Monthly Archives: September 2013

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC HỢP CHẤT PHOSPHATE VÔ CƠ (SINH HỌC)

Phần 1: CẤU TRÚC CÁC HỢP CHẤT PHOSPHATE VÔ CƠ

Để có một cái nhìn đầy đủ về những quá trình sinh lý xảy ra trong cơ thể sống, chúng ta cần hiểu rõ cấu trúc hóa học của các hợp chất tham gia vào các quá trình đó, mà hợp chất phosphate hầu như luôn luôn xuất hiện. Do vậy, chương này sẽ trình bày về quá trình tìm kiếm và những kiến thức mới nhất của nhân loại về cấu trúc hóa học của hợp chất phosphate lõi (condensed phosphate) – loại hợp chất trước đây thường được gọi với cái tên dài hơn là metaphosphates và hexametaphosphates (nay không còn dùng nữa).

Cấu trúc của hợp chất phosphate lõi

Việc xác định được cấu trúc phân tử của các hợp chất phosphate là một quá trình hết sức gian nan. Vào năm 1816, Berzelius đã quan sát thấy rằng những sản phẩm được tạo ra từ việc nung nóng acid orthophosphoric (H3PO4) có thể làm kết tủa protein. Graham sau đó cho rằng mình đã thu được NaPO3 khi nung chảy NaH2PO4 vào năm 1833 và đặt tên cho nó là metaphosphate. Nhưng chỉ ít lâu sau đó, Fleitmann và Henenberg (1848) đã chứng minh được rằng metaphosphate có cấu trúc chung là MPO3 (với M là hydrogen hay là một kim loại có hóa trị I). Có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành từ sau đó, trong suốt một trăm năm, các nhà khoa học không ngừng nghỉ tìm kiếm các hợp chất phosphate mới và đặt tên cho các sản phẩm mình thu được. Tuy nhiên, sự thật lại quá phủ phàng khi mà hầu hết các công trình đó đều thất bại vì họ chỉ thu được các “hỗn hợp chất” với thuộc tính thay đổi ở mỗi lần thí nghiệm (do tỉ lệ nồng độ giữa các chất thay đổi). Phải mãi đến những năm 50 và 60 của thế kỉ 20, Thilo, Van Wazer, Ebel và Boulle đã xác định được chính xác cấu trúc và thuộc tính của gốc phosphate trong các hợp chất và đưa ra được bảng phân loại dựa trên danh pháp của họ.

Theo cách phân loại hiện nay, các hợp chất phosphate lõi được chia thành cyclophosphate, polyphosphate và phosphate phân nhánh vô cơ (ultraphosphate).

Hợp chất phosphate vòng (cyclophosphates)

Hợp chất thật sự được gọi là cyclophosphate (hay metaphosphate) là những hợp chất anion vòng. Từng bị lẫn lộn với MPO3 (do Graham đưa ra nhận định sai lầm của mình). Chỉ có 2 đại diện tiêu biểu cho nhóm này là M3P3O9 (cyclotriphosphate) và M4P4O12(cyclotetraphosphate), chúng được minh họa trong hình dưới đây.

Người ta chưa thể phân lập được hợp chất mono- hay di- metaphosphates trên thực tế cũng như chưa có được những dữ kiện lý thuyết chắc chắn. Nhưng những hợp chất vòng phosphate chứa nhiều hơn 10 hay 15 nhóm phosphate (crystalline) tồn tại dưới dạng tinh thể đã được phân lập vào năm 1958 bởi Van Wazer.

Hình 13.1: Cấu trúc (a) Vòng 3 phosphate và (b) vòng 4 phosphate. M là proton hoặc các kim loại hóa trị một.

Polyphosphate

Polyphosphate (PolyPs) được hình thành theo chuẩn tiếp chung là M(n+2)PnO(3n+1). Các anion của nó tạo thành một chuỗi mà trong đó mỗi nguyên tử của nguyên tố phosphorus liên kết với phân tử kế cận thông qua hai nguyên tử của nguyên tố oxygen. Do đó, polyphosphate tạo thành một cấu trúc không phân nhánh, có thể biểu diễn dưới dạng biểu đồ trong hình dưới đây. Độ lớn của n dao động từ 2 đến 106, và khi giá trị của n tăng lên, tỉ lệ cation/phosphorus xấp xỉ hợp chất cyclophosphate dẫn đến việc có thể có sự chuyển đổi qua lại giữa hai loại hợp chất này. Do vậy dễ dẫn đến sự ngộ nhận hai loại chất này là một. Khi n dao động từ 2-5 thì hợp chất này tồn tại dưới dạng tinh thể bền vững, khi n cao thì cân bằng chuyển đổi bắt đầu được thiết lập.

Hình 13.2: Minh họa cấu trúc của polyphosphate. Ta có thể thấy là hai tiểu đơn vị trong cấu trúc polyphosphate liên kết với nhau bằng nguyên tử của nguyên tố oxygen.

Khi n = 1 ta có orthophosphate (Pi), khi n = 2 ta có pyrophosphate (PPi). Cách gọi tên khi n>3 có khác một chút với các hợp chất cyclophosphate, cụ thể khi n = 3 ta sẽ gọi là tripolyphosphate, n = 4 ta có tetrapolyphosphate,…

Khi n vào khoảng 102 và cation là Na+, ta thu được muối Graham.

Khi n khoảng 2 x 104 và cation là K+, ta thu được một hợp chất có cấu trúc dạng amiang (asbestos), hay còn gọi là muối Kurrol.

Có một điều rất đáng ghi nhận là không phải hợp chất polyphosphate nào cũng có thể tồn tại ở dạng tinh thể. Lý do mà muối Graham không thể kết tinh được là vì cấu trúc này luôn có sự tồn tại của nhiều chuỗi polyphosphate chỉ khác nhau ở độ dài. Hơn nữa, độ dài các chuỗi polyphosphate gần bằng nhau của chúng  khiến sự kết tinh cũng khó có thể xảy ra bởi vì sự “kéo dài chuỗi” không thuận lợi về mặt năng lượng do các chuỗi có thể thay thế lẫn nhau vô trật tự khi quá trình kết tinh hóa xảy ra. Ngoài ra, yếu tố ảnh hưởng đến độ dài tối đa mà các hợp chất polyphosphate có khả năng kết tinh đó là sự tăng phân cực của phân tử.

Bảng 13.1: Mô tả thành phần của một mẫu muối Graham’s (Dirheimer, 1964). Ta có thể thấy là luôn tồn tại một lượng cyclophosphate nhất định trong hai mẫu thử pha lẫn với một loại polyphosphate.

Phosphate vô cơ phân nhánh (branched inorganic phosphates – ultraphosphates)

Đây là những hợp chất phosphate cao phân tử không tồn tại dạng mạch thẳng như polyphosphate mà có những điểm nhánh trong cấu trúc của mình. Ví dụ như nguyên tử nguyên tố phosphorus liên kết với 3 thay vì 2 nguyên tử nguyên tố phosphorus kế cận.

Hình 13.3: Cấu trúc phân tử của hợp chất phosphate phân nhánh

Mặc dù các phân tử phosphate phân nhánh chưa được tìm thấy trong các phân tử sống (có lẽ do chúng bị phân hủy khá nhanh trong dung dịch nước, nhạy cảm với pH cũng như nhiệt độ cơ thể), hợp chất này vẫn được tin rằng có tồn tại trong các phân tử sinh học.

Hình 13.4: Mô phỏng cấu trúc của một số phân tử phosphate phân nhánh. Hình đầu tiên là [Na3H(PO)3)4](Jost, 1968), cấu trúc cuối cùng là [NaMn(PO3)3]n (Murashova và Chudinova, 1997)

Một vài thuộc tính hóa học của các hợp chất phosphate lõi vô cơ

Polyphosphate acid là một acid có hai nhóm hydroxyl (-OH) có khả năng phân ly proton khác nhau. Trong đó, nhóm hydroxyl phân cắt cuối cùng thể hiện tính acid yếu. Ngược lại, nhóm hydroxyl đầu tiên lại là một acid rất mạnh nhờ cặp electron dùng chung của nhóm bị phân cực mạnh về phía chuỗi polyphosphate bởi hiệu ứng liên hợp.

Cyclophosphate thì lại chỉ có một nhóm hydroxyl có thể hiện tính acid, và nó là nhóm acid mạnh với khả năng phân ly gần như hoàn toàn. Do vậy người ta dựa vào sự khác nhau này để phân biệt cyclophosphate và polyphosphate. Phương pháp này lần đầu tiên được dùng để xác định chiều dài trung bình của chuỗi phosphate lõi vào năm 1950 bởi Wan Wazer và nó cũng được dùng để phá vỡ đức tin “clyclophosphate và polyphosphate là một” đã kéo dài hơn một trăm năm trước.

Tất cả muối kiềm của polyphosphate đều tan trong nước trong đó kali pyrophosphate tan rất nhiều, 100 g nước có thể hòa tan đến 187.4 g K4P2O7. Tuy nhiên, nhóm muối Kurrol và Maddrell (đại tinh thể phân tử natri polyphosphate)  lại không tan trong nước, riêng nhóm muối Kurrol tan được trong dung dịch muối kiềm hóa trị I (trừ muối của K+).

Các polyphosphate và cyclophosphate ổn định trong dung dịch nước trung tính hơn các phosphate phân nhánh ở nhiệt độ phòng. Sự thủy phân của liên kết P-O-P trong chuỗi polyphosphate đòi hỏi đến 10 kcal/mol – bằng với năng lượng thủy phân của liên kết của cyclophosphate và gốc phosphate hoạt động của phân tử ATP.

Hình 13.5: biểu diễn độ tan của hai polyphosphate trong ethanol

Các hợp chất phosphate phân nhánh có cấu trúc kém ổn định do vậy khả năng thủy phân của nó trong nước ở 25oC nhiều hơn 1000 lần so với các polyphosphate (do cấu trúc ổn định và bền vững). Các polyphosphate và cyclophosphate thủy phân rất chậm ở pH trung tính và nhiệt độ phòng với thời gian bán hủy của liên kết P-O-P lên tới vài năm.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Những kiến thức cơ bản về Carbohydrate

Carbohydrate đóng vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ kể từ khi khám phá của Emil Fischer (1884-1891). Tên gọi Carbohydrate xuất phát từ hợp chất chứa C, H, O với tỉ lệ H : O luôn là 2:1 ( giống như H2O). Cách gọi này không đúng nhưng vẫn dược hiểu là nước không tồn tại trong carbohydrate. Ngày nay thường gọi là dẫn xuất polyhydroxyaldehyde hay polyhydroxycetone. Ngoài ra còn được gọi là glucide hay đường saccharide. Từ saccharide bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “sakkarism” nghĩa là “ đường ăn”.

Carbohydrate là nhóm phân tử sinh học có mặt nhiều nhất trên trái đất. Hàng năm thực vật và tảo có khả năng biến đổi hơn 100 tỉ m3 CO2và H2O thành glucose và sản phẩm hữu cơ khác. Một số carbohydrate như đường, tinh bột là thức ăn chủ yếu của con người. Quá trình oxy hóa carbohydrate là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu ở tế bào dị dưỡng.

Monosaccharide là đường đơn tương ứng với một đơn vị polyhydroxyaldehyde hoặc cetone, phổ biến nhất là D- glucose. Oligosaccharide là một chuỗi chứa một số ( thường là 2,3,4 ) đơn vị monosaccharide nối với nhau thông qua liên kết glucoside, phổ biến nhất là đường đôi disaccharide D-glucose nối với D-fructose bằng liên kết cộng hóa trị. Những oligosaccharide chứa nhiều hơn 3 đơn vị monosaccharide hầu như ít gặp trong tự nhiên ở trạng thái tự do. Polysaccharide là chuỗi dài chứa hàng trăm, hàng nghìn đơn vị đường đơn, trong đó có một số ở dạng sợi dài như cellulose và một số khác ở dạng phân nhánh rất mạnh như glucogen. Hai dạng polysaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên là Cellulose và tinh bột đều được tạo từ D-glucose nhưng được liên kết khác nhau.

Trong thực vật, glucide vừa là vật liệu dự trữ vừa tham gia vào thành phần của mô nâng đỡ. Đối với con người và động vật, glucide là chất dinh dưỡng giúp cho cơ thể tiến hành các chức năng khác nhau và tham gia vào việc bảo vệ cơ thể khỏi bị nhiễm trùng, tham gia vào quá trình phục hồi và điều hòa phản ứng enzymee.

Khái niệm

Carbohydrate còn gọi là glucide có công thức chung Cm(H2O)2n là một trong những thành phần cơ bản của tế bào và mô trong cơ thể sinh vật, chủ yếu là thực vật.

Thực vật : chiếm khoảng 75% trong các bộ phận như củ, quả, lá, thân, cành.

Động vật : chiếm khoảng 2% trong gan, cơ máu…

Nguồn gốc glucide trong tự nhiên: Được hình thành từ trong lá cây của thực vật nhờ quá trình quang hợp của ánh sáng mặt trời và sắc tố xanh chlorophyll ( diệp lục ).

Carbohydrate có thể được chia làm 3 nhóm :

1.Monosaccharide :

1.1 Khái niệm và phân loại :

Monosaccharide đầu tiên được tìm thấy là glucose với cấu trúc 5 nhóm hydroxyl, bởi Alexander Kolli (1869).

Monosaccharide còn gọi là đường đơn vì chúng là thành phần đơn giản nhất của carbohydrate và không bị thủy phân. Monosaccharide được xem là sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn của các polyalcol, công thức có chứa chức aldehyde và cetone.

Thông thường để biểu diễn một phân tử monosaccharide người ta sử dụng hình chiếu Fisher trong đó sườn carbon nằm trên trục thẳng đứng nhóm carbonyl nằm ở vị trí cao nhất(3).

Trong công thức carbohydrate tồn tại carbon bất đối xứng mang bốn nhóm thế khác nhau. Vì thế tồn tại hai dạng công thức với mỗi dạng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo các góc khác nhau. Để biểu diễn công thức khác nhau danh pháp D và L được sử dụng cùng với (+) và (-) để chỉ chiều quay.

Monosaccharide gọi là D hay L tùy theo cấu hình của carbon phi đối xứng ở vị trí thấp nhất trên trục thẳng đứng của hình chiếu Fisher, còn gọi là nguyên tử carbon tham chiếu.

–                       Nếu nhóm OH gắn với carbon tham chiếu nằm bên phải thì gọi là D.

–                      Nếu nhóm OH gắn với carbon tham chiếu nằm bên trái thì gọi là L.

Cách gọi tên các hợp chất monosaccharide :

–          Trong công thức mang nhóm aldydehyde thì gọi là : Aldose

–          Trong công thức mang nhóm cetone thì gọi là : Cetose

Công thức của glucose đã được xác lập vào giữa thế kỷ 19 dựa vào các công trình nghiên cứu của các nhà hóa học như Dumas, Berthelot, Fittig, Bayer và Tollens. Tính triền quang của glucose và một số đường khác cũng được thừa nhận trong khoảng thời gian đó, nhưng cấu trúc phân tử chỉ được biết đến khi Van’t Hoff và LeBel công bố lý thuyết về nguyên tử carbon phi đối xứng vào năm 1874.

Đã từng có rất nhiều nghiên cứu cho rằng glucose có cấu trúc mạch thẳng nhưng cấu trúc này không giải thích được một số tính chất hóa học của glucose:

– Glucose chỉ cho một số nhưng không phải tất cả các phản ứng đặc trưng của aldehyde mạch thẳng.

– Phản ứng của glucose với 1 mol methanol trong môi trường acid cho hai đồng phân acetal.

– Kết tinh glucose từ dung dịch nước cho hai dạng glucose với năng suất quay cực khác nhau       ([α]+112 và =18,7o) cả hai dạng glucose này đều có năng suất quay cực thay đổi và dừng lại cùng một vị trí [α]+52,7. Quá trình này gọi là đa triền hóa.

Tất cả quan sát trên đều được giải thích nếu cho rằng glucose tồn tại ở dạng vòng hemiacetal, tạo thành từ phản ứng trí hóa nội phân tử của một nhóm hydroxy vào nhóm aldehyde.

Ngày nay người ta biết rằng glucose tồn tại chủ yếu dưới dạng hemiacetal vòng 6 với hai đồng phân xuyên lập thể chỉ khác nhau ở cấu hình của nguyên tử carbon hemiacetal phi đối xứng, còn được gọi là carbon anomer.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

ĐẠI CƯƠNG PHÂN TỬ LIPID SINH HỌC

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Các chức năng sinh học chính của lipids

Lipid là phân tử sinh học không tan trong dung dịch nước và tan trong các dung dịch có dung môi hữu cơ. Lipid có các vai trò sinh lý học quan trọng, trong đó có 4 chức năng chính:

–          Thành phần màng tế bào.

–          Cung cấp năng lượng dưới dạng triacylglycerols.

–          Cả lipid và dẫn xuất của lipid với vai trò là vitamins và hormone.

–          Acid mật.

Hình 15.1: Phân loại các lipid chính.

Acid béo

Có hai vai trò chính trong cơ thể:

–          Thành phần phức tạp của màng tế bào.

–          Thành phần quan trọng trong dự trữ chất béo dưới dạng triacylglycerols.

Hình 15.2: Một vài phản ứng sinh tổng hợp các acid béo. Mũi tên xanh mô tả các quá trình biến đổi xảy ra trong cơ thể.

Acid béo là phân tử hydrocarbon chuỗi dài có chứa nhóm chức carboxylic acid ở một đầu tận. Số lượng carbon trong acid béo được tính ở carbon ở nhóm chức carboxylic. Ở pH sinh lý, nhóm carboxylic ở dạng thái ion, mang điện tích âm trong dịch cơ thể.

Acid béo không có chứa nối đôi được gọi là acid béo bão hòa (no) và acid béo có chứa nối đôi được gọi là acid béo chưa bão hòa (không no). Trong trường hợp có nhiều nối đôi trong phân tử acid béo, ta gọi acid béo đó là acid béo không no có nhiều nối đôi (polyunsaturated fatty acids – PUFAs). Con số đánh dấu acid béo có nguồn gốc từ nguyên tố carbon có nối đôi. Ví dụ palmitic acid là một acid béo 16 carbon không có nối đôi, nó được kí hiệu là 16:0.

Vị trí không no trong acid béo được kí hiệu là delta và số của carbon đầu tiên tại vị trí nối đôi so với nhóm carboxyl của acid (vốn mặc định là 1). Ví dụ, palmitoleic acid là một acid béo 16 carbon và có một vị trí nối đôi giữa carbon số 9 và 10 nên được kí hiệu là16:1Δ9.

Hình 15.3: Các acid béo quan trọng

Acid béo bão hòa có ít hơn 8 carbon tồn dại dưới dạng lỏng ở nhiệt độ sinh lý còn các acid béo có nhiều hơn 10 carbon luôn ở thể rắn. Acid béo bão hòa có nhiệt độ sôi cao hơn acid béo không bão hòa.

Các acid béo quan trọng được tìm thấy trong cơ thể đều có nguồn gốc từ thức ăn. Tuy nhiên, khả năng sinh tổng hợp acid béo của cơ thể (nhờ enzyme) có thể giúp cơ thể có được nhiều loại acid béo cấu trúc cần thiết. Có hai ngoại lệ lớn là PUFAs – linoleic acid và α-linolenic acid (có nối đôi ở carbon 9 và 10). Hai acid béo này không thể được tổng hợp từ các tiền chất có trong cơ thể và do vậy được gọi là các acid béo thiết yếu (với cách hiểu là nó cần phải được cung cấp từ môi trường). Hai ngoại lệ này cũng được gọi là acid béo omega (ω). Linoleic acid là một omega-6 PUFA và α-linolenic là một omega-3 PUFA. Chức năng của các PUFA như linoleic và α-linolenic trong quá trình tổng hợp các lipid sinh học quan trọng được đề cập ở dưới đây.

Hình 15.4: Cơ chế hấp thu chất béo. Để tâm con đường đi của acid béo tự do khác với các loại khác như thế nào.

Omega-3 và -6, polyunsaturated fatty acids (PUFAs)

Thuật ngữ omega ám chỉ nguyên tố carbon tận cùng, xa nhất so với nhóm carboxyl. Do vậy khi nói một acid béo omega-3 là chỉ vị trí đầu tiên có liên kết đôi của nó. Do vậy, một omega-3 acid béo như α-linolenic acid (ALA) sẽ có ba nối đôi. Có nhiều loại omega-3 acid béo quan trọng được tiêu hóa trong thức ăn và được dùng cho cơ thể như: ALA, eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA). Khi quá trình tiêu hóa xảy ra, cơ thể sẽ chuyển ALA thành EPA và DHA – hai loại omega-3 acid béo chính được sử dụng trong cơ thể và là những tiền chất chính cho quá trình điều biến tổng hợp và sử dụng lipid cho các quá trình tín hiệu tế bào, biểu hiện gene và phản ứng viêm.

Phần lớn omega-6 PUFAs đến từ thức ăn từ dầu thực vật và chứa nhiều linoleic acid. Linoleic acid được chuyển thành γ-linolenic acid (GLA) trong cơ thể. Cần phân biệt GLA với ALA. GLA được chuyển đổi thành dihomo-γ-linolenic acid (DGLA) và sau đó thành arachidonic acid.

Hình 15.5: Thành phần acetyl của lipid.

Cấu trúc cơ bản của Triacylglycerides

Triacylglycerids được cấu tạo bởi một bộ khung glycerol và 3 acid béo.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

TỔNG KẾT MỘT SỐ THÀNH PHẦN CẤU TRÚC TẾ BÀO – SHPTTB

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 cácacid 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 tửhydrogen, 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 gồmhydrogenxyl 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.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.