🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình công nghệ Protein Ebooks Nhóm Zalo Lời nói đầu Trong những năm gần đây công nghệ sinh học phát triển như vũ bão, hàng loạt công nghệ mới ra đời như genomics, proteomics…và đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm v.v…đặc biệt là lĩnh vực y-dược học. Giáo trình công nghệ protein được biên soạn trên cơ sở cập nhật những kiến thức hiện đại, những thành tựu mới nhất về proteomics trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tiễn trên thế giới và ở Việt nam, nhằm phục vụ cho việc giảng dạy và học tập cho các ngành sinh học và cũng là tài liệu tham khảo của những ngành học liên quan khác. Giáo trình biên soạn có 6 chương với hai nội dung chính: - Những kiến thức cơ bản về protein như thành phần, cấu trúc, tính chất hóa -lý, các phương pháp tách, tinh sạch và xác định protein. - Công nghệ sản xuất một số loại protein. Giáo trình biên soạn được phân công cụ thể như sau: Chương 1. Mở đầu Cao Đăng Nguyên Chương 2. Amino acid - đợn vị cấu tạo protein Cao Đăng Nguyên Chương 3. Peptide - cấu trúc và chức năng Cao Đăng Nguyên Chương 4. Cấu trúc và tính chất lý-hoá của protein Cao Đăng Nguyên Chương 5. Các phương pháp chiết rút, tinh sạch Đỗ Quý Hai và xác định protein Chương 6. Công nghệ sản xuất một số protein Cao Đăng Nguyên Giáo trình được xuất bản lần đầu tiên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Các tác giả xin chân thành cảm ơn và rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và bạn đọc để khi tái bản sẽ được hoàn thiện hơn Các tác giả 1 Chương 1 Mở đầu I. Khái quát chung về protein 1.1. Những đặc trưng chung của nhóm chất protein Protein được phát hiện lần đầu tiên ở thế kỷ XVIII (1745 bởi Beccari); mới đầu được gọi la allbumin (lòng trắng trứng). Mãi đến năm 1838 , Mulder lần đầu tiên đưa ra thuật ngữ protein (xuất phát từ chữ Hy lạp proteos nghĩa là “đầu tiên”, “quan trọng nhất”. Biết được tầm quan trọng và nhu cầu xã hội về protein, đến nay nhiều công trình nghiên cứu và sản xuất hợp chất này đã được công bố, đã đem lại nhiều ý nghĩa hết sức to lớn phục vụ cho nhân loại. Vì vậy, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã vinh dự nhận được giải thưởng Nobel về các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến protein. Như đã biết protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống. Về mặt số lượng, nó chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào. Về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ yếu từ các amino acid qua liên kết peptide. Cho đến nay người ta đã thu được nhiều loại protein ở dạng sạch cao có thể kết tinh được và đã xác định được thành phần các nguyên tố hoá học, thông thường trong cấu trúc của chúng gồm bốn nguyên tố chính là C H O N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16%. Đặc biệt tỷ l ệ N trong protein khá ổn định. Nhờ tính chất này để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl, người ta tính lượng N rồi nhân với hệ số 6,25. Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S ≈0-3% và P, Fe, Zn, Cu... Khối lượng phân tử, ký hiệu là Mr (được tính bằng Dalton)* của các loại protein thay đổi trong những giới hạn rất rộng, thông thường từ hàng trăm cho đến hàng triệu. Ví dụ: insulin có khối lượng phân tử bằng 5.733, glutamat-dehydrogengenase trong gan bò có khối lượng phân tử bằng 1.000.000 (bảng 1.1). 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nhóm chất protein Từ lâu, đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ thể sinh vật, từ việc tham gia xây dưng tế bào, mô, đến tham gia hoạt động xúc tác và nhiều chức năng khác v.v...Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn của protein đối với cơ thể sống, người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và ý nghĩa của định nghĩa thiên tài của Anghen F. : “sống là phương thức tồn tại của những thể protein”. Với sự phát triển của khoa học, vai trò và ý 2 nghĩa của protein đối với sự sống càng được khẳng định. Cùng với acid nucleic, protein là cơ sở vật chất của sự sống. II. Phân loại protein Protein gồm hàng trăm, hàng ngàn amino acid nối với nhau bằng liên kết peptide tạo nên một hay nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc rất phức tạp. Căn cứ sự có mặt hay vắng mặt của một số thành phần có bản chất không phải protein mà người ta chia protein thành hai nhóm lớn: *1 Dalton = 1/1000 Kilodalton và được kí hiệu là kDa Bảng 1.1 Khối lượng (Mr) và cấu trúc phân tử của một số protein protein Khối lượng (Dalton) số gốc amino acid số chuỗi polypeptide Glucagon Insulin Ribonuclease (tụy bò) Lysozyme (lòng trắng trứng) Myoglobin (tim ngựa) Chymotripsin (tụy bò) Hemoglobin (người) Albumin (huyết thanh người) Hexokinase (men bia) Tryptophan-synthetase (E.coli) γ-globulin (ngựa) Glycogen-phosphorylase (cơ thỏ) Glutamate-dehydrogengenase (bò) Synthetase của acid béo (men bia) Virus khảm thuốc lá 3482 5733 12.640 13.930 16.890 22.600 64.500 68.500 96.000 117.000 149.000 495.000 1.000.000 2.300.000 40.000.000 29 51 124 129 153 241 574 550 800 975 1.250 4.100 8.300 20.000 336.500 1 2 1 1 1 3 4 1 4 4 4 4 40 21 2.130 2.1. Protein đơn giản Protein đơn giản là những phân tử mà thành phần cấu tạo của nó gồm hoàn toàn amino acid. Thí dụ một số enzyme của tuỵ bò như 3 ribonuclease gồm hoàn toàn amino acid nối với nhau thành một chuỗi polypeptide duy nhất (có 124 gốc amino acid, khối lượng phân tử 12.640), chymotripsin gồm toàn amino acid nối với nhau thành chuỗi polypeptide (có 241 gốc amino acid, khối lượng phân tử 22.600)v.v...Dựa theo khả năng hoà tan trong nước hoặc trong dung dịch đệm muối, kiềm hoặc dung môi hữu cơ 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 muối 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, isopanol 70-80%. -Glutein: 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. 2.2. Protein phức tạp Protein phức tạp là những protein mà thành phần phân tử của nó ngoài các α- amino acid như protein đơn giản còn có thêm thành phần khác có bản chất không phải là protein còn gọi là nhóm thêm (nhóm ngoại). Tuỳ thuộc vào bản chất của nhóm ngoại, người ta chia các protein phức tạp ra các nhóm nhỏ và thường gọi tên các protein đó theo bản chất nhóm ngoại: -Lipoprotein: nhóm ngoại là lipide. -Nucleoprotein: nhóm ngoại là acid nucleic. -Glycoprotein: nhóm ngoại là carbohydrate và dẫn xuất của nó. -Phosphoprotein: nhóm ngoại là acid phosphoric. -Cromoprotein: nhóm ngoại là hợp chất có màu. Tuỳ theo tính chất của từng nhóm ngoại mà có những màu sắc khác nhau như đỏ (ở hemoglobin), vàng (ở flavoprotein)... III. Chức năng sinh học của protein 3.1. Xúc tác và enzyme 3.1.1. Quan điểm về xúc tác enzyme Hầu hết tất cả các phản ứng xẩy ra trong cơ thể đều do các protein đặc biệt đóng vai trò xúc tác, những protein đó được gọi là các enzyme. 4 Mặc dù gần đây người ta đã phát hiện được một loại RNA có khả năng xúc tác quá trình chuyển hoá tiền RNA thông tin (pre-mRNA) thành RNA thông tin (mRNA), nghĩa là enzyme không nhất thiết phải là protein. Những enzyme xúc tác sinh học có bản chất là acid nucleic được gọi là ribozyme. Nhưng định nghĩa có tính chất kinh điển: enzyme là những protein có khả năng xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hoá học, là chất xúc tác sinh học vẫn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Hiện nay người ta biết được khoảng 3.500 enzyme khác nhau, nhiều enzyme đã được tinh sạch, kết tinh và nghiên cứu cấu trúc. 3.1.2. Những khác biệt về đặc tính xúc tác, giữa xúc tác vô cơ và xúc tác enzyme. Enzyme là chất xúc tác sinh học, ngoài khả năng xúc tác giống như chất xúc tác vô cơ bình thường nó còn thể hiện một số tính chất sau đây: a) Hiệu suất xúc tác rất lớn. Sự chuyển hoá cơ chất khi sử dụng emzyme xúc tác lớn hơn nhiều so với chất xúc tác vô cơ thông thường. Ví dụ: 1mol Fe3+ chỉ xúc tác phân ly được 10-6 mol H2O2/phút. Trong khi đó một phân tử catalase có một nguyên tử Fe xúc tác phân ly 5.106 mol H2O2/phút;1 gam pepsin trong 2 giờ thuỷ phân được 5 kg protein trứng luộc ở nhiệt độ bình thường. Tương tự 1gam phân tử β-amilase sau 1 giây có thể phân giải 4.000 liên kết glucoside trong phân tử tinh bột, cao hơn nhiều so với xúc tác băng chất vô cơ. b) Tính đặc hiệu cao. Tính đặc hiệu cao là một trong những khác biệt chủ yếu giữa xúc tác bằng enzyme và xúc tác bằng các chất vô cơ khác. Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho sự chuyển hoá một hay một số chất nhất định, theo một kiểu phản ứng nhất định. Dựa vào sự tác dụng có tính chọn lọc, người ta có thể chia ra một số kiểu đặc hiệu sau: - Đặc hiệu kiểu phản ứng. Đặc hiệu này thể hiện ở chổ mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một trong các kiểu phản ứng chuyển hoá một chất nhất định. Ví dụ: phản ứng oxy hoá khử, chuyển vị, thuỷ phân, v.v... - Đặc hiệu cơ chất. Là khả năng kết hợp của cơ chất vào trung tâm hoạt động của enzyme và bị chuyển hoá dưới tác động của chúng. Dựa vào mức độ đặc hiệu người ta lại chia ra một số kiểu như: đặc hiệu tuyệt đối, là enzyme chỉ tác dụng trên một cơ chất duy nhất; đặc hiệu tương đối, là enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu liên kết hoá học nhất định của phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào cấu tạo của các phần tử tham gia tạo thành mối liên kết đó; đặc hiệu nhóm, là enzyme có khả năng tác 5 dụng lên một kiểu liên kết hoá học nhất định với điều kiện một trong hai phần tham gia tạo thành liên kết phải có cấu tạo xác định. Hoạt tính của enzyme phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất, nhiệt độ và ion kim loại v.v... 3.1.3. Cơ chế xúc tác của một vài enzyme. Giai đoạn đầu tiên Ser hoặc Thr peptide Giai đoạn trung gian Giai đoạn cuối cùng H ình 1.1 Cơ chế chuyển nhóm phosphate của protein kinase A 6 Hiện nay người ta đã biết rõ cơ chế hoạt động của nhiều enzyme như carboxypeptidase, chymotripsin v.v..., một enzyme cũng được nghiên cứu khá kỹ thuộc nhóm phosphotransferase xúc tác quá trình chuyển vị nhóm phosphate đó là protein kinase A (hình 1.1) 3.1.4. Sự phân bố enzyme trong tế bào. Trong cơ thể enzyme có mặt ở mọi mô, mọi tế bào. Nhưng tùy theo chức năng của mô mà các tế bào trong mô thường có những hệ thống enzyme riêng biệt. Sự khác nhau đó không chỉ ở giữa các loại tế bào mà ngay trong một tế bào cũng tuỳ theo chức năng của từng bào quan (organell) riêng biệt để có những hệ thống enzyme đặc hiệu. Sự sắp xếp các enzyme một cách hợp lý trong tế bào đã tạo ra sự phối hợp nhịp nhàng trong hệ thống phản ứng dây chuyền liên tục cho hoạt động sống của cơ thể: - Trong nhân tế bào có các enzyme như ATP-ase, nucleosidase, nicotinic-mononucleotide adenylyltransferase, 5’-nucleotidase. - Trong ty lạp thể có chứa hầu hết các enzyme liên quan đến quá trình chuyển hoá năng lượng như hệ enzyme của chuỗi hô hấp tế bào và quá trình phosphoryl hoá tạo ATP, các enzyme của chu trình Krebs,v.v... -Trong lysosome có chứa nhiều enzyme thuỷ phân (hydrolase). -Trong ribosome có chứa các enzyme cho quá trình tổng hợp protein. - Trong bào tương chứa nhiều loại enzyme, đặc biệt có tất cả các enzyme của quá trình đường phân. - Trên màng tế bào cũng như màng của nhiều bào quan có những loại enzyme giúp cho sự vận chuyển một số chất qua màng và một số hoạt động khác của màng. 3.2. Isozyme 3.2.1. Đặc tính phân tử Isoyme là các dạng phân tử khác nhau của cùng một enzyme, xúc tác cho một phản ứng sinh hóa. Mặc dù cùng xúc tác cho cùng một loại phản ứng sinh hoá, nhưng do sự tồn tại các dạng phân tử khác nhau nên có một số tính chất lý, hoá và miễn dịch khác nhau. Ví dụ: lactatdehydrogengenase (LDH) là enzyme khử hydrogen thuận nghịch giữa lactate và pyruvate có khối lượng phân tử 130.-140.KDa, cấu trúc gồm 4 tiểu đơn vị (subunit), các tiểu đơn vị này được dịch mã từ 2 gene khác nhau được ký hiệu là H và M (từ chữ tiếng Anh H- Heart và M Muscle). 7 Hai loại chuỗi polypeptide đã tạo nên 5 dạng phân tử khác nhau là: LDH1: HHHH LDH2: HHHM LDH3: HHMM LDH4: HMMM LDH5: MMMM Trong điện di theo chiều từ âm sang dương thì thì LDH1 chạy nhanh nhất rồi đến LDH2, LDH3, LDH4 và LDH5 chạy chậm nhất. 3.2.2. Vai trò chức năng của các isozyme. Các kết quả nghiên cứu thu được đã chỉ ra rằng, tỷ lệ các dạng isozyme có thể thay đổi tuỳ theo tuổi tác, trạng thái sinh lý và bệnh lý. Sự tồn tại của nhiều dạng phân tử khác nhau của cùng một enzyme là một hiện tượng sinh học rất quan trong cả về mặt lý luận và thực tiễn. Chẳng hạn sự phân bố khác nhau về LDH trong cơ thể của các loài có xương sống, loại chuỗi H chủ yếu tìm thấy ở cơ tim và loại M chủ yếu tìm thấy ở cơ xương. Bởi vì loại chuỗi H thường bị ức chế bởi pyruvat với nồng độ quá thừa. Nhưng acid pyruvic trong mô tim được oxy hoá hiếu khí một cách đều đặn trong ty thể để cung cấp năng lượng cho mô này, và thông thường không có sự ứ đọng của acid pyruvic. Trái lại tuy mô cơ xương có rất nhiều LDH dạng M vì mô này có nhiều hoạt động bất thường gây nên những ứ đọng pyruvat nhất thời, nhưng dạng M lại không bị ức chế bởi acid pyruvic. 3.3. Các enzyme di lập thể (allosteric enzyme) và phức hệ enzyme (multienzyme). Trong cơ thể sống còn gặp những enzyme ngoài trung tâm hoạt động xúc tác còn có một loại trung tâm khác làm nhiệm vụ điều chỉnh hoạt tính của enzyme còn gọi là enzyme di lập thể. Tuy trung tâm điều chỉnh và trung tâm xúc tác có tác dụng hổ trợ nhau, nhưng là hai loại cấu trúc khác biệt nhau. Trong nhiều trường hợp có thể “khoá” trung tâm dị lập thể mà vẫn giữ được hoạt động xúc tác của trung tâm hoạt động. Các enzyme này thường được cấu tạo từ các đơn vị nhỏ kết hợp với nhau bằng các liên kết yếu , nên rất mềm dẻo có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau và có thể biến đổi thuận nghịch từ trạng thái này sang trang thái khác một cách dễ dàng. Một trong những loại enzyme này được nghiên cứu kỹ nhất là aspartate-transcarbamylase (ATC-ase) xúc tác qúa trình tổng hợp carbamylaspartate. Enzyme này gồm hai đơn vị nhỏ xúc tác và 3-4 đơn vị nhỏ điều hoà. 8 Ngoài enzyme di lập thể còn gặp phức hệ đa enzyme (multienzyme). Đó là những phức hợp gồm nhiều enzyme có liên quan đến nhau trong một quá trình chuyển hoá nhất định. Ví dụ phức hợp enzyme trong quá trình tạo acetyl-CoA từ acid puruvic được gọi là phức hệ pyruvatedehydrogenase. Phức hợp này gồm ba loại enzyme là pyruvate dehydrogengenase, dihydrolipoyl transacetylase và dihydrolipoyl -dehydrogenase. 3.4. Những quan điểm y học về protein 3.4.1. Protein là những phần chức năng của cơ thể. Ngoài vai trò là thành phần chính trong cấu trúc của tế bào và mô, protein còn có nhiều chức năng phong phú khác quyết định những đặc điểm cơ bản của sự sống như sự truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hoá các chất đó là các enzyme, các kháng thể chống lại bệnh tật, các hormon dẫn truyền các tín hiệu trong tế bào v.v... đều có bản chất là các protein. 3.4.2. Hình thành chức năng mới trên cơ sở cấu trúc protein. Sự phát triển của sinh học phân tử dựa trên lý thuyết trung tâm “DNA → RNA → Protein”. Như vậy, sự biến đổi DNA sẽ dẫn đến sự biến đổi cấu trúc của phân tử protein và do đó chức năng sinh học của nó sẽ bị biến đổi kéo theo những thay đổi có liên quan đến toàn bộ cơ thể. Trong quá trình tiến hoá của sinh vật sự hình thành và thích nghi một chức năng mới diễn ra ở một giai đoạn lịch sử lâu dài. Sự xuất hiện một protein mới biến dạng (mất hoạt tính hoặc đột biến cấu trúc) thường luôn đi kèm bệnh tật. 3.4.3. Sự xuất hiện các protein bệnh lý. Y học là ngành khoa học về sự sống, ngày nay với tiến bộ của khoa học, những hiểu biết về bệnh lý ở mức độ phân tử đã vượt ra khỏi giới hạn của giải phẩu tế bào hoặc cơ quan. Sinh học phân tử ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong các quan niệm về bệnh. Từ đó, sự phát triển của bệnh học phân tử luôn luôn đi kèm với sinh học phân tử. Sự biến đổi cấu trúc của một protein hay sự xuất hiện các enzyme có cấu trúc bất thường đều do yếu tố di truyền gây nên. Dựa theo các biểu hiện di truyền người ta chia các protein bệnh lý ra làm hai loại lớn: a) Những biến đổi về số lượng của protein: Đó là sự thay đổi do sự tăng hoặc giảm protein nào đó, thậm chí xuất hiện những protein mà tế bào bình thường không tổng hợp một cách thường xuyên. Những protein này vẫn có cấu trúc bình thường và như vậy không có những biến đổi của gene cấu trúc. Những lệch lạc này do rối loạn quá trình điều hoà sinh tổng 9 hợp protein. Do protein vẫn có cấu trúc bình thường mà chỉ thay đổi về số lượng nên chúng vẫn có chức năng bình thường và chỉ thay đổi về mức độ hoạt động. Trong trường hợp là protein enzyme thì những lệch lạc về số lượng enzyme sẽ dẫn đến những rối loạn dây chuyền chuyển hoá. b) Những biến đổi về chất lượng protein: Đó là những rối loạn về cấu trúc protein do gene bi biến đổi, dẫn đến cấu trúc protein thay đổi kéo theo sự thay đổi chức năng sinh học của protein đó. Ví dụ, sự biến đổi cấu trúc của hemoglobin (Hb) là protein có chúc năng vận chuyển oxygen trong máu dẫn đến bệnh thiếu máu, hay như bệnh thiếu máu do hồng cầu hình lưỡi liềm... 3.4.4. Cấu trúc và chức năng của protein miễn dịch. Tham gia vào hệ thống miễn dịch có nhiều cơ quan, nhiều loại tế bào và đặc biệt nhiều loại protein thực hiện các chức năng riêng biệt tạo nên hiệu quả miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu. Các protein miễn được nhắc đến nhiều hơn cả là các kháng thể, bổ thể và các cytokine. a) Các kháng thể (antibody). Tất cả các phân tử kháng thể đã được chứng minh là các globulin có chức năng miễn dịch (viết tắt là Ig: Immunoglobulin) và có bản chất là glycoprotein. Các kháng thể được chia thành 5 lớp. Tuỳ theo cấu trúc và chức năng miễn dịch là IgG, IgA, IgM, IgD, IgE. Cấu trúc của phân tử kháng thể được hình thành từ hai loại chuỗi polypeptide là chuỗi nặng (ký hiệu: H=Heavy chain) có khối lượng phân tử từ 53-59 kDa và chuỗi nhẹ (ký hiệu:L=Light chain) có khối lượng phân tử 22-26 kDa. Cả bốn chuỗi được gắn với nhau bằng cầu disunfid (S-S). Trung tâm hoạt động là phần liên kiết với kháng nguyên (hình 1.2) nằm ở vùng tận cùng N của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ có cấu trúc chỉ khoảng 8-10 amino acid. Các phân tử Ig có đặc tính hoạt động miễn dịch theo hai chức năng: - Có khả năng liên kết với kháng nguyên ít nhất ở hai vị trí tiếp nhận đối với kháng nguyên nhờ sự biến đổi kỳ diệu của phần tận cùng NH2 trên phân tử kháng thể. - Phần tận cùng COOH của phân tử kháng thể có khả năng thực hiện một số lớn các hoạt động sinh học dưới ảnh hưởng của sự liên kết với thụ thể trên bề mặt của tế bào. Tất cả các kháng thể đều có cùng một cấu trúc phân tử nhưng khác nhau ở mức độ của vùng liên kết với kháng nguyên. Nhìn chung phân tử kháng thể được chia làm hai phần: phần Fab là phần liên kết với kháng nguyên, phần Fc là phần dễ kết tinh phản ứng với các tế bào của hệ thống miễn dịch qua thụ thể của các tế bào. Dùng 10 enzyme papain hay pepsin có thể cắt kháng thể thành hai mảnh Fab và Fc, hoặc F(ab’)2 tương ứng. chuỗi nhẹ Vị trí liên kết chuỗi nặng Vị trí liên kết Papain cắt Pepsin cắt H ình 1.2 Cấu trúc chung của phân tử kháng thể (Ig) b) Bổ thể (complement). Là những protein huyết tương phản ứng với nhau nhằm tấn công các dạng tác nhân gây bệnh. Hệ thống bổ thể bao gồm khoảng 40 protein có chức năng đáp ứng miễn dịch, chống vi sinh vật và đáp ứng viêm. Về chức năng, các kháng thể tương tác đặc hiệu với tác nhân truyền nhiễm bệnh, còn hệ thống bổ thể được cố định lên tất cả các kháng thể để thực hiện chức năng miễn dịch. Các thành phần của bổ thể tương tác giữa chúng với nhau và các yếu tố khác của hệ thống miễn dịch. c) Các cytokine. Là toàn bộ các phân tử được tiết ra bởi các tế bào của hệ thống miễn dịch, tham gia vào hoạt động tín hiệu giữa các tế bào trong hoạt động đáp ứng miễn dịch. Tất cả các cytokine đều có bản chất protein hay glycoprotein và được phân loại như sau: - Các interferons (IFN): có các dạng α-IFN, β-IFN và γ-IFN, có chức năng ngăn ngừa của một số virus gây bệnh. - Các interleukin (IL): có các dạng từ IL1 đến IL 13, chúng có nhiều chức năng, nhưng chủ yếu là kiểm tra sự biệt hoá và sinh sản tế bào. - Các yếu tố kích thích quần lạc (CSF): có chức năng kiểm tra sự phân chia và sinh sản của các tế bào nguồn và các tế bào máu sơ khai. 11 - Các chất dẫn truyền sinh học (mediator): là những protein của giai đoại đáp ứng miễn dịch cấp tính. 3.4.5. Cấu trúc và chức năng của protein vận chuyển. Trong cơ thể có những protein làm nhiệm vụ vận chuyển như hemoglobin, mioglobin, hemocianin vận chuyển O2, CO2 và H+đi khắp các mô, các cơ quan trong cơ thể. Ngoài ra còn có nhiều protein khác như lipoprotein vận chuyển lipid, ceruloplasmin vận chuyển đồng (Cu) trong máu v.v...Một trong những protein làm nhiệm vụ vận chuyển được nhắc đến nhiều nhất đó là hemoglobin. Phân tử được cấu tạo tử bốn tiểu đơn vị (subunit), hai tiểu đơn vị α và hai tiểu đơn vị β. Hình 1.3 Cấu trúc của phân tử hemoglobin Tiểu đơn vị β của Hemoglobin H ình 1.4 So sánh cấu trúc tiểu đơn vị β của hemoglobin với leghemoglobin và myoglobin. 12 Mỗi tiểu đơn vị nối với một heme bằng liên kết không phải cộng hoá trị. Khi so sánh với protein cùng chức năng như myoglobin cơ và leghemoglobin thực vật là những protein có cấu trúc chỉ một tiểu đơn vị (monomer) thấy rằng các tiểu đơn vị cấu trúc khá giống nhau (hình: 1.3, 1.4 ) 3.4.6. Cấu trúc chức năng và vai trò của lectin. Lectin là những protein hay glycoprotein không phải nguồn gốc miễn dịch, lectin có khả năng ngưng kết với nhiều loại tế bào, cũng như nhiều loại đường hoặc các hợp chất chứa đường có tính chất chọn lọc. Hầu hết lectin có cấu trúc bậc 4, với khối lượng phân tử giao động trong phạm vi khá rộng từ hàng ngàn cho đến hàng trăm ngàn Dalton. Ví dụ: lectin từ rễ cây Urtica dioica (họ gai Urticaceae) có Mr=8,5 KDa trong khi đó loài sam biển châu Á (Tachypleus tridentatus) có Mr=700.KDa. Về chức năng, người ta thấy rằng mặc dù lectin không phải là kháng thể chống lại tác nhân gây bệnh nhưng chúng có vai trò bảo vệ cơ thể nhờ tương tác với màng tế bào và gây ngưng kết tế bào của chúng. Họ đã khẳng định rằng lectin có khả năng gắn các tế bào vi khuẩn và kháng nguyên lạ với các đại thực bào, do vậy mà vi khuẩn và kháng nguyên lạ bị đào thải ra khỏi cơ thể. Ngoài ra có những lectin còn có khả năng kích thích sự phân chia và biệt hoá tế bào. Đồng thời người ta cũng phát hiện được nhiều lectin có cả hoạt tính của enzyme, ví dụ lectin hoạt tính khá mạnh, được tách ra từ hạt đậu mùng, có khối lượng phân tử khoảng 16.KDa có cả hoạt tính của enzyme α-galactosidase. 3.4.7. Những chức năng khác của protein. Trong cơ thể ngoài các protein đảm nhận chức năng xúc tác như enzyme, chức năng vận chuyển như hemoglobin, mioglobin, lipoprotein, và chức năng bảo vệ như các kháng thể miễn dịch, các protein độc tố như enzyme nọc rắn, lectin v.v..., protein còn tham gia nhiều chức năng quan trọng khác như: - Các protein làm nhiệm vụ kích thích điều hoà quá trình trao đổi chất như các hormon - Các protein làm nhiệm vụ cấu trúc như vỏ virus, màng tế bào, colagen ở da, fibrolin ở tơ - Các protein làm nhiệm vụ co rút như myosin, actin ở sợi cơ - Các protein làm nhiệm vụ dự trữ như casein của sữa, ovalbumin của trứng, v.v... 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hoá sinh học. NXB Y học 2.Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục 3.Phạm Thị Trân Châu, Lã Minh Châu, Lâm Chi, Nguyễn Lân Dũng, Đỗ Đình Hồ, Lê Ngọc Tú. 1983. Những hiểu biết mới về enzim. Tập 8. NXB KH & KT Hà nội. 4. Đỗ Đinh Hồ, Đái Duy Ban, 1977. Sinh học phân tử và cuộc cách mạng trong sinh học, NXB KH& KT. Hà nội 5. Đỗ Ngọc Liên. 2004. Miễn dịch học cơ sở. NXB Đại học Quốc gia Hà nội (in lần thứ 2). 6.Fersht A.,1998, Structure and Mechanism in Protein Science, W. H. Freeman, 3rd Rev Edit. 7.Lehringer A.L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman, 2004 8. Liebler D.C., 2002. Introduction to proteomics. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey. 9. Lodish H., 2003. Molecular Cell Biology. 5th ed.W.H Freeman. 10. Virella G.,1998. Introduction to medical immunology, Marcel Dekker, Inc. New York. Basel. Hong kong. 4th. ed. 14 Chương 2 Amino acid - Đơn vị cấu tạo Protein I. Thành phần tính chất lý- hoá của amino acid 1.1. Thành phần và cấu tạo của amino acid Protein là polymer của các amio acid nối với nhau bằng các liên kết cộng hoá trị là liên kết peptide. Protein có thể bị thuỷ phân tạo thành các amino acid tự do bằng nhiều phương pháp khác nhau. Người ta đã xác định protein được cấu trúc từ 20 loại amino acid khác nhau. Amino acid là chất hữu cơ mà phân tử chứa ít nhất một nhóm carboxyl (COOH) và ít nhất một nhóm amino (NH2), trừ prolin chỉ có nhóm NH (thực chất là một acid imin). Trong phân tử amino acid đều có các nhóm COOH và NH2 gắn với carbon ở vị trí α. Hầu hết các amino acid thu nhận được khi thuỷ phân protein đều ở dạng L-α amino acid. Như vậy các protein chỉ khác nhau ở mạch nhánh, hay còn gọi là chuỗi bên (thường được ký hiệu: R). Hình: 2.1 Công thức cấu tạo chung của các amino acid 1.2. Phân loại amino acid 1.2.1. Các quan điểm về phân loại amino acid. Hiện nay có nhiều người phân loại amino acid theo nhiều kiểu khác nhau, mỗi kiểu sắp xếp đều có ý nghĩa và mục đích riêng. Tuy nhiên, họ đều dựa trên cấu tạo hoá học hoặc một số tính chất của gốc R. Ví dụ: có người chia các amino acid thành 2 nhóm chính là nhóm mạch thẳng và nhóm mạch vòng. Trong nhóm mạch thẳng lại tuỳ theo sự có mặt của số nhóm carboxyl hay số nhóm amino mà chia ra thành các nhóm nhỏ, nhóm amino acid trung tính (chứa một nhóm COOH và một nhóm NH2); nhóm amino acid có tính kiềm (chứa một nhóm COOH và hai nhóm NH2); nhóm amino acid có tính acid (chứa hai nhóm COOH và một nhóm NH2). Trong nhóm mạch vòng lại chia ra thành nhóm đồng vòng hay dị vòng v.v... Có người lại dựa vào tính phân cực của gốc R chia các amino acid thành 4 nhóm: nhóm không phân cực hoặc kỵ nước, nhóm phân cực nhưng không tích điện, nhóm tích điện dương và nhóm tích điện âm. 15 Ở đây xin được giới thiệu cách phân loại các amino acid một cách chung nhất. Theo cách này dựa vào gốc R các amino acid được chia làm 5 nhóm: Nhóm I. Gồm 7 amino acid có R không phân cực, kỵ nước, đó là: glycine, alanine, proline, valine, leucine, isoleucine và methionine. Hình: 2.2 Công thức cấu tạo các amino acid nhóm I Nhóm II Gồm 3 amino acid có gốc R chứa nhân thơm, đó là phenylalanine, tyrosine và tryptophan. Hình: 2.3 Công thức cấu tạo các amino acid nhóm II 16 Nhóm III. Gồm 5 amino acid có gốc R phân cực, không tích điện, đó là serine, threonine, cysteine, aspargine và glutamine. Hình: 2.4 Công thức cấu tạo các amino acid nhóm III Nhóm IV. Gồm 3 amino acid có R tích điện dương, đó là lysine, histidine và arginine. Hình: 2.5 Công thức cấu tạo các amino acid nhóm IV 17 Nhóm V. Gồm 2 amino acid có gốc R tích điện âm, đó là aspartate và glutamate. Hình: 2.6 Công thức cấu tạo các amino acid nhóm V 1.2.2. Các amino aicd thường gặp. Các amino acid thường gặp là những amino acid thường có mặt trong thành phần của các loại protein. Chúng có khoảng 20 loại và được thu nhận khi thuỷ phân protein. Các loại amino acid này có tên gọi, khối lượng phân tử và ký hiệu được trình bày trên bảng 2.1. 1.2.3. Các aminno acid không thay thế, hay cần thiết. Các amino acid được hình thành bằng nhiều con đường khác nhau. Như đã biết, trong phân tử protein có khoảng 20 loại amino acid, tuy nhiên trong cơ thể người và động vật không tổng hợp được tất cả các loại đó mà phải đưa từ ngoài vào qua thức ăn. Những amino acid phải đưa từ ngoài vào đó gọi là các amino acid không thay thế. Ngày nay người ta biết được có khoảng 8-10 loại amino acid không thay thế bao gồm: Met, Val, Leu, Ile, Thr, Phe Trp, Lys, Arg và His, ngày nay người ta còn xem Cys cũng là một amino acid không thay thế. 1.2.4. Các amino acid ít gặp. Ngoài các amino acid thường gặp ở trên, trong phân tử protein đôi khi còn có một số amino acid khác, đó là những loại ít gặp. Các amino acid này là dẫn xuất của những amino acid thường gặp như: trong phân tử colagen có chứa 4-hydrogenxyproline là dẫn xuất của proline, 5- hydrogenxylysine là dẫn xuất của lysine v.v... Mặt khác, mặc dù không có trong cấu trúc protein, nhưng có hàng trăm loại amino acid khác chúng có thể tồn tại ở dạng tự do hoặc liên kết với hợp chất khác trong các mô và tế bào, chúng có thể là chất tiền thân hay là các sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá trong cơ thể. 18 Bảng 2.1 Các amino acid thường gặp Tên amino acid Tên amino acid gọi theo danh pháp hoá học Tên viết tắt Ký hiệu Khối lượng (Mr) Glycine Alanine Proline Valine Leucine Isoleucine Methionine Phenylalanine Tyrosine Tryptophan Serine Threonine Cysteine Aspargine Glutamine Lysine Histidine Arginine Aspartate Glutamate α-aminoacetic α-aminoprpionic α-pirolidincarboxylic α-aminoiaovaleric α-aminonoisocaproic α-amino-β-metylvaleric α-amino-γ-metyltiobutiric α-amino-β-phenylpropionic α-amino-β hydrogengenxyphenylpropionic α-amino-β-idolylpropionic α-amino-β-hydoxypropionic α-amino-β-hydrogengenxybutiric α-amino-β-tiopropionic amid của aspartate amid của glutamate α,ε diaminocaproic α-amino-β-imidazolpropionic α-amino-δ-guanidinvaleric α-aminosucinic α-aminoglutarate Gly Ala Pro Val Leu Ile Met Phe Tyr Trp Ser Thr Cys Asn Gln Lys His Arg Asp Glu G A P V L I M F Y W S T C B Q K H R D E 75 89 115 117 131 131 149 165 181 204 105 119 121 132 146 146 155 174 133 147 1.3. Màu sắc và mùi vị của amino acid Các amino acid thường không màu, nhiều loại có vị ngọt kiểu đường như glycine, alanine, valine, serine histidine, triptophan; một số loại có vị đắng như isoleucine, arginine hoặc không có vị như leucine. Bột ngọt hay còn gọi là mì chính là muối của natri với acid glutamic (monosodium glutamate). 1.4. Tính tan của amino acid Các amino acid thường dễ tan trong nước, các amino acid đều khó tan trong alcohol và ether (trừ proline và hydrogenxyproline), chúng cũng dễ hoà tan trong acid và kiềm loãng (trừ tyrosine). 19 1.5. Biểu hiện tính quang học của amino acid Các amino acid trong phân tử protein đều có ít nhất một carbon bất đối (trừ glycine) vì thế nó đều có biểu hiện hoạt tính quang học, nghĩa là có thể làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang phải hoặc sang trái. Quay phải được ký hiệu bằng dấu (+), quay trái được ký hiệu bằng dấu (-). Góc quay đặc hiệu của amino acid phụ thuộc vào pH của môi trường. Tuỳ theo sự sắp xếp trong cấu trúc phân tử của các nhóm liên kết với carbon bất đối mà các amino acid có cấu trúc dạng D hay L (hình 2.7) gọi là đồng phân lập thể. Số đồng phân lập thể được tính theo 2n(n là số carbon bất đối) Hình 2.7 Đồng phân lập thể của alanine Hầu hết các amino acid khác hấp thụ tia cực tím ở bước sóng (λ) khoảng từ 220 - 280 nm. Đặc biệt cùng nồng độ 10-3M, trong bước sóng khoảng 280 nm tryptophan hấp thụ ánh sáng cực tím mạnh nhất, gấp 4 lần khả năng hấp thụ của tyrosine (hình 2.8) và phenylalanine là yếu nhất. Phần lớn các protein đều chứa tyrosine nên người ta sử dụng tính chất này để định lượng protein 20 λ (nm) Hình 2.8 Phổ hấp thụ ánh sáng cực tím của triptophan và tyrosine 1.6. Tính lưỡng tính của amino acid Trong phân tử amino acid có nhóm carboxyl -COOH nên có khả năng nhường proton (H+) thể hiện tính acid, mặt khác có nhóm amin- NH2 nên có khả năng nhận proton nên thể hiện tính base. Vì vậy amino acid có tính chất lưỡng tính. Trong môi trường acid, amino acid ở dạng cation (tích điện dương), nếu tăng dần pH amino acid lần lượt nhường proton thứ nhất chuyển qua dạng lưỡng cực (trung hoà về điện), và tiếp tục tăng pH amino acid sẽ nhường proton thứ hai chuyển thành dang anion (tích điện âm). Vì vậy đôi khi người ta coi nó như một di-acid. cation lưỡng cực anion Hình 2.9 Tính lưỡng tính của amino acid Tương ứng với độ phân ly H+của các nhóm COOH và NH3+có các trị số pK1 và pK2 (biểu thị độ phân ly của các nhóm được 1/2). Từ đó người ta xác định được pHi (pI= pH đẳng điện) = pK1 + pK2 / 2. Ví dụ: khi hoà tan glycine vào môi trường acid mạnh thì hầu như glycine đều ở dạng 21 cation. Nếu tăng dần lượng kiềm, thu được đường cong chuẩn độ. Trên đường cong chuẩn độ thấy rằng: glycine lần lượt nhường 2 proton trước tiên chuyển sang dang lưỡng tính và sau cùng chuyển thành dạng anion Độ phân ly của H+ Hình 2.10 Đường cong chuẩn độ của glycine nồng độ 1 M ở 25OC Tương đương độ phân ly của nhóm COOH được một nửa có trị số pK1= 2,34 và độ phân ly của NH3+ được một nửa có trị số pK2= 9,60. Như vậy ta có 2,34 + 9,60 pHi = = 5,97 2 Mặt khác tại pK1 + 2 sự phân ly H+của nhóm COO glycine là 99%, chỉ 1% ở dạng COOH và ở pK2 -2 dạng NH3+là 99%, chỉ 1% ở dạng NH2. Như vậy trong vùng pH từ pK1 + 2 đến pK2 -2, phân tử glycine chủ yếu ở dạng lưỡng tính và kết quả ta có một vùng đẳng điện. Ngoài ra các amino acid trong gốc R có thêm nhóm COOH hay NH2 sự phân ly của chúng sẽ có thêm một trị số phân ly nữa-pKR (xem bảng 2.2) 22 1.7. Các phản ứng hoá học của amino acid Các amino acid đều có nhóm NH2 và COOH liên kết với Cα , vì vậy chúng có những tính chất hoá học chung. Mặt khác các amino acid khác nhau bởi gốc R, vì vậy chúng có những phản ứng riêng biệt. Người ta chia các phản ứng hoá học của amino acid thành 3 nhóm: Bảng: 2.2 Các trị số pK của các amino acid thường gặp Tên các Các trị số pK amino acid pK1(của COOH) pK2(của NH+3) pKR(của R) pI Glycine Alanine Proline Valine Leucine Isoleucine Methionine Phenylalanine Tyrosine Tryptophan Serine Threonine Cysteine Aspargine Glutamine Lysine Histidine Arginine Aspartate Glutamate 2,34 2,34 1,99 2,32 2,36 2,36 2,28 1,83 2,20 2,38 2,21 2,11 1,96 2,02 2,17 2,18 1,83 2,17 1,88 2,19 9,60 9,60 10,96 9,62 9,60 9,68 9,21 9,13 9,11 9,39 9,15 9,62 10,28 8,80 9,13 8,95 9,17 9,04 9,60 9,67 10,07 8,18 10,53 6,00 12,48 3,65 4,25 5,97 6,01 6,48 5,97 5,98 6,02 5,74 5,48 5,66 5,89 5,68 5,87 5,07 5,41 5,65 9,74 7,59 10,76 2,77 3,22 a) Phản ứng của gốc R. Do các amino acid có cấu tạo gốc R khác nhau, nên người ta có thể dùng để xác định từng amino acid riêng rẽ nhờ phản ứng đặc trưng của nó, ví dụ phản ứng oxy hoá khử do nhóm SH của cysteine, phản ứng tạo muối 23 do các nhóm COOH hay NH2 của glutamte hay lysine, phản ứng tạo ester do nhóm OH của tyrosine v.v... b) Phản ứng chung. Là phản ứng có sự tham gia của cả hai nhóm α- COOH và α- NH2 . Khi phản ứng với ninhydrin trong điều kiện đun nóng tạo thành CO2 , NH3 aldehyde và nihydrin bi khử, cuối cùng tạo nên sản phảm có màu xanh tím. c) Phản ứng riêng biệt Có thể chia các phản ứng riêng biệt theo hai nhóm α- COOH và α NH2 -Các phản ứng của nhóm α- COOH . Ngoài các phản ứng của nhóm COOH thông thường tạo ester, tạo amid, tạo muối ...thì nó còn có những phản ứng đạc trưng khác như có thể bị khử thành hợp chất rượu amino dưới sự xúc tác của NaBH4. R-NH2CH-COOH R-NH2CH-CH2OH Nhóm COOH có thể tạo thành phức aminoacyl-adenylate trong phản ứng hoạt hoá amino acid để tổng hợp protein, hay có thể loại CO2 gặp rất nhiều trong quá trình thoái hoá amino acid, tạo các dẫn xuất amin có hoạt tính sinh học cao như histamine, sevôtnine. - Các phản ứng của nhóm α- NH2 . Nhiều phản ứng của nhóm amino được dùng để xác định các chỉ tiêu của amino acid như: Để định lượng amino acid người ta cho phản ứng với HNO2 để giải phóng N2 và định lượng nitrogen R-NH2CH-COOH + HNO2 R-OHCH-COOH +N2 +H2O Để định lượng amino acid người ta cho phản ứng với formaldehyde tạo thành base schif. R-CH-COOH R-CH-COOH NH2 + HCHO N = CH2 + H2O + H Sau đó dung NaOH (hoặc KOH) để chuẩn độ nhóm COOH của aminoacid Để xác định amino acid đầu N-tận cùng người ta cho tác dụng với 2- 4 dinitrofluobenzen (phản ứng sanger) hay phenyliothiocyanate (phản ứng Edman). Sau đó xác định amino acid N-tận cùng tách biệt khi chúng ở dạng dẫn xuất với hai loại hoá chất trên. II. Thu nhận amino acid bằng thủy phân protein 2.1. Thủy phân bằng acid 24 Để thu nhận các amino acid phương pháp thường được dùng nhiều nhất là thuỷ phân bằng acid HCL 6N dư thừa ở nhiệt độ 100-120oC trong khoảng 24 giờ. Sản phẩm thu được chủ yếu là các amino acid tự do dưới dạng hydrogenclorate. Một số amino acid như serine và threonine bị phá huỷ một phần, tryptophan bị phá huỷ hoàn toàn, glutamine và asparagine phân ly thành acid glutamic, acid aspartic và NH4+. 2.2. Thuỷ phân bằng kiềm Người ta cũng có thể thu nhận các amino acid bằng phương pháp thuỷ phân với NaOH, bằng cách đun nóng trong nhiều giờ. Sản phẩm thu được hầu hết là các amino acid nhưng đều bị racemic hóa, các amino acid cysteine, serine và treonine bị phá huỷ nhưng tryptophan không bị phá huỷ. Vì vậy, phương pháp thuỷ phân bằng kiềm thường chỉ dùng để xác định tryptophan. 2.3. Thuỷ phân bằng enzyme Để thu nhận chế phẩm amino acid ngày nay việc thuỷ phân bằng enzyme được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau bởi sử dụng enzyme có nhiều ưu điểm như đã nói ở trên. Các enzyme thuỷ phân protein để tạo thành các amino acid hay các các peptid có phân tử thấp được gọi chung là peptidhydrogenlase. Có nhiều loại peptidhydrogenlase, chúng được phân biệt nhau bởi tính đặc hiệu khác nhau với liên kết peptid. Một số loại cắt đứt liên kết peptid ở đầu tận cùng của chuỗi polypeptide được gọi là exopeptidase như carboxypeptidase phân giải liên kết peptide đầu C tận cùng, aminopeptidase phân giải liên kết peptide đầu N tận cùng. Một số khác chỉ cắt đứt các liên kết peptide ở giữa của chuỗi polypeptide được gọi là các endopeptidase như pepsin, tripsin, v.v... 2.5. Các phương pháp theo dõi và xác định tốc độ thuỷ phân bằng enzyme Tốc độ thuỷ phân protein của enzyme phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất, các chất kìm hãm, các chất kích hoạt, nhiệt độ và pH của môi trường phản ứng. Để xác định tốc độ thủy phân của enzyme người ta không định lượng enzyme một cách trực tiếp mà thường xác định gián tiếp thông qua hoạt độ của enzyme. Khi thực hiện phản ứng, enzyme có thể làm thay đổi các tính chất vật lý, hoá học, v.v... của hỗn hỗn hợp phản ứng. Vì vậy, theo dõi những biến đổi thông qua sự định lượng cơ chất bị mất đi hay sản phẩm của phản ứng enzyme được tạo thành có thể biết được chính xác mức độ hoạt động của enzyme. Người ta chia ra thành ba nhóm phương pháp: a) Xác định lượng sản phẩm tạo thành hay lượng cơ chất bị mất đi trong một thời gian nhất định, ứng với lượng enzyme nhất định. 25 b) Xác định thời gian cần thiết để thu nhận được một lượng biến thiên nhất định của cơ chất hay sản phẩm ứng với một lượng enzyme nhất định. c) Chọn nồng độ enzyme như thế nào để thu được sự biến thiên nhất định về cơ chất hay sản phẩm trong một thời gian nhất định. Người ta thường sử dụng một số đơn vị để tính hoạt độ như sau: - Đơn vị enzyme Quốc tế (UI -) là lượng enzyme có khả năng xúc tác làm chuyển hoá được một micromol cơ chất sau một phút ở điều kiện tiêu chuẩn. 1 UI = 1∝ mol cơ chất (10-6 mol)/phút. - Katal (Kat) là lượng enzyme có khả năng xúc tác làm chuyển hoá được một mol cơ chất sau một giây ở điều kiện tiêu chuẩn. 1 Kat = 1 mol cơ chất/giây 1 1 UI = 10-6 Kat = 16,67 nKat (nanokatal) 60 - Hoạt độ riêng của một chế phẩm enzyme là số đơn vị UI (hoặc số đợn vị Katal) ứng với 1 ml dung dịch hoặc 1mg protein của chế phẩm. Nếu chế phẩm enzyme đã tinh sạch hoạt độ có thể được biểu thị bằng số UI (hoặc Kat) trên 1mg enzyme. - Hoạt độ riêng phân tử là số phân tử cơ chất cơ chất được chuyển hoá bởi một phân tử enzyme trong một đơn vị thời gian. III. Các phương pháp phân tích amino acid 3.1. Phương pháp hoá lý Đã từ lâu việc phân tích định tính và định lượng amino acid thường là sự kết hợp của nhiều phương pháp hoá lí và sắc ký. Có thể dựa vào phổ hấp phụ các amino acid không giống nhau để phân tích. Hoặc dựa và cấu trúc của amino acid tự do sau khi chuỗi polypeptide đã bị thuỷ phân, có thể định lượng amino acid đầu N-tận cùng bằng phản ứng Sanger hoặc Edman. Cũng như vậy, có thể xác định amino acid đầu C tận cùng nhờ phản ứng khử nhóm carboxyl với tác nhân khử NaBH4, hoặc sử dụng enzyme carboxypepitdase v.v... 3.2. Sắc ký Người ta có thể dùng nhiều phương pháp sắc ký khác nhau, ở đây chỉ giới thiệu nguyên tắc của một số phương pháp thông dụng để phân tích amino acid. a) Sắc ký giấy. 26 Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào sự phân bố giữa hai pha dung môi: dung môi cố định và dung môi di động. Dung môi cố định thường là nước giữ ở giấy sắc ký (trong điều kiện bảo hoà hơi nước, giấy có thể giữ 15-22% nước tính theo trọng lượng giấy). Dung môi di động thường là một dung môi hữu cơ bảo hoà nước di chuyển trên tờ giấy theo mao dẫn kéo theo các chất trong dung dịch. Tốc độ di chuyển của từng chất không giống nhau và mỗi chất được đặc trưng bởi một trị số nhất định gọi là Rf. a Rf =b Trong đó: - a là khoảng cách chuyển dịch của chất phân tích - b là khoảng cách chuyển dịch của dung môi Có nhiều kiểu sắc ký giấy khác nhau đó là sắc ký một chiều đi lên, sắc ký một chiều đi xuống, sắc ký vòng nằm ngang và sắc ký hai chiều. Loại giấy thường dùng là Whatman số 1 và Schleicher-Schull 2044 a và b, dung môi gồm các chất như 4 Butanol:1 Acetic acid: 5 Nước (dùng cho chiều thư nhất); 3 Phenol: 1 Nước (dùng cho chiều thứ hai). b) Sắc ký lớp mỏng. Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên lý thuyết của sắc ký giấy, nghĩa là cũng dựa trên sự phân bố các chất giữa hai pha: chất hấp phụ được tráng rộng trên một phiến kính tạo thành một lớp mỏng và pha di động là dung môi thích hợp. Dung môi di chuyển làm dịch chuyển các chất trong mẫu thử. Các chất hấp phụ thường dùng là silicagel, alumin oxyt, sephadex ,v.v...được kết hợp với thạch cao (gypse) để dán vào phiến kính c) Sắc ký khí. Nguyên tắc của phương pháp này là lợi dụng tính chất khó bay hơi của các amino acid nên có thể sử dụng chương trình nhiệt để chuyển chúng thành các dẫn xuất (thường là N-acetyl-amin). Cho tác dụng amino acid với cồn amylic và HBr khan, sau đó cho tác dụng hỗn hợp này với anhydrit acetic. Cột thường dùng là loại Chromosorb W (60-80 mesh) có một lớp polyetylenglycol 1% (carbowax 1564 hoặc 6000). Chương trình nhiệt giữa 125o C và 155oC, tốc độ chảy 60-240 ml/phút. 3.3. Phân tích bằng máy tự động a) Xác định trình tự (sequence) amio acid trong chuỗi polypeptide 27 Máy phân tích amino acid trong chuỗi polypeptide tự động dựa trên nguyên tắc của phương pháp Edman, nghĩa là tách tách lần lượt từng amino acid ở đầu N tận cùng và xác định lần lượt theo thứ tự từng amino acid được tách ra đó, vì vậy có thể xác định chính xác trình tự sắp xếp của các amino acid trong chuỗi. b) Xác định thành phần amio acid trong chuỗi polypeptide bằng máy sắc ký lỏng cao áp-HPLC (High Liquid Pressor Chromatography ) Trước hết protein hay peptide phải được thuỷ phân băng HCl 6 N ở 1100C trong ống hàn kín chứa nitrogen (để tránh sự oxy hoá phá huỷ amino acid) trong thời gian 12-15 giờ. Sau đó trung hoà hỗn hợp dịch thuỷ phân amino acid và cho vào máy phân tích tự động HPLC thành phần amino acid cùng với mẫu chuẩn amino acid. Máy tự động sẽ cho biết hàm lượng (tỷ lệ %) của từng amino acid dựa theo các đỉnh (peak) của amino acid chuẩn. cần nhớ mấy HPLC chỉ cho biết thành phần (composition) của từng amion acid chư không cho biết trình tự các amino acid 3.4. Điện di Dựa vào tính chất tích điện của các amino acid trong môi trường có pH nhất định, mà có thể phân tích amino acid bằng kỹ thuật điện di. Dưới tác dụng của điện trường các amino acid tích điện dương (+) sẽ chạy về phía cực (-), các amino acid tích điện âm sẽ chay về cực (+). Do khả năng tích điện không giống nhau giữa các amino acid vì vậy chúng di chuyển không giống nhau trong điện trường. Kết qủa các amino acid phân bố trãi ra trên giá thể (giấy hoạc tấm polyamide). 3.5. Phân tích bằng quang phổ khối Quang phổ khối (MS- mass spectrophotometer) là một công cụ phân tích với độ chính xác cao. Nguyên tắc của phương pháp này là: Dùng một chùm electron bắn vào một lượng chất thử rất nhỏ, các phân tử chất thử Kính Dung dịch mao dẫn mẫu Điện thế cao Giới hạn chân không Hình: 2.11 Sơ đồ hoạt động của quang phổ khối 28 trước hết được phá thành nhiều mảnh ion mang điện dương trong điều kiện chân không. Các mảnh ion nhờ một bộ phân phát hiện và ghi thành pic với cường độ khác nhau tương ứng với khối lượng của mỗi ion -đó là khối phổ. Có nhiều loại máy quang phổ khối với mức độ phân giải khác nhau, máy có độ phân giải cao là máy có khả năng tách được hai mảnh ion có khối lượng chỉ chênh nhau phần trăm đơn vị khối. 3.6. Phương pháp đồng vị Phương pháp đồng vị có thể sử dụng để xác định một hoặc vài amino acid trong hỗn hợp có nhiều loại amino acid khác nhau, hay một amino acid cần được xác định trong nhiều mẫu của một loạt thí nghiệm. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào hoạt tính phóng xạ của amino acid cùng một loại đã đánh dấu để xác định ví trí và số lượng của amino acid đó trong chuỗi polypeptide. Ngoài ra người ta có thể dùng phương pháp này để nghiên cứu tính đặc hiệu của các amino-acyl-tRNAsynthetase và tRNA 3.7. Phương pháp enzyme Có thể xác định amino acid bằng phương pháp enzyme dựa trên nguyên tắc mỗi một loại enzyme có khả năng phân giải đặc hiệu một loại L-amino acid nhất định. Xác định sản phẩm tạo thành sau phản ứng với enzyme tương ứng có thể biết được amino acid trong hỗn hợp. 3.8. Phương pháp vi sinh vật Một số vi khuẩn sinh trưởng trong một điều kiện thích hợp, chúng rất nhạy cảm với pH để sản xuất ra các enzyme L-amino acid decarboxylase đặc hiệu với từng loại amino acid và hoạt động của chúng giải phóng CO2 trong môi trường. Xác định nồng độ CO2 bằng áp kế Warburg để suy ra thành phần của amino acid. Phần lớn trường hợp điều kiện pH thích hợp thường nằm trong vùng acid, ví dụ: ở pH 4,5 tạo ra L-glutamate 1-carboxy-lyase;EC 4.1.1.15 xúc tác chuyển hoá L-glutamic → γ-amino butyric; ở pH 5,5 tạo ra L-tyosine carboxy-lyase EC 4.1.1.25 xúc tác chuyển hoá L-tyrosine → Tyramine v.v... TÀI LIÊU THAM KHẢO 1.Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hoá sinh học. NXB Y học 2.Phạm Thị Trân châu, Trần Thị Áng. 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục 29 4. Nguyễn Viết Tựu, 1980. Phương pháp nghiên cứu hoá học cây thuốc. nhà xuất bản Y học. TP Hồ Chí Minh. 5. Copeland R. A., 2000. Enzymes; A Practical Introduction To Structure; Mechanism & Data Analysis. Willey-VCH. A John Willey & Sons, INC., Pub. 2nd ed. 6. Daniel L.C., 2002. Introduction to proteomics. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey. 7. Fersht A.,1998, Structure and Mechanism in Protein Science, W. H. Freeman, 3rd Rev Edit. 8. Hans U. B., 1974. Methods of Enzymatic Analysis. Second English Edition Acdemic Press, Inc., New York San Francisco London, Vol., 4. 9. Hollas J. M., 2004. Modern spectroscopy. John Willey & Sons. Ltd. 4th ed. 10. Lehninger A.L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman, 2004 11. Lodish H., 2003. Molecular Cell Biology. 5th ed.W.H Freeman. 12. Walker J. M., 1996. The Protein Protocols Hand book. 2nded. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey. 30 Chương 3 Peptide - cấu trúc và chức năng I. Tính chất chung của peptide Peptide là những protein thường có cấu trúc đoạn ngắn khoảng từ hai đến vài chục amino acid nối với nhau, có khối lượng phân tử thường dưới 6.000 Dalton. Chúng có thể được tổng hợp trong tự nhiên hoặc được hình thành do thoái hoá protein. Măc dù có cấu trúc nhỏ nhưng nhiều peptide có vai trò khá quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của cơ thể. 1.1. Cấu tạo của peptide. Như đã giới thệu ở trên các amino acid là những đơn phân tử để xây dựng nên các chuỗi polypeptide. Trong các chuỗi đó các amino acid được liên kết với nhau thông qua liên kết peptide (hình 3.1). Hình 3.1 Sự tạo thành liên kết peptide Dạng cộng hoá trị ρ Dạng ion ρ+π Dạng lai (hybrid) Hình 3.2 Sự tồn tại các dạng của liên kết peptide 31 Liên kết peptide (peptide bond) có độ bền cao bởi cấu trúc của nó có 4 e/π, 2e/π thuộc về liên kết C=O còn 2e/π 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 ρ đến dạng lai (trung gian) thì bị một phần ghép đôi của liên kết π (hình 3.2). Người ta cho rằng tỷ lệ của liên kết kép này là khoảng 30% đối với liên kết C-N và 70% với liên kết giữa C và O. Như vậy ở đầu của một chuỗi peptide là amino acid có nhóm α -amino (α-NH2) tự do được gọi là đầu N-tận cùng và đầu kia có nhóm α - carboxyl (α -COOH) tự do được gọi là đầu C tận cùng. Liên kết peptide tạo nên bộ khung chính của chuỗi polypeptide, còn các gốc R tạo nên mạch bên của chuỗi (hình 3.3). Mạch chính Mạch bên Hình 3.3 Mạch bên và khung của một chuỗi polypeptide Như vậy liên kết peptide giữa C-N không giống như liên kết giữa C-N của các chất thông thường, vì vậy kéo theo một số hậu quả sau: - Các nguyên tử C O N H nằm trên một mặt phẳng và không xảy ra sự quay tự do xung quanh liên kết C-N nếu không có thêm năng lượng, trong đó H của nhóm NH luôn ở vị trí trans so với O của nhóm COOH và cấu hình trans của liên kết peptide là cấu hình ổn định. Nhóm peptide Hình: 3.4 Mô hình cấu trúc của liên kết peptide 32 - Mặt khác khả năng quay tự do giữa C và Cα giữa N và Cα (hình 3.4) là rất lớn, làm cho mạch peptide có khuynh hướng hình thành cấu trúc xoắn. - Ngoài ra liên kết peptide có tính chất ion một phần đã làm tăng tính linh động của nguyên tử N. Mặt khác liên kết đơn giữa C-N trong liên kết peptide có chiều dài (1,33 Ao) hơi ngắn hơn so với đa số các liên kết C-C, C-N ( 1,47Ao) và các liên kết khác nên đã tạo cho chuỗi peptide một cấu hình không gian có độ bền cao. 1.2. Cách gọi tên và phân loại peptide Căn cứ vào số amino acid trong peptide để gọi tên của peptide, nếu có 2 amino acid gọi là dipeptide, 3 amino acid gọi là tripeptide, 4 amino acid gọi tetrapeptide, 5 amino acid gọi là pentapeptide v.v...cách gọi tên các peptide theo gốc amino acid bằng cách tên bắt đầu từ amino acid đầu tiên lần lượt đến amino acid cuối cùng. Trừ amino acid cuối cùng còn tất cả đuôi của các amino acid đều bị thay bằng đuôi - yl. tận cùng tận cùng Hình 3.5 Cấu tạo và cách gọi tên của một pentapeptide Seryl-glycyl-tyrosyl-alnyl-leucine Người ta cũng có thể dùng ký hiệu viết tắt 3 chữ hoặc 1 chữ theo thứ tự các amino acid để biều thị thành phần và thứ tự các amino acid trong chuỗi ví dụ pentapeptide ở trên (hình 3.5), có thể viết Ser-Gly-Tyr Ala-Leu hoặc SGYAL. Thông thường người ta viết amino acid đầu N tận cùng phía bên trái và amino acid đầu C tận cùng phía bên phải và cũng có thể ghi rõ đầu nào của chuỗi peptide là đầu N-tận cùng hay đầu C- tận cùng và như vậy cũng pentapeptide ở trên có thể viết H2N-Ser hay Leu COOH. Trong trường hợp có những amino acid ở một đoạn nào trong chuỗi peptide chưa xác định được rõ người ta có thể để các amino acid đó trong ngoặc chẳng hạn Ala- Ser-Gly-(Ala,Leu, Val) Glu-Arg-... 33 1.3. Các phản ứng đặc trưng của peptide Ngoài phản ứng của nhóm NH2 và COOH đầu tận cùng, các gốc R của peptide cũng cho những phản ứng màu đặc trưng của các amino acid tự do tương ứng. Một trong những phản ứng màu đặc trưng nhất cho liên kết peptide đó là phản ứng Biure, phản ứng này không xảy ra với amino acid tự do. Trong môi trường kiềm mạnh, liên kết peptide phản ứng với CuSO4 tạo thành phức chất màu tím đỏ và có khả năng hấp thụ cực đại ở bước sóng 540 nm. Đây là phản ứng được sử dụng rộng rãi để định lượng protein. Phương pháp xác định protein theo Lowry cũng dựa trên nguyên tắc của phản ứng này bằng cách thêm thuốc thử Folin-Ciocalteau để làm tăng độ nhạy của phản ứng sau khi đã thực hiện phản ứng biure, đồng thời dựa vào các gốc Tyr, Trp nhờ thuốc thử đó để tạo phức màu xanh da trời. O- O- C =NH HN = C HN O Cu O NH C C NH HN Hình 3.6 Sự tạo phức màu tím đỏ trong phản ứng Biure II. Các phương pháp tách phân lập và xác định peptide Có một số phương pháp tách phân lập và xác định thành phần, số lượng và trình tự amino acid trong peptide. Nguyên tắc chung của các phương pháp tách phân lập và xác định peptide về cơ bản cũng như đối với protein. Tuy nhiên peptide là những đoạn ngắn của chuỗi polypeptide vì thế có thể bỏ qua giai đoạn cắt chuỗi polypeptide thành các peptide nhỏ mà có thể tách phân lập ngay bằng phương pháp điện di hay sắc ký để tách riêng từng peptide. Sau khi đã tách riêng các peptide người ta tiến hành thuỷ phân nó hoàn toàn thành các amio acid tự do. Từ đó xác định các amino acid đầu N-tận cùng và amino acid đầu C-tận cùng. Các dữ liệu thu được qua phân tích sẽ được so sánh đối chiếu và tổng hợp lại. Ví dụ, Puppy và Bodo phân tích một peptide của dịch khi thuỷ phân Cytocrom C thu được các dử kiện sau đây: - Thành phần amino acid của peptide sau khi được thuỷ phân hoàn toàn và sắc ký là 2Cys, 1 Ala, 2 Glu,1His, 1Thr, 1Val,và 1Lys. 34 - Dùng phương pháp Sanger xác định được amino acid đầu N-tận cùng là Cys và phương pháp carboxypeptidase xác định được amino acid đầu C-tận cùng là Lys. - Cấu tạo của peptide nhỏ (bằng cách thuỷ phân từng phần ban đầu và xác định các amino acid , amino acid đầu N-tận cùng và amino acid đầu C-tận cùng của mỗi peptide nhỏ): Cys- Ala Glu- Cys (Val- Glu) Cys-(Ala,Glu) Cys- His Thr (Val, Glu) Ala- Glu Glu (Cys, His) Glu- Lys Thr (Val, Glu, Lys) Tổng hợp các dữ kiên trên, họ đã xác định được trình tự các amino acid của peptide nghiên cứu là: H2N-Cys-Ala-Glu-Cys-His-Thr-Val-Glu-Lys-COOH. Đây là nguyên tắc chung để xác định một trình tự trong peptide. Tuy nhiên đối với những peptide dài việc xác định rất phức tạp. III. Sự tồn tại tự nhiên và vai trò chức năng của peptide 3.1. Khái niệm chung Trong tự nhiên tồn tại nhiều dạng peptide có chức năng quan trong liên quan đến hoạt động sống của cơ thể như là các hormon, các chất kháng sinh hay những chất tiền thân của tế bào vi khuẩn v.v... Bên cạnh đó cũng có những peptide chức năng chưa rõ ràng, có những peptide là sản phẩm thuỷ phân đang còn dang dở của protein. Trong phạm vi của chương trình này xin được giới thiệu một số peptide quan trọng, có nhiều ý nghĩa cho hoạt động sống của sinh vật. 3.2. Glutathion và các chất tương tự Glutation là một tripeptide γ-glutamyl-cysteyl-glycine với công thức cấu tạo như sau: NH2 CH2 SH HOOC-CH-CH2-CH2-CO-HN-CH-CO-NH-CH2-COOH Trong cấu trúc nhóm SH của cysteine là nhóm hoạt động, vì vậy người ta thường viết tắt chữ glutation là G-SH. Trong môi trường hoạt động glutation có thể nhường hydrogengen (H) để thành dạng oxy hoá và ngược lại có thể nhận H để thành dạng khử: Nhờ phản ứng trên, glutathion đóng vai trò của một hệ thống oxy hoá khử (vận chuyển hydrogen). Glutathion là một trong những peptide 35 nội bào phổ biến nhất, nó phân bố nhiều trong các mô và các cơ quan như: gan, thận, lách, tim, phổi, hồng cầu v.v... G - SH -2H G-S G - SH +2H G-S Dạng khử Dạng oxyhóa 3.3. Các hormon có bản chất peptide và protein 3.3.1. Adrenocorticotropic hormone (corticotropin, ACTH). ACTH hay còn gọi là kích tố vỏ thượng thận kích thích sự tổng hợp steroid, adrenocortic ở vỏ thượng thận. Là hormon polypeptide, cấu trúc phân tử bao gồm 39 amino acid, có khối lượng phân tử khoảng 4.500. Nghiên cứu cấu trúc và chức năng thấy rằng, các đoạn trinh tự amino acid trong chuỗi peptide đó có những chức năng hoạt động sinh học khác nhau: - Đoạn 24 amino acid đầu tiên là phần hoạt động sinh học trong đó 13 amino acid đầu tiên tương ứng với chuỗi α-MSH (melanin stimulating hormone- kích hắc tố) và 5 amino acid từ 6-10 có hoạt động của MSH, 16 amino acid đầu tiên của ACTH đủ để mang tính chất hoạt động tạo ra steroid. - Đoạn trong chuỗi từ amino acid số 25 đến 39 có sự thany đổi tuỳ theo loài động vật. Trong cơ thể ACTH kích thích chủ yếu tế bào vỏ thượng thận bài tiết ra hormoon chuyển hoá đường(corticosteron,cortisol), ACTH xúc tác phản ứng hydrogenxyl hoá và đặc biệt là phản ứng cắt chuỗi ngang của cholesterol (tổng hợp steroid), phản ứng 11 β-hydrogenxyl hoá. 3.3.2. Các hormon kích thích bài tiêt melanin (MSH). MSH được bài tiết ở thuỳ giữa tuyến yên. Người ta chia MSH thành hai loại: α - MSH gồm 13 amino acid, giống với 13 amino acid đầu của ACTH nên có tác dụng yếu của ACTH và β- MSH. Hiện nay người ta đã tổng hợp được MSH hoàn toàn. Sự điều hoà tổng hợp MSH được thực hiện bởi hai yếu tố: một yếu tố ức chế giải phóng MSH là MIF (melanocyte release inhibiting factor) có cấu tạo là một trpeptide gồm pro-leu-gly-NH2; một yếu tố kích thích giải phong MSH là MRH (melnocyte release stimulating hormone), cấu tạo là một peptide gồm 5 amino acid. 36 MSH gây tăng sắc tố ở lợn, nhưng MSH không tồn tại như một số hormon riêng biệt ở người. Hiện tượng sạm da của những con bệnh nghiện (addision) có thể do chủ yếu là sự tăng tiết của MSH. 3.3.3. Oxytocin, Vasopressin Vasotocin. Oxytocin là hormon “thúc đẻ”, gây co dạ con, đó là một peptide có 9 amino acid. Ở động vật có vú, oxytocin chỉ khác ở sự thay đổi của 2 amino acid như sau: amino acid ở vị trí thứ ba là isoleucine và amino acid vị trí thứ tám là leucine (Bảng 3.1). Vasopressin của loài ếch nhái có cấu trúc trung gian giữa vasopresin và oxytocin của động vật có vú (amino acid thứ ba là isoleucin và amino acid thứ tám là arginin). Vasopressin là hormon gây co mạch, đó là một peptide có cấu trúc gồm 9 amino acid. Phần lớn ở động vật có vú amino acid thứ 8 của vasopressin là lysine(lys-Vasopressin), trừ ở lợn và hà mã, amino acid thứ 8 là lysine (lys-vasopressin). Bảng 3.1 So sánh cấu trúc hoá học giữa oxytocin và vasopressin của một số loài động vật Va- so pres sin Lysin Vaso pressin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Lys-Gly-NH2 Lợn, Hà mã Argi nin vasop ressin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 Phần lớn động vật có vú Vaso tocin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 Động vật có xương sống, không có vú Oxy tocin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH2 ( chỉ khác vasopressin ở chuỗi bên amino acid thứ ba và thứ tám) Động vật có xương sống, có vú, chim 37 Ở động vật có vú amino acid thứ 3 là isoleucine; vasopressin có tên là la arginin-vassotocin. Oxytocin có tác dụng trên cơ trơn của tử cung và tuyến vú, gây co khi tử cung sinh con và kích thích sự tiết sữa khi cho con bú. Vasopressin có tác dụng chống lợi niệu, tăng cường tái hấp thu nước ở thận, đồng thời làm co mạch, do đó có tác dụng tăng huyết áp. 3.3.4. Các hormon sinh trưởng (HGH). Hormon sinh trưởng của người (human growth hormone) còn có tên gọi STH (somatotropin hormone) là một chuỗi polypeptide bao gồm 191 amino acidcó khối lượng phân tử 21 kDa (L. Stryer, 1998) . Trong cấu trúc có hai cầu disulfua được tạo thành giữa amino acid 53-165 và giữa amino acid 182-189 (hình 21). Hoạt động sinh học của HGH là ở chuỗi gồm 134 amino acid. HGH có cấu tạo rất giống với hormon lactogen của rau thai (85% amino acid giống nhau) và gần giống prolactin của người (32% amino acid giống nhau) . Hormon sinh trưởng có tác dụng sự tăng trưởng nói chung, kích thích sự tạo sụn hơn là tạo xương, nó cũng là một hormon chuyển hoá. Hormon 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 hormon gây tăng đường huyết, sinh đái tháo đường ( kích thích sự bài tiết glucagon), đồng thời kích thích sự thoái hoá 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 xẩy ra trước tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người lùn, sự dư thừa HGH nếu xẩy ra trước tuổi dậy thì sẽ xẩy đến chứng người khổng lồ, nếu xẩy ra sau tuổi dậy thì sẽ dẫn đến chứng người bị to dị thường (phát triển chiều dày của đầu, xương và mặt). 3.3.5. Prolactin (PRL- kích nhủ tố) Prolactin hoặc LTH (luteotropic hormon), là một polypeptide có khối lượng phân tử 23.000. Ở người có cấu trúc 198 amino acid. Ở các loài động vật số lượng amino acid trong chuỗi giống nhau khoảng 70%. Cấu trúc bậc 1 và hoạt động của PRL có tính chất tương tự HGH và cả hormon tạo sữa nguồn gốc rau thai. Prolactin được bài tiết liên tục khi có thai, chúng kích thích thể vàng bài tiết ra progesteron trước khi progesteron được bài tiết bởi nhau thai. PRL chuẩn bị cho tuyến vú bài tiết sữa. Sau khi đẻ, khi tử cung đã “rỗng” PRL đảm bảo cho sự bài tiết sữa. 3.3.6. Hormon tiết (thyrotropin-TRH). 38 TRH là viết tắt của hormon giải phóng thyrotropin (tảiotropin releasing hormone). Cấu trúc hoá học của TRH dã được Schally và Guilemin xác định (năm 1969 và đạt giải thưởng Nobel 1977) là một peptid ngắn chỉ 3 amino acid là pyroglutamyl-histidyl-proline-NH2. TRH có chức năng tham gia vào quá trình tổng hợp và bài tiết TSH (kích giáp trạng tố). TRH có chức năng vừa như một hormon giải phóng, vừa như một hormon kích thích. 3.3.7. Insulin. Từ 1953, Sanger (giải thưởng Nobel 1958) 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 disulfua. Trong chuỗi A cung hình thành 1 cầu disulfua 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 (hình3.7). Người ta cũng đã xác định được cấu trúc ba chiều của insulin và thấy rằng cấu trúc phân tử insulin được giử vững bởi nhiều liên kết muối, liên kết hydro và liên kết cầu disulfua giữa chuỗi A và chuỗi B. Insulin có tác dụng rõ nhất trong tất cả các hormon của tuyến tuỵ, đặc biệt đối với quá Hình 3.7 Các amino acid của chuỗi A và B ở insulin bò 39 trình chuyển hoá glucid, nó có tác dụng hạ đường huyết. Insulin còn kích thích quá trình tổng hợp và ức chế quá trình thoái hoá glycogen ở cơ, gan và mô mỡ. Đặc biệt insulin tăng cường tổng glucose 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 monose, amino acid trong tế bào cơ và mỡ. Do vậy insulin làm giảm lượng glucose trong máu. Ngoài ra insulin cũng làm giảm sự tân tạo glucose do làm giảm nồng độ enzyme như pyruvat carboxylase và fructose 1-6 diphosphatase. 3.3.8. Glucagon. Glucagon là một peptide được tiết ra bởi tế bào alpha của đảo langerhans, cấu trúc phân tử glucagon ở người gồm 29 amino acid, với khối lượng 3.500. Lúc đầu glucagon được hình thành dưới dạng tiền hormon, preproglucagon rồi đến proglucagon có 37 amino acid . Sau khi loại đi 8 amino acid trở thành glucagon. Glucagon lưu thông trong máu dưới dạng tự do (không kết hợp với protein), chúng có tác dụng làm tăng nồng độ glucose trong máu bằng cách kích thích sự phân huỷ glycogen ở gan qua trung gian của AMP vòng. Glucagon kích thích sự tân tạo glucose và ức chế sự phân huỷ glucose bằng cách ức chế pyruvate kinase và phospho fructokinase. Nó còn có tác dụng ức chế tổng hợp lipid ở gan, nhưng kích thích sự tạo thành chất cetonic. Đối với protein, glucagon có tác dụng thoái hoá. 3.3.9. Calcitonin (CT) Calcitonin được phát hiện từ năm 1962, người ta đã xác định được cấu trúc của nó là một chuỗi peptide gồm 32 amino acid có một cầu disulfua giữa amino acid thứ 1 và amino acid thứ 7 (hình 3.8). S S Cys1-Ser2-Asn3-Leu4-Ser5-Thr6-Cys7-Val8-Leu9-Ser10-Ala11-Tyr12-Met13- -Arg24-Asn23-Leu22-Asn21-Asn20-Phe19-His18-Arg17-Phe16-Ser15-Gly14- -Trp25-Gly26-Phe27-Gly28-Pro29-Glu30-Thr31-Pro32 -NH2 Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc calcitonin của lợn Calcitonin có tác dụng điều hoà calci máu. Calci huyết tương được duy trì ở nồng độ 10 mg/100 ml nhờ calcitonin (còn có cả PTH: parathormon và vitamin D). Chất đối trọng sinh lý chính của calci là phosphate. Độ hoà tan của calci phosphate rất thấp và sự tăng của một ion 40 này sẽ gây giảm một ion khác, nếu không phosphate calci sẽ kết tủa. Trong máu một nữa calci kết hợp với protein, một nữa ở dạng tự do và có hoạt động sinh học. Xương chứa trên 99% calci của cơ thể và là kho dự trử chính của calci để khi cơ thể cần đến. 3.3.10. Angiotensin. Angiotensin có cấu trúc là những peptide có 7 amino acid ( AII Angiotensin II) hoặc 8 amino acid (AIII-Angiotensin III), chúng được bài tiết bởi tế bào thận. Chúng có tác dụng kích thích lớp vỏ của tế bào thượng thận bài tiết aldosteron làm tăng lượng natri trong máu khi thể tích máu hoặc natri giảm. 3.3.11. Cholecystokinin-pancreozymin(CCK-PZ). Là một peptide có cấu trúc gồm 33 amino acid. Hoạt động sinh học của nó gắn liền chủ yếu ở C tận cùng. Cholecystokinin được bài tiết bởi niêm mạc tá tràng khi có sự tiêu hoá lipid và protein. Trong thực tế nhiều tế bào bài tiết nhiều kiểu CCK khác nhau về số lượng amino acid (có thể là 58; 32; 8 hoặc 4 amino acid). CCK được tổng hợp từ một hormon chung (pre-pro-cholecystokin) có 114 amino acid. Trong cơ thể CCK có tác dụng kích thích co bóp túi mật, kích thích tế bào nang tụy bài tiết enzyme amylase. 3.3.12. Secretin. Được phát hiện bởi Bayliss và Starling vào năm 1902. là một peptide gồm có 27 amino acid, secretin được bài tiết bởi tá tràng nhờ kích thích của pH acid. Hiện nay người ta đã tổng hợp được hoàn toàn phân tử secrectin Secretin có tác dụng kích thích bài tiết bicarbonate nhằm trung hoà acid của dạ dày (pH từ 1,5-2,5 tăng lên 7,0). Ngoài ra secretin còn có nhiều tác dụng khác như kích thích tiết mật và bài tiết pepsin. 3.3.13. Gastrin. Gastrin được bài tiết bởi tế bào vùng hang vị của niêm mạc dạ dày. Gastrin có cấu trúc là một peptide bao gồm 17 amino acid, được bài tiết từ một hormon có 34 amino acid. Gastrin tổng hợp nhân tạo chỉ gồm 4 amino acid cuối cùng (từ 14 đến 17) có hoạt động đầy đủ của gastrin và được ứng dụng rộng rãi trong lâm sàng (phương pháp gastrin). Gastrin có tác dụng kích thích tế bào thành của tuyến dạ dày bài tiết HCl và tế bào chính bài tiết pepsinogen. Ngoài ra gastrin còn kích thích sự vận động của dạ dày, ruột, làm giãn cơ vòng của môn vị. 3.4. Các peptide kháng sinh 41 Đó là những peptide do vi vi khuẩn hoặc nấm sản sinh ra. Nhiều peptide kháng sinh là peptide vòng chứa các amino acid dạng D và L. 3.4.1. Penicillin. Penicillin được chiết ra từ dịch nuôi cấy nấm Penicillium chrysogenum . Penicillin gồm nhiều loại, chúng có cấu tạo gần giống nhau, bao gồm một vòng tiasolidin, một vòng β-lactam, một nhóm amino có gắn với CO2 và một mạch bên (R), hình 3.9. mạch bên vòng thiazolidine vòng β-lactam Hình 3.9 Cấu tạo chung của phân tử penicillin Ngày nay, người ta biết được nhiều loại penicillin chúng chỉ khác nhau bởi mạch bên.Ví dụ: - mạch bên của penicillin F là CH3-CH2-CH=CH2- - mạch bên của penicillin K là CH3-(CH2)3-CH2- - mạch bên của penicillin O là CH2=CH-CH2-S-CH2- - mạch bên của penicillin G là -CH2- - mạch bên của penicillin G là HO- -CH2- - mạch bên của penicillin V là -O-CH2- Penicillin lần đầu tiên phát hiện có tác dụng chống vi khuẩn gram dương Staphylococcus, Diplococcus...nhưng hầu như không có tác dụng chống vi khuẩn gram âm và nấm men. Vài thập niên trở lại đây đã phát hiện ra nhiều loại penicillin mới trong đó một số có hiệu quả chông lại vi 42 khuẩn gram âm và nấm men, ví dụ: ở nồng độ cao (10 mg/ml) pencillin có khả năng chống các nòi nấm men Saccharomyces cerevisae đơn bội và E. coli. 3.4.2. Gramicidin. Gramicidin được phát hiện từ năm 1942 và bao gồm hai loại là gramicidin S có 5 amino acid và gramicidin J có 24 amino acid, chúng đều là những peptide có cấu trúc vòng. Với nồng độ vài mg/ml gramicidin có tác dụng chống được Diplococcus pneumoniae, Streptococcus hemolyticus, Meningococcus, Staphylococcus aureus và Neiseria. Các chất gramicidin được dùng để điều trị các bệnh nhiễm trùng do tụ cầu, liên cầu quầng, nhiễm trùng máu hậu sản, viêm họng, viêm màng não v.v... 3.4.3.Tyrocidin. Tyrocidin được phát hiện vào năm 1939 bởi Dubos khi lên men vi khuẩn B. brevis. Tyrocidin kết hợp với gramicidin tạo thành tyrothricin. Khi thuỷ phân tyrocidin trong môi trường acid thấy có các amino acid của dang L như sau: ornitine, valine, leucine, proline, tyrosine, phenylalanine, tryptophan, glutamic, asparaginic. Trocydin lai tiếp tục phân huỷ thành các tyrocidin A, B và C. Cũng giống như gramicidin ở nồng độ vài mg/ml tyrocidin đều có tác dụng chống các loại vi khẩn như Diplococcus pneumoniae, Streptococcus hemolyticus, Meningococcus, Staphylococcus aureus và Neiseria. 3.4.4. Bacitracin. Bacitracin được Johnson và cộng sự phát hiện từ năm 1945 từ dịch chiết của vi khuẩn Baccillus licheniformi (thuộc nhóm B. subtilis). Bacitracin bao gồm 10 loại khác nhau là : bacitracin A, A1, B, C, D, E, F1, F2, F3 và G. Trong đó bacitracin A chiếm nhiều nhất (37%). Bacitracin A cấu trúc là một peptide nhỏ chỉ gồm khoảng 10 amino acid sau: L-leucine, L-lysine, -L-isoleucine, L-cysteine, L-asparaginic, glutamic, D-asparaginic D-phenylalanin, D-ornitin. Bacitracin tuy không có hoạt tính chống vi khuẩn gram âm, nhưng lại có hoạt tính mạnh mẽ chống vi khuẩn gram dương, 1đơn vị /ml có thể chống được S. pyogenes, S. hemolyticus, S. albus, Clostridium welchii, ...Bacitracin được dùng nhiều trong chăn nuôi và công nghiệp thực phẩm. 3.4.5. Polymycin. Polymycin được phát hiện cùng một lúc vào năm 1947 bởi ba nhóm nhà khoa học của Mỹ và Anh từ dịch chiết của vi khuẩn Bac. 43 Polymixa. Polymycin là một hỗn hợp bao gồm các chất gần giống nhau gọi là polymycin A, B, C, E và M. Chúng đều là những peptide có tính chất kiềm, dễ tạo thành muối với acid hữu cơ và vô cơ. Polymycin có hoạt tính mạnh mẽ chống vi khuẩn gram dương và âm, đặc biệt có khả năng chống các vi khuẩn mủ xanh (Ps.aeruginosa) đã kháng lại các chất kháng sinh khác. 3.5. Các peptide có ý nghĩa sinh lý tế bào Các peptide có ý nghĩa sinh lý tế bào thường chủ yếu là các peptide hormon đã được giới thiệu ở trên. Trong phần này chỉ mang tính chất nêu lên những tính chất cơ bản trong hoạt động sinh lý ở tế bào. Đó là những peptide có từ 3 đến khoảng 200 amino acid. Nó gồm nhưng hormon của các tuyến vùng dưới đồi, tuyến yên, tuyến tuỵ, v.v...Sự tổng hợp hormon peptide xẩy ra ở lưới nội chất nguyên sinh dưới dạng một chuỗi polypeptide dài hơn, đó là một tiền hormon (pro-hormon) chẳng hạn như pro-insulin đối với insulin, proglucagon đối vơi glucagon...Những hormon peptide lưu thông trong máu dưới dạng tự do, có nữa đời sống ngắn (thường dưới 60 phút), thời gian đáp ứng ngắn (vài giây cho tác dụng tăng đường huyết của glucagon hoặc chống lợi niệu của vasopressin). Các hormon peptide không vào trong tế bào “đích” mà tác dụng trên bề mặt của thụ thể (receptor) đặc hiệu ở màng tế bào. 3.6. Các peptide có chức năng bảo vệ Trong cơ thể động, thực vật có những peptide làm nhiệm vụ bảo vệ cho cơ thể. Loại peptide đầu tiên phải kể đến ở động vật có xương sống đó là các peptide kháng thể trong máu. Chúng là những yếu tố nhận biết đắc lực các tác nhân vi khuẩn, virus và các vật lạ xâm nhập vào cơ thể và để loại trừ chúng ra khỏi cơ thể. Ngoài ra trong máu của động vật trên còn có các interferon với một nồng độ nhỏ có khả năng chống lại sự xâm nhiễm của virus. Trong máu của động vật còn có các peptide chống chảy máu như fibrin v.v...ở thực vật có nhiều loại tạo ra những peptide độc tố, chi với một liều lượng nhỏ cũng đã có khả năng giết chết người và động vật. Ngoài ra trong cơ thể động vật, thực vật và các sinh vật khác nói chung đều tồn tại một hợp chất có bản chất peptide là nhiệm vụ bảo vệ đó là lectin. Vì có khả năng liên kết đường một cách đặc hiệu và chọn lọc, nên lectin có thể kết tủa các tác nhân hay tế bào lạ có cấu trúc đường xâm nhập vào cơ thể để bảo vệ cơ thể. Vì thể nhiều người còn cho lectin là kháng thể thực vật (xem chương 1). 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hoá sinh học. NXB Y học 2.Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo 3. Nguyễn Lân Dũng, Phạm Văn Ty, Nguyễn Đình Quyến. 1999. Vi sinh vật học. NXB Giáo dục. 4. Lê Đức Trình. 1998. Hormon. NXB Y học. Hà nội 5. Nguyễn Viết Tựu,1980. Phương pháp nghiên cứu hoá học cây thuốc. nhà xuất bản Y học TP Hồ Chí Minh. 6.Copeland R. A., 2000. Enzymes; A Practical Introduction To Structure; Mechanism & Data Analysis. Willey-VCH. A John Willey & Sons, INC., Pub. 2nd ed. 7. Daniel C. L., 2002. Introduction to proteomics. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey. 8. Dennison C., 2002. A Guide To Protein Isolation. Kluwer Academic Publishers. New York, Boston, Dordrecht, Lodon, Moscow. 9. Hans U. B. 1974. Methods of Enzymatic Analysis.Second English Edition Acdemic Press, Inc., New York San Francisco London, Vol., 4. 10. Lehninger A.L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman. 11. Lodish H ., 2003. Molecular Cell Biology. 5th ed, W.H Freeman. 45 Chương 4 Cấu trúc và tính chất lý-hoá của protein I. Các quan điểm khác nhau về nghiên cứu cấu trúc protein Như đã biết, protein là những phần chức năng của cơ thể, sự hình thành chức năng mới dựa trên cơ sở thành phần cấu trúc của protein, hay nói cách khác giữa chức năng và thành phần cấu trúc trong protein có liên hệ mật thiết với nhau. Từ đó sự nghiên cứu cấu trúc protein có thể dựa trên các quan điểm: nghiên cứu thành phần cấu trúc hoặc dựa vào chức năng sinh học để tìm hiểu cấu trúc của chúng. Chẳng hạn, việc nghiên cứu xác định cấu trúc bậc I của phân tử protein là bước đầu tiên quan trọng để xác định phân tử hoạt tính sinh học và tính chất hoá lý của protein, là cơ sở để xác định cấu trúc không gian của phân tử protein. Dựa vào cấu trúc không gian của các phân tử protein tương đồng, có thể dự đoán sự định vị cầu disunfua, cấu trúc không gian của protein nghiên cứu. Ngược lại sự xuất hiện một bệnh lý đặc trưng nào đó liên quan đến thay đổi chức năng của protein mà nguyên nhân chỉ là thay đổi 1gốc amino acid trong phân tử. Ví dụ: bệnh thiếu máu hồng cấu hình lưỡi liềm, khi nghiên cứu cấu trúc bậc I của hemoglobin bình thường và bệnh lý đã xác định được đó là do gốc amino acid glutamic ở vị trí thứ 6 trong chuỗi β của hemoglobin A (bình thường) bị thay thế bằng gốc amino acid valine II. Các kiểu liên kết trong cấu trúc protein 2.1. Các liên kết cộng hoá trị Trong phân tử protein ngoài các liên kết cộng hoá trị bình thường, người ta thường nhắc đến hai kiểu liên kết cộng hoá trị đặc biệt có ý nghĩa quan trọng đối với cấu trúc và chức năng của chúng đó là: - Liên kết peptide (xem chương 3). - Liên kết disunfua (-S-S-). Liên kết disunfua là liên kết đồng hoá trị tạo thành do sự kết hợp giữa hai phân tử cysteine với nhau loại đi 2H (hình 4.1). Liên kết disunfua (còn gọi là cầu disunfua) có thể hình thành giữa hai phân tử cysteine trong cùng một chuỗi polypeptide hoặc giữa hai cysteine thuộc hai chuỗi polypeptide khác nhau. Cầu disunfua có vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc bậc III của phân tử protein. Những phân tử protein càng chứa nhiều cầu disunfua thì càng chặt chẽ, vững bền. những protein không tan như protein của lông, móng, tóc, sừng rất vững bền với các tác nhân hoá học, chứa tới 12% là cysteine 46 Oxy hóaHình 4.1 Sự hình thành cầu disulfua giữa hai phân tử cysteine 2.2. Các liên kết yếu làm ổn định cấu trúc protein 2.2.1. Liên kết hydro Là tương tác yếu hình thành giữa một nguyên tử mang điện tích âm (gọi là nguyên tử nhận A-acceptor) và một nguyên tử hydro (H) đang nằm D  H + A ⇔ D  H ••• A Liên kết hydro a b c Hình 4.2 Một số liên kết hydro quan trọng trong hệ thống sống Ghi chú: a) giữa hydro của một ancohol và oxy của nước; b) giữa nhóm carbonyl keto và nước; c) giữa nhóm peptide trong polypeptide; 47 trong một nối cộng hoá trị với một nguyên tử khác (gọi là nguyên tử cho D- donnor). Nối cộng hoá trị giữa D và H phải là nối phân cực và đám mây điện tử của A phải mang những điện tử không liên kết có khả năng thu hút điện tích δ+ của H. Năng lượng cần để phá vở một liên kết hydro là khoảng 5 kcal mol-1. Một đặc điểm quan trọng của các liên kết hydrogengen là H, nguyên tử nhận A, nguyên tử cho D đều xếp trên một đường thẳng. Nguyên tử N trong liên kết N-H cũng như O trong liên kết O-H đều là những nguyên tử cho chính. Trong hệ thống sống đó là các nhóm amine (-NH2) và hydroxyl (-OH), sự hiện diện của các nhóm này khiến cho các phân tử có mang chúng dể hoà tan trong nước do có sự hình thành các liên kết hydrogengen giữa chúng. Đặc biệt, các phân tử nước H2O - nhân tố chủ yếu của vật chất sống luôn luôn hình thành một mạng lưới đều đặn những hình tứ diện dù ở thể lỏng hay thể rắn. Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc mạng lưới hình thành bởi các phân tử H2O - Nguyên tử oxy biểu thị bằng các vòng tròn lớn - Nguyên tử hydro được biểu thị bằng các vòng tròn nhỏ 2.2.2. Liên kết ion Là tương tác tĩnh điện giữa hai nhóm có điện tích ngược dấu. Trong nhiều trường hợp chất vô cơ, điện tử liên kết luôn luôn bị hút về 48 phía nguyên tử có độ âm điện cao hơn gây ra sự phân li cation (nguyên tử tích điện tích âm) và anion (nguyên tử tích điện dương), ví dụ: NaCl → Na+ + Cl Vì điện tử liên kết không dược phân chia đồng đều cho hai nguyên tử nên liên kết này không được xếp vào loại các liên kết công hoá trị. Khác với các liên kết cộng hoá trị hay liên kết hydro, các liên kết ion không có định hướng trong không gian vì điện trường là không đồng đều quanh ion. Trong môi trường nước, các anion và cation luôn luôn được vây bọc bởi các phân tử H2O tạo thành một lớp vỏ bọc ngoài nên không thể liên kết trực tiếp với các anion và cation khác. Do đó, người ta cho rằng tương tác tĩnh điện này không đóng vai trò quan trong quyết định cấu hình không gian của các phân tử hữu cơ. 2.2.3. Liên kết Van der Waals Là các tương tác không đặc hiệu xuất hiện giữa hai nguyên tử khi chúng tiến lại gần nhau. Tương tác này không do sự phân phối lệch của các điện tử giữa hai phân tử mà do các biến động thoáng qua của đám mây điện tử gây ra sự phân cức nhất thời trên phân tử. Liên kết Van der Waals là kết quả của lực hút và lức đẩy. Hai lực này cân bằng ở một khoảng cách nhất định, đặc trưng cho từng loại nguyên tử. Khoảng cách này được gọi là bán kính Van der Waals. Đây là lực liên kết yếu nhất, với giá trị chỉ khoang 1 k cal mol-1. Để liên kết này thật sự có ý nghĩa, nó phải tồn tại một số lượng lớn, nghĩa là bề mặt tiếp xúc giữa hai phân tử phải cực đại. Điển hình là khi một phân tử có mang một hốc có hình dáng phù hợp với chổ lồi trên phân tử kia như trường hợp tương tác giữa kháng nguyên - kháng thể, giữa enzyme - cơ chất. 2.2..4. Liên kết kị nước (tương tác kị nước) Các phân tử không phân cực, tức là các phân tử không chứa nhóm ion hoá lẫn liên kết phân cực, đều không hoà tan trong nước, chúng là những phân tử kị nước. Lực thúc đẩy các phân tử hay các vùng không phân cực của các phân tử liên kết với nhau thay vì với các phân tử H2O (đẩy phân tử H2O ra ngoài) được gọi là liên kết kị nước. Đây không phải là một lực liên kết đúng nghĩa mà là khuynh hướng loại trừ các nhóm không phân cực ra khỏi mạng lưới nước. Còn liên kết thật sự tồn tại giữa các phân tử không phân cực là liên kết Van der Waals. Các tương tác kị nước đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các protein, các phức protein với các phân tử khác cũng như sự phân bố các protein trong các màng sinh học. 49 III. Hình dạng kích thước và cấu trúc của phân tử protein 3.1. Hình dạng kích thước Protein có khối lượng phân tử (Mr) tương đối lớn và thay đổi trong một dãi rộng từ hơn 10 nghìn đến hàng trăm nghìn dalton (bảng 4.1). Các phân tử protein có thể có dạng cầu (kể cả hình bầu dục) hoặc dạng sợi. Thuộc về dạng cầu hầu hết là những protein có hoạt tính xúc tác hoặc vận chuyển như enzyme, hemoglobin, globulin...tỷ lệ giữa trục dài và trục ngắn của phân tử bé hơn hoặc bằng 20. Ở các protein hình sợi tỷ lệ này lớn hơn nhiều ví dụ tropocolagen (đơn vị cấu trúc cơ sở của colagen) có chiều dài khoảng 3000 AO, đường kính khoảng 15AO. Các protein hình sợi tương đối trơ về mặt hoá học, chủ yếu giữ chức năng cấu trúc chống đỡ cơ học ví dụ: colagen của da, xương, sụn, gân, răng; keratin của tóc, lông; fibroin của tơ; myosine của cơ v.v... 3.2. Cấu trúc bậc nhất (cấu trúc sơ cấp) Cấu trúc bậc I biểu thị thành phần và trình tự các amino acid trong phân tử protein, cấu trúc này được giữ vững bằng liên kết peptide-liên kết cộng hoá trị (xem chương 3). Cấu trúc bậc I là bản dịch của mã di truyền, việc xác định cấu trúc bậc I là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng các biện pháp công nghệ sinh học. Ví dụ: năm 1953, lần đầu tiên Frederick Sanger (người Anh) đã xác định trình tự sắp xếp các amino acid trong phân tử insulin và đến năm 1966 protein này lần đầu tiên đã được tổng hợp bằng phương pháp hoá học. Ngày nay người ta đã có thể dùng vi khuẩn Escherichia coli để tổng hợp insulin (sẽ trình bày kỹ hơn ở chương 6). 3.2.1. Cấu trúc bậc I của một số protein đã biết Bằng các phương pháp xác trình tự amino acid của protein, ngoài một số loại protein đã biết rõ cấu trúc bậc I như insulin đã được trình bày ở chương 3, hiện nay nhiều loại protein khác đã biết được trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide như: ribonuclease là một protein có 124 amino acid, nối với nhau thành một chuỗi (hình 4.4); hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide, 2 chuỗi α ( mỗi chuỗi 141 amino acid) và 2 chuỗi β (mỗi chuỗi 146 amino acid); tripsinogen bò (229 amino acid); chimotrypsin bò (229 amino acid); alcohol dedhyrogenase ngựa (374 amino acid); glutamate dehdrogenase bò (500 amino acid) v.v.. 3.1.2. Tính quy luật trong cấu trúc bậc nhất của protein Những protein đồng thể của những loài khác nhau có một số gốc amino acid tương đối không đổi ở những vị trí đặc biệt và có những gốc amino acid thay đổi, nghĩa là ở những loài khác nhau, các amino acid khác 50 có thể thay thế cho nhau. Thí dụ insulin của nhiều loài khác nhau có những amino acid khác nhau ở vị trí 8, 9, 10 (bảng 4.1), tương tự như đối với oxytocin, vasopressin, vasotocin ở một số loài động vật khác. Hình 4.4 Cấu trúc bậc nhất của ribonuclesae của bò Bảng 4.1 Sự thay thế amino acid trong chuỗi A của insulin ở một số loài Loài Vị trí của amino acid 8 9 10 Bò Ala Ser Val Lợn Thr Ser Ile Cừu Ala Gly Val Ngựa Thr Gly Ile Cá nhà táng Thr Ser Ile Người Thr Ser Ile Chó Thr Ser Ile Thỏ Thr Ser Ile 3.3 Cấu trúc bậc II (cấu trúc thứ cấp) Biểu thị của cấu trúc bậc II là sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptide tạo thành hai dạng xoắn α và xắn β. Nói cách khác, là dạng không gian cục bộ của từng phần trong mạch polypeptide. Cấu trúc này 51 được làm bền nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa liên kết peptide ở kề gần nhau, cách nhau những khoảng xác định. Xoắn α Liên kết hydro Phiến gấp β Hình 4.5 Các kiểu xoắn trong cấu trúc bậc II của protein 3.3.1. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bậc II Hiện nay người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau để phân tích cấu trúc bậc II của phân tử protein như phổ hồng ngoại, phổ tử ngoại- khả kiến, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, trao đổi hydro nặng, đo độ chiết quang v.v..., cơ sở của một số phương pháp thường hay được dùng để phân tích cấu trúc bậc II của protein dựạ trên những nguyên tắc riêng sau: - Phổ hồng ngoại: phổ hấp thụ hồng ngoại chính là phổ dao động quay, vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay đều bị kích thích. Phổ quay của phân tử không những là phương pháp quý để nhận dạng các chất mà còn cho phép xác định chính xác khoảng cách giữa các hạt nhân nguyên tử và góc giữa các kiên kết. - Phổ tử ngoại- khả kiến: Khi phân tử hấp thụ bức xạ tử ngoại hoặc khả kiến thì những eletron hoá trị của nó bị kích thích và chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Vì thế phổ thu được gọi là phổ tử ngoại khả kiến (Ultraviolet and Visible Spectra, viết tắt là UV-Vis) và cũng được gọi là phổ hấp thụ eletron. Mỗi trạng thái eletron ứng với một đường cong thế năng và do đó ứng với một giá trị xác định của tần số dao động riêng của phân tử. 52 - Phổ cộng hưởng từ hạt nhân: Dựa trên nguyên lí sử dụng các nơtron và các proton trong hạt nhân nguyên tử, số lượng spin của proton và nơtron đều bằng nhau và bằng 1/2. Tuỳ thuộc vào việc các spin của những hạt nucleon đó có cặp đôi hay không mà hạt nhân của nguyên tử có thể được đặc trưng bởi một số lượng tử spin hạt nhân (I) bằng không hay khác không. Nếu ở hạt nhân có một spin không cặp đôi thì I= 1/2, nếu có nhiều spin không cặp đôi thì I ≥ 1. Nếu chiếu vào mẫu dung dịch protein sóng vô tuyến có tần số xác định, thì các hạt nhân ở mức năng lượng thấp sẽ hấp thụ năng năng lượng của sóng vô tuyến để chuyển lên mức cao. Người ta nói lúc đó đã xẩy ra cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance, viết tắt là NMR). Từ đó người ta đã thiết kế máy phổ cộng hưởng từ hạt nhân bao gồm ống chứa dung dịch mẫu được đặt giữa từ trường của một nam châm mạnh. Một máy phát cung cấp sóng radio. Một máy thu sóng radio theo dõi sự hấp thụ năng lượng thông qua cuộn cảm bao quanh mẫu, tín hiệu cộng hưởng từ được khuyếch đại, phân tích và truyền sang bút tự ghi để vẽ phổ. Máy cộng hưởng từ hạt nhân được phát hiện từ năm 1946, ứng dụng vào hoá hữu cơ năm 1953, ngày nay càng được phát triển và hoàn thiện. Nó là công cụ đắc lực cho các nhà hoá học trong việc xác định cấu trúc phân tử protein. - Trao đổi hydro nặng: Dựa trên nguyên tắc các hydro nặng H2 (thường được ký hiệu là D-deuterium) và H3(thường được ký hiệu là T tritium) để thay thế cho các hydro bình thường đang nằm trong các liên kết trong cấu trúc phân tử protein. Từ đó nhờ hình ảnh phổ đặc trưng được phát ra từ các loại hydro nặng đó để xác định cấu trúc của phân tử. 3.3.2. Cấu trúc bậc II của một số protein đã biết Theo Paulin và Cori (1951) cấu trúc bậc II của protein bao gồm 2 kiểu chính là xoắn α và phiến gấp β Bảng 4. 2. Số lượng xoắn α và phiến gấp β trong chuỗi đơn một số protein số gốc (%) Protein (số gốc) Xoắn α Phiến gấp β Chymotrypsin (247) Ribonuclease (124) Carboxypeptidase (397) Cytochrom C (104) Lysozyme (129) Myoglobin (153) 14 26 38 39 40 78 45 35 17 0 12 0 53 Hai sợi xoắn Xoắn α Các tế bào Sợi nhỏ Tiền fibrin Tiền sợi nhỏ Hình 4.6 Lát cắt ngang sợi tóc với chuỗi xoắn α keratin Ở trong tóc người ta tìm thấy keratin (hình 4.6) là loại protein có hai dạng cấu trúc: dạng α bình thường và dạng β duỗi thẳng.; cấu trúc phiến gấp β tìm thấy trong fibroin của tơ. trong các protein khác nhau cũng thay đổi khá nhiều. Ví dụ trong hemoglobin và mioglobin là 75%; lisozym là 35%; ribonuclease là 17% ... - Ngoài ra còn có kiểu xoắn colagen được tìm thấy trong phân tử colagen (hình 4.7), đơn vị cấu trúc của nó là tropocolagen bao gồm 3 mạch polypeptide bện vào nhau thành một dây cáp siêu xoắn (vì mỗi mạch đơn có cấu trúc xoắn chiều cao của mỗi gốc xoắn trên trục siêu xoắn này là 2,9 anstron, một vòng xoắn là 3,3 Hình 4.7 Cấu trúc kiểu xoắn colagen Cấu trúc xoắn α hiện nay được tìm thấy trong nhiều loại protein khác nhau Mặt khác tỷ lệ % xoắn α gốc amino acid . Ba mạch polypeptide trong “dây cáp” nối với nhau bằng các liên kết hydro. 51 3.4. Cấu trúc không gian của protein 3.4.1. Định nghĩa và khái niệm về cấu trúc không gian Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã nghiên cứu cấu trúc không gian ba chiều của các phân tử protein, đó là hình dạng do sự xoắn để tạo xoắn α và phiến gấp β tạo thành cấu trúc bậc II, đó là hình dạng do sự cuộn lại của các chuỗi có cấu trúc bậc II để tạo thành cấu trúc bậc III và vị trí của sự sắp xếp các protein có cấu trúc bậc III đó trong không gian để tạo thành cấu trúc bậc IV (hình 4.8). Bậc I Bậc II Bậc III Bậc IV Hình 4.8 Sơ đồ các bậc cấu trúc của phân tử protein Trong cấu trúc không gian ngoài liên kết hydro thì liên kết cầu disulfua trong cấu trúc bậc II và đặc biệt trong cấu trúc bậc III có ý nghĩa hết sức quan trọng để giữ cấu trúc cuộn khúc của chuỗi polypeptide thành khối. Đặc trưng cho potein hình cầu, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong mạch polypeptide. Trong nhiều protein cầu có chứa các gốc Cys tạo nên liên kết disulfua giữa các gốc Cys xa nhau trong mạch polypeptide làm cho mạch bị cuộn lại. Ngoài ra cấu trúc bậc III còn được giữ vững bằng các loại liên kết khác như Van der Waals, liên kết hydro, liên kết tĩnh điện giữa các gốc amino acid v.v... Cấu trúc bậc IV chỉ đặc trưng cho những phân tử protein có cấu trúc từ hai hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau sắp xếp trong không gian tạo nên. Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị (subunit), 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 đợn vị để làm bền cấu trúc bậc IV. 52 Như vậy ta có thể định nghĩa một cách ngắn gọn cấu trúc không gian của protein là hình dạng của phân tử protein được cấu thành do sự sắp xếp trong chuỗi và giữa các chuỗi polypeptide trong không gian. 3.4.2. Xác định khối lượng phân tử của protein Để xác định khối lượng của phân tử protein người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp khuyếch tán, phương pháp phân tích rơnghen, phương pháp tán xạ ánh sáng v.v... Tuy nhiên, các phương pháp khác nhau thường cho những kết quả khác nhau. Sau đây xin giới thiệu một số phương pháp có độ tin cậy cao và thường được sử dụng để xác định khối lượng phân tử protein. - Phương pháp ly tâm siêu tốc Dựa trên sự xác định tốc độ lắng (hằng số lắng) của protein trong dung dịch chịu sự ly tâm tốc độ rất lớn (hàng trăm ngàn vòng trong 1 phút) rồi tính khối lượng phân tử (Mr) theo công thức RTS Mr = D(1- VP) Trong đó R là hằng số khí tính theo erg mol-1 độ-1, T là nhiệt độ tuyệt đối, S là hằng số lắng tính theo đơn vị Svedberg (đơn vị Svedberg được ký hiệu bằng chữ S và bằng 10-13 giây), D là hệ số khuyếch tán, V là thể tích riêng phần của protein, P là tỷ trọng của dung môi. Bảng 4.3 Mối liên quan giữa hằng số lắng (S) và khối lượng phân tử của một số protein Protein Trị số S (đơn vị Svedbrg) Khối lượng (KDa) Chất ức chế pancreatic tripsin Cytochrom C Ribonuclease A Myoglobulin Tripsin Carbonic anhydrase Concanavalin A Malate dehydrogenase Lactate dehydrogenase 1 1,83 1,78 1,97 2,5 3,23 3,8 5,76 7,54 6,520 12,310 13,690 17,800 23,200 28,800 51,260 74,900 146,200 53 - Phương pháp điện di Dựa trên nguyên tắc là khả năng di chuyển và phân bố trên giá thể (thường là gel polyacrylamide hay agarose) của từng loại protein trong điện trường. So sánh với các protein đã biết trước khối lượng (protein chuẩn) để xác định khối lượng protein mẫu cần tìm. Khối lượng (hay trọng lượng phân tử Mr) được xác định tương quan với sự di động điện di của một phân tử protein trên gel polyacrylamide chứa SDS (SDS-PAGE). Người ta lập đồ thị chuẩn theo log Mr của các protein đã biết khối lượng (marker) tỷ lệ hay tương quan đối với sự di động tương đối của các protein. Căn cứ vào đồ thị này sẽ tính được Mr của protein chưa biết khối lượng phân tử. Hình 4.9. Protein chưa biết Log Mr Sự di động tương đối Hình 4.9 Cách lập đồ thị chuẩn để tính Mr của protein - Phương pháp sắc ký lọc gel (lọc sàng phân tử) Người ta có thể dùng phương pháp sắc ký lọc gel để phân tách các protein có khối lượng phân tử và kích thước khác nhau. Gel được dùng thường là sephadex. Đó là một polysaccharide đặc biệt, hydrate hoá rất mạnh thành những hạt gồm những phân tử polysaccharide kết hợp với nhau bằng những liên kết ngang tạo nên những lỗ “rây” phân tử trong không gian với các lỗ có kích thước nhất định (liên kết ngang càng nhiều thì lỗ rây càng bé và ngược lại). Sephadex được nhồi vào cột cùng với dung dịch đệm rồi cho hỗn hợp protein chảy qua, dung dịch protein xuống cột theo trọng lực, các phân tử phân tử protein nhỏ có thể lọt vào lỗ rây nên chảy xuống cột chậm hơn các phân tử protein lớn không lọt vào lỗ rây (hình 4.10). Kết quả là hứng được riêng từng loại protein sau những thời gian nhất định. Xác định khối lượng protein bằng cách dùng phương pháp ngoại suy với một số protein mẫu đã biết khối lượng phân tử. 54 Hình 4.10 Sơ đồ minh hoạ sắc ký lọc gel A-Hỗn hợp gồm cả phân tử lớn và nhỏ B- Các phân tử nhỏ chui vào sâu trong lỗ gel C- Các phân tử lớn đang được rút ra ngoài còn các phân tử nhỏ tạm thời được giữ lại 3.4.3. Cấu trúc không gian một số protein đã biết Nhờ sự phát triển ngày càng tiến bộ, ngày nay người ta đã biết cấu trúc bậc I cũng như không gian của nhiều loại protein có vai trò quan trọng trong cơ thể ( xem bảng 1.1). Ngoài cấu trúc không gian của một số protein đã giới thiệu trong phần cấu trúc bậc II ở trên, từ lâu người ta cũng đã biết cấu trúc không gian (bậc III và IV) của nhiều protein có vai trò đặc biệt quan trọng khác như: hemoglobin là protein được nhắc đến nhiều nhất, có khối lượng 64.5 kDa, được cấu trúc từ 547 amino acid nằm trong 4 chuỗi polypeptide, 2 chuỗi α và 2 chuỗi β; myoglobin chỉ gồm một chuỗi polypeptide kết hợp với nhân hem và chymotripsin là protein có khối lượng 22.6 kDa, cấu tạo từ 241 amino acid tạo thành 3 chuỗi polypeptide (hình 4.11). 3.4.4. Các điều kiện làm bền vững cấu trúc không gian Như đã biết cấu trúc không gian của phân tử protein được ổn định ngoài nhờ một số liên kết disulfua bền vững, thì phần lớn là nhờ các liên kết yếu như liên kết hydro, liên kết Van der Waals v.v...Vì vậy các điều kiện để làm ổn định cấu trúc của protein là phải tránh những tác động có 55 thể làm phá vở những liên kết đó như: tác động mạnh của cơ học, nhiệt độ, độ pH, các muối kim loại nặng v.v...(sẽ được giới thiệu kỹ hơn trong mục biến tính protein ở phần sau). Chymotripsin Myoglobin Hemoglobin Hình 4.11 Cấu trúc của không gian của một số phân tử protein 3.4.5. Tính quy luật trong cấu trúc bậc IV của protein Các protein có cấu trúc bậc IV, phân tử có thể được cấu tạo từ hai cho tới hàng trăm tiểu đơn vị. Tuy nhiên phần lớn các phân tử protein được cấu trúc từ các tiểu đơn vị đồng nhất hoặc từ các nhóm tiểu đơn vị giống nhau, vì thế phân tử protein thường được cấu tạo đối xứng. Ví dụ: cấu trúc không gian protein được xác đinh đầu tiên là hemoglobin có khối lương phân tử 64,5 Kda, gồm 4 chuỗi polypeptide, hai chuỗi α (141 amino acid mỗi chuỗi) và hai chuỗi β (146 amino acid mỗi chuỗi). Nhờ phân tích cấu trúc bằng tia X Max Peutz và John Kendrew (1959) đã phát hiện sự sắp xếp các tiểu đơn vị trong hemoglobin thành cặp đối xứng, mỗi một cặp gồm một tiểu đơn vị α và một tiểu đơn vị β . Vì 56 vậy, có thể coi hemoglobin có cấu trúc 4 tiểu đơn vị hay 2 tiểu đơn vị (mỗi tiểu đơn vị gồm cả α và β). Những protein cấu trúc từ các tiểu đơn vị đồng nhất có một hay một số nhất định kiểu đối xứng như đối xứng quay tròn hay xoắn ốc. Như vậy các tiểu đơn vị có thể xếp chồng lên nhau quanh một hoặc một số trục hay là đường xoắn ốc. Hình 4.12 Hai kiểu đối xứng vòng tròn trong cấu trúc protein Trong cấu trúc đối xứng quay tròn các tiểu đơn vị sắp xếp xung quanh một trục tạo thành dạng cấu trúc đóng, các protein có cấu trúc đối xứng đường xoắn ốc tạo thành cấu trúc dạng mở mà những tiểu đơn vị có thể xếp thêm vào theo đường xoắn ốc. Có nhiều dạng đối xứng quay tròn mà dạng đơn giản nhất là đối xứng vòng tròn, ở đó các tiểu đơn vị được sắp xếp bao quanh một trục duy nhất (hình 4.12). Ngoài ra trong sự đối xứng quay tròn có thể phân bố phức tạp hơn còn được gọi là đối xứng hai mặt, thậm chí hai mươi mặt như ở cấu trúc vỏ của một số loại vius. Trong một số ít trường hợp phân tử protein có thể gồm nhiều tiểu đơn vị không đồng nhất thì cấu trúc của chúng có thể không mang tính đối xứng và rất phức tạp. IV. Tính chất lý -hoá của protein 4.1. Tính tan của protein Các loại protein khác nhau có khả năng hoà tan dễ dàng trong một số loại dung môi nhất định, chẳng hạn như albumin dễ tan trong nước; globulin dễ tan trong muối loãng; prolamin tan trong ethanol, glutelin chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng v.v... 4.2. Tính ngậm nước của protein Trong môi trường nước, protein kết hợp với nước trương lên trở thành dạng keo hay nói cách khác protein ở trạng thái hydrate hoá, các phân tử nước bám vào các nhóm ưa nước trong phân tử protein như -NH2, -COOH..., lớp áo nước bao quanh phân tử protein là một trong các yếu tố 57 làm bền vững cấu trúc, ngăn cách các phân tử protein không cho chúng dính vào nhau để thành tủa. 4.3. Độ nhớt của dung dịch protein Khi protein hoà tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau có độ nhớt khác nhau (bảng 4.3). Người ta có thể lợi dụng tính chất này để xác định khối lượng phân tử của protein (độ nhớt càng cao thì khối lượng phân tử càng cao). Bảng 4.4 Độ nhớt của một số protein Protein Nồng độ % (trong nước) Độ nhớt tương đối (của nước =1) Gelatin Albumin trứng Gelatin Albumin trứng 3,0 3,0 8,0 8,0 4,54 1,20 14,2 1,57 4.4. Hằng số điện môi của dung dịch protein Khi thêm các dung môi hữu cơ trung tính như ethanol, aceton vào dung dịch protein trong nước thì độ tan của protein giảm tới mức kết tủa do giảm mức độ hydrate hoá của các nhóm ion hoá của protein, lớp áo mất nước, các phân tử protein kết hợp với nhau thành tủa. Như vậy, hằng số điện môi của dung môi làm ngăn cản lực tĩnh điện giữa các nhóm tích điện của protein và nước. Mối liên hệ đó được đặc trưng bởi biểu thức: L1 - l2 F = D r2 Trong đó: D - hằng số điện môi của dung dịch F- lực tĩnh điện giữa các ion tích điện L1 , l2 - điện tích các ion, r - khoảng cách giữa các ion Ở đây lực tĩnh điện giữa các ion tỷ lệ nhgịch với hằng số điện môi và khoảng cáhc giữa các ion protein. 4.5. Tính chất điện li của protein Cũng như các amino acid, protein là chất điện li lưỡng tính vì trong phân tử protein có nhiều nhóm phân cực mạnh (gốc bên R) của amino acid ví dụ: nhóm COOH thứ hai của Asp, Glu; nhóm NH2 của Lys; nhóm OH 58 của Ser, Thr, Tyr v.v...Trạng thái tích điện của các nhóm này phụ thuộc vào pH của môi trường. Ở một pH nào đó mà tổng điện tích (+) và điện tích (-) của phân tử protein bằng không, phân tử protein không di chuyển trong điện trường thì giá trị pH đó gọi là pHi (isoeletric-điểm đẳng điện) của protein. Như vậy protein chứa nhiều Asp, Glu (amino acid có tính acid mạnh) thì pHi ở trong vùng acid, ngược lại nhiều amino acid kiềm như Lys, Arg, His thì pHi ở trong vùng kiềm. Ở môi trường có pH < pHi , đa số protein là một cation, số điện tích dương lớn hơn số điện tích âm. Ở pH > pHi phân tử protein thể hiện tính acid, cho ion H+, do đó số điện tích âm lớn hơn số điện tích dương, protein là một đa anion, tích điện âm. Bảng 4.5 Giá trị pHi của một số protein Protein pHi Protein pHi Pepsin Albumin trứng Casein Albumin huyết thanh Gelatin 1,0 4,6 4,7 4,9 4,9 Globulin sữa Hemoglobin Ribonuclease Tripsin Cytochrom C Prolamin 5,2 6,8 7,8 10,5 10,6 12,0 Trong môi trường có pH = pHi , protein dễ dàng kết tụ lại với nhau vì thế người ta lợi dụng tính chất này để xác định pHi của protein cũng như để kết tủa protein. Mặt khác do sự sai khác nhau về pHi giữa các protein khác nhau, có thể điều chỉnh pH của môi trường để tách riêng các protein ra khỏi hỗn hợp của chúng. 4.6. Sự kết muối của dung dịch protein Muối trung tính có ảnh hưởng rõ tới độ hoà tan của protein hình cầu: với nồng độ thấp chúng làm hoà tan nhiều protein. Tác dụng đó không phụ thuộc vào bản chất của muối trung tính, mà phụ thuộc vào nồng độ muối và số điện tích của mỗi ion trong dung dịch, tức là phụ thuộc vào lực ion ∝ của dung dịch (∝ = 1/2 ∑ C1 Z12trong đó ∑ là ký hiệu của tổng, C1 là nồng độ của mỗi ion, Z1 là điện tích của mỗi ion). Các muối có ion hoá trị 2 (MgCl2, MgSO4...) làm tăng đáng kể độ tan của protein hơn các muối có ion hoá trị 1 (NaCl, NH4Cl, KCl...). Khi tăng đáng kể nồng độ muối trung tính thì độ tan của protein bắt đầu giảm và ở nồng độ muối rất cao, protein có thể bị tủa hoàn toàn. 59 Các protein khác nhau tủa ở những nồng độ muối trung tính khác nhau. Người ta sử dụng tính chất này để chiết xuất và tách riêng từng phần protein khỏi hỗn hợp. Đó là phương pháp diêm tích (kết tủa protein bằng muối). Thí dụ dùng muối amonium sulfate 50% bão hoà kết tủa globulin và dung dịch amonium sulfate bão hoà để kết tủa albumin từ huyết thanh. 4.7. Biểu hiện quang học của protein Cũng như nhiều chất hoá học khác, protein có khả năng hấp thụ và bức xạ xạ ánh sáng dưới dạng lượng tử hγ. Vì vậy có thể đo cường độ hấp thụ của protein trong dung dịch hay còn gọi là mật độ quang thường ký hiệu bằng chữ OD (Optical Density). Dựa trên tính chất đó người ta đã sản xuất ra các loại máy quang phổ hấp thụ để phân tích protein. Nhìn chung protein đều có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (từ 350nm 800nm) và vùng tử ngoại (từ 320nm xuống tới 180nm). Trong vùng ánh sáng khả kiến protein kết hợp với thuốc thử hấp thụ mạnh nhất ở vùng ánh sáng đỏ 750nm (định lượng protein theo Lowry). Đối với vùng tử ngoại dung dịch protein có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở hai vùng bước sóng khác nhau: 180nm-220nm và 250nm - 300nm. Ở bước sóng từ 180nm-220nm đó là vùng hấp thụ của liên kết peptide trong protein, cực đại hấp thụ ở 190nm. Do liên kết peptide có nhiều trong phân tử protein nên độ hấp thụ khá cao, cho phép định lượng tất cả các loại protein với nồng độ thấp. Tuy nhiên vùng hấp thụ này của các liên kết peptide trong protein có thể bị dịch về phía có bước sóng dài hơn khi có một số tạp chất lẫn trong dung dịch protein. Mặt khác chính các tạp chất này cũng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở vùng bước sóng ở vùng bước sóng 180nm-220nm. Vì thế trong thực tế thường đo độ hấp thụ của dung dịch protein ở bước sóng 220nm-240nm. Ở bước từ 250nm-300nm là vùng hấp thụ các amino acid thơm (Phe, Tyr, Trp) có trong phân tử protein hấp thụ cực đại ở 280nm (xem chương 2). 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 có chứa các amino acid thơm. Hàm lượng các amino acid 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 về độ hấp thụ ở bước sóng 280nm.Và được đánh giá bằng hệ số tắt, ví dụ: hệ số tắt của albumin huyết thanh bò băng 6,7 khi cho ánh sáng có bước sóng 280 nm đi qua 1 cm dung dịch có nồng độ 10 mg/ml; trong khi hệ số tắt của kháng thể IgG bằng 13,6. Ngoài ra có nhiều chất khác trong dung dịch cũng có ảnh hưởng đến độ hấp thụ protein. Vì vậy, các phương pháp đo độ hấp thụ ở 60 vùng ánh sáng tử ngoại thường được dùng để định lượng protein đã được tinh sạch hoặc để xác định protein trong các phân đoạn nhận được khi sắc ký tách các protein qua cột. 4.8. Kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch protein Khi protein bị kết tủa đơn thuần bằng dung dịch muối trung tính có nồng độ khác nhau hoặc bằng alcohol, aceton ở nhiệt độ thấp thì protein vẫn giữ nguyên được mọi tính chất của nó kể cả tính chất sinh học và có thể hoà tan trở lại gọi là kết tủa thuận nghịch. Các yếu tố kết tủa thuận nghịch được dùng để thu nhận chế phẩm protein. Trong quá trình kết tủa thuận nghịch muối trung tính vừa làm trung hoà điện vừa loại bỏ lớp vỏ hydrate hoá của protein, còn dung môi hữu cơ háo nước phá hủy lớp vỏ hydrate nhanh chóng. Trong chế phẩm protein nhận được còn lẫn các chất đã dùng để kết tủa, cần sử dụng phương pháp thích hợp để loại bỏ các chất này. Ví dụ có thể dùng phương pháp thẩm tích để loại bỏ muối. Ngược lại kết tủa không thuận nghịch là phân tử protein sau khi bị kết tủa không thể phục hồi lại trạng thái ban đầu. Sự kết tủa này thường được sử dụng để loại bỏ protein ra khỏi dung dịch, làm ngưng phản ứng của enzyme. Một trong những yếu tố gây kết tủa không thuận nghịch đơn giản nhất là đun sôi dung dịch protein (sẽ nói kỹ hơn trong phần biến tính protein ở phần sau). 4.9. Các phản ứng hoá học của protein Cũng như các amino acid và peptide protein có các phản ứng hoá học tương tự đó là: phản ứng của các nhóm -COOH, -NH2, gốc R và phản ứng tạo màu đặc trưng của liên kết peptide như phản ứng biure (xem chương 2 và 3. Ngoài ra, còn một số phản ứng màu đặc trưng khác, có ý nghĩa quan trọng trong phát hiện protein và các gốc amio acid trong chuỗi polypeptide: 4.9.1. Phản ứng với thuốc thử Folin-Ciocalteau Thuốc thử Folin-Ciocalteau có chứa acid phosphomolipdic và acid phos phovolframic. Các chất này làm tăng độ nhạy của phản ứng biure, mặt khác phản ứng với gốc Tyr và Trp trong phân tử protein. Các gốc amino acid này tham gia trong quá trình tạo phức chất màu xanh da trời. 4.9.2. Phản ứng với ninhydrin Tất cả các amino acid trong phân tử protein đều phản ứng với hợp chất ninhydrin tạo thành phức chất màu xanh tím, Phản ứng được thực hiện qua một số bước như sau: Dưới tác dụng của ninhydrin ở nhiệt độ cao, amino acid tạo thành NH3, CO2 và aldehit, mạch polypeptide ngắn đi môt carbon; đồng thời 61 ninhydrin chuyển thành diceto oxy hindrien. Diceto oxy hindrien, NH3 mới tạo thành tiếp tục phản ứng với một phân tử ninhidrin khác để tạo thành phức chất màu xanh tím (hình 4.12) Hình 4.12 Phản ứng của protein với ninhydrin Protein cũng có thể tham gia nhiều phản ứng tạo màu khác như: phản ứng xanthproteic, các gốc amino acid Tyr, Trp, Phe trong protein tác dụng với HNO3 đặc tạo thành màu vàng và sau khi thêm kiềm sẽ chuyển thành màu nâu; phản ứng Pauli; các gốc Tyr, His trong protein tác dụng với diasobenzosulfate acid tạo thành màu đỏ anh đào; phản ứng Milon gốc Tyr tác dụng với thuỷ ngân nitrate trong HNO3 đặc tạo thành kết tủa màu nâu đất v.v... V. Biến tính protein 5.1. Khái niệm chung Sau khi protein bị kết tủa, nếu loại bỏ các yếu tố gây kết tủa mà protein vẫn mất khả năng tạo thành dung dịch keo bền như trước và mất những tính chất ban đầu, chẳng hạn độ hoà tan giảm, tính chất sinh học bị mất gọi là sự biến tính protein. Vì vậy, đối với việc bảo quản protein, người ta thường để dung dịch protein ở nhiệt độ thấp thường là 0-4oC. Song ở nhiệt độ này dung dịch protein dần dần cũng bị biến tính, biến tính càng nhanh khi dung dịch protein càng loãng. Sự biến tính ở nhiệt độ thấp của dung dịch protein loãng được gọi là sự biến tính “bề mặt”: protein bị biến tính tạo nên một lớp mỏng trên bề mặt dung dịch, phần dưới lớp mỏng là những nhóm ưa nước nằm trong dung dịch, phần trên lớp mỏng là những gốc kỵ nước của amino acid kết hợp với nhau bởi lực Van der Waals. Ở dung dịch đặc các phân tử protein kết hợp với nhau chặt chẽ hơn do đó làm giảm bớt và hạn chế sự biến tính bề mặt. Để bảo quản tốt các chế phẩm protein như enzyme, hormon, γ-globulin kháng độc tố v.v...người ta tiến hành làm đông khô (làm bốc hơi nước của dung dịch 62 protein ở áp suất và nhiệt độ thấp), bột thu được có thể bảo quản được ngay cả ở nhiệt độ phòng thí nghiệm trong các ống hàn kín. 5.2. Các yếu tố gây biến tính Có nhiều yếu tố tác động gây ra sự biến tính protein như: nhiệt độ cao, tia tử ngoại, sóng siêu âm, acide, kiềm, kim loại nặng. Vì vậy, trong thực tế người ta rất chú ý ảnh hướng của các yếu tố có khả năng làm biến tính protein, ví dụ: khi chiết xuất và tinh chế protein, đặc biệt là các protein enzyme, cũng như khi xác định hoạt độ của chúng, phải chú ý đề phòng biến tính. Muốn vậy phải đảm bảo những điều kiện thích hợp nhất cho qui trình kỹ thuật, như tiến hành thí nghiệm trong lạnh và đảm bảo pH thích hợp của các dung dịch sử dụng. 5.3. Tính chất của protein biến tính Những thay đổi dễ thấy nhất ở protein biến tính là thay đổi tính tan, khả năng phản ứng hoá học và hoạt tính sinh học như: hemoglobin bị biến tính không kết hợp với oxy được, tripsin khi bị biến tính không thuỷ phân được protein, kháng thể biến tính mất khả năng kết hợp với kháng nguyên v.v... Nghiên cứu cấu trúc không gian cho thấy khi bị biến tính phân tử protein không còn cuộn chặt như trước mà thường duỗi ra hơn, kết quả là phá vỡ cấu hình không gian cần thiết để thực hiện hoạt tính sinh học. Sự biến tính không làm đứt liên kết peptide mà làm đứt các liên kết hydro, liên kết muối v.v...nối các khúc của chuỗi polypeptide hoặc các chuỗi polypeptide với nhau, vì vậy cấu trúc của nhóm kỵ nước của protein bị đảo lộn, các nhóm kỵ nước quay ra phía ngoài và các nhóm ưa nước quay vào trong, sự hydrate hoá của protein giảm (protein mất lớp áo nước) các phân tử protein dễ kết hợp với nhau, độ tan giảm và có thể kết tủa. Sự biến đổi cấu trúc khiến protein biến tính dễ được tiêu hoá hơn protein nguyên thuỷ, thí dụ tripsin không thuỷ phân ribonuclease nguyên thuỷ, nhưng phân giải rất nhanh ribonuclease biến tính. Người ta phân biệt hai dạng biến tính: biến tính thuận nghịch (biến tính trở lại dạng ban đầu với tính chất và chức năng nguyên thuỷ của nó, đó là sự hoàn nguyên) và biến tính không thuận nghịch (protein không trở lại dạng ban đầu của nó). Lòng trắng trứng luộc là một ví dụ điển hình về biến tính không thuận nghịch, còn về biến tính thuận nghịch ta có thể nêu trường hợp tripsin: đun nóng tripsin ở pH 3 tới 90oC, cấu trúc của phân tử tripsin bị biến đổi (biến tính) nhưng sau khi làm lạnh một thời gian nhất định, tripsin trở lại cấu trúc ban đầu và lại có hoạt tính enzyme. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hoá sinh học. NXB Y học 2.Phạm Thị Trân châu, Trần Thị Áng. 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục 3. Hồ Huỳnh Thuỳ Dương. 1998. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục 4. Nguyễn Hữu Đĩnh-Trần Thị Đà 1999, Ứng dụng một số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, Nhà xuất bản giáo dục 5.Copyright by The Mc Graw-Hill Companies, 2003. Harper’s Illustrated Biochemistry, Twenty-Sixth Edition, Langer Medical Publishing 6. Coreighton T. 1993. proteins, 2nd edition, W.H.Freeman and Company 7. Dennison D., 2002. A Guide To Protein Isolation. Kluwer Academic Publishers. New York, Boston, Dordrecht, Lodon, Moscow. 8. Fersht Alan,1998, Structure and Mechanism in Protein Science, W. H. Freeman, 3rd Rev Edit. 9. Lehninger A.L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman, 2004 10. Lodish H ., 2003. Molecular Cell Biology. 5th ed, W.H Freeman. 11. Walker John M. . 1996. The Protein Protocols Hand book. 2nd edition. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey. 67 Chương 5 Các phương pháp chiết rút tinh sạch và xác định protein I. Khái niệm Trong các tổ chức của cơ thể sống, protein có thể ở dưới dạng tự do trong các dịch sinh vật hoặc dưới dạng kết hợp, hoặc bị cầm trong các tế bào. Hơn nữa, trong tế bào có chứa hàng nghìn loại protein khác nhau, nếu ta cần nghiên cứu từng loại protein, trước hết phải chiết rút và tinh sạch chúng. Chính vì vậy, các kỹ thuật chiết rút, tinh sạch và nghiên cứu protein luôn ở vị trí trung tâm của các nghiên cứu hóa sinh và luôn được cập nhật và hiện đại hóa. II. Các biện pháp cần thiết để nhận protein nguyên thể Các phương pháp chiết rút và tinh sạch protein đều dựa trên những tính chất hóa lý của protein như độ tích điện, kích thước phân tử, độ hòa tan... của protein cần chiết rút. Nhiều protein còn liên kết với các phân tử sinh học khác nên việc chiết rút các protein này còn phụ thuộc vào bản chất của các liên kết. Muốn thu nhận được các protein nguyên thể tức là protein có tất cả tính chất tự nhiên đặc trưng của nó, cần sử dụng các biện pháp khác nhau. 2.1. Nhiệt độ Để tách các protein khác nhau dựa trên kết tủa của chúng, người ta có thể sử dụng phương pháp biến tính chọn lọc nhờ tác dụng của nhiệt. Một điều cần lưu ý là chỉ nên dùng đối với trường hợp các protein enzyme bền với nhiệt. Dịch protein enzyme được giữ ở 50 - 700C trong thời gian xác định, sau đó protein tạp đã bị biến tính được loại bỏ bằng cách lọc hoặc ly tâm. Như vậy, dịch chiết protein thô bền với nhiệt có thể được thu nhận bằng cách cho kết tủa không thuận nghịch phần lớn các protein tạp. Để thu nhận chế phẩm protein theo phương pháp kết tủa thuận nghịch bằng các muối trung tính, cần tiến hành ở nhiệt độ thấp, đối với dung môi hữu cơ cần tiến hành ở nhiệt độ dưới 00C tránh biến tính đặc biệt là protein enzyme. 2.2. Nồng độ proton (pH) Protein là các chất lưỡng tính, vì vậy, trong các dung dịch acid và kiềm chúng sẽ bị phân ly như sau: 68 Kiềm Protein - COOH Protein - COO- + H+ acid acid Protein - NH2 Protein - NH3+ Kiềm Do các acid amin trong chuỗi polypeptide còn tồn tại nhiều nhóm chức tự do dưới dạng các ion hóa là nguyên nhân tạo ra tính đa điện của protein. Phân tử protein rất dài nên nhóm ion tự do tận cùng của chuỗi polypeptide không đáng kể, chủ yếu các nhóm chức tự do khác của chuỗi bên (R) quyết định tính chất tích điện của phân tử protein (nhóm cacboxyl của amino acid, OH của Tyrosine, ε - NH2 của lysine, guamidin của Arginine, inidazol của histidine) Mức độ ion hóa của các nhóm này phụ thuộc vào giá trị pH. Các nhóm acid ở dạng anion trong môi trường kiềm, các nhóm kiềm tồn tại ở dạng cation trong môi trường acid. Như vậy, ở một giá trị pH xác định, mỗi phân tử protein có một điện tích tổng số nào đấy mà độ lớn của nó phụ thuộc vào số lượng các nhóm tích điện dương và tích điện âm. Kết quả là ở giá trị nồng độ ion hydro cố định, các protein khác nhau trong hỗn hợp sẽ có tổng điện tích khác nhau. Nhiều phương pháp dùng để tách các hỗn hợp protein đều dựa vào đặc tính này. Các phân tử protein mang điện tích tổng số (dương hoặc âm) cùng dấu đẩy nhau ra xa nên dễ tan vào dung dịch. Mỗi một protein có một giá trị pH nhất định mà ở đó tổng số điện tích âm và điện tích dương trong phân tử bằng không. Giá trị đó gọi là điểm đẳng điện của protein. Điểm đẳng điện của các acid amin trung tính có giá trị pH từ 5,6 - 7,0; đối với các acid amin có tính acid (dicarboxylic) là từ 3,0 - 3,2; đối với các acid amin có tính kiềm (diamino) là từ 9,7 - 10,8. Ở điểm đẳng điện, độ hòa tan của protein là thấp nhất, protein dễ bị kết tủa. Dựa vào tính chất này, người ta có thể tách từng phần các protein enzyme trong hỗn hợp. Cũng giống như trường hợp tác dụng của nhiệt độ trong việc tách chiết protein, có thể dùng phương pháp biến tính chọn lọc nhờ tác dụng của pH của môi trường. Dịch protein enzyme được giữ ở pH ≤ 5 trong thời gian xác định. Protein tạp bị biến tính cũng được loại bỏ bằng cách lọc hoặc ly tâm. Ví dụ citochrom C cũng tan trong acid trichloracetic trong khi đó acid này làm kết tủa phần lớn protein. Như vậy các protein bền với acid có thể được tách chiết bằng cách này. 69 2.3. Tác nhân hóa học Có thể dùng muối trung tính hoặc các dung môi hữu cơ để tách chiết các protein enzyme. Phương pháp này được tiến hành dựa trện cơ sở: độ hòa tan của protein phụ thuộc vào sự tương tác của các nhóm tích điện trong phân tử protein với các phân tử nước. Sự tương tác đó (còn gọi là sự hydrate hóa) sẽ bị giảm xuống khi thêm vào dung dịch protein enzyme các dung môi hữu cơ hoặc các muối trung tính. Dung môi hữu cơ thường dùng là etanol, isopropanol, acetone hoặc hỗn hợp các loại rượu. Khi sử dụng các dung môi hữu cơ, cần chú ý tiến hành ở nhiệt độ thấp (từ 50C trở xuống). Dùng dung môi hữu cơ có thể tiến hành tách phân đoạn dưới 00C và có thể đến -200C, như vậy có tác dụng tốt đến độ ổn định của protein enzyme. Khi đã có kết tủa, chú ý lấy nhanh kết tủa ra khỏi dung môi bằng cách dùng máy ly tâm lạnh. Các muối trung tính có thể dùng là (NH4)2SO4, Na2SO4, MgSO4... Tuy nhiên, người ta đã nhận thấy muối (NH4)2SO4 là tốt nhất vì nó không làm hại mà làm ổn định (làm bền) hầu hết các loại protein enzyme. Loại muối này lại rẽ tiền và phổ biến. Độ hòa tan của nó lại rất lớn (bảo hòa 767g/l ở 250C) Ngoài ra nồng độ (NH4)2SO4 cần thiết để kết tủa protein enzyme khác nhau thì khác nhau nhiều. Ví dụ: Protease của nấm mốc dễ bị kết tủa ở 70% của (NH4)2SO4 bảo hòa hoàn toàn, còn amilase của mầm lúa bị kết tủa ở 50% độ bảo hòa của dung dịch muối này. Điều đó nói lên tính kết tủa lựa chọn của (NH4)2SO4 cao hơn các muối khác. Có thể dùng (NH4)2SO4 ở cả 2 dạng: dạng bột và dạng dung dịch bảo hòa. Khi dùng bột, người ta cho từng ít một vào dịch chiết protein enzyme. Cách cho cũng ảnh hưởng lớn đến lượng kết tủa ban đầu của protein enzyme. Khi cho muối vào dịch chiết cần phải có máy khuấy từ để đảm bảo sự hòa tan của muối. Khi dùng dung dịch bảo hòa, trong nhiều sách về phương pháp nghiên cứu, người ta đưa ra bảng tính số lượng muối cần thiết để pha các dung dịch có độ bão hòa khác nhau ở những nhiệt độ nhất định. Khái niệm về số phần trăm của độ bảo hòa hoàn toàn đã được đề cập đến. Như ví dụ trên thì protein enzyme có thể bị kết tủa ở 50% (0,5) hoặc 70% (0,7) của độ bão hòa hoàn toàn của (NH4)2SO4. Khi cho dung dịch 70 (NH4)2SO4 bão hòa vào dịch chiết protein enzyme thì nồng độ (NH4)2SO4 không tăng đột ngột. Sau khi kết tủa xong người ta thường để lắng khoảng 2 giờ hoặc qua đêm, mục đích là tạo kết tủa hoàn toàn (ở phương pháp dùng dung môi hữu cơ thì không cần để lâu). Kết tủa được lấy ra bằng cách ly tâm hoặc lọc qua phễu Buchner. Khi hòa tan kết tủa lại người ta thường thêm ion Ca++ để làm bền protein enzyme (dùng CaCl2 hoặc Ca(CH3 COO)2 Để tiện lợi, người ta đưa ra công thức cách tính lượng (NH4)2SO4 cho vào dịch có độ bão hòa cho trước (S1) để đạt đến một độ bão hòa cần thiết (S2) Tùy theo trạng thái (NH4)2SO4 cho thêm vào dịch chiết protein enzyme mà có công thức tính toán khác nhau. - Đối với (NH4)2SO4 ở dạng bột 0,515. ( ) V S S − x(g) = 2 1 1 0,272 − S 2 Trong đó V là thể tích dung dịch, S1, S2 là độ bão hòa cho trước và độ bão hòa cần đạt (ví dụ: S1 = 0,5; S2 = 0,7 chẳng hạn). Người ta cũng có thể dùng bản đồ toán (nomogram) để chiếu và xác định được lượng (NH4)2SO4 thêm vào để dịch chiết protein enzyme đạt được một độ bão hòa nhất định. Hoặc có thể đối chiếu ở bảng có sẵn. Lượng (NH4)2SO4 đưa vào để dung dịch có độ bão hòa nhất định có khác nhau tùy theo nhiệt độ thí nghiệm. - Đối với (NH4)2SO4 ở dạng dung dịch bão hòa. Thể tích (tính theo ml) của dung dịch bão hòa cần cho vào 100ml dung dịch có độ bão hòa ban đầu S1 để đạt đến một độ bão hòa S2 cần thiết được tính theo công thức sau: 100.( ) S S − V(ml) = 2 1 1 − S 2 Như vậy, nếu thêm từng phần các dung môi hữu cơ hoặc từng phần muối (NH4)2SO4 (có nồng độ bão hòa khác nhau) thì ta có thể tách từng phần hỗn hợp protein enzyme. Tuy nhiên, để phân chia hoàn toàn những hỗn hợp phức tạp, phương pháp này không cho kết quả tốt vì độ hòa tan của một số protein bị tăng lên. Mặc dầu vậy, cách kết tủa từng phần này cũng rất có lợi, đặc biệt là đối với giai đoạn đầu của việc tách chiết và làm 71 sạch protein emzyme, vì phương pháp khá đơn giản. Ngoài ra, các tác động khác như cơ học, sóng siêu âm... có ảnh hưởng đến quá trình tách chiết protein emzyme. III. Phá vỡ tế bào và chiết rút protein 3.1. Phá vỡ tế bào Protein enzyme có trong tất cả các cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật. Sau khi được tổng hợp nó có thể được tiết ra ngoài tế bào tồn tại trong các dịch cơ thể, dịch môi trường (gọi là protein enzyme ngoại bào) hoặc được giữ lại bên trong tế bào (protein enzyme nội bào). Các protein enzyme nội bào có thể tồn tại ở dạng hòa tan trong tế bào chất và các bào quan (nhân, microsome, mitochondria v.v...) của tế bào. Tế bào được bao bọc bằng một lớp màng.Lớp màng này ở vi khuẩn đôi khi rất bền và dày. Người ta còn thấy nhiều protein enzyme liên kết rất chặt chẽ với các bào quan của tế bào. Các phân tử protein enzyme không có khả năng đi qua màng của tế bào và màng của các bào quan của tế bào. Do đó để có thể chiết rút các protein enzyme nội bào, bước đầu tiên là phải phá vỡ cấu trúc của các tế bào có chứa protein enzyme và chuyển chúng vào dung dịch. Có thể phá vỡ cấu trúc của tế bào bằng các biện pháp cơ học như nghiền với bột thủy tinh hoặc cát thạch anh, làm đồng hóa bằng thiết bị nghiên đồng thể (homogenizator). Thiết bị này có chày thủy tinh gắn với một môtơ quay và có thể điều chỉnh được tốc độ quay theo yêu cầu. Các tế bào giữa chày thùy tinh và thành cối sẽ bị phá hủy. Để việc phá vỡ có hiệu quả, ở mô thực vật, trước khi nghiền, người ta thường thái nhỏ mẫu để vào ngăn đá hoặc cho trương nước. (ví dụ như đối với mẫu hạt khô). Còn ở các mô của động vật như gan hoặc thận, khi chiết protein enzyme người ta cần cắt bỏ các mô liên kết. Muốn tách được các protein trong các cấu tử của tế bào, người ta còn phải dùng các yếu tố vật lý và hóa học khác như sóng siêu âm, dùng các dung môi hữu cơ như butanol, acetone, glycerin, ethylacetat... và chất tẩy (detergent). Các hóa chất tốt cho việc phá vỡ các bào quan của tế bào vì trong các cơ quan này thường chứa mỡ. 3.2. Chiết rút protein Sau khi đã phá vỡ cấu trúc của các tế bào tiến hành chiết xuất các protein enzyme bằng các dụng dịch đệm thích hợp, dung dịch muối trung tính hoặc bằng nước đối với protein enzyme nội bào hoặc bằng ly tâm tách 72 tế bào đối với các protein enzyme ngoại bào: việc chọn phương pháp tách chiết protein enzyme tùy thuộc vào tính chất của protein enzyme cần nghiên cứu. IV. Tinh sạch protein 4.1. Loại các tạp chất Trong dịch chiết thô thu được ngoài protein enzyme còn có các protein tạp, các chất cao phân tử khác như polysaccharid, acid nucleic và các chất phân tử nhỏ như đường monose, các chất lipid, muối khoáng v.v... Để loại bỏ chúng phải sử dụng phối hợp nhiều biện pháp khác nhau. Để loại bỏ muối khoáng và các loại đường... là các tạp chất có phân tử lượng thấp người ta thường dùng phương pháp thẩm tích (dialysis) đối nước hay đối các dung dịch đệm loãng hoặc bằng cách lọc qua gel sephadex. Để loại bỏ các protein tạp và các tạp chất có phân tử lượng cao khác, người ta hay dùng kết hợp nhiều biện pháp khác nhau: phương pháp biến tính chọn lọc nhờ tác dụng của nhiệt độ hoặc pH của môi trường, phương pháp kết tủa phân đoạn bằng muối trung tính hoặc các dung môi hữu cơ (xem 5.2.1; 5.2.2. và 5.2.3), các phương pháp sắc ký trao đổi ion, điện di, phương pháp lọc gel. 4.2. Các kỹ thuật thông thường trong tinh sạch protein Như trên đã trình bày, sau khi nhận được dịch chiết protein thô, người ta thường sử dụng các phương pháp khác nhau để tách chiết và đồng thời làm tinh sạch protein. Ngoài các kỹ thuật đã được giới thiệu cụ thể ở các phần trên, có thể sử dụng các phương pháp dưới đây phục vụ cho việc tinh sạch các protein. 4.2.1. Ly tâm Một trong những kỹ thuật không thể thiếu được trong việc tách chiết và tinh chế protein là ly tâm. Máy ly tâm được sử dụng để tách các phần khác nhau khỏi dung dịch. Người ta gọi pha lỏng là chất lỏng bên trên kết tủa, pha rắn mà thường lắng kết xuống đáy ống ly tâm được gọi là kết tủa. Thực chất, sự ly tâm tăng tốc độ kết tủa của những tiểu phần rắn nhờ lực ly tâm. Sự sai khác về tỷ trọng của nguyên liệu lơ lững so với chất lỏng càng lớn thì tốc độ kết tủa sẽ càng cao. Mặc dầu người ta coi số vòng quay trong một phút là đơn vị thông thường của lực ly tâm, nhưng quy ước ấy không thỏa mãn. 73 Chính vì vậy, mức độ tăng lực ly tâm được đo một cách chính xác hơn bằng những bội số của trị số gia tốc của lực hút ở mặt biển, có nghĩa là được đo một lực ly tâm tương đối (relative centrifugal force, RCF) hoặc là được đo bằng các giá trị là bội số của lực hút trọng trường (xg). Công thức để tính lực ly tâm tương đối là: 42 2 π rn 32,2 Trong đó r là bán kính đến đáy của ống ly tâm tính ra "phút" (foot, 1foot = 30,48cm), n là số vòng quay trong 1 giây. Có thể tính giá trị của lực ly tâm tương đối một cách trực tiếp theo công thức: Lực ly tâm tương đối (g) = 1,1118 x 10-5 x R x N2. Trong đó R là bán kính (cm) nắp ly tâm tính từ tâm của trục đến đáy ống ly tâm, N là số vòng quay trong một phút. Cũng có thể dùng bản đồ toán (nomogram) để tính lực ly tâm tương đối Thông thường có thể làm kết tủa những tiểu phần lớn với lực ly tâm tương đối bé bằng các máy ly tâm để bàn. Để làm kết tủa những tiểu phần bé hơn kể cả những thành phần của tế bào cần có những máy ly tâm đặc hiệu bảo đảm được các giá trị lực ly tâm tương đối cao hơn 15000 x g đối với bất kỳ định lượng nào. Có những nguyên tắc để làm việc an toàn hơn với máy ly tâm đối với người thao tác cũng như đối với nguyên liệu được xử lý mà lúc thí nghiệm cần chú ý tuân thủ. Đó là nguyên tắc cân bằng đối xứng khi ly tâm và thăng bằng máy ly tâm khi đặt máy làm việc. Do tính chất không bền với nhiệt của phần lớn các protein enzyme, khi tách chiết tinh chế chúng, cần sử dụng máy ly tâm lạnh. Trong trường hợp điều kiện thí nghiệm có hạn chế, có thể sử dụng một số phương cách nhằm đảm bảo duy trì mẫu ở nhiệt độ thấp. Cần làm lạnh tốt mẫu và ống ly tâm trước khi ly tâm. Nếu trong máy có các ổ đệm thay thế có thể làm lạnh chúng trong tủ lạnh trước khi ly tâm. Cần phải tiến hành ly tâm với thời gian tối thiểu để tránh nóng máy. Có thể đặt trực tiếp máy ly tâm bé vào tủ lạnh, đưa dây dẫn ra ngoài qua lớp đệm của cánh cửa tủ lạnh. 4.2.2. Thẩm tích Thẩm tích là sự khuếch tán vi phân qua màng vốn không thấm đối với những chất keo hòa tan (protein, một số các polysaccharid) nhưng thấm đối với các dạng dịch các tinh thể.Các tinh thể (các muối, các hợp chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp...) có thể khuếch tán qua màng 74 theo định luật Fick. Nước sẽ khuếch tán từ dung dịch có nồng độ thấp hơn (thường là dung dịch rửa) vào dung dịch keo, trong khi đó các ion (cation và anion) và các chất phân tử nhỏ sẽ chuyển vào dung dịch có nồng độ thấp hơn (thường chuyển vào dung dịch rửa). Trong quá trình tách chiết và tinh sạch protein, để loại muối ammonium sulphate ra khỏi dung dịch protein thì cho dung dịch protein vào cái túi đặc hiệu làm bằng nguyên liệu bán thấm. Thông thường người ta hay dùng túi colodion hoặc cellophane (loại sau hay được dùng hơn). Sau đó đặt cả túi vào bình chứa lượng lớn nước hoặc lượng lớn dung dịch đệm được pha loãng (ví dụ đệm phosphate có pH = 7, nồng độ 0,01M). Vì màng cellophane là màng bán thấm, có kích thước lỗ chỉ cho các chất có phân tử đi qua vào các dung dịch đệm loãng theo định luật khuếch tán. Như vậy, muối sẽ khuyến tán vào nước hoặc dung dịch đêm loãng (di chuyển theo hướng giảm nồng độ), còn nước hoặc đệm loãng sẽ di chuyển từ dung dịch rửa vào túi chứa protein. Protein là những đại phân tử không thể vượt qua túi thẩm tích và được giử lại trong túi. Bằng cách thay đổi thường xuyên dung dịch rửa có thể tẩy sạch muối ra khỏi protein , mặc dầu trong quá trình thẩm tích, nó là dung dịch được pha loãng hơn. Có thể làm giảm bớt hoặc loại trừ sự pha loãng như thế khi tiến hành thẩm tích dưới áp suất, có nghĩa là khi dung dịch được xử lý nằm dưới một áp suất thủy tĩnh đầy đủ, để dòng thủy động học của nước từ dung dịch sẽ cân bằng sự khuếch tán của các phân tử vào dung dịch. Phương pháp này thường đòi hỏi có thiết bị đặc biệt. Hình 5.1 Thẩm tích để loại muối (NH4)2SO4 trong kết tủa protein. Phương pháp thẩm tích thông thường là cho dung dịch có kết tủa protein vào túi thẩm tích (không quá 2/3 thể tích túi). Cho thuốc sát trùng hoặc toluen để bảo quản protein (vì thời gian thẩm tích lâu, protein có thể bị thối hỏng). Buộc túi vào một que thủy tinh, gác que thủy tinh lên miệng chậu nước để giữ túi ở giữa chậu. Cho vòi nước chảy nhẹ liên tục vào đáy chậu để thay đổi nước thường xuyên (hình 5.1). Muối (NH2)SO4 hòa tan trong nước và bị loại dần. Thời gian thẩm tích có thể từ 24 - 48 giờ, làm 75 thẩm tích lần cuối cùng bằng nước cất. Có thể tăng tốc độ thẩm tích khi khuấy dung dịch rửa bằng máy trộn cơ học hay máy trộn từ hoặc là quay chậm túi nhờ động cơ không lớn. Khi thẩm tích các protein thường người ta tiến hành tất cả các thao tác ở môi trường lạnh. 4.2.3. Sắc ký lọc gel Sắc ký lọc gel là một trong những kỹ thuật sắc ký cột được dùng phổ biến trong tách chiết và tinh sạch protein. Dịch chiết protein enzyme đã được loại bỏ phần lớn các protein tạp nhưng vẫn chưa đảm bảo độ đồng nhất cần thiết được tiếp tục làm sạch bằng phương pháp sắc ký cột. Phương pháp sắc ký (chromatography) là do hai chữ "chroma" là màu sắc và "grapho" là viết, nghĩa là viết bằng màu. Thuở ban đầu, người ta sử dụng phương pháp sắc ký để tách các chất màu và chỉ sau này người ta áp dụng cho việc tách các chất không màu. Sắc ký lọc gel còn được gọi là phương pháp dùng chất rây phân tử, lọc gel (gel filtration) Cơ sở của phương pháp lọc gel là dựa vào sự khác nhau nhau về kích thước, hình dạng và phân tử lượng của protein enzyme có trong hỗn hợp để tách chúng ra. Để đảm bảo cho việc tách protein enzyme được tốt, chất rây phân tử phải là chất trơ, không phản ứng với protein enzyme. Chất này cũng không hòa tan và tương đối bền với các yếu tố về cơ học cũng như sinh học. Ngoài ra chất được sử dụng cho mục đích lọc phân tử phải là chất không có tính đàn hồi (không co) và phải là chất ưa nước (hidrofil). Gel sephadex là chất thỏa mãn các yếu tố trên. Sephadex là chế phẩm dextran do các loài vi sinh vật khác nhau là Leuconostoc tạo ra khi chúng được nuôi cấy trên môi trường chứa saccharose. Trọng lượng phân tử của dextran có thể đạt tới hàng triệu và lớn hơn. Phân tử dextran bao gồm các chuỗi do các gốc glucose tạo thành các liên kết 1,6. Sephadex Nhận từ dextran bằng cách xử lý hóa học (do tác dụng của epichlohidrin) để tạo ra các lưới phân nhánh có liên kết ngang gọi là "sàng phân tử" và chất này trở thành không tan trong nước. Số liên kết ngang tạo ra càng nhiều, kích thước của lỗ sàng phân tử càng nhỏ. Phương pháp lọc phân tử trên Sephadex được tiến hành như sau: cho sephadex vào cột thủy tinh dài và cân bằng bằng dung dịch đệm có pH 76 nhất định. Sau đó cho dung dịch protein enzyme lên cột. Khi lọc và chiết bằng dung môi thích hợp, các phân tử có trọng lượng phân tử nhỏ (ở đây là các muối) sẽ khuếch tán chậm chạp qua các lỗ nhỏ của các hạt Sephadex bị trương phồng, còn chất có trọng lượng phân tử lớn hơn (ở trường hợp này là protein enzyme) không có khả năng đi vào mà lách nhanh qua các hạt sephadex và sẽ được chiết nhanh ra khỏi cột (hình 5.2 và hình 5.3). Vì vậy ta có thể tách được chất có trọng lượng phân tử cao hơn thoát ra khỏi cột gel trước so với chất có phân tử lượng nhỏ. Hãng Sephadex (Pharmacia) của Thụy Điển đã tung ra thị trường các loại sephadex có kích thước khác nhau có ký hiệu từ G10 đến G200. Số ký hiệu để chỉ ra mức độ nhận (hút) nước của chúng. Ví dụ G10 để chỉ khi trương phồng thì 1g gel khô nhận 1ml nước (1ml/g) muä úiprot ein Hình 5.2 Hoạt động của lọc phân tử sephadex. Các sephadex có ký hiệu khác nhau từ G10 đến G200 phục vụ trong việc lọc phân tử cho phép các chất có trọng lượng phân tử khác nhau lọt vào ở các ngưỡng khác nhau. Người ta còn sử dụng sephadex để loại muối thay cho quá trình thẩm tích. Cùng nhóm chất rây phân tử có nguồn gốc polisacharid, là chế phẩm dextran như sephadex (pharmacia) còn có molselect (Reanal) - là sản phẩm của Hungary được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu. Có thể dùng để làm cô đặc các chất có trọng lượng phân tử lớn như protein, peptid, loại muối khỏi protein enzyme (dùng nhanh hơn so với thẩm tích), lọc gel tách theo trọng lượng phân tử (như protein huyết thanh) Haût Sephadex 77 Caïc phán tæí låïn khäng thãø âi vaìo caïc haût Sephadex Caïc phá tæí nhoí âi vaìo bãn trong caïc haût Sephadex Hình 5.3 Tách các phân tử theo kích thước bằng sắc ký lọc gel. hoặc tách các sản phẩm protein được hình thành dưới tác dụng của enzyme phân cắt (như γ - G - globulin bị cắt bởi papain). Ngoài nhóm chất rây phân tử là chế phẩm dextran còn có nhóm chất rây phân tử là chế phẩm gel acrilamid bao gồm Biogel (Bio - Rad) và Acrilex (Reanal). Acrilex gel là loại copolimer, sản phẩm của Hungary được tạo ra từ acrilamid và N, N' - metilen bisacrilamid. Các acrilex gel có ký hiệu từ P - 300 dùng để tách các chất có trọng lượng phân tử trong ngưỡng từ 100 - đến 300.000. Có thể sử dụng ở vùng pH từ 2 - 11. Chất thứ ba là agarose gel, đã loại sulphate. Hay phổ biến là loại sepharose (Pharmacia). Người ta thường dùng chất này để tách các phân tử có trọng lượng lớn hơn 106. Tóm lại bằng phương pháp lọc rây phân tử người ta thể tách các chất có trọng lượng phân tử khác nhau có trong hỗn hợp (như polimer, polisaccharid, acid nucleic, protein). Người ta có thể dùng kỹ thuật này để loại muối thay cho quá trình thẩm tích. Và hơn thế nữa, trong quá trình tinh chế protein enzyme, chúng còn được sử dụng để cô đặc dung dịch protein enzyme. 78 4.2.4. Phương pháp sắc ký trao đổi ion. Phương pháp sắc ký trao đổi ion dựa vào sự khác nhau về điện tích tổng số của các protein enzyme. Hay nói cách khác, phương pháp này được dựa trên cơ sở của phản ứng trao đổi ion giữa protein được tan trong nước hoặc dung dịch đệm loãng và các tác nhân trao đổi ion. Tác nhân (hay nguyên liệu) trao đổi ion có thể là chất nhựa có tích nhóm sinh ion hoặc là chất ionit. Đây là những chất giá trơ, không tan trong nước, có bản chất là cellulose hoặc chất gel dextran có lưới phân nhánh (Sephadex, Molselect) hoặc là chất nhựa polistirol. Chất giá thể này thường kết hợp với các nhóm ion hóa. Các chất trao đổi ion có chất giá là celluose, sephadex, molselect thông thường được dùng để tách protein enzyme, còn các chất trao đổi ion có chất giá là polistirol (ví dụ như Dowex, Amberlite) chỉ dùng để tách các peptid có trọng lượng phân tử nhỏ hơn. * Các chất trao đổi ion có chất giá cellulose - Cationit CM - cellulose (carboxylmetyl - cellulose)- là một dẫn xuất este của cellulose. Cellelose - O - CH2 - COOH Khi phân li cho ra COO-. Đây là chất trao đổi cation. Trên những cationit, thì các protein kiềm có thừa những nhóm amin và những nhóm kiềm khác được hấp phụ (liên kết ion). Sự hấp phụ trên các cationit được tiến hành với những dung dịch loãng ở pH 1,5 - 6,5. (Các protein kiềm có chứa các acid amin diamino - mono carboxylic như lys, Arg, His) - Anionit DEAE - cellulose (diethylamino - ethyl - cellulose) là dẫn xuất este của cellulose) Cellulose - O - CH2 - CH2 - N Trong H2O nó được phân ly: C2H5 C2H5 Cellulose - O - C2H4 - N - (C2H5)2 + H2O Cellulose - O - C2H4 - N+ C2H5 C2H5+ OH H Đây là chất trao đổi anion, bản thân tích điện dương.