PROTEIN VÀ TÍNH CHỊU NÓNG
4.1. HIỆN TƯỢNG NÓNG VÀ PHÁN ỨNG CỦA THỰC VẬT
4.1.1. Hiện tượng nóng và tác động lên thực vật
Hiện tượng nóng đột ngột cũng như những đợt nóng kéo dài xảy ra thường xuyên trên thể giới. Nắng nóng trién miên ở vùng xích đạo, vùng sa mạc. Những vùng núi lửa, vùng suối nước nóng tạo ra những sinh vật, (rêu, tảo,...) thích ứng với điều kiện sống này. Ở nước ta, vào mùa hè, những đợt gió Lào ở miễn Trung làm tăng nhiệt độ môi trường, gây ảnh
hưởng đáng ké cho các loài thực vật. Ngày nay, sự biến đổi khí hậu toàn
cầu làm nhiệt độ Trái đất nóng lên tác động không nhỏ lên các sinh vật.
Nhiệt độ cao gây ra những biến đổi sâu sắc trong tế bào, không
những thay đổi mức độ biểu hiện của một số gen, mà còn có thể gây tổn thương các cấu trúc tế bào, bao gồm các bào quan và khung tế bào, làm suy yếu chức năng của màng tế bào. Một số protein trong điều kiện này
bị thay đổi cấu trúc, không còn giữ được hoạt tính sinh học, một số khác bị biến tính trở nên gây độc cho tế bào và bắt đầu bị phân giải trong tế bào. Mặt khác, tế bào đòi hỏi quá trình bảo tồn, phục hồi các phức
enzyme và các protein cũng như các cấu trúc tế bào trong điều kiện như vậy để duy trì và bảo tồn sự sống.
Nhiệt độ cao có thể tác động lên quá trình sinh trưởng phát triển của cây và gây ra hậu quá nhất định: ít thì hạn chế sự phát triển, nhiều có the
gây tôn thương cho các cơ quan, thậm chí làm chết cây.
141
Khả năng của thực vật có thể vượt qua được điều kiện này phụ
thuộc vào nhiều yếu tố: cường độ và thời gian bị tác động, sự nhạy cảm
của các loại tế bào khác nhau đối với điều kiện này, tác động chúng ở các giai đoạn phát triển trong quá trình sinh trưởng của cây và có tính đặc thù khác nhau. Tính chịu nóng là khả năng của thực vật ngăn ngừa bị tổn thương khi tăng nhiệt độ lên trên nhiệt độ bình thường từ 10-15°C trở lên.
Trên đồng ruộng, phản ứng của cây có thể xuất hiện trên lá khi nhiệt độ bên ngoài tăng cao. Khí khổng hầu như phải đóng lại để ngăn sự lan tỏa nhiệt độ. Đồng thời với việc cản trở thoát nước qua khí khổng, nhiệt độ cũng sẽ tăng dần lên trong tế bào. Thực vật phản ứng với sự tăng nhiệt độ đột ngột bằng những thay đổi sâu sắc trong tế bào và trong quá trình
trao đổi chất. Biéu hiện của những phản ứng đó là kìm hãm tổng hợp một
số protein thường xuyên tồn tại trong tế bào và tăng cường sự phiên mã và dịch mã của một nhóm protein mới được gọi là protein sốc nhiệt — Hsp (heat shock protein). Sự ức chế tông hợp protein bao gồm ức chế sự phiên mã và thuần thục các mRNA. Đồng thời đối với các mRNA đang tồn tại, sự ức chế thể hiện ở sự kìm hãm dịch mã của chúng sang protein.
Những phản ứng đặc hiệu có thê quan sát được khi nhiệt độ tăng lên hơn bình thường từ 10-15°C và tồn tại trong tất cả các cơ thể thực vật. Một số Hsp lớn rất bảo thủ, tồn tại trong điều kiện bình thường. Trong đó, phải kể đến nhóm Hsp có chức năng của môi giới phân tử (molecular chaperone) - có khả năng tái tạo lại cấu trúc không gian đúng của protein mới tổng hợp cũng như protein bị biến tính. Hsp chiếm trên 1% protein tong số trong lá, rất đa dạng và có ở hầu hết các loài thực vật: lúa mỳ, lúa mạch, lúa nước, đậu Hà Lan, đậu trắng, hoa hướng đương, hành tỏi... Hsp còn gặp trong nhiều đại điện của vi khuẩn và động vật bậc cao. Thí
nghiệm nhanh nhất để phát hiện ra Hsp được tiến hành như sau: đặt cây
hoặc một bộ phận của cây vào điều kiện nhiệt độ cao có khả năng gây chết trong khoảng 3 phút, Hsp được tổng hợp tại chỗ. Hsp có thể nhận thay dé dang trên điện di hai chiều. Chúng không những xuất hiện khi gặp nóng đột ngột mà còn luôn có mặt trong quá trình sinh trưởng bình thường, các giai đoạn biệt hóa các mô, thời kỳ sinh sản, cũng như được
142
tổng hợp ra trong điều kiện cực đoan khác của môi trường như hạn, lạnh hoặc muối cao.
Dựa trên khối lượng phân tử, Hsp ở thực vật có thể chia làm 5 nhóm như sau:
- Hsp100 có khối lượng phân tử khoảng 100 kDa - Hsp90 có khối lượng phân tử khoảng 90 kDa
- Hsp70 có khối lượng phân tử khoảng 70 kDa
- Hsp60 có khối lượng phân tử khoảng 60 kDa
- Hsp20 hoặc protein sốc nhiệt nhỏ (sHsp) có khối lượng phân tử khoảng 15-42 kDa.
Trong các nhóm Hsp có rất nhiều đại điện của protein môi giới phân tử, trong đó có hai nhóm protein môi giới phân tử chính là các nhóm Hsp70 và Hsp60. Ngoài ra, người ta còn tìm thấy một loại Hsp có khối lượng phân tử cao, khoảng 260 kDa, trong lá cây đại mạch khi bị sốc nhiệt. Protein này có cấu trúc bậc 4 từ 8 tiểu đơn vị 32 kDa. Hsp được mã
hóa bởi nhiều nhóm gen riêng biệt: nhóm mã hóa cho Hsp trong tế bào
chất, nhóm mã hóa cho Hsp của lục lạp, ty thể và lưới nội bào.
Tuy vậy, có những Hsp không phải là môi giới phân tử: nhóm Hsp
8,5 đồng nhất với ubiquitin. Ubiquitin được mệnh danh là người bảo vệ
cho tế bào. Chúng tham gia vào quá trình phân hủy các protein, ngăn chặn các protein này không gây độc cho té bao. Ubiquitin khéng có hoạt
tính enzyme. Bởi vì có khối lượng phân tử rất thấp lại ít bị ảnh hưởng của
nhiệt độ nên ubiquitin đóng vai trò quan trọng trong việc tự sửa chữa của tế bào khi gặp yếu tố cực đoan nhất là nhiệt độ cao.
4.1.2. Khái niệm về môi giới phân tử
Vai trò của môi giới phân tử trong sự tạo cấu trúc không gian đúng của protein mới được tổng hợp cũng như protein bị biến tính ngày càng được khẳng định. Trước đây người ta cho rằng chuỗi polypeptide sau khi được tông hợp có thể tự tạo cấu trúc không gian. Như vậy, quá trình tạo
z
cấu trúc không gian bậc 3, tập hợp và lắp ráp các tiểu đơn vị thành cấu
143
i
trúc bậc 4 là quá trình không cần xúc tác và năng lượng. Chúng chỉ dựa trên cầu trúc bậc 1 và các lực tương tác giữa các nhóm chức.
Ngày nay, người ta thấy rằng các môi giới phân tử tham gia vào tạo cau trúc không gian đúng cho protein bao gồm rất nhiều nhóm, phân lớn chúng có hoạt tính ATPase, trong đó có 2 nhóm chính là Hsp70 và Hsp60
— con goi la phan tt chaperonin (hinh 4.1). Sau d6, Hsp90, Hsp100 va sHsp cũng được xếp vào các nhóm môi giới phân tử có chức năng gần như vậy. Như vậy, các nhóm Hsp ở thực vật hoạt động như các môi giới phân tử.
Tu “chaperone” — môi giới phân tử, được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1978 khi Laskey và các đồng nghiệp mô tả tính chất của nucleoplasmin, protein nhân có tính acid. Protein này tham gia vào lắp ráp histone va DNA để tạo thành nucleosome ở động vật lưỡng cư. Tuy nhiên, nucleoplasmin không phải là thành phần của nucleosome.
Môi giới phân tử Protein đã tạo câu trúc đúng
Hình 4.1. Mô hình cấu trúc và chức năng tạo cấu trúc không gian cho protein của môi giới phân tir (theo Buchanan et al., 2000).
Công trình nghiên cứu đầu tiên về môi giới phân tử ở thực vật gắn lên với enzyme ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase
(RUBISCO). RUBISCO xic tac phan img ting hợp chất hữu cơ sử dụng
CO: tự do trong không khí trong quá trình quang hợp. Enzyme có cấu
144
trúc bậc 4 từ 8 tiểu đơn vị lớn ~ LSU (52 kDa), va 8 tiểu đơn vị nhỏ —
SSU (14 kDa). Để tạo cấu trúc không gian đúng cho RUBISCO cần đến
một loại protein đặc hiệu để liên kết những tiểu phần chính của phức này với nhau — protein gắn với RUBISCO - RBP (RUBISCO binding protein). Hội nghị về RUBISCO năm 1985 khẳng định: RBP chính là protein môi giới phân tử.
Nhiều protein tương tự được tách chiết ra từ các loại cây khác nhau trong điều kiện bình thường cũng như điều kiện cực đoan và chức năng của chúng được nghiên cứu. Protein dang này có khối lượng phân tử
không đồng đều từ 60-90 kDa.
Protein môi giới phân tử là một nhóm gồm nhiều loại protein khác nhau, nhưng cùng có chức năng tham gia tạo cấu trúc không gian đúng cho protein in vivo ma không phải là thành phần của cấu trúc đó. Quá trình đó bao gồm giữ ổn định chuỗi polypeptide trong khi đang tổng hợp và tạo cấu trúc không gian đúng cho chúng, tạo lại cấu trúc không gian cho protein sau khi chuyển qua màng tế bào, lắp ráp các phân tử lớn vào
phức hệ để tạo cấu trúc bậc 4. Quá trình được tiễn hành nhờ sử dụng
năng lượng ATP. Các môi giới phân tử còn được tăng cường trong điều kiện cực đoan do nhu cầu cấp thiết của tế bảo.
Chức năng chính của các môi giới phân tử ở thực vật có thể tổng quát như sau: tham gia tạo cấu trúc không gian đúng cho protein mới tổng hợp từ bước đầu tiên đến cuối cùng, ngay từ trong ribosome; chuyển protein qua màng; duy trì cấu trúc đặc hiệu của protein; ngăn chặn sự hủy hoại protein chưa tạo cấu trúc đúng; khởi đầu cho sự phân giải protein bị biến tính. Như vậy, protein môi giới phân tử có chức năng rất quan trọng
khi các tế bào gặp điều kiện cực đoan, nhất là sốc nhiệt.
Thực vật phản ứng tự vệ để ngăn ngừa tác động bất lợi và sống sót được khi gặp nhiệt độ cao theo 2 hướng chính sau đây: ,
(1) Sinh tổng hợp các nhóm Hsp hoạt động như các môi giới phân tử dé
tái tạo và bảo vệ các cấu trúc tế bào và các đại phân tử khi gặp nhiệt độ cao, phục hồi các chức năng của các câu trúc tế bảo.
145
(2) Hoạt hóa và tăng cường hệ ubiquitin-proteasome và các protease
phân giải các protein bị biến tính, gây độc cho tế bào.
Ngoài ra, nhiệt độ cao cũng tạo ra các gốc tự do, các ROS gây độc cho tế bào. Việc loại bỏ các ROS và các gốc tự do được trình bày trong chương 6 (Protein và tính chống chịu oxy hóa).