Cấu trúc và chức năng của protein

Sinh học phân tử_Nhóm 11 BÀI 3: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN I Mã di truyền, dịch mã, tính acid-base: Mã di truyền: - Trình tự DNA đọc theo ba base sử dụng sợi antisense (khơng mã hóa) làm mạch khn điều kiện tổng hợp RNA - Sợi đối diện sợi sense có trình tự giống RNA - khung đọc (ORF) mRNA đánh dấu codon mở đầu - Mã di truyền có tính thối hóa phù hợp với “giả thuyết wobble” Francis Crick - Tính phổ biến mã di truyền Ở số sinh vật bào quan, nghĩa codon thay đổi Sự dịch mã: Tính acid-base protein: Amino acid chất hữu mà phân tử chứa nhóm carboxyl (-COOH) nhóm amin (-NH2) Sinh học phân tử_Nhóm 11 - Phản ứng với acid bazơ tạo thành muối: Sinh học phân tử_Nhóm 11 II Cấu trúc protein: (https://www.google.com/imgres? imgurl=https%3A%2F %2Fvideo.vietjack.com %2Fupload2%2Fquiz_source1%2F2021%2F12%2Fscreenshot-16406797501640679640.png&imgrefurl=https%3A%2F%2Fkhoahoc.vietjack.com%2Fquestion %2F15931%2Fcho-cac-nhan-dinh-sau-cau-truc-bac-1-cua-phan-tu-protein-la-chuoipolipeptit&tbnid=V2-bBuiNW8dIM&vet=12ahUKEwjQmKqLp9H9AhWCulYBHeqZAxoQxiAoBHoECAAQIw i&docid=tHhi NDEckNJ2gM&w=298&h=487&itg=1&q=c%C3%A1c%20b%E1%BA%ADc%20c%E1%BA %A5u%20tr%C3%BAc%20c%E1%BB%A7a %20protein&ved=2ahUKEwjQmKqLp9H9AhWCulYBHeqZAxoQxiAoBHoECAAQIw) Sinh học phân tử_Nhóm 11 Cấu trúc bậc 1: Cấu trúc bậc I protein thành phần trình tự xếp gốc amino acid mạch polypeptide - Hầu hết cấu trúc protein gồm khoảng từ 100 đến 500 gốc amino acid, có khoảng vài phân tử protein có cấu trúc lớn 500 gốc amino acid Protein trạng thái ngun vẹn có nhóm NH2 COOH tự - Vd: - Ý nghĩa cấu trúc bậc protein: + Số lượng aa chuỗi polypeptide quy định tính chất protein, vấn đề nịi giống, phẩm chất, khả kháng bệnh + Trình tự xếp aa lý tạo cho giới sinh vật có số lượng kiểu protein khổng lồ mà xuất phát từ 20 loại  - aa Sinh học phân tử_Nhóm 11 + Sự thay đổi trình tự xếp aa dẫn đến trường hợp bệnh lý VD điển hình: bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm Hb cấu tạo từ chuỗi  chuỗi  Ở người bệnh, aa thứ chuỗi  Glu thay Val Cấu trúc bậc 2: - Là tương tác không gian gốc aa gần hay cạnh đoạn chuỗi, mô tả cấu trúc không gian bên phần phân tử - Gồm dạng: xoắn α gấp nếp β a) Xoắn α (α – helix): - Chuỗi polypeptide cuộn lại theo hình lị xo  bước xoắn - Mạch liên kết peptide chuỗi polypeptide xếp thẳng đứng xung quanh trục phân tử, R aa đẩy vịng ngồi trục xoắn chuỗi - Một vịng xoắn có 3,6 gốc aa; khoảng cách hai gốc aa cạch 1,5 A°; chiều cao bước xoắn 5,4 A° - Sự tồn bước xoắn nhờ liên kết hydro; hình thành –CO– aa với –NH– aa đứng trước gốc aa - Đặc trưng cho protein dạng cầu: protein cơ, máu; trứng, sữa b) Gấp nếp : - Gấp nếp  có cấu trúc hình dạng tấm, chuỗi polypeptide duỗi thẳng - Khoảng cách aa cạnh theo đường trục 3,5A° (1,5A° xoắn α) Sinh học phân tử_Nhóm 11 - Gấp nếp  ổn định nhờ liên kết hydro nhóm –NH– –CO– chuỗi polypeptide khác (hoặc đoạn khác chuỗi) - Thường gặp protein dạng sợi protein tơ tằm, xương sống - Trong cấu hình gấp nếp , chuỗi polypeptie nằm song song đối song song Sinh học phân tử_Nhóm 11 Cấu trúc bậc 3: - Là cấu trúc không gian chiều chuỗi polypeptide gấp lại (nghĩa tương tác không gian amino acid xa chuỗi polypeptide, dạng cuộn lại khơng gian tồn chuỗi polypeptide Nhiều chuỗi poplypeptide thể sống tồn dạng thẳng mà gấp khúc qua tạo nên cấu trúc không gian chiều) - Khi chuỗi polypeptide tách khỏi ribosome sau tổng hợp thải tế bào chất môi trường tạo hình hình thành nên cấu trúc tự nhiên nhanh, đăc biệt cấu trúc hình cầu, mang lại cho protein đặc tính sinh lý quan trọng Có thể chuyển động nhiệt chuỗi polypeptide mà nhóm gốc amino acid tiếp xúc với nhau, dẫn đến kết hợp với - Sự phân bố amino acid không gian chi phối phần lớn liên kết khơng cộng hóa trị - Liên kết cộng hóa trị: Liên kết disulfide (S-S) cystein - Liên kết khác: Các tương tác kị nước liên kết hydro - Các amino acid kị nước thường phân bố phần chuỗi polypeptide giao diện chuỗi polypeptide (Cấu trúc bậc đặc biệt phụ thuộc vào tính chất nhóm R mạch polypeptit Các gốc R phân cực hay ion hóa có khuynh hướng quay (ưa H2O), gốc R khơng phân cực có xu vùi vào (kỵ nước) Cấu trúc bậc giữ định, lực hút gốc phân cực hay ion hóa nhóm chuỗi bên (R))  Tương tác kị nước đóng vai trị quan trọng cấu trúc bậc bậc protein Sinh học phân tử_Nhóm 11 - Ba dạng cấu trúc bậc chủ yếu protein dạng cầu (globular), dạng sợi (fibrous) protein màng (membrane) - Trong nhiều protein hình cầu có chứa gốc cysteine, tạo thành liên kết disulfite giưa gốc cysteine xa chuỗi polypeptide, làm cho chuỗi bị cuộn lại đáng kể Các liên kết khác, liên kết Val der Waal, liên kết tĩnh điện, phân cực, ky nước hydrogen mạch bên gốc amino acid tham gia làm bền cấu trúc bậc - Cấu trúc hình cầu protein gọi cấu trúc bậc 3, cấu trúc enzyme - Ví dụ cấu trúc bậc 3: Phân tử insulin polypeptid bao gồm 51 acid amin chuỗi A có 21 gốc acid amin chuỗi B có 30 gốc acid amin Hai chuỗi nối với cầu disulfide: cầu thứ gốc cystein vị trí 20 chuỗi A vị trí 19 chuỗi B; cầu thứ hai gốc cystein vị trí thứ chuỗi Trong chuỗi A cịn có cầu disulfit gốc cystein vị trí thứ 11 Insulin hormon tuyến tham gia điều hoà hàm lượng đường máu Khi thiếu insulin, hàm lượng đường máu tăng cao, dẫn tới tượng bệnh đái đường Insulin có tác dụng hạ đường huyết cách xúc tiến trình tổng hợp glycogen dự trữ từ glucose Lực hấp dẫn VanderWaals: lực hút hai chất hai nhóm hố học nằm cạnh khoảng cách - lần đường kính phân tử Sinh học phân tử_Nhóm 11 Lực liên kết nhóm kỵ nước, nhóm khơng phân cực (- CH2; -CH3) vang, leucin, isoleucin, phenylalanin Nước tế bào đẩy gốc lại với nhau, chúng xảy lực hút tương hỗ tạo thành đuôi kỵ nước phân tử protein Do có cấu trúc bậc ba mà protein có hình thù đặc trưng phù hợp với chức chúng Ở protein chức enzym kháng thể, protein hệ thống đông máu thơng qua cấu trúc bậc ba mà hình thành trung tâm hoạt động nơi thực chức protein Domain cấu trúc (Structural domain) nghiên cứu từ 1976, đến người ta cho hình thành domain phổ biến chuỗi peptid tương đối dài Domain cấu trúc định nghĩa phận, khu vực phân tử protein cuộn gấp không gian giống phân tử protein nhỏ hoàn chỉnh thường nơi thực chức liên kết, chức lắp ráp phân tử protein hoạt động chức Trong nhiều protein domain gắn liền với chức kết hợp đặc hiệu nhiều enzym cấu tạo từ domain trung tâm hoạt động lại bố trí biên giới hai hay nhiều domain Sự thành thành domain phân tử protein tạo khả tương tác linh hoạt đại phân tử, khả động, dịch chuyển tương ứng phận trình thực chức sinh học - protein nguồn gốc khác nhau, có chức tương tự domain có cấu trúc tương đối giống Cấu trúc bậc hai bậc ba tạo dạng ổn định cho phân tử protein, cấu trúc hình thành nhờ loại tương tác khơng cộng hóa trị (liên kết ion, liên kết hydro tương tác kỵ nước) chuỗi amino axit khác phân tử với (nước) phân tử xung quanh Các vùng khác protein, thường có chức riêng biệt, hình thành miền cấu trúc khác Những miền liên quan cấu trúc tìm thấy protein khác thường có chức tương đương Cấu trúc bậc 4: - Một protein chức gồm hay nhiều chuỗi polypeptide, tạo nên cấu trúc bậc (Là tương tác không gian chuỗi phân tử protein gồm hai hay nhiều chuỗi polypeptide hình cầu Mỗi chuỗi polypeptide đươc gọi môt “tiểu đơn vị” Sự kết hơp phân tử chủ yếu liên kết hydrogen kỵ nước mà khơng có cầu disulfit liên kết hóa trị tiểu đơn vị Bằng cách hai phân tử xác định kết hợp với tạo thành dimer Hemoglobin điển hình protein có cấu trúc bậc 4, tạo nên từ hai chuỗi α với chuỗi có 141 gốc amino acid hai chuỗi β với chuỗi 146 gốc amino acid) - Các tương tác tạo nên cấu trúc gồm: + liên kết peptide, + tương tác kị nước, + tương tác điện tích liên kết hydro; diễn chuỗi polypeptide - Khi protein có nhiều chuỗi polypeptide phối hợp với tạo nên cấu trúc bậc protein Các chuỗi polypeptide liên kết với nhờ liên kết yếu liên kết hydro - Khái niệm tiểu đơn vị (subunit) chuỗi polypeptide phức hợp - Domain = vùng chức Sinh học phân tử_Nhóm 11 - Protein đa dạng kích thước dạng phức hợp, thể qua trọng lượng phân tử số lượng tiểu đơn vị - đơn vị khối lượng phân tử - Da (Dalton) - Các polypeptide điển hình có khối lượng khoảng 20 – 70 kDa - Khối lượng phân tử trung bình aa 110 - Protein có khối lượng phân tử 20 kDa thường gồm hai hay nhiều vùng chức (domain) - Mỗi vùng chức hình thành trình tự aa liên tục - Cấu trúc nhiều chuỗi polypeptide có ý nghĩa quan trọng độ hòa tan chức chúng Cấu trúc protein hiểu săp xếp chuỗi riêng lẻ nhiều chuỗi Chúng phụ thuộc nhiều vào độ pH môi trường Protein chuỗi polypeptide hồ tan tốt nhóm ưa nước hướng phia ngồi, nhóm ky nước hướng vào bên Khi protein thay đổi cấu trúc nhóm ky nước quay ngồi, protein khả Sinh học phân tử_Nhóm 11 hịa tan nước, Ví dụ trường hợp kết tủa khơng dạng tinh thể protein sữa môi trường chua Lactic acid đươc sản sinh vi khuẩn làm giảm pH sữa, làm thay đổi protein sữa Nhiều nhóm kỵ nước hướng bên ngoài, protein khả tan nước Vì vậy, việc thường xuyên trì giá trị pH tế bào chất quan trọng, có chức hoạt động enzyme tế bào chất đảm bảo - Các yếu tố môi trường nhiệt độ cao, độ pH phá huỷ cấu trúc khơng gian ba chiều protein làm cho chúng chức (biến tính) Protein vừa đa dạng vừa đặc thù, cấu trúc theo nguyên tắc đa phân nên với hai mươi loại axit amin khác nhau, tạo nhiều loại protein khác số lượng, thành phần, trật tự xếp axit amin cấu trúc khơng gian - Ví dụ cấu trúc bậc 4: + Hemoglobin (Huyết sắc tố) gồm tiểu phần protein: hai tiểu phần α hai tiểu phần β Nếu tiểu phần tách rời tiểu phần khơng thể vận chuyển phân tử O Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành khối không gian đặc thù gần hình tứ diện có khả kết hợp vận chuyển khí oxy Một phân tử hemoglobin vận chuyển phân tử oxy + Enzym glycogen phosphorylase (ở cơ, gan) xúc tác trình phân giải glycogen thành glucose • Ở trạng thái khơng hoạt động enzyme dạng "β" (dạng hai dimer tách rời nhau).β"β" (dạng hai dimer tách rời nhau) (dạng hai dimer tách rời nhau) • Ở trạng thái hoạt động (khi có tín hiệu cần đường) hai dimer tổ hợp lại thành tetramer (dạng "β" (dạng hai dimer tách rời nhau).α"β" (dạng hai dimer tách rời nhau).) Khi nhu cầu giải phóng glucose giảm, tetramer lại tách thành hai dimer, enzym trở lại dạng không hoạt động - Tuỳ theo protein mà số lượng monomer thay đổi từ 2,4,6,8 phổ biến, cá biệt lên tới 50 monomer - Sự hình thành cấu trúc bậc bốn tạo điều kiện cho trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, xác - Giúp cho thể sinh vật khả điều tiết linh hoạt Những q trình hoạt hố hay ức chế (khố enzyme, khố hormone…) thực thơng qua việc tác động lên cấu trúc bậc Tổng quan cấu trúc protein: Cấu trúc bậc + Là chuỗi polypeptide Cấu trúc bậc + Xoắn α: Chuỗi polypeptide cuộn lại theo hình lị xo + Gấp nếp  có cấu trúc hình dạng tấm, chuỗi polypeptide duỗi thẳng Cấu trúc bậc + Xoắn  lại tự xoắn cuộn gập không gian tạo thành dạng hình cầu hay slípoit-cấu trúc bậc +Hình thành liên kết thứ cấp gốc mạch polypeptide, liên kết S-S, liên kết vaderwalls, liên kết ester,liên kết tĩnh điện, Cấu trúc bậc +Cấu trúc tổ hợp hay nhiều tiểu đơn vị (polypeptide) cấu trúc bậc tạo thành +Hình thành ổn định nhờ lực tương tác nhóm bên phân bố bề mặt tiểu đơn vị, liên kết hydro, liên kết kị nước loại liên kết mạnh liên kết ester, liên kết disulfide, Sinh học phân tử_Nhóm 11 III Phân loại protein: Phân loại dựa vào hình dạng protein - Protein dạng cầu: + Protein dạng cầu loại protein mà phân tử thường cuộn lại thành vịng, thành búi, gần trịn bầu dục + Điển hình dạng protein là: albumin, globulin sữa, huyết thanh, enzyme pepsin Loại thường hoà tan nước - Protein dạng sợi: + Protein loại với mạch peptide không cuộn rõ, gấp nếp dọc chuỗi, nên nói chung có chiều dài rõ rệt + Điển hình dạng protein là: fibroin tơ tằm, miosin sợi cơ, colagen elastin da gân, keratin tóc Phân loại dựa thành phân cấu tạo: - Protein đơn giản gồm amino acid: + Albumin globulin, protamin histon , glutelin prolamin, glutelin prolamin, chất proteinoid (colagen, fibroin, keratin, ….) - Protein phức tạp gồm amino acid nhóm ghép: Sinh học phân tử_Nhóm 11 Sinh học phân tử_Nhóm 11 IV Chức protein – Điều hịa hoạt tính sau dịch mã: Trình tự số lượng aa định: Tính đặc hiệu, chức sinh học protein: enzyme, hormon, protein cấu trúc E coli có ~ 3000, người 50.000 - 100.000 protein có cấu trúc khác thực chức sinh học khác  Cấu trúc không gian ba chiều protein định chức protein 1) Tăng trưởng trì mơ 2) Hỗ trợ truyền tín hiệu 3) Định hình cấu trúc mơ tế bào: 4) Duy trì pH thích hợp: 5) Cân chất lỏng: 6) Sức khỏe miễn dịch: 7) Vận chuyển lưu trữ chất dinh dưỡng: 8) Cung cấp lượng: 9) Chất súc tác sinh học: - Hầu hết enzyme tế bào có dạng hình cầu - Enzyme giúp giảm lượng hoạt hố phản ứng - Cơ chất hình thành phức hợp chặt chẽ với enzyme vị trí hoạt động; chất thay đổi hình dạng để bắt đầu xúc tác - Vị trí hoạt động thường mang aa với nhóm bên tham gia vào việc gắn chất xúc tác phản ứng - Phức hợp enzyme-cơ chất thay đổi hình dạng để tạo điều kiện cho phản ứng xúc tác - Phức hợp hoạt động enzyme-cơ chất trải qua chuỗi biến đổi hóa học, biến chất thành sản phẩm; sản phẩm tách khỏi enzyme 10) Điều hịa hoạt tính sau dịch mã: - Các phức hợp protein hình thành sau dịch mã: + Protein – lipid lipoprotein + Protein – gốc carbonhydrate glycoprotein + Protein – ion kim loại metalloprotein - Sự biến đổi aa gồm: methyl hóa, acetyl hóa, ubiquitin hóa, phosphoryl hóa (enzyme kinase), - Các biến đổi sau dịch mã bao gồm chức cấu trúc điều hòa - Sự phosphoryl hóa làm protein thay đổi hình dạng, hình thành/phân ly phức hợp • Điều hồ dị lập thể (allosteric regulation): Sự gắn vào protein ligand (thường phân tử có kích thước nhỏ - đường/aa) dẫn đến thay đổi cấu hình protein • Sự hoạt hố kinase phụ thuộc cyclin (CDKs): ví dụ điển hình điều hồ sau dịch mã Hoạt động CDK điều khiển q trình phosporyl hố điều hồ dị lập thể thông qua tương tác enzyme protein điều hồ gọi cyclin Sinh học phân tử_Nhóm 11 V Sự gấp protein: Gấp protein trình vật lý mà theo chuỗi protein chuyển thành cấu trúc ba chiều tự nhiên điển hình cấu trúc "β" (dạng hai dimer tách rời nhau).gấp lại"β" (dạng hai dimer tách rời nhau) , qua protein có chức sinh học (prp) Thơng qua quy trình nhanh chóng tái sản xuất, polypeptide gấp lại thành cấu trúc ba chiều đặc trưng từ cuộn ngẫu nhiên Mỗi protein tồn dạng polypeptide mở cuộn ngẫu nhiên sau dịch mã từ chuỗi mRNA thành chuỗi axit amin tuyến tính Ở giai đoạn này, polypeptide thiếu cấu trúc ba chiều ổn định (tức lâu dài) (xem phía bên trái hình đầu tiên) Khi chuỗi polypeptide tổng hợp ribosome , chuỗi tuyến tính bắt đầu cuộn lại thành cấu trúc ba chiều Cấu trúc ba chiều xác điều cần thiết để hoạt động, số phần protein chức chưa mở , động lực học protein quan trọng Việc gấp lại thành cấu trúc tự nhiên thường tạo protein không hoạt động, số trường hợp, protein không gấp lại có chức biến đổi độc hại Một số bệnh thối hóa thần kinh bệnh khác cho kết tích tụ sợi amyloid hình thành protein bị gấp sai, dạng lây nhiễm chúng gọi prion Nhiều chứng dị ứngđược gây gập sai số protein hệ thống miễn dịch không tạo kháng thể cho số cấu trúc protein định Một protein coi bị gấp sai (misfolding protein/ prpsc /prion) khơng thể đạt trạng thái tự nhiên bình thường Điều đột biến trình tự axit amin gián đoạn trình gấp bình thường thay đổi điều kiệnmơi trường nhiều yếu tố khác, bao gồm lỗi sửa đổi sau dịch mã, tăng tốc độ thối hóa, lỗi bn bán, đối tác ràng buộc tổn thương oxy hóa Sinh học phân tử_Nhóm 11 Protein bị gấp sai thường chứa β tổ chức theo cách xếp siêu phân tử gọi cấu trúc chéo β Các tập hợp giàu β ổn định, khơng hịa tan thường chống lại phân giải protein Sự ổn định cấu trúc tổ hợp sợi nhỏ tương tác rộng rãi đơn phân protein, hình thành liên kết hydro xương sống sợi β chúng Các proteasome tiêu hủy protein không cần thiết bị hư hỏng phân giải protein Các amyloid cấu trúc dạng sợi có chứa liên kết hydro liên phân tử khó hịa tan tạo từ tập hợp protein chuyển đổi Do đó, đường proteasome khơng đủ hiệu để phân hủy protein bị gấp sai trước tổng hợp Các amyloid gây bệnh hình thành protein khỏe mạnh trước cấu trúc chức sinh lý bình thường (gập sai) hình thành sợi lắng đọng bên xung quanh tế bào Các trình kết hợp lắng đọng protein phá vỡ chức lành mạnh mô quan.Amyloid thủ phạm đằng sau độc tính gây bệnh thối hóa thần kinh Việc gấp sai làm phát sinh hình thành chất trung gian khơng gấp mở phần, có dư lượng kỵ nước tương tác với chất trung gian bổ sung để tạo thành oligomers protofibrils fibrils Các nghiên cứu ban đầu sợi amyloid thủ phạm đằng sau độc tính gây bệnh thối hóa thần kinh Tuy nhiên, ý chuyển sang độc tính tế bào tiền chất sợi amyloid, đáng ý oligomer amyloid, nguyên nhân gây độc Cơ chế gây độc kích hoạt oligomer amyloid cịn khó nắm bắt Sinh học phân tử_Nhóm 11 Mức độ gia tăng protein tổng hợp tế bào dẫn đến hình thành cấu trúc giống amyloid gây rối loạn thối hóa chết tế bào Các protein bị gấp sai tương tác với tạo thành tập hợp có cấu trúc thu độc tính thơng qua tương tác phân tử Các protein tổng hợp có liên quan đến bệnh liên quan đến prion bệnh Creutzfeldt– Jakob, bệnh não xốp bò (bệnh bò điên), bệnh liên quan đến amyloid bệnh Alzheimer bệnh tim bệnh đa dây thần kinh amyloid gia đình , bệnh tập hợp nội bào như bệnh Huntington Parkinson Bệnh alzheimer Creutzfeldt–Jakob Bệnh Creutzfeldt–Jakob prion làm não giống miếng bọt biển , nghĩa có nhiều lỗ Những lỗ kết việc nhiều loại tế bào thần kinh chết khối protein gấp sai gây Và kết làm thối hóa khả tâm thần chức não cá thể Thơng thường proteasome làm cơng việc đơi lúc có prion, tác nhân lây nhiễm nguy hiểm Bệnh Protein gấp sai Đặc điểm vị trí tổn thương Mảng ngoại bào đám rối tế bào chất tế bào thần kinh Alzheimer Almyloid β-protein Parkinson A-Synuclein Tế bào chất tế bào thần kinh Gia tăng polyglutamine vùng gene hungtingtin Tiểu đảo polypeptide amuloid (amylin) Nhân tế bào chất tế bào thần kinh Hungtinton Tiểu đường tuýp Creuktzfeldt-Jacob Protein prion (PrpSc) Ngưng kết tuyến tụy Mảng ngoại bào đoạn oligo tế bào thần kinh