Tiểu luận: Chứng minh Protein là nền tảng của sự sống

Chia sẻ: Pham Huu Tri | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

150
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiểu luận "Chứng minh Protein là nền tảng của sự sống" trình bày các nội dung sau: axit nucleic, cấu trúc của protein, chức năng của protein,...Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết các nội dung của tiểu luận.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận: Chứng minh Protein là nền tảng của sự sống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN TIỂU LUẬN: CHỨNG MINH PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Người thực hiện: Phạm Hữu Trí 1
MỤC LỤC PHỤ LỤC HÌNH ẢNH................................................................................................. 4 LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 2 CHƯƠNG I................................................................................................................. 1 CHƯƠNG II................................................................................................................ 2 I. AXIT NUCLEIC................................................................................................................................... 2 II. CẤU TRÚC CỦA PROTEIN.............................................................................................................. 3 HÌNH 1: CẤU TẠO ALANIN....................................................................................... 3 HÌNH 2: HÌNH DẠNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA PROTEIN................................................ 4 2.1. Cấu trúc bậc một của protein..........................................................................................................5 HÌNH 3: SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT PEPTIT........................................................... 6 HÌNH 4: CẤU TRÚC BẬC MỘT CỦA PROTEIN........................................................ 7 2.2. Cấu trúc bậc hai của protein...........................................................................................................9 HÌNH 5: CẤU TRÚC XOẮN Α.................................................................................. 10 HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Β.................................................................................. 10 HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Α VÀ Β......................................................................... 12 2.3. Cấu trúc bậc ba của protein..........................................................................................................12 HÌNH 7: CẤU TRÚC BẬC 3 PROTEIN..................................................................... 13 a. Liên kết disulfid.............................................................................................................................13 b. Các liên kết yếu............................................................................................................................14 2.4. Đô men cấu trúc (structural domain)............................................................................................15 2.5. Cấu trúc bậc bốn của protein....................................................................................................... 16 III. CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN........................................................................................................ 20 3.1. Chức năng tạo hình......................................................................................................................20 3.2. Protein có chức năng xúc tác sinh học........................................................................................20 HÌNH 8: MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG XÚC TÁC........................................................ 20 3.3. Protein có tác dụng điều hòa chuyển hóa....................................................................................21 2
HÌNH 9: PHẢN ỨNG ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA..................................................... 21 3.4. Protein có chức năng vận chuyển các chất.................................................................................22 HÌNH 10: CẤU TRÚC HEMOGLOBIN...................................................................... 22 3.5. Protein có vai trò trong việc co duỗi, vận động............................................................................22 HÌNH 11: CẤU TRÚC SỢI ACTIN............................................................................ 23 3.6. Protein có chức năng bảo vệ........................................................................................................23 HÌNH 12: GLOBULIN MIỄN DỊCH G........................................................................ 23 3.7. Dẫn truyền thông tin......................................................................................................................24 3.8. Cung cấp năng lượng và dự trữ...................................................................................................24 HÌNH 11: CẤU TRÚC ALBUMIN.............................................................................. 24 3
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH PHỤ LỤC HÌNH ẢNH................................................................................................. 4 LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 2 CHƯƠNG I................................................................................................................. 1 CHƯƠNG II................................................................................................................ 2 I. AXIT NUCLEIC................................................................................................................................... 2 II. CẤU TRÚC CỦA PROTEIN.............................................................................................................. 3 HÌNH 1: CẤU TẠO ALANIN....................................................................................... 3 HÌNH 2: HÌNH DẠNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA PROTEIN................................................ 4 2.1. Cấu trúc bậc một của protein..........................................................................................................5 HÌNH 3: SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT PEPTIT........................................................... 6 HÌNH 4: CẤU TRÚC BẬC MỘT CỦA PROTEIN........................................................ 7 2.2. Cấu trúc bậc hai của protein...........................................................................................................9 HÌNH 5: CẤU TRÚC XOẮN Α.................................................................................. 10 HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Β.................................................................................. 10 HÌNH 6: CẤU TRÚC XOẮN Α VÀ Β......................................................................... 12 2.3. Cấu trúc bậc ba của protein..........................................................................................................12 HÌNH 7: CẤU TRÚC BẬC 3 PROTEIN..................................................................... 13 a. Liên kết disulfid.............................................................................................................................13 b. Các liên kết yếu............................................................................................................................14 2.4. Đô men cấu trúc (structural domain)............................................................................................15 2.5. Cấu trúc bậc bốn của protein....................................................................................................... 16 III. CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN........................................................................................................ 20 3.1. Chức năng tạo hình......................................................................................................................20 3.2. Protein có chức năng xúc tác sinh học........................................................................................20 HÌNH 8: MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG XÚC TÁC........................................................ 20 3.3. Protein có tác dụng điều hòa chuyển hóa....................................................................................21 4
HÌNH 9: PHẢN ỨNG ĐIỀU HÒA CHUYỂN HÓA..................................................... 21 3.4. Protein có chức năng vận chuyển các chất.................................................................................22 HÌNH 10: CẤU TRÚC HEMOGLOBIN...................................................................... 22 3.5. Protein có vai trò trong việc co duỗi, vận động............................................................................22 HÌNH 11: CẤU TRÚC SỢI ACTIN............................................................................ 23 3.6. Protein có chức năng bảo vệ........................................................................................................23 HÌNH 12: GLOBULIN MIỄN DỊCH G........................................................................ 23 3.7. Dẫn truyền thông tin......................................................................................................................24 3.8. Cung cấp năng lượng và dự trữ...................................................................................................24 HÌNH 11: CẤU TRÚC ALBUMIN.............................................................................. 24 5
LỜI CAM ĐOAN Đây là Tiểu luận của tôi, tôi cam đoan rằng nội dung trình bày trong Tiểu luận là những kiến thức mà tôi đã học từ Đại học, Cao học gần đây và tài liệu tham khảo. Chắc chắn nội dung của Tiểu luận chưa được phong phú, đầy đủ và còn nhiều thiếu sót. Vì vậy tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô, bạn bè đồng nghiệp và độc giả để bài tiểu luận được hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện Phạm Hữu Trí 1
TÀI LIỆU THAM KHẢO • HỒ huỳnh Thùy Dương, 1998 Sinh học phân tử, NXBGD, Hà Nội. • PGS.TS Trần Quang Hân, Bài giảng Sinh học Phân tử, hệ Cao học. • Nguyễn Hoàng Lộc, Trần thị Lệ, Hà Thị Minh Thi. Giáo trinh sinh học phân tử. • Lê Đức Trình, Sinh học phân tử của tế bào. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2001, 264tr. 2
CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ PROTEIN ĐỊNH NGHĨA Protein là hợp chất đại phân tử, được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là axit amin. Axit amin được cấu tạo bởi 3 thành phần: Một là nhóm amin (NH2), hai là nhóm cacboxyl (COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với một nguyên tử hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Protein là lớp chất bắt buộc phải có ở bất kỳ động vật nào và có tỷ lệ khá ổn định. Ví dụ ở gia súc non và người hàm lượng protein khoảng 40 – 45% vật chất khô. Protein là lớp chất quan trọng nhất của sự sống, là vật mang sự sống. Protein có trong tất cả các loại tế bào với hàm lượng khác nhau. Bảng 1.1. Hàm lượng protein trong một số mô động thực vật: Protein (% so với khối lượng vật chất STT Mô khô) 1 Gan 57 2 Xương 28 3 Cơ vân 80 4 Hạt lúa 6 – 12 5 Hạt ngôn 9 – 13 6 Đậu nành 29 – 50 Protein điển hình chứa 200 – 300 axit amin, nhưng một số protein có số axit amin ít hơn (protein lớn nhất được biết đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim, chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn). 1
Đặc điểm lớn nhất của axit amin là phân tử có chứa Nito (N), khối lượng phân tử lớn nhất. CHƯƠNG II PROTEIN LÀ NỀN TẢNG CỦA SỰ SỐNG Protein là nền tảng của sự sống vì bản thân nó cũng có Axit Nucleic. I. AXIT NUCLEIC Axit Nucleic là hợp chất tự nhiên cao phân tử mang mã di truyền và thực hiện mã di truyền ở các sinh vật. Hàm lượng Axit Nucleic trong tế bào khá cao, dao động trong khoảng 5 – 15% vật chất khô. Trong tế bào có hai loại Axit Nucleic: Axit ribonucleic (RNA) và Axit desoxyribonucleic (DNA). Các đơn phân của Axit nucleic là các nucleotit. Mỗi nucleotit bao gồm hai thành phần: Nucleotit = Nucleosit + Axit photphoric. Tùy theo trọng lượng phân tử của Axit Nucleic mà chuỗi nucleotit có thể dài ngắn khác nhau. Trong chuỗi nucleotit, các nucleotit sắp xếp theo những trình tự nhất định tạo nên đặc trưng sinh học của Axit Nucleic, tức là tạo nên các gen di truyền. Thứ tự các nucleotit thường được xét theo từng bộ ba base. Một codon là một đơn vị mã di truyền, có chức năng mã hóa cho một axit amin. Axit Nucleic là bản thiết kế protein và bảng thiết kế này được viết bằng các mã di truyền. Thứ tự các mã quy định thứ tự các axit amin trong protein, quyết định đặc trưng sinh học của protein. Mỗi Axit Nucleic trong quá trình hình thành và hoạt động luôn luôn duy trì vững vàng trình tự các nucleotit. Một rối loạn trong quá trình này dẫn tới rối loạn tính di truyền, tức là gây nên hiện tượng biến dị. 2
II. CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Thành phần nguyên tố của protein (% theo trọng lượng): C: 50 – 54; O: 20 – 23; H: 6 – 7; N: 15 – 18 (trung bình khoảng 16%); S: 0 – 2,4. Trong một số protein còn chứa P, Fe, I, Co, Zn và một số nguyên tố khác. Hàm lượng các nguyên tố này rất thấp nhưng có ý nghĩa rất lớn đối với sự sống. Để tạo nên trạng thái sống các nguyên tố này trước hết liên kết với nhau tạo nên các axit amin (Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, Valine, Arginine, Histidine, Cysteine, Glutamine, Glycine, Proline, Serine, Tyrosine, Alanine, Glutamate, Asparagine, Aspartate). Axit amin là đơn vị cấu tạo cơ bản của protein. Axit amin là những dẫn xuất của axit hữu cơ mà trong phân tử một nguyên tử hydro (đôi khi 2) của gốc ankil đuợc thay thế bởi gốc amin. Công thức chung như sau: R – CH – COOH NH2 m Có thế định nghĩa khác là: Axit amin gồm một nguyên tử Cacbon α liên kết với: • Một nguyên tử Hydro • Một nhóm Amin • Một nhóm Carboxyl • Một trong 20 gốc R, 20 gốc R khác nhau tạo nên 20 axit Hình 1: Cấu tạo Alanin amin và quyết định tính chất đặt trưng của chúng. 3
Axit amin hình trên là Alanin. Axit amin là monomer cấu tạo nên protein. Trong tự nhiên có khoảng 250 axit amin nhưng protein của cơ thể sống chỉ chứa 20 axit amin gọi là axit amin sinh protein (proteinogenic amino acid). Hình dạng và đặc tính của protein đuợc quy định bởi trình tự và số luợng các axit amin của protein. H+ + OH R – CH – COOH R – CH – COO R – CH – COO NH3+ + H+ NH3+ OH NH2 Axit Trung tính Kiềm Hình 2: Hình dạng và đặc tính của protein Trong môi trường trung tính, phân tử axit amin mang cả điện tích âm và điện tích dương. Trong môi trường kiềm tính, axit amin mang điện tích âm. Trong môi trường axit, axit amin mang điện tích dương. Người ta ứng dụng tính lưỡng tính của axit amin để phân tích hỗn hợp axit amin bằng dòng điện một chiều (phương pháp điện di). Ở giá trị pH của môi trường mà axit amin có tổng số điện tích âm bằng điện tích dương (axit amin trung hòa điện), pH đó gọi là điểm đẳng điện của axit amin (kí hiệu là pI). Các axit amin trung tính có pI khoảng 5 – 6,5 (hơi axit). Các axit amin axit tính có pI khoảng 3 (axit rõ rệt). Các axit amin kiềm tính có pI khoảng > 7 (kiềm). 4
2.1. Cấu trúc bậc một của protein Cấu trúc bậc 1 của protein là sự liên kết giữa các axit amin với nhau thành chuỗi thông qua liên kết peptit (CO – NH). Mạch liên kết này hình thành giữa nhóm COOH của axit amin trước với nhóm NH2 của axit amin bên cạnh. 5
Hình 3: Sự hình thành liên kết peptit Liên kết peptit là liên kết đồng hóa trị rất bền vững (năng lượng phá vỡ liên kết khoảng 6 – 7kcal/mol). Trong thực tế mạch liên kết peptit rất khó thủy phân (phải dùng HCl 6N với nhiệt độ ≥ 100°C). Trong chuỗi peptit, các axit amin cứ liên kết với nhau như vậy liên tục. Theo quy định axit amin đầu chuỗi (bên trái) có nhóm amin tự do gọi là axit amin N tận; axit amin cuối chuỗi (bên phải) có nhóm cacboxyl tự do gọi là axit amin C tận. Khoảng cách giữa nhóm COOH và NH2 của các axit amin trong chuỗi polypeptit được L. Pauling và cộng sự dùng phương pháp nhiễu xạ Rơngen để nghiên cứu. 6
Hình 4: Cấu trúc bậc một của protein Khi khảo sát chuỗi peptit có hai vấn đề quan trọng: Số lượng các axit amin và trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi. Số lượng các axit amin: Số lượng các axit amin nhiều hay ít tùy loại protein và quy định độ dài ngắn, phân tử lượng của chuỗi. Protein lớn nhất được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim, chứa tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn. Các protein phổ biến đặc biệt là các enzym có khoảng từ 150 300 axit amin. 7
Trình tự sắp xếp các axit amin: Trình tự của các axit amin trong chuỗi quyết định cấu trúc không gian của chuỗi và do đó quyết định tính chất, chức năng sinh học của protein. Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, được ghi lại bằng các đơn vị tạo thành axit nucleic. Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x 1019 tổ hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người ta tìm thấy khoảng 1010 – 1012 protein ở các cơ thể sống khác nhau). Mỗi tổ hợp có sự sắp xếp các axit amin với thứ tự khác nhau, chỉ cần 1 axit amin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tính chất vật lý, hóa học và sinh học của protein cũng thay đổi. Ví dụ: Trong bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, do đột biến ADN mà ở vị trí số 6 trên chuỗi β polypeptit của globulin trong hồng cầu là axit glutamic bị thay bằng valin. Oxytoxin và vasopressin là hai hocmon thùy sau tuyến yên, chúng đều có 9 axit amin, nhưng sắp xếp chỉ khác nhau ở vị trí số 3 và số 8: Oxytoxin có chức năng làm tăng co bóp cơ trơn tử cung: Xys – Tyr – Ile – Glu – Asn – Xys – Pro – Leu – Gly – NH2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vasopressin có chức năng làm tăng huyết áp động mạch, chống lợi niệu: Xys – Tyr – Ple – Glu – Asn – Xys – Pro – Arg – Gly – NH2 3 8 Việc phát hiện ra cấu trúc bậc 1 là một thành tựu khoa học rất lớn trong hóa học protein. Nó là cấu trúc quan trọng nhất, quyết định mức độ phức tạp, tính muôn hình muôn vẻ và hoạt tính sinh học của protein. Nguyên nhân của sự đặc trưng, đặc thù của sinh vật, tức là sự khác nhau về loài, giống, các thể và các bộ phận trong cơ thế chính là sự khác nhau về cấu trúc và chức năng của protein. 8
Cấu trúc bậc 1 là yếu tố di truyền hết sức ổn định và đây cũng là minh chứng chứng minh “Protein là nền tảng của sự sống”. Ví dụ: Insulin là 1 polypeptit hocmon bao gồm 51 axit amin . Ở các động vật khác nhau, chúng chỉ khác nhau ở axit amin thứ 8, 9, 10. 8 9 10 Bò: Ala – Ser – Val Lợn: Tre – Ser – Ile Cừu: Ala – Gly – Val Quá trình di truyền ở sinh vật chính là hiện tuợng truyền đạt lại cho đời sau cấu trúc bậc 1 của protein đặc thù cho loài giống. Thiết kế protein được mã hóa qua thiết kế mã di truyền trong axit nucleic. 2.2. Cấu trúc bậc hai của protein Cấu trúc bậc 2 của protein là cấu trúc có chu kỳ của chuỗi polypeptit. Chuỗi polypeptit được sắp xếp gọn lại trong không gian, nhất là trong môi trường sinh vật, trong mô bào theo những hình thù nhất định, bền vững hơn phù hợp với chức năng của chúng. Nhiều protein chứa các đoạn có cấu trúc xoắn α. Ví dụ: Myoglobin, hemoglobin, ... Chuỗi peptit cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành các vòng xoắn. Chu kỳ xoắn là 3,7 axit amin. Chiều dài mỗi vòng xoắn là 5,4A 0. Chiều xoắn có thể là xoắn phải hoặc xoắn trái. Các xoắn α thấy ở các protein là xoắn phải (Hình 5). Tỷ lệ giữa các đoạn xoắn và không xoắn trong protein chiếm khoảng 45% – 50% chiều dài của chuỗi peptit. 9
Cũng có khi hai hoặc nhiều cuộn xoắn α bện lại với nhau như cuộn dây cáp được thấy ở các protein như keratin của tóc, myosin tropomyosin ở cơ, epidermin của da và fibrin của cục máu đông... Xoắn α được ổn định nhờ những liên kết hydro. Liên kết này được hình thành giữa hai nguyên tử mang điện tích âm có khoảng cách 2 – 3A0, nguyên tử hydro nằm giữa hai nguyên tử đó. Liên kết hydro để tạo xoắn α trong cấu trúc bậc 2 của protein được tạo thành giữa nhóm = C = O và = N – H. Lúc này các gốc amin = C = O và = N – H nằm trong một mặt phẳng. Liên kết hydro yếu, năng lượng phá vỡ liên kết khoảng 0,7 – l,5Kcal/mol. Song có số lượng lớn nên xoắn a bền và ổn định. Liên kết hydro giữ vị trí đặc biệt quan trọng trong tính cơ động, linh hoạt của các Hình 5: Cấu trúc xoắn α phân tử sinh học, của protein cũng như mô bào. Cấu trúc gấp nếp β, khác với xoắn α là ở chỗ nó là dạng tấm. Chuỗi polypeptit trong gấp nếp β hầu như duỗi thẳng chứ không phải cuộn lại hình lò xo như xoắn α. Hình 6: Cấu trúc xoắn β 10
Điều khác nữa là cấu trúc gấp nếp β được ổn định bởi các liên kết hydro giữa các nhóm = C = O và = N – H trong các chuỗi polypeptit khác nhau, cấu trúc gấp nếp β thường đặc trưng cho nhiều protein dạng sợi . Ví dụ colagen. 11
Hình 6: Cấu trúc xoắn α và β Trong cơ thể, xét về cấu trúc bậc 2, protein có thể chia ra làm 3 loại: Loại hoàn toàn cấu tạo từ xoắn α Loại hoàn toàn cấu tạo từ gấp nếp β Loại chứa cả xoắn a và gấp nếp β 2.3. Cấu trúc bậc ba của protein Là cấu hình không gian phức tạp của chuỗi polypeptit do sự gấp khúc, cuộn lại của cấu trúc bậc 2 tạo cho protein có hình thù nhất định, đặc trưng cho từng loại protein và hình thù đặc trưng này được quyết định từ cấu trúc bậc 1. Sự sắp xếp gọn lại trong không gian của phân tử protein khi đã có cấu trúc bậc 2 này giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống. 12
Hình 7: Cấu trúc bậc 3 protein Cấu trúc bậc 3 tồn tại và ổn định nhờ các liên kết và các lực sau: a. Liên kết disulfid Liên kết disulfid hình thành giữa 2 nhóm SH (sulphydryl) của 2 gốc Cystein phân bố rải rác trong chuỗi peptit nhưng gần nhau trong không gian. 2 HOOCCHCH2SH HOOCCHCH2SSH2CCHCOOH NH2 NH2 NH2 Đây là liên kết đồng hóa trị, bền nhưng chiếm số lượng không nhiều: Phân tử protein với khoảng 100 – 200 axit amin có khoảng 4 – 5 liên kết disulfid. Ví dụ: Insulin là hormon của tuyến tụy tham gia điều hòa hàm lượng đường trong máu. Khi thiếu insulin, hàm lượng đường trong máu tăng cao, dẫn tới bệnh đái đường. Insulin được cấu tạo từ 2 chuỗi peptit: Chuỗi A gồm 21 axit amin, chuỗi B gồm 30 axit amin. Hai chuỗi này gắn với nhau bằng 2 liên kết disulfid. 13