Động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào (TT)

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 Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2016 Công trình hoàn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trịnh Xuân Hoàng Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam Mở đầu Tính cấp thiết luận án Vật lý sinh học lĩnh vực quan tâm giới hướng nghiên cứu quan trọng Vật lý kỷ 21 Ngày nay, vấn đề nghiên cứu thường gặp vật lý nói chung đặc biệt toán lý sinh nói riêng phức tạp hệ nghiên cứu có số phần tử lớn chúng tồn trạng thái tương tác với Rất nhiều toán khó tìm lời giải giải tích phương pháp thông thường, lại giải nhờ hỗ trợ máy tính phương pháp mô Từ vài thập kỷ nay, việc sử dụng phương pháp mô đại sở kiến thức liên ngành y học, sinh học, hóa học vật lý nghiên cứu vấn đề liên quan đến sống phát triển mạnh giới Mô máy tính áp dụng hiệu việc nghiên cứu chế gây bệnh tật cho người thiết kế dược phẩm máy tính, vấn đề có ý nghĩa to lớn sức khoẻ người Trong vấn đề sinh học phân tử việc nghiên cứu protein quan tâm protein thành phần thiếu sống Rất nhiều vấn đề protein làm rõ Tuy nhiên, hiểu biết tính chất hành xử protein thể sống hạn chế, có trình protein tế bào Sau tổng hợp thành chuỗi polypeptide hoàn chỉnh ribosome, loại protein thường trải qua trình biến đổi động học loại cấu hình có lợi mặt lượng thể chức sinh học dựa trình tự amino acid chuyên biệt Quá trình gọi trình protein Nếu protein sai không bị phân huỷ hoàn toàn proteasome tế bào protein không hoạt tính sinh học thông thường mà chúng kết tụ thành cấu trúc dạng sợi không hoà tan, biết dẫn đến số bệnh thoái hoá có tiến triển nghiêm trọng bệnh Alzheimer Parkinson, bệnh bò điên, tiểu đường tuýp II Vì vậy, nghiên cứu trình protein điều kiện bên tế bào đặc biệt cần thiết Quá trình diễn nào? Bị ảnh hưởng trình sinh tổng hợp protein ribosome? Protein làm cách để xác nhanh chóng môi trường đông đúc bên tế bào? Do khó khăn gặp phải tiến hành thí nghiệm quan sát trực tiếp thể sống nên nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tính chất protein ống nghiệm Cho đến gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu thực nghiệm giới tập trung vào tìm hiểu chế protein tế bào Trong đó, nghiên cứu lý thuyết vấn đề nghèo nàn hạn chế tốc độ máy tính Trong lịch sử 50 năm nghiên cứu trình protein, khoảng 20 năm nghiên cứu trình protein tế bào, thu được thành tựu đáng kể Các nghiên cứu gần tìm thấy chứng cho thấy trình protein sinh xảy đồng thời với trình dịch mã bên đường hầm thoát ribosome Do tính định hướng trình dịch mã nên trình đồng dịch mã tuân theo chế vector (cuốn định hướng) Tốc độ dịch mã ảnh hưởng tới tốc độ Và ngược lại, hình thành cấu trúc giúp protein sinh chống lại cản trở dịch mã hầm thoát tác động lên chuỗi SecM Như vậy, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào trình đồng dịch mã mối quan hệ trình trình dịch mã Do đó, nhiều vấn đề liên quan đến trình chuỗi sinh sau dịch mã mối quan hệ trình trình thoát khỏi đường hầm ribosome cần làm rõ Trong đó, Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu thực nghiên cứu vấn đề Vì vậy, để làm phong phú hiểu biết trình protein, thực nghiên cứu động lực học protein môi trường tế bào phương pháp mô phỏng, tập trung nghiên cứu trình thoát protein sinh sau dịch mã đường hầm thoát ribosome ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên trình protein Do khó khăn gặp phải mô số lượng phân tử, nguyên tử lớn nên nghiên cứu này, sử dụng mô hình đơn giản hoá cho protein, đường hầm thoát ribosome cho đại phân tử đám đông 2 Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu ảnh hưởng đường hầm thoát ribosome lên trình protein sinh ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên protein Các nội dung nghiên cứu luận án Các hiểu biết đại cương protein trình protein giới thiệu chương 1, 2, luận án Chương luận án trình bày phương pháp sử dụng để thực mô xử lý số liệu Các kết trình thoát protein sinh sau dịch mã đường hầm thoát ribosome trình bày chương luận án Các kết tác động đám đông đại phân tử lên trình protein trình bày chương Chương trình bày kết luận chung luận án Chương Thành phần hoá học cấu trúc protein 1.1 Thành phần hoá học protein Protein tạo thành từ hay nhiều chuỗi polypeptide với trình tự amino acid chuyên biệt Chuỗi polypeptide polymer tạo thành từ 20 loại amino acid Trong đó, 19 loại có cấu trúc giống Mỗi amino acid có nguyên tử C trung tâm gọi Cα liên kết với nguyên tử H , nhóm carboxyl COOH , nhóm amin N H2 , chuỗi bên R Loại amino acid thứ 20 lại proline có nguyên tử C thuộc chuỗi bên liên kết với nguyên tử N nhóm amin tạo thành mạch vòng 1.2 Các bậc cấu trúc protein Cấu trúc bậc protein trình tự amino acid chuỗi polypeptide mạch thẳng, không phân nhánh, liên kết với liên kết peptide Cấu trúc bậc hai xếp không gian mang tính địa phương phân đoạn chuỗi polypeptide Cấu trúc bậc hai tạo thành nhờ liên kết hydro nguyên tử H nhóm amin nguyên tử O thuộc nhóm carboxyl mạch khung, thường có tính lặp lại (b) N (a) β2 N β1 α1 α1 β4 C α2 α3 β3 GB1 C SpA Hình 1.1: Biểu diễn dạng ruy băng cấu trúc bậc ba hai protein sử dụng nghiên cứu này: GB1(a) SpA (b) Cấu trúc bậc ba xếp không gian toàn chuỗi polypeptide hình thành tương tác chuỗi bên amino acid Cấu trúc bậc bốn cấu trúc protein hình thành tập hợp tiểu đơn vị polypeptide thành đại phân tử chức 1.3 Sinh tổng hợp protein Quá trình sinh tổng hợp protein truyền thông tin di truyền vào protein chức năng, gồm hai giai đoạn: phiên mã dịch mã Phiên mã trình tổng hợp mRNA Trình tự nucleotide phân tử DNA chép thành trình tự nucleotide phân tử mRNA Dịch mã trình tổng hợp protein từ tế bào chất, ngôn ngữ bazơ mRNA dịch mã thành ngôn ngữ 20 amino acid protein Để tổng hợp protein, tRNA mang amino acid hoạt hoá tới khớp với ba nucleotide mRNA để gắn vào chuỗi polypeptide tổng hợp 1.4 Các tương tác protein Protein hệ phức tạp với nhiều loại tương tác có cường độ mạnh, yếu khác Các liên kết cộng hoá trị (liên kết peptide, cầu disulfide) mạnh bền nhiều tương tác không cộng hoá trị (liên kết hydro, tương tác Van der Waals, tương tác kỵ nước, liên kết tĩnh điện) Các liên kết thuộc nhóm thứ khó bị phá vỡ dao động nhiệt liên kết thuộc nhóm thứ hai bị kích thích bị phá vỡ nhiệt độ phòng Vì vậy, tính chất động học nhiệt động protein phụ thuộc chủ yếu vào nhóm liên kết không cộng hoá trị Chương Hiện tượng protein ống nghiệm 2.1 Hiện tượng protein ống nghiệm Năm 1954, Christian Anfinsen công bố kết thực nghiệm trình protein biến tính ống nghiệm cho thấy trình tự amino acid chuỗi polypeptide xác định cấu trúc bậc hai, bậc ba bậc bốn protein 2.2 Địa hình lượng protein Quá trình protein coi trình tiến trạng thái tự nhiên có lượng cực tiểu địa hình lượng xác định lượng tất trạng thái không gian cấu hình Ý tưởng phễu cho protein (Hình 2.1) cho trình phễu trình giảm lượng đồng thời với giảm entropy trạng thái tự nhiên Do cạnh tranh xung đột tương tác, nên địa hình lượng bề mặt gồ ghề Các nghiên cứu lý thuyết mô cho thấy bẫy động học tồn địa hình lượng protein, làm chậm đáng kể tốc độ protein nhiệt độ thấp 2.3 Cơ chế protein Thực nghiệm xác nhận mô hình hai trạng thái chế phổ biến sử dụng để mô tả động học trình đa số protein nhỏ, đơn miền với giả định có hai trạng thái tồn đáng kể trình trạng thái N trạng thái không U Trong mô hình hai trạng thái, giản đồ lượng tự đặc trưng rào lớn ngăn cách trạng thái không cực tiểu lượng tự theo tiến trình phản ứng ∆F đặc trưng cho mức độ ổn định trạng thái gọi lượng tự Hình 2.1: Phễu mô tả mối quan hệ lượng entropy Bề rộng phễu tương ứng với số cấu hình (entropy) Năng lượng thấp, phễu hẹp, thể số cấu hình tương ứng giảm Bề mặt gồ ghề phễu mô tả bẫy động học Hình 2.2: Giản đồ lượng tự mô hình hai trạng thái Trong giản đồ này, ∆F độ chênh lượng tự hai trạng thái duỗi ∆FN ∆FU độ cao bờ xuất phát từ trạng thái duỗi trạng thái cuốn (Hình 2.2) Tốc độ kf tốc độ duỗi ku tuân theo định luật Van’t HoffArrhennius: kf,u ∼ e− ∆FN,U kB T Trong mô hình hai trạng thái, trạng thái chuyển tiếp tập hợp nhiều trạng thái tương ứng với vị trí có lượng tự lớn dọc theo trục phản ứng Hình 2.2, tồn thời gian ngắn trình chuyển trạng thái Quá trình chuyển trạng thái xảy protein đạt tới trạng thái chuyển tiếp Trạng thái chuyển tiếp bao gồm hai phần: phần cấu trúc (được coi nhân cuốn), có xu hướng kéo trạng thái hoàn toàn phần cấu trúc chưa có xu hướng tháo cuốn, kéo trạng thái duỗi Cơ chế protein với hình thành nhân tương tự ngưng tụ nước Khi kích thước giọt chất lỏng hình thành nước tích tụ đủ lớn, đạt tới ngưỡng tới hạn, giọt chất lỏng nhanh chóng thu hút hạt khác hình thành pha lỏng Mặc dù protein hệ hữu hạn, chế hai trạng thái protein có nhiều điểm tương đồng với chuyển pha loại I Tại nhiệt độ chuyển pha, protein chuyển từ trạng thái sang không cuốn, lượng tự protein thăng giáng mạnh nhiệt dung riêng đạt cực đại Tại nhiệt độ nhiệt độ chuyển pha, lượng nhiệt động thấp, protein nằm trạng thái Khi nhiệt độ lớn nhiệt độ chuyển pha, protein tồn pha duỗi Vì vậy, nhiệt độ chuyển pha gọi nhiệt độ Tf Khi nhiệt độ Tf chuyển dịch phía nhiệt độ cao, protein bắt đầu tháo nhiệt độ lớn hơn, protein bền vững Chương Hiện tượng protein môi trường tế bào 3.1 Hiện tượng protein sinh tế bào Chuỗi polypeptide sinh tổng hợp bán cầu lớn PTC ribosome Trong bán cầu lớn có đường hầm thoát hẹp dẫn protein sinh từ nơi tổng hợp tới môi trường tế bào Đường hầm thoát ribosome có chiều dài ˚ ˚ tuỳ thuộc vào cách định nghĩa cổng Đường kính đường cỡ 80 A-100 A ˚ không hoàn toàn thẳng Do kích thước chật hẹp hầm thoát thay đổi từ 10-20 A mình, đường hầm ribosome tạo số rào cản không gian cho hình thành bậc cấu trúc protein sinh Các đơn vị cấu trúc đơn giản xoắn α phiến β có hình thành đường hầm thoát số vùng cấu trúc nhỏ bậc ba hình thành cổng đường hầm thoát nơi có kích thước mở rộng Quá trình hoàn thiện protein xảy bên đường hầm thoát Sự tác động đường hầm lên trình protein thực nghiệm trình tác động tích cực không thụ động Khi chuỗi polypeptide đường hầm thoát, số thành phần cấu tạo nên đường hầm thay đổi hình dạng, giúp mở rộng không gian giam cầm, tạo điều kiện thuận lợi cho protein Mặt đường hầm có chất ưa nước cho phép chuỗi sinh chui dễ dàng, không bị cản trở Gần đây, Pande cộng tính sơ đồ lượng tự cho đơn amino acid, nhận thấy đường hầm có ảnh hưởng khác với amino acid khác Điều gợi ý vai trò nhận diện amino acid đường hầm Tuy nhiên, có điểm chung, mặc cho khác tính chất hoá lý amino acid, rào chắn lượng tự lớn gần lối xuất hầu hết amino acid bán kính Van der Waals hạt ảo giả định cấu trúc thành mặt đường hầm thoát Thế cho (5.2) sử dụng cho tương tác đẩy cổng đường hầm thoát tường phẳng bao đáy đường hầm thoát amino acid Kết thực nghiệm nhóm Pande cho thấy tồn hàng rào lượng tự chắn cổng lối đường hầm thoát Ngay trước rào chắn này, gần vị ˚ cực tiểu lượng tự Để bắt chước chế cổng chắn trí x = 70 A đường hầm thoát, đặt vào tường đường hầm thoát số hạt ˚ Vị trí hạt hút chọn để tạo hút nằm vị trí cách PTC 70 A cực tiểu lượng gần khớp với vị trí cực tiểu lượng tự tính cho đơn amino acid thực nghiệm nhóm Pande Các hạt hút có bán ˚ đặt mặt đường hầm thoát Các hạt hút kính VdW 2.5A xếp đều, cố định vòng tròn mặt phẳng vuông góc với trục đường hầm thoát (Hình 5.1b) Trong nghiên cứu này, số hạt hút chúng tương tác với tất amino acid theo LJ 5.3 Phương pháp lấy mẫu ô cho protein đường hầm thoát Quá trình thoát đường hầm thoát protein trình không cân Tại vị trí đường hầm thoát xuất vài cấu hình chí không lưu lại cấu hình Trong đó, cần lấy mẫu tất cấu hình vị trí đường hầm thoát Vì vậy, để lấy mẫu cấu hình với phần protein bị mắc kẹt đường hầm thoát, sử dụng kỹ thuật lấy mẫu ô với giữ có dạng điều hoà Thế giữ hạt C giữ hạt thứ 48 chuỗi polypeptide (trong trường hợp kẹp tóc-β đầu C GB1 hình thành đường hầm thoát) dao động quanh vị trí đặt năng, chuỗi trải qua cấu hình thời gian mô đủ lớn 5.4 Sự thoát đường hầm thoát đẩy Trước tiên, khảo sát protein sinh chúng thoát khỏi đường hầm ribosome hoàn toàn đẩy amino acid Mô trình đồng dịch mã chuỗi polypeptide tổng hợp đường hầm thoát Tốc độ dịch mã đặc trưng tg thời gian cần thiết để chuỗi polypeptide gắn thêm amino acid Thời gian tổng hợp 14 (c) (b) (a) GB1, d=15 Å GB1, d=10 Å 40 103 40 103 10 (d) 20 30 Nout 40 50 10 20 30 Nout 40 50 10 102 20 Nc Nc 60 10 40 to 10 20 30 Nout 40 50 60 30 Nout 40 50 60 SpA, d=20 Å 107 80 106 60 10 104 40 103 10 20 10 0 to 20 106 104 10 10 (f) 107 80 106 60 102 0 SpA, d=15 Å 107 103 60 (e) SpA, d=10 Å 80 104 40 to 60 105 60 20 10 0 to 102 20 10 10 Nc Nc 102 20 105 60 106 80 Nc 10 107 100 106 80 105 60 GB1, d=20 Å 107 100 106 80 Nc 107 100 105 104 40 103 102 20 10 0 to 10 20 30 Nout 40 50 60 10 0 to 10 20 30 Nout 40 50 60 Hình 5.2: Biểu đồ số lượng cấu hình xuất trình thoát protein GB1 (a,b,c) SpA (d,e,f) hàm số amino acid bên đường hầm thoát (Nout ) số tiếp xúc hình thành (Nc ) đường hầm thoát đẩy nhiệt độ T = 0.4 /kB protein diễn tế bào thường gấp vài bậc độ lớn so với thời gian lại protein tự dung dịch (cỡ hàng nghìn lần GB1 cỡ triệu lần SpA) Như vậy, thời gian dịch mã thực tế bào lớn so với thời gian mô thực Tuy nhiên, khảo sát cấu hình protein thu với tốc độ dịch mã khác thấy thời gian dịch mã lớn gấp khoảng mười lần thời gian lại tối thiểu (tg ∼ 100τ ) đủ để nhận cấu hình protein tương tự dịch mã chậm nhiều Khi trình dịch mã hoàn thành, protein sinh giải phóng khỏi PTC tiếp tục chui đường hầm thoát Thời gian thời gian thoát tính từ chuỗi polypeptide có chiều dài đầy đủ giải phóng khỏi PTC Protein coi trạng thái tất tiếp xúc ˚ Protein thoát khỏi đường hầm thoát tất hình thành rmsd < 2.0 A amino acid nằm đường hầm thoát (Nout = N ) Để trình thoát diễn đường hầm thoát, xem xét đại lượng đặc trưng số tiếp xúc hình thành (Nc ) số amino acid bên đường hầm thoát (Nout ) (Hình 5.2) Thay đổi ˚ quan đường kính đường hầm thoát với giá trị d = 10, 15, 20A, 15 4000 4000 GB1 GB1 3000 (a) Tf 2000 1000 time (τ) time (τ) 3000 tg=10 τ tfold tesc trefold 2000 1000 (b) Tf tg=100 τ tfold trefold tesc 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 T (ε/kB) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 T (ε/kB) Hình 5.3: Sự phụ thuộc theo nhiệt độ thời gian median đường hầm thoát đẩy (tfold ), thời gian thoát median (tesc ), thời gian lại median protein biến tính tự (trefold ) dịch mã nhanh tg = 10τ (a) dịch mã chậm với tg = 100τ (b) sát thấy phần lớn tiếp xúc hình thành protein nằm hoàn toàn gần hoàn toàn đường hầm thoát Khi Nout tăng, protein chui ngoài, số tiếp xúc tăng chứng tỏ trình thoát diễn đồng thời Chuỗi polypeptide hoàn toàn tất amino acid chui khỏi đường hầm thoát Đối với protein GB1, nghiên cứu chế phụ thuộc mạnh vào ˚ có xoắn α hình đường kính d đường hầm thoát Với d = 10 A, thành đường hầm thoát kích thước giam cầm chật hẹp (Hình 5.2a) Với ˚ xoắn α cấu trúc kẹp tóc-β hình thành đường hầm d = 15 A, thoát, nhiên kẹp tóc-β quan sát thấy khó tạo thành xoắn α Với đường kính này, trình diễn theo hai đường phụ thuộc vào việc kẹp tóc-β đầu C có tạo thành bên đường hầm thoát hay không (Hình 5.2b) Với ˚ phần cấu trúc bậc ba hình thành đường hầm thoát (Hình d = 20 A, 5.2c) Đối với protein SpA, chế không phụ thuộc vào d Quá trình SpA diễn theo đường nhất, với hình thành xoắn α, tiếp đến hình thành cấu trúc bậc ba chuỗi thoát dần khỏi đường hầm thoát (xem thêm luận án) Các nghiên cứu thực nghiệm xoắn-α kẹp tóc-β hình thành đường hầm thoát ribosome số miền cấu trúc bậc ba tìm thấy gần cổng đường hầm thoát Trong kích thước ˚ trình protein cư xử phù hợp khảo sát trên, với d = 15 A, với chứng thực nghiệm Trong khảo sát tiếp theo, ˚ thực với trường hợp d = 15 A 16 1 (a) 0.8 0.6 0.4 Pfold Pfold 0.8 GB1 T=0.4 0.2 (b) 0.6 0.4 SpA T=0.4 0.2 0 3000 6000 t (τ) 9000 12000 3000 6000 t (τ) 9000 12000 Hình 5.4: Sự phụ thuộc vào thời gian xác suất thành công, Pfold , với có mặt đường hầm thoát đẩy (đường nét liền) lại không gian tự (đường nét đứt) nhiệt độ T = 0.4 /kB cho GB1 (a) SpA (b) trường hợp dịch mã nhanh tg = 10τ Hình 5.3 (a,b) thuộc vào nhiệt độ thời gian thời gian thoát protein GB1 đường hầm thoát với hai tốc độ mọc chuỗi khác tg = 10τ tg = 100τ Kết mô thời gian đường hầm thoát tfold lớn đáng kể so với thời gian lại không gian tự trefold Ở nhiệt độ thấp, thời gian không khác biệt đáng kể so với thời gian thoát, trình xảy gần đồng thời với trình thoát Sự đồng thời có nghĩa hầu hết tiếp xúc hình thành suốt trình thoát Trạng thái hoàn toàn xác lập sau thời gian ngắn, số tiếp xúc hình thành sau amino acid cuối thoát khỏi đường hầm thoát Khi nhiệt độ tăng, khác biệt tfold tesc tăng, cho thấy tính đồng thời hai trình giảm dần Hình 5.3 dịch mã chậm tg = 100τ khiến protein thoát nhanh nhanh dịch mã nhanh tg = 10τ , nhiên tranh định tính mối tương quan thời gian phụ thuộc theo nhiệt độ giống hai trường hợp Rất thú vị kết mô cho thấy đường hầm thoát làm tăng hiệu cho hai protein khảo sát Kết hình 5.4a cho thấy protein sinh đường hầm thoát, Pfold tăng chậm theo thời gian gần đạt tới xác suất 100% sau khoảng thời gian dài Trong trường hợp lại, xác suất Pfold đạt 96% giới hạn thời gian khảo sát (104 τ ) Đối với protein SpA, Pfold đạt 100% cho hai trường hợp đường hầm thoát bên đường hầm thoát sau khoảng 104 τ (Hình 5.4b) Phân tích động học nhiệt độ thấp, chẳng hạn T = 0.4 /kB , trình thoát xảy đồng thời Thú vị là, tính toán 17 N out Nc (a) (b) GB1 F SpA F N out Nc Nc N out Hình(b) 5.5: Sự phụ thuộc lượng tự theo số amino acid thoát đường hầm thoát (Nout ) SpA số tiếp xúc hình thành (Nc ) cho protein GB1 (a) SpA (b) đường hầm thoát đẩy, nhiệt độ T = 0.4 /kB Nout xét với giá trị từ tới N − 1, N tổng số amino acid protein lượng Ftự điều kiện cân lần xác nhận tranh Hình 5.5a có hai kênh riêng biệt ngăn cách rào chắn đáng N kể bề mặt lượng tự tương ứng với hai đường động học Nc out Hình 5.2b Đáng ý, địa hình lượng tự thể rõ hai đường hoàn toàn dốc xuống không xuất bẫy động học Hình 5.5b cho protein SpA đường dọc theo rãnh sâu bề mặt lượng tự nhiệt độ T = 0.4 /kB , phù hợp với đường động học Hình 5.2e Đường hoàn toàn dốc xuống bẫy động học 5.5 Mô hình khuyếch tán cho trình thoát Các giản đồ lượng tự (xem thêm luận án) cho thấy lực trung bình tác động lên đầu C protein sinh giảm đơn điệu theo toạ độ trục x Điều gợi ý trình thoát xem xét trình khuyếch tán chiều trường Sự khuyếch tán hạt trường U (x), mô tả phương trình Smoluchowski chiều Nếu U (x) tuyến tính theo toạ độ U (x) = −kx, với k số phương trình Smoluchowski nhận lời giải sau: (x − Dβkt)2 Dβk exp − , p(x, t) ≡ p(x, t|0, 0) = √ 4Dt 4πDt (5.3) p(x, t) mật độ xác suất tìm thấy hạt toạ độ x thời điểm t, với điều kiện ban đầu p(x, 0) = δ(x); D số khuyếch tán; β = (kB T )−1 Đối với khuyếch tán thông thường chất lỏng, D thoả mãn hệ thức Einstein18 0.0025 900 T=1.2 σt Normalized histogram Hình 5.6: Hàm phân bố thời gian thoát, τ , từ đường hầm thoát đẩy protein GB1 khớp hàm phân bố (phương trình (5.3)) với x = L Hình góc biểu diễn phụ thuộc độ lệch chuẩn, σt , theo thời gian thoát trung bình, µt , giá trị nhiệt độ khác hàm tuyến tính với tg = 10τ (vòng tròn) tg = 100τ (dấu cộng) 600 0.002 300 0.0015 0 1000 2σt 2000 3000 µt 0.001 T=0.4 0.0005 GB1 0 1000 2000 escape time (τ) 3000 4000 Hình 5.7: Sự phụ thuộc thời gian thoát median từ đường hầm thoát đẩy vào nhiệt độ protein GB1 hệ toạ độ log-log Hình vẽ phụ thuộc tesc ∼ ζ 1.12 T −α với α = 0.64 (nét liền) T < Tf , α = 0.92 (nét đứt) T > Tf Dữ liệu thu từ mô với thời gian dịch mã tg = 10τ tương ứng hệ số ma sát ζ = 2.5, 10 mτ −1 Smoluchowski: D = kB T ζ , ζ hệ số ma sát nhớt Từ ta nhận toạ độ trung bình hạt là: x = (Dβk)t , Dβk tốc độ khuyếch tán Thời gian thoát trung bình là: ∞ µt = t = + βkL , D(βk)2 (5.4) + 2βkL µt + βkL (5.5) t p(L, t) dt = độ lệch chuẩn thời gian thoát là: √ σt ≡ ( t2 − t ) = Như tỉ số σt µt không phụ thuộc vào số khuyếch tán Thời gian thoát median, tesc , định nghĩa theo phương trình sau: tesc p(L, t) dt = (5.6) Các liệu mô phân bố thời gian thoát (Hình 5.6) hoàn toàn khớp với lý thuyết hàm phân bố cho phương trình (5.3) Thú vị là, tìm thấy độ lệch chuẩn thời gian thoát mô σt phụ thuộc tuyến tính theo giá trị thời gian thoát trung bình µt (Hình 5.6 ˚ chúng góc trên) Bằng cách khớp liệu với phương trình (5.5) với L = 100A, ˚ −1 Như vậy, k hàm tuyến tính T tìm βk ≈ 0.2537A Kết mô cho thấy thời gian thoát phụ thuộc vào nhiệt độ hệ số ma sát nhớt khác theo quy luật chung: tesc ∼ ζ 1.12 , Tα 19 (5.7) 0 to (a) GB1, d=15 Å 10 10 60 10 40 10 10 Nc 80 20 40 50 60 80 60 Nc 10 30 Nout SpA, d=15 Å (b) 107 100 20 40 10 20 30 Nout 40 50 10 10 102 20 10 0 to 10 104 10 10 to 60 10 20 30 Nout 40 50 60 Hình lượng cácÅ cấu hình nhận trình thoát protein GB1 d=15 (b) 5.8: Biểu đồ số SpA, 80 thoát có hạt hút Biểu đồ thu được10từ đường hầm 100 mô độc lập nhiệt độ T = 0.4 /kB sau 106 dịch mã với tg = 10τ Nc 60 10 104 40 10 số mũ α phụ thuộc vào protein vùng nhiệt độ khảo sát thấp 102 20 10 cao nhiệt độ Hình 5.7 cho thấy, protein GB1, số mũ α nhỏ nhiệt 0 to 10 20 độ 30 cuốn, 40 50 độ thấp nhiệt thời 60gian thoát nhanh hơn, gợi ý khuyếch Nout tán vùng hỗ trợ trình protein Nếu protein không cuốn, số mũ α lớn vùng nhiệt độ cao, protein nhiều thời gian để chui vùng nhiệt độ thấp, điều dễ thấy kéo dài đường fit cho vùng nhiệt độ cao vùng nhiệt độ thấp 5.6 Hiệu ứng hạt hút Trong mô hình đường hầm thoát với hạt hút mô tả mục 5.1, hạt hút hút tất amino acid, làm chậm trình thoát protein sinh Câu hỏi đặt hạt hút ảnh hưởng đến protein đường hầm thoát khuyếch tán protein đường hầm thoát? Mô cho thấy các hạt hút làm thay đổi đường protein GB1 không ảnh hưởng tới đường SpA Ngược lại với hai đường tìm thấy trường hợp hạt hút (Hình 5.2b), thấy có đường đường hầm thoát cho GB1 (Hình 5.8(a)) Đường tương ứng với cấu hình có kẹp tóc-β đầu C GB1 hình thành đường hầm thoát (đường thứ nhất) Như vậy, hạt hút làm tăng khả hình thành kẹp tóc-β đường hầm thoát Chú ý hai protein, gần thoát hoàn toàn khỏi đường hầm thoát (Nout > 40), đường đường hầm thoát có hạt hút tập trung đường hầm thoát đẩy Kết gợi ý tính đồng thời trình 20 N C 48 F (units of ε) −10 xC Hình 5.9: Sự phụ thuộc lượng tự F theo toạ độ bị giữ ξ, toạ độ x amino acid thứ 48 chuỗi (x48 ) đầu cuối C (xC ), cho protein GB1 đường hầm thoát có hạt hút nhiệt độ T = 0.4 /kB T = 1.2 /kB x48 −20 GB1 −30 −40 T=0.4 T=1.2 20 40 60 80 100 ξ (Å) ζ=2.5 ζ=5.0 7.5 Hình 5.10: Sự phụ thuộc thời gian thoát median đường hầm thoát với hạt hút vào nhiệt độ protein GB1 đồ thị log-log Dữ liệu thu từ mô khớp với phương trình (5.7) với số mũ α = 1.33 (nét liền) α = 1.02 (nét đứt), tương ứng hai miền nhiệt độ thấp cao nhiệt độ Tf log(tesc / ζ1.12) 6.5 5.5 GB1 Tf −1.5 −1 −0.5 log(T) 0.5 thoát tăng đường hầm thoát có thêm hạt hút Bởi vậy, tác động bao trùm hạt hút giúp tăng cường hình thành cấu trúc bậc hai đường hầm thoát thúc đẩy trình định hướng Kết mô trình thoát mô tả mô hình khuyếch tán chiều trường hợp đường hầm thoát có hạt hút, hàm phân bố thời gian thoát khớp với hàm phân bố lý thuyết (5.3) Tuy nhiên, tham số βk trường hiệu dụng U (x) cho khuyếch tán số đường hầm thoát có hạt hút (xem thêm luận án) Khi có mặt hạt hút, rào chắn lượng tự tìm thấy đường thoát phía (trong trường hợp kẹp tóc-β đầu C tạo thành) gần lối đường hầm thoát nhiệt độ T = 0.4 /kB , hạt hút hãm trình thoát chặng cuối (Hình 5.9) Việc hãm làm chậm trình thoát, cho phép lượng lớn tương tác bậc ba hình thành trước giải phóng khỏi đường hầm thoát Như vậy, thoát chậm qua đường hầm thoát tốt cho trình định hướng giúp làm tăng hiệu Sự thoát chậm protein khảo sát phụ thuộc thời gian thoát theo nhiệt độ thể số mũ cao miền nhiệt độ thấp Hình 5.10 21 5.7 Thảo luận Trong công trình nghiên cứu trước đây, trình protein sinh thảo luận với chế định hướng tạo tính định hướng trình dịch mã Trong nghiên cứu này, lần chế định hướng tạo đường hầm ribosome sau trình dịch mã kết thúc, protein sinh phải thoát từ đường hầm thoát Cuốn định hướng gây đường hầm thoát không xảy protein thoát nhanh Ở miền nhiệt độ thấp, nghiên cứu protein thoát đủ chậm để có đủ thời gian cần thiết cho việc theo chế Khi trình thoát xảy đồng thời đường hầm thoát Thông thường, tự nhiệt độ thấp, protein dễ mắc vào bẫy động học cực tiểu địa phương Nhưng nghiên cứu này, rằng, chế định hướng gây đường hầm thoát làm tăng hiệu cách giúp protein hạn chế số cấu hình trung gian số đường Quá trình đường hầm thoát xảy theo một vài đường giúp protein tránh rơi vào bẫy động học Như vậy, chế định hướng nhiệt độ thấp có lợi cho protein sinh Phát thấy trình thoát ánh xạ tới mô hình khuyếch tán chiều tuyến tính hiệu dụng Điều hữu ích cho nghiên cứu tương tác protein sinh đường hầm thoát Chúng rằng, trường hợp đường hầm thoát đẩy, trình tạo điều kiện thuận lợi cho trình thoát Sự thuận lợi biểu số mũ α nhỏ trường hợp khuyếch tán miền nhiệt độ thấp nhiệt độ Ở miền nhiệt độ thấp này, có xảy cuốn, protein thoát nhanh so với miền nhiệt độ cao không xảy Vì vậy, tương tác protein sinh với đường hầm tác động mạnh mẽ tới trình thoát khỏi đường hầm Trong nghiên cứu gần đây, Pande cộng tính giản đồ lượng tự cho đơn amino acid đường hầm thoát tìm thấy có rào chắn lượng tự gần cổng đường hầm Kết trường hợp đường hầm có hạt hút tạo rào chắn lượng tự tương tự cho protein sinh Phân tích cho thấy vai trò rào chắn để làm chậm trình thoát protein sinh, hỗ trợ điều kiện định hướng đường hầm 22 Chương Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên protein 6.1 Mô hình đám đông đại phân tử điều kiện biên Trong nghiên cứu này, đại phân tử đám đông coi cầu cứng ˚ Các cầu đẩy đẩy amino acid theo bán kính Rc = 10A đẩy cắt nâng lên từ LJ:  U (r ) =   σ r 12 − σ r + r ≤ rc (6.1) r > rc , ˚ r = r − R − Rc + rc , r khoảng cách nối tâm với σ = A hai phân tử, R bán kính amino acid (Ra ) bán kính đại phân tử (Rc ), rc = 21/6 σ Trong nghiên cứu hiệu ứng đám đông lên trình protein, sử dụng sử dụng phương pháp động lực học phân tử với phương trình chuyển động Langevin điều kiện biên cầu điều kiện biên tuần hoàn Trong trường hợp biên cầu, protein đại phân tử bị giam cầm hộp ˚ Thế đẩy amino hình cầu có bán kính Rwall = 50 Rwall = 100 A acid đại phân tử với tường hộp giam cầm có dạng giống biểu thức ˚ đủ lớn để protein khảo sát duỗi (6.1) Bán kính Rwall = 100 A tự không gian giam cầm hiệu ứng giam cầm lên protein coi ˚ khảo sát để xem xét tác động không đáng kể Bán kính Rwall = 50 A cộng gộp hiệu ứng đám đông hiệu ứng giam cầm lên trình protein Trong trường hợp điều kiện biên tuần hoàn, hệ giam hộp ˚ điều lập phương (có thể tích với hộp hình cầu bán kính Rwall = 100 A) kiện biên tuần hoàn áp dụng với đám đông đại phân tử mà không áp dụng với amino acid 23 (a) (b) φc=0.0 φc=0.05 φc=0.1 φc=0.15 φc=0.2 φc=0.25 φc=0.3 C (kB) 400 φc=0.0 φc=0.05 φc=0.1 φc=0.15 φc=0.2 φc=0.25 φc=0.3 2.5 GB1 F (units of ε) 500 300 1.5 T=0.94 0.5 200 GB1 0.8 (c) 0.85 0.9 0.95 T (ε/kB) 560 1.05 1.1 (d) pbc Rwall=100 Rwall=50 540 50 70 Nc 80 90 100 pbc Rwall=100 Rwall=50 0.98 0.97 Tf (ε/kB) 520 Cmax(kB) 0.99 60 500 480 460 0.96 0.95 0.94 440 GB1 0.93 420 GB1 0.92 0.05 0.1 0.15 Φc 0.2 0.25 0.3 0.05 0.1 0.15 Φc 0.2 0.25 0.3 Hình 6.1: Sự thay đổi theo tỷ lệ thể tích đại phân tử (Φc ) (a) nhiệt dung riêng C, (b) lượng tự ˚ (c) thay đổi đỉnh nhiệt dung riêng Cmax (d) nhiệt độ F protein GB1 (Rwall = 50 A), chuyển pha Tf theo Φc 6.2 Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên ổn định protein Kết khảo sát thay đổi nhiệt dung riêng protein có mặt đám đông đại phân tử cho điều kiện biên khác cho thấy nồng độ theo thể tích đại phân tử đám đông tăng nhiệt độ chuyển pha Tf tăng độ cao đỉnh nhiệt dung Cmax giảm (Hình 6.1 a,c,d) Sự tăng nhiệt độ chuyển pha cuốn-duỗi phản ánh protein bền vững với nhiệt độ nồng độ đám đông tăng Điều hoàn toàn phù hợp với kết phản ánh Hình 6.1(b) cho thấy đám đông làm tăng lượng tự trạng thái không protein ổn định tốt 6.3 Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên lượng tự Chi tiết hơn, Hình 6.2 cho thấy nồng độ đám đông tăng, lượng tự protein GB1 giảm Như vậy, đám đông đại phân tử làm tăng ổn định protein Ngoài ra, thay đổi lượng tự ∆∆FN −U ảnh hưởng đám đông khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ với điều chỉnh thích hợp kích thước hiệu dụng trạng thái không Theo đó, trạng thái protein coi cầu cứng có bán kính aN bán kính hồi chuyển trạng thái RgN Bán kính gần không phụ thuộc vào điều kiện biên giảm nhẹ nồng độ đám 24 pbc Rwall=100 Rwall=50 −0.5 −1.5 17 −2 16 RU g 15 −2.5 a(Å) ∆∆FN−U / T (kB) Hình 6.2: Sự thay đổi theo nồng độ theo thể tích đám đông đại phân tử Φc lượng tự protein GB1 môi trường đám đông môi trường tự Các bán kính aN aU coi phụ thuộc tuyến tính theo nồng độ đám đông khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ GB1 −1 −3 14 13 aU 12 −3.5 −4 11 aN=RN g 0.05 0.1 Φc 0.1 0.2 0.3 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Φc đông tăng Trong đó, trạng thái duỗi protein coi cầu cứng bán kính aU nhỏ bán kính hồi chuyển RgU Với protein SpA, đám đông làm tăng ổn định thể tăng độ chênh lệch lượng tự cuốn-duỗi nồng độ đám đông tăng (Hình 6.3) Tuy nhiên, bán kính hiệu dụng aN aU SpA gần không thay đổi theo nồng độ đám đông Như vậy, protein SpA cư xử khác GB1 chịu tác động đám đông Trong nghiên cứu Mittal Best, aN = RgN aU = 0.8RgU , với RgN RgU nhận giá trị cố định phụ thuộc vào protein không phụ thuộc vào Φc Trong luận án này, aU RgU phụ thuộc vào Φc phụ thuộc mạnh hay yếu phụ thuộc vào protein Đồng thời, coi phụ thuộc tuyến tính, lượng tự khớp tốt với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ ˚ điều kiện biên tuần So sánh điều kiện biên cầu bán kính Rwall = 100 A hoàn thể tích (cạnh Lbox = 161.1992) cho thấy điều kiện biên cầu làm tăng chênh lệch lượng tự protein GB1 so với điều kiện biên tuần hoàn điều kiện nồng độ đám đông Kết phù hợp với nghiên cứu Zhou Dill bán kính giam cầm hình cầu nhỏ protein ổn định tốt Với trường hợp sử dụng điều kiện biên cầu bán kính ˚ protein chịu tác động cộng gộp hiệu ứng đám đông hiệu Rwall = 50 A, ˚ ta thấy với ứng giam cầm cách rõ rệt So sánh với trường hợp Rwall = 100 A nồng độ đám đông, protein ổn định tốt bán kính giam cầm nhỏ Để thu giá trị lượng tự cuốn, điều kiện biên cầu ˚ tương ứng với nồng độ đám đông cao điều kiện bán kính Rwall = 100 A ˚ lượng cỡ 10% Như vậy, tác động hiệu biên cầu bán kính Rwall = 50 A ứng giam cầm lên ổn định protein tương đương với tác động hiệu ứng đám đông chúng có tính chất cộng đơn 25 Rwall=100 SpA Hình 6.3: Sự thay đổi lượng tự môi trường đám đông so với môi trường tự theo tỷ lệ thể tích đám đông Φc Đường nét đứt đường khớp ∆∆FN −U với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ coi bán kính hiệu dụng aN aU (Hình góc trái) hàm tuyến tính Φc −0.8 17 16 −1.2 a(Å) ∆∆FN−U / T (kB) −0.4 −1.6 15 14 RU g 13 aU RN g 12 11 −2 0.1 0.05 Φc 0.2 0.1 0.3 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Φc GB1 SpA Hình 6.4: Sự thay đổi độ chênh lượng tự ∆∆F‡−U trạng thái duỗi U trạng thái chuyển tiếp ‡ môi trường đám đông môi trường tự theo Φc Các giá trị ∆∆F‡−U thu từ mô điều kiện biên ˚ phù hợp với lý cầu Rwall = 100 A thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ Hình nhỏ biểu diễn Rg‡ a‡ −1 13.5 + + −1.5 + + Rg GB1 13.2 a(Å) ∆∆F++−U / T (kB) −0.5 Rg SpA a++ a++ 12.9 12.6 12.3 −2 12 0.1 0.2 0.3 Φc −2.5 0.05 0.1 0.1 0.2 0.3 Φc 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Φc 6.3 Ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên bờ lượng tự Khảo sát độ cao bờ trạng thái duỗi trạng thái chuyển tiếp cho công thức: ∆F‡−U = F (Q‡ ) − F (QU ), lượng tương ứng với trạng thái duỗi, Q‡ QU vị trí cực tiểu vị trí cực đại lượng tương ứng với trạng thái chuyển tiếp Kết Hình 6.4 cho thấy độ cao bờ xuất phát từ trạng thái duỗi khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ coi trạng thái chuyển tiếp trạng thái duỗi cầu cứng có bán kính hiệu dụng tương ứng a‡ aU Sự giảm đơn điệu ∆∆F‡−U theo Φc protein SpA dẫn đến hệ tốc độ tăng theo tăng nồng độ đám đông cách đơn điệu tốc độ phụ thuộc vào Φc GB1 mạnh so với SpA Kết hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu Mittal Best cho điều kiện biên tuần hoàn Trong nghiên cứu khác, Cheung tốc độ không tăng tuyến tính với nồng độ đại phân tử đám đông Thay vào đó, tăng nồng độ thấp sau bắt đầu giảm xuống nồng độ tăng thêm Các mô chưa quan sát hiệu ứng đảo tốc độ quan sát giảm chậm ∆∆F‡−U theo Φc Φc ≈ 0.3 26 Chương Kết luận Các nghiên cứu luận án mang lại kết ảnh hưởng đường hầm thoát ribosome đám đông đại phân tử lên trình protein tế bào Cụ thể là: Đường hầm thoát ribosome gây chế định hướng protein sinh sau trình dịch mã chấm dứt Cơ chế định hướng xảy miền nhiệt độ thấp trình xảy đồng thời với trình thoát protein sinh khỏi đường hầm ribosome Cơ chế định hướng đường hầm ribosome làm tăng hiệu cách giúp protein hạn chế số cấu hình trung gian số đường cuốn, giúp protein tránh rơi vào bẫy động học Quá trình thoát protein sinh mô tả trình khuyếch tán chiều hạt trường tuyến tính hiệu dụng mô tả phương trình Smoluchowski Quá trình làm tăng tốc độ khuyếch tán, tương tác hút hạt hút nằm tường đường hầm thoát protein sinh lại làm chậm trình Tương tác hút làm xuất rào chắn lượng tự đường thoát protein đường hầm ribosome Đám đông đại phân tử làm tăng tính ổn định protein Sự thay đổi lượng tự ảnh hưởng đám đông đại phân tử phù hợp với áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ Ảnh hưởng giam cầm không gian lên tính ổn định protein tương tự ảnh hưởng đám đông đại phân tử chúng có tính chất cộng Các kết công bố luận án kiểm chứng thực nghiệm mô mô hình thực tế Các mô hình phương pháp luận án áp dụng cho nghiên cứu khác tương lai Cụ thể, dự kiến nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hình dạng đường hầm thoát ribosome lên thời gian thoát protein sinh nghiên cứu hiệu ứng đám đông đại phân tử lên trình thoát protein sinh đường hầm thoát ribosome 27 DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1 Bui Phuong Thuy and Trinh Xuan Hoang, Evolution of protein-protein interaction networks in duplication-divergence model, Communications in Physics 22, 7-14 (2012) Bui Phuong Thuy and Trinh Xuan Hoang, Effects of ribosomal exit tunnel on protein’s cotranslational folding, Communications in Physics 23, 219225 (2013) Bui Phuong Thuy, Hoang Thi Thu Huong and Trinh Xuan Hoang, Effects of macromolecular crowding on protein folding, Journal of Physics: Conference Series 627, 012027 (2015) Phuong Thuy Bui and Trinh Xuan Hoang, Folding and escape of nascent proteins at ribosomal exit tunnel, The Journal of Chemical Physics 144, 095102 (2016) Luận án không sử dụng kết công trình 28 [...]... cơ chế cuốn vector (cuốn định hướng) 3.4 Hiệu ứng đám đông đại phân tử trong tế bào Môi trường trong tế bào là một môi trường không đồng nhất, tập trung đông đúc các đại phân tử (cỡ từ 5 − 40% tổng thể tích) Do quá trình cuốn của protein xảy ra trong một không gian được lấp đầy bởi các đại phân tử dẫn đến một câu hỏi thú vị là: làm thế nào để protein cuốn và thực hiện chức năng trong một môi trường. .. giúp protein chưa cuốn hoàn toàn đạt đến cấu hình tự nhiên 3.3 Cơ chế cuốn định hướng Mặc dù kết quả của cả hai quá trình cuốn lại của các protein biến tính trong ống nghiệm và quá trình cuốn của các protein mới sinh trong tế bào cùng nhận được một cấu hình cuốn duy nhất mang hoạt tính sinh học Tuy nhiên, sự đồng nhất trong cấu trúc cuối cùng không đồng nghĩa với sự đồng nhất trong cách thức cuốn Với... hiểu biết đáng kể Trong hầu hết các trường hợp, nghiên cứu thực nghiệm 9 và mô phỏng cho thấy đám đông đại phân tử làm tăng sự ổn định cuốn của protein chống lại khả năng biến tính do tác động hoá học và nhiệt độ Đám đông làm tăng nhẹ tốc độ cuốn của protein và làm giảm khả năng cuốn lại do kết tụ Tuy nhiên, vai trò của đám đông đại phân tử trong môi trường nội bào lên sự cuốn hỏng của protein chưa được... ổn định cuốn của protein được chuyển thành bài toán ước tính thay đổi thế hoá học của trạng thái cuốn (∆µN ) và duỗi (∆µU ) của protein khi đặt thêm các đại phân tử vào hệ Minton là người đầu tiên áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ vào nghiên cứu ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên quá trình cuốn của protein trong môi trường tế bào Ông coi các trạng thái cuốn và trạng thái duỗi của protein một... đó quá trình cuốn và thoát xảy ra đồng thời trong đường hầm thoát Thông thường, khi cuốn tự do ở nhiệt độ thấp, protein dễ mắc vào các bẫy động học là các cực tiểu địa phương Nhưng trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ ra rằng, cơ chế cuốn định hướng được gây ra bởi đường hầm thoát làm tăng hiệu quả cuốn bằng cách giúp protein hạn chế số cấu hình trung gian và số đường cuốn Quá trình cuốn trong đường... nhau trong cả hai trường hợp Rất thú vị là kết quả mô phỏng cho thấy đường hầm thoát làm tăng hiệu quả cuốn cho ít nhất một trong hai protein được khảo sát Kết quả chỉ ra trên hình 5.4a cho thấy khi protein mới sinh cuốn trong đường hầm thoát, Pfold tăng chậm hơn theo thời gian nhưng gần đạt tới xác suất 100% sau một khoảng thời gian dài Trong trường hợp cuốn lại, xác suất Pfold này chỉ đạt 96% trong. .. Chương 4 Các phương pháp sử dụng trong mô phỏng protein 4.1 Phương pháp động lực học phân tử Để mô phỏng chuyển động của các hệ hạt trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp động lực học phân tử với phương trình chuyển động Langevin và thuật toán Verlet được phát triển để giải số phương trình 4.2 Phương pháp lấy mẫu ô Quá trình thoát ra ngoài đường hầm thoát của protein là quá trình không cân... acid (Ra ) hoặc bán kính đại phân tử (Rc ), và rc = 21/6 σ Trong nghiên cứu về hiệu ứng đám đông lên quá trình cuốn của protein, chúng tôi sử dụng sử dụng phương pháp động lực học phân tử với phương trình chuyển động Langevin trong điều kiện biên cầu và điều kiện biên tuần hoàn Trong trường hợp biên cầu, protein và các đại phân tử bị giam cầm trong một hộp ˚ Thế năng đẩy giữa các amino hình cầu có bán... 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 acid bên 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 protein diễn ra trong tế bào thường gấp vài bậc độ lớn so với thời gian cuốn lại của protein tự do trong dung dịch (cỡ hàng nghìn lần đối... ứng với hai đường cuốn động học được Nc out chỉ ra trên Hình 5.2b Đáng chú ý, địa hình năng lượng tự do cũng thể hiện rõ hai đường cuốn là hoàn toàn dốc xuống và không xuất hiện các bẫy động học Hình 5.5b cho protein SpA chỉ ra một đường cuốn duy nhất dọc theo rãnh sâu nhất của bề mặt năng lượng tự do tại nhiệt độ T = 0.4 /kB , phù hợp với đường động học chỉ ra trên Hình 5.2e Đường cuốn này là hoàn