Cấu trúc hoá học
-Thuộc loại đa phân tử, đơn phân là các axit amin.
-Từ 20 loại axit amin kết hợp với nhau theo những cách khác nhau tạo nên vô số loại prôtêin khác nhau (trong các cơ thể động vật, thực vật ước tính có khoảng 1014
Prôtêin có 4 bậc cấu trúc cơ bản:
o Cấu trúc bậc hai: là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptide trong không gian. Chuỗi polypeptide 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 hyđro giữa những axit 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.
o Cấu trúc bậc ba: 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 polypeptide.
Liên kết peptide (-CO-NH-) được tạo thành do phản ứng kết hợp giữa nhóm α – carboxyl của một acid amine này với nhóm α- amin của một acid amine khác, loại đi 1 phân tử nước. Sơ đồ phản ứng như sau:
Phân tử protein được cấu tạo từ 20 L-α-acid amine các amid tương ứng.
-Glutathione (tripeptide) : γ – glutamyl xistiein glyxin
Glutathione có trong tất cả các cơ thể sống, tham gia các phản ứng oxi hóa khử.
-Cacnoxin ( dipeptide) : β – alanine histidine
-Oxytocin và Vasopressin: là các notropeptide có cấu trúc có cấu trúc hóa học được biết sớm nhất và cũng đã được tổng hợp hóa học. oxytocin và vasopressin gồm 9 acid amine, trong phân tử có một cầu disulfua.
Tầm quan trọng của việc xác định cấu trúc bậc I của phân tử protein
-Cấu trúc bậc I là bản phiên dịch mã di truyền. Vì vậy, cấu trúc này nói lên quan hệ họ hàng và lịch sử tiến hóa của thế giới sống.
-Việc xác định được cấu trúc bậc I là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hóa học hoặc các biện pháp công nghệ sinh học.
Do cách liên kết giữa các acid amine để tạo thành chuỗi polipeptide, trong mạch dài polipeptide luôn lặp lại các đoạn -CO-NH-CH-
Mạch bên của các acid amine không tham gia tạo thành bộ khung của mạch, mà ở
bên ngoài mạch polipeptide.
Kết quả nghiên cứu của Paulin và Cori (Linus Pauling, Robert Corey 1930) và những người khác cho thấy nhóm peptide (-CO-NH-CH- ) là phẳng và “cứng”.
H của nhóm -NH- luôn ở vị trí trans so với O của nhóm carboxyl. Nhưng nhóm peptide có cấu trúc hình phẳng, nghĩa là tất cả các nguyên tử tham gia trong liên kết peptide nằm trên cùng một mặt phẳng. Paulin và Cori đã xác định được khoảng cách giữa N và C của liên kết đơn (1,46 AO) và khoảng cách giữa C và N trong không gian. Trong liên kết đôi -C=N-, khoảng cách này là 1,27 AO. Như vậy, liên kết peptide có một phần của liên kết đôi, có thể hình thành dạnh enol như sau:
-C-N- C=N-
Trong tế bào protein thường tồn tại ở các bậc cấu trúc không gian. Sau khi chuỗi polypeptid – protein bậc I được tổng hợp tại ribosome, nó rời khỏi ribosome và hình thành cấu trúc không gian (bậc II, III, IV) rồi mới di chuyển đến nơi sử dụng thực hiện chức năng của nó.
Theo Paulin và Cori (1951), có 2 kiểu cấu trúc chính là xoắn α và phiến gấp nếp β.
Tất cả các nhóm -CO-, -NH- trong liên kết peptide của mạch polipeptide đều tạo thành liên kết hidro theo cách này.
Tỉ lệ % xoắn α trong phân tử protein khác nhau thay đổi khá nhiều.
Khi tạo thành cấu trúc xoắn α, khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang bên phải tăng lên, vì thế có thể dựa vào tình chất này để xác định % xoắn trong phân tử protein.
Cấu trúc phiến gấp β (β sheet)
Cấu trúc phiến gấp β tìm thấy trong fiborin của tơ, nó khác với xoắn α ở một số điểm như sau:
+Đoạn mạch polipeptide có cấu trúc phiến gấp β thường duỗi dài ra chú không cuộn xoắn chặt như xoắn α. Khoảng cách giữa 2 gốc acid amine kề nhau là 3,5AO.
Trong phân tử của nhiều protein hình cầu cuộn chặt, còn gặp kiểu cấu trúc “quay- β”. Ở đó mạch polipeptide bị đảo hướng đột ngột. Đó là do tạo thành liên kết hidro giữa nhóm -CO của liên kết peptide thứ n với nhóm -NH của liên kết peptide thứ n+2
-Cấu trúc kiểu “xoắn colagen”
3 mạc polipeptide trong “dây cáp” nối với nhau bằng các liên kết hidro.
Ngoài các kiểu cấu trúc bậc II trên, trong phân tử của nhiều protein hình cầu còn có các đoạn mạch không cấu trúc xoắn, phần vô định hoặc cuộn lộn xộn.
Cấu trúc bậc ba là dạng không gian của cấu trúc bậc hai, làm cho phân tử protein có hình dạng gọn hơn trong không gian. Sự thu gọn như vậy giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống. Cơ sở của cấu trúc bậc ba là liên kết disulfid. Liên kết được hình thành từ hai phân tử cystein nằm xa nhau trên mạch peptid nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian do sự cuộn lại của mạch oevtid. Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững.
Ngoài liên kết disulfit, cấu trúc bậc ba còn được ổn định (bền vững) nhờ một số liên kết khác như:
Domain cấu trúc (Structural domain) được nghiên cứu từ 1976, đến nay người ta cho rằng sự hình thành domain rất phổ biến ở các chuỗi peptid tương đối dài.
Phân tử protein có cấu trúc bậc IV có thể phân li thuận nghịch thành các tiểu phần đơn vị. Khi phân li, hoạt tính sinh học của nó bị thay đổi hoặc có thể mất hoàn toàn. Do tồn tại tương tác giữa các tiểu phần đơn vị nên khi kết hợp với một chất nào đó dù là phân tử bé cũng kéo theo những biến đổi nhất định trong cấu trúc không gian của chúng.
Ví dụ về cấu trúc bậc bốn:
-Protein được hình thành từ hàng chục đến hàng trăm các gốc acid amine.
Cấu trúc của protein:
-Cấu trúc bậc I:
+Thành phần và trình tự sắp xếp của các acid amin trong mạch polypeptide gọi là cấu trúc bậc I của protein.
+Liên kết trong cấu trúc bậc I là liên kết peptide giữa các acid amin.
-Cấu trúc bậc II:
+Pauling và Corsy(1955) : cho rằng mỗi vòng xoắn chứa 3,6 acide amin.
-Cấu trúc bậc III:
+xoắn α lại tự xoắn cuộn gập trong không gian tạo thành dạng hình cầu hay slípoit- cấu trúc bậc 3.
-Cấu trúc bậc IV:
+ Cấu trúc tổ hợp của 2 hay nhiều tiểu đơn vị (polypeptide) cấu trúc bậc 3 tạo thành.
+Hình thành và ổn định nhờ các lực tương tác các nhóm bên phân bố trên bề mặt các tiểu đơn vị, liên kết hydro, liên kết kị nước hoặc các loại liên kết mạnh hơn như liên kết ester, liên kết disfide,…