Luận văn quá trình thoát của protein mới sinh tại đường hầm thoát ribosome

Lời cảm ơn Trước trình bày nội dung khóa luận, em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy – PGS.TS Trịnh Xuân Hoàng, người giúp đỡ em hồn thành khóa luận Thầy tận tình bảo cung cấp cho em nhiều kiến thức quan trọng truyền đạt cho em kinh nghiệm quý báu trình học tập nghiên cứu Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tồn thể thầy giáo Học viện Khoa học Công nghệ dạy bảo em tận tình suốt trình học tập Em thực cảm ơn gia đình, bạn bè ln bên em, cổ vũ, động viên, giúp đỡ em suốt q trình học tập thực khóa luận tốt nghiệp Hà Nội, tháng 04 năm 2019 Học viên Phạm Thị Thơm Danh mục hình vẽ, đồ thị 1.1 (a) Cấu trúc chung amino acid, (b) Cấu trúc proline…… 1.2 Chuỗi polypeptide………………………………………………… 1.3 Biểu diễn mạch xương sống cấu trúc bậc hai phổ biến protein: (a) 2RJX xoắn 𝛼 (b) 1SHG phiến β………………… 1.4 Cấu trúc xoắn alpha……………………………………………… 3.1 Cấu trúc trạng thái tự nhiên protein SH3 domain (1SHG) protein Villin (2RJX)…………………………………………… 3.2 Sự phụ thuộc lượng (E) số hạt ngồi đường hầm (Nout)vào thời gian quỹ đạo mô cho protein 1SHG nhiệt độ T = 0.8 /kB…………………………………… 3.3 Phân bố thời gian thoát protein 1SHG nhiệt độ khác Các biểu đồ thu từ liệu mô Đường liền nét hàm phân bố thu lý thuyết khuyếch tán chiều khớp (fit) với biểu đồ…………………………………………… 3.4 Phân bố thời gian thoát protein 2RJX nhiệt độ khác Các biểu đồ thu từ liệu mô Đường liền nét hàm phân bố thu lý thuyết khuyếch tán chiều khớp (fit) với biểu đồ…………………………………………… 3.5 Sự phụ thuộc độ lệch chuẩn thời gian vào thời gian trung bình cho 2protein 1SHG 2RJX Đường đứt nét tương ứng với mơ hình khuyếch tán chiều với k khơng đổi… 3.6 Sự phụ thuộc thời gian trung bình vào nhiệt độ cho protein 1SHG (a) protein 2RJX (b) thang tọa độ log-log Đường đứt nét có độ dốc −1 tương ứng với 𝜇 𝑇 ∼ 𝑇 −1 …… 3.7 Sự phụ thuộc thời gian trung bình (t) vào nhiệt độ (T) cho protein 1SHG 2RJX…………………………………… MỤC LỤC Mở đầu Chương 1: Tổng quan trình protein sinh 1.1 Thành phần hóa học cấu trúc protein 1.2 Hiện tượng protein ống nghiệm 1.3 Quá trình tổng hợp protein tế bào 1.4 Quá trình đồng dịch mã protein 1.5 Đường hầm thoát ribosome 1.6 Ảnh hưởng đường hầm ribosome lên q trình protein sinh Chương 2: Các mơ hình phương pháp mơ 2.1 Mơ hình Go cho protein 2.2 Mơ hình đường hầm thoát ribosome 2.3 Phương pháp động lực học phân tử dựa phương trình Langevin 2.4 Mơ hình khuyếch tán cho q trình protein Chương 3: Một số kết nghiên cứu 3.1 Sự phụ thuộc thời gian thoát protein vào nhiệt độ 3.2 Sự phụ thuộc thời gian thoát vào cấu trúc protein Chương 4: Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Nghiên cứu vật lý phân tử sinh học hướng nghiên cứu bật lĩnh vực khoa học liên ngành vai trò đặc biệt quan trọng phân tử sinh học thể sống khả mang lại ứng dụng y sinh học Vật lý phân tử sinh học áp dụng phương pháp dựa tảng vật lý để nghiên cứu vấn đề sinh học nhằm mang lại hiểu biết tiên đốn mang tính định lượng hệ sinh học Bên cạnh phương pháp thực nghiệm tiên tiến, phương pháp mơ hình hóa mơ máy tính sử dụng rộng rãi vật lý sinh học phân tử công cụ hiệu quả, giúp tiết kiệm thời gian chi phí nghiên cứu Trong sinh học phân tử việc nghiên cứu protein quan tâm lẽ protein thành phần vật chất sống, chúng có mặt thành phần nhân tế bào chất tế bào [1] Cấu trúc phức tạp đa dạng cho phép protein thực nhiều chức Tế bào xâu chuỗi 20 loại amino acid thành mạch thẳng, tạo nên protein Protein đóng vai trị cấu trúc, ví dụ tạo thành khung tế bào Protein với khả biến đổi hình dạng nhiệt độ, nồng độ ion tính chất khác tế bào thay đổi giữ vai trị cảm biến Protein hấp thu xuất vật chất qua màng tế bào Chúng enzyme, chất xúc tác giúp phản ứng hóa học xảy nhanh nhiều Chúng phân tử tín hiệu ngoại bào (do tế bào giải phóng để giao tiếp với tế bào khác) phân tử tín hiệu nội bào (mang thông tin bên tế bào) Chúng mơ-tơ sử dụng lượng hóa học (ATP) để vận động quanh phân tử khác Thông tin loại protein tạo nào, đâu nằm vật liệu di truyền, axit deoxyribonucleic (DNA) Cấu trúc lập thể DNA chứa hai mạch xoắn, cuộn quanh trục chung, tạo thành cấu trúc xoắn kép Chuỗi DNA cấu thành từ đơn phân gọi nucleotide (còn gọi bazơ chứa bazơ hữu mạch vịng) Trong DNA có bốn loại nucleotide khác gốc nucleobase Adenine (viết tắt A), Thymine (viết tắt T), Cytosine (tiếng Việt gọi Xytosine, viết tắt X C), Guanine (viết tắt G) Ba nucleotide liên tiếp mạch mã gốc DNA gene, quy định loại amino acid định Do đó, mã di truyền cịn gọi mã ba, tổ hợp ba nucleotide gọi ba mã hoá Các ba nucleotide mạch đơn chuỗi xoắn kép DNA giản phân, tổ hợp bốn loại nucleotide nối liền mạch DNA cho phần bazơ nhô từ khung mạch xoắn DNA xoắn kép có cấu trúc đơn giản: A mạch bắt cặp với T mạch G bắt cặp với C Hai mạch bắt cặp bổ sung mạnh đến mức sau bị tách rời chúng tự gắn lại với điều kiện nhiệt độ nồng độ muối cho phép DNA mang thông tin di truyền trật tự nucleotide dọc theo mạch thẳng Phần DNA mang thông tin chia thành đơn vị chức nằm phân tán gọi gene Độ dài gene điển hình nằm 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 protein vùng điều hịa kiểm sốt thời điểm, vị trí tạo protein Tế bào sử dụng hai chuỗi q trình liên tiếp để chuyển thơng tin mã hóa DNA thành protein Chuỗi q trình thứ gọi phiên mã: Sao chép vùng mã hóa gene thành axit ribonucleic (RNA) mạch đơn Trong trình enzyme RNA polymerase sử dụng mạch khn DNA để xúc tác liên kết nucleotide thành chuỗi RNA tạo gia công thành phân tử RNA thơng tin ( mRNA) nhỏ mRNA sau chuyển tới tế bào chất, nơi ribosome (bộ máy phân tử phức tạp cấu thành từ RNA protein) thực trình thứ hai gọi dịch mã Khi dịch mã, ribosome lắp ráp liên kết amino acid với theo trật tự xác, trình tự mRNA quy định theo mã di truyền gần chung cho sinh giới Ngồi vai trị truyền thơng tin từ nhân tới tế bào chất, RNA cịn tham gia vào máy phân tử Ví dụ, ribosome chứa bốn chuỗi RNA kết hợp với 50 protein, tạo thành đọc mRNA tổng hợp protein xác hiệu Các protein tổng hợp ribosome tế bào chiết xuất vào tương bào (cytosol) lưới nội chất (endoplasmic reticulum) trước vận chuyển tới địa khác bên tế bào Các protein sinh chịu ảnh hưởng đường hầm thoát ribosome (ribosomal exit tunnel), nơi protein cần phải di chuyển qua để vào tế bào chất Đường hầm ribosome ống chật hẹp, có cấu trúc phức tạp [2], có ảnh hưởng lớn đến trình protein sinh Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy protein hình thành cấu trúc bậc hai (xoắn alpha phiến beta) bên đường hầm [3, 4] Ngồi ra, đường hầm đóng vai trị tích cực việc nhận dạng trình tự amino acid điều khiển trình sinh tổng hợp protein [5, 6] Các nghiên cứu mô gần [7, 8] cho thấy trình protein đường hầm ribosome xảy song song với trình hai trình có ảnh hưởng qua lại lẫn Q trình làm cho protein nhanh hơn, q trình xảy đủ chậm giúp protein xác Việc protein đủ chậm xác giúp giảm thiểu khả kết tụ [11] protein sinh bên tế bào Ngồi ra, kết mơ cho thấy thời gian phù hợp với mơ hình khuyếch tán đơn giản trường tuyến tính [7, 8] Điều mở khả áp dụng mơ hình khuyếch tán việc phân tích kết thực nghiệm Trong luận văn này, sở nghiên cứu trước [7, 8], nghiên cứu trình protein đường hầm ribosome nhằm làm rõ phụ thuộc thời gian thoát vào nhiệt độ vào cấu trúc trạng thái tự nhiên protein Để thực điều này, chọn hai protein nhỏ đơn miền có cấu trúc hồn toàn khác nhau, protein bao gồm phiến beta protein bao gồm xoắn alpha, để so sánh Nghiên cứu luận văn sử dụng phương pháp mơ hình hóa mơ máy tính Protein xét mơ hình Go mơ hình đơn giản coi amino acid hạt sử dụng Lennard-Jones Đường hầm thoát ribosome mơ hình hóa ống trụ rỗng có tương tác đẩy với amino acid khoảng cách gần Phương pháp mô động lực học phân tử với phương trình Langevin áp dụng để mơ q trình mọc protein q trình protein đường hầm Các kết mô phân tích sở lý thuyết mơ hình khuyếch tán chiều Các kết luận văn protein khác có phân bố thời gian thoát phụ thuộc thời gian thoát vào nhiệt độ tương tự Tuy vậy, protein có cấu trúc phiến beta có thời gian nhanh so với protein có cấu trúc xoắn alpha Bố cục luận văn chia thành chương, với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan trình protein sinh Chương 2: Các mơ hình phương pháp mô Chương 3: Một số kết nghiên cứu Chương 4: Kết luận kiến nghị 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 protein Protein(protid hay đạm) đại phân tử cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân amino acid Chúng kết hợp với thành mạch dài nhờ liên kết peptide (gọi chuỗi polypeptide) Các chuỗi xoắn cuộn gấp theo nhiều cách để tạo thành bậc cấu trúc không gian khác protein Chuỗi polypeptide polymer cấu thành từ 20 loại amino acid Trong đó, 19 loại có cấu trúc giống Hình 1.1 (a) Mỗi amino acid có cấu trúc đặc thù gồm nguyên tử carbon alpha (Cα) gắn với bốn nhóm hóa học khác: Nhóm amin (NH2), axit carboxylic hay nhóm carboxyl (COOH) (bởi có tên amino acid), nguyên tử hydro (H) nhóm biến đổi gọi chuỗi bên hay nhóm R Loại amino acid thứ 20 cịn lại proline có cấu trúc tương tự amino acid khác, nguyên tử C thuộc chuỗi bên liên kết với nguyên tử N nhóm amin tạo thành mạch vịng (Hình 1.1 (b)) Hình 1.1: (a) Cấu trúc chung amino acid, (b) Cấu trúc proline [ 7] Đặc tính amino acid định vai trò amino acid chuỗi polypeptide tính chất vật lý hóa học chuỗi bên R xác định Các amino acid phân thành nhóm kị nước (khơng 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) 20 σ = Å r khoảng cách ngắn từ tâm amino acid đến tường đường hầm cộng thêm 2.5 Å (tương ứng với bán kính Van der Waals hạt ảo giả định cấu trúc thành mặt đường hầm thoát) Thế đẩy cho (2.8) sử dụng cho tương tác đẩy cổng đường hầm tường phẳng bao ngồi đáy đường hầm thoát amino acid 2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ DỰA TRÊN PHƯƠNG TRÌNH LANGEVIN Động lực học phân tử kĩ thuật mô sử dụng để nghiên cứu biến đổi theo thời gian trạng thái hệ hạt cổ điển tương tác với qua việc tích phân phương trình chuyển động chúng Phương pháp động lực học phân tử cho phép xác định trạng thái hệ thời điểm t biết trạng thái ban đầu hệ Phương pháp động lực học phân tử dùng để nghiên cứu trình động lực học protein Trong luận văn này, sử dụng phương pháp động lực học phân tử xét tới tác động ngẫu nhiên dung mơi lên hạt chuyển động dựa phương trình Langevin 2.3.1 Phương trình Langevin Chuyển động hạt cổ điển tuân theo phương trình Newton Trong trường hợp chuyển động hạt chịu tác động yếu tố ngẫu nhiên mơi trường bên ngồi người ta sử dụng phương pháp động học phân tử dựa phương trình Langevin Phương trình Langevin sử dụng để mô tả chuyển động hạt lớn amino acid protein dung mơi nước Ở nhiệt độ T, phương trình Langevin mt chiu cho mt ht cú dng: ă() = () − 𝜁𝑥˙(𝑡) + 𝛤(𝑡) (2.9) m khối lượng hạt, f lực tác dụng lên hạt gây tương tác 𝑓 = − 𝜕𝑉(𝑥) 𝜕𝑥 ; 𝜁 hệ số ma sát dung môi tác động lên hạt;  lực ngẫu nhiên dung mơi tác động lên hạt,  có phân bố Gauss với 21 trung bình khơng hàm tương quan theo thời gian thỏa mãn định luật biến thiên tiêu tán: ⟨𝛤(𝑡)𝛤(𝑡 + 𝑡′)⟩ = 2𝜁𝑚𝑘𝐵 𝑇𝛿(𝑡′), (2.10) với 𝛿(𝑡′) hàm delta Dirac Khi  = phương trình Langevin trở thành phương trình Newton 2.3.2 Thuật tốn Verlet cho phương trình Langevin Chúng tơi sử dụng thuật tốn Verlet cho phương trình Langevin đề xuất tài liệu [7] Từ phương trình Langevin ta cú: ă() = [() () + ()] 𝑚 (2.11) Khai triển tọa độ x theo chuỗi Taylor đến bậc hai ta có: 𝑥(𝑡 + ∆𝑡) ≈ () + () + ă() , (2.12) ( ) () () + ă() , (2.13) ∆𝑡 bước thời gian Từ (2.12) (2.13) ta có: 𝑥˙(𝑡) = 𝑥(𝑡+∆𝑡)−𝑥(𝑡−∆𝑡) 2∆𝑡 , 𝑥(𝑡 + ∆𝑡) ≈ 2𝑥(𝑡) − 𝑥(𝑡 − ∆𝑡) + ă() (2.14) (2.15) Thay (2.17) v (2.14) (2.18) ta thu được: ∆𝑡 −1 ∆𝑡 𝑥(𝑡 + ∆𝑡) = (1 + 𝜁) {2𝑥(𝑡) − (1 − 𝜁) 𝑥(𝑡 − ∆𝑡) 2𝑚 2𝑚 ∆𝑡 [𝑓(𝑡) + 𝛤(𝑡)]} + 𝑚 (2.16) 22 Thuật toán Verlet cho phép ta tính tọa độ thời điểm t + t biết tọa độ thời điểm t t + t Trong mô phỏng, nhiệt độ biểu thị đơn vị ε/kB, thời gian đo đơng vị 𝜏 = √𝑚 𝜎 ⁄𝜀 Bước thời gian chọn ∆t = 0.002τ, mô thực với hệ số ma sát ζ = 2.5 mτ−1 2.4 MƠ HÌNH KHUYẾCH TÁN CHO Q TRÌNH THỐT PROTEIN Các nghiên cứu trước [7, 8] đưa mơ hình khuyếch tán đơn giản cho q trình protein khỏi đường hầm ribosome, q trình coi q trình khuyếch tán chiều hạt trường Giả sử ta có trường U(x), khuyếch tán hạt trường mô tả phương trình Smoluchowski chiều: 𝜕 𝜕𝑡 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0 , 𝑡0 ) = 𝜕 𝜕𝑥 𝐷 (𝛽 𝜕𝑈(𝑥) 𝜕𝑥 + 𝜕 𝜕𝑥 ) 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0 , 𝑡0 ), (2.17) 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0 , 𝑡0 ) mật độ xác suất tìm thấy hạt tọa độ x vào thời điểm t, thời điểm t0 hạt tìm thấy tọa độ x0; 𝜕⁄𝜕 𝑡 𝜕⁄𝜕 𝑥 đạo hàm riêng phần theo thời gian tọa độ; D số khuyếch tán giả thiết không phụ thuộc vào tọa độ; 𝛽 = (𝑘𝐵 𝑇)−1 nghịch đảo nhiệt độ Đối với khuyếch tán thông thường chất lỏng, số khuyếch tán D thỏa mãn hệ thức Einstein-Smoluchowski: 𝐷= 𝑘𝐵 𝑇 𝜁 , (2.18)  hệ số ma sát nhớt Nếu U(x) tuyến tính theo tọa độ: 𝑈(𝑥) = −𝑘𝑥, (2.19) với k số phương trình (2.17) có nghiệm xác cho −(𝑥 − 𝐷𝛽𝑘𝑡)2 𝑝(𝑥, 𝑡) ≡ 𝑝(𝑥, 𝑡; 0,0) = 𝑒𝑥𝑝 [ ], 4𝐷𝑡 √4𝜋𝐷𝑡 𝐷𝛽𝑘 (2.20) với điều kiện ban đầu p(x,0) = (x) Hàm phân bố (2.20) cho ta tọa độ trung bình hạt: 23 ⟨𝑥⟩ = (𝐷𝛽𝑘)𝑡 (2.21) Phương trình cho thấy 𝐷𝛽𝑘 tốc độ khuyếch tán Thời gian protein đường hầm ribosome có chiều dài L mơ hình khuyếch tán thời gian tới (first passage time) hạt khuyếch tán có điều kiện ban đầu p(x,0) = (x) thời điểm t = điều kiện biên hấp thụ p(L,t) = x = L Lời giải phân bố thời gian tới cho phương trình Smoluchowski với điều kiện biên tìm thấy tài liệu [18] Phân bố thời gian tới cho 𝑔(𝑡) = 𝐿 √4𝜋𝐷𝑡 𝑒𝑥𝑝 [ −(𝐿−𝐷𝛽𝑘)2 4𝐷𝑡 ] (2.22) Hàm phân bố cho ta thời gian trung bình: 𝜇𝑡 ≡ ⟨𝑡⟩ = ∫ 𝑡 𝑔(𝑡)𝑑𝑡 = 𝐿 𝐷𝛽𝑘 , (2.23) độ lệch chuẩn thời gian thoát: 𝜎𝑡 ≡ (⟨𝑡 ⟩ − ⟨𝑡⟩2 )1⁄2 = √2𝛽𝑘𝐿 𝐷(𝛽𝑘)2 (2.24) Ta thấy tỷ lệ 𝜎𝑡 ⁄𝜇𝑡 không phụ thuộc vào số khuyếch tán D mà phụ thuộc vào k: 𝜎𝑡 𝜇𝑡 =√ 𝛽𝑘𝐿 (2.25) Chú ý 𝜎𝑡 𝜇𝑡 phân kỳ (bằng vơ cùng) k = 0, hàm phân bố g(t) trở thành hàm phân bố Lévy Mô hình khuyếch tán cho thấy q trình hiệu với thời gian trung bình hữu hạn k > 24 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sử dụng mơ hình phương pháp mô phỏng, thực nghiên cứu trình protein sinh đường hầm ribosome Nghiên cứu thực cho hai protein nhỏ đơn miền protein SH3 domain (Mã PDB: 1SHG) protein Villin (Mã PDB: 2RJX) Hai protein chọn có kích thước tương tự (SH3 domain có chiều dài 57 amino acids, Villin có chiều dài 67 amino acids) hình dạng trạng thái tự nhiên khác để so sánh Để thuận tiện gọi hai protein 1SHG 2RJX Trạng thái tự nhiên 1SHG 2RJX thể Hình 3.1 Cấu trúc 1SHG gồm hai phiến beta đối song song bó vào nhau, 2RJX gồm xoắn alpha xếp gần 1SHG 2RJX Hình 3.1 Cấu trúc trạng thái tự nhiên protein SH3 domain (1SHG) protein Villin (2RJX) Các cấu trúc phiến beta tô màu vàng, xoắn alpha tô màu đỏ Các mô thực cho protein nhiều nhiệt độ khác khoảng từ T = 0.2 /kB tới T = 2.4 /kB Tại nhiệt độ, 500 quỹ đạo mô độc lập thực cho trình đồng dịch mã q trình protein Q trình đồng dịch mã mô với protein mọc dài dần từ đầu N tới đầu C thời gian để chuỗi polypeptide mọc dài thêm hạt tg = 100  Sau dịch mã hoàn 25 chỉnh, protein tiếp tục mơ hồn tồn khỏi đường hầm ribosome Thời gian tính từ protein dịch mã hồn chỉnh protein hồn tồn Hình 3.2 Sự phụ thuộc lượng (E) số hạt ngồi đường hầm (Nout)vào thời gian quỹ đạo mô cho protein 1SHG nhiệt độ T = 0.8 /kB Hình 3.2 cho thấy phụ thuộc vào thời gian lượng E số hạt nằm đường hầm Nout quỹ đạo mô cho protein 1SHG nhiệt độ T = 0.8 /kB Có thể thấy E Nout biến thiên theo thời gian với xu hướng E giảm dần Nout tăng dần Quỹ đạo mô Hình 3.2 kết thúc thời điểm Nout = N, ứng với thời gian thoát xấp xỉ 580t 3.1 SỰ PHỤ THUỘC CỦA THỜI GIAN THOÁT CỦA PROTEIN VÀO NHIỆT ĐỘ Hình 3.3 Hình 3.4 cho ta thấy phân bố thời gian thoát hai protein 1SHG 2RJX nhiệt độ khác nhau: T = 0.4 /kB , T = 0.8 /kB T = 1.2 /kB Có thể thấy nhiệt độ tăng phân bố thời gian thoát bị dịch 26 chuyển phía thời gian ngắn Protein nhanh nhiệt độ tăng Trong tất trường hợp phân bố thời gian thu từ mơ khớp tốt với mơ hình khuyếch tán chiều (đường liền nét Hình 3.3 3.4) Điều cho thấy mơ hình khuyếch tán mơ tả tốt q trình protein Hình 3.3 Phân bố thời gian thoát protein 1SHG nhiệt độ khác Các biểu đồ thu từ liệu mô Đường liền nét hàm phân bố thu lý thuyết khuyếch tán chiều khớp (fit) với biểu đồ 27 Hình 3.4 Phân bố thời gian thoát protein 2RJX nhiệt độ khác Các biểu đồ thu từ liệu mô Đường liền nét hàm phân bố thu lý thuyết khuyếch tán chiều khớp (fit) với biểu đồ Từ phân bố thời gian thu từ mơ ta tính thời gian trung bình 𝜇𝑡 (𝜏) độ lệch chuẩn thời gian thoát 𝜎𝑡 (𝜏) Hình 3.5 cho thấy phụ thuộc 𝜎𝑡 (𝜏) vào 𝜇𝑡 (𝜏) cho hai protein nhiệt độ khác Có thể thấy vùng 𝜇𝑡 (𝜏) 𝜎𝑡 (𝜏) nhỏ (ứng với nhiệt độ cao), 𝜎𝑡 (𝜏) phụ thuộc gần tuyến tính vào 𝜇𝑡 Theo mơ hình khuyếch tán cho cơng thức (2.25) phụ thuộc tuyến tính chứng tỏ βk không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ Với k không đổi, từ công thức (2.23) ta có 𝜇𝑇 ∼ 𝐷−1 , tức thời gian trung bình tỷ lệ 28 nghịch với số khuyếch tán Ở vùng 𝜇𝑡 (𝜏) 𝜎𝑡 (𝜏) lớn (ứng với nhiệt độ thấp) phụ thuộc 𝜎𝑡 (𝜏) vào 𝜇𝑡 (𝜏) bị lệch khỏi hàm tuyến tính Lúc này, k D phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 3.5 Sự phụ thuộc độ lệch chuẩn thời gian thoát vào thời gian trung bình cho 2protein 1SHG 2RJX Đường đứt nét tương ứng với mơ hình khuyếch tán chiều với k khơng đổi Hình 3.6 mơ tả phụ thuộc thời gian trung bình 𝜇𝑡 vào nhiệt độ T thang tọa độ log-log cho hai protein 1SHG 2RJX Đối với hai protein thời gian trung bình giảm nhiệt độ tăng Ở vùng nhiệt độ cao thời gian trung bình phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật 𝜇 𝑇 ∼ 𝑇 −1 (đường tuyến tính đứt nét hình vẽ) Điều chứng tỏ nhiệt độ cao số khuyếch tán phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, 𝐷 ∼ 𝑇, giống hệ thức Einstein (phương trình 2.18) cho hạt chuyển động Brown Như nhiệt độ cao q trình protein tương tự trình khuếch tán hạt Brown trường tuyến tính Hình 3.6 cho thấy 29 vùng nhiệt độ thấp, thời gian trung bình protein thấp nhiều so với thời gian thoát hạt Brown Điều khẳng định trình protein đường hầm ribosome làm cho protein thoát nhanh [7, 8] 30 (a) (b) Hình 3.6 Sự phụ thuộc thời gian trung bình vào nhiệt độ cho protein 1SHG (a) protein 2RJX (b) thang tọa độ log-log Đường đứt nét có độ dốc −1 tương ứng với 𝜇𝑇 ∼ 𝑇 −1 31 3.2 SỰ PHỤ THUỘC CỦA THỜI GIAN THOÁT VÀO CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Các kết Mục 3.1 cho thấy protein 1SHG 2RJX có cấu trúc trạng thái tự nhiên khác biệt, phân bố thời gian thoát, phụ thuộc thời gian vào nhiệt độ tính chất khuyếch tán hai protein tương đồng Điều cho thấy q trình protein khơng phụ thuộc mạnh vào cấu trúc trạng thái tự nhiên Hình 3.7 Sự phụ thuộc thời gian trung bình (t) vào nhiệt độ (T) cho protein 1SHG 2RJX Hình 3.7 so sánh thời gian trung bình 1SHG 2RJX nhiệt độ khác Có thể thấy 2RJX có thời gian trung bình lớn so với 1SHG hầu hết nhiệt độ, ngoại trừ giá trị nhiệt độ thấp T = 0.2 /kB T = 0.25 /kB Tuy vậy, chênh lệch thời gian thoát trung bình hai protein khơng nhiều Ở vùng nhiệt độ trung bình cao, protein 2RJX protein có cấu trúc xoắn alpha có thời gian trung bình cao khoảng 10% - 20% so với 1SHG protein có cấu trúc phiến beta 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn này, chúng tơi nghiên cứu q trình protein đường hầm thoát ribosome sử dụng phương pháp mô động lực học phân tử với mô hình đơn giản hóa cho protein cho đường hầm thoát ribosome Nghiên cứu thực cho hai protein nhỏ đơn miền với cấu trúc trạng thái tự nhiên khác Các kết mơ phân tích so sánh với mơ hình khuyếch tán trường tuyến tính chiều, cho kết luận sau: Khi nhiệt độ tăng thời gian thoát protein giảm Phân bố thời gian thoát phù hợp với mơ hình khuyếch tán Ở vùng nhiệt độ cao thời gian trung bình tỷ lệ nghịch với nhiệt độ theo hàm mũ 𝑇 −1, giống hạt chuyển động Brown Ở vùng nhiệt độ thấp, q trình làm protein nhanh so với hạt chuyển động Brown Thời gian thoát protein không phụ thuộc mạnh vào cấu trúc trạng thái tự nhiên protein Protein có cấu trúc xoắn alpha thoát chậm 10% - 20% so với protein có cấu trúc phiến beta Trên kết thu từ mơ hình đơn giản hóa Các kết cần so sánh với kết mơ hình chi tiết cho protein cho đường hầm thoát ribosome, kiểm chứng thực nghiệm 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C A Kaiser, M Krieger, H Lodish, A Berk Molecular Cell Biology, “ Molecular Cell Biology”, WH Freeman (2007) [2] N R Voss, M Gerstein, T A Steitz, and P B Moore, “ The geometry of the ribosomal polypeptide exit tunnel”, J Mol Biol 360, 893 (2006) [3] J L Lu and C Deutsch, Nat Struct Mol Biol 12, 1123-1129 (2005) A Kosolapov and C Deutsch, “Tertiary Interactions within the [4] Ribosomal Exit Tunnel”, Nat Struct Mol Biol 16, 405-411 (2009) [5] H Nakatogawa and K Ito, “ The Ribosomal Exit Tunnel Functions as a Discriminating Gate”, Cell 108, 629- 636 (2002) [6] H Nakatogawa and K Ito, Chem Bio Chem 5, 81 (2004) [7] P T Bui and T X Hoang, “ Folding anh escape of nascent proteins at ribosomal exit tunnel” , J Chem Phys 144, 095102 (2016) [8] P T Bui and T X Hoang, “ Protein escape at the ribosomal exit tunnel: Effects of native interactins, tunnel length, and macromolecular crowding”, J Chem Phys 149, 045102 (2018) [9] C Levinthal C, “ Are there pathways for protein floding ?”, Journal de Chimie Physique 65, 44-45 (1968) [10] C Anfinsen, Biochem,“Principles that govern the folding of protein chains” , J 128, 737 (1972) [11] C M Dobson, “ Protein folding and misfolding”, Nature 426, 884 - 890 (2003) [12] C M Kaiser, D H Goldman, J D Chodera, I Tinoco, Jr., and C Bustamante, “ The ribosome modulates nascent protein folding”, Science 334, 1723 (2011) 34 [13] P M Petrone, C D Snow, D Lucent, and V S Pande, “ Side – chain recognition and gating in the ribosome exit tunnel”, Proc Natl Acad Sci U S A 105, 16549-16554 (2008) [14] N Go, “ Theoretical studies of protein folding”, Ann Rev Biophys Bioeng 12, 183-210 (1983) [15] C Clementi, H Nymeyer, and J N Onuchic, J Mol Biol 298, 937 (2000) [16] T X Hoang and M Cieplak, “ Sequencing of folding events in Go-like proteins”, J Chem Phys 113, 8319 (2000) [17] R B Best and G Hummer, “Molecular crowding enhances native state stability and refolding rates of globular proteins” Proc Natl Acad Sci USA 102, 6732–6737 (2005) [18] D R Cox and H D Miller, The Theory of Stochastic Processes (Chapman and Hall, 1965), pp 219–223 ... amino acid Mặt đường hầm có chất ưa nước cho phép chuỗi sinh chui dễ dàng không bị cản trở 1.6 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME LÊN QUÁ TRÌNH CUỐN CÁC PROTEIN MỚI SINH Đường hầm ribosome chật... 2.2 MƠ HÌNH ĐƯỜNG HẦM THỐT RIBOSOME Chúng tơi sử dụng mơ hình đơn giản hóa cho đường hầm thoát ribosome [7, 8] để khảo sát ảnh hưởng đường hầm lên q trình thoát protein sinh Đường hầm thoát mơ hình... quan trình protein sinh 1.1 Thành phần hóa học cấu trúc protein 1.2 Hiện tượng protein ống nghiệm 1.3 Quá trình tổng hợp protein tế bào 1.4 Quá trình đồng dịch mã protein 1.5 Đường hầm thoát ribosome