Bài học

Liên kết peptide và danh pháp peptide

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cách hình thành liên kết peptide giữa hai amino acid, gọi đúng tên đi-/tri-peptide theo thứ tự gốc amino acid, và tính được số liên kết peptide trong một phân tử n-peptide.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai chương trước em đã nắm cấu tạo và tính chất của amino acid — đơn vị cấu tạo nên peptide. Bài này học cách các đơn vị đó nối với nhau, dựa đúng trên phản ứng ester hoá và tính lưỡng tính đã học.

Khởi động

Khi hai amino acid "bắt tay" với nhau, chúng không đơn giản trộn lẫn — nhóm $-COOH$ của phân tử này thực sự phản ứng hoá học với nhóm $-NH_2$ của phân tử kia. Điều gì xảy ra đúng ở chỗ "bắt tay" đó, và sản phẩm phụ nào bị đẩy ra ngoài?

Kiến thức trọng tâm

Liên kết peptide là liên kết $-CO-NH-$ hình thành giữa nhóm $-COOH$ của một $\alpha$ -amino acid với nhóm $-NH_2$ của $\alpha$ -amino acid kế tiếp, đồng thời giải phóng một phân tử $H_2O$ — về bản chất đây là một phản ứng ngưng tụ. Ví dụ: $H_2N-CH_2-COOH$ (Gly) $+ H_2N-CH(CH_3)-COOH$ (Ala) $\to H_2N-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH$ (Gly-Ala) $+ H_2O$ .

Peptide là hợp chất chứa từ 2 đến khoảng 50 gốc $\alpha$ -amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide (từ khoảng 50 gốc trở lên thường được gọi là protein). Theo số gốc amino acid, gọi là đipeptide (2 gốc), tripeptide (3 gốc), tetrapeptide (4 gốc)... polypeptide (nhiều gốc). Số liên kết peptide trong một n-peptide luôn bằng $(n-1)$ : đipeptide có 1 liên kết peptide, tripeptide có 2 liên kết peptide — giống 3 toa tàu chỉ có 2 khớp nối giữa chúng.

Danh pháp. Tên peptide ghép từ tên gốc acyl của các amino acid theo đúng thứ tự từ đầu N (đầu còn nhóm $-NH_2$ tự do) đến đầu C (đầu còn nhóm $-COOH$ tự do), amino acid cuối cùng giữ nguyên tên đầy đủ. Ví dụ Gly-Ala-Val đọc là glycyl-alanyl-valine, đúng theo thứ tự liên kết.

Vì liên kết peptide không đối xứng (đầu N khác đầu C), thứ tự các gốc amino acid quyết định đó là peptide nào: Gly-Ala và Ala-Gly là hai đipeptide KHÁC NHAU, dù cùng tạo từ glycine và alanine. Từ $n$ loại amino acid khác nhau (cho phép lặp lại vị trí), số đipeptide có thể tạo ra là $n^2$ , vì mỗi vị trí đầu-N và đầu-C độc lập chọn 1 trong $n$ loại. Nguyên tắc đếm này mở rộng tự nhiên cho tripeptide trở lên: từ $n$ loại amino acid (cho phép lặp lại ở mỗi vị trí), số tripeptide có thể tạo ra là $n^3$ , vì có 3 vị trí độc lập trong mạch.

Mỗi phân tử peptide luôn còn đúng 1 đầu N tự do (nhóm $-NH_2$ chưa tham gia liên kết peptide) và 1 đầu C tự do (nhóm $-COOH$ chưa tham gia liên kết peptide), bất kể peptide đó dài bao nhiêu gốc. Chính hai đầu tự do này khiến peptide, giống amino acid, vẫn giữ được tính lưỡng tính — vẫn phản ứng được với cả acid (ở đầu N) lẫn base (ở đầu C) — một điểm dễ bị bỏ sót khi học sang phần peptide vì trọng tâm bài học chuyển sang liên kết peptide ở giữa mạch.

Trong tự nhiên, chuỗi polypeptide dài hàng trăm gốc amino acid không hình thành ngẫu nhiên hay lộn xộn. Cơ thể sinh vật tổng hợp protein theo đúng trình tự đã được mã hoá sẵn trong gene (DNA), theo một cơ chế sinh học phức tạp — nội dung này thuộc phạm vi môn Sinh học, ở đây em chỉ cần ghi nhớ rằng bản chất hoá học của mỗi "mối nối" trong chuỗi đó, dù được tạo ra trong phòng thí nghiệm hay trong tế bào sống, đều là cùng một liên kết peptide $-CO-NH-$ vừa học. Điều này lý giải vì sao chỉ cần thay đổi MỘT gốc amino acid trong một chuỗi hàng trăm gốc cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn tính chất của protein — ví dụ nổi tiếng trong y học là bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, gây ra bởi chỉ một gốc amino acid bị thay đổi trong chuỗi $\beta$ của hemoglobin.

**Liên kết peptide** là liên kết $-CO-NH-$ hình thành giữa nhóm $-COOH$ của một $\alpha$-amino acid với nhóm $-NH_2$ của $\alpha$-amino acid kế tiếp, đồng thời giải phóng một phân tử $H_2O$ — về bản chất đây là một phản ứng ngưng tụ. Ví dụ: $H_2N-CH_2-COOH$ (Gly) $+ H_2N-CH(CH_3)-COOH$ (Ala) $\to H_2N-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH$ (Gly-Ala) $+ H_2O$. **Peptide** là hợp chất chứa từ 2 đến khoảng 50 gốc $\alpha$-amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide (từ khoảng 50 gốc trở lên thường được gọi là protein). Theo số gốc amino acid, gọi là đipeptide (2 gốc), tripeptide (3 gốc), tetrapeptide (4 gốc)... polypeptide (nhiều gốc). Số liên kết peptide trong một n-peptide luôn bằng $(n-1)$: đipeptide có 1 liên kết peptide, tripeptide có 2 liên kết peptide — giống 3 toa tàu chỉ có 2 khớp nối giữa chúng. **Danh pháp.** Tên peptide ghép từ tên gốc acyl của các amino acid theo đúng thứ tự từ đầu N (đầu còn nhóm $-NH_2$ tự do) đến đầu C (đầu còn nhóm $-COOH$ tự do), amino acid cuối cùng giữ nguyên tên đầy đủ. Ví dụ Gly-Ala-Val đọc là glycyl-alanyl-valine, đúng theo thứ tự liên kết. Vì liên kết peptide không đối xứng (đầu N khác đầu C), **thứ tự** các gốc amino acid quyết định đó là peptide nào: Gly-Ala và Ala-Gly là hai đipeptide KHÁC NHAU, dù cùng tạo từ glycine và alanine. Từ $n$ loại amino acid khác nhau (cho phép lặp lại vị trí), số đipeptide có thể tạo ra là $n^2$, vì mỗi vị trí đầu-N và đầu-C độc lập chọn 1 trong $n$ loại. Nguyên tắc đếm này mở rộng tự nhiên cho tripeptide trở lên: từ $n$ loại amino acid (cho phép lặp lại ở mỗi vị trí), số tripeptide có thể tạo ra là $n^3$, vì có 3 vị trí độc lập trong mạch. Mỗi phân tử peptide luôn còn đúng 1 đầu N tự do (nhóm $-NH_2$ chưa tham gia liên kết peptide) và 1 đầu C tự do (nhóm $-COOH$ chưa tham gia liên kết peptide), bất kể peptide đó dài bao nhiêu gốc. Chính hai đầu tự do này khiến peptide, giống amino acid, vẫn giữ được tính lưỡng tính — vẫn phản ứng được với cả acid (ở đầu N) lẫn base (ở đầu C) — một điểm dễ bị bỏ sót khi học sang phần peptide vì trọng tâm bài học chuyển sang liên kết peptide ở giữa mạch. Trong tự nhiên, chuỗi polypeptide dài hàng trăm gốc amino acid không hình thành ngẫu nhiên hay lộn xộn. Cơ thể sinh vật tổng hợp protein theo đúng trình tự đã được mã hoá sẵn trong gene (DNA), theo một cơ chế sinh học phức tạp — nội dung này thuộc phạm vi môn Sinh học, ở đây em chỉ cần ghi nhớ rằng bản chất hoá học của mỗi "mối nối" trong chuỗi đó, dù được tạo ra trong phòng thí nghiệm hay trong tế bào sống, đều là cùng một liên kết peptide $-CO-NH-$ vừa học. Điều này lý giải vì sao chỉ cần thay đổi MỘT gốc amino acid trong một chuỗi hàng trăm gốc cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn tính chất của protein — ví dụ nổi tiếng trong y học là bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, gây ra bởi chỉ một gốc amino acid bị thay đổi trong chuỗi $\beta$ của hemoglobin.

Ví dụ

Viết công thức và phân biệt Gly-Ala với Ala-Gly

1
Viết công thức cấu tạo của hai đipeptide có thể tạo thành từ glycine và alanine.
2
Nếu nhóm $COOH$ của glycine phản ứng với nhóm $NH_2$ của alanine, ta được Gly-Ala: $H_2N-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH$ .
Nếu nhóm $COOH$ của glycine phản ứng với nhóm $NH_2$ của alanine, ta được Gly-Ala: $H_2N-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH$.
3
Nếu nhóm $COOH$ của alanine phản ứng với nhóm $NH_2$ của glycine, ta được Ala-Gly: $H_2N-CH(CH_3)-CO-NH-CH_2-COOH$ .
Nếu nhóm $COOH$ của alanine phản ứng với nhóm $NH_2$ của glycine, ta được Ala-Gly: $H_2N-CH(CH_3)-CO-NH-CH_2-COOH$.
4
Từ glycine và alanine có thể tạo ra 2 đipeptide khác nhau là Gly-Ala và Ala-Gly, do liên kết peptide có chiều (đầu N khác đầu C).

Ví dụ

Đếm số tripeptide khác nhau và số liên kết peptide

1
Cho 3 amino acid khác nhau là glycine, alanine, valine. Hỏi có thể tạo được bao nhiêu tripeptide khác nhau, mỗi tripeptide chứa đúng 1 gốc của mỗi amino acid (không lặp lại)? Mỗi tripeptide đó có bao nhiêu liên kết peptide?
2
Một tripeptide gồm 3 gốc amino acid khác nhau; thứ tự các gốc từ đầu N đến đầu C tạo nên các tripeptide khác nhau. Số cách sắp xếp 3 gốc khác nhau vào 3 vị trí là hoán vị $3! = 6$ .
Một tripeptide gồm 3 gốc amino acid khác nhau; thứ tự các gốc từ đầu N đến đầu C tạo nên các tripeptide khác nhau. Số cách sắp xếp 3 gốc khác nhau vào 3 vị trí là hoán vị $3! = 6$.
3
Theo quy tắc n-peptide có $(n-1)$ liên kết peptide, với $n=3$ nên mỗi tripeptide có $3-1=2$ liên kết peptide.
Theo quy tắc n-peptide có $(n-1)$ liên kết peptide, với $n=3$ nên mỗi tripeptide có $3-1=2$ liên kết peptide.
4
Có 6 tripeptide khác nhau (ví dụ Gly-Ala-Val, Gly-Val-Ala, Ala-Gly-Val,...), mỗi phân tử chứa đúng 2 liên kết peptide.

Ví dụ

Xác định tính lưỡng tính của một tripeptide

1
Tripeptide Gly-Ala-Val có phản ứng được với dung dịch HCl không? Có phản ứng được với dung dịch NaOH không? Giải thích.
2
Gly-Ala-Val còn đúng 1 nhóm $-NH_2$ tự do ở đầu N (thuộc gốc Gly) và 1 nhóm $-COOH$ tự do ở đầu C (thuộc gốc Val); hai liên kết peptide ở giữa mạch không còn nhóm $-NH_2$ hay $-COOH$ tự do.
Gly-Ala-Val còn đúng 1 nhóm $-NH_2$ tự do ở đầu N (thuộc gốc Gly) và 1 nhóm $-COOH$ tự do ở đầu C (thuộc gốc Val); hai liên kết peptide ở giữa mạch không còn nhóm $-NH_2$ hay $-COOH$ tự do.
3
Nhóm $-NH_2$ tự do ở đầu N phản ứng được với HCl (đóng vai trò base); nhóm $-COOH$ tự do ở đầu C phản ứng được với NaOH (đóng vai trò acid). Vậy tripeptide vẫn thể hiện tính lưỡng tính, y hệt một amino acid đơn lẻ.
Nhóm $-NH_2$ tự do ở đầu N phản ứng được với HCl (đóng vai trò base); nhóm $-COOH$ tự do ở đầu C phản ứng được với NaOH (đóng vai trò acid). Vậy tripeptide vẫn thể hiện tính lưỡng tính, y hệt một amino acid đơn lẻ.
4
Gly-Ala-Val phản ứng được với cả dung dịch HCl và dung dịch NaOH, theo đúng tỉ lệ mol 1:1 ở mỗi phản ứng, vì chỉ có đúng 1 nhóm tự do mỗi loại.

Kết quả này áp dụng cho MỌI n-peptide mạch hở, không riêng gì tripeptide: dù mạch dài đến đâu, một n-peptide luôn phản ứng với HCl và NaOH theo đúng tỉ lệ mol 1:1, chứ không phải tỉ lệ tăng theo số gốc $n$ . Đây là điểm khác biệt quan trọng cần phân biệt với phản ứng thuỷ phân hoàn toàn (nơi số mol $H_2O$ hay NaOH phụ thuộc trực tiếp vào $n$ ) — phản ứng lưỡng tính chỉ liên quan đến hai nhóm chức tự do ở hai đầu mạch, còn phản ứng thuỷ phân liên quan đến TẤT CẢ các liên kết peptide dọc theo mạch.

Kết quả này áp dụng cho MỌI n-peptide mạch hở, không riêng gì tripeptide: dù mạch dài đến đâu, một n-peptide luôn phản ứng với HCl và NaOH theo đúng tỉ lệ mol 1:1, chứ không phải tỉ lệ tăng theo số gốc $n$. Đây là điểm khác biệt quan trọng cần phân biệt với phản ứng thuỷ phân hoàn toàn (nơi số mol $H_2O$ hay NaOH phụ thuộc trực tiếp vào $n$) — phản ứng lưỡng tính chỉ liên quan đến hai nhóm chức tự do ở hai đầu mạch, còn phản ứng thuỷ phân liên quan đến TẤT CẢ các liên kết peptide dọc theo mạch.

Sai lầm thường gặp

Một lỗi phổ biến là đếm nhầm số liên kết peptide bằng đúng số gốc amino acid, thay vì số gốc trừ đi 1. Hãy nhớ: $n$ gốc amino acid nối với nhau chỉ tạo ra $(n-1)$ "mối nối", giống như 3 toa tàu chỉ có 2 khớp nối giữa chúng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Liên kết peptide $-CO-NH-$ hình thành khi nhóm $COOH$ của amino acid này phản ứng với nhóm $NH_2$ của amino acid kia, giải phóng $H_2O$ . n-peptide có $(n-1)$ liên kết peptide; thứ tự các gốc từ đầu N đến đầu C quyết định đó là peptide nào.

Liên kết peptide $-CO-NH-$ hình thành khi nhóm $COOH$ của amino acid này phản ứng với nhóm $NH_2$ của amino acid kia, giải phóng $H_2O$. n-peptide có $(n-1)$ liên kết peptide; thứ tự các gốc từ đầu N đến đầu C quyết định đó là peptide nào.

Bài tiếp theo học phản ứng đặc trưng của chính liên kết peptide này: phản ứng thuỷ phân, và phản ứng màu biuret — phản ứng dùng để nhận biết peptide và protein trong phòng thí nghiệm.