chứng minh protein là nền tảng của sự sống

MỤC LỤC
NỘI DUNG

TRANG

2.4 Cấu tạo hóa học :..................................................................................................9

PHẦN I. MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Giữa thế kỷ thứ 19, nhà hoá học người Đức Gerardus Mulder đã
chiết được một loại hợp chất đặc biệt, chúng vừa có mặt ở tế bào động
vật, vừa có mặt ở tế bào thực vật. Hợp chất này đóng vai trò quan trọng
trong sự tồn tại của mọi tế bào sinh vật trên trái đất. Theo đề nghị của
Berzelius - nhà hoá học Thụy Điễn noi tiếng, G. Mulder đặt tên chất đó là
protein - theo tiếng la tinh "proteos" có nghĩa là quan trọng hàng đầu.
Protein có phân tử lượng lớn, được cấu thành từ các axit amin. Các
axit amin trong phân tử protein liên kết với nhau bằng liên kết peptit. về
mặt cấu trúc và tính chất, protein có những đặc tính không có ở bất kỳ
hợp 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 axit amin trong mạch
phân tử protein được mã hoá trong bộ máy di truyền của tế bào, protein
được tổng hợp trong tế bào sống

1


Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ
thể sống, về mặt số lượng, protein chiếm không dưới 50% trọng lượng
khô của tế bào; về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ yếu từ
các amino acid vốn được nối với nhau bằng liên kết peptide gọi là chuỗi
polypeptide. Các chuỗi này có thể xoắn hoặc cuộn gấp theo nhiều cách để

tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein . Cho đến nay
người ta đã thu được nhiều loại protein ở dạng tinh thể và từ lâu cũng đã
nghiên cứu kỹ thành phần các nguyên tố hoá học và đã phát hiện được
rằng thông thường trong cấu trúc của protein gồm bốn nguyên tố chính là
C, H, O, N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16%. Đặc biệt tỷ
lệ N trong protein khá ổn định (lợi dụng tính chất này để định lượng
protein theo phương pháp Kjeldahl bằng cách tính lượng N rồi nhân với
6,25). Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S ≈03% và P, Fe, Zn, Cu...
Phân tử protein có cấu trúc, hình dạng và kích thước rất đa dạng,
khối lượng phân tử (MW) được tính bằng Dalton (1Dalton = 1/1000 kDa,
đọc là kiloDalton) của các loại protein thay đổi trong những giới hạn rất
rộng, thông thường từ hàng trăm cho đến hàng triệu. ví dụ: insulin có
khối lượng phân tử bằng 5.733 Da; glutamat-dehydrogenase trong gan bò
có khối lượng phân tử bằng 1.000.000 Da, v.v...
Từ lâu người ta đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống
trong cơ thể sinh vật, protein có chức năng rất quan trọng cấu tạo nên cơ
thể của cơ thể sống của động vật. Tất cả các enzyme, hầu hết các hoóc
môn, một phần lớn hệ thống miễn dịch của chúng ta, tất cả các cơ và rất
nhiều các mô khác của cơ thể được tạo nên bởi protein.
Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống,
người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tài
của Engels P. “Sống là phương thức tồn tại của những thể protein”. Với
sự phát triển của khoa học, vai trò và ý nghĩa của protein đối với sự sống
2


càng được khẳng định. Cùng với acid nucleic, protein là cơ sở vật chất
của sự sống.
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

Chúng ta tìm mối quan hệ chặt chẽ giữa tế bào - acid nucleic –
Protein để chứng minh “ Protein là nền tảng của quá trình sống.”

PHẦN II. NỘI DUNG
CHƯƠNG I. ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN
1.1. Lịch sử nghiên cứu protein
Từ “Protein” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp (proteios) có
nghĩa là “tầm quan trọng số một”. Cái tên này được sử dụng bởi Jons
Jakob Berzelius năm 1938 để nhấn mạnh tầm quan trọng của những phân
tử này đối với cơ thể sinh vật.
Năm 1955 ông Frederick Sanger xác định được chuỗi axit amin
hoàn chỉnh của protein là insulin. Đây là lần đầu tiên khoa học chứng
minh được rằng tất cả các phân tử protein có cấu trúc riêng biệt.
Proten là lớp chất bắt buộc phải có ở bất kỳ vật sống nào và có với
tỷ lệ khá ổn định. Ví dụ ở gia súc và người hàm lượng protein khoảng 40
- 45% vật chất khô.
Protein có ở trong tất cả các loại tế bào với hàm lượng khác nhau:
Bảng 1.1. Hàm lượng protein trong một số mô động, thực vật
Mô

Protein (% so với khối lượng vật
3


chất khô)
57
28
80
6 - 12
9 - 13

29 - 50

Gan
Xương
Cơ vân
Hạt lúa
Hạt ngô
Đậu nành
1.2 Định nghĩa

Về mặt hoá học: Protein là một polyme tự nhiên được cấu tạo từ
các monome là các acid amin.
Về mặt sinh học: Protein là chất mang sự sống. Điều này đã được
Angel viết: “Sự sống là phương thức tồn tại của các thể protein và
phương thức tồn tại này, về thực chất, là sự đổi mới thường xuyên của
các cấu tử hoá học trong những thể protein này”. Thật vậy xét về các mặt
thể hiện của sự sống, chúng ta đều gặp sự tham gia của protein như sự di
chuyển trong không gian của sinh vật là nhờ chức năng co dãn của
protein có dạng sợi, dạng cầu trong tơ cơ đó là miozin và actin. Sự tiêu
hoá, chuyển hoá các chất là nhờ các protein enzyme. Sự tự vệ của cơ thể
là nhờ protein loại bạch cầu, các kháng thể...
Vậy Protein là hợp chất polymer cao phân tử được cấu tạo cấu tạo
từ một hay nhiều chuỗi axit amin không phân nhánh. các axit amin này
liên kết với nhau bằng liên kết peptit (-CO-NH-).
Protein điển hình chứa 200 – 300 axit amin, nhưng một số protein
có số axit amin ít hơn (protein có số lượng axit amin ít nhất gọi là peptit)
và một số protein có số lượng axit amin lớn hơn (protein lớn nhất được
biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim chứa tới 26926 axit
amin trong một chuỗi đơn).
Protein là lớp chất quan trọng bậc nhất của sự sống, là vật

mang sự sống. Đặc điểm lớn nhất của protein là:
- Phân tử có chứa Nitơ (N)
- Khối lượng phân tử lớn.
4


CHƯƠNG II
PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG
Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có Axit
Nucleic.
2.1 Axit nucleic.
Axit Nucleic là hợp chất tự nhiên cao phân tử mang mã di truyền và
thực hiện mã di truyền ở các sinh vật. Hàm lượng Axit Nucleic trong tế
bào khá cao, dao động trong khoảng 5 – 15% vật chất khô. Trong tế bào có
hai loại Axit Nucleic: axit ribonucleic (RNA) và axit desoxyribonucleic
(DNA).
Các đơn phân của Axit nucleic là các nucleotit. Mỗi nucleotit bao
gồm hai thành phần:
Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric.
Tùy theo trọng lượng phân tử của Axit Nucleic mà chuỗi nucleotit
có thể dài ngắn khác nhau. Trong chuỗi nucleotit, các nucleotit sắp xếp
theo những trình tự nhất định tạo nên đặc trưng sinh học của Axit Nucleic,
tức là tạo nên các gen di truyền. Thứ tự các nucleotit thường được xét theo
từng bộ ba base. Một codon là một đơn vị mã di truyền, có chức năng mã
hóa cho một axit amin. Axit Nucleic là bản thiết kế protein và bảng thiết kế
này được viết bằng các mã di truyền. Thứ tự các mã quy định thứ tự các
axit amin trong protein, quyết định đặc trưng sinh học của protein. Mỗi
5

Axit Nucleic trong quá trình hình thành và hoạt động luôn luôn duy trì
vững vàng trình tự các nucleotit. Một rối loạn trong quá trình này dẫn tới
rối loạn tính di truyền, tức là gây nên hiện tượng biến dị.

2.2 Cấu trúc protein
Thành phần nguyên tố của protein (% theo trọng lượng)
C: 50 - 54
O: 20 - 23
H: 6 - 7
N: 15 - 18 (trung bình khoảng 16%)
S: 0 - 2,4
Trong một số protein còn chứa P, Fe, I, Co, Zn và một số nguyên
tố khác hàm lượng các nguyên tố này rất thấp nhưng có ý nghĩa rất lớn
đối với sự sống.
Để tạo nên trạng thái sống các nguyên tố này trước hết liên kết với
nhau tạo nên các axit amin ( Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine,
Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, Valine, Arginine, Histidine,
Cysteine, Glutamine, Glycine, Proline, Serine, Tyrosine,

Alanine,

Glutamate, Asparagine, Aspartate).
Đơn vị cấu tạo cơ bản nhất của protein là axit amin. Axit amin là
những dẫn xuất của axit hữu cơ mà trong phân tử một nguyên tử hydro
(đôi khi 2) của gốc ankil được thay thế bởi gốc amin. Công thức chung
như sau:
R-CH-COOH
NH2
6

Có thể định nghĩa khác là:
axit amin gồm một nguyên tử Cac
bon α liên kết với:
- Một nguyên tử Hydro
- Một nhóm Amin
- Một nhóm Carboxyl
- Một trong 20 gốc R, 20 gốc R khác nhau tạo nên 20 axit amin
và quyết định tính chất đặt trưng của chúng. Axit amin hình bên là
Alanin.
Axit amin là monomer cấu tạo nên protein. Trong tự nhiên có
khoảng 250 axit amin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axit
amin gọi là axit amin sinh protein (proteinogenic amino acids).
Dựa vào nhu cầu dinh dưỡng của động vật, người ta chia axit amin
thành 2 loại:
- Loại axit amin không thay thế được: là loại rất cần cho sự phát
triển bình thường của cơ thể động vật, nhưng cơ thể động vật không thể
tự tổng hợp được hoặc không tổng hợp được đủ nhu cầu, phải thường
xuyên được cung cấp từ thức ăn. Ở người và vật nuôi có 9 axit amin
không thay thế là: Leuxin, Isoleuxin, Valin, Lyzin, Methionin,
Triptophan, Threonin, Histidin, Phenylalanin.
- Loại axit amin thay thế được: Là những axit amin mà cơ thể có
khả năng tự tổng hợp được từ các sản phẩm chuyển hóa trung gian khác.
Hai trong số các axit amin không thay thế, lysin và tryptophan, có
rất ít trong thực vật chho nên những người ăn chay trường cần bổ sung 2
axit amin này.
2.3 Phân loại Protein
Dựa vào lý hóa tính, chủ yếu là tính hoà tan và khối lượng phân tử
mà chia làm 2 loại :
Protein đơn giản: dựa vào tính hòa tan khác nhau của chúng.

7


- Albumine: tan trong nước, khối lượng phân tử nhỏ; ví dụ như
albumine của trứng, ở thực vật thường có ở hạt ( 0,1 – 0,5% ) như
Leucosine ( lúa mì, lúa mạch, lúa đại mạch ), Legumeline ( đậu
nành ), Ricinine ( hạt thầu dầu ).
- Globuline: chỉ tan trong dung dịch loãng muối trung tính (KCl,
NaCl 4- 10% )có nhiều ở thực vật, chủ yếu trong hạt cây họ đậu;
khối lượng phân tử M = 100.000 – 300.000.
- Prolamine: chỉ tan trong rượu ethylic 70-80% và có nhiều ở cây
thân thảo ( chứa nhiều prolin, các amid & acide glutamique ); ở lúa
mì và lúa mạch đen chứa prolamine có tên là gliadine, khối lượng
phân tử của prolamine M = 26.000 – 40.000.
- Gluteline: chỉ tan trong dung dịch acid hay kiềm loãng ( 0.22% ), có ở hạt ( 1-3% trọng lựơng hạt ).
- Protamine: khối lượng phân tử nhỏ M = 8.000 – 10.000, có tính
bazơ rất rõ vì hàm lượng arginine khá lớn, hiện diện nhiều ở phấn
hoa, protamine tan trong nước và bazơ.
Protein phức tạp : còn được gọi là Proteide, có cấu tạo ngoài thành
phần acid amin còn có một nhóm không phải protein.
- Phosphoproteide: proteine + acid phosphoric ,ví dụ Casein có
trong sữa động vật.
- Lipoproteide : proteine + dẫn xuất của Lecithine, cephaline và
những lipid khác.
- Glucoproteide : còn gọi là mucoproteide gồm protein + glucid.
- Metalloproteide : proteine + kim loại; đây là cấu tạo của enzyme
ví dụ như Catalase, Peroxydase, Cytochrome có chứa Fe ;
ascorbatoxydase và p- diphenoloxydase có chứa Cu.
- Cromoproteide : proteine + nhóm phi proteine bất kỳ ví dụ như
hợp chất chlorophyll trong quang hợp thường kết hợp với một

proteine.
- Nucleoproteide : proteine + acid nucleic.
8


2.4 Cấu tạo hóa học :
2.4.1 Acid amin :
Acid amin là đơn vị cấu tạo cơ bản của protein; acid amin là dẫn
xuất của acid hữu cơ, đồng thời có chức acid ( COOH ) và chức kiềm
( NH2 ). Acid amin có công thức tổng quát là:
H2N

COOH

CH

R

Các acid amin có thể có 2 nhóm NH2 hoặc 2 nhóm COOH ; nhóm
R có thể là nhóm alkyl, aryl …vv.
Các acid amin đầu tiên là Aspararin và Cystin được phát hiện vào
năm 1806 và 1810, vào thế kỷ này người ta biết được gần 20 acid amin
căn bản có mặt trong thành phần của các phân tử protein và đến cuối
những năm 40 của thế kỷ này ngưới ta biết được gần 40 acid amin thiên
nhiên.
2.4.1.1 Các acid amin thường gặp trong protein:
 Acid amin trung tính : nhóm R là nhóm trung tính.

O
H2N CH C OH

H
Glycine
(Gly)
(G )

O
H2N CH C OH
CH2
SH

O
H2N CH C OH
CH3
Alanine
(Ala)
(A)

Serine
(Ser)
(S)

O
H2N CH C OH
CH2
S
Cystine
(CysS-S)
(CS-S)

Cysteine

(CysSH)
(CSH)

9

O
H2N CH C OH
CH2
OH

O
H2N CH C OH
CH2
S


O
H2N CH C OH
CHOH
CH3

O
H2N CH C OH
CHCH3
CH3

Threonine
(Thr)
(T)

Valine
(Val)
(V)

O
H2N CH C OH
CH2
CH2
S
CH3

O
H2N CH C OH
CH2
CHCH3
CH3
Leucine
(Leu)
(L)

Methionine
(Met)
(M)

O
H2N CH C OH
CH CH3
CH2
CH3
Isoleucine

(ILeu)
( IL)

O
H2N CH C OH
CH2

Phenylalanine
(Phe)
(F)

O
H2N CH C OH
CH2
HN

10

Tryptophane
(Try)

O
H2N CH C OH
CH2
CH2 CH3
Nor-Valine
(N-Val)
(N-V)

O

H2N CH C OH
CH2 3
CH3
Nor- Leucine
(N- Leu)
(N-L)

O
H2N CH C OH
CH2

OH
Tyrosine
(Tyr)
(Y)


 Acid amin acid : nhóm R có tính acid .

O
H2N CH C OH
CH2
CH2
C O
OH

O
H2N CH C OH
CH2
C O

OH

ACIDE GLUTAMIQUE
(Glu)
(E)

ACIDE ASPARTIQUE
(Asp)
(D)

 Acid amin kiềm : nhóm R có tính kiềm.

O
H2N CH C OH
CH2
CH2
CH2
NH
C NH
NH2

O
H2N CH C OH
CH2
CH2
CH2
CH2
NH2
LYSINE
(Lys)

(K)

ARGININE
(Arg)
(R)

O
H2N CH C OH
CH2
N
NH
HISTIDINE
(His)
(H)

11


 Các acid amin khác : imino acid

O
C OH

O
C OH

HN

HN
PROLINE

(Pro)
(P)

OH

HYDROXYPROLINE
(ProOH)
(POH)

Acid amin cần thiết là những acid amin mà cơ thể không tự tổng
hợp được phải đưa từ bên ngoài vào. Chúng gồm : Valine, Leucine,
Isoleucine, Methionine, Threonine, Phenylalanine, Tryptophane, Lysine,
Histidine
 Dạng D&L của acid amin :
+ Trường hợp có một C* ( Cα ), người ta chọn Serine làm chất để
qui ước; nếu nhóm NH2 ở bên phải là dạng D, nếu ở bên trái là dạng L.

COOH

H

C

COOH

NH2

2HN

C

CH2OH

CH2OH

D- serine

L- serine

+ Trường hợp có 2 C* ( Cα và Cβ) thì qui ước như sau :
-

Nếu Cα dạng D và Cβ dạng D thì gọi là D.
12

H


-

Nếu Cα dạng L và Cβ dạng L thì gọi là L.

-

Nếu Cα dạng D và Cβ dạng L thì gọi là D- allo.

-

Nếu Cα dạng L và Cβ dạng D thì gọi là L - allo.
COOH

H2N
H3C

COOH

Cα H

H

Cα NH2

Cβ

H

Cβ CH3

H

CH2CH3

CH2CH3

L- isoleucine

D- isoleucine

COOH

COOH

H
C

H2N

α

H
H3C

C

β

C

α

C

β

CH3

H

C2H5
C2H5
D- allo-isoleucine

L- allo-isoleucine

 Tính lưỡng tính của acid amin :
Sự hiện diện đồng thời của 2 chức acid và kiềm trong cấu tạo của
acid amin làm cho nó vừa có tính acid vừa có tính baz.

13

NH2

H


H3N

CH

COOH
H

H2N

CH

H

R

R

H2 N

COOH

CH
R
ANION ( )

CATION ( )

H3N

CH

COO

R
ION löôõng cöïc (

)

Chú thích :
Equivalents of OH¯ : trị số tương đương của OH¯ .
Zwitterions : ion lưỡng cực.
pI : điểm đồng điện tích.

2.4.2 Protein
14

COO

Protein là sự trùng hợp của nhiều acid amin bởi liên kết Peptide
nên còn được gọi là polypeptide.
2.4.2.1 Liên kết peptide:
Liên kết peptide là liên kết amide giữa nhóm COOH và nhóm NH 2
cuả 2 acid amin kề nhau
Nếu 2 acid amin liên kết nhau thì tạo thành dipeptid.
Nếu 3 acid amin liên kết nhau thì tạo thành tripeptid
Nếu 4 acid amin liên kết nhau thì tạo thành tetrapeptid
Nếu 5 acid amin liên kết nhau thì tạo thành pentapeptid
Nếu nhiều acid amin liên kết nhau thì tạo thành polypeptid.

O
H2N

CH

O

C

OH

H

R1

N

CH

H

R2

CH

N

C

H

R1

O
H2N CH C OH
R1

H2N CH C
R1 O

O
H2N CH C OH
R2

H

H

N CH C
R2 O

N CH
R3

CH

C

OH

R2

O
H2N CH C OH
Rn

O
H2N CH C OH
R3

H
C
O

POLYPEPTIDE

15

OH

O

O
H2N

C

N

H

O
N CH C OH
Rn


Tên gọi của peptide tạo thành gồm tên của các acid amin thành
phần trong đó tên acid amin cuối cùng ( còn nhóm COOH ) vẫn giữ
nguyên còn tên các acid amin khác thì có tân cung là “ –il”. Ví dụ: Alanin
– Serin – Aspartic – Glycin, thì có tên là Alanilserilaspartilglycine.
2.4.2.2 Liên kết phụ:
Ngoài liên kết chính peptide phân tử proteine còn có những liên kết
phụ khác như:
-

Liên kết S_S:

Liên kết này còn gọi là liên kết disulphur, xuất hiện khi 2 nhóm SH
của 2 cysteine ở gần nhau của cùng một mạch hay 2 mạch polypeptide.
-

Liên kết hidro :

Là liên kết bổ sung hình thành giữa nguyên tử hidro ở trạng thái
đồng hóa trị ( có điện tích dương ) với nguyên tử nhận nào đó cũng ở
trạng thái đồng hóa trị ( nhưng tích điện âm ).
-

Liên kết muối :

Liên kết này là do lực hút tĩnh điện giữa các nhóm acid và bazơ ví
dụ giữa nhóm NH3+ của các acid diamino monocarboxylic ( Lysine,
Arginin) và COO ¯ của các acid monoaminodicarboxylic (acid glutamic,
acid aspartic ). Đặc điểm trong cấu tạo của mạch polypeptide là các
nguyên tử C và N trong mạch được phân bố gần như là trên cùng mặt
phẳng, trong khi các nguyên tử H và các nhóm CH-R tạo với mặt phẳng
đó một góc 1090 28/.
2.4.2.3 Sự phân giải liên kết peptide:
Sự phân giải liên kết peptide sẽ giải phóng các acid amin tự do.
 Phân giải bằng acid :
Dùng acid chlorhydric 6N ( 20% ) ở 1150C, trong điều kiện chân
không, nếu không thì tryptophan bị phân hủy hoàn toàn. Phương pháp
này được sử dụng để làm nước tương.
 Phân giải bằng kiềm:
16

Đun nóng proteine với các dung dịch kiềm loãng ở 1000C, hiệu
năng cao hơn khi dùng acid nhưng hàng loạt acid amin bị phân hủy.
 Phân giải bằng enzyme:
Sự phân giải này được thực hiện ở 370C bởi các enzyme thủy phân.
Sự phân giải này thường dùng để điều chế các peptide là những sản phẩm
phân cắt chưa hoàn toàn các proteine.
2.5 Cấu trúc Protein
2.5.1 Cấu trúc bậc một của protein (Primary protein structure)
Cấu trúc bậc 1 của protein là sự liên kết giữa các axit amin với
nhau thành chuỗi thông qua liên kết peptit (-CO - NH-), Mạch liên kết
này hình thành giữa nhóm COOH của axit amin trước với nhóm NH 2 của
axit amin bên cạnh.

Hình 1: Sự hình thành liên kết peptit

17


Liên kết peptit là liên kết đồng hóa trị rất bền vững (năng lượng
phá vỡ liên kết khoảng 6 - 7kcal/mol). Trong thực tế mạch liên kết peptit
rất khó thủy phân (phải dùng HCl 6N với nhiệt độ (1000C).
Trong chuỗi peptit, các axit amin cứ liên kết với nhau như vậy liên
tục. Theo quy định axit amin đầu chuỗi (bên trái) có nhóm amin tự do gọi
là axit amin N tận; axit amin cuối chuỗi (bên phải) có nhóm cacboxyl tự
do gọi là axit amin C tận.
Khi khảo sát chuỗi peptit có hai vấn đề quan trọng: số lượng các
axit amin và trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi:
- Số lượng các axit amin: Số lượng các axit amin nhiều hay ít tùy
loại protein và quy định độ dài ngắn, phân tử lượng của chuỗi.
Protein lớn nhất được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ

tim, chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn. Các protein phổ biến
đặc biệt là các enzym có khoảng từ 150 - 300 axit amin.
- Trình tự sắp xếp các axit amin: Năm 1955 lần đầu tiên toàn bộ trình
tự sắp xếp của 51 axit amin của insulin đã được Sanger xác định. Sau đó,
trình tự các axit amin của ribonuclease, protein của virus khảm thuốc lá,
hemoglobin... đã được xác định.
Trình tự của các axit amin trong chuỗi quyết định cấu trúc không
gian của chuỗi và do đó quyết định tính chất, chức năng sinh học của
protein. Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, được ghi lại bằng
các đơn vị tạo thành axit nucleic. Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x
1019 tổ hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người ta
tìm thấy khoảng 1010 - 1012 protein ở các cơ thể sống khác nhau). Mỗi
tổ hợp có sự sắp xếp các axit amin với thứ tự khác nhau, chỉ cần 1 axit
amin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tính chất vật lý, hóa học và sinh học
của protein cũng thay đổi. Có thể lấy vài ví dụ:
Trong bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, do đột biến ADN mà ở vị trí
số 6 trên chuỗi ( polypeptit của globulin trong hồng cầu là axit glutamic
bị thay bằng valin.
18


Oxytoxin và vasopressin là hai hocmon thùy sau tuyến yên, chúng
đều có 9 axit amin, nhưng sắp xếp chỉ khác nhau ở vị trí số 3 và số 8:
Oxytoxin có chức năng làm tăng co bóp cơ trơn tử cung:
Xys - Tyr - Ile - Glu - Asn - Xys - Pro - Leu - Gly
1

2

3

4

5

6

7

8

9

Vasopressin có chức năng làm tăng huyết áp động mạch, chống lợi
niệu:
Xys - Tyr - Phe - Glu - Asn - Xys - Pro - Arg - Gly
3

8

Việc phát hiện ra cấu trúc bậc 1 là một thành tựu khoa học rất lớn
trong hóa học protein. Nó là cấu trúc quan trọng nhất quyết định mức độ
phức tạp, tính muôn hình muôn vẻ và hoạt tính sinh học của protein.
Nguyên nhân của sự đặc trưng, đặc thù của sinh vật, tức là sự khác nhau
về loài, giống, các thể và các bộ phận trong cơ thể chính là sự khác nhau
về cấu trúc và chức năng của protein.
Cấu trúc bậc 1 là yếu tố di truyền hết sức ổn định.
Ví dụ: Insulin là 1 polypeptit hocmon bao gồm 51 axit amin, ở các
động vật khác nhau, chúng chỉ khác nhau ở axit amin thứ 8, 9, 10.
8

9

10

Bò:

Ala - Ser - Val

Lợn:

Tre - Ser - Ile

Cừu:

Ala - Gly – Val

Quá trình di truyền ở sinh vật chính là hiện tượng truyền đạt lại cho
đời sau cấu trúc bậc 1 của protein đặc thù cho loài giống. Thiết kế protein
được mã hóa qua tiết kế mã di truyền trong axit nucleic.
Vậy cấu trúc bậc 1 là sự biệt hóa của tế bào gốc mang thông tin di
truyền riêng biệt của từng loài, từng cá thể.
2.5.2 Cấu trúc bậc hai của protein (Secondary protein
structure)
19


Cấu trúc bậc 2 của protein là cấu trúc chu kỳ của chuỗi polypeptit.
Chuỗi polypeptit được sắp xếp gọn lại trong không gian nhất là trong môi
trường sinh vật, trong mô bào theo những hình thù nhất định, bền vững

hơn phù hợp với chức năng của chúng. Năm 1951 Pauling và Correy đã
đề ra hai loại cấu trúc chu kỳ của chuỗi polypeptit gọi là cấu trúc xoắn α
và cấu trúc gấp nếp β. Đó là hai dạng cấu trúc bậc 2 thường gặp.
* Xoắn α:
Nhiều protein chứa các đoạn có cấu trúc xoắn α,ví dụ: myoglobin,
hemoglobin... Chuỗi peptit cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành các vòng
xoắn. Chu kỳ xoắn là 3,6 axit amin. Chiều dài mỗi vòng xoắn là 5,4A 0.
Chiều xoắn có thể là xoắn phải hoặc xoắn trái. Các xoắn α thấy ở các
protein là xoắn phải (hình 1.1). Tỷ lệ giữa các đoạn xoắn và không xoắn
trong protein chiếm khoảng 45% - 50% chiều dài của chuỗi peptit. Cũng
có khi hai hoặc nhiều cuộn xoắn α bện lại với nhau như cuộn dây cáp
được thấy ở các protein như keratin của tóc, myosin tropomyosin ở cơ,
epidermin của da và fibrin của cục máu đông...
Xoắn α được ổn định nhờ những
liên kết hyđro. Liên kết này được hình
thành giữa hai nguyên tử mang điện tích
âm có khoảng cách 2 - 3A0, nguyên tử
hyđro nằm giữa hai nguyên tử đó. Liên kết
hyđro để tạo xoắn α trong cấu trúc bậc 2
của protein được tạo thành giữa nhóm

=

C=O và =N-H. Lúc này các gốc amit
=C=O và =N-H nằm trong một mặt phẳng.
Liên kết hyđro yếu, năng lượng phá
vỡ liên kết khoảng 0,7 - 1,5Kcal/mol song có
số lượng lớn nên xoắn α bền và ổn định.
Liên kết hyđro giữ vị trí đặc biệt quan
Hình 2. Cấu trúc xoắn trọng trong tính cơ động, linh hoạt của các phân

20


α

tử sinh học, của protein cũng như mô bào.

Gấp nếp β:

21


Cấu trúc gấp nếp β, khác với
xoắn α là ở chỗ nó là dạng tấm.
Chuỗi polypeptit trong gấp nếp β
hầu như duỗi thẳng chứ không phải
cuộn lại hình lò xo như xoắn α.
Điều khác nữa là cấu trúc gấp nếp β
được ổn định bởi các liên kết hyđro
giữa các nhóm =C=O và =N-H
Hình 3: Cấu trúc gấp nếp β

trong các chuỗi polypeptit khác
nhau. Cấu trúc gấp nếp β thường
đặc trưng cho nhiều protein dạng

sợi, ví dụ colagen.
Trong cơ thể, xét về cấu trúc bậc 2, protein có thể chia ra làm 3
loại:
- Loại hoàn toàn cấu tạo từ xoắn α

- Loại hoàn toàn cấu tạo từ gấp nếp β
- Loại chứa cả xoắn α và gấp nếp β
2.5.3 Cấu trúc bậc ba của protein (Tertiary protein structure)
Là cấu hình không gian phức tạp của chuỗi polypeptit do sự gấp
khúc, cuộn lại của cấu trúc bậc 2 tạo cho protein có hình thù nhất định
đặc trưng cho từng loại protein và hình thù đặc trưng này được quyết định
từ cấu trúc bậc 1. Sự sắp xếp gọn lại trong không gian của phân tử protein
khi đã có cấu trúc bậc 2 này giúp cho phân tử protein ổn định trong môi
trường sống.

22


Hình 4: Mô hình cấu trúc bậc 3 protein
Cấu trúc bậc 3 tồn tại và ổn định nhờ các liên kết và các lực sau:
a. Liên kết disulfid
Liên kết disulfid hình thành giữa 2 nhóm -SH (sulphydryl) của 2
gốc xystein phân bố rải rác trong chuổi peptit, nhưng gần nhau trong
không gian

Hình 5: Mô hình liên kết disulfid
Đây là liên kết đồng hóa trị, bền, nhưng chiếm số lượng không
nhiều: phân tử protein với khoảng 100 - 200 axit amin có khoảng 4 - 5
liên kết disulfid.

23


Ví dụ: Insulin là hormon của tuyến tụy tham gia điều hòa hàm
lượng đường trong máu. Khi thiếu insulin, hàm lượng đường trong máu

tăng cao, dẫn tới bệnh đái đường. Insulin được cấu tạo từ 2 chuỗi peptit:
chuỗi A gồm 21 axit amin, chuỗi B gồm 30 axit amin, hai chuỗi này gắn
với nhau bằng 2 liên kết disulfid.
b. Các liên kết yếu
- Liên kết hydro: Liên kết này xuất hiện giữa 2 nhóm mang điện
tích âm có nguyên tử hydro.
- Liên kết ion: Liên kết này hình thành giữa 2 ion trái dấu của 2
gốc axit amin nằm xa nhau theo thứ tự trong chuỗi peptit, nhưng gần
nhau về không gian trong cấu trúc bậc ba.
Ví dụ: Gốc axit glutamic trong chuỗi polypeptit có nhóm -COOH
tự do, trong môi trường nhất định của cơ thể nhóm này có thể phân ly
thành -COO-. Trong cấu trúc bậc 3 gốc này nằm gần gốc NH2 tự do,
nhóm NH2 có khả năng nhận H+ tạo thành NH3+. Do đó hai ion trái dấu
này hút nhau. Loại liên kết này nằm rải rác trong phân tử do có một số
gốc axit amin có nhóm - COOH và -NH2.
- Lực hấp dẫn Van der Vaals: Khi có 2 chất hoặc 2 nhóm hóa hóa học
nằm cạnh nhau với khoảng cách 1 - 2 lần đường kính thì giữa chúng sẽ có
lực hấp dẫn lẫn nhau.
- Lực liên kết của các nhóm kỵ nước: Những nhóm không phân
cực (thành phần chỉ có C, H) ví dụ: -CH2; -CH3 trong valin, leuxin,
isoleuxin hoặc phenyl trong phenylalanin... là những nhóm không ưa
nước (kỵ nước) và không tích điện. Nước trong tế bào đẩy chúng lại với
nhau tạo thành các búi kỵ nước trong phân tử protein. Loại lực này chiếm
60% - 70% lực ổn định cấu trúc bậc 3 của nhiều phân tử protein dạng
cầu.
Các liên kết yếu rất có ý nghĩa vì chúng có rất nhiều và phân bố
khắp nơi trong phân tử protein. Nhờ các liên kết này (đặc biệt lực liên kết
giữa các nhóm kỵ nước) mà cấu trúc bậc 3 của protein ổn định trong môi
24

trường. Tuy nhiên năng lượng liên kết của các liên kết nói trên rất yếu
cho nên cấu trúc bậc 3 cũng rất dễ bị biến đổi bởi sự thay đổi các yếu tố
môi trường. Các yếu tố như nhiệt độ, pH khi tác động tới protein tức là
ảnh hưởng lên các liên kết yếu này, ví dụ: nhiệt độ tăng quá cao (>=
500C) làm protein bị biến tính hoặc giảm quá thấp làm protein ngừng
hoạt động; pH của môi trường thay đổi sẽ làm thay đổi độ điện ly của
-NH2 hoặc -COOH... những biến đổi này có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích
cực đến chức năng của protein.
Do có cấu trúc bậc 3 các protein có hình thù đặc trưng và phù hợp
với chức năng của chúng. Ở các protein chức năng như các enzym, các
kháng thể, protein của các hệ thống đông máu, thông qua cấu trúc bậc 3
mà hình thành được các trung tâm hoạt động, là nơi thực hiện các chức
năng của protein. Sự duy trì hình dạng giúp protein ở trạng thái nguyên
vẹn, tức là trạng thái sinh học được duy trì. Mỗi biến đổi của hình dạng sẽ
kéo theo sự biến đổi của hoạt tính.
2.5.4 Đô men cấu trúc (structural domain)
Đô men cấu trúc được nghiên cứu từ năm 1976. Sự hình thành đô
men cấu trúc khá phổ biến ở các chuỗi peptid dài.
Đômen cấu trúc là những bộ phận, những khu vực trong một phân
tử protein được cuộn gấp trong không gian giống như một phân tử protein
nhỏ hoàn chỉnh và thường là nơi thực hiện chức năng liên kết, chức năng
lắp ráp của đại phân tử protein trong hoạt động chức năng của nó. Trong
nhiều protein, đômain gắn liền với chức năng kết hợp đặc hiệu và ở nhiều
enzym được cấu tạo từ các đô men, thì trung tâm hoạt động được bố trí
tại biên giới của hai hay nhiều đô men.
Sự hình thành các đômen trong phân tử protein tạo khả năng tương
tác linh hoạt giữa các đại phân tử, khả năng cơ động, dịch chuyển tương
ứng giữa những bộ phận trong quá trình thực hiện chức năng sinh học.
Xét về mặt đô mencấu trúc, khi phân tích sự hoạt động của hầu hết các

phân tử protein đã biết, có thể chia chúng thành 3 nhóm:
25