Liên kết peptit (Peptide bond)

Cơ chế hình thành

Phản ứng diễn ra như sau:

R1 - CH(NH2) - COOH  +  H2N - CH(R2) - COOH 
    →   R1 - CH(NH2) - CO - NH - CH(R2) - COOH  +  H2O

Trong đó:

• R₁ và R₂ là các gốc bên của amino acid, có thể khác nhau hoặc giống nhau. Chúng quyết định tính chất hóa học của chuỗi polypeptide được tạo thành.

Nhóm -CO-NH- được tạo thành chính là liên kết peptit. Nó còn được gọi là liên kết amit thay thế. Liên kết peptit có tính chất planar (các nguyên tử nằm trên cùng một mặt phẳng) do sự lai hóa orbital và hiện tượng cộng hưởng. Điều này hạn chế khả năng xoay quanh liên kết peptit, góp phần quan trọng vào cấu trúc không gian của protein.

Đặc điểm của liên kết peptit

• Tính chất cộng hưởng: Liên kết peptit có tính chất cộng hưởng, nghĩa là các electron π phân bố trên toàn bộ nhóm peptit, tạo nên tính chất phẳng và cứng của liên kết. Điều này hạn chế sự quay tự do quanh liên kết C-N. Cấu trúc cộng hưởng có thể được biểu diễn như sau:

>C=O        >C+-O-
  |             |
  N             N

Chính tính chất cộng hưởng này làm cho liên kết peptit có đặc điểm gần giống liên kết đôi, ngắn hơn liên kết C-N đơn thông thường và khó xoay.

• Tính phân cực: Do sự chênh lệch độ âm điện giữa oxy và nitơ, liên kết peptit có tính phân cực. Oxy mang điện tích âm một phần (δ^–), còn nitơ mang điện tích dương một phần (δ⁺). Tính phân cực này góp phần tạo nên các liên kết hydro, quan trọng cho cấu trúc bậc hai và bậc ba của protein.
• Ổn định: Liên kết peptit là liên kết cộng hóa trị khá bền vững, đòi hỏi năng lượng lớn để phá vỡ. Tuy nhiên, liên kết peptit có thể bị thủy phân bởi enzyme hoặc trong môi trường acid/baz mạnh.

Ý nghĩa của liên kết peptit

Liên kết peptit đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc protein. Chuỗi amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptit tạo thành chuỗi polypeptide. Chuỗi polypeptide sau đó cuộn gấp lại thành các cấu trúc phức tạp hơn, tạo nên protein có chức năng sinh học đặc thù. Nói cách khác, liên kết peptit là cầu nối cơ bản để tạo nên protein, “viên gạch” xây dựng nên sự sống.

Sự hình thành chuỗi polypeptide và protein

Khi nhiều amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptit, chúng tạo thành một chuỗi gọi là chuỗi polypeptide. Một chuỗi polypeptide có thể chứa hàng trăm hoặc hàng ngàn amino acid. Đầu N-terminus của chuỗi polypeptide là đầu chứa nhóm amino tự do (-NH₂), còn đầu C-terminus là đầu chứa nhóm carboxyl tự do (-COOH).

Chuỗi polypeptide không phải là protein hoàn chỉnh. Để trở thành protein có chức năng sinh học, chuỗi polypeptide phải cuộn gấp lại thành một cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng. Cấu trúc này được chia thành các bậc cấu trúc: bậc một (trình tự amino acid), bậc hai (xoắn alpha và gấp beta), bậc ba (cuộn gập không gian ba chiều) và bậc bốn (tổ hợp của nhiều chuỗi polypeptide). Quá trình cuộn gấp này phụ thuộc vào trình tự amino acid trong chuỗi và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH…

Cấu trúc của protein

Cấu trúc protein được chia thành bốn mức độ tổ chức:

• Cấu trúc bậc một: Là trình tự sắp xếp tuyến tính của các amino acid trong chuỗi polypeptide, được xác định bởi liên kết peptit. Trình tự này là nền tảng cho mọi bậc cấu trúc cao hơn và quyết định chức năng của protein.
• Cấu trúc bậc hai: Là sự sắp xếp không gian cục bộ của chuỗi polypeptide, được ổn định bởi các liên kết hydro giữa các nhóm peptit. Các dạng cấu trúc bậc hai phổ biến bao gồm xoắn alpha (α-helix) và phiến gấp beta (β-sheet).
• Cấu trúc bậc ba: Là sự cuộn gấp ba chiều tổng thể của chuỗi polypeptide, được ổn định bởi các tương tác giữa các gốc bên của amino acid như liên kết disulfide, liên kết ion, liên kết hydro, và tương tác kỵ nước. Cấu trúc bậc ba tạo nên hình dạng không gian đặc trưng của protein.
• Cấu trúc bậc bốn: Là sự tổ hợp của nhiều chuỗi polypeptide (đơn vị con) để tạo thành một protein phức tạp. Không phải tất cả protein đều có cấu trúc bậc bốn. Ví dụ, hemoglobin có cấu trúc bậc bốn, gồm bốn chuỗi polypeptide.

Chức năng của protein

Protein đảm nhiệm rất nhiều chức năng quan trọng trong cơ thể sống, bao gồm:

• Xúc tác: Enzyme là protein xúc tác cho các phản ứng sinh hóa, làm tăng tốc độ phản ứng mà không bị biến đổi sau phản ứng.
• Vận chuyển: Một số protein vận chuyển các phân tử khác qua màng tế bào hoặc trong máu. Ví dụ, hemoglobin vận chuyển oxy trong máu.
• Cấu trúc: Protein như collagen và keratin tạo nên cấu trúc của tóc, da, móng, và xương, giúp duy trì hình dạng và độ bền của cơ thể.
• Bảo vệ: Kháng thể là protein bảo vệ cơ thể khỏi các tác nhân gây bệnh bằng cách nhận diện và vô hiệu hóa chúng.
• Điều hòa: Hormone là protein điều hòa các hoạt động sinh lý của cơ thể, ví dụ như insulin điều hòa lượng đường trong máu. Ngoài ra, protein còn tham gia vào quá trình truyền tín hiệu tế bào.

    R1 - CH(NH2) - COOH  +  H2N - CH(R2) - COOH 
        →   R1 - CH(NH2) - CO - NH - CH(R2) - COOH  +  H2O

• Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). Biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.
• Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.
• Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (2016). Fundamentals of biochemistry: Life at the molecular level (5th ed.). Wiley.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài phản ứng ngưng tụ, còn có phương pháp nào khác để tổng hợp liên kết peptit trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Có nhiều phương pháp tổng hợp peptide trong phòng thí nghiệm, ví dụ như tổng hợp pha rắn (solid-phase peptide synthesis), tổng hợp peptide trong dung dịch (solution-phase peptide synthesis), và tổng hợp peptide bằng enzyme. Các phương pháp này thường sử dụng các chất hoạt hóa để tạo điều kiện cho phản ứng hình thành liên kết peptit diễn ra hiệu quả hơn.

Sự khác biệt giữa liên kết peptit và liên kết isopeptit là gì?

Trả lời: Liên kết peptit là liên kết giữa nhóm α-carboxyl của một amino acid và nhóm α-amino của amino acid khác. Liên kết isopeptit cũng là một loại liên kết amit, nhưng nó được hình thành giữa nhóm α-carboxyl (hoặc α-amino) của một amino acid với nhóm carboxyl hoặc amino thuộc mạch bên (không phải α-carboxyl hay α-amino) của một amino acid khác.

Tại sao cấu trúc phẳng của liên kết peptit lại quan trọng đối với cấu trúc protein?

Trả lời: Cấu trúc phẳng của liên kết peptit hạn chế sự quay quanh liên kết C-N, điều này ảnh hưởng đến các góc quay phi (φ) và psi (ψ) giữa các amino acid. Sự hạn chế này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các cấu trúc bậc hai của protein như xoắn alpha (α-helix) và phiến gấp beta (β-sheet).

Làm thế nào để xác định trình tự amino acid trong một chuỗi polypeptide?

Trả lời: Có nhiều phương pháp để xác định trình tự amino acid, bao gồm phương pháp phân giải Edman, phương pháp khối phổ, và phương pháp giải trình tự DNA.

Ảnh hưởng của pH đến sự ổn định của liên kết peptit là gì?

Trả lời: Liên kết peptit tương đối ổn định trong điều kiện pH sinh lý. Tuy nhiên, trong điều kiện pH cực cao hoặc cực thấp, liên kết peptit có thể bị thủy phân, nghĩa là bị phá vỡ bởi nước. pH cực đoan có thể ảnh hưởng đến điện tích của các nhóm amino và carboxyl, làm thay đổi cấu trúc và do đó ảnh hưởng đến sự ổn định của liên kết peptit.