(Luận án) Vai trò của trình tự amino acid ky nư c và phân cực đối v i cơ chế cuốn protein và sự kết tụ của peptide

NGUYỄN ĐĂNG THUẤN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DAO ĐỘNG CƠ” VẬT LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ GIÁO DỤC HỌC NGUYỄN ĐĂNG THUẤN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DAO ĐỘNG CƠ” VẬT LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí Mã số: 62 14 01 11

LUNÁNTIẾNSĨVTLÝ

Chuyênngành:VtlýlýthuyếtvàVtlýtoánMãsốch

uyênngành:9440103

Ngưďihưďngdẫnkhoahọc:PGS.TSTrịnhXuânHoàng

TȏixinchȃnthànhcámơnHọcvi nQuȃnYnơitȏidangcȏngtácdǎcó nhiều hố trợ

và d®ng viȇn tȏi trong thời gian tȏi làm nghiȇn cáu sinh Xin cảmơnVinVtlývàHọcvinKhoahọcvàCȏngnghl à cơsởdàotạodǎtạodiều ki

nt h u n l ợ i g i ú p t ȏ i t r on g q u á t r ì n h l à m n g h i ȇ n c á u s i n h v à b ả o v l u n á n

T ȏ i cǔn gcá m ơn c ác d ồn g n gh i ptạ iB® mȏn Vtlý- Lýs inh nơ i tȏicȏng t ác

dǎ cónhiềugiúpdơ,chiasẻtrongcȏngvi ckhitȏidilà mnghiȇncáusinh.Cuốicùng,tȏixindànhsựbiếtơnsȃusắctớigiadìnhdǎluȏnd®ngviȇn, ủng h® và

hố trợ về mọi m t dễ tȏi có thễ yȇn tȃm nghiȇn cáu và bảo vt h à n h c ȏ n g

l u n á n n à y

h m ớ n g d ấ n l à PGS TS.Trịnh Xuȃn Hoàng Chmơng 5 trình bày kết quả

TS.TrịnhX u ȃ n H o à n g v à T S L ȇ D u y M ạ n h

Cuốic ù n g t ȏ i x i n c a m d o a n v à k h ẫ n g d ị n h , d ȃ y l à c á c n g h i ȇ n c á u c ủ a r i

ȇ n g t ȏ i C ác kế t q uả t r o n g l u

n án “V ai t rò c ủa t rì nh t ự am i no a c i dk y n m ớ cv à phȃn cực dố i v ới cơ chế

c uố n pro te i n v à sự kết t ụ của pe ptide ” l à c á c k ế t q u ả

m ớ i , k h ȏ n g t r ù n g l p v ớ i b ấ t k ỳ l u n á n h a y c ȏ n g t r ì n h n à o d ǎ d m ợ c c ȏ n g

b ố

Tácgiảlunán

3

1.1C á c d ct r m n g c ấ u t r ú c c ủ a p r o t e i n 8

1.2H i nt m ợ ng c u ố n pr o t e i n 10

1.3N g h ị c h lýLevinthal 11

1.4P h ế u cuốn 12

1.5N g u y ȇ n lýthấtvọngtốithiễu 13

1.6M ȏ hì nhhai t r ạn g t hái cho cơ chế c u ố n protein 14

1.7T í n h hợptáccủaquátrìnhcuốn 16

1.8T m ơ n g táckynmớc 18

1.9M ȏ hìnhHPmạng 19

1.10MȏhìnhGo 21

1.11Mȏhìnhống 22

1.12Kếtlun 25

2S fi hình t h à n h amyloid 27 2.1C ấ u trúcsợiamyloid 28

2.2C ơ chếhìnhthànhsợiamyloid 30

2.3K ế t lun 35

3C á c môhìnhvàphư6ngphápmô phỏng 37 3.1M ȏ hìnhốngHP 37

3.1.1T í n h chấttựtránhdạngống 38

3.1.2T h ế n ă n g b ẻ c o n g 39

3.1.3H t ọ a d®Frenet 39

Mụclục

3.1.4 Liȇnkếthydro 40

3.1.5 Tmơngtáckynmớc 42

3.2 MȏhìnhốngGo 43

3.3 Mȏhìnhốngvớitínhdịnhhmớngcủacácchuốibȇn 43

3.4 Cáct h ȏ n g s ố c ấ u t r ú c p r o t e i n 45

3.5 Phmơngp há pm ȏ p hỏ ng M o n t e Ca rl o 45

3.5.1 ThuttoánMetr opolis 46

3.5.2 Cácp h é p d ị c h c h u y ễ n M o n t e C a r l o c h o protein 48

3.6 Phmơngphápdiềunhitsongsong 49

3.7 Phmơngphápphȃntíchdabiễudồcótrọngsố 51

3.8 Kếtlun 54

4 Vait r ò c ủ a t r ì n h tf i a m i n o a c i d k y n ư ď c v à p h â n c fi c đ ố i vďi c6chếcuốncủaprotein 55 4.1 Nhitd ® n g l ự c h ọ c c u ố n p r o t e i n t r o n g m ȏ h ì n h ố n g H P 55

4.2 Nhitd ® n g l ự c h ọ c c u ố n p r o t e i n t r o n g m ȏ h ì n h ố n g G o 61

4.3 Chuyễnp h a c u ố n t r o n g m ȏ h ì n h ố n g H P v à m ȏ h ì n h ố n g G o 62

4.4 Ảnhhmởngcmờngd®tmơngtáckynmớclȇntínhchấtcuốn 70

4.5 Kếtlun 74

5 Vait r ò c ủ a t r ì n h tf i a m i n o a c i d k y n ư ď c v à p h â n c fi c đ ố i vďi sfikếttṇ c ủapeptide 75 5.1 Sựp h ụ t h u ® c c ủ a c á c c ấ u t r ú c k ế t t ụ v à o t r ì n h t ự H P 76

5.2 Nhitd ® n g l ự c h ọ c c ủ a q u á t r ì n h k ế t tụ 79

5.3 Đ®ngh ọ c c ủ a q u á t r ì n h h ì n h t h à n h s ợ i 82

5.4 Sựk ế tt ụ c ủ a h p e p ti d e h ố n h ợ p 87

5.5 Thảolun 89

5.6 Kếtlun 92

Danhmṇccácbảng

Bảng5.1Trìnhtựaminoacidkynmớc(H)vàphȃncực(P)củacácpeptidedmợcxéttrongnghiȇncáuvềsựkếttụ.Cáctrìnhtựtrongbảngd mợ c k ý h iut à

S 1 t ớ i S 1 2 T h a m s ố s k ý h i uk h oả n g cách

gầnn h ấ t g i ǎ a h a i a m i n o a c i d H l i ȇ n ti ế p n h a u t r o n g c h u ố i 76

Danhmṇccáchìnhvẽ,dồthị

Hình1.1Hìnhvěminhhọaa)cấutrúchóahọccủaaminoacid(tràproline), b)cấu trúc hóa học của proline (Pro) và c) chuối polypep-tidevớicácaminoacidliȇnkếtvớinhaubởicácliȇnkếtpeptide.Mối

amino acid gồm m®t nguyȇn tả carbon trung tȃm Cα liȇn kếtvớim®tnhómamine(-NH2),m®tnhómcarboxyl(-

COOH),m®tnguyȇn tả H và m®t chuối bȇn R Trong amino acidproline,

chuốibȇnRliȇnkết hóatrị vớing uyȇn tảC trong nh óm carboxyl.Các

aminoa c i d t r o n g p r o t e i n k h á c n h a u b ở i c h u ố i b ȇ n R 9Hình1.2C ấ u t r ú c t r ạ n g t h á i c u ố n c ủ a v ù n g B 1 c ủ a

p r o t e i n G ( a – c ) v à củaproteinA(d–f).Cáccấutrúcproteindmợcbiễudiếnởdạnggồmtấtcảcácnguyȇntả(all-atom)(a,d),dạngdải(ribbon)

(b,e)vàdạngmạchxmơngsống(backbone)(c,f)

[Pleaseinsertintopreamble]Trongbiễudiếndạngdải,cácxoắnαdmợct ȏmàudỏvàcácphiếnβdmợctȏmàuvàng.Trongbiễudiếnmạchxmơngsống,

cácaminoacidkhá c nh au d mợ cph ȃ nb i

tb ằn gc á c mà u k há c nha u.Cá cdǎ liuc ấ u t r ú c d mợ c lấ y t à n g ȃ n

h à n g d ǎ l i up r ot e in ( P D B ) vớ imǎ

PDB1pgachovùngB1củaproteinGvà2spzchoproteinA 10Hình1 3 D ị a h ì n h n ă n g l m ợ n g d ạ n g s ȃ n g ȏ n á n g v ớ i q u á t r ì n h c u

ố n trongnghịchlýLevithal 12

Hình1.4P h ế u cuốn 13

Hình1.5S ơ dồnănglmợngtựdotrongmȏhìnhhaitrạngthái.Dvà Nlần lmợt là trạng thái duối và trạng thái cuốn Trạng tháichuyễntiếp(TS)làtrạngtháicónănglmợngtựdocaonhấtgiǎatrạngt h á

i duốivàtrạn gt háicuốn ∆F N v à ∆F D l ầ n lmợt làd ®ca o của

cácbờthếxuấtpháttàcáctrạngtháiduốivàcuốn 15

Hình1.6N h i t d ® n g l ự c h ọ c c ủ a p r o t e i n h a i

t r ạ n g t h á i ( a ) S ự p h ụ

t h u ® c củaenthalpytrungbìnhvàonhitd®códạngchǎS(sigmoidal)

(b)Sựphụthu®ccủanhitdungriȇngvàonhitd®códỉnhtạivùngchuyễ

npha.(c)Phȃnbốenthalpytạinhitd®T1<T f vàT2>T f

(d)Phȃnbốenthalpytạinhitd®T=T f Nhitd®chuyễnphacuốnduốiT f

dmợcxácdịnhlànhitd®mànhitdungriȇngdạtcựcdại.D®lớncủasựth

aydỗienthalpynhit,∆Hcal,vàenthalpy

van’t Hoff,∆HvH,dmợcthễhinm®t cáchgầndúngtrȇn hìnhvě.17

tiễu( d ) 20

Hình1.8( a ) G i ả n d ồ p h a t r ạ n g t h á i c ơ b ả n c ủ a p o l y m e r

d ồ n g n h ấ t d à i 24 hạt trong mȏ hình ống.e R vàe W l à c á c t h a m

s ố n ă n g l m ợ n g b ẻ cong và năng lmợng tmơng tác ky nmớc

tt ố i d a v ớ i n ă n g l m ợ n g xấpxỉnhmnhau,phȃncáchnhaubởicáchà

ngràonănglmợnglớn

(b)Dịahìnhnănglmợngdmợctạchình(presculpted)bởicácyếutố hìnhhọc và dối xáng trong mȏ hình ống của m®t chuối

10˚Atheophmơngngang Cáckhoảng cách này phùhợp với

cấutrúcphiếnβchéomȏtảởhìnhbȇnphải,trongdócácdảiβcóphmơngv

uȏnggócvớitrụccủasợi.M®tsợiamyloidcóthễgồmnhiềuprotofibril

Danhmục các hìnhvě ,bồ thị

ghéplạivớinhau 2 9 H ì n h 2.2M ȏ

h ì n h c ấ u t r ú c c ủ a c á c s ợ i a m y l o i d c ủ a b n h A l z h e i m e r t ạ obởicácpeptideAbeta(1-

42)cómǎPDBlà2BEGthudmợcbằngp h m ơ n g phápNMR[68]:

(a)nhìntheohmớngtrụcsợi,(b)nhìntheohmớng vuȏng góc trục sợi

29

Hình2.3S ơ dồmȏ tảquá trình prote in cuốns aiv à hình thànhcác cấu

trúckếttụ 30Hình2.4D ® n g h ọ c c ủ a q u á t r ì n h h ì n h t h à n h a m y l o i d

31Hình2.5S ự p h ụ t h u ® c n ă n g l m ợ n g t ự d o v à o s ố d ơ n p h ȃ n

c ủ a c ấ u t r ú c

kếttụ 32Hình3.1M i n h họanhǎngthếnăngdmợcsảdụngtrongmȏhìnhốngtinhchỉn

c o i l àcó hmớng ngmợc lại với hmớng của các vector pháp tuyếnni vàn j t à c á c

n g u y ȇ n t ả C α.Hai amino acid dmợc coi là có tmơng tácnếuchuối bȇn của chúng có hmớng khȏng quá xa nhau (a) ho ckhȏngtmơng tác nếu chuối bȇn hmớng xa nhau (b) (c) Phȃn bố xác

suấtc ủ a tíchvȏ hmớngni ·c ij cho các tiếp xúc giǎa các chuối

bȇn dmợc tà500 cấu trúc protein trong cơ sở dǎli utop500 Hai

trục (crank-shaft move), b) phép quay diễm (pivot move)

49Hình3.5( a ) H o á n d ỗ i r e p l i c a c h o p h é p x u y ȇ n q u a r à o t h ế ( b ) S ự g i a o

nhauc ủ a c á c b i ễ u d ồ t r ạ n g t h á i t h e o n ă n g l m ợ n g t ạ i c á c n h i t d®khácnhau 49

gồmcácaminoacidkynmớc(H)vàphȃncực(P)vớichiềudàiN=48thudmợc tàmȏphỏngtrongmȏhìnhốngHP,baogồm cấu trúc bó ba xoắnα(ký hi

u là 3HB) (a) và cấu trúc tmơngt ự v ù n g B 1 c ủ a p r o t e i n G( k ý h i u l à G B 1 ) ( b ) C á c a m i n o a c i d

và bán kính hồi

chuyễnR g ( c ) p h ụ thu®cvàosốbmớcmȏphỏngMCvàcácbiễudồt

mơngángdǎ

chuẫnhóacủachúng(d–f) 64

H ì n h 4.9 B ề m t haichiều của n ăn g lmợng tựdohi udụ ng phụt hu®c

vào năng lmợngEvà d® dịch chuyễn căn quȃn phmơng

aue HH =

−0.2ϵ,−0.3ϵ,−0.5ϵvà−0.7ϵ 71

Hình4.12Sự phụ thu®c của năng lmợng trung bình⟨E⟩(a) và bán kínhhồic h u y ễ n t r u n g b ì n h ⟨ R g⟩( b ) v à o n h i

tảCpeak/kM( a ) v à n h i t d ® tmơngáng của nóTpeak(b) vào trình

tựcủa chuối dối với hM =10 chuối peptide(dmờngliền nét),M=6(dmờngnétdát)vàM=1(dmờngchấm)peptide.Cáctrìnhtực

huốidmợcdánhsốthátựtheoBảng5.1.Dmờngnằmngangtrong

(b)t m ơ n g á n g v ớ i n h i td ® s i n h l ý g i ả d ị n h T ∗trongmȏ hì nh 81Hình5.5S ự phụthu®ccủanănglmợngcủahv à o sốbmớcMonteCarlotrongm ® t m

nhȃn (e) Cấu hình của cụm tạo nhȃn dmợc hình thành bởi

h m các hình bȇn trái (a và c) nhmng trong thang log-log Các diễm

dǎl i udmợckhớpvớihàm hồi phụcM(1−e −t/kt0) (dmờng liền nét)

vớit0=570×106

choc=1mMtronghình(a)vàt0=1850×106

choc=0,5m Mtrong hình(a),vàt0=109

c h o c=1mMt ronghình

(c) Các dồ thị trong thang tọa d® log-log chỉ ra rằng sự phát

triễncủan β trongthờigianngắnbandầutuȃntheoquylu thàmlǔythàa,

⟨ n β ⟩∝ t α

,v ớ i α =1t r o n g h ì n h ( b ) v à α =1.25t r o n g hình

(d)c h o c ả h a i n ồ n g d ® 1 m M v à 0 5 m M 87

Hình5.9( a ) Hình ảnh cấu hình peptide thu dmợc tà mȏ phỏng dối vớihh ố n

h ợ p 1 0 c h u ố i p e p ti d e c ó t r ì n h t ự S 2 v à 1 0 c h u ố i

c ó t r ì n h t ự S4tạinồngd®c=1mMvànhitd®T= 0.2ϵ/k

k B.CácdơnphȃnHcómàuxanhdm.CácdơnphȃnPcómàuxanhnhạtvàmàuhồngtmơngángvớicácchuốicótrìnhtựS2vàS4.(b)Hìnhảnhnhìn

tà trȇn xuống dǎ dmợc phóng to dối với cấu trúc kết tụtronghìnha.ChúýrằngsáuchuốiS4cómttrongkếtcụmvà5trongs ố ch

úngtồntạiởcấuhìnhphiếnβ.(c)Sựphụthu®csốpeptidetrung bình trong cấu hình phiếnβ,⟨n β⟩, vào thời gian thu dmợc tà100mȏphỏng d®clpchocác peptide ởcả haitrình tự(cácdiễmhìnhvuȏng)vàchỉvớitrìnhtựS4(cácdiễmhìnhtròn).DǎliudmợckhớpvớihàmhồiphụcdạngmǔdǎdmợcnȇuởHình5.8cho

trmờnghợpcảhaitrìnhtựvớit0=832×106

(dmờngliềnnét) 88

Mďdầu

Trong khoảng 20 năm trở lại dȃy, nghiȇn cáu cơ bản trong lǐnh vực lý sinhphȃn tả dǎ trở thành m®t hmớng nghiȇn cáu phát triễn mạnh trȇn thế giới Dốitmợngnghiȇncáucủalýsinhphȃntảlàcáchs i n h họcvớikíchthmớctàvàit ớ i vàichụcnanométnhmcácprotein,ADN,ARN,mànglipidvàcácpháchb ȇ n t r o n g t ế

b à o C á c h p h ȃ n t ả s i n h h ọ c n à y h i n nay có thễ dmợc nghiȇn cáubằngnhiềuphmơngphápthựcnghimtiȇntiếnnhmc®nghmởngtàhạtnhȃn (NMR),tán xạ tia X, kính hiễn vi lực nguyȇn tả (AFM), dánh dấu phȃn tả và huỳnhquang phỗ v.v., cho phép thu dmợc các thȏng tin về cấu trúc và các tínhchấtd®nglựchọccủachúng.Bȇncạnhdó,cácphmơngpháplýthuyết,tính toán và

mȏ phỏng máy tính là các cȏng cụ rất quan trọng giúp tìm hiễu rǒ hơn cácnguyȇn lý và các cơ chế vi mȏ liȇn quan tới các phȃn tả sinh học Ngoài ra, mȏphỏng máy tính có thễ dma ra các tiȇn doán cho thực nghim, giúp tiết kim thờigian và chi phí nghiȇn cáu

Danhmục các hìnhvě ,bồ thị

3

(monomer) là các amino acid Protein trong tự nhiȇn dmợc tạo thành tà 20 loạiamino acid khác nhau Mối phȃn tả protein dmợc xác dịnh bởi m®t chuốicáca m i n o a c i d v ớ i m ® tt r ì n h t ự x á c d ị n h H i

t r ì n h d u ố i v à c u ố n p r o t e i n d ǎ d m a A n fi n s e n d ế n g i ả t h i ế t

3 chiềucủatrạngtháitựnhiȇndmợcquyếtdịnhhoàntoànbởitrìnhtựamino

acidtrongchuốiprotein.Giảthiếtnàycǔngdmợcbiếtdếnvớitȇngọilàgiả thiếtnhitd®nghọc(thermodynamichypothesis)vìdễtrạngtháitựnhiȇnlàỗ n dịnhvàduynhất,nóphảilàtrạngtháicựctiễunănglmợngtựdocủah trongcácdiềukinsinhlýbìnhthmờng.Vớipháthi ncủamình,Anfinsendǎ dmợc trao giải Nobel hóahọc vào năm 1972

n g h i ȇ n c á u dǎcónhǎngthànhcȏngnhấtdịnhtrongvi cdựdoáncấutrúccǔngnhmthiếtkếprotein[4],chodếnnayvấndềcuốnproteinvềcơbảnvấnchmadmợc

khȏnggiancáccấuhìnhthì thờigiancuốnsědàihơntuỗicủavǔtrụ(nghịchlýLevinthal)[5].Dov y,Levinthalchorằngproteinphảicuốntheonhǎngl®trìnhcuốn(foldingpathway)xácdịnhnhằmgiảmsốcấuhìnhtrunggianphải trải qua.Vào th p niȇn 1990, Wolynes, Onuchic và Thirumalai dma ra khái ni mphếucuốn[6],mȏtảcấutrúckhȏnggiancấuhìnhtrongdósốcấuhình(hay

entropy)củahg i ả m khinănglmợnggiảm.Proteindmợccholàcódịahìnhnăng

lmợngdạngphếu.Quátrìnhcuốndmợccoilàquátrìnhngấunhiȇncótínhchất hồi phục

về trạng thái có năng lmợng thấp nhất, trong dó vic giảm năng lmợng xảyradồngthời vớivic giảmentropy Vớiphếu cuốn, proteinkhȏng nhấtthiếtcuốntheocácl®trìnhcuốnxácdịnh,nhmngvấngiảmdmợcphầnlớnsốcấu hình trunggian phải trải qua Hầu hết các nghiȇn cáu hi n nay dều cho các kếtquảphùhợpvớicáchgiảithíchhintmợngcuốnproteinbằngphếucuốn,mc

dùvấndềcótồntạihaykhȏngcácl®trìnhcuốnxácdịnhvấndmợcd tra.Hầuhếtcácproteinnhỏdạngcầudmợcbiếtcuốntheocơchếhaitrạngthái trong các thínghim, với các dc trmng về d®ng học và cȃn bằng giống nhm cácphảnánghóahọcdơngiản.Quátrìnhcuốncủaproteingiốngnhmm®tdạng chuyễnpha loại m®t với sự giải phóng ẫn nhit (latent heat) Protein dmợc biết có tính hợptác cuốn (folding cooperativity)[7]cao, thễ hi n ở dỉnh nhi t dungriȇngsắcnéttạinhi

td®chuyễnphacuốn.NghiȇncáucủaKayavàChan[8]c h o thấymácd®hợptáccuốncủaproteintrongthựctếthudmợctàcáckết

quảthựcnghimcaohơndángkễsovớicácmȏhìnhthmờngsảdụngtrongmȏ phỏng.Trong các nghiȇn cáu về cơ chế cuốn của protein, vic tìm hiễu về trạngtháichuyễntiếp(transitionstate)rấtdmợcquantȃm,dodȃylàtrạngtháitrung gian quantrọng nhất quyết dịnh tốc d® cuốn của protein Các nghiȇn cáu thựcnghimcủaFersht[9]chothấyproteincóthễcónhiềutrạngtháichuyễntiếp khácnhau, hay nói cách khác là tồn tại m®t t p hợp các trạng thái chuyễn tiếp Diềunày ủng h® lý thuyết phếu cuốn vì cho thấy protein có thễ có rất nhiều l® trìnhcuốn khác nhau

Hintmợng kết tụ protein và sự hình thành amyloid cǔng dmợc nghiȇn cáumạnhtrongnhǎngnămgầndȃy.Ngmờitathấyrằngrấtnhiềuprotein,kễcác cả cácprotein khȏng liȇn quan tới các b nht t,và các doạn protein (peptide),trongcácdiềukinthíchhợp(thȏngthmờngkhiproteinbịlàmduốivàởmtd ® cao)dềucóthễkếttụthànhamyloid.Ngoà ira,cáckếtt ụamyloidcócác d ctrmng

cấu trúc rất giống nhau (dạng sợi dài, giàu phiếnβ)mc dù trình tự

aminoacidcủacácproteinhocpeptidetạothànhchúnglàrấtkhácnhau.Diều

nàydấndếngiảthuyếtchorằngamyloidlàtrạngtháichungcủamọiprotein,

vàlàtrạngtháicơbảncủahk h i cácproteincóthễhìnhthànhcáctmơngtác

p r o t e i n c ụ t h ễ C ó k h á n h i ề u m ȏ h ì n h v ớ i c á c ý t m ở n g v à m á c

d ®

d ơ n g i ả n h ó a k h á c n h a u , t u y n h i ȇ n d á n g k ễ n h ấ t l à c á c m ȏ h ì n h s a u d ȃ y M ȏ h ì n h G o [10,11],dmợc dề xuất bởiG ¯o và Abe vào năm 1981 và dmợc ápdụng

trȇnt r ȇ n m ạ n g 2 c h i ề u , t r o n g d ó c á c t m ơ n g t á c g i ǎ a c á c h ạ t ( m ố i a m i n o

v.v.M ȏ h ì n h p r o t e i n d ơ n g i ả n t h á h a i l à m ȏ h ì n h H P t r ȇ n m ạ n g d m ợ c nghiȇn

cáu lần dầu tiȇn bởi Dill và các c®ng sự vào năm 1989[7,19].Mȏ hình này giảthiếtcácaminoaciddmợcchiathành2loại,kynmớc(H–hydrophobic)vàphȃn cực(P–polar),vàtmơngtáchútchỉtồntạigiǎacácaminoacidkynmớc.Mȏ hình HP cho phéptìm hiễu trȇn phmơng di n lý thuyết về mối liȇn hg i ǎ a t r ì n h

hydrocótínhdịnhhmớngcao.Mȏhìnhốngchothấytrongm®tmiềnnhấtdịnh

củacácthamsốnănglmợngbẻcongvànănglmợngtmơngtáckynmớc,trạng

tháicơbảnvàcáccựctiễunănglmợngthấpcủahc ó cấutrúcgiốngnhmcấu trúc bc bacủa protein, ngay cả trong trmờng hợp hd m ợ c x é t l à p o l y m e r d ồ n g

n h ấ t (homopolymer).Diềunàydấndếngiảthuyếtchorằngkhȏngphảitrìnhtự

aminoacid,màtínhchấtdốixángvàcácràngbu®cvềhìnhhọcdocáctmơng

táctrongphȃntảproteindấntớivichìnhthànhcáccấutrúctmơngtựnhm

cấutrúcprotein[21].Haynóicáchkhác,dịahìnhnănglmợngtựdocủaprotein dǎ dmợctạo hình (presculpted) bởi tính dối xáng dạng ống và các ràng bu®c về hình học.Trình tự amino acid vấn dóng vai trò quan trọng trong vi c lựa chọnm®tcấutrúcduynhấttrongkhȏnggiancáccấutrúctmơngtựnhmcáccấutrúc protein.Nghiȇn cáu sả dụng mȏ hình ống với 2 loại amino acid, ky nmớc và ma

acid.Trìnhtựaminoacidsědmợcchúngtȏixemxéttrongmȏhìnhdơngiản hóa chỉgồm 2 loại amino acid, ky nmớc (H) và phȃn cực (P) Dễ nghiȇn cáu ảnh hmởngcủa trình tự HP lȇn quá trình cuốn, chúng tȏi sě so sánh tính chất cuốn của mȏ

hình ống sả dụng tmơng tác ky nmớc với trình tự HP (mȏ hình ống HP)vớimȏhìnhốngsảdụngcáctmơngtáccpgiốngnhmtrongmȏhìnhGo(mȏ

hìnhốngGo).Vi csosánhnàygiúp làmrǒhơnvaitròcủacáctmơngtácc pkynmớckhȏngxuấthintrongtrạngtháitựnhiȇn(non-nativeinteractions).D ễ

củachúngtȏichothấymȏhìnhcảitiếnnàychophépthudmợccáccấutrúckết tụ có tr t tựcao và có dạng sợi dài giống nhm sợi amyloid Ngoài ra, chúng tȏi cǔng tìm hiễudối với m®t ht r ® n 2 l o ạ i p e p ti d e v ớ i c á c t r ì n h t ự H P

nănglmợngtựdo;quátrìnhtạonhȃnvàtiếndiếncủasựhìnhthànhcáccấutrúctheothờigian.PhmơngphápnghiȇncáudmợcsảdụnglàmȏphỏngMonteCarlotrongt

Chmơng3dềcpdếncácmȏhình,phmơngphápmȏphỏngvàphmơngphápxả lýs ố l i

u C h m ơ n g 4 t r ì n h b à y k ế t q u ả n g h i ȇ n c á u v ề v a i t r ò c ủ a t r ì n h t ự H P d ố i

v ớ i c ơ c h ế c u ố n p r o t e i n C h m ơ n g 5 t r ì n h b à y k ế t q u ả n g h i ȇ n

c á u v a i t r ò c ủ a t r ì n h t ự H P d ố i v ớ i s ự k ế t t ụ c ủ a p e p ti d e

1 2

Chư6ng1

Sfic u ố n c ủ a protein

Trong chmơng này, chúng tȏi sě giới thi u tỗng quan về sự cuốn của proteinbao gồm m®t số kiến thác cơ sở về cấu trúc protein và hi n tmợng cuốnprotein,c á c q u a n d i ễ m l ý t h u y ế t v ề c u ố n p r o t e i n , m ȏ h ì n h l ý

t h u y ế t c h o c ơ c h ế c u ố n p r o t e i n , v à m ® t s ố k ế t q u ả t h u d m ợ c

t à c á c m ȏ h ì n h d ơ n g i ả n h ó a s ả d ụ n g t r o n g nghiȇn cáu cuốn protein

Proteinl à c á c d ạ i p h ȃ n t ả d m ợ c t ỗ n g h ợ p b ở i t ế b à o v à c h ị u t r á c h n h im

dmợcthễhinkhinónằmởtrạngtháicuốn.Hinnaycókhoảnghơn130.000

cấutrúcproteinvàcácpháchp r o t e i n dǎdmợcxácdịnhbởithựcnghimsả dụng cácphmơng pháp nhm tinh thễ học tiaX(X-ray crystallography) và c®nghmởngtàhạtnhȃn(NuclearMagneticResonance–NMR),dmợclmugiǎtrong

ngȃnh à n g d ǎ l i u p r o t e i n P D B ( P r o t e i n D a t a B a n k )

1 3

Cáccấutrúcproteincóm®tdiễmchungdólàdmợcdctrmngbởicácdạng cấu trúc

dịa phmơng là xoắnα, phiếnβvà khúc ngot (turn), gọi là các cấu trúc b

ch a i [ 1 ] H ì n h 1 2 ( a –

c ) c h o t a t h ấ y h ì n h ả n h c ấ u t r ú c 3 c h i ề u c ủ a v ù n g B 1

Rliênk t ết với nhau bởi các liên kết peptide hóatr v i ịvới ới các amino acid liên kết với nhau bởi các liên kết peptide nguyêntảcarbontrungtâmCCtrongnhómcarboxyl.Cácaminoacidtrongproteinkhácnhaub i ởi các liên kết peptide.

Cáccấutrúcb chaixoắnαvàphiếnβlầndầutiȇndmợcpháthi nbởiLinusPaulingvàonăm1951dựatrȇnsựtốimuhóasốliȇnkếthydrogiǎacácnhóm

Chương1.S ự cuốncủaprotein

15

cáca m in oa cid Pr olin e( P ro) v à Glyc in e( G ly) ítt h amgia các c ấu t rú c b cha i,

(a) (b) (c)

(f)

Hình1 2 : C u t r ú c t r n g t h á i c u n c a v ù n g B 1 c a p r o t e i n G ( a – ấutrúchóahọccủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc ạngtháicuốncủavùngB1củaproteinG(a– ủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc ủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc

c ) v à c a p r o t e i n A ( d – f ) C á c c u t r ú c p r o t e i n đ ủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc ấutrúchóahọccủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc ư ợc biễu diến ở dạng gồm c b i u d i n d n g g m ễu diến ở dạng gồm ết với nhau bởi các liên kết peptide ởi các liên kết peptide ạngtháicuốncủavùngB1củaproteinG(a– ồmmộtnguyêntảcarbontrungtâmC

t t c ấutrúchóahọccủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc ảcarbontrungtâmC c á c n g u y ê n t ảcarbontrungtâmC ( a l l - a t o m ) ( a , d ) , d n g d i ( r i b b o n ) ạngtháicuốncủavùngB1củaproteinG(a– ảcarbontrungtâmC ( b , e ) vàd ngm chx ạngtháicuốncủavùngB1củaproteinG(a– ạngtháicuốncủavùngB1củaproteinG(a– ươngsống(backbone) ngs ng(backbone)

(c,f).Trongbi udi nd ngd i,cácxo n ễu diến ở dạng gồm ết với nhau bởi các liên kết peptide ạngtháicuốncủavùngB1củaproteinG(a– ảcarbontrungtâmC ắn αđ ược tômàu đ và các phi n c ỏ và các phiến ết với nhau bởi các liên kết peptide βđ ư ợc c t ô m à u

v à n g T r o n g b i u d i n m c h x ễu diến mạch xương sống, các amino acid khác nhau ến mạch xương sống, các amino acid khác nhau ạch xương sống, các amino acid khác nhau ư ơng sống, các amino acid khác nhau n g s n g , c á c a m i n o a c i d k h á c n h a u ống, các amino acid khác nhau đ ư ợc biễu diến ở dạng gồm c

p h â n b i ¾ t b n g c á c m à u k h á c n h a u C á c d ã l i ¾ u c u t r ú c đ ằng các màu khác nhau Các dã li¾u cấu trúc được lấy tà ấutrúchóahọccủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc ư ợc biễu diến ở dạng gồm c l y t à ấutrúchóahọccủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc

( P D B ) v i m ã P D B 1 p g a c h o v ù n g B 1 c a p r o t e i n G v à 2 s p z c h o p r o t e i n A ới các amino acid liên kết với nhau bởi các liên kết peptide ủaaminoacid(tràproline),b)cấutrúchóahọc

trong khi m®t vài các amino acid khác có xu hmớng xuất hin nhiều hơn tại m®t

loại cấu trúc cụ thễ Ví dụ, Alanine (Ala) xuất hi n nhiều trong các xoắnαvà

dmợcgọiaminoacidtạoxoắn.Tuyvy , hầuhếtcácaminoaciddềucóthễtham gia các cấu

trúc b c hai

Cấutrúcproteindmợcỗndịnhbởitmơngtácgiǎacácaminoacid,baogồm

liȇnkếthydro,tmơngtácvanderWaals,tmơngtáckynmớc.Cácliȇnkếthydro giúpỗndịnh các cấu trúc bc hai trong khi tmơng tác ky nmớc vàvan der Waals có vai tròchủ yếu trong vi c ỗn dịnh cấu trúc b c ba Trong m®t số protein cóthễtồntạicáccầumuối(saltbridge)làliȇnkếtiongiǎacácnhómnguyȇntả mang din

tích trái dấu, và cầu lmu hình kép (disulfide bridge) là tmơng táchóatrịg i ǎ a 2 n g u y ȇ n t ả l m u h u ỳ n h c ủ a h a i a m i n o a c i d C y s t e i n e ( C y s )

Khi các diều ki n của mȏi trmờng nhm nhi t d®, áp suất, d® pH bị thay dỗi,hockhicácchấtlàmduốidmợcchothȇmvàodungdịch,proteincóthễbịduối ra thànhdạng cu®n ngấu nhiȇn, khȏng giǎ dmợc cấu trúc b c hai, b c ba và mất

td®nglựchọc,trạngthá icuốncủaprot einphải

là trạngtháicónănglmợngthấpnhấtdễproteincóthễduốiravàcuốnlạivà trạng tháiban dầu m®t cách thu n nghịch

Cấut r ú c b a c h iề u c h ín h xá c là d iề u k i

số loại protein chác năng luȏn ở trạng thái khȏng cuốn hoc có m®t phần khȏngcuốn, dmợc gọi là các protein có bản chất mất tr t tự (intrinsicallydisorderedproteins)[32]

tháinative.Dosốcấuhìnhrấtlớn,nếuproteinchỉcầnởmốicấuhìnhtrong 10−15sthì

thời gian cuốn dǎ dài hơn cả tuỗi vǔ trụ Trong khi dó chúng ta biếtrằngproteintrongtựnhiȇncuốntrongthờigiantàvàiminigiȃytớivàigiȃy

Nghịchlýnàydấndếngiảthuyếtchorằngquátrìnhcuốnphảidiếnratheom®t