--- Bài mới hơn ---
Cơ Chế Hoạt Động Và Chức Năng Của Protein Màng
Tìm Hiểu Về Vùng Nhớ Dữ Liệu Plc Siemens S7
Vùng Nhớ Trong Plc S7 1200 : Word Memory, Load Memory, Retentive
Các Vùng Nhớ Của Plc S7 – 300
Tui Học Lập Trình Siemen Plc–S7
Trang chủ chúng tôi
Ebook online
Đọc sách
ĐẠI CƯƠNG CẤU TRÚC CỦA
PROTEIN
Nguyễn Phước Long – Phùng Trung Hùng
Nguyên lý cơ bản của vấn đề này nằm trong câu nói “Chức năng bắt nguồn từ cấu
trúc lập thể, và cấu trúc lập thể do chính trình tự amino acid quyết định”. Thực
tế, chuỗi protein gấp nếp thành các cấu trúc lập thể đặc thù nhờ các phân tử xúc
tác phức tạp. Cấu trúc này được giữ ổn định bởi nhiều loại tương tác không cộng
hóa trị giữa các amino acid.
Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng bậc tổ chức của protein
để có thể hiểu sâu hơn cách thức hoạt động của protein trong các phản ứng sinh
học.
Cấu trúc bậc 1: Amino acid
mạch thẳng
Trong protein, các amino acid gắn kết với nhau thông qua liên kết amide cộng hóa
trị, liên kết này được gọi là liên kết peptide, chúng tạo thành chuỗi mạch
thẳng, không phân nhánh. Đôi khi cũng có các liên kết disulfide nối cộng hóa trị
nối các mạch phụ (nhóm R) lại với nhau. Một đầu của protein có nhóm amin tự do
(không tạo liên kết) được gọi là đầu N, và đầu kia có nhóm carboxyl tự do gọi là
đầu C.
Cấu trúc bậc 1 của protein là sự xếp mạch thẳng một cách đơn giản, kích cỡ được
tính bằng đơn vị Dalton,. Phân tử khối trung bình qui ước của mỗi amino acid là
113, do vậy ta có thể dùng giá trị này để ước lượng được số phần tử amino acid
của một protein và ngược lại.
Hình 7.1:Mô
tả cấu trúc thẳng (2D và 3D) của chuỗi polypeptide.
Cấu trúc bậc 2: Thành phần
tạo thành kiến trúc trung tâm, quan trọng nhất của protein
Đây là cách sắp xếp không gian bền của các vùng trong chuỗi polypeptide (tạo
thành cấu trúc bậc 1). Những đoạn này gắn kết với nhau thông qua liên kết
Hydrogen. Tùy theo trình tự, mỗi chuỗi polypeptide có thể chứa nhiều kiểu cấu
trúc bậc 2 trên nhiều vùng. Các cấu trúc bậc 2 cơ bản là:
Xoắn
α
Hình 7.2:Mô
tả Xoắn
α. a) Vòng xoắn ổn
định nhờ liên kết hydrogen giữa amino acid thứ n và n+4 (chính xác hơn, trung
bình là 3,6). b) Xoắn phải (right-handed) và góc R hướng ra ngoài (radiating
phiến
β
Hình 7.3:Mô
tả cấu trúc phiến β.
và
ngoặt
β
ngắn (hình chữ U)
Hình 7.4:
Mô tả cấu trúc ngoặt
β (Theo Color Atlas
of Biochemistry 2ed – Koolman)
Thuật ngữ cuộn ngẫu nhiên dùng để chỉ các phần có tính linh động cao và không có
cấu trúc lập thể cố định trong chuỗi polypeptide. Thuật ngữ bất qui tắc ám chỉ
các phân đoạn polypeptide không tạo thành những cấu trúc trên, nhưng bằng cách
nào đó có hình dạng bền và xác định.
Có khoảng 60% chuỗi
polypeptide của protein có dạng xoắn
α và phiến
β, phần còn
lại mang cấu trúc cuộn và ngoặt. Do đó, xoắn
α và phiến
β là các thành phần chống đỡ bên trong quan trọng của protein.
Xoắn α là một phân đoạn polypeptide có kiểu gấp nếp, mạch khung xoắn lại. Ở cấu
trúc này, mọi O của nhóm –CO– của amino acid này
sẽ tạo liên kết H với H thuộc nhóm –NH– của amino acid kế cận(trừ đầu tận
cùng không tạo liên kết với nhau, do vậy tạo cấu trúc dạng chuỗi). Kiểu sắp xếp
có chu kì này tạo thành cấu trúc xoắn từ đầu amin đến đầu carboxyl vì toàn bộ
chất cho liên kết hydro có cùng chiều từ trên xuống dưới,
cũng do đó mà mỗi vòng xoắn chứa 3,6 amino acid.
Cơ cấu này do Linus Pauling đề xuất, cách tạo cầu nối Hydrogen này làm cho vòng
xoắn α bền vững và đồng thời xác định tính chất kị nước của xoắn. Trong dung
dịch, xoắn ưa nước thường nằm tại bề mặt, nơi chúng có thể tương tác với môi
trường nước, trong khi các xoắn kị nước thường vùi vào trong lõi của protein gấp
nếp. Hiện tượng này giải thích tại sao một tổ hợp vòng xoắn α như thụ thể liên
kết với protein G (GPCR) có thể thay đổi hình dạng sau khi liên kết với ligand.
Phiến β là một phân đoạn ngắn và hầu như trải ra hết cỡ. Trong cấu trúc này,
liên kết Hydrogen hình thành trong phiến giữa các nguyên tử nằm trên khung những
mạch β riêng biệt. Các mạch β riêng biệt này có thể cùng nằm trong một chuỗi
polypeptide và kết nối thông qua những vòng dài hoặc ngắn, hoặc nằm trên các
chuỗi polypeptide khác nhau. Từ các đặc điểm trên, hai hoặc nhiều mạch β sắp xếp
kề nhau, tạo thành tấm β hai chiều gần như xếp ly (hoặc gọi là tấm xếp có nếp).
Liên kết Hydrogen trong mặt phẳng các phiến giữ mạch với nhau và nhóm R gắn phía
trên hoặc phía dưới mặt phẳng này. Giống như xoắn α, phiến β có tính định hướng
do chiều liên kết peptide. Do đó, trong phiến xếp, các mạch β sát nhau nằm cùng
chiều (song song) hoặc ngược chiều (đối song song). Trong một số protein, phiến
β tạo thành phần nền của hốc gắn hoặc lõi kị nước; ở các protein xuyên màng,
phiến β cuộn lại tạo thành lỗ trung tâm ưa nước, cho phép ion và tiểu phân tử đi
qua.
Loại cấu trúc phiến β hiếm gặp trên thụ thể cũng như các kênh ion nhưng lại rất
phổ biến trong enzyme. Điều đó được giải thích là do lực nối Hydrogen liên phân
tử trong cấu trúc này tương đối yếu nên tạo ra được sự linh động lớn trong cấu
trúc lập thể cần thiết cho hoạt động của enzyme.
Hình 7.5: Các motif cấu trúc
bậc 2 của protein.(a):
Bàn tay EF là một motif xoắn-vòng-xoắn chứa hai xoắn nối với nhau qua một vòng
ngắn có cấu hình đặc biệt và chung cho nhiều protein. Trong protein gắn calcium
như calmodulin, các nguyên tử Oxygen của 5 amino acid thuộc vòng giàu acid
aspartate và glutamate cùng một phân tử nước sẽ liên kết với ion Ca2+.(b):
Motif ngón tay kẽm tồn tại trong nhiều protein gắn DNA giúp điều hòa phiên mã.
Hai phiến
β (màu xanh da trời)
và một xoắn
α (màu đỏ) giữ ion Zn2+
thông qua hai gốc cysteine và hai gốc histidine. Hai gốc cysteine luôn nằm tại
vị trí 3 và 6 trong khi cặp histidine luôn nằm tại vị trí 20 và 24 thuộc motif
25 gốc này.(c): Motif hai mạch xoắn cuộn song song hình thành từ hai xoắn
α quấn quanh nhau.
Tương tác giữa các nhóm R kị nước (màu đỏ và xanh da trời) cách quãng đều, dọc
theo vùng giáp ranh giữa hai chuỗi làm bền motif này. Mỗi xoắn
α chứa trình tự lặp
bộ bảy đặc trưng với gốc kị nước thường nằm tại vị trí 1 và 4 như chỉ ra trong
hình. Bản chất cuộn xoắn của motif cấu trúc này rõ ràng hơn trong các xoắn cuộn
dài.
Cấu trúc bậc 3: Polypeptide
gấp nếp
Cấu trúc bậc 3 của protein là cấu hình tổng thể của chuỗi polypeptide hay sắp
xếp ba chiều của amino acid. Cấu trúc bậc 3 được làm ổn định đa phần bởi các
tương tác kị nước giữa các nhóm R không phân cực, liên kết H giữa các nhóm R
phân cực và các liên kết peptide. Các tương tác này tương đối yếu, do vậy cấu
trúc bậc 3 không cứng nhắc mà luôn dao động nhỏ và liên tục. Biến thiên của cấu
trúc này quan trọng đối với chức năng và điều hòa của protein nói chung và cấu
trúc thụ thể nói riêng.
Dựa vào cấu trúc bậc 3 mà protein có thể được phân loại thành ba loại:
Protein sợi
Hình 7.6:Minh
họa cấu trúc bậc 3 của protein sợi.
Protein cầu
Hình 7.7:
Minh họa cấu trúc bậc 3 của
protein cầu
và
protein xuyên màng
Hình 7.8:
Minh họa cấu trúc bậc 3 của
protein xuyên màng
Protein sợi là phân tử lớn, dài, cứng và thường cấu tạo từ nhiều trình tự ngắn
lặp lại liên tiếp, tạo thành cấu trúc bậc 3 lặp đơn (xem cấu trúc của collagen).
Protein sợi thường tụ thành các sợi lớn gồm nhiều protein và chúng không tan
trong nước, có vai trò lớn trong vận động tế bào.
Protein cầu thường chứa tập hợp các cấu trúc bậc 2, hòa tan trong nước, gấp nếp
chặt và không có hình cầu hoàn hảo.
Protein xuyên màng được nhúng trong lớp phospholipid kép của màng tế bào.
3 loại protein trên không phải lúc nào cũng được phân định rõ ràng. Một số
protein cấu thành từ tổ hợp 2 hay cả 3 loại này.
Các tổ hợp cấu trúc bậc 2 và bậc 3 nhất định được gọi là motif cấu trúc hay kiểu
gấp nếp. Motif cấu trúc góp phần hình thành cấu trúc tổng thể của toàn bộ
protein và mỗi loại motif cấu trúc thường thực hiện một chức năng chung trong
các protein khác nhau (ví dụ với tiểu phân tử hay ion, đặc biệt quan trọng đối
với thụ thể). Các trình tự bậc 1 mã hóa cho một loại motif nhất định có thể rất
giống nhau. Hay một motif trình tự chung có thể tạo ra một motif cấu trúc lập
thể chung. Tuy nhiên, cũng có những trình tự không giống nhau lại có thể gấp nếp
lại thành những motif cấu trúc chung. Đôi khi các motif trình tự ngắn chứa một
loại amino acid lớn bất thường (proline, aspartate, glutamate, …) sẽ được gọi là
miền.
Nhiều motif cấu trúc sử dụng
xoắn
α. Một motif gắn
calcium phổ biến được gọi là tay EF (EF hand) sử dụng hai xoắn ngắn kết nối với
nhau qua vùng vòng. Motif này tồn tại trong hơn 100 protein cảm biến dò nồng độ
calcium trong tế bào. Calcium gắn với nguyên tử Oxygen tại các gốc bảo tồn ở
vùng vòng phụ thuộc vào nồng độ Calcium và thường gây biến đổi hoạt tính của
protein. Do đó, nồng độ calcium có thể điều kiển trực tiếp cấu trúc và chứng
năng của protein. Protein thường sử dụng motif cấu trúc dạng xoắn – ngoặt – xoắn
(helix – turn – helix) và xoắn – vòng – xoắn cơ sở (basic helix – loop – helix,
bHLH) để gắn DNA và qua đó điều hòa hoạt tính gene. Ví dụ như cấu trúc dạng ngón
tay kẽm (zinc finger) nằm trong các protein gắn DNA và RNA có cấu trúc 1 xoắn
α và 2 xoắn
β nằm đối song gắn
với nhau bởi ion Zn2+ giống như ngón tay.
Ngoài ra còn có các cấu tạo khác như “miền cấu trúc”, “miền chức năng”, … tuy
nhiên do không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài nên không được đề cập ở
đây.
Cấu trúc bậc 4: Protein kết
hợp đa phân và tổ hợp thành đại phân tử
Cấu trúc bậc 4 mô tả số lượng và vị trí tương đối của các tiểu phần trong
protein đa tiểu phần. Các protein đa tiểu phần có thể cấu thành từ nhiều tiểu
phần:
Hình 7.9:
Cấu trúc của insulin.
Đồng nhất hay thuần nhất
(homomeric)
Hình 7.10:
Minh họa protein có tiểu phần đồng nhất.
Hoặc
dị biệt (heteromeric)
Hình 7.11:
Minh họa protein có các tiểu
phần không đồng nhất (hemoglobin)
Thông thường, các tiểu phần riêng biệt không có chức năng trừ khi chúng lắp ráp
thành protein đa tiểu phần. Trong một số trường hợp, protein đa tiểu phần bố trí
tiểu phần kề nhau theo chuỗi phản ứng cần cho một con đường tế bào và chính điều
này làm tăng hiệu quả vận hành của chúng. Cấu trúc bậc cao nhất này của protein
là sự kết hợp các protein thành tổ hợp đại phân tử có kích thước và khối lượng
lớn (trên 1 Mda và 30-300 nm). 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 (hình thành màng tế
bào chất), hoạt động như bộ máy truyền tin, thực hiện hầu hết các quá trình phức
tạp trong quá trình truyền tin nội và ngoại bào, … Ví dụ bộ máy phiên mã có vai
trò tổng hợp RNA thông tin (mRNA) từ khuôn DNA. Bộ máy này chứa RNA polymerase
(protein đa tiểu phần) và ít nhất 50 thành phần khác, bao gồm các yếu tố phiên
mã, protein gắn promoter, helicase, …
Hiệu quả gấp nếp của
protein: Chaperone & Chaperonin
Hình 7.12:
Cấu trúc 3D của Chaperonine
Các chất biến tính (pH,
nhiệt độ,
β-mercaptoethanol …)
có thể phá hủy các tương tác không cộng hóa trị của protein và làm biến tính
protein. Dưới những điều kiện biến tính như vậy, entropy tăng khi quần thể đồng
nhất chứa các phân tử gấp nếp bị mất ổn dịnh và chuyển hóa thành các tập hợp
chứa nhiều phân tử không gấp nếp (hay biến tính). Tập hợp protein biến tính này
sẽ tạo thành rất nhiều protein không có hoạt tính sinh học và thực tế chúng cũng
không tồn tại trong trạng thái tự nhiên (mặc dù theo lý thuyết có tới 8n-1
cấu hình).
Lời giải chính xác cho thực tế trên nằm trong tập hợp protein gọi là chaperone.
Chúng giúp cho protein gấp nếp. Chaperone có vai trò rất quan trọng và có thể
thấy điều này bởi vì chúng được bảo tổn qua tiến hóa. Có 2 họ chaperone thường
thấy:
-
Chaperone phân tử gắn và ổn
định protein chưa gấp nếp hoặc đã phần nào gấp nếp do đó ngăn chặn các protein
này kết tụ và phân hủy.
-
Chaperonin tạo thành hốc
gấp nếp nhỏ. Trong hốc này protein chưa gấp nếp bị cô lập, mang lại thời gian và
môi trường thích hợp để nó gấp nếp chính xác.
Lý do làm nên tầm quan trọng của chaperone là chúng giúp cho protein chưa gấp
nếp không bị kết tụ.
Các protein chưa gấp nếp hoặc mới gấp nếp một phần có khuynh hướng kết tụ thành
khối lớn và thường không hòa tan trong nước, do vậy protein trong những khối này
rất khó tách ra để gấp nếp thành cấu hình chính xác. Sự kết tụ này một phần là
do các mạch nhánh kị nước lộ ra khi chưa kịp vùi vào lõi của protein, những mạch
nhánh kị nước lộ ra trên các phân tử khác nhau sẽ bám vào nhau do hiệu ứng kị
nước, do đó thúc đẩy sự kết tụ. Protein mới tổng hợp có nguy cơ bị kết tụ trước
khi hình thành quá trình gấp nếp. Chaperone phân tử gắn với polypeptide đích
hoặc tách nó khỏi các protein chưa gấp nếp hoặc mới gấp nếp một phần, nhờ đó
ngăn chặn sự kết tụ và mang lại thời gian để protein mới sinh gấp nếp chính xác.
Chaperone phân tử. Chaperone phân tử gồm protein sốc nhiệt (Hsp: heat-shock
protein). Hsp70 và các thể tương đồng của nó (Hsp70 trong tương bào và chất nền
ti thể, BiP trong lưới nội chất, DnaK của vi khuẩn). Chúng được xác định lần đầu
tiên bởi sự xuất hiện nhanh chóng sau khi tế bào chịu sốc nhiệt. Hsp70 và các
thể tương đồng của nó là những chaperone quan trọng trong mọi sinh vật. Khi gắn
với ATP, các protein dạng Hsp70 có cấu hình mở, với các hốc kị nước lộ ra và gắn
tạm thời với vùng kị nước của protein đích chưa gấp nếp. ATP bị thủy phân làm
chaperone phân tử đóng lại và thúc đẩy protein đích gấp nếp trong đó một phần do
ngăn các protein không gấp nếp kết tụ. ATP chuyển hóa thành ADP làm biến đổi cấu
hình chaperone và giải phóng protein đích. Chu trình này được đẩy nhanh hơn bởi
protein gọi là đồng chaperone Hsp40 ở sinh vật nhân chuẩn. Những đồng chaperone
này tăng hiệu quả gấp nếp do Hsp70 trung gian của nhiều protein bằng cách kích
thích thủy phân ATP nhờ Hsp70/DnaK. Nhiều chaperone phân tử được coi là gắn với
mọi chuỗi polypeptide mới sinh khi chúng đang tổng hợp từ ribosome.
Chaperonin. Để gấp nếp chính xác, rất nhiều protein mới tổng hợp cũng cần
chaperonin phụ trợ. Tổ hợp đại phân tử hình trụ lớn này cấu thành từ hai vòng
oligomer. Hai vòng này có cấu hình chặt (tight) gắn peptide và cấu hình lỏng lẻo
để giải phóng peptide. Mỗi vòng chaperronin TriC của sinh vật nhân chuẩn chứa 8
tiểu phần. Cơ chế gấp nhờ GroEL được hiểu kĩ hơn thông qua TriC và trở thành mô
hình chung. Polypeptide gấp nếp một phần hoặc mất nếp gấp gắn vào khoang của
GroEL dạng thùng, nơi nó gắn với thành trong và gấp thành cấu hình tự nhiên.
Trong một bước phụ thuộc ATP, GroEL biến đổi hình dạng và giải phóng protein đã
gấp nếp. Một protein gọi là đồng chaperonin (GroES) trợ giúp cho quá trình này.
ATP và GroEL ở trạng thái chặt làm hốc của nó mở rộng gấp hai lần, chuyển dịch
cân bằng sang trạng thái lỏng và giải phóng peptide. Chú ý rằng thiết kế thùng
có nắp của GroEL/GroES rất giống với cấu trúc proteasome 26S (tham gia phân hủy
protein).
Hình 7.13: Protein gấp nếp
nhờ Chaperonin.
Sự gắp nếp chính xác của một số protein phụ thuộc vào các chaperonin như GroEL
của sinh vật nhân sơ. GroEL là một phức hệ dạng thùng rỗng cấu thành từ 14 tiểu
phần đồng nhất, trọng lượng phân tử khoảng 60000MW, tổ chức thành hai vòng chồng
lên nhau. Khi không gắn ATP hoặc gắn ADP, GroEL mang cấu hình đóng chặt và gắn
với protein không gấp nếp hoặc gấp nếp một phần. ATP gắn vào làm GroEL mở ra,
giải phóng protein đã gấp nếp.
Điều hòa chức năng protein:
Phân hủy protein
Hầu hết các quá trình trong tế bào xảy ra với tốc độ không đổi và có sự tương
tác với nhau chặt chẽ để tạo ra hiểu quả tổ chức tối đa cho sự sống.
Có 3 cơ chế điều hòa hoạt tính protein, đóng vai trò không thể thiếu trong sự
sống và sự phối hợp hoạt động của protein:
-
Tế bào tăng hoạt giảm mức
protein tại trạng thái ổn định bằng cách thay đổi tốc độ tổng hợp, tốc độ phân
hủy hoặc cả hai yếu tố đó.
-
Tế bào biến đổi hoạt tính
nội tại của protein (ví dụ thay đổi ái lực gắn kết cơ chất, thời gian bất
hoạt/hoạt hóa, …)
-
Thay đổi vị trí hoặc nồng
độ của protein trong tế bào hoặc thay đổi một số phân tử khác cần cho hoạt tính
của protein.
Điều hòa quá trình tổng hợp và phân hủy protein là tính chất cơ bản của tế bào:
-
Kiểm soát tổng hợp protein:
Tốc độ tổng hợp protein được quyết định bởi tốc độ chuyển DNA mã hóa cho protein
thành mRNA qua quá trình phiên mã cũng như lượng mRNA hoạt động trong tế bào ở
trạng thái ổn định và tốc độ chuyển mRNA thành protein thông qua quá trình dịch
mã.
-
Kiểm soát phân hủy protein:
Protein nội bào có thời gian tồn tại khác nhau, có thể tính bằng phút hoặc suốt
đời. Thời gian tồn tại của protein được quá trình điều hòa phân hủy protein kiểm
soát.
Hình 7.14: Phân hủy protein
nhờ ubiquitin và proteasome.(a)
Sau khi polyubiquitin hóa, các protein bị phân hủy trong proteasome. Enzyme E1
hoạt hóa khi gắn với một phân tử Ubiquitin (Ub) (bước 1). Sau đó E1 chuyển phân
tử Ub này tới gốc Cystein của E2 (bước 2). Ubiquitin ligase (E3) truyền phân tử
Ub gắn E2 tới -NH2 trong nhóm R của lysine thuộc protein đích (bước
3). Các bước 1 và 3 lặp lại dẫn đến nhiều phân tử Ub gắn với protein đích, tạo
thành chuỗi polyubiquitin (bước 4). Vùng mũ của proteasome nhận biết protein
đích đã gắn với chuỗi polyubiquitin và sử dụng năng lượng thủy phân ATP để loại
bỏ các nhóm Ub, khử gấp nếp rồi chuyển protein mất nếp gấp tới buồng phân hủy
protein nằm trong lõi. Tại đây, protein bị cắt vụn thành các đoạn peptide nhỏ và
giải phóng ra ngoài (bước 5). (b) Hình ảnh kiến tạo bằng máy tính cho thấy
proteasome có hình trụ chứa mũ 19S (màu xanh da trời) tại mỗi đầu của vùng lõi
20S.
Có 2 nguyên lý quan trọng đặc biệt trong phân hủy protein:
-
Thứ nhất là quá trình phân
hủy các protein có độc tính, gấp nếp hoặc lắp ráp sai hay bị hư hại (sản phẩm
đột biến gene, …). Theo ước tính, có 30% protein mới tổng hợp đã nhanh chóng bị
phân hủy do gấp nếp sai hoặc tạo thành một tập hợp có sai phạm trong cấu trúc, …
-
Thứ hai là quá trình phân
hủy protein có kiểm soát là cơ chế rất hữu hiệu để duy trì nồng độ và hoạt tính
phụ hợp của các protein, và cho phép thay đổi một cách nhanh chóng hàm lượng của
chúng khi tế bào đáp ứng với các điều kiện nội sinh hay ngoại sinh thay đổi.
Cơ chế tác động của
Proteasome và hệ thống Ubiquitin:
Hình 7.15:
Cơ chế hoạt động của hệ thống proteasome/ubiquitin. Xem kĩ hơn ở phần nội dung
Proteasome là một đại phân tử protein có khối lượng 2-2,4 x 106 Da.
Chúng có dạng hình trụ với lõi xúc tác dạng thùng rỗng (proteasome 20S). Một
hoặc hai vùng mũ gắn với hai đầu của phần lõi này giúp điều hòa hoạt tính của
proteasome. Protein này rất quan trọng, do vậy có tới 40% năng lượng tế bào dùng
để tổng hợp ra nó.
Dạng proteasome 20S có cấu trúc: Cao khoảng 14,8 nm, đường kính 11,3 n và chứa
vùng mũ điều hòa có kích thước 19S ở hai đầu. Có một số loại phức hợp mũ điều
hòa khác nhau. Mũ 19S có 16-18 tiểu phần protein, 6 trong số đó để thủy phân ATP
(chúng có bản chất là ATPase) để cung cấp năng lượng cho quá trình làm protein
cơ chất mất gấp nếp và chuyển có chọn lọc chúng đến buồng trong của proteasome.
Lõi xúc tác của proteasome gồm hai vòng trong và hai vòng ngoài. Hai vòng trong
có 6 vị trí xúc tác quay vào buồng trong có đường kính khoảng 1,7 nm). Những
trung tâm hoạt động này có vai trò phân hủy protein. Hai vòng ngoài đóng vai trò
kiểm soát mức truy cập của cơ chất. Proteasome có thể phân hủy hoàn toàn hầu hết
mọi protein vì chúng có các trung tâm hoạt động với khả năng phân cắt ngay sau
các gốc kị nước (vốn tiêu tốn nhiều năng lượng), các gốc acid và base. Cơ chất
là polypeptide phải đi vào buồng theo khe hở được điều hòa ở trung tâm các vòng
ngoài. Trong proteasome 26S, mức mở khe do ATPase trong vùng mũ 19S kiểm soát.
Các sản phẩm peptide ngắn sau khi bị phân hủy dài khoảng 2-24 amino acid thoát
khỏi buồng và nhanh chóng bị thủy phân tiếp bởi các peptidase trong bào tương,
cuối cùng chúng hình thành nên từng mono amino acid (Người ta có thể ứng dụng
chất kiểm hãm chức năng của proteasome để chữa ung thư).
Ubiquitin có chức năng đánh dấu protein trong bào tương cho quá trình phân hủy
trong proteasome. Do đó, proteasome có thể “phân biệt” được giữa protein cần
phân hủy và protein không.
Ubiquitin là một polypeptide dài 76 amino acid, nó là một hệ cảm biến phức tạp
quyết định protein nào sẽ bị phân hủy và sau đó sẽ xảy ra quá trình gắn nhiều
phân tử ubiquitin vào phân tử protein đích. Phần mũ điều hòa 19S của proteasome
26S sau đó nhận biết protein đã gắn ubiquitin và khử gấp nếp cũng như đưa nó vào
phân hủy trong proteasome.
Cơ chế ubiquitin hóa gồm 3 bước như sau:
1.
Kích hoạt enzyme hoạt hóa
ubiquitin (E1) khi phân tử gắn ubiquitin. Giai đoạn này cần tiêu tốn ATP.
2.
Truyền phân tử ubiquitin
này tới gốc cysteine của enzyme liên hợp ubiquitin (E2)
3.
Hình thành liên kết peptide
giữa đầu C của ubiquitine gắn trên E2 và amino acid trong nhóm R của lysine ở
protein đích. Phản ứng này được xúc tác bởi enzyme ubiquitin-protein ligase
(E3). Các phản ứng sau đó gắn cộng hóa trị thêm nhiều ubiquitin vào mạch nhánh
của lysine trong ubiquitin đã gắn vào trước đó để tạo ra một chuỗi polimer
ubiquitin mạch thẳng.
Quá trình phân hủy này có tính đặc hiệu bởi vì cơ chất của E3 ligase là yếu tố
quyết định protein nào sẽ gắn với ubiquitin. Có tới hàng trăm loại E3 ligase của
tế bào đảm nhận việc polyubiquitin hóa các protein khác nhau. Ngoài ra, phản ứng
còn có thể bị đảo ngược bởi một số enzyme khử ubiquitine.
Ngoài chức năng phân hủy protein đích, việc đánh dấu ubiquitin còn có các chức
năng khác như:
-
Gắn cộng hóa trị một phân
tử ubiquitin vào lysine trên protein đích.
-
Gắn một ubiquitin vào nhiều
nơi.
-
Ubiquitin liên kết với đầu
N của protein đích
-
Polyubiquitin hóa theo liên
kết của ubiquitin với gốc lysine khác thay vì Lysine 48.
Các tác động trên ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển protein trong tế bào (ẩm
bào), kiểm soát sửa chữa DNA và điều hòa quá trình phiên mã, …
Kiểm soát hoạt tính của
protein dựa vào khả năng gắn cộng hóa trị của Calcium và GTP vào protein: Công
tắc dị lập thể
Công tắc/khóa Ca2+/Calmodulin
Hình 7.16: Calmodulin biến
đổi hình dạng khi gắn với Ca2+.
Calmodulin là protein phân
bố rộng rãi trong bào tương, chứa bốn vùng gắn với ion calcium trên mỗi tay EF.
Tay EF là motif xoắn-vòng-xoắn. Khi nồng độ Ca2+ tương bào vào khoảng
5 x 10-7 M, Ca2+ gắn vào làm biến đổi calmodulin từ dạng
không gắn quả tạ (a) thành cấu hình với các nhóm R kị nước lộ ra ngoài dung môi
nhiều hơn. Phức hệ Ca2+/calmodulin này có thể cuốn quanh chuỗi xoắn
của các protein đích khác nhau (b) và làm thay đổi hoạt tính của chúng.
Các protein vận chuyển đặc biệt trên màng tế bào thường duy trì nồng độ Ca2+
tự do trong bào tương rất thấp (một phần mười triệu M). Chúng liên tục bơm Ca2+
ra khỏi tế bào. Tuy nhiên, nồng độ Ca2+ trong bào tương sẽ có thể
tăng từ 10 đến 100 lần khi các kênh dẫn ion Ca2+ trong màng tế bào mở
ra và cho phép Ca2+ chảy ngược từ ngoài vào trong tế bào. Các protein
gắn Ca2+ đặc biệt cảm thụ sự tăng nồng độ Ca2+ ngoại bào
đối với hoạt tính của tế bào bằng cách “bật” hoặc “tắt” các protein khác. Năm
1883, S.Ringer đã chứng minh được sự quan trọng của Ca2+ ngoại bào
khi ông phát hiện tim chuột sẽ đập hoàn hảo khi nhúng trong dung dịch NaCl pha
loãng bằng nước cứng giàu Ca2+ nhưng sẽ đập rất yếu và ngừng đập nếu
dung dịch chỉ có NaCl mà thôi. Có nhiều protein gắn Ca2+ chứa motif
dạng xoắn – vòng – xoắn/tay EF. Protein tay EF điển hình là Calmodulin – nằm
trong mọi tế bào nhân chuẩn và có thể tồn tại ở dạng protein đa tiểu phần. Khi
Ca2+ gắn vào calmodulin (4 vùng gắn) thì tạo thành phức hệ Ca2+/calmodulin
gắn vào trình tự bảo tồn của nhiều loại protein đích và do đó bật hoặc tắt hoạt
tính của những proteiin này. Ghi nhận những điều trên, ta thấy rằng calmodulin
và các protein tay EF tương tự có chức năng như những protein công tắc, phối hợp
nhịp nhàng với biến thiên nồng độ Ca2+ để điều khiển hoạt tính của
các protein khác.
Guanine nucleotide
Hình 7.17: Công tắc GTPase.
GTPase có hoạt
tính khi gắn với GTP. GTP bị thủy phân làm bất hoạt enzyme này. Quá trình được
thúc đẩy bởi GAP (protein trợ giúp GTPase) và GRS (yếu tố điều hòa quá trình
truyền tín hiệu protein G); bị kiềm hãm bởi GDI (yếu tố kìm hãm quá trình phân
ly Guanine nucleotide). GEF (yếu tố trao đổi Guanine nucleotide) chuyển hóa GDP
thành GTP do đó tái hoạt hóa Enzyme.
Siêu họ GTPase cũng là một
công tắc. Enzyme GTPase với khả năng thủy phân GTP thành GDP, chúng chứa protein
Ras đơn phân và tiểu phần Gα
của protein G tam phân. Ras và Gα
có thể gắn với tế bào chất, có chức năng truyền tín hiệu và đóng vai trò quan
trọng trong quá trình tăng sinh cũng như biệt hóa tế bào. Những thành viên khác
thuộc họ này thì lại có chức năng tổng hợp protein, vận chuyển protein giữa nhân
và bào tương, tạo các túi lysosome và dung hợp chúng với màng tế bào tương tác
đặc hiệu, tái sắp xếp tế bào actin. Chaperone Hsp70 là một ví dụ điển hình về
công tắc ATP/ADP, có cơ chế tương tự như công tắc GTP/GDP.
Tất cả các protein công tắc GTPase tồn tại 2 dạng:
-
Hoạt hóa khi gắn với GTP
với khả năng gắn và điều chỉnh hoạt tính của protein đích.
-
Bất hoạt khi gắn GDP tạo ra
từ sự thủy phân GTP.
Tốc độ hoạt tính của công tắc GTPase quyết định thời gian nó tồn tại ở dạng hoạt
hóa. Do đó hoạt tính của GTP đóng vai trò như đồng hồ hẹn giờ để điều khiển công
tắc này. Tế bào chứa nhiều loại protein với khả năng điều
tiết tốc độ nội tại của hoạt tính GTPase trong một công tắc GTPase nhất định.
Phản ứng Phosphoryl hóa và
khử Phosphoryl hóa
Hình 7.18: Điều hòa hoạt
tính của protein qua công tắc Kinase/phosphatase.
Chu trình phosphoryl hóa và
khử phosphoryl hóa protein là cơ chế chung giúp điều hòa hoạt tính protein của
tế bào. Trong ví dụ này, protein đích (R) có hoạt tính (phía trên) khi bị khử
phosphoryl hóa và bất hoạt (phía dưới) khi bị khử phosphoryl hóa. Lưu ý rằng đa
số protein đáp ứng ngược lại với quá trình tương tác của sự phosphoryl hóa này.
Proten kinase xúc tác phản ứng phosphoryl hóa còn phosphatase có vài trò ngược
lại. Do tác động trái ngược nhau này của hai loại enzyme trên nên nó đã hình
thành một công tắc “bật” và “tắt” nhiều loại protein khác nhau. Nhiều loại
protein kinase và phosphatase đặc hiệu cho các protein đích khác nhau và do đó
có thể điều hòa nhiều con đường khác nhau.
Phân cắt protein
Đây là quá trình mang tính chất không thuận nghịch. Ví dụ như nhiều loại protein
(ví dụ như insulin) được tổng hợp ở trạng thái tiền chất trước rồi khi ra khỏi
tế bào, một số liên kết peptide của chúng cần bị thủy phân để tạo thành một
peptide gấp nếp chính xác. Trong một số trường hợp, polypeptide dài là tiền thân
của tiền hormone (pprohormone) có thể bị cắt thành các loại hormone có hoạt
tính. Để không bị phân hủy sai protein trước khi đến ruột non, protease serine
trong tụy được tổng hợp thành dạng zymogen (tiền enzyme) không có hoạt tính. Lên
kết peptide gần đầu N của trypsinogen bị phân cắt tạo ra một gốc đầu N mới là
Ile-16. Nhóm amino acid của Ile-16 này có thể tạo liên kết ion với nhóm carboxyl
trên nhóm R của acid aspartic nằm trong enzyme. Điều này thay đổi cấu hình của
enzyme thành trạng thái hoạt hóa với vùng gắn cơ chất mở ra. Trypsin đã kích
hoạt sau đó có thể hoạt hóa trypsinogen, chymotrypsinogen và các tiền enzyme
khác. Tương tự nhưng phức tạp hơn nhiều là tầng protease (một protease kích hoạt
tiền chất đang bất hoạt của protease khác) có thể khuếch đại tín hiệu ban đầu và
đóng vai trò quan trọng đối với một số hệ thống như hệ thống đông máu chẳng hạn.
Việc điều hòa cẩn thận các hệ thống như vậy rõ ràng là rất quan trọng do máu
đông không thích hợp có thể làm tắc hệ thống tuần hoàn gây tử vong hoặc nếu
không đủ có thể gây chảy máu không ngừng, …
Một loạt sự ly giải protein hiếm và đáng chú ý được gọi là tự cắt protein, xảy
ra ở một số sinh vật nhân chuẩn và đa số vi khuẩn. Cơ chế tương đối đơn giản và
các tính chất như sau:
-
Một phân đoạn ở giữa
polypeptide bị loại bỏ và hai đầu chuỗi sẽ nối lại.
-
Quá trình này là quá trình
tự xúc tác, không cần enzyme.
-
Peptide bị cắt tự tách khỏi
protein theo cơ chế tương tự cơ chế ly giải của một số phân tử RNA khác.
Điều nhớ là sự tự phân cắt phân tử Hedgehog – một phân tử truyền tín hiệu gắn
trên màng rất quan trọng đối với một số quá trình phát triển. Chúng ta sẽ tìm
hiểu phần này kĩ hơn ở các chương sau.
Sửa lần cuối ngày 31/1/2013
–
www.docsachysinh.com
tri thức khoa học!
Diễn
đàn Đọc sách Y Sinh
--- Bài cũ hơn ---
Sơ Đồ Hệ Thống Mạng Lan Trong Công Ty
Network Topology (Tự Động Vẽ Sơ Đồ Mạng)
Xây Dựng Hệ Thống Mạng Doanh Nghiệp Thực Tế (Phần 1)
Tổng Quan Về Hệ Thống Mạng, Phân Loại Hệ Thống Mạng
Cấu Trúc Và Chức Năng Của Hệ Thống Mạng