Hàng ngày chúng ta nghe nói nhiều về thuật ngữ protein, thường xuyên thu nạp chất đạm qua các thức ăn hàng ngày. Tuy nhiên, nhiều người vẫn chưa rõ: protein là gì? Bài viết sau đây sẽ chia sẻ cùng quý độc giả những khái niệm cơ bản nhất về cấu tạo và chức năng của protein.

Tổng quan về protein

Protein là những đại phân tử sinh học, có cấu trúc phức tạp và đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của tất cả các cơ quan của cơ thể.

Các protein và enzyme tham gia hầu hết các quá trình sinh học được thực hiện bởi tế bào và cần thiết cho cấu trúc, chức năng và sự điều hòa của các mô và cơ quan của cơ thể.

Một protein được tạo thành từ một hoặc nhiều chuỗi axit amin dài, gấp nếp (mỗi chuỗi được gọi là polypeptide), trình tự của chúng được xác định bởi trình tự ADN của gen mã hóa protein.

Protein được tìm thấy khắp cơ thể — trong cơ, xương, da, tóc và hầu như mọi bộ phận hoặc mô khác của cơ thể. Protein đóng vai trò như các enzym tạo ra nhiều phản ứng hóa học và hemoglobin vận chuyển oxy trong máu của chúng ta.

Các nhà khoa học không chắc chắn chính xác, nhưng hầu hết đều đồng ý rằng có khoảng 20,000 loại protein khác nhau trong cơ thể chúng ta. Một số nghiên cứu cho rằng có thể còn nhiều hơn thế.

Tập hợp toàn bộ các protein của một cơ thể sinh vật gọi là hệ protein. Lĩnh vực nghiên cứu hệ protein gọi là Proteomics.

Mỗi loại protein sau khi được tạo ra, chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định, có loại chỉ tồn tại vài phút, có loại có thể tồn tại hàng năm. Sau đó, protein bị thoái hóa và được tái sinh bởi bộ máy tế bào thông qua quá trình luân chuyển protein.

Do protein chiếm tới 50% khối lượng thô của tế bào, là thành phần thiết yếu cấu trúc, hình thành, duy trì, tái tạo cơ thể nên cơ thể cần bổ sung protein qua chế độ ăn hàng ngày. Nếu cơ thể thiếu protein sẽ dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng như suy dinh dưỡng, chậm lớn, hay ốm đau, bệnh tật do sức đề kháng giảm.

Cấu tạo của protein

Protein được tạo thành từ hàng trăm hoặc hàng nghìn đơn vị nhỏ hơn được gọi là axit amin, chúng được gắn với nhau thành chuỗi dài.

Có 20 loại axit amin khác nhau có thể được kết hợp để tạo ra một loại protein.

thành phần amino acid

Do cơ thể chúng ta không dự trữ axit amin, các axit amin có thể hình thành theo 2 cách khác nhau: sinh tổng hợp từ đầu; hoặc là chuyển hóa từ các dạng axit khác.

Trong những axit amin này, có 9 loại được coi là axit amin thiết yếu và chỉ được hấp thụ vào cơ thể bằng cách bổ sung qua nguồn thức ăn: Histidine, Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, và Valine.

Protein được lắp ráp từ các axit amin bằng cách sử dụng thông tin được mã hóa trong gen. Mỗi protein có trình tự axit amin duy nhất được quy định bởi trình tự nucleotit của gen mã hóa protein này.

Mã di truyền là một bộ ba nucleotide được gọi là codon và mỗi tổ hợp ba nucleotide chỉ định một axit amin, ví dụ AUG (adenine – uracil – guanine) là mã cho methionine. Vì ADN chứa bốn nucleotide nên tổng số codon có thể có là 64; do đó, có một số lượng dư thừa trong mã di truyền. Chính vì vậy, một số axit amin được mã hóa bởi nhiều hơn một codon.

Trình tự các axit amin xác định cấu trúc 3 chiều đặc trưng riêng biệt của mỗi protein và chức năng cụ thể của nó. Các protein khác nhau chủ yếu do về trình tự các acid amin khác nhau, trình tự này do các nucleotide của gen quy định.

Tổng hợp protein

Quá trình tổng hợp protein diễn ra thông qua một quá trình gọi là dịch mã. Quá trình này xảy ra trong tế bào chất. Nó liên quan đến việc hiển thị mã di truyền. Ribosome của tế bào giúp dịch mã di truyền thành chuỗi polypeptide. Những chuỗi polypeptide này chỉ trở thành protein hoạt động sau khi trải qua một số sửa đổi nhất định.

Cấu trúc của protein

Một protein thường không tồn tại dưới dạng chuỗi, nhưng thực sự gấp lại thành một hình dạng cụ thể, tùy thuộc vào thứ tự và cách các axit amin khác nhau đó tương tác với nhau. Hình dạng đó ảnh hưởng đến chức năng của protein trong cơ thể chúng ta.

Hầu hết các protein gấp lại thành các cấu trúc 3D độc đáo. Hình dạng mà protein có thể gấp một cách tự nhiên được gọi là hình dạng tự nhiên của nó.

Mặc dù nhiều protein có thể gấp lại mà không cần trợ giúp, chỉ đơn giản là thông qua các đặc tính hóa học của các axit amin của chúng, những loại khác đòi hỏi sự hỗ trợ của các chaperones phân tử để gấp về trạng thái ban đầu của chúng.

Về đặc điểm cấu trúc, protein gồm 2 dạng chính là protein dạng sợi và protein hình cầu:

Protein dạng sợi không hòa tan và kéo dài.
Protein hình cầu hòa tan và nhỏ gọn.

Protein sợi và protein hình cầu có thể bao gồm một hoặc bốn loại cấu trúc protein và chúng bao gồm cấu trúc bậc một, bậc hai, bậc ba và bậc bốn.

Cấu trúc bậc 1 (Primary structure): Là trình tự cụ thể của các axit amin. Thứ tự các axit amin liên kết với nhau được xác định bởi thông tin lưu trữ trong gen.
Cấu trúc bậc 2 (Secondary structure): được hình thành bởi các liên kết hydro giữa các nguyên tử dọc theo xương sống của chuỗi polypeptide. Ví dụ xoắn α, tấm β và các vòng xoắn. Bởi vì cấu trúc bậc hai là cục bộ, nhiều vùng có cấu trúc bậc hai khác nhau có thể có mặt trong cùng một phân tử protein.
Cấu trúc bậc ba (Tertiary structure): Được xác định bởi nhóm R. Đây là hình dạng ba chiều của protein. Nhiều cấu trúc bậc ba gấp lại để tạo thành Cấu trúc bậc bốn.
Cấu trúc bậc bốn (Quaternary structure): Là sự sắp xếp của nhiều tiểu đơn vị protein gấp lại thành một phức hợp nhiều tiểu đơn vị.

cấu trúc protein

Protein không hoàn toàn là những phân tử cứng nhắc. Ngoài các mức cấu trúc này, protein có thể thay đổi giữa một số cấu trúc liên quan trong khi chúng thực hiện các chức năng của mình.

Trong bối cảnh của những sự sắp xếp lại chức năng này, những cấu trúc bậc ba hoặc bậc bốn thường được gọi là "sự phù hợp" và sự chuyển đổi giữa chúng được gọi là những thay đổi về cấu trúc.

Những thay đổi như vậy thường được gây ra bởi sự liên kết của phân tử cơ chất với vị trí hoạt động của enzym, hoặc vùng vật lý của protein tham gia xúc tác hóa học.

Trong dung dịch, protein cũng trải qua sự biến đổi về cấu trúc thông qua dao động nhiệt và va chạm với các phân tử khác.

Phân loại protein

Protein có thể được chia không chính thức thành ba lớp chính, tương quan với cấu trúc bậc ba điển hình:

protein hình cầu
protein dạng sợi
protein màng

Hầu hết tất cả các protein hình cầu đều có thể hòa tan và nhiều loại là enzym.

Các protein dạng sợi thường có cấu trúc, chẳng hạn như collagen, thành phần chính của mô liên kết, hoặc keratin, thành phần protein của tóc và móng tay.

Các protein màng thường đóng vai trò là các thụ thể hoặc cung cấp các kênh cho các phân tử phân cực hoặc tích điện đi qua màng tế bào.

Dựa vào vai trò chức năng, protein được chia thành các nhóm chính:

Kháng thể (Antibody)

Kháng thể (kí hiệu: Ab), còn được gọi là immunoglobulin (Ig), là một protein lớn, hình chữ Y được hệ thống miễn dịch sử dụng để xác định và vô hiệu hóa các vật thể lạ như vi khuẩn và vi rút gây bệnh.

Kháng thể nhận ra một phân tử duy nhất của mầm bệnh, được gọi là kháng nguyên.

Mỗi đầu của chữ "Y" của kháng thể chứa một paratope (tương tự như một ổ khóa) đặc hiệu cho một epitope cụ thể (tương tự như một khóa) trên một kháng nguyên, cho phép hai cấu trúc này liên kết với nhau một cách chính xác.

Sử dụng cơ chế liên kết này, kháng thể có thể gắn thẻ vi khuẩn hoặc tế bào bị nhiễm để các bộ phận khác của hệ thống miễn dịch tấn công hoặc có thể vô hiệu hóa trực tiếp (ví dụ: bằng cách ngăn chặn một phần của vi rút cần thiết cho sự xâm nhập của nó).

Ở người và hầu hết các loài động vật có vú, một đơn vị kháng thể bao gồm bốn chuỗi polypeptide; hai chuỗi nặng giống hệt nhau và hai chuỗi nhẹ giống hệt nhau được nối với nhau bằng liên kết disulfua.

Ví dụ: IgM, IgG, IgA, IgD, IgE

cấu trúc IgG

Enzyme

Enzyme đóng vai trò như những chất xúc tác sinh học trong cơ thể sống, điều chỉnh tốc độ diễn ra các phản ứng hóa học mà bản thân nó không bị thay đổi trong quá trình này.

Các enzyme thực hiện gần như tất cả hàng nghìn phản ứng hóa học diễn ra trong tế bào. Chúng cũng hỗ trợ việc hình thành các phân tử mới bằng cách đọc thông tin di truyền được lưu trữ trong ADN.

Ví dụ: alpha amylase, protease, lipase, DNA polymerase, ATP synthase...

Protein truyền tín hiệu

Các protein đóng vai trò như chất truyền tín hiệu, ví dụ như một số loại hormone, sẽ truyền tín hiệu để điều phối các quá trình sinh học giữa các tế bào, mô và cơ quan khác nhau.

Ví dụ: Insulin, Estrogen, Testosterone, DHEA, Glucagon...

Protein cấu trúc

Các protein ở nhóm này tham gia trong các thành phần cấu tạo của các bộ phận của cơ thể, cung cấp cấu trúc và hỗ trợ cho các tế bào và mô. Ở quy mô lớn hơn, chúng cũng cho phép cơ thể di chuyển.

Ví dụ: Actin, Collagen, Keratin...

Protein vận chuyển/Lưu trữ

Các protein này liên kết và mang các nguyên tử và phân tử nhỏ trong tế bào và vận chuyển tới khắp các cơ quan trong cơ thể.

Ví dụ: Ferritin, Casein, Ovalbumin...

Chức năng của Protein

Enzyme: Enzyme chủ yếu thực hiện tất cả nhiều phản ứng hóa học diễn ra trong tế bào. Chúng cũng giúp tái tạo và tạo ra các phân tử DNA cũng như thực hiện các quá trình phức tạp.

Nội tiết tố: Protein tham gia vào việc tạo ra nhiều loại hormone giúp cân bằng các thành phần của cơ thể. Ví dụ như các hormone như insulin, giúp điều hòa lượng đường trong máu và secretin. Nó cũng tham gia vào quá trình tiêu hóa và hình thành dịch tiêu hóa.

Kháng thể: Kháng thể còn được gọi là globulin miễn dịch. Nó là một loại protein được hệ thống miễn dịch sử dụng chủ yếu để sửa chữa và chữa lành cơ thể khỏi vi khuẩn lạ. Chúng thường phối hợp với các tế bào miễn dịch khác để xác định và tách các kháng nguyên ngày càng tăng cho đến khi bị bạch cầu tiêu diệt hoàn toàn.

Năng lượng: Protein là nguồn năng lượng chính giúp cơ thể chúng ta vận động. Điều quan trọng là phải có đủ lượng protein để chuyển hóa nó thành năng lượng. Protein khi tiêu thụ với số lượng quá mức sẽ được sử dụng để tạo ra chất béo và trở thành một phần của tế bào mỡ.

Như vậy, qua bài viết này các bạn đã có những thông tin đầy đủ để giải đáp câu hỏi: protein là gì? ý nghĩa và vai trò của protein đối với các cơ quan trong cơ thể sẽ là rất to lớn, vượt quá khuôn khổ của bài viết này. Vì thế, trong các phần tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục có những trao đổi chuyên sâu hơn.

Các câu hỏi thường gặp về protein

Protein là gì và tại sao protein lại cần thiết?

Protein là khối xây dựng của sinh vật sống. Protein có mặt trong mọi tế bào của con người. Một chuỗi axit amin tạo thành khối xây dựng cơ bản của protein. Để cơ thể sửa chữa các tế bào bị hư hỏng và tạo ra các tế bào mới, chúng ta cần protein trong chế độ ăn uống hàng ngày. Trẻ em, thanh thiếu niên và phụ nữ mang thai đều cần protein để tăng trưởng và phát triển khỏe mạnh.

Thiếu hụt protein là gì?

Khi lượng protein tiêu thụ không đủ để đáp ứng nhu cầu của cơ thể, chúng ta sẽ bị thiếu hụt protein (protein deficiency). Trên toàn thế giới, ước tính có khoảng 1 tỷ người không được cung cấp đủ lượng protein. Có tới 30% trẻ em Nam Á và Trung Phi không được cung cấp đủ chất đạm, khiến những khu vực này trở thành những khu vực bị ảnh hưởng nặng nề nhất.