Protein: tính chất vật lý, tính chất hóa học, ứng dụng và cách điều chế

Protein là gì?

Protein (đạm) là những polipeptit cao phân tử, phân tử khối từ vài chục nghìn đến vài triệu. Chúng được tạo nên từ nhiều gốc α-amino axit nối với nhau bằng liên kết peptit –CO–NH–.

Người ta chia protein thành hai loại:

• Protein đơn giản: chỉ gồm các chuỗi polipeptit, ví dụ anbumin (lòng trắng trứng), fibroin (tơ tằm).
• Protein phức tạp: ngoài chuỗi polipeptit còn có thành phần “phi protein” như axit nucleic, lipit, nhóm heme… Ví dụ nucleoprotein, hemoglobin.

Tính chất vật lý của protein

1. Hình dạng và khả năng tan trong nước

Dạng	Đặc điểm	Ví dụ
Hình sợi	Không tan trong nước, bền, dai	Keratin (tóc, móng, sừng), fibroin (tơ tằm), collagen
Hình cầu	Tan trong nước tạo dung dịch keo; đun nóng thì đông tụ	Anbumin (lòng trắng trứng), hemoglobin, enzim

Vì sao protein hình cầu tan được? Phân tử cuộn lại, các nhóm phân cực nằm phía ngoài nên “bắt” được nước. Kích thước hạt lớn (cỡ hạt keo) nên ta gọi là dung dịch keo, không phải dung dịch thật.

2. Sự đông tụ (biến tính)

Đông tụ là hiện tượng protein kết tủa lại khi:

• đun nóng;
• cho tác dụng với axit, bazơ;
• cho tác dụng với muối của kim loại nặng (Pb²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺…).

Ví dụ quen thuộc: nấu canh cua thì riêu cua nổi lên thành từng mảng; đun lòng trắng trứng thì trắng đục và đặc lại; vắt chanh vào sữa thì sữa vón cục.

Lưu ý: đông tụ do nhiệt, axit, kim loại nặng là quá trình bất thuận nghịch, để nguội hay trung hòa cũng không trở lại trạng thái ban đầu. Đó là lý do muối đồng, thủy ngân gây ngộ độc: chúng làm protein của cơ thể biến tính.

3. Các tính chất khác

• Phần lớn protein là chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định (bị phân hủy khi đun nóng mạnh).
• Khi cháy, protein có mùi khét đặc trưng như tóc cháy. Đây là cách phân biệt tơ tằm, len (protein) với sợi bông, tơ nhân tạo.

Tính chất hóa học của protein

1. Phản ứng thủy phân

Khi đun nóng với dung dịch axit, dung dịch bazơ hoặc có enzim xúc tác, protein bị thủy phân (cắt các liên kết peptit), cuối cùng thu được hỗn hợp các α-amino axit:

Protein + H₂O → (H⁺ hoặc OH⁻, t°; hoặc enzim) → chuỗi polipeptit ngắn → α-amino axit.

Trong cơ thể, enzim pepsin, trypsin làm công việc này ở dạ dày và ruột.

2. Phản ứng màu biure

Protein (và peptit có từ 2 liên kết peptit trở lên) tác dụng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm tạo phức màu tím. Ví dụ: cho dung dịch lòng trắng trứng vào Cu(OH)₂, lắc nhẹ, dung dịch chuyển màu tím đặc trưng.

Mẹo nhớ: “đi peptit thì không, tri peptit trở lên mới tím”.

3. Phản ứng với HNO₃ đặc (phản ứng xantoprotein)

Protein có chứa gốc amino axit có vòng benzen (như phenylalanin, tirozin) tác dụng với HNO₃ đặc cho kết tủa màu vàng do nhóm nitro hóa vòng thơm. Vì vậy da tay dính axit nitric đặc bị vàng.

Ứng dụng của protein

• Dinh dưỡng: là thành phần chính của cơ bắp, enzim, hormon, kháng thể; thực phẩm giàu đạm gồm thịt, cá, trứng, sữa, đậu nành.
• Công nghiệp dệt: len, tơ tằm làm vải; collagen, gelatin làm màng, keo.
• Công nghiệp thực phẩm: làm phô mai, sữa chua, đậu phụ (đông tụ protein sữa, đậu nành).
• Y học: insulin, kháng thể, vắc xin protein, enzim làm thuốc.

Cách thu nhận (điều chế) protein

Protein có cấu trúc rất lớn, nên trong chương trình phổ thông không có phản ứng “điều chế protein” như các chất hữu cơ nhỏ. Thực tế có các hướng:

1. Tách chiết từ nguồn tự nhiên: lấy protein từ sữa (casein, whey), đậu nành, trứng bằng cách hòa tan, đông tụ nhẹ nhàng, lọc rồi sấy khô.
2. Công nghệ sinh học: cấy gen vào vi khuẩn hoặc nấm men để chúng sản xuất protein cần thiết, ví dụ insulin tái tổ hợp.
3. Tổng hợp hóa học: trong phòng thí nghiệm, nối lần lượt các α-amino axit thành peptit (tổng hợp pha rắn), chỉ hiệu quả với chuỗi ngắn.
4. Trong cơ thể sống: tế bào tổng hợp protein từ amino axit theo thông tin di truyền (quá trình dịch mã).

Lỗi sai thường gặp

• Cho rằng mọi protein đều tan trong nước. Sai, protein hình sợi không tan.
• Nhầm “đông tụ” là thuận nghịch. Đun nóng làm biến tính bất thuận nghịch.
• Cho đipeptit có phản ứng biure. Sai, cần từ 2 liên kết peptit trở lên.
• Nhầm phản ứng xantoprotein (HNO₃, kết tủa vàng) với phản ứng biure (Cu(OH)₂, màu tím).

Bài luyện tập

Câu 1. Chất nào sau đây tác dụng với Cu(OH)₂ cho màu tím: Gly-Ala, Gly-Ala-Val, glyxin?

Đáp án: Gly-Ala-Val, vì là tripeptit có 2 liên kết peptit. Gly-Ala (đipeptit) và glyxin (amino axit) không có phản ứng màu biure.

Câu 2. Vì sao luộc trứng xong để nguội, lòng trắng không trở lại dạng lỏng?

Đáp án: Nhiệt làm protein biến tính, cấu trúc không gian bị phá vỡ. Quá trình này là bất thuận nghịch.

Câu 3. Thủy phân hoàn toàn 1 mol Gly-Ala-Val bằng dung dịch NaOH dư, cần tối đa bao nhiêu mol NaOH?

Đáp án: 3 mol. Mỗi gốc amino axit (đều có một nhóm COOH) cuối cùng thành muối –COONa, nên số mol NaOH bằng số gốc là 3.

Câu hỏi thường gặp

Protein có tan trong nước không?

Tùy dạng. Protein hình cầu như anbumin, hemoglobin tan trong nước tạo dung dịch keo. Protein hình sợi như keratin, fibroin không tan.

Sự đông tụ protein là gì và có thuận nghịch không?

Đó là hiện tượng protein kết tủa khi đun nóng hoặc gặp axit, bazơ, muối kim loại nặng. Quá trình này thường bất thuận nghịch.

Nhận biết protein bằng phản ứng nào?

Dùng phản ứng biure với Cu(OH)2 cho màu tím, hoặc phản ứng với HNO3 đặc cho kết tủa vàng nếu protein có gốc amino axit chứa vòng benzen.

Sản phẩm thủy phân hoàn toàn protein là gì?

Là hỗn hợp các α-amino axit. Thủy phân có thể dùng axit, bazơ đun nóng hoặc enzim.

Bài học liên quan

• Chất nào sau đây là tripeptit: Ala-Ala-Gly và Ala-Gly
• Kim loại nào sau đây có nhiệt độ nóng chảy cao nhất khi đề cụt
• Zn + NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2: phương trình, hiện tượng, bài tập
• Fe3O4 + H2O: Có phản ứng không? Cách điều chế Fe(OH)2 từ Fe3O4
• Ion Pb2+ oxi hoá được Sn: nối thanh Pb và Sn vào dung dịch điện li thì sao?
• Thành phần chính của quặng boxit là FeCO3, Fe3O4 hay Al2O3.2H2O?