cẤu trÚc vÀ chỨc nĂng cỦa protein

Dịch từ “Molecular biology-understanding the genetic revolution” của David D. Clark bởi Đặng Xuân Nghiêm, Trần Hoài Nam, Nguyễn

Thanh Sang và Phạm Công Vũ – 2010. (Không được dùng cho mục đích xuất bản, thương mại).

1

CHƯƠNG 7: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

Protein được cấu thành từ amino acid

Hai mươi amino acid cấu thành các chuỗi polypeptide sinh học

Những amino acid cho thấy sự bất đối quanh carbon alpha

Cấu trúc của protein phản ánh bốn cấp độ tổ chức

Cấu trúc bậc hai của protein hình thành dựa vào liên kết hydro

Cấu trúc bậc ba của protein

Rất nhiều lực tham gia duy trì cấu trúc 3-D của protein

Cysteine tạo thành các liên kết disulfide

Nhiều vùng cuộn gấp trong những protein lớn

Cấu trúc bậc 4 của protein:

Cấu trúc lắp ráp ở cấp độ cao và quá trình tự lắp ráp

Các cofactor và các ion kim loại thường được liên kết với protein

Nucleoprotein, lipoprotein và glycoprotein là các protein kết hợp

Bộ máy protein

Enzyme xúc tác phản ứng chuyển hóa

Các mức độ đặc hiệu của enzyme rất đa dạng:

Mô hình ổ khóa-chìa khóa và mô hình khớp cảm ứng miêu tả mối tương tác giữa

enzyme và cơ chất

Enzyme hoạt động bằng việc giảm năng lượng hoạt hóa

Tốc độ phản ứng của enzyme

Những chất chất đồng hình với cơ chất ức chế hoạt động của enzyme tại trung tâm

hoạt động

Enzyme có thể được điều hòa trực tiếp

Enzyme dị lập thể bị ảnh hưởng bởi phân tử tín hiệu

Enzymes có thể được kiểm soát bởi những biến đổi hóa học

Protein kết hợp với DNA theo một vài cách khác nhau

Sự biến tính protein



2

Protein được cấu thành từ amino acid

Các nucleic acid DNA và RNA phần lớn liên quan đến việc lưu trữ và truyền

thông tin di truyền, và vì vậy được gọi là các đại phân tử thông tin. Ngược lại, protein là

các polymer sinh học thực hiện hầu hết các chức năng thông thường của tế bào. Một số

protein là phân tử cấu trúc hay tham gia vào việc duy trì hình dạng tế bào và thực hiện

việc vận động của tế bào; một số khác tham gia vận chuyển chất dinh dưỡng và chất thải;

số khác nữa thực hiện chức năng xúc tác thông qua việc tổng hợp năng lượng và thực

hiện các phản ứng sinh hóa, bao gồm việc tổng hợp nucleotide và lắp ráp chúng thành

nucleic acid.

Những phân tử DNA và mRNA với chức năng chính là mang thông tin di truyền

là những đại phân tử mạch thẳng với cấu trúc lặp lại đều đặn.[Chú ý là điều ngược lại

không đúng: có một cấu trúc dạng thẳng, lặp đi lặp lại chưa chắc đã mang thông tin di

truyền như chất dẻo, polyethylen và một vài cấu trúc của protein như collagen cũng thuộc

loại kiểu cấu trúc này]. Những phân tử cấu trúc và chức năng vận chuyển và/hoặc là

enzyme thường cuộn gấp lại thành cấu trúc bậc ba (3-D). Chúng bao gồm protein và một

số phân tử RNA như: rRNA và tRNA. Tuy nhiên cả protein và phân tử RNA uốn nếp đều

cấu tạo từ polymer thẳng đầu tiên về sau mới gấp lại.

Protein bao gồm một chuỗi đơn phân mạch thẳng, được biết đến là các axít amin,

và uốn nếp tạo nhiều hình dạng 3-D phức tạp. Một chuỗi amino acid được gọi là một

chuỗi polypeptide. Sự khác biệt giữa một chuỗi polypeptide và protein là gì? Thứ nhất,

một số protein bao gồm nhiều hơn một chuỗi polypeptide và thứ hai, nhiều protein

có chứa các thành phần bổ sung như các ion kim loại hoặc các phân tử hữu cơ nhỏ được

biết đến là cofactor, thêm vào phần polypeptide (xem bên dưới).

Sự hình thành các chuỗi polypeptide

Hai mươi amino acid khác nhau được sử dụng để cấu thành các protein. Tất cả

các amino acid đều có một nguyên tử cacbon trung tâm, các carbon alpha, bao quanh bởi

một nhóm amino, một nhóm carboxyl, một nguyên tử hydro và một chuỗi bên hoặc

nhóm-R, như trong hình 7.01A (proline là một trường hợp ngoại lệ, xem dưới đây).

Amino acid đơn giản nhất là glycine (Hình 7.01B), trong đó gốc R chỉ là một nguyên tử

hydro duy nhất. Trong dung dịch, ở điều kiện sinh lý, các nhóm amin và nhóm carboxyl



3

của các amino acid đều bị ion hóa, tạo thành phân tử lưỡng cực hay ion lưỡng cực với

một cực tích điện dương và một cực tích điện âm (Hình 7.01C).

Amino acid được nối với nhau bằng liên kết peptide (Hình 7.02) để tạo thành một

chuỗi polypeptide. Amino acid đầu tiên trong chuỗi có nhóm amino (-NH2) tự do và đầu

này được gọi là đầu amino hay đầu N của chuỗi polypeptide. Amino acid cuối cùng được

gắn vào chuỗi với một nhóm carboxyl (-COOH) tự do, do đó đầu đó được gọi là đầu

carboxyl hay đầu C. Khi tổng hợp, polypeptide được kéo dài từ đầu amino (N) về phía

đầu carboxyl (C).



4

Hai mươi amino acid cấu thành các chuỗi polypeptide sinh học



5

Hai mươi amino acid thấy trong protein có nhiều nhóm hóa học khác nhau (Hình

7.03). Khả năng hình thành nhiều monomer khác nhau làm thành tập hợp các protein rất

đa năng, với nhiều đặc tính và khả năng, bao gồm rất nhiều cấu hình 3-D có thể khác

nhau. Các amino acid có thể được phân chia thành các nhóm dựa vào các đặc điểm lý hóa

của chúng. Sự phân chia cơ bản chia chúng thành nhóm có nhóm bên (R-group) ưa nước

(hydrophilic) và nhóm có nhóm bên kỵ nước (hydrophobic). Glycine có nhóm bên là một

nguyên tử hydro, nên nó không thực sự phù hợp một nhóm nào trong hai nhóm kể trên.

Các amino acid ưa nước có thể được chia thành nhóm kiềm, axít và trung tính.

Các amino acid kiềm góp điện tích dương cho protein trong khi các gốc axít cung cấp

điện tích âm. Chính xác hơn, việc tích điện này chỉ đúng trong dung dịch ở khoảng pH

sinh lý. Các gốc trung tính có các chuỗi bên có khả năng hình thành các liên kết hydro.

Nhóm bên của các amino acid ưa nước mang các nhóm hóa học có thể tham gia trong các

phản ứng. Vị trí hoạt động của các enzyme (xem dưới đây) thường chứa serine,

histidine, amino acid kiềm và các amino acid axít.

Các amino acid kỵ nước có thể được chia thành nhóm các amino acid béo (Ala,

Leu, Ile,Val, Met) và nhóm có vòng thơm (Phe, Trp và Tyr). Các amino acid này phần

lớn có chức năng cấu trúc, ngoại trừ tyrosine trong đó có một nhóm hydroxyl đính vào

vòng thơm và do đó có thể tham gia vào một loạt các phản ứng. Việc phân loại tyrosine

còn nhập nhằng vì nó có nhóm hydroxyl có bản chất là phân cực. Proline có vòng không

thơm, nói đúng, nó là imino acid (chứ không phải là amino acid) vì nó có một nhóm-NH-

(imino) như là một phần của một vòng (thay vì một nhóm amin tự do).

Hai trong số các amino acid kỵ nước, Met và Cys, chứa lưu huỳnh. Khi một chuỗi

polypeptide lần đầu tiên tổng hợp, methionine luôn luôn là amino acid đầu tiên, mặc dù

nó có thể được cắt ra sau đó. Cysteine quan trọng với cấu trúc 3-D vì nó tạo ra liên kết

disulfide (xem dưới đây). Các nhóm sulfhydryl tự do của cysteine rất dễ tham gia phản

ứng và thường được sử dụng trong các vị trí hoạt động enzyme hoặc để liên kết với các

nhóm chất hóa học khác nhau vào protein.

Hai mươi amino acid khác nhau thấy trong các protein có thể được viết tắt bằng

hệ thống ba chữ cái và hệ thống một chữ cái (bảng 7.01). Chữ viết tắt các amino acid

thường là (những) chữ cái đầu của tên, nhưng một số amino acid đôi khi bắt đầu với cùng



6

một chữ của bảng chữ cái, những chữ khác cần một chút trí tưởng tượng. Chúng đặc biệt

được sử dụng khi viết ra các trình tự protein. Các amide, asparagine and glutamine, tương

đối không ổn định và bị phá vỡ một cách dễ dàng thành các axit tương ứng, là aspartate

và glutamate. Do đó, khi phân tích, nhiều nhà khoa học không phân biệt các amino acid

axit với amide của chúng. Các chữ viết tắt Asx và Glx đã được phát minh để biểu thị

chung cho các cặp không rành mạch này.

Những amino acid cho thấy sự bất đối quanh carbon alpha

Ngoài glycine, các amino acid có bốn nhóm hóa học khác nhau xung quanh các

nguyên tử carbon alpha trung tâm. Carbon này được gọi là chiral hoặc trung tâm bất đối

xứng (Hình 7.04). Do đó các amino acid như vậy tồn tại hai dạng đồng phân đối xứng

qua gương với đặc tính đối xứng hay chiều khác nhau. Một cặp đồng phân qua gương,

được biết đến như enantiomers hoặc đồng phân quang học. Chúng được gọi là dạng L

và D.

Việc phân chia thành kiểu L và D dựa vào việc các phân tử bất đối xứng làm quay

mặt phẳng phân cực ánh sáng sang hoặc bên trái (L = levorotatory ) hoặc bên phải (D =

dextrorotatory) (Xem thêm về mặt phẳng phân cực ánh sáng:

http://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves);

http://www.chemguide.co.uk/basicorg/isomerism/polarised.html#top). Sự quay quang

học bị triệt tiêu khi dạng L và D cùng có mặt với lượng tương đương. Một hỗn hợp bằng

nhau của đồng phân L và D được biết đến như một hỗn hợp đẳng quang (racemic

mixture) và enzyme chuyển đổi qua lại giữa đồng phân D và L của phân tử được gọi là

racemases. Một phân tử có nhiều các trung tâm bất đối xứng, chẳng hạn như một chuỗi

polypeptide, sẽ có thể có nhiều đồng phân lập thể, vì mỗi trung tâm có thể tồn tại dưới

dạng cấu tạo L hoặc D.

(http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization)

Tất cả các amino acid được tìm thấy trong protein là dạng L. Mặc dù L- axit min

đôi khi được gọi là đồng phân "tự nhiên", D- amino acid có tồn tại trong tự nhiên. Các



7

peptidoglycan trong vách tế bào vi khuẩn chứa vài loại D- amino acid khác nhau, và một

số kháng sinh peptide được amino acid.



8

Cấu trúc của protein phản ánh bốn cấp độ tổ chức

Các chuỗi polypeptide thẳng phải được cuộn gấp thành cấu trúc 3-D để có thể

thực hiện đúng chức năng. Hơn nữa, nhiều protein được tạo thành từ nhiều hơn một chuỗi

polypeptide và cũng có nhiều protein còn có thêm các cofactor hay nhóm ngoại

(prosthetic group) là các phân tử kết hợp có bản chất không phải là amino acid. Cấu

trúc cuối cùng của một protein được xác định bởi trình tự amino acid của nó, do đó,

protein với các trình tự protein tương đồng sẽ có cấu hình 3-D tương tự.

Polypeptide điển hình dài khoảng 300-400 amino acid. Polypeptide ngắn hơn

nhiều hoặc lớn hơn nhiều ít phổ biến hơn. Tuy nhiên, nhiều hormone và các yếu tố tăng

trưởng, chẳng hạn như insulin, lại cấu tạo bởi các chuỗi polypeptide tương đối ngắn. Một

polypeptide đặc biệt với hơn một nghìn amino acid là rất hiếm và các protein rất lớn có

xu hướng cấu thành bởi vài chuỗi polypeptide riêng biệt nhiều hơn là một chuỗi đơn dài.

Cấu trúc của các đại phân tử sinh học, cả protein và nucleic acid, thường chia

thành bốn cấp độ tổ chức.

1. Cấu trúc bậc một là trình tự của các monomer: tức là trình tự của các

amino acid trong một protein hay của các nucleotide trong DNA hoặc

RNA.

2. Cấu trúc bậc hai là cấu trúc gấp hay vặn xoắn của các chuỗi polymer

nhờ liên kết hydro Trong trường hợp của protein, các liên kết hydro

hình thành giữa các nguyên tử của xương sống polypeptide (trong nhóm

peptide).

3. Cấu trúc bâc 3 là cấu trúc gấp hơn nữa tạo thành cấu trúc không gian 3

chiều cuối cùng của một polymer. Trong trường hợp protein, điều này

liên quan đến tương tác giữa nhóm R của các axit amin.

4. Cấu trúc bậc 4 là do sự lắp ghép các chuỗi polypeptide đơn để tạo

thành cấu trúc cuối cùng.



9

Cấu trúc bậc hai của protein hình thành dựa vào liên kết hydro

Theo định nghĩa, cấu trúc bậc 2 là sự cuộn gấp chỉ phụ thuộc vào liên kết

hydro. Trong DNA, liên kết hydro do bắt cặp bổ sung là nền tảng của chuỗi xoắn kép

helix. Trong protein, liên kết hydro tạo thành cấu trúc bậc hai xảy ra giữa các nhóm

peptide làm xương sống của các polypeptide (hình 7.05). Các chuỗi polypeptide phải

được cuộn gấp lại để mang hai nhóm peptide sát với nhau. Các hydro trên nitơ của một

nhóm peptide sau đó liên kết với oxy của nhóm kia. [Chú ý rằng liên kết hydro cũng góp

phần tạo nên cấu trúc bậc 3, nhưng ở đây liên kết hydro không phải là liên kết duy nhất

hoặc thậm chí là liên kết chính tham gia tạo thành cấu trúc đó.]

Hầu hết các cấu trúc bậc 2 trong protein thuộc một trong hai của cấu trúc bậc hai là

chuỗi xoắn alpha (α-/ alpha helix) và nếp gấp beta (β- /beta sheet). Cả hai cấu trúc đều

cho phép tạo thành lượng liên kết hydro tối đa có thể và do đó rất ổn định.



10

Trong một chuỗi xoắn α-helix (Hình 7.06), một chuỗi polypeptide đơn được cuộn

xoắn thành xoắn phải và liên kết hydro chạy theo chiều dọc lên xuống, song song với trục

xoắn. Trong thực tế, các liên kết hydro trong một chuỗi xoắn a-helix không phải là song

song với trục. nó hơi nghiêng so với trục xoắn vì có 3,6 amino acid cho mỗi vòng chứ

không phải là số nguyên. Chiều dài của một vòng xoắn là 0,54 nm và chiều cao của một

amino acid là 0,15 nm.

Các liên kết hydro giữ các vòng xoắn kế tiếp nhau của các chuỗi xoắn helix, và

chúng chạy từ nhóm C=O của một amino acid đến nhóm N-H của amino acid thứ 4 phía

dưới trong chuỗi. Chuỗi xoắn kép helix rất ổn định bởi vì tất cả các nhóm peptide (-NH-

CO-) đều tham gia vào hai liên kết hidro; một ở trên, một ở dưới dọc theo trục xoắn.

Chuỗi xoắn phải là ổn định nhất cho các L- axit amin. (một chuỗi xoắn ổn định không

thể được hình thành với cả D- và L- amino acid mặc dù xoắn bên trái có thể xoắn ổn định

về mặt lí thuyết khi được hình thành từ các D- axít amin.

Các nhóm R quay ra phía ngoài của xương sống peptide được gói chặt của chuỗi

polypeptide. Trong số 20 axit amin, Ala, Glu, Leu và Met là các amino acid hình thành

chuỗi xoắn alpha tốt nhưng nhưng Tyr, Ser, Gly và Pro thì không. Proline là hoàn toàn

không phù hợp với một chuỗi xoắn alpha, do cấu trúc của nó là dạng vòng tròn cứng

nhắc. Hơn nữa, khi proline có mặt trên chuỗi polypeptide, nó không còn nguyên tử

hydro nào trên nguyên tử nitơ tham gia liên kết peptide. Do đó, proline làm gián đoạn

các kiểu liên kết hydro. Ngoài ra, hai gốc amino acid cồng kềnh hay hai gốc có cùng

điện tích nằm cạnh nhau trong các chuỗi polypeptide sẽ không khớp vào một chuỗi

xoắn alpha. Nhìn chung, các chuỗi xoắn alpha tạo thành các gậy rắn hình trụ.

Các nếp gấp beta cũng được tổ chức với nhau bởi liên kết hydro giữa các nhóm

peptide nhưng trong trường hợp này chuỗi polypeptide được gấp ngược lại trên chính

nó để cho ra các cấu trúc mặt phẳng dẹt gấp kiểu zig-zag (Hình 7.07). Cũng giống như

các chuỗi xoắn alpha các nếp gấp beta cũng rất ổn định bởi vì tất cả các nhóm peptide

(ngoại trừ nhóm trên mép của dải) đều tham gia vào hai liên kết hydro. Trong các nếp

gấp beta các liên kết hydro hướng về hai bên cạnh nhóm peptide, mỗi liên kết một bên.

Trong cấu trúc beta- sheet, các đoạn của chuỗi polypeptide thường nằm cạnh nhau theo

kiểu, mặc dù không luôn luôn, đối song và nhóm R- nằm xen kẽ ở trên và dưới các mặt

phẳng zig -zag của nếp gấp beta.



11

Có nhiều dạng cấu hình beta – sheet đã biết. Mặc dù một số nếp gấp beta là

phẳng, hầu hết các gấp nếp beta được biết đến nhiều lại xoắn theo chiều phải nên các

dải cấu trúc beta không phải là phẳng mà cong. Trong một số trường hợp các nếp gấp

beta cong vòng xung quanh để sợi cuối liên kết với sợi đầu, tạo thành một cấu trúc như

là cái thùng.

Một cấu trúc quay ngược (cũng được biết như đoạn β-turn hay β-bend) là nơi

mà các chuỗi polypeptide quay ngược lại. Dải beta đảo ngược ở cuối của từng phân đoạn,

nhưng cũng tìm thấy ở những nơi khác. Pro và Gly thường được tìm thấy trong các đoạn

quay đảo ngược. Những vùng của protein không có dạng cấu trúc bậc hai gọi là xoắn

ngẫu nhiên-“random coil” mặc dù chúng không thực sự ngẫu nhiên mà chỉ là các cấu

trúc lặp không đều đặn.



12



13

Cấu trúc bậc ba của protein

Sự cuộn gấp thêm hơn nữa của chuỗi polpeptide tạo thành cấu trúc bậc 3. Trong

một nucleic acid cấu trúc bậc ba là do siêu xoắn tạo thành. Trong một protein, chuỗi

polypeptide, với các đoạn chuỗi xoắn alpha và nếp gấp beta, cuộn gấp lại để tạo thành

cấu trúc 3-D cuối cùng. Nhìn chung, các chuỗi polypeptide với trình tự các chuỗi amino

acid tương tự sẽ uốn gấp để tạo ra cấu trúc 3-D giống nhau. Uốn gấp cấu trúc bậc 3 phụ

thuộc vào sự tương tác giữa các nhóm bên của mỗi amino acid riêng biệt. Vì có 20 amino

acid khác nhau nên có thể có một lượng lớn có cấu trúc 3-D có thể, mặc dù hầu hết các

polypeptide là hình cầu.

Các mô đun xoắn alpha và nếp gấp beta là dạng cấu trúc cơ bản của protein (hình

7.09). Chúng được liên kết bởi các vòng của xoắn ngẫu nhiên (random coil) với độ dài

khác nhau. Nhiều trong số các vòng xoắn ngẫu nhiên nằm ở bề mặt của protein, tiếp xúc

với một dung môi và phần lớn chứa các gốc tích điện hay phân cực. Các cấu trúc vòng

cứng nhắc của proline làm quay xương sống của chuỗi polypeptide một góc khoảng 900.

Do đó, proline phá vỡ cấu trúc bậc 2, góp phần vào hình thành các khúc cong/đoạn đổi

hướng để các cấu trúc bậc 2 cuộn gấp thành cấu trúc bậc 3. Khi nghiên cứu cấu trúc 3-D

của protein, người ta thấy hàng ngàn protein có trong thực tế đều có cấu tạo từ một số

kiểu-motif cấu trúc xác định. Motif cấu trúc như vậy thường bao gồm một số đoạn xoắn

alpha và/hoặc một số beta-sheet tạo thành một cấu trúc hữu ích và dễ nhận biết (hình

7.10).

Việc cuộn gấp thành cấu trúc 3-D chủ yếu là do hoạt động của hai yếu tố. Nhiều

amino acid có nhóm R rất dễ hòa tan trong nước (ưa nước). Những chuỗi bên này

“thích” nằm ở trên bề mặt của phân tử protein nơi chúng có thể hòa tan vào nước xung

quanh protein và tạo liên kết hidro với phân tử nước. Ngược lại, các nhóm R đẩy nước

(kỵ nước) tụm vào nhau bên trong phân tử protein, tránh xa nước (hình 7.11). Các phân

tử kỵ nước có tính chất của chất béo và không hòa tan. Sắp xếp này được biết đến như là

những cấu trúc kiểu giọt dầu (oil drop model) của protein. Thuật ngữ “tương tác kỵ

nước”, “liên kết kỵ nước” hay “liên kết không phân cực” ám chỉ xu hướng những nhóm

không phân cực kết tụ lại với nhau để tránh tiếp xúc với nước.

Sự hình thành liên kết kỵ nước chủ yếu do ảnh hưởng của nước chứ không phải

do sức hút vốn có của các nhóm kỵ nước với nhau. Nói đúng ra thuật ngữ kỵ nước (có



14

nghĩa là sợ/ không ưa nước) dẫn đến việc hiểu nhầm vì chính nước mới “không thích”

các nhóm hòa tan không phân cực. Các gốc hydrocarbon tiếp xúc với nước tạo ra một tác

động mang tính sắp xếp đối với các phân tử nước quanh nó. Điều này làm giảm entropy

của nước và không thuận về nhiệt động học. Việc loại bỏ lượng hydrocarbon cho phép

nước giảm cấu trúc liên kết hydro có tổ chức, kết quả, làm tăng entropy khoảng 0,7 Kcal

cho mỗi nhóm methylene được loại bỏ. Do đó việc loại bỏ chuỗi bên của leucin không

cho tiếp xúc với nước giải phóng ra 3,5 Kcal/mole.Vì tương tác kỵ nước phụ thuộc vào

entropy, độ mạnh của liên kết kỵ nước tăng khi nhiệt độ tăng, không giống như các liên

kết khác thường trở nên ít ổn định hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Protein được chèn sâu vào màng sinh chất có cấu hình ngược với mô hình giọt

dầu chuẩn. chúng bộc lộ những nhóm kỵ nước trên bề mặt tiếp xúc với màng lipid. Phần

còn lại là nhóm ưa nước chúng cụm lại ở bên trong, nhưng một số ít lại tìm thấy tại bề

mặt ở những vùng mà protrein nhô ra ngoài màng (hình 7.12).

Rất nhiều lực tham gia duy trì cấu trúc 3-D của protein

Ngoài ảnh hưởng chủ yếu của liên kết kỵ nước trong lõi của protein và các liên

kết hydro của chuỗi bên ưa nước, một loạt các hiệu ứng cũng rất quan trọng (Hình 7.13).

Chúng bao gồm liên kết ion, liên kết hydro, lực van der Waals và liên kết disulfide.

Liên kết hydro có thể hình thành giữa các nhóm R của 2 amino acid gần nhau.

Những amino acid với nhóm hydroxyl, amin hoặc amide trên chuỗi bên có thể tham gia

liên kết hydro như vậy. Tương tự, liên kết ion (-NH3+ -OOC-) có thể tạo thành giữa nhóm

R của amino acid bazơ và amino acid axít (hình 7.13). Trong thực tế có rất ít liên kết ion

được hình thành theo cách này vì các amino acid phân cực thường nằm trên bề mặt của

phân tử protein và hình thành liên kết hydro với nước.



15

Lực Van der Waals giữ các phân tử hoặc các phần của các phân tử với nhau nếu

chúng đủ gần. Lực Van der Waals là lực rất yếu và giảm theo khoảng cách. Chúng chỉ

quan trọng với vùng lớn bổ sung về cấu hình (lắp khít nhau về không gian). Liên kết

disulfide giữa các cysteine đôi khi cũng quan trọng trong việc duy trì cấu trúc 3-D ( xem

dưới đây).

Cysteine tạo thành các liên kết disulfide

Trong các điều kiện oxy hóa, các nhóm sulfhydryl của 2 cysteine có thể hình

thành một liên kết disulfide. Dimer gồm 2 cysteine (phát âm là "cystEEn") tham gia một

liên kết disulfide được biết đến như một cystine (phát âm là "cystYne") (hình 7.14). Liên

kết disulfide giữa cysteine rất quan trọng trong việc duy trì cấu trúc 3-D ở một số trường

hợp (xem hình 7.13 ở trên). Liên kết disulfide có thể giữ hai vùng của một chuỗi

polypeptide (liên kết disulfide trong cùng một chuỗi tạo thành cấu trúc bậc 3) lại với

nhau hoặc có thể liên kết hai chuỗi polypeptide riêng biệt (liên kết giữa các chuỗi tạo

thành cấu trúc bậc bốn).

Do liên kết disulfide dễ dàng bị khử thành hai nhóm sulfhydryl bên trong tế bào

nên chúng ít được sử dụng trong việc ổn định protein nội bào. Liên kết disulfide chủ yếu

để ổn định protein ngoại bào trong điều kiện oxy hóa. Ví dụ cổ điển là những kháng thể

lưu thông trong máu của động vật có xương sống. Các enzyme tiết ra ngoại bào như

lysozyme hoặc hormone, như insulin, cũng dựa vào liên kết disulfide. Những sinh vật



16

đơn bào ít protein ngoại bào hơn so với sinh vật đa bào bậc cao nên chúng sử dụng ít liên

kết disulfide hơn.

Nhiều vùng cuộn gấp trong những protein lớn

Những chuỗi polypeptide dài có thể chứa một số vùng cuộn gấp ít nhiều độc lập

được kết hợp với nhau qua các vùng nối có ít cấu trúc bậc 3. Những vùng như vậy được

biết đến như các domain và có thể dài 50-350 amino acid (Hình 7.15). Những protein

ngắn có thể có domain duy nhất, và những protein rất dài đôi khi có thể có đến cả tá

domain.

Chú ý rằng các protein bắt đầu cuộn gấp trước khi chúng được tổng hợp hoàn

toàn. Ngay sau khi chuỗi polypeptide đang được ribosome tổng hợp đủ dài, nó sẽ cuộn

gấp thành cấu trúc 3-D. Do đó domain cuộn gấp độc lập, đoạn này rồi đến đoạn tiếp theo

(bởi vì trình tự cuộn gấp khác nhau nên việc cuộn gấp lại của polypeptide đã biến tính

thường khác đáng kể so với sự cuộn gấp ngay từ đầu).

Nhiều yếu tố phiên mã bao gồm hai domain, một liên kết DNA và một liên kết

với các phân tử tín hiệu. Khi các phân tử tín hiệu được gắn vào, domain thay đổi hình

dạng của mình (hình 7.16). Sự thay đổi về cấu hình đó được truyền sang domain bám

DNA làm nó thay đổi cấu hình. Vì vậy mặc dù các domain không cuộn gấp cùng nhau,

chúng vẫn có tương tác mang tính vật lý với nhau.



17

Cấu trúc bậc 4 của protein:

Nhiều protein bao gồm nhiều chuỗi polypeptide riêng biệt. Điều này đặc biệt đúng

với các protein có tổng khối lượng phân tử lớn hơn 50000 Dalton (khoảng 400 axit

amin). [Mặc dù thỉnh thoảng tìm thấy chuỗi polypeptide có 1000 amino acid hoặc nhiều

hơn thế, nhưng chúng tương đối hiếm]. Việc lắp ráp nhiều tiểu đơn vị lại với nhau tạo

nên cấu trúc bậc 4 (Hình 7.17).

(Protein chỉ với một chuỗi polypeptide không có cấu trúc bậc bốn). Số lượng các tiểu

đơn vị, hay protomer, thường tồn tại dạng số chẵn, hầu hết là hai hoặc là bốn. Thuật ngữ

trimer, tetramer, oligomer và multimer ám chỉ các cấu trúc tương ứng với 2, 3, 4, vài hay

nhiều tiểu đơn vị. Ít hơn 10 phần trăm protein phức có số lượng lẻ các tiểu đơn vị. Các

tiểu đơn vị có thể giống hệt nhau hoặc khác nhau hoàn toàn hay khác nhau một vài cặp

(có thể nhiều hơn). Ví dụ, chất ức chế lactose bao gồm bốn tiểu đơn vị giống hệt nhau,



18

trong khi hemoglobin có hai tiểu đơn vị alpha và hai tiểu đơn vị beta. Các tiền tố homo-

(giống) và hetero-(khác nhau) đôi khi được sử dụng để cho biết các tiểu đơn vị đều giống

nhau hoặc khác nhau. Do đó, chất ức chế lactose là một homo-tetramer, trong khi

hemoglobin là một hetero-tetramer.

Các lực kỵ nước chịu trách nhiệm cho phần lớn cấu trúc bậc 3 cũng là lực được

tham gia vào việc lắp ráp nhiều tiểu đơn vị. Protein hòa tan, chỉ với một chuỗi đơn

polypeptide, cuộn gấp sao cho gần như tất cả các gốc kỵ nước của chúng được ẩn bên

trong phân tử. Trong trường hợp của protein gồm nhiều tiểu đơn vị, các chuỗi

polypeptide được gấp lại, để lại một cụm các gốc kỵ nước tiếp xúc với nước ở bề mặt

protein (Hình 7.18). Đây là một sự sắp xếp không thuận lợi về nhiệt động học và khi hai

chuỗi polypeptide với các vùng kỵ nước lộ ra ngoài tiếp xúc với nhau, chúng có xu

hướng dính với nhau, giống như việc dính các miếng đính móc vào miếng đính

vòng. Như đã nói ở trên, liên kết kỵ nước sẽ yếu hơn khi ở nhiệt độ thấp hơn, do đó nhiều

tiểu đơn vị protein có xu hướng tách ra ngoài khi nhiệt độ thấp.

hook-and-loop fasteners



19

Cấu trúc lắp ráp ở cấp độ cao và tự lắp ráp

Tiểu đơn vị được thiết kế với nhiều hơn một vùng liên kết có thể được dùng để

tạo thành cấu trúc vòng hoặc chuỗi. Các chuỗi dài của các tiểu đơn vị giống nhau thường

có dạng xoắn helix, như ở roi của vi khuẩn hoặc collagen của con người. Nếu một chuỗi

xoắn helix của nhiều tiểu đơn vị protein có dạng cuộn rộng được xếp gần nhau, nó sẽ tạo

thành một hình trụ rỗng (Hình 7.19). Các vỏ protein của một số virus (ví dụ như vi rút

khảm thuốc lá) và các vi ống được tìm thấy trong các tế bào nhân chuẩn đều được xây

dựng theo cách này. Trong một số trường hợp, chỉ đơn thuần trộn các tiểu đơn vị lại sẽ

hình thành cấu trúc cuối cùng. Hiện tượng này được gọi là sự tự lắp ráp và giống như với

vỏ của virus khảm thuốc lá. Trong trường hợp khác, cấu trúc cấp cao đòi hỏi các protein

khác và các cofactor giúp lắp ráp.



20

Các cofactor và các ion kim loại thường được liên kết với protein

Để hoạt động được, nhiều protein cần thêm thành phần, được gọi là cofactor hay

nhóm ngoại (prosthetic group) không có bản chất là protein. Nhiều protein sử dụng các

nguyên tử kim loại đơn làm cofactor; một số khác cần nhiều phân tử hữu cơ phức

tạp. Nói đúng ra, các nhóm ngoại được cố định vào một protein, trong khi cofactor được

di chuyển tự do xung quanh protein này đến protein khác. Tuy nhiên, việc phân loại này

không đúng vì cùng một cofactor có thể liên kết cộng hóa trị cố định với một enzyme nào

đó nhưng lại không liên kết cộng hóa trị với một enzyme khác. Do đó, các thuật ngữ trên

thường sử dụng một cách linh hoạt. Một protein mà không có nhóm ngoại được gọi là

một apoprotein.

Ví dụ, protein vận chuyển oxy như hemoglobin có một nhóm cofactor hữu cơ

hình chữ thập được gọi là nhân heme có chứa một nguyên tử sắt ở trung tâm. Nhân heme

được bao bọc trong vị trí hoạt động của apoprotein, trong trường hợp này là globin, tạo

thành phân tử hemoglobin. Ôxy liên kết với nguyên tử sắt ở trung tâm nhân heme và

hemoglobin mang nó đi khắp cơ thể. Nhóm ngoại thường được dùng chung bởi nhiều

hơn một protein, ví dụ: heme dùng cho cả hemoglobin và myoglobin, phân tử nhận oxy

và phân phối vào trong tế bào cơ.

Hầu hết các vi khuẩn và thực vật có khả năng tổng hợp được nhóm ngoại riêng

của chúng. Tuy nhiên, các động vật không thể tự tổng hợp nhiều nhóm ngoại hữu cơ của

enzyme và do đó chúng hay tiền chất trực tiếp của chúng phải được cung cấp thông qua

ăn uống. Các cofactor như vậy hay tiền chất của chúng được gọi là vitamin (Bảng7.02).



21

Một vài cofactor, chẳng hạn như heme, có thể được tổng hợp bởi động vật và vì

vậy chúng không được gọi là vitamin. Ngược lại, không phải tất cả các vitamin đều là

cofactor hoặc các tiền chất của chúng. Ví dụ, vitamin D là tiền chất của hormone.

Vitamin A khó phân loại vì một phần được chuyển đổi để tạo ra retinaldehyde- một

cofactor của protein và một phần thành axit retinoic- một hormone. Vitamin C không



22

hoạt động trực tiếp giống như cofactor, nhưng nó cần thiết để giữ các ion kim loại (chẳng

hạn như Cu và Fe) hoạt động như các cofactor ở “dạng khử”. Vấn đề phức tạp khi các

cofactor có thể được tổng hợp được ở một số loài động vật nhưng loài khác lại không

thể. Giống như vitamin C là một loại vitamin dành cho con người nhưng hầu hết các

động vật khác không cần có nó trong thức ăn.

Nucleoprotein, lipoprotein và glycoprotein là các protein kết hợp

Protein kết hợp là các protein liên kết với các phân tử khác. Ví dụ, các

nucleoprotein là phức hợp protein và nucleic acid, lipoprotein là các protein với các gốc

lipid đính vào, glycoprotein có các thành phần carbohydrate.

Nhiều glycoprotein được tìm thấy trên bề mặt của các tế bào. Chúng mang các

chuỗi carbohydrate ngắn cấu tạo từ vài phân tử đường, các phân tử thường thò ra ngoài tế

bào (hình7.21). Chuỗi đường thường được liên kết vào protein thông qua các nhóm

hydroxyl của serine hoặc threonin hoặc nhóm amide của nhóm asparagine. Glycoprotein

thường có chức năng kết dính tế bào, đặc biệt ở các sinh vật (động vật) mà thành tế bào

thiếu độ cứng. Ngoài ra, phần carbohydrate của các lipoprotein thường là nhân tố then

chốt trong sự nhận biết tế bào. Ví dụ, tinh trùng nhận ra tế bào trứng bằng cách gắn vào

các phần carbohydrate của glycoprotein bề mặt. Việc nhận biết của hệ thống miễn dịch

thường phụ thuộc vào cấu trúc chính xác của chuỗi carbohydrate của glycoprotein. Ví dụ,

các kháng nguyên A và B của hệ nhóm máu ABO được biết đến hiện nay là chuỗi

carbohydrate khác nhau mang trên protein với sự có mặt hay vắng mặt của đường đơn.



23

Nhiều lipoprotein được gắn lên màng bằng đuôi lipit của chúng (hình 7.22). Một

ví dụ là β-lactamase được tìm thấy trong nhiều vi khuẩn Gram dương, chẳng hạn như

Bacillus (vi khuẩn hình que). B-Lactamase bảo vệ tế bào bằng cách phân hủy kháng sinh

họ β-lactam, trong đó bao gồm penicillin. Vì mục tiêu tác dụng của penicillin là thành tế

bào, nên các enzyme bảo vệ cần ở bên ngoài tế bào. Đuôi lipit đảm bảo cho nó không bị

trôi ra môi trường xung quanh.

Các proteolipid là phân lớp đặc biệt của lipoprotein, với đặc tính cực kì kỵ nước

và do đó không tan trong nước. Chúng hoà tan được trong dung môi hữu cơ và được tìm

thấy ở vùng kỵ nước bên trong màng. Các tính chất này không chỉ do các nhóm lipid đính

kèm. Một phần tính kỵ nước của chúng là do có tỉ lệ lớn các gốc amino acid kỵ nước.

Thay vì ẩn vào bên trong các protein, nhiều trường hợp các amino acid này được bộc lộ

trên bề mặt.

Protein thực hiện nhiều chức năng của tế bào

Protein chiếm khoảng 60% vật chất hữu cơ của các cơ quan tử của sinh vật.

Chúng chịu trách nhiệm cho hầu hết những phản ứng chuyển hoá và nhiều thành phần

cấu trúc của tế bào. Không ngạc nhiên khi chức năng của protein rất đa dạng. Tuy nhiên,

các protein có thể phân chia thành các loại chính như sau:

1. Các enzyme

2. Các protein cấu trúc

3. Các protein kết hợp (vận chuyển, mang, và protein dự trữ)

4. Các protein cơ học

5. Các protein xử lý thông tin



24

Enzyme là những protein xúc tác cho những phản ứng hoá học. Vấn đề này sẽ

được thảo luận chi tiết hơn ở phần dưới. Enzyme có nhiều đặc tính giống với các protein

khác như có các “túi” gắn những phân tử nhỏ (trung tâm phản ứng) và có khả năng thay

đổi cấu hình.

Nhiều cấu trúc dưới tế bào cấu tạo phần lớn hoặc một phần bởi các protein cấu

trúc, chẳng hạn như: tơ của roi vi khuẩn có thể bơi lội, các vi ống có tác dụng điều chỉnh

dòng chuyển động bên trong tế bào sinh vật bậc cao, các “sợi” (fiber) trong mô liên kết,

và vỏ/áo ngoài của virus (xem ch. 17) là những ví dụ về các cấu trúc được xây dựng có

sử dụng protein.

Những protein chuyên biệt (specialized proteins) được biết có thể kiểm soát cấu trúc

của nước. Cá sống ở những vùng địa cực có protein chống đông để giữ máu của cơ thể

khỏi đóng băng. Những protein này liên kết với bề mặt đá và ngăn cản hình thành sự phát

triển của tinh thể. Ngược lại, những protein bề mặt của một số vi khuẩn lại là nhân tố

xúc tiến hình thành nên tinh thể đá và đóng vai trò quan trọng trong nguyên nhân tạo

sương giá làm huỷ hoại cây trồng. Các tế bào thực vật có hại giải phóng các chất mà chất

đó có các vi khuẩn có thể phát triển và mô thực vật cũng có thể chấp nhận sự xâm chiếm

của vi khuẩn đó.

Các protein kết hợp gắn các phân tử nhỏ nhưng không giống các enzyme chúng

không thực hiện phản ứng hoá học. Tuy nhiên, chúng cũng cần các “vị trí hoạt động” để

kết hợp với các phân tử nhỏ. Protein vận chuyển hay protein mang mang cơ chất của

chúng đi khắp cơ thể. Các protein vận chuyển hay permease nằm xuyên màng và vận

chuyển các phân tử mục tiêu của chúng qua màng. Các chất dinh dưỡng, như đường, phải

được vận chuyển vào trong tế bào, trong khi đó các chất thải bị bài xuất ra ngoài. Nhiều

permease bao gồm một bó của một đoạn xoắn helix (thường là 7 hoặc 11) nằm xuyên

màng tế bào và được nối bởi các vùng xoắn ngẫu nhiên (hình 7.23). Hầu hết các

permease cần năng lượng để hoạt động.

Trái ngược với permease, protein mang hoà tan được, không có màng giới hạn.

Hầu hết trong số chúng vận chuyển chất dinh dưỡng bên trong cơ thể các sinh vật đa bào.

Các protein mang đôi khi là protein ngoại bào, có trong máu và các chất dịch thể khác.

Trong trường hợp khác, các protein mang được tìm thấy trong các tế bào chuyên hóa di

chuyển khắp cơ thể như các tế bào máu. Các ví dụ cổ điển về protein vận chuyển là



25

hemoglobin và myoglobin, tương ứng nằm trong các tế bào máu và mô cơ, với vai trò

vận chuyển oxy ở động vật.

Protein dự trữ cất giữ các chất dinh dưỡng hoặc các phân tử khác, nhưng thay vì

vận chuyển chúng, các protein này dự trữ chúng. Ví dụ, ferritin ở tế bào động vật và

bacterioferritin tương ứng ở vi khuẩn dự trữ sắt. Metallothionein liên kết với các kim

loại nặng, và vai trò chính của nó là bảo vệ (hình 7.24).



26

Gene mã hóa metallothionein được cảm ứng biểu hiện bởi nồng độ rất nhỏ của các kim

loại nặng và nó có một promoter rất mạnh được sử dụng trong công nghệ gene. Các

protein bảo vệ liên kết kim loại cũng được tìm thấy ở một số vi khuẩn. Chúng đôi khi

được ứng dụng trong quy trình công nghệ sinh học để tách kim loại như vàng hoặc

uranium từ quặng hoặc chất thải công nghiệp.

Các hệ thống miễn dịch của động vật có nhiều protein kết hợp chuyên hoá cao có

chức năng bảo vệ chống lại sự xâm nhập của virus và vi khuẩn. Chúng bao gồm các

kháng thể và các thụ thể tế bào T.



27

Các protein cơ học đôi khi được phân loại như các protein cấu trúc chuyên hoá

hoặc như các enzyme. Chúng thực hiện hoạt động vật lí với sự tiêu tốn năng lượng sinh

học. (thường là nhờ thuỷ phân ATP hoặc GTP). Việc tiêu thụ năng lượng làm thay đổi

thuận nghịch về cấu hình của chúng Họ protein myosin, co rút khi được hoạt hóa bằng

năng lượng, được tìm thấy ở sợi cơ và sợi roi của sinh vật nhân chuẩn. Các actin được

tìm thấy ở cơ cùng với myosin, nơi mà cả 2 protein tham gia vào chức năng co rút như sự

co rút của cơ (Hình 7.26), nhưng chúng cũng tham gia vào các hoạt động vận động trong

tế bào như endocytosis (sự nhập nội bào) và vận động theo kiểu amip.



28

Roi vi khuẩn không hoạt động theo sự co thắt của các sợi protein. Thay vào đó,

gốc của roi bao gồm một protein vòng có thể quay khi tiêu thụ năng lượng. Roi được đính

vào protein quay vòng nên nó có thể chuyển động xoắn ốc và đẩy vi khuẩn chuyển lên

phía động về phía trước.

Các protein chaperone, hay các chaperonin, hỗ trợ các protein khác cuộn gấp

chính xác. Một số chaperonin liên quan tới việc tiết protein và ngăn cản quá trình cuộn

gấp sớm của protein sẽ được tiết qua màng (xem ch. 8). Những chaperonin khác có thể

giúp hồi tính và cuộn gấp lại cho đúng các protein đã biến tính do nhiệt độ cao hoặc các

điều kiện môi trường bất lợi (xem đáp ứng sốc nhiệt ở ch. 9).

Protein xử lý thông tin là một tập hợp nhân tạo các protein mà cũng có thể được

phân loại vào nhóm enzyme hoặc protein kết hợp. Tuy nhiên, đôi khi chúng được xếp

cùng với nhau để làm nổi bật vai trò của chúng trong việc truyền thông tin sinh học.

Chúng bao gồm các thụ thể bề mặt, các protein truyền tín hiệu và, các protein điều tiết

dùng để điều hòa biểu hiện của gen ở các cấp khác nhau. Các chức năng của các protein

sẽ được thảo luận chi tiết hơn ở các chương riêng (đặc biệc chương 9 đến chương 11). Ở

chương này các môtip cấu trúc 3-D của protein liên quan đến việc protein bám vào DNA

sẽ được thảo luận thêm dưới đây.

Một số protein phát ra hoặc hấp thụ ánh sáng và đôi khi nó bao gồm các protein

xử lý thông tin. Luciferases gửi một tín hiệu từ một sinh vật đến một sinh vật khác bằng

cách phát sáng. Vi khuẩn phát dạ quang (luminous bacteria) phát sáng để thu hút cá sống

sâu dưới biển đến nuốt chúng nhờ chúng có thể cư ngụ ở trong ruột các con cá này. Đom

đóm lập lòe theo cơ chế này trong chiến lược giao phối của chúng. Luciferase của vi

khuẩn và côn trùng đều đã được sử dụng như là các enzyme chỉ thị nghiên cứu di truyền

(xem Ch. 25). Protein huỳnh quang màu xanh lục (GFP) có ở sứa phát huỳnh quang.

GFP cũng được sử dụng như một chỉ thị trong nghiên cứu di truyền. Thông qua các chỉ

thị là sự phát huỳnh quang, GFP có thể được sử dụng để giám sát biểu hiện gen và/hoặc

định vị nơi mà một gen nhất đinh được biểu hiện (xem ch.25). Rhodopsin là các protein

hấp thụ ánh sáng. Chúng được sử dụng ở mắt của cả động vật không xương sống và có

xương sống để cảm nhận ánh sáng.



29

Bộ máy protein

Nhiều quá trình trong tế bào như tổng hợp DNA, cắt nối ARN, phân hủy protein

được thực hiện các nhóm gồm một tá protein hoặc nhiều hơn cùng nhau phối hợp hoạt

động. Khi mà các nhóm protein liên kết lại với nhau, tiêu thụ năng lượng và thực hiện các

vận động được điều khiển một cách chính xác cũng như xúc tác các phản ứng hoá học,

chúng đôi khi được gọi là các bộ máy protein.

Đây là xu hướng đặt tên cho các tổ chức lắp ráp bởi nhiều protein cho vần với

ribosome. Như vậy các replisome di chuyển trên NST trong khi tổng hợp DNA mới (xem

chương 5), các phức hệ ghép nối (spliceosome) có nhiệm vụ cắt nối ARN (xem chương

12),và các proteasome thực hiện thuỷ phân protein (xem phần dưới). Tuy nhiên, như

chương 8 sẽ trình bày, ARN ribosome đóng vai trò quan trọng hơn các ribosome protein

trong việc tổng hợp protein. ARN cũng tham gia vào chức năng của các pliceosome (các

thể cắt nối). Như vậy thuật ngự “máy protein gây hiểu nhầm; tên đúng hơn có thể là “bộ

máy dưới cấp độ tế bào”.

Khi nói về các thành phần sinh học như những máy móc có thể do có ảnh hưởng

từ các lỉnh vực công nghệ nano. Điều này ám chỉ đến khả năng biến đổi vật chất bằng

cách lắp đặt chính xác các nguyên tử và phân tử. Công nghệ nano dựa trên các bộ máy có

kích thước phân tử. Các bộ máy này có thể được lập trình để tự sao chép tạo ra hàng triệu

bản sao của chúng rồi lắp ráp một cách chính xác các nguyên tử để tạo ra các phân tử.

Sau đó, các phân tử này có thể lắp ráp với nhau để tạo thành bất cứ thành phần cần thiết

nào. Có lẽ, để cho phù hợp với chức năng của protein và ARN, thuật ngữ bộ máy sinh

học nano (bionanomachine) nên được đưa vào.

Enzyme xúc tác phản ứng chuyển hóa

Enzyme là những protein xúc tác các phản ứng chuyển hoá nhưng không bị hao

tổn trong quá trình. Hầu như tất cả các phản ứng trao đổi chất phụ thuộc vào các

enzyme. Đầu tiên enzyme gắn các phân tử phản ứng được gọi là cơ chất, và sau đó nó

thực hiện việc tạo ra các biến đổi hóa học của cơ chất. Một số enzyme chỉ gắn vào một

phân tử cơ chất duy nhất; những enzyme khác có thể gắn vào hai hay nhiều cơ chất và

phản ứng chúng với nhau để cho sản phẩm cuối cùng. Nhiều phản ứng enzyme xúc là

thuận nghịch, nghĩa là, enzyme tăng tốc độ phản ứng theo một trong hai hướng. Enzyme



30

biết đến nhiều nhất trong sinh học phân tử là β-galactosidase, mã hóa bởi gen lacZ của vi

khuẩn Escherichia coli. Enzyme này là rất dễ dàng làm phân tích nên nó được sử dụng

rộng rãi trong nghiên cứu di truyền (xem chương 25 để biết thêm chi tiết). Một trong

những cơ chất của β-galactosidase là đường lactose, được tạo nên bằng liên kết 2 đường

đơn là glucose và galactose. β-Galactosidase thuỷ phân lactose thành hai loại đường đơn.

(Hình 7.27).

Enzyme gắn với cơ chất ở vị trí hoạt động, là một túi hoặc rãnh trong protein, nơi

mà xảy ra phản ứng. Vị trí hoạt động được tạo nên do chuỗi polypeptide cuộn xoắn lại

chính xác vì vậy những amino acid cách xa nhau trong chuỗi peptide thẳng có thể đến

gần nhau và phối hợp xúc tác phản ứng enzyme (hình 7.28 và 7.29).



31

Nhiều enzyme dựa vào các cofactor hoặc nhóm ngoại (prosthetic) để hỗ trợ xúc

tác. Chúng có thể là những phân tử hữu cơ, như NAD (nicotinamide adenine

dinucleotide), NAD mang các nguyên tử hydro để thêm vào (hoặc gỡ bỏ từ) các cơ chất

của nhiều enzyme. Các ion kim loại cũng khá phổ biến. Các ion kẽm được tìm thấy tại vị

trí hoạt động của hầu hết enzyme tổng hợp hoặc phân giải nucleic acid. Zn2+ liên kết với

các nhóm phosphate tích điện âm và làm suy yếu các liên kết quan trọng.

Các enzyme có mức độ đặc hiệu rất đa dạng

Một số enzyme rất đặc hiệu và chỉ xúc tác phản ứng cho 1 cơ chất duy nhất.

Aspartase xúc tác cho sự chuyển đổi của aspartic acid và fumaric acid (Hình 7.30).



32

Aspartase chỉ sử dụng aspartate (không sử dụng các amino acid tương tự như

glutamate) và chỉ sử dụng đồng phân L của aspartate. Aspartase cũng có thể xúc tác phản

ứng ngược lại, nhưng nó sẽ chi thêm NH3 vào fumarate và không sử dụng maleate, là

đồng phân dạng cis của fumarate.

Các enzyme khác có đặc hiệu cơ chất phổ rộng hơn. Điều này thấy rõ ở các

enzyme thuỷ phân: ví dụ, phosphatase kiềm có thể cắt gốc phosphate của 1 loạt các phân

tử; hoặc carboxypeptidase cắt amino acid ở đầu C của của các chuỗi polypeptide. Hầu hết

các enzyme có tính đặc hiệu trung bình. Ví dụ, alcohol dehydrogenase từ E. coli sẽ hoạt

động trên rượu 3 và 4 carbon cũng như trên cơ chất tự nhiên của nó là ethanol. Lại một

lần nữa, β-galactosidase sử dụng một vài hợp chất trong đó galactose được liên kết với

các nhóm hoá học khác như lactose, OPNG và X-gal (xem hình 7.36 bên dưới).

Sự khác biệt về tính đặc hiệu giữa các enzyme tương tự nhau phần lớn được xác

định bằng các vị trí hoạt động. Các vùng hoạt động có thể khác nhau về kích thước, hình

dạng và bản chất hoá học của amino acid cấu tạo nên nó. Ví dụ, 3 enzyme tiêu hoá

trypsin, chymotrypsin, và elastase cắt chuỗi polypeptide bởi cùng một cơ chế xúc tác

(Hình 7.31).

Tuy nhiên, vị trí hoạt động của trypsin có một điện tích âm ở đáy, vì thế trypsin

phân cắt tại liên kết peptide sau một amino acid tích điện dương (thường là lysine hoặc

arginine). Ở chymotrypsin, vị trí hoạt động được lót bởi các nhóm kỵ nước và vì thế

enzyme này cắt ngay sau các amino acid kỵ nước (ví dụ, phenylalanine hay valine). Ở

elastase, vùng hoạt động rất nhỏ và vì thế elastase cắt các amino acid nhỏ. (ví dụ.,

alanine).



33

Mô hình ổ khóa-chìa khóa và mô hình trùng khít (khớp) cảm ứng miêu tả mối

tương tác giữa enzyme và cơ chất

Hai mô hình đã được đưa ra để giải thích sự kết hợp của cơ chất vào vị trí hoạt

động của enzyme. Đối với mô hình ổ khóa và chìa khóa, vị trí hoạt động của enzyme gắn

vừa khít với cơ chất. Ngược lại, mô hình khớp cảm ứng lại cho rằng cơ chất làm thay đổi

cấu hình của enzyme do đó enzyme và cơ chất khớp với nhau hơn (hình 7.32).

Enzymes có thể hoạt động theo cả hai cơ chế. Ví dụ như: enzyme chymotrypsin

có vai trò phân giải protein trong đường tiêu hóa. Hầu như không phát hiện được sự thay

đổi cấu trúc nào khi chymotrypsin bám vào cơ chất. Carboxypeptidase cũng phân giải

protein bằng cách cắt amino acid đầu carboxyl. Khi nó bám vào cơ chất, amino acid

tyrosine (tại vị trí 248) trong carboxypeptidase di chuyển 12 angstrom tới vị trí tiếp xúc

vật lý với cơ chất và đóng vai trò trực tiếp cho việc xúc tác.

Enzyme được đặt tên và phân loại theo cơ chất

Hiện nay tên enzyme kết thúc bằng "ase". Một số enzyme, như trypsin hay

lysozyme, được đặt tên trước khi quy ước này ra đời nên chúng có tên bất thường. Một số

enzyme chính được quan tâm trong sinh học phân tử được liệt kê trong Bảng 7.03.



34

Enzyme hoạt động bằng việc giảm năng lượng hoạt hóa

Trong bất kỳ phản ứng hóa học, các chất phản ứng được chuyển đổi thành các sản

phẩm thông qua chất trung gian phản ứng hoặc trạng thái chuyển tiếp. Trong một phản

ứng enzyme xúc tác, (các) cơ chất được bám bởi các enzyme và phản ứng xảy ra trong

trung tâm hoạt động. Trong cả hai trường hợp, năng lượng có thể cần để mồi cho phản

ứng. Năng lượng chuyển trạng thái này, ∆G‡, là sự khác biệt về năng lượng tự do giữa



35

các vật liệu bắt đầu và trạng thái chuyển tiếp (hình 7.33). Khi ∆G‡ dương, như được hiển

thị, thì năng lượng phải được cung cấp để đạt được trạng thái chuyển đổi. Ngay cả khi

năng lượng này được giải phóng ra một lần, toàn bộ phản ứng sẽ kết thúc, năng lượng ở

trạng thái chuyển tiếp càng cao, phản ứng càng chậm. Enzyme không thể thay đổi năng

lượng tự do tổng thể của một phản ứng, ví dụ, sự khác biệt năng lượng giữa chất phản

ứng và sản phẩm. Vai trò của enzyme là hạ thấp năng lượng ở trạng thái chuyển tiếp,

hoặc bằng cách ổn định các chất trung gian trong trung tâm hoạt động, hoặc bằng cách

cung cấp một cơ chế phản ứng thay thế diễn ra theo con đường chuyển hóa có mức năng

lượng thấp hơn.

Tốc độ phản ứng có thể chậm khi không có enzyme. Tốc độ tăng do enzyme lên

tới khoảng 108-1020 so với phản ứng tự phát không được xúc tác (ví dụ, 109 cho alcohol

dehydrogenase; 1016 cho phosphatase kiềm). Tốc độ phản ứng enzyme cao xảy ra khi các

enzyme có thể đặt các cơ chất một cách chính xác vào vị trí tương đối so với nhóm xúc

tác trong trung tâm hoạt động. Một số yếu tố có liên quan đến tốc độ của phản ứng

enzyme:

1. Mức độ gần gũi về không gian-proximity (tăng lên gần 106 lần).

Enzyme gắn vào cơ chất sao cho liên kết dễ bị ảnh hưởng rất gần với

nhóm xúc tác trong trung tâm hoạt động. Nồng độ cơ chất tập trung cục

bộ ở trung tâm hoạt động có thể lên đến 50 Molar trong khi đó nồng độ

của nó trong tế bào chất có thể ít hơn 1 mM. Tốc độ phản ứng hóa học

là tỷ lệ thuận với nồng độ các chất phản ứng.

2. Sự định hướng-orientation (lên đến 102 lần). Khi cơ chất được bao bọc,

các nhóm phản ứng phải được định hướng đúng. Giả thuyết lái

orbital–orbital steering cho rằng việc bám của (các) cơ chất vào

enzyme sắp các nhóm phản ứng thành hàng sao cho các orbital phân tử

có liên quan tham gia vào việc hình thành liên kết chồng lên nhau. Điều

này làm tăng khả năng hình thành trạng thái chuyển tiếp.

3. Các chất trung gian liên kết cộng hóa trị-Covalent intermediates

(khoảng 1010 lần). Sách lược là để giảm “bướu” năng lượng chuyển tiếp

bằng cách thông qua một con đường phản ứng thay thế. Hãy xem việc

chuyển một nhóm hóa chất "X" từ các phân tử A đến B. Ở đây phân tử



36

"X" là một mảnh phân tử như nhóm phosphate, nhóm acyl hoặc nhóm

glycosyl.

AX +B�A+BX

Các enzyme có thể phản ứng theo hai bước, lấy nhóm "X" từ các phân tử

A và sau đó chuyển nó vào phân tử B trong phản ứng thứ hai (sau phản ứng thứ

nhất mảnh phân tử kia liên kết cộng hóa trị với enzyme):

AX + Enz�Enz-X + A

Enz-X + B�Enz + BX

4. Xúc tác axit-bazơ - acid-base catalysis (khoảng 1010 lần). Xúc tác acid -

base là do các chất cho proton (axít) hay chất nhận proton (base), proton

để cho hoặc loại bỏ proton khỏi chất phản ứng trung gian. Enzyme sử

dụng chuỗi bên của amino acid axít hoặc amino acid bazơ để tấn công

cơ chất. Một nhóm axít trong một phần của trung tâm hoạt động có thể

cho chất phản ứng trung gian một proton và một nhóm bazơ trong một

phần khác của trung tâm hoạt động có thể loại bỏ một proton khác từ

chất phản ứng trung gian. Chính hoạt động nhịp nhàng đồng thời này

gọi là xúc tác axit-bazơ. Hầu hết các enzyme thủy phân sử dụng kiểu

xúc tác axit-bazơ.

5. Xúc tác ion kim loại - metal ion catalysis (khoảng 1010 lần). Nhiều

enzym có các ion kim loại tại trung tâm hoạt động. Đôi khi chúng được

sử dụng như là trung tâm oxy hóa khử, như trong các cytochrome. Tuy

nhiên, thông thường, các ion kim loại không bị khử hay oxy hóa mà

hoạt động để làm ổn định chất phản ứng trung gian. Vì vậy Zn2+ trong

trung tâm hoạt động của carboxypeptidase làm phân cực liên kết C=O,

liên kết sẽ bị bẻ gẫy, trong liên kết peptide.

6. Làm biến dạng cơ chất - distortion of the substrate (khoảng 108 lần).

Việc bám vào enzyme có thể làm biến dạng các cơ chất. Trung tâm hoạt

động của enzyme có thể phù hợp với chất trung gian ở trạng thái chuyển

tiếp tốt hơn cơ chất. Một khi cơ chất bám vào enzyme, nó sẽ bị ép thành

hình dạng của chất phản ứng trung gian. Hình dạng đã bị biến đổi của



37

cơ chất khó được chứng minh vì áp lực chỉ được tạo ra sau khi cơ chất

liên kết với enzyme.

Tốc độ phản ứng của enzyme

Các nguyên tắc của động lực học hóa học áp dụng cho các phản ứng enzyme, với

những thay đổi nhất định. Thông thường, tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ các

chất phản ứng. Đối với các enzyme, tỷ lệ này là tỷ lệ thuận với nồng độ cơ chất [S], chỉ ở

nồng độ cơ chất thấp. Ở nồng độ cơ chất cao hơn, tất cả các vị trí hoạt động của các

enzyme sẽ được lấp đầy bởi cơ chất và các enzyme không thể làm việc nhanh hơn.

Enzyme đã được bão hòa cơ chất và đã đạt đến vận tốc tối đa của nó,Vmax hoặc Vm. Kết

quả mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất [S] và tốc độ phản ứng là một đường cong

hyperbol (Hình 7.34).



38

Vmax phụ thuộc vào bản chất của các phản ứng hóa học và do đó phụ thuộc vào

các đặc điểm của cơ chất và vị trí hoạt động enzyme. Vmax có thể thay đổi tùy vào pH và

nhiệt độ. Càng nhiều enzyme hơn, càng nhiều các cơ chất hơn có thể xử lý đồng thời, do

vậy Vmax tỷ lệ thuận với lượng enzyme. Km, hoặc hằng số Michaelis, là nồng độ cơ chất

cho phép đạt một nửa vận tốc tối đa. Nó chủ yếu phụ thuộc vào ái lực của các cơ chất và

vị trí hoạt động của enzyme và không phụ thuộc vào nồng độ của enzyme. Km càng thấp,

ái lực của cơ chất và enzyme càng cao và phản ứng càng nhanh hơn (- ở nồng độ cơ chất

thấp, ở nồng độ cơ chất cao, Km đều trở nên không thích hợp). Các yếu tố này được tóm

tắt trong phương trình Michaelis - Menten:

Những chất tương tự (đồng hình-analog) như cơ chất ức chế hoạt động của enzyme

tại trung tâm hoạt động

Các chất đồng hình là các phân tử đủ giống như cơ chất để có thể gắn vào trung

tâm hoạt động của enzyme. Một vài chất đồng hình hoạt động như những cơ chất thay

thế cho các enzyme. Một số chất đồng hình khác liên kết với trung tâm hoạt động,

nhưng thay vì phản ứng thì nó lại ức chế trung tâm hoạt động và ức chế enzyme. Các

chất như vậy gọi là chất ức chế cạnh tranh, vì chúng cạnh tranh với cơ chất trong

việc liên kết với enzyme. Mức độ ức chế phụ thuộc vào nồng độ và ái lực giữa chất

ức chế, cơ chất với enzyme.



39

Nhiều (thậm chí hầu hết) trung tâm hoạt động của các enzyme được thiết kế để

phù hợp tốt hơn với chất phản ứng trung gian hoặc trạng thái chuyển tiếp, chứ không phải

là với cơ chất của nó. Thiết kế này có xu hướng làm biến dạng các cơ chất theo hướng

yêu cầu của phản ứng và giúp phản ứng diễn ra. Do đó, một số các chất ức chế cạnh tranh

là các phân tử bắt chước cấu trúc của chất phản ứng trung gian. Được gọi là “dạng đồng

hình với trạng thái chuyển tiếp - transition state analog.” Proline racemase chuyển đổi

đồng phân D và L của proline bằng cách loại bỏ một phân tử H và thay bằng cấu hình

khác (Hình 7.35). Các cơ chất và sản phẩm đều là tứ diện tâm carbon nhưng phân tử

chuyển tiếp lại dạng phẳng. Chất ức chế cạnh tranh tốt nhất là các hợp chất vòng phẳng

chứ không phải là hợp chất có cấu hình tứ diện giống cơ chất ( hình 7.35).

Các enzyme β-galactosidase chia tách nhiều phân tử trong đó galactose được liên

kết với phân tử khác (xem hình 7.27, ở trên). Để tận dụng đặc điểm này, các nhà nghiên

cứu có thể sử dụng một chất gọi là ONPG (ortho-nitrophenyl galactoside), trong đó

bao gồm orthonitrophenol liên kết với galactose. Khi ONPG bị chia cắt tạo thành

galactose là không màu và ortho-nitrophenol, có màu vàng (Hình 7.36). Sử dụng ONPG

cho phép các nhà nghiên cứu biết được lượng β -galactosidase bằng cách đo sự xuất hiện

của màu vàng. Tương tự như vậy, X-gal được phân cắt bởi β-galactosidase thành một

chất nhuộm màu xanh cộng với galactose (Xem Ch. 25 cho các ứng dụng.). Các hợp chất

không màu (hoặc nhạt), nhưng khi phản ứng tạo thành sản phẩm có màu mạnh gọi là các

cơ chất tạo màu (chromogenic substrate)



40

Sự ức chế không thuận nghịch (Irreversible inhibition) xảy ra khi chất ức chế

liên kết cộng hóa trị với và làm thay đổi một enzyme, thường tại trung tâm hoạt động.

Chất ức chế cộng hóa trị không phải luôn luôn là các chất đồng hình. Một số chất ức chế

không thuận nghịch phản ứng với các thành phần của trung tâm hoạt động, các chất ức

chế khác phản ứng với các vùng khác của protein và có thể ảnh hưởng đến hình dạng, độ

hòa tan hoặc các đặc tính khác của protein. Ví dụ, chất độc thần kinh, sarin, được sử dụng

trong chiến tranh hóa học là chất ức chế cộng hóa trị enzym có serine trong trung tâm

đang hoạt động (Hình 7,37). Chất độc thần kinh này phản ứng với các serine và khóa các

trung tâm hoạt động vĩnh viễn, làm cho enzyme không hoạt động được. Nhiều enzyme

thủy phân, bao gồm các protease, dựa vào gốc serine hoạt động. Cũng vậy, Esterase

acetylcholine, enzyme phân cắt chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine. Sự ức chế

enzyme này gây ra tình trạng tê liệt của các mối nối thần kinh cơ và cuối cùng tử vong do

suy hô hấp.



41



42

Enzyme có thể được điều hòa trực tiếp

Các hoạt động của một loại enzyme hoặc protein khác có thể được kiểm soát ở

mức độ gene thông qua việc quyết định tổng hợp protein đó hay không. Sự điều hòa ở

cấp độ gene như vậy sẽ được thảo luận trong chương sau. Đáp ứng ở cấp độ tế bào có thể

nhanh chóng hơn nếu hoạt động của protein có sẵn được kiểm soát. Mặc dù hầu hết các

ví dụ sau đây áp dụng cho các enzyme, tất cả các loại protein, bao gồm protein điều hòa,

protein vận chuyển và các protein cơ học, đều có thể được biến đổi tương tự và được điều

hòa hoạt động.

Tốc độ mà phần lớn các enzyme làm việc chỉ đơn giản phụ thuộc vào nồng độ cơ

chất và lượng enzyme có mặt. Lượng enzyme lại phụ thuộc vào mức độ biểu hiện của

gen mã hóa enzyme đó. Tuy nhiên, một tỷ lệ đáng kể các enzyme cũng được trực tiếp

điều hòa theo nhiều cách khác nhau. Điều này có ưu điểm là nó ít nhiều tức thời. Điều

hòa như vậy thường là thuận nghịch. Vì vậy mà một loại enzyme có thể tạm thời không

hoạt động mà không bị phân hủy, nhưng có thể được được sử dụng lại sau này nếu cần

thiết.

Enzyme được điều hòa thường được tìm thấy ở bước đầu, bước kết thúc hoặc

bước rẽ nhánh của con đường trao đổi chất. Kiểm soát được gây ra tại những điểm quan

trọng và các enzyme ở giữa là tự hoạt động. Nhiều con đường tổng hợp sinh học được

quy định bởi cơ chế điều hòa ngược (negative feedback) (Hình 7.38). Các sản phẩm cuối

cùng của con đường chuyển hóa ức chế enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên trong con

đường đó. Bằng cách này khi sản phẩm đã đủ, tế bào không lãng phí vật liệu tổng hợp

enzyme nữa.

Nhiều con đường tổng hợp sinh học được phân nhánh và dẫn đến việc tạo ra một

số sản phẩm cuối cùng. Trong trường hợp này, các enzym ở mỗi điểm đầu nhánh có thể

được kiểm soát bởi các sản phẩm của các nhánh riêng biệ tương ứng. Một ví dụ là sự

tổng hợp của các amino acid họ aspartate. Aspartate là tiền chất của bốn amino acid khác

(Lys, Met, Thr, và Ile), và tất cả các amino acid đều có sự ức chế ngược tại đầu nhánh

hoặc đầu con đường chuyển hóa lớn.



43

Enzyme dị lập thể bị ảnh hưởng bởi phân tử tín hiệu

Enzyme này được điều chỉnh thông qua việc bám vào của các phân tử nhỏ, ở 1 vị

trí cách xa trung tâm hoạt động, chuyển đổi qua lại giữa hai cấu hình 3-D khác nhau và

được gọi là enzyme dị lập thể. Sự chuyển đổi giữa hai dạng hoạt động và không hoạt

động liên quan đến sự thay đổi hình dạng và sự lắp ráp hoặc tháo rời của các tiểu phần

protein tạo nên enzyme. Ở dạng hoạt động, vị trí hoạt động luôn sẵng sàng gắn cơ chất,

trong khi ở dạng không hoạt động, trung tâm hoạt động thường bị khóa hoặc bị thay đổi

hình dạng làm cho các cơ chất không thể liên kết. Các phân tử nhỏ điều hoà enzyme liên

kết tại ở vị trí đặc hiệu gọi là vị trí dị lập thể vì khi chúng chiếm vị trí đó gây nên sự thay

đổi hình dạng của các enzyme (Hình 7.40).



44

Enzyme dị lập thể thường không tuân theo động học enzyme chuẩn Michaelis-

Menten. Đồ thị biểu thị tốc phản ứng và nồng độ của cơ chất là hình chữ S hoặc hình xich

ma, không phải hình hypebol. Thay đổi dị lập thể có thể làm thay đổi Km hoặc các Vm

hoặc cả hai. Các chất điều hòa dị lập thể thường không liên quan đến cấu trúc hóa học

của cơ chất enzyme mà chúng kiểm soát. Như đã nói ở trên, chúng thường là những sản

phẩm cuối cùng của con đường trao đổi chất mà enzyme tham gia.

Enzyme dị lập thể có thể được điều hòa âm hoặc dương hoặc cả hai. Ví dụ, các

enzyme phosphofructokinase (PFK) là điểm kiểm soát quan trọng của quá trình đường

phân. Khi có rất nhiều ATP, ATP ức chế PFK, trong khi đó lượng tích lũy AMP và/ hoặc

ADP cao sẽ đánh tín hiệu tế bào đang ở mức thấp về năng lượng và kích hoạt PFK. Vì

vậy, một số enzyme dị lập thể có hai vị trí điều hòa dị lập thể khác nhau, một cho chất

hoạt hóa và một cho chất ức chế. Trong trường hợp của PFK, ATP là chất điều hòa dị

lập thể âm và AMP chất điều hòa dị lập thể dương.

Tất cả các enzyme dị lập thể bao gồm nhiều tiểu phần. Khi chất điều hòa dị lập

thể bám vào, nó thay đổi hình dạng của tiểu phần mà nó kết hợp lên. Trong một số trường

hợp, điều này cũng ảnh hưởng đến sự lắp ráp của các tiểu phần (Hình 7.41). Một dạng tồn

tại của các protein dị thể là monomer và dạng khác là multimer. Trong trường hợp khác,

các tiểu đơn vị gắn vào với nhau. Trong trường hợp này, sự thay đổi hình dạng có thể

được truyền từ một tiểu phần đến tiểu phần kế tiếp (tiểu phần này bây giờ có thể liên kết

phân tử điều hòa dị lập thể dễ dàng hơn). Các tiểu phần như vậy được mô tả diễn ra sự

phối hợp thay đổi hình dạng (concerted shape change).

Nhiều protein bám DNA cũng là protein dị lập thể. Chúng thay đổi hình dạng

cũng như khả năng liên kết của chúng với DNA khi các phân tử điều hòa nhỏ gắn với

chúng. Điều này cho phép điều hòa sự biểu hiện của gene để đáp ứng một loạt các kích

thích hóa học, như sẽ được thảo luận trong các chương 9 và 10.



45

Enzymes có thể được kiểm soát bởi những biến đổi hóa học

Một vài protein thay đổi cấu hình và hoạt động sau khi liên kết với một phân tử

nhỏ. Trong trường hợp khác, hình dạng thay đổi là do sự thay đổi về mặt hóa học của

protein. Bình thường điều này xảy ra khi một nhóm chất được thêm vào và nó có thể

được gỡ bỏ ra được sau đó. Nhóm phosphate là ví dụ điển hình của các phân tử nhỏ có

ảnh hưởng đến sự thay đổi hình dạng, nhưng các nhóm khác bao gồm acetyl, methyl, và

adenyl (AMP) có thể cũng có hiệu quả. Nhóm phosphate được gắn vào protein bởi các

enzyme được gọi là protein kinase và bị loại bỏ bởi các protein phosphatase (Hình 7.42).

Việc điều hòa hoạt động của enzyme bằng thay đổi liên kết cộng hoá trị của nó là tương

đối hiếm ở vi khuẩn nhưng cực kì phổ biến ở động vật. Khoảng một phần ba của tất cả

10.000 protein khác nhau hoặc nhiều hơn trong một tế bào động vật được phosphoryl hóa

tại bất cứ thời điểm nào. Khi nhận được tín hiệu từ bên ngoài, chúng thường phản ứng lại

bằng cách phosphoryl hóa một tập hợp các protein bao gồm cả enzyme và các yếu tố

phiên mã.



46

Ví dụ cổ điển về sự điều khiển thông qua quá trình phosphoryl hóa là sự tổng hợp

và phân giải glycogen ở tế bào động vật. Glycogen là một carbohydrate dự trữ bị phân

cắt ra để tạo thành glucose khi tế bào cần năng lượng. Nó được tổng hợp bởi glycogen

synthase và bị phân hủy bởi glycogen phosphorylase (hình 7.43). Cả hai đều được kiểm

soát bởi các enzyme phosphoryl hóa. Glycogen phosphorylase được kích hoạt khi

phosphoryl hóa, trong khi đó glycogen synthase bất hoạt khi bị phosphoryl hóa. Thông

thường, có một chuỗi các phản ứng enzyme liên quan đến hai protein kinase. Khi các tế

bào cần năng lượng, protein kinase A phosphoryl hóa cả glycogen synthase và

phosphorylase kinase, enzyme sẽ đến lượt phosphoryl hóa glycogen phosphorylase.

Một số enzyme được hoạt hóa bởi sự cắt bớt phân tử tiền chất protein để nhường

tạo ra enzyme hoạt động. Các enzyme tiêu hóa trypsin, chymotrypsin và pepsin được

tổng hợp ở dạng tiền chất như là trypsinogen, chymotrypsinogen và pepsinogen. Chỉ

trong ruột, an toàn các bên ngoài tế bào sinh ra chúng, chúng được kích hoạt bằng sự tách

ra của một chuỗi polypeptide. Không giống như sự điều hòa bằng cách gắn vào các phan

tử nhỏ hoặc bằng quá trình phosphoryl hóa, kiểu hoạt hóa này không thuận nghịch.



47

Protein kết hợp với DNA theo một vài cách khác nhau

Rất nhiều các protein có liên kết với DNA. Những protein này có liên quan đến

quá trình tái bản DNA, trong quá trình biểu hiện gen và sự điều khiển quá trình đó, trong

việc bảo vệ và sửa chữa DNA, và nhiều các quá trình khác. Sự hiểu biết về các thuộc tính

của protein liên kết với DNA là cơ sở quan trọng trong công nghệ sinh học, lĩnh vực mà

chúng được sử dụng để điều khiển sự biểu hiện gene tái tổ hợp. Protein liên kết với DNA

cũng có vai trò rất lớn trong nghiên cứu y học phân tử, đặc biệt là trong nghiên cứu ung

thư và lão hóa. Mặc dù 1 số lượng rất lớn protein liên kết với DNA, nhưng chỉ có một vài

cách phổ biến để những protein này tương tác với DNA.

Mặc dù có 1 vài protein liên kết với DNA theo cách không đặc hiệu, nhưng đa số

nhận biết và bám vào các trình tự đặc hiệu trên DNA. Hầu như tất cả protein liên kết với

DNA bám vào các rãnh lớn của DNA sợi kép, cho phép chúng nhận biết và tiếp xúc với

các bazơ. Khi 1 số vị trí được nhận biết bởi một protein bám DNA nhất định được so

sánh với nhau, chúng được nhận thấy có rất nhiều trình tự tương đồng, mặc dù hiếm khi

giống nhau hoàn toàn. Rất nhiều các protein liên kết DNA, gồm cả protein điều hòa và

enzyme cắt hoặc biến đổi DNA, nhận biết các trình tự lặp đảo dài khoảng 4 đến 8 cặp

bazơ (bp) trên phân tử DNA. Trong trường hợp này, protein chứa các tiểu phần đơn

thường liên kết với phần lặp đảo có tổng chiều dài 4-8 bp. Các protein chứa các tiểu đơn

vị cặp đôi thường bám vào các trình tự lặp đảo dài 5 hoặc 6 bp cách nhau khoảng một



48

trình tự gồm nửa tá cặp bazơ không thực sự quan trọng (hình 7.44). Những đoạn lặp đảo

ngắn như vậy sẽ không tạo được cấu trúc kẹp tóc hay cấu trúc cuống và vòng (thòng

lọng.)

Một số lượng lớn các yếu tố phiên mã khác nhau và các protein điều hòa khác liên

kết với DNA bằng các vùng liên kết với lượng tương đối nhỏ các vùng DNA kết hợp với

protein. Các dạng đã được biết đến nhiều nhất gồm helix-turn-helix (HTH), helix-loop-

helix (HLH), leucine zipper (khóa kéo leucine) và zinc finger (ngón tay kẽm).

Cả helix-turn-helix và cấu trúc tương tự nhưng phân biệt là helix-loop-helix đều

có cấu tạo bởi 2 đoạn xoắn alpha helix nối với nhau bởi một đoạn vòng quay (loop) (hình

7.45). Đoạn turn hay loop ở motif HTH ngắn hơn so với ở vùng HLH. Trong mỗi trường

hợp, 1 trong 2 xoắn alpha helix sẽ khớp với vùng rãnh lớn (chính) của xoắn kép DNA và

tạo liên kết với các bazơ. Ở motif HTH, đoạn helix thứ 2 trong 2 xoắn (tính từ đầu N)

chịu trách nhiệm liên kết với DNA, ngược lại, trong HLH là xoắn alpha helix đầu tiên.

Các protein dạng này thường liên kết như các dimer bám vào các đoạn lặp đảo trong

DNA (hình 7.46).



49

Vùng HTH được sử dụng phổ biến ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn,

trong khi, dạng HLH được tìm thấy chủ yếu ở sinh vật nhân chuẩn. Ví dụ, dạng HTH

được tìm thấy trong protein hoạt hóa chung Crp của E. coli và cả protein điều hòa CI và

Cro của thực khuẩn thể lamda (hình 7.47). Các yếu tố phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn

nhận ra các trình tự ở homeobox và điều khiển sự phát triển của động vật đa bào sử dụng

motif HTH. (Các trình tự ở homeobox được tìm thấy trong vùng điều hòa của các gen

tham gia vào quá trình phát triển cả về không gian và thời gian ở động vật - xem chương

19). Mặc dù thành phần còn lại của vùng DNA liên kết với protein có sự khác nhau,

motif HTH thực sự gắn vào DNA hầu như giống hệt với vùng tương đương ở chất ức chế

CI của thể thực khuẩn lamda.

Leucine zipper (khóa kéo giàu leucine) được tìm thấy trong nhiều yếu tố phiên mã

của sinh vật nhân chuẩn, bao gồm protein Fos, Jun và Myc mà tham gia vào điều khiển



50

sự phân bào và sinh ung thư. Dạng cấu trúc leucine zipper này gồm 1 xoắn alpha với sự

xuất hiện của leucine sau mỗi trình tự gồm 7 amino acid. Ngoài ra amino acid ở giữa hai

leucine thường kỵ nước. Vì có 3.6 amino acid /1 chu kỳ xoắn, những amino kỵ nước này

hình thành nên một chuỗi răng khóa ở dọc một phía xoắn alpha helix (hình 7.48). 2 xoắn

alpha kiểu này có thể liên kết với nhau bằng các răng khóa kỵ nước đó và hình thành nên

cấu trúc giống chiếc khóa kéo. Việc gắn vào DNA thực ra là do các amino acid có nhóm

bên kiềm tính ở phía trước vùng khóa kéo.

Dạng zinc finger (ngón tay kẽm) chứa 1 nguyên tử Zn ở trung tâm với 1 đoạn 25-

30 gốc amino acid được sắp xếp quanh nó (hình 7.49). Ở dạng zinc finger cổ điển, Zn

liên kết với 2 cysteine nằm trong 1 đoạn β sheet rất ngắn - 1 cấu trúc kẹp tóc beta- và 2

histidine nằm trong một cấu trúc xoắn alpha ngắn. Đầu xa của cấu trúc xoắn alpha nhô

vào vùng rãnh lớn của DNA. Hơn 1000 protein dạng này đã được biết tới, rất nhiều trong

chúng có nhiều cấu trúc ngón tay (dạng ngón tay kẽm phức). Protein dạng này đầu tiên

được phát hiện là yếu tố phiên mã TFIIIA ở sinh vật nhân chuẩn, ở cóc Xenopus, protein

mà chứa 9 ngón tay kẽm.



51

Mỗi ngón tay kẽm thường nhận biết được trình tự 3 bazơ trên DNA. Ít khi, 4

hoặc 5 bazơ được nhận biết bởi 1 cấu trúc ngón tay. Tính đặc hiệu trình tự DNA được

nhận biết của mỗi zinc finger protein phụ thuộc vào trình tự amino acid trong chuỗi



52

polypeptide nằm giữa His và Cys mà liên kết với Zn. Các amino acid trong vùng này tạo

liên kết hydro với các bazơ trong DNA.

Một vài dạng biến thể của ngón tay kẽm đã được tìm thấy. Ví dụ, họ thụ thể

steroid của các yếu tố phiên mã có vùng liên kết DNA chứa 2 nguyên tử Zn, bao quanh

mỗi nguyên tử là 4 Cys. Một cấu trúc xoắn alpha ngắn, nằm giữa 2 nguyên tử Zn, liên kết

với DNA. Một số yếu tố phiên mã ở nấm, trong đó có GAL4 ở nấm men, chứa các cấu

trúc ngón tay bao quanh 1 cụm gồm 2 nguyên tử Zn liên kết với 6 Cys.

Sự biến tính protein

Biến tính là sự mất đi cấu trúc 3-D đúng, nghĩa là mất đi cả cấu trúc bậc 3 và bậc

4. Sự biến tính chỉ liên quan đến sự phá vỡ, thay đổi các liên kết không cộng hoá trị. Sự

biến tính cấu trúc protein kèm theo sự mất đi chức năng hoạt động của protein. Đặc biệt

các enzyme rất dễ bị làm biến tính. Khi protein bị biến tính chúng thường kết tủa trong

dung dịch, như xảy ra với protein trứng khi nó bị đun sôi. Nhiệt độ, độ pH, và các tác

nhân hoá học phá huỷ các cấu trúc không cộng hoá trị và làm biến tính protein. Thậm chí

việc khuấy/ đánh trứng kích thích sự biến tính của một số protein trong lòng trắng trứng

tạo thành bánh trứng.

Các protein có độ bền khác nhau. một số rất nhạy cảm chỉ cần thay đổi pH hoặc

nhiệt độ chút ít cũng có thể làm biến tính chúng. Protein loại này thường gây ra vấn đề

trong việc tinh sạch protein và việc ứng dụng vào công nghệ sinh học của chúng. Do đó,

các nhà nghiên cứu đã không ngừng tìm kiếm các protein tự nhiên có khả năng chống

chịu bất thường, hoặc thay đổi protein để tăng thêm sự ổn định cho chúng. Vi khuẩn sống

trong các điều kiện khắc nghiệt là nguồn protein chống chịu (giàu tính kháng). Ví dụ Taq

polymelase được sử dụng trong PCR (xem chương 23) là 1 enzyme có khả năng chịu

nhiệt cao được tạo ra từ vi khuẩn sống trong các môi trường tự nhiên có nhiệt độ cao,

nhiệt độ giết chết hầu hết các sinh vật khác.

Các lực kỵ nước có vai trò duy trì cấu trúc 3D của protein bị phá vỡ bởi các chất

tẩy rửa và tác nhân chaotropic. Các chất tẩy rửa bao gồm 1 đuôi kỵ nước nối với một

nhóm tan tốt trong nước. Chúng hoạt động bằng cách liên kết trực tiếp với các vùng kỵ

nước của phân tử khác và hoà tan chúng. Đối với protein, các chất tẩy rữa có thể liên kết

với các nhóm kỵ nước, các nhóm mà bình thường ở sâu bên trong phân tử, và cũng liên



53

kết với xương sống peptide khá kỵ nước. Điều này làm mất tính ổn định và khả năng

cuộn gấp thành cấu trúc 3-D của chuỗi polypeptide.

Chất tẩy rửa SDS (sodium dodexyl sulfate) được sử dụng rộng rãi để hoà tan và

làm biến tính protein trước khi chạy chúng trên gel polyacrylamide để phân tách chúng

dựa trên trọng lượng phân tử (xem chương 26). SDS có một đuôi hydrocarbon dài liên

kết với chuỗi polypepetide và mang 1 nhóm sulfate tích điện âm chia ra ngoài vào trong

nước và làm tan phức hệ protein /SDS (hình 7.50). SDS liên kết với các polypepetide

theo chiều dài của chúng và biến đổi thành cấu trúc sợi thẳng. Bản chất chính xác của liên

kết SDS-polypeptide vẫn đang được tranh luận. Một giả thuyết là nó liên kết với các

nhóm R của axít amin không phân cực. SDS liên kết theo tỉ lệ 1 SDS với 2 gốc amino

acid cho phần lớn protein và điều này cho thấy rằng nó là liên kết bền vững. Thực tế cho

thấy, điều quan trọng là các SDS liên kết góp gốc mang điện âm tỉ lệ thuận với chiều dài

chuỗi polypepetide, do đó tỉ lệ thuận với khối lượng phân tử của chúng. Tác nhân

chaotropic (ví dụ thiocyanate, perchlorate) cũng làm biến đổi protein bằng cách thúc đẩy

các nhóm kỵ nước lộ ra bằng 1 cơ chế gián tiếp. Khi tiếp xúc với nước, các nhóm kỵ

nước tạo nên sự hình thành các lồng đều đặn của các phân tử nước xung quanh chúng.

Điều này làm giảm sự di chuyển tự do của nước, tức là nó tăng entropy, và quá trình này

không thuận về nhiệt động học. Các nhóm kỵ nước có xu hướng co cụm lại với nhau để

tránh sự tiếp xúc với nước, chứ không phải do bất kì 1 lực hút nào. Các chaotrope phá vỡ

cấu trúc nước làm các nhóm kỵ nước dễ dàng được hòa tan.



54

Các chất làm biến tính protein khác là các phân tử phá vỡ liên kết hydro, những

liên kết duy trì cấu trúc bậc hai. Ví dụ như ure, guanidine và guanidinium chloride (hình

7.51). Chúng hoạt động bằng cách hình thành liên kết hydro giữa các nhóm CO hoặc

NH2 của chúng với tất cả các nhóm trên protein có khả năng tham gia vào liên kết hydro.

Nhiệt độ cao và pH cực đoan cũng phá vỡ liên kết hydro.

Sự biến tính cũng được hổ trợ bằng việc phá vỡ liên kết disulfide dùng để ổn định

cấu trúc của protein. Trong phòng thí nghiệm, β-mercaptoethanol hay BME

(HOCH2CH2SH) thường được sử dụng để khử liên kết disulfide tạo 2 nhóm SH vì thế

phá vỡ các liên kết.

cẤu trÚc vÀ chỨc nĂng cỦa protein

Documents