Xem mẫu
- Tạo hình cấu
trúc protein
The following points are made by
Jeffery W. Kelly (Nature 2006
442:255):
- 1) Vì rằng cấu trúc không gian 3
chiều là yếu tố quyết định chức
năng của mỗi protein và đòi hỏi
quá trình tạo hình chính xác.
Protein sử dụng một mạng lưới các
tương tác hóa học yếu, không đồng
hóa trị để đạt đến trạng thái cấu
hình hoàn hảo [1]. Trước đây, những
nhà khoa học cho rằng quá trình tạo
hình protein là một quá trình tương
tác hoàn hảo - protein chỉ tồn tại ở
- 2 trạng thái là chưa tạo hình và tạo
hình hoàn hảo. Mô hình "tất cả /
không" này thuận tiện cho việc
chuyển đổi các dữ liệu quang học
thành nhiệt động học chỉ bằng cách
đơn giản là ước tính tỉ lệ phân bố
của phân tử cuộn xoắn và không
cuộn xoắn. Tuy nhiên mô hình này
liệu có đúng trong mọi trường hợp?
Muñoz et al [2] đã sử dụng phương
pháp cộng hưởng từ hạt
nhân (NMR) để theo dõi quá trình
biến đổi của một protein với các
vòng xoắn alpha có tên là BBL.
2) BBL đã tạo hình theo một mô
hình "thung lũng năng lượng"
(downhill) - quá trình này cho rằng
tồn tại các hàng rào năng lượng cực
- thấp giữa các trạng thái cuộn xoắn
và không cuộn xoắn [3],[4],[5]. Khi
một protein đang tạo hình lại bắt
gặp những điều kiện không thuận
lợi như stress nhiệt thì sẽ làm
chúng tháo cuộn xoắn dần dần [6].
Những phát hiện khác [7] cũng ủng
hộ giả thuyết này, và cho rằng quá
trình tạo hình protein không nhất
thiết phải tuân thủ mô hình "tất cả /
không" bởi vì việc tháo cuộn xoắn
được cho là một quá trình ngược
chiều với tạo hình, và nghiên cứu
nó sẽ tăng hiểu biết về quá trình tạo
hình protein.
3) Mỗi nguyên tử hydro trong
protein đều nằm trong một môi
trường điện tích đặc trưng được tạo
- thành bởi các nhóm chức xung
quanh. Do đó, mỗi nguyên tử này
đều có một tín hiệu riêng trên phổ
NMR, và tần số của tín hiệu này
thay đổi khi protein này trở nên
tháo cuộn xoắn làm môi trường
xung quanh nguyên tử thay đổi.
Khi môi trường được gia nhiệt để
kích thích quá trình tháo cuộn xoắn
protein, BBL có thể đạt đến những
cấu hình không gian khác nhau và
chuyển đổi khá nhanh, do đó tần số
NMR của mỗi nguyên tử hydro sẽ
là vật chỉ thị cho mức độ tháo cuộn
xoắn cục bộ.
4) Muñoz et al [8] đã ghi lại những
thay đổi về tần số NMR của 158
nguyên tử hydro của BBL theo sự
- biến thiên của nhiệt độ để tạo nên
158 đường đồ thị nguyên tử được
gọi là đường cong tháo cuộn xoắn.
Những đường cong này này là
không thể biến thiên 2 chiều. Mà
rằng, nhiệt độ trung tâm của những
đường biến thiên nhiệt là vào
khoảng 60 K. Điều này chứng tỏ,
tại bất kỳ nhiệt độ nào, tồn tại một
vài nguyên tử hydro ở điều kiện tạo
hình hoàn chỉnh và một số còn lại
thì ở môi trường chưa hoàn chỉnh.
Thực tế này đã bác bỏ giả thuyết
rằng BBL chỉ tồn tại 2 trạng thái
duy nhất là tạo hình hoàn chỉnh và
[9]
trạng thái nguyên sơ .
Chức năng của các phân tử
chaperone
- R. John Ellis (Nature 2006
442:360)
1) Protein là những phân tử thực thi
các chức năng của sự sống, và để
tạo ra những protein với đầy đủ
chức năng, tế bào phải thực hiện
những quá trình cực kỳ nghiêm
ngặt. Nhờ hoạt động của những
siêu cấu trúc gọi là ribosome,
những amino acid được nối lại
thành các chuỗi polypeptide không
- phân nhánh. Mỗi chuỗi polypeptide
này sau đó được cuộn chặt để thành
một hình dạng với bề mặt đặc trưng
và cần thiết của mỗi phân tử
protein. Thông tin quyết định việc
tạo hình chính xác từng vị trí là
nằm ở trình tự của chuỗi amino
acids, trình tự này đã được dịch mã
tương ứng từ thông tin di truyền
trên mRNA do đã được sao chép từ
gene tương ứng. Tuy nhiên, để có
thể tổng hợp một lượng protein đủ
nhanh, mỗi phân tử mRNA thường
được dịch mã cùng một lúc bởi
nhiều ribosome. Điều này dễ dàng
làm cho các chuỗi polypeptide mới
được cuộn xoắn từng phần bám
chặt lẫn nhau vì chúng nằm quá
- gần và có cấu trúc giống hệt nhau.
Đống protein hổ lốn này không thể
tiếp tục cuốn xoắn bình thường và
cũng không thể thực hiện các chức
năng sinh học được nữa.
2) Vấn đề cực kỳ phổ biến ở mọi
loài sinh vật này đã được giải quyết
bởi một nhóm protein có tên
là chaperone mà hiện giờ người ta
đã phát hiện hơn 50 họ protein khác
nhau trong nhóm này [10]. Một họ
protein được nghiên cứu kỹ nhất là
chaperonin GroEL–GroES, thường
gặp ở các loài vi khuẩn. Phức hợp
GroEL–GroES ngăn cản sự bám
dính những chuỗi polypeptide đồng
loại bằng cách nhét riêng rẽ chúng
vào trong những cấu trúc dạng túi
- của nó. Tại đây các chuỗi
polypeptide có thể tiếp tục thực
hiện quá trình tạo hình của mình
mà ko bị dính với các chuỗi
[11] [12]
khác , . Một nghiên cứu từ
trước kia của nhóm Ulrich
Hartl [13] đã thấy rằng protein
Rubisco của vi khuẩn có thể cuốn
xoắn chính xác nhanh hơn từ 3 đến
4 lần khi nằm trong túi GroEL-
GroES so với việc tạo hình trong
một dung dịch kể cả khi ít có khả
năng bị bám dính với chuỗi peptide
khác. Nhóm này gần đây lại phát
hiện [14] rằng cả kích thước và điện
tích bề mặt của các túi GroESL
cũng đã được tối ưu hóa để tăng tốc
- quá trình tạo hình của nhiều loại
chuỗi polypeptide khác nhau.
3) Khi có mặt ATP hay ADP, các
phân tử GroEL và GroES có thể kết
hợp với nhau tạp thành phức hệ tạo
túi (nanocage). GroES có chức
năng như là một chiếc nắp đóng mở
để giữ chuỗi peptide nằm yên trong
túi khi tạo hình. Bên trong chiếc túi
này, những chuỗi peptide tiếp tục
cuộn xoắn cho đến khi những
amino acid có tính kỵ nước, loại
amino acid thường gây bám dính
lung tung, đã dược cuộn vào bên
trong phân tử protein một cách chặt
chẽ. Cái túi này thoạt đầu có tên
"túi Anfinsen" với ngụ ý là những
chuỗi peptide được cuộn xoắn theo
- trình tự amino acid của chúng, vì
rằng Christian Anfinsen là người
thực hiện thí nghiệm chứng tỏ một
protein sau khi biến tính có thể tạo
hình trở lại. Tuy nhiên, thí nghiệm
mới đây [15] cho thấy mô hình này
không hoàn thiện, bởi vì tốc độ tạo
hình của một vài protein phụ thuộc
nhiều vào kích thước tương đối của
chuỗi peptide với kích thước túi, và
cũng phụ thuộc vào đặc tính bề mặt
bên trong những túi GroES-GroEL.
Do vậy, phức hệ GroES-GroEL
không chỉ là một "dụng cụ" chống
bám dính protein mà còn cho phép
protein có thể cuộn xoắn nhanh và
chính xác hơn.
- 4) Có khoảng 85 protein khác nhau
đã tham gia vào quá trình tạo nên
cấu trúc túi bên trong phức hệ
GroEL-GroES ở Escherichia coli.
Hiển nhiên, đa số (60%) những
protein này có kích thước nhỏ (30–
50 kilodaltons) và chỉ 14% protein
là lớn hơn 50 kDa. Cái túi GroEL–
GroES đã được đo là rộng khoảng
85 angstroms (phép đo được thực
hiện với 80 túi khác nhau), kích
thước này về nguyên tắc là vừa đủ
để chứa những protein có kích
thước tới 70 kDa. Tuy nhiên,
khoảng không gian có thể hơi nhỏ
hơn một chút vì có thêm 23 amino
acid ở các đầu thừa ra của mỗi tiểu
đơn vị GroEL. Việc loại bỏ những
- đuôi thừa này không làm ảnh
hưởng cơ chế hoạt động của túi, và
do đó cho phép thay đổi kích cỡ túi.
Bằng việc bỏ bớt hoặc thêm vào
[16]
các đuôi thừa này, Tang et al. đã
điều chỉnh thể tích túi cỡ +4% đến -
13%, và ghi nhận những ảnh hưởng
đến tốc độ tạo hình của 4 loại
protein khác nhau có kích thước từ
33 - 50 kDa.
1. ^ Ellis, R. J. in Molecular
Chaperones and Cell Signalling
(eds Henderson, B. & Pockley,
G.) 3–21 (Cambridge Univ.
Press, 2005)
2. ^ Saibil, H. R. & Ranson, N.
A. Trends Biochem. Sci. 27,
627–632 (2002)
- 3. ^ Fenton, W. A. & Horwich,
A. L. Q. Rev. Biophys. 36, 229–
256 (2003)
4. ^ Brinker, A. et al. Cell 107,
223–233 (2001)
5. ^ Tang, Y. -C. et al. Cell 125,
903–914 (2006)
A. Mogk và B. Bukau (Current
Biology 2004 14:R78)
1) Việc protein tạo hình sai hoặc
kết vón lẫn nhau là một mối đe dọa
đến sự tồn tại của tất cả các sinh vật
sống. Do đó, tế bào đã phát triển
- các hệ thống kiểm soát chất lượng
protein thông qua 1) những phân tử
"chaperone" giúp protein tạo hình
lại và 2) các protease để phân hủy
các protein sai hỏng cấu hình. Khi
nhiệt độ xung quanh tế bào tăng
cao, hoạt động của chaperone và
protease có thể bị quá tải do lượng
protein sai hỏng quá nhiều và hiện
tượng kết vón protein lại diễn ra.
Hiện tượng này rất quan trọng
trong bệnh lý vì có thể dẫn đến
những bệnh liên quan hệ thần kinh
như Parkinson hoặc prion.
2) Khi protein đã bị kết vón thì coi
như đã bị hỏng hoàn toàn vì các
phân tử chaperone trước đây chỉ có
thể ngăn ngừa việc kết vón và tái
- tạo những protein sai hỏng cấu
hình. Tuy nhiên, trong những năm
1990, Lindquist và cộng sự [1] đã
phát hiện một nhóm protein cảm
ứng nhiệt Hsp (Heat shock protein)
ở nấm men Saccharomyces
cerevisiae, gọi là Hsp104. Hsp104
là nhân tố thiết yếu cho quá trình
chịu nhiệt, một trạng thái sinh lý
cho phép tế bào có thể chống chịu
stress sau khi xử lý nhiệt tăng
cường. Những nghiên cứu sau này
cho thấy cơ chất của Hsp104 là
những cục vón protein được tạo ra
trong quá trình chịu nhiệt. Những
tế bào nấm men mang Hsp104 mất
chức năng thì sẽ không còn khả
năng làm tan và hoạt hóa lại những
- protein đã bị kết vón [2]. Chức
năng của Hsp104 được tìm thấy và
bảo thủ ở các đại diện vi khuẩn
thực, thực vật và ty thể. Và những
protein đồng dạng với Hsp104 như
ClpB, Hsp101 và Hsp78 cũng là
những phân tử thiết yếu của phản
ứng chịu nhiệt và chống chịu kết
vón protein [3-5].
3) Hsp104/ClpB thuộc vào siêu họ
protein AAA+, chúng có domain
ATPase cũng với các domain tương
tác với nhiều loại protein nội bào
và protein thuộc Clp/Hsp100. Hai
nhóm protein này có độ tương đồng
cao về trình tự ở các domain AAA,
vùng chức năng quan trọng để thủy
phân ATP và tạo phức hệ protein
- (oligomer hóa). Thông thường,
những protein AAA+ thường tạo
thành những phức hệ 10 phân tử
đồng dạng (homohexamer) có hình
chiếc nhẫn. Cấu hình này có thể
tháo và lắp dễ dàng và phù hợp với
các phức hệ cơ chất phức tạo khác
nhau.
References:
1. Sanchez, Y. and Lindquist,
S.L. (1990). HSP104 required
for induced thermotolerance.
Science 248, 1112-1115.
2. Parsell, D.A., Kowal, A.S.,
Singer, M.A., and Lindquist, S.
(1994). Protein disaggregation
mediated by heat-shock protein
Hsp104. Nature 372, 475-478
- 3. Mogk, A., Tomoyasu, T.,
Goloubinoff, P., Rüdiger, S.,
Roeder, D., Langen, H., and
Bukau, B. (1999). Identification
of thermolabile E. coli proteins:
prevention and reversion of
aggregation by DnaK and ClpB.
EMBO J. 18, 6934-6949
4. Schmitt, M., Neupert, W.,
and Langer, T. (1996). The
molecular chaperone Hsp78
confers compartment-specific
thermotolerance to
mitochondria. J. Cell Biol. 134,
1375-1386
5. Queitsch, C., Hong, S.W.,
Vierling, E., and Lindquist, S.
(2000). Heat shock protein 101
nguon tai.lieu . vn