Chương 1 Thành phần hoá học và cấu trúc của protein 1. Thành phần hoá học của protein Protein được tạo thành từ một hay nhiều chuỗi polypeptide với các trình tự amino acid chuyên biệt. Chuỗi polypeptide là polymer được tạo thành từ 20 loại amino acid. Trong số 20 loại amino acid này, 19 loại có cấu trúc cơ bản giống nhau như Hình 1.
Mỗi amino acid có một nguyên tử C trung tâm gọi là Cα liên kết với một nguyên tử H, một nhóm carboxyl COOH, một nhóm amin N H2 , và một chuỗi bên (side chain) R. Loại amino acid thứ 20 còn lại là proline có cấu trúc tương tự như các loại amino acid khác, nhưng nguyên tử C thuộc chuỗi bên của nó liên kết với nguyên tử N của nhóm amin tạo thành mạch vòng (Hình 1.1: (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 22 Hình 1.2: Phản ứng trùng ngưng. Các tính chất vật lý và hoá học của chuỗi bên xác định các đặc tính duy nhất của amino acid, qua đó quyết định vai trò của amino acid trong chuỗi polypeptide.
Dựa trên các tính chất này, các amino acid có thể phân thành các nhóm không phân cực (kị nước), phân cực (ưa nước), tích điện âm (nếu chuỗi bên mang điện tích âm), và tích điện dương (nếu chuỗi bên mang điện tích dương). Chuỗi polypeptide được tạo thành bởi phản ứng trùng ngưng các amino acid loại bỏ đi các phân tử nước được tạo thành từ nhóm OH của nhóm carboxyl và H của nhóm amin. Phản ứng này tạo ra các liên kết peptide (Hình 1.2) là liên kết cộng hoá trị giữa nguyên tử C của nhóm carboxyl và nguyên tử N của nhóm amin kề nhau. Các nguyên tử này cùng với các nguyên tử Cα trung tâm tạo thành bộ khung xương cho chuỗi polypeptide gọi là mạch xương sống (backbone) của chuỗi polypeptide.
Toả ra từ bộ khung này là các chuỗi bên của các amino acid. Liên kết peptide tạo ra tính định hướng cho chuỗi polypeptide, các nguyên tử N của nhóm amin đều nằm cùng một phía của nguyên tử Cα. Phía còn lại là các nguyên tử C của nhóm carboxyl. Nhóm amin duy nhất không tham gia liên kết peptide tạo thành đầu N của chuỗi polypeptide.
Đầu còn lại là đầu C. Quá trình dịch mã trong ribosome được tiến hành từ đầu N đến đầu C của chuỗi để tạo ra cấu trúc bậc nhất của protein. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 23 Hình 1. Các bậc cấu trúc của protein Để phù hợp với sự đa dạng của chức năng, các protein cũng có các cấu trúc rất đa dạng.
Mỗi loại protein có một hình dạng ba chiều độc nhất và là những phân tử có cấu trúc tinh vi nhất được biết. Cấu trúc bậc một Cấu trúc bậc một của protein là trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide mạch thẳng, không phân nhánh, liên kết với nhau bởi các liên kết peptide (Hình 1. Cấu trúc bậc hai Cấu trúc bậc hai là sự sắp xếp không gian mang tính địa phương của các phân đoạn trong chuỗi polypeptide. Cấu trúc bậc hai được tạo thành nhờ các liên kết hydro là liên kết tĩnh điện giữa nguyên tử H của các nhóm amin và nguyên tử O thuộc nhóm carboxyl của mạch khung, thường có tính lặp lại.
Các cấu trúc bậc hai cơ sở gồm xoắn α và phiến β (β-sheet). Các phân đoạn trong chuỗi có thể không có cấu trúc cơ sở nhưng vẫn có cấu trúc bền và xác định gọi là cấu trúc bất quy tắc. Ngoài ra, trong chuỗi polypeptide còn có thể có các phần có tính linh động cao, không có cấu trúc lập thể cố định được gọi là cuộn ngẫu nhiên. Trong các cấu trúc bậc hai, xoắn α và phiến β là các thành phần chống đỡ quan trọng của protein.
THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 24 Hình 1.4: Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của protein GB1: (a) Xoắn α, (b) Phiến β. Xoắn α Trong phân đoạn chứa xoắn α, mạch khung của chuỗi polypeptide xoắn lại do sự hình thành của liên kết hydro của nguyên tử O thuộc nhóm carboxyl và nguyên tử H thuộc nhóm amin của gốc amino acid thứ tư tính từ đầu C (Hình 1. Mỗi vòng xoắn chứa 3. Proline thường không nằm trong xoắn α vì không tạo thành được liên kết hydro.
Liên kết hydro ổn định của các amino acid trong xoắn α làm mạch khung có dạng trụ dài, thẳng, từ đó nhóm R của amino acid quay ra ngoài và xác định tính chất kỵ nước hoặc ưa nước của xoắn. Trong dung dịch, xoắn ưa nước thường nằm tại bề mặt của protein, nơi chúng có thể tương tác với môi trường nước, trong khi xoắn kỵ nước thường vùi trong lõi của protein đã cuốn. Phiến β Cấu trúc phiến β (β-sheet) được tạo thành từ hai hoặc nhiều mạch β liên kết với nhau bởi các liên kết hydro hình thành giữa các nguyên tử nằm trên khung của các mạch β riêng biệt nhưng liền kề (Hình 1. Mỗi mạch β là một phân đoạn ngắn (thường chứa 5 đến 8 amino acid).
Liên kết hydro trong mặt phẳng phiến giữ các mạch β với nhau, các nhóm R gắn phía trên hoặc phía dưới mặt này. Do tính định hướng của liên kết peptide, các mạch β cạnh nhau có thể cùng chiều hoặc ngược chiều nhau, tạo nên các phiến β song song hoặc phản song song. Kẹp tóc β (β-harpin) là một cấu trúc đơn giản của phiến β chỉ gồm có hai mạch β phản song song được nối với nhau CHƯƠNG 1. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 25 (b) N (a) β2 β1 N α1 α1 α2 β4 α3 β3 C GB1 C SpA Hình 1.5: Biểu diễn dạng ruy băng của cấu trúc bậc ba của hai protein được sử dụng trong nghiên cứu này: miền B-1 của protein G (GB1) (a) và miền Z của protein tụ cầu A (SpA) (b).
bởi một đoạn uốn cong chứa từ 2 đến 5 amino acid. Cấu trúc bậc ba Cấu trúc bậc ba là sự sắp xếp trong không gian của toàn bộ chuỗi polypeptide được hình thành do sự tương tác giữa các chuỗi bên (các nhóm R) của amino acid (Hình 1. Một dạng tương tác đóng góp vào sự hình thành của các cấu trúc bậc ba là tương tác kỵ nước giữa các chuỗi R không phân cực. Khi chuỗi polypeptide cuốn để tạo thành hình dạng chức năng thì các amino acid có chuỗi bên không phân cực, kỵ nước thường quay vào phía trong protein, tránh tiếp xúc với nước.
Do đó, các amino acid không phân cực này được dồn lại, nằm sát cạnh nhau, hình thành các tương tác Van der Waals liên kết chúng lại với nhau. Thêm vào đó, các liên kết hydro giữa các chuỗi bên phân cực và liên kết ion giữa các chuỗi bên tích điện cũng giúp ổn định cấu trúc bậc ba. Các liên kết này đều là liên kết yếu nhưng dưới tác động cộng gộp, cấu trúc bậc ba ổn định nhưng không cứng nhắc mà luôn dao động nhỏ. Thậm chí một số phân đoạn của cấu trúc bậc ba của protein linh động đến mức chúng được coi là không có cấu trúc hoặc mất trật tự.
Cấu trúc bậc bốn Một số protein gồm từ hai hay nhiều chuỗi polypeptide tập hợp thành một đại phân tử chức năng. Cấu trúc bậc bốn là cấu trúc của protein hình thành do sự tập hợp các tiểu đơn vị polypeptide đó. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 26 1. Sinh tổng hợp của protein Quá trình sinh tổng hợp protein là quá trình trung tâm trong sinh học, là sự truyền thông tin di truyền vào các protein chức năng.
Quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình phức tạp và bao gồm hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã. Quá trình phiên mã Phiên mã (transcription), hay còn gọi là sao mã, là quá trình tổng hợp mRNA (messenger RNA - RNA thông tin). Trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ bốn bazơ A, G, C và T) trên phân tử DNA được sao chép thành trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ 4 bazơ A, G, C và U) trên phân tử mRNA. Quá trình này gồm 3 bước sau: Khởi đầu phiên mã: Enzyme polymerase liên kết vào đoạn trình tự DNA khởi đầu phiên mã hình thành phức hệ đóng với DNA.
Trong giai đoạn này, DNA vẫn duy trì ở dạng sợi kép, trong khi enzyme liên kết vào bề mặt của chuỗi xoắn kép. Sau đó polymerase biến tính vùng DNA xoắn kép gần vị trí khởi đầu hình thành phức hệ mở, DNA tách thành hai mạch đơn. Quá trình phiên mã bắt đầu. Kéo dài chuỗi mRNA: Enzyme polymerase di chuyển dọc theo mạch khuôn DNA theo chiều 3’ đến 5’ và thay đổi cấu hình để liên kết ổn định vào mạch khuôn đồng thời thực hiện một loạt các chức năng khác: giãn xoắn mạch DNA ở phía trước, tổng hợp chuỗi RNA theo nguyên tắc bổ sung, tách chuỗi RNA khỏi mạch khuôn DNA và đóng xoắn mạch DNA ở phía sau.
Kết thúc phiên mã: khi RNA polymerase đã phiên mã hết chiều dài gene nó dừng lại và giải phóng RNA đã tổng hợp xong và tách khỏi DNA. Sau khi được tổng hợp, mRNA di chuyển tới các các ribosome để trực tiếp tổng hợp protein cho tế bào. Quá trình dịch mã Trong quá trình dịch mã (translation) là quá trình tổng hợp protein từ tế bào chất, ngôn ngữ 4 bazơ của mRNA được dịch mã thành ngôn ngữ 20 amino acid của protein. Quá trình giải mã trình tự nucleotide trên mRNA thành trình tự amino acid cần sự tham gia của phân tử tRNA.
Ở tế bào vi khuẩn, hiện đã xác định được 30-40 loại tRNA và ở tế bào động vật và thực vật có khoảng 50-100 loại tRNA. Như vậy, mỗi CHƯƠNG 1. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 27 amino acid (20 loại) có thể gắn với nhiều tRNA. Ngoài ra một loại tRNA có thể bắt cặp với nhiều codon trong mã di truyền (61 loại).
Để tổng hợp protein, tRNA mang amino acid được hoạt hoá tới khớp với bộ ba nucleotide (còn gọi là bộ ba hay codon) trên mRNA để amino acid đã hoạt hoá gắn vào chuỗi polypeptide đang được tổng hợp. Quá trình dịch mã bao gồm các bước cơ bản sau: Hoạt hóa amino acid tự do trong tế bào chất: Amino acid được hoạt hóa nhờ gắn với hợp chất giàu năng lượng adenosinetriphosphate (ATP). Sau đó, các amino acid đã được hoạt hóa liên kết với tRNA tương ứng để tạo nên phức hợp amino acid - tRNA. Mở đầu chuỗi polypeptide: Các tiểu phần của ribosome lắp ráp gần vị trí khởi đầu dịch mã trên mRNA cùng với tRNA mang methionine có gắn đầu amin sẽ liên kết bazơ với codon mở đầu.