BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Phạm Thị Thơm

QUÁ TRÌNH THOÁT CỦA PROTEIN MỚI SINH

TẠI ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2019

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Phạm Thị Thơm

QUÁ TRÌNH THOÁT CỦA PROTEIN MỚI SINH

TẠI ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán

Mã số: 8440103

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

Hướng dẫn : PGS. TS. Trịnh Xuân Hoàng

Hà Nội - 2019

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những gì viết trong luận văn là do sự tìm tòi, học hỏi

của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của Thầy - PSG.TS Trịnh Xuân Hoàng.

Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác, nếu có đều được

trích dẫn cụ thể. Đề tài luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ

một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và cũng chưa hề được công bố trên

bất kỳ một phương tiện nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan

trên

Hà Nội, tháng 04 năm 2019

Tác giả luận văn

Phạm Thị Thơm

Lời cảm ơn

Trước khi trình bày nội dung chính của khóa luận, em xin bày tỏ lòng

biết ơn sâu sắc tới Thầy – PGS.TS. Trịnh Xuân Hoàng, người đã giúp đỡ em

hoàn thành khóa luận này. Thầy đã tận tình chỉ bảo cung cấp cho em nhiều

kiến thức quan trọng cũng như đã truyền đạt cho em những kinh nghiệm quý

báu trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô

giáo Học viện Khoa học Công nghệ đã dạy bảo em tận tình trong suốt quá

trình học tập.

Em thực sự cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên em, cổ vũ, động viên,

giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp.

Hà Nội, tháng 04 năm 2019

Học viên

Phạm Thị Thơm

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

1.1 (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline……..

1.2 Chuỗi polypeptide…………………………………………………

1.3 Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của

protein: (a) 2RJX xoắn 𝛼 và (b) 1SHG phiến β…………………..

1.4 Cấu trúc xoắn alpha………………………………………………

3.1 Cấu trúc trạng thái tự nhiên của protein SH3 domain (1SHG) và

protein Villin (2RJX)……………………………………………..

3.2 Sự phụ thuộc của năng lượng (E) và số hạt thoát ra ngoài đường

hầm (Nout)vào thời gian trong một quỹ đạo mô phỏng cho protein

1SHG tại nhiệt độ T = 0.8 /kB……………………………………

3.3 Phân bố thời gian thoát của protein 1SHG tại 3 nhiệt độ khác

nhau. Các biểu đồ thu được từ dữ liệu mô phỏng. Đường liền nét

là hàm phân bố thu được bởi lý thuyết khuyếch tán 1 chiều được

khớp (fit) với biểu đồ…………………………………………….

3.4 Phân bố thời gian thoát của protein 2RJX tại 3 nhiệt độ khác

nhau. Các biểu đồ thu được từ dữ liệu mô phỏng. Đường liền nét

là hàm phân bố thu được bởi lý thuyết khuyếch tán 1 chiều được

khớp (fit) với biểu đồ…………………………………………….

3.5 Sự phụ thuộc của độ lệch chuẩn của thời gian thoát vào thời gian

thoát trung bình cho 2protein 1SHG và 2RJX. Đường đứt nét

tương ứng với mô hình khuyếch tán 1 chiều với k không đổi….

3.6 Sự phụ thuộc của thời gian thoát trung bình vào nhiệt độ cho

protein 1SHG (a) và protein 2RJX (b) trên thang tọa độ log-log.

Đường đứt nét có độ dốc bằng −1 tương ứng với 𝜇𝑇 ∼ 𝑇−1……...

3.7 Sự phụ thuộc của thời gian thoát trung bình (t) vào nhiệt độ (T)

cho 2 protein 1SHG và 2RJX……………………………………

1

MỤC LỤC

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về quá trình cuốn của các protein mới sinh

1.1. Thành phần hóa học và cấu trúc của protein

1.2. Hiện tượng cuốn protein trong ống nghiệm

1.3. Quá trình tổng hợp protein trong tế bào

1.4. Quá trình cuốn đồng dịch mã của protein

1.5. Đường hầm thoát ribosome

1.6. Ảnh hưởng của đường hầm thoát ribosome lên quá trình cuốn của

các protein mới sinh

Chương 2: Các mô hình và phương pháp mô phỏng

2.1. Mô hình Go cho protein

2.2. Mô hình đường hầm thoát ribosome

2.3. Phương pháp động lực học phân tử dựa trên phương trình Langevin

2.4. Mô hình khuyếch tán cho quá trình thoát protein

Chương 3: Một số kết quả nghiên cứu

3.1. Sự phụ thuộc của thời gian thoát của protein vào nhiệt độ.

3.2. Sự phụ thuộc của thời gian thoát vào cấu trúc của protein.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

2

MỞ ĐẦU

Nghiên cứu về vật lý các phân tử sinh học hiện nay đang là một hướng

nghiên cứu nổi bật trong các lĩnh vực khoa học liên ngành do vai trò đặc biệt

quan trọng của các phân tử sinh học đối với cơ thể sống và khả năng mang lại

những ứng dụng trong y sinh học. Vật lý các phân tử sinh học áp dụng các

phương pháp và dựa trên các nền tảng vật lý để nghiên cứu các vấn đề sinh

học nhằm mang lại những hiểu biết căn bản cũng như những tiên đoán mang

tính định lượng về các hệ sinh học. Bên cạnh các phương pháp thực nghiệm

tiên tiến, thì các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng máy tính đang được

sử dụng rất rộng rãi trong vật lý sinh học phân tử và là các công cụ rất hiệu

quả, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

Trong sinh học phân tử thì việc nghiên cứu về protein rất được quan tâm

bởi lẽ protein là một thành phần cơ bản của vật chất sống, chúng có mặt trong

thành phần nhân và tế bào chất của mọi tế bào [1]. Cấu trúc phức tạp và đa

dạng cho phép các protein thực hiện rất nhiều chức năng. Tế bào xâu chuỗi 20

loại amino acid thành mạch thẳng, tạo nên protein. Protein có thể đóng vai trò

cấu trúc, ví dụ tạo thành khung tế bào. Protein với khả năng biến đổi hình

dạng khi nhiệt độ, nồng độ ion hoặc các tính chất khác của tế bào thay đổi có

thể giữ vai trò cảm biến. Protein có thể hấp thu và bài xuất vật chất qua màng

tế bào. Chúng có thể là enzyme, chất xúc tác giúp phản ứng hóa học xảy ra

nhanh hơn rất nhiều. Chúng có thể là phân tử tín hiệu ngoại bào (do một tế

bào giải phóng ra để giao tiếp với các tế bào khác) hoặc phân tử tín hiệu nội

bào (mang thông tin bên trong tế bào). Chúng có thể là mô-tơ sử dụng năng

lượng hóa học (ATP) để vận động quanh phân tử khác.

Thông tin mỗi loại protein được tạo ra như thế nào, khi nào và ở đâu nằm

trong vật liệu di truyền, axit deoxyribonucleic (DNA). Cấu trúc lập thể của

DNA chứa hai mạch xoắn, cuộn quanh một trục chung, tạo thành cấu trúc

xoắn kép. Chuỗi DNA cấu thành từ các đơn phân gọi là nucleotide (còn được

gọi là bazơ do chứa bazơ hữu cơ mạch vòng). Trong DNA có bốn loại

nucleotide khác nhau bởi các gốc nucleobase là Adenine (viết tắt là A),

Thymine (viết tắt là T), Cytosine (tiếng Việt còn gọi là Xytosine, viết tắt

3

là X hoặc C), và Guanine (viết tắt là G). Ba nucleotide liên tiếp trên mạch mã

gốc DNA của gene, sẽ quy định một loại amino acid nhất định. Do đó, mã di

truyền còn được gọi là mã bộ ba, và tổ hợp ba nucleotide được gọi là một bộ

ba mã hoá.. Các bộ ba nucleotide trong mỗi mạch đơn của chuỗi xoắn kép

DNA khi giản phân, là một tổ hợp của 3 trong bốn loại nucleotide này nối liền

nhau trong mạch DNA sao cho phần bazơ nhô ra từ khung mạch xoắn. DNA

xoắn kép có cấu trúc khá đơn giản: A trên một mạch bắt cặp với T trên mạch

kia và G bắt cặp với C. Hai mạch bắt cặp bổ sung mạnh đến mức sau khi bị

tách rời chúng sẽ tự gắn lại với nhau nếu điều kiện nhiệt độ và nồng độ muối

cho phép. DNA mang thông tin di truyền trong trật tự nucleotide dọc theo

mạch thẳng. Phần DNA mang thông tin được chia thành các đơn vị chức năng

nằm phân tán gọi là gene. Độ dài của một gene điển hình nằm trong 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 của protein và vùng điều

hòa kiểm soát thời điểm, vị trí tạo protein.

Tế bào sử dụng hai chuỗi quá trình liên tiếp để chuyển thông tin mã hóa

trong DNA thành protein. Chuỗi quá trình thứ nhất gọi là phiên mã: Sao chép

vùng mã hóa của gene thành axit ribonucleic (RNA) mạch đơn. Trong quá

trình này enzyme RNA polymerase sử dụng một mạch khuôn DNA để xúc tác

liên kết các nucleotide thành chuỗi RNA mới tạo ra được gia công thành phân

tử RNA thông tin ( mRNA) nhỏ hơn. mRNA sau đó chuyển tới tế bào chất,

nơi ribosome (bộ máy phân tử rất phức tạp cấu thành từ RNA và protein) thực

hiện quá trình thứ hai gọi là dịch mã. Khi dịch mã, ribosome lắp ráp và liên

kết các amino acid với nhau theo trật tự chính xác, do trình tự mRNA quy

định theo mã di truyền gần như chung cho mọi sinh giới. Ngoài vai trò truyền

thông tin từ nhân tới tế bào chất, RNA còn tham gia vào bộ máy phân tử. Ví

dụ, ribosome chứa bốn chuỗi RNA kết hợp với hơn 50 protein, tạo thành bộ

đọc mRNA và tổng hợp protein rất chính xác và hiệu quả.

Các protein được tổng hợp bởi các ribosome trong tế bào và được chiết

xuất vào trong tương bào (cytosol) hoặc lưới nội chất (endoplasmic reticulum)

trước khi được vận chuyển tới các địa chỉ khác nhau bên trong hoặc ngoài tế

4

bào. Các protein mới sinh chịu ảnh hưởng của đường hầm thoát ribosome

(ribosomal exit tunnel), là nơi protein cần phải di chuyển qua để đi vào tế bào

chất. Đường hầm thoát ribosome là một ống chật hẹp, có cấu trúc phức tạp

[2], có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cuốn của các protein mới sinh. Các

nghiên cứu thực nghiệm cho thấy protein có thể hình thành các cấu trúc bậc

hai (xoắn alpha và phiến beta) bên trong đường hầm thoát [3, 4]. Ngoài ra,

đường hầm thoát có thể đóng vai trò tích cực trong việc nhận dạng trình tự

amino acid cũng như điều khiển quá trình sinh tổng hợp protein [5, 6].

Các nghiên cứu mô phỏng gần đây [7, 8] cho thấy quá trình thoát của

protein tại đường hầm thoát ribosome xảy ra song song với quá trình cuốn và

hai quá trình này có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Quá trình cuốn làm cho

protein thoát ra nhanh hơn, trong khi quá trình thoát xảy ra đủ chậm giúp

protein cuốn chính xác hơn. Việc protein thoát ra đủ chậm cũng như cuốn

chính xác giúp giảm thiểu khả năng kết tụ [11] của các protein mới sinh bên

trong tế bào. Ngoài ra, các kết quả mô phỏng cho thấy thời gian thoát phù hợp

với mô hình khuyếch tán đơn giản trong trường thế tuyến tính [7, 8]. Điều này

mở ra khả năng áp dụng mô hình khuyếch tán trong việc phân tích các kết quả

thực nghiệm.

Trong luận văn này, trên cơ sở các nghiên cứu trước đây [7, 8], chúng tôi

nghiên cứu quá trình thoát của protein tại đường hầm thoát ribosome nhằm

làm rõ hơn sự phụ thuộc của thời gian thoát vào nhiệt độ và vào cấu trúc trạng

thái tự nhiên của protein. Để thực hiện điều này, chúng tôi chọn hai protein

nhỏ đơn miền có cấu trúc hoàn toàn khác nhau, một protein chỉ bao gồm các

phiến beta và một protein chỉ bao gồm các xoắn alpha, để so sánh.

Nghiên cứu trong luận văn sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô

phỏng máy tính. Protein được xét trong mô hình Go là mô hình đơn giản coi

mỗi amino acid là một hạt và sử dụng thế năng Lennard-Jones. Đường hầm

thoát ribosome được mô hình hóa là một ống trụ rỗng có tương tác đẩy với

các amino acid ở khoảng cách gần. Phương pháp mô phỏng động lực học

phân tử với phương trình Langevin được áp dụng để mô phỏng các quá trình

5

mọc protein và quá trình thoát protein tại đường hầm. Các kết quả mô phỏng

được phân tích trên cơ sở lý thuyết của mô hình khuyếch tán một chiều.

Các kết quả chính của luận văn đó là chỉ ra rằng các protein khác nhau có

phân bố thời gian thoát cũng như sự phụ thuộc của thời gian thoát vào nhiệt

độ tương tự nhau. Tuy vậy, protein có cấu trúc phiến beta có thời gian thoát

nhanh hơn so với protein có cấu trúc xoắn alpha.

Bố cục của luận văn được chia thành 4 chương, với các nội dung như

sau:

1. Chương 1: Tổng quan về quá trình cuốn của các protein mới sinh.

2. Chương 2: Các mô hình và phương pháp mô phỏng.

3. Chương 3: Một số kết quả nghiên cứu.

4. Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

6

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 của protein

Protein(protid hay đạm) là những đại phân tử được cấu tạo theo

nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là amino acid. Chúng kết hợp với nhau

thành một mạch dài nhờ các liên kết peptide (gọi là chuỗi polypeptide). Các

chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu

trúc không gian khác nhau của protein. Chuỗi polypeptide là polymer được

cấu thành từ 20 loại amino acid. Trong đó, 19 loại có cấu trúc cơ bản giống

nhau như Hình 1.1 (a). Mỗi amino acid có cấu trúc đặc thù gồm một nguyên

tử carbon alpha (Cα) gắn với bốn nhóm hóa học khác: Nhóm amin (NH2),

axit carboxylic hay nhóm carboxyl (COOH) (bởi đó có tên là amino acid),

nguyên tử hydro (H) và một nhóm biến đổi gọi là chuỗi bên hay nhóm R.

Loại amino acid thứ 20 còn lại là proline có cấu trúc tương tự như các amino

acid khác, nhưng nguyên tử C thuộc chuỗi bên của nó liên kết với nguyên tử

N của nhóm amin tạo thành một mạch vòng (Hình 1.1 (b)).

Hình 1.1: (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline [ 7]

Đặc tính duy nhất của amino acid quyết định vai trò của amino acid

trong chuỗi polypeptide là do các tính chất vật lý và hóa học của chuỗi bên R

xác định. Các amino acid có thể phân thành các nhóm kị nước (không 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).

7

Trong protein, các amino acid gắn với nhau thông qua liên kết cộng hóa

trị gọi là liên kết peptide, tạo thành mạch thẳng, không phân nhánh. Trong các

protein có chứa cysteine, một loại amino acid với chuỗi bên có nguyên tử lưu

huỳnh (S), đôi khi các nguyên tử S của hai chuỗi bên khác nhau tạo liên kết

cộng hóa trị với nhau gọi là liên kết disulfide. Liên kết peptide hình thành

giữa nhóm amin của một amino acid và nhóm carboxyl của amino acid khác

và giải phóng một phân tử nước (dehydrat hóa). Kết nối lặp giữa –NH, carbon

α (Cα), và –CO và nguyên tử O trong mỗi amino acid cấu thành bộ khung của

phân tử protein. Các chuỗi bên (nhóm R) nhô ra từ bộ khung này. Do liên kết

peptide, khung có tính định hướng vì tất cả các nhóm –NH nằm cùng một

phía với Cα. Do đó một đầu của protein có nhóm amin tự do (không liên kết)

gọi là đầu N và đầu kia có nhóm cacboxyl tự do gọi là đầu C. Trình tự của

chuỗi protein thường được viết theo thứ tự đầu N nằm bên trái, đầu C nằm

bên phải và các amino acid được đánh số thứ tự bắt đầu từ đầu N (số 1).

Hình 1.2: Chuỗi polypeptide [7]

1.1.2 Cấu trúc của protein

Protein có hình dạng và kích thước rất đa dạng. Cấu trúc lập thể 3 chiều

đa dạng của chúng chủ yếu do những khác biệt trong chiều dài và trình tự

amino acid quyết định. Nhìn chung, mỗi protein với một trình tự amino acid

xác định tại các điều kiện sinh lý bình thường sẽ chỉ gấp nếp thành một hoặc

một số ít hình dạng lập thể giống nhau – gọi là cấu hình native. Những khác

biệt trong cấu hình native và tính chất hóa học của các chuỗi bên của các

amino acid quyết định chức năng của protein. Do đó protein có khả năng thực

hiện rất nhiều chức năng khác nhau bên trong và bên ngoài tế bào. Những

8

chức năng này rất quan trọng cho sự sống. Các protein phối hợp hoạt động để

duy trì sự sống và đảm bảo chức năng chính xác của tế bào.

1.1.2.1. Cấu trúc bậc một của protein

Cấu trúc bậc một của protein là trình tự amino acid trong protein. Có

nhiều thuật ngữ dùng để chỉ chuỗi polymer tạo bởi các amino acid. Chuỗi

amino acid ngắn liên kết với nhau bằng liên kết peptide và có trình tự xác

định gọi oligopeptide hay chỉ đơn giản là peptide; chuỗi dài gọi là

polypeptide. Peptide thường chứa ít hơn 30 amino acid, còn polypepide

thường dài từ vài chục tới vài trăm amino acid.

1.1.2.2. Cấu trúc bậc hai của protein

Cấu trúc bậc hai là thành tố đặc trưng của cấu trúc protein. Cấu trúc bậc

hai là sự sắp xếp không gian địa phương của các vùng trong chuỗi

polypeptide. Những phân đoạn này gắn với nhau thông qua liên kết hydro

giữa các nhóm –NH và –CO của mạch khung, thường tạo thành các mô hình

cấu trúc có tính lặp. Các cấu trúc bậc hai cơ sở là xoắn α, phiến β và đoạn

ngoặt β ngắn hình chữ U.

Hình 1.3: Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của

protein: (a) 2RJX xoắn 𝛼 và (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 này O thuộc nhóm –CO của mỗi liên

kết peptide tạo liên kết hydro với H thuộc nhóm –NH của amino acid thứ tư

9

trong chuỗi. Trong xoắn α, mọi nhóm –NH và –CO của mạch khung liên kết

hydro với nhau, trừ các nhóm tại hai đầu tận cùng của chuỗi polypeptide.

Kiểu sắp xếp liên kết theo chu kì này tạo thành cấu trúc xoắn từ đầu amin đến

đầu carboxyl với chiều cao mỗi xoắn là 5,4 Å. Mỗi vòng xoắn chứa 3,6 amino

acid, do đó khoảng cách giữa hai nguyên tử Cα liền nhau theo phương trục

xoắn là 1,5 Å.

Trong xoắn α, liên kết hydro ổn định của các amino acid làm mạch

khung có dạng trụ dài, thẳng, từ đó nhóm R của amino acid quay ra ngoài xác

định tính chất ưa nước hay kỵ nước của xoắn. Trong dung dịch xoắn kỵ nước

thường vùi trong lõi của protein đã cuốn, trong khi xoắn ưa nước thường nằm

tại bề mặt của protein, nơi chúng có thể tương tác với môi trường nước.

Hình 1.4: Cấu trúc xoắn alpha

Cấu trúc phiến β: Chứa các mạch β là một phân đoạn ngắn (5 đến 8

amino acid) và hầu như trải ra hết cỡ. Không như xoắn α, liên kết hydro trong

phiến β hình thành giữa các nguyên tử nằm trên khung của các mạch β riêng

biệt nhưng liền kề nhau trong không gian ( Hình 1.3 (b)). Liên kết hydro trong

mạch phẳng phiến giữ các mạch β với nhau và các nhóm R gắn phía trên hoặc

phía dưới mặt phẳng này. Phiến β có tính định hướng do chiều của liên kết

peptide. Do đó, trong phiến xếp nếp, các mạch β sát nhau có thể nằm cùng

10

chiều (song song) hoặc ngược chiều (đối song song). Kẹp tóc 𝛽 ( 𝛽 – harpin)

là một cấu trúc đơn giản của phiến 𝛽 chỉ gồm hai mạch 𝛽 phản song song

được nối với nhau bởi một đoạn uốn cong chứa từ 2 đến 5 amino acid.

Cấu trúc đoạn ngoặt β: Gồm 4 amino acid tạo thành một đường cong

hẹp, uốn mạch khung của chuỗi polypeptide quay ngược lại. Cấu trúc bậc hai

hình chữ U ngắn này được ổn định nhờ liên kết hydro giữa hai đầu. Đoạn

ngoặt β giúp các protein lớn gấp lại rất gọn. Có 6 loại đoạn ngoặt khác nhau

được xác định, cấu trúc chi tiết của chúng phụ thuộc vào sự sắp xếp không

gian và liên kết hydro.

1.1.2.3. Cấu trúc bậc ba của protein

Cấu trúc bậc ba của protein là cấu hình tổng thể của chuỗi polypeptide

hay sắp xếp ba chiều của toàn bộ các amino acid. Cấu trúc bậc ba chủ yếu ổn

định nhờ tương tác kỵ nước giữa các nhóm R không phân cực, liên kết hydro

giữa các nhóm R phân cực và tương tác van der Waals. Các tương tác này yếu

nên cấu trúc bậc ba của protein không cứng nhắc mà luôn dao động nhỏ và

liên tục. Thậm chí một số phân đoạn cấu trúc bậc ba của protein linh động đến

mức chúng được coi là bị mất trật tự (không có cấu trúc lập thể bền vững,

tường minh). Tuy vậy, sự biến thiên cấu trúc này lại quan trọng đối với chức

năng và sự điều hòa của protein.

Tính chất hóa học của nhóm R của amino acid quyết định cấu trúc bậc

ba của protein. Amino acid có chuỗi bên phân cực, ưa nước hay tích điện

thường nằm trên bề mặt của protein. Những amino acid này tương tác với

nước, giúp protein hòa tan trong dung dịch và tạo tương tác không cộng hóa

trị với các phân tử không hòa tan trong nước, bao gồm các 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 của protein. Trong nhiều trường hợp chúng

tạo thành lõi trung tâm không hòa tan trong nước (gọi là mô hình giọt dầu của

protein cầu vì lõi tương đối kỵ nước hay “có tính dầu”). Nhóm R phân cực,

ưa nước, không tích điện có thể nằm trong bề mặt cũng như trong lõi của

protein.

11

Dựa trên cấu trúc bậc ba có thể chia protein thành ba loại: protein sợi,

protein cầu và protein xuyên màng. Protein sợi là phần tử lớn, dài, cứng và

thường cấu thành từ nhiều trình tự ngắn lặp liên tiếp, tạo thành cấu trúc bậc

hai lặp đơn. Protein sợi thường kết tụ thành sợi lớn gồm nhiều protein và

không hòa tan trong nước. Chúng thường có vai trò tạo nên cấu trúc hoặc

tham gia vào sự vận động của tế bào. Protein cầu thường chứa tập hợp các

cấu trúc bậc hai, hòa tan trong nước, gấp nếp chặt và không có hình cầu hoàn

hảo. Protein xuyên màng nhúng trong lớp phospholipid kép của màng. Màng

này đóng vai trò bức tường của tế bào và cơ quan tử. Ba loại protein này

không hoàn toàn độc lập, một số protein cấu thành từ tổ hợp của hai hoặc

thậm chí cả ba loại này.

1.1.2.4. Cấu trúc bậc bốn của protein

Một số protein gồm các chuỗi polypeptide tập hợp thành một đại phân

tử chức năng. Cấu trúc bậc bốn là cấu trúc của protein do sự tập hợp các tiểu

đơn vị polypeptide đó. Cấu trúc bậc bốn là sự sắp xếp không gian giữa các

cấu trúc bậc ba của các protein. Ví dụ về các 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

giúp chống đỡ và tạo hình tế bào chất. Các tổ hợp đại phân tử khác hoạt động

như các bộ máy phân tử, thực hiện hầu hết các quá trình phức tạp của tế bào

bằng cách tích hợp những chức năng riêng lẻ thành một chỉnh thể thống nhất.

1.2. HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM

Tế bào phải thực hiện các quá trình nghiêm ngặt để tạo ra những

protein với đầy đủ các chức năng. Sau khi các ribosome liên kết các amino

acid thành các chuỗi polypeptide không phân nhánh (là cấu trúc bậc một của

protein) thì mỗi chuỗi polypeptide này được cuốn nếp, biến đổi thành cấu

hình lập thể mang cấu trúc bậc hai, bậc ba và có thể bậc bốn. Cấu hình này

được gọi là trạng thái native (trạng thái tự nhiên của protein). Với hầu hết

protein, trạng thái tự nhiên là cấu hình bền vững nhất và theo quan điểm nhiệt

động học thì trạng thái này có năng lượng tự do thấp nhất. Quá trình cuốn

protein là quá trình biến đổi động lực học của chuỗi polypeptide từ trạng thái

duỗi với cấu trúc bậc một tới trạng thái tự nhiên của protein. Tùy thuộc vào

12

điều kiện bên ngoài mỗi chuỗi polypeptide có thể cuốn thành rất nhiều các

hình dạng khác nhau. Vì vậy quá trình cuốn có thể cho sản phẩm là một cấu

hình khác với cấu hình tự nhiên của protein, gọi là quá trình cuốn lỗi. Protein

sẽ mất đi các chức năng sinh học vốn có khi nằm ở trạng thái cuốn lỗi.

Như vậy, yếu tố nào quyết định cấu hình tự nhiên của protein? Cơ chế

nào giúp cho protein cuốn về trạng thái tự nhiên nhanh và chính xác? Trước

hết, dễ thấy mặt phẳng liên kết peptide hạn chế phương thức cuốn nếp của

chuỗi polypeptide. Liên kết peptide có tính chất tương đối giống liên kết đôi

nên nguyên tử C của nhóm –CO và N của nhóm –NH và các nguyên tử gắn

trực tiếp với chúng phải nằm trên cùng một mặt phẳng cố định. Liên kết

peptide không thể tự quay quanh nó. Do vậy biến thiên cấu hình của chuỗi

polypeptide chỉ do độ linh động của khung quyết định. Độ linh động này lại

do góc quay của các mặt phẳng cố định tạp thành từ liên kết giữa Cα với N

của nhóm –NH (góc quay gọi là ) và liên kết giữa Cα với C của nhóm –CO

(góc quay gọi là ) quyết định ( Hình 1.3). Các góc xoay và bị hạn chế

bởi các ràng buộc địa phương về không gian của các nguyên tử trong chuỗi

polypeptide.

Theo nghịch lý Levinthal [9], nếu thời gian protein nằm ở mỗi cấu hình

là 10–12 s thì để trải qua tất cả các cấu hình protein sẽ cần một khoảng thời

gian lớn hơn tuổi vũ trụ. Thực nghiệm quan sát được thời gian cuốn của

protein cỡ từ vài phần nghìn giây tới vài giây. Nghĩa là protein sẽ không trải

qua tất cả các cấu hình trước khi đạt tới trạng thái tự nhiên. Các ràng buộc về

không gian và các ràng buộc trong liên kết peptide đã hạn chế được đáng kể

các cấu hình trung gian. Tuy nhiên, số lượng các cấu hình khả dĩ vẫn tăng

theo hàm số mũ của N là số amino acid trong protein vì vậy không loại bỏ

được nghịch lý Levinthal.

Các thí nghiệm của Christian Anfinsen [10] về quá trình cuốn của

protein biến tính (denatured) trong ống nghiệm cho thấy trình tự bậc một là

thông tin cần cho cấu trúc lập thể chính xác. Một số yếu tố, ví dụ như năng

lượng nhiệt động từ nhiệt độ, pH khắc nghiệt với khả năng thay đổi điện tích

chuỗi bên của amino acid và các hóa chất làm biến tính (denaturants), có thể

13

phá hủy các tương tác không cộng hóa trị yếu, làm entropy tăng nhanh và làm

duỗi protein. Tập hợp protein biến tính này chứa rất nhiều loại cấu hình không

có hoạt tính sinh học và không trong trạng thái tự nhiên. Các thí nghiệm của

Anfinsen cho thấy khi đưa mẫu chứa một loại protein tinh sạch, ở trạng thái

biến tính về điều kiện thường (nhiệt độ sinh lý, pH bình thường, pha loãng

hoặc loại bỏ chất biến tính) thì hầu hết các chuỗi polypeptide đã biến tính có

thể tự phục hồi cấu hình tự nhiên mang hoạt tính sinh học. Điều này khiến

Anfinsen đi đến kết luận rằng trình tự chuỗi amino acid là đủ để xác định cấu

trúc ba chiều của protein. Quá trình cuốn lại của protein biến tính là tự phát và

không cần sự hỗ trợ của các yếu tố liên quan.

1.3. QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN TRONG TẾ BÀO

Quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình trung tâm của sinh học

phân tử, là sự truyền thông tin di truyền vào các protein mang chức năng. Quá

trình sinh tổng hợp protein là một quá trình phức tạp và bao gồm hai giai

đoạn: phiên mã và dịch mã.

1.3.1. Quá trình phiên mã

Phiên mã (sao mã) là quá trình tổng hợp mRNA (messenger RNA –

RNA thông tin). Trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ bốn bazơ A, G, C và T)

trên phân tử DNA được sao chép thành trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ

bốn bazơ A, G, C và U) trên phân tử mRNA. Quá trình này gồm 3 bước sau:

Khởi đầu phiên mã: Enzyme polymerase liên kết vào đoạn trình tự

DNA khởi đầu phiên mã hình thành phức hệ đóng với DNA. Trong giai đoạn

này, DNA vẫn duy trì ở dạng sợi kép, trong khi enzyme liên kết vào bề mặt

của chuỗi xoắn kép. Sau đó polymerase làm biến đổi vùng DNA xoắn kép gần

vị trí khởi đầu hình thành phức hệ mở, DNA tách thành hai mạch đơn.

Kéo dài chuỗi mRNA: Enzyme polymerase di chuyển dọc theo mạch

khuôn DNA theo chiều từ 3’ đến 5’ và thay đổi cấu hình để liên kết ổn định

vào mạch khuôn đồng thời thực hiện một loạt các chức năng khác: Giãn xoắn

mạch DNA ở phía trước, tổng hợp chuỗi RNA theo nguyên tắc bổ sung, tách

chuỗi RNA khỏi mạch khuôn DNA và đóng xoắn mạch DNA ở phía sau.

14

Kết thúc phiên mã: Khi RNA polymerase đã phiên mã hết chiều dài

gene nó dừng lại giải phóng RNA đã tổng hợp xong và tách khỏi DNA. Sau

khi được tổng hợp, mRNA di chuyển tới các ribosome để trực tiếp tổng hợp

protein cho tế bào.

1.3.2 Quá trình dịch mã

Là quá trình tổng hợp protein từ tế bào chất, ngôn ngữ bốn bazơ của

mRNA được dịch mã thành ngôn ngữ 20 amino acid của protein. Quá trình

giải mã trình tự nucleotide trên mRNA thành trình tự amino acid cần sự tham

gia của các phân tử tRNA (transfer RNA hay RNA vận chuyển). Ở tế bào vi

khuẩn, hiện đã xác định được 30 – 40 loại tRNA và ở tế bào động vật và thực

vật có khoảng 50 – 100 loại tRNA. Như vậy, mỗi amino acid (20 loại) có thể

gắn với nhiều tRNA. Ngoài ra một loại tRNA có thể bắt cặp với nhiều codon

trong mã di truyền (61 loại). Để tổng hợp protein, tRNA mang amino acid

được hoạt hóa tới khớp với bộ ba nucleotide (còn gọi là bộ ba hay codon) trên

mRNA để amino acid đã hoạt hóa gắn vào chuỗi polypeptide đang được tổng

hợp. Quá trình dịch mã bao gồm các bước cơ bản sau:

Hoạt hóa amino acid tự do trong tế bào chất: Amino acid được hoạt

hóa nhờ gắn với hợp chất giàu năng lượng adenosinetriphosphate (ATP). Sau

đó, các amino acid đã được hoạt hóa liên kết với tRNA tương ứng để tạo nên

phức hợp amino acid – tRNA.

Mở đầu chuỗi polypeptide: Các tiểu phần của ribosome lắp ráp gần vị

trí khởi đầu dịch mã trên mRNA cùng với tRNA mang methionine có gắn đầu

amin sẽ liên kết bazơ với codon mở đầu. Phức hợp amino acid mở đầu –

tRNA (aa0 – tRNA) tiến vào ribosome đối mã của nó khớp với mã mở đầu

trên mRNA theo nguyên tắc bổ sung.

Kéo dài chuỗi polypeptide: tRNA vận chuyển amino acid thứ nhất tiến

vào ribosome đối mã với nó (theo nguyên tắc bổ sung). Enzyme xúc tác tạo

thành liên kết peptide giữa amino acid mở đầu và amino acid thứ nhất.

Ribosome dịch chuyển đi một bộ ba trên mRNA làm cho tRNA mở đầu rời

khỏi ribosome. Tiếp đó aa2 – tRNA tiến vào ribosome, đối mã của nó khớp

15

với mã thứ hai trên mRNA. Liên kết peptide giữa aa1 và aa2 được tạo thành.

Sự dịch chuyển lại xảy ra, và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi ribosome tiếp

giáp với bộ ba kết thúc. Trong mỗi chu trình kéo dài chuỗi, ribosome trải qua

hai lần biến đổi hình dạng. Lần đầu tiên cho phép tRNA đang tới gắn chặt vào

mRNA và tRNA đã hoàn thành nhiệm vụ giải phóng khỏi mRNA. Lần biến

đổi hình dạng thứ hai dẫn tới sự dịch chuyển.

Kết thúc chuỗi polypeptide: Ribosome chuyển dịch sang bộ ba kết thúc

và ngừng quá trình dịch mã. Hai tiểu phần của ribosome tách nhau ra. Một

enzyme đặc hiệu loại bỏ amino acid mở đầu giải phóng chuỗi polypeptide.

1.4. QUÁ TRÌNH CUỐN ĐỒNG DỊCH MÃ CỦA PROTEIN

Quá trình cuốn của protein xảy ra đồng thời với quá trình tổng hợp

protein (hay dịch mã mRNA) được gọi là cuốn đồng dịch mã (cotranslational

folding). Protein chỉ có thể cuốn hoàn chỉnh khi được tổng hợp xong và chui

ra ngoài đường hầm thoát.

Để có thể tổng hợp một lượng protein đủ nhanh, mỗi phân tử mRNA

thường được dịch mã cùng một lúc bởi nhiều ribosome. Tương tác kỵ nước dễ

dẫn đến sự kết tụ của các chuỗi polypeptide mới sinh, đặc biệt đối với các

chuỗi mới sinh được tổng hợp gần nhau từ cùng một mRNA. Sau khi

ribosome đầu tiên kết hợp với mRNA thực hiện dịch mã được một đoạn ngắn,

thì ở phía sau, nhiều ribosome khác cũng bám vào mRNA để dịch mã. Cùng

một lúc, tại vị trí rất gần nhau trong tế bào sẽ xuất hiện rất nhiều các protein

mới sinh có cấu trúc bậc một giống hệt nhau, lại chưa đạt đến cấu trúc cuốn

bền vững và chỉ được cuốn một phần. Dịch mã tương đối chậm nên cấu trúc

một phần và nhạy cảm với kết tụ sẽ tồn tại trong một khoảng thời gian tương

đối dài. Các chuỗi mới sinh đã cuốn một phần rất dễ bám chặt vào nhau, kết

tụ thành một khối lớn, không thể tiếp tục cuốn bình thường và cũng không thể

thực hiện được các chức năng sinh học nữa. Do hiệu ứng kỵ nước những

nhánh kỵ nước lộ ra trên các phân tử khác nhau sẽ bám vào nhau khi chưa kịp

vùi vào lõi của protein, thúc đẩy sự kết tụ. Sự kết tụ là nguyên nhân chính gây

ra bệnh Alheimer do các protein kết tụ thành các sợi amyloid không hòa tan

và hủy các tế bào thần kinh.

16

1.5. ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME

Trong bán cầu lớn tại PTC (peptidyl transferase center) của ribosome

chuỗi polypeptide được sinh tổng hợp. Trong bán cầu lớn này có một đường

hầm thoát hẹp dẫn protein mới sinh từ nơi được tổng hợp tới môi trường tế

bào. Đường kính của đường của đường hầm thoát có thể thay đổi từ 10 Å – 20

Å và không hoàn toàn thẳng [2]. Đường hầm thoát chật hẹp nhất và hơi uốn

cong ở chỗ thắt cách PTC khoảng 20 Å. Đường hầm ribosome được xây dựng

bởi các đoạn của phân tử 23S rRNA và một số protein ribosome (L4, L22,

L39). Đường hầm có chiều dài trong khoảng 80 Å – 100 Å tùy thuộc vào cách

định nghĩa cổng ra. Đường hầm có thể chứa trọng vẹn một chuỗi peptide

thẳng gồm 30 amino acid hoặc một chuỗi có cấu trúc xoắn α gồm 60 amino

acid. Mặt trong của đường hầm thoát có bản chất ưa nước cho phép chuỗi mới

sinh chui ra dễ dàng không bị cản trở.

1.6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME LÊN QUÁ

TRÌNH CUỐN CÁC PROTEIN MỚI SINH

Đường hầm thoát ribosome chật hẹp đã tạo ra một số rào cản không

gian cho sự hình thành các cấu trúc của protein mới sinh [2]. Các đơn vị cấu

trúc đơn giản như xoắn α và phiến có thể hình thành bên tại đường hầm

thoát [3]. Và một số vùng cấu trúc nhỏ bậc ba khác có thể hình thành ở cổng

ra của đường hầm thoát [4]. Vì vậy, quá trình protein cuốn hoàn thiện chỉ xảy

ra bên ngoài đường hầm thoát. Thực nghiệm cho thấy ngay cả khi protein nằm

bên ngoài đường hầm ribosome, sự có mặt của ribosome vẫn giúp cho protein

cuốn chính xác hơn [12].

Thí nghiệm của Ito và cộng sự [5, 6] cho thấy ribosome ngừng dịch mã

khi trong đường hầm xuất hiện trình tự SecM trong chuỗi polypeptide. Điều

này gợi ý rằng đường hầm thoát có vai trò nhận biết trình tự amino acid và

tham gia tích cực vào quá trình tổng hợp protein. Nghiên cứu mô phỏng trong

mô hình đầy đủ các nguyên tử của Pande và các cộng sự cho thấy đường hầm

ribosome tạo nên hàng rào năng lượng tự do đối với các amino acid và có cơ

chế then cửa (gate-latch mechanism) kiểm soát sự thoát ra của các amino acid

[13].

17

Nghiên cứu mô phỏng gần đây của Hoàng và cộng sự [7] cho thấy quá

trình cuốn protein tại đường hầm thoát ribosome xảy ra đồng thời với quá

trình thoát protein ra khỏi đường hầm, và điều này giúp cho protein cuốn

chính xác hơn. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài đường hầm lên quá trình

thoát protein [8] cũng gợi ý rằng chiều dài của đường hầm ribosome đã được

tự nhiên lựa chọn sao cho quá trình khuyếch tán protein ra khỏi đường hầm

được hiệu quả đồng thời không làm cho protein thoát ra quá nhanh để tránh

các nguy cơ cuốn nhầm và kết tụ.

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

2.1 MÔ HÌNH GO CHO PROTEIN

Mô hình Go [14] là một loại mô hình đơn giản hóa cho protein cho phép

nghiên cứu động lực học của quá trình cuốn protein. Các thế năng tương tác

trong mô hình Go được xây dựng trên cấu trúc trạng thái native của protein

sao cho trạng thái này có thế năng cực tiểu. Mô hình Go áp dụng thế năng hút

cho các tương tác giữa các amino acid có tiếp xúc trong trạng thái native và

thế năng đẩy cho các tương tác giữa các amino acid không tiếp xúc với nhau

trong trạng thái native. Ngoài ra, giữa các amino acid lân cận nhau dọc theo

chuỗi polypeptide người ta có thể áp dụng các thế năng cho các góc liên kết

và góc nhị diện. Các nghiên cứu mô phỏng cho thấy mô hình Go cho cơ chế

cuốn phù hợp với các kết quả thực nghiệm [15, 16].

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng một phiên bản mô hình Go [15]

với thế năng Lennard-Jones 10-12 và các thế năng góc. Trong mô hình này,

mỗi amino acid được coi là một hạt có khối lượng m và có vị trí trùng với vị

trí của nguyên tử Cα. Gọi N là số amino acid trong chuỗi protein. Cấu hình

phân tử protein được xác định bởi hệ vectơ {𝑟𝑖⃗⃗ }i=1,2,…,N là tọa độ của tất cả các

hạt. Năng lượng của protein tại một cấu hình cho trước được xác định bởi:

E = VNative + VRepulsive + VBond + VAngles (2.1)

Số hạng thứ nhất trong phương trình (2.1) là tổng các thế năng Lennard-Jones

cho tương tác giữa các amino acid có tiếp xúc trong trạng thái native:

18

𝑉Native = ∑ 휀 [5(𝜎𝑖𝑗

𝑟𝑖𝑗)

12

− 6(𝜎𝑖𝑗

𝑟𝑖𝑗)

10

]

native

𝑖,𝑗>𝑖+3

(2.2)

trong đó rij là khoảng cách giữa hai hạt thứ i và j, ε là tham số năng lượng ứng

với độ sâu của thế năng, 𝜎𝑖𝑗 = 𝑟𝑖𝑗𝑛𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒

là tham số được chọn bằng khoảng

cách giữa hạt i và j trong trạng thái native. Để xác định xem hai amino acid

trong trạng thái native có tiếp xúc nhau hay không, chúng tôi sử dụng tiêu chí

đề xuất bởi Best và Hummer [17] bằng cách xét tất cả các nguyên tử nặng

trong hai amino acid (trừ các nguyên tử hydro). Nếu giữa hai amino acid thứ i

và thứ j với i + 3 < j tồn tại một cặp nguyên tử nặng có khoảng cách nhỏ hơn

4,5 Å thì hai amino acid được cho là có tiếp xúc với nhau.

Số hạng thứ hai trong phương trình (2.1) là tổng thế năng đẩy được cho

bởi:

𝑉𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖𝑣𝑒 = ∑ 4

non-native

𝑖,𝑗>𝑖+3

𝜖 [(𝜎

𝑟𝑖𝑗)

12

− (𝜎

𝑟𝑖𝑗)

6

] 𝛩(21 6⁄ 𝜎 − 𝑟𝑖𝑗) (2.3)

trong đó tổng theo i và j được lấy theo tất cả các cặp amino acid không có tiếp

xúc trong trạng thái native, (x) là hàm bước Heavyside, σ = 5 Å.

Các hạt liên tiếp nhau trong chuỗi protein tương tác thông qua thế năng

điều hòa. Số hạng thứ ba trong phương trình (2.1) là tổng thế năng điều hòa:

𝑉Bond = 100휀 ∑ (𝑟𝑖,𝑖+1 − 𝑑0)2𝑁−1

𝑖=1 , (2.4)

trong đó d0 = 3.8 Å là khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon alpha liên tiếp

trong chuỗi protein.

Những hạn chế về không gian liên quan tới mặt phẳng liên kết peptide

trong protein được đặc trưng bởi số hạng thứ tư trong phương trình (2.1)

𝑉𝐴𝑛𝑔𝑙𝑒𝑠 = 𝑉𝐵𝐴 + 𝑉𝐷𝐴, (2.5)

19

trong đó các số hạng vế phải của phương trình (2.5) lần lượt là thế năng liên

quan tới các góc liên kết (bond angle) và các góc nhị diện (dihedral angle)

trong chuỗi.

𝑉𝐵𝐴 = ∑𝑘0

2(𝜃𝑖 − 𝜃0,𝑖)

2,

𝑁−1

𝑖=2

(2.6)

với góc liên kết 𝜃𝑖là góc tạo bởi ba nguyên tử carbon alpha liên tiếp, 𝜃0,𝑖 là

góc liên kết ở trạng thái native, k0= 20 /rad2 là tham số.

𝑉𝐷𝐴 = ∑{𝐴[1 + 𝑐𝑜𝑠(𝜙𝑖 − 𝜙0,𝑖)] + 𝐵[1 + 𝑐𝑜𝑠3(𝜙𝑖 − 𝜙0,𝑖)]}

𝑁−3

𝑖=2

(2.7)

với góc nhị diện 𝜙𝑖 là góc tạo bởi bốn nguyên tử carbon alpha liên tiếp nhau

trong chuỗi, 𝜙0,𝑖 là góc nhị diện ở trạng thái gốc, A = − và B = − 0.5 là các

tham số.

2.2. MÔ HÌNH ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME

Chúng tôi sử dụng mô hình đơn giản hóa cho đường hầm thoát của

ribosome [7, 8] để khảo sát ảnh hưởng của đường hầm thoát lên quá trình

thoát của các protein mới sinh. Đường hầm thoát được mô hình hóa như một

ống hình trụ rỗng có chiều dài L = 80 Å, đường kính d = 15 Å và tâm chạy

dọc theo trục x, với một đáy kín và một đáy mở gắn vào một bức tường phẳng

mô phỏng mặt ngoài của ribosome. Giả sử tâm của đáy ống trụ (x = 0) chính

là vị trí mọc của protein mới sinh hay PTC (nơi amino acid được gắn vào

chuỗi polypeptide đang được tổng hợp). Protein từ đường hầm thoát chui ra

ngoài qua đáy còn lại của đường hầm thoát. Tương tác giữa amino acid và

tường đường hầm thoát là thế năng đẩy cho bởi thế năng Lennard-Jones bị cắt

tại cực tiểu của thế năng:

𝑉𝑤𝑎𝑙𝑙(𝑟) = {4휀 [(

𝜎

𝑟)12

− (𝜎

𝑟)6

] + 휀, 𝑟 ≤ 21 6⁄ 𝜎

0, 𝑟 > 21 6⁄ 𝜎

(2.8)

20

trong đó σ = 5 Å và r là khoảng cách ngắn nhất từ tâm các amino acid đến

tường của đường hầm cộng thêm 2.5 Å (tương ứng với bán kính Van der

Waals của các hạt ảo được giả định là cấu trúc thành mặt trong của đường

hầm thoát). Thế năng đẩy cho bởi (2.8) cũng được sử dụng cho tương tác đẩy

của cổng ra đường hầm thoát và tường phẳng bao ngoài đáy đường hầm thoát

đối với các amino acid.

2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ DỰA TRÊN PHƯƠNG

TRÌNH LANGEVIN

Động lực học phân tử là kĩ thuật mô phỏng sử dụng để nghiên cứu sự

biến đổi theo thời gian trạng thái của một hệ các hạt cổ điển tương tác với

nhau qua việc tích phân phương trình chuyển động của chúng. Phương pháp

động lực học phân tử cho phép xác định trạng thái của hệ ở một thời điểm t

bất kì khi biết trạng thái ban đầu của hệ. Phương pháp động lực học phân tử

có thể dùng để nghiên cứu các quá trình động lực học của protein. Trong luận

văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp động lực học phân tử xét tới các tác

động ngẫu nhiên của dung môi lên hạt chuyển động dựa trên phương trình

Langevin.

2.3.1. Phương trình Langevin

Chuyển động của các hạt cổ điển tuân theo các phương trình Newton.

Trong trường hợp chuyển động của các hạt chịu tác động của các yếu tố ngẫu

nhiên do môi trường bên ngoài người ta sử dụng phương pháp động học phân

tử dựa trên phương trình Langevin.

Phương trình Langevin có thể được sử dụng để mô tả chuyển động của

các hạt lớn như các amino acid trong protein trong dung môi là nước. Ở nhiệt

độ T, phương trình Langevin một chiều cho một hạt có dạng:

𝑚�̈�(𝑡) = 𝑓(𝑡) − 휁�̇�(𝑡) + 𝛤(𝑡) (2.9)

trong đó m là khối lượng của hạt, f là lực tác dụng lên hạt gây bởi các thế

năng tương tác 𝑓 = −𝜕𝑉(𝑥)

𝜕𝑥; 휁 là hệ số ma sát của dung môi tác động lên hạt;

là lực ngẫu nhiên của dung môi tác động lên hạt, có phân bố Gauss với

21

trung bình bằng không và hàm tương quan theo thời gian thỏa mãn định luật

biến thiên tiêu tán:

⟨𝛤(𝑡)𝛤(𝑡 + 𝑡′)⟩ = 2휁𝑚𝑘𝐵𝑇𝛿(𝑡′), (2.10)

với 𝛿(𝑡′) là hàm delta Dirac. Khi = 0 thì phương trình Langevin trở thành

phương trình Newton.

2.3.2. Thuật toán Verlet cho phương trình Langevin

Chúng tôi sử dụng thuật toán Verlet cho phương trình Langevin được

đề xuất trong tài liệu [7]. Từ phương trình Langevin ta có:

�̈�(𝑡) =1

𝑚[𝑓(𝑡) − 휁�̇�(𝑡) + 𝛤(𝑡)]. (2.11)

Khai triển tọa độ x theo chuỗi Taylor đến bậc hai ta có:

𝑥(𝑡 + ∆𝑡) ≈ 𝑥(𝑡) + �̇�(𝑡)∆𝑡 +1

2�̈�(𝑡)∆𝑡2, (2.12)

𝑥(𝑡 − ∆𝑡) ≈ 𝑥(𝑡) − �̇�(𝑡)∆𝑡 +1

2�̈�(𝑡)∆𝑡2, (2.13)

trong đó ∆𝑡 là bước thời gian.

Từ (2.12) và (2.13) ta có:

�̇�(𝑡) =𝑥(𝑡+∆𝑡)−𝑥(𝑡−∆𝑡)

2∆𝑡, (2.14)

𝑥(𝑡 + ∆𝑡) ≈ 2𝑥(𝑡) − 𝑥(𝑡 − ∆𝑡) + �̈�(𝑡)∆𝑡2. (2.15)

Thay (2.17) và (2.14) và (2.18) ta thu được:

𝑥(𝑡 + ∆𝑡) = (1 +∆𝑡

2𝑚휁)

−1

{2𝑥(𝑡) − (1 −∆𝑡

2𝑚휁)𝑥(𝑡 − ∆𝑡)

+∆𝑡2

𝑚[𝑓(𝑡) + 𝛤(𝑡)]}.

(2.16)

22

Thuật toán Verlet cho phép ta tính tọa độ tại thời điểm t + t khi biết tọa độ tại

các thời điểm t và t + t.

Trong các mô phỏng, nhiệt độ được biểu thị bằng đơn vị ε/kB, thời gian

được đo bằng đơng vị 𝜏 = √𝑚𝜎2 휀⁄ . Bước thời gian được chọn là ∆t =

0.002τ, và các mô phỏng được thực hiện với hệ số ma sát ζ = 2.5 mτ−1.

2.4. MÔ HÌNH KHUYẾCH TÁN CHO QUÁ TRÌNH THOÁT PROTEIN

Các nghiên cứu trước đây [7, 8] đã đưa ra mô hình khuyếch tán đơn

giản cho quá trình thoát của protein ra khỏi đường hầm ribosome, trong đó

quá trình thoát được coi là quá trình khuyếch tán một chiều của một hạt trong

một trường thế. Giả sử ta có trường thế U(x), sự khuyếch tán của hạt trong

trường thế được mô tả bởi phương trình Smoluchowski một chiều:

𝜕

𝜕𝑡𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0, 𝑡0) =

𝜕

𝜕𝑥𝐷 (𝛽

𝜕𝑈(𝑥)

𝜕𝑥+

𝜕

𝜕𝑥) 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0, 𝑡0), (2.17)

trong đó 𝑝(𝑥, 𝑡; 𝑥0, 𝑡0) là mật độ xác suất tìm thấy hạt ở tọa độ x vào thời

điểm t, nếu tại thời điểm t0 hạt được tìm thấy tại tọa độ x0; 𝜕 𝜕⁄ 𝑡 và 𝜕 𝜕⁄ 𝑥 là

các đạo hàm riêng phần theo thời gian và tọa độ; D là hằng số khuyếch tán

được giả thiết rằng không phụ thuộc vào tọa độ; 𝛽 = (𝑘𝐵𝑇)−1 là nghịch đảo

của nhiệt độ. Đối với khuyếch tán thông thường trong chất lỏng, hằng số

khuyếch tán D thỏa mãn hệ thức Einstein-Smoluchowski:

𝐷 =𝑘𝐵𝑇

𝜁, (2.18)

trong đó là hệ số ma sát nhớt. Nếu U(x) là thế năng tuyến tính theo tọa độ:

𝑈(𝑥) = −𝑘𝑥, (2.19)

với k là một hằng số thì phương trình (2.17) có nghiệm chính xác cho bởi

𝑝(𝑥, 𝑡) ≡ 𝑝(𝑥, 𝑡; 0,0) =𝐷𝛽𝑘

√4𝜋𝐷𝑡𝑒𝑥𝑝 [

−(𝑥 − 𝐷𝛽𝑘𝑡)2

4𝐷𝑡], (2.20)

với điều kiện ban đầu là p(x,0) = (x). Hàm phân bố (2.20) cho ta tọa độ trung

bình của hạt:

23

⟨𝑥⟩ = (𝐷𝛽𝑘)𝑡. (2.21)

Phương trình trên cho thấy 𝐷𝛽𝑘 là tốc độ khuyếch tán.

Thời gian thoát của protein tại đường hầm ribosome có chiều dài L trong

mô hình khuyếch tán chính là thời gian tới đầu tiên (first passage time) của

hạt khuyếch tán có điều kiện ban đầu p(x,0) = (x) tại thời điểm t = 0 và điều

kiện biên hấp thụ p(L,t) = 0 tại x = L. Lời giải phân bố thời gian tới đầu tiên

cho phương trình Smoluchowski với các điều kiện biên như trên có thể tìm

thấy trong tài liệu [18]. Phân bố thời gian tới đầu tiên được cho bởi

𝑔(𝑡) =𝐿

√4𝜋𝐷𝑡3𝑒𝑥𝑝 [

−(𝐿−𝐷𝛽𝑘)2

4𝐷𝑡]. (2.22)

Hàm phân bố này cho ta thời gian thoát trung bình:

𝜇𝑡 ≡ ⟨𝑡⟩ = ∫ 𝑡 𝑔(𝑡)𝑑𝑡 =𝐿

𝐷𝛽𝑘, (2.23)

và độ lệch chuẩn của thời gian thoát:

𝜎𝑡 ≡ (⟨𝑡2⟩ − ⟨𝑡⟩2)1 2⁄ =√2𝛽𝑘𝐿

𝐷(𝛽𝑘)2 (2.24)

Ta thấy rằng tỷ lệ 𝜎𝑡 𝜇𝑡⁄ không phụ thuộc vào hằng số khuyếch tán D mà chỉ

phụ thuộc vào k:

𝜎𝑡

𝜇𝑡= √

2

𝛽𝑘𝐿. (2.25)

Chú ý rằng cả 𝜎𝑡và 𝜇𝑡 đều phân kỳ (bằng vô cùng) khi k = 0, khi đó hàm phân

bố g(t) trở thành hàm phân bố Lévy. Mô hình khuyếch tán cho thấy quá trình

thoát chỉ hiệu quả với thời gian thoát trung bình hữu hạn khi k > 0.

24

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Sử dụng các mô hình và phương pháp mô phỏng, chúng tôi thực hiện

nghiên cứu quá trình thoát của protein mới sinh tại đường hầm thoát

ribosome. Nghiên cứu được thực hiện cho hai protein nhỏ đơn miền là protein

SH3 domain (Mã PDB: 1SHG) và protein Villin (Mã PDB: 2RJX). Hai

protein này được chọn có kích thước tương tự nhau (SH3 domain có chiều dài

57 amino acids, Villin có chiều dài 67 amino acids) nhưng hình dạng của

trạng thái tự nhiên khác nhau để so sánh. Để thuận tiện chúng tôi gọi hai

protein này là 1SHG và 2RJX. Trạng thái tự nhiên của 1SHG và 2RJX được

thể hiện trên Hình 3.1. Cấu trúc của 1SHG gồm hai phiến beta đối song song

bó vào nhau, trong khi 2RJX gồm 5 xoắn alpha xếp gần nhau.

1SHG 2RJX

Hình 3.1 Cấu trúc trạng thái tự nhiên của protein SH3 domain (1SHG) và protein Villin

(2RJX). Các cấu trúc phiến beta được tô màu vàng, xoắn alpha được tô màu đỏ.

Các mô phỏng được thực hiện cho cả 2 protein tại nhiều nhiệt độ khác

nhau trong khoảng từ T = 0.2 /kB tới T = 2.4 /kB. Tại mỗi một nhiệt độ, 500

quỹ đạo mô phỏng độc lập được thực hiện cho quá trình cuốn đồng dịch mã

và quá trình thoát của protein. Quá trình cuốn đồng dịch mã được mô phỏng

với protein được mọc dài dần từ đầu N tới đầu C và thời gian để chuỗi

polypeptide mọc dài thêm một hạt là tg = 100 . Sau khi được dịch mã hoàn

25

chỉnh, protein tiếp tục được mô phỏng cho tới khi thoát ra hoàn toàn khỏi

đường hầm ribosome. Thời gian thoát được tính từ khi protein được dịch mã

hoàn chỉnh cho tới khi protein thoát ra hoàn toàn.

Hình 3.2. Sự phụ thuộc của năng lượng (E) và số hạt thoát ra ngoài đường hầm (Nout)vào

thời gian trong một quỹ đạo mô phỏng cho protein 1SHG tại nhiệt độ T = 0.8 /kB.

Hình 3.2 cho thấy sự phụ thuộc vào thời gian của năng lượng E và số

hạt nằm ngoài đường hầm Nout trong một quỹ đạo mô phỏng cho protein

1SHG tại nhiệt độ T = 0.8 /kB. Có thể thấy rằng cả E và Nout đều biến thiên

theo thời gian với xu hướng là E giảm dần và Nout tăng dần. Quỹ đạo mô

phỏng trên Hình 3.2 kết thúc ở thời điểm Nout = N, ứng với thời gian thoát xấp

xỉ bằng 580t.

3.1. SỰ PHỤ THUỘC CỦA THỜI GIAN THOÁT CỦA PROTEIN VÀO

NHIỆT ĐỘ

Hình 3.3 và Hình 3.4 cho ta thấy phân bố thời gian thoát của hai protein

1SHG và 2RJX tại 3 nhiệt độ khác nhau: T = 0.4 /kB , T = 0.8 /kB và T = 1.2

/kB. Có thể thấy rằng khi nhiệt độ tăng phân bố thời gian thoát bị dịch

26

chuyển về phía thời gian ngắn hơn. Protein thoát ra nhanh hơn khi nhiệt độ

tăng. Trong tất cả các trường hợp phân bố thời gian thoát thu được từ mô

phỏng có thể khớp khá tốt với mô hình khuyếch tán một chiều (đường liền nét

trên các Hình 3.3 và 3.4). Điều này cho thấy mô hình khuyếch tán mô tả khá

tốt quá trình thoát của protein.

Hình 3.3. Phân bố thời gian thoát của protein 1SHG tại 3 nhiệt độ khác nhau. Các biểu đồ

thu được từ dữ liệu mô phỏng. Đường liền nét là hàm phân bố thu được bởi lý thuyết

khuyếch tán 1 chiều được khớp (fit) với biểu đồ.

27

Hình 3.4. Phân bố thời gian thoát của protein 2RJX tại 3 nhiệt độ khác nhau. Các biểu đồ

thu được từ dữ liệu mô phỏng. Đường liền nét là hàm phân bố thu được bởi lý thuyết

khuyếch tán 1 chiều được khớp (fit) với biểu đồ.

Từ phân bố thời gian thoát thu được từ mô phỏng ta có thể tính được

thời gian thoát trung bình 𝜇𝑡(𝜏) và độ lệch chuẩn của thời gian thoát 𝜎𝑡(𝜏).

Hình 3.5 cho thấy sự phụ thuộc của 𝜎𝑡(𝜏) vào 𝜇𝑡(𝜏) cho cả hai protein ở các

nhiệt độ khác nhau. Có thể thấy rằng ở vùng 𝜇𝑡(𝜏) và 𝜎𝑡(𝜏) nhỏ (ứng với

nhiệt độ cao), 𝜎𝑡(𝜏) phụ thuộc gần như tuyến tính vào 𝜇𝑡. Theo mô hình

khuyếch tán cho bởi công thức (2.25) thì sự phụ thuộc tuyến tính này chứng

tỏ rằng βk là không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Với k không đổi,

từ công thức (2.23) ta cũng có 𝜇𝑇 ∼ 𝐷−1, tức là thời gian thoát trung bình tỷ lệ

28

nghịch với hằng số khuyếch tán. Ở vùng 𝜇𝑡(𝜏) và 𝜎𝑡(𝜏) lớn (ứng với nhiệt độ

thấp) thì sự phụ thuộc của 𝜎𝑡(𝜏) vào 𝜇𝑡(𝜏) bị lệch khỏi hàm tuyến tính. Lúc

này, cả k và D đều phụ thuộc vào nhiệt độ.

Hình 3.5. Sự phụ thuộc của độ lệch chuẩn của thời gian thoát vào thời gian thoát trung

bình cho 2protein 1SHG và 2RJX. Đường đứt nét tương ứng với mô hình khuyếch tán 1

chiều với k không đổi.

Hình 3.6 mô tả sự phụ thuộc của thời gian thoát trung bình 𝜇𝑡 vào nhiệt

độ T trên thang tọa độ log-log cho hai protein 1SHG và 2RJX. Đối với cả hai

protein thời gian thoát trung bình giảm khi nhiệt độ tăng. Ở vùng nhiệt độ cao

thời gian thoát trung bình phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật 𝜇𝑇 ∼

𝑇−1(đường tuyến tính đứt nét trên hình vẽ). Điều này chứng tỏ ở nhiệt độ cao

thì hằng số khuyếch tán phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, 𝐷 ∼ 𝑇, giống như

trong hệ thức Einstein (phương trình 2.18) cho hạt chuyển động Brown. Như

vậy ở nhiệt độ cao quá trình thoát của protein là tương tự như quá trình

khuếch tán của hạt Brown trong trường thế tuyến tính. Hình 3.6 cho thấy ở

29

vùng nhiệt độ thấp, thời gian thoát trung bình của protein thấp hơn nhiều so

với thời gian thoát của hạt Brown. Điều này khẳng định quá trình cuốn của

protein tại đường hầm ribosome làm cho protein thoát ra nhanh hơn [7, 8].

30

(a)

(b)

Hình 3.6. Sự phụ thuộc của thời gian thoát trung bình vào nhiệt độ cho protein 1SHG (a)

và protein 2RJX (b) trên thang tọa độ log-log. Đường đứt nét có độ dốc bằng −1 tương

ứng với 𝜇𝑇 ∼ 𝑇−1.

31

3.2. SỰ PHỤ THUỘC CỦA THỜI GIAN THOÁT VÀO CẤU TRÚC CỦA

PROTEIN

Các kết quả ở Mục 3.1 cho thấy mặc dù 2 protein 1SHG và 2RJX có

cấu trúc trạng thái tự nhiên rất khác biệt, phân bố thời gian thoát, sự phụ thuộc

của thời gian thoát vào nhiệt độ cũng như các tính chất khuyếch tán của cả hai

protein đều khá tương đồng. Điều này cho thấy quá trình thoát của protein

không phụ thuộc mạnh vào cấu trúc trạng thái tự nhiên.

Hình 3.7. Sự phụ thuộc của thời gian thoát trung bình (t) vào nhiệt độ (T) cho 2 protein

1SHG và 2RJX.

Hình 3.7 so sánh thời gian thoát trung bình của 1SHG và 2RJX tại các

nhiệt độ khác nhau. Có thể thấy rằng 2RJX có thời gian thoát trung bình lớn

hơn so với 1SHG ở hầu hết các nhiệt độ, ngoại trừ ở 2 giá trị nhiệt độ rất thấp

T = 0.2 /kB và T = 0.25 /kB . Tuy vậy, sự chênh lệch thời gian thoát trung

bình giữa hai protein là không nhiều. Ở các vùng nhiệt độ trung bình và cao,

protein 2RJX là protein có cấu trúc xoắn alpha có thời gian thoát trung bình

cao hơn khoảng 10% - 20% so với 1SHG là protein có cấu trúc phiến beta.

32

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong luận văn này, chúng tôi đã nghiên cứu quá trình thoát của protein

tại đường hầm thoát ribosome sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học

phân tử với các mô hình đơn giản hóa cho protein và cho đường hầm thoát

ribosome. Nghiên cứu được thực hiện cho hai protein nhỏ đơn miền với cấu

trúc trạng thái tự nhiên khác nhau. Các kết quả mô phỏng được phân tích và

so sánh với mô hình khuyếch tán trong trường thế tuyến tính một chiều, và

cho các kết luận như sau:

1. Khi nhiệt độ tăng thì thời gian thoát của protein giảm. Phân bố thời

gian thoát phù hợp với mô hình khuyếch tán. Ở vùng nhiệt độ cao thời gian

thoát trung bình tỷ lệ nghịch với nhiệt độ theo hàm mũ 𝑇−1, giống như đối với

hạt chuyển động Brown. Ở vùng nhiệt độ thấp, quá trình cuốn làm protein

thoát ra nhanh hơn so với hạt chuyển động Brown.

2. Thời gian thoát của protein không phụ thuộc mạnh vào cấu trúc trạng

thái tự nhiên của protein. Protein có cấu trúc xoắn alpha thoát ra chậm hơn

10% - 20% so với protein có cấu trúc phiến beta.

Trên đây là các kết quả thu được từ các mô hình đơn giản hóa. Các kết

quả này cần được so sánh với các kết quả của các mô hình chi tiết hơn cho

protein và cho đường hầm thoát ribosome, cũng như được kiểm chứng bởi

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).

[4] A. Kosolapov and C. Deutsch, “Tertiary Interactions within the

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.