Peptide | Liên kết, cấu tạo, tính chất và công dụng Hóa 12

Trong Hóa 12, peptide là hợp chất được tạo từ các gốc α-amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide −CO−NH− và là mắt xích quan trọng trong cấu tạo protein.

Bài học tập trung vào peptide là gì, cấu tạo và các loại peptide, cách xác định số liên kết peptide, tính chất, phản ứng thủy phân peptide và phản ứng màu biuret. Đây cũng là nền tảng để giải các bài tập peptide lớp 12, đặc biệt các dạng liên quan đến thủy phân hoàn toàn và xác định thành phần amino acid.

Peptide là gì?

Peptide là những hợp chất hữu cơ được cấu tạo từ các đơn vị α-amino acid liên kết với nhau qua liên kết peptide (–CO–NH–)[1].

Các peptide chứa từ 2, 3, 4,... đơn vị α-amino acid lần lượt được gọi là dipeptide, tripeptide, tetrapeptide,...; peptide chứa nhiều đơn vị α-amino acid được gọi là polypeptide [1].

Dựa vào số lượng gốc amino acid và mức độ phức tạp của cấu trúc để phân biệt peptide với protein.

Peptide thường gồm một số lượng tương đối ít gốc α-amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide; các chuỗi dài được gọi là polypeptide. Protein thường được cấu tạo từ một hoặc nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc không gian xác định.

Thứ tự liên kết của các amino acid trong peptide quyết định cấu tạo cũng như tính chất của nó. Khi thay đổi thứ tự sắp xếp các amino acid, dù số lượng và thành phần không đổi, sẽ tạo thành peptide khác nhau. Vì vậy, các peptide có cùng thành phần amino acid nhưng khác trình tự liên kết có thể được xem là đồng phân của nhau và có tính chất khác nhau.

Ví dụ Gly-Ala và Ala-Gly đều được tạo từ glycine và alanine nhưng là hai peptide khác nhau. Vì vậy, khi đổi thứ tự các gốc amino acid, ta có thể tạo ra các chất khác nhau.

Liên kết peptide là gì?

Liên kết peptide là liên kết –CO–NH– được tạo thành giữa nhóm –COOH của một α-amino acid với nhóm –NH₂ của α-amino acid kế tiếp, đồng thời tách một phân tử H₂O.

Ví dụ:

\[\mathrm{ H_2N{-}CH_2{-}COOH + H_2N{-}CH(CH_3){-}COOH \rightarrow H_2N{-}CH_2{-}CO{-}NH{-}CH(CH_3){-}COOH + H_2O }\]

Sản phẩm là dipeptide Gly-Ala.

Cách tính số liên kết peptide

Công thức xác định số liên kết peptide mạch hở chứa n gốc α-amino acid

→ \(N_{\text{liên kết peptide}}=n-1\) liên kết.

Khi biểu diễn peptide mạch hở, đầu N được đặt bên trái và đầu C đặt bên phải. Đầu N là amino acid còn nhóm –NH₂ tự do, trong khi đầu C là amino acid còn nhóm –COOH tự do. Tên viết tắt của nó cũng được đọc theo đúng thứ tự từ đầu N đến đầu C[1].

Tên peptide được ghép từ tên các gốc acyl của amino acid theo thứ tự từ đầu N đến đầu C; amino acid ở đầu C giữ nguyên tên.

Ví dụ:

• Gly–Ala gồm glycine và alanine. Gốc Gly ở đầu N được gọi là glycyl, còn Ala ở đầu C giữ nguyên tên alanine đọc là glycylalanine.

• Ala–Gly–Val có gốc Ala ở đầu N gọi là alanyl, gốc Gly ở giữa gọi là glycyl, còn Val ở đầu C giữ nguyên là valine đọc là alanylglycylvaline.

Số đồng phân: Nếu có n amino acid khác nhau, tạo peptide mạch hở, không lặp lại amino acid thì số trình tự có thể sắp xếp là \(N=n!\). Với trường hợp có lặp: \(N=\frac{n!}{n_1!n_2!\cdots n_k!}\).

Ví dụ, từ 3 amino acid khác nhau có thể tạo 3! = 6 (peptide) có trình tự khác nhau.

Tính chất vật lý của peptide

Trạng thái

Thường ở thể rắn ở điều kiện thường. Gly-Gly (glycylglycine) là chất rắn kết tinh.

Nhiệt độ nóng chảy

Peptide thường có nhiệt độ nóng chảy cao. Khi đun nóng mạnh, peptide có thể bị phân hủy thành các chất có phân tử nhỏ hơn thay vì nóng chảy hoàn toàn.

Peptide có tan trong nước không?

Nhiều chất có phân tử nhỏ, chứa nhiều nhóm phân cực tan tốt trong nước. Độ tan phụ thuộc vào kích thước phân tử và thành phần amino acid.

Ví dụ: Gly-Gly tan trong nước, do các nhóm phân cực trong phân tử có thể tạo tương tác với các phân tử nước.

Phân tử peptide chứa nhiều nhóm phân cực như C=O, –NH–, –COOH và –NH₂, tạo liên kết hydrogen và lực hút giữa các phân tử. Những tương tác này làm chúng liên kết chặt chẽ, cần nhiều năng lượng để phá vỡ, dẫn đến nhiệt độ nóng chảy tương đối cao.

Đồng thời, các nhóm phân cực có khả năng tạo liên kết hydrogen với nước, giúp phân tử dễ tương tác và phân tán trong nước. Ngoài ra, một số nhóm có thể ion hóa, làm tăng khả năng tương tác với nước. Vì vậy, nhiều peptide, đặc biệt những loại có phân tử nhỏ, tan tốt trong nước.

Tính chất hóa học của peptide

Có hai phản ứng đặc trưng của peptide là: phản ứng thủy phân và phản ứng màu biuret.

Phản ứng thủy phân

Peptide bị thủy phân bởi acid, base hoặc enzyme. Quá trình thuỷ phân không hoàn toàn có thể tạo thành các peptide nhỏ hơn[1].

Ví dụ, với tetrapeptide Gly-Ala-Val-Gly, có thể thu được các peptide ngắn hơn như Gly-Ala, Ala-Val, Val-Gly hoặc các đoạn dài hơn tùy vị trí liên kết bị cắt.

Thủy phân hoàn toàn làm đứt tất cả liên kết, tạo thành các α-amino acid cấu tạo nên phân tử ban đầu. Với một peptide mạch hở gồm n gốc amino acid:

\[\mathrm{Peptide}+(n-1)\mathrm{H_2O}\rightarrow n\,\alpha\text{-amino acid}\]

Công thức tính mol: \(n_{\mathrm{H_2O}}=(n-1)n_{\mathrm{peptide}}\)

Nếu đúng 1 mol peptide: \(n_{\mathrm{H_2O}}=n-1\)

Quy tắc tính nhanh: Nếu 1 mol peptide mạch hở chứa n gốc amino acid bị thủy phân hoàn toàn thì cần (n – 1) mol H₂O.

Peptide có tính lưỡng tính vì trong phân tử mạch hở thường còn nhóm –NH₂ ở đầu N và nhóm –COOH ở đầu C. Nhóm –NH₂ có khả năng nhận H⁺ nên thể hiện tính base; ngược lại, nhóm –COOH có khả năng nhường H⁺ nên thể hiện tính acid.

Thủy phân trong môi trường acid:

\[\mathrm{ H_2N{-}CH_2{-}CO{-}NH{-}CH_2{-}COOH + H_2O + 2HCl \rightarrow 2[H_3N^+{-}CH_2{-}COOH]Cl^- }\]

Thủy phân trong môi trường base:

\[\mathrm{ H_2N{-}CH_2{-}CO{-}NH{-}CH_2{-}COOH + 2NaOH \rightarrow 2H_2N{-}CH_2{-}COONa + H_2O }\]

Phản ứng màu biuret

Các peptide có từ hai liên kết peptide trở lên phản ứng với thuốc thử biuret ( Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm), tạo thành dung dịch có màu tím đặc trưng. Phản ứng này được sử dụng để nhận biết các peptide (trừ dipeptide) [1].

Có thể ghi nhớ bằng sơ đồ:

• Dipeptide (có 1 liên kết) → không có màu tím biuret.

• Tripeptide trở lên (≥ 2 liên kết) + Cu(OH)₂/kiềm → phức màu tím.

Trong thí nghiệm, Cu(OH)₂ được tạo ra từ CuSO₄ và NaOH, sau đó peptide có đủ số liên kết peptide làm kết tủa Cu(OH)₂ chuyển thành phức chất màu tím.

Peptide + Cu(OH)₂ → phức chất peptide–Cu²⁺ (màu tím) + H₂O

Peptide có thể tham gia phản ứng este hóa do trong phân tử có nhóm –COOH tự do (ở đầu C). Tuy nhiên, đây không phải phản ứng đặc trưng để nhận biết nó, vì nhiều hợp chất khác như amino acid và acid carboxylic cũng có thể tham gia phản ứng este hóa.

Trong khi đó, phản ứng màu biuret mới là phản ứng đặc trưng thường dùng để nhận biết peptide có từ 2 liên kết trở lên.

Công dụng và vai trò của peptide

Peptide có vai trò quan trọng trong sinh học vì là sản phẩm trung gian giữa amino acid và các cấu trúc protein lớn hơn. Nhiều peptide tham gia điều hòa hoạt động sinh lý, truyền tín hiệu tế bào hoặc có hoạt tính sinh học.

Trong y học, các peptide và protein có hoạt tính sinh học được nghiên cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong cơ thể, một số peptide tham gia truyền tín hiệu và điều hòa hoạt động sinh lý. Ví dụ, oxytocin là một hormone peptide gồm 9 gốc amino acid.

Trong dinh dưỡng, quá trình tiêu hóa protein cũng liên quan đến việc phân cắt các chuỗi peptide thành những đoạn ngắn hơn và cuối cùng tạo amino acid để cơ thể hấp thụ, sử dụng.

Bài tập peptide lớp 12 có lời giải

Dạng 1. Xác định số liên kết peptide

Bài 1. Một dipeptide mạch hở được tạo từ hai gốc α-amino acid. Phân tử có bao nhiêu liên kết peptide?

Hướng dẫn giải:

Với dipeptide: n = 2

Số liên kết = n - 1 = 2 - 1 = 1

Đáp án: 1 liên kết.

Bài 2. Một peptide mạch hở X có 7 gốc α-amino acid. Trong đó có 2 gốc glycine, 3 gốc alanine và 2 gốc valine. Hỏi X có bao nhiêu liên kết peptide?

Hướng dẫn giải:

Tổng số gốc amino acid: 2 + 3 + 2 = 7

Peptide mạch hở có 7 gốc amino acid nên:

Số liên kết = 7 - 1 = 6

Số lần xuất hiện của từng amino acid không ảnh hưởng đến số liên kết.

Đáp án: 6 liên kết.

Dạng 2. Tính số đồng phân của peptide

Bài 1. Có 4 amino acid khác nhau A, B, C, D tạo peptide mạch hở chứa đủ cả 4 gốc, mỗi gốc xuất hiện một lần. Có bao nhiêu đồng phân?

Hướng dẫn giải:

Bốn amino acid đều khác nhau và mỗi chất xuất hiện một lần.

Số cách sắp xếp:

4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24

Đáp án: 24.

Bài 2. Có 4 amino acid A, B, C, D. Tạo tetrapeptide mạch hở chứa A xuất hiện 2 lần, B và C mỗi chất 1 lần. Có bao nhiêu đồng phân?

Hướng dẫn giải:

Peptide gồm 4 gốc:

A - A - B - C

Nếu 4 gốc đều khác nhau thì có 4! cách sắp xếp.

Tuy nhiên, hai gốc A giống nhau nên khi đổi vị trí hai A sẽ không tạo peptide mới.

Số đồng phân: 4! / 2! = 24 / 2 = 12

Đáp án: 12.

Công thức tổng quát:

Nếu có n gốc amino acid, trong đó các gốc giống nhau xuất hiện lần lượt n1, n2, ... lần thì:

Số đồng phân = n! / (n1! × n2! × ...)

Dạng 3. Thủy phân peptide – Tính lượng H₂O và amino acid

Bài 1. Thủy phân hoàn toàn 1 mol Ala-Gly. Tính số mol H2O cần dùng và số mol mỗi amino acid thu được.

Hướng dẫn giải:

Ala-Gly là dipeptide, gồm 2 gốc amino acid.

Số liên kết: 2 - 1 = 1

Mỗi liên kết peptide bị thủy phân cần 1 mol H2O.

Phương trình:

Ala-Gly + H2O → Ala + Gly

Vậy 1 mol Ala-Gly cần: 1 mol H2O và tạo thành:

• 1 mol Ala

• 1 mol Gly

Đáp án:

• H2O: 1 mol

• Ala: 1 mol

• Gly: 1 mol

Bài 2. Thủy phân hoàn toàn 2 mol Gly-Ala-Val. Tính số mol H2O cần dùng và tổng số mol amino acid thu được.

Hướng dẫn giải:

Gly-Ala-Val là tripeptide, có 3 gốc amino acid.

Số liên kết: 3 - 1 = 2

Với 2 mol peptide:

Số mol H2O = 2 × 2 = 4 mol

Mỗi mol tripeptide tạo ra 3 mol amino acid.

Với 2 mol peptide:

Tổng số mol amino acid = 2 × 3 = 6 mol

Cụ thể:

• Gly: 2 mol

• Ala: 2 mol

• Val: 2 mol

Đáp án:

• H2O: 4 mol

• Tổng amino acid: 6 mol

• Gly: 2 mol

• Ala: 2 mol

• Val: 2 mol

Dạng 4. Nhận biết bằng phản ứng màu biuret

Bài 1. Có các dung dịch Gly, Gly-Ala, Gly-Ala-Gly và Gly-Ala-Gly-Val. Có bao nhiêu dung dịch cho màu tím với Cu(OH)2 trong môi trường kiềm?

Hướng dẫn giải:

• Gly: 0 liên kết → không phản ứng.

• Gly-Ala: 1 liên kết → không phản ứng.

• Gly-Ala-Gly: 2 liên kết → có phản ứng.

• Gly-Ala-Gly-Val: 3 liên kết → có phản ứng.

Vậy có 2 dung dịch cho màu tím.

Đáp án: 2 dung dịch.

Bài 2. X mạch hở được tạo từ 4 gốc α-amino acid. Hỏi X có bao nhiêu liên kết và có phản ứng màu biuret không?

Hướng dẫn giải:

X có 4 gốc amino acid.

Số liên kết: 4 - 1 = 3

Vì X có 3 liên kết, lớn hơn hoặc bằng 2 nên X có phản ứng màu biuret.

Đáp án:

• Số liên kết: 3

• Phản ứng màu biuret: Có

Dạng 5. Các dạng bài hay gặp trong thi THPT

Câu 1: Cho peptide X có công thức cấu tạo:

H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–CO–NH–CH₂–COOH

Phát biểu nào sau đây đúng?

A. X là dipeptide, có 1 liên kết và phân tử khối là 203.

B. X là tripeptide, có 2 liên kết và phân tử khối là 203.

C. X là tripeptide, có 3 liên kết và phân tử khối là 221.

D. X là tetrapeptide, có 3 liên kết và phân tử khối là 203.

Đáp án: B

Hướng dẫn giải:

Peptide X gồm 3 gốc amino acid theo thứ tự Gly–Ala–Gly nên X là tripeptide.

Số liên kết = 3 – 1 = 2.

Phân tử khối:

M(X) = 2 × 75 + 89 – 2 × 18 = 203.

Vậy đáp án đúng là B.

Câu 2: Cho peptide X có công thức:

H₂N–CH(CH₃)–CO–NH–CH₂–CO–NH–CH(CH(CH₃)₂)–COOH

Thủy phân hoàn toàn 1 mol X trong dung dịch HCl dư. Số mol HCl cần dùng là:

A. 1 mol.

B. 2 mol.

C. 3 mol.

D. 4 mol.

Đáp án: C

Hướng dẫn giải:

X có cấu tạo Ala–Gly–Val, gồm 3 gốc α-amino acid.

Khi thủy phân hoàn toàn trong môi trường HCl, mỗi amino acid tạo thành một muối hydrochloride nên cần 1 mol HCl cho mỗi amino acid.

Phương trình:

X + 2H₂O + 3HCl → Ala·HCl + Gly·HCl + Val·HCl

Vậy 1 mol X cần 3 mol HCl.

Câu 3: Cho peptide X mạch hở được tạo thành từ 2 gốc glycine và 1 gốc alanine. Phân tử khối của X là:

A. 185.

B. 203.

C. 217.

D. 221.

Đáp án: B

Hướng dẫn giải:

X gồm 2 Gly và 1 Ala.

M(Gly) = 75; M(Ala) = 89.

X là tripeptide nên có 2 liên kết, khi hình thành sẽ tách 2 phân tử H₂O.

M(X) = 2 × 75 + 89 – 2 × 18 = 203.

Vậy đáp án đúng là B.

Câu 4: Cho các chất:

X: Gly–Ala

Y: Ala–Gly–Val

Z: Gly–Ala–Gly–Val

Tiến hành cho từng chất tác dụng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm. Có bao nhiêu chất cho phản ứng màu biuret?

A. 1.

B. 2.

C. 3.

D. 0.

Đáp án: B

Hướng dẫn giải:

Peptide có từ 2 liên kết trở lên sẽ tham gia phản ứng màu biuret.

• X là dipeptide → có 1 liên kết → không phản ứng màu biuret.

• Y là tripeptide → có 2 liên kết → có phản ứng màu biuret.

• Z là tetrapeptide → có 3 liên kết → có phản ứng màu biuret.

Vậy có 2 chất cho phản ứng màu biuret.

Đáp án B.

Câu 5: Cho X có công thức:

H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–CO–NH–CH₂–COOH

a) Xác định tên viết tắt, số liên kết và phân tử khối của X.

b) Viết phương trình phản ứng thủy phân hoàn toàn X trong dung dịch HCl dư.

c) X có tham gia phản ứng màu biuret không? Giải thích.

Hướng dẫn giải:

a) X có trình tự:

Gly–Ala–Gly

X là tripeptide.

Số liên kết: 3 – 1 = 2

Phân tử khối:

M(X) = 2 × 75 + 89 – 2 × 18 = 203.

b) Phương trình thủy phân:

X + 2H₂O + 3HCl → 2Gly·HCl + Ala·HCl

c) X có 2 liên kết peptide nên có tham gia phản ứng màu biuret với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm, tạo phức chất màu tím.

Câu 6: X mạch hở được tạo bởi ba amino acid Gly, Ala và Val, mỗi amino acid xuất hiện đúng một lần.

a) Có bao nhiêu đồng phân của X có thể được tạo thành?

b) Viết tất cả các công thức viết tắt của các đồng phân đó.

c) Thủy phân hoàn toàn 0,20 mol hỗn hợp gồm các đồng phân của X. Tính tổng số mol amino acid thu được và tổng số mol H₂O đã tham gia phản ứng.

Hướng dẫn giải:

a) Có 3 amino acid khác nhau, mỗi amino acid xuất hiện đúng một lần.

Số đồng phân tạo thành: 3! = 6

b) Sáu đồng phân là:

1. Gly–Ala–Val

2. Gly–Val–Ala

3. Ala–Gly–Val

4. Ala–Val–Gly

5. Val–Gly–Ala

6. Val–Ala–Gly

c) Các chất đều là tripeptide nên khi thủy phân hoàn toàn

1 mol tripeptide → 3 mol amino acid

Do đó:

n(amino acid) = 0,20 × 3 = 0,60 mol

n(H₂O) = 0,20 × 2 = 0,40 mol

Kết luận:

Tổng số mol amino acid thu được: 0,60 mol.

Tổng số mol H₂O tham gia phản ứng: 0,40 mol.

Peptide là hợp chất hữu cơ được tạo thành từ các gốc α-amino acid liên kết với nhau bằng liên kết –CO–NH–. Dựa vào số gốc amino acid, được phân loại thành dipeptide, tripeptide, tetrapeptide và polypeptide. Peptide mạch hở có n gốc amino acid thì có n – 1 liên kết peptide.

Hai tính chất hóa học quan trọng của peptide là phản ứng thủy phân và phản ứng màu biuret. Thủy phân hoàn toàn tạo ra các α-amino acid cấu tạo nên phân tử ban đầu; peptide có ít nhất 2 liên kết peptide có khả năng tham gia phản ứng màu biuret, tạo phức chất màu tím với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm.

Để tìm hiểu thêm các kiến thức liên quan và củng cố nội dung Hóa học 12, người học có thể tham khảo chuyên mục Bài giảng Hóa học 12 tại ZIM Academy.