Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 1: Protein

CHƯƠNG 1: PROTEIN
1.1. ĐẠI CƯƠNG

“Protein” = “đầu tiên”, hay “quan trọng nhất” (tiếng Hy Lạp)
1.1.1. Định nghĩa
- Quan điểm hóa học:
Protein = polymer, tạo thành từ các -aa nối với nhau bằng lk
peptide và không tan trong TCA 10%.
Ph/tử protein có 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide

- Quan điểm triết học:
Protein = Chất hữu cơ mang sự sống
• Các biêu hiện của sự sống?
• Tại sao protein là chất mang sự sống?


 Xúc tác: khi là enzyme
 Vận chuyển:
Hb (Hemoglobin);
Lipoprotein huyết thanh;
Transferin
Các protein cv trên màng TB, vv…
 Dinh dưỡng và dự trữ dinh dưỡng:
Ovalbumin LTT,
Casein sữa
Ferritin là dạng dự trữ sắt


 Vận động (chuyển động):
VD: Cơ co được là nhờ actin và myosin (th/phần chủ yếu
của cơ xương).

Sự ch/động của NST (chromosom) trong q/trình phân bào
cũng là nhờ các hệ thống protein co rút.
 Cấu trúc (kiến tạo và chống đỡ cơ học):

Collagen: trong gân và sụn, dạng sợi, chun giãn và bền.
Elastin trong dây chằng cũng có tính chun giãn cao.
Keratin trong tóc, móng, lơng chứa nhiều
Fibroin là th/phần chính của tơ, mạng nhện.
………
Protein là th/phần c/tạo, tạo nên tính đ/thù cho từng TB và các
c/quan.


 Bảo vệ:
• Các kháng thể (globulin miễn dịch)
• Fibrinogen và thrombin trong qt đơng máu
• Protein của nọc rắn độc,
• Ricin là độc tố của cây thầu dầu có t/dụng b/vệ cây.
 Điều hồ:
• Khi là hormone, VD: Insulin và glucagon
• Protein G
 Cung cấp NL: OXH 1g protein cho 4,1 kcal
 Các vai trò khác


1.1.3. Nguồn protein

 Động vật:

• Thịt, cá, trứng, sữa

• Bột cá, bột xương thịt

• Bột lơng vũ
 Thực vật:
• Hạt cây họ đậu: đậu tương, lạc, vừng, …
• Các loại khô dầu: đậu tương, lạc, vừng, …
1.2. CẤU TẠO CỦA PROTEIN
1.2.1. Thành phần nguyên tố (% VCK)
C: 50 – 55%
S: 0,3 – 2,5%
O: 21 – 24%
P, Fe, Cu, Zn, …
H: 6,5 – 7,3%

N: 15 – 18% (TB 16%)

Tỷ lệ protein thô (Crude Protein)
theo Kjeldahl:
% CP = %N x 6,25)


1.2.2. Aminoacid (acid amin)
1.2.2.1. Định nghĩa
- Đơn vị cấu tạo cơ bản của protein.
- Dẫn xuất của 1 acid hữu cơ, 1 H ở C được thay thế
bằng nhóm amin (NH2), gọi là - aminoacid.
C/thức t/quát:
R - C H - COOH
|
NH2

- aminoacid
Các aa khác nhau ở gốc R (có tính acid, base hay trung tính).


1.2.2.2. Phân loại aminoacid
+ Theo cấu tạo
+ Theo độ phân cực - gốc R
+ Theo quan điểm dinh dưỡng


a. Phân loại theo cấu tạo
+ AA mạch thẳng:
- Trung tính (Gly, Ala, Val, Leu, Ile)
- Chứa nhóm OH (Ser, Thr)
- Chứa lưu huỳnh (Cys, Met)
- Chứa 2 nhóm carboxyl và các amid của chúng (Asp, Glu, Asn, Gln)
- Kiềm tính (Lys, Arg)

+ AA mạch vịng: Phe, Tyr, Trp, His, Pro
- Vòng thơm: Phe, Tyr, Trp
- Vòng khác : His, Pro


b. Phân loại theo độ phân cực - gốc R
- Gốc R không phân cực, kỵ nước (Nonpolar, Aliphatic R Groups)
- Gốc R chứa nhân thơm (Aromatic R Groups)
- Gốc R phân cực, không mang điện (Polar, Uncharged R Groups)
- Gốc R mang điện dương, kiềm tính - Positively Charged (Basic) R Groups
- Gốc R mang điện âm, tính acid - Negatively Charged (Acidic) R Groups

c. Theo quan điểm dinh dưỡng
- AA thiết yếu (essential amino acid): không được t/hợp hay
t/hợp không thỏa mãn nhu cầu trong cơ thể, phải được
c/cấp trong TĂ.
- AA không thiết yếu (nonessential amino acid): được t/hợp
trong cơ thể đ/vật.
Một AA là thiết yếu hay không thiết yếu phụ thuộc vào gì?
- Lồi và giai đoạn ph/triển của cơ thể
VD, Lợn và trẻ con không tổng hợp được: Phe, His, Ile, Leu,
Lys, Val, Met, Arg, Thr và Trp.
(Suy ra từ 2 tên người: PHILL V MATT)
Trong 10 aa trên, người tr/thành tổng hợp được His và Arg.
- Sự có mặt hay không của AA khác; VD:
Met là tiền chất của Cys  khi thiếu Met, Cys là EAA
Phe là tiền chất của Tyr  khi thiếu Phe, Tyr cũng là EAA


d. Các aa bất thường có chức năng quan trọng

4-hydroxyproline và 5-hydroxylysine có trong collagen
Mythyllysine là th/phần của myosin
γ-carboxyglutamate có trong prothrombin th/gia đông máu


e. Các aa khơng có trong protein, nhưng có trong sinh thể

Ornithine và citruline là SPTG trong vòng Ornitine

1.2.2.3. Tính chất của aminoacid
a. Tính đồng phân quang học

Các aa (trừ Gly) chứa C* (bất đối), → có hoạt tính quang
học (khả năng quay mặt phẳng tia phân cực).
Nếu nhóm NH2 gắn bên phải, aa thuộc đ/phân hàng D
(dextrorotatary) ghi dấu (+), nếu bên trái là đ/phân hàng L
(levorotatary) ghi dấu (-) trước tên aa.
COO –
COO –
+
l
l
+
H3N – C* – H
Số đ/phân = 2n
H – C* – NH3
l
l
n là số C bất đối
CH
CH3
3
L- Alanin

D - Alanin

Trong protein đv, th/vật, các aa là α-L- aminoacid

b. Lưỡng tính
Các aa đều chứa 2 nhóm ion hóa là NH2 và COOH. Khi COOH
phân ly , tạo thành ion âm theo ph/trình (1):
H2N - CH - COOH
l
R

H+ + H2N – CH – COO
l
R

(1)

Khi nhóm NH2 nhận proton, có phương trình (2):
H2N - CH - COOH + H+
l
R

H3N+ – CH-COOH
(2)
l
R
Theo thuyết Bronsted và Lowry về acid và base, amino acid
cho H+ (1) và nhận H+ (2)  thể hiện như 1 acid hay base, có
tính lưỡng tính.
Trong d/dịch, aa tồn tại ở dạng lưỡng cực (dạng Zwitterion)
hay dạng muối nội.


Từ (1) và (2), có thể tính được 2 hằng số phân ly:

COO- . H+

K1 =

COOH

Với mỗi aa,

và

K2 =

NH2 . H+

NH3+

pK1 = - log10K1
pK2 = - log10K2

Có thể x/định tỷ lệ các ph/tử bị ion hóa tại một giá trị pH (pH = log10H+) nào đó bằng cách thay giá trị H+ vào các biểu thức
của K1 và K2. Như vậy, mức độ ion hóa của aa phụ thuộc pH mơi
trường. Khi pH thay đổi, aa tích điện (-) hoặc (+).


+
+
+H
-H
+ – CH-COOH3N+ – CH-COOH
H

N
H
N
–
CH
–
COO
3
2
+
+
-H
+H
l
l
l
R
R
R

pH
pI

AA ở dạng cation

pH>pI
AA ở dạng anion

Di chuyển về cực âm

Di chuyển về cực (+)

Khi pH thay đổi, AA chuyển dần từ cation sang anion.
Giá trị pH, tại đó AA trung hịa về điện = điểm đẳng điện pI
(isoelectric point) hay pHi.

pI của AA phụ thuộc số nhóm NH2 và COOH trong ph/tử. AA
nhiều nhóm amine có pI cao, và ngược lại. Các monoaminomonocarboxylic acid, pH đẳng điện được xác định nhờ c/thức:
pI = pHi = ½(pK1 + pK2)


Để x/định các giá trị pK, dùng NaOH thêm vào dd AA, đo pH
sau mỗi lần thêm, x/dựng được đường cong chuẩn độ.
Kh/năng ph/ly lưỡng tính của aa có đường cong chuẩn độ đ/ trưng.

Nồng độ OH- (Eq)

Đường cong ch/độ đ/trưng của dd Ala 0,1M ở 25°C có 3 điểm uốn.


Đường cong ch/độ
đ/trưng của dd Gly
0,1M ở 25°C có 3
điểm uốn:
- Điểm uốn ở OH- =
0,5 Eq tương ứng
với pK1 = 2,34
- Điểm uốn ở OH- =
1,5 Eq tương ứng

với pK2 = 9,60.
- Điểm uốn giữa 2
điểm trên có có pH =
5,97 chính là pI.
Nồng độ OH- (Eq)


c. Các phản ứng hóa học đặc trưng của AA

(Tự đọc)

+ Phản ứng của nhóm carboxyl:
- Tạo muối với base
- Phản ứng khử nhóm carboxyl (decarboxyl hóa)
+ Phản ứng của nhóm amine:
- Tạo muối với acid
- Phản ứng với formaldehyde (Phản ứng Sorensen)
- Phản ứng với HNO2 (Phản ứng Val Slyke)

- Phản ứng deamine hóa (khử nhóm amine)
+ Phản ứng Ninhydrin
+ Phản ứng tạo phức với kim loại
+ Các phản ứng liên quan đến mạch bên (gốc R)


1.2.3. Cấu tạo phân tử
1.2.3.1. Peptide và thuyết polypeptide

a. Peptide:
- Peptide là chuỗi aa l/kết với nhau bằng l/kết peptide

- L/kết peptide: đồng hố trị, hình thành nhờ loại nước (ngưng
tụ) giữa α-COOH của AA trước với α-NH2 của AA sau.


Hai aa nối với nhau qua một l/k peptide → dipeptide.
Ba aa nối với nhau qua 2 l/k peptide → tripeptide.
Một số aa l/kết với nhau → oligopeptide.
Chuỗi có 2 đầu: Đầu N chứa NH+3 tự do (của aa số 1, các
aa tiếp theo là số 2, 3, 4, …. ); đầu C chứa nhóm COO- tự
do của aa cuối chuỗi.


Các peptide tồn tại ở dạng ion hố:
Nhờ các nhóm amin và carboxyl ở đầu và cuối chuỗi hoặc gốc
R của các aa trong chuỗi polypeptide, các peptide tồn tại ở
dạng ion hoá khác nhau, tùy thuộc vào m/trường.
→ Các peptide cũng có đường cong chuẩn độ đặc trưng, và
dựa vào đó có thể x/định được pI của các peptide này.

Ph/ứng h/học đặc trưng của các peptide:
- Có thể bị th/phân:
Nhờ chất x/t vô cơ như HCl 6M (trong 1 giờ) hoặc base mạnh
Nhờ các protease: trong ống TH, protein TĂ bị th/phân.

Peptide

HCl 6M (hoặc protease)

+ H2O

Các AA tự do


- Ph/ứng đặc trưng của lk peptide là pứ biure:
|
H
CO
|
|
RC _ NH
|
OC _ NH
|
RCH
|
CO
|

Protein

|
CO H
| |
HN _ CR
|
_
HN CO
|
HCR
|

CO
|

|

Cu++

OH-

H
CO
|
|
RC _ N
|
OC _ N
|
RCH
|
CO
|

|

Cu++

CO H
|
|
N _ CR

|
_
N CO
|
HCR
|
CO
|

Phức chất màu xanh tím

Trong m/t kiềm, các ph/tử có chứa từ 2 l/k peptide trở lên sẽ
tạo phức chất có màu xanh tím với Cu++.

Ứ/dụng: - Ph/hiện protein trong các vật phẩm,
- Định lượng protein h/thanh và các dịch s/học khác.


b. Thuyết polypeptide về cấu tạo phân tử protein
• Danhilepsky (1888): lk –CO – NH – v/trò q/t trong c/t protein.
• Fisher (1900) kh/định sự t/tại của lk peptide (–CO – NH –), đề
ra thuyết polypeptide về c/tạo ph/tử protein:

“Ph/tử protein là 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide, tạo nên từ
hàng chục hoặc hàng trăm gốc aa nối với nhau bằng lk peptide”.


Nhiều TN đã kh/định thuyết polypeptide:
 Ở tr/thái nguyên vẹn, ph/tử có rất ít nhóm NH2 và COOH tự do
 Khi bị th/phân, các nhóm NH2 và COOH từ từ g/phóng với tỷ lệ

1/1  lk peptide bị ph/giải.
 Biure là p/ư đặc trưng cho lk peptide. Các ph/tử protein đều
th/gia p/ư này  trong ph/tử có các lk peptide

 T/hợp nhân tạo được protein (insulin) → Bản chất polypeptide
của protein được k/định.
 Ph/pháp nhiễu xạ tia X cho thấy: trong chuỗi polypeptide, các
aa được s/xếp liên tục đ/trưng cho từng ph/tử protein. Các đặc
điểm của lk peptide đã được xác định.