Nghiên cứu quá trình sinh học ĐẠI CƢƠNG VỀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

ĐẠI CƢƠNG VỀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Nguyên lý vấn đề nằm câu nói “Chức bắt nguồn từ cấu trúc lập thể, cấu trúc lập thể trình tự amino acid định” Thực tế, chuỗi protein gấp nếp thành cấu trúc lập thể đặc thù Cấu trúc giữ ổn định nhiều loại tương tác khơng cộng hóa trị amino acid Chúng ta nghiên cứu bậc tổ chức protein 4.1 Cấu trúc bậc 1: Amino acid mạch thẳng Trong protein, amino acid gắn kết với thông qua liên kết amide cộng hóa trị, liên kết gọi liên kết peptide, chúng tạo thành chuỗi mạch thẳng, không phân nhánh Đơi có liên kết disulfide nối cộng hóa trị nối mạch phụ (nhóm R) lại với Một đầu protein có nhóm amin tự (không tạo liên kết) gọi đầu N, đầu có nhóm carboxyl tự gọi đầu C Cấu trúc bậc protein xếp mạch thẳng cách đơn giản, kích cỡ tính đơn vị Dalton, trọng lượng phân tử trung bình amino acid 113, ta dùng giá trị để ước lượng số phần tử amino acid protein ngược lại Hình 4.1:Mơ tả cấu trúc thẳng (2D 3D) chuỗi polypeptide(Theo Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) 4.2 Cấu trúc bậc 2: Thành phần tạo thành kiến trúc trung tâm, quan trọng protein Đây cách xếp không gian bền vùng chuỗi polypeptide (tạo thành cấu trúc bậc 1) Những đoạn gắn kết với thông qua liên kết Hydrogen Tùy theo trình tự, chuỗi polypeptide chứa nhiều kiểu cấu trúc bậc nhiều vùng Các cấu trúc bậc là: Xoắn α Hình 4.2:Mô tả Xoắn α(Theo Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) phiến β Hình 4.3 :Mơ tả cấu trúc phiến β(Theo Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) ngoặt β ngắn (hình chữ U) Hình 4.4 :Mơ tả cấu trúc ngoặt β(Theo Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) Thuật ngữ cuộn ngẫu nhiên dùng để phần có tính linh động cao khơng có cấu trúc lập thể cố định chuỗi polypeptide Thuật ngữ bất qui tắc ám phân đoạn polypeptide không tạo thành cấu trúc trên, cách có hình dạng bền xác định Có khoảng 60% chuỗi polypeptide protein có dạng xoắn α phiến β, phần lại mang cấu trúc cuộn ngoặt Do đó, xoắn α phiến β thành phần chống đỡ bên quan trọng protein Xoắn α phân đoạn polypeptide có kiểu gấp nếp, mạch khung xoắn lại Ở cấu trúc này, O nhóm –CO– amino acid tạo liên kết H với H thuộc nhóm –NH– amino acid kế cận, trừ đầu tận không tạo liên kết với Kiểu xếp có chu kì tạo thành cấu trúc xoắn từ đầu amin đến đầu carboxyl tồn chất cho liên kết hydro có chiều từ xuống dưới, đó, vòng xoắn chứa 3,6 amino acid Cơ cấu Linus Pauling đề xuất (Nobel hóa học), cách tạo cầu nối Hydrogen làm cho vòng xoắn α bền vững đồng thời xác định tính chất kị nước xoắn Trong dung dịch, xoắn ưa nước thường nằm bề mặt, nơi chúng tương tác với mơi trường nước, xoắn kị nước thường vùi vào lõi protein gấp nếp Hiện tượng giải thích tổ hợp vịng xoắn α thụ thể liên kết với protein G (GPCR) thay đổi hình dạng sau liên kết với ligand Phiến β phân đoạn ngắn trải hết cỡ Trong cấu trúc này, liên kết Hydrogen hình thành phiến nguyên tử nằm khung mạch β riêng biệt Các mạch β riêng biệt nằm chuỗi polypeptide kết nối thơng qua vịng dài ngắn, nằm chuỗi polypeptide khác Từ đặc điểm trên, hai nhiều mạch β xếp kề nhau, tạo thành β hai chiều gầu xếp ly (hoặc gọi xếp có nếp) Liên kết Hydrogen mặt phẳng phiến giữ mạch với nhóm R gắn phía phía mặt phẳng Giống xoắn α, phiến β có tính định hướng chiều liên kết peptide Do đó, phiến xếp, mạch β sát nằm chiều (song song) ngược chiều (đối song song) Trong số protein, phiến β tạo thành phần hốc gắn lõi kị nước; protein xuyên màng, phiến β cuộn lại tạo thành lỗ trung tâm ưa nước, cho phép ion tiểu phân tử qua Loại cấu trúc phiến β gặp thụ thể kênh ion lại phổ biến enzyme Điều giải thích lực nối Hydrogen liên phân tử cấu trúc tương đối yếu nên tạo linh động lớn cấu trúc lập thể cần thiết cho hoạt động enzyme Hình 4.5:Các motif cấu trúc bậc protein.(a):Tay EF motif xoắn-vòng-xoắn chứa hai xoắn nối với qua vịng ngắn có cấu hình đặc biệt chung cho nhiều protein Trong protein gắn calcium calmodulin, nguyên tử Oxygen amino acid thuộc vòng giàu acid aspartate glutamate phân tử nước liên kết với ion Ca2+.(b): Motif ngón tay kẽm tồn nhiều protein gắn DNA giúp điều hòa phiên mã Hai phiến β (màu xanh da trời) xoắn α (màu đỏ) giữ ion Zn2+ thông qua hai gốc cysteine hai gốc histidine Hai gốc cysteine ln nằm vị trí cặp histidine nằm vị trí 20 24 thuộc motif 25 gốc này.(c): Motif hai mạch xoắn cuộn song song hình thành từ hai xoắn α quấn quanh Tương tác nhóm R kị nước (màu đỏ xanh da trời) cách quãng đều, dọc theo vùng giáp ranh hai chuỗi làm bền motif Mỗi xoắn α chứa trình tự lặp bảy đặc trưng với gốc kị nước thường nằm vị trí hình Bản chất cuộn xoắn motif cấu trúc rõ ràng xoắn cuộn dài.(Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th) 4.3 Cấu trúc bậc 3: Polypeptide gấp nếp Cấu trúc bậc protein cấu hình tổng thể chuỗi polypeptide hay xếp ba chiều amino acid Cấu trúc bậc làm ổn định đa phần tương tác kị nước nhóm R khơng phân cực, liên kết H nhóm R phân cực liên kết peptide Các tương tác tương đối yếu, cấu trúc bậc không cứng nhắc mà dao động nhỏ liên tục Biến thiên cấu trúc quan trọng chức điều hịa protein nói chung cấu trúc thụ thể nói riêng Dựa vào cấu trúc bậc mà protein phân loại thành ba loại: Protein sợi Hình 4.6:Minh họa cấu trúc bậc protein sợi Theo (Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) Protein cầu Hình 4.7 :Minh họa cấu trúc bậc protein cầu protein xuyên màng Hình 4.8:Minh họa cấu trúc bậc protein xuyên màng Protein sợi phân tử lớn, dài, cứng thường cấu tạo từ nhiều trình tự ngắn lặp lại liên tiếp, tạo thành cấu trúc bậc lặp đơn (xem cấu trúc collagen) Protein sợi thường tụ thành sợi lớn gồm nhiều protein chúng khơng tan nước, có vai trị lớn vận động tế bào Protein cầu thường chứa tập hợp cấu trúc bậc 2, hòa tan nước, gấp nếp chặt khơng có hình cầu hồn hảo Protein xuyên màng nhúng lớp phospholipid kép màng loại protein lúc phân định rõ ràng Một số protein cấu thành từ tổ hợp hay loại Các tổ hợp cấu trúc bậc bậc định gọi motif cấu trúc hay kiểu gấp nếp Motif cấu trúc góp phần hình thành cấu trúc tổng thể toàn protein loại motif cấu trúc thường thực chức chung protein khác (ví dụ với tiểu phân tử hay ion, đặc biệt quan trọng thụ thể) Các trình tự bậc mã hóa cho loại motif định giống Hay motif trình tự chung tạo motif cấu trúc lập thể chung Tuy nhiên, có trình tự khơng giống lại gấp nếp lại thành motif cấu trúc chung Đôi motif trình tự ngắn chứa loại amino acid lớn bất thường (proline, aspartate, glutamate, …) gọi miền Nhiều motif cấu trúc sử dụng xoắn α Một motif gắn calcium phổ biến gọi tay EF (EF hand) sử dụng hai xoắn ngắn kết nối với qua vùng vòng Motif tồn 100 protein cảm biến dò nồng độ calcium tế bào Calcium gắn với nguyên tử Oxygen gốc bảo tồn vùng vòng phụ thuộc vào nồng độ Calcium thường gây biến đổi hoạt tính protein Do đó, nồng độ calcium điều kiển trực tiếp cấu trúc chứng protein Protein thường sử dụng motif cấu trúc dạng xoắn – ngoặt – xoắn (helix – turn – helix) xoắn – vòng – xoắn sở (basic helix – loop – helix, bHLH) để gắn DNA qua điều hịa hoạt tính gene Ví dụ cấu trúc dạng ngón tay kẽm (zinc finger) nằm protein gắn DNA RNA có cấu trúc xoắn α xoắn β nằm đối song gắn với ion Zn giống ngón tay Ngồi cịn có cấu tạo khác “miền cấu trúc”, “miền chức năng”, … nhiên không nằm phạm vi nghiên cứu đề tài nên không đề cập 4.4 Cấu trúc bậc 4: Protein kết hợp đa phân tổ hợp thành đại phân tử Hình 4.9: Cấu trúc insulin(Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) Cấu trúc bậc mơ tả số lượng vị trí tương đối tiểu phần protein đa tiểu phần Các protein đa tiểu phần cấu thành từ nhiều tiểu phần: Đồng (homomeric) Hình 4.10: Minh họa protein có tiểu phần đồng nhất(Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) Hoặc khác biệt (heteromeric) Hình 4.11: Minh họa protein có tiểu phần khơng đồng (hemoglobin)(Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman) Thông thường, tiểu phần riêng biệt khơng có chức trừ chúng lắp ráp thành protein đa tiểu phần Trong số trường hợp, protein đa tiểu phần bố trí tiểu phần kề theo chuỗi phản ứng cần cho đường tế bào điều làm tăng hiệu vận hành chúng Cấu trúc bậc cao protein kết hợp protein thành tổ hợp đại phân tử có kích thước khối lượng lớn ( Mda 30-300 nm) Tổ hợp đại phân tử với chức cấu trúc bao gồm capsid (bao bọc gen virus) bó sợi khung tế bào (hình thành màng tế bào chất), hoạt động máy truyền tin, thực hầu hết trình phức tạp trình truyền tin nội ngoại bào, … Ví dụ máy phiên mã có vai trị tổng hợp RNA thơng tin (mRNA) từ khuôn DNA Bộ máy chứa RNA polymerase (protein đa tiểu phần) 50 thành phần khác, bao gồm yếu tố phiên mã, protein gắn promoter, helicase, … 4.5 HIỆU QUẢ GẤP NẾP CỦA PROTEIN: Chaperone & Chaperonin Các chất biến tính (pH, nhiệt độ, β-mercaptoethanol …) phá hủy tương tác khơng cộng hóa trị protein làm biến tính protein Dưới điều kiện biến tính vậy, entropy tăng quần thể đồng chứa phân tử gấp nếp bị ổn dịnh chuyển hóa thành tập hợp chứa nhiều phân tử không gấp nếp (hay biến tính) Tập hợp protein biến tính tạo thành nhiều protein khơng có hoạt tính sinh học thực tế chúng không tồn trạng thái tự nhiên (mặc dù theo lý thuyết có tới 8n-1 cấu hình) Lời giải xác cho thực tế nằm tập hợp protein gọi chaperone Chúng giúp cho protein gấp nếp Chaperone có vai trị quan trọng thấy điều chúng bảo tổn qua tiến hóa Có họ chaperone thường thấy: - Chaperone phân tử gắn ổn định protein chưa gấp nếp phần gấp nếp ngăn chặn protein kết tụ phân hủy Chaperonin tạo thành hốc gấp nếp nhỏ Trong hốc protein chưa gấp nếp bị cô lập, mang lại thời gian mơi trường thích hợp để gấp nếp xác Lý làm nên tầm quan trọng chaperone chúng giúp cho protein chưa gấp nếp không bị kết tụ Các protein chưa gấp nếp gấp nếp phần có khuynh hướng kết tụ thành khối lớn thường khơng hịa tan nước, protein khối khó tách để gấp nếp thành cấu hình xác Sự kết tụ phần mạch nhánh kị nước lộ chưa kịp vùi vào lõi protein, mạch nhánh kị nước lộ phân tử khác bám vào hiệu ứng kị nước, thúc đẩy kết tụ Protein tổng hợp có nguy bị kết tụ trước hình thành trình gấp nếp Chaperone phân tử gắn với polypeptide đích tách khỏi protein chưa gấp nếp gấp nếp phần, nhờ ngăn chặn kết tụ mang lại thời gian để protein sinh gấp nếp xác Chaperone phân tử Chaperone phân tử gồm protein sốc nhiệt (Hsp: heat-shock protein) Hsp70 thể tương đồng (Hsp70 tương bào chất ti thể, BiP lưới nội chất, DnaK vi khuẩn) Chúng xác định lần xuất nhanh chóng sau tế bào chịu sốc nhiệt Hsp70 thể tương đồng chaperone quan trọng sinh vật Khi gắn với ATP, protein dạng Hsp70 có cấu hình mở, với hốc kị nước lộ gắn tạm thời với vùng kị nước protein đích chưa gấp nếp ATP bị thủy phân làm chaperone phân tử đóng lại thúc đẩy protein đích gấp nếp phần ngăn protein khơng gấp nếp kết tụ ATP chuyển hóa thành ADP làm biến đổi cấu hình chaperone giải phóng protein đích Chu trình đẩy nhanh protein gọi đồng chaperone Hsp40 sinh vật nhân chuẩn Những đồng chaperone tăng hiệu gấp nếp Hsp70 trung gian nhiều protein cách kích thích thủy phân ATP nhờ Hsp70/DnaK Nhiều chaperone phân tử coi gắn với chuỗi polypeptide sinh chúng tổng hợp từ ribosome Chaperonin Để gấp nếp xác, nhiều protein tổng hợp cần chaperonin phụ trợ Tổ hợp đại phân tử hình trụ lớn cấu thành từ hai vịng oligomer Hai vịng có cấu hình chặt (tight) gắn peptide cấu hình lỏng lẻo để giải phóng peptide Mỗi vịng chaperronin TriC sinh vật nhân chuẩn chứa tiểu phần Cơ chế gấp nhờ GroEL hiểu kĩ thông qua TriC trở thành mơ hình chung Polypeptide gấp nếp phần nếp gấp gắn vào khoang GroEL dạng thùng, nơi gắn với thành gấp thành cấu hình tự nhiên Trong bước phụ thuộc ATP, GroEL biến đổi hình dạng giải phóng protein gấp nếp Một protein gọi đồng chaperonin (GroES) trợ giúp cho trình ATP GroEL trạng thái chặt làm hốc mở rộng gấp hai lần, chuyển dịch cân sang trạng thái lỏng giải phóng peptide Chú ý thiết kế thùng có nắp GroEL/GroES giống với cấu trúc proteasome 26S (tham gia phân hủy protein) Hình 4.12:Protein gấp nếp nhờ Chaperonin Sự gắp nếp xác số protein phụ thuộc vào chaperonin GroEL sinh vật nhân sơ GroEL phức hệ dạng thùng rỗng cấu thành từ 14 tiểu phần đồng nhất, trọng lượng phân tử khoảng 60000MW, tổ chức thành hai vòng chồng lên Khi không gắn ATP gắn ADP, GroEL mang cấu hình đóng chặt gắn với protein không gấp nếp gấp nếp phần ATP gắn vào làm GroEL mở ra, giải phòng protein gấp nếp 4.6 ĐIỀU HÒA CHỨC NĂNG PROTEIN: PHẦN 1: PHÂN HỦY PROTEIN Hầu hết trình tế bào xảy với tốc độ khơng đổi có tương tác với chặt chẽ để tạo hiểu tổ chức tối đa cho sống Có chế điều hịa hoạt tính protein, đóng vai trị thiếu sống phối hợp hoạt động protein: - Tế bào tăng hoạt giảm mức protein trạng thái ổn định cách thay đổi tốc độ tổng hợp, tốc độ phân hủy hai yếu tố Tế bào biến đổi hoạt tính nội protein (ví dụ thay đổi lực gắn kết chất, thời gian bất hoạt/hoạt hóa, …) Thay đổi vị trí nồng độ protein tế bào thay đổi số phân tử khác cần cho hoạt tính protein Điều hịa q trình tổng hợp phân hủy protein tính chất tế bào: - - Kiểm soát tổng hợp protein: Tốc độ tổng hợp protein định tốc độ chuyển DNA mã hóa cho protein thành mRNA qua trình phiên mã lượng mRNA hoạt động tế bào trạng thái ổn định tốc độ chuyển mRNA thành protein thông qua trình dịch mã Kiểm sốt phân hủy protein: Protein nội bào có thời gian tồn khác nhau, tính phút suốt đời Thời gian tồn protein q trình điều hịa phân hủy protein kiểm sốt Có ngun lý quan trọng đặc biệt phân hủy protein: - - Thứ trình phân hủy protein có độc tính, gấp nếp lắp ráp sai hay bị hư hại (sản phẩm đột biến gene, …) Theo ước tính, có 30% protein tổng hợp nhanh chóng bị phân hủy gấp nếp sai tạo thành tập hợp có sai phạm cấu trúc, … Thứ hai trình phân hủy protein có kiểm sốt chế hữu hiệu để trì nồng độ hoạt tính phụ hợp protein, cho phép thay đổi cách nhanh chóng hàm lượng chúng tế bào đáp ứng với điều kiện nội sinh hay ngoại sinh thay đổi Cơ chế tác động Proteasome hệ thống Ubiquitin: Proteasome đại phân tử protein có khối lượng 2-2,4 x 106 Da Chúng có dạng hình trụ với lõi xúc tác dạng thùng rỗng (proteasome 20S) Một hai vùng mũ gắn với hai đầu phần lõi giúp điều hòa hoạt tính proteasome Protein quan trọng, có tới 40% lượng tế bào dùng để tổng hợp Dạng proteasome 20S có cấu trúc: Cao khoảng 14,8 nm, đường kính 11,3 n chứa vùng mũ điều hịa có kích thước 19S hai đầu Có số loại phức hợp mũ điều hịa khác Mũ 19S có 16-18 tiểu phần protein, số để thủy phân ATP (chúng có chất ATPase) để cung cấp lượng cho trình làm protein chất gấp nếp chuyển có chọn lọc chúng đến buồng proteasome Lõi xúc tác proteasome gồm hai vòng hai vòng ngồi Hai vịng có vị trí xúc tác quay vào buồng có đường kính khoảng 1,7 nm) Những trung tâm hoạt động có vai trị phân hủy protein Hai vịng ngồi đóng vai trị kiểm sốt mức truy cập chất Proteasome phân hủy hồn tồn hầu hết protein chúng có trung tâm hoạt động với khả phân cắt sau gốc kị nước (vốn tiêu tốn nhiều lượng), gốc acid base Cơ chất polypeptide phải vào buồng theo khe hở điều hịa trung tâm vịng ngồi Trong proteasome 26S, mức mở khe ATPase vùng mũ 19S kiểm soát Các sản phẩm peptide ngắn sau bị phân hủy dài khoảng 2-24 amino acid thoát khỏi buồng nhanh chóng bị thủy phân tiếp peptidase bào tương, cuối chúng hình thành nên mono amino acid (Người ta ứng dụng chất kiểm hãm chức proteasome để chữa ung thư) Hình 4.13: Phân hủy protein nhờ ubiquitin proteasome.(a) Sau polyubiquitin hóa, protein bị phân hủy proteasome Enzyme E1 hoạt hóa gắn với phân tử Ubiquitin (Ub) (bước 1) Sau E1 chuyển phân tử Ub tới gốc Cystein E2 (bước 2) Ubiquitin ligase (E3) truyền phân tử Ub gắn E2 tới -NH2 nhóm R lysine thuộc protein đích (bước 3) Các bước lặp lại dẫn đến nhiều phân tử Ub gắn với protein đích, tạo thành chuỗi polyubiquitin (bước 4) Vùng mũ proteasome nhận biết protein đích gắn với chuỗi polyubiquitin sử dụng lượng thủy phân ATP để loại bỏ nhóm Ub, khử gấp nếp chuyển protein nếp gấp tới buồng phân hủy protein nằm lõi Tại đây, protein bị cắt vụn thành đoạn peptide nhỏ giải phóng ngồi (bước 5) (b) Hình ảnh kiến tạo máy tính cho thấy proteasome có hình trụ chứa mũ 19S (màu xanh da trời) đầu vùng lõi 20S Ubiquitin có chức đánh dấu protein bào tương cho trình phân hủy proteasome Do đó, proteasome “phân biệt” protein cần phân hủy protein không Ubiquitin polypeptide dài 76 amino acid, hệ cảm biến phức tạp định protein bị phân hủy sau xảy q trình gắn nhiều phân tử ubiquitin vào phân tử protein đích Phần mũ điều hịa 19S proteasome 26S sau nhận biết protein gắn ubiquitin khử gấp nếp đưa vào phân hủy proteasome Cơ chế ubiquitin hóa gồm bước sau: Kích hoạt enzyme hoạt hóa ubiquitin (E1) phân tử gắn ubiquitin Giai đoạn cần tiêu tốn ATP Truyền phân tử ubiquitin tới gốc cysteine enzyme liên hợp ubiquitin (E2) Hình thành liên kết peptide đầu C ubiquitine gắn E2 amino acid nhóm R lysine protein đích Phản ứng xúc tác enzyme ubiquitinprotein ligase (E3) Các phản ứng sau gắn cộng hóa trị thêm nhiều ubiquitin vào mạch nhánh lysine ubiquitin gắn vào trước để tạo chuỗi polimer ubiquitin mạch thẳng Quá trình phân hủy có tính đặc hiệu chất E3 ligase yếu tố định protein gắn với ubiquitin Có tới hàng trăm loại E3 ligase tế bào đảm nhận việc polyubiquitin hóa protein khác Ngồi ra, phản ứng cịn bị đảo ngược số enzyme khử ubiquitine Ngồi chức phân hủy protein đích, việc đánh dấu ubiquitin cịn có chức khác như: - Gắn cộng hóa trị phân tử ubiquitin vào lysine protein đích Gắn ubiquitin vào nhiều nơi Ubiquitin liên kết với đầu N protein đích Polyubiquitin hóa theo liên kết ubiquitin với gốc lysine khác thay Lysine 48 Các tác động ảnh hưởng đến trình vận chuyển protein tế bào (ẩm bào), kiểm sốt sửa chữa DNA điều hịa q trình phiên mã, … Phần 2: Kiểm sốt hoạt tính protein dựa vào khả gắn cộng hóa trị Calcium GTP vào protein: Công tắc dị lập thể Cơng tắc Ca2+/Calmodulin Hình 4.14: Calmodulin biến đổi hình dạng gắn với Ca2+ Calmodulin protein phân bố rộng rãi bào tương, chứa bốn vùng gắn với ion calcium tay EF Tay EF motif xoắn-vòng-xoắn Khi nồng độ Ca2+ tương bào vào khoảng x 10-7 M, Ca2+ gắn vào làm biến đổi calmodulin từ dạng khơng gắn tạ (a) thành cấu hình với nhóm R kị nước lộ ngồi dung mơi nhiều Phức hệ Ca2+/calmodulin quanh chuỗi xoắn protein đích khác (b) làm thay đổi hoạt tính chúng Các protein vận chuyển đặc biệt màng tế bào thường trì nồng độ Ca2+ tự bào tương thấp (một phần mười triệu M) Chúng liên tục bơm Ca2+ khỏi tế bào Tuy nhiên, nồng độ Ca2+ bào tương tăng từ 10 đến 100 lần kênh dẫn ion Ca2+ màng tế bào mở cho phép Ca2+ chảy ngược từ vào tế bào Các protein gắn Ca2+ đặc biệt cảm thụ tăng nồng độ Ca2+ ngoại bào hoạt tính tế bào cách “bật” “tắt” protein khác Năm 1883, S.Ringer chứng minh quan trọng Ca2+ ngoại bào ông phát tim chuột đập hoàn hảo nhúng dung dịch NaCl pha loãng nước cứng giàu Ca2+ đập yếu ngừng đập dung dịch có NaCl mà thơi Có nhiều protein gắn Ca2+ chứa motif dạng xoắn – vòng – xoắn/tay EF Protein tay EF điển hình Calmodulin – nằm tế bào nhân chuẩn tồn dạng protein đa tiểu phần Khi Ca2+ gắn vào calmodulin (4 vùng gắn) tạo thành phức hệ Ca2+/calmodulin gắn vào trình tự bảo tồn nhiều loại protein đích bật tắt hoạt tính proteiin Ghi nhận điều trên, ta thấy calmodulin protein tay EF tương tự có chức protein cơng tắc, phối hợp nhịp nhàng với biến thiên nồng độ Ca2+ để điều khiển hoạt tính protein khác Guanine nucleotide Hình 4.15: Cơng tắc GTPase GTPase có hoạt tính gắn với GTP GTP bị thủy phân làm bất hoạt enzyme Quá trình thúc đẩy GAP (protein trợ giúp GTPase) GRS (yếu tố điều hòa trình truyền tín hiệu protein G); bị kiềm hãm GDI (yếu tố kìm hãm trình phân ly Guanine nucleotide) GEF (yếu tố trao đổi Guanine nucleotide) chuyển hóa GDP thành GTP tái hoạt hóa Enzyme Siêu họ GTPase công tắc Enzyme GTPase với khả thủy phân GTP thành GDP, chúng chứa protein Ras đơn phân tiểu phần Gα protein G tam phân Ras Gα gắn với tế bào chất, có chức truyền tín hiệu đóng vai trị quan trọng q trình tăng sinh biệt hóa tế bào Những thành viên khác thuộc họ lại có chức tổng hợp protein, vận chuyển protein nhân bào tương, tạo túi lysosome dung hợp chúng với màng tế bào tương tác đặc hiệu, tái xếp tế bào actin Chaperone Hsp70 ví dụ điển hình cơng tắc ATP/ADP, có chế tương tự cơng tắc GTP/GDP Tất protein công tắc GTPase tồn dạng: - Hoạt hóa gắn với GTP với khả gắn điều chỉnh hoạt tính protein đích Bất hoạt gắn GDP tạo từ thủy phân GTP Tốc độ hoạt tính cơng tắc GTPase định thời gian tồn dạng hoạt hóa Do hoạt tính GTP đóng vai trị đồng hồ hẹn để điều khiển cơng tắc Tế bào chưa nhiều loại protein với khả điều tiết tốc độ nội hoạt tính GTPase công tắc GTPase định Phản ứng Phosphoryl hóa khử Phosphoryl hóa Hình 4.16: Điều hịa hoạt tính protein qua cơng tắc Kinase/phosphatase Chu trình phosphoryl hóa khử phosphoryl hóa protein chế chung giúp điều hịa hoạt tính protein tế bào Trong ví dụ này, protein đích (R) có hoạt tính (phía trên) bị khử phosphoryl hóa bất hoạt (phía dưới) bị khử phosphoryl hóa Lưu ý đa số protein đáp ứng ngược lại với trình tương tác phosphoryl hóa Proten kinase xúc tác phản ứng phosphoryl hóa cịn phosphatase có vài trị ngược lại Do tác động trái ngược hai loại enzyme nên hình thành công tắc “bật” “tắt” nhiều loại protein khác Nhiều loại protein kinase phosphatase đặc hiệu cho protein đích khác điều hòa nhiều đường khác 4.7 Phân cắt protein Đây q trình mang tính chất khơng thuận nghịch Ví dụ nhiều loại protein (ví dụ insulin) tổng hợp trạng thái tiền chất trước khỏi tế bào, số liên kết peptide chúng cần bị thủy phân để tạo thành peptide gấp nếp xác Trong số trường hợp, polypeptide dài tiền thân tiền hormone (preprohormone) bị cắt thành loại hormone có hoạt tính Để không bị phân hủy sai protein trước đến ruột non, protease serine tụy tổng hợp thành dạng zymogen (tiền enzyme) khơng có hoạt tính Lên kết peptide gần đầu N trypsinogen bị phân cắt tạo gốc đầu N Ile-16 Nhóm amino acid Ile-16 tạo liên kết ion với nhóm carboxyl nhóm R acid aspartic nằm enzyme Điều thay đổi cấu hình enzyme thành trạng thái hoạt hóa với vùng gắn chất mở Trypsin kích hoạt sau hoạt hóa trypsinogen, chymotrypsinogen tiền enzyme khác Tương tự phức tạp nhiều tầng protease (một protease kích hoạt tiền chất bất hoạt protease khác) khuếch đại tín hiệu ban đầu đóng vai trị quan trọng số hệ thống hệ thống đông máu chẳng hạn Việc điều hòa cẩn thận hệ thống rõ ràng quan trọng máu đơng khơng thích hợp làm tắc hệ thống tuần hồn gây tử vong khơng đủ gây chảy máu không ngừng, … Một loạt ly giải protein đáng ý gọi tự cắt protein, xảy số sinh vật nhân chuẩn đa số vi khuẩn Cơ chế tương đối đơn giản tính chất sau: - Một phân đoạn polypeptide bị loại bỏ hai đầu chuỗi nối lại Quá trình trình tự xúc tác, không cần enzyme Peptide bị cắt tự tách khỏi protein theo chế tương tự chế ly giải số phân tử RNA khác Điều đáng lưu ý tự phân cắt phân tử Hedgehog – phân tử truyền tín hiệu gắn màng quan trọng số trình phát triển (tuy nhiên không đề cập vượt phạm vi nghiên cứu)  ... 4.8:Minh họa cấu trúc bậc protein xuyên màng Protein sợi phân tử lớn, dài, cứng thường cấu tạo từ nhiều trình tự ngắn lặp lại liên tiếp, tạo thành cấu trúc bậc lặp đơn (xem cấu trúc collagen) Protein. .. loại protein lúc phân định rõ ràng Một số protein cấu thành từ tổ hợp hay loại Các tổ hợp cấu trúc bậc bậc định gọi motif cấu trúc hay kiểu gấp nếp Motif cấu trúc góp phần hình thành cấu trúc. .. tương đối yếu, cấu trúc bậc không cứng nhắc mà dao động nhỏ liên tục Biến thiên cấu trúc quan trọng chức điều hòa protein nói chung cấu trúc thụ thể nói riêng Dựa vào cấu trúc bậc mà protein phân