Chương 1 Axit amin, Protein

BÀI GIẢNG HÓA SINH

BÀI MỞ ĐẦU
Đối tƣợng, phƣơng pháp, lịch sử nghiên cứu của Hóa sinh.
a) Đối tượng nghiên cứu: 2 cách phân chia
Hóa sinh là khoa học nghiên cứu cơ sở phân tử của sự sống: thành phần cấu tạo hóa
học (Tĩnh hóa sinh), q trình chuyển hóa các chất trong tế bào và cơ thể sống (Động hóa
sinh), cơ sở hóa học của các q trình hoạt động sống (Hóa sinh chức năng).
Tùy theo đối tượng sinh vật được nghiên cứu có thể phân chia thành: Hóa sinh động
vật, Hóa sinh thực vật, Hóa sinh vi sinh vật,…
b) Phương pháp nghiên cứu Hóa sinh:
- Phương pháp truyền thống: hóa học, hóa lí
- Phương pháp vật lý hiện đại: nhiễu xạ rơnghen, cộng hưởng từ điện tử, cộng hưởng
từ hạt nhân, đồng vị phóng xạ đánh dấu các chất,…
c) Lịch sử nghiên cứu hóa sinh:
Các nghiên cứu hóa sinh đã bắt đầu từ cuối thế kỷ 18. Tuy nhiên, mãi đến cuối thế kỉ
19 đầu thế kỉ 20 Hóa sinh mới trở thành một ngành khoa học độc lập dựa trên những
thành tựu nghiên cứu của Hóa hữu cơ, Sinh lí học, Y học và các nghành khoa học khác.
- Nửa đầu thế kỷ 19:
+ 1828, Vô-lê (Wohler F.) tổng hợp được ure ((NH2)2CO), đã chứng minh có thể
tổng hợp được chất hữu cơ của cơ thể sống mà khơng cần “lực sống”.

+ Trong thời kì này cũng đã có nhiều nghiên cứu về thành phần hóa học của tế bào
thực vật, tế bào động vật; đã tách được một số enzyme như: amilaza từ hạt lúa mạch nảy
mầm, pepsin từ dịch dạ dầy, tripsin từ tuyến tụy.
- Nửa cuối thế kỉ 19: Đã có những nghiên cứu và dẫn liệu về cấu trúc axit amin,
xacarit, lipit, bản chất của liên kết peptit; bắt đầu có những nghiên cứu về axit nucleic;
q trình chuyển hóa các chất trong cơ thể sống, đặc biệt là quá trình lên men: Năm 1879
Bucne (Buchner E.) đặt thí nghiệm lên men vơ bào.
- Nửa đầu thế kỉ 20: Đã đạt được nhiều thành tựu về Hóa sinh dinh dưỡng, phát hiện
một số bệnh liên quan dinh dưỡng không đủ chất. Phát hiện các vitamin, hoocmon và xác

định vai trò của chúng trong cơ thể. Xác định được bản chất hóa học của enzyme là
protein, các phản ứng của quá trình lên men và oxi hóa sinh học.
- Đến năm 1950, về cơ bản đã xác định được tính chất các chất chủ yếu cấu tạo nên
cơ thể sống và các con đường chuyển hóa chúng trong cơ thể.
- Từ sau 1950 đến nay đã đạt được những thành tựu đáng kể trong nghiên cứu cấu
trúc phân tử protein, axit nucleic, liên quan giữa cấu trúc và chức năng, xây dựng lí
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 1


BÀI GIẢNG HÓA SINH
thuyết về các chất xúc tác sinh học; đề ra được cơ chế quá trình tổng hợp protein, axit
nucleic và cơ chế điều hịa các q trình sinh tổng hợp này.
- Trong 20 năm gần đây đã tổng hợp được một số protein có hoạt tính sinh học bằng
phương pháp hóa học, cơng nghệ sinh học. Ví dụ: insulin là một protein có hoạt tính
hormone (làm giảm đường trong máu, được sử dụng điều trị bệnh đái tháo đường).
- Từ năm 1961 - 1966 có hàng loạt các cơng trình nghiên cứu cấu trúc phân tử axit
nucleic và vai trị của chúng trong q trình tổng hợp protein. Năm 1961 đã đề ra được
mơ hình điều hịa hoạt động gen.
- Từ năm 1970 đã bắt đầu nghiên cứu tổng hợp gen bằng phương pháp hóa học và lần
đầu tiên Khorana đã tổng hợp được polinucleotit 2 sợi, tương ứng với gen tổng hợp
ARNvc alanin của nấm men.
Phƣơng hƣớng nhiệm vụ nghiên cứu Hóa sinh.
Những phương hướng nghiên cứu chủ yếu của Hóa sinh học ngày nay là tiếp tục tìm
hiểu quá trình sinh tổng hợp axit nucleic và protein, sự liên quan giữa biến đổi di truyền
với các q trình bệnh lí; đặc tính các q trình trao đổi trung gian, cơ chế điều hòa của tế
bào, cơ chế tác dụng của hormone... nhằm tiến đến chủ động điều khiển mọi hoạt động và
quá trình sống theo hướng có lợi nhất, nhằm bảo vệ mơi sinh, bảo vệ con người; mơ hình
hóa các q trình sống, thực hiện các q trình sống ở quy mơ cơng nghiệp, tạo ra ngày

càng nhiều các chế phẩm sinh học, các sản phẩm có giá trị để dùng trong y học, nơng
nghiệp, cơng nghiệp. Hóa sinh góp phần giải quyết các vấn đề quan trọng của trồng trọt,
chăn nuôi và y học.
Thực trạng và tình hình nghiên cứu Hóa sinh ở Việt nam.
Ở nước ta, trong 45 năm qua Hóa sinh đã có những đóng góp nhất định vào các lĩnh
vực y học, nông, lâm, ngư nghiệp, công nghiệp thực phẩm và cũng đã có được một số
đóng góp cho sự phát triển Hóa sinh học của thế giới.
Các kết quả nghiên cứu hóa sinh ở nước ta trong thời gian qua tập trung vào một số
vấn đề sau:
a) Về hóa sinh thực vật: đã có những nghiên cứu điều tra hóa sinh một số cây quan
trọng như lúa, đỗ tương, lạc và các loại cây họ đậu khác nhằm phục vụ việc nâng cao
năng suất, chất lượng dinh dưỡng của hạt, nâng cao hiệu quả sử dụng chúng. Mặt khác,
cũng đã có các nghiên cứu nhằm nâng cao tính chống chịu của những cây trồng quan
trọng.
b) Về Hóa sinh động vật: Các nghiên cứu tập trung phục vụ lai tạo giống bị, tìm hiểu
cơ chế một số bệnh ở lợn, gà và phương pháp phòng trừ; các chế phẩm làm tăng khối
lượng thịt lợn, gà và các chế phẩm làm tăng tính miễn dịch của động vật.

TS BÙI XN ĐƠNG

Trang 2


BÀI GIẢNG HÓA SINH
Đặc biệt, các nghiên cứu theo hướng tách, tinh sạch enzyme, tạo ra các chế phẩm có
độ sạch khác nhau, nghiên cứu tính chất, cấu trúc, liên quan giữa cấu trúc và hoạt tính
sinh học của enzyme, khả năng ứng dụng chế phẩm enzyme trong thực tế, ví dụ:
bromelin (proteaza của dứa), pepsin, tripsin hoặc chế phẩm pancreatin, glutamilaz vi sinh
vật… chủ yếu ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, trong y học.
Ngồi enzyme, có các nghiên cứu cơ bản một số protein có hoạt tính sinh học như

protein ức chế tripsin.
c) Xác định các chỉ tiêu hóa sinh của người Việt nam, những biến đổi của các chỉ tiêu
này ở các trạng thái sinh lí, bệnh lí khác nhau hoặc dưới tác dụng của các yếu tố mơi
trường (chất độc hóa học, bức xạ siêu cao tần v.v.).
+ Áp dụng, cải tiến, xây dựng các phương pháp kĩ thuật hóa sinh hiện đại, đơn giản,
nhanh, phục vụ cho cơng tác xét nghiệm hóa sinh để phịng và chữa trị bệnh kịp thời cũng
như nghiên cứu cơ bản.
Những đặc điểm chính của tế bào, cơ thể sống, sự tƣơng tác giữa cơ thể sống và
môi trƣờng.
a) Đặc điểm chung về thành phần hóa học của cơ thể sống: 3 đặc điểm
+ Hàm lượng nước khá lớn: ở người 58-65%, nhiều loài cá hơn 80%, sứa đến 98%.
+ Thành phần nguyên tố: Trong cơ thể sống hiện nay tìm thấy 27 trong số gần 100
nguyên tố đã biết.
Các nguyên tố có trong thành phần các hợp chất hữu cơ của tế bào và cơ thể sống là
C, H, O, N, P, S. Hàm lượng C là 43-48%, H: 7%, N: 8-12%. Một số nguyên tố ở dạng
ion: Na+, K+, Mg+, Ca+, Cl-, các nguyên tố khác (Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, Mo, I, Si, Sn,
Cr, F, Se, Vd) chỉ với lượng nhỏ, gọi là các nguyên tố vi lượng.
Như vậy ta thấy có sự sai khác rõ rệt về thành phần nguyên tố giữa thế giới sống và
không sống như sau:
- Bốn nguyên tố chủ yếu trong tế bào và cơ thể sống là C, N, O, H trong khi đó bốn
nguyên tố chủ yếu của vỏ trái đất là O, Si, Al, Fe.
- Các nguyên tố C và N của cơ thể sống thường ở dạng khử, trong các hợp chất hữu
cơ phức tạp; còn ở mơi trường ngồi hệ thống sống chúng thường tồn tại ở dạng các hợp
chất đơn giản như CO2, N2, cacbonat, nitrat, v.v.
+ Các hợp chất hữu cơ trong cơ thể sống thường có cấu tạo rất phức tạp, khối lượng
phân tử lớn và rất đa dạng. Ví dụ: vi khuẩn E. Coli nhỏ bé nhưng chứa gần 5000 kiểu hợp
chất hữu cơ khác nhau, trong đó có 3000 protein khác nhau. Ở người có đến 100000 loại
protein khác nhau nhưng chưa tìm thấy một protein nào của người hồn toàn giống với
một trong 3000 protein của E. Coli, mặc dầu các protein có chức năng tương tự nhau.

TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 3


BÀI GIẢNG HĨA SINH
Trong thế giới sống có khoảng 1,5 triệu loài (species), khoảng 1010 - 1012 loại phân tử
protein khác nhau và khoảng 1010 kiểu phân tử axit nucleic.
b) Đặc điểm các phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể sống.
Hầu hết các phản ứng đều do enzyme xúc tác, vì vậy chúng có một số đặc điểm
chung như sau: 3 đặc điểm
- Có thể xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường với tốc độ nhanh gấp
hàng trăm, hàng nghìn lần khi xẩy ra ngoài cơ thể sống.
- Nhiều phản ứng khác nhau có thể tiến hành đồng thời trong một phạm vi môi
trường nhất định, liên hệ chặt chẽ với nhau theo một trình tự xác định.
- Các phản ứng, các quá trình chuyển hóa được điều hịa nghiêm ngặt theo những cơ
chế tinh vi phức tạp, các sản phẩm phản ứng, sản phẩm trao đổi trung gian cũng đóng vai
trị quan trọng trong cơ chế tự điều hòa này.
c) Sự liên kết chặt chẽ giữa cơ thể sống và môi trường.
Thành phần cơ bản của các tế bào và cơ thể sống nằm trong một hệ thống liên hệ và
tương tác chặt chẽ với thiên nhiên mơi trường xung quanh.
Ví dụ chu trình cacbon, chu trình nitơ:
+ Khí CO2 trong khí quyển được thực vật hấp thụ  động vật  CO2 vào khí quyển.
Lượng CO2 do 1 tỉ người trên hành tinh thải ra là 2,9 ×1011 kg/năm, tương đương
lượng CO2 thoát ra khi đốt 115 triệu tấn than. Vi khuẩn hơ hấp cịn mạnh hơn người vài
trăm lần.
+ N2 của khí quyển đưa vào cơ thể sống nhờ các vi sinh vật cố định nitơ, chuyển N2
thành dạng nitrit, nitrat, acid amin thực vật. Kết quả của quá trình đồng hóa, dị hóa ở cơ
thể sinh vật, tác dụng của vi sinh vật lại tạo thành N2 đi vào khí quyển
d) Sơ lược về Hóa sinh dinh dưỡng và tình trạng thiếu dinh dưỡng hiện nay.

Để đảm bảo cho tế bào và cơ thể sống tồn tại, cần có một chế độ dinh dưỡng đủ năng
lượng, đủ chất, có tỉ lệ cân đối giữa các thành phần dinh dưỡng trong khẩu phần.
Mỗi chất dinh dưỡng có thể được sử dụng cho nhiều quá trình khác nhau trong cơ
thể. Tuy nhiên vai trò chủ yếu của mỗi chất lại khác nhau: 1 g lipit cung cấp 9 kcal trong
khi 1 g protein hoặc xacarit chỉ cung cấp 4 kcal.
- protein cần cho quá trình tăng trưởng
- lipit và xacarit cung cấp năng lượng
- vitamin có thể nói một cách khái qt là có vai trị bồi bổ sức khỏe.
Theo nhiều tài liệu, tương quan giữa protein : lipit : xacarit trong khẩu phần nên là
1:1:5 hoặc 1:1:4 là cân đối dinh dưỡng và năng lượng.
Nếu ăn không đủ năng lượng và không đủ các chất dinh dưỡng cần thiết trong một
thời gian tương đối dài sẽ bị “thiếu dinh dưỡng”.
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 4


BÀI GIẢNG HÓA SINH
Theo tổ chức y tế thế giới có 4 loại bệnh thiếu dinh dưỡng quan trọng nhất hiện nay
là:
- thiếu dinh dưỡng protein năng lượng
- bệnh khô mắt do thiếu vitamin A
- thiếu máu dinh dưỡng do thiếu sắt
- bệnh biếu cổ địa phương và bệnh kém trí tuệ do thiếu iot
Đặc biệt, tình trạng thiếu dinh dưỡng phổ biến ở các nước đang phát triển là vấn đề
rất nghiêm trọng đang được quan tâm giải quyết bằng giải pháp của các nghành: y tế,
nông nghiệp và giáo dục.

TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 5


BÀI GIẢNG HÓA SINH
CHƢƠNG I – HÓA SINH AXIT AMIN VÀ PROTEIN
1.1 AXIT AMIN
1.1.1 Cấu tạo hóa học axit amin
Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các
axit amin. Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là
nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên
tử hyđro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin.
- Axit amin thực chất là một axit hữu cơ, trong đó một nguyên tử hiđro của gốc
cacbonalpha được thay thế bởi nhóm -NH2 (C - α).
- Axit amin là những dẫn xuất của axit hữu cơ, trong đó có một ngun tử hydro (đơi
khi 2 ngun tử H) của gốc alkil được thay thế bởi nhóm (-NH2).
- Các axit amin trong thành phần protein đều là các axit amin, có cơng thức cấu tạo
chung như sau:

R – gốc hyđrocarbon (mạch thẳng, mạch vịng), gốc R có thể chứa các nhóm chức
như: -COOH, -NH2, -OH, -SH, ...
- Tuỳ theo nhóm –NH2 đính vào vị trí nào của ngun tử C trong gốc R so với gốc –
COOH mà ta có α, β, γ… amino axit. Cũng tùy theo vị trí đính của nhóm –NH2 bên phải
hay bên trái ta có axit amin đồng phân L hay D, thường gặp là L.
- Nếu trong phân tử có 1 nhóm –NH2 gọi là monoamin, 1 nhóm –COOH là
monocacboxyl. Nếu trong phân tử có 2 nhóm –NH2 gọi là diamin, 2 nhóm –COOH là
dicacboxyl.
- Các axit amin chỉ khác nhau bởi mạch bên R
- Protein rất đa dạng nhưng hầu hết chúng được cấu tạo từ 20 L –α-axit amin
Công thức cấu tạo của 20 axit amin trong thành phần protein được giới thiệu trong
bảng 1.1. Riêng Prolin nhóm –NH2 gắn với C – α một liên kết N-H được thay thế bằng

liên kết N-C tạo thành dạng mạch vòng, do vậy, sự có mặt của prolin trong mạch phân tử
thường có xu hướng làm gập mạch.
1.1.2 Phân loại axit amin
Dựa vào cấu tạo và tính chất của gốc R có thể chia axit amin thành 4 nhóm sau đây:
- axit amin chứa gốc R không phân cực hay kị nước
- axit amin chứa gốc R phân cực khơng tích điện
- axit amin chứa gốc R tích điện âm
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 6


BÀI GIẢNG HĨA SINH
- axit amin chứa gốc R tích điện dương.
Bảng 1.1 – Công thức cấu tạo của các axit amin thƣờng gặp trong protein.
Tên gọi
Công thức cấu tạo
1
2
A - 8 axit amin chứa gốc R không phân cực hay kị nƣớc
Alanine
(Ala, A)
Valine
(Val, V)
Leucine
(Leu, L)
Isoleusine
(Ile, I)
Proline
(Pro, P)

Phenylalanine
(Phe, F)
Tryptophan
(Trp, W)

Metionine
(Met, M)
B – 7 axit amin chứa gốc R phân cực khơng tích điện
Glycine
(Gly, G)
Serine
(Ser, S)
Threonine
(Thr, T)

Tyrosine
(Tyr, Y)

TS BÙI XN ĐƠNG

Trang 7


BÀI GIẢNG HÓA SINH
1

2

Cysteine
(Cys, C)

Asparagine
(Asn, N)
Glutamine
(Gln, Q)
C – 2 axit amin chứa gốc R tích điện âm
Acid asparaginic
(Asp, D)
Acid glutamic
(Glu, E)
D – 3 axit amin chứa gốc R tích điện dƣơng
Lysine
(Lys, K)
Arginine
(Arg, R)
Histidine
(His, H)

Ngoài 20 axit amin đã nêu trong bảng 1.1, trong một số protein có thể cịn chứa một
số loại axit amin ít gặp khác như hydroxypolin trong collagen, cacboxylglutamic trong
protrombin,... Người ta thấy rằng, có một số axit amin có thể khơng hiện diện trong thành
phần cấu tạo của protein nhưng có mặt trong cơ thể sống và đóng vai trị quan trọng trong
sự chuyển hóa các chất, vai trò của nhiều axit amin loại này được tìm thấy ở các lồi
động vật có vú như Ornithin, Citrullin, β-Alanin,...
1.1.3 Tính chất của axit amin.
a) Tính tan.
Do sự có mặt của các nhóm mang điện tích nên các axit amin dễ tan trong các dung
môi phân cực như nước, rượu. Khả năng tan của mỗi loại axit amin là khác nhau. Axit
amin không tan trong các dung môi không phân cực như benzen, ete, ...NH3 lỏng là dung
môi tốt nhất cho các axit amin.
Các axit amin có mặt trong thành phần cấu tạo protein đều có khả năng kết tinh, tinh

thể bền ở nhiệt độ 20÷250C.
b) Tính hoạt quang.
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 8


BÀI GIẢNG HĨA SINH
Trừ glyxin, cịn lại tất cả các axit amin đều có chứa nguyên tử carbon bất đối nên
chúng đều là những chất hoạt quang. Chúng có thể tồn tại dưới 2 dạng đồng phân quang
học là D và L. Phần lớn axit amin trong cơ thể sống đều nằm ở dạng L, nên dạng L là
dạng mà cơ thể dễ dàng hấp thụ, cơ thể không hấp thụ nhiều axit amin dạng D, riêng Dmethionine và D-phenylalanine thì cơ thể người có thể hấp thụ được.
Các dạng đồng phân D và L của một axit amin có cấu trúc đối xứng qua gương
phẳng. E. Fisher mô tả 2 dạng đồng phân quang học này như sau:

L – Aminoacid

D – Aminoacid

Theo kiểu diễn đạt này liên kết nết đậm là các liên kết trên mặt phẳng nằm ngang
hướng về phía người đọc, cịn các liên kết nét nhỏ là những liên kết nằm phía trên (nhóm
-COOH) và phía dưới (gốc R) của mặt phẳng này. Để thuận tiện hơn, Fisher cũng đề xuất
một cách diễn đạt khác gọi là cơng thức hình chiếu, trong đó cả 4 hóa trị của nguyên tử
carbon bất đối đều được biểu diễn bằng các gạch nối nét nhỏ như nhau, vị trí của các
nguyên tử và nhóm nguyên tử được giữ nguyên như trên. Ví dụ L-alanine được biểu diễn
như sau:

L- alanine

Hoạt tính quang học của mỗi chất liên quan với cấu trúc bất đối của nó, hay nói cách

khác, vị trí của các nguyên tử trong phân tử của chất đó. Kết quả là mỗi dạng đồng phân
quang học có khả năng xoay mặt phẳng của tia sáng phân cực một góc nhất định sang trái
(-) hoặc sang phải (+).
c) Tính chất lƣỡng tính
Axit amin và protein có tính chất lưỡng tính, có nghĩa là vừa có tính axit vừa có tính
bazơ. Theo thuyết Brensted, một chất có tính chất axit có khả năng cho proton, phản ứng
với bazơ tạo thành muối. Tính chất bazơ thể hiện ở khả năng nhận proton, kết hợp với
axit tạo thành muối.
Như vậy, axit amin chứa hai nhóm chức -COOH và –NH2 nên chúng có tính điện li
lưỡng tính. Tùy thuộc vào sự thay đổi pH mơi trường mà chúng có thể tồn tại ở 3 dạng
ion khác nhau. Ví dụ: trong phân tử của một axit amin có chứa một nhóm -COOH và một
nhóm -NH2 thì q trình điện li có thể biểu diễn như sau:
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 9


BÀI GIẢNG HÓA SINH

Dạng ưu thế ở
pH = 1

Dạng ưu thế ở
pH = 6,2 – 7

Dạng ưu thế ở
pH = 9 - 10,7

Trong dung dịch, ở pH trung tính, axit amin tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực (chỉ
1% ở dạng trung hòa). Ở dạng ion lưỡng cực, nhóm carboxyl bị phân ly, nhóm amin bị

proton hóa. Trạng thái ion hóa của các nhóm này tùy thuộc vào pH mơi trường. Trong
mơi trường axit (pH=1) nhóm carboxyl khơng ion hóa nhóm amin ở dạng proton hóa.
Ngược lại trong mơi trường kiềm (pH=11), nhóm carboxyl ion hóa, nhóm amin khơng
ion hóa.
Như vậy, khi đặt axit amin trong điện trường tùy thuộc pH mơi trường, nó có thể di
chuyển về Katot hoặc Anot. Ở một pH nào đó, axit amin không di chuyển trong điện
trường, chứng tỏ tổng số điện tích trong phân tử của nó bằng khơng, pH này được gọi là
pH đẳng điện của axit amin, kí hiệu là pHi.
Các axit amin chứa một nhóm amin, một nhóm carboxyl, mạch bên khơng phân cực
(Ala, Val, Leu, Ile) có giá trị pHi = 6, axit amin có 2 nhóm carboxyl (Asp, Glu) thì pHi ở
vùng axit, ngược lại các axit amin kiềm, pHi ở vùng kiềm (Bảng 1.2).
Bảng 1.2 - Giá trị pHi của một số axit amin
Axit amin
pHi
Asp (D)
2.77
Glu (E)
3.22
Cys (C)
5.07
Ser (S)
5.68
Val (V)
5.96
Gly (G)
5.97
Leu (L)
4.98
Ala (A)
6.02

Ile (I)
6.02
Lys (K)
9.74
Arg (R)
10.76

Tương tự như axit amin, protein cũng là chất điện li lưỡng tính, vì trong phân tử
protein cịn có nhiều nhóm phân cực mạch bên (gốc R) của axit amin. Ví dụ nhóm
cacboxyl thứ 2 của Asp, Glu, nhóm amin của Lys, guanidin của Arg, imidazol của His,
hidroxyl của Ser, Thr, Tyr, ... Trạng thái tích điện của các nhóm này cũng tùy thuộc vào
pH môi trường. Ở một pH nào đó mà tổng số điện tích dương và điện tích âm của phân tử
protein bằng khơng, phân tử protein không di chuyển trong điện trường, gọi là pHi của
protein (bảng 1.3).

TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 10


BÀI GIẢNG HÓA SINH
Bảng 1.3 - Giá trị pHi của một số protein
Protein
pHi
Protein
Pepsin
1,0
Hemoglobin
Albumin trứng
4,6

Ribonucleaz
Cazein
4,7
Tripsin
Albumin huyết thanh
4,9
Xitocrom C
Gelatin
4,9
Prolamin
Globulin sữa
5,2
-

pHi
6,8
7,8
10,5
10,6
12,0
-

Ở môi trường pH  pHi, protein là một đa cation, số điện tích dương lớn hơn số điện
tích âm. Ở mơi trường mà 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 mơi trường có pH = pHi, protein dễ dàng kết tụ với nhau cho nên có thể sử
dụng tính chất này để xác định pHi 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
riêng các protein ra khỏi hỗn hợp của chúng.
d) Một số tính chất hóa học của axit amin

Các axit amin chứa 2 nhóm chức là –NH2 và -COOH nên chúng có một số tính chất
đặc chưng của các nhóm này, đồng thời cũng có những tính chất riêng do gốc -R của một
số axit amin có những nhóm chức chuyên biệt riêng tạo nên.
- Phản ứng khử nhóm carboxyl: Khi tác dụng với Ba(OH)2 với sự có mặt của
enzyme decarboxylase thu được amin tương ứng:

Phản ứng có thể viết
dưới dạng tổng quát:
Các amin tạo thành sau phản ứng có số nguyên tử carbon nhỏ hơn số nguyên tử
carbon của axit amin ban đầu là 1. Một số amin như cardaverin được tạo thành từ lysinne,
histamine được tạo thành từ histidine là những chất độc. (Histamine có nguồn gốc từ q
trình decarboxy hóa của axít amin histidine, phản ứng được xúc tác bởi enzyme Lhistidine decarboxylase. Nó là một amin có tính hút nước và tính gây giãn mạch, ở đàn
ơng có mức histamine cao có thể sẽ bị chứng xuất tinh sớm).
Axit amin tạo phức với các ion kim loại: Muối axit amin với Pb, Hg, Ag là những
chất không tan trong nước. Đây là một tính chất mà người ta sử dụng để tách axit amin ra
khỏi hỗn hợp.
Dưới tác dụng của các tác nhân khử mạnh, ví dụ như borhydrate natri, aminoacid bị
khử thành rượu amin tương ứng:

TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 11


BÀI GIẢNG HÓA SINH

Hoặc kết hợp với amoniac để tạo ra amide:

Hai phản ứng này cũng thường được sử dụng để xác định trật tự aminoacid trong
chuỗi polipeptit từ đầu tận cùng chứa nhóm -COOH tự do (C-tận cùng).

- Các phản ứng của nhóm α - amine:
+ Phản ứng với HNO2 tạo nên oxyacid tương ứng, nitơ tự do và nước:

+ Phản ứng với aldehyde, ví dụ formandehyde, để tạo ra các hợp chất linh động có
tên chung là hợp chất Schiff:

Hai phản ứng này thường được dùng để định lượng aminoacid tự do.
+ Phản ứng với ninhydrin:
Khi đun nóng với ninhydrin đa số aminoacid bị oxy hóa và phân giải thành anhydride
tương ứng, CO2 và NH3

Trong những điều kiện nhất định NH3 ngưng tụ với Dicetohydrinden và với phân tử
ninhydrin thứ hai để tạo thành sản phẩm màu tím đỏ hay lam đỏ.

Phản ứng này rất nhạy và được dùng để định lượng aminoacid bằng phương pháp sắc
kí và điện di trên giấy.
Proline và oxyproline tạo ra với ninhydrin các sản phẩm màu vàng.
+ Phản ứng Sanger:
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 12


BÀI GIẢNG HÓA SINH

Phản ứng này được Sanger (1953) dùng để xác định trật tự aminoacid của chuỗi
polypeptide từ đầu N-tận cùng, tức đầu tận cùng chứa nhóm NH2 tự do.
Tương tự, phản ứng với 1- dimethylaminophtalin--sunfonylchloride (gọi tắt là
dansyl-chloride):

+ Phản ứng Edman:
α-Aminoacid phản ứng với phenylisothiocianate để tạo ra các dẫn xuất
phenylthiohydatoyl tương ứng:

Hai phản ứng cuối cùng được sử dụng với mục đích như phản ứng Frederick Sanger
- Các phản ứng của gốc R
Gốc R của các aminoacid khác nhau chứa các nhóm hoạt động khác nhau, các phản
ứng với sự tham gia của chúng rất đa dạng và là yếu tố quan trọng góp phần xác định đặc
điểm cấu trúc và hoạt tính sinh học của protein.
1.1.4 Sự tạo thành liên kết peptit
Liên kết peptit được tạo thành do sự kết hợp giữa nhóm α-carboxyl của axit amin này
với nhóm α-amin của axit amin kia và đồng thời, một phân tử nước bị loại ra. Khi 2 axit
amin kết hợp với nhau sẽ tạo thành một di-peptit. Nếu di-peptit này kết hợp thêm với một
axit amin nữa sẽ tạo ra tri-peptit. Quá trình phản ứng tiếp tục tiếp diễn sẽ tạo thành
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 13


BÀI GIẢNG HĨA SINH
tetrapeptide,..., polypeptit. Như vậy nếu có n phân tử axit amin kết hợp với nhau thì sẽ
tạo thành được (n-1) phân tử nước. Từ 2 axit amin có thể tạo thành 2 loại dipeptit, từ 3
axit amin có thể tạo thành 6 loại tripeptit và từ n axit amin có thể tạo thành n! peptit (Pn =
n! = 1.2.3....n).

Hình 1.1 – Đặc điểm của liên kết peptide

Sự hình thành mạch polypeptit diễn ra trong cơ thể sống là một q trình phức tạp có
sự tham gia của nhiều enzyme - đó là q trình tổng hợp protein.

Để gọi tên các peptit nhỏ theo các gốc axit amin, người ta thường bắt đầu bằng tên
axit amin có nhóm –NH2 tự do và kết thúc bằng tên của axit amin có chứa nhóm -COOH
tự do. Các axit amin có nhóm -COOH tham gia tạo thành liên kết peptit thì tên gọi sẽ có
tận cùng bằng -YL.
Ví dụ: Alanine-Serine-Valine-Glycine  gọi là: Alanyl-Seryl-Valyl-Glycine
Qua cách gọi tên, ta nhận biết ngay trong chuổi peptit trên đầu Alanyl- có nhóm –
NH2 tự do và đầu Glycine có nhóm -COOH tự do. Để biểu thị thành phần và trình tự sắp
xếp của các axit amin trong chuỗi polypeptit người ta cịn dùng kí hiệu 3 chữ cái hoặc kí
hiêu 1 chữ cái của các axit amin viết liền nhau theo quy luật xác định, bắt đầu từ đầu có
nhóm –NH2 đến đầu có nhóm -COOH.
Ngồi ra, cịn tồn tại một số tên riêng như: Glutathion là Tripeptit GlutamylCysteinyl-Glycine hay Glucagon là một polypeptit gồm 29 axit amin.
Phản ứng màu đặc trƣng của liên kết peptit: Phản ứng Biure là phản ứng đặc
trưng của liên kết peptide. Tất cả các chất có chứa từ hai liên kết peptit trở lên đều cho
phản ứng này. Trong mơi trường kiềm mạnh có gia nhiệt, các chất có chứa từ hai liên kết
peptide trở lên tác dụng với CuSO4 tạo ra phức chất có màu tím hoặc tím đỏ. Phức chất
này có cực đại hấp thụ ở bước sóng 540µm. Phản ứng này được sử dụng để định tính và
định lượng protein. Độ nhạy của phản ứng tăng lên nhiều lần khi có thuốc thử FolinTS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 14


BÀI GIẢNG HÓA SINH
Ciocalteau. Phương pháp Lowry là phương pháp định lượng protein bằng cách sử dụng
thuốc thử Folin-Ciocalteau. Thuốc thử Folin- Ciocalteau có chứa axit phosphomolipdic
và axit phosphovonphramic, các chất này sẽ phản ứng với các gốc Tyr và Trp trong phân
tử protein, tạo phức có màu xanh, hấp thụ cực đại ở bước sóng 750 µm. Trong phương
pháp này, ở giai đoạn đầu thực hiện phản ứng Biure, sau đó mới cho thuốc thử vào. Đây
là phương pháp có độ nhạy cao, được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng (có thể phát hiện với
nồng độ protein là 1µg/cm3).
1.1.5 Axit amin không thay thế: Thực vật và vi sinh vật có thể tổng hợp được axit

amin từ những hợp chất nitơ đơn giản nhất ở dạng nitrat. Động vật khơng có khả năng
này. Trong cơ thể động vật, một số axit amin có thể được tạo ra trong quá trình chuyển
hố từ các axit amin hoặc từ hợp chất chứa nhóm amin đó là những axit amin thay thế
(non-essential). Ngược lại, có những axit amin mà cơ thể khơng tự tổng hợp hoặc chuyển
hoá được, chúng nhất thiết phải được đưa vào cơ thể bằng thức ăn, đó là những axit amin
không thay thế (essential).
Khái niệm về axit amin không thay thế đã được William C.Rose và cộng sự (Đại học
Tổng hợp Illinois - Mỹ) đề cập lần đầu tiên vào những năm 1916-1935 khi các ông dùng
chuột để nghiên cứu về axit amin không thay thế và họ đã thành công trong việc nuôi gà
bằng khẩu phần không chứa protein mà chỉ có hỗn hợp của 11 axit amin ở dạng tinh khiết
hoá học. Theo William C. Rose, "Axit amin không thay thế là những axit amin không thể
tổng hợp trong cơ thể gia súc với số lượng đầy đủ, đáp ứng cho nhu cầu sinh trưởng, phát
triển bình thường của gia súc thuộc 1 lồi".
Ở người có 12 axit amin khơng thay thế, trong đó: Người lớn có 10 axit amin khơng
thay thế là: Isoleucine, Methionine, Leucine, Lysine, Phenylalanine, Threonine,
Tryptophane, Valine, Glycine và Serine. Ở trẻ em có thêm hai axit amin nữa là arginine
và histidine.
Ngồi ra, Cystine và Tyrosine là 2 axit amin bán thay thế vì chúng có thể tổng hợp từ
Methionine và Phenylalanine tương ứng.
Một trong những tiêu chuẩn đánh giá chất lượng protein thực phẩm là đảm bảo đầy
đủ hàm lượng axit amin không thay thế và tỉ lệ cân đối giữa chúng trong protein.
1.1.6 Phép phân tích định lƣợng axit amin
Các axit amin có thể định lượng bằng phương pháp phân tích hóa học, lý học, sinh
học.
a) Định lƣợng axit amin trong dịch thủy phân:
- Phương pháp ninhydrin: dùng thuốc thử ninhydrin đung nóng với axit amin →
ninhydrin bị khử thành hợp chất có màu xanh tím, có độ hấp thụ mạnh ở λ=570 µm, riêng
với prolin có màu vàng. Phương pháp này dùng phát hiện và định lượng axit amin.
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 15


BÀI GIẢNG HĨA SINH
- Phương pháp Kjeldahl: Vơ cơ hóa axit amin bằng cách đun sôi trong H2SO4 đặc →
dạng amonisunfat. Dùng NaOH để kiềm hóa, NH3 được giải phóng. Định lượng bằng axit
chuẩn, suy ra nồng độ của axit amin.
- Phương pháp Vanslyke: Dùng HNO3 để oxy hóa axit amin, sau đó đo lượng N2
được giải phóng bằng máy đo khí đặc biệt.
Axit amin + HNO3 → R-CHOH-COOH + H2O + N2 + H+
b) Phƣơng pháp điện di, sắc kí phân tách hỗn hợp và xác định thành phần axit amin
- Phương pháp điện di: ứng dụng tính chất lưỡng tính của axit amin
+ Mơi trường có pH = pH đẳng điện (pI), axit amin ở dạng lưỡng cực không di
chuyển trong điện trường
+ Môi trường pH < pI, axit amin ở dạng Cation di chuyển về cực âm trong điện
trường
+ Môi trường pH > pI, axit amin dạng anion di chuyển về cực dương trong điện
trường.
- Phương pháp sắc kí trên giấy hoặc bản mỏng: dựa vào tính chất di chuyển và phân
bố khác nhau của pha tĩnh và pha động của những hệ dung môi nhất định, phát hiện các
vệt của axit amin bằng phản ứng ninhydrin
- Phương pháp sắc kí trên cột với nhựa trao đổi ion
- Phương pháp sắc kí lỏng cao áp
c) Xác định axit amin bằng phƣơng pháp đặc hiệu:
Một số axit amin có các phản ứng màu đặc hiệu như sau:
- Phản ứng Xantoprotein: đặc trưng cho các axit amin vòng thơm như Tyr, Phe. Dưới
tác dụng của HNO3 đặc, các axit amin vịng thơm bị nitrat hóa → dẫn xuất ni-tơ vàng.
Thêm dung dịch kiềm → muối amino của dinitrotyrozin có màu vàng da cam.
- Phản ứng Adamkievich: để nhận biết được triptophan (Trp). Trp trong môi trường
axit tác dụng với aldehit tạo thành phẩm vật ngưng tụ có màu đặc trưng (màu tím đỏ).

- Phản ứng Polia: Nhận biết các axit amin chứa lưu huỳnh như Systeine, Systin,
Metionine có trong phân tử protein. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao các axit amin chứa S
kết hợp với kiềm → Na2S. Để nhận biết Na2S ta cho axetat chì vào → PbS↓ nâu đen lắng
xuống.
1.2 PROTEIN
Giữa thế kỉ 19, Nhà hóa học người Đức G. Mulder đã tìm ra protein - tên gọi được
phiên âm từ “proteos” trong tiếng La tinh có nghĩa là quan trọng hàng đầu.
Khoa học ngày nay chứng minh rằng: Protein là các đại phân tử sinh học (polymer tự
nhiên) được tạo thành từ các đơn phân là các L-axit amin, liên kết với nhau bằng các liên
kết peptit.. Về mặt cấu trúc và tính chất, protein có những đặc tính khơng có ở bất kì hợp
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 16


BÀI GIẢNG HĨA SINH
chất hữu cơ nào và chính những đặc tính này bảo đảm chức năng “cơ sở sự sống” của
protein. Trình tự sắp xếp của các acid amin trong mạch phân tử protein được mã hóa
trong bộ máy di truyền của tế bào, protein được tổng hợp trong tế bào sống.
Protein là thành phần không thể thiếu được của tất cả các cơ thể sinh vật.
1.2.1 Vai trò sinh học, giá trị dinh dƣỡng của protein.
a) Vai trò sinh học của protein:
Protein là thành phần không thể thiếu được của tất cả các cơ thể sống. Protein là nền
tảng về cấu trúc và chức năng của cơ thể sinh vật. Các chức năng quan trọng của protein
gồm 8 chức năng như sau:
Xúc tác: Các protein có chức năng xúc tác phản ứng sinh học gọi là enzyme. Hầu hết
các phản ứng của cơ thể sống từ những phản ứng đơn giản nhất như phản ứng hydrat hóa,
phản ứng khử nhóm cacboxyl đến những phản ứng phức tạp như sao chép mã di truyền,
... đều do enzyme xúc tác. Ví dụ: Các Enzyme thủy phân trong dạ dày phân giải thức ăn,
Enzyme Amylase trong nước bọt phân giải tinh bột chín, Enzyme Pepsin phân giải

Protein, Enzyme Lipase phân giải Lipid.
Vận tải: Một số protein có vai trị như những “xe” vận chuyển. Chúng có khả năng
liên kết và vận chuyển các chất trong cơ thể. Như hemoglobin, mioglobin (ở động vật có
xương sống) có khả năng liên kết với O2 và đưa chúng đến khắp các mô và cơ quan trong
cơ thể hay vận chuyển ngược lại CO2 về phổi để thải ra ngồi.
Protein đóng vai trị quan trọng trong việc vận chuyển các chất dinh dưỡng qua thành
ruột vào máu và từ máu đi đến các tế bào trong cơ thể. Protein vận chuyển nhiều thành
phần khác nhau trong cơ thể, ví dụ: lipoprotein là chất mang các phân tử lipit, proteinmetalothionin là chất vận chuyển ion đồng hoặc kẽm.
Chuyển động: Nhiều protein trực tiếp tham gia vào q trình chuyển động như co
cơ, chuyển vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào.
Các cơ thể sống có thể vận động được là nhờ các protein làm chức năng chuyển
động. Hình thức vận động như sự di chuyển của tinh trùng, di động của động vật đơn bào
(trùng roi), sự co cơ giúp chúng ta đi lại, nói cười, … đều do các protein đảm nhiệm. Ví
dụ sự co cơ được thực hiện nhờ chuyển động trượt lên nhau của 2 loại sợi protein là
miozin (sợi to) và actin (sợi mảnh).
Bảo vệ: Một số protein có chức năng bảo vệ. Hệ thống các kháng thể như antibodies
hay immunoglubulin là những protein đặc biệt có khả năng nhận biết và “tiêu diệt hay
trung hòa” những chất lạ xâm nhập vào cơ thể như protein lạ, độc tố, virus, vi khuẩn. Một
số protein tham gia trong quá trình đơng máu như thrombin hay fibrinogen có vai trị bảo
vệ cơ thể sống khỏi bị mất máu.

TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 17


BÀI GIẢNG HÓA SINH
Một số protein là độc tố rất mạnh (nọc rắn, risin, độc tố của một số loài nấm và vi
khuẩn) cũng đóng vai trị bảo vệ.
Điều hịa: Sự hoạt động thống nhất và đồng bộ của một cơ thể là do các protein điều

hòa đảm nhận. Protein điều hịa có thể là một enzyme, một hormone, chất dẫn truyền các
sung động thần kinh,... Ví dụ như vai trò của protein trong việc giữ sự cân bằng nước
trong tế bào, nếu lượng nước trong tế bào quá nhiều sẽ dẫn đến phù nề còn nếu tế bào bị
mất nước sẽ dẫn đến kìm hãm hoặc chấm dứt hoạt động của tế bào – vì mọi phản ứng xẩy
đều xẩy ra trong môi trường nước. Sự họat động đồng bộ, thống nhất của các protein điều
hòa đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của một cơ thể sống.
Kiến tạo và chống đỡ cơ học: Collagen và Elastin tạo nên cấu trúc sợi rất bền của
mô liên kết, dây chẳng, gân. Keratin tạo nên cấu trúc chắc của da, lơng, móng. Protein tơ
nhện, tơ tằm tạo nên độ bền vững của tơ nhện, vỏ kén.
Truyền xung động thần kinh: Một số protein có vai trị trung gian cho các phản ứng
trả lời của tế bào thần kinh, đối với các kích thích đặc hiệu. Ví dụ : vai trò của sắc tố thị
giác rodopxin ở màng mắt.
Dự trữ dinh dƣỡng: Một nhóm các protein là chất dự trữ dinh dưỡng quan trọng
cung cấp các axit amin cho phơi phát triển. Ví dụ : ovalbumin trong lịng trắng trứng,
casein của sữa, protein trong các loại hạt như đậu nành, lúa, bắp... nguồn protein dự trữ
cần cho hạt nảy mầm.
Sự phân biệt các chức năng như trên chỉ là tương đối vì khơng phải lúc nào cũng rõ
ràng, có những trường hợp, một protein có thể đảm nhận một số chức năng khác nhau,
hoặc có thể trong từng điều kiện cụ thể chức năng của một protein không giống nhau.
b) Giá trị dinh dưỡng của protein:
Các protein cấu thành từ các axit amin và cơ thể sử dụng các axit amin ăn vào để
tổng hợp protein của tế bào và tổ chức. Thành phần axit amin của cơ thể người không
thay đổi và cơ thể chỉ tiếp thu một lượng các axit amin hằng định vào mục đích xây dựng
và tái tạo tổ chức. Trong tự nhiên không có loại protein thức ăn nào có thành phần hồn
tồn giống với thành phần axit amin của cơ thể. Do đó để đáp ứng nhu cầu cơ thể cần
phối hợp các loại protein thức ăn để có thành phần axit amin cân đối nhất.
Protein là một thành phần dinh dưỡng quan trọng cho người và động vật. Trong
thành phần dinh dưỡng phải cung cấp đủ lượng protein, đồng thời các protein này phải có
đủ các axit amin cần thiết cho nhu cầu của cơ thể: Có 10 axit amin cơ thể không thể tổng
hợp được hoặc chỉ tổng hợp được một lượng rất ít, đó là lyzin, tryptophan,

phenynalaninin, lơ-xin, izolơxin, valin, treonin, metionin.
Thiếu protein sẽ dẫn đến sự suy nhược cơ thể, đặc biệt đối với trẻ em sẽ bị suy dinh
dưỡng. Thiếu protein là nguyên nhân chủ yếu của tình trạng sức khỏe kém. Thiếu protein
TS BÙI XN ĐƠNG

Trang 18


BÀI GIẢNG HĨA SINH
thường đi kèm với tình trạng thiếu năng lượng và các yếu tố dinh dưỡng khác dẫn đến
khả năng đề kháng của cơ thể kém đi và dễ bị nhiễm bệnh. Nếu protein trong khẩu phần
thức ăn thấp tới 3%, chiều cao ngừng phát triển, giảm cân. Khi thiếu protein, thành phần
hóa học và cấu trúc của xương thay đổi. Khi lượng protein trong khẩu phần thấp tới 1,5 –
1,7 %, xương ngừng phát triển. Những rối loạn xảy ra trong cơ thể do thiếu protein rất đa
dạng và xảy ra ở nhiều bộ phận cơ thể.
1.2.2 Cấu tạo hóa học của protein.
1.2.2.1 Thành phần nguyên tố
Bốn loại nguyên tố chính xây dựng nên phân tử protein là: C, H, O, N.
Trung bình, trong phân tử protein chứa 50-55% C, 21-24% O, 15-18% N, 6,5-7,5%
H, 0-2,4% S, 0-2% P. Trong một số protein còn chứa Fe, Mg, I, Cu, Zn, Br, Mn, Ca
v.v... Do hàm lượng nitơ trung bình trong protein lớn 16% nên để biết hàm lượng protein
trong mẫu phân tích người ta thường xác định hàm lượng nitơ rồi nhân với hệ số 100/16,
tức 6,25.
Protein cấu tạo nên từ 20 loại amino acid khác nhau.
1.2.2.2 Các mức cấu trúc của protein
Về mặt cấu tạo hóa học có thể nói proteinlà một polymer mà monomer của nó là các
axit amin. Các axit amin này liên kết với nhau bằng liên kết peptide. Các chuỗi
polypeptide có thể chứa từ 10 đến hàng trăm, hàng nghìn gốc acid amin gắn kết chặt chẽ
với nhau bằng các liên kết peptide.
Do các tương tác trong phân tử protein mà tạo ra các cấu trúc không gian xác định,

gọi là ”cấu trúc hình thể” của protein.
Trật tự sắp xếp các acid amin trong phân tử protein quy định thông tin về cấu tạo
trong khơng gian của protein. Có 4 mức cấu tạo proteine gọi là cấu trúc bậc 1, bậc 2, bậc
3 và bậc 4 (hình 1.2).

Hình 1.2 - Sơ đồ các bậc cấu trúc của protein

Tồn tại những quy tắc chung, mà theo đó chúng ta có thể phân biệt các mức cấu trúc
của phân tử protein.
a) Cấu trúc bậc 1
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 19


BÀI GIẢNG HÓA SINH
Cấu trúc bậc 1 của protein được mơ tả chi tiết qua cơng trình nghiên cứu về cấu tạo
phân tử insulin của F. Sanger và các cộng sự của ơng năm 1955. Cơng trình này được giải
thưởng Nobel về hóa học năm 1957.
Cấu trúc bậc một của protein là thành phần và trình tự sắp xếp các gốc acid amin
trong mạch polypeptide. Cấu trúc này được giữ vững nhờ liên kết peptid –CO-NH- (liên
kết đồng hóa trị). Trình tự sắp xếp nghiêm ngặt của các gốc acid amin trong một protein
được mã hóa trong ADN.
Hiện nay, cấu trúc bậc một của nhiều protein đã được thiết lập, protein có mạch ngắn
nhất là từ 20-100 acid amin. Đa phần protein có số gốc acid amin giữa 100 và 500, có
một số cịn có tới hang ngàn gốc.

Hình 1.3 - Sơ đồ phản ứng tạo liên kết peptid và chuỗi polypeptide

Liên kết peptide có một số đặc điểm như sau: (xem hình 1.1)

-Bốn nguyên tử của lien kết peptide và hai nguyên tử cacbon α nằm trong cùng một
mặt phẳng.
-Độ dài của lien kết giữa C-N là 1,325 A0, nhỏ hơn độ dài của lien kết đơn C-N bình
thường là 1,47 A0. Ngược lại độ dài của lien kết giữa C-O là 1,24 lại lớn hơn độ dài của
liên kết C-O bình thường (1,21 A0). Do đó có thể hình thành dạng enol (khoảng 40%) của
liên kết peptide.

-Liên kết peptide rất bền (hơn 400J/mol): độ bền của liên kết này có được là do sự
cổng hưởng của hai dạng mesome (đồng phân hoạt quang), do đó một mặt, nhóm –NHkhơng được proton hóa giữa pH=0 và pH=14, mặt khác khơng có sự quay tự do của liên
kết –C-NTS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 20


BÀI GIẢNG HÓA SINH
Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các peptide cho thấy, kích thước của các nhóm
peptide chứa một số gốc acid amin như nhau thì bằng nhau, khơng kể là nó được tạo
thành bởi các acid amin nào.
Tầm quan trọng của việc nghiên cứu cấu trúc bậc 1 trong công nghệ sinh học
+Cấu trúc bậc 1 là bản phiên dịch mã di truyền. Cấu trúc bậc 1 cho biết quan hệ họ
hàng và lịch sử tiến hóa của thế giới động vật

Hình 1.4 – Sơ đồ thuyết central dogma

Cấu trúc bậc 1 của mỗi protein được mã hóa trong đoạn AND, gọi là gen. Trong q
trình tổng hợp protein thông tin nằm trong gen đầu tiên được sao chép vào mARN, sau đó
sử dụng mARN trong ma trận sao chép vào riboxom. Tại riboxom xảy ra sự tổng hợp cấu
trúc bậc 1 của protein (sau khi các acid amin được hoạt hóa để liên kết với nhau).
Riboxom cũng là địa điểm tổng hợp protein mạnh mẽ nhất của tế bào (hình 1.4).
Như vậy, mỗi protein trong 50.000 protein riêng biệt của các cá thể có một loại cấu

trúc bậc một. Hay nói cách khác, tất cả phân tử protein của một cá thể riêng biệt có trật tự
sắp xếp các gốc acid amin trong protein giống nhau, và phân biệt với protein của cá thể
khác.
Phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc bậc một của protein
+Nghiên cứu cấu trúc bậc của protein có ý nghĩa quan trọng trong sinh học nói
chung và trong y học nói riêng.
+Việc nghiên cứu trật tự sắp xếp các gốc acid amin trong mỗi protein và tìm ra
những điểm đặc biệt trong trật tự sắp xếp đó có thể xác định các quy luật chung quy
định mức cấu trúc của protein.
Ngoài ra, nhiều bệnh liên quan đến gen – là hậu quả của việc phá vỡ trật tự sắp xếp
các gốc acid amin trong phân tử protein. Thông tin về cấu trúc bậc một bình thường và
của protein đột biến rất có giá trị trong chuẩn đoán và dự báo sự phát triển của bệnh.
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 21


BÀI GIẢNG HÓA SINH
+Thực nghiệm đã chứng minh việc xác định cấu trúc của protein gồm hai công đoạn
chủ yếu sau: xác định thành phần các acid amin của protein được nghiên cứu; xác định
trật tự sắp xếp acid amin trong protein
Công đoạn 1: Xác định thành phần acid amin của protein
Công đoạn đầu tiên trong việc xác định cấu trúc bậc 1 của protein là đánh giá chất
lượng và số lượng protein. Cần ghi nhớ, để xác định cần có một lượng protein tinh sạch
nhất định, khơng lẫn protein khác hoặc các peptide. Sau đó tiến hành:
Bƣớc 1: Thủy phân protein bằng acid.
Để xác định thành phần acid amin cần phá vỡ tất cả các liên kết peptide trong
protein. Thơng thường protein cần phân tích được thủy phân bằng dung dịch HCl 6
mol/l ở nhiệt độ 1100C trong 24 giờ. Kết quả của bước xử lý ta thu được dịch thủy phân.
Sau khi phá vỡ các liên kết peptide dịch thủy phân chứa các acid amin tự do.

Bƣớc 2: Tách acid amin bằng sắc ký trao đổi ion (hình 1.5)
Hỗn hợp acid amin được đổ vào cột trao đổi cation ở môi trường acid (pH=3), tại
đây các acid amin là các cation, mang điện tích dương. Các acid amin mang điện tích
dương này liên kết với các hạt nhựa mang điện tích âm. Tổng điện tích của acid amin
càng lớn thì liên kết với các hạt nhựa càng chắc.
Như vậy, acid amin của lysine, arginine và histidin liên kết chặt chẽ nhất với cation
trong cột sắc ký, còn acid glutamine và asparagine – liên kết yếu nhất.

TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 22


BÀI GIẢNG HĨA SINH

Hình 1.5 – Phân tích acid amin bằng sắc ký trao đổi ion

Các acid amin tự do từ cột sắc ký được rửa sạch bằng dung dịch đệm với lực ion và
pH tăng. Khi tăng pH acid amin mất proton, kết quả là làm giảm điện tích dương của
chúng, kéo theo độ bền liên kết với các hạt mang điện tích âm giảm.
Mỗi acid amin lấy ra từ cột sắc ký có độ pH và lực ion xác định. Thu nhận từ phía
dưới cột sắc ký các phần dung dịch nhỏ chứa các cid amin riêng biệt
Bƣớc 3: Phân tích định lƣợng các phần acid amin thu đƣợc.
Định lượng mỗi acid amin trong protein bằng cách đun nóng phần acid amin với
ninhydrin (1 loại xeton), tạo thành hợp chất có màu tím đỏ. Độ đậm các mẫu tỉ lệ thuận
với lượng acid amin trong mẫu, nên có thể đo được bằng thiết bị quang phổ. Đo lượng
ninhydrin tham gia vào liên kết có thể xác định được mỗi acid amin trong dịch thủy
phân của protein.
Ngày nay, quá trình phân tách và phân tích định lượng các acid amin trong dịch
thủy phân thực hiện hoàn toàn tự động trong các thiết bị chuyên dụng – gọi là máy phân

tích acid amin.
*Cơng đoạn 2: Xác định trình tự acid amin trong protein
Việc xác định trình tự acid amin trong cấu trúc bậc một của protein là một công việc
hết sức pháp tạp. Người ta dung phương pháp phân cắt bằng các enzyme chuyên dụng
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 23


BÀI GIẢNG HÓA SINH
để nhận biết. Hoặc sử dụng các thuốc thử chuyên dụng để xác định trình tự các acid
amin trên chuỗi peptide mà việc đầu tiên là xác định acid amin ở điểm đầu và điểm cuối
của chuỗi.
b) Cấu trúc bậc 2
Sự sắp xếp thích hợp trong khơng gian của một chuỗi polypeptide tạo ra cấu trúc
bậc hai của phân tử protein.
Do các nguyên tử Cα có thể quay tự do xung quanh trục tạo thành bởi các liên kết
đồng hóa trị đơn làm cho chuỗi polypeptit có rất nhiều hình thể.
Tuy nhiên, trong điều kiện bình thường (ở pH và nhiệt độ thích hợp để protein
khơng bị biến tính) thì mỗi protein có một cấu trúc hình thể đặc trưng – gọi là hình thể
tự nhiên (về phương diện động học: hình thể tự nhiên tương ứng với một hệ thống bền
có tổ chức và năng lượng tự do cực tiểu)
Trong các protein, người ta phát hiện thấy các cấu trúc bậc hai chủ yếu sau:
+Cấu trúc xoắn ốc: gồm xoắn α (3,6 gốc acid amin); xoắn π (4,4 gốc acid amin) – ít
gặp; xoắn γ (5,2 gốc acid amin) – ít gặp và xoắn 310 (3 gốc acid amin) của protein hình
cầu
+Cấu trúc gấp nếp β: gồm cấu trúc tờ giấy xếp; cấu trúc mặt cong β
* Đặc điểm cấu tạo và liên kết hóa học trong cấu trúc xoắn α:
Được Pauling và Corey đề xuất năm 1951 (hình 1.6)
-Đặc điểm cấu tạo:

+Cấu trúc xoắn α là cấu trúc có trật tự, rất bền vững, tương tự lị xo
+Mỗi vịng xoắn ốc có 3,6 gốc acid amin (18 gốc thì tạo được 5 vịng)
+Các ngun tử cacbon α nằm trên đường sinh của hình trụ
+Các mạch bên R hướng ra phía ngồi
+Có thể có xoắn α phải và xoắn α trái (ngược chiều kim đồng hồ)
-Đặc điểm liên kết hóa học:
+ Xoắc ốc α được giữu chặt bởi một số liên kết hydro tối đa
+ Các liên kết hydro gần như song song với trục xoắn ốc. Liên kết hydro này nối kết
nhóm –NH- của liên kết peptide này với nhóm –CO- của liên kết peptide thứ 3 kế đó
+Cứ mỗi nhóm –CONH- tạo được 2 liên kết hydro với 2 nhóm –CONH- khác.
Như vậy, mỗi liên kết peptide đều tham gia tạo liên kết hydro nên cấu trúc xoắn α
có độ bền rất cao. Mật độ liên kết hydro dày đặc nên làm giảm tương tác với phân tử
khác (ví như, khơng có liên kết hydro với phân tử nước)
Từ những đặc điểm liên kết hóa học trên có thể rút ra nhận xét: nếu biết được cấu
trúc bậc một của một protein thì có thể dự đoán được tỉ lệ xoắn α cũng như vị trí của cấu
trúc xoắn α trong phân tử protein.
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 24


BÀI GIẢNG HĨA SINH

Hình 1.6 - Cấu trúc xoắn α

Các axit amin như Ala, Leu, Phe, Tyr, Trip, Cys, Met, His, Asn, Glu, Val có khả
năng tạo xoắn α bền trong khi đó các axit amin như Ser, Ile, Lys, Arg, Thr, Gly cũng tạo
được xoắn α nhưng không bền.
*Đặc điểm cấu tạo và liên kết hóa học trong cấu trúc gấp nếp β (hình 1.7)
- Đặc điểm cấu tạo:

+ Cấu trúc gấp nếp β là cấu trúc hình chữ chi, tương tự như tờ giấy gấp nếp.
+Các mạch peptide có thể song song hoặc đối song song (hình 1.8; 1.9)
+Các gốc bên R của các acid amin có thể ở trên hoăc ở dưới mặt phẳng tờ giấy
-Đặc điểm liên kết hóa học:
+ Cấu trúc gấp nếp β tạo thành do rất nhiều liên kết hydro giữa hai chuỗi polypeptide
hoặc do một chuỗi peptide bị bẻ gập.
+ Cấu trúc được ổn định bởi liên kết hydro giữa gốc –COOH và gốc –NH2 của sợi
polypeptid này với sợi kia.
+ Trong cấu trúc này không chứa các axit amin như Asp, His, Lys, Pro, Ser. Có điều
là tất cả các liên kết peptit đều tham gia vào sự hình thành cấu trúc này.
TS BÙI XUÂN ĐÔNG

Trang 25