Giáo trình Sinh học phân tử - Chương 1: Các đại phân tử sinh học

Chương 1
Các đại phân tử sinh học
Nucleic acid
Nucleic acid, vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống, là một polymer hình thành từ các monomer là nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường pentose (đường 5 carbon) và một nitrogen base. Các nitrogen base thuộc hai nhóm: các purine gồm adenine (A) và guanine (G), các pyrimidine gồm thymine (T), cytosine (C) và uracil (U). Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester tạo thành chuỗi dài.
Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo rất giống nhau là deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA).
1. Deoxyribonucleic acid
Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn. Mỗi sợi đom là một chuỗi nucleotide (Hình 1.1). Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường deoxyribose và một trong bốn base (A, c, G và T) (Hình 1.2). Hai sợi đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydrogen hình thành giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi: A bổ sung cho T và c bổ sung cho G. Mỗi sợi đơn có một trình tự định hướng với một đầu 5’phosphate tự do, đầu kia là 3’ hydroxyl tự do (quy ước là 5’—>3’). Hướng của hai sợi đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, nên được gọi là hai sợi đối song.
Những phân tích cấu trúc hiện đại đã cho thấy cấu trúc của DNA không phải luôn luôn tương ứng với dạng được gọi là B mà Watson và Crick đã đưa ra. Do sự tác động của các hợp chất có khối lượng nhỏ hoặc protein, dạng B có thể chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) hoặc là dạng z (xoắn trái). Chúng có thể tự gấp lại hoặc xoắn mạnh, ví dụ một sợi đôi DNA có độ dài là 20 cm được nén trong một chromosome có kích thước là 5 Lim.
(a) Cấu trúc của DNA
Hình 1.1. Chuỗi xoắn kép của DNA
Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote ở dạng mạch thẳng, còn ở phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA lại có dạng mạch vòng. Tuy nhiên, dù ở dạng nào thì các phân tử DNA này đều tồn tại theo kiểu cuộn chặt. Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với các protein là histone.
DNA eukaryote có kích thước rất lớn (Ví dụ: DNA ở người có thể dài đến 1 m) nên vấn đề đặt ra là phân tử này phải được nén như thế nào trong một thể tích rất hạn chế của nhân. Việc nén được thực hiện ở nhiều mức độ, mức độ thấp nhất là nucleosome và mức độ cao nhất là cấu trúc nhiễm sắc chất. Thật vậy, đường kính của chuỗi xoắn DNA chỉ là 20 A, trong khi sợi nhiễm sắc chất quan sát dưới kính hiển vi điện tử có đường kính 100 A, đôi khi đạt 300 A. Điêu này chứng tỏ phân tử DNA tham gia hình thành những cấu trúc phức tạp hom (Hình 1.3).
Sợi nhiễm sắc chất có đường kính 100 A là một chuỗi chứa nhiều nucleosome. Đó là những cấu trúc hình thành từ một sợi DNA quấn quanh một lõi gồm 8 phân tử histone (mức độ tổ chức cao nhất của DNA). Sợi có đường kính 100 A này có câu trúc phức tạp hom sợi có đường kính 300 A. Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác nhau và cả với các RNA tạo thành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA.
đầu 5
Phosphate
-Q - P-O -CH II O
Adenine
O
H
Deoxyribose
O
H
H -
O
"O - P -O-CH2
NH2
N
O
N /H
Guanine
^NH2
HOCH2
OH
HO
I H
OH
Ribose (RNA)
H
Uracil (RNA)
O
H	H
O
H
O
O
"O - P -O-CH-
H
H
O
O
H
đầu 3'
"O -
NH2
O
CH3 X
N	Cytosine
O
Thymine
(Dna)
Hình 1.2. Cấu trúc các nucleotide điển hình
DNA
30 nm
300 nm
1400 nm
DNA xoắn kép
2 nm
Nhân của
8 phân tử histone
Histone
H1
Hình 1.3. Cấu trúc nucleosome và nhiễm sắc thể. Phân tử DNA được cuộn lại trên nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại hơn 50.000 lần.
Các DNA ở eukaryote có đặc điểm khác với DNA prokaryote. Toàn bộ phân tử DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein trong khi đó DNA của eukaryote bao gồm những trình tự mã hóa (các exon) xen kẽ với những trình tự không mã hóa (intron). Các trình tự mã hóa ở eukaryote chìm ngập trong một khối lớn DNA mà cho đến nay vẫn chưa rõ tác dụng được gọi là “DNA rác” (junk DNA). Tùy theo mức độ hiện diện của chúng trong nhân, các trình tự DNA được chia làm ba loại:
- Các trình tự lặp lại nhiều lần. Ví dụ: ở động vật có vú các trình tự này chiếm 10-15% genome (hệ gen). Đó là những trình tự DNA ngắn (10200 kb), không mã hóa, thường tập trung ở những vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như ở vùng tâm động (trình tự CEN) hay ở đầu các nhiễm sắc thể (trình tự TEL). Chức năng của các trình tự này chưa rõ, có thể chúng tham gia vào quá trình di chuyển DNA trên thoi vô sắc (trình tự CEN) hoặc vào quá trình sao chép toàn bộ phần DNA nằm ở đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL).
Các trình tự có so 1 an lặp lại trung bình. Ví dụ: ở genome người các trình tự này chiếm 25-40 %. Chúng đa dạng hom và có kích thước lớn hom (100-1.000 kb) các trình tự lặp lại nhiều lần. Các trình tự này phân bố trên toàn bộ genome. Chúng có thể là những trình tự không mã hóa mà cũng có thể là những trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA và 5S RNA.
Các trình tự duy nhất. Là các gen mã hóa cho các protein, có trình tự đặc trưng cho tùmg gen.
Một đặc điểm của phân tử DNA có ý nghĩa rất quan trọng và được sử dụng vào phưomg pháp lai phân tử, đó là khả năng biến tính và hồi tính. Biến tính là hiện tượng hai sợi đom của phân tử DNA tách rời nhau khi các liên kết hydrogen giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi bị đứt do các tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay do tác nhân vật lý (nhiệt). Sau đó, nếu điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ muối thích hợp, các sợi đom có thể bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, đó là sự hồi tính.
Ribonucleic acid
Phân tử RNA có cấu tạo tưomg tự DNA ngoại trừ ba điểm khác biệt
sau:
Phân tử RNA là chuỗi đom.
Đường pentose của phân tử RNA là ribose thay vì deoxyribose.
Thymine (T), một trong bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, được thay thế bằng uracil (U) trong phân tử RNA.
Cấu trúc và chức năng của RNA có sự biến đổi rõ rệt. về cơ bản RNA chỉ là chất mang thông tin di truyền ở virus, sau đó người ta chứng minh rằng nó không những đóng vai trò cơ bản ở việc chuyển thông tin di truyền mà còn có vai trò cấu trúc khi tạo nên phức hệ RNA-protein.
Theo một lý thuyết tiến hóa mà đại diện là Eigen, RNA là chất mang thông tin di truyền, thành viên trung gian của sự biểu hiện gen, thành phần cấu tạo và là chất xúc tác. Nhóm OH ở vị trí thứ hai của ribose cần thiết cho đa chức năng làm nhiễu loạn sự tạo thành sợi đôi, qua đó làm tăng độ không bền vững của liên kết phosphodieste.
Trong tế bào có ba loại RNA chính, có các chức năng khác nhau:
Các RNA thông tin (mRNA)
mRNA là bản sao của những trình tự nhất định trên phân tử DNA, có vai trò trung tâm là chuyển thông tin mã hóa trên phân tử DNA đến bộ máy giải mã thành phân tử protein tương ứng. Các RNA có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ hơn so với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa cho một hoặc vài protein và chỉ chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA trong tế bào.
Quá trình chuyển thông tin được thể hiện như sau:
T. Phiên mã	T.	Dịch mã	T>__X •
DNA 	— ► RNA ——-—► Protein
Ở E. coli, kích thước trung bình của một phân tử mRNA khoảng 1,2 kb.
RNA vận chuyển (tRNA)
tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển các amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp protein từ các mRNA tương ứng. Có ít nhất một loại tRNA cho một loại amino acid. tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (có khối lượng khoảng 25 kDa), là phân tử RNA nhỏ nhất. Các tRNA có cấu trúc dạng cỏ ba lá. cấu trúc này được ổn định nhờ các liên kết bổ sung hiện diện ở nhiều vùng của phân tử tRNA. Hai vị trí không có liên kết bổ sung đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với chức năng của tRNA:
Trình tự anticodon gồm ba nucleotide.
Trình tự CCA, có khả năng liên kết cộng hóa trị với một amino acid đặc trưng.
RNA ribosome (rRNA)
rRNA là thành phần cơ bản của ribosome, đóng vai trò xúc tác và cấu trúc trong tổng họp protein.
Tùy theo hệ số lắng rRNA được chia thành nhiều loại: ở eukaryote có 28S; 18S; 5,8S và 5S rRNA; còn các rRNA ở E. coli có ba loại: 23S, 16S và 5S.
rRNA chiếm nhiều nhất trong ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến là tRNA khoảng 16% và mRNA chỉ khoảng 2%. Ngoài ra, tế bào sinh vật eukaryote còn chứa những phân tử RNA kích thước nhỏ của nhân (small nuclear, snRNA) chiếm khoảng <1% tham gia vào ghép nối các exon. Ribosome là những phân tử cần thiết cho sự tổng họp protein, ribosome của mọi tế bào đều gồm một tiểu đơn vị nhỏ và một tiểu đơn vị lớn. Mỗi tiểu đơn vị có mang nhiều protein và rRNA (trong đó rRNA là thành phần chủ yếu chiếm khoảng 65%) có kích thước khác nhau. Người ta cũng thấy ribosome trong ty thể, ở đó có sự tổng hợp một số protein ty thể.
Bảng 1.1. Các phân tử RNA trong E. coli
Loại
Tổng số tương đối (%)
Hệ số lắng
(S) S (Svedberg): đơn vị đo vận tốc lắng. Hệ số lắng của một tiểu đơn vị phụ thuộc
 không những vào khối lượng của tiểu đơn vị đó mà còn phụ thuộc vào hình dạng và độ rắn của nó, điều này giải thích tại sao sự kết hợp của hai tiểu đơn vị 50S và
Khối lượng phân tử (kDa)
SỐ lượng nucleotide
[23
[1.2 X 1030S lại tạo ra một ribosome 70S.
[3700
rRNA
80
]16
■[ 0.55x103
<1700
[5
3.6 X101
[120
tRNA
15
4
2,5 X 101
75
mRNA
5
Không đồng nhất
Ribosome của prokaryote
Tế bào được nghiên cứu về ribosome nhiều nhất là E. coli. Ribosome (70S) của E. coli gồm hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ (30S) và tiểu đơn vị lớn (50S). Căn cứ vào hệ số lắng, người ta phân biệt ba loại rRNA: 23S rRNA, 16S rRNA và 5S rRNA.
Tiểu đơn vị 30S chứa: 1 phân tử 16S rRNA (có 1540 nu) và 21 ribosomal protein khác nhau.
Tiểu đơn vị 50S chứa: 1 phân tử 5S rRNA (có 120 nu), 1 phân tử 23S rRNA (có 2900 nu) và 34 ribosomal protein.
Hai tiểu đơn vị nhỏ và lớn khi kết hợp với nhau sẽ tạo ra một rãnh ở chỗ tiếp giáp của chúng để cho mRNA đi qua.
Ribosome của eukaryote
Ribosome của eukaryote (80S) lớn hơn ribosome của prokaryote cũng bao gồm hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ (40S) và tiểu đơn vị lớn (60S).
Tiểu đơn vị 40S chứa: 1 phân tử 18S rRNA (có 1900 nu) và 33 ribosomal protein.
Tiểu đơn vị 60S chứa: 3 phân tử rRNA (5S; 5,8S và 28S) và 49 ribosomal protein.
Tóm lại, tất cả RNA trong tế bào đều được tổng hợp nhờ enzyme RNA polymerase. Enzyme này đòi hỏi những thành phần sau đây:
Một khuôn mẫu, thường là DNA sợi đôi.
Tiền chất hoạt hóa: Bốn loại ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP và CTP.
Sinh tổng hợp RNA giống DNA ở một số điểm, thứ nhất hướng tổng hợp là 5’^3’, thứ hai là cơ chế kéo dài giống nhau: nhóm 3’-OH ở đầu cuối của chuỗi tổng hợp là vị trí gắn kết của nucleoside triphosphate tiếp theo. Thứ ba, sự tông hợp xảy ra do thủy phân pyrophosphate.
Tuy nhiên, khác với DNA là RNA không đòi hỏi mồi (primer). Ngoài ra, RNA polymerase không có hoạt tính nuclease để sửa chữa khi các nucleotide bị gắn nhầm.
Cả ba loại RNA trong tế bào được tổng hợp trong E. coli nhờ một loại RNA polymerase. Ở động vật có vú, các RNA khác nhau được tổng hợp bằng các loại RNA polymerase khác nhau.
Protein
1. Cấu trúc của protein
Amino acid là đom vị cơ sở (monomer) cấu thành protein. Tất cả 20 amino acid có mặt trong protein đều được xây dựng theo một kiểu mẫu chung:
COOH
I H2N -CH
I
R
Công thức tổng quát của L-a-amino acid
Trong đó, gốc R (mạch bên) cũng là phần khác duy nhất giữa 20 loại amino acid, quy định tính chat của từng loại.
Nhóm amine (Nib) dính ở nguyên tử C2, theo tên cũ là nguyên tử Ca. Vì vậy, người ta gọi là nhóm a-amine. Các amino acid tồn tại chủ yếu trong tự nhiên có nhóm amine đứng ở bên trái trục, được gọi là amino acid dạng L. Dạng D-amino acid chỉ tồn tại riêng biệt, ví dụ trong thành tế bào vi khuẩn.
Các amino acid riêng biệt có những đặc tính khác nhau là do gốc R của chúng. Những amino acid trung tính có một nhóm amine và một nhó m carboxyl. Những protein chứa nhiều amino acid trung tính là những protein trung tính. Khi chiều dài gốc R tăng sẽ hình thành đặc tính kỵ nước. Những protein có chứa nhiều amino acid như valine, leucine, isoleucine có tính chat đặc trưng là kỵ nước. Những amino acid có tính acid trong phần gốc có một nhóm carboxyl. Protein chứa nhiều amino acid có tính acid là những protein acid. Tương tự như vậy đối với protein chủ yếu được hình thành bởi những amino acid có tính kiềm là những protein kiềm. Phần gốc R của amino acid có ý nghĩa quyết định đối với đặc tính của protein mà chúng tạo nên. Điều này không nhũng có ý nghĩa đối với tính chất hóa học mà cả cấu trúc của protein.
Thủy phân hoàn toàn protein, thu được chủ yếu các L-a-amino acid. Mặc dù protein rất đa dạng nhưng hầu hết chúng đều được cấu tạo từ 20 L- a-amino acid. Dựa vào đặc tính của gốc R, amino acid được chia làm bảy nhóm chính sau đây:
Amino acid trung tính mạch thẳng. Bao gồm glycine, alanine, valine, leucine và isoleucine.
Các hydroxyl amino acid mạch thẳng. Bao gom serine và threonine.
Amino acid chứa lưu huỳnh mạch thẳng. Bao gồm cysteine và methionine. Khi oxy hóa hai nhóm -SH của hai phân tử cysteine tạo thành cystine có chứa cầu (-S-S-).
Các amino acid acid và các amide. Bao gồm aspartic acid và glutamic acid. Trong phân tử của chúng có một nhóm amine và hai nhóm carboxyl. Ở độ pH sinh lý (6-7), các amino acid này tích điện âm. Amine hóa nhóm carboxyl ở mạch bên của aspartate và glutamate tạo thành các amide tương ứng là asparagine và glutamine.
Các amino acid kiềm. Bao gồm lysine và arginine.
Iminoacid. Proline.
Các amino acid thorn và dị vòng. Bao gồm phenylalanine, tyrosine và tryptophan. Do có chứa vòng thom nên các amino acid này có một số phản ứng đặc trưng.
Các amino acid được nối với nhau bởi các liên kết peptide, liên kết này được hình thành do sự kết hợp nhóm amine của một amino acid với nhóm carboxyl của amino acid kế tiếp. Phản ứng kết hợp giải phóng một phân tử H2O.
Peptide là một chuỗi nối tiếp nhiều amino acid (số lượng ít hom 30). Với số lượng amino acid lớn hom chuỗi được gọi là polypeptide. Mỗi polypeptide có hai đầu tận cùng, một đầu mang nhóm amine tự do, đầu kia mang nhóm carboxyl tự do. Protein được dùng để chỉ đom vị chức năng, nghĩa là một cấu trúc phức tạp trong không gian chứ không phải đom thuần là một trình tự amino acid.
Chuỗi polypeptide có thể uốn thành cấu trúc hình gậy như trong các protein hình sợi hay cấu trúc khối cầu như trong các protein dạng cầu hay một cấu trúc gồm cả hai dạng trên. Một protein có thể được hình thành từ nhiều chuỗi polypeptide.
Người ta thường phân biệt cấu trúc của phân tử protein thành bốn bậc như sau (Hình 1.4):
- cấu trúc bậc 1. Là trình tự sắp xếp các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide, cấu trúc này được giữ vững nhờ liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị).
Vì mỗi một amino acid có gốc khác nhau, các gốc này có những đặc tính hóa học khác nhau, nên một chuỗi polypeptide ở các thời điểm khác nhau có những đặc tính hóa học rất khác nhau. Tuy nhiên, về tổng quát thì tất cả các chuỗi polypeptide được xây dựng một cách có hệ thống từ các nhóm nguyên tử co, CH và NH. Việc xây dựng có hệ thống này là cơ sở để tạo nên cấu trúc bậc hai.
(bậc 2)
(a) Cấu trúc sơ cấp (bậc 1)
(d) Cấu trúc bậc 4
Hình 1.4. Các mức độ tổ chức của phân tử protein
- Cấu trúc bậc 2. Là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong chuỗi polypeptide, cấu trúc được bền vững chủ yếu nhờ liên kết hydrogen hình thành giữa các liên kết peptide ở kề gần nhau, cách nhau những khoảng xác định.
cấu trúc bậc 2 của phân tử protein: xoắn a (a-helix), lá phiến p và xoắn collagen. Loại a-helix là SOT ở dạng xoắn ốc, cuộn xung quanh một trục, mỗi vòng xoắn có 3,6 gốc amino acid.
Những sợi collagen chạy song song tạo nên những bó sợi dai của gân. Collagen cũng có trong xương và trong các mô nối. Elastin là một protein, gồm những sợi protein tương đối ngắn, gắn kết với nhau nhờ liên kết cộng hóa trị. Những chuỗi polypeptide quay theo dạng xoắn ốc, tự duỗi xoắn khi có áp lực.
Cấu trúc bậc 3. Là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong chuỗi polypeptide, là dạng cuộn lại trong không gian của toàn chuỗi polypeptide.
Nhiều chuỗi polypeptide trong cơ thể sống tồn tại không phải ở dạng thẳng mà gấp khúc và qua đó tạo nên cấu trúc không gian ba chiều. Tuy nhiên, cấu trúc này hoàn toàn xác định, chủ yếu là do trình tự các amino acid và môi trường. Khi một chuỗi polypeptide tách ra khỏi ribosome sau khi tổng hợp và được đưa vào trong tế bào chất như là môi trường tạo hình thì nó sẽ hình thành nên cấu trúc tự nhiên rất nhanh, đặc biệt đối với cấu trúc hình cầu, đem lại cho protein những đặc tính sinh lý quan trọng. Có thể do chuyển động nhiệt của các chuỗi polypeptide mà các nhóm của các gốc amino acid tiếp xúc với nhau, dẫn đến có thể kết hợp với nhau. Trong nhiều protein hình cầu có chứa các gốc cysteine, sự tạo thành các liên kết disulfite giữa các gốc cysteine ở xa nhau trong chuỗi polypeptide sẽ làm cho chuỗi bị cuộn lại đáng kể. Các liên kết khác, như liên kết Van der Waals, liên kết tĩnh điện, phân cực, kỵ nước và hydrogen giữa các mạch bên của các gốc amino acid đều tham gia làm bền vững cấu trúc bậc 3. cấu trúc hình cầu của protein được gọi là cấu trúc bậc ba, đó chính là cấu trúc của enzyme.
Cấu trúc bậc 4. Là tương tác không gian giữa các chuỗi của các phân tử protein gồm hai hay nhiều chuỗi polypeptide hình cầu. Mỗi chuỗi polypeptide này được gọi là một tiểu đơn vị (subunit). Sự kết hợp giữa các phân tử này lỏng lẻo và chủ yếu là do liên kết hydrogen và kỵ nước. Bằng cách này hai phân tử xác định có thể kết hợp với nhau tạo thành một dimer. Chẳng hạn: hemoglobin được tạo nên từ hai chuỗi a với mỗi chuỗi có 141 gốc amino acid và hai chuỗi |’> với mỗi chuỗi là 146 gốc amino acid.
Cấu trúc của một hoặc nhiều chuỗi polypeptide có ý nghĩa quan trọng đối với độ hòa tan và chức năng của chúng, cấu trúc protein được hiểu là sự sắp xếp của những chuỗi riêng lẻ hoặc nhiều chuỗi. Chúng phụ thuộc nhiều vào độ pH của môi trường. Protein và chuỗi polypeptide hòa tan tốt khi những nhóm ưa nước hướng ra phía ngoài, nhóm kỵ nước hướng vào bên trong. Khi một protein thay đổi cấu trúc thì những nhóm kỵ nước quay ra ngoài, protein mất khả năng hòa tan trong nước, ví dụ trường hợp kết tủa không ở dạng tinh thể của protein sữa trong môi trường chua. Lactic acid được sản sinh do vi khuẩn làm giảm pH sữa, làm thay đổi protein sữa. Nhiều nhóm kỵ nước được hướng ra bên ngoài, protein mất khả năng tan trong nước. Vì vậy, việc thường xuyên duy trì giá trị pH trong tế bào chất rất quan trọng, vì chỉ có như vậy chức năng hoạt động của các enzyme trong tế bào chất mới được đảm bảo.
2. Chức năng của protein
Mỗi một hoạt động trong tế bào phụ thuộc vào một hoặc nhiều phân tử protein đặc hiệu. Một trong các cách phân loại protein là dựa vào chức năng sinh học của chúng. Bảng 1.2 tóm tắt sự phân loại protein theo chức năng và đưa ra một số ví dụ đại diện cho mỗi loại.
Bảng 1.2. Các chức năng sinh học của protein và một số ví dụ
Các nhóm chức năng
Ví dụ
Enzyme
Ribonuclease
Trypsin
Phosphofructokinase
Alcohol dehydrogenase
Catalase
Malic enzyme
Protein điều khiển
Insulin
Somatotropin Thyrotropin lac repressor
NF1 (nuclear factor 1)
Catabolite activator protein (CAP)
AP1
Protein vận chuyển
Hemoglobin
Serum albumin
Glucose transporter
Protein dự trữ
Ovalbumin
Casein Zein Phaseolin Ferritin
Protein vận động và co rút
Actin
Myosin
Tubulin
Dynelin
Kinesin
Protein cấu trúc
cc-Keratin Collagen Elastin Fibroin Proteoglycans
Protein cấu trúc tạm thời (scaffold protein)
Grb 2 crk shc stat
IRS-1
Protein bảo vệ
Immunoglobulins
Thrombin
Fibrinogen
Antifreeze proteins
Snake and bee venom proteins
Diphtheria toxin
Ricin
Protein lạ/ngoại lai (exotic protein)
Monellin
Resilin
Glue proteins
Chức năng enzyme
Phần lớn protein là enzyme. Hiện nay, có hơn 3.000 loại enzyme đã được biết. Enzyme là chất xúc tác sinh học có vai trò làm tăng tốc độ phản ứng. Mỗi một bước trong trao đổi chất đều được xúc tác bởi enzyme. Enzyme có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên 1016 lần so với tốc độ phản ứng không xúc tác. Sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất xảy ra ở vị trí hoạt động của enzyme.
Protein điều khiển
Một so protein không thực hiện bất kỳ sự biến đổi hóa học nào, tuy nhiên nó điều khiển các protein khác thực hiện chức năng sinh học, chẳng hạn insulin điều khiển nồng độ đường glucose trong máu. Đó là một protein nhỏ (5,7 kDa), gồm hai chuỗi polypeptide nối với nhau bằng các liên kết disulfite. Khi không đủ insulin thì sự tiếp nhận đường trong tế bào bị hạn chế. Vì vậy, mức đường trong máu tăng và dẫn đến sự thải đường mạnh mẽ qua nước tiểu (bệnh tiểu đường).
Một nhóm protein khác tham gia vào sự điều khiển biểu hiện gen. Những protein này có đặc tính là gắn vào những trình tự DNA hoặc để hoạt hóa hoặc ức chế sự phiên mã thông tin di truyền sang mRNA, ví dụ chất ức chế (repressor) đình chỉ sự phiên mã.
Protein vận chuyển
Làm nhiệm vụ vận chuyển chất đặc hiệu từ vị trí này sang vị trí khác, ví dụ vận chuyển Ơ2 từ phổi đến các mô do hemoglobin hoặc vận chuyển acid béo từ mô dự trữ đến các cơ quan khác nhờ protein trong máu là serum albumin.
Các chất được vận chuyển qua màng được thực hiện bằng các protein đặc hiệu, chẳng hạn vận chuyển glucose hoặc các amino acid qua màng (Hình 1.5).
Protein dự trữ
Các protein là nguồn cung cấp các chất cần thiết được gọi là protein dự trữ. Protein là polymer của các amino acid và nitrogen thường là yếu tố
hạn chế cho sinh trưởng, nên cơ thể phải có protein dự trữ để cung cấp đầy đủ nitrogen khi cần. Chẳng hạn, ovalbumin là protein dự trữ trong lòng trắng trứng cung cấp đủ nitrogen cho phôi phát triển. Casein là protein sữa cung cap nitrogen cho động vật có vú còn non. Hạt ở thực vật bậc cao cũng chứa một lượng protein dự trữ lớn (khoảng 60%), cung cấp đủ nitrogen cho quá trình nảy mầm của hạt.
(a)
Hemoglobin —Ỵ-
(Hb)	402
Hb(O2)4
Glucose \_
Phổi
Tuần hoàn tĩnh mạch
Tuần hoàn động mạch
(b)
Bên ngoài
Bên trong
Vận chuyển glucose (một protein màng) ■
Màng tế bào
Tim
Mô
Hemoglobin
(Hb)
Hình 1.5. Hai kiểu vận chuyển cơ bản. (a): vận chuyển bên trong hoặc giữa các tế bào hoặc mô. (b): vận chuyển vào hoặc ra khỏi tế bào.
Protein cũng có thể dự trữ các chất khác ngoài thành phần amino acid (N, c, H, o và S), ví dụ ferritin là protein tìm thấy trong mô động vật kết hợp với Fe. Một phân tử ferritin (460 kDa) gắn với 4.500 nguyên tử Fe (chiếm 35% khối lượng). Protein có vai trò giữ lại kim loại Fe cần thiết cho sự tổng hợp những protein có chứa Fe quan trọng như hemoglobin.
Protein vận động và co rút
Một so protein mang lại cho tế bào khả năng vận động, tế bào phân chia và co cơ. Các protein này có đặc điểm: chúng ở dạng sợi hoặc dạng polymer hóa để tạo sợi, chẳng hạn actin và myosin. Tubulin là thành phần cơ bản của thoi vô sắc (sợi xuất hiện khi phân chia các nhiễm sắc thể về các cực).
Protein cấu trúc
Có chức năng tạo độ chắc và bảo vệ tế bào và mô. Chẳng hạn: a- keratin là protein không tan, cấu tạo nên tóc, sừng và móng. Collagen là protein hình sợi có trong xương. Ở động vật collagen chiếm 1/3 protein tổng số. Fibroin ((i-kcratin) la thành phcin cơ bản của kén tằm.
Một chức năng phổ biến khác của protein là cấu tạo nên màng sinh học.
Protein bảo vệ
Trong việc giải độc các kim loại nặng, phytochelatin có một ý nghĩa quan trọng, đây là những polypeptide đơn giản có nguồn gốc từ glutation và có công thức chung như sau:
(y-glutamyl-cysteinyl)n-glycine
Do có nhiều nhóm SH nên chúng có khả năng kết hợp chặt với các kim loại nặng, làm cho những kim loại nặng này không thể gây rối loạn trao đổi chất. Sự tổng hợp phytochelatin được kích thích bởi những kim loại nặng như Cd, Cu, Ag, Bi và Au.
Protein bảo vệ có vai trò quan trọng trong các phản ứng miễn dịch. Động vật có xương sống có một cơ chế phức tạp và phát triển cao để ngăn ngừa những tác nhân vi sinh vật gây bệnh. Chức năng này có liên quan đến đặc tính của chuỗi polypeptide. Khi một protein lạ (có nguồn gốc virus, vi khuẩn hoặc nấm) xâm nhập vào máu hoặc vào mô thì phản ứng tự vệ của cơ thể sẽ xuất hiện rất nhanh. Protein lạ được gọi là kháng nguyên (antigen) chứa một vùng có trật tự xác định các nguyên tử có thể kết hợp với tế bào lympho và kích thích tế bào này sản sinh kháng thể. Những tế bào lympho tồn tại trong hệ thống miễn dịch với số lượng 109 và trên bề mặt của nó có những vùng nhận biết nơi mà kháng nguyên sẽ được kết hợp (Hình 1.6). Những vùng nhận biết này rất khác nhau và đặc hiệu cho từng loại kháng nguyên. Trong cơ thể luôn có sẵn một lượng lớn các tế bào lympho khác nhau và chúng có thể tổng hợp rất nhanh các kháng thể đặc hiệu khi kháng nguyên xuất hiện. Mỗi loại kháng thể có một vị trí kết hợp duy nhất đặc trưng với kháng nguyên. Khả năng bảo vệ của hệ miễn dịch đã làm cho protein lạ của tác nhân gây bệnh trở thành vô hại. Những kháng thể này được gọi là globulin miễn dịch. Chúng chiếm khoảng 20% protein tổng số trong máu.
Một nhóm protein bảo vệ khác là protein làm đông máu thrombin và fibrinogen, ngăn cản sự mất máu của cơ thể khi bị thương.
Cá ở các vùng cực của Trái đất có protein chống đông (antifreeze protein) có tác dụng bảo vệ máu khi nhiệt độ xuống dưới 0oC.
Protein lạ/ngoại lai
Ví dụ monellin là một loại protein được tìm thấy ở một loại cây ở châu Phi, được coi là chất ngọt nhân tạo cho con người.
Ở một số sinh vật biển như họ Trai tiết ra loại protein keo (glue protein), cho phép nó gắn chặt lên be mặt.
Lipid
Mặc dù không mang hoạt tính sinh học cao như protein nhưng lipid cũng đóng một vai trò đặc biệt trong hệ thống sống. Chúng là nhân tố chính tạo nên các màng sinh học mà nếu thiếu thì mọi hoạt động của protein sẽ không thể phối hợp nhịp nhàng.
Đơn vị cấu trúc của lipid là các acid béo. Mỗi acid béo được cấu tạo từ một mạch carbohydrate (gồm các nguyên tử c và H) gắn với một nhóm carboxyl có tính acid. Các acid béo khác nhau bởi độ dài của chúng, bởi sốlượng và vị trí các liên kết đôi. Các acid béo không có liên kết đôi được gọi là các acid béo bão hòa, các acid béo không bão hòa có ít nhất một liên kết đôi.
Kháng nguyên
Kháng thể
Hình 1.6. Sơ đồ biểu diễn của kháng thể và kháng nguyên. a: kháng thể gồm 4 chuỗi polypeptide. b: kháng thể kết hợp với kháng nguyên. c: kết hợp giữa kháng nguyên và kháng thể.
Màng sinh học có chức năng là giới hạn những vùng trao đổi chất và tham gia vào việc vận chuyển các chất. Màng sinh học cũng có khả năng chuyển đi những tín hiệu. Protein màng cũng có thể là các enzyme. Chức năng này được thể hiện ở màng trong của ty thể và lạp thể. Màng sinh học bao gồm lớp kép lipid với những protein phân bố ở trong đó (Hình 1.7)
Các lipid màng được hình thành từ một chuỗi dài acid béo nối với những nhóm có đặc tính ưa nước cao và được gọi là những phân tử lưỡng cực vì một đầu tương tác với nước, còn đầu kia thì kỵ nước.
Bảng 1.3. Cấu trúc một so acid béo tiêu biểu trong hệ thống sống
Công thức hóa học
Tên thường dùng
Acỉd béo bão hòa
CH3(CH2)1O cooh
Lauric
CH3(CH2)14 cooh
Palmitic
Acỉd béo không bão hòa
CH3(CH2)7CH=CH (CH2)7 cooh
Oleic
CH3(CH2)4 CH= ch- CH2 CH= ch (CH2)7 cooh
Linoleic
Oligosaccharide
Glycolipid Protein ngoại biên
Protein xuyên màng
Protein ưa nước
Protein xuyên màng
Gốc acid béo kỵ nước
Protein ngoại biên
L Đầu ưa nước
Lớp tách rời
Hình 1.7. Sơ đồ biểu diễn một đoạn cắt của màng sinh học
Polysaccharide
Các polysaccharide có nhiều chức năng quan trọng trong tế bào, chúng tham gia vào cấu tạo tế bào và là nguồn dự trữ năng lượng chủ yếu. Các polysaccharide được hình thành từ nhiều monomer, là các đường đơn giản (monosaccharide) nối với nhau bằng liên kết glycoside. Liên kết này được hình thành từ sự kết hợp giữa C1 của một phân tử đường với nhóm hydroxyl của phân tử kế tiếp.
Nguồn dự trữ tinh bột ở các tế bào động vật là glycogen, trong khi đó ở thực vật là tinh bột. Một polymer khác của glucose là cellulose thì tạo nên thành tế bào thực vật và là hợp chất hữu cơ hiện din nhiều nhất trong sinh quyển.
Chúng ta vừa điểm qua riêng rẽ từng thành phần cấu tạo tế bào chính. Trong thực tế, hoạt động của chúng phối hợp mật thiết với nhau. Các nucleic acid trong tế bào thường kết hợp chặt chẽ với các protein tạo thành nucleoprotein. DNA của tế bào eukaryote thì được bọc bởi những protein đặc hiệu là các histone. Màng tế bào cũng không phải chỉ có phospholipid, chính các protein gắn trong màng đã tạo ra những đặc trưng riêng của màng sinh học. Một điểm cần lưu ý là nếu như cấu trúc và các tính chất hóa lý của nucleic acid, lipid và polysaccharide tương đối đồng nhất thì các protein lại hết sức đa dạng cả về cấu trúc và chức năng. Một phân tử protein thường bao gồm nhiều vùng mang những đặc tính khác nhau: vùng ưa nước hay kỵ nước, vùng gắn một đường, vùng có hoạt tính xúc tác, vừng liên kết với nucleic acid hay với một protein khác. Từ mỗi chức năng của te bào, từ sự hình thành vật chất mang thông tin di truyền, truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hóa năng lượng, sự liên lạc giữa các tế bào... đều có sự tham gia của các protein. Điều kỳ diệu của sự sống là toàn bộ các hoạt động vô cùng đa dạng ấy được thực hiện bởi một phân tử duy nhất.
Tài liệu tham khảo/đọc thêm
Hồ Huỳnh Thùy Dương. 1998. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục, Hà Nội.
Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD. 2002. Molecular Biology of the Cell. 3rd ed. Garland Publishing, Inc. New York, USA.
Lewin B. 2000. Gene VII. Oxford University Press, Oxford, UK.
Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL and Darnell J. 2004. Molecular Cell Biology. 5th ed. WH Freeman and Company, New York, USA.
Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M and Loscik R. 2004. Molecular Biology of the Gene. The Benjamin Cummings/Cold Spring Habor Laboratory Press, San Francisco, CA, USA.
Weaver RF. 2003. Molecular Biology. 2nd ed. McGraw-Hill Company Inc. New York, USA.