Quá trình thoát của protein mới sinh tại đường hầm thoát ribosome

1 MỤC LỤC Mở đầu Chương 1: Tổng quan trình protein sinh 1.1 Thành phần hóa học cấu trúc protein 1.2 Hiện tượng protein ống nghiệm 1.3 Quá trình tổng hợp protein tế bào 1.4 Quá trình đồng dịch mã protein 1.5 Đường hầm thoát ribosome 1.6 Ảnh hưởng đường hầm ribosome lên q trình protein sinh Chương 2: Các mô hình phương pháp mơ 2.1 Mơ hình Go cho protein 2.2 Mơ hình đường hầm ribosome 2.3 Phương pháp động lực học phân tử dựa phương trình Langevin 2.4 Mơ hình khuyếch tán cho q trình thoát protein Chương 3: Một số kết nghiên cứu 3.1 Sự phụ thuộc thời gian thoát protein vào nhiệt độ 3.2 Sự phụ thuộc thời gian thoát vào cấu trúc protein Chương 4: Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Nghiên cứu vật lý phân tử sinh học hướng nghiên cứu bật lĩnh vực khoa học liên ngành vai trò đặc biệt quan trọng phân tử sinh học thể sống khả mang lại ứng dụng y sinh học Vật lý phân tử sinh học áp dụng phương pháp dựa tảng vật lý để nghiên cứu vấn đề sinh học nhằm mang lại hiểu biết tiên đoán mang tính định lượng hệ sinh học Bên cạnh phương pháp thực nghiệm tiên tiến, phương pháp mơ hình hóa mơ máy tính sử dụng rộng rãi vật lý sinh học phân tử công cụ hiệu quả, giúp tiết kiệm thời gian chi phí nghiên cứu Trong sinh học phân tử việc nghiên cứu protein quan tâm lẽ protein thành phần vật chất sống, chúng có mặt thành phần nhân tế bào chất tế bào [1] Cấu trúc phức tạp đa dạng cho phép protein thực nhiều chức Tế bào xâu chuỗi 20 loại amino acid thành mạch thẳng, tạo nên protein Protein đóng vai trò cấu trúc, ví dụ tạo thành khung tế bào Protein với khả biến đổi hình dạng nhiệt độ, nồng độ ion tính chất khác tế bào thay đổi giữ vai trò cảm biến Protein hấp thu xuất vật chất qua màng tế bào Chúng enzyme, chất xúc tác giúp phản ứng hóa học xảy nhanh nhiều Chúng phân tử tín hiệu ngoại bào (do tế bào giải phóng để giao tiếp với tế bào khác) phân tử tín hiệu nội bào (mang thơng tin bên tế bào) Chúng mơ-tơ sử dụng lượng hóa học (ATP) để vận động quanh phân tử khác Thông tin loại protein tạo nào, đâu nằm vật liệu di truyền, axit deoxyribonucleic (DNA) Cấu trúc lập thể DNA chứa hai mạch xoắn, cuộn quanh trục chung, tạo thành cấu trúc xoắn kép Chuỗi DNA cấu thành từ đơn phân gọi nucleotide (còn gọi bazơ chứa bazơ hữu mạch vòng) Trong DNA có bốn loại nucleotide khác gốc nucleobase Adenine (viết tắt A), Thymine (viết tắt T), Cytosine (tiếng Việt gọi Xytosine, viết tắt X C), Guanine (viết tắt G) Ba nucleotide liên tiếp mạch mã gốc DNA gene, quy định loại amino acid định Do đó, mã di truyền gọi mã ba, tổ hợp ba nucleotide gọi ba mã hoá Các ba nucleotide mạch đơn chuỗi xoắn kép DNA giản phân, tổ hợp bốn loại nucleotide nối liền mạch DNA cho phần bazơ nhô từ khung mạch xoắn DNA xoắn kép có cấu trúc đơn giản: A mạch bắt cặp với T mạch G bắt cặp với C Hai mạch bắt cặp bổ sung mạnh đến mức sau bị tách rời chúng tự gắn lại với điều kiện nhiệt độ nồng độ muối cho phép DNA mang thông tin di truyền trật tự nucleotide dọc theo mạch thẳng Phần DNA mang thông tin chia thành đơn vị chức nằm phân tán gọi gene Độ dài gene điển hình nằm khoảng 5.000 đến 100.000 nucleotide Gene mã hóa cho protein thường gồm hai phần: Vùng mã hóa đặc hiệu cho trình tự amino acid protein vùng điều hòa kiểm sốt thời điểm, vị trí tạo protein Tế bào sử dụng hai chuỗi trình liên tiếp để chuyển thơng tin mã hóa DNA thành protein Chuỗi trình thứ gọi phiên mã: Sao chép vùng mã hóa gene thành axit ribonucleic (RNA) mạch đơn Trong trình enzyme RNA polymerase sử dụng mạch khuôn DNA để xúc tác liên kết nucleotide thành chuỗi RNA tạo gia công thành phân tử RNA thông tin ( mRNA) nhỏ mRNA sau chuyển tới tế bào chất, nơi ribosome (bộ máy phân tử phức tạp cấu thành từ RNA protein) thực trình thứ hai gọi dịch mã Khi dịch mã, ribosome lắp ráp liên kết amino acid với theo trật tự xác, trình tự mRNA quy định theo mã di truyền gần chung cho sinh giới Ngồi vai trò truyền thơng tin từ nhân tới tế bào chất, RNA tham gia vào máy phân tử Ví dụ, ribosome chứa bốn chuỗi RNA kết hợp với 50 protein, tạo thành đọc mRNA tổng hợp protein xác hiệu Các protein tổng hợp ribosome tế bào chiết xuất vào tương bào (cytosol) lưới nội chất (endoplasmic reticulum) trước vận chuyển tới địa khác bên tế bào Các protein sinh chịu ảnh hưởng đường hầm thoát ribosome (ribosomal exit tunnel), nơi protein cần phải di chuyển qua để vào tế bào chất Đường hầm thoát ribosome ống chật hẹp, có cấu trúc phức tạp [2], có ảnh hưởng lớn đến trình protein sinh Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy protein hình thành cấu trúc bậc hai (xoắn alpha phiến beta) bên đường hầm thoát [3, 4] Ngồi ra, đường hầm đóng vai trò tích cực việc nhận dạng trình tự amino acid điều khiển trình sinh tổng hợp protein [5, 6] Các nghiên cứu mô gần [7, 8] cho thấy q trình protein đường hầm thoát ribosome xảy song song với trình hai q trình có ảnh hưởng qua lại lẫn Quá trình làm cho protein nhanh hơn, q trình xảy đủ chậm giúp protein xác Việc protein đủ chậm xác giúp giảm thiểu khả kết tụ [11] protein sinh bên tế bào Ngoài ra, kết mơ cho thấy thời gian phù hợp với mơ hình khuyếch tán đơn giản trường tuyến tính [7, 8] Điều mở khả áp dụng mơ hình khuyếch tán việc phân tích kết thực nghiệm Trong luận văn này, sở nghiên cứu trước [7, 8], chúng tơi nghiên cứu q trình protein đường hầm thoát ribosome nhằm làm rõ phụ thuộc thời gian thoát vào nhiệt độ vào cấu trúc trạng thái tự nhiên protein Để thực điều này, chọn hai protein nhỏ đơn miền có cấu trúc hồn tồn khác nhau, protein bao gồm phiến beta protein bao gồm xoắn alpha, để so sánh Nghiên cứu luận văn sử dụng phương pháp mơ hình hóa mơ máy tính Protein xét mơ hình Go mơ hình đơn giản coi amino acid hạt sử dụng Lennard-Jones Đường hầm ribosome mơ hình hóa ống trụ rỗng có tương tác đẩy với amino acid khoảng cách gần Phương pháp mô động lực học phân tử với phương trình Langevin áp dụng để mơ q trình mọc protein q trình protein đường hầm Các kết mơ phân tích sở lý thuyết mơ hình khuyếch tán chiều Các kết luận văn protein khác có phân bố thời gian phụ thuộc thời gian thoát vào nhiệt độ tương tự Tuy vậy, protein có cấu trúc phiến beta có thời gian nhanh so với protein có cấu trúc xoắn alpha Bố cục luận văn chia thành chương, với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan trình protein sinh Chương 2: Các mơ hình phương pháp mơ Chương 3: Một số kết nghiên cứu Chương 4: Kết luận kiến nghị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CUỐN CỦA CÁC PROTEIN MỚI SINH 1.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 1.1.1 Thành phần hóa học protein Protein(protid hay đạm) đại phân tử cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân amino acid Chúng kết hợp với thành mạch dài nhờ liên kết peptide (gọi chuỗi polypeptide) Các chuỗi xoắn cuộn gấp theo nhiều cách để tạo thành bậc cấu trúc không gian khác protein Chuỗi polypeptide polymer cấu thành từ 20 loại amino acid Trong đó, 19 loại có cấu trúc giống Hình 1.1 (a) Mỗi amino acid có cấu trúc đặc thù gồm nguyên tử carbon alpha (Cα) gắn với bốn nhóm hóa học khác: Nhóm amin (NH2), axit carboxylic hay nhóm carboxyl (COOH) (bởi có tên amino acid), nguyên tử hydro (H) nhóm biến đổi gọi chuỗi bên hay nhóm R Loại amino acid thứ 20 lại proline có cấu trúc tương tự amino acid khác, nguyên tử C thuộc chuỗi bên liên kết với nguyên tử N nhóm amin tạo thành mạch vòng (Hình 1.1 (b)) Hình 1.1: (a) Cấu trúc chung amino acid, (b) Cấu trúc proline [ 7] Đặc tính amino acid định vai trò amino acid chuỗi polypeptide tính chất vật lý hóa học chuỗi bên R xác định Các amino acid phân thành nhóm kị nước (khơng phân cực), ưa nước (phân cực), tích điện âm (nếu chuỗi bên mang điện tích âm), tích điện dương (nếu chuỗi bên mang điện tích dương) Trong protein, amino acid gắn với thông qua liên kết cộng hóa trị gọi liên kết peptide, tạo thành mạch thẳng, khơng phân nhánh Trong protein có chứa cysteine, loại amino acid với chuỗi bên có nguyên tử lưu huỳnh (S), nguyên tử S hai chuỗi bên khác tạo liên kết cộng hóa trị với gọi liên kết disulfide Liên kết peptide hình thành nhóm amin amino acid nhóm carboxyl amino acid khác giải phóng phân tử nước (dehydrat hóa) Kết nối lặp –NH, carbon α (Cα), –CO nguyên tử O amino acid cấu thành khung phân tử protein Các chuỗi bên (nhóm R) nhơ từ khung Do liên kết peptide, khung có tính định hướng tất nhóm –NH nằm phía với Cα Do đầu protein có nhóm amin tự (khơng liên kết) gọi đầu N đầu có nhóm cacboxyl tự gọi đầu C Trình tự chuỗi protein thường viết theo thứ tự đầu N nằm bên trái, đầu C nằm bên phải amino acid đánh số thứ tự đầu N (số 1) Hình 1.2: Chuỗi polypeptide [7] 1.1.2 Cấu trúc protein Protein có hình dạng kích thước đa dạng Cấu trúc lập thể chiều đa dạng chúng chủ yếu khác biệt chiều dài trình tự amino acid định Nhìn chung, protein với trình tự amino acid xác định điều kiện sinh lý bình thường gấp nếp thành hình dạng lập thể giống – gọi cấu hình native Những khác biệt cấu hình native tính chất hóa học chuỗi bên amino acid định chức protein Do protein có khả thực nhiều chức khác bên bên tế bào Những chức quan trọng cho sống Các protein phối hợp hoạt động để trì sống đảm bảo chức xác tế bào 1.1.2.1 Cấu trúc bậc protein Cấu trúc bậc protein trình tự amino acid protein Có nhiều thuật ngữ dùng để chuỗi polymer tạo amino acid Chuỗi amino acid ngắn liên kết với liên kết peptide có trình tự xác định gọi oligopeptide hay đơn giản peptide; chuỗi dài gọi polypeptide Peptide thường chứa 30 amino acid, polypepide thường dài từ vài chục tới vài trăm amino acid 1.1.2.2 Cấu trúc bậc hai protein Cấu trúc bậc hai thành tố đặc trưng cấu trúc protein Cấu trúc bậc hai xếp không gian địa phương vùng chuỗi polypeptide Những phân đoạn gắn với thông qua liên kết hydro nhóm –NH –CO mạch khung, thường tạo thành mơ hình cấu trúc có tính lặp Các cấu trúc bậc hai sở xoắn α, phiến β đoạn ngoặt β ngắn hình chữ U Hình 1.3: Biểu diễn mạch xương sống cấu trúc bậc hai phổ biến protein: (a) 2RJX xoắn 𝛼 (b) 1SHG phiến β [7] Cấu trúc xoắn α: Trong phân đoạn polypeptide có kiểu gấp nếp xoắn α, mạch khung xoắn lại Ở cấu trúc dạng O thuộc nhóm –CO liên kết peptide tạo liên kết hydro với H thuộc nhóm –NH amino acid thứ tư chuỗi Trong xoắn α, nhóm –NH –CO mạch khung liên kết hydro với nhau, trừ nhóm hai đầu tận chuỗi polypeptide Kiểu xếp liên kết theo chu kì tạo thành cấu trúc xoắn từ đầu amin đến đầu carboxyl với chiều cao xoắn 5,4 Å Mỗi vòng xoắn chứa 3,6 amino acid, khoảng cách hai nguyên tử Cα liền theo phương trục xoắn 1,5 Å Trong xoắn α, liên kết hydro ổn định amino acid làm mạch khung có dạng trụ dài, thẳng, từ nhóm R amino acid quay ngồi xác định tính chất ưa nước hay kỵ nước xoắn Trong dung dịch xoắn kỵ nước thường vùi lõi protein cuốn, xoắn ưa nước thường nằm bề mặt protein, nơi chúng tương tác với mơi trường nước Hình 1.4: Cấu trúc xoắn alpha Cấu trúc phiến β: Chứa mạch β phân đoạn ngắn (5 đến amino acid) trải hết cỡ Không xoắn α, liên kết hydro phiến β hình thành nguyên tử nằm khung mạch β riêng biệt liền kề không gian ( Hình 1.3 (b)) Liên kết hydro mạch phẳng phiến giữ mạch β với nhóm R gắn phía phía mặt phẳng Phiến β có tính định hướng chiều liên kết peptide Do đó, phiến xếp nếp, mạch β sát nằm 10 chiều (song song) ngược chiều (đối song song) Kẹp tóc 𝛽 ( 𝛽 – harpin) cấu trúc đơn giản phiến 𝛽 gồm hai mạch 𝛽 phản song song nối với đoạn uốn cong chứa từ đến amino acid Cấu trúc đoạn ngoặt β: Gồm amino acid tạo thành đường cong hẹp, uốn mạch khung chuỗi polypeptide quay ngược lại Cấu trúc bậc hai hình chữ U ngắn ổn định nhờ liên kết hydro hai đầu Đoạn ngoặt β giúp protein lớn gấp lại gọn Có loại đoạn ngoặt khác xác định, cấu trúc chi tiết chúng phụ thuộc vào xếp không gian liên kết hydro 1.1.2.3 Cấu trúc bậc ba protein Cấu trúc bậc ba protein cấu hình tổng thể chuỗi polypeptide hay xếp ba chiều toàn amino acid Cấu trúc bậc ba chủ yếu ổn định nhờ tương tác kỵ nước nhóm R khơng phân cực, liên kết hydro nhóm R phân cực tương tác van der Waals Các tương tác yếu nên cấu trúc bậc ba protein không cứng nhắc mà dao động nhỏ liên tục Thậm chí số phân đoạn cấu trúc bậc ba protein linh động đến mức chúng coi bị trật tự (khơng có cấu trúc lập thể bền vững, tường minh) Tuy vậy, biến thiên cấu trúc lại quan trọng chức điều hòa protein Tính chất hóa học nhóm R amino acid định cấu trúc bậc ba protein Amino acid có chuỗi bên phân cực, ưa nước hay tích điện thường nằm bề mặt protein Những amino acid tương tác với nước, giúp protein hòa tan dung dịch tạo tương tác khơng cộng hóa trị với phân tử khơng hòa tan nước, bao gồm protein khác Ngược lại, amino acid với chuỗi bên không phân cực, kỵ nước thường bị cô lập cách xa bề mặt tiếp xúc nước protein Trong nhiều trường hợp chúng tạo thành lõi trung tâm khơng hòa tan nước (gọi mơ hình giọt dầu protein cầu lõi tương đối kỵ nước hay “có tính dầu”) Nhóm R phân cực, ưa nước, khơng tích điện nằm bề mặt lõi protein 20 σ = Å r khoảng cách ngắn từ tâm amino acid đến tường đường hầm cộng thêm 2.5 Å (tương ứng với bán kính Van der Waals hạt ảo giả định cấu trúc thành mặt đường hầm thoát) Thế đẩy cho (2.8) sử dụng cho tương tác đẩy cổng đường hầm tường phẳng bao ngồi đáy đường hầm thoát amino acid 2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ DỰA TRÊN PHƯƠNG TRÌNH LANGEVIN Động lực học phân tử kĩ thuật mô sử dụng để nghiên cứu biến đổi theo thời gian trạng thái hệ hạt cổ điển tương tác với qua việc tích phân phương trình chuyển động chúng Phương pháp động lực học phân tử cho phép xác định trạng thái hệ thời điểm t biết trạng thái ban đầu hệ Phương pháp động lực học phân tử dùng để nghiên cứu q trình động lực học protein Trong luận văn này, sử dụng phương pháp động lực học phân tử xét tới tác động ngẫu nhiên dung môi lên hạt chuyển động dựa phương trình Langevin 2.3.1 Phương trình Langevin Chuyển động hạt cổ điển tuân theo phương trình Newton Trong trường hợp chuyển động hạt chịu tác động yếu tố ngẫu nhiên mơi trường bên ngồi người ta sử dụng phương pháp động học phân tử dựa phương trình Langevin Phương trình Langevin sử dụng để mô tả chuyển động hạt lớn amino acid protein dung môi nước Ở nhiệt độ T, phương trình Langevin chiều cho mt ht cú dng: ă() = () () + 𝛤(𝑡) (2.9) m khối lượng hạt, f lực tác dụng lên hạt gây tương tác 𝑓 = − 𝜕𝑉(𝑥) 𝜕𝑥 ; 𝜁 hệ số ma sát dung môi tác động lên hạt;  lực ngẫu nhiên dung mơi tác động lên hạt,  có phân bố Gauss với 21 trung bình khơng hàm tương quan theo thời gian thỏa mãn định luật biến thiên tiêu tán: ⟨𝛤(𝑡)𝛤(𝑡 + 𝑡′)⟩ = 2𝜁𝑚𝑘𝐵 𝑇𝛿(𝑡′), (2.10) với 𝛿(𝑡′) hàm delta Dirac Khi  = phương trình Langevin trở thành phương trình Newton 2.3.2 Thuật tốn Verlet cho phương trình Langevin Chúng tơi sử dụng thuật tốn Verlet cho phương trình Langevin đề xuất ti liu [7] T phng trỡnh Langevin ta cú: ă() = [𝑓(𝑡) − 𝜁𝑥˙(𝑡) + 𝛤(𝑡)] 𝑚 (2.11) Khai triển tọa độ x theo chuỗi Taylor đến bậc hai ta có: 𝑥(𝑡 + ∆𝑡) ≈ 𝑥(𝑡) + 𝑥˙(𝑡)∆𝑡 + ă() , (2.12) ( ) () () + ă() , (2.13) ∆𝑡 bước thời gian Từ (2.12) (2.13) ta có: 𝑥˙(𝑡) = 𝑥(𝑡+∆𝑡)−𝑥(𝑡−∆𝑡) 2∆𝑡 , 𝑥(𝑡 + ) 2() ( ) + ă() (2.14) (2.15) Thay (2.17) (2.14) (2.18) ta thu được: ∆𝑡 −1 ∆𝑡 𝑥(𝑡 + ∆𝑡) = (1 + 𝜁) {2𝑥(𝑡) − (1 − 𝜁) 𝑥(𝑡 − ∆𝑡) 2𝑚 2𝑚 ∆𝑡 [𝑓(𝑡) + 𝛤(𝑡)]} + 𝑚 (2.16) 22 Thuật tốn Verlet cho phép ta tính tọa độ thời điểm t + t biết tọa độ thời điểm t t + t Trong mô phỏng, nhiệt độ biểu thị đơn vị ε/kB, thời gian đo đơng vị 𝜏 = √𝑚 𝜎 ⁄𝜀 Bước thời gian chọn ∆t = 0.002τ, mô thực với hệ số ma sát ζ = 2.5 mτ−1 2.4 MƠ HÌNH KHUYẾCH TÁN CHO Q TRÌNH THỐT PROTEIN Các nghiên cứu trước [7, 8] đưa mơ hình khuyếch tán đơn giản cho q trình protein khỏi đường hầm ribosome, q trình coi q trình khuyếch tán chiều hạt trường Giả sử ta có trường U(x), khuyếch tán hạt trường mơ tả phương trình Smoluchowski chiều: 𝜕 𝜕𝑡 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0 , 𝑡0 ) = 𝜕 𝜕𝑥 𝐷 (𝛽 𝜕𝑈(𝑥) 𝜕𝑥 + 𝜕 𝜕𝑥 ) 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0 , 𝑡0 ), (2.17) 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0 , 𝑡0 ) mật độ xác suất tìm thấy hạt tọa độ x vào thời điểm t, thời điểm t0 hạt tìm thấy tọa độ x0; 𝜕⁄𝜕 𝑡 𝜕⁄𝜕 𝑥 đạo hàm riêng phần theo thời gian tọa độ; D số khuyếch tán giả thiết không phụ thuộc vào tọa độ; 𝛽 = (𝑘𝐵 𝑇)−1 nghịch đảo nhiệt độ Đối với khuyếch tán thông thường chất lỏng, số khuyếch tán D thỏa mãn hệ thức Einstein-Smoluchowski: 𝐷= 𝑘𝐵 𝑇 𝜁 , (2.18)  hệ số ma sát nhớt Nếu U(x) tuyến tính theo tọa độ: 𝑈(𝑥) = −𝑘𝑥, (2.19) với k số phương trình (2.17) có nghiệm xác cho −(𝑥 − 𝐷𝛽𝑘𝑡)2 𝑝(𝑥, 𝑡) ≡ 𝑝(𝑥, 𝑡; 0,0) = 𝑒𝑥𝑝 [ ], 4𝐷𝑡 √4𝜋𝐷𝑡 𝐷𝛽𝑘 (2.20) với điều kiện ban đầu p(x,0) = (x) Hàm phân bố (2.20) cho ta tọa độ trung bình hạt: 23 ⟨𝑥⟩ = (𝐷𝛽𝑘)𝑡 (2.21) Phương trình cho thấy 𝐷𝛽𝑘 tốc độ khuyếch tán Thời gian thoát protein đường hầm ribosome có chiều dài L mơ hình khuyếch tán thời gian tới (first passage time) hạt khuyếch tán có điều kiện ban đầu p(x,0) = (x) thời điểm t = điều kiện biên hấp thụ p(L,t) = x = L Lời giải phân bố thời gian tới cho phương trình Smoluchowski với điều kiện biên tìm thấy tài liệu [18] Phân bố thời gian tới cho 𝑔(𝑡) = 𝐿 √4𝜋𝐷𝑡 𝑒𝑥𝑝 [ −(𝐿−𝐷𝛽𝑘)2 4𝐷𝑡 ] (2.22) Hàm phân bố cho ta thời gian trung bình: 𝜇𝑡 ≡ ⟨𝑡⟩ = ∫ 𝑡 𝑔(𝑡)𝑑𝑡 = 𝐿 𝐷𝛽𝑘 , (2.23) độ lệch chuẩn thời gian thoát: 𝜎𝑡 ≡ (⟨𝑡 ⟩ − ⟨𝑡⟩2 )1⁄2 = √2𝛽𝑘𝐿 𝐷(𝛽𝑘)2 (2.24) Ta thấy tỷ lệ 𝜎𝑡 ⁄𝜇𝑡 không phụ thuộc vào số khuyếch tán D mà phụ thuộc vào k: 𝜎𝑡 𝜇𝑡 =√ 𝛽𝑘𝐿 (2.25) Chú ý 𝜎𝑡 𝜇𝑡 phân kỳ (bằng vô cùng) k = 0, hàm phân bố g(t) trở thành hàm phân bố Lévy Mơ hình khuyếch tán cho thấy q trình hiệu với thời gian trung bình hữu hạn k > 24 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sử dụng mơ hình phương pháp mơ phỏng, chúng tơi thực nghiên cứu q trình protein sinh đường hầm thoát ribosome Nghiên cứu thực cho hai protein nhỏ đơn miền protein SH3 domain (Mã PDB: 1SHG) protein Villin (Mã PDB: 2RJX) Hai protein chọn có kích thước tương tự (SH3 domain có chiều dài 57 amino acids, Villin có chiều dài 67 amino acids) hình dạng trạng thái tự nhiên khác để so sánh Để thuận tiện gọi hai protein 1SHG 2RJX Trạng thái tự nhiên 1SHG 2RJX thể Hình 3.1 Cấu trúc 1SHG gồm hai phiến beta đối song song bó vào nhau, 2RJX gồm xoắn alpha xếp gần 1SHG 2RJX Hình 3.1 Cấu trúc trạng thái tự nhiên protein SH3 domain (1SHG) protein Villin (2RJX) Các cấu trúc phiến beta tô màu vàng, xoắn alpha tô màu đỏ Các mô thực cho protein nhiều nhiệt độ khác khoảng từ T = 0.2 /kB tới T = 2.4 /kB Tại nhiệt độ, 500 quỹ đạo mô độc lập thực cho q trình đồng dịch mã q trình protein Q trình đồng dịch mã mơ với protein mọc dài dần từ đầu N tới đầu C thời gian để chuỗi polypeptide mọc dài thêm hạt tg = 100  Sau dịch mã hoàn 25 chỉnh, protein tiếp tục mơ hồn tồn khỏi đường hầm ribosome Thời gian tính từ protein dịch mã hoàn chỉnh protein hồn tồn Hình 3.2 Sự phụ thuộc lượng (E) số hạt ngồi đường hầm (Nout)vào thời gian quỹ đạo mô cho protein 1SHG nhiệt độ T = 0.8 /kB Hình 3.2 cho thấy phụ thuộc vào thời gian lượng E số hạt nằm đường hầm Nout quỹ đạo mô cho protein 1SHG nhiệt độ T = 0.8 /kB Có thể thấy E Nout biến thiên theo thời gian với xu hướng E giảm dần Nout tăng dần Quỹ đạo mơ Hình 3.2 kết thúc thời điểm Nout = N, ứng với thời gian thoát xấp xỉ 580t 3.1 SỰ PHỤ THUỘC CỦA THỜI GIAN THOÁT CỦA PROTEIN VÀO NHIỆT ĐỘ Hình 3.3 Hình 3.4 cho ta thấy phân bố thời gian thoát hai protein 1SHG 2RJX nhiệt độ khác nhau: T = 0.4 /kB , T = 0.8 /kB T = 1.2 /kB Có thể thấy nhiệt độ tăng phân bố thời gian bị dịch 26 chuyển phía thời gian ngắn Protein thoát nhanh nhiệt độ tăng Trong tất trường hợp phân bố thời gian thu từ mơ khớp tốt với mơ hình khuyếch tán chiều (đường liền nét Hình 3.3 3.4) Điều cho thấy mơ hình khuyếch tán mơ tả tốt q trình protein Hình 3.3 Phân bố thời gian thoát protein 1SHG nhiệt độ khác Các biểu đồ thu từ liệu mô Đường liền nét hàm phân bố thu lý thuyết khuyếch tán chiều khớp (fit) với biểu đồ 27 Hình 3.4 Phân bố thời gian thoát protein 2RJX nhiệt độ khác Các biểu đồ thu từ liệu mô Đường liền nét hàm phân bố thu lý thuyết khuyếch tán chiều khớp (fit) với biểu đồ Từ phân bố thời gian thoát thu từ mơ ta tính thời gian trung bình 𝜇𝑡 (𝜏) độ lệch chuẩn thời gian 𝜎𝑡 (𝜏) Hình 3.5 cho thấy phụ thuộc 𝜎𝑡 (𝜏) vào 𝜇𝑡 (𝜏) cho hai protein nhiệt độ khác Có thể thấy vùng 𝜇𝑡 (𝜏) 𝜎𝑡 (𝜏) nhỏ (ứng với nhiệt độ cao), 𝜎𝑡 (𝜏) phụ thuộc gần tuyến tính vào 𝜇𝑡 Theo mơ hình khuyếch tán cho cơng thức (2.25) phụ thuộc tuyến tính chứng tỏ βk không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ Với k khơng đổi, từ cơng thức (2.23) ta có 𝜇𝑇 ∼ 𝐷−1 , tức thời gian thoát trung bình tỷ lệ 28 nghịch với số khuyếch tán Ở vùng 𝜇𝑡 (𝜏) 𝜎𝑡 (𝜏) lớn (ứng với nhiệt độ thấp) phụ thuộc 𝜎𝑡 (𝜏) vào 𝜇𝑡 (𝜏) bị lệch khỏi hàm tuyến tính Lúc này, k D phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 3.5 Sự phụ thuộc độ lệch chuẩn thời gian vào thời gian trung bình cho 2protein 1SHG 2RJX Đường đứt nét tương ứng với mơ hình khuyếch tán chiều với k khơng đổi Hình 3.6 mơ tả phụ thuộc thời gian trung bình 𝜇𝑡 vào nhiệt độ T thang tọa độ log-log cho hai protein 1SHG 2RJX Đối với hai protein thời gian trung bình giảm nhiệt độ tăng Ở vùng nhiệt độ cao thời gian trung bình phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật 𝜇 𝑇 ∼ 𝑇 −1 (đường tuyến tính đứt nét hình vẽ) Điều chứng tỏ nhiệt độ cao số khuyếch tán phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, 𝐷 ∼ 𝑇, giống hệ thức Einstein (phương trình 2.18) cho hạt chuyển động Brown Như nhiệt độ cao trình protein tương tự q trình khuếch tán hạt Brown trường tuyến tính Hình 3.6 cho thấy 29 vùng nhiệt độ thấp, thời gian trung bình protein thấp nhiều so với thời gian thoát hạt Brown Điều khẳng định trình protein đường hầm ribosome làm cho protein thoát nhanh [7, 8] 30 (a) (b) Hình 3.6 Sự phụ thuộc thời gian trung bình vào nhiệt độ cho protein 1SHG (a) protein 2RJX (b) thang tọa độ log-log Đường đứt nét có độ dốc −1 tương ứng với 𝜇𝑇 ∼ 𝑇 −1 31 3.2 SỰ PHỤ THUỘC CỦA THỜI GIAN THOÁT VÀO CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Các kết Mục 3.1 cho thấy protein 1SHG 2RJX có cấu trúc trạng thái tự nhiên khác biệt, phân bố thời gian thoát, phụ thuộc thời gian thoát vào nhiệt độ tính chất khuyếch tán hai protein tương đồng Điều cho thấy q trình protein khơng phụ thuộc mạnh vào cấu trúc trạng thái tự nhiên Hình 3.7 Sự phụ thuộc thời gian trung bình (t) vào nhiệt độ (T) cho protein 1SHG 2RJX Hình 3.7 so sánh thời gian trung bình 1SHG 2RJX nhiệt độ khác Có thể thấy 2RJX có thời gian trung bình lớn so với 1SHG hầu hết nhiệt độ, ngoại trừ giá trị nhiệt độ thấp T = 0.2 /kB T = 0.25 /kB Tuy vậy, chênh lệch thời gian trung bình hai protein không nhiều Ở vùng nhiệt độ trung bình cao, protein 2RJX protein có cấu trúc xoắn alpha có thời gian trung bình cao khoảng 10% - 20% so với 1SHG protein có cấu trúc phiến beta 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn này, nghiên cứu q trình protein đường hầm ribosome sử dụng phương pháp mơ động lực học phân tử với mơ hình đơn giản hóa cho protein cho đường hầm ribosome Nghiên cứu thực cho hai protein nhỏ đơn miền với cấu trúc trạng thái tự nhiên khác Các kết mơ phân tích so sánh với mơ hình khuyếch tán trường tuyến tính chiều, cho kết luận sau: Khi nhiệt độ tăng thời gian protein giảm Phân bố thời gian phù hợp với mơ hình khuyếch tán Ở vùng nhiệt độ cao thời gian trung bình tỷ lệ nghịch với nhiệt độ theo hàm mũ 𝑇 −1, giống hạt chuyển động Brown Ở vùng nhiệt độ thấp, trình làm protein thoát nhanh so với hạt chuyển động Brown Thời gian protein khơng phụ thuộc mạnh vào cấu trúc trạng thái tự nhiên protein Protein có cấu trúc xoắn alpha chậm 10% - 20% so với protein có cấu trúc phiến beta Trên kết thu từ mơ hình đơn giản hóa Các kết cần so sánh với kết mơ hình chi tiết cho protein cho đường hầm thoát ribosome, kiểm chứng thực nghiệm 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C A Kaiser, M Krieger, H Lodish, A Berk Molecular Cell Biology, “ Molecular Cell Biology”, WH Freeman (2007) [2] N R Voss, M Gerstein, T A Steitz, and P B Moore, “ The geometry of the ribosomal polypeptide exit tunnel”, J Mol Biol 360, 893 (2006) [3] J L Lu and C Deutsch, Nat Struct Mol Biol 12, 1123-1129 (2005) A Kosolapov and C Deutsch, “Tertiary Interactions within the [4] Ribosomal Exit Tunnel”, Nat Struct Mol Biol 16, 405-411 (2009) [5] H Nakatogawa and K Ito, “ The Ribosomal Exit Tunnel Functions as a Discriminating Gate”, Cell 108, 629- 636 (2002) [6] H Nakatogawa and K Ito, Chem Bio Chem 5, 81 (2004) [7] P T Bui and T X Hoang, “ Folding anh escape of nascent proteins at ribosomal exit tunnel” , J Chem Phys 144, 095102 (2016) [8] P T Bui and T X Hoang, “ Protein escape at the ribosomal exit tunnel: Effects of native interactins, tunnel length, and macromolecular crowding”, J Chem Phys 149, 045102 (2018) [9] C Levinthal C, “ Are there pathways for protein floding ?”, Journal de Chimie Physique 65, 44-45 (1968) [10] C Anfinsen, Biochem,“Principles that govern the folding of protein chains” , J 128, 737 (1972) [11] C M Dobson, “ Protein folding and misfolding”, Nature 426, 884 - 890 (2003) [12] C M Kaiser, D H Goldman, J D Chodera, I Tinoco, Jr., and C Bustamante, “ The ribosome modulates nascent protein folding”, Science 334, 1723 (2011) 34 [13] P M Petrone, C D Snow, D Lucent, and V S Pande, “ Side – chain recognition and gating in the ribosome exit tunnel”, Proc Natl Acad Sci U S A 105, 16549-16554 (2008) [14] N Go, “ Theoretical studies of protein folding”, Ann Rev Biophys Bioeng 12, 183-210 (1983) [15] C Clementi, H Nymeyer, and J N Onuchic, J Mol Biol 298, 937 (2000) [16] T X Hoang and M Cieplak, “ Sequencing of folding events in Go-like proteins”, J Chem Phys 113, 8319 (2000) [17] R B Best and G Hummer, “Molecular crowding enhances native state stability and refolding rates of globular proteins” Proc Natl Acad Sci USA 102, 6732–6737 (2005) [18] D R Cox and H D Miller, The Theory of Stochastic Processes (Chapman and Hall, 1965), pp 219–223 ... q trình protein đường hầm thoát ribosome xảy song song với trình hai trình có ảnh hưởng qua lại lẫn Q trình làm cho protein thoát nhanh hơn, trình xảy đủ chậm giúp protein xác Việc protein thoát. .. amino acid Mặt đường hầm có chất ưa nước cho phép chuỗi sinh chui dễ dàng không bị cản trở 1.6 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME LÊN Q TRÌNH CUỐN CÁC PROTEIN MỚI SINH Đường hầm ribosome chật... số 2.2 MƠ HÌNH ĐƯỜNG HẦM THỐT RIBOSOME Chúng tơi sử dụng mơ hình đơn giản hóa cho đường hầm ribosome [7, 8] để khảo sát ảnh hưởng đường hầm thoát lên trình protein sinh Đường hầm mơ hình hóa