Mục lục bài họcĐang ở d02-b2
Proteins, Water and the Food Tests
The four levels of protein structure, and which bonds hold each
Primary structure is the sequence of amino acids, held only by peptide bonds. Secondary structure is the regular folding of the backbone into an $\alpha$-helix or a $\beta$-pleated sheet, held by hydrogen bonds between the $\ce{C=O}$ of one residue and the $\ce{N-H}$ of another. Tertiary structure is the overall three-dimensional shape, held by interactions between R groups: hydrogen bonds, ionic bonds between charged R groups, hydrophobic interactions in the core, and covalent disulfide bridges between two cysteine residues. Quaternary structure exists only where two or more polypeptides associate, as in haemoglobin.
Denaturation is not hydrolysis
Heating a protein, or shifting the pH away from its optimum, breaks hydrogen bonds and ionic bonds, so the tertiary and secondary structures unravel and the protein loses its function. The peptide bonds are not broken, so the primary structure is unchanged. This distinction decides several marks a year: a denatured enzyme still has all its amino acids in the same order, and cannot be described as having been digested.
Two proteins worth contrasting
Haemoglobin is a globular protein of four polypeptides, each with a haem prosthetic group containing $\ce{Fe^2+}$; hydrophilic R groups point outwards so it is soluble in the cytoplasm of a red blood cell. Collagen is fibrous: three polypeptides wound into a triple helix, with glycine, the smallest amino acid, at every third position so the chains can lie close together. Covalent cross-links between neighbouring molecules stagger the ends and give a fibre with enormous tensile strength but no catalytic function.
Bốn bậc cấu trúc protein, và mỗi bậc do liên kết nào giữ
Primary structure là trình tự amino acid, chỉ do peptide bond giữ. Secondary structure là kiểu gấp đều đặn của bộ khung thành $\alpha$-helix hay $\beta$-pleated sheet, do hydrogen bond giữa nhóm $\ce{C=O}$ của gốc này với nhóm $\ce{N-H}$ của gốc khác giữ. Tertiary structure là hình dạng ba chiều tổng thể, do tương tác giữa các nhóm R giữ: hydrogen bond, ionic bond giữa hai nhóm R tích điện trái dấu, tương tác kỵ nước ở lõi, và cầu nối cộng hoá trị disulfide giữa hai gốc cysteine. Quaternary structure chỉ tồn tại khi có từ hai chuỗi polypeptide trở lên hợp lại, ví dụ hemoglobin.
Biến tính không phải là thuỷ phân
Đun nóng protein, hoặc đẩy pH ra xa mức tối ưu, sẽ phá hydrogen bond và ionic bond, nên cấu trúc bậc hai và bậc ba bung ra và protein mất chức năng. Liên kết peptide không bị phá, nên cấu trúc bậc một giữ nguyên. Phân biệt này ăn điểm mỗi năm: một enzyme đã biến tính vẫn còn nguyên trình tự amino acid, và không được mô tả là 'đã bị tiêu hoá' hay 'đã bị cắt thành các amino acid'.
Hai protein đáng đem ra so
Hemoglobin là protein hình cầu gồm bốn chuỗi polypeptide, mỗi chuỗi mang một haem prosthetic group chứa $\ce{Fe^2+}$; các nhóm R ưa nước quay ra ngoài nên nó tan được trong bào tương hồng cầu. Collagen thì dạng sợi: ba chuỗi polypeptide xoắn vào nhau thành xoắn ba, và cứ vị trí thứ ba lại là glycine — amino acid nhỏ nhất — để ba mạch nằm sát nhau được. Các phân tử cạnh nhau nối chéo bằng liên kết cộng hoá trị và xếp so le đầu mút, cho ra sợi chịu kéo cực tốt nhưng hoàn toàn không có chức năng xúc tác.
Một dung dịch enzyme được đun tới $80\ ^\circ\text{C}$ trong mười phút rồi làm nguội về $37\ ^\circ\text{C}$. Enzyme không còn hoạt tính. Nêu chính xác những liên kết nào đã bị phá, những liên kết nào còn nguyên, và vì sao hoạt tính không quay lại khi làm nguội.
Bị phá: các hydrogen bond giữ cấu trúc bậc hai và bậc ba, các ionic bond giữa nhóm R tích điện, và các tương tác kỵ nước ở lõi. Nhiệt làm phân tử dao động mạnh hơn, và những lực này quá yếu để chịu được.
Còn nguyên: toàn bộ peptide bond. Chúng là liên kết cộng hoá trị, cần enzyme hoặc acid nóng mới cắt được. Vì thế cấu trúc bậc một không đổi — trình tự amino acid vẫn y như trước khi đun. Cầu disulfide, cũng là cộng hoá trị, thường vẫn còn ở $80\ ^\circ\text{C}$.
Vì sao mất hoạt tính: hình dạng ba chiều bung ra, nên active site không còn bổ trợ với cơ chất. Không tạo được phức enzyme–cơ chất thì không có xúc tác.
Vì sao làm nguội không cứu được. Chuỗi đã bung ra thì có vô số cách gấp lại, và phần lớn trong số đó không phải cấu hình ban đầu. Các đoạn kỵ nước lộ ra ngoài lại dính vào nhau giữa các phân tử, tạo kết tủa — chính là mảng trắng bạn thấy khi luộc trứng. Đó là lý do biến tính bởi nhiệt thường không thuận nghịch, trong khi biến tính nhẹ bởi pH đôi khi đảo ngược được.
Bốn dung dịch được thử. Dung dịch $1$: Benedict cho tủa đỏ gạch ngay. Dung dịch $2$: Benedict giữ màu xanh, nhưng sau khi đun với acid loãng, trung hoà rồi thử lại thì cho tủa đỏ gạch. Dung dịch $3$: biuret chuyển tím. Dung dịch $4$: lắc với ethanol rồi rót vào nước thì cho nhũ trắng đục. Nhận diện từng dung dịch.
Dung dịch 1 — đường khử. Benedict dương tính ngay nghĩa là có nhóm aldehyde hoặc ketone tự do khử được $\ce{Cu^2+}$ thành $\ce{Cu2O}$ đỏ gạch. Glucose, fructose, maltose và lactose đều cho kết quả này.
Dung dịch 2 — đường không khử, điển hình là sucrose. Trong sucrose, cả hai nhóm khử đã bị khoá vào liên kết glycosidic nên Benedict âm tính. Đun với acid thuỷ phân nó thành glucose và fructose; phải trung hoà trước khi thử lại, vì Benedict chỉ chạy trong môi trường kiềm — bỏ bước trung hoà là phép thử âm tính giả dù mẫu có đường.
Dung dịch 3 — protein. Biuret bắt liên kết peptide chứ không bắt amino acid riêng lẻ, nên một dung dịch amino acid tự do sẽ không cho màu tím. Lưu ý biuret không cần đun.
Dung dịch 4 — lipid. Lipid tan trong ethanol nhưng không tan trong nước; khi rót dung dịch ethanol vào nước, lipid tách ra thành giọt cực nhỏ phân tán, tán xạ ánh sáng và cho nhũ trắng đục.
Điểm phân biệt trọng tâm: chỉ dung dịch $2$ cần một bước xử lý trước, và chính bước đó là câu trả lời cho câu hỏi 'làm sao biết đó là đường không khử chứ không phải hoàn toàn không có đường'.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Biological Molecules gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.