Đề cương bài giảng hóa sinh môi trường

MỞ ĐÂU
Hóa sinh học là khoa học nghiên cứu cơ sở phân tử của sự sống: thành phần
cấu tạo hóa học (hóa sinh tĩnh), các quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào và cơ
thể (hóa sinh động), cơ sở hóa học của các quá trình hoạt động sống (hóa sinh chức
năng). Mặt khác, tùy theo đối tượng sinh vật được nghiên cứu, có thể phân thành :
Hóa sinh động vật, hóa sinh thực vật, hóa sinh vi sinh vật. Do đó đối tượng của hóa
sinh rất khác nhau về thời gian, không gian.
Hóa sinh học sử dụng chủ yếu các phương pháp hóa học, phương pháp hóa lí,
tuy nhiên trong nhiều năm gần đây cũng đã sử dụng tất cả các phương pháp vật lý hiện
đại như phương pháp nhiễu xạ rownghen, phương pháp cộng hưởng từ điện tử, cộng
hưởng từ hạt nhân, các phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu….
Lịch sử hình thành và phát triển của hóa sinh gắn liền với những thành tựu của
hóa hữu cơ, sinh lý học, y học và các ngành khoa học khác. Các nghiên cứu hóa sinh
bắt đầu từ cuối thế kỷ 18. Tuy nhiên mãi đến cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 hóa sinh
học mới trở thành một ngành khoa học độc lập.
Lược sử phát triển Hóa sinh học :
- Nửa đầu thế kỷ 19, sự kiện Vole tổng hợp được ure đã chứng tỏ có thể tổng
hợp được chất hữu cơ của cơ thể sống mà không cần lực sống. Trong thời kỳ này cũng
đã có nhiều công trình nghiên cứu về thành phần hóa học của tế bào thực vật, tế bào
động vật, đã tách được được một số enzim như : amilaza từ lúa mạch nảy mầm, pepsin
từ dạ dày….
- Nửa cuối thế kỷ 19, đã có nhiều dẫn liệu về cấu trúc của các axit amin,
saccarit, lipit, bản chất của liên kết peptit, bắt đầu có các nghiên cứu về axit nucleic.
Ngoài ra cũng bắt đầu tìm hiểu và giải thích một số quá trình chuyển hóa các chất
trong cơ thế sống, đặc biệt là quá trình lên men.
- Nửa đầu thế kỷ 20, đã đạt được nhiều thành tựu về hóa sinh dinh dưỡng, phát
hiện được một số bệnh liên quan đến dinh dưỡng không đủ chất. đã phát hiện ra
hoocmon, vitamin và xác đinh vai trò của chúng trong cơ thế. Xác định được bản chất
của enzim là protein
1

Năm 1950 về cơ bản đã xác định được tính chất chủ yếu cấu tạo cơ thể sống và
các con đường chuyển hóa chúng trong cơ thể.
Từ sau năm 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.
Trong 20 năm gần đây, đã tổng hợp được một số orotein có hoạt tính sinh học
bằng phương pháp hóa học, công nghệ sinh học. ví dụ đã tổng hợp được insulin là một
protein có hoạt tính hoocmon (làm giảm hàm lượng đường trong máu, được sử dụng
để điều trị bếnh đái tháo đường).
Những 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 và các quá trình bệnh lí, cơ chế điều hòa tế bào, cơ chế tác dụng của các
hoocmon…nhằm tiến đến chủ động điều khiển mọi hoạt động và quá trình sống theo
hướng có lợi nhất, nhằm bảo vệ môi sinh, bảo vệ con người, mô hình hóa các quá trình
sống, thực hiện các quá trình sống trên quy mô công nghiệp, tạo ra ngày càng nhiều
chế phẩm sinh học, các sản phẩm có giá trị để sử dụng trong công nghiệp, nông
nghiệp.
Như vậy, trong ngành môi trường, việc nắm vững các cơ chế hóa sinh diễn ra
trong hệ thống tự nhiên và môi trường nhân tạo giúp hiểu rõ bản chất các quá trình
sinh học, làm nền tảng để có thể tiếp cận với các nội dung chuyên sâu trong các môn
học khác của ngành môi trường, nhằm ứng dụng những kiến thức hóa sinh trong
nghiên cứu công nghệ xử lý và bảo vệ môi trường.

2


CHƯƠNG 1. PROTEIN VÀ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA NITƠ
1.1. Protein và axit amin
1.1.1. Axit amin: các dạng và đặc trưng của các axit amin
A. Các dạng axit amin

Protein là các polime phân tử lớn được cấu tạo từ các L- alpha- acid amin.
Trong các phân tử acid amin này, nguyên tử cacbon ở vị trí alpha so với nhóm
cacboxil kết hợp với nhóm amin. Công thức cấu tạo chung của các acid amin:

Mặc dù protein rất đa dạng nhưng hầu hết chúng đều được cấu tạo từ 20 loại Lalpha- acid amin. Dựa vào đặc tính của mạch bên, người ta chia các acid amin thành
một số nhóm sau:
- Các acid amin trung tính mạch không vòng
Nhóm này gồm 5 acid amin là : Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine. Các
axit amin này đều có 1 nhóm amin, 1 nhóm cacboxil.

( Gly, G)

( Ala, A)

( Val, V)

3


( Leu, L)

( Ile, I)

- Các hidroxil acid amin mạch không vòng
Thuộc nhóm này có 2 acid amin: Serine và Threonine. Chúng cũng có 1 nhóm
amin, 1 nhóm cacboxil nhưng có chứa 1 nhóm - OH

H2N- CH- COOH

H2N- CH- COOH

CH- OH

CH2- OH

CH3
Threonine ( Thr, T)

Serine (Ser, S)

- Các acid amin chứa lưu huỳnh mạch không vòng
Nhóm này gồm hai acid amin là Cystein và Methionine

H2N- CH- COOH

H2N- CH- COOH
CH2

CH2- SH

Cystein
( Cys, C)

CH2
S- CH3
Methionine
( Met, M)
4


- Các acid amin acid và amit của chúng

Hai acid amin thuộc nhóm này là acid Aspatic và acid Glutamic, khi amit hóa hai
acid được hai amit tương ứng là Asparagine và Glutamine.

Aspartic
( Asp, D)

Glutamic
( Glu, E)

Asparagine

Glutamin

( Asn, N)

( Gln, Q)

- Các acid amin kiềm
Nhóm này gồm 3 acid amin là: Arginine, Lysine, Histidine

5


- Các acid amin thơm
Các acid amin thuộc nhóm này là phenylalanine, tyrosine, tryptophan

Phenylalanine
( Phe, F)

Tyrosine

( Tyr, Y)

Tryptophan
( Trp, W)

- Iminoacid (Proline)
Proline cũng có mạch bên là hidrocacbon nhưng nhóm amin bậc 1 ở cacbon alpha
kết hợp với mạch bên tạo thành vòng pirolidin. Như vậy, proline là một iminoacid
chứa nhóm amin bậc 2.
B. Đặc trưng của axit amin
- Tính chất axit – bazơ của dung dịch amino axit
a) Tác dụng lên thuốc thử màu: (H2N)x – R – (COOH)y. Khi:
- x = y thì amino axit trung tính, quỳ tím không đổi màu
- x > y thì amino axit có tính bazơ, quỳ tím hóa xanh
- x < y thì amino axit có tính axit, quỳ tím hóa đỏ
b) Tính chất lưỡng tính:
6


Tác
dụng
với
dung
dịch
bazơ
(do
có
nhóm
COOH)
H2N–CH2–COOH

+
NaOH
→
H2N–CH2–COONa
+
H 2O
+
–
hoặc:
H3N –CH2–COO +
NaOH
→
H2N–CH2–COONa
+
H2O
Tác
dụng
với
dung
dịch
axit
(do
có
nhóm
NH2)
H2N–CH2–COOH
+
HCl
→
ClH3N–CH2–COOH

+
–
hoặc: H3N –CH2–COO + HCl → ClH3N–CH2–COOH
- Phản ứng este hóa nhóm COOH

- Phản ứng của nhóm NH2 với HNO2

H2N–CH2–COOH
+
HNO2 →
axit hiđroxiaxetic

HO–CH2 –COOH

+

N2 +

H2 O

- Phản ứng trùng ngưng
Do có nhóm NH2 và COOH nên amino axit tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành
polime
thuộc
loại
poliamit
- Trong phản ứng này, OH của nhóm COOH ở phân tử axit này kết hợp với H của
nhóm NH2 ở phân tử axit kia tạo thành nước và sinh ra polime
- Ví dụ:

- Axit amin không thay thế (axit amin cần thiết)
Trong số 20 axit amin tham gia cấu tạo nên protein có một số axit amin mà cơ thể
người và động vật không tự tổng hợp được hoặc tổng hợp không đầy đủ theo nhu cầu,
buộc phải đưa từ ngoài vào qua thức ăn. Chúng được gọi là các axit amin thiết yếu
hoặc axit amin không thay thế. Khi thiếu chỉ một axit amin thiết yếu có thể làm giảm
protein được tổng hợp, thậm chí lượng được tổng hợp ít hơn protein bị phân giải, kết
quả dẫn đến cân bằng nito âm. Số lượng các axit amin thiết yếu thay đổi tùy thuộc vào
những điều kiện riêng biệt như loài động vật, lứa tuổi… 9 axit amin: Val, Leu, Ile,
Met, Thr, Trp, His, và Lys thường là các axit amin không thay thế cho người và phần

7


lớn động vật. Hàm lượng các axit amin không thay thế và tỉ lệ giữa chúng là một tiêu
chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng protein.
- Axit amin thay thế (axit amin không cần thiết)
Thuộc nhóm này gồm 11 axit amin còn lại. chúng là những axit amin mà cơ thể
người và động vật có thể tự tổng hợp được từ những nguyên liệu khác mà không bắt
buộc phải đưa từ bên ngoài vào theo con đường thức ăn.
1.1.2. Protein: Cấu trúc, tính chất và phân loại protein
1.1.2.1. Vai trò sinh học của protein
Protein là thành phần không thể thiếu được của tất cả các cơ thể sinh vật nhưng
lại có tính đặc thù cao cho từng loài, từng cá thể của cùng một loài, từng cơ quan, mô
của cùng một cá thể. Protein rất đa dạng về cấu trúc và chức năng, là nền tảng về cấu
trúc và chức năng của cơ thể sống. Có thể kể đến một số chức năng quan trọng của
protein như sau:
- Vai trò xúc tác
Các protein có chức năng xúc tác các phản ứng gọi là các enzyme. Hầu hết các
phản ứng của cơ thể sống từ những phản ứng đơn giản nhất như hydrat hóa đến
những phản ứng phức tạp như sao chép mã di truyền đều do enzyme xúc tác. Enzim

đóng vai trò quan trọng xác định kiểu biến đổi hóa học trong hệ thống sống, đồng thời
làm tăng tốc độ và hiệu suất của các phản ứng. Đến nay đã biết được hơn 3500 enzim,
một số enzim đã được nghiên cứu kỹ về cấu trúc.
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.
- Vai trò vận tải
Một số protein có vai trò như những “xe tải” vận chuyển các chất trong cơ thể.
Ví dụ: hemoglobin, mioglobin (ở động vật có xương sống), hemoxianin (ở động vật
không xương sống) kết hợp với O2 và vận chuyển chúng đến khắp các mô và cơ quan
trong cơ thể. Nhờ các chất “tải” O2 này, mặc dù độ hòa tan trong nước của O2 thấp
8


nhưng vẫn đảm bảo thỏa mãn được nhu cầu O2 của cơ thể. Hemoglobin còn có vai trò
quan trọng trong vận tải CO2, H+.
- Vai trò chuyển động
Nhiều protein trực tiếp tham gia trong quá trình chuyển động như: co cơ,
chuyển vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào.
Ở động vật có xương sống, sự co cơ vân được thực hiện nhờ chuyển động trượt
trên nhau của 2 loại sợi protein: sợi to chứa protein miozin và sợi mảnh chứa các
protein actin, tropomiozin và troponin. Ngày nay người ta cũng đã biết vai trò co cơ ở
hầu hết các tế bào Eukaryot khác.
- Vai trò bảo vệ
Các kháng thể trong máu động vật có xương sống là những protein đặc biệt có
khả năng nhận biết và “bắt” những chất lạ, virut, vi khuẩn hoặc tế bào lạ. Như vậy ở
đây ta thấy protein như những “lính gác” nhận biết được những vật lạ để loại trừ
chúng ra khỏi cơ thể.
- Các interferon là những protein do tế bào động vật có xương sống tiết ra để chống lại
sự nhiễm vius. Tác dụng của interferon rất mạnh, chỉ cần ở nồng độ 10-11 M đã có hiệu

quả kháng virus rõ rệt. Interferon kết hợp vào màng nguyên sinh chất của các tế bào
khác trong cơ thể và cảm ứng lại trạng thái kháng virus của chúng.
- Các protein tham gia trong quá trình đông máu có vai trò bảo vệ cơ thể sống khỏi bị
mất máu.
- Ở một số thực vật có chứa các protein có tác dụng độc đối với động vật, ngay cả ở
liều lượng rất thấp chúng có tác dụng bảo vệ thực vật khỏi sự phá hại của động vật.
- Vai trò truyền xung thần kinh
Một số protein có vai trò trung gian cho phản ứng trả lời của tế bào thần kinh
đối với các chất kích thích đặc hiệu. Ví dụ: vai trò của sắc tố thị giác rodopxin ở màng
lưới mắt.
- Vai trò điều hòa
9


Một số protein có chức năng điều hòa quá trình truyền thông tin di truyền, điều
hòa quá trình trao đổi chất.
- Protein tham gia vào quá trình biểu hiện gen như các repressor ở vi khuẩn có thể làm
ngừng quá trình sinh tổng hợp enzim của các gen tương ứng. Ở cơ thể bậc cao sự điều
hòa hoạt động biểu hiện gen theo một cơ chế phức tạp hơn nhưng các protein cũng
đóng vai trò quan trọng
- Các protein có hoạt tính hormone, các protein ức chế đặc hiệu enzyme đều có chức
năng điều hòa nhiều quá trình trao đổi chất khác nhau.
Ví dụ: Hormone Insulin và Glucagon do tế bào đảo tụy thuộc tuyến tụy tiết ra có tác
dụng điều hòa hàm lượng đường Glucose trong máu động vật có xương sống.
- Vai trò kiến tạo chống đỡ cơ học
Các protein này thường có dạng sợi như sclerotin trong lớp vỏ ngoài của côn
trùng, collagen, elastin của mô liên kết, mô xương, collagen đảm bảo độ bền và tính
mềm dẻo của mô liên kết.
- Vai trò dự trữ dinh dưỡng
Protein còn là chất dinh dưỡng quan trọng cho phôi phát triển. Ví dụ albumin

trong lòng trắng trứng, gliadin trong hạt lúa mì, zein của ngô. Các protein dự trữ khác
như cazein của sữa, feritin (dự trữ sắt) trong lá lách.
Protein là thành phần không thể thiếu được của mọi cơ thể sống, chúng giữ vai
trò quan trọng trong sự phát triển, duy trì sự sống và phục hồi của tế bào và các mô.
Khi thiếu protein trong chế độ ăn hằng ngày sẽ dẫn đến nhiều biểu hiện xấu cho sức
khỏe như suy dinh dưỡng, sút cân mau, chậm lớn (đối với trẻ em), giảm khả năng
miễn

dịch,

khả

năng

chống

đỡ

của

cơ

thể

đối

với

một

số

bệnh.

Thiếu protein sẽ gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động bình thường của nhiều cơ quan.
Thiếu protein cũng sẽ làm thay đổi thành phần hóa học và cấu tạo hình thái của xương
(lượng canxi giảm, lượng magie tăng cao). Do vậy mức protein cao chất lượng tốt
(protein chứa đủ các acid amin không thay thế) là cần thiết trong thức ăn.
1.1.2.2. Cấu trúc protein
10


Cấu trúc của phân tử protein là một yếu tố quan trọng liên quan đến cấu hình
không gian ba chiều và tính chất, hoạt động chức năng của protein.
Người ta phân biệt 4 bậc cấu trúc của phân tử protein khác nhau bởi mức độ
phức tạp và dạng liên kết trong nội tại phân tử của chúng.
a. Cấu trúc bậc I
Cấu trúc bậc I của protein là trình tự sắp xếp các gốc axit amin trong mạch
polipeptit. Cấu trúc này được giữ vững nhờ liên kết peptit (liên kết cộng hóa trị).
Liên kết peptit được tạo thành do phản ứng kết hợp giữa nhóm cacboxil (COOH) của một axit amin này với nhóm amin (-NH2) của một axit amin khác, loại đi
một phân tử nước. Sơ đồ phản ứng như sau:

Khi 2 axit amin liên kết với nhau bằng liên kết peptit thì có một phân tử nước
được giải phóng và tạo thành dipeptit. Nếu có 3, 4, 5… axit amin gọi là tripeptit,
tetrapeptit, .. và polipeptit.
Theo cách kết hợp này các liên kết peptit nằm trên một mạch thẳng không phân
nhánh, có hai đầu khác nhau gọi là đầu “N” (có nhóm α – amin tự do) và đầu “C” ( có
nhóm α – cacboxil tự do). Đánh số thứ tự các gốc axit amin trong chuỗi peptit bắt đầu
từ đầu “N” và thường kí hiệu đầu “N’ bằng dấu “+”, đầu “C” bằng dấu “-“

11


Qua ví dụ trên ta thấy từ các axit amin có thể tạo thành các peptit khác nhau.
Từ n axit amin, có đồng phân peptit (Pn) chứa n gốc axit amin sẽ là:
Pn = n! = 1x2x3x…..xn
Phân tử protein được cấu tạo từ 20 loại axit amin khác nhau, lại chứa số gốc
axit amin lớn hơn 20, rõ ràng có thể tạo thành một số lượng khổng lồ các protein khác
nhau.
Số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi
polipeptit thể hiện cấu trúc bậc I của protein. Cấu trúc bậc I có vai trò quan trọng, là
yếu tố quyết định đặc trưng sinh học của protein. Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của
các axit amin trong chuỗi polipeptit sẽ dẫn đến biến đổi cấu trúc và hoạt tính protein.
Việc xác định được cấu trúc bậc I là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương
pháp hóa học hoặc bằng các phương pháp công nghệ sinh học.
Năm 1953, lần đầu tiên Frederick Sanger đã đề ra được phương pháp và sử
dụng phương pháp này để xác định chính xác trình tự sắp xếp các axit amin trong
phân tử insulin. Kết quả này là một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển hóa sinh
học, vì vậy tác giả đã nhận giải thưởng Nobel vào năm 1958. Đến nay khoảng hơn
một trăm nghìn protein đã được xác định cấu trúc bậc I.
b. Cấu trúc bậc II
Trong cấu trúc phân tử của protein, cấu trúc bậc I là cấu trúc cơ sở để từ đó
hình thành nên các cấu trúc không gian (cấu trúc bậc II, III, IV) của protein. Do chuỗi
peptit được hình thành bằng liên kết chính là liên kết peptit bền vững giữa các axit
amin, mạch thẳng polypeptit được kéo dài nhờ các gốc amit (-CO-NH-CH-) luôn được
lặp lại. Mạch bên (gốc R) của các axit amin không tham gia tạo thành bộ khung của
mạch mà ở bên ngoài mạch peptit. Chính các gốc R tạo thành các liên kết phụ với
nhau, có thể từ các gốc axit amin có thứ tự cách xa nhau, để tạo thành các cấu hình
không gian khác nhau của protein.
Cấu trúc bậc II là tương tác không gian giữa các gốc axit amin ở gần nhau trong

mạch polipeptit. Nói cách khác nó là dạng không gian cục bộ của từng phần trong
mạch polipeptit. Cấu trúc được làm bền chủ yếu nhờ liên kết hidro được tạo thành
giứa các liên kết peptit gần nhau, cách nhau những khoảng xác định.
12


Chuỗi polipeptit thường không ở dạng mạch thẳng mà xoắn lại tạo nên cấu trúc
xoắn α hoặc gấp nếp β.
- Cấu trúc xoắn α: đoạn mạch polipeptit xoắn chặt lại, những nhóm peptit (CO-NH-), Cα tạo thành phần bên trong lõi của xoắn, các mạch bên (nhóm R) của các
gốc axit amin quay ra phía ngoài.
Cấu trúc xoắn α được giữ vững chủ yếu nhờ liên kết hidro. Liên kết hidro
được tạo thành giữa nhóm cacboxil của 1 liên kết peptit với nhóm –NH của liên kết
thứ 3 sau nó (cách nhau 3 gốc axit amin) trên cùng một mạch polipeptit.

Ví dụ cấu trúc xoắn alpha. A: mô hình giản lược, B: mô hình phân tử, C: nhìn từ
đỉnh, D: mô hình không gian.
Trong cấu trúc xoắn α, cứ mỗi nhóm –CO-NH- có thể tạo thành 2 liên kết hidro
với hai nhóm –CO-NH- khác. Các liên kết hidro được tạo thành với số lượng tối đa,
bảo đảm độ bền vững của cấu trúc xoắn α.
Theo mô hình của Paulin và Cori trong cấu trúc xoắn giữa hai gốc axit amin kế
tiếp nhau có khoảng cách dọc theo trục xoắn là 1,5 Ao và góc quay 100o. Chiều của
xoắn có thể là xoắn phải hay xoắn trái. Xoắn α trong phân tử protein thường là dạng
xoắn phải. Tỷ lệ xoắn α trong phân tử các protein khác nhau cũng thay đổi khá nhiều.
Ví dụ; trong hemoglobin và mioglobin là 75%, lizozim là 35%...

13


- Cấu trúc phiến gấp nếp β: tìm thấy trong fibroin của tơ, nó khác với xoắn α ở một
số điểm chủ yếu sau:

+ Đoạn mạch polipeptit có cấu trúc phiến gấp nếp β thường duỗi dài ra chứ không
cuộn xoắn chặt như xoắn α. Khoảng cách trên trục giữa hai gốc axit amin kề nhau là
3,5 Ao
+ Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm –NH- và – CO- trên 2 mạch polipeptit
khác nhau, ở kề nhau, các mạch này có thể chạy cùng hướng hay ngược hướng với
nhau.

c. Cấu trúc bậc III của phân tử protein
Nhờ sử dụng phương pháp hiện đại như phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân,
phương pháp phân tích tinh thể protein bằng tia X, đến nay người ta đã biết được cấu
trúc bậc III chi tiết của hàng nghìn protein.
Kết quả nghiên cứu nhiều protein tan trong nước, protein có hoạt tính xúc tác
cho thấy chúng thường có dạng hình cầu. Chuỗi polipeptit với các phần có cấu trúc
14


bậc II cuộn chặt lại, các gốc kị nước thường ở phần lõi giữa các phân tử, các gốc ưa
nước ở trên bề mặt phân tử.
Cấu trúc bậc III là tương tác không gian giữa các gốc axit amin ở xa nhau trong
mạch polipeptit, là dạng cuộn lại trong không gian của toàn mạch polipeptit. Chúng
bao gồm các dạng liên kết:
- Liên kết disulfile (-S-S-) là liên kết hình thành giữa hai nhóm SH của hai axit
amin cystein. Đây là liên kết cộng hóa trị rất bền vững, tuy nhiên tỷ lệ giữa liên kết
này và các loại liên kết khác trong cấu trúc bậc III rất thấp so với các liên kết yếu
khác.
- Liên kết hidro (…H-A).
- Liên kết kỵ nước là tương tác giữa các nhóm không phân cực trong các gốc
axit amin.
- Liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các nhóm phân cực trái dấu.
- Lực Van-der-Van (lực hấp dẫn phân tử).

Mặc dù đa phần các liên kết trên là những liên kết yếu nhưng do số lượng các
liên kết tương đối lớn nên chúng có thể ổn định cấu trúc bậc 3 trong những điều kiện
bình thường. Tuy nhiên khi phá vỡ các liên kết trên (thường do thay đổi pH, nhiệt độ
hay sự có mặt của các chất phân cực hay các chất oxy hóa) thì cấu trúc bậc III sẽ thay
đổi, phân tử bị duỗi ra đồng thời làm thay đổi một số tính chất của nó, đặc biệt là tính
tan và hoạt tính xúc tác của nó.
Một ví dụ rõ ràng nhất là kết quả nghiên cứu của Anfixsen trên phân tử
ribonucleaza (enzim phân giải ARN). Phân tử enzim này là một chuỗi polipeptit bao
gồm 124 gốc axit amin. Bốn cầu disunfua được tạo thành giữa các gốc Cystein ở các
vị trí sau: 26-84, 40-95, 58-110 và 65-72. Ở môi trường pH = 7 và nhiệt độ 37oC, có
ure hoặc guanidine clorua làm phá vỡ các liên kết khác liên kết hóa trị, dùng β –
mecaptoetanol ở nồng độ dư thừa có thể khử tất cả 4 cầu disunfua tạo thành 8 nhóm SH trong phân tử. Kết quả là phân tử enzim bị duỗi ra và mất hoạt tính xúc tác.
Protein đầu tiên được nghiên cứu cấu trúc bậc III là Mioglobin, có vai trò vận
chuyển oxi ở mô cơ. Mioglobin bao gồm một chuỗi polipeptit có 153 axit amin, và
một nhóm hem, phân tử có cấu trúc khá rắn đặc, bên trong phân tử chỉ có một khoảng
trống rất bé, phần lõi chứa hầu hết là gốc axit amin không phân cực (Leu, Val, Met..)
15


và chỉ có 2 gốc phân cực là His. Bề mặt phân tử có các gốc phân cực và cả không
phân cực.
d. Cấu trúc bậc IV của phân tử protein
Cấu trúc bậc IV là sự tổ hợp của các đơn phân (chuỗi đơn polypeptit) tạo nên
các đại phân tử protein. Số lượng các đơn phân có thể là 2 hay nhiều chuỗi polipeptit
hình cầu, tương tác không gian (sự sắp xếp) giữa các chuỗi này trong phân tử gọi là
cấu trúc bậc IV. Mỗi chuỗi polipeptit này gọi là “phần dưới đơn vị” (subunit). Chúng
gắn với nhau nhờ liên kết hidro, tương tác vandecvan giữa các nhóm phân bố trên bề
mặt của các phần dưới đơn vị.
Phân tử protein có cấu trúc bậc IV có thể bị phân ly thuận nghịch thành các
phần dưới đơn vị. Khi phân ly, hoạt tính sinh học của nó bị thay đổi hoặc có thể bị mất

hoàn toàn. Do tồn tại tương tác giữa các phần dưới đơn vị nên khi khi kết hợp với một
chất nào đó dù là phân tử bé cũng kéo theo những biến đổi nhất định trong cấu trúc
không gian của chúng.
Ví dụ phân tử Hemoglobin (Hb) của hồng cầu có chức năng vận chuyển O2
trong máu. Phân tử Hb có 4 chuỗi polipeptit sắp xếp thành khối có dạng cầu. mỗi
chuối có một nhóm hem là trung tâm liên kết O2. Hb A của người có 4 chuỗi polipeptit
thuộc 2 loại khác nhau gọi là chuỗi α và chuỗi β, do đó Hb A gồm α 2β2. Khi kết hợp
với O2, cấu trúc bậc IV của Hb thay đổi đáng kể, thể tích phân tử giảm, các phần dưới
đơn vị xích lại gần nhau hơn. Khi tách O2, thể tích phân tử lại tăng lên trở lại.

16


1.1.2.3. Một số tính chất của protein
Tính chất của protein phụ thuộc vào thành phần, trình tự sắp xếp các axit amin
trong phân tử của nó. Do cách kết hợp giữa các axit amin trong phân tử protein dễ
dàng thấy rằng protein còn phải mang dấu ấn rõ rệt tính chất các mạch bên của các gốc
axit amin cấu tạo nên nó. Ví dụ một số phản ứng màu đặc trưng, tính chất điện li…
Tuy nhiên, protein có những tính chất hoàn toàn khác axit amin, đó là những tính chất
phụ thuộc vào liên kết peptit, phụ thuộc vào cấu trúc không gian phân tử lớn của
protein.
a. Khối lượng và hình dạng phân tử
Protein có khối lượng phân tử tương đối lớn và thay đổi trong một dải rộng từ
hơn mười nghìn đến hang trăm nghìn Dalton. Các phân tử lớn này có thể có dạng cầu
(hình hạt, hình bầu dục) hoặc dạng sợi, giữa hai nhóm này có khác nhau một số tính
chất.
Các protein hình cầu tan trong nước hoặc dung dịch muối loãng, rất hoạt động
về mặt hóa học. Thuộc nhóm này có hầu hết protein có hoạt tính xúc tác (enzim),
albumin, globulin, hemoglobin…
Các protein hình sợi tương đối trơ về mặt hóa học, chủ yếu có chức năng cơ

học. Ví dụ Colagen của da, xương, sụn, gân, răng; keratin của tóc, lông; fibroin của tơ,
miozin của cơ.
Trọng lượng phân tử của một số loại protein:
Albumin sữa:

17.400 Da

Albumin trứng:

44.000 Da

Globulin huyết thanh:

310.000 Da

Hemoglobin người:

68.000 Da

Enzym pepsin:

45.000 Da

Enzym ribonuclease: 12.700 Da
Siêu vi khuẩn cúm:

322.000.000 Da

b. Tính lưỡng tính
Phân tử protein gồm nhiều amino acid kết hợp lại với nhau thành một hoặc

nhiều chuỗi polypeptide. Trên mỗi chuỗi polypeptid đều có một nhóm -NH2 của
17


amino acid và một nhóm -COOH của amino acid. Ngoài ra, trong phân tử protein còn
có thể có một số nhóm -NH2 tự do của các amino acid kiềm tính và một số nhóm COOH của các amino acid acid tính. Trong dung dịch các nhóm -NH2 và -COOH này
có thể điện li để tạo thành NH3+ và COO-. Do đó, protein cũng có tính lưỡng tính như
amino acid.
Như vậy, khi đặt một protein trong điện trường, tùy theo pH của môi trường, nó có thể
di chuyển về catot hoặc anot. Ở một pH nào đó protein không di động trong điện
trường, chứng tỏ tổng số điện tích trong phân tử của nó bằng không, pH này gọi là pH
đẳng điện của protein (pI).
Tại điểm đẳng điện các hạt keo có điện tích bằng 0. Một vài ví dụ về điểm đẳng điện
của protein:
Casein

4,7

Zein ngô

6,2

Albumin

4,8

Miosin cơ

5,0

Globulin

5,4

Histon

8,5

Mỗi loại protein cũng có điểm đẳng điện tương ứng và tỉ lệ của mỗi dạng ion
trong dung dịch phụ thuộc vào pH của dung dịch hòa tan protein. Nếu pH của môi
trường = pI thì protein tồn tại ở dạng ion lưỡng cực nhiều nhất và protein sẽ không di
chuyển trong điện trường. Nếu pH của môi trường > pI thì anion chiếm nhiều nhất và
protein sẽ di chuyển về phía cực dương của điện trường. Nếu pH < pI thì dạng cation
chiếm nhiều nhất và protein sẽ di chuyển trong điện trường về cực âm. Tính chất này
được ứng dụng để tách protein bằng kỹ thuật điện di, ngoài ra còn được ứng dụng để
chiết xuất và tinh chế protein bằng phương pháp sắc kí trao đổi ion.
c. Tính chất dung dịch keo protein, sự kết tủa protein
Khi hòa tan, protein tạo thành dung dịch keo. Trạng thái keo là trạng thái trung
gian giữa hai trạng thái lỏng và rắn. Các phần tử keo có kích thước lớn, không đi qua
màng bán thấm. Sử dụng tính chất này, có thể tinh sạch protein khỏi các phân tử thấp
bằng phương pháp thẩm tích. Do trên bề mặt phân tử protein có các nhóm phân cực,
khi hòa vào nước, các phân tử nước lưỡng cực sẽ hấp phụ bởi các nhóm này tạo thành
màng nước bao quanh phân tử protein gọi là các lớp vỏ hidrat.
18


Độ bền của dung dịch keo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ như sự tích điện
của phân tử protein, mức độ hidrat hóa, nhiệt độ… khi thay đổi các yếu tố này, như
làm trung hòa điện của phân tử protein, loại bỏ lớp vỏ hidrat, các phân tử protein sẽ
kết tụ lại với nhau tạo thành khối lớn gọi là kết tủa protein. Sau khi protein bị kết tủa,

nếu loại bỏ các yếu tố gây kết tủa, protein lại có thể tạo thành dung dịch keo bền như
trước hoặc mất khả năng này. Trường hợp thứ nhất gọi là “kết tủa thuận nghịch”,
trường hợp thứ hai gọi là “kết tủa không thuận nghịch”.
+ Kết tủa thuận nghịch
Một số yếu tố gây biến tính thuận nghịch như dung môi hữu cơ lạnh (ether,
ethanol, aceton, …), một số muối trung tính ((NH4)2SO4).
+ Kết tủa không thuận nghịch
Cấu trúc không gian của phân tử protein bị phá vỡ hoàn toàn, không có khả năng tái
tạo trở lại. Các yếu tố gây biến tính không thuận nghịch như acid vô cơ đậm đặc (HCl,
H2SO4, HNO3, …), acid hữu cơ (CCl3-COOH), nhiệt độ cao, …
d. Khả năng hấp thụ tia tử ngoại của dung dịch protein
Dung dịch protein có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở 2 vùng bước song
khác nhau là 180 - 220nm và 250 - 300nm.
+ Bước sóng từ 180 đến 220nm. Đó là vùng hấp thụ của liên kết peptit trong
phân tử protein, cực đại hấp thụ ở 190nm. Do liên kết peptit có nhiều trong phân tử
orotein nên độ hấp thụ này của các liên kết peptit cao, cho phép định lượng tất cả các
loại protein với nồng độ thấp. Tuy nhiên vung hấp thụ này của các liên kết trong
protein có thể bị dịch chuyển về phía có bước sóng dài hơn khi có một số tạp chất
khác lẫn trong dung dịch protein. Mặt khác, chnhs các tạp chất này cũng hấp thụ ánh
19


sang tử ngoại ở vùng bước song 180 – 220 nm. Vì vậy, trong thực tế khi đo độ hấp thụ
của dung dịch protein thường đo ở bước song 220 - 240nm.
+ Bước sóng từ 250 – 300nm. Đây là vùng hấp thụ của các axit amin thơm (Phe,
Tyr, Trp) có trong phân tử protein, cực đại hấp thụ ở 280nm. ở bước sóng này, Trp có
độ hấp thụ lớn nhất, rồi đến Tyr. Có thể sử dụng phương pháp đo độ hấp thụ của dung
dịch protein ở bước sóng 280nm để định tính và định lượng các protein chứa axit amin
thơm. Hàm lượng các axit amin thơm trong các protein khác nhau thay đổi khá nhiều,
do đó dung dịch của các protein khác nhau có nồng độ giống nhau có thể khác nhau

nhiều về độ hấp thụ ở 280nm.
Vì vậy, các phương pháp đo độ hấp thụ ánh sang ở vùng tử ngoại thường được
dung để định lượng protein đã tinh sạch hoặc để xác định protein trong các phân đoạn
nhận được khi sắc ký tách các protein qua cột.
e. Các phản ứng đặc trưng
Axit amin là đơn vị cấu tạo cơ sở của peptit và protein. Các axit amin kết hợp
với nhau qua liên kết peptit (- CO- NH-) tạo thành chuỗi peptit có chiều dài mạch khác
nhau gọi là polipeptit.
Phân tử protein có thể bao gồm một hay nhiều chuỗi polipeptit. Từ đó có thể phân
biệt các phản ứng của protein thành 3 nhóm:
- Phản ứng của liên kết peptit (phản ứng biure) là phản ứng đặc trưng cho tất cả
polipeptit, protein.
- Phản ứng đặc trưng của một hay một số gốc axit amin trong phân tử protein.
- Phản ứng của nhóm α – amin tự do đầu N của chuỗi polipeptit.
Sau đây là một số phản ứng đặc trưng thường dung để định tính và định lượng axit
amin và protein.
+ Phản ứng biure: là phản ứng đặc trưng của liên kết peptit, tất cả các chất có chứa
từ 2 liên kết peptit trở lên đều cho phản ứng này. Trong môi trường kiềm mạnh, liên
lết peptit trong phân tử protein phản ứng với CuSO4 tạo thành phức chất màu tím hoặc
tím đỏ.

20


Phản ứng màu có cực đại hấp thụ ở bước sóng 540nm. Phản ứng này đươc sử dụng
rộng rãi để phát hiện và định lượng protein. Độ nhạy phản ứng tăng lên nhiều lần khi
có thuốc thử Folin- Xiocanto.
+ Phản ứng với ninhidrin: Phản ứng màu đặc trưng quan trọng để định tính và định
lượng axit amin.
Tất cả các α – axit amin của protein đều phản ứng với ninhidrin tạo thành hợp chất

có màu xanh tím, riêng iminoaxit như prolin tạo thành màu vàng. Phản ứng này rất
nhạy; có thể phát hiện đến microgram axit amin, vì vậy được dung nhiều trong phân
tích định tính và định lượng axit amin. Cơ chế phản ứng khá phức tạp và có nhiều chỗ
chưa thống nhất.
R
O

O

Ninhydrin

Hydrindantin

O

O

OH

OH

O

O

OH

H

NH

N

3

O

3 H2

21


O

O

OH

O

Màu xanh tím
Để định lượng axit amin có thể dùng phương pháp so màu đo cường độ màu phản ứng
hoặc dùng phương pháp đo thể tích khí CO2 hoặc NH3 được tạo thành. Phương pháp
so màu được dùng nhiều hơn.
+ Phản ứng của nhóm α – amin với foocmaldehit
Đây là phản ứng quan trọng thường dùng để đánh giá mức độ thủy phân
protein. Foocmaldehit phản ứng với nhóm amin để tạo thành dẫn xuất metilen của
amin theo phản ứng sau:

Do nhóm amin đã bị khóa nên có thể chuẩn độ nhóm cacboxil bằng kiềm, từ đó

tính được số nhóm amin. Phương pháp xác định nito amon dựa trên phản ứng này gọi
là phương pháp chuẩn độ foocmol.
1.1.2.3. Phân loại protein
- Phân loại theo hình dạng
+ Protein dạng sợi
Có hình dạng dài, thường là hình sợi, chiều dài của phân tử protein sợi lớn hơn
đường kính của nó hàng trăm lần. Protein sợi tương đối bền vững, không tan trong
nước và dung dịch muối loãng, các chuỗi polypeptide của protein sợi nằm dọc theo
một trục thành những sợi dài. Protein sợi là yếu tố cấu trúc cơ bản của mô liên kết ở
động vật bậc cao ví dụ collagen ở gân và mô xương, elastin ở mô liên kết đàn hồi,

-

keratin ở tóc và da, ...
+ Protein dạng cầu
22


Có dạng gần như hình cầu hoặc hình bầu dục, chiều dài của phân tử protein cầu
có thể lớn hơn đuờng kính của nó từ 3 đến 10 lần. Protein cầu không bền vững bằng
protein sợi, đa số tan trong dung dịch nước và dễ khuyếch tán, thường có chức năng
hoạt động sống của tế bào như các enzyme, các hormone, các protein vận chuyển như
albumin huyết thanh, hemoglobin ...
+ Protein dạng trung gian
Một số protein có dạng trung gian, vừa có đặc điểm của protein sợi, vừa có đặc
điểm của protein cầu. Ví dụ, myosin (yếu tố cấu trúc và chức năng quan trọng của cơ)
có cấu trúc hình que dài là đặc điểm của protein sợi, nhưng lại tan trong dung dịch
muối là đặc điểm của protein cầu. Ngoài ra, trong nhóm trung gian này còn có chất
tiền thân của fibrin là fibrinogen.
- Phân loại theo thành phần hoá học

Protein gồm hàng trăm, hàng ngàn, thậm chí hàng vạn amino acid nối với nhau
bằng liên kết peptide tạo nên một hoặc nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc phức tạp.
Căn cứ sự có hay vắng mặt của một số thành phần có bản chất không phải protein mà
người ta chia protein thành:
+ Protein đơn giản
Protein đơn giản là những phân tử protein mà phân tử của nó gồm toàn amino
acid. Ví dụ, một số enzyme của tụy bò như ribonuclease gồm toàn amino acid nối với
nhau thành một chuỗi polypeptide duy nhất (có 124 gốc amino acid, khối lượng phân
tử 12.640), chymotrypsin gồm toàn amino acid nối với nhau thành ba chuỗi
polypeptide (có 241 gốc amino acid, khối lượng phân tử 22.600), ... Dựa vào khả năng
hòa tan trong nước hoặc trong dung dịch, người ta có thể chia các protein đơn giản ra
một số nhóm nhỏ như:
- Albumin: tan trong nước, bị kết tủa ở nồng độ muối (NH4)2SO4 khá cao (70-100%).
- Globulin: không tan hoặc tan ít trong nước, tan trong dung dịch loãng của một số
muối trung tính như NaCl, KCl, Na2SO4, ... và bị kết tủa ở nồng độ muối (NH4)2SO4
bán bão hoà.
23


- Prolamin: không tan trong nước hoặc dung dịch muối loãng, tan trong ethanol,
isopropanol 70-80%.
- Glutelin: chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng.
- Histon: là protein có tính kiềm dễ tan trong nước, không tan trong dung dịch
amoniac loãng.
+ Protein phức tạp
Protein phức tạp là những protein mà phân tử của chúng ngoài các amino acid
như protein đơn giản còn có thêm thành phần khác có bản chất không phải là protein
còn gọi là nhóm ghép (nhóm ngoại). Tùy thuộc vào bản chất của nhóm ngoại mà
người ta chia các protein phức tạp ra các nhóm nhỏ và thường gọi tên các protein đó
bắt đầu từ chỉ bản chất nhóm ngoại:

- Lipoprotein: nhóm ngoại là lipid.
- Nucleoprotein: nhóm ngoại là nucleic acid.
- Glycoprotein: nhóm ngoại là carbohydrate và dẫn xuất của chúng.
- Phosphoprotein: nhóm ngoại là phosphoric acid.
- Cromoprotein: nhóm ngoại là hợp chất có màu. Tùy theo tính chất của từng
nhóm ngoại mà có những màu sắc khác nhau như màu đỏ (ở hemoglobin), màu vàng
(ở flavoprotein), ... Nếu nhóm ngoại là kim loại thì protein sẽ có tên gọi chung là
metaloprotein.
1.1.3. Sự chuyển hóa protein và axitamin
1.1.3.1. Sự chuyển hóa bước đầu của protein
Protein là các hợp chất sống có tính đặc trưng sinh học cao. Vì vậy trước khi đi
vào quá trình chuyển hóa chúng phải được thủy phân thành các đơn vị cấu tạo là các
axit amin không đặc trưng sinh học. Mặt khác, các axit amin chỉ có thể đi vào các quá
trình chuyển hóa ở dạng tự do. Quá trình thủy phân protein có thể diễn ra trong
lyzosom của mọi tế bào và được thực hiện dưới tác dụng của enzym proteaza cắt
chuỗi polypeptit thành các peptit mạch ngắn và sau đó là các axit amin tự do
24


Ở động vật bậc cao, quá trình thủy phân protein chủ yếu diễn ra ở đường tiêu hóa
và đây là đối tượng được nghiên cứu thủy phân protein nhiều hơn cả. Quá trình này
bắt đầu từ dạ dày dưới tác dụng của enzym pepsin. Khả năng cắt liên kết peptit của
pepsin rất rộng, chúng có thể cắt bắt cứ liên kết peptit nào, tuy nhiên liên kết peptit có
được tạo thành từ axit amin có gốc R là vong thơm thì pepsin sẽ cắt nhanh hơn. Quá
trình thủy phân triệt để protein ở động vật diễn ra ở ruột non.ở đây có hai nguồn
enzym do tuyến tụy và ruột non tiết ra. Các enzym này sẽ cắt đứt liên kết peptit để tạo
ra các axit amin tự do.
1.1.3.1. Phân giải axit amin
Trong các hệ thống sống, axit amin tham gia nhiều chức năng quan trọng. 20
loại axit amin là nguyên liệu tham gia tổng hợp protein và hàng loạt hợp chất sinh học

khác nhau, ngoài ra chúng còn được sử dụng vào mục đích sinh năng lượng. Tùy
thuộc vào các tổ chức sống, các axit amin có thể được khai thác từ hai nguồn : thức ăn
và vòng nito nội sinh. ở động vật bậc cao thì thức ăn là nguồn cung cấp axit amin chủ
yếu. Còn ở thực vật bậc cao thì sự trao đổi axit phức tạp hơn, vì ngoài 20 axit amin có
trong thành phần của protein thì còn có nhiều axit amin tự do khác, trao đổi axit amin
theo chiều tổng hợp nhiều hơn là hướng phân giải.
Trong các cơ thể sống, có 20 hệ thống enzym khác nhau xúc tác cho các phản
ứng chuyển hóa 20 loại axit amin khác nhau. Tuy nhiên sản phẩm trung gian của quá
trình oxy hóa các axit amin đều là axit pyruvic, axetyl- CoA, hoặc các hợp chất trung
gían khác của chu trình krebs.
-

phản ứng chuyển amin
Đây là phản ứng tách hoặc chuyển nhóm λ- amin từ một axit amin cho một λ-

ketoaxit để tạo nên một axit amin mới và một ketoaxit mới. theo phương thức này
nhóm amin không tách ra dưới dạng tự do (NH3) mà chuyển cho một ketoaxit.
Enzym xúc tác cho phản ứng chuyển amin thuộc lớp vận chuyển là aminotranspherase
hay có tên gọi khác là transaminase. Chúng có coenzym là dẫn xuất của vitamin B6.

25