Polymer sinh học biển

Polymer sinh học biển
Ngô Đăng Nghĩa



MỤC LỤC
Các kiến thức căn bản về polyme sinh học
•

•

•

Chương1: Cấu trúc hóa học của các polyme
sinh học
Chương 2:Cấu trúc-tính chất các polyme sinh
học
Chương 3: Các phương pháp nghiên cứu
polyme sinh học

Các polyme sinh học biển có nguồn gốc thực
vật


Phần I: Các kiến thức căn bản về polyme sinh học
Chương 1: Cấu trúc hóa học của các polyme sinh học
•

1.1.Các đại phân tử-polyme và polyme
sinh học

Polyme hay đại phân tử là các phân tử được
tạo thành từ các đơn vị nhỏ hơn là các
monome. Polyme thường có dạng mạch thẳng
với nhiều hình dạng khác nhau. Oligome có số
lượng các monome ít hơn, từ 2 đến 20. Một
phân tử được xem như đại phân tử khi khối
lượng phân tử của nó lớn hơn 10 000 g/mol.
•

Polyme sinh học là các đại phân tử có nguồn


Bảng 1.1. Chức năng, nhóm và phân loại polymer
sinh học
Chức năng

Nhóm

Phân loại

Xúc tác

Enzym

Protein

Tồn trữ năng lượng

Tinh bột, glycogen

Polysaccharid

Tạo cấu trúc

Collagen, cellulose, chitin

Protein,

polysaccharid,

glycoprotein
Lưu trữ và truyền thông tin

DNA, RNA

Acid nucleic

Nhận biết phân tử và tế bào

Thụ thể

Glycoprotein

Chuyển hóa năng lượng hóa

Myosin

Protein

Phát tín hiệu

Hormone

Protein, oligopeptid, stetoid

Bơm ion

Cấu trúc màng

Protein

Bôi trơn

Mucin

Glycoproteoin,

học thành năng lượng cơ
học

polysaccharid


1.2.Protein
•

•

•

Protein đóng vai trò trung tâm trong sinh hóa.
Chúng phân bố rất rộng trong tự nhiên và ảnh
hưởng đến tất cả các phản ứng trong cơ thể
sống.
Một số protein là các enzym đóng vai trò xúc
tác cho các phản ứng sinh hóa theo một cách
rất đặc trưng.
Một số khác đóng vai trò như các động cơ
hóa sinh và chuyển hóa năng lượng hóa học
thành chuyển động của các tế bào cơ.


Các acid amin
1.2.1. Các acid amin
Protein có cấu tạo từ các acid amin. Acid amin đơn giản nhất, glycine, có thể phát
sinh từ acid acetic khi thay một nguyên tử hydro bằng nhóm amin. Nếu thay một nguyên tử
hydro khác bằng nhóm CH3, ta có một acid amin khác là alanine. Do đó ta có thể viết công
thức tổng quát của acid amin như sau:
NH2
R

C

H

COOH


Acid amin
•

Trong tất cả các acid amin ngoại trừ glycine, nguyên tử carbon α tạo nên
một trung tâm bất đối. Các nhóm thế trên nguyên tử carbon này có thể
sắp xếp theo hai cách đối xứng với nhau qua gương. Khi vẽ mạch carbon
nằm ngang trên giấy và nguyên tử carbon đánh số cao nhất hướng về phía
trên tờ giấy, nếu nhóm chức nằm bên trái, ta có cấu hình dạng L, nếu
nhóm chức nằm bên phải, ta có dạng D.


Acid amin
Trong tự nhiên tất cả các protein đều cấu thành từ L acid amin. Dạng D chỉ xuất hiện
trong một ít cấu trúc sinh học như vách tế bào của một số vi khuẩn, chất kháng sinh hay nọc
rắn ở dạng các oligo-peptide. Các protein thông thường cấu tạo từ 20 acid amin khác nhau.
Người ta phân nhóm theo tính chất hóa học của các nhóm bên. Mỗi acid amin được viết tắt
bằng 3 chữ cái. Ví dụ acid aspartic viết tắt là Asp, acid glutamic là Glu.
COOH
H2N

C
CH3

L-Alanine

H

COOH
H

C
CH3

D-Alanine

NH2


Acid amin
•

•

•

Phần lớn các sinh vật cần có 20 acid amin này
để tổng hợp nên các protein. Một số sinh vật
như thực vật, có thể tổng hợp tất cả các acid
amin từ các chất vô cơ.
Một số sinh vật khác (như con người) không
có khả năng tổng hợp một số acid amin và do
đó phải lấy chúng từ thực phẩm. Người ta gọi
chúng là các acid amin thiết yếu.
Các acid amin thiết yếu đối với con người là
valine, leucine, isoleucine, lysine, threonine,


Các acid amin


Peptid
•

•

•

•

Các acid amin có thể tạo ra các liên kết peptid
giữa chúng bằng phản ứng trùng ngưng
(condensation reaction).
Nhiều acid amin có thể liên kết với nhau thành
một mạch dài gọi là polypeptid.
Polypeptid có đầu cuối là một amin (Nterminal) hay một carboxyl (COOH terminal).
Trong tự nhiên các acid amin phân bố dọc
theo mạch polypeptid theo một trình tự


Peptide


Peptide


Peptide
Các nhóm bên chứa các nhóm chức –NH2 (-NH3+), -COOH (-COO-), -OH, SH...có
thể tham gia các phản ứng hóa học và tương tác vật lý giữa chúng và các phân tử khác. Trong
glycoprotein, mạch đường liên kết hóa học với các nhóm chức của các acid amin, thường gặp
nhất là serine và threonine. Liên kết này được tạo thành do sự trùng ngưng giữa OH của của
một gốc đường với nhóm hydroxyl của carbon β trên một acid amin. Acid amin cystein có
nhóm mercapto (-SH) liên kết với nhóm bên của một cystein khác tạo thành các cầu nối

disulfide (S-S).

HOOC

H

H

C

C

NH2

H

S

S

H

NH2

C

C

H

H

COOH

Phân tử cystine tạo bởi cầu nối disulfide từ hai phân tử cysteine.


Peptide
Khi acid amin cùng nằm trên một mạch peptid, các liên kết disulfide sẽ tạo vòng kín
hoặc uốn cong mạch. Liên kết này cũng có thể nối hai mạch khác nhau.

O

C

NH
H
C

HN

H2
C

S

S

H2
C

H
C
C

Liên kết disulfide giữa hai mạch polypeptide khác nhau.

O


•

•

•

•

Tất cả các acid amin đều có chứa nhóm amin
và nhóm carboxyl có thể nhận hay cho đi
proton.
Một số acid amin có chứa các nhóm bên là
nhóm kiềm, nhận proton hay nhóm acid, cho
proton.
Do đó, các protein là các chất đa điện ly, là
tính chất rất quan trọng trong sinh học.
Cần chú ý là cả acid amin và protein đều có


Sự phân ly của acid amin

Acid amin đơn trị
H + + A-

HA

Hằng số phân ly Ka được định nghĩa:
Ka 

H . A 




HA

Nồng độ tổng cộng của acid thêm vào hệ thống là:

 

C0  HA  A

Gọi độ phân ly là α



A 


C0

Thay vào phương trình trên ta có
Ka 

H .


1

Lấy logarit hai vế ta có

 

log K a  log H   log


1

Ta thu được phương trình Henderson-Haselback:
pH  pK a  log


1

Với pH=-log[H+] và pKa=-logKa

(1.1)


Tương tự với acid amin hóa trị hai (divalent)

H 2 A  HA  H   A  2 H 


Điểm đẳng điện hay pH đẳng điện, ký hiệu là pI, là giá trị pH tại đó điện tích tổng
của acid amin bằng không và phân tử không di chuyển trong trường tĩnh điện. Tại pH lớn hơn
pI, phân tử tích điện âm và đi về phía anod. Ở pH nhỏ hơn pI phân tử tích điện dương và đi
về phía catod. Có thể xác định điểm đẳng điện bằng thiết bị điện di hoặc tính toán nếu biết
các nhóm chức.
Nhóm carboxyl phân ly như sau:
+

H+ + +NH3−CHR−COO-

NH3−CHR−COOH

HA . H 

H A 


K a ,1





2

Đối với nhóm amin:
+

NH3−CHR−COO-

K a,2 

H+ + NH2−CHR−COO-

A . H 
HA 






Sau khi biến đổi ta có:

HA H   K HA 
H 
K






a,2



a ,1

Lấy logarit hai vế ta có:

pH  pI  1 / 2( pK a ,1  pK a , 2 )
Đối với alanin có pKa,1=2,35, pKa,2=9,7 ta có pI=6

(1.2)


Bảng 1.2 : Điểm đẳng điện của một số acid amin

Acid amin

pKa,1

pKa,2

pI

Glutamine

2,2

9,1

5.65

Serine

2,2

9,15

5.7

Leucine

2,35

9,6

6

Alanine

2,35

9,7

6

Glycine

2,4

9,6

6

1.2.2. Cấu trúc và tính chất căn bản của protein
•

•

Protein bao gồm một hay nhiều chuỗi peptid,
trong đó các acid amin liên kết theo một trình
tự xác định. Các protein là đơn phân tán vì đối
với mỗi protein, số acid amin là xác định và
trình tự của chúng là nghiêm ngặt.
Số lượng acid amin và trình tự của chúng tạo
nên cấu trúc bậc một của protein. Protein có
số lượng nhóm chức khác nhau và làm cho
chúng phù hợp với các chức năng sinh học và
phản ứng chuyên biệt. Các chức năng đó liên


Cấu trúc bậc hai của protein
•

•

•

Cấu trúc xoắn α
Trong mạch peptide, liên kết C-N có khoảng
cách ngắn hơn là liên kết C-N trong các hợp
chất khác. Điều này cho thấy liên kết peptide
có một phần đặc tính của liên kết đôi và do đó

không thể quay tự do như các liên kết N-Cα
và C-Cα trong mạch polypeptide.
Mỗi liên kết peptide nằm trong một mặt
phẳng và hai mặt phẳng nối với cùng một
carbon alpha có thể quay tương đối với nhau.


Cấu trúc xoắn alpha


Cấu trúc nếp gấp beta
•

•

•

Cấu trúc nếp gấp β
Theo cấu hình này, mặt phẳng chuỗi
polypeptide có dạng tấm gấp nếp (pleated
sheets) và chia làm hai loại: loại đối song song
trong đó các đoạn polypeptide đi từ đầu NH2đến đầu COOH- theo các chiều ngược nhau;
loại song song có các đoạn polypeptide chạy
cùng chiều.
Trong một phân tử protein có thể chứa một
hai cả ba loại cấu trúc cấp hai nói trên với ỷ lệ