Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU 1. Khái niệm, cấu trúc và vai trò của protein trong cơ thể a) Khái niệm và vai trò của protein trong cơ thể Protein (Hy Lạp: proteios – quan trọng hàng đầu) là một nhóm các hợp chất đại phân tử sinh học, là chất dinh dưỡng cần thiết có vai trò quan trọng trong quá trình sinh học. Protein cùng với polysaccharide, lipid và axít nucleic, tạo nên các hợp phần chủ yếu của cơ thể sống, là thành phần trong cấu trúc của tế bào và các enzyme protein, là trung gian gần như tất cả các biến đổi phân tử và phản ứng sinh hóa.
Myoglobin và hemoglobin vận chuyển oxy trong cơ và máu. Immunoglobulin có thể xác định và tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh và virus. Myosin và actin là những thành phần của cơ và kiểm soát sự co cơ. Axít amin là tiền thân cho tổng hợp các protein cũng như các peptide, hoocmon, chất dẫn truyền thần kinh, purine và các nucleotide pyrimidine, creatine, camitine, porphyrines, polyamines, và oxít nitric trong cơ thể động vật (Wu and Morris, 1998)[183].
Tất cả các protein tự nhiên bao gồm 20 α-axít amin, có nhóm amino chính và một nhóm axít cacboxylic đính ở vị trí carbon α. Axít amin khác nhau trong cấu trúc của chuỗi bên của chúng. Các tế bào động vật không thể sử dụng nitơ vô cơ như urê hoặc ammonia để tổng hợp các axít amin khi bộ khung cacbon của chúng không có sẵn; do đó các axít amin cần được cung cấp từ nguồn thức ăn. Trước đây người ta đã quan sát thấy rằng khi cho ăn khẩu phần có chứa axít amin tinh thể như là nguồn duy nhất của nitơ, lợn con đã tăng cân (Shelton và ctv, 1950, Beeson và ctv, 1951, Mertz và ctv, 1952.
Eggert và ctv., 1955, Chung và Baker, 1991)[17][29][49][117][156] và lợn nái có thể duy trì một thai kỳ bình thường trong suốt 84 ngày cuối của thai kỳ (Easter và Baker, 1976)[46]. Một cách cụ thể, protein là các polyme được tạo nên từ các trình tự xác định các axít amin kết hợp với nhau bằng 6 liên kết peptit (CO-NH). Cấu trúc protein của mỗi loài, ngay cả của mỗi mô bào trong cùng một cơ thể cũng khác nhau. Sự khác biệt ấy là do số lượng, loại và thứ tự của các axít amin cấu tạo nên protein.
Chính vì vậy, protein của từng loại thức ăn cũng khác nhau về thành phần, thứ tự và hàm lượng các axít amin. b) Cấu trúc của protein Cho đến nay người ta xác định được phân tử protein có 4 bậc cấu trúc sau: Cấu trúc bậc 1 Các axít amin nối với nhau bởi liên kết peptit hình thành nên chuỗi polypeptit. Đầu mạch polypeptit là nhóm amin của axít amin thứ nhất và cuối mạch là nhóm cacboxyl của axít amin cuối cùng. Cấu trúc bậc một của protein thực chất là trình tự sắp xếp của các axít amin trên chuỗi polypeptit.
Cấu trúc bậc một của protein có vai trò tối quan trọng vì trình tự các axít amin trên chuỗi polypeptit sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptit, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein. Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các axít amin có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein. Cấu trúc bậc 2 Là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptit trong không gian. Chuỗi polypeptit thường không ở dạng thẳng mà xoắn lại tạo nên cấu trúc xoắn α và cấu trúc nếp gấp β, được cố định bởi các liên kết hydro giữa những axít amin ở gần nhau.
Các protein sợi như keratin, collagen. (có trong lông, tóc, móng, sừng) gồm nhiều xoắn α, trong khi các protein cầu có nhiều nếp gấp β hơn. Cấu trúc xoắn alpha của protein. A: mô hình giản lược, B: mô hình phân tử, C: nhìn từ đỉnh, D: mô hình không gian (Nguồn: http://www.net/vn/protein/structure.
Các kiểu xoắn trong cấu trúc bậc II của protein 8 Cấu trúc bậc 3 Các xoắn α và phiến gấp nếp β có thể cuộn lại với nhau thành từng búi có hình dạng lập thể đặc trưng cho từng loại protein. Cấu trúc không gian này có vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng của protein. Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của nhóm -R trong các mạch polypeptit. Chẳng hạn nhóm -R của cystein có khả năng tạo cầu disulfur (-S-S-), nhóm -R của prolin cản trở việc hình thành xoắn, từ đó vị trí của chúng sẽ xác định điểm gấp, hay những nhóm -R ưa nước thì nằm phía ngoài phân tử, còn các nhóm kỵ nước thì chui vào bên trong phân tử.
Các liên kết yếu hơn như liên kết hydro hay điện hóa trị có ở giữa các nhóm -R có điện tích trái dấu. Cấu trúc bậc 4 Khi protein có nhiều chuỗi polypeptit phối hợp với nhau thì tạo nên cấu trúc bậc bốn của protein. Các chuỗi polypeptit liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hydro. Axít amin: khái niệm, cấu trúc, phân loại và vai trò trong cơ thể a) Khái niệm về axít amin Axít amin là chất hữu cơ mà phân tử chứa ít nhất một nhóm carboxyl (-COOH) và ít nhất một nhóm amin (-NH2), trừ prolin chỉ có nhóm NH (thực chất là một imino axít).
Trong phân tử các axít amin tồn tại trong tự nhiên, các nhóm -COOH và -NH2 đều gắn với carbon ở vị trí α. Hầu hết các axít amin thu nhận được khi thuỷ phân protein đều ở dạng L-α. Như vậy các axít amin chỉ khác nhau ở mạch nhánh (được ký hiệu là R). Công thức chung của các axít amin là: (H2N)x – R – (COOH)y.
b) Cấu trúc, thành phần hóa học của axít amin - Trong phân tử axít amin, nhóm NH2 và nhóm COOH tương tác với nhau tạo ion lưỡng cực. Vì vậy axít amin kết tinh tồn tại ở dạng ion lưỡng cực. - Trong dung dịch, dạng ion lưỡng cực chuyển một phần nhỏ thành dạng phân tử R – CH – COOH R – CH – COO- + NH2 NH3 Dạng phân tử dạng ion lưỡng cực 9 c) Phân loại axít amin Axít amin thiết yếu và không thiết yếu Động vật có thể tổng hợp một số axít amin bằng cách chuyển các nhóm amin (có nguồn gốc từ các axít amin khác) sang các bộ khung cacbon (có nguồn gốc từ glucoza và các axít amin khác). Các axít amin có thể được tổng hợp bởi cơ thể động vật được phân loại là các axít amin không thiết yếu (NEAA).
Ngược lại, các axít amin không thể tổng hợp được bởi cơ thể động vật hoặc số lượng hoặc tốc độ tổng hợp không thể đáp ứng nhu cầu sinh trưởng và sinh sản của động vật, được phân loại là các axít amin thiết yếu (EAA). Các nguồn protein khác nhau có cấu trúc và thành phần axít amin khác nhau. Một số protein thiếu các axít amin đặc biệt; ví dụ, zein có rất ít lysine. Nói chung, tỷ lệ axít amin trong một protein không phù hợp với nhu cầu của động vật.
Việc thiếu một hoặc nhiều axít amin thiết yếu sẽ làm giảm việc sử dụng các axít amin thiết yếu khác, được gọi là các axít amin giới hạn. Phân loại các axít amin trên lợn Axít amin thiết yếu Axít amin bán thiết yếu Axít amin không thiết yếu 1. Arginine (nguồn: NRC, 1998)[40] 10 Axít amin giới hạn “Axít amin giới hạn" là những axít amin thiết yếu mà chúng có mặt trong khẩu phần ăn với mật độ thấp hơn nhu cầu cần phải có để gia súc phát triển tối đa và đạt được kết qủa nuôi dưỡng tốt nhất. Có thể có một hay nhiều axít amin giới hạn.
Trong khẩu phần cho lợn với thức ăn cơ sở chủ yếu là ngô, đậu tương thì lysine là axít amin giới hạn thứ nhất, threonine là axít amin giới hạn thứ 2 và methionine là axít amin giới hạn thứ 3. Như vậy nếu các axít amin giới hạn được bổ sung thì giá trị protein trong khẩu phần sẽ được cải thiện. Điều này có nghĩa là các axít amin giới hạn sẽ hạn chế việc sử dụng các axít amin khác và làm cho các axít amin này sẽ không được sử dụng để tổng hợp protein. Để xác định axít amin nào là giới hạn 1, 2, 3 trong khẩu phần người ta thường dùng chỉ số axít amin giới hạn (Paa).
Tỷ lệ axít amin trong khẩu phần thức ăn Paa = --------------------------------------------------------- x 100 Tỷ lệ a xít amin theo nhu cầu gia súc Axít amin nào có P thấp nhất là axít amin giới hạn thứ nhất. Trong các nguyên liệu thức ăn hay dùng cho lợn thì lysine thường là axít amin giới hạn thứ nhất, methionine là axít amin giới hạn thứ hai và threonine là axít amin giới hạn thứ ba. Vai trò của các axít amin trong cơ thể - Lysine: là axít amin giới hạn thứ nhất trong khẩu phần ăn cho lợn, nó quyết định mức độ tổng hợp protein của gia súc. Trong phân tử, lysine có 2 nhóm amin (- NH2) và một nhóm axít (-COOH) Khác với những axít amin khác, nó rất trơ trong quá trình trao đổi chất và khi đã bị khử amin hoá, lysine không thể tái tổng hợp được nữa.
Trong cơ thể gia súc, lysine tham gia vào cấu trúc phân tử của dãy polypeptit, tham gia thực hiện hàng loạt chức năng sinh hoá quan trọng, tạo điều kiện cho vận chuyển canxi vào tế bào. Lysine cần thiết cho các hoạt động của hệ thần kinh, hệ sinh dục, tham gia 11 vào quá trình tổng hợp hemoglobin, tạo sắc tố melanin của lông. Lysine còn làm giảm độc tính của gossipol trong khẩu phần ăn có khô dầu bông. Ngoài ra nó còn có tác dụng làm tăng tính thèm ăn, tăng tốc độ sinh trưởng, tăng sức sản xuất trứng, sữa.
Đối với lợn lớn, thiếu lysine không thể sinh tế bào mới, hiệu quả sử dụng thức ăn giảm, lợn bị ói mửa do lysin tham gia cấu tạo tế bào thần kinh. Đối với lợn giống, thiếu lysine làm giảm khả năng sinh sản, tiết sữa, ảnh hưởng đến chất lượng tinh dịch. Khi thiếu lysine trong khẩu phẩn làm giảm tính ngon miệng, giảm lượng hồng cầu huyết sắc tố và tốc độ chuyển hoá canxi photpho gây còi xương, con vật kém ăn dẫn đến phá vỡ quá trình trao đổi nitơ, cơ thể suy nhược, lông xù, da khô, giảm năng suất. Đặc biệt đối với gia súc non, lysine rất cần thiết vì khi thiếu lysine sẽ làm giảm độ dự trữ kiềm trong máu và nước protein trong huyết thanh (Nguyễn Văn Thưởng, 1992)[130].
Nếu lysine quá dư thừa cũng làm giảm tăng khối lượng, giảm sự tích luỹ nitơ, giảm việc sử dụng khoáng trong khẩu phần thức ăn và có thể làm gan tăng lên do tích mỡ. - Methionine: là axít amin thiết yếu thứ hai.
