một nguyên tắcquan trọng đã được phát hiện từ sự phân tích gen và protein ở Eucaryote bậc cao hơn là Cácdomain protein thường được mã hoá bởi các phần tách biệt của gen gọi là exon. Hình 1.21. Siêu cấu trúc bậc 2 của protein Những protein có nhiều chuỗi polypeptide thì có thêm mức tổ chức cấu trúc. Mỗi chuỗipolypeptide trong những protein như thế gọi là dưới đơn vị ( Subunid ).Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 23 http://www.ebook.edu.vn
  30. 30. 5. Thứ tự các acid amin chuyên hoá cấu trúc không gian của protein Chúng ta hãy xem xét mối quan hệ giữa các thứ tự acid amin của một protein và cấutrúc của nó từ công trình kinh điển của Christian Anfinsen trên Ribonulease. Đó là một chấtsớm được chú ý, Ribonuclease là một chuỗi polypeptide gồm 124 gốc acid amin, 4 liên kếtdisulfide có thể bị cắt đi do việc khử chúng với một thuốc thử như β-mercaptoethanol nó sẽhình thành disulfide hỗn hợp với chuỗi bên Cystein (hình 1..22). Hình 1.22: Sự khử cầu disulfide trong một protein bằng cách cho dư thừa thuốc thử sulfhydryl (R-SH) chẳng hạn như β -mercaptoethanol. Khi cho dư nhiều β-mercaptoethanol thì các disulfide hỗn hợp cũng bị khử, sản phẩmcuối cùng là 1 protein trong đó disulfide (Cystin) được chuyển hoàn toàn thành sulfhydryl(Cysteine). Tuy nhiên, người ra cũng phát hiện rằng Ribonuclease ở 37°C và pH 4 lại khôngbị khử bởi β-mercaptoethanol trừ phi protein này được xử lý với các thuốc thử như urea hoặcguanidine hydrochloride. Mặc dầu cơ chế tác động của các tác nhân này chưa được rõ hoàntoàn, nhưng đã rõ ràng là chúng làm rối loạn các tương tác không đồng hoá trị. Hầu hết cácchuỗi peptide đều không có các liên kết chéo để thừa nhận một cấu trúc cuộn ngẫu nhiêntrong urea 8M hoặc Guanidine HCl 6M. Khi Ribonuclease được xử lý với β-mercaptoethanol trong urea 8M thì sản phẩm là mộtchuỗi polypeptide cuộn lại một cách ngẫu nhiên và bị khử hoàn toàn, nó không có hoạt tínhEnzyme. Nói một cách khác, Ribonuclease đã bị biến tính do sự xử lý này (hình 1..23). Sau đó Anfisen đã có những quan sát đặc biệt về Ribonuclease đã bị biến tính khi loạitrừ urea và β-mercaptoethanol bằng thẩm tích thì hoạt tính Enzyme lại được phục hồi mộtcách chậm chạp. Ông đã lĩnh hội được ý nghĩa của sự phát hiện tình cờ này là: Sulfhydryl củacác Enzyme đã bị biến tính sẽ bị oxi hoá bởi không khí và Enzyme này lại cuộn lại một cáchtự phát trong dạng hoạt hoá xúc tác. Những nghiên cứu chi tiết sau đó đã chỉ ra rằng hầu nhưtất cả hoạt tính Enzyme gốc (original) sẽ được khôi phục nếu nhóm sulfhydryl bị oxi hoá dướinhững điều kiện thích hợp (hình 1..23). Tất cả các đặc tính lý hoá của Enzyme cuộn lại phânbiệt rõ ràng với Enzyme nguyên mẫu (native). Những thí nghiệm này đã chỉ ra rằng thông tinTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 24 http://www.ebook.edu.vn
  31. 31. cần để chuyển hoá phức hợp cấu trúc 3 chiều của Ribonuclease nằm ở trong các thứ tự acidamin. Những nghiên cứu sau này đã xác định một cách tổng quát nguyên lý trung tâm củasinh học phân tử là thứ tự chuyên hoá các cấu trúc hoá học. Một kết quả khác thu được khiRibonuclease đã khử sẽ bị oxi hoá khi ở urea 8M. Chế phẩm này sau đó được thẩm tích đểloại urea. Ribonuclease bị tái oxi hoá theo cách này chỉ có hoạt tính Enzyme 1%. Hình 1.23. Sự hoàn nguyên của ribonuclease Tại sao kết quả của thí nghiệm này khác với kết quả trong đó Ribonuclease đã bị khử sẽlại tái oxi hoá trong dung dịch không có urea? Lý do là tạo vòng đôi disulfide không đúng(wrong) ở phân tử khử khi bị tái oxi hoá vì có tới 105 cách của 8 vòng đôi Cystein để hìnhthành 4 disulfide; nhưng chỉ có một trong số các hợp chất này là có hoạt tính Enzyme. 104vòng đôi sai có tên là Ribonuclease "leo trèo" (Scramble). Sau đó Anfinsen đã thấy cácRibonuclease “leo trèo” này chuyển đổi một cách tự phát thành Ribonuclease nguyên mẫu,đầy đủ hoạt tính khi cho vào một ít β-mercaptoethanol trong dung dịch nước (hình 1..23). β-mercaptoethanol được thêm vào sẽ xúc tác sự sắp xếp lại của các vòng đôi disulfide cho đếnkhi cấu trúc ban đầu được hoàn nguyên, thời gian mất khoảng 10 giờ. Quá trình này đượcthực hiện hoàn toàn bởi việc làm giảm năng lượng tự do nhờ cấu trúc "leo trèo" đã chuyểnthành cấu trúc của Enzyme. Như vậy, dạng ban đầu của Ribonuclease là cấu trúc ổn định nhấtvề nhiệt động học. Tuy nhiên, điều quan trọng là việc cuộn lại của nhiều Enzyme lại được sựtrợ giúp bởi Enzyme, nó xúc tác để đạt tới trạng thái năng lượng thấp nhất. Sự hoà hợp như thế nào của tương tác trung gian để tạo nên sự chuyển ngược từ dạngkhông cuộn sang dạng cuộn của một protein? Cấu trúc của một protein có thể được suy luậnTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 25 http://www.ebook.edu.vn
  32. 32. từ các thứ tự acid amin của nó được không? Những vấn đề này là trung tâm của hoá sinh phântử. Anfinsen (1964) viết: “Cái đập vào tôi gần đây là người ta có thể thật sự thấy được cácthứ tự của một phân tử protein, về sự cuộn lại trong một dạng hình học chính xác giống nhưmột hàng chữ viết đẹp đẽ trong dạng quy chuẩn và sự tạo mẫu với bản chất cuộn lại của nó,tạo nên sự hoà hợp với chức năng sinh học”. 6. Sự gắn đặc hiệu và những thay đổi cấu trúc là cơ sở của tác động protein Bước đầu tiên trong tác động của một protein là việc gắn của nó với phân tử khác.Protein như là một lớp các đại phân tử độc quyền về khả năng nhận biết và tương tác cao vớicác phân tử dẫn suất. Ví dụ như Myoglobin gắn chặt vào một nhóm Hem khi chuỗipolypeptide của nó đã cuộn lại phần nào. Protein cũng kết hợp với các protein khác để tạo nênnhững sự xếp đặt thứ tự cao chẳng hạn như những sợi co giãn ở cơ. Việc gắn các phân tử lạvào protein kháng thể có thể làm cho sự miễn dịch phân biệt được giữa mình và không phảimình. Xa hơn nữa là, sự biểu hiện của nhiều gen bị kiểm soát bởi việc gắn của protein làmnhiệm vụ nhận dạng các thứ tự DNA đặc hiệu. Protein cũng có khả năng tương tác một cáchđặc hiệu với một dẫy các phân tử vì chúng rất tài tình trong việc hình thành các bề mặt và cáckhe bổ cứu. Sự tinh tế của các chuỗi bên trên những bề mặt này và các khe hở có thể làm choprotein tạo được các liên kết hydrogen, liên kết tĩnh điện, liên kết Valderval với các phân tửkhác. Như đã nhấn mạnh ở phần mở đầu của chương này, hầu hết tất cả các phản ứng trong hệthống sinh học đều được xúc tác bởi những protein được gọi là Enzyme. Bây giờ chúng ta sẽđánh giá một cách chính xác là tại sao protein lại giữ vai trò độc quyền trong việc xác địnhmẫu hình (pattern) của các vận chuyển hoá học hay khả năng xúc tác của các protein đi từ khảnăng gắn của chúng với các phân tử cơ chất trong những hướng chính xác và ổn định trongtrạng thái quá độ (transidion) và sự bẻ gãy các liên kết hoá học. Nguyên lý cơ bản này có thểtính được cụ thể bằng một ví dụ đơn giản về sự xúc tác Enzyme, sự hydrat hoá của carbondioxide bởi carbonic anhydrase H2O + CO2 → CHO3- + H+ Carbonic anhydrase làm tăng tốc độ phản ứng lên trên 1.000.000 lần như thế nào? Phầnkích thích tính phản ứng là do tác động của ion kẽm, nó phối hợp các nhóm imidazol của 3gốc histidine trong Enzyme này. Ion kẽm định vị ở đáy của một khe sâu chừng 15A0 dưới bềmặt của protein. Gần kề là một nhóm của gốc nhận biết và gắn carbon dioxide. Khi nước gắnvào ion kẽm thì nó nhanh chóng chuyển thành ion hydroxide, đó là vị trí chính xác để tấncông vào phân tử dioxide carbon gắn tiếp vào nó (hình 1.24.). Ion kẽm này giúp cho sự địnhhướng CO2 cũng như cung cấp một lượng lớn OH-. Carbonic anhydrase cũng giống nhưnhững Enzyme khác, nó là một chất xúc tác cao bởi vì nó đưa cơ chất vào sự gần gũi khônggian và làm thích hợp hướng của các phản ứng.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 26 http://www.ebook.edu.vn
  33. 33. H H His O His O O His Zn++ C O His Zn++ C O - O His His Hình 1.24. Cơ chế phản ứng của carbon anhydrase. Ion hydroxide và carbon dioxide đãđược sắp đặt một cách chính xác để làm thuận lợi cho việc hình thành bicarbonate bởi sự liên kếtcủa chúng với Zn2+. Sự tái diễn khác của xúc tác là việc sử dụng các nhóm tích điện để phân cực cơ chất vàlàm ổn định trạng thái quá độ. . Hình 1.25. Sự tương tác AllostericTrường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 27 http://www.ebook.edu.vn
  34. 34. Điều quan trọng và đáng chú ý nhất là một số protein có nhiều vị trí gắn, các vị trí nàycó sự thông tin với nhau. Sự thay đổi cấu trúc cảm ứng bởi việc gắn một phân tử vào một vịtrí trong một protein đã đẩy các vị trí lệch ra xa trên 20A0. Vì thế, protein có thể được xâydựng để hoạt động như những cầu giao phân tử (molecular swidch) để tiếp nhận, hợp nhất vàtruyền các tín hiệu. Nhiều protein có chứa các vị trí điều hoà gọi là vị trí allosteric kiểm soátviệc gắn của chúng với các phân tử khác và làm thay đổi tốc độ phản ứng của chúng (hình1.25). Ví dụ như, việc gắn oxygen vào nhóm Hem của hemoglobine là kết quả của sự thay đổiviệc gắn H+ và CO2 ở các vị trí xa trong phân tử protein. Sự kiểm soát allosteric trung gian bởi sự thay đổi cấu trúc trong phân tử protein là trungtâm của sự điều hoà trao đổi chất. Trong hệ thần kinh, protein kênh nhạy cảm với đa kíchthích hoạt động như các cổng, giống như cổng trong chip của computer Protein có 2 vị trí gắn có liên quan tới sự thay đổi cấu trúc làm cho nó có khả năngchuyển đổi năng lượng. Giả sử một protein có một vị trí xúc tác cho sự thuỷ phân adenosinetriphosphate (ATP) thành (ADP) là một phản ứng cho năng lượng. Sự thay đổi từTriphosphate tới Diphosphate cảm ứng sự thay đổi vị trí xúc tác, chuyển vị trí gắn sang một vịtrí khác xa hơn trên cùng một protein. Như vậy, enzyme với chức năng như những mô tơ phântử làm thay đổi năng lượng liên kết hoá học trong sự vận động trực tiếp như sự co cơ 7. Đặc tính lý hoá của protein 7.1. Protein tồn tại ở sinh vật ở trạng thái keo: Môi trường trạng thái keo của proteinlà nước. Tiêu chuẩn của hệ keo phụ thuộc vào kích thước hạt hoà tan (1-150mμ). Đặc tính củahệ keo là vừa có đặc tính lỏng (tốc độ phản ứng như môi trường lỏng) vừa có đặc tính rắn (cóhình thể nhất định). Protein là keo ưa nước vì protein mang những nhóm ưa nước (-NH2, -COOH, -OH).Keo protein có các đặc tính điển hình của keo ưa nước như: gây áp suất thẩm thấu thấp (30-40mmHg ≈ 0,03-0,04at); khả năng khuếch tán ít; độ nhớt cao; khả năng hấp phụ các chất rấtcao, vì nó có cấu trúc phức tạp, diện tích tiếp xúc với môi trường so với khối lượng rất lớnnên protein có đặc tính này. Các chất mà protein hấp phụ có thể ở thể hơi, lỏng, rắn, chúngđược liên kết với phân tử protein theo nhiều kiểu liên kết, liên kết này có thể bền nếu là liênkết hoá học hoặc không bền nếu là liên kết do sự hấp dẫn phân tử hoặc tĩnh điện. Điểm đángchú ý là hiện tượng hấp phụ của protein không hỗn loạn mà có tính đặc trưng rõ rệt mà điểnhình là các phản ứng huyết thanh miễn dịch (kháng thể chỉ kết hợp với kháng nguyên tươngứng). Hiện tượng trương nở của protein cũng có bản chất là hiện tượng hấp phụ, chất hấp phụở đây là nước (protein khô có thể hấp phụ tới 50% khối lượng nước so với bản thân chúng) vàcó khả năng khuếch tán ánh sáng, khi cho tia sáng đi qua dung dịch protein ta thấy được cáctia khuếch tán, hiện tượng này gọi là hiện tượng tin đan. 7.2. Lưỡng tính và điểm đẳng điện: Keo protein là keo ở trạng thái mang điện, có thểdương hoặc âm. Điện tích trong hạt keo là điện tích phân ly của các gốc acid amin dư nhómcacboxyl, nhóm amin. Điện tích này có thể dương hoặc âm, điều này phụ thuộc vào số lượngcủa các nhóm -COO- và NH3+ trong phân tử protein.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 28 http://www.ebook.edu.vn
  35. 35. NH2 COOH NH3+ COO- ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ------------------- ------- > -------------------------- ⎜ ⎜ COOH COO- Sự phân ly này còn phụ thuộc vào pH của môi trường. Trị số pH môi trường làm cho độphân ly của các gốc đó tiến tới bằng nhau để điện tích triệt tiêu thì giá trị pH đó gọi là điểmđẳng điện, kí hiệu là pI. Tại điểm đẳng điện hạt keo protein không bền, vì nó mất một yếu tốlà sức đẩy tĩnh điện. Điểm đẳng điện của đa số protein nằm ở vùng dưới 7, phía acid. Ví dụ:pI của casein là 4,7; albumin là 4,8; globulin là 5,4. 7.3. Hiện tượng mất nguyên tính và sa lắng: Protein tồn tại ổn định trong môi trườngnhất định, khi môi trường thay đổi (pH và t0) làm ảnh hưởng tới cấu trúc bậc III, tới điệntích... thì một số tính chất của protein thay đổi như khả năng xúc tác của các enzyme bị giảmsút hoặc mất hẳn, trường hợp đó gọi là trường hợp mất nguyên tính. Khi tác động của những yếu tố môi trường không sâu sắc hoặc quá nhanh thì phân tửprotein có thể trở lại trạng thái ban đầu (hoàn nguyên - khôi phục lại nguyên tính của nó). Nếutác động của các yếu tố môi trường kéo dài và mạnh thì protein bị biến đổi tính chất mà phổbiến là cấu trúc bậc III hoàn toàn rối loạn, lúc đó một số thuộc tính của trạng thái keo bị mấtnhư khả năng có điện tích, khả năng thuỷ hoá... và các phân tử protein tụ lại với nhau kết tủavà sa lắng. 7.4. Tính đặc trưng sinh học: Đây là sự khác nhau của các protein về mặt cấu trúc(trước hết là bậc I) và chức năng như tính đặc hiệu của enzyme, hiện tượng choáng do việctruyền máu, hiện tượng không dung hoà khi vá da hoặc cấy ghép mô... Các loại phản ứng nàyrất tinh vi và phức tạp. Tính đặc trưng sinh học này được di truyền chặt chẽ qua acid nucleic. 8. Phân loại protein Theo tính toán của Pauling, trong một con người có khoảng 10 vạn loại protein khácnhau nên việc phân loại là phức tạp. Hiện nay người ta vẫn theo đề nghị của Hoppezaile vàDreczen việc phân loại protein là theo 2 lớp lớn là protein đơn giản (protein) và protein phứctạp (proteid). Protein đơn giản là loại protein mà thành phần cấu tạo chỉ có các acid amin.Protein phức tạp là loại protein mà thành phần cấu tạo chủ yếu là các acid amin, bên cạnh đócòn có các nhóm ghép không có bản chất acid amin 8.1. Protein đơn giản (protein): gồm 4 nhóm sau: 8.1.1. Albumin và globulin: Là những protein chức năng phổ biến ở máu và cơ. Chúngkhác nhau về khối lượng phân tử, albumin khối lượng phân tử thấp hơn (2-7 vạn dalton),globulin 1 triệu dalton (1dalton = 1,66 x 10-24 gam). Về chức năng: albumin gắn liền với quá trình dinh dưỡng, là nguyên liệu xây dựng môbào, giữ áp lực thẩm thấu keo của máu, một phần liên kết với các chất khác để vận chuyểnchúng như với vitamin, các acid béo, cholesterin, một số ion Ca, Mg.... Tiểu phần albuminchiếm 35-45% protein trong huyết thanh, tỷ lệ này phản ánh cường độ trao đổi chất của cơthể. Albumin được tổng hợp nhiều ở gan. Tỷ lệ và hàm lượng albumin trong máu phản ánhchế độ dinh dưỡng cao hay thấp và chức năng của gan.Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật …………………………… 29 http://www.ebook.edu.vn

×