Cao Đăng Nguyên, Hồ Trung Thông 1 Protein và vai trò sinh học của chúng

1.2.3 Peptide

Peptide có từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau. Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được hình thành do sự phân giải protein. Trong phân tử peptide, các amino acid được liên kết với nhau thông qua liên kết peptide (hình 1.11).

Liên kết peptide có độ bền cao bởi cấu trúc của nó có 4 e^/, 2e^/ thuộc về liên kết C=O còn 2e^/  thuộc về bộ đôi e^/ tự do của nguyên tử N. Liên kết giữa C-N là liên kết phức tạp. Nó có thể chuyển từ dạng  đến dạng lai (trung gian) là một phần ghép đôi của liên kết  (hình 1.12). Người ta cho rằng tỷ lệ của liên kết kép này là khoảng 30% đối với liên kết C-N và 70% đối với liên kết giữa C và O. Ở đầu của một chuỗi peptide là amino acid có nhóm -amin (-NH₂) tự do được gọi là đầu N-tận cùng và đầu kia có nhóm -carboxyl (-COOH) tự do được gọi là đầu C tận cùng. Liên kết peptide tạo nên bộ khung chính của chuỗi peptide hoặc polypeptide, còn các gốc R tạo nên mạch bên của chuỗi.

1.2.3.2 Một số peptide có hoạt tính sinh học quan trọng

Trong tự nhiên tồn tại nhiều dạng peptide có chức phận quan trọng liên quan đến hoạt động sống của cơ thể như là các hormone, các chất kháng sinh ... Bên cạnh đó cũng có những peptide có chức phận chưa rõ ràng. Một số peptide là sản phẩm thủy phân đang còn dang dở của protein. Sau đây sẽ giới thiệu một số peptide quan trọng, có nhiều ý nghĩa đối với hoạt động sống của sinh vật.

- Các hormone sinh trưởng (GH)

Hormon sinh trưởng của người (HGH-human growth hormone) còn có tên gọi STH (somatotropin hormone) là một chuỗi polypeptide bao gồm 191 amino acid. Trong cấu trúc có hai cầu disulfur được tạo thành giữa amino acid 53-165 và giữa amino acid 182-189. HGH có cấu tạo rất giống với hormone lactogen của nhau thai (85% trình tự amino acid giống nhau) và gần giống prolactin của người (32% trình tự amino acid giống nhau). Hormone sinh trưởng có tác dụng kích thích sự tăng trưởng nói chung, kích thích sự tạo sụn hơn là tạo xương. Nó cũng là một hormone chuyển hoá. Hormone sinh trưởng kích thích sự tổng hợp protein từ những amino acid đã được vận chuyển dễ dàng vào trong tế bào nhờ HGH, và là hormone gây tăng đường huyết, sinh đái tháo đường, đồng thời kích thích sự phân giải lipid để đảm bảo nhu cầu về năng lượng cho cơ thể, gây tăng acid béo tự do trong huyết tương. Sự thiếu hụt HGH nếu xảy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người lùn, sự dư thừa HGH nếu xảy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người khổng lồ, nếu xảy ra sau tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người bị to cực (phát triển chiều dày của đầu, xương và mặt).

Từ 1953, Sanger (2 giải thưởng Nobel về hóa học vào năm 1958 và 1980) đã nghiên cứu, tinh chế và xác định hoàn toàn cấu trúc của phân tử insulin. Phân tử insulin bao gồm 51 amino acid, có cấu trúc gồm 2 chuỗi polypeptide, với khối lượng phân tử 5.700. Chuỗi A có 21 amino acid, chuỗi B có 30 amino acid. Hai chuỗi được nối với nhau bằng 2 cầu disulfur. Trong chuỗi A cũng hình thành 1 cầu disulfur giữa amino acid thứ 6 và amino acid thứ 11. Phần đặc hiệu (đặc trưng của một loài) chỉ tập trung vào các amino acid thứ 8-9-10, 12-14 của chuỗi A và đặc biệt là amino acid thứ 30 của chuỗi B (hình 1.13). Người ta cũng đã xác định được cấu trúc ba chiều của insulin và thấy rằng cấu trúc phân tử insulin được giữ vững bởi nhiều liên kết muối, liên kết hydro và cầu nối disulfur giữa chuỗi A và chuỗi B.

Insulin có tác dụng rõ nhất trong tất cả các hormon của tuyến tụy, đặc biệt đối với quá trình chuyển hoá carbohydrate. Nó có tác dụng hạ đường huyết. Insulin còn kích thích quá trình tổng hợp và ức chế quá trình phân giải glycogen ở cơ, gan và mô mỡ. Đặc biệt insulin tăng cường tổng hợp acid béo, protein và kích thích sự đường phân. Tác dụng quan trọng nhất của insulin là kích thích sự xâm nhập glucose, một số đường khác, amino acid trong tế bào cơ và mỡ. Do vậy insulin làm giảm lượng glucose trong máu. Ngoài ra insulin cũng làm giảm sự tổng hợp mới glucose do làm giảm nồng độ enzyme như pyruvate carboxylase và fructose 1-6 diphosphatase.

- Oxytocin, vasopressin và vasotocin

Oxytocin là một peptide có 9 amino acid. Ở động vật có vú, oxytocin chỉ khác ở sự thay đổi của 2 amino acid là: amino acid ở vị trí thứ ba là isoleucine và amino acid ở vị trí thứ tám là leucine (bảng 1.3). Vasopressin của loài ếch nhái có cấu trúc trung gian giữa vasopressin và oxytocin của động vật có vú: amino acid thứ ba là isoleucine và amino acid thứ tám là arginine. Vasopressin là một peptide có cấu trúc gồm 9 amino acid. Phần lớn ở động vật có vú amino acid thứ 8 của vasopressin là arginine (arg-vasopressin), trừ ở lợn và hà mã, amino acid thứ 8 là lysine (lys-vasopressin). Ở động vật có xương sống nhưng không có vú, amino acid thứ 3 là isoleucine; vasopressin có tên là arginin-vasotocin (bảng 1.3).

Về mặt cấu trúc người ta phân biệt protein gồm bốn bậc: bậc 1, bậc 2, bậc 3 và bậc 4 (hình. 1.14).

1.2.4.1 Cấu trúc bậc 1

Cấu trúc bậc 1 biểu thị trình tự các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide, cấu trúc này được giữ vững bằng liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị). Cấu trúc bậc 1 là phiên bản của mã di truyền, việc xác định được cấu trúc bậc 1 là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng biện pháp công nghệ sinh học.

1.2.4.2 Cấu trúc bậc 2

Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptide. Nói cách khác, là dạng không gian cục bộ của từng phần trong mạch polypeptide. Cấu trúc này được làm bền nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa các liên kết peptide ở gần nhau.

Biểu thị sự xoắn và cuộn khúc của chuỗi polypeptide thành khối, đặc trưng cho protein dạng cầu, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong mạch polypeptide. Trong nhiều protein dạng cầu có chứa các gốc cysteine tạo nên liên kết disulfur giữa các gốc Cys xa nhau trong mạch polypeptide làm cho mạch bị cuộn lại. Ngoài ra, cấu trúc bậc 3 còn được giữ vững bằng các loại liên kết khác như liên kết kị nước, lực Van der Waals, liên kết hydro, liên kết tĩnh điện giữa các gốc amino acid.

Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc 3 trong phân tử protein. Những phân tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau sắp xếp trong không gian tạo nên cấu trúc bậc 4. Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị, chúng gắn với nhau nhờ các liên kết hydro, tương tác Van der Waals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các tiểu đơn vị để làm bền cấu trúc bậc 4.

1.3 Một số tính chất của protein

1.3.1 Tính chất lý học

Có nhiều phương pháp xác định phân tử lượng của protein như phương pháp hóa học, thẩm thấu, tốc độ lắng, … Protein có phân tử lượng lớn > 10.000. Khái niệm protein và polypeptide thỉnh thoảng được hiểu giống nhau, tuy vậy polypeptide có trọng lượng phân tử < 10.000.

Khi hòa tan, protein tạo thành các dung dịch keo và cho hiện tượng Tindal. Xung quanh mỗi phân tử protein được bao quanh bằng một lớp dày đặc các phân tử dung môi, nếu dung môi là nước thì sẽ tạo thành tầng hydrate.

Protein hòa tan trong nước tạo nên dung dịch keo có áp suất thẩm thấu gọi là áp suất keo nhỏ hơn rất nhiều so với áp suất thẩm thấu của dung dịch thật. Áp suất keo đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước cùng các chất dinh dưỡng và cặn bã qua thành mạch.

Trong dung dịch, protein khuyếch tán chậm. Do chúng có kích thước lớn cho nên protein không đi qua được các màng bán thấm như màng tế bào, màng cellophan, … Nếu cho dung dịch protein vào màng bán thấm rồi nhúng vào cốc nước thì các phân tử có kích thước nhỏ như NaCl đi qua màng bán thấm một cách dễ dàng, còn protein vẫn nằm lại trong túi. Đây là sự thẩm tích và màng bán thấm được gọi là màng thẩm tích. Người ta ứng dụng phương pháp này để loại muối khỏi dung dịch protein.

Khi hòa tan, protein tạo thành dung dịch keo có độ nhớt khá cao và lớn hơn độ nhớt của nước. Các loại protein khác nhau thì có độ nhớt khác nhau.

Protein có thể hấp phụ các chất khí, lỏng hoặc rắn lên trên bề mặt của chúng. Nhờ tính chất này mà nhiều protein đóng vai trò là các chất vận chuyển trong cơ thể. Cơ chế tác dụng của một số loại thuốc hoặc của các chất hóa học cũng được giải thích dựa trên tính chất hấp phụ của protein.

1.3.2 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 amino acid N-tận và một nhóm -COOH của amino acid C-tận. 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 -NH⁺₃ và -COO^-. Do đó, protein cũng có tính lưỡng tính như amino acid và trong dung dịch chúng cũng có thể tồn tại dưới 3 dạng ion: anion, cation và ion lưỡng cực với các nồng độ khác nhau tùy theo pH của môi trường. Mỗi loại protein cũng có điểm đẳng điện (pI) 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.   

1.3.3 Đặc tính hòa tan

Ở trạng thái hòa tan, phân tử protein được hydrate hóa, lớp áo nước bao quanh là một trong các yếu tố làm bền vững dung dịch protein, làm cho các phân tử protein ngăn cách và không dính vào nhau. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính tan của protein.

Độ tan của protein thấp nhất ở pH = pI của nó, độ tan của protein tăng lên khi pH nằm xa pI vì khi pH = pI thì phân tử protein không tích điện cho nên chúng không có lực đẩy tĩnh điện và dễ bị đông kết. Khi pH  pI thì các phân tử protein tích điện cùng dấu và đẩy nhau cho nên không không bị đông kết do đó độ tan tăng lên.

Muối trung tính ở nồng độ thấp làm tăng độ tan của nhiều loại protein. Khi tăng nồng độ muối tới một giới hạn nhất định thì độ tan của protein giảm xuống và nếu nồng độ muối tiếp tục tăng lên thì protein có thể đông kết hoàn toàn. Tính chất này được ứng dụng để tách các loại protein theo phương pháp diêm tích.

Khi cho các dung môi như ethanol, aceton, … vào dung dịch protein thì độ tan của protein bị giảm và có thể dẫn đến đông kết do giảm lớp vỏ hydrate hóa.

Trong khoảng nhiệt độ 0 - 40^oC, độ tan của đa số protein tăng khi nhiệt độ tăng. Ở khoảng nhiệt độ 45 - 70^oC đa số protein mất tính bền vững và có thể bị biến tính (trừ protein của một số sinh vật chịu nhiệt như vi khuẩn chịu nhiệt). 

1.3.4 Sự đông kết và biến tính

Phân tử protein chỉ thể hiện được đặc tính sinh học của nó trong một khoảng giới hạn nhất định của môi trường. Nếu vượt quá giới hạn đó sẽ làm cho protein bị mất tính chất ban đầu, mất tính chất sinh học, đó là sự biến tính của protein (giảm tính tan, tính chất sinh học không còn nữa). Sự biến tính không làm đứt các liên kết peptid mà chỉ làm đứt các liên kết yếu như liên kết hydro, liên kết muối, … Vì vậy, cấu trúc không gian của protein bị đảo lộn, các nhóm kị nước quay ra ngoài, các nhóm ưa nước quay vào trong, sự hydrate hóa bị giảm, các chuỗi polypeptid dễ kết hợp lại với nhau, do đó độ tan giảm và protein dễ bị đông kết. Ở trong đường tiêu hóa của động vật, sự biến tính protein giúp cho quá trình tiêu hóa protein diễn ra dễ dàng hơn. Có hai loại biến tính:

Cấu trúc không gian của phân tử protein bị biến đổi tạm thời và có thể trở lại trạng thái ban đầu nếu loại trừ nguyên nhân gây biến tính. Một số yếu tố gây biến tính thuận nghịch như dung môi hữu cơ trung tính (ether, ethanol, aceton, …), một số muối trung tính ((NH₄)₂SO₄).

Cấu trúc không gian của phân tử protein bị phá vỡ vĩnh viễn, không tái lập dù ở điều kiện nào. 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, … 

1.3.5 Tính chất hóa học

- Protein có thể bị thủy phân bởi enzyme hoặc bởi một số yếu tố khác như acid hoặc base đặc (nồng độ 6N) ở nhiệt độ cao và trong nhiều giờ để tạo thành các sản phẩm dở dang hoặc sản phẩm cuối cùng là các amino acid.

- Protein cho phản ứng biurea (đặc trưng của liên kết peptid).

- Các gốc amino acid trong phân tử protein cũng cho các phản ứng đặc trưng của amino acid tự do tương ứng.

- Phân tử protein có nhóm -NH₂ ở đầu N-tận cùng và -COOH ở đầu C-tận cùng, ngoài ra chúng còn có thể có thêm một số nhóm -NH₂ và COOH của các gốc amino acid nằm giữa chuỗi polypeptid. Do vậy, protein có thể cho hoặc nhận proton (H⁺) để thể hiện tính acid hoặc base. Nhờ đặc điểm này cho nên protein là một hệ đệm góp phần duy trì pH của cơ thể động vật tương đối ổn định.       

1.3.6 Tính đặc hiệu sinh học

Chức năng sinh học của protein rất đa dạng, tuy vậy trong nhiều trường hợp không phải toàn bộ phân tử protein đều có giá trị như nhau đối với hoạt tính sinh học của nó mà có bộ phận làm nhiệm vụ giữ khung không gian, có bộ phận trực tiếp quyết định hoạt tính sinh học. Sự thay đổi các liên kết, các nhóm hóa học hoặc các amino acid nhất định trong phân tử protein, đặc biệt là ở bộ phận quyết định trực tiếp hoạt tính sinh học của nó đều dẫn tới sự thay đổi hoạt tính sinh học của protein. Một số ví dụ về tính đặc hiệu sinh học của protein như tính đặc hiệu kiểu phản ứng và đặc hiệu cơ chất của enzyme, hiện tượng choáng khi truyền máu, hiện tượng không dung hòa khi vá da hoặc ghép mô, …

1.4 Phân loại protein

1.4.1 Phân loại theo hình dạng

1.4.1.1 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, ...

1.4.1.2 Protein dạng cầu

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 ...

1.4.1.3 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.  

1.4.2 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:

1.4.2.1 Protein đơn giản

- 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.

- 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 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.

 

Tài liệu tham khảo

Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình, 1980. Hoá sinh học. NXB Y học.

Phạm Thị Trân Châu, Trần thi Áng, 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục, Hà Nội.

Nguyễn Lân Dũng, Phạm Văn Ty, Nguyễn Đình Quyến, 1999. Vi sinh vật học. NXB Giáo dục.

Lê Đức Trình, 1998. Hormon. NXB Y học, Hà nội.

Nguyễn Viết Tựu, 1980. Phương pháp nghiên cứu hoá học cây thuốc. NXB Y học, Tp. Hồ Chí Minh.

Copeland, R. A., 2000. Enzymes; a practical introduction to structure mechanism and data analysis, 2^nd ed. Willey-VCH. A John Willey & Sons, INC., Pub.

Dennison, C., 2002. A guide to protein isolation. Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, Lodon, Moscow.

Hans, U. B., 1974. Methods of enzymatic analysis. Second English Edition Acdemic Press, Inc., New York, San Francisco, London, Vol., 4.

Liebler, D. C, 2002. Introduction to proteomics. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey.

Lodish, H., 2003.  Molecular Cell Biology. 5^th ed. E-Book.

Nelson D. L., Cox M. M., 2005. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. Freeman and Company, New York, USA.

NRC, 1998. Nutrient requirements of swine. Tenth revised edition, National Academy Press, Washington D. C., USA.

Walker, J. M., 1996. The protein protocols, handbook, 2^nded. Humana Press Inc, Totuwa, New Jersey.

Tài liệu tiếng Đức

Arbeitsgemeinschaft fuer Wirkstoffe in der Tierernaehrung e.V. (AWT), 1998. Aminosaeren in der Tierernaehrung. Agrimedia Buchedition, Verlag Alfred Strothe - Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main.