Phân biệt bốn cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4 của các phân tử Prôtêin

1. Phân tử Prôtêin là gì?

Prôtêin là những đại phân tử hữu cơ được cấu thành từ các đơn phân là các axit amin, có hơn 20 loại axit amin khác nhau. Số lượng và trình tự các loại axit amin quy định lên tính đặc trưng của phân tử Prôtêin.

Prôtêin thực hiện rất nhiều chức năng bên trong tế bào, bao gồm các phản ứng trao đổi có xúc tác, sao chép DNA, đáp ứng lại kích thích và vận chuyển phân tử từ một vị trí đến một vị trí khác. Prôtêin có phân tử khối rất lớn, từ vài vạn đến vài triệu đơn vị cacbon và có cấu tạo rất phức tạp.

Cấu trúc cơ bản của một phân tử protein là chuỗi polypeptide, trong đó các đơn vị axit amin (như glycine, alanine, lysine, và phenylalanine) được kết hợp với nhau thông qua các liên kết peptit. Mỗi axit amin trong chuỗi polypeptide được gắn kết với nhau thông qua liên kết peptit giữa nhóm carboxyl (COOH) của một axit amin với nhóm amino (NH2) của axit amin kế tiếp.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra 4 bậc cấu trúc của Prôtêin, bao gồm: cấu trúc bậc 1 (chuỗi polypeptide), cấu trúc bậc 2 (xoắn alpha hoặc phiến beta), cấu trúc bậc 3 (gập xoắn của chuỗi polypeptide) và cấu trúc bậc 4 (phối hợp giữa các chuỗi polypeptide).

Prôtêin có trong cơ thể người, động vật và thực vật như trứng, thịt, sữa, tóc, sừng, móng, lá, quả, hạt…

Trong số hơn 20 loại axit amin cấu thành nên Prôtêin, có 9 loại được gọi là axit amin thiết yếu, bởi vì cơ thể không thể tự tổng hợp chúng mà phải nhận từ thức ăn. Các axit amin thiết yếu gồm: histidine, isoleucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan và valine. Mỗi loại axit amin thiết yếu có vai trò riêng biệt trong quá trình sinh lý của cơ thể. Ví dụ: Lysine giúp hấp thu canxi và sản xuất collagen; Histidine giúp tạo ra histamine – một chất dẫn truyền thần kinh; Methionine giúp loại bỏ các kim loại nặng trong cơ thể; Valine là một trong ba chuỗi axit amin phân nhánh (BCAA) giúp kích thích sự phát triển cơ bắp… Ngoài ra, còn có các axit amin không thiết yếu (có thể tự được tổng hợp trong cơ thể) như alanine, aspartate, glutamine… Các axit amin không thiết yếu cũng có nhiều chức năng quan trọng như: Glutamine giúp bảo vệ dạ dày và đường tiêu hóa; Aspartate giúp cung cấp năng lượng cho cơ thể…

2. Cấu trúc bậc 1 của phân tử prôtêin:

Cấu trúc bậc 1 của phân tử prôtêin là chuỗi thẳng của các amino acid trong một chuỗi peptide hay protein. Theo quy ước, cấu trúc bậc 1 của một protein được tính bắt đầu từ đầu amino-tận cùng (N) đến đầu carboxyl-tận cùng (C).

Các amino acid được liên kết với nhau bằng các liên kết peptide, được tạo thành do nhóm carboxyl của amino acid này liên kết với nhóm amin của amino acid tiếp theo và giải phóng một phân tử nước. Có hơn 20 loại amino acid khác nhau được sử dụng để tạo ra các prôtêin trong cơ thể sống, mỗi loại có một gốc R khác nhau gắn với nguyên tử cacbon trung tâm. Gốc R có thể là một nguyên tử hydro, một nhóm hidroxit, một nhóm sulfhydryl, hoặc một nhóm phức tạp hơn. Các amino acid được ký hiệu bằng mã ba chữ cái hoặc mã một chữ cái để thể hiện tên của chúng. Ví dụ, alanin được ký hiệu là Ala hoặc A, glyxin được ký hiệu là Gly hoặc G, và xerin được ký hiệu là Ser hoặc S.

Trình tự các amino acid trong chuỗi peptide quyết định tính chất và chức năng của protein. Cấu trúc bậc 1 của protein có thể được giải trình tự trực tiếp, hoặc suy ra từ trình tự DNA.

Cấu trúc bậc 1 quyết định sự tổ chức và tương tác giữa các axit amin trong chuỗi polypeptide. Điều này ảnh hưởng đến cấu trúc bậc 2, bậc 3 và bậc 4 của protein. Thay đổi trong cấu trúc bậc 1 có thể gây ra sự thay đổi lớn trong cấu trúc và chức năng của protein.

Ví dụ, sự thay đổi một axit amin trong cấu trúc bậc 1 có thể gây ra một protein hoàn toàn khác với chức năng khác nhau. Sự thay đổi trong cấu trúc bậc 1 cũng có thể dẫn đến các bệnh di truyền hoặc các rối loạn protein.

Vì cấu trúc bậc 1 của protein quan trọng đối với chức năng và hoạt động của protein, việc xác định trình tự axit amin trong cấu trúc bậc 1 là cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu protein và sinh học phân tử.

3. Cấu trúc bậc 2 của phân tử protein:

Cấu trúc bậc 2 của một phân tử protein mô tả sự xoắn α (alpha helix) và lá gai β (beta sheet) trong chuỗi polypeptide. Nó xác định cách các phân đoạn của chuỗi polypeptide tương tác và tổ chức với nhau trong không gian.

– Xoắn α (alpha helix): Đây là một dạng cấu trúc bậc 2 phổ biến trong protein, trong đó chuỗi polypeptide xoắn thành một cấu trúc xoắn vít. Đặc điểm của xoắn α là mỗi axit amin trong chuỗi polypeptide tạo thành một liên kết hydro với axit amin nằm 3-4 vị trí trước đó trong cùng chuỗi. Điều này tạo ra một cấu trúc gắn kết chặt, ổn định và co dãn, giúp protein có tính linh hoạt và chống lại sự biến dạng.

– Lá gai β (beta sheet): Đây là một dạng cấu trúc bậc 2 khác, trong đó hai hoặc nhiều chuỗi polypeptide song song chạy cùng một hướng và tạo thành một cấu trúc như lá gai. Các liên kết peptit nối các axit amin trong cùng chuỗi polypeptide, trong khi các liên kết hidro liên kết các chuỗi polypeptide với nhau. Lá gai β có thể là các lá gai β song song (parallel beta sheet) hoặc lá gai β xen kẽ (antiparallel beta sheet). Cấu trúc này tạo ra sự ổn định và độ cứng cho protein.

Cấu trúc bậc 2 của protein đóng vai trò quan trọng trong mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng của protein, cũng như là nền tảng cho cấu trúc bậc 3 và bậc 4 của protein. Nó xác định không gian và hình dạng của protein, tạo điều kiện cho các tương tác và kết dính với các phân tử khác. Cấu trúc bậc 2 cũng có thể tạo ra các khu vực chống nước hoặc khu vực tương tác với nước, ảnh hưởng đến độ phân cực và tính tan trong môi trường tế bào.

Quá trình gấp nếp protein (protein folding) là quá trình tự động mà protein tự điều chỉnh để đạt được cấu trúc bậc 2 và các cấu trúc bậc cao hơn. Quá trình này quan trọng để protein có thể thực hiện chức năng của mình và nếu có sai sót trong quá trình gấp nếp, có thể dẫn đến các bệnh protein gấp nếp không đúng và rối loạn protein.

4. Cấu trúc bậc 3 Phân tử Prôtêin:

Cấu trúc bậc 3 của một phân tử protein mô tả cách các cấu trúc bậc 2 (alpha helix, beta sheet) tương tác và tổ chức với nhau để tạo thành một cấu trúc ba chiều của protein. Nó xác định hình dạng tổng thể của protein và sự tương tác giữa các phân đoạn của chuỗi polypeptide.

Cấu trúc bậc 3 được xác định bởi các lực tương tác không cố định, bao gồm liên kết hidro, tương tác Van der Waals, tương tác điện và cầu disulfide (nếu có). Các tương tác này giữ các cấu trúc bậc 2 lại với nhau và định hình protein thành một hình dạng đặc biệt.

Cấu trúc bậc 3 của protein xác định các miếng độc lập của protein, gọi là miếng cấu trúc (structural domains). Mỗi miếng cấu trúc có thể có chức năng và vai trò riêng trong protein. Các miếng cấu trúc có thể chứa các khu vực hoạt động của protein, bao gồm các trung gian tương tác với các phân tử khác và các trung gian tạo ra các trạng thái hoạt động của protein.

Cấu trúc bậc 3 của protein cũng quyết định tính chất vật lý của protein, bao gồm độ phân cực, độ bền, tính tan trong nước và tính chất điện tử. Nó cũng ảnh hưởng đến khả năng protein tương tác với các phân tử khác, như các phân tử tài trợ hoặc phân tử chất kích thích.

Quá trình gấp nếp protein (protein folding) là quá trình tự động mà protein đi qua để đạt được cấu trúc bậc 3 và các cấu trúc bậc cao hơn. Quá trình này quan trọng để protein có thể thực hiện chức năng của mình. Một sai sót trong quá trình gấp nếp có thể dẫn đến các bệnh protein gấp nếp không đúng và rối loạn protein.

Một số ví dụ về cấu trúc bậc 3 của prôtêin là: hemoglobin, insulin, mioglobin và albumin.

5. Cấu trúc bậc 4 Phân tử Prôtêin:

Cấu trúc bậc 4 của một phân tử protein mô tả sự tương tác và tổ chức giữa các cấu trúc bậc 3 (các miếng cấu trúc) để tạo thành một cấu trúc tổng thể của protein. Cấu trúc bậc 4 đại diện cho sự quy tụ của các miếng cấu trúc và các tương tác giữa chúng để tạo thành một protein hoàn chỉnh và chức năng.

Cấu trúc bậc 4 được xác định bởi các tương tác tương đối không cố định giữa các miếng cấu trúc, bao gồm các lực tương tác không cố định như liên kết hidro, tương tác Van der Waals và tương tác điện. Các tương tác này giữ các miếng cấu trúc lại với nhau và định hình protein thành một cấu trúc tổng thể.

Cấu trúc bậc 4 của protein xác định hình dạng và kiến trúc không gian của protein. Nó quyết định vị trí và tương tác của các miếng cấu trúc trong không gian ba chiều, tạo ra các khu vực bề mặt của protein và quyết định khả năng tương tác với các phân tử khác.

Cấu trúc bậc 4 cũng quyết định tính chất và chức năng của protein. Nó xác định các trung gian tương tác với các phân tử khác, bao gồm các phân tử tài trợ hoặc các phân tử chất kích thích. Nó cũng quyết định khả năng protein tham gia vào các quá trình sinh học như tương tác với các phân tử tài trợ, tương tác với phân tử trên màng tế bào, hoặc tạo thành các cấu trúc lớn hơn như phức hợp protein-protein.

Cấu trúc bậc 4 của protein là kết quả của quá trình gấp nếp protein (protein folding), trong đó protein tự định hình và tổ chức các miếng cấu trúc để tạo thành một cấu trúc tổng thể ổn định và chức năng. Một sai sót trong quá trình gấp nếp có thể dẫn đến các bệnh protein gấp nếp không đúng và rối loạn protein.

6. Phân biệt bốn cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4 của các phân tử Prôtêin:

Các phân tử Prôtêin có thể được phân loại theo cấu trúc bậc của chúng, từ bậc 1 đến bậc 4. Cấu trúc bậc 1 của Prôtêin là chuỗi liên kết các axit amin theo một thứ tự nhất định.

Cấu trúc bậc 2 của Prôtêin là hình dạng không gian mà chuỗi axit amin gập lại theo các liên kết hiđrô. Có hai loại cấu trúc bậc 2 phổ biến là xoắn ốc alpha và phiến beta.

Cấu trúc bậc 3 của Prôtêin là hình dạng không gian mà cấu trúc bậc 2 gập lại theo các liên kết giữa các nhóm chức năng của các axit amin.

Cấu trúc bậc 4 của Prôtêin là sự kết hợp của hai hoặc nhiều chuỗi polipeptit thành một phân tử lớn hơn. Các chuỗi polipeptit được gắn với nhau bằng các liên kết yếu hoặc mạnh, tạo ra cấu trúc phức tạp và đa dạng.

Sự khác biệt giữa cấu trúc bậc 2 và bậc 3 là cấu trúc bậc 2 chỉ phụ thuộc vào liên kết hiđrô giữa các nhóm amide và cacbonyl trong chuỗi chính, trong khi cấu trúc bậc 3 còn phụ thuộc vào liên kết giữa các nhóm chức năng trong chuỗi phụ.

Cấu trúc bậc 3 thường phản ánh chức năng sinh học của Prôtêin.

Sự khác biệt giữa cấu trúc bậc 3 và bậc 4 là cấu trúc bậc 3 chỉ bao gồm một chuỗi polipeptit duy nhất, trong khi cấu trúc bậc 4 có thể bao gồm nhiều chuỗi polipeptit khác nhau. Các chuỗi polipeptit trong cấu trúc bậc 4 được gắn với nhau bằng các liên kết yếu hoặc mạnh, tạo ra cấu trúc phức tạp và đa dạng. Cấu trúc bậc 3 và bậc 4 đều phản ánh chức năng sinh học của Prôtêin.