Động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào

1. Tính c§p thi¸t cõa luªn án Vªt lý sinh håc là lĩnh vüc hi»n nay đang r§t đưñc quan tâm trên th¸ giîi và là mët trong nhúng hưîng nghiên cùu quan trång cõa Vªt lý trong th¸ k 21. Ngày nay, các v§n đ· nghiên cùu thưíng g°p trong vªt lý nói chung và đ°c bi»t là các bài toán lý sinh nói riêng đ·u r§t phùc t¤p bði vì các h» đưñc nghiên cùu có sè ph¦n tû r§t lîn và chúng luôn tçn t¤i trong tr¤ng thái tương tác vîi nhau. R§t nhi·u các bài toán khó có thº tìm đưñc líi gi£i gi£i tích ho°c b¬ng các phương pháp thông thưíng, nhưng l¤i có thº gi£i quy¸t đưñc nhí sü hé trñ cõa máy tính b¬ng các phương pháp mô phäng. Tø vài thªp k nay, vi»c sû döng các phương pháp mô phäng hi»n đ¤i trên cơ sð các ki¸n thùc liên ngành v· y håc, sinh håc, hóa håc và vªt lý nghiên cùu nhúng v§n đ· cơ b£n liên quan đ¸n sü sèng đang phát triºn m¤nh trên th¸ giîi. Mô phäng máy tính cũng đang đưñc áp döng hi»u qu£ trong vi»c nghiên cùu các cơ ch¸ gây ra các b»nh tªt cho con ngưíi và thi¸t k¸ dưñc ph©m trên máy tính, là nhúng v§n đ· có ý nghĩa to lîn đèi vîi sùc kho´ con ngưíi. Trong các v§n đ· cõa sinh håc phân tû thì vi»c nghiên cùu v· protein đã và đang r§t đưñc quan tâm bði vì protein là mët thành ph¦n không thº thi¸u trong sü sèng. R§t nhi·u v§n đ· v· protein cho đ¸n nay đã đưñc làm rõ. Tuy nhiên, nhúng hiºu bi¸t cõa chúng ta v· các tính ch§t và hành xû cõa protein trong cơ thº sèng còn r§t h¤n ch¸, trong đó có quá trình cuèn cõa protein trong t¸ bào. Sau khi đưñc têng hñp thành chuéi polypeptide hoàn ch¿nh t¤i ribosome, méi lo¤i protein thưíng tr£i qua mët quá trình bi¸n đêi đëng håc v· mët lo¤i c§u hình duy nh§t có lñi v· m°t năng lưñng và có thº thº hi»n chùc năng sinh håc düa trên trình tü amino acid chuyên bi»t. Quá trình này gåi là quá trình cuèn cõa protein. N¸u protein cuèn sai và không bà phân hu hoàn toàn bði các proteasome trong t¸ bào thì nhúng protein này không ch¿ m§t đi các ho¤t tính sinh håc thông thưíng mà chúng còn có thº k¸t tö thành nhúng c§u trúc d¤ng sñi không hoà tan, đưñc bi¸t có thº d¨n đ¸n mët sè b»nh thoái hoá có ti¸n triºn nghiêm trång như các b»nh Alzheimer và Parkinson, b»nh bò điên, tiºu đưíng tuýp II. Vì vªy, nghiên cùu v· quá trình cuèn cõa protein trong các đi·u ki»n bên trong t¸ bào là đ°c bi»t c¦n thi¸t. Quá trình này di¹n ra

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

BÙI PHƯƠNG THUÝ

ĐỘNG LỰC HỌC CUỐN PROTEIN TRONG MÔI TRƯỜNG TẾ BÀO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI – 2016

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

BÙI PHƯƠNG THUÝ

ĐỘNG LỰC HỌC CUỐN PROTEIN TRONG MÔI TRƯỜNG TẾ BÀO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán

Tôi xin cam đoan luận án này là kết quả của quá trình làm nghiên cứu sinh củatôi trong thời gian học tập tại Viện Vật lý và Học viện Khoa học và Công nghệ Cụthể, chương một, chương hai và chương ba là phần tổng quan giới thiệu các vấn đề cơ

sở có liên quan đến luận án Chương bốn giới thiệu các phương pháp và thuật toánđược tìm hiểu, xây dựng và phát triển trong luận án Chương năm và chương sáu làcác kết quả nghiên cứu mà tôi đã thực hiện cùng với thầy hướng dẫn Chương bẩy làphần kết luận

Tôi xin khẳng định các kết quả có trong luận án “Động lực học cuốn protein trongmôi trường tế bào” là các kết quả mới không trùng lặp với các kết quả của các luận án

và công trình đã có

Tác giả luận án

Bùi Phương Thuý

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy - PGS TS Trịnh XuânHoàng đã giúp đỡ em hoàn thành luận án này Trong suốt 10 năm học tập và nghiêncứu dưới sự hướng dẫn của Thầy, em đã được Thầy chỉ dẫn nhiều điều bổ ích về kiếnthức, kỹ năng, tư duy nghiên cứu khoa học và sự nghiêm túc trong khoa học

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy - GS TSKH Nguyễn VănLiễn và các thầy giảng dạy, làm việc tại hai trung tâm Vật lý lý thuyết và Vật lý tínhtoán đã luôn tận tình động viên, hướng dẫn, cung cấp kiến thức nền tảng cho em Cácthầy là những tấm gương sáng về tinh thần làm việc, lối sống, sự say mê khoa học để

em học hỏi, hoàn thiện bản thân Cùng với kiến thức, đây sẽ là hành trang theo emsuốt cuộc đời

Em xin cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, Trung tâm Vật

lý tính toán, Bộ phận Đào tạo sau đại học thuộc Viện Vật lý và Học viện Khoa học vàCông nghệ đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong học tập, nghiên cứu

và hoàn thành các thủ tục hành chính trong suốt quá trình làm NCS tại Viện Vật lý

Em xin cảm ơn các bạn cùng nhóm nghiên cứu, các bạn, các anh chị làm việctại Viện Vật lý và các đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em trong học tập cũng nhưtrong cuộc sống

Hơn cả những gì có thể nói, con thực sự rất biết ơn gia đình đã luôn ở bên, yêuthương, động viên con, hỗ trợ về mọi mặt để con có thể yên tâm nghiên cứu và hoànthành luận án này

Hà Nội, Tháng 4 năm 2016Bùi Phương Thuý

Danh sách hình vẽ 6

1.1 Thành phần hoá học của protein 21

1.2 Các bậc cấu trúc của protein 23

1.2.1 Cấu trúc bậc một 23

1.2.2 Cấu trúc bậc hai 23

1.2.3 Cấu trúc bậc ba 25

1.2.4 Cấu trúc bậc bốn 25

1.3 Sinh tổng hợp của protein 26

1.3.1 Quá trình phiên mã 26

1.3.2 Quá trình dịch mã 26

1.4 Các tương tác của protein 27

1.5 Kết luận 29

2 Hiện tượng cuốn protein trong ống nghiệm 30 2.1 Hiện tượng cuốn protein trong ống nghiệm 31

2.2 Địa hình năng lượng của protein 33

2.2.1 Giả thiết về phễu cuốn 33

3

MỤC LỤC 4

2.2.2 Nguyên lý thất vọng tối thiểu 34

2.2.3 Nguyên lý nhất quán tối đa 35

2.3 Cơ chế cuốn của protein 35

2.3.1 Mô hình hai trạng thái 35

2.3.2 Trạng thái chuyển tiếp 37

2.3.3 Cơ chế tạo nhân cuốn 38

2.4 Kết luận 39

3 Hiện tượng cuốn protein trong môi trường tế bào 41 3.1 Hiện tượng cuốn của các protein mới sinh trong tế bào 42

3.2 Chaperone phân tử 44

3.3 Cơ chế cuốn định hướng 47

3.4 Hiệu ứng đám đông đại phân tử trong tế bào 47

3.5 Lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ trong nghiên cứu hiệu ứng đám đông đại phân tử lên quá trình cuốn protein 50

3.5.1 Áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ của Minton 53

3.5.2 Áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ của Zhou 53

3.5.3 Mô hình bổ sung tương tác hút 55

3.6 Kết luận 55

4 Các phương pháp sử dụng trong mô phỏng protein 57 4.1 Phương pháp động lực học phân tử 57

4.1.1 Phương trình Langevin 57

4.1.2 Thuật toán Verlet 58

4.2 Phương pháp lấy mẫu ô 59

4.3 Phương pháp phân tích biểu đồ có trọng số với thế năng giữ 61

4.4 Kết luận 64

5 Sự cuốn và thoát ra của protein mới sinh tại đường hầm ribosome 66

5.1 Mô hình tương tự Go cho protein 67

5.2 Mô hình đường hầm thoát của ribosome 70

5.3 Phương pháp lấy mẫu ô cho protein ở đường hầm thoát 72

5.4 Sự cuốn và thoát ra tại đường hầm thoát thuần đẩy 73

5.5 Mô hình khuyếch tán cho quá trình thoát 85

5.5.1 Lý thuyết khuyếch tán một chiều 85

5.5.2 Quá trình thoát trong mô hình khuyếch tán một chiều 87

5.6 Hiệu ứng của các hạt hút 89

5.7 Thảo luận 96

5.8 Kết luận 99

6 Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên quá trình cuốn protein 100 6.1 Mô hình đám đông đại phân tử và các điều kiện biên 101

6.2 Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên sự ổn định cuốn của protein 102 6.3 Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên năng lượng tự do cuốn 104

6.4 Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên bờ thế năng lượng tự do và trạng thái chuyển tiếp 111

6.5 Thảo luận 112

6.6 Kết luận 114

Danh sách hình vẽ

1.1 (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline 211.2 Phản ứng trùng ngưng 221.3 Chuỗi polypeptide 231.4 Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của proteinGB1: (a) Xoắn α, (b) Phiến β 241.5 Biểu diễn dạng ruy băng của cấu trúc bậc ba của hai protein được sửdụng trong nghiên cứu này: miền B-1 của protein G (GB1) (a) và miền

Z của protein tụ cầu A (SpA) (b) 25

2.1 Địa hình năng lượng kiểu sân golf trong nghịch lý Levinthal 332.2 Phễu cuốn mô tả mối quan hệ giữa năng lượng và entropy Bề mặt gồghề của phễu cuốn mô tả các bẫy động học 342.3 Giản đồ năng lượng tự do trong mô hình cuốn hai trạng thái 362.4 Minh hoạ quá trình chuyển trạng thái thông qua góc nhìn cổ điển Quảbóng chỉ có thể chuyển hố khi nó tới được đỉnh năng lượng nằm giữahai hố thế Tương tự, quá trình chuyển trạng thái của protein chỉ xảy

ra khi protein đạt tới trạng thái chuyển tiếp 38

3.1 a) Thể tích loại trừ (màu xám) cho mô hình hai quả cầu rắn b) Thểtích loại trừ (màu xám) khi chèn một quả cầu cứng vào một dung dịchchứa các quả cầu cứng khác Khu vực màu trắng là phần không gian tự

do có thể đặt khối tâm của quả cầu mới 50

6

3.2 So sánh năng lượng tự do cuốn ∆∆FN −U của protein GB1 phụ thuộcvào nồng độ các đại phân tử đám đông Φc khi áp dụng lý thuyết hạtđiều chỉnh tỷ lệ của Zhou và của Minton Với lý thuyết của Minton, cáctrạng thái cuốn và trạng thái duỗi của protein được coi như các quả cầucứng có bán kính aN = 11.2 ˚A và aU = 16.5 ˚A tương ứng Với lý thuyếtcủa Zhou, trạng thái duỗi của protein được coi là một chuỗi Gaussian

có bán kính hồi chuyển RU

g = 16.5 ˚A trong khi trạng thái cuốn vẫn đượccoi là một quả cầu cứng có bán kính aN = 11.2 ˚A Bán kính của các đạiphân tử đám đông là Rc= 10 ˚A 54

4.1 Minh hoạ thế năng thêm vào (đường nét đứt) để làm giảm độ cao củarào thế trong giản đồ năng lượng tự do của hệ (đường nét liền) 614.2 Các biểu đồ biểu diễn số trạng thái N có năng lượng E tương ứng vớicác mô phỏng tại ba nhiệt độ khác nhau Các nhiệt độ được chọn để cácbiểu đồ phủ nhau 64

5.1 (a) Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng C vào nhiệt độ T cho proteinGB1 (đường liền nét) và cho protein SpA (đường đứt nét) Nhiệt độ tạiđỉnh nhiệt dung riêng Tf là 0.922 cho protein GB1 và 0.804 cho proteinSpA trong hệ đơn vị /kB (b) Sự phụ thuộc của năng lượng tự do Fvào số tiếp xúc cuốn Nccho protein GB1 (đường liền nét) và cho proteinSpA (đường đứt nét) 67

được mô hình hoá như một ống trụ rỗng với một đáy kín và một đáy mởgắn vào một bức tường phẳng Đường hầm thoát có chiều dài L = 100˚A,đường kính d = 15˚A, và tâm của nó chạy dọc theo trục x Tường củađường hầm thoát hoặc là thuần đẩy đối với các amino acid (a), hoặcchứa một vài hạt hút có kích thước tương tự các amino acid (các điểmmàu xanh) được xếp cách đều trên một vòng tròn trên mặt phẳng vuônggóc với trục của đường hầm thoát tại toạ độ x = 70˚A (b) Protein mớisinh mọc từ PTC (điểm màu đỏ trên Hình a) đặt tại gốc toạ độ, và đivào tại đường hầm thoát Các cấu hình minh hoạ được chụp từ một môphỏng MD của protein GB1 71

DANH SÁCH HÌNH VẼ 8

5.3 Đồ thị mô tả thế năng Lennard-Jones (LJ) (a) và thế năng LJ bị cắt (b)

sử dụng trong các mô hình tương tác giữa các amino acid và giữa tườngđường hầm thoát với các amino acid 715.4 Phân bố các cấu hình của protein có chiều dài đầy đủ khi hoàn thànhdịch mã là hàm của số tiếp xúc cuốn, Nc, và bán kính hồi chuyển, Rg,cho protein GB1 ở nhiệt độ T = 0.4/kB (a,b) và T = 0.8/kB (c,d).Phân bố được thu được từ 1000 mô phỏng độc lập tại mỗi nhiệt độ vàcho mỗi tốc độ dịch mã xác định bởi tg được định nghĩa là thời gian cầnthiết để chuỗi polypeptide dài thêm một amino acid Các biểu đồ được

vẽ cho ba tốc độ dịch mã khác nhau ở mỗi nhiệt độ với các giá trị tg

được chú thích trên hình vẽ 745.5 Tương tự như Hình 5.4 nhưng cho SpA với ba tốc độ dịch mã khác nhauứng với tg = 10τ, 50τ, 100τ tại hai nhiệt độ T = 0.4/kB và T = 0.8/kB 755.6 Biểu đồ số lượng các cấu hình xuất hiện trong quá trình cuốn và thoát

ra của protein GB1 (a,b,c) và SpA (d,e,f) là hàm của số amino acidbên ngoài đường hầm thoát (Nout) và số tiếp xúc cuốn được hình thành(Nc) tại đường hầm thoát thuần đẩy tại nhiệt độ T = 0.4/kB cho batrường hợp đường kính đường hầm thoát khác nhau: d = 10˚A(a,d),

d = 15˚A(b,e) và d = 20˚A(c,f) Biểu đồ thu được từ 100 mô phỏng độclập với thời gian dịch mã cho mỗi amino acid là tg = 100τ trong suốtquá trình tổng hợp protein Màu sắc được chỉ ra tương ứng với số lượngcác cấu hình xuất hiện trong quá trình cuốn và thoát ra theo hàm log 775.7 Sự phụ thuộc theo nhiệt độ của thời gian cuốn median tại đường hầmthoát thuần đẩy (tfold), thời gian thoát median (tesc), và thời gian cuốnlại median của protein biến tính tự do (trefold) Thời gian cuốn và thoát

ra được tính từ thời điểm protein mới sinh có chiều dài đầy đủ được giảiphóng khỏi PTC khi dịch mã nhanh với thời gian tổng hợp thêm mỗiamino acid tg = 10τ (a) và dịch mã chậm với tg = 100τ (b) Dữ liệu trênhình vẽ nhận được từ 1000 mô phỏng độc lập tại mỗi nhiệt độ 78

5.8 Sự phụ thuộc vào thời gian của xác suất cuốn thành công, Pfold, với sự

có mặt của đường hầm thoát thuần đẩy (đường nét liền) và khi cuốn lạitrong không gian tự do (đường nét đứt) tại nhiệt độ T = 0.4/kB choGB1 (a) và SpA (b) Thời gian cuốn tại đường hầm thoát được tính từkhi protein có chiều dài đầy đủ được giải phóng từ PTC trong trườnghợp thời gian dịch mã nhanh tg = 10τ 805.9 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do theo số amino acid thoát ra ngoàiđường hầm thoát (Nout) và số tiếp xúc cuốn được hình thành (Nc) choprotein GB1 (a) và SpA (b) trong đường hầm thoát thuần đẩy, tại nhiệt

độ T = 0.4/kB Nout được xét với các giá trị từ 0 tới N − 1, trong đó

N là tổng số amino acid của protein Năng lượng tự do được tính dựatrên mô phỏng lấy mẫu ô và phương pháp phân tích biểu đồ có trọng

số Đường kính đường hầm thoát d = 15 ˚A 825.10 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do F theo toạ độ, xC, của đầu C củaprotein dọc theo trục đường hầm thoát cho đường cuốn chủ yếu của GB1(a) và SpA (b) trong một đường hầm thoát thuần đẩy, tại bốn nhiệt độ

T = 0.4, 0.8, 1.2, và 2.0 /kB 845.11 Hàm phân bố thời gian thoát, τ , từ đường hầm thoát thuần đẩy củaprotein GB1 Biểu đồ chuẩn hoá được tính từ dữ liệu mô phỏng tạinhiệt độ T = 1.2/kB (nét liền) và T = 0.4/kB (nét đứt) thu được từcác mô phỏng với thời gian dịch mã mỗi amino acid tg = 10τ trong quátrình tổng hợp protein Biểu đồ được khớp (đường mịn) bởi hàm phân

bố được cho bởi phương trình (5.10) với x = L Hình góc trên bên phảibiểu diễn sự phụ thuộc của độ lệch chuẩn, σt, theo thời gian thoát trungbình, µt, tại các giá trị nhiệt độ khác nhau là một hàm tuyến tính, nhậnđược với tg = 10τ (vòng tròn) và tg = 100τ (dấu cộng) 86

DANH SÁCH HÌNH VẼ 10

5.12 (a) Sự phụ thuộc của thời gian thoát median từ một đường hầm thoátthuần đẩy vào nhiệt độ của protein GB1 trong hệ toạ độ log-log Hình

vẽ chỉ ra sự phụ thuộc tesc ∼ ζ1.12T−α với α = 0.64 (đường nét liền) khi

T < Tf, và α = 0.92 (đường nét đứt) khi T > Tf Dữ liệu thu được từ

mô phỏng với thời gian mọc mỗi amino acid tg = 10τ trong suốt quátrình dịch mã và tương ứng các hệ số ma sát khác nhau ζ = 2.5, 5 và

10 mτ−1 (b) Tương tự như (a) nhưng với tg = 100τ chỉ tính với mộttrường hợp ζ = 2.5 mτ−1 Hàm fit nhận được với α = 0.6 (đường nétliền) và α = 0.92 (đường nét đứt) 885.13 Tương tự như Hình 5.12 nhưng cho SpA và chỉ được mô phỏng chotrường hợp ζ = 2.5 mτ−1 Các hàm fit trong (a) với số mũ α bằng 0.915

và 1.055 tương ứng với miền nhiệt độ thấp (đường nét liền) và miền nhiệt

độ cao (đường nét đứt) Các số mũ tương ứng với các hàm fit trong (b)theo thứ tự là 0.97 và 1.005 905.14 Biểu đồ số lượng các cấu hình nhận được trong quá trình cuốn và thoát

ra của protein GB1 tại đường hầm thoát có 6 hạt hút Đường kính đườnghầm thoát d = 15 ˚A Biểu đồ thu được từ 100 mô phỏng độc lập tạinhiệt độ T = 0.4 /kB sau khi dịch mã với tg = 10τ Màu sắc được chỉ

ra tương ứng với số lượng các cấu hình xuất hiện trong quá trình cuốn

và thoát ra theo hàm log 915.15 Tương tự như Hình 5.14 cho trường hợp đường hầm thoát có 4 hạt hút 925.16 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do F theo toạ độ bị giữ ξ, là toạ độ xcủa amino acid thứ 48 trong chuỗi (x48) hoặc của đầu cuối C (xC), choprotein GB1 tại đường hầm thoát có 6 hạt hút ở nhiệt độ T = 0.4 /kB(nét liền) và T = 1.2 /kB (nét đứt) Cấu hình của protein thu được từ

mô phỏng tại cực tiểu địa phương của năng lượng tự do 94

5.17 Phân bố thời gian thoát cho protein GB1 tại đường hầm thoát có 4 hạthút ở nhiệt độ T = 1.2/kB (nét liền) và T = 0.4/kB (nét đứt) với thờigian dịch mã cho mỗi amino acid tg = 10τ Phân bố được chuẩn hoá vàkhớp với hàm phân bố được cho bởi phương trình (5.10) Độ lệch chuẩncủa thời gian thoát tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ được vẽ ở hìnhnhỏ ở góc trên bên phải 955.18 Sự phụ thuộc của thời gian thoát median tại một đường hầm thoát với

4 hạt hút vào nhiệt độ của protein GB1 trong đồ thị log-log Dữ liệuthu được từ mô phỏng với hai hệ số ma sát khác nhau ζ = 2.5mτ−1 (ôvuông) và ζ = 5mτ−1 (vòng tròn) và được khớp với phương trình (5.16)với số mũ α = 1.33 (nét liền) và α = 1.02 (nét đứt), tương ứng hai miềnnhiệt độ thấp và cao hơn nhiệt độ cuốn Tf Thời gian dịch mã cho mỗiamino acid là tg = 10τ 95

6.1 Minh hoạ mô hình đám đông đại phân tử với protein được đại diện bởimột chuỗi các amino acid (các hạt nhỏ) và các đại phân tử (các hạt lớn)được giam trong một hộp cầu 1026.2 Sự thay đổi theo tỷ lệ thể tích đại phân tử (Φc) của (a) nhiệt dung riêng

C, (b) năng lượng tự do F của protein GB1 bị giam cầm trong quả cầubán kính Rwall = 50 ˚A, và (c) sự thay đổi của đỉnh nhiệt dung riêng Cmax

và (d) nhiệt độ chuyển pha Tf theo Φc trong ba trường hợp: điều kiệnbiên tuần hoàn (pbc) và điều kiện biên cầu với các bán kính Rwall = 100

˚

A và Rwall = 50 ˚A Các sai số (errorbars) trên hình vẽ được xác định từ

5 kết quả mô phỏng độc lập 103

DANH SÁCH HÌNH VẼ 12

6.3 Sự thay đổi theo nồng độ theo thể tích đám đông đại phân tử Φc củanăng lượng tự do cuốn của protein GB1 trong môi trường đám đông vàmôi trường tự do ∆∆FN −U = ∆FN −U(Φc) − ∆FN −U(0) được khớp với

lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ Kết quả mô phỏng được trình bày cho batrường hợp: điều kiện biên tuần hoàn (pbc), điều kiện biên cầu bán kính

Rwall = 100 ˚A và điều kiện biên cầu bán kính Rwall = 50 ˚A tương ứngvới các điểm màu xanh lá, màu đỏ và màu xanh da trời Theo lý thuyếthạt điều chỉnh tỷ lệ, trạng thái cuốn và trạng thái duỗi của protein đượccoi như các quả cầu cứng bán kính aN và aU tương ứng Trong nghiêncứu này, các bán kính aN và aU được coi là phụ thuộc tuyến tính theonồng độ đám đông khi khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ (Hình con

ở góc trái) 1066.4 Sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn ∆∆FN −U trong môi trường đámđông so với môi trường tự do theo tỷ lệ thể tích đám đông Φc Các ôvuông nhỏ màu xanh lá cây là các dữ liệu thu được từ các mô phỏngthực hiện trong điều kiện biên cầu bán kính Rwall = 100 ˚A Các trạngthái cuốn và trạng thái duỗi của SpA cư xử các quả cầu cứng có bánkính hiệu dụng aN = RNg và aU tương ứng (Hình con ở góc trái) Đườngnét đứt màu xanh lá cây là đường khớp ∆∆FN −U với lý thuyết hạt điềuchỉnh tỷ lệ khi coi các bán kính hiệu dụng aN và aU là các hàm tuyếntính của Φc Với protein SpA, các bán kính hiệu dụng này hầu như khôngphụ thuộc vào nồng độ của các đại phân tử đám đông 109

6.5 Sự thay đổi của độ chênh năng lượng tự do ∆∆F‡−U giữa trạng tháiduỗi (U ) và trạng thái chuyển tiếp (‡) trong môi trường đám đông vàmôi trường tự do theo Φc Các mô phỏng thực hiện cho hai protein GB1

và SpA trong trường hợp điều kiện biên cầu với bán kính Rwall = 100

˚

A Các giá trị ∆∆F‡−U thu được từ mô phỏng (các chấm tròn màu đỏ

và các ô vuông nhỏ màu xanh) phù hợp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ

lệ (đường nét đứt) khi coi các trạng thái duỗi và trạng thái chuyển tiếpcủa protein giống như các quả cầu cứng bán kính hiệu dụng aU và a‡

tương ứng Với protein GB1, aU và a‡ phụ thuộc tuyến tính theo nồng

độ Với protein SpA, aU ∼ 12.6 ˚A và a‡ = 12.2 ˚A Các giá trị của aUđược thể hiện trên các Hình con ở góc trái của Hình 6.3 và Hình 6.4.Các giá trị của a‡và R‡g được thể hiện trên các Hình con ở góc dưới củahình vẽ này 110

Mở đầu

Vật lý sinh học là lĩnh vực hiện nay đang rất được quan tâm trên thế giới và làmột trong những hướng nghiên cứu quan trọng của Vật lý trong thế kỷ 21 [112] Nhiềuvấn đề của sinh học, trong đó có cơ chế hoạt động của các bộ máy sinh học liên quanchặt chẽ đến các quy luật của vật lý Vật lý sinh học ứng dụng các phương pháp và dựatrên các nền tảng của vật lý để nghiên cứu các vấn đề sinh học nhằm mang lại nhữnghiểu biết căn bản cũng như những tiên đoán mang tính định lượng về các hệ sinh học.Đối tượng nghiên cứu bao gồm tất cả các cấp của tổ chức sinh học, từ quy mô phân

tử cho đến toàn bộ sinh vật hoặc hệ sinh thái Bằng cách áp dụng các kiến thức và kỹthuật thực nghiệm từ nhiều chuyên ngành của Vật lý, các nhà lý sinh đã có thể xácđịnh cấu trúc của từng phân tử hay các hệ phức hợp các phân tử sinh học Nhiều quátrình sinh học ở cấp độ phân tử cũng đã được làm sáng tỏ một cách trực tiếp hoặcgián tiếp bằng thực nghiệm Các thành tựu nổi bật về thực nghiệm trong những nămgần đây bao gồm: xác định cấu trúc protein bằng phương pháp tinh thể học protein

sử dụng tia X (bởi Max Perutz và John Kendrew) [110], ứng dụng phổ cộng hưởng từhạt nhân (NMR) trong nghiên cứu cấu trúc và động học của protein [12], kéo dài chuỗiprotein và DNA sử dụng hiển vi lực nguyên tử [20]

Ngày nay, các vấn đề nghiên cứu thường gặp trong vật lý nói chung và đặc biệt

là các bài toán lý sinh nói riêng đều rất phức tạp bởi vì các hệ được nghiên cứu có sốphần tử rất lớn và chúng luôn tồn tại trong trạng thái tương tác với nhau Rất nhiềucác bài toán khó có thể tìm được lời giải giải tích hoặc bằng các phương pháp thôngthường, nhưng lại có thể giải quyết được nhờ sự hỗ trợ của máy tính bằng các phươngpháp mô phỏng Vì vậy, mô phỏng máy tính đã trở thành một công cụ thiết yếu trongcác phương pháp nghiên cứu, bên cạnh các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm Từ

14

vài thập kỷ nay, việc sử dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại trên cơ sở các kiếnthức liên ngành về y học, sinh học, hóa học và vật lý nghiên cứu những vấn đề cơ bảnliên quan đến sự sống đang phát triển mạnh trên thế giới Mô phỏng máy tính cũngđang được áp dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu các cơ chế gây ra các bệnh tật chocon người và thiết kế dược phẩm trên máy tính [53], là những vấn đề có ý nghĩa to lớnđối với sức khoẻ con người.

Trong các vấn đề của sinh học phân tử thì việc nghiên cứu về protein đã và đangrất được quan tâm bởi vì protein là một thành phần không thể thiếu trong sự sống.Gần như mọi hoạt động của cơ thể sống đều có sự tham gia của protein và nó chiếmtới hơn 50% trọng lượng khô của hầu hết các tế bào Rất nhiều vấn đề về protein chođến nay đã được làm rõ Chẳng hạn, chúng ta đã có những hiểu biết đáng kể về cấutrúc và chức năng của nhiều protein và cơ chế cuốn của các protein cầu Tuy nhiên,những hiểu biết của chúng ta về các tính chất và hành xử của protein trong cơ thể sốngcòn rất hạn chế, trong đó có quá trình cuốn của protein trong tế bào Sau khi đượctổng hợp thành chuỗi polypeptide hoàn chỉnh tại ribosome, mỗi loại protein thườngtrải qua một quá trình biến đổi động học về một loại cấu hình duy nhất có lợi về mặtnăng lượng và có thể thể hiện chức năng sinh học dựa trên trình tự amino acid chuyênbiệt [6] Quá trình này gọi là quá trình cuốn (gấp nếp) của protein Nếu protein cuốnsai và không bị phân huỷ hoàn toàn bởi các proteasome trong tế bào thì những proteinnày không chỉ mất đi các hoạt tính sinh học thông thường mà chúng còn có thể kết

tụ thành những cấu trúc dạng sợi không hoà tan (gọi là các sợi amyloid) [70], đượcbiết có thể dẫn đến một số bệnh thoái hoá có tiến triển nghiêm trọng như các bệnhAlzheimer và Parkinson, bệnh bò điên, tiểu đường tuýp II [25, 31, 39, 57, 64, 66]

Vì vậy, nghiên cứu về quá trình cuốn của protein trong các điều kiện bên trong tếbào là đặc biệt cần thiết Quá trình này diễn ra như thế nào? Bị ảnh hưởng ra sao bởicác quá trình sinh tổng hợp protein tại các ribosome? Protein làm cách nào để cuốnchính xác và nhanh chóng trong một môi trường đông đúc, không đồng nhất bên trong

tế bào? Đây là những câu hỏi quan trọng về quá trình cuốn protein trong môi trường

tế bào, mở ra các hướng nghiên cứu về các quá trình phi cân bằng [10, 48, 75, 126], quátrình kết tụ protein [36, 37, 66, 127], hiệu ứng giam cầm protein [137–139], hiệu ứngđám đông đại phân tử [9, 23, 26, 35, 62, 63, 86, 95–101, 120, 134–141] v.v

Do các khó khăn gặp phải khi tiến hành các thí nghiệm quan sát trực tiếp trong

DANH SÁCH HÌNH VẼ 16

cơ thể sống nên các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tínhchất cuốn của protein trong ống nghiệm [5, 6, 55, 58] Cho đến gần đây, nghiên cứuquá trình cuốn của protein mới sinh đã đạt được một số tiến bộ bởi sự phát triểncủa các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Người ta có thể khẳng định rằngprotein mới sinh chịu ảnh hưởng tích cực bởi đường hầm ribosome (ribosomal exittunnel) [10, 22, 32, 33, 71, 75, 84, 102, 111, 132] và các chaperone phân tử liên kết vớiribosome [27,43,58,133] Đường hầm thoát (hay đường hầm ribosome) là một ống chậthẹp nằm trong bán cầu lớn của ribosome, nơi mà protein mới được tổng hợp phải chuiqua để đi vào môi trường tế bào [22, 44] Đường hầm thoát là môi trường đầu tiên màchuỗi polypeptide đối mặt, lại có cấu trúc phức tạp, cứng và chật hẹp [48, 130] Do

đó, đường hầm ribosome ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cuốn của protein mới sinh.Cho đến nay những tác động này vẫn chưa hoàn toàn được làm sáng tỏ Các nghiêncứu thực nghiệm gần đây đã xác nhận rằng chuỗi polypeptide có thể bắt đầu cuốn vàhình thành các xoắn α tại đường hầm thoát [10], và một số tiểu cấu trúc bậc ba tạicổng của đường hầm thoát (exit port) [48, 75] nơi có kích thước mở rộng hơn Nghĩa

là, trong khi lắp ghép các amino acid tạo thành cấu trúc bậc một, thì một phần chuỗipolypeptide vừa được tổng hợp sẽ đồng thời tham gia quá trình cuốn để tạo thành cáccấu trúc bậc hai, bậc ba Quá trình cuốn của protein xảy ra đồng thời với quá trìnhtổng hợp protein (hay dịch mã RNA) được gọi là cuốn đồng dịch mã (cotranslationfolding) Protein chỉ có thể cuốn hoàn chỉnh khi được tổng hợp xong và chui ra ngoàiđường hầm thoát [19, 21, 61]

Tuy nhiên, khi đó, protein lại gặp phải các khó khăn khi thực hiện quá trìnhcuốn trong tế bào chất chứa một lượng lớn các đại phân tử như các protein khác [11],RNA và DNA với nồng độ theo thể tích lên đến 40% [141] Vì vậy, quá trình cuốn củaprotein trong tế bào sẽ chịu ảnh hưởng của một đám đông đại phân tử khiến cho cácprotein trong tế bào sẽ cư xử theo một cách thức hoàn toàn khác với trong ống nghiệm(một số ảnh hưởng của đám đông đại phân tử được chỉ ra trong chương 3 của luận ánnày) Do đó những gì diễn ra trong tế bào có thể khác với các kết quả thu được trongống nghiệm với các giải pháp pha loãng protein ở những mức độ khác nhau Do vậy,việc nghiên cứu các quá trình sinh hoá trong điều kiện thực tế với sự hiện diện củađám đông đại phân tử là thực sự cần thiết cho hiểu biết của chúng ta về sự sống Cộngđồng lý sinh tin rằng, đám đông đại phân tử đóng một vai trò quan trọng trong chức

năng của tế bào Hiệu ứng đám đông có thể ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cuốntrên các khía cạnh: làm tăng tốc độ cuốn vì một protein cuốn gọn gàng chiếm một thểtích nhỏ hơn một chuỗi chưa cuốn [128], làm giảm hiệu quả cuốn vì làm tăng khả năngkết tụ protein [36, 127].

Như vậy, môi trường nội bào với sự tồn tại của rất nhiều các protein mới sinh

và các đại phân tử khác tạo ra một môi trường bất lợi đối với quá trình cuốn củaprotein trong tế bào, dễ cuốn hỏng hoặc kết tụ [36, 127] Do đó, để tối ưu hoá quátrình cuốn của protein, đảm bảo rằng quá trình cuốn là hiệu quả đối với hầu hết cácprotein, thì một số loại protein cần có sự hỗ trợ của một số họ đại phân tử gọi làcác chaperone Một tập hợp các phân tử chaperone sẽ phân chia nhiệm vụ, đón chuỗipolypeptide mới sinh ngay từ lối ra của đường hầm ribosome và hỗ trợ quá trình cuốncủa protein [27, 43, 58, 133] Chaperonin là họ chaperone đứng ở vị trí cuối cùng trongmôi trường nội bào đón các protein cuốn một phần hoặc cuốn lỗi để giúp chúng cuốnlại cho đến khi đạt đến trạng thái tự nhiên hoàn chỉnh Chaperonin có cấu tạo nhưmột cái lồng có dạng trụ rỗng, có thể mở ra để nhận và giải phóng protein, đóng lại đểtạo ra một môi trường hoàn toàn cô lập, mang lại thời gian cũng như không gian cuốnthích hợp giúp protein cuốn thành công [16, 122] Các hiểu biết đại cương về protein vàquá trình cuốn của protein được giới thiệu trong các chương 1, 2, 3 của luận án này.Quá trình cuốn của protein mới sinh diễn ra rất phức tạp, bắt đầu ngay tại đườnghầm ribosome, đồng thời với quá trình dịch mã, và sau đó có thể phải nhờ đến sự hỗtrợ của rất nhiều các chaperone phân tử mới có thể cuốn thành công Ngoài ra, quátrình cuốn này còn xảy ra trong một môi trường đông đúc, ngăn cách, dính và khôngđồng nhất của tế bào Những tính chất này dẫn đến vô vàn các trở ngại về kỹ thuậttrong nghiên cứu thực nghiệm sự cuốn của protein mới sinh Chẳng hạn, với kính hiển

vi huỳnh quang, chúng ta có thể chụp được hình ảnh của các tế bào và có thể nhìnthấy bên trong chúng, nhưng chúng ta không thể quan sát bất cứ điều gì thay đổinhanh chóng hoặc biến đổi theo thời gian, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy bất kỳ

sự chuyển động nào dù là chậm nhất

Sự phức tạp trong môi trường cuốn của protein mới sinh không chỉ gây trở ngạicho các nghiên cứu thực nghiệm mà còn là một thách thức lớn với mô phỏng Có thểchỉ ra vài khó khăn tiêu biểu như: ribosome là một phức hệ rất phức tạp, được hợpthành từ nhiều protein và RNA Kích thước của đường hầm ribosome rất hẹp, không

DANH SÁCH HÌNH VẼ 18

thẳng và có sự mở rộng kích thước trong một số trường hợp Số lượng đại phân tửtrong môi trường nội bào là rất lớn và có bản chất không giống nhau Do đó, số lượngcác đối tượng cần mô phỏng là rất lớn Ngoài ra, các tương tác liên quan cũng rất phứctạp, bao gồm tương tác tĩnh điện, tương tác kị nước, tương tác cộng hoá trị, tương tácVan der Walls, v.v Do đó, mô phỏng quá trình cuốn của protein mới sinh với độ chínhxác cao là một thách thức lớn với các máy tính hiện nay

Hiện nay, rất nhiều nhóm nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới tập trung vàotìm hiểu cơ chế cuốn của các protein trong tế bào Trong khi đó, các nghiên cứu lýthuyết về vấn đề này còn khá nghèo nàn do hạn chế về tốc độ máy tính Trong lịch

sử hơn 50 năm nghiên cứu về quá trình cuốn của protein, và khoảng 20 năm nghiêncứu về quá trình cuốn của protein trong tế bào, chúng ta đã thu được được nhữngthành tựu đáng kể Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã tìm thấy bằng chứngcho thấy các protein mới sinh cuốn đồng dịch mã bên trong đường hầm thoát củaribosome [10, 19, 21, 48, 61, 75, 88, 103] Các nghiên cứu mô phỏng cũng ủng hộ kết luậnnày [33, 103, 105–107] Do tính định hướng của quá trình dịch mã nên quá trình cuốnđồng dịch mã tuân theo cơ chế cuốn vector (cuốn định hướng) [38] Tốc độ dịch mã

có thể ảnh hưởng tới tốc độ cuốn [108, 109] Và ngược lại, sự hình thành của các cấutrúc cuốn giúp protein mới sinh chống lại sự cản trở dịch mã của hầm thoát tác độnglên chuỗi SecM [88, 103] Như vậy, các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào quátrình cuốn đồng dịch mã và mối quan hệ giữa quá trình cuốn và quá trình dịch mã Do

đó, vẫn còn rất nhiều vấn đề liên quan đến quá trình cuốn của chuỗi mới sinh sau dịch

mã và mối quan hệ giữa quá trình cuốn và quá trình thoát khỏi đường hầm ribosomecần được làm rõ Trong khi đó, ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có nhóm nghiên cứunào thực hiện các nghiên cứu về vấn đề này

Vì vậy, để làm phong phú hơn hiểu biết của chúng ta về quá trình cuốn củaprotein, chúng tôi thực hiện nghiên cứu về động lực học cuốn protein trong môi trường

tế bào bằng phương pháp mô phỏng, trong đó tập trung nghiên cứu quá trình cuốn

và thoát ra của protein mới sinh sau dịch mã tại đường hầm ribosome và ảnh hưởngđám đông đại phân tử lên quá trình cuốn protein Do những khó khăn gặp phải khi

mô phỏng số lượng phân tử, nguyên tử rất lớn nên trong nghiên cứu này, chúng tôi sửdụng các mô hình đơn giản hoá cho protein, đường hầm ribosome và cho các đại phân

tử đám đông

Để thực hiện các mô phỏng, chúng tôi sử dụng phương pháp động lực học phân

tử với phương trình chuyển động Langevin [59] và thuật toán Verlet [129] được pháttriển để giải số phương trình này Để thu được các khảo sát cân bằng của quá trìnhcuốn và thoát ra tại đường hầm thoát của protein, chúng tôi sử dụng phương pháplấy mẫu ô (umbrella sampling) [72, 123] và phương pháp phân tích biểu đồ có trọng

số [40, 79] được sử dụng để xử lý số liệu Các phương pháp này được trình bày chi tiếttrong chương 4 của luận án

Để thực hiện nghiên cứu về quá trình cuốn của protein mới sinh, chúng tôi khảosát các đại lượng sau: thời gian cuốn và thoát ra của protein mới sinh tại đường hầmribosome so sánh với thời gian cuốn lại của protein; biểu đồ các cấu hình của proteintrong suốt thời gian cuốn và thoát ra khỏi đường hầm thoát; xác suất cuốn thành côngcủa protein mới sinh khi cuốn tại đường hầm thoát và khi cuốn lại trong môi trường

tự do; các giản đồ năng lượng tự do của protein mới sinh; hàm phân bố của thời gianthoát và sự phụ thuộc của độ lệch chuẩn theo thời gian thoát; sự phụ thuộc của thờigian thoát median theo nhiệt độ Để nghiên cứu hiệu ứng đám đông đại phân tử lênquá trình cuốn của protein, chúng tôi khảo sát nhiệt dung riêng của protein trong sự

có mặt và vắng mặt của các đám đông đại phân tử; chênh lệch năng lượng tự do cuốngiữa hai trường hợp có mặt và vắng mặt đám đông đại phân tử Ngoài ra, các kết quả

mô phỏng được khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ nhằm hiểu rõ hơn về hiện ứngcủa đám đông

Kết quả thu được chỉ ra rằng ở nhiệt độ thấp hơn hoặc gần nhiệt độ cuốn nhanhnhất, quá trình cuốn xảy ra đồng thời với quá trình thoát và làm tăng khả năng cuốnthành công của protein mới sinh Tuy nhiên, sự đồng thời này giảm dần khi nhiệt độtăng Giản đồ địa hình năng lượng tự do chúng tôi thu được từ các mô phỏng sử dụngphương pháp lấy mẫu ô chỉ ra rằng quá trình cuốn của protein tại đường hầm thoáttuân theo cơ chế cuốn định hướng theo một hoặc hai đường cuốn riêng không có bẫyđộng học Cơ chế cuốn này tương đối khác biệt so với quá trình cuốn lại của proteinbiến tính trong ống nghiệm Ngoài ra, rất thú vị là quá trình thoát ra của protein tạiđường hầm thoát có thể được mô tả bởi mô hình khuyếch tán một chiều với tốc độkhuyếch tán khác nhau cho hai vùng nhiệt độ trên và dưới nhiệt độ chuyển pha cuốn

- duỗi Khi thêm vào tương tác hút giữa các amino acid và các hạt hút đặt tại đườnghầm thoát, chúng tôi thu được một hàng rào năng lượng tự do chắn ở gần cổng lối ra

DANH SÁCH HÌNH VẼ 20

của đường hầm thoát Điều này gợi ý rằng, đường hầm thoát với sự xuất hiện của hàngrào năng lượng giúp giữ chuỗi polypeptide có đủ thời gian cần thiết để cuốn chính xáctrước khi được giải phóng khỏi đường hầm thoát

Khi khảo sát hiệu ứng đám đông đại phân tử, chúng tôi thấy rằng, đám đônglàm tăng mức độ ổn định cuốn và khiến các trạng thái không cuốn của protein bó chặthơn Sự thay đổi của độ chênh lệch năng lượng tự do dưới ảnh hưởng của đám đôngphù hợp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ với các điều chỉnh thích hợp về kích thướchiệu dụng của các trạng thái cuốn và không cuốn Ngoài ra, tác động đồng thời củahiệu ứng giam cầm và hiệu ứng đám đông lên sự ổn định cuốn của protein cũng đượclàm rõ

Các kết quả về quá trình cuốn và thoát ra của protein mới sinh sau dịch mã tạiđường hầm ribosome được trình bày trong chương 5 của luận án Các kết quả về tácđộng của đám đông đại phân tử lên quá trình cuốn của protein được trình bày trongchương 6 Chương 7 trình bày các kết luận chung của luận án

Thành phần hoá học và cấu trúc

của protein

Protein được tạo thành từ một hay nhiều chuỗi polypeptide với các trình tựamino acid chuyên biệt Chuỗi polypeptide là polymer được tạo thành từ 20 loại aminoacid Trong số 20 loại amino acid này, 19 loại có cấu trúc cơ bản giống nhau như Hình1.1 (a) Mỗi amino acid có một nguyên tử C trung tâm gọi là Cα liên kết với một

(side chain) R Loại amino acid thứ 20 còn lại là proline có cấu trúc tương tự như cácloại amino acid khác, nhưng nguyên tử C thuộc chuỗi bên của nó liên kết với nguyên

tử N của nhóm amin tạo thành mạch vòng (Hình 1.1 (b))

Hình 1.1: (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline.

21

CHƯƠNG 1 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 22

Hình 1.2: Phản ứng trùng ngưng.

Các tính chất vật lý và hoá học của chuỗi bên xác định các đặc tính duy nhấtcủa amino acid, qua đó quyết định vai trò của amino acid trong chuỗi polypeptide.Dựa trên các tính chất này, các amino acid có thể phân thành các nhóm không phâncực (kị nước), phân cực (ưa nước), tích điện âm (nếu chuỗi bên mang điện tích âm),

và tích điện dương (nếu chuỗi bên mang điện tích dương)

Chuỗi polypeptide được tạo thành bởi phản ứng trùng ngưng các amino acid loại

bỏ đi các phân tử nước được tạo thành từ nhóm OH của nhóm carboxyl và H củanhóm amin Phản ứng này tạo ra các liên kết peptide (Hình 1.2) là liên kết cộng hoátrị giữa nguyên tử C của nhóm carboxyl và nguyên tử N của nhóm amin kề nhau Cácnguyên tử này cùng với các nguyên tử Cα trung tâm tạo thành bộ khung xương chochuỗi polypeptide gọi là mạch xương sống (backbone) của chuỗi polypeptide Toả ra

từ bộ khung này là các chuỗi bên của các amino acid Liên kết peptide tạo ra tính địnhhướng cho chuỗi polypeptide, các nguyên tử N của nhóm amin đều nằm cùng một phíacủa nguyên tử Cα Phía còn lại là các nguyên tử C của nhóm carboxyl Nhóm aminduy nhất không tham gia liên kết peptide tạo thành đầu N của chuỗi polypeptide.Đầu còn lại là đầu C Quá trình dịch mã trong ribosome được tiến hành từ đầu N đếnđầu C của chuỗi để tạo ra cấu trúc bậc nhất của protein

Hình 1.3: Chuỗi polypeptide.

Để phù hợp với sự đa dạng của chức năng, các protein cũng có các cấu trúc rất

đa dạng Mỗi loại protein có một hình dạng ba chiều độc nhất và là những phân tử cócấu trúc tinh vi nhất được biết

β là các thành phần chống đỡ quan trọng của protein

CHƯƠNG 1 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 24

Hình 1.4: Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của protein GB1: (a) Xoắn

α, (b) Phiến β.

Xoắn α

Trong phân đoạn chứa xoắn α, mạch khung của chuỗi polypeptide xoắn lại do sựhình thành của liên kết hydro của nguyên tử O thuộc nhóm carboxyl và nguyên tử Hthuộc nhóm amin của gốc amino acid thứ tư tính từ đầu C (Hình 1.4 (a)) Mỗi vòngxoắn chứa 3.6 amino acid (0.54 nm/vòng) Proline thường không nằm trong xoắn α vìkhông tạo thành được liên kết hydro

Liên kết hydro ổn định của các amino acid trong xoắn α làm mạch khung có dạngtrụ dài, thẳng, từ đó nhóm R của amino acid quay ra ngoài và xác định tính chất kỵnước hoặc ưa nước của xoắn Trong dung dịch, xoắn ưa nước thường nằm tại bề mặtcủa protein, nơi chúng có thể tương tác với môi trường nước, trong khi xoắn kỵ nướcthường vùi trong lõi của protein đã cuốn

Phiến β

Cấu trúc phiến β (β-sheet) được tạo thành từ hai hoặc nhiều mạch β liên kết vớinhau bởi các liên kết hydro hình thành giữa các nguyên tử nằm trên khung của cácmạch β riêng biệt nhưng liền kề (Hình 1.4 (b)) Mỗi mạch β là một phân đoạn ngắn(thường chứa 5 đến 8 amino acid) Liên kết hydro trong mặt phẳng phiến giữ các mạch

β với nhau, các nhóm R gắn phía trên hoặc phía dưới mặt này Do tính định hướngcủa liên kết peptide, các mạch β cạnh nhau có thể cùng chiều hoặc ngược chiều nhau,tạo nên các phiến β song song hoặc phản song song Kẹp tóc β (β-harpin) là một cấutrúc đơn giản của phiến β chỉ gồm có hai mạch β phản song song được nối với nhau

1

α

β2β

bởi một đoạn uốn cong chứa từ 2 đến 5 amino acid

Cấu trúc bậc ba là sự sắp xếp trong không gian của toàn bộ chuỗi polypeptideđược hình thành do sự tương tác giữa các chuỗi bên (các nhóm R) của amino acid(Hình 1.5) Một dạng tương tác đóng góp vào sự hình thành của các cấu trúc bậc ba

là tương tác kỵ nước giữa các chuỗi R không phân cực Khi chuỗi polypeptide cuốn đểtạo thành hình dạng chức năng thì các amino acid có chuỗi bên không phân cực, kỵnước thường quay vào phía trong protein, tránh tiếp xúc với nước Do đó, các aminoacid không phân cực này được dồn lại, nằm sát cạnh nhau, hình thành các tương tácVan der Waals liên kết chúng lại với nhau Thêm vào đó, các liên kết hydro giữa cácchuỗi bên phân cực và liên kết ion giữa các chuỗi bên tích điện cũng giúp ổn định cấutrúc bậc ba Các liên kết này đều là liên kết yếu nhưng dưới tác động cộng gộp, cấutrúc bậc ba ổn định nhưng không cứng nhắc mà luôn dao động nhỏ Thậm chí một sốphân đoạn của cấu trúc bậc ba của protein linh động đến mức chúng được coi là không

có cấu trúc hoặc mất trật tự

Một số protein gồm từ hai hay nhiều chuỗi polypeptide tập hợp thành một đạiphân tử chức năng Cấu trúc bậc bốn là cấu trúc của protein hình thành do sự tậphợp các tiểu đơn vị polypeptide đó

CHƯƠNG 1 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 26

Quá trình sinh tổng hợp protein là quá trình trung tâm trong sinh học, là sựtruyền thông tin di truyền vào các protein 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

Kéo dài chuỗi mRNA: Enzyme polymerase di chuyển dọc theo mạch khuôn DNAtheo chiều 3’ đến 5’ và thay đổi cấu hình để liên kết ổn định vào mạch khuôn đồngthời thực hiện một loạt các chức năng khác: giãn xoắn mạch DNA ở phía trước, tổnghợp chuỗi RNA theo nguyên tắc bổ sung, tách chuỗi RNA khỏi mạch khuôn DNA vàđóng xoắn mạch DNA ở phía sau

Kết thúc phiên mã: khi RNA polymerase đã phiên mã hết chiều dài gene nó dừnglại và giải phóng RNA đã tổng hợp xong và tách khỏi DNA Sau khi được tổng hợp,mRNA di chuyển tới các các ribosome để trực tiếp tổng hợp protein cho tế bào

Trong quá trình dịch mã (translation) là quá trình tổng hợp protein từ tế bàochất, ngôn ngữ 4 bazơ của mRNA được dịch mã thành ngôn ngữ 20 amino acid củaprotein Quá trình giải mã trình tự nucleotide trên mRNA thành trình tự amino acidcần sự tham gia của phân tử tRNA Ở tế bào vi khuẩn, hiện đã xác định được 30-40loại tRNA và ở tế bào động vật và thực vật có khoảng 50-100 loại tRNA Như vậy, mỗi

amino acid (20 loại) có thể gắn với nhiều tRNA Ngoài ra một loại tRNA có thể bắtcặp với nhiều codon trong mã di truyền (61 loại) Để tổng hợp protein, tRNA mangamino acid được hoạt hoá tới khớp với bộ ba nucleotide (còn gọi là bộ ba hay codon)trên mRNA để amino acid đã hoạt hoá gắn vào chuỗi polypeptide đang được tổng hợp.Quá trình dịch mã bao gồm các bước cơ bản sau:

Hoạt hóa amino acid tự do trong tế bào chất: Amino acid được hoạt hóa nhờ gắnvới hợp chất giàu năng lượng adenosinetriphosphate (ATP) Sau đó, các amino acid đãđược hoạt hóa liên kết với tRNA tương ứng để tạo nên phức hợp amino acid - tRNA

Mở đầu chuỗi polypeptide: Các tiểu phần của ribosome lắp ráp gần vị trí khởiđầu dịch mã trên mRNA cùng với tRNA mang methionine có gắn đầu amin sẽ liênkết bazơ với codon mở đầu Phức hợp amino acid mở đầu-tRNA (aa0-tRNA) tiến vàoribosome đối mã của nó khớp với mã mở đầu trên mRNA theo nguyên tắc bổ sung.Kéo dài chuỗi polypeptide: tRNA vận chuyển amino acid thứ nhất tiến vào ri-bosome đối mã với nó (theo nguyên tắc bổ sung) Enzyme xúc tác tạo thành liên kếtpeptide giữa amino acid mở đầu và amino acid thứ nhất Ribosome dịch chuyển đi một

bộ ba trên mRNA làm cho tRNA mở đầu rời khỏi ribosome Tiếp đó, aa2-tRNA tiếnvào ribosome, đối mã của nó khớp với mã thứ hai trên mRNA Liên kết peptide giữa

aa1 và aa2 được tạo thành Sự dịch chuyển lại xảy ra, và cứ tiếp tục như vậy cho đến khiribosome tiếp giáp với bộ ba kết thúc Trong mỗi chu trình kéo dài chuỗi, ribosome trảiqua hai lần biến đổi hình dạng Lần biến đổi hình dạng đầu tiên cho phép tRNA đangtới gắn chặt vào mRNA và tRNA đã hoàn thành nhiệm vụ giải phóng khỏi mRNA.Lần biến đổi hình dạng thứ hai dẫn tới sự dịch chuyển

Kết thúc chuỗi polypeptide: Ribosome chuyển dịch sang bộ ba kết thúc và ngừngquá trình dịch mã Hai tiểu phần của ribosome tách nhau ra Một enzyme đặc hiệuloại bỏ amino acid mở đầu giải phóng chuỗi polypeptide

Protein là một hệ phức tạp với rất nhiều các loại tương tác có cường độ mạnh,yếu khác nhau Để nghiên cứu protein chúng ta cần nắm rõ các loại tương tác này, vaitrò và cường độ của nó trong từng bậc cấu trúc

CHƯƠNG 1 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 28 Liên kết peptide

Liên kết peptide là liên kết cộng hoá trị dọc theo chuỗi polypeptide Đây là liênkết cơ bản hình thành nên cấu trúc bậc một của protein

Liên kết hydro

Bản chất của liên kết hydro chính là tương tác tĩnh điện giữa hai nguyên tử haynhóm nguyên tử bị phân cực (thường xảy ra giữa nguyên tử H của nhóm amin phâncực dương và nguyên tử O của nhóm carboxyl phân cực âm) Liên kết hydro thường

có tính lặp lại và đóng vai trò rất lớn trong việc hình thành và giữ ổn định cấu trúckhông gian bậc cao Đặc biệt, các xoắn α và phiến β được tạo thành bởi các liên kếthydro

Tương tác Van der Waals

Tương tác Van der Waals xuất hiện khi các nguyên tử ở khá gần nhau Khikhoảng cách giữa các nguyên tử rất nhỏ, chúng đẩy nhau Ở khoảng cách lớn, chúnghút nhau Thế năng tương tác Van der Waals thường có dạng Lenard-Jones Thế năngtương tác này cũng giúp hình thành và ổn định cấu trúc bậc cao, tuy nhiên độ lớn củatương tác Van der Waals yếu hơn liên kết hydro vài lần

Tương tác kỵ nước

Tương tác kỵ nước là hệ quả của các tương tác phức tạp giữa các phân tử nướcvới chuỗi bên của các amino acid và giữa các phân tử nước với nhau, trong đó có sựliên quan tới việc hình thành các cấu trúc của nước xung quanh các phân tử chất hoàtan Kết quả của tương tác kỵ nước là sự liên kết giữa các phân tử kỵ nước nằm gầnnhau Phân tử nước có mômen lưỡng cực, tương tác mạnh với các amino acid theohai nhóm: nhóm kỵ nước (hydrophobic group) và nhóm nhóm phân cực (polar group).Các chuỗi bên kỵ nước thường quay vào phía trong của protein để tránh tiếp xúc vớinước, do đó, bị dồn lại gần nhau làm xuất hiện tương tác Van der Waals giữa chúng.Các chuỗi bên phân cực thường có xu hướng nằm trên bề mặt của protein Mặc dùvậy, trên bề mặt protein vẫn tồn tại khoảng 30% các chuỗi bên kỵ nước

Cường độ của các tương tác của protein có thể chia thành hai nhóm Các liênkết cộng hoá trị (liên kết peptide, cầu disulfide) mạnh và bền hơn nhiều các tương táckhông cộng hoá trị (liên kết hydro, tương tác Van der Waals, tương tác kỵ nước, liênkết tĩnh điện) Các liên kết thuộc nhóm thứ nhất khó có thể bị phá vỡ bởi dao độngnhiệt trong khi các liên kết thuộc nhóm thứ hai có thể bị kích thích và bị phá vỡ ởnhiệt độ phòng Vì vậy, các tính chất động học và nhiệt động của protein phụ thuộcchủ yếu vào nhóm liên kết không cộng hoá trị này

Protein được tạo thành từ 20 loại amino acid Quá trình sinh tổng hợp proteindiễn ra tại bán cầu lớn của ribosome Các amino acid có trình tự xác định đượcvận chuyển tới ribosome và được nối với nhau bằng liên kết peptide tạo thành chuỗipolypeptide Trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide không phân nhánh tạothành cấu trúc bậc một của protein Các phân đoạn trong chuỗi polypeptide sắp xếpkhông gian tạo thành cấu trúc bậc hai Cấu trúc bậc ba là sự sắp xếp không gian củatoàn bộ chuỗi polypeptide Một số protein có cấu trúc bậc bốn hình thành do sự tậphợp của hai hay nhiều chuỗi polypeptide tạo thành một đại phân tử chức năng Cấuhình lập thể chính xác mang cấu trúc bậc ba và có thể là bậc bốn được gọi là trạngthái tự nhiên của protein và là cấu hình duy nhất tại đó protein có thể thực hiện đầy

đủ các chức năng sinh học vốn có

tự nhiên của protein, gọi là quá trình cuốn lỗi (misfolding) Protein sẽ mất đi các chứcnăng sinh học vốn có khi nằm ở trạng thái cuốn lỗi.

Như vậy, bài toán cuốn của protein có hai câu hỏi lớn cần được làm rõ là: yếu tốnào quyết định cấu hình tự nhiên của protein? và cơ chế nào giúp protein cuốn nhanh

và chính xác về trạng thái tự nhiên [28, 29]? Có thể chỉ ra sơ lược các khó khăn gặpphải khi tìm câu trả lời cho câu hỏi thứ hai thông qua nghịch lý Levinthal [82, 83] Câuhỏi đặt ra trong nghịch lý Levinthal là: làm thế nào để một protein tìm thấy trạng

30

thái tự nhiên của mình trong khi số cấu hình khả dĩ của protein là vô cùng lớn? Ướclượng đơn giản nhất cho một protein có 100 amino acid và giả sử mỗi amino acid chỉ

có hai định hướng thì protein có tới khoảng 1030 cấu hình Nếu thời gian để chuyểnsang cấu hình khác chỉ cỡ 10−11s, thì để trải qua tất cả các cấu hình protein sẽ cầnmột khoảng thời gian lớn hơn tuổi vũ trụ Thực tế thời gian cuốn của protein quansát được trong thực nghiệm cỡ từ vài phần nghìn giây tới vài giây [52, 69, 90] Nghĩa là,protein sẽ không trải qua tất cả các cấu hình trước khi đạt đến trạng thái tự nhiên.Vậy protein sẽ chịu những ràng buộc gì trong quá trình chọn lọc cấu hình sẽ đi quatrên đường cuốn về trạng thái tự nhiên?

Trước hết, dễ thấy mặt phẳng liên kết peptide là yếu tố đầu tiên quyết định quátrình cuốn của protein Bởi vì liên kết peptide tương tự liên kết đôi nên nguyên tử Ccủa nhóm carboxyl và N của nhóm amin và các nguyên tử gắn trực tiếp với chúng phảinằm trên cùng một mặt phẳng Mặt phẳng liên kết peptide hạn chế hình dạng củaprotein, do đó ảnh hưởng trực tiếp tới số cấu hình trung gian khả dĩ trên đường cuốncủa protein Liên kết peptide không thể tự quay quanh nó Độ linh động của chuỗipolypeptide được quyết định bởi các góc xoay φ và ψ (Hình 1.3) xung quanh các liênkết Cα− N và Cα− C0 trong mạch xương sống của chuỗi polypeptide và phải đảm bảosao cho các nguyên tử của mạch xương sống và các chuỗi phụ không trùng lên nhauhoặc quá gần nhau Ramachandran là người đầu tiên chỉ ra rằng các góc xoay φ và ψ

bị hạn chế bởi các ràng buộc địa phương về không gian của các nguyên tử trong chuỗipolypeptide thông qua các đồ thị Ramachandran (còn gọi là các đồ thị φ-ψ) [115].Như vậy, các ràng buộc trong liên kết peptide và các ràng buộc về không gian đãhạn chế được đáng kể các cấu hình trung gian Tuy nhiên, số lượng các cấu hình khả

dĩ vẫn tăng theo hàm mũ của N (số amino acid trong protein) và do vậy không loại

bỏ được nghịch lý Levinthal

Vậy yếu tố nào đóng vai trò quyết định trong việc xác định cấu hình tự nhiên

- duy nhất mang các đặc trưng sinh học của protein? Năm 1954, Christian Anfinsencông bố các kết quả thực nghiệm về quá trình cuốn của protein biến tính trong ốngnghiệm và đã cho ta lời giải đáp cho câu hỏi trên, đó là, trình tự amino acid của chuỗi

CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM 32

polypeptide xác định cấu trúc bậc hai, bậc ba và bậc bốn của protein [6]

Các protein biến tính (denatured protein) được tạo ra bằng cách thay đổi độ pH,nhiệt độ hoặc sử dụng các chất hoà tan gây biến tính như urea v.v Dưới các điều kiệnbiến tính, protein tự duỗi ra, các liên kết không cộng hoá trị yếu bị phá vỡ do entropytăng nhanh Các thí nghiệm của Anfinsen đã cho thấy một kết quả rất thú vị, đó làkhi đưa mẫu chứa một loại protein tinh sạch, ở trạng thái biến tính về điều kiện bìnhthường (nhiệt độ cơ thể, pH và nồng độ muối trong dung dịch giống như trong tế bào,không có chất gây biến tính) thì hầu hết các chuỗi polypeptide đã biến tính có thểphục hồi cấu hình tự nhiên mang hoạt tính sinh học Hầu hết protein bị biến tính nếu

nó được chuyển từ môi trường nước sang dung môi hữu cơ Chuỗi polypeptide tháoxoắn làm cho vùng kỵ nước đối mặt với chất hoà tan Các tác nhân khác phá huỷ cácliên kết hydro, liên kết ion, do đó phá huỷ các vùng cấu trúc bền vững của protein

Sự biến tính có thể do sự tăng nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến các thănggiáng nhiệt động của các nguyên tử trong chuỗi polypeptide và trong môi trường nộibào đủ lớn để quá vỡ các tương tác yếu có vai trò duy trì ổn định cấu trúc Trong một

số điều kiện, thông thường ở nồng độ protein cao, protein biến tính không thể phụchồi về trạng thái tự nhiên Chẳng hạn, lòng trắng trứng trở nên đục khi nấu vì cácprotein biến tính kết tụ thành các thể rắn và không hoà tan

Ở điều kiện dung dịch loãng, khi các tác nhân gây biến tính bị loại bỏ, nhiệt độ

và nồng độ các chất trong dung dịch tương tự như ở điều kiện tự nhiên, thì proteinbiến tính có thể trở lại hình dạng cuốn Kết quả này gợi ý rằng thông tin xác địnhhình dạng đặc trưng của protein nằm chính trong cấu trúc bậc một của protein haynói cách khác trạng thái tự nhiên của protein là do trình tự các amino acid của chuỗipolypeptide quy định Trình tự các amino acid xác định hình dạng protein - ở đâuchuỗi xoắn α được hình thành, ở đâu phiến β được hình thành, ở đâu có liên kết ion Thêm vào đó, quan sát cho thấy “các protein có trình tự amino acid tương đồng sẽ cócấu trúc lập thể tương đồng” là bằng chứng khác cho thấy trình tự amino acid xácđịnh cấu hình tự nhiên của protein

Tóm lại, trình tự chuỗi amino acid là đủ để xác định cấu trúc ba chiều của nó.Quá trình cuốn lại của protein biến tính là tự phát và không cần sự hỗ trợ của các yếu

tố liên quan [5] Phát hiện của Anfinsen đã trả lời cho câu hỏi yếu tố nào quyết địnhcấu hình tự nhiên của protein và mang lại cho ông giải Nobel Hoá học năm 1972

Hình 2.1: Địa hình năng lượng kiểu sân golf trong nghịch lý Levinthal.

Mỗi cấu hình protein có một năng lượng xác định Trên cơ sở nhiệt động học

có thể coi trạng thái tự nhiên là cấu hình có năng lượng thấp nhất Quá trình cuốnprotein có thể coi là quá trình tiến về trạng thái tự nhiên có năng lượng thấp nhấttrên một địa hình năng lượng (energy landscape) xác định bởi năng lượng của tất cảcác trạng thái trong không gian cấu hình Có thể hình dung địa hình năng lượng là bềmặt năng lượng của protein trong một không gian nhiều chiều của các bậc tự do củaprotein

Điểm mấu chốt trong nghịch lý Levinthal, coi các cấu hình khả dĩ hoàn toàn bìnhđẳng và tương đương nhau Chuỗi polypeptide sẽ tìm tới trạng thái tự nhiên theo mộtcách hoàn toàn ngẫu nhiên, không ưu tiên Địa hình năng lượng Levinthal khi đó sẽgiống như một sân golf với nền phẳng với một cái lỗ tương ứng với cực tiểu năng lượngcủa trạng thái tự nhiên Trong thực tế, địa hình năng lượng của protein không giốngđịa hình năng lượng Levinthal

Onuchic và các cộng sự đã đưa ra ý tưởng về phễu cuốn (folding funnel) [18] choprotein như mô tả trên Hình 2.2 Bề rộng của phễu tương ứng với số cấu hình khả dĩhoặc entropy của hệ tại mức năng lượng tương ứng Năng lượng càng thấp, phễu cànghẹp, thể hiện số cấu hình tương ứng giảm Ở vị trí sâu nhất của phễu, năng lượng làcực tiểu và chỉ tương ứng với một cấu hình khả dĩ duy nhất là trạng thái tự nhiên củaprotein Quá trình cuốn trong phễu cuốn là quá trình giảm năng lượng đồng thời với

CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM 34

Hình 2.2: Phễu cuốn mô tả mối quan hệ giữa năng lượng và entropy Bề mặt gồ ghề của phễu cuốn mô tả các bẫy động học.

giảm entropy về trạng thái tự nhiên

Giả thiết về phễu cuốn cho phép protein nhanh chóng cuốn về trạng thái tự nhiên,bởi vì số cấu hình mà protein có thể có giảm dần theo năng lượng Nó đã phần nàomang lại lời giải đáp cho nghịch lý Levinthal và lý giải được cơ chế giúp protein cuốnnhanh về trạng thái tự nhiên Chú ý rằng giả thiết phễu cuốn chỉ cho ta cấu trúc nănglượng của hệ chứ không mô tả sự kết nối động lực học giữa các trạng thái Ví dụ, giữahai trạng thái có cùng năng lượng có thể tồn tại một bờ thế mà protein phải vượt quakhi chuyển từ một trạng thái sang trạng thái còn lại Do vậy, việc protein cuốn nhanhhay chậm còn phụ thuộc vào địa hình năng lượng có trơn mượt hay không Các môhình protein đơn giản trên mạng [30,60] ủng hộ sự tồn tại của phễu cuốn cho các chuỗicuốn nhanh (fast folder) cùng với các bẫy động học mà protein có thể gặp phải trongquá trình cuốn

Protein được đặc trưng bởi sự tồn tại đồng thời của nhiều tương tác cạnh tranhgiữa 20 loại amino acid khác nhau Khi protein không thể đáp ứng tất cả các tươngtác cùng một lúc ở trạng thái tự nhiên, sẽ dẫn tới một tình trạng gọi là “thất vọng(frustration)” Do sự cạnh tranh và xung đột giữa các tương tác nên địa hình nănglượng sẽ không mịn mà là một bề mặt gồ ghề, có các cực tiểu địa phương làm chậmtốc độ cuốn [17, 30, 59] Protein sẽ cuốn nhanh nhất nếu sự thất vọng là tối thiểu.Nguyên lý thất vọng tối thiểu (principle of minimum frustration) được đưa ra vàonăm 1989 bởi Bryngelson và Wolynes [18] dựa trên lý thuyết về spin glass Nguyên lýnày nói rằng trình tự amino acid của protein trong tự nhiên đã được tối ưu hoá thôngqua quá trình chọn lọc tự nhiên sao cho sự thất vọng gây ra bởi xung đột giữa các

tương tác trong trạng thái tự nhiên là tối thiểu Với thất vọng tối thiểu, địa hình nănglượng của protein không có hoặc chỉ bao gồm một số ít các bẫy động học, tương ứngvới một bề mặt năng lượng trơn mượt.

Các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng cho thấy các bẫy động học luôn tồn tạitrong địa hình năng lượng của protein Ở nhiệt độ thấp, các bẫy động học làm chậmđáng kể tốc độ cuốn của protein Thậm chí, có thể tồn tại chuyển pha thuỷ tinh ởnhiệt độ thấp, khi đó protein không thể cuốn về trạng thái tự nhiên trong thời gianhữu hạn Một số nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng một số tính chất gần với độnghọc thuỷ tinh có thể quan sát được trong động học cuốn của một số protein ở nhiệt

độ thấp

Nguyên lý thất vọng tối thiểu có thể được coi là một cách phát biểu khác củanguyên lý nhất quán tối đa (principle of maximum consistency) đưa ra trước đó bởi

Go vào năm 1981 [50] Go cho rằng có một sự nhất quán giữa cấu trúc trạng thái tựnhiên (trạng thái native) của protein và các tương tác giữa các amino acid sao cho cáctiếp xúc trong trạng thái tự nhiên có năng lượng thấp nhất Đây cũng là cơ sở của môhình Go với các thế năng được xây dựng dựa trên cấu trúc trạng thái tự nhiên đượcxét đến trong chương 5 Mô hình Go gần với mô hình Ising trong sắt từ ở khía cạnhcực tiểu hoá thất vọng

Mô hình hai trạng thái là một mô hình cơ bản trong lý thuyết về tốc độ phảnứng, áp dụng rộng rãi cho nhiều quá trình vật lý khác nhau như phản ứng hoá học, cácquá trình khuyếch tán, ngưng tụ Thực nghiệm đã xác nhận rằng mô hình đơn giảnnày cũng là cơ chế phổ biến có thể sử dụng để mô tả động học của quá trình cuốn của

đa số các protein nhỏ, đơn miền với giả định rằng chỉ có hai trạng thái tồn tại đáng

kể trong quá trình cuốn là trạng thái cuốn N (native state) và trạng thái không cuốn

U (unfolded hay denatured state) [65, 67–69, 89, 113] Một số protein khác có thể cuốn

CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM 36

Hình 2.3: Giản đồ năng lượng tự do trong mô hình cuốn hai trạng thái.

theo cơ chế ba trạng thái với sự tham gia đáng kể của một trạng thái trung gian trongquá trình cuốn [41, 52]

Trong mô hình hai trạng thái, giản đồ năng lượng tự do được đặc trưng bởi mộtrào thế lớn ngăn cách trạng thái cuốn và không cuốn là các cực tiểu của năng lượng

tự do theo tiến trình phản ứng (Hình 2.3) Trong giản đồ này, ∆F là độ chênh nănglượng tự do giữa hai trạng thái cuốn và duỗi ∆F đặc trưng cho mức độ ổn định củatrạng thái cuốn và được gọi là năng lượng tự do cuốn (folding free energy) ∆FN và

∆FU lần lượt là độ cao của các bờ thế xuất phát từ các trạng thái duỗi và trạng tháicuốn (xem Hình 2.3) Các bờ thế này quyết định tốc độ cuốn (kf) và tốc độ duỗi (ku)tuân theo định luật Van’t Hoff - Arrhennius:

trong đó PN và PU lần lượt là xác suất tìm thấy hệ ở trạng thái N và U , PN+ PU = 1.

kf là tốc độ chuyển trạng thái từ U sang N và ku là tốc độ chuyển trạng thái từ Nsang U Sử dụng các điều kiện biên ta thu được nghiệm của phương trình có dạng:

Trong mô hình hai trạng thái, trạng thái chuyển tiếp (transition state) đóng vaitrò quan trọng trong quá trình chuyển trạng thái từ trạng thái không cuốn sang trạngthái cuốn và ngược lại Trạng thái chuyển tiếp là trạng thái tương ứng với vị trí có nănglượng tự do lớn nhất dọc theo trục phản ứng trên Hình 2.3 [125] Trạng thái chuyểntiếp là một tập hợp nhiều trạng thái có năng lượng tự do lớn, tồn tại trong thời gianrất ngắn trong quá trình chuyển trạng thái Trạng thái chuyển tiếp đặc trưng cho bướcgiới hạn tốc độ chuyển trạng thái theo phương trình 2.1 Có thể hình dung trạng tháichuyển tiếp giống như nút thắt cổ chai trong dòng chảy của nước Năng lượng tự dotương ứng với trạng thái chuyển tiếp càng lớn thì nút thắt càng nhỏ, và tốc độ chuyểntrạng thái càng chậm

Protein tồn tại hoặc ở trạng thái cuốn, hoặc ở trạng thái duỗi, hiếm khi tìm thấy

nó ở trạng thái chuyển tiếp [42] Khi quá trình chuyển trạng thái xảy ra, protein nhanhchóng băng qua trạng thái chuyển tiếp Tại điểm chuyển pha cuốn-duỗi hàm phân bốtrạng thái đạt các cực đại rất sắc nét tại hai trạng thái: cuốn và không cuốn

CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM 38

Hình 2.4: Minh hoạ quá trình chuyển trạng thái thông qua góc nhìn cổ điển Quả bóng chỉ có thể chuyển hố khi nó tới được đỉnh năng lượng nằm giữa hai hố thế Tương tự, quá trình chuyển trạng thái của protein chỉ xảy ra khi protein đạt tới trạng thái chuyển tiếp.

Trạng thái chuyển tiếp là trạng thái quan trọng nhất trong lộ trình cuốn hoặcduỗi của các protein Trạng thái chuyển tiếp có năng lượng tự do cực đại và do vậy,không phải là trạng thái ổn định Giống như một quả bóng lên một đỉnh đồi, chỉ cầnquả bóng hơi dịch về phía trạng thái cuốn, sự chênh lệch năng lượng tự do sẽ ngay lậptức kéo nó về cực tiểu ứng với trạng thái cuốn và tương tự, hơi dịch về phái trạng tháiduỗi, protein sẽ lao về phía cực tiểu năng lượng tự do ứng với trạng thái duỗi

Như vậy, quá trình chuyển trạng thái chỉ xảy ra khi protein đạt tới trạng tháichuyển tiếp Trạng thái chuyển tiếp bao gồm hai phần: phần cấu trúc đã cuốn, có xuhướng kéo nó về trạng thái cuốn hoàn toàn và phần cấu trúc chưa cuốn có xu hướngtháo cuốn, kéo nó về trạng thái duỗi Phần cấu trúc đã cuốn trong trạng thái chuyểntiếp được coi là nhân cuốn (folding nucleus) Thuật ngữ nhân cuốn lần đầu tiên được

đề xuất bởi Go [49] Việc xác định nhân cuốn và cơ chế tạo nhân cuốn được coi làvấn đề mấu chốt trong việc tìm hiểu cơ chế cuốn của protein và đã được nghiên cứurất nhiều trên cả phương diện lý thuyết và thực nghiệm Bằng phương pháp tạo cácđột biến trong chuỗi amino acid của protein, còn gọi là phương pháp kỹ nghệ protein(protein engineering), người ta đã có thể xác định các amino acid nào đóng góp lớnnhất vào việc hình thành nhân cuốn [42] Mặc dù vậy, cấu trúc của nhân cuốn cũngnhư của trạng thái chuyển tiếp cho đến nay vẫn còn là vấn đề chưa được hiểu rõ vàcòn cần làm sáng tỏ