Sự chuyển hóa protein trong cơ thể

Chuyển hóa protein trong cơ thể bao gồm các quá trình sinh hóa khác nhau đóng vai trò tổng hợp protein và axit amin thông qua quá trình đồng hóa, và phân hủy protein bằng quá trình dị hóa.

Các bước tổng hợp protein bao gồm phiên mã, dịch mã và sửa đổi sau dịch mã. Trong quá trình phiên mã, RNA polymerase phiên mã vùng mã hóa của DNA trong tế bào tạo ra một chuỗi RNA, đặc biệt là RNA thông tin (mRNA). Trình tự mRNA này chứa các codon: 3 đoạn dài nucleotide mã hóa cho một axit amin cụ thể. Ribosome dịch mã các codon thành các axit amin tương ứng của chúng.

Ở người, các axit amin không thiết yếu được tổng hợp từ các chất trung gian trong các con đường trao đổi chất chính như chu trình Axit Citric. Các axit amin thiết yếu phải được tiêu thụ và được tạo ra trong các sinh vật khác. Các axit amin được nối với nhau bằng liên kết peptit tạo thành chuỗi polipeptit. Chuỗi polipeptit này sau đó trải qua các sửa đổi sau dịch mã và đôi khi được nối với các chuỗi polipeptit khác để tạo thành một protein đầy đủ chức năng.

Các protein trong cơ thể đến từ chế độ ăn sẽ được phân hủy thành các axit amin riêng lẻ bởi các enzym khác nhau và axit clohydric có trong đường tiêu hóa. Các axit amin này được hấp thụ vào máu để vận chuyển đến gan và vận chuyển đến các phần còn lại của cơ thể. Các axit amin được hấp thụ thường được sử dụng để tạo ra các protein chức năng, nhưng cũng có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng.

Bên cạnh việc tổng hợp, protein có thể bị phân hủy bởi các enzyme được gọi là peptidase hoặc có thể bị phân hủy do biến tính. Protein có thể biến tính trong điều kiện môi trường mà protein không được tạo ra.

Đồng hóa protein hay tổng hợp protein là quá trình protein được hình thành từ các axit amin. Nó bao gồm năm quá trình: tổng hợp axit amin, phiên mã, dịch mã, sửa đổi sau dịch mã và cuộn protein. Protein được tạo ra từ các axit amin. Ở người, một số axit amin có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng các chất trung gian đã có sẵn. Các axit amin này được gọi là axit amin không thiết yếu. Các axit amin thiết yếu muốn tổng hợp cần các chất trung gian không có trong cơ thể con người. Các chất trung gian này phải được bổ sung từ các loại thực phẩm. Như vậy, muốn tổng hợp được protein, cơ thể phải trải qua lần lượt các bước tổng hợp axit amin và tổng hợp polypeptide sau đó.

Trong phiên mã, RNA polymerase “đọc” một sợi DNA và tạo ra một sợi mRNA có thể được dịch mã thêm. Để bắt đầu phiên mã, đoạn DNA được phiên mã phải có thể tiếp cận được (tức là không ở trạng thái cuộn chặt). Khi có thể tiếp cận được đoạn DNA, RNA polymerase có thể bắt đầu phiên mã sợi DNA mã hóa bằng cách ghép nối các nucleotide RNA với sợi DNA khuôn mẫu. Trong giai đoạn phiên mã ban đầu, RNA polymerase tìm kiếm vùng promoter trên sợi khuôn DNA. Khi RNA polymerase liên kết với vùng này, nó bắt đầu “đọc” sợi DNA khuôn mẫu theo hướng 3 ’đến 5’. RNA polymerase gắn các gốc RNA bổ sung vào sợi DNA khuôn mẫu (Uracil sẽ được sử dụng thay cho Thymine). Các nucleotide mới được liên kết cộng hóa trị với nhau. Sợi mRNA này được tổng hợp theo chiều 5 ’đến 3’. Khi RNA đạt đến trình tự kết thúc, nó sẽ tách ra khỏi chuỗi khuôn mẫu DNA và kết thúc chuỗi mRNA. Phiên mã được điều hòa trong tế bào thông qua các nhân tố phiên mã. Yếu tố phiên mã là các protein liên kết với các trình tự điều hòa trong sợi DNA như vùng promoter hoặc vùng điều hành. Các protein liên kết với các vùng này có thể trực tiếp dừng lại hoặc cho phép RNA polymerase đọc sợi DNA hoặc có thể báo hiệu cho các protein khác dừng lại hoặc cho phép đọc RNA polymerase.

Trong quá trình dịch mã, ribosome chuyển đổi trình tự mRNA (RNA thông tin) thành trình tự axit amin. Sau khi bắt đầu dịch mã, ribosome bước vào giai đoạn kéo dài theo chu kỳ lặp đi lặp lại.

Khi quá trình dịch mã kết thúc, cơ thể sẽ có bước tự sửa chữa hay điều chỉnh. Một khi chuỗi peptit được tổng hợp, nó vẫn phải được sửa đổi. Các biến đổi sau dịch mã có thể xảy ra trước hoặc sau khi gấp protein. Các phản ứng sinh học phổ biến để điều chỉnh chuỗi peptit sau khi dịch mã bao gồm quá trình methyl hóa, phosphoryl hóa và hình thành liên kết disulfide. Quá trình methyl hóa thường xảy ra đối với arginin hoặc lysin và liên quan đến việc thêm nhóm metyl vào nitơ (thay thế hydro). Các nhóm R trên các axit amin này có thể được methyl hóa nhiều lần miễn là liên kết với nitơ không vượt quá 4. Sự methyl hóa làm giảm khả năng tạo liên kết hydro của các axit amin này nên arginin và lysin bị metyl hóa có các đặc tính khác với các chất chuẩn của chúng. . Quá trình phosphoryl hóa thường xảy ra đối với serine, threonine và tyrosine và liên quan đến việc thay thế hydro trên nhóm rượu ở đầu cuối của nhóm R bằng một nhóm phosphate. Điều này làm tăng thêm điện tích âm trên các nhóm R và do đó sẽ thay đổi cách các axit amin hoạt động. Sự hình thành liên kết disulfide là việc tạo ra các cầu nối disulfide (liên kết cộng hóa trị) giữa hai axit amin cysteine trong một chuỗi làm tăng thêm độ ổn định cho cấu trúc gấp khúc.

Chuỗi polipeptit trong tế bào không nhất thiết phải tuyến tính; nó có thể trở nên phân nhánh hoặc tự cuộn lại. Các chuỗi polipeptit cuộn theo một cách cụ thể tùy thuộc vào dung dịch chứa chúng. Thực tế là tất cả các axit amin chứa các nhóm R với các đặc tính khác nhau là lý do chính khiến protein gấp lại. Trong môi trường ưa nước như cytosol, các axit amin kỵ nước sẽ tập trung ở lõi của protein, trong khi các axit amin ưa nước sẽ ở bên ngoài. Điều này là thuận lợi về mặt entropi vì các phân tử nước có thể di chuyển tự do xung quanh các axit amin ưa nước hơn nhiều so với các axit amin kỵ nước. Trong môi trường kỵ nước, các axit amin ưa nước sẽ tập trung ở lõi của protein, còn các axit amin kỵ nước sẽ ở bên ngoài. Vì tương tác mới giữa các axit amin ưa nước mạnh hơn tương tác kỵ nước-ưa nước, điều này là thuận lợi về mặt entanpi.

Khi một chuỗi polipeptit được cuộn lại hoàn toàn, protein cuối cùng được tổng hợp. Thường thì nhiều tiểu đơn vị sẽ kết hợp để tạo ra một protein đầy đủ chức năng, mặc dù các protein sinh lý thực sự tồn tại chỉ chứa một chuỗi polypeptide. Protein cũng có thể kết hợp với các phân tử khác như nhóm heme trong hemoglobin, một loại protein chịu trách nhiệm vận chuyển oxy trong máu.

Dị hóa protein là quá trình protein bị phân hủy thành các axit amin của chúng. Đây còn được gọi là quá trình phân giải protein và có thể diễn biến tiếp theo là sự phân hủy axit amin.

Phân hủy protein thông qua các enzym

Protease

Ban đầu được cho là chỉ phá vỡ các phản ứng enzym, nhưng protease (còn được gọi là peptidase) thực sự giúp dị hóa protein thông qua sự phân cắt và tạo ra các protein mới mà trước đây chưa có. Protease cũng giúp điều chỉnh các con đường trao đổi chất. Quá trình này giúp tiết kiệm nhiều năng lượng nhất có thể và tránh chu kỳ vô ích. Các chu kỳ vô ích xảy ra khi con đường dị hóa và đồng hóa đều có tác dụng đồng thời và có cùng tốc độ cho cùng một phản ứng. Ngoài ra, năng lượng bị mất qua các chu kỳ vô ích. Protease ngăn chặn chu trình này xảy ra bằng cách thay đổi tốc độ của một trong các con đường, hoặc bằng cách phân cắt một enzym quan trọng. Protease cũng không đặc hiệu khi liên kết với chất nền, cho phép tạo ra sự đa dạng lớn bên trong tế bào và các protein khác, vì chúng có thể được phân cắt dễ dàng hơn nhiều theo cách hiệu quả về mặt năng lượng.

Bởi vì nhiều protease không đặc hiệu, chúng được điều chỉnh rất nhiều trong tế bào. Nếu không có sự điều hòa, các protease sẽ phá hủy nhiều protein cần thiết cho các quá trình sinh lý. Cơ thể điều chỉnh protease thông qua các chất ức chế protease. Chất ức chế protease có thể là các protein, peptit nhỏ hoặc phân tử khác. Có hai loại chất ức chế protease: thuận nghịch và không thuận nghịch. Các chất ức chế protease thuận nghịch tạo thành các tương tác không cộng hóa trị với protease làm hạn chế chức năng của nó. Chúng có thể là chất ức chế cạnh tranh, chất ức chế không cạnh tranh. Các chất ức chế cạnh tranh sẽ cạnh tranh với peptide để gắn vào vị trí hoạt động của protease. Các chất ức chế không cạnh tranh liên kết với protease trong khi peptit vẫn được liên kết nhưng không để protease phân cắt liên kết peptit. Các chất ức chế protease không thuận nghịch làm thay đổi cộng hóa trị vị trí hoạt động của protease để nó không thể phân cắt các peptit.

Exopeptidases

Exopeptidase là các enzym có thể phân cắt phần cuối của chuỗi bên axit amin chủ yếu thông qua việc bổ sung nước. Enzyme exopeptidase tồn tại trong ruột non. Các enzym này có hai lớp: aminopeptidases là một enzym biên giới bàn chải và carboxypeptidase là từ tuyến tụy. Aminopeptidases là các enzym loại bỏ các axit amin khởi đầu cuối amin của protein. Chúng có mặt ở tất cả các cơ thể sống và rất quan trọng vì chúng thực hiện nhiều nhiệm vụ tế bào để duy trì sự ổn định. Dạng peptidase này là một enzyme chuyển hóa kẽm và nó bị ức chế bởi chất tương tự trạng thái chuyển tiếp, ngăn cản sự liên kết cơ chất và giảm tốc độ phản ứng. Carboxypeptidase phân cắt ở đầu carboxyl của protein. Trong khi vẫn có thể dị hóa protein, chúng thường được sử dụng nhiều hơn trong các sửa đổi sau phiên mã.

Endopeptidases

Endopeptidase là các enzyme bổ sung nước vào liên kết peptit bên trong trong chuỗi peptit và phá vỡ liên kết đó. Ba endopeptidase phổ biến đến từ tuyến tụy là pepsin, trypsin và chymotrypsin. Chymotrypsin thực hiện phản ứng thủy phân phân cắt sau khi còn dư chất thơm. Các axit amin chính liên quan là serine, histidine và axit aspartic. Chúng đều có vai trò phân cắt liên kết peptit. Ba axit amin này được gọi là bộ ba xúc tác, có nghĩa là tất cả ba axit này phải có mặt để hoạt động bình thường. Trypsin phân cắt sau các dư lượng tích điện dương dài và có một túi liên kết tích điện âm tại vị trí hoạt động. Cả chymotrypsin và trypsin đều được tạo ra dưới dạng hợp tử, có nghĩa là ban đầu chúng được tìm thấy ở trạng thái không hoạt động và sau khi bị phân cắt thông qua phản ứng thủy phân, chúng sẽ được kích hoạt. Các tương tác không cộng hóa trị như liên kết hydro giữa xương sống peptit và bộ ba xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng, cho phép các peptidase này phân cắt nhiều peptit một cách hiệu quả.

Phân hủy protein do thay đổi môi trường

Độ pH

Các protein tế bào được giữ ở độ pH tương đối ổn định để ngăn chặn những thay đổi trong trạng thái proton hóa của các axit amin. Nếu pH giảm, một số axit amin trong chuỗi polipeptit có thể trở thành proton. Nếu độ pH tăng lên, một số axit amin trong chuỗi có thể bị deproton hóa. Vì nhiều axit amin tương tác với các axit amin khác dựa trên lực hút tĩnh điện, việc thay đổi điện tích có thể phá vỡ các tương tác này. Việc mất đi những tương tác này làm thay đổi cấu trúc protein, nhưng quan trọng nhất là nó làm thay đổi chức năng của protein, có thể có lợi hoặc có hại. Sự thay đổi đáng kể về độ pH thậm chí có thể phá vỡ nhiều tương tác mà các axit amin tạo ra và làm biến tính protein.

Nhiệt độ

Khi nhiệt độ trong môi trường tăng, các phân tử chuyển động nhanh hơn. Liên kết hydro và tương tác kỵ nước là những lực ổn định quan trọng trong protein. Nếu nhiệt độ tăng và các phân tử chứa các tương tác này chuyển động quá nhanh, thì các tương tác sẽ bị tổn hại hoặc thậm chí bị phá vỡ. Ở nhiệt độ cao, những tương tác này không thể hình thành và một protein chức năng bị biến tính. Tuy nhiên, nó dựa vào hai yếu tố; loại protein được sử dụng và lượng nhiệt áp dụng. Lượng nhiệt được áp dụng xác định liệu sự thay đổi này trong protein là vĩnh viễn hay nó có thể chuyển đổi trở lại dạng ban đầu hay không.