Đăng nhậpDùng miễn phí

Hoá học 12 · Chương 3. Hợp chất chứa nitrogen

Bài 10. Protein và enzyme

Protein và enzyme là những đại phân tử thiết yếu trong cơ thể sống, đóng vai trò cấu tạo nên tế bào và điều khiển nhiều quá trình sinh học thông qua tính xúc tác. Bài học giúp nhận diện cấu trúc, tính chất đặc trưng và vai trò của chúng trong tự nhiên, đời sống.

Nhớ nhanh

1. Protein

1.1 Khái niệm và cấu tạo

Định nghĩa

Protein là những polypeptide cao phân tử, có phân tử khối từ vài chục nghìn đến vài triệu, có trong mọi tế bào sống. Protein chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tố C,H,O,N\mathrm{C, H, O, N}; một số protein còn chứa S,P,Fe,…\mathrm{S, P, Fe,\dots}

Protein được chia thành hai loại: protein đơn giản (khi thuỷ phân chỉ cho các α\alpha-amino acid) và protein phức tạp (gồm protein đơn giản kết hợp với thành phần “phi protein” như nucleic acid, lipid, carbohydrate…).

Định nghĩa

Đơn vị cấu tạo nên phân tử protein là các α\alpha-amino acid, có công thức tổng quát:

H2N−CHR−COOH\mathrm{H_2N-CHR-COOH}

Trong đó R\mathrm{R} là gốc hydrocarbon hoặc nhóm thế chứa các nguyên tố khác. Phân tử có hai nhóm chức trực tiếp trên cùng một nguyên tử carbon: nhóm amino −NH2\mathrm{-NH_2} và nhóm carboxyl −COOH\mathrm{-COOH}. Nhờ vậy, amino acid có tính lưỡng tính.

Hai amino acid kết hợp với nhau bằng liên kết peptide −CO−NH−\mathrm{-CO-NH-} và tạo phân tử nước:

H2N−CHR−COOH+H2N−CHR′−COOH⟶H2N−CHR−CO−NH−CHR′−COOH+H2O\begin{gather*}\mathrm{H_2N-CHR-COOH + H_2N-CHR'-COOH \longrightarrow} \\ \mathrm{H_2N-CHR-CO-NH-CHR'-COOH + H_2O}\end{gather*}

Sản phẩm gồm hai gốc amino acid gọi là dipeptide. Nhiều gốc amino acid liên kết với nhau tạo thành polypeptide, rồi tạo nên protein.

Về cấu trúc không gian, protein có bốn bậc:

1.2 Tính chất của protein

Tính chất vật lí
  • Protein dạng sợi (keratin của tóc, móng; collagen; myosin của cơ) không tan trong nước.
  • Protein dạng cầu (albumin của lòng trắng trứng, hemoglobin của máu) tan được trong nước tạo dung dịch keo.
  • Sự đông tụ: protein bị đông tụ (kết tủa) khi đun nóng hoặc khi gặp acid, base, muối của kim loại nặng (chì, thuỷ ngân, đồng…). Ví dụ: đun nóng lòng trắng trứng, nấu canh cua.
Tính chất hoá học

  • Thủy phân: khi đun nóng trong môi trường acid, base, hoặc nhờ enzyme, protein bị thuỷ phân dần thành các peptide ngắn hơn rồi thành các α\alpha-amino acid. Với polypeptide gồm nn gốc amino acid, phương trình tổng quát:

    H2N−(CHR−CO−NH)n−1−CHR−COOH+(n−1)H2O⟶nH2N−CHR−COOH\begin{gather*}\mathrm{H_2N-(CHR-CO-NH)_{n-1}-CHR-COOH + (n-1)H_2O \longrightarrow} \\ \mathrm{n H_2N-CHR-COOH}\end{gather*}
  • Phản ứng màu biuret: đây là phản ứng đặc trưng giúp nhận biết protein.
  • Phản ứng màu với nitric acid: nhỏ dung dịch HNO3\mathrm{HNO_3} đặc vào dung dịch protein (lòng trắng trứng) xuất hiện kết tủa màu vàng.
Định nghĩa

Phản ứng màu biuret: cho dung dịch protein vào môi trường kiềm (dung dịch NaOH\mathrm{NaOH}), thêm vài giọt dung dịch CuSO4\mathrm{CuSO_4} (tạo Cu(OH)2\mathrm{Cu(OH)_2}), xuất hiện màu tím đặc trưng do Cu(OH)2\mathrm{Cu(OH)_2} tạo hợp chất màu tím với các liên kết peptide.

2. Enzyme

Định nghĩa

Enzyme là chất xúc tác sinh học do tế bào sống tạo ra; hầu hết enzyme có bản chất là protein.

Đặc điểm của enzyme
  • Tính chọn lọc cao: mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một hoặc một loại phản ứng nhất định.
  • Hoạt tính xúc tác cao: tốc độ phản ứng có enzyme xúc tác lớn hơn rất nhiều lần so với dùng xúc tác hoá học thông thường.
  • Điều kiện thích hợp: mỗi enzyme hoạt động tốt nhất ở một khoảng nhiệt độ và pH nhất định (thường ở điều kiện êm dịu, gần nhiệt độ cơ thể).
  • Không đổi cân bằng: enzyme chỉ làm rút ngắn thời gian đạt tới trạng thái cân bằng, không làm thay đổi hằng số cân bằng.
  • Dễ bất hoạt: nhiệt độ quá cao, pH quá mức, hoá chất độc hại có thể làm biến tính và enzyme mất hoạt tính.
Ứng dụng enzyme
  • Sản xuất rượu, bia, làm bánh, thực phẩm lên men.
  • Dược phẩm: enzyme tiêu hoá, hỗ trợ điều trị.
  • Bột giặt có enzyme phân hủy vết bẩn protein, mỡ, tinh bột.
  • Công nghiệp thuộc da, bột giấy.

3. Phương pháp giải bài tập

Bài toán liên kết peptide và tính khối lượng phân tử peptide
  1. 1.
    Xác định số nn amino acid tham gia.
  2. 2.
    Số phân tử nước thoát ra khi tạo peptide mạch thẳng là n−1n-1.
  3. 3.
    Số liên kết peptide là n−1n-1.
  4. 4.

    Áp dụng:

    Mpeptide=nMaa tb−(n−1)×18M_\mathrm{peptide} = n M_{\mathrm{aa\,tb}} - (n-1)\times 18
  5. 5.

    Nếu ngược lại, biết MpeptideM_\mathrm{peptide} và MaatbM_\mathrm{aa tb}:

    n=Mpeptide−18Maa tb−18n = \frac{M_\mathrm{peptide} - 18}{M_{\mathrm{aa\,tb}} - 18}
Nhận biết protein
  1. 1.
    Dùng phản ứng màu biuret: thêm NaOH\mathrm{NaOH} loãng, thêm CuSO4\mathrm{CuSO_4} loãng.
  2. 2.
    Xuất hiện màu tím ⇒\Rightarrow có protein.
  3. 3.
    Phản ứng màu biuret xuất hiện khi chất có ít nhất hai liên kết peptide (như tripeptide, protein); dipeptide chỉ có một liên kết peptide nên thường không cho màu tím.

4. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1 (Tính khối lượng mol peptide)

Một peptide được tạo thành từ 3 amino acid: alanine (C3H7NO2)\mathrm{(C_3H_7NO_2)}, glycine (C2H5NO2)\mathrm{(C_2H_5NO_2)} và valine (C5H11NO2)\mathrm{(C_5H_{11}NO_2)}. Tính khối lượng mol peptide thu được.

Lời giải · 3 bước

Phương trình liên kết tổng quát:

3 amino acid⟶peptide+2H2O\mathrm{3\ amino\ acid \longrightarrow peptide + 2H_2O}
Bước 2

Tính khối lượng mol peptide:

Mp=(75+89+117)−2×18=281−36=245M_\mathrm{p} = (75 + 89 + 117) - 2 \times 18 = 281 - 36 = 245
Bước 3

Vậy khối lượng mol peptide là 245 g/mol245\ \mathrm{g/mol}.

Ví dụ 2 (Nhận biết dung dịch protein)

Hãy phân biệt hai dung dịch: dung dịch albumin (protein) và dung dịch glucose bằng hoá chất thí nghiệm.

Lời giải

Lấy vào hai ống nghiệm, mỗi ống thêm một ít dung dịch mẫu, sau đó thêm dung dịch NaOH\mathrm{NaOH} loãng và vài giọt CuSO4\mathrm{CuSO_4} loãng.

  • ống nghiệm có albumin: xuất hiện màu tím ⇒\Rightarrow có protein.
  • ống nghiệm có glucose: không có màu tím (chỉ tạo dung dịch xanh lam do glucose hoà tan Cu(OH)2\mathrm{Cu(OH)_2}).
Ví dụ 3 (Thủy phân peptide)

Peptide có công thức H2N−CH2−CO−NH−CH(CH3)−COOH\mathrm{H_2N-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH} được thủy phân hoàn toàn. Xác định sản phẩm.

Lời giải · 2 bước
H2N−CH2−CO−NH−CH(CH3)−COOH+H2O→H+,t∘\mathrm{H_2N-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + H_2O \xrightarrow{H^+, t^\circ}}
H2N−CH2−COOH+H2N−CH(CH3)−COOH\mathrm{H_2N-CH_2-COOH + H_2N-CH(CH_3)-COOH}
Bước 2

Sản phẩm là glycine H2N−CH2−COOH\mathrm{H_2N-CH_2-COOH} và alanine H2N−CH(CH3)−COOH\mathrm{H_2N-CH(CH_3)-COOH}.

5. Lưu ý hay nhầm

Lưu ý
  • Không phải protein nào cũng chỉ chứa C,H,O,N\mathrm{C,H,O,N}; nhiều protein có lưu huỳnh S\mathrm{S} và liên kết disulfide −S−S−\mathrm{-S-S-} giữa các chuỗi peptide.
  • Chỉ α\alpha-amino acid mới tạo nên protein; β\beta-amino acid không nằm trong chuỗi polypeptide sinh học thông thường.
  • Phản ứng biuret chỉ là phản ứng màu, không phải là phản ứng thủy phân.
  • Phân biệt đông tụ (protein kết tủa khi đun nóng, gặp acid, base, muối kim loại nặng) với phản ứng màu (biuret: màu tím; HNO3\mathrm{HNO_3} đặc: kết tủa vàng).
  • Không nói "enzyme làm thay đổi thành phần cân bằng". Enzyme chỉ làm tăng tốc độ đạt đến cân bằng.
  • Protein bị kết tủa do muối trung hoà có thể hòa tan trở lại khi loại bỏ muối; còn protein đã bị biến tính (do nhiệt, acid, base mạnh) thường mất hoạt tính sinh học vĩnh viễn.
Gặp bài khó? Chụp ảnh để CEAO giảiAI giải từng bước, đề kiểm tra theo bài, thẻ ghi nhớ. Đăng ký miễn phí.
Thử ngay