Giáo trình Công nghệ Protein - Chương 1: Khái quát chung về Protein

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ Protein - Chương 1: Khái quát chung về Protein

1. ChươngChương 1:1: KHKHÁÁII QUQUÁÁTT CHUNGCHUNG VVỀỀ PROTEINPROTEIN 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 là 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. 1
2. 1.1.1.1. NhNhữữngng đđặặcc trưngtrưng chungchung ccủủaa nhnhóómm chchấấtt proteinprotein 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 2
3. 1.1.1.1. NhNhữữngng đđặặcc trưngtrưng chungchung ccủủaa nhnhóómm chchấấtt proteinprotein KhKhốốii lưlượợngng phânphân ttửử,, kýký hihiệệuu llàà MrMr ((đưđượợcc ttíínhnh bbằằngng Dalton)Dalton) ccủủaa ccáácc loloạạii proteinprotein thaythay đđổổii trongtrong nhnhữữngng gigiớớii hhạạnn rrấấtt rrộộngng,, thôngthông thưthườờngng ttừừ hhààngng trămtrăm chocho đđếếnn hhààngng tritriệệuu VVíí ddụụ:: insulininsulin ccóó khkhốốii lưlượợngng phânphân ttửử bbằằngng 5.733,5.733, glutamatglutamat dehydrogengenasedehydrogengenase trongtrong gangan bòbò ccóó khkhốốii lưlượợngng phânphân ttửử bbằằngng 1.000.0001.000.000 11 DaDa == 1212 CC 3
4. Khối lượng (Mr) và cấu trúc phân tử của một số protein protein Khối lượng số gốc số chuỗi (Dalton) amino polypepti Glucagon 3482 29acid de1 Insulin 5733 51 2 Ribonuclease (tụy bò) 12.640 124 1 Lysozyme (lòng trắng trứng) 13.930 129 1 Myoglobin (tim ngựa) 16.890 153 1 Chymotripsin (tụy bò) 22.600 241 3 Hemoglobin (người) 64.500 574 4 Albumin (huyết thanh người) 68.500 550 1 Hexokinase (men bia) 96.000 800 4 Tryptophan-synthetase (E.coli) 117.000 975 4 -globulin (ngựa) 149.000 1.250 4 Glycogen-phosphorylase (cơ thỏ) 495.000 4.100 4 Glutamate-dehydrogengenase (bò) 1.000.000 8.300 40 Synthetase của acid béo (men bia) 2.300.000 20.000 21 Virus khảm thuốc lá 40.000.000 336.500 2.130 4
5. 1.2.1.2. ÝÝ nghngh aa khoakhoa hh cc vvàà thth cc ĩĩ ọọ ựự titiễễnn ccủủaa nhnhóómm chchấấtt proteinprotein ProteinProtein thamtham giagia mmọọii hohoạạtt đđộộngng ssốốngng trongtrong cơcơ ththểể sinhsinh vvậậtt,, ttừừ viviệệcc thamtham giagia xâyxây dưngdưng ttếế bbààoo,, mômô,, đđếếnn thamtham giagia hohoạạtt đđộộngng xxúúcc ttáácc vvàà nhinhiềềuu chchứứcc năngnăng khkháácc v.vv.v CCùùngng vvớớii acidacid nucleic,nucleic, proteinprotein llàà cơcơ ssởở vvậậtt chchấấtt ccủủaa ssựự ssốốngng 5
6. II.II. PhânPhân loloạạii proteinprotein ProteinProtein ggồồmm hhààngng trămtrăm,, hhààngng ngngàànn aminoamino acidacid nnốốii vvớớii nhaunhau bbằằngng liênliên kkếếtt peptidepeptide ttạạoo nênnên mmộộtt hayhay nhinhiềềuu chuchuỗỗii polypeptidepolypeptide ccóó ccấấuu trtrúúcc rrấấtt phphứứcc ttạạpp CănCăn ccứứ ssựự ccóó mmặặtt hayhay vvắắngng mmặặtt ccủủaa mmộộtt ssốố ththàànhnh phphầầnn ccóó bbảảnn chchấấtt khôngkhông phphảảii proteinprotein mmàà ngưngườờii tata chiachia proteinprotein ththàànhnh haihai nhnhóómm llớớnn:: ProteinProtein đơnđơn gigiảảnn ProteinProtein phphứứcc ttạạpp 6
7. ProteinProtein nn gigi nn đđơơ ảả -là những phân tử mà thành phần cấu tạo của nó gồm hoàn toàn amino acid Vd: một số enzyme của tuỵ bò như ibonuclease 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. 7
8. ProteinProtein nn gigi nn đđơơ ảả -là những phân tử mà thành phần cấu tạo của nó gồm hoàn toàn amino acid Vd: một số enzyme của tuỵ bò như ibonuclease 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. 8
9. ProteinProtein nn gigi nn đđơơ ảả 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. 9
10. ProteinProtein phphứứcc ttạạpp Protein phức tạp là những protein mà thành phần phân tử của nó ngoài các - 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) 10
11. III.III. ChCh cc sinhsinh hh cc cc aa proteinprotein ứứ năngnăng ọọ ủủ Những quan điểm y học về protein 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. 11
12. III.III. ChCh cc sinhsinh hh cc cc aa proteinprotein ứứ năngnăng ọọ ủủ - Xúc tác và enzym (phần sau) - Những quan điểm y học về protein 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. 12
13. 2. Hình thành ch c m i trên c s c u trúc protein ứ năng ớ ơ ở ấ SSựự phpháátt tritriểểnn ccủủaa sinhsinh hhọọcc phânphân ttửử ddựựaa trêntrên lýlý thuythuyếếtt trungtrung tâmtâm ““DNADNA RNARNAProteinProtein”” NhưNhư vvậậyy,, ssựự bibiếếnn đđổổii DNADNA ssẽẽ ddẫẫnn đđếếnn ssựự bibiếếnn đđổổii ccấấuu trtrúúcc ccủủaa phânphân ttửử proteinprotein vvàà dodo đđóó chchứứcc năngnăng sinhsinh hhọọcc ccủủaa nnóó ssẽẽ bbịị bibiếếnn đđổổii kkééoo theotheo nhnhữữngng thaythay đđổổii ccóó liênliên quanquan đđếếnn totoàànn bbộộ cơcơ ththểể TrongTrong ququáá trtrììnhnh titiếếnn hohoáá ccủủaa sinhsinh vvậậtt ssựự hhììnhnh ththàànhnh vvàà ththííchch nghinghi mmộộtt chchứứcc năngnăng mmớớii didiễễnn rara ởở mmộộtt giaigiai đođoạạnn llịịchch ssửử lâulâu ddààii SSựự xuxuấấtt hihiệệnn mmộộtt proteinprotein mmớớii bibiếếnn ddạạngng ((mmấấtt hohoạạtt ttíínhnh hohoặặcc đđộộtt bibiếếnn ccấấuu trtrúúcc)) thưthườờngng luônluôn điđi kkèèmm bbệệnhnh ttậậtt 13
14. 3.3. SSựự xuxuấấtt hihiệệnn ccáácc proteinprotein bbệệnhnh lýlý YY hhọọcc llàà ngngàànhnh khoakhoa hhọọcc vvềề ssựự ssốốngng,, ngngààyy naynay vvớớii titiếếnn bbộộ ccủủaa khoakhoa hhọọcc,, nhnhữữngng hihiểểuu bibiếếtt vvềề bbệệnhnh lýlý ởở mmứứcc đđộộ phânphân ttửử đđãã vưvượợtt rara khkhỏỏii gigiớớii hhạạnn ccủủaa gigiảảii phphẩẩuu ttếế bbààoo hohoặặcc cơcơ quanquan SinhSinh hhọọcc phânphân ttửử rara đđờờii đđãã ttạạoo rara cucuộộcc ccááchch mmạạngng trongtrong ccáácc quanquan niniệệmm vvềề bbệệnhnh TTừừ đđóó,, ssựự phpháátt tritriểểnn ccủủaa bbệệnhnh hhọọcc phânphân ttửử luônluôn luônluôn điđi kkèèmm vvớớii sinhsinh hhọọcc phânphân ttửử SSựự bibiếếnn đđổổii ccấấuu trtrúúcc ccủủaa mmộộtt proteinprotein hayhay ssựự xuxuấấtt hihiệệnn ccáácc enzymeenzyme ccóó ccấấuu trtrúúcc bbấấtt thưthườờngng đđềềuu dodo yyếếuu ttốố didi truytruyềềnn gâygây nênnên DDựựaa theotheo ccáácc bibiểểuu hihiệệnn didi truytruyềềnn ngưngườờii tata chiachia ccáácc proteinprotein bbệệnhnh lýlý rara llààmm haihai loloạạii llớớnn:: 14
15. 3.3. SSựự xuxuấấtt hihiệệnn ccáácc proteinprotein bbệệnhnh lýlý a) Những biến đổi về số lượng của protein: 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 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: 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 15
16. 4. C u trúc và ch c c a protein mi n d ch. ấ ứ năng ủ ễ ị ThamTham giagia vvààoo hhệệ ththốốngng mimiễễnn ddịịchch ccóó nhinhiềềuu cơcơ quanquan,, nhinhiềềuu loloạạii ttếế bbààoo vvàà đđặặcc bibiệệtt nhinhiềềuu loloạạii proteinprotein ththựựcc hihiệệnn ccáácc chchứứcc năngnăng riêngriêng bibiệệtt ttạạoo nênnên hihiệệuu ququảả mimiễễnn ddịịchch đđặặcc hihiệệuu vvàà khôngkhông đđặặcc hihiệệuu CCáácc proteinprotein mimiễễnn đưđượợcc nhnhắắcc đđếếnn nhinhiềềuu hơnhơn ccảả llàà ccáácc khkháángng ththểể,, bbổổ ththểể vvàà ccáácc cytokine.cytokine. 16
17. 4. C u trúc và ch c c a protein mi n d ch. ấ ứ năng ủ ễ ị TrongTrong cơcơ ththểể ccóó nhnhữữngng proteinprotein llààmm nhinhiệệmm vvụụ vvậậnn chuychuyểểnn nhưnhư hemoglobin,hemoglobin, mioglobinmioglobin,, hemocianinhemocianin vvậậnn chuychuyểểnn O2,O2, CO2CO2 vvàà H+H+ điđi khkhắắpp ccáácc mômô,, ccáácc cơcơ quanquan trongtrong cơcơ ththểể NgoNgoààii rara còncòn ccóó nhinhiềềuu proteinprotein khkháácc nhưnhư lipoproteinlipoprotein vvậậnn chuychuyểểnn lipid,lipid, ceruloplasminceruloplasmin vvậậnn chuychuyểểnn đđồồngng (Cu)(Cu) trongtrong mmááuu v.vv.v MMộộtt trongtrong nhnhữữngng proteinprotein llààmm nhinhiệệmm vvụụ vvậậnn chuychuyểểnn đưđượợcc nhnhắắcc đđếếnn nhinhiềềuu nhnhấấtt đđóó llàà hemoglobin.hemoglobin. PhânPhân ttửử đưđượợcc ccấấuu ttạạoo ttừừ bbốốnn titiểểuu đơnđơn vvịị (subunit).(subunit). 17
18. CCấấuu trtrúúcc ccủủaa phânphân ttửử hemoglobinhemoglobin 18
19. 6. C u trúc ch c và vai trò c a lectin 6. ấ ứ năng ủ 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 - galactosidase. 19
20. 7. Nh ng ch c khác c a protein. ữ ứ năng ủ 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 20