TÀI LIỆU HỌC TẬP: AXIT AMIN - CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT

I. CẤU TRÚC CHUNG CỦA AXIT AMIN

1. Định nghĩa

Axit amin là hợp chất hữu cơ tạp chức, trong phân tử chứa đồng thời nhóm chức amino (-NH₂) và nhóm chức carboxyl (-COOH).

2. Công thức tổng quát

$H_2N-CR(H)-COOH$

Trong đó:

• R: Gốc hidrocacbon (hoặc dẫn xuất) quyết định tính chất đặc trưng của từng axit amin.
• Nhóm -NH₂: Nhóm amino (tính bazơ).
• Nhóm -COOH: Nhóm cacboxyl (tính axit).
• C* (cacbon α): Cacbon liên kết với cả nhóm -NH₂, -COOH và gốc R.

3. Phân loại

• Axit amin α (alpha): Nhóm -NH₂ gắn vào cacbon α. Đây là loại axit amin phổ biến nhất trong protein.
• Axit amin β, γ, δ,...: Nhóm -NH₂ gắn vào cacbon β, γ, δ,... (cacbon thứ 2, 3, 4,... sau nhóm -COOH).

Trong tài liệu này, chúng ta sẽ tập trung vào axit amin α.

4. Cấu trúc không gian và tính bất đối

• Cacbon bất đối (C):* Hầu hết các axit amin (trừ glyxin) có C* liên kết với 4 nhóm thế khác nhau, do đó C* là cacbon bất đối.

• Đồng phân quang học (enantiomers): Do có C* bất đối, axit amin tồn tại ở hai dạng đồng phân quang học (L và D). Trong tự nhiên, axit amin L chiếm ưu thế trong protein.

• Cấu hình L và D: Xác định dựa trên vị trí tương đối của nhóm -NH₂ so với nhóm -COOH trên cacbon bất đối.

  • Dạng L: Nhóm -NH₂ nằm bên trái khi nhóm -COOH hướng lên trên.
  • Dạng D: Nhóm -NH₂ nằm bên phải khi nhóm -COOH hướng lên trên.

II. TÍNH CHẤT LƯỠNG TÍNH

1. Tính chất axit-bazơ

• Nhóm -COOH: Tính axit yếu (pKa ≈ 2).
• Nhóm -NH₂: Tính bazơ yếu (pKa ≈ 9-10).

Do đó, axit amin có tính chất lưỡng tính, vừa tác dụng với axit, vừa tác dụng với bazơ.

2. Dạng tồn tại của axit amin trong dung dịch

Axit amin tồn tại ở các dạng ion khác nhau tùy thuộc vào pH của dung dịch:

• pH thấp (môi trường axit):

  $H_3N^+ - CR(H) - COOH$ (Dạng cation)

• pH trung tính:

  $H_3N^+ - CR(H) - COO^-$ (Dạng ion lưỡng cực - Zwitterion)

• pH cao (môi trường bazơ):

  $H_2N - CR(H) - COO^-$ (Dạng anion)

3. Điểm đẳng điện (pI)

• Định nghĩa: pH tại đó axit amin tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực. Tại pI, điện tích tổng thể của axit amin bằng 0.

• Tính pI:

  • Đối với axit amin có gốc R trung tính:

    $pI = \frac{pK_{a1} + pK_{a2}}{2}$

    Trong đó:

    • $pK_{a1}$: Hằng số axit của nhóm -COOH.
    • $pK_{a2}$: Hằng số axit của nhóm $NH_3^+$.

  • Đối với axit amin có gốc R axit:

    $pI = \frac{pK_{a1} + pK_{aR}}{2}$

    Trong đó:

    • $pK_{aR}$: Hằng số axit của nhóm axit trong gốc R.

  • Đối với axit amin có gốc R bazơ:

    $pI = \frac{pK_{a2} + pK_{aR}}{2}$

    Trong đó:

    • $pK_{aR}$: Hằng số axit của nhóm bazơ trong gốc R.

• Ý nghĩa của pI:

  • Tại pI, độ tan của axit amin là nhỏ nhất.
  • Sử dụng điện di để tách các axit amin dựa trên sự khác biệt về pI.

III. CÁC AXIT AMIN QUAN TRỌNG

1. 20 axit amin phổ biến trong protein

Bảng các axit amin với tên viết tắt (3 chữ cái và 1 chữ cái), cấu trúc gốc R và tính chất:

Axit amin	Kí hiệu (3 chữ)	Kí hiệu (1 chữ)	Gốc R	Tính chất gốc R
Alanin	Ala	A	$-CH_3$	Không phân cực, kị nước
Arginin	Arg	R	$-(CH_2)_3-NH-C(NH_2)=NH$	Phân cực, bazơ
Asparagin	Asn	N	$-CH_2-C(O)NH_2$	Phân cực, trung tính
Aspartic acid	Asp	D	$-CH_2-COOH$	Phân cực, axit
Cystein	Cys	C	$-CH_2-SH$	Phân cực, trung tính
Glutamic acid	Glu	E	$-(CH_2)_2-COOH$	Phân cực, axit
Glutamin	Gln	Q	$-(CH_2)_2-C(O)NH_2$	Phân cực, trung tính
Glycin	Gly	G	$-H$	Không phân cực, trung tính
Histidin	His	H	$-CH_2-$ (vòng imidazole)	Phân cực, bazơ
Isoleucin	Ile	I	$-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$	Không phân cực, kị nước
Leucin	Leu	L	$-CH_2-CH(CH_3)_2$	Không phân cực, kị nước
Lysin	Lys	K	$-(CH_2)_4-NH_2$	Phân cực, bazơ
Methionin	Met	M	$-CH_2-CH_2-S-CH_3$	Không phân cực, kị nước
Phenylalanin	Phe	F	$-CH_2-$ (vòng phenyl)	Không phân cực, kị nước
Prolin	Pro	P	(vòng pyrrolidin, -NH- là một phần của vòng)	Không phân cực, kị nước
Serin	Ser	S	$-CH_2-OH$	Phân cực, trung tính
Threonin	Thr	T	$-CH(OH)-CH_3$	Phân cực, trung tính
Tryptophan	Trp	W	$-CH_2-$ (vòng indole)	Không phân cực, kị nước
Tyrosin	Tyr	Y	$-CH_2-$ (vòng phenol)	Phân cực, trung tính
Valin	Val	V	$-CH(CH_3)_2$	Không phân cực, kị nước

2. Axit amin thiết yếu

Là các axit amin mà cơ thể không tự tổng hợp được, cần thiết phải cung cấp từ thức ăn.

• Valin
• Leucin
• Isoleucin
• Methionin
• Phenylalanin
• Tryptophan
• Lysin
• Threonin
• (Arginin và Histidin: Bán thiết yếu, cần thiết cho trẻ em)

IV. BÀI TẬP VẬN DỤNG

1. Viết công thức cấu tạo của alanin ở dạng ion lưỡng cực.
2. Tính pI của glyxin (pKa1 = 2.34, pKa2 = 9.60).
3. Xác định điện tích của axit aspartic (pKa1 = 2.0, pKa2 = 9.9, pKaR = 3.9) ở pH 1, 4 và 10.
4. Phân biệt các axit amin sau dựa vào tính chất gốc R: serin, valin, lysin.
5. Tại sao glyxin không có đồng phân quang học?
6. Axit amin nào có thể tạo cầu nối disulfide trong protein?