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. 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 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 . 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 . Những phát hiện khác 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 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 trạng thái nguyên sơ .

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 khác [11],[12]. 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 các đuôi thừa này, Tang et al. [16] 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 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) 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.