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.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *