Protein là một trong những yếu tố hữu cơ quan trọng của bất kỳ tế bào sống nào của cơ thể. Chúng thực hiện nhiều chức năng: hỗ trợ, tín hiệu, enzym, vận chuyển, cấu trúc, thụ thể, … Cấu trúc sơ cấp, thứ cấp, bậc ba và bậc bốn của protein đã trở thành những cơ chế thích nghi tiến hóa quan trọng. Những phân tử này được làm bằng gì? Tại sao cấu trúc chính xác của protein trong tế bào của cơ thể lại quan trọng đến vậy?
Thành phần cấu trúc của protein
Các đơn phân của bất kỳ chuỗi polypeptit nào đều là axit amin (AA). Các hợp chất hữu cơ trọng lượng phân tử thấp này khá phổ biến trong tự nhiên và có thể tồn tại dưới dạng các phân tử độc lập thực hiện các chức năng riêng của chúng. Trong số đó có việc vận chuyển các chất, tiếp nhận, ức chế hoặc hoạt hóa các enzym.
Tổng cộng có khoảng 200 axit amin sinh học, nhưng chỉ 20 trong số đó có thể là đơn phân protein. Chúng dễ dàng hòa tan trong nước, có cấu trúc tinh thể và nhiều vị ngọt.
C hóaTheo quan điểm của AA, đây là những phân tử nhất thiết phải chứa hai nhóm chức: -COOH và -NH2. Với sự giúp đỡ của các nhóm này, các axit amin tạo thành chuỗi, kết nối với nhau bằng liên kết peptit.
Mỗi loại trong số 20 axit amin tạo protein có gốc riêng của nó, tùy thuộc vào đó mà tính chất hóa học khác nhau. Theo thành phần của các gốc như vậy, tất cả các AA được phân loại thành một số nhóm.
- Không phân cực: isoleucine, glycine, leucine, valine, proline, alanin.
- Phân cực và không tích điện: threonine, methionine, cysteine, serine, glutamine, asparagine.
- Thơm: tyrosine, phenylalanin, tryptophan.
- Phân cực và tích điện âm: glutamate, aspartate.
- Cực và tích điện dương: arginine, histidine, lysine.
Bất kỳ cấp độ tổ chức nào của cấu trúc protein (sơ cấp, thứ cấp, bậc ba, bậc bốn) đều dựa trên chuỗi polypeptit bao gồm AA. Sự khác biệt duy nhất là trình tự này được gấp lại trong không gian như thế nào và với sự trợ giúp của những liên kết hóa học nào, cấu trúc này được duy trì.
Cấu trúc cơ bản của protein
Bất kỳ loại protein nào cũng được hình thành trên ribosome - bào quan không có màng tế bào tham gia vào quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide. Tại đây, các axit amin được kết nối với nhau bằng cách sử dụng liên kết peptit mạnh, tạo thành cấu trúc chính. Tuy nhiên, cấu trúc protein cơ bản này rất khác so với cấu trúc protein bậc bốn, vì vậy cần phải trưởng thành thêm.
Protein nhưelastin, histones, glutathione, đã có cấu trúc đơn giản như vậy, có thể thực hiện các chức năng của chúng trong cơ thể. Đối với phần lớn các protein, bước tiếp theo là hình thành cấu trúc thứ cấp phức tạp hơn.
Cấu trúc protein thứ cấp
Sự hình thành liên kết peptit là bước đầu tiên trong quá trình trưởng thành của hầu hết các loại protein. Để chúng thực hiện các chức năng của mình, cấu trúc địa phương của chúng phải trải qua một số thay đổi. Điều này đạt được với sự trợ giúp của các liên kết hydro - mỏng manh, nhưng đồng thời có rất nhiều kết nối giữa các trung tâm axit và cơ bản của các phân tử axit amin.
Đây là cách cấu trúc bậc hai của protein được hình thành, khác với cấu trúc bậc bốn ở sự đơn giản của việc lắp ráp và cấu trúc cục bộ. Điều thứ hai có nghĩa là không phải toàn bộ chuỗi đều phải chịu sự biến đổi. Các liên kết hydro có thể hình thành ở một số vị trí có khoảng cách khác nhau và hình dạng của chúng cũng phụ thuộc vào loại axit amin và phương pháp lắp ráp.
Lysozyme và pepsin là những đại diện của protein có cấu trúc bậc hai. Pepsin tham gia vào quá trình tiêu hóa và lysozyme thực hiện chức năng bảo vệ cơ thể, phá hủy thành tế bào của vi khuẩn.
Đặc điểm của cấu trúc thứ cấp
Các cấu trúc cục bộ của chuỗi peptit có thể khác nhau. Vài chục loại đã được nghiên cứu, và ba trong số đó là phổ biến nhất. Trong số đó có chuỗi xoắn alpha, lớp beta và vòng xoắn beta.
Alpha xoắn ốc -một trong những dạng phổ biến nhất của cấu trúc bậc hai của hầu hết các protein. Nó là một khung thanh cứng với hành trình 0,54 nm. Các gốc axit amin hướng ra ngoài
Hình xoắn ốc thuận tay phải là phổ biến nhất và đôi khi có thể tìm thấy hình xoắn ốc thuận tay trái. Chức năng định hình được thực hiện bởi các liên kết hydro, giúp ổn định các lọn tóc. Chuỗi tạo nên chuỗi xoắn alpha chứa rất ít proline và axit amin tích điện phân cực.
- Lượt beta được tách biệt thành một cấu trúc riêng biệt, mặc dù nó có thể được gọi là một phần của lớp beta. Điểm mấu chốt là sự uốn cong của chuỗi peptit, được hỗ trợ bởi các liên kết hydro. Thông thường bản thân vị trí uốn cong bao gồm 4-5 axit amin, trong đó bắt buộc phải có sự hiện diện của proline. Khẩu AK này là khẩu duy nhất có khung cứng và ngắn, cho phép nó có thể tự chuyển hướng.
- Lớp beta là một chuỗi các axit amin tạo thành một số đoạn uốn cong và ổn định chúng bằng các liên kết hydro. Hình dạng này rất giống với một tờ giấy được gấp lại thành đàn accordion. Thông thường, các protein tích cực có hình dạng này, nhưng vẫn có nhiều trường hợp ngoại lệ.
Phân biệt giữa lớp beta song song và phản song song. Trong trường hợp đầu tiên, C- và N- kết thúc ở các khúc cua và ở các đầu của chuỗi trùng nhau, còn trong trường hợp thứ hai thì không.
Cấu trúc bậc ba
Bao bì protein hơn nữa dẫn đến sự hình thành cấu trúc bậc ba. Cấu trúc này được ổn định với sự trợ giúp của các liên kết hydro, disulfide, kỵ nước và ion. Số lượng lớn của chúng cho phép xoắn cấu trúc thứ cấp thành một cấu trúc phức tạp hơn.hình thành và ổn định nó.
Các protein hình cầu và hình sợi riêng biệt. Phân tử của peptit dạng cầu là một cấu trúc hình cầu. Ví dụ: albumin, globulin, histon trong cấu trúc bậc ba.
Các protein dạng sợi tạo thành các sợi chắc chắn, chiều dài vượt quá chiều rộng của chúng. Những protein như vậy thường thực hiện các chức năng cấu trúc và định hình. Ví dụ như fibroin, keratin, collagen, elastin.
Cấu trúc của protein trong cấu trúc bậc bốn của phân tử
Nếu một số tinh cầu kết hợp thành một phức hợp, cái gọi là cấu trúc bậc bốn được hình thành. Cấu trúc này không điển hình cho tất cả các peptit và nó được hình thành khi cần thực hiện các chức năng quan trọng và cụ thể.
Mỗi hạt cầu trong một protein phức tạp là một miền riêng biệt hoặc protomer. Nói chung, cấu trúc của protein thuộc cấu trúc bậc bốn của phân tử được gọi là oligomer.
Thông thường, một loại protein như vậy có một số cấu trúc ổn định liên tục thay đổi lẫn nhau, tùy thuộc vào tác động của bất kỳ yếu tố bên ngoài nào hoặc khi cần thực hiện các chức năng khác nhau.
Một điểm khác biệt quan trọng giữa cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein là các liên kết giữa các phân tử, có nhiệm vụ kết nối một số hạt cầu. Ở trung tâm của toàn bộ phân tử thường có một ion kim loại, ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành liên kết giữa các phân tử.
Cấu trúc protein bổ sung
Không phải lúc nào chuỗi axit amin cũng đủ để thực hiện các chức năng của protein. TẠITrong hầu hết các trường hợp, các chất khác có bản chất hữu cơ và vô cơ được gắn vào các phân tử như vậy. Vì đặc điểm này là đặc trưng của số lượng enzyme áp đảo, thành phần của protein phức tạp thường được chia thành ba phần:
- Apoenzyme là phần protein của phân tử, là một chuỗi axit amin.
- Coenzyme không phải là protein, mà là một phần hữu cơ. Nó có thể bao gồm nhiều loại lipid, carbohydrate, hoặc thậm chí cả axit nucleic. Điều này bao gồm các đại diện của các hợp chất hoạt tính sinh học, trong số đó có các vitamin.
- Cofactor - một phần vô cơ, được đại diện trong phần lớn các trường hợp bởi các ion kim loại.
Cấu trúc của protein trong cấu trúc bậc bốn của một phân tử đòi hỏi sự tham gia của một số phân tử có nguồn gốc khác nhau, vì vậy nhiều enzym có ba thành phần cùng một lúc. Một ví dụ là phosphokinase, một loại enzym đảm bảo việc chuyển nhóm photphat từ phân tử ATP.
Cấu trúc bậc bốn của phân tử protein được hình thành ở đâu?
Chuỗi polypeptit bắt đầu được tổng hợp trên ribosome của tế bào, nhưng quá trình trưởng thành của protein xảy ra ở các bào quan khác. Phân tử mới được hình thành phải đi vào hệ thống vận chuyển, bao gồm màng nhân, ER, bộ máy Golgi và các lysosome.
Sự phức tạp của cấu trúc không gian của protein xảy ra trong lưới nội chất, nơi không chỉ hình thành các loại liên kết khác nhau (hydro, disulfide, kỵ nước, liên phân tử, ion) mà còn có thêm coenzyme và cofactor. Điều này tạo thành một bậc bốncấu trúc protein.
Khi phân tử hoàn toàn sẵn sàng hoạt động, nó sẽ đi vào tế bào chất của tế bào hoặc bộ máy Golgi. Trong trường hợp thứ hai, các peptit này được đóng gói thành các lysosome và vận chuyển đến các ngăn khác của tế bào.
Ví dụ về protein oligomeric
Cấu trúc bậc bốn là cấu trúc của protein, được thiết kế để góp phần thực hiện các chức năng quan trọng trong cơ thể sống. Cấu trúc phức tạp của các phân tử hữu cơ cho phép, trước hết, ảnh hưởng đến công việc của nhiều quá trình trao đổi chất (enzym).
Protein quan trọng về mặt sinh học là hemoglobin, chất diệp lục và hemocyanin. Vòng porphyrin là cơ sở của các phân tử này, ở trung tâm của chúng là một ion kim loại.
Huyết sắc tố
Cấu trúc bậc bốn của phân tử protein hemoglobin bao gồm 4 hạt cầu nối với nhau bằng liên kết giữa các phân tử. Ở trung tâm là một porphin với một ion đen. Protein được vận chuyển trong tế bào chất của hồng cầu, nơi chúng chiếm khoảng 80% tổng thể tích của tế bào chất.
Cơ sở của phân tử là heme, có bản chất vô cơ hơn và có màu đỏ. Nó cũng là sản phẩm phân hủy chính của hemoglobin trong gan.
Chúng ta đều biết rằng hemoglobin thực hiện một chức năng vận chuyển quan trọng - chuyển oxy và carbon dioxide đi khắp cơ thể con người. Cấu trúc phức tạp của phân tử protein tạo thành các trung tâm hoạt động đặc biệt, có khả năng liên kết các khí tương ứng với hemoglobin.
Khi phức hợp protein-khí được hình thành, cái gọi là oxyhemoglobin và carbohemoglobin được hình thành. Tuy nhiên, còn mộtmột loạt các liên kết như vậy, khá ổn định: carboxyhemoglobin. Nó là một phức hợp của protein và carbon monoxide, sự ổn định của nó giải thích cho các cuộc tấn công nghẹt thở với độc tính quá mức.
Diệp lục
Một đại diện khác của protein có cấu trúc bậc bốn, có liên kết miền đã được hỗ trợ bởi ion magiê. Chức năng chính của toàn bộ phân tử là tham gia vào quá trình quang hợp ở thực vật.
Có nhiều loại diệp lục khác nhau, khác nhau ở các gốc của vòng porphyrin. Mỗi giống này được đánh dấu bằng một chữ cái riêng của bảng chữ cái Latinh. Ví dụ, thực vật trên cạn được đặc trưng bởi sự hiện diện của chất diệp lục a hoặc chất diệp lục b, trong khi tảo cũng chứa các loại protein này.
Hemocyanin
Phân tử này là một chất tương tự của hemoglobin ở nhiều động vật bậc thấp (động vật chân đốt, động vật thân mềm, v.v.). Sự khác biệt chính trong cấu trúc của protein có cấu trúc phân tử bậc bốn là sự hiện diện của ion kẽm thay vì ion sắt. Hemocyanin có màu hơi xanh.
Đôi khi mọi người tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta thay thế hemoglobin của con người bằng hemocyanin. Trong trường hợp này, hàm lượng thông thường của các chất trong máu, và đặc biệt là các axit amin, bị xáo trộn. Hemocyanin cũng không ổn định để tạo phức với carbon dioxide, vì vậy "máu xanh" sẽ có xu hướng hình thành cục máu đông.
