Chương 2: PROTEIN� Axit amin

� Công thức chung� Phân loại aa� Tính chất lý hóa

� Peptide� Cấu tạo và tính chất� Cấu tạo và tính chất� Một số peptide quan trọng

� Protein � Định nghĩa, chức năng protein� Liên kết hóa học trong phân tử protein� Cấu trúc phân tử protein� Phân loại protein� Sự biến tính protein

α- Axit amin

• Chức năng– Đơn vị cấu trúc của protein– Chất dẫn truyền thần kinh

(neurotransmitter)

• Cấu trúc chung– Nhóm carboxylic– Nhóm Amine– Nhóm ngoại R– Tại vị trí Cα

• Có 20 axit amin tham gia vào cấu trúc protein

α-axit amin

• Phân loại axit amin dựa vào:– Tính phân cực (polarity)– Nhóm chức năng (functional groups)– Tính axit-bazơ-trung tính– Tính axit-bazơ-trung tính

Tính chất của axit amin

• Hóa học lập thể– Axit amin là chất hoạt động quang học, có khả năng quay mặt

phẳng ánh sáng– Hầu hết axit amin của protid thuộc dãy L

Tính chất của axit amin

• Tính lưỡng tính– Trong môi trường nước, axit amin phân li hoàn toàn– Tác dụng với axit và bazơ mạnh tạo thành muối– Điện tích axit amin phụ thuộc vào điện tích của môi trường– Điểm đẳng điện pI là điểm pH nhất định mà tại đó đt (-) bằng dt (+)– Axit amin không tồn tại ở dạng tự do mà dưới dạng muối nội– Axit amin không tồn tại ở dạng tự do mà dưới dạng muối nội

C

H

NH2

R

COOH

C

H

NH3

+

R

COO-

C

H

NH2

R

COO-

C

H

NH3

+

R

COOH OH2++ +H+ HO

-

Ion löôõng cöïc pH=7 Daïng anion pH>7Daïng cation pH<7

Bảng 1: Giá trị pKa và pI của các axit amin

Amino acid pK1

α-COOH

pK1

α-NH3

pK1

R group

pI

Glycine 2.34 9.6 6.07

Alanine 2.34 9.69 6.07

Leucine 2.36 9.60 6.64

Isoleucine 2.32 9.76 6.64

Serine 2.21 9.15 5.68

Threonine 2.63 10.43 6.16

Asparagine 2.02 8.80 5.41

Tryptophan 2.38 9.39 5.88

Valine 2.29 9.72 6.00Valine 2.29 9.72 6.00

Glutamine 2.17 9.13 5.70

Methionine 2.28 9.21 5.74

Phenylalanine 2.58 9.24 5.91

Proline 2.00 10.60 6.30

Aspartic acid 2.09 9.82 3.86 2.80

Glutamic acid 2.19 9.67 4.25 3.22

Histidine 1.82 9.17 6.6 7.59

Cysteine 1.71 10.78 8.33 5.02

Tyrosine 2.20 9.11 10.07 5.66

Lysine 2.18 8.95 10.53 9.74

Arginine 2.17 9.04 12.48 10.76

Tính chất của axit amin

• Tính chất lý học– Tính tan trong dung môi phân cực: nước, ethanol 75-80%,…– Không hấp thu bước sóng Vis hoặc UV có λ > 240nm, ngoại trừ

các aa vòng như tryptophan, tyrosin, histidin, phenylalanin– Thường có vị ngọt kiểu đường

• Tính chất hóa học– Phản ứng do nhóm α-carboxyl và α-amin– Phản ứng của nhóm α-amin– Phản ứng của nhóm α-carboxyl

• Phản ứng Ninhydrin– Nhiệt độ cao ~100oC– NH3, các peptide phản ứng chậm hơn so với axit amin– Prolin, hydroprolin tạo phức màu vàng với Ninhydrin– Phát hiện α-axit amin (phương pháp sắc kí giấy)

Phản ứng do nhóm α-carboxyl và α-amin

Phản ứng do nhóm α-carboxyl và α-amin (tt)

• Phản ứng ngưng tụ tạo liên kết peptide– α-amin của aa này với α-

carboxyl của aa khác– Tạo chuỗi peptide

Phản ứng của nhóm α-amin

• Phản ứng Sorensen– Với formaldehyde

C

R

N H2H

COOH

+H

C R,

O C

R

N=CH-R,

H

COOH

+ OH2

Foocmaldehyt

• Khóa nhóm -NH2 của axit amin• Định lượng –COOH bằng phương pháp chuẩn độ• Suy ra hàm lượng của axit amin

COOHFoocmaldehyt

Phương pháp xác định thứ tự amino acid

• Phương pháp Sanger– Phát hiện 1953– Xác định aa đầu N bằng

1-fluoro-2,4-dinitrobenzen (FDNB)

– Dễ đứt sợi polypeptide– Dễ đứt sợi polypeptide

• Phản ứng với axit nitơ, HNO2

� Định lượng axit amin theo lượng khí N2 tạo thành

Phản ứng của nhóm α-amin

CH

R

NH2

COOH

+ HNO2

CH

R

OH

COOH

+ N2 + OH2

• Phản ứng oxy hóa khử nhóm amin tạo thành xetoaxit

COOH COOH

C NH2

COOH

H

R

+ 1/2O2 C

COOH

R

O + NH3

Phản ứng của nhóm α-carboxyl

• Phản ứng khử nhóm α-COOH

C

R

N H2

H

COOH

C

R

N H2

H

COOH

+ CO2

-CO2

Peptide

• Cấu tạo– Phân tử cấu thành từ 2 hay nhiều axit amin liên kết với nhau

bằng liên kết petide– Vd: Insulin: 51 aa; Lysozyme: 129 aa; trypsinogen: 231 aa

Peptide

• Phân loại– Dipeptide: 2 aa– Tripeptide: 3 aa– Oligopeptide: < 10 aa– Polypeptide: ≥ 10 aa

Peptide

• Tính chất– Phản ứng Biure

Protein

Peptide(≥ 3 aa)

Cu2+

OH-

• Một số peptide quan trọng– Carnosine

• Dipeptide: beta-alanin-L-histidine• Mô cơ và não• Anti-oxidant, anti-glycation, chelator of metal cation (Cu2+)

Peptide

• Anti-oxidant, anti-glycation, chelator of metal cation (Cu2+)

– Glutathion• Tripeptide có công thức: γ-glutamyl-cysteinyl-glycin• Nhóm hoạt động: nhóm SH của cystein• Tham gia vào hệ oxy hóa-khử• Có nhiều ở gan, thận, lá lách

Protein

• Định nghĩa– Một trong những đại phân tử sinh học không thể thay thế của cơ

thể sống– Protein có thể gồm một hay nhiều chuỗi polypeptide sắp xếp

theo một trật tự xác định.– Chuỗi polypeptide là một polymer với đơn vị cấu trúc là các phân

tử axit amin

Protein

• Chức năng– Xúc tác: enzyme– Vận tải: hemoglobin– Chuyển động

• Sự co cơ: chuyển động trượt lên nhau của 2 lạo sợi protein: sợi to-miozin, sợi mảnh-actin,troponiozin và troponinmiozin, sợi mảnh-actin,troponiozin và troponin

– Bảo vệ: kháng thể, interferon– Truyền xung thần kinh: rodopxin ở màng mắt– Điều hòa: truyền thông tin, trao đổi chất, biểu hiện gen– Kiến tạo chống đỡ cơ học: sclerotin trong lớp vỏ ngoài của côn

trùng– Dự trữ dinh dưỡng: cung cấp aa cho sự phát triển của phôi

Protein

• Tính chất– Phân tử lượng lớn– Chất điện li lưỡng tính (nhóm ngoại R)– pI là pH mà tại đó tổng số đt(-) = đt(+), protein trung hòa về điện

• pH<pI, protein tích điện dương• pH<pI, protein tích điện âm• pH<pI, protein tích điện âm

– Tinh chất dung dịch keo protein• Trong nước, protein bi hydrat hóa, vỏ hydrat có bề dày 3Å � dung

dịch keo• Pp thẩm tích tinh sạch protein• Độ bền dung dịch keo phu thuộc:

– Sự tích điện cùng dấu của protein (pH ≠ pI)– Lớp vỏ hydrat bao quanh phân tử protein

• (?) Kết tủa protein

Protein M, dalton pI

Xitocrom CRibonucleaseTripxinPepsin

11 60012 70024 00036 000

10.67.810.51.0

Khối lương phân tử và pI của một số protein

HemoglobinAlbumin huyết thanh

64 50069 000

6.84.9

Các loại liên kết hóa học trong phân tử protid

• Liên kết peptide (peptide bonds)– Liên kết cộng hóa trị

quan trọng nhất, ∆G = -300 ~ -400 kJ/mol-300 ~ -400 kJ/mol

– Tạo khung cho chuỗi protein

Các loại liên kết hóa học trong phân tử protid (tt)

• Liên kết disulfit (disulfit bonds)– Liên kết công hóa trị quan

trong thứ 2, giữ vai trò tạo hình và chức năng cho phân tử proteinphân tử protein

– Liên kết chéo hình thành ngay cả giữa các phần khác nhau của cùng 1 chuỗi polypeptide hoặc 2 chuỗi khác nhau

– Liên kết giữa 2 nhóm ngoại aa cysteine qua nhóm hoạt động sulphydryl –SH tạo thành nhóm ngoại của aa cystine

Các loại liên kết hóa học trong phân tử protid (tt)

• Tương tác ion (ionic interaction or salt bridge) – Tương tác hình thành giữa

những nhóm mang điện tích trái dấu khi chúng gần nhau tương đối, ~0.3nmtương đối, ~0.3nm

– Vd: tương tác ion giữa nhóm –COO-, nhóm ngoại aa glutamic acid và –NH3

+, nhóm ngoại của aa lysine

• ∆G = -4kJ/mol

Các loại liên kết hóa học trong phân tử protid (tt)

• Liên kết hydro (hydrogen bonds)– Liên kết hình thành giữa >N–

H và >C═O ; ∆G = -3kJ/mol– Liên kết đơn, có ý nghĩa lớn

trong đại phân tửtrong đại phân tử• Tạo cấu hình không gian và

hoat tính sinh học đặc trưng

– Liên kết yếu, hình thành và bẻ gãy một cách dễ dàng ở nhiệt độ bình thường

• Chất trùng hợp (protein và a. nucleic) có cấu trúc linh hoạt, thích nghi trong điều kiện cụ thể

• Tính bảo tồn và biến dị trong di truyền

Các loại liên kết hóa học trong phân tử protid (tt)

• Lực Van der Waal– Lực hấp dẫn giữa các

nguyên tử– Xu hướng kéo các nguyên

tử đến gần nhau hơn

Các loại liên kết hóa học trong phân tử protid (tt)

• Tương tác kị nước– Thể hiện xu hướng liên hợp của những nhóm kị nước với nhau– Loại nước ra khỏi phân tử protein � tăng entropy (S)– Nhóm ngoại kị nước

Cấu trúc phân tử protid

• Cấu trúc bậc 1: trình tự sắp xếp của các aa trên mạch polypeptide nhờ mối liên kết peptide– Giả sử: 1 chuỗi polypeptide có 100 – Giả sử: 1 chuỗi polypeptide có 100

aa � có thể có 20100 chuỗi polypeptide

– Bất cứ một sự thay đổi nào trong cấu trúc bậc 1 gây ra một sự đột biến, bệnh tật

• HbA ở người bình thường: His-Val-Leu-Tre-Pro-Glu-Glu-Ly-…

• HbS ở người bị bệnh hình cầu lưỡi liềm: thay thế Glu(6) bằng Val(6)

Cấu trúc phân tử protid (tt)

• Cấu trúc bậc 2– Sự sắp xếp thích hợp trong không gian của một chuỗi

polypeptide do Ca có khả năng quay tự do xung quanh trục được tạo thành từ các liên kết cộng hóa trị

– ở điều kiện nhất định, hình thể tự nhiên của phân tử protein tồn – ở điều kiện nhất định, hình thể tự nhiên của phân tử protein tồn tại sao cho năng lương tự do (G) của hệ thống đạt cực tiểu

Cấu trúc bậc 2 thường gặp

� Cấu trúc xoắn ốc: xoắn α, απ, γ, 310

�Xoắn α : tương tự lò xo• 3.6 aa/vòng ~ 18 aa/5vòng xoắn• Góc xoắn: 26o, bước xoắn: 0.54nm• Xoắn phải/ xoắn phải• Xoắn phải/ xoắn phải• Liên kết hydro tối đa: nhóm –NH– của lk peptide này

với nhóm –CO– của lk peptide thứ 3 kề với nó• Cấu trúc có trật tự và rất bền vững

�Xoắn απ, γ thì có 4.4 và 5.2 gốc axit amin trong một vòng�Xoắn 310 là dạng xoắn a với 3 gốc axit amin/vòng

Cấu trúc bậc 2 thường gặp (tt)

• Cấu trúc gấp nếp β– Hình chữ chi– Xoắn α ↔ gấp nếp β– Có 2 loại gấp nếp:

• Song song• Song song• Đối song song

– Liên kết hydro– Góc gấp: 130o, nếp gấp: 3.47Ǻ

Cấu trúc bậc 2 thường gặp (tt)

• Cấu trúc xoắn collagen

• Cấu trúc cuộn ngẫu nhiên– Cấu trúc không xác định, không có mặt phẳng và trục đối xứng– Cấu trúc không xác định, không có mặt phẳng và trục đối xứng– Nhóm ngoại R mang điện tích hoặc bị án ngữ không gian

Cấu trúc phân tử protid (tt)

• Cấu trúc bậc 3– Sự phân bố trong không gian của mạch polypeptide có chứa các

đoạn xoắn α-helix và β-sheet– Những liên kết nội phân tử làm cho cấu trúc bậc 3 bền vững:

tương tác ion- cầu muối; liên kết hydro; liên kết disulfit,…– Qui định hình dạng bên ngoài và hoạt tính sinh học của protein– VD: lysozyme, ribonuclease, myoglobin

LysozymeRibonucleaseMyoglobin

Cấu trúc phân tử protein (tt)

• Cấu trúc bậc 4– Cấu trúc bậc 4 là sự liên hợp của các tiểu thể để tạo thành phân

tử lớn– Liên kết hydro, tương tác ion, tương tác kị nước– Ý nghĩa quyết định đối với tính chất sinh học, hoạt tính và sự

đặc hiệu của protein

Insulin

Phân loại

• Hình dạng– Dạng sợi: hình thon dài, không tan, bền trong pH

• Protein cấu trúc• Collagen

– Cấu trúc xoắn collagen (collagen helix), xoắn trái– Cấu trúc xoắn collagen (collagen helix), xoắn trái– Tropocolagen: 3 chuỗi polypeptide, 1000aa/chuỗi – Thành phần chính của gân, xương, da, răng và mô xụn

• Silk– Cấu trúc β-sheet

• Keratin– Protein thành phân quan trọng trong tóc, tơ, móng vuốt, lông vũ– Cấu trúc xoắn α hay mảng β

Phân loại (tt)

• Hình dạng– Dạng hình cầu: dễ tan trong nước, nhạy với pH

• Protein chức năng: enzyme, hormon, kháng thể,…• Protein cuộn lại, sắp xếp trong không gian, qui dịnh tính chất

sinh học của nósinh học của nó

Phân loại protid

• Protid đơn giản: chỉ cấu tạo từ các axit amin, protein– Albumin

• tan trong nước, không tan trong (NH4)2SO4

• có nhiều trong huyết thanh, trứng, lúa mì, sữa,…– Globulin

• Không tan trong nước, tan trong dịch muối loãng• Không tan trong nước, tan trong dịch muối loãng• Có nhiều trong máu, sữa, lòng đỏ trứng, mô cơ,…

– Prolamin• Không tan nước, cồn tuyệt đối, dịch muối, tan trong cồn 70-80%

– Glutenin• Tan trong dd NaOH 2%• Protein của lúa mì

Phân loại protid

• Protid phức tạp (proteic)– Cấu tạo gồm phần protein (apoprotein) và

nhóm ngoại như lipid, gluxit và • Lipoprotein = protein + lipid• Lipoprotein = protein + lipid• Photphoprotein = protein + H3PO4 qua liên kết

ester• Glucoprotein = protein + gluxit• Nucleoprotein = protein + acid nucleic

Sự biến tính protein• Sự thay đổi cấu trúc 2,3,4 của phân tử protein mà không thay đổi

cấu trúc bậc 1 của nó• Tác nhân gây biến tính

– Vật lý: tia cực tím, sóng siêu âm, khuấy cơ học– Hóa học: axit, kiềm mạnh, muối kim loại nặng, tanin

• Tính chất protein bị biến tính– Độ hòa tan giảm, khả năng giữ nước giảm– Độ hòa tan giảm, khả năng giữ nước giảm– Mất hoạt tính sinh học– Tăng độ nhay với sự tấn công của protease– Tăng độ nhớt nội tại– Mất khả năng kết tinh

• Có 2 loại biến tính:– Biến tính thuận nghịch: là biến tính mà khi loại bỏ tác nhân gây biến

tính, protein sẽ trở lại trang thái ban đầu– Biến tính bất thuận nghịch