Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

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

ĐẠI CƯƠNG AMINO ACID

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Thuộc tính hóa học tự nhiên của amino acid

Tất cả peptide và polypeptide đều được tạo nên từ quá trình trùng hợp α-amino acid. Trong đó, có 20 α-amino acid tham gia tổng hợp nên các protein của con người. Một vài amino acid khác cũng tồn tại trong cơ thể ở dạng tự do hay hợp chất nhưng không tạo thành peptide hay protein. Các amino acid không tạo protein này có những chức năng rất đặc biệt, và dĩ nhiên là các amino acid thiết yếu cũng có khả năng này. Ví dụ, tyrosine có trong thành phần hormone tuyến giáp, glutamate là một chất dẫn truyền thần kinh,…

Hình 6.1: Công thức phân tử của Alanine, Glutamine, Phenylalanine

Các α-amino acid trong peptide hay protein (ngoại trừ proline) có một nhóm –COOH và một nhóm –NH2, hai nhóm chức này cùng đính vào một nguyên tử carbon bất đối xứng có cấu trúc tứ diện, hay còn gọi là Cα. Ngoài ra, mỗi amino acid đều có một gốc R riêng biệt, chúng cũng đính vào Cα(ngoại lệ đối với glycine, gốc R của nó là một nguyên tử Hydro).

Hình 6.2: Cấu trúc hai hình thể tồn tại của glycine ở trạng thái khí. Lưu ý khả năng quay của nguyên tử nguyên tố carbone.

Những năm gần đây, Joseph Krzycki và đồng nghiệp của mình ở đại học Ohio đã khám phá ra một dẫn xuất của lysine là pyrrolysine trong một số loài sinh vật cổ, (archaeal species) như Methanosarcina barkeri chẳng hạn. Pyrrolysine và selenocysteine đều được tìm thấy trong cấu trúc tự nhiên của protein nhờ vào hoạt động của các phân tử RNA đáp ứng đặc biệt. Chính sự hiện diện 2 amino acid này trong một số protein khiến cho các nhà khoa học thắc mắc, liệu học thuyết về protein của chúng ta đã hoàn chỉnh chưa, và có bao nhiêu loại amino acid khác nữa có thể hiện diện trong protein mà chúng ta chưa phát hiện được?

Phân loại các amino acid

Người ta dựa vào gốc R để phân loại các amino acid. Nếu phân chia dựa vào tính chất của gốc R thì ta có hai nhóm amino acid, là nhóm ưa nước và nhóm kị nước.

Nhóm amino acid kị nước không hoặc khó tan trong nước, do vậy phần lớn các amino acid này sẽ nằm ở phần nội (interior) của protein. Nhóm amino acid này không ion hóa cũng như hình thành liên kết hydro.  Nhóm amino acid ưa nước có liên kết chặt chẽ với môi trường nước và thường tạo liên kết hydro với môi trường và giữa các amino acid với nhau. Do tính chất đặc biệt như vậy, các amino acid ưa nước tồn tại mở mặt ngoại của amino acid hay trong trung tâm phản ứng của các enzyme.

Hình 6.3: Cách đánh chữ cái Hy Lạp đối với các amino acid.

Liên kết peptide

Liên kết peptide được hình thành từ phản ứng polymer hóa amino acid để tạo thành peptide và protein có dạng R-CO-NH-R’. Một số hormone hay neurotransmitter, kháng sinh và tác nhân chống u (antitumor agents) có bản chất là peptide – một chuỗi ngắn gồm một số amino acid.  

Hình 6.4: Mô tả sự hình thành liên kết peptide(ở trên), một tetrapeptide (hình giữa) và dạng cộng hưởng của nó ở hình dưới.

Nhóm chức α-COOH và α-NH2 của amino acid có khả năng ion hóa. Trong dung dịch nước, hai nhóm này tồn tại dưới dạng được biểu diễn theo phương trình ví dụ dưới đây:

Trường hợp glycine ở trên, có Ka là 1,6 x 10-10 và do vậy ta cũng tính được Kb của nó khi biết   Ka x Kb = 10-14 trong dung dịch nước. Lưu ý, hằng số acid Ka của glycine là “lực acid” của ion NH3+ và Kb là hằng số base của ion –COO-.

Hình 6.5: Đường cong chuẩn độ của enzyme ribonuclease A tại 25oC. Nồng độ của KCl là 0.01M (đường màu xanh dương), 0.03M (đường màu đỏ) và 0.15M (đường màu xanh lá cây).

Tại điều kiện sinh lý cơ thể, pH = 7,39, nhóm carboxyl sẽ tồn tại ở dạng anion còn nhóm amine sẽ được proton hóa trở thành dạng cation. Ngoài ra, amino acid có gốc R không phân cực cũng tồn tại ở dạng trung hòa ở pH này. Do vậy, amino acid gọi là chất lưỡng cực (zwitterion):

-          Có nhiệt độ nóng chảy cao và bị phân hủy.

-          Không bay hơi.

Mỗi amino acid sẽ có một hằng số acid riêng của mình, thường được viết dưới dạng Ka hay pKa. Tổng đại số điện tích của mỗi amino acid, peptide hay protein sẽ phụ thuộc vào pH của môi trường xung quanh, và nó đặc trưng cho từng loại nên thường được dùng để xác định chúng bằng phương pháp điện di. Ở điểm pH mà tổng đại số điện tích của amino acid bằng 0 người ta gọi là điểm đẳng điện (isoelectric poitn, pl)

Hình 6.6: Minh họa các trường hợp của hiện tượng tạo lập trạng thái ion của các chất lưỡng cực. Lưu ý anode là cực dương, catode là cực âm.

-          Nếu dung dịch kiềm mạnh ta sẽ có nồng độ II > III, amino acid sẽ dịch chuyển về phía anod.

-          Nếu dung dịch là acid mạnh thì nồng độ III > II, amino acid dịch chuyển về catod.

-          Nếu nồng độ II và III bằng nhau thì không có sự dịch chuyển nào về hai cực của điện trường, độ hòa tan nhỏ nhất. (Hay thường hiểu là tổng điện tích bằng 0)

Điểm đẳng điện của các amino acid đơn giản có thể tính theo công thức sau:

Hình 6.7: Mô tả đường cong chuẩn độ của glycine

 

Trong các trường hợp phức tạp, ví dụ trong trường hợp của acid aspartic, ta phải viết các quá trình cân bằng của nó như hình dưới đây để xác định điểm trung hòa điện của nó là ở cân bằng nào rồi mới áp dụng công thức trên:

 

 

Điểm trung hòa điện của nó nằm giữa cân bằng (1) và (2), do vậy điểm đẳng điện được tính như sau:

 

Hình 6.8: Điểm đẳng điện của một số amino acid.

Hình 6.9: Minh họa sự thay đổi điện tích theo pH của Glutamate và Lysine theo chiều tăng dần của nồng độ [OH-].

 

Ý nghĩa chức năng của gốc R

Hình 6.10: Khả năng tạo liên kết disulfide của cysteine để tạo thành cystine.

Gốc R quyết định tính chất và vai trò của bất kì amino acid nào. Các amino acid không phân cực sẽ cấu thành nên lõi của protein và được bảo vệ khỏi môi trường nước bên ngoài. Ngược lại, các amino acid phân cực sẽ tạo nên phần vỏ và trung tâm phản ứng của các phân tử protein có hoạt tính xúc tác. Vòng imidazole của histamine là một ví dụ. Nó có thể đóng vai trò là chất cho hay nhận proton ở pH sinh lý, vì lý do này mà nó thường xuất hiện tại vùng hoạt động của các enzyme. Một trong những khả năng đặc biệt khác nữa của histamine là trở thành chất đệm pH trong hemoglobin (H+ đến từ sự phân ly của carbonic acid), nhờ vậy mà hemoglobin có thể đảm bảo được chứng năng trao đổi khí của mình. Hay nhóm –OH của serine và theronine cũng như nhóm –SH của cysteine khiến cho các amino acid này có thể đóng vai trò là chất ái nhân (nucleophiles) trong quá trình xúc tác. Nhóm –SH của cysteine còn có khả năng tạo cầu nối -S-S- với phân tử cysteine khác, tạo nên vòng liên kết phụ có vai trò quan trọng trong việc định hình cấu trúc khung cũng như cấu trúc vùng hoạt động của protein, như thụ thể của insulin chẳng hạn.

Hình 6.11: Một số chuỗi peptide quan trọng trong cơ thể.

Thuộc tính quang học của amino acid

Hình 6.12: Thiết bị và nguyên lý quay cực của các đồng phân đối quang (chiral) nói chung.

Nguyên tử carbon có 4 nhóm liên kết khác nhau tạo thành hình tứ diện được gọi là một đồng phânchiral. Trong các amino acid thiết yếu, chỉ có glycine không phải là một đồng phân chiral vì nó có 2 nguyên tử hydro trong phân tử (phạm điều kiện 4 nhóm khác nhau). Đồng phân chiral có khả năng đặc biệt là xoay mặt phẳng ánh sáng lệch sang phải (dextrorotatory) hoặc sang trái (levorotatory). Tất cả các amino acid trong protein của cơ thể đều có cấu hình thuộc họ L-glyceraldehyde (nghĩa là thuộc họ “xoay trái”). Vì vậy chúng là các L-amino acid. Các D-amino acid tồn tại trong tự nhiên nhưng không có trong cấu trúc của protein, có khi được tìm thấy trong các kháng nhóm kháng sinh polypeptide. Ngoài danh pháp D&L, người ta cũng sử dụng danh pháp R&S (rectus & sinister), tuy ít gặp hơn và thường được sử dụng trong phân tử có nhiều nguyên tử Carbon đối quang. Lưu ý là không phải tất cả các đồng phân L đều là đồng phân S và ngược lại, không phải tất cả đồng phân D là đồng phân R. Hai cách nhận định đồng phân này không thực sự tương đương. Ví dụ, L-threonine có thể gọi là (2S, 3R)-threonine; L-isoleucine là (2S,3S)-isoleucine.

Hình 6.13: (trên) Minh họaL – amino acid và D – amino acid. (dưới)L-amino acid (bên trái) và L-glyceraldehyde (bên phải). Hình biểu diễn đồng phân D-L là dạng Fisher

Lưu ý là các gốc R thơm (như tryptophan) trong amino acid có khả năng hấp thụ tia cực tím và hấp thu tốt nhất ở bước sóng 280nm.

Hình 6.14: Độ hơn cấp của các góc và nhóm hóa học và cách đọc đồng phân đối quang S & R. Hình trênlấy H làm chuẩn và độ hơn cấp theo thứ tự từ NH2 đến CO2- và cuối cùng là CH3,đọc theo chiều hơn cấp giảm dần (ngược chiều kim đồng hồ) do vậy Alanine là đồng phân quang học S.

Một điểm nữa cũng hết sức quan trọng là đặc tính của gốc R cũng quyết định hoạt tính sinh học của amino acid (khả năng tạo liên kết hydrogen, khả năng gắn gốc phosphate,…)

Hình 6.15: Khả năng tham gia phản ứng và vị trí phosphoryl hóa của 3 amino acid.

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