Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

TỔNG KẾT MỘT SỐ THÀNH PHẦN CẤU TRÚC TẾ BÀO

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Chúng ta đã trải qua 15 chương cơ sở, dễ dàng nhận ra rằng có một motif phổ quát trong sinh học, đó là sự hình thành các đại phân tử sinh học và cấu trúc từ nhiều tiểu phân tử tương đồng hoặc thậm chí giống hệt nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị hay không cộng hóa trị. Ở mục này, chúng ta sẽ ôn lại tổng quát các vấn đề cốt lõi cần nắm.

Ba nhóm đại phân tử sinh học phổ biến và quan trọng nhất trong các hệ sinh học là protein, acid nucleic và polysaccharide. Chúng là polymer của các tiếu phân tử (trong trường hợp này được gọi là đơn phân) liên kết cộng hóa trị với nhau. Protein là polymer mạch thẳng chứa mười cho tới vài ngàn acid amin gắn với nhau bằng liên kết peptide. Acid nucleic là polymer mạch thẳng chứa hàng trăm cho tới hàng triệu nucleotide gắn với nhau theo liên kết phosphodieste. Polysaccharide là polymer mạch thẳng hay nhánh của các monosaccharide (đường), như glucode, gắn với nhau theo liên kết glycoside. Cơ chế các đơn phân liên kết cộng hóa trị tạo thành phức hệ. Liên kết cộng hóa trị tạo thành giữa hai đơn phân thường làm mất H từ một đơn phân và OH từ đơn phân kia, hay nói cách khác là loại một phân tử nước nên có thể xem như phản ứng dehydrate hóa. Những liên kết này bền dưới điều kiện sinh học bình thường, (ví dụ 37oC, pH trung tính) và do đó các polymer sinh học kể trên khá ổn định và có thể thực hiển rất nhiều nhiệm vụ rất đa dạng trong tế bào (lưu trữ thông tin, xúc tác phản ứng hóa học, thành phần cấu trúc xác định hình thành và vận động của tế bào…).

Hình 16.1: Các khối cấu trúc hóa học chính của tế bào

Các đại phân tửa cũng có thể lắp ráp thông qua tương tác không cộng hóa trị. Ví dụ, hàng ngàn tiểu phân tử gọi là phospholipid lắp ráp không cộng hóa trị thành cấu trúc hai lớp của màng tế bào. Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào tính chất của các đơn vị cấu trúc hóa học – acid amin, nucleotide, đường và phosphorlipid. Các chương sau sẽ đề cập đến cấu trúc, chức năng cũng như sự lắp ghép chức năng cũng như sự lắp ghép tạo thành protein, acid nucleic, polysaccharide và màng sinh học.

Các acid amin chỉ khác nhau trong phần mạch nhánh, 20 loại acid amin là đơn phân cấu thành protein. Sau khi tích hơp thành polymer protein, các acid amin có cấu trúc đặc thù gồm nguyên tử carbon alpha (C ) trung tâm gắn với bốn nhốm hóa học khác: nhóm amine (-NH2), nhóm carboxyl (COOH) nguyên tử hydrogen và một nhóm biến đổi gọi là mạch nhánh hay nhóm R. trừ glycine, carbon α của các acid amin còn lại có tính bất đối xứng nên tồn tại hai dạng đồng phân là ảnh qua gương của nhau gọi là dạng D(dextro) và L(levo). Không thể hoán chuyển hai đồng phân này mà không phá vỡ sau đó tái tạo liên kêt hóa học nội tại. Ngoài một số rất ít trường hợp, chỉ acid amin dạng L tham gia tạo protein.

Để hiểu cấu trúc lập thể và chức năng của proteinthì cần nhớ một số tính chất đặc thù của acid amin. Mạch nhánh xác định môt phần những tính chất này. Không cần thiết phải nhớ hết cấu trúc chi tiết của mỗi loại mạch nhánh nhưng cần nhớ tính chất chung của từng nhóm acid amin phân theo kích thước, hình dạng, điện tích, tính khử nước và tương tác hóa học của mạch nhánh.

Acid amin với mạch nhánh không phân cực có tính kị nước nên hòa tan kém trong nước. Mạch nhánh càng lớn thì độ kị nước càng cao. Mạch nhánh của alanine, valine, leucine, isoleucine đều là hydrogencarbon mạch thẳng và của methionnine(chứa thêm một vòng nguyên tử lưu huỳnh) đều không chứa mạch vòng, không phân cực. Nhóm R của phenylalanine, tyrosine và tryptophan chứa mạch vòng lớn và cồng kềnh. Chương sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết làm thế nào các nhóm kị nước này,dưới ảnh hưởng của hiệu ứng kị nước, thường vùi vào bên trong hoặc lát bên ngoài bề mặt của các protein vùi trong vùng kị nước của màng sinh học.

Acid amin có nhóm R phân cực nằm trong tập hợp các acid amin ưa nước. Tập con của tập hợp này chứa những acid amin có tính ưa nước nhất với nhóm R tích điện (ion hóa) tại pH đặc trưng của dịch sinh học (= 7). Arginine và lysine có mạch nhánh tích điện dương và được gọi là acid amin base. Mạch nhánh của acid aspartic và acid glutamic chứa nhóm COO nên tích điện âm (dạng ion hóa gọi là aspartate và glutamate)và có tính acid. Vì vậy histidine có thể chuyển từ dạng tích điện dương sang dạng không tích điện phụ thuộc vào những biến đổi nhỏ trong độ acid của môi trường.

Do khả năng trên của histidine nên có thể điều khiển hoạt tính của nhiều protein bằng các dịch chuyển độ acid môi trường. Asparagine và glutamine không tích điện nhưng có mạch nhánh chứa nhóm –NH2 phân cực với khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh. Tương tự serine và threonine không tích điện nhưng mang nhóm hydrogenxyl phân cực nên có khả năng tạo liên kết hydrogen với phân tử phân cực khác.

Sau cùng, cysteine, glycine và proline có vai trò đặc biệt trong protein vì mạch nhánh của chúng có tính chất đặc biệt. Mạch nhánh của cysteine chưa nhóm sulfhydryl (-SH) hoạt hóa với khả năng  oxy hóa để hình thành liên kết disulfide cộng hóa trị (-S-S-) với cysteine thứ hai :

Các vùng thuộc một chuỗi  protein (nội phân tử) hoặc thuộc các chuổi khác nhau (giữa các phân tử) đôi khi gắn chéo với nhau qua liên kết disulfide. Các liên kết này làm bền cấu trúc gấp nếp của một số protein. Acid amin nhỏ nhất là glycine có nhóm R là một nguyên tử hydrogen, kích thước nhỏ cho phép glycine nằm vừa trong không gian hẹp. Không như các acid amin khác, mạch nhánh của proline uốn lại thành vòng bởi liên kết cộng hóa trị với nguyên tử nito trong nhóm amin gắn Ca. Vì vậy acid amin này rất kém linh động và tạo thành điểm cong cố định trong chuỗi protein, điều này hạn chế vùng khả năng gấp nếp ở vùng protein chứa proline. Một số acid amin có tỷ lệ xuất hiện trong protein cao hơn so với các acid amin khác. Cysteine, tryptophan, và methionine là các acid amin hiếm. Tỷ lệ xuất hiện của cả 3 loại acid amin trong protein chỉ khoảng 5%. Bốn loại acid amin: leucine, serine, lysine, và acid glutamic có tỷ lệ cao nhất, chiếm 32% tổng số gốc acid amin  trong một protein điển hình. Tuy nhiên thành phần acid amin của một protein  nhất định có thể rất khác giá trị này.

Mặc dù các tế bào sử dụng 20 loại acid amin làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp protein nhưng những phân tích chi tiết cho thấy các protein của tế bào chưa trên 100 loại acid amin. Nguyên nhân của điều này là do acid amin trong protein bị biến đổi hóa học. Nhóm acetyl (CH3CO) và một loạt các nhóm hóa học khác có thể gắn đặc hiệu với các acid amin của protein. Một biến đổi quan trọng là phosphate (PO4, phosphoryl hóa ) gắn thêm vào nhóm hydrogenxyl của serine, threonine, và tyrosine. Chúng ta sẽ gặp rất nhiều ví dụ điều hòa hoạt tính protein bởi phản ứng phosphoryl và khử phosphoryl hóa thuận nghịch. Phosphoryl hóa nito trong mạch nhánh của histidine không có gì lạ ở vi khuẩn, nấm và thực vật nhưng có ít nghiên cứu hơn có thể do histidine đã phosphoryl hóa tương đối không bền và rõ ràng là ít xảy ra hơn ở động vật có vú. Mạch nhánh của asparagines, serine, và threonine là vị trí glycosyl hóa. Các biến đổi acid amin khác bao gồm hydrogenxyl hóa proline và lysine trong collagen, methyl hóa histidine trong thụ thể màng, và –carboxyl hóa glutamate trong các yếu tố đông máu như prothrombin.

Hình 16.2: Các bước xác định trình tự chuỗi polypeptide.

Acetyl hóa : nhóm acetyl gắn vào nhóm amin đầu N của protein là dạng biến đổi hóa học acid amin phổ biến nhất, xảy ra ở khoảng chừng 80% protein:

Biến đổi này đóng vai trò quan sát quan trọng đối với sự tồn tại của protein trong tế bào vì các protein không acetyl hóa nhanh chóng bị phân hủy.

Năm loại nucleotide tạo ra acid nucleic

Hai loại acid nucleic có tính chất hóa học tương tự là DNA (acid deoxyribonucleic) và RNA(acid ribonucleic), mang thông tin di truyền của tế bào. Nucleotide là đơn vị cấu thành polymer RNA và DNA. Nucleotide  có cấu trúc chung gồm : một nhóm phosphate liên kết phosphoester với đường pentose(đường 5 carbon), đường pentose lại gắn với base nito (mạch vòng chưa carbon và N) tại nguyên tử N. Pentose của RNA là ribose và của DNA là deoxyribose (ribose có nhóm 2; trong đóOH bị thay bằng 2H). Các base adenine, guanine, và cytosine nằm trong DNA và RNA trong khi thymine chỉ tồn tại ở DNA, và uracil chỉ ở RNA.

Hình 16.3: 4 cấu trúc sống (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th)

Adenine (A) và guanine(G) là purine, chứa hai mạch vòng dung hợp; cytosine(C), thymine(T), và uracil (U) là pyrimidine, chỉ chứa một mạch vòng. Trong nucleotide, carbon 1’ của đường (ribose hay deoxyribose) gắn với nito số 9 của purine (N9), hoặc nito số 1 của pyrimidine(N1). Nhóm phosphate quyết định đặc trưng acid của nucleotide. Dưới các điều kiện nội bào bình thường, nhóm phosphate giải phóng H+ nên tích điện âm. Trong tế bào hầu hết nucleotide sử dụng phosphate tích điện âm để tạo liên kết ion với protein.

Hình 16.4: Cấu trúc AMP

Tế bào và dịch ngoại bào của sinh vật chứa nucleoside. Nucleoside là hợp chất chứa base và đường và không có phosphate. Nucleotide là nucleoside liên kết ester với một, hai hoặc ba nhóm phosphate tại đầu 5’OH. Nucleoside  monophosphate có một phosphate đã ester hóa; nucleoside diphosphate chưa một nhóm pyrophosphate và nucleosic triphosphate có ba nhóm phosphate.

Hình 16.5: Liệt kê tên của các nucleoside và nucleotide trong acid nucleic và các dạng nucleoside phosphate. Ngoài ra nucleotide trong tế bào còn có một số chức năng khác. Ví dụ, GTP tham gia vào truyền tín hiệu nội bào và đóng vai trò tích trữ năng lượng, đặc biệt trong tổng hợp protein, và ATP là chất mang năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào. (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th)

Các monosaccharide liên kết glycoside với nhau tạo nên polysaccharide mạch thẳng và nhánh

Đơn vị cấu trúc của polysaccharide là đường đơn hay còn gọi là monosaccharide. Monosaccharide hay còn gọi là carbohydrate có công thức phân tử chung (CH2O)n  với n bằng 3, 4,5,6,7. Hexose (6 carbon) và pentose (5 carbon) là những monosaccharide phổ biến nhất. Monosaccharide có công thức chưa nhóm hydrogenxyl (-OH) và một nhóm aldehyde hoặc keto:

Nhiều loại đường quan trọng về mặt sinh học là đường 6 carbon(hexose), gồm glucose, mannose, và galactose. Mannose giống hết glucose ngoại trừ chiều của các nhóm liên kết với carbon số 2 bị đảo ngược. Tương tự, galactose chỉ khác với carbon số 4. Sự hoán chuyển giữa glucose và mannose hoặc galatose đòi hỏi phá vỡ và tái tạo liên kết công hóa trị. Enzyme epimerases xúc tác những phản ứng như vậy.

D-Glucose(C6H12O6)  là nguồn năng lượng chính từ bên ngoài của hầu hết tế bào sinh vật bậc cao và có ba dạng tồn tại: một dạng mạch thẳng và hai dạng mạch vòng hemiacetal. Nhóm aldehyde trên carbon số 5 tạo ra D-glucopyranose, nhóm hydrogenxyl gắn với carbon số 1 “quay xuống dưới” : nhóm hydrogenxyl này của β-anomer và hầu như không có dạng mở vòng. Bởi vì enzyme có thể phân biệt giữ α và β-anomer của D-glucose nên những dạng này có vai trò sinh học khác biệt. Nhóm –OH trên carbon số 4 liên kết với nhóm aldehyde của glucose mạch thẳng sẽ tạo vòng hemiacetal 5 cạnh gọi là S-gluco-furanose. Trong ba dạng D-glucose tồn tại trong hệ sinh học, pyranose phổ biên nhất.

Vòng pyranose có dạng phẳng. Trên thực tế do liên kết quanh carbon tuân theo mô hình tứ diện nên cấu hình bền của vòng pyranose có dạng ghế. Trong cấu hình này, mỗi nguyên tử ngoài vòng ví dụ H hoặc O, liên kết trưc giao với carbon trên vòng theo trục X (a) hoặc gần như trong mặt phẳng vòng gọi là vuông theo trục Y(e).

Hình 16.6: Công thức mạch thẳng và đóng vòng 5, vòng 6 của glucose

Disaccharide (hình thành từ hai monosaccharide)là polysaccharide đơn giản nhất. Lactose(cấu thành galactose và glucose) là đường chính trong sữa, sucrose(cấu thành từ fructose và glucose) là sản phẩm của chính quá trình quang tổng hợp trong thực vật và đươc tinh chế thành đường ăn thông thường.

Các polysaccharide lớn hơn chứa hàng chục đến hàng trăm đơn vị monosaccharide với chức năng lưu trữ glucose, thành phần cấu trúc, hoặc chất kết dính tế bào trong mô. Glycogen, polymer dài và nhiều nhánh của glucose là nguồn dự trữ carbonhydrate chính của tế bào động vật. Trọng lượng của glycogen có thể chiếm tới 10% trọng lượng gan. Nguồn dự trữ carbohydrate chính của tế bào thực vật là tinh bột. Tinh bột cũng là polymer của glucose và có dạng mạch không nhánh (amylose) hoặc ít nhánh (amylopeptin). Glycogen được tạo thành từ glucose dạng α-amomer. Ngược lại, cellulose, yếu tố chính của thành tế bào thực vật là polymer không phân nhánh của glucose dạng β-anomer. Enzyme tiêu hóa của người có thể thủy phân liên kết α glycoside trong tinh bột nhưng không thể phân hủy liên kết β glycosid trong cellulose.

Hình16.7: Phản ứng tạo disaccharide

Các enzyme tạo liên kết glycoside nối monosaccharide thành polysaccharide có nhiều nhóm –OH khả dụng để tạo liên kết glycoside nên về nguyên tắc hai phân tử đường có thểliên kết với nhau theo một số cách. Hơn nữa, một monosaccharide có khả năng liên kết với nhiều hơn hai monosaccharide khác nên có thể tạo các polymer mạch nhánh và polymer phi tuyến tính. Liên kết glycoside thường hình thành giữa chuỗi polysaccharide đang tổng hợp và monosaccharide đã biến đổi. những thay đổi như vậy gồm gắn cộng hóa trị với phosphate(ví dụ, glucose 6-phosphate) hoặc nucleotide(ví dụ, UDP-galatose)

Hình 16.8: Sơ đồ các phần cấu trúc của phosphatidylcholine

Nhiều loại enzyme epimerase thường thực hiện chuyển hóa các monosaccharide khác nhau sử dụng đường gắn nucleotide hơn là đường không bị biến đổi. Nhiều polysaccharide phức tạp chứa đường đã biến đổi, thường gắn cộng hóa trị với các nhóm nhỏ khác nhau, đặc biệt là nhóm amin, sulfate, và acetyl. Những biến đổi như vậy phổ biến trong glycosaminoglycan, thành phần polysaccharide chính của chất nền ngoài bào sẽ mô tả kĩ sau.

Các phospholipid kết hợp không cộng hóa trị với nhau tạo nên cấu trúc lớp kép cơ bản của màng sinh học

Hình 16.9: Cấu trúc palmitate và oleate

Màng sinh học là tấm linh động và lớn, có vai trò như những ranh giới giữa tế bào và các cơ quan tử nội bào cũng như tạo thành bề mặt ngoài của một số virus. Màng là biên giới xác định những gì thuộc tế bào (màng ngoài và nội chất trong màng) và những gì bên ngoài tế bào (không gian ngoại bào bên ngoài màng). Không như protein, acid nucleic, và polysaccharide, màng hình thành từ các đơn vị cấu trúc liên kết không cộng hóa trị với nhau. Đơn vị cấu trúc cơ bản của mọi màng sinh học là phospholipid. Tính chất vật lý của phospholipid là nguyên nhân hình thành cấu trúc dạng tấm của màng.

Cấu trúc của phospholipid gồm hai chuỗi acid béo không phân cực dài, gắn (thường liên kết qua ester) với các nhóm nhỏ có độ phân cực cao (gồm phosphate và phân tử hữu cơ ngắn như glycerol, trihydrogenxy propanol).

Acid béo là một chuỗi hydrogencarbon gắn với một nhóm carboxyl (-COOH), là nguồn năng lượng quan trọng (giống như glucose) của rất nhiều loại tế bào. Các acid béo phổ biến trong tế bào có số nguyên tử carbon là chẵn, thường là 14,16,18 hoặc 20.

Acid béo không chứa nối đôi được gọi là no; nếu chứa ít nhất một nối đôi gọi là không no. acid béo không no chứa nhiều hơn một nối đôi C=C được gọi là không no bậc cao. Hai acid amin không no bậc cao “thiết yếu” là acid linoleic(C18:2) và acid linolenic(C18:3). Động vật có vú có thể tổng hợp các acid béo phổ biến khác nhưng phải thu nhận hai acid này từ thực phẩm. Quanh mỗi nối đôi C=C có thể tồn tại hai đồng phân lập thể cis và trans:

Nối cis làm chuỗi acid béo bị gấp khúc và kém linh động. Thông thường, acid béo không no trong hệ sinh học chỉ chứa nối đôi dạng cis. Do không gấp khúc nên acid béo no có thể đóng chặt với nhau hơn và có nhiệt độ nóng chảy cao hơn acid béo không no. Ở nhiệt độ phòng acid béo no thường có thể rắn. Acid béo dạng trans có trong bơ thực vật đã hydrogen hóa (sử dụng làm thỏi bơ rắn) và các sản phẩm thực phẩm không từ tự nhiên khác. Acid béo dạng trans xuất phát từ quá trình xúc tác được sử dụng khi hydrogen hóa. Các acid béo no và dạng trans có tính chất vật lý tương tự, và so với chất béo không no thì sử dụng chất béo no làm tăng tương đối nồng độ cholesterol trong máu.

Acid béo có thể gắn cộng hóa trị với phân tử khác bởi phản ứng dehydrate hóa gọi là ester hóa. Phản ứng này loại –OH của nhóm carboxyl trong acid béo và H của nhóm hydrogenxyl trong phân tử kia, tạo thành phẩn tử hợp nhất với phần thu được từ acid béo gọi là nhóm acyl, hay nhóm acyl béo. Dạng phospholipid phổ biến nhất là phssphoglyceride và triacylglycerol (hay còn gọi là triglyceride) minh họa phản ứng này. Phosphoglyceride chứa hai nhóm acyl gắn với hai nhóm –OH của glycerol còn triglyceride chưa ba nhóm acyl ester hóa với glycerol.

Hình 16.10:  Phân tử có hai vùng ưa nước và kị nước như phospholipid được gọi là phân tử lưỡng phần.

Các nhóm acyl béo cũng có thể liên kết cộng hóa trị với phân tử chất béo khác hoặc cholesterol tạo thành cholesteryl ester.

Triglyceride  và cholesteryl ester cực kì khó tan trong nước. acid béo và cholesterol tương ứng được tích trữ hoặc vận chuyển dưới hai dạng này. Triglyceride là dạng tích trữ của acid béo trong tế bào mỡ của mô mỡ và là thành phần chất béo chính trong bữa ăn. Chất mang đặc biệt gọi là lipoprotein vận chuyển cholesteryl ester và triglyceride theo dòng máu tới mô.

Trong phosphoglyceride, một nhóm OH cả glycerol liên kết ester với phosphate trong khi hai nhóm –OH khác thường liên kết ester với hai acid béo. Phospholipid đơn giản nhất là acid phosphatidic, chỉ chứa những thành phần này. Nhóm phosphate của hầu hết phospholipid còn tham gia liên kết ester với nhóm –OH của hợp chất ưa nước khác. Ví dụ choline gắn với phosphate trong phosphatidylcholine. Điện tích âm của phosphate và các nhóm phân cực (hoặc tích điện) liên kết ester với nó có thể tương tác mạnh với nước. Nhóm “đầu” của phospholipid (gồm phosphate và các nhóm liên kết ester với nó) có tính ưa nước trong khi các đuôi acyl béo có tính kị nước.

Xong chương này, chúng tôi tin rằng các bạn đã có đủ nền tảng về tri thức cơ sở cho Sinh học phân tử tế bào cũng như có thêm một số hệ thống lý luận nữa để bước vào các chương của phần 2 với nhiều nội dung khó khăn hơn nữa.

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh