Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Quá trình thoát của protein mới sinh tại đường hầm thoát Ribosome

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết quả chính của luận văn đó là chỉ ra rằng các protein khác nhau có phân bố thời gian thoát cũng như sự phụ thuộc của thời gian thoát vào nhiệt độ tương tự nhau. Tuy vậy, protein có cấu trúc phiến beta có thời gian thoát nhanh hơn so với protein có cấu trúc xoắn alpha.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Quá trình thoát của protein mới sinh tại đường hầm thoát Ribosome

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phạm Thị Thơm QUÁ TRÌNH THOÁT CỦA PROTEIN MỚI SINH TẠI ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phạm Thị Thơm QUÁ TRÌNH THOÁT CỦA PROTEIN MỚI SINH TẠI ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 8440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Hướng dẫn : PGS. TS. Trịnh Xuân Hoàng Hà Nội - 2019
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan những gì viết trong luận văn là do sự tìm tòi, học hỏi của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của Thầy - PSG.TS Trịnh Xuân Hoàng. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác, nếu có đều được trích dẫn cụ thể. Đề tài luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và cũng chưa hề được công bố trên bất kỳ một phương tiện nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên Hà Nội, tháng 04 năm 2019 Tác giả luận văn Phạm Thị Thơm
Lời cảm ơn Trước khi trình bày nội dung chính của khóa luận, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy – PGS.TS. Trịnh Xuân Hoàng, người đã giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Thầy đã tận tình chỉ bảo cung cấp cho em nhiều kiến thức quan trọng cũng như đã truyền đạt cho em những kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo Học viện Khoa học Công nghệ đã dạy bảo em tận tình trong suốt quá trình học tập. Em thực sự cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên em, cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Hà Nội, tháng 04 năm 2019 Học viên Phạm Thị Thơm
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 1.1 (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline…….. 1.2 Chuỗi polypeptide………………………………………………… 1.3 Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của protein: (a) 2RJX xoắn 𝛼 và (b) 1SHG phiến β………………….. 1.4 Cấu trúc xoắn alpha……………………………………………… 3.1 Cấu trúc trạng thái tự nhiên của protein SH3 domain (1SHG) và protein Villin (2RJX)…………………………………………….. 3.2 Sự phụ thuộc của năng lượng (E) và số hạt thoát ra ngoài đường hầm (Nout)vào thời gian trong một quỹ đạo mô phỏng cho protein 1SHG tại nhiệt độ T = 0.8 /kB…………………………………… 3.3 Phân bố thời gian thoát của protein 1SHG tại 3 nhiệt độ khác nhau. Các biểu đồ thu được từ dữ liệu mô phỏng. Đường liền nét là hàm phân bố thu được bởi lý thuyết khuyếch tán 1 chiều được khớp (fit) với biểu đồ……………………………………………. 3.4 Phân bố thời gian thoát của protein 2RJX tại 3 nhiệt độ khác nhau. Các biểu đồ thu được từ dữ liệu mô phỏng. Đường liền nét là hàm phân bố thu được bởi lý thuyết khuyếch tán 1 chiều được khớp (fit) với biểu đồ……………………………………………. 3.5 Sự phụ thuộc của độ lệch chuẩn của thời gian thoát vào thời gian thoát trung bình cho 2protein 1SHG và 2RJX. Đường đứt nét tương ứng với mô hình khuyếch tán 1 chiều với k không đổi…. 3.6 Sự phụ thuộc của thời gian thoát trung bình vào nhiệt độ cho protein 1SHG (a) và protein 2RJX (b) trên thang tọa độ log-log. Đường đứt nét có độ dốc bằng −1 tương ứng với 𝜇 𝑇 ∼ 𝑇 −1 ……...
3.7 Sự phụ thuộc của thời gian thoát trung bình (t) vào nhiệt độ (T) cho 2 protein 1SHG và 2RJX……………………………………
1 MỤC LỤC Mở đầu Chương 1: Tổng quan về quá trình cuốn của các protein mới sinh 1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của protein 1.2. Hiện tượng cuốn protein trong ống nghiệm 1.3. Quá trình tổng hợp protein trong tế bào 1.4. Quá trình cuốn đồng dịch mã của protein 1.5. Đường hầm thoát ribosome 1.6. Ảnh hưởng của đường hầm thoát ribosome lên quá trình cuốn của các protein mới sinh Chương 2: Các mô hình và phương pháp mô phỏng 2.1. Mô hình Go cho protein 2.2. Mô hình đường hầm thoát ribosome 2.3. Phương pháp động lực học phân tử dựa trên phương trình Langevin 2.4. Mô hình khuyếch tán cho quá trình thoát protein Chương 3: Một số kết quả nghiên cứu 3.1. Sự phụ thuộc của thời gian thoát của protein vào nhiệt độ. 3.2. Sự phụ thuộc của thời gian thoát vào cấu trúc của protein. Chương 4: Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo
2 MỞ ĐẦU Nghiên cứu về vật lý các phân tử sinh học hiện nay đang là một hướng nghiên cứu nổi bật trong các lĩnh vực khoa học liên ngành do vai trò đặc biệt quan trọng của các phân tử sinh học đối với cơ thể sống và khả năng mang lại những ứng dụng trong y sinh học. Vật lý các phân tử sinh học áp dụng các phương pháp và dựa trên các nền tảng vật lý để nghiên cứu các vấn đề sinh học nhằm mang lại những hiểu biết căn bản cũng như những tiên đoán mang tính định lượng về các hệ sinh học. Bên cạnh các phương pháp thực nghiệm tiên tiến, thì các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng máy tính đang được sử dụng rất rộng rãi trong vật lý sinh học phân tử và là các công cụ rất hiệu quả, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu. Trong sinh học phân tử thì việc nghiên cứu về protein rất được quan tâm bởi lẽ protein là một thành phần cơ bản của vật chất sống, chúng có mặt trong thành phần nhân và tế bào chất của mọi tế bào [1]. Cấu trúc phức tạp và đa dạng cho phép các protein thực hiện rất nhiều chức năng. Tế bào xâu chuỗi 20 loại amino acid thành mạch thẳng, tạo nên protein. Protein có thể đóng vai trò cấu trúc, ví dụ tạo thành khung tế bào. Protein với khả năng biến đổi hình dạng khi nhiệt độ, nồng độ ion hoặc các tính chất khác của tế bào thay đổi có thể giữ vai trò cảm biến. Protein có thể hấp thu và bài xuất vật chất qua màng tế bào. Chúng có thể là enzyme, chất xúc tác giúp phản ứng hóa học xảy ra nhanh hơn rất nhiều. Chúng có thể là phân tử tín hiệu ngoại bào (do một tế bào giải phóng ra để giao tiếp với các tế bào khác) hoặc phân tử tín hiệu nội bào (mang thông tin bên trong tế bào). Chúng có thể là mô-tơ sử dụng năng lượng hóa học (ATP) để vận động quanh phân tử khác. Thông tin mỗi loại protein được tạo ra như thế nào, khi nào và ở đâu nằm trong vật liệu di truyền, axit deoxyribonucleic (DNA). Cấu trúc lập thể của DNA chứa hai mạch xoắn, cuộn quanh một trục chung, tạo thành cấu trúc xoắn kép. Chuỗi DNA cấu thành từ các đơn phân gọi là nucleotide (còn được gọi là bazơ do chứa bazơ hữu cơ mạch vòng). Trong DNA có bốn loại nucleotide khác nhau bởi các gốc nucleobase là Adenine (viết tắt là A), Thymine (viết tắt là T), Cytosine (tiếng Việt còn gọi là Xytosine, viết tắt
3 là X hoặc C), và Guanine (viết tắt là G). Ba nucleotide liên tiếp trên mạch mã gốc DNA của gene, sẽ quy định một loại amino acid nhất định. Do đó, mã di truyền còn được gọi là mã bộ ba, và tổ hợp ba nucleotide được gọi là một bộ ba mã hoá.. Các bộ ba nucleotide trong mỗi mạch đơn của chuỗi xoắn kép DNA khi giản phân, là một tổ hợp của 3 trong bốn loại nucleotide này nối liền nhau trong mạch DNA sao cho phần bazơ nhô ra từ khung mạch xoắn. DNA xoắn kép có cấu trúc khá đơn giản: A trên một mạch bắt cặp với T trên mạch kia và G bắt cặp với C. Hai mạch bắt cặp bổ sung mạnh đến mức sau khi bị tách rời chúng sẽ tự gắn lại với nhau nếu điều kiện nhiệt độ và nồng độ muối cho phép. DNA mang thông tin di truyền trong trật tự nucleotide dọc theo mạch thẳng. Phần DNA mang thông tin được chia thành các đơn vị chức năng nằm phân tán gọi là gene. Độ dài của một gene điển hình nằm trong khoảng 5.000 đến 100.000 nucleotide. Gene mã hóa cho protein thường gồm hai phần: Vùng mã hóa đặc hiệu cho trình tự amino acid của protein và vùng điều hòa kiểm soát thời điểm, vị trí tạo protein. Tế bào sử dụng hai chuỗi quá trình liên tiếp để chuyển thông tin mã hóa trong DNA thành protein. Chuỗi quá trình thứ nhất gọi là phiên mã: Sao chép vùng mã hóa của gene thành axit ribonucleic (RNA) mạch đơn. Trong quá trình này enzyme RNA polymerase sử dụng một mạch khuôn DNA để xúc tác liên kết các nucleotide thành chuỗi RNA mới tạo ra được gia công thành phân tử RNA thông tin ( mRNA) nhỏ hơn. mRNA sau đó chuyển tới tế bào chất, nơi ribosome (bộ máy phân tử rất phức tạp cấu thành từ RNA và protein) thực hiện quá trình thứ hai gọi là dịch mã. Khi dịch mã, ribosome lắp ráp và liên kết các amino acid với nhau theo trật tự chính xác, do trình tự mRNA quy định theo mã di truyền gần như chung cho mọi sinh giới. Ngoài vai trò truyền thông tin từ nhân tới tế bào chất, RNA còn tham gia vào bộ máy phân tử. Ví dụ, ribosome chứa bốn chuỗi RNA kết hợp với hơn 50 protein, tạo thành bộ đọc mRNA và tổng hợp protein rất chính xác và hiệu quả. Các protein được tổng hợp bởi các ribosome trong tế bào và được chiết xuất vào trong tương bào (cytosol) hoặc lưới nội chất (endoplasmic reticulum) trước khi được vận chuyển tới các địa chỉ khác nhau bên trong hoặc ngoài tế
4 bào. Các protein mới sinh chịu ảnh hưởng của đường hầm thoát ribosome (ribosomal exit tunnel), là nơi protein cần phải di chuyển qua để đi vào tế bào chất. Đường hầm thoát ribosome là một ống chật hẹp, có cấu trúc phức tạp [2], có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cuốn của các protein mới sinh. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy protein có thể hình thành các cấu trúc bậc hai (xoắn alpha và phiến beta) bên trong đường hầm thoát [3, 4]. Ngoài ra, đường hầm thoát có thể đóng vai trò tích cực trong việc nhận dạng trình tự amino acid cũng như điều khiển quá trình sinh tổng hợp protein [5, 6]. Các nghiên cứu mô phỏng gần đây [7, 8] cho thấy quá trình thoát của protein tại đường hầm thoát ribosome xảy ra song song với quá trình cuốn và hai quá trình này có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Quá trình cuốn làm cho protein thoát ra nhanh hơn, trong khi quá trình thoát xảy ra đủ chậm giúp protein cuốn chính xác hơn. Việc protein thoát ra đủ chậm cũng như cuốn chính xác giúp giảm thiểu khả năng kết tụ [11] của các protein mới sinh bên trong tế bào. Ngoài ra, các kết quả mô phỏng cho thấy thời gian thoát phù hợp với mô hình khuyếch tán đơn giản trong trường thế tuyến tính [7, 8]. Điều này mở ra khả năng áp dụng mô hình khuyếch tán trong việc phân tích các kết quả thực nghiệm. Trong luận văn này, trên cơ sở các nghiên cứu trước đây [7, 8], chúng tôi nghiên cứu quá trình thoát của protein tại đường hầm thoát ribosome nhằm làm rõ hơn sự phụ thuộc của thời gian thoát vào nhiệt độ và vào cấu trúc trạng thái tự nhiên của protein. Để thực hiện điều này, chúng tôi chọn hai protein nhỏ đơn miền có cấu trúc hoàn toàn khác nhau, một protein chỉ bao gồm các phiến beta và một protein chỉ bao gồm các xoắn alpha, để so sánh. Nghiên cứu trong luận văn sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng máy tính. Protein được xét trong mô hình Go là mô hình đơn giản coi mỗi amino acid là một hạt và sử dụng thế năng Lennard-Jones. Đường hầm thoát ribosome được mô hình hóa là một ống trụ rỗng có tương tác đẩy với các amino acid ở khoảng cách gần. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử với phương trình Langevin được áp dụng để mô phỏng các quá trình
5 mọc protein và quá trình thoát protein tại đường hầm. Các kết quả mô phỏng được phân tích trên cơ sở lý thuyết của mô hình khuyếch tán một chiều. Các kết quả chính của luận văn đó là chỉ ra rằng các protein khác nhau có phân bố thời gian thoát cũng như sự phụ thuộc của thời gian thoát vào nhiệt độ tương tự nhau. Tuy vậy, protein có cấu trúc phiến beta có thời gian thoát nhanh hơn so với protein có cấu trúc xoắn alpha. Bố cục của luận văn được chia thành 4 chương, với các nội dung như sau: 1. Chương 1: Tổng quan về quá trình cuốn của các protein mới sinh. 2. Chương 2: Các mô hình và phương pháp mô phỏng. 3. Chương 3: Một số kết quả nghiên cứu. 4. Chương 4: Kết luận và kiến nghị.
6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CUỐN CỦA CÁC PROTEIN MỚI SINH 1.1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 1.1.1. Thành phần hóa học của protein Protein(protid hay đạm) là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là amino acid. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptide (gọi là chuỗi polypeptide). Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein. Chuỗi polypeptide là polymer được cấu thành từ 20 loại amino acid. Trong đó, 19 loại có cấu trúc cơ bản giống nhau như Hình 1.1 (a). Mỗi amino acid có cấu trúc đặc thù gồm một nguyên tử carbon alpha (Cα) gắn với bốn nhóm hóa học khác: Nhóm amin (NH2), axit carboxylic hay nhóm carboxyl (COOH) (bởi đó có tên là amino acid), nguyên tử hydro (H) và một nhóm biến đổi gọi là chuỗi bên hay nhóm R. Loại amino acid thứ 20 còn lại là proline có cấu trúc tương tự như các amino acid khác, nhưng nguyên tử C thuộc chuỗi bên của nó liên kết với nguyên tử N của nhóm amin tạo thành một mạch vòng (Hình 1.1 (b)). Hình 1.1: (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline [ 7] Đặc tính duy nhất của amino acid quyết định vai trò của amino acid trong chuỗi polypeptide là do các tính chất vật lý và hóa học của chuỗi bên R xác định. Các amino acid có thể phân thành các nhóm kị nước (không phân cực), ưa nước (phân cực), tích điện âm (nếu chuỗi bên mang điện tích âm), tích điện dương (nếu chuỗi bên mang điện tích dương).
7 Trong protein, các amino acid gắn với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị gọi là liên kết peptide, tạo thành mạch thẳng, không phân nhánh. Trong các protein có chứa cysteine, một loại amino acid với chuỗi bên có nguyên tử lưu huỳnh (S), đôi khi các nguyên tử S của hai chuỗi bên khác nhau tạo liên kết cộng hóa trị với nhau gọi là liên kết disulfide. Liên kết peptide hình thành giữa nhóm amin của một amino acid và nhóm carboxyl của amino acid khác và giải phóng một phân tử nước (dehydrat hóa). Kết nối lặp giữa –NH, carbon α (Cα), và –CO và nguyên tử O trong mỗi amino acid cấu thành bộ khung của phân tử protein. Các chuỗi bên (nhóm R) nhô ra từ bộ khung này. Do liên kết peptide, khung có tính định hướng vì tất cả các nhóm –NH nằm cùng một phía với Cα. Do đó một đầu của protein có nhóm amin tự do (không liên kết) gọi là đầu N và đầu kia có nhóm cacboxyl tự do gọi là đầu C. Trình tự của chuỗi protein thường được viết theo thứ tự đầu N nằm bên trái, đầu C nằm bên phải và các amino acid được đánh số thứ tự bắt đầu từ đầu N (số 1). Hình 1.2: Chuỗi polypeptide [7] 1.1.2 Cấu trúc của protein Protein có hình dạng và kích thước rất đa dạng. Cấu trúc lập thể 3 chiều đa dạng của chúng chủ yếu do những khác biệt trong chiều dài và trình tự amino acid quyết định. Nhìn chung, mỗi protein với một trình tự amino acid xác định tại các điều kiện sinh lý bình thường sẽ chỉ gấp nếp thành một hoặc một số ít hình dạng lập thể giống nhau – gọi là cấu hình native. Những khác biệt trong cấu hình native và tính chất hóa học của các chuỗi bên của các amino acid quyết định chức năng của protein. Do đó protein có khả năng thực hiện rất nhiều chức năng khác nhau bên trong và bên ngoài tế bào. Những
8 chức năng này rất quan trọng cho sự sống. Các protein phối hợp hoạt động để duy trì sự sống và đảm bảo chức năng chính xác của tế bào. 1.1.2.1. Cấu trúc bậc một của protein Cấu trúc bậc một của protein là trình tự amino acid trong protein. Có nhiều thuật ngữ dùng để chỉ chuỗi polymer tạo bởi các amino acid. Chuỗi amino acid ngắn liên kết với nhau bằng liên kết peptide và có trình tự xác định gọi oligopeptide hay chỉ đơn giản là peptide; chuỗi dài gọi là polypeptide. Peptide thường chứa ít hơn 30 amino acid, còn polypepide thường dài từ vài chục tới vài trăm amino acid. 1.1.2.2. Cấu trúc bậc hai của protein Cấu trúc bậc hai là thành tố đặc trưng của cấu trúc protein. Cấu trúc bậc hai là sự sắp xếp không gian địa phương của các vùng trong chuỗi polypeptide. Những phân đoạn này gắn với nhau thông qua liên kết hydro giữa các nhóm –NH và –CO của mạch khung, thường tạo thành các mô hình cấu trúc có tính lặp. Các cấu trúc bậc hai cơ sở là xoắn α, phiến β và đoạn ngoặt β ngắn hình chữ U. Hình 1.3: Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của protein: (a) 2RJX xoắn 𝛼 và (b) 1SHG phiến β [7] Cấu trúc xoắn α: Trong phân đoạn polypeptide có kiểu gấp nếp xoắn α, mạch khung xoắn lại. Ở cấu trúc dạng này O thuộc nhóm –CO của mỗi liên kết peptide tạo liên kết hydro với H thuộc nhóm –NH của amino acid thứ tư
9 trong chuỗi. Trong xoắn α, mọi nhóm –NH và –CO của mạch khung liên kết hydro với nhau, trừ các nhóm tại hai đầu tận cùng của chuỗi polypeptide. Kiểu sắp xếp liên kết theo chu kì này tạo thành cấu trúc xoắn từ đầu amin đến đầu carboxyl với chiều cao mỗi xoắn là 5,4 Å. Mỗi vòng xoắn chứa 3,6 amino acid, do đó khoảng cách giữa hai nguyên tử Cα liền nhau theo phương trục xoắn là 1,5 Å. Trong xoắn α, liên kết hydro ổn định của các amino acid làm mạch khung có dạng trụ dài, thẳng, từ đó nhóm R của amino acid quay ra ngoài xác định tính chất ưa nước hay kỵ nước của xoắn. Trong dung dịch xoắn kỵ nước thường vùi trong lõi của protein đã cuốn, trong khi xoắn ưa nước thường nằm tại bề mặt của protein, nơi chúng có thể tương tác với môi trường nước. Hình 1.4: Cấu trúc xoắn alpha Cấu trúc phiến β: Chứa các mạch β là một phân đoạn ngắn (5 đến 8 amino acid) và hầu như trải ra hết cỡ. Không như xoắn α, liên kết hydro trong phiến β hình thành giữa các nguyên tử nằm trên khung của các mạch β riêng biệt nhưng liền kề nhau trong không gian ( Hình 1.3 (b)). Liên kết hydro trong mạch phẳng phiến giữ các mạch β với nhau và các nhóm R gắn phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng này. Phiến β có tính định hướng do chiều của liên kết peptide. Do đó, trong phiến xếp nếp, các mạch β sát nhau có thể nằm cùng
10 chiều (song song) hoặc ngược chiều (đối song song). Kẹp tóc 𝛽 ( 𝛽 – harpin) là một cấu trúc đơn giản của phiến 𝛽 chỉ gồm hai mạch 𝛽 phản song song được nối với nhau bởi một đoạn uốn cong chứa từ 2 đến 5 amino acid. Cấu trúc đoạn ngoặt β: Gồm 4 amino acid tạo thành một đường cong hẹp, uốn mạch khung của chuỗi polypeptide quay ngược lại. Cấu trúc bậc hai hình chữ U ngắn này được ổn định nhờ liên kết hydro giữa hai đầu. Đoạn ngoặt β giúp các protein lớn gấp lại rất gọn. Có 6 loại đoạn ngoặt khác nhau được xác định, cấu trúc chi tiết của chúng phụ thuộc vào sự sắp xếp không gian và liên kết hydro. 1.1.2.3. Cấu trúc bậc ba của protein Cấu trúc bậc ba của protein là cấu hình tổng thể của chuỗi polypeptide hay sắp xếp ba chiều của toàn bộ các amino acid. Cấu trúc bậc ba chủ yếu ổn định nhờ tương tác kỵ nước giữa các nhóm R không phân cực, liên kết hydro giữa các nhóm R phân cực và tương tác van der Waals. Các tương tác này yếu nên cấu trúc bậc ba của protein không cứng nhắc mà luôn dao động nhỏ và liên tục. Thậm chí một số phân đoạn cấu trúc bậc ba của protein linh động đến mức chúng được coi là bị mất trật tự (không có cấu trúc lập thể bền vững, tường minh). Tuy vậy, sự biến thiên cấu trúc này lại quan trọng đối với chức năng và sự điều hòa của protein. Tính chất hóa học của nhóm R của amino acid quyết định cấu trúc bậc ba của protein. Amino acid có chuỗi bên phân cực, ưa nước hay tích điện thường nằm trên bề mặt của protein. Những amino acid này tương tác với nước, giúp protein hòa tan trong dung dịch và tạo tương tác không cộng hóa trị với các phân tử không hòa tan trong nước, bao gồm các protein khác. Ngược lại, amino acid với chuỗi bên không phân cực, kỵ nước thường bị cô lập cách xa bề mặt tiếp xúc nước của protein. Trong nhiều trường hợp chúng tạo thành lõi trung tâm không hòa tan trong nước (gọi là mô hình giọt dầu của protein cầu vì lõi tương đối kỵ nước hay “có tính dầu”). Nhóm R phân cực, ưa nước, không tích điện có thể nằm trong bề mặt cũng như trong lõi của protein.
11 Dựa trên cấu trúc bậc ba có thể chia protein thành ba loại: protein sợi, protein cầu và protein xuyên màng. Protein sợi là phần tử lớn, dài, cứng và thường cấu thành từ nhiều trình tự ngắn lặp liên tiếp, tạo thành cấu trúc bậc hai lặp đơn. Protein sợi thường kết tụ thành sợi lớn gồm nhiều protein và không hòa tan trong nước. Chúng thường có vai trò tạo nên cấu trúc hoặc tham gia vào sự vận động của tế bào. Protein cầu thường chứa tập hợp các cấu trúc bậc hai, hòa tan trong nước, gấp nếp chặt và không có hình cầu hoàn hảo. Protein xuyên màng nhúng trong lớp phospholipid kép của màng. Màng này đóng vai trò bức tường của tế bào và cơ quan tử. Ba loại protein này không hoàn toàn độc lập, một số protein cấu thành từ tổ hợp của hai hoặc thậm chí cả ba loại này. 1.1.2.4. Cấu trúc bậc bốn của protein Một số protein gồm các chuỗi polypeptide tập hợp thành một đại phân tử chức năng. Cấu trúc bậc bốn là cấu trúc của protein do sự tập hợp các tiểu đơn vị polypeptide đó. Cấu trúc bậc bốn là sự sắp xếp không gian giữa các cấu trúc bậc ba của các protein. Ví dụ về các tổ hợp đại phân tử với chức năng cấu trúc bao gồm capsid bao bọc bộ gen của virus và các bó sợi khung tế bào giúp chống đỡ và tạo hình tế bào chất. Các tổ hợp đại phân tử khác hoạt động như các bộ máy phân tử, thực hiện hầu hết các quá trình phức tạp của tế bào bằng cách tích hợp những chức năng riêng lẻ thành một chỉnh thể thống nhất. 1.2. HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM Tế bào phải thực hiện các quá trình nghiêm ngặt để tạo ra những protein với đầy đủ các chức năng. Sau khi các ribosome liên kết các amino acid thành các chuỗi polypeptide không phân nhánh (là cấu trúc bậc một của protein) thì mỗi chuỗi polypeptide này được cuốn nếp, biến đổi thành cấu hình lập thể mang cấu trúc bậc hai, bậc ba và có thể bậc bốn. Cấu hình này được gọi là trạng thái native (trạng thái tự nhiên của protein). Với hầu hết protein, trạng thái tự nhiên là cấu hình bền vững nhất và theo quan điểm nhiệt động học thì trạng thái này có năng lượng tự do thấp nhất. Quá trình cuốn protein là quá trình biến đổi động lực học của chuỗi polypeptide từ trạng thái duỗi với cấu trúc bậc một tới trạng thái tự nhiên của protein. Tùy thuộc vào
12 điều kiện bên ngoài mỗi chuỗi polypeptide có thể cuốn thành rất nhiều các hình dạng khác nhau. Vì vậy quá trình cuốn có thể cho sản phẩm là một cấu hình khác với cấu hình tự nhiên của protein, gọi là quá trình cuốn lỗi. Protein sẽ mất đi các chức năng sinh học vốn có khi nằm ở trạng thái cuốn lỗi. Như vậy, yếu tố nào quyết định cấu hình tự nhiên của protein? Cơ chế nào giúp cho protein cuốn về trạng thái tự nhiên nhanh và chính xác? Trước hết, dễ thấy mặt phẳng liên kết peptide hạn chế phương thức cuốn nếp của chuỗi polypeptide. Liên kết peptide có tính chất tương đối giống liên kết đôi nên nguyên tử C của nhóm –CO và N của nhóm –NH và các nguyên tử gắn trực tiếp với chúng phải nằm trên cùng một mặt phẳng cố định. Liên kết peptide không thể tự quay quanh nó. Do vậy biến thiên cấu hình của chuỗi polypeptide chỉ do độ linh động của khung quyết định. Độ linh động này lại do góc quay của các mặt phẳng cố định tạp thành từ liên kết giữa Cα với N của nhóm –NH (góc quay gọi là ) và liên kết giữa Cα với C của nhóm –CO (góc quay gọi là ) quyết định ( Hình 1.3). Các góc xoay  và  bị hạn chế bởi các ràng buộc địa phương về không gian của các nguyên tử trong chuỗi polypeptide. Theo nghịch lý Levinthal [9], nếu thời gian protein nằm ở mỗi cấu hình là 10–12 s thì để trải qua tất cả các cấu hình protein sẽ cần một khoảng thời gian lớn hơn tuổi vũ trụ. Thực nghiệm quan sát được thời gian cuốn của protein cỡ từ vài phần nghìn giây tới vài giây. Nghĩa là protein sẽ không trải qua tất cả các cấu hình trước khi đạt tới trạng thái tự nhiên. Các ràng buộc về không gian và các ràng buộc trong liên kết peptide đã hạn chế được đáng kể các cấu hình trung gian. Tuy nhiên, số lượng các cấu hình khả dĩ vẫn tăng theo hàm số mũ của N là số amino acid trong protein vì vậy không loại bỏ được nghịch lý Levinthal. Các thí nghiệm của Christian Anfinsen [10] về quá trình cuốn của protein biến tính (denatured) trong ống nghiệm cho thấy trình tự bậc một là thông tin cần cho cấu trúc lập thể chính xác. Một số yếu tố, ví dụ như năng lượng nhiệt động từ nhiệt độ, pH khắc nghiệt với khả năng thay đổi điện tích chuỗi bên của amino acid và các hóa chất làm biến tính (denaturants), có thể
13 phá hủy các tương tác không cộng hóa trị yếu, làm entropy tăng nhanh và làm duỗi protein. Tập hợp protein biến tính này chứa rất nhiều loại cấu hình không có hoạt tính sinh học và không trong trạng thái tự nhiên. Các thí nghiệm của Anfinsen cho thấy khi đưa mẫu chứa một loại protein tinh sạch, ở trạng thái biến tính về điều kiện thường (nhiệt độ sinh lý, pH bình thường, pha loãng hoặc loại bỏ chất biến tính) thì hầu hết các chuỗi polypeptide đã biến tính có thể tự phục hồi cấu hình tự nhiên mang hoạt tính sinh học. Điều này khiến Anfinsen đi đến kết luận rằng trình tự chuỗi amino acid là đủ để xác định cấu trúc ba chiều của protein. Quá trình cuốn lại của protein biến tính là tự phát và không cần sự hỗ trợ của các yếu tố liên quan. 1.3. QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN TRONG TẾ BÀO Quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình trung tâm của sinh học phân tử, là sự truyền thông tin di truyền vào các protein mang chức năng. Quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình phức tạp và bao gồm hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã. 1.3.1. Quá trình phiên mã Phiên mã (sao mã) là quá trình tổng hợp mRNA (messenger RNA – RNA thông tin). Trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ bốn bazơ A, G, C và T) trên phân tử DNA được sao chép thành trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ bốn bazơ A, G, C và U) trên phân tử mRNA. Quá trình này gồm 3 bước sau: Khởi đầu phiên mã: Enzyme polymerase liên kết vào đoạn trình tự DNA khởi đầu phiên mã hình thành phức hệ đóng với DNA. Trong giai đoạn này, DNA vẫn duy trì ở dạng sợi kép, trong khi enzyme liên kết vào bề mặt của chuỗi xoắn kép. Sau đó polymerase làm biến đổi vùng DNA xoắn kép gần vị trí khởi đầu hình thành phức hệ mở, DNA tách thành hai mạch đơn. Kéo dài chuỗi mRNA: Enzyme polymerase di chuyển dọc theo mạch khuôn DNA theo chiều từ 3’ đến 5’ và thay đổi cấu hình để liên kết ổn định vào mạch khuôn đồng thời thực hiện một loạt các chức năng khác: Giãn xoắn mạch DNA ở phía trước, tổng hợp chuỗi RNA theo nguyên tắc bổ sung, tách chuỗi RNA khỏi mạch khuôn DNA và đóng xoắn mạch DNA ở phía sau.