Nghiên cứu quá trình sinh học ĐẠI CƢƠNG VỀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

4.1 Cấu trúc bậc 1: Amino acid mạch thẳng Trong protein, các amino acid gắn kết với nhau thông qua liên kết amide cộng hóa trị, liên kết này được gọi là liên kết peptide, chúng tạo thàn

ĐẠI CƯƠNG VỀ CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

Nguyên lý cơ bản của vấn đề này nằm trong câu nói “Chức năng bắt nguồn từ cấu trúc lập thể, và cấu trúc lập thể do trình tự amino acid quyết định” Thực tế, chuỗi protein gấp nếp thành các cấu trúc lập thể đặc thù Cấu trúc này được giữ ổn định bởi nhiều loại tương tác không cộng hóa trị giữa các amino acid

Chúng ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng bậc tổ chức của protein

4.1 Cấu trúc bậc 1: Amino acid mạch thẳng

Trong protein, các amino acid gắn kết với nhau thông qua liên kết amide cộng hóa trị, liên kết này được gọi là liên kết peptide, chúng tạo thành chuỗi mạch thẳng, không phân nhánh Đôi khi cũng có các liên kết disulfide nối cộng hóa trị nối các mạch phụ (nhóm R) lại với nhau Một đầu của protein có nhóm amin tự do (không tạo liên kết) được gọi là đầu N, và đầu kia có nhóm carboxyl tự do gọi là đầu C

Cấu trúc bậc 1 của protein là sự xếp mạch thẳng một cách đơn giản, kích cỡ được tính bằng đơn

vị Dalton, trọng lượng phân tử trung bình của mỗi amino acid là 113, do vậy ta có thể dùng giá trị này để ước lượng được số phần tử amino acid của một protein và ngược lại

Hình 4.1:Mô tả cấu trúc thẳng (2D và 3D) của chuỗi polypeptide(Theo Color Atlas of

Biochemistry 2ed – Koolman)

4.2 Cấu trúc bậc 2: Thành phần tạo thành kiến trúc trung tâm, quan trọng nhất của protein

Đây là cách sắp xếp không gian bền của các vùng trong chuỗi polypeptide (tạo thành cấu trúc bậc 1) Những đoạn này gắn kết với nhau thông qua liên kết Hydrogen Tùy theo trình tự, mỗi chuỗi polypeptide có thể chứa nhiều kiểu cấu trúc bậc 2 trên nhiều vùng Các cấu trúc bậc 2 cơ bản là:

Xoắn α

Hình 4.2:Mô tả Xoắn α(Theo Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman)

phiến β

Hình 4.3 :Mô tả cấu trúc phiến β(Theo Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman)

và ngoặt β ngắn (hình chữ U)

Hình 4.4 :Mô tả cấu trúc ngoặt β(Theo Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman)

Thuật ngữ cuộn ngẫu nhiên dùng để chỉ các phần có tính linh động cao và không có cấu trúc lập thể cố định trong chuỗi polypeptide Thuật ngữ bất qui tắc ám chỉ các phân đoạn polypeptide không tạo thành những cấu trúc trên, nhưng bằng cách nào đó có hình dạng bền và xác định

Có khoảng 60% chuỗi polypeptide của protein có dạng xoắn α và phiến β, phần còn lại mang cấu trúc cuộn và ngoặt Do đó, xoắn α và phiến β là các thành phần chống đỡ bên trong quan trọng của protein

Xoắn α là một phân đoạn polypeptide có kiểu gấp nếp, mạch khung xoắn lại Ở cấu trúc này, mọi

O của nhóm –CO– của amino acid này sẽ tạo liên kết H với H thuộc nhóm –NH– của amino acid kế cận, trừ đầu tận cùng không tạo liên kết với nhau Kiểu sắp xếp có chu kì này tạo thành cấu trúc xoắn từ đầu amin đến đầu carboxyl vì toàn bộ chất cho liên kết hydro có cùng chiều từ trên xuống dưới, và cũng do đó, mỗi vòng xoắn chứa 3,6 amino acid

Cơ cấu này do Linus Pauling đề xuất (Nobel hóa học), cách tạo cầu nối Hydrogen này làm cho vòng xoắn α bền vững và đồng thời xác định tính chất kị nước của xoắn Trong dung dịch, xoắn

ưa nước thường nằm tại bề mặt, nơi chúng có thể tương tác với môi trường nước, trong khi các xoắn kị nước thường vùi vào trong lõi của protein gấp nếp Hiện tượng này giải thích tại sao một

tổ hợp vòng xoắn α như thụ thể liên kết với protein G (GPCR) có thể thay đổi hình dạng sau khi liên kết với ligand

Phiến β là một phân đoạn ngắn và hầu như trải ra hết cỡ Trong cấu trúc này, liên kết Hydrogen hình thành trong phiến giữa các nguyên tử nằm trên khung những mạch β riêng biệt Các mạch β riêng biệt này có thể cùng nằm trong một chuỗi polypeptide và kết nối thông qua những vòng dài hoặc ngắn, hoặc nằm trên các chuỗi polypeptide khác nhau Từ các đặc điểm trên, hai hoặc nhiều mạch β sắp xếp kề nhau, tạo thành tấm β hai chiều gầu như xếp ly (hoặc gọi là tấm xếp có nếp) Liên kết Hydrogen trong mặt phẳng các phiến giữ mạch với nhau và nhóm R gắn phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng này Giống như xoắn α, phiến β có tính định hướng do chiều liên kết peptide Do đó, trong phiến xếp, các mạch β sát nhau nằm cùng chiều (song song) hoặc ngược chiều (đối song song) Trong một số protein, phiến β tạo thành phần nền của hốc gắn hoặc lõi kị nước; ở các protein xuyên màng, phiến β cuộn lại tạo thành lỗ trung tâm ưa nước, cho phép ion

và tiểu phân tử đi qua

Loại cấu trúc phiến β hiếm gặp trên thụ thể cũng như các kênh ion nhưng lại rất phổ biến trong enzyme Điều đó được giải thích là do lực nối Hydrogen liên phân tử trong cấu trúc này tương đối yếu nên tạo ra được sự linh động lớn trong cấu trúc lập thể cần thiết cho hoạt động của enzyme

Hình 4.5:Các motif cấu trúc bậc 2 của protein.(a):Tay EF là một motif xoắn-vòng-xoắn chứa

hai xoắn nối với nhau qua một vòng ngắn có cấu hình đặc biệt và chung cho nhiều protein Trong protein gắn calcium như calmodulin, các nguyên tử Oxygen của 5 amino acid thuộc vòng giàu acid aspartate và glutamate cùng một phân tử nước sẽ liên kết với ion Ca2+.(b): Motif ngón tay kẽm tồn tại trong nhiều protein gắn DNA giúp điều hòa phiên mã Hai phiến β (màu xanh da trời) và một xoắn α (màu đỏ) giữ ion Zn2+ thông qua hai gốc cysteine và hai gốc histidine Hai gốc cysteine luôn nằm tại vị trí 3 và 6 trong khi cặp histidine luôn nằm tại vị trí 20 và 24 thuộc motif 25 gốc này.(c): Motif hai mạch xoắn cuộn song song hình thành từ hai xoắn α quấn quanh nhau Tương tác giữa các nhóm R kị nước (màu đỏ và xanh da trời) cách quãng đều, dọc theo vùng giáp ranh giữa hai chuỗi làm bền motif này Mỗi xoắn α chứa trình tự lặp bộ bảy đặc trưng với gốc kị nước thường nằm tại vị trí 1 và 4 như chỉ ra trong hình Bản chất cuộn xoắn của motif cấu trúc này rõ ràng hơn trong các xoắn cuộn dài.(Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th)

4.3 Cấu trúc bậc 3: Polypeptide gấp nếp

Cấu trúc bậc 3 của protein là cấu hình tổng thể của chuỗi polypeptide hay sắp xếp ba chiều của amino acid Cấu trúc bậc 3 được làm ổn định đa phần bởi các tương tác kị nước giữa các nhóm R không phân cực, liên kết H giữa các nhóm R phân cực và các liên kết peptide Các tương tác này tương đối yếu, do vậy cấu trúc bậc 3 không cứng nhắc mà luôn dao động nhỏ và liên tục Biến thiên của cấu trúc này quan trọng đối với chức năng và điều hòa của protein nói chung và cấu trúc thụ thể nói riêng

Dựa vào cấu trúc bậc 3 mà protein có thể được phân loại thành ba loại:

Protein sợi

Hình 4.6:Minh họa cấu trúc bậc 3 của protein sợi Theo (Color Atlas of Biochemistry 2ed –

Koolman)

Protein cầu

Hình 4.7 :Minh họa cấu trúc bậc 3 của protein cầu

và protein xuyên màng

Hình 4.8:Minh họa cấu trúc bậc 3 của protein xuyên màng

Protein sợi là phân tử lớn, dài, cứng và thường cấu tạo từ nhiều trình tự ngắn lặp lại liên tiếp, tạo thành cấu trúc bậc 3 lặp đơn (xem cấu trúc của collagen) Protein sợi thường tụ thành các sợi lớn gồm nhiều protein và chúng không tan trong nước, có vai trò lớn trong vận động tế bào

Protein cầu thường chứa tập hợp các cấu trúc bậc 2, hòa tan trong nước, gấp nếp chặt và không

có hình cầu hoàn hảo

Protein xuyên màng nhúng trong lớp phospholipid kép của màng

3 loại protein trên không phải lúc nào cũng được phân định rõ ràng Một số protein cấu thành từ

tổ hợp 2 hay cả 3 loại này

Các tổ hợp cấu trúc bậc 2 và bậc 3 nhất định được gọi là motif cấu trúc hay kiểu gấp nếp Motif cấu trúc góp phần hình thành cấu trúc tổng thể của toàn bộ protein và mỗi loại motif cấu trúc thường thực hiện một chức năng chung trong các protein khác nhau (ví dụ với tiểu phân tử hay ion, đặc biệt quan trọng đối với thụ thể) Các trình tự bậc 1 mã hóa cho một loại motif nhất định

có thể rất giống nhau Hay một motif trình tự chung có thể tạo ra một motif cấu trúc lập thể chung Tuy nhiên, cũng có những trình tự không giống nhau lại có thể gấp nếp lại thành những motif cấu trúc chung Đôi khi các motif trình tự ngắn chứa một loại amino acid lớn bất thường (proline, aspartate, glutamate, …) sẽ được gọi là miền

Nhiều motif cấu trúc sử dụng xoắn α Một motif gắn calcium phổ biến được gọi là tay EF (EF hand) sử dụng hai xoắn ngắn kết nối với nhau qua vùng vòng Motif này tồn tại trong hơn 100 protein cảm biến dò nồng độ calcium trong tế bào Calcium gắn với nguyên tử Oxygen tại các gốc bảo tồn ở vùng vòng phụ thuộc vào nồng độ Calcium và thường gây biến đổi hoạt tính của protein Do đó, nồng độ calcium có thể điều kiển trực tiếp cấu trúc và chứng năng của protein Protein thường sử dụng motif cấu trúc dạng xoắn – ngoặt – xoắn (helix – turn – helix) và xoắn – vòng – xoắn cơ sở (basic helix – loop – helix, bHLH) để gắn DNA và qua đó điều hòa hoạt tính gene Ví dụ như cấu trúc dạng ngón tay kẽm (zinc finger) nằm trong các protein gắn DNA và RNA có cấu trúc 1 xoắn α và 2 xoắn β nằm đối song gắn với nhau bởi ion Zn giống như ngón tay

Ngoài ra còn có các cấu tạo khác như “miền cấu trúc”, “miền chức năng”, … tuy nhiên do không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài nên không được đề cập ở đây

4.4 Cấu trúc bậc 4: Protein kết hợp đa phân và tổ hợp thành đại phân tử

Hình 4.9: Cấu trúc của insulin(Color Atlas of Biochemistry 2ed – Koolman)

Cấu trúc bậc 4 mô tả số lượng và vị trí tương đối của các tiểu phần trong protein đa tiểu phần Các protein đa tiểu phần có thể cấu thành từ nhiều tiểu phần:

Đồng nhất (homomeric)

Hình 4.10: Minh họa protein có tiểu phần đồng nhất(Color Atlas of Biochemistry 2ed –

Koolman)

Hoặc khác biệt (heteromeric)

Hình 4.11: Minh họa protein có các tiểu phần không đồng nhất (hemoglobin)(Color Atlas of

Biochemistry 2ed – Koolman)

Thông thường, các tiểu phần riêng biệt không có chức năng trừ khi chúng lắp ráp thành protein

đa tiểu phần Trong một số trường hợp, protein đa tiểu phần bố trí tiểu phần kề nhau theo chuỗi phản ứng cần cho một con đường tế bào và chính điều này làm tăng hiệu quả vận hành của chúng Cấu trúc bậc cao nhất này của protein là sự kết hợp các protein thành tổ hợp đại phân tử

có kích thước và khối lượng lớn ( trên 1 Mda và 30-300 nm) Tổ hợp đại phân tử với chức năng cấu trúc bao gồm capsid (bao bọc bộ gen của virus) và các bó sợi khung tế bào (hình thành màng

tế bào chất), hoạt động như bộ máy truyền tin, thực hiện hầu hết các quá trình phức tạp trong quá trình truyền tin nội và ngoại bào, … Ví dụ bộ máy phiên mã có vai trò tổng hợp RNA thông tin (mRNA) từ khuôn DNA Bộ máy này chứa RNA polymerase (protein đa tiểu phần) và ít nhất 50 thành phần khác, bao gồm các yếu tố phiên mã, protein gắn promoter, helicase, …

4.5 HIỆU QUẢ GẤP NẾP CỦA PROTEIN: Chaperone & Chaperonin

Các chất biến tính (pH, nhiệt độ, β-mercaptoethanol …) có thể phá hủy các tương tác không cộng hóa trị của protein và làm biến tính protein Dưới những điều kiện biến tính như vậy, entropy tăng khi quần thể đồng nhất chứa các phân tử gấp nếp bị mất ổn dịnh và chuyển hóa thành các tập hợp chứa nhiều phân tử không gấp nếp (hay biến tính) Tập hợp protein biến tính này sẽ tạo thành rất nhiều protein không có hoạt tính sinh học và thực tế chúng cũng không tồn tại trong trạng thái tự nhiên (mặc dù theo lý thuyết có tới 8n-1 cấu hình)

Lời giải chính xác cho thực tế trên nằm trong tập hợp protein gọi là chaperone Chúng giúp cho protein gấp nếp Chaperone có vai trò rất quan trọng và có thể thấy điều này bởi vì chúng được bảo tổn qua tiến hóa Có 2 họ chaperone thường thấy:

- Chaperone phân tử gắn và ổn định protein chưa gấp nếp hoặc đã phần nào gấp nếp do đó ngăn chặn các protein này kết tụ và phân hủy

- Chaperonin tạo thành hốc gấp nếp nhỏ Trong hốc này protein chưa gấp nếp bị cô lập, mang lại thời gian và môi trường thích hợp để nó gấp nếp chính xác

Lý do làm nên tầm quan trọng của chaperone là chúng giúp cho protein chưa gấp nếp không bị kết tụ

Các protein chưa gấp nếp hoặc mới gấp nếp một phần có khuynh hướng kết tụ thành khối lớn và thường không hòa tan trong nước, do vậy protein trong những khối này rất khó tách ra để gấp nếp thành cấu hình chính xác Sự kết tụ này một phần là do các mạch nhánh kị nước lộ ra khi chưa kịp vùi vào lõi của protein, những mạch nhánh kị nước lộ ra trên các phân tử khác nhau sẽ bám vào nhau do hiệu ứng kị nước, do đó thúc đẩy sự kết tụ Protein mới tổng hợp có nguy cơ bị kết tụ trước khi hình thành quá trình gấp nếp Chaperone phân tử gắn với polypeptide đích hoặc tách nó khỏi các protein chưa gấp nếp hoặc mới gấp nếp một phần, nhờ đó ngăn chặn sự kết tụ

và mang lại thời gian để protein mới sinh gấp nếp chính xác

Chaperone phân tử Chaperone phân tử gồm protein sốc nhiệt (Hsp: heat-shock protein) Hsp70

và các thể tương đồng của nó (Hsp70 trong tương bào và chất nền ti thể, BiP trong lưới nội chất, DnaK của vi khuẩn) Chúng được xác định lần đầu tiên bởi sự xuất hiện nhanh chóng sau khi tế bào chịu sốc nhiệt Hsp70 và các thể tương đồng của nó là những chaperone quan trọng trong mọi sinh vật Khi gắn với ATP, các protein dạng Hsp70 có cấu hình mở, với các hốc kị nước lộ

ra và gắn tạm thời với vùng kị nước của protein đích chưa gấp nếp ATP bị thủy phân làm chaperone phân tử đóng lại và thúc đẩy protein đích gấp nếp trong đó một phần do ngăn các protein không gấp nếp kết tụ ATP chuyển hóa thành ADP làm biến đổi cấu hình chaperone và giải phóng protein đích Chu trình này được đẩy nhanh hơn bởi protein gọi là đồng chaperone Hsp40 ở sinh vật nhân chuẩn Những đồng chaperone này tăng hiệu quả gấp nếp do Hsp70 trung gian của nhiều protein bằng cách kích thích thủy phân ATP nhờ Hsp70/DnaK Nhiều chaperone phân tử được coi là gắn với mọi chuỗi polypeptide mới sinh khi chúng đang tổng hợp từ ribosome

Chaperonin Để gấp nếp chính xác, rất nhiều protein mới tổng hợp cũng cần chaperonin phụ trợ

Tổ hợp đại phân tử hình trụ lớn này cấu thành từ hai vòng oligomer Hai vòng này có cấu hình chặt (tight) gắn peptide và cấu hình lỏng lẻo để giải phóng peptide Mỗi vòng chaperronin TriC của sinh vật nhân chuẩn chứa 8 tiểu phần Cơ chế gấp nhờ GroEL được hiểu kĩ hơn thông qua TriC và trở thành mô hình chung Polypeptide gấp nếp một phần hoặc mất nếp gấp gắn vào khoang của GroEL dạng thùng, nơi nó gắn với thành trong và gấp thành cấu hình tự nhiên Trong một bước phụ thuộc ATP, GroEL biến đổi hình dạng và giải phóng protein đã gấp nếp Một protein gọi là đồng chaperonin (GroES) trợ giúp cho quá trình này ATP và GroEL ở trạng thái chặt làm hốc của nó mở rộng gấp hai lần, chuyển dịch cân bằng sang trạng thái lỏng và giải phóng peptide Chú ý rằng thiết kế thùng có nắp của GroEL/GroES rất giống với cấu trúc proteasome 26S (tham gia phân hủy protein)

Hình 4.12:Protein gấp nếp nhờ Chaperonin Sự gắp nếp chính xác của một số protein phụ

thuộc vào các chaperonin như GroEL của sinh vật nhân sơ GroEL là một phức hệ dạng thùng rỗng cấu thành từ 14 tiểu phần đồng nhất, trọng lượng phân tử khoảng 60000MW, tổ chức thành hai vòng chồng lên nhau Khi không gắn ATP hoặc gắn ADP, GroEL mang cấu hình đóng chặt

và gắn với protein không gấp nếp hoặc gấp nếp một phần ATP gắn vào làm GroEL mở ra, giải phòng protein đã gấp nếp

4.6 ĐIỀU HÒA CHỨC NĂNG PROTEIN:

PHẦN 1: PHÂN HỦY PROTEIN

Hầu hết các quá trình trong tế bào xảy ra với tốc độ không đổi và có sự tương tác với nhau chặt chẽ để tạo ra hiểu quả tổ chức tối đa cho sự sống

Có 3 cơ chế điều hòa hoạt tính protein, đóng vai trò không thể thiếu trong sự sống và sự phối hợp hoạt động của protein:

- Tế bào tăng hoạt giảm mức protein tại trạng thái ổn định bằng cách thay đổi tốc độ tổng hợp, tốc độ phân hủy hoặc cả hai yếu tố đó

- Tế bào biến đổi hoạt tính nội tại của protein (ví dụ thay đổi ái lực gắn kết cơ chất, thời gian bất hoạt/hoạt hóa, …)

- Thay đổi vị trí hoặc nồng độ của protein trong tế bào hoặc thay đổi một số phân tử khác cần cho hoạt tính của protein