Bài 5. Prôtêin

PROTEIN
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PROTEIN
3
Theo một số đánh giá, số lượng protein của tất cả các cơ thể sông là 1010 - 1012 .
Hiện nay chúng ta biết đến khoảng gần 3000 protein ở E.coli và 50000 - 100000 ở người.
Tất cả các protein đều cấu tạo từ 20 loại axit amin khác nhau.
- Thứ tự xắp xếp các axit amin trpng protein:
+ Dipeptit: có 2 variant: AB & BA, số varianr = 12 = 2! (dấu ! đọc là giai thừa)
+ Tripeptit: có 6 variant: ABC, ACB, BAC, BAC, CAB & CBA, số variant = 123 = 3!
+ Tương tự, đối với tetrapeptit có 24 variant và số varianr = 1234 = 4!
4
Theo lí thuyết toán tập hợp, nếu một tập hợp có n phần tử khác nhau, ta sẽ có n! cách xắp xếp các phần tử này thành một dãy.
Từ đó ta dễ nhận thấy rằng một peptit cấu tạo từ 20 loại axit amin khác nhau, mỗi loại chỉ có 1 gốc, khi đó chúng ta có số variant peptit từ 20 gốc axit amin khác nhau là 20!  2x1018 , tức là có thể có tới 2x1018 loại pepetit với Mr  2400).
Nếu một protein với Mr 34 000 (một protein trung bình), cấu tạo từ 12 loại axit amin khác nhau, mỗi loại có ở một lượng như nhau trong protein này, thì có tới 10300 trình tự axit amin khác nhau từ gần 300 gốc axit amin axit amin của 12 loại! Đây là một con số khổng lồ. Cũng như ngôn ngữ, số chữ cái là có hạn, nhưng số từ trong một ngôn ngữ là vô hạn, và số trình tự axit amin (số protein) trong tự nhiên cũng là vô hạn.
Một số nhận xét về kết quả nghiên cứu protein
Các nghiên cứu chung về protein cho thấy có một số nhận xét sau:
1. các protein có chức năng sinh học khác nhau thì có trình tự axit amin khác nhau.
2. Hơn 1400 bệnh di truyền ở người là do tạo ra các protein không đúng. Có lẽ 1/3 số protein không đúng này là do thay thế 1 gốc axit amin duy nhất trong trình tự axit amin của protein. Như vậy khi trình tự thay đổi thì chức năng cũng thay đổi.
3. So sánh các protein từ các loài khác nhau có cùng chức năng cho thấy chúng có trình tự axit amin tương tự (gần giống nhau).
Ví dụ: Ubiquitin - protein cấu tạo từ 76 gốc axit amin, tham gia điều hoà phân huỷ các protein trong tế bào, có trình tự như nhau (tuyệt đối) ở ruồi dấm và người, là 2 đối tượng cách xa nhau về tiến hoá.
6
4. 30% protein của người là polymorphic, tức là có các có các variant trình tự axit amin khác nhau trong quần thể người. Nhiều thay đổi trong trình tự axit amin không ảnh hưởng đến chức năng.
5. Hơn nữa, các protein có chức năng tương tự, nhưng từ các loài xa nhau, có thể khác nhau nhiều về thành phần và trình tự axit amin. Ví dụ như ADN polymerase của chuột và vi khuẩn khác nhau rất nhiều.
7
6. Protein có rất nhiều chức năng sinh học khác nhau:
6.,1. Các protein là enzym
6.2. Các protein vận chuyển (Hb, albumin trong máu và các protein màng...)
6.3. Protein dự trữ và dinh dưỡng (ovalbumin, casein, ferritin...)
6.4. Protein với chức năng vận động, cho phép cơ thể tiếp xúc, thay đổi hình dạng hay chuyển động: myosin, actin, tubulin
6.5. Protein cấu trúc: collagen, elastin, keratin...
6.6. Protein bảo vệ: toxin, Ig...
6.7. Protein với chức năng điều hoà (hormon...)
6.8. Các chức năng sinh học khác
CẤU TRÚC CỦA PROTEIN
Các đơn vị cấu trúc của protein
- Trong thành phần protein có tất cả 20 axit amin loại khác nhau (ở E.coli có 21 loại axit amin).
- Tất cả các axit amin trong protein đều là các axit amin  thuộc dãy L, chỉ khác biệt nhau về cấu trúc mạch bên (gốc R). Theo các đặc điểm cấu trúc và tính chất gốc R, các có mặt trong các Pr tự nhiên được phân thành 5 nhóm:
- Các axit amin với gốc R aliphtic không phân cực
- Các axit amin với gốc R aliphtic phân cực
- Các axit amin với gốc R có nhân thơm
- Các axit amin với gốc R mang điện tích (+)
- Các axit amin với gốc R mang điện tích ()
Các axit amin trong thành phần protein
Ngoài 20 axit amin có trong thành phần các protein kể trên, trong cơ thể sống còn có nhều axit amin khác.
Các mức độ cấu trúc và tổ chức của protein
Cấu trúc bậc I
Trình tự axit amin của một mạch polypeptit gọi là cấu trúc bậc I của polypeptit đó.
Trong protein liên kết peptit (lkpt) là liên kết chính. Lkpt có một phần tinh chất của các liên kết đôi, do vậy nó có cấu trúc phẳng. Như vậy trong peptit chỉ có 2 liên kết do nguyên tử C ở vị trí  của các gốc axit amin là quay được; các góc quay này được kí hiệu là  (quay quanh trục C - C) và  (quay quanh trục C - N), chúng được coi là bằng 0 trong cấu hình khi 2 lkpt cạnh nhau (nối với nhau qua 2 liên kết này) cùng nằm trong một mặt phẳng.
Chúng ta có thể hình dung một mạch polypeptit cấu tạo từ n gốc axit amin như là một tập giấy từ n tờ giấy được nối với nhau bằng một sợi dây ở giữa
Liên kết peptide và cấu trúc bậc I
Mối liên hệ giữa các góc quay và khả năng tạo thành các cấu trúc bậc II của các mạch polypeptit
Cấu trúc bậc II
- Các thông số của xoắn :
 = - 450  - 500,  = - 600
+ Bước xoắn: 5,4 A
+ Số gốc axit amin/ bước xoắn: 3,6 gốc
+ 1 gốc axit amin chiếm 1,5 A dọc theo trục xoắn
+ Các liên kết hydrro: tất cả các liên kết hydro đều tạo thành giữa nhóm -NH- của gốc axit amin tạo thành liên kết peptit thứ nhất với nhóm -CO-tạo thành liên kết peptit thứ 4 tính dọc theo trục xoắn, như vậy tất cả các xoắn  đều bão hoà các liên kết hydro. Khả năng tạo các liên kết hydro giữa các gốc axit amin trong cùng 1 xoắn là ưu thế của xoắn  so với các cấu trúc xoắn khác.
Xoắn alfa
- Khả năng tạo xoắn :
+ Các axit amin thuộc cả 2 dãy L và dãy D đều tạo được xoắn  kho mạch polypeptit chỉ chứa các gốc axit amin cùng một loại, nếu mạch peptit chứa các gốc axit amin cả hai loại thì không tạo được xoắn .
+ Các axit amin tạo thành cả xoắn phải và xoắn trái, nhưng xoắn phải bền hơn. Trong tất cả các protein nativ các xoắn  đều là xoắn phải.
+ Khả năng tạo xoắn do bản chất gốc R của các axit amin xác định. Các trường hợp đặc biệt:
1) Poly-Ala: tạo xoắn  tự nhiên ở pH = 7.
2) Poly-Lys: Không tạo xoắn  ở pH = 7 vì mang điện tích dương, nhưng ở pH = 12 không mang điện tích, nên tạo được xoắn .
3) Poly-Glu: giống như poly-lys, không tạo xoắn  ở pH = 7 vì mang điện tích âm, nhưng tạo được xoắn  ở pH = 2 (không mang điện tích).
4) Poly-Leu: không tạo được xoắn  vì gốc R có thể tích to
5) Poly-Ser: không tạo được xoắn  vì có gốc OH tham gia tạo liên kết hydro.
6) Poly-Pro: không tạo xoắn , mà lại phá huỷ xoắn 
7) Poly-Gly: có khả năng tạo xoắn , nhưng lại có xu hướng tạo cấu trúc .
+ Các axit amin làm giảm độ bền cấu trúc : Ser, Thr, Arg, Lys, Asp, Glu, Ile, Gly
+ Các axit amin phá huỷ cấu trúc : Pro, HPro (hydroxylprolin)
+ 11 axit amin còn lại có khả năng tham gia tạo cấu trúc .
Các -keratin sợi (tóc, lông thú, lông chim, móng, sừng, da...) đều cấu tạo từ các mạch polypepetit cấu tạo từ 100 gốc axit amin nằm song song, có cấu hình xoắn  phải, được liên kết với nhau bằng các cầu nối -S--S- giữa các mạch.
- Trong tóc và lông: có 3 hoặc 7 xoắn  có thể quấn cùng nhau tạo thành siêu xoắn, giống như các dây cáp từ 3 hoặc 7 sợi+ Các axit amin phá huỷ cấu trúc : Pro, HPro (hydroxylprolin)
+ 11 axit amin còn lại có khả năng tham gia tạo cấu trúc .
Cấu trúc 
Cấu trúc  (cấu trúc gấp khúc , đơn giản là gấp khúc  hay zigzag): trong fibrroin (tơ tằm tự nhiên) và -keratin
Khi sợi -keratin xử lí bằng hơi nóng, sau đó kéo dài gấp đôi so với chiều dài ban đầu thì nó chuyển sang cấu trúc . Tất cả các liên kết peptit đều tham gia tạo cấu trúc này nên nó rất bền
- Trong các cấu trúc  các gốc R nằm về cả 2 phía của mặt phẳng gấp khúc.
- Trong fibroin (protein tơ tằm) cứ trong 2 gốc axit amin liên tiếp thì có 1 gốc là Gly, cho nên tất cả các gốc R của protein này (thuộc các gốc axit amin khác, nhưng chủ yếu là Ala) đều nằm về cùng một phía của mặt phẳng gấp khúc phân tử.
- Nếu gốc R rất lớn hoặc có cùng một điện tích thì cũng không thể tạo thành cấu trúc  được vì các gốc R đẩy nhau. Đây là nguyên nhân vì sao các dạng kéo dài của lông và tóc không bền và tự chuyển về dạng cấu trúc .
- Giữa -keratin và fibroin còn có 2 khác biệt nữa:
+ Trong -keratin tất cả các mạch peptit nằm song song, tức là cùng hướng về một phía; trong fibroin: các mạch nằm đối song song (hướng ngược chiều nhau).
+ -keratin có nhiều gốc Cys, tạo các cấu nối -S - S- giữa các mạch, còn trong fibroin không có liên kết -S - S-.
Cấu trúc beta
Cấu trúc bậc III
Là phương thức sắp xếp các đơn vị cấu trúc bậc II của một mạch polypeptit trong không gian, tạo thành một khối cấu trúc 3 chiều gọi là cấu hình nativ (tự nhiên).
Nếu cấu trúc bậc II được xác định bởi mổi quan hệ cấu trúc giữa các gốc axit amin trong một phạm vi hẹp (vùng, dải), thì cấu trúc bậc III đươc xác định bằng các mối quan hệ cấu trúc giữa các gốc axit amin của một mạch polypeptit trong một phạm vi rộng hơn nhiều, không phụ thuộc vào vị trí của các gốc axit amin trong mạch peptit. Các mối quan hệ này được thực hiện thông qua các tương tác như: liên kết hydro, liên kết ion, cầu nối -S - S-. tương tác hydrophobic (giữa các gốc R alyphatic không phân cực và kị nước). Quá trình tạo thành cấu trúc bậc III gọi là folding - quá trình xắp xếp và tổ chức các đơn vị cấu trúc bậc II cơ bản của mạch peptit để tạo thành cấu hình nativ.
Cấu trúc bậc III của nhiều protein đã được nghiên cứu tốt như các protein: myoglobin, hemoglobin, lysozym, ribonuclease A... Ví dụ: trong cấu trúc bậc III của myoglobin có 8 đoạn xoắn  (chiếm 70% số gốc axit amin) bị ngắt bởi các uốn ngược . protein này không có cấu trúc . Trong phân tử lysozym (gồm 129 gốc axit amin) không có cấu trúc , ở chymotrypsinnogen có rất ít gốc axit amin tạo cấu trúc , chủ yếu là cấu trúc .
Cấu trúc không gian cần cho hoạt tính và chức năng của protein, cho nên khi thoái hoá thì chức năng cũng mất. Nhưng các cấu trúc này không cứng nhắc, mà rất linh động (là các cấu trúc rất động). Chính sự linh động này cần cho chức năng.
Trong tế bào các protein tổng hợp rất nhanh. Ví dụ: tế bào E.coli tổng hợp protein dài 100 gốc axit amin trong 5 s ở 370C.
Folding của protein không phải là một quá trình ngẫu nhiên, mà theo giai đoạn, tuy các nguyên lí chung của quá trình folding còn chưa được làm sáng tỏ.
Không phải tất cả các protein đều tự cuốn lại (tạo cấu hình không gian), mà có các protein gọi là các chaperone phân tử (là các protein liên kết với các polypeptit) trợ giúp quá trình folding, chúng ngăn chặn sự hút bám vào nhau không đặc trưng (tức là sự tụ lại của các mạch bên do liên kết yếu), chúng tách ra khỏi protein đồng thời với sự thuỷ phân ATP. Đây là một loại protein rất bảo thủ từ vi khuẩn đến người, Mr = 70000. Các chaperone phân tử nhận được đầu tiên chính là các protein shock nhiệt, chúng được tạo ra để ổn định cấu trúc protein khi tế bào bị xử lí bằng nhiệt độ cao.
Một số protein khác tham gia xúc tác tạo thành cấu trúc bậc III như xúc tác tạo liên kết S - S và isomer hoá Proline (chuyển lkpt do N imino của Pro tham gia tạo thành từ cấu hình cis sang cấu hình trans).
Các motif cấu trúc bậc III là hữu hạn.
Các motif của cấu trúc bậc III
Motif 1: 8 mạch cấu trúc bêta xắp xếp thành vòng, mỗi mạch được nối với mạch bên cạnh bằng một xoắn anpha.Các cấu trúc bêta xắp xếp thành cấu trúc tròn như một chiếc thùng hay trục (barel), ảnh hưởng lên cấu trúc bậc III chung gọi là trục (thùng) /. Cấu trúc này có trong nhiều enzym, là điểm liên kết cofactor hay cơ chất thường tìm thấy trong cái túi tạo thành gần nắp thùng.
Motif 2: Chốt (bundle) 4 xoắn, trong đó 4 xoắn nối với nhau bằng 3 loop (vòng) pepetit. Các xoắn liên kết chặt với nhau tạo thành túi ở giữa. Túi này thường chứa điểm liên kết với kim loại hay các cofactor khác cần cho chức năng sinh học.
Một cấu trúc tương tự, trong đó 7 xoắn xắp xếp trong motif giống trục, có trong các protein màng. 7 xoắn thường bao quanh một cái kênh xuyên qua màng.
Motif 3: Có tấm  trong cấu hình “yên ngựa” tạo lõi bền vững được bao bọc bởi nhiều vùng . Cấu trúc này cũng có trong nhiều enzym. Khu trú của điểm liên kết cơ chất thay dổi, xác định bởi thay thế các xoắn  và các yếu tố cấu trúc biến đổi khác, gọi là  với yên ngựa ở lõi.
Motif 4: Bánh Sandwich -, các tấm  xếp lớp để cho các sợi của tấm tạo thành cấu trúc túi hydrophobic giữa các tấm , là nơi liên kết các phân tử phẳng hydrophobic.
Bao gói protein
Cấu trúc trên phân tử
Immunoglobulin Hemoglobin B
Fold: b Chain: a
LDH a / b
Cấu trúc protein
Cấu trúc bậc IV
Là phương thức kết hợp các tiểu đơn vị (tđv) trong phân tử Pr cấu tạo từ nhiều mạch polypeptit. Số tiểu đơn vị có thể giao động trong một phạm vi rộng: từ 2 cho đến 40 (như trường hợp enzym glutamat dehydrogenase từ gan bò) hoặc thậm chí lên đến nhiều ngàn (như trường hợp enzym RecA là enzym đóng vai trò then chốt trong cơ chế trao đổi chéo giữa 2 nhiễm sắc thể - crossingover - ở E.coli). Hơn nữa, các tiểu đơn vị có thể giống nhau hoặc khác nhau (về trình tự axit amin).
Đa số các protein có cấu trúc khối cầu với Mr  50000 là các protein oligomer, tức là cấu tạo từ 2 hay nhiều hơn các mạch polypeptit (protomer hay tiểu đơn vị).
Ý nghĩa sinh học của tồn tại cấu trúc bậc IV
1) Tiết kiệm được ADN và mARN.
2) Đảm bảo độ tin cậy cao hơn trong tổng hợp các protein có kích thước phân tử lớn. Ví dụ: hai protein có cùng một kích thước, chẳng hạn như đều cấu tạo từ 10 000 gốc axit amin, trong đó ở protein thứ nhất cả 10 000 gốc axit amin này tạo thành một mạch polypeptit duy nhất, còn protein thứ hai lại cấu tạo từ 100 tiểu đơn vị (mạch polypeptit) như nhau, mỗi mạch dài 100 gốc axit amin. Giả sử sai sót ngẫu nhiên trong tổng hợp protein là 1/100000 gốc axit amin, thì độ tin cậy tổng hợp được mạch polypeptit dài 100 axit amin cao hơn nhiều so với tổng hợp mạch dài 100 000 axit amin, cho nên tế bào sẽ có 100% các phân tử của protein cấu tạo từ 100 tiểu đơn vị là các phân tử protein đúng và gần như tuyệt đại đa số các phân tử protein của protein cấu tạo từ một tiểu đơn vị (mạch polypeptit) khổng lồ chứa 100 000 gốc axit amin là các phân tử sai (do lỗi trong quá trình tổng hợp). Đây là ưu thế lớn của cấu trúc tiểu đơn vị của protein.
Hai ưu thế trên của cấu trúc bậc IV của protein được triệt để sử dụng trong thế giới virus là các thực thể tồn tại với một lượng thông tin di truyền rất hạn chế và có lớp vỏ protein khổng lồ cấu tạo từ nhiều tiểu đơn vị giống nhau.
3) Tất cả các enzym chìa khoá đều là các enzym allosteric tồn tại ở dạng một hệ thống cân bằng từ các oligomer có mức độ polymer hoá khác nhau, có khả năng biến đổi qua lại dưới tác động của nhiều yếu tố như pH, lực ion, nồng độ cơ chất, sự có mặt của các chất điều hoà (regulator) allosteric... Các enzym nhóm này thường là những enzym xác định vận tốc chung của một đường trao đổi chất trong tế bào.