intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận án tiến sĩ Vật lí: Vai trò của trình tự amino acid kỵ nước và phân cực đối với cơ chế cuốn protein và sự kết tụ của peptide

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST
Báo xấu
49
lượt xem 3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được chia làm 5 chương được trình bày như sau: giới thiệu tổng quan về vấn đề cuốn protein; giới thiệu tổng quan về hiện tượng kết tụ protein và sự hình thành amyloid; đề cập đến các mô hình, phương pháp mô phỏng và phương pháp xử lý số liệu; trình bày kết quả nghiên cứu về vai trò của trình tự HP đối với cơ chế cuốn protein; trình bày kết quả nghiên cứu vai trò của trình tự HP đối với sự kết tụ của peptide.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Vật lí: Vai trò của trình tự amino acid kỵ nước và phân cực đối với cơ chế cuốn protein và sự kết tụ của peptide

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀM LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ——————— NGUYỄN BÁ HƯNG VAI TRÒ CỦA TRÌNH TỰ AMINO ACID KỴ NƯỚC VÀ PHÂN CỰC ĐỐI VỚI CƠ CHẾ CUỐN PROTEIN VÀ SỰ KẾT TỤ CỦA PEPTIDE LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI − 2018
  2. VIỆN HÀM LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ .........***......... NGUYỄN BÁ HƯNG VAI TRÒ CỦA TRÌNH TỰ AMINO ACID KỴ NƯỚC VÀ PHÂN CỰC ĐỐI VỚI CƠ CHẾ CUỐN PROTEIN VÀ SỰ KẾT TỤ CỦA PEPTIDE Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số chuyên ngành: 9 44 01 03 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trịnh Xuân Hoàng HÀ NỘI − 2018
  3. Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS. TS. Trịnh Xuân Hoàng đã hướng dẫn tôi học tập nghiên cứu trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và giúp tôi hoàn thành luận án này. Xin cám ơn TS. Lê Duy Mạnh, NCS. Bùi Phương Thúy trong nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ và có nhiều ý kiến đóng góp trong quá trình làm luận án của tôi. Tôi xin chân thành cám ơn Học viện Quân Y nơi tôi đang công tác đã có nhiều hỗ trợ và động viên tôi trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Xin cảm ơn Viện Vật lý và Học viện Khoa học và Công nghệ là cơ sở đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh và bảo vệ luận án. Tôi cũng cám ơn các đồng nghiệp tại Bộ môn Vật lý - Lý sinh nơi tôi công tác đã có nhiều giúp đỡ, chia sẻ trong công việc khi tôi đi làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tôi xin dành sự biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn động viên, ủng hộ và hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể yên tâm nghiên cứu và bảo vệ thành công luận án này. i
  4. Lời cam đoan Luận án này là kết quả bản thân tôi đã thực hiện trong thời gian làm nghiên cứu sinh tại viện vật lý. Cụ thể, chương 1 là phần tổng quan giới thiệu những kiến thức cơ sở về protein và vấn đề cuốn protein. Chương 2 là phần tổng quan giới thiệu về hiện tượng kết tụ protein và sự hình thành amyloid. Chương 3 mô tả các mô hình và các phương pháp mô phỏng. Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu mà tôi đã thực hiện cùng thầy hướng dẫn là PGS. TS. Trịnh Xuân Hoàng. Chương 5 trình bày kết quả nghiên cứu mà tôi thực hiện cùng PGS. TS. Trịnh Xuân Hoàng và TS. Lê Duy Mạnh. Cuối cùng tôi xin cam đoan và khẳng định, đây là các nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trong luận án “Vai trò của trình tự amino acid kỵ nước và phân cực đối với cơ chế cuốn protein và sự kết tụ của peptide” là các kết quả mới, không trùng lặp với bất kỳ luận án hay công trình nào đã được công bố. Tác giả luận án ii
  5. Mục lục Lời cảm ơn i Lời cam đoan ii Mục lục iv Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt v Danh mục các bảng vi Danh mục các hình vẽ, đồ thị xiv Mở đầu 1 1 Sự cuốn của protein 8 1.1 Các đặc trưng cấu trúc của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Hiện tượng cuốn protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Nghịch lý Levinthal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 Phễu cuốn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5 Nguyên lý thất vọng tối thiểu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6 Mô hình hai trạng thái cho cơ chế cuốn protein . . . . . . . . . . 14 1.7 Tính hợp tác của quá trình cuốn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.8 Tương tác kỵ nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.9 Mô hình HP mạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.10Mô hình Go . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.11Mô hình ống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.12Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2 Sự hình thành amyloid 27 2.1 Cấu trúc sợi amyloid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2 Cơ chế hình thành sợi amyloid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Các mô hình và phương pháp mô phỏng 37 3.1 Mô hình ống HP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1 Tính chất tự tránh dạng ống . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 Thế năng bẻ cong . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.3 Hệ tọa độ Frenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 iii
  6. Mục lục 3.1.4 Liên kết hydro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.1.5 Tương tác kỵ nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 Mô hình ống Go . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Mô hình ống với tính định hướng của các chuỗi bên . . . . . . . . 43 3.4 Các thông số cấu trúc protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.1 Thuật toán Metropolis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.5.2 Các phép dịch chuyển Monte Carlo cho protein . . . . . . . 48 3.6 Phương pháp điều nhiệt song song . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7 Phương pháp phân tích đa biểu đồ có trọng số . . . . . . . . . . . 51 3.8 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4 Vai trò của trình tự amino acid kỵ nước và phân cực đối với cơ chế cuốn của protein 55 4.1 Nhiệt động lực học cuốn protein trong mô hình ống HP . . . . . . 55 4.2 Nhiệt động lực học cuốn protein trong mô hình ống Go . . . . . . 61 4.3 Chuyển pha cuốn trong mô hình ống HP và mô hình ống Go . . . 62 4.4 Ảnh hưởng cường độ tương tác kỵ nước lên tính chất cuốn . . . . 70 4.5 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Vai trò của trình tự amino acid kỵ nước và phân cực đối với sự kết tụ của peptide 75 5.1 Sự phụ thuộc của các cấu trúc kết tụ vào trình tự HP . . . . . . . 76 5.2 Nhiệt động lực học của quá trình kết tụ . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3 Động học của quá trình hình thành sợi . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.4 Sự kết tụ của hệ peptide hỗn hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.5 Thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.6 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Kết luận 94 Danh mục công trình của tác giả 96 Tài liệu tham khảo 97 iv
  7. Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt a.a. Amino acid ADN Deoxyribonucleic acid ARN Ribonucleic acid AFM Hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy) AD Bệnh Alzheimer (Alzheimer Disease) HP Kỵ nước và phân cực (hydrophobic and polar) MC Monte Carlo NMR Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance PDB Ngân hàng dữ liệu protein (Protein Data Bank) rmsd Độ dịch chuyển căn quân phương (root mean square deviation) v
  8. Danh mục các bảng Bảng 5.1 Trình tự amino acid kỵ nước (H) và phân cực (P) của các peptide được xét trong nghiên cứu về sự kết tụ. Các trình tự trong bảng được ký hiệu từ S1 tới S12. Tham số s ký hiệu khoảng cách gần nhất giữa hai amino acid H liên tiếp nhau trong chuỗi. . . . 76 vi
  9. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Hình vẽ minh họa a) cấu trúc hóa học của amino acid (trừ proline), b) cấu trúc hóa học của proline (Pro) và c) chuỗi polypep- tide với các amino acid liên kết với nhau bởi các liên kết peptide. Mỗi amino acid gồm một nguyên tử carbon trung tâm Cα liên kết với một nhóm amine (-NH2 ), một nhóm carboxyl (-COOH), một nguyên tử H và một chuỗi bên R. Trong amino acid proline, chuỗi bên R liên kết hóa trị với nguyên tử C trong nhóm carboxyl. Các amino acid trong protein khác nhau bởi chuỗi bên R. . . . . . . . 9 Hình 1.2 Cấu trúc trạng thái cuốn của vùng B1 của protein G (a–c) và của protein A (d–f). Các cấu trúc protein được biểu diễn ở dạng gồm tất cả các nguyên tử (all-atom) (a,d), dạng dải (ribbon) (b,e) và dạng mạch xương sống (backbone) (c,f).[Pleaseinsertintopreamble] Trong biểu diễn dạng dải, các xoắn α được tô màu đỏ và các phiến β được tô màu vàng. Trong biểu diễn mạch xương sống, các amino acid khác nhau được phân biệt bằng các màu khác nhau. Các dữ liệu cấu trúc được lấy từ ngân hàng dữ liệu protein (PDB) với mã PDB 1pga cho vùng B1 của protein G và 2spz cho protein A. . . . 10 Hình 1.3 Địa hình năng lượng dạng sân gôn ứng với quá trình cuốn trong nghịch lý Levithal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Hình 1.4 Phễu cuốn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Hình 1.5 Sơ đồ năng lượng tự do trong mô hình hai trạng thái. D và N lần lượt là trạng thái duỗi và trạng thái cuốn. Trạng thái chuyển tiếp (TS) là trạng thái có năng lượng tự do cao nhất giữa trạng thái duỗi và trạng thái cuốn. ∆FN và ∆FD lần lượt là độ cao của các bờ thế xuất phát từ các trạng thái duỗi và cuốn. . . . . . . . 15 Hình 1.6 Nhiệt động lực học của protein hai trạng thái. (a) Sự phụ thuộc của enthalpy trung bình vào nhiệt độ có dạng chữ S (sigmoidal). (b) Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ có đỉnh tại vùng chuyển pha. (c) Phân bố enthalpy tại nhiệt độ T1 < Tf và T2 > Tf . (d) Phân bố enthalpy tại nhiệt độ T = Tf . Nhiệt độ chuyển pha cuốn duỗi Tf được xác định là nhiệt độ mà nhiệt dung riêng đạt cực đại. Độ lớn của sự thay đổi enthalpy nhiệt, ∆Hcal , và enthalpy van’t Hoff, ∆HvH , được thể hiện một cách gần đúng trên hình vẽ. 17 vii
  10. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.7 Mô hình mạng HP trên không gian hai chiều, các amino acid kỵ nước và phân cực tương ứng có màu xanh và màu đỏ. Cấu hình gói chặt có năng lượng thấp nhất của chuỗi peptide gồm 14 amino acid (a); hai cấu hình gói chặt khác có năng lượng cao hơn ứng với 5 cặp tương tác HH (b,c); Histogram số trạng thái phụ thuộc vào năng lượng chỉ ra chỉ có một trạng thái duy nhất có năng lượng cực tiểu (d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Hình 1.8 (a) Giản đồ pha trạng thái cơ bản của polymer đồng nhất dài 24 hạt trong mô hình ống. eR và eW là các tham số năng lượng bẻ cong và năng lượng tương tác kỵ nước trong mô hình. Pha cận bó chặt bao gồm các vùng được tô màu có trạng thái cơ bản là các cấu trúc tương tự cấu trúc protein. (b) Các cấu trúc trạng thái cơ bản và một số cực tiểu năng lượng trong pha cận bó chặt. (Hình vẽ từ bài báo [21] được sự đồng ý của tác giả cho sử dụng lại). . . . . . 23 Hình 1.9 Hình ảnh đơn giản hóa trong hai chiều của một địa hình năng lượng. (a) Địa hình năng lượng của một polymer đồng nhất trong mô hình polymer thông thường với một thế năng hút thúc đẩy sự bó chặt. Có rất nhiều trạng thái cơ bản gói chặt tối đa với năng lượng xấp xỉ như nhau, phân cách nhau bởi các hàng rào năng lượng lớn. (b) Địa hình năng lượng được tạc hình (presculpted) bởi các yếu tố hình học và đối xứng trong mô hình ống của một chuỗi polymer đồng nhất trong pha cận bó chặt. Số lượng cực tiểu sẽ giảm đáng kể và chiều rộng của các hố thế tăng lên. (c) Địa hình năng lượng dạng phễu của một protein được lựa chọn bởi trình tự amino acid. (Hình vẽ từ bài báo [53] được sự đồng ý của tác giả cho sử dụng lại). 24 Hình 2.1 Hình ảnh mô tả cấu trúc nhiễu xạ thu được từ nhiễu xạ tia X đối với sợi amyloid. Các cực đại nhiễu xạ thu được tại các vị trí ứng với khoảng cách 4.7 ˚A theo phương thẳng đứng và 8–10 ˚ A theo phương ngang. Các khoảng cách này phù hợp với cấu trúc phiến β chéo mô tả ở hình bên phải, trong đó các dải β có phương vuông góc với trục của sợi. Một sợi amyloid có thể gồm nhiều protofibril ghép lại với nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Hình 2.2 Mô hình cấu trúc của các sợi amyloid của bệnh Alzheimer tạo bởi các peptide Abeta (1-42) có mã PDB là 2BEG thu được bằng phương pháp NMR [68]: (a) nhìn theo hướng trục sợi, (b) nhìn theo hướng vuông góc trục sợi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 viii
  11. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 2.3 Sơ đồ mô tả quá trình protein cuốn sai và hình thành các cấu trúc kết tụ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Hình 2.4 Động học của quá trình hình thành amyloid . . . . . . . . . 31 Hình 2.5 Sự phụ thuộc năng lượng tự do vào số đơn phân của cấu trúc kết tụ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Hình 3.1 Minh họa những thế năng được sử dụng trong mô hình ống tinh chỉnh của protein. r, y là các bán kính cong địa phương, không địa phương; z là khoảng cách giữa hai đơn phân a.a; eR và eW tương ứng là năng lượng phạt, năng lượng tương tác kỵ nước (hydophobic) của một liên kết. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Hình 3.2 Minh họa sự tạo thành một liên kết hydro giữa đơn phân i và j trong mô hình ống cho protein. Mỗi amino acid được xem xét bởi vị trí nguyên tử Cα . Hệ tọa độ Frenet được hình thành bởi ba vector đơn vị: tiếp tuyến t, pháp tuyến n và phó pháp tuyến b. Liên kết hydro được hình thành khi các ràng buộc hình học đối với vector nối cij và các vector binormal bi và bj được thỏa mãn. Trong một liên kết hydro lý tưởng được mô tả trên hình vẽ, những vector này nằm song song với nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Hình 3.3 (a và b) Mô hình mô tả tương tác tiếp xúc giữa hai amino acid với sự định hướng các chuỗi bên. Các chuỗi bên được coi là có hướng ngược lại với hướng của các vector pháp tuyến ni và nj từ các nguyên tử Cα . Hai amino acid được coi là có tương tác nếu chuỗi bên của chúng có hướng không quá xa nhau (a) hoặc không tương tác nếu chuỗi bên hướng xa nhau (b). (c) Phân bố xác suất của tích vô hướng ni ·cij cho các tiếp xúc giữa các chuỗi bên được từ 500 cấu trúc protein trong cơ sở dữ liệu top500. Hai đỉnh của phân bố ứng với các cấu trúc xoắn α và phiến β. Các chuỗi bên được coi là có tiếp xúc nếu giữa chúng tồn tại 2 nguyên tử có khoảng cách nhỏ hơn 1.5 lần tổng bán kính Van der Waals của 2 nguyên tử đó. 44 Hình 3.4 Hai phép dịch chuyển trạng thái cho polymer: a) phép quay trục (crank-shaft move), b) phép quay điểm (pivot move). . . . . 49 Hình 3.5 (a) Hoán đổi replica cho phép xuyên qua rào thế. (b) Sự giao nhau của các biểu đồ trạng thái theo năng lượng tại các nhiệt độ khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 ix
  12. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 4.1 Cấu hình trạng thái có năng lượng thấp nhất của của hai chuỗi HP bao gồm các amino acid kỵ nước (H) và phân cực (P) với chiều dài N = 48 thu được từ mô phỏng trong mô hình ống HP, bao gồm cấu trúc bó ba xoắn α (ký hiệu là 3HB) (a) và cấu trúc tương tự vùng B1 của protein G (ký hiệu là GB1) (b). Các amino acid kỵ nước (H) trong hình vẽ có màu xanh và các amino acid phân cực (P) có màu vàng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Hình 4.2 Sự phụ thuộc của năng lượng trung bình hEi, bán kính hồi chuyển trung bình hRg i, và nhiệt dung riêng C vào nhiệt độ của các protein 3HB (a–c) và GB1 (d–f) trong mô hình ống HP. Các mũi tên chỉ một cách gần đúng vào các nhiệt độ chuyển pha cuốn (folding) và chuyển pha sụp đổ (collapse). . . . . . . . . . . . . . 57 Hình 4.3 Các ví dụ về cấu hình protein tìm thấy ở các nhiệt độ khác nhau ở các pha duỗi (a,d), pha sụp đổ (b,e) và pha cuốn (c,f) cho protein 3HB (a–c) và GB1 (d–f). Các amino acid kỵ nước được tô màu xanh đậm, các amino acid phân cực màu xanh nhạt. Đơn vị của nhiệt độ là /kB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Hình 4.4 Sự phụ thuộc của năng lượng E trung bình, bán kính hồi chuyển Rg trung bình, và nhiệt dung riêng C vào nhiệt độ của các protein 3HB (a–c) và GB1 (d–f) trong mô hình ống Go. . . . . . . 60 Hình 4.5 Quỹ đạo thu được từ một mô phỏng dài 2 × 109 bước MC tại nhiệt đô chuyển pha Tf = 0.296 /kB của protein 3HB trong mô hình ống HP. Các đồ thị trên hình bao gồm năng lượng (a), độ dịch chuyển căn quân phương rmsd (b), và bán kính hồi chuyển Rg (c) phụ thuộc vào số bước mô phỏng MC và các biểu đồ tương ứng đã chuẩn hóa của chúng (d–f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Hình 4.6 Quỹ đạo thu được từ một mô phỏng dài 2 × 109 bước MC tại nhiệt đô chuyển pha Tf = 0.243 /kB của protein GB1 trong mô hình ống HP. Các đồ thị trên hình bao gồm năng lượng (a), độ dịch chuyển căn quân phương rmsd (b), và bán kính hồi chuyển Rg (c) phụ thuộc vào số bước mô phỏng MC và các biểu đồ tương ứng đã chuẩn hóa của chúng (d–f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 x
  13. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 4.7 Quỹ đạo thu được từ một mô phỏng dài 2 × 109 bước MC tại nhiệt đô chuyển pha Tf = 0.345 /kB của protein 3HB trong mô hình ống Go. Các đồ thị trên hình bao gồm năng lượng (a), độ dịch chuyển căn quân phương rmsd (b), và bán kính hồi chuyển Rg (c) phụ thuộc vào số bước mô phỏng MC và các biểu đồ tương ứng đã chuẩn hóa của chúng (d–f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Hình 4.8 Quỹ đạo thu được từ một mô phỏng dài 2 × 109 bước MC tại nhiệt đô chuyển pha Tf = 0.291 /kB của protein GB1 trong mô hình ống Go. Các đồ thị trên hình bao gồm năng lượng (a), độ dịch chuyển căn quân phương rmsd (b), và bán kính hồi chuyển Rg (c) phụ thuộc vào số bước mô phỏng MC và các biểu đồ tương ứng đã chuẩn hóa của chúng (d–f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Hình 4.9 Bề mặt hai chiều của năng lượng tự do hiệu dụng phụ thuộc vào năng lượng E và độ dịch chuyển căn quân phương rmsd tại các nhiệt độ chuyển pha Tf = 0.296 /kB và Tf = 0.345 /kB lần lượt đối với protein 3HB trong mô hình ống HP (a) và mô hình ống Go (b); và Tf = 0.243 /kB và Tf = 0.291 /kB đối với protein GB1 trong mô hình ống HP (c) và mô hình ống Go (d). Giá trị của năng lượng tự do được thể hiện theo bảng màu bên phải với đơn vị là kB T . 69 Hình 4.10Các cấu trúc có năng lượng thấp nhất thu được từ mô phỏng protein 3HB với các cường độ tương tác kỵ nước khác nhau. Trong hình các amino acid H (kỵ nước) có màu xanh đậm, các amino acid P (phân cực) có màu xanh nhạt. Các cấu trúc hiển thị ứng với eHH = −0.2  (a), eHH = −0.21  (b), eHH = −0.3  (c), eHH = −0.5  (d), eHH = −0.7  (e). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Hình 4.11Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ của protein 3HB tại các giá trị cường độ tương tác kỵ nước khác nhau eHH = −0.2 , −0.3 , −0.5  và −0.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Hình 4.12Sự phụ thuộc của năng lượng trung bình hEi (a) và bán kính hồi chuyển trung bình hRg i (b) vào nhiệt độ của protein 3HB tại các giá trị cường độ tương tác kỵ nước khác nhau eHH = −0.19 , −0.2 , −0.21 , −0.3 , −0.5 , −0.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Hình 5.1 Cấu hình trạng thái có năng lượng thấp nhất thu được từ mô phỏng của các hệ có N = 10 chuỗi peptide giống nhau với các trình tự HP từ S1 tới S12 như được nêu trong Bảng 5.1. Các amino acid H và P trong các peptide tương ứng có màu xanh đậm và xanh nhạt. 77 xi
  14. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 5.2 Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ cho các hệ peptide với trình tự S2 và với số peptide M lần lượt là 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 và 10 như được chỉ ra trên hình vẽ. Kích thước hộp mô phỏng L được lựa chọn phụ thuộc vào số peptide M sao cho nồng độ peptide được giữ không đổi ở 1 mM. Các cấu hình peptide trên hình vẽ tương ứng với các trạng thái có năng lượng thấp nhất thu được từ mô phỏng cho các hệ peptide được xét. Mũi tên đánh dấu vị trí của nhiệt độ sinh lý giả định T ∗ . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Hình 5.3 Tương tự như Hình 5.2 nhưng cho các hệ peptide với trình tự S4. Để có thể quan sát rõ, số lượng hệ với M khác nhau được hiển thị ít hơn so với trình tự S2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Hình 5.4 Sự phụ thuộc của giá trị đỉnh nhiệt dung riêng trên một phân tử Cpeak /M (a) và nhiệt độ tương ứng của nó Tpeak (b) vào trình tự của chuỗi đối với hệ M = 10 chuỗi peptide (đường liền nét), M = 6 (đường nét đứt) và M = 1 (đường chấm) peptide. Các trình tự chuỗi được đánh số thứ tự theo Bảng 5.1. Đường nằm ngang trong (b) tương ứng với nhiệt độ sinh lý giả định T ∗ trong mô hình. . . 81 Hình 5.5 Sự phụ thuộc của năng lượng của hệ vào số bước Monte Carlo trong một mô phỏng tại nhiệt độ T = 0.2 /kB . Cấu hình peptide trong hình là trạng thái cân bằng không bền với ba peptide tạo thành một phiến β tiếp xúc với một xoắn α mất trật tự tạo bởi peptide thứ tư. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Hình 5.6 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do, F , vào kích thước của cấu trúc kết tụ lớn nhất, m, của hệ peptide có trình tự S2 với số chuỗi peptide là M = 10 tại ba nhiệt độ khác nhau, T = 0.2, 0.21 và 0.22 /kB như được chú thích trên hình. Năng lượng tự do của trạng thái không kết tụ, ứng với m = 1, được sử dụng như một giá trị tham chiếu. Các đồ thị trên hình vẽ cho thấy một hàng rào năng lượng tự do với cực đại tại vị trí m = 3. . . . . . . . . . . . . . . 83 xii
  15. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 5.7 Động học của quá trình kết tụ đối với hệ peptide có trình tự S2 với kích thước hệ M = 20 peptide tại nồng độ 1 mM và nhiệt độ T = 0.2 /kB . (a) Sự phụ thuộc của năng lượng, E, vào thời gian, t, được đo bằng số bước MC cho ba quỹ đạo khác nhau. (b) Sự phụ thuộc của kích thước của kết cụm lớn nhất m cho ba quỹ đạo được chỉ ra trong hình (a). Các mũi tên trong mỗi quỹ đạo chỉ ra thời điểm tạo nhân. (c) Biểu đồ kích thước kết cụm thu được từ số peptide thu được sau thời gian mô phỏng dài t = 1.5 × 109 bước MC. (d) Hình ảnh của một cấu hình peptide tại thời điểm tạo nhân. (e) Cấu hình của cụm tạo nhân được hình thành bởi ba peptide từ cấu hình chỉ ra trong hình (d). (f) Cấu hình cấu trúc sợi có dạng kéo dài tạo thành bởi 20 peptide thu được từ mô phỏng. 86 Hình 5.8 Sự phụ thuộc của số peptide trung bình tham gia phiến β, hnβ i, vào thời gian cho quá trình kết tụ của hệ M = 20 peptide với trình tự S2. Hệ được khảo sát tại các nhiệt độ T = 0.2 /kB (a,b) và 0.21 /kB (c,d) tại vài nồng độ khác nhau: c = 1 mM (các điểm hình vuông), 0.5 mM (các điểm hình tròn) và 0.25 mM (các điểm hình tam giác) như chú thích trên hình. Đối với mỗi nồng độ nβ được lấy trung bình từ 100 quỹ đạo mô phỏng độc lập. Các hình bên phải (b và d) tương ứng được vẽ với cùng số liệu như các hình bên trái (a và c) nhưng trong thang log-log. Các điểm dữ liệu được khớp với hàm hồi phục M (1 − e−t/t0 ) (đường liền nét) với t0 = 570 × 106 cho c = 1 mM trong hình (a) và t0 = 1850 × 106 cho c = 0, 5 mM trong hình (a), và t0 = 109 cho c = 1 mM trong hình (c). Các đồ thị trong thang tọa độ log-log chỉ ra rằng sự phát triển của nβ trong thời gian ngắn ban đầu tuân theo quy luật hàm lũy thừa, hnβ i ∝ tα , với α = 1 trong hình (b) và α = 1.25 trong hình (d) cho cả hai nồng độ 1 mM và 0.5 mM. . . . . . . . . . . . . . 87 xiii
  16. Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 5.9 (a) Hình ảnh cấu hình peptide thu được từ mô phỏng đối với hệ hỗn hợp 10 chuỗi peptide có trình tự S2 và 10 chuỗi có trình tự S4 tại nồng độ c = 1 mM và nhiệt độ T = 0.2 /kB . Các đơn phân H có màu xanh đậm. Các đơn phân P có màu xanh nhạt và màu hồng tương ứng với các chuỗi có trình tự S2 và S4. (b) Hình ảnh nhìn từ trên xuống đã được phóng to đối với cấu trúc kết tụ trong hình a. Chú ý rằng sáu chuỗi S4 có mặt trong kết cụm và 5 trong số chúng tồn tại ở cấu hình phiến β. (c) Sự phụ thuộc số peptide trung bình trong cấu hình phiến β, hnβ i, vào thời gian thu được từ 100 mô phỏng độc lập cho các peptide ở cả hai trình tự (các điểm hình vuông) và chỉ với trình tự S4 (các điểm hình tròn). Dữ liệu được khớp với hàm hồi phục dạng mũ đã được nêu ở Hình 5.8 cho trường hợp cả hai trình tự với t0 = 832 × 106 (đường liền nét). . 88 xiv
  17. Mở đầu Trong khoảng 20 năm trở lại đây, nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực lý sinh phân tử đã trở thành một hướng nghiên cứu phát triển mạnh trên thế giới. Đối tượng nghiên cứu của lý sinh phân tử là các hệ sinh học với kích thước từ vài tới vài chục nanomét như các protein, ADN, ARN, màng lipid và các phức hệ bên trong tế bào. Các hệ phân tử sinh học này hiện nay có thể được nghiên cứu bằng nhiều phương pháp thực nghiệm tiên tiến như cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), tán xạ tia X, kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), đánh dấu phân tử và huỳnh quang phổ v.v., cho phép thu được các thông tin về cấu trúc và các tính chất động lực học của chúng. Bên cạnh đó, các phương pháp lý thuyết, tính toán và mô phỏng máy tính là các công cụ rất quan trọng giúp tìm hiểu rõ hơn các nguyên lý và các cơ chế vi mô liên quan tới các phân tử sinh học. Ngoài ra, mô phỏng máy tính có thể đưa ra các tiên đoán cho thực nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu. Trong các vấn đề của sinh học phân tử, vấn đề cuốn của protein luôn có được sự quan tâm hàng đầu. Điều này trước tiên bởi vì protein đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với sự sống [1]. Protein tham gia vào tất cả các hoạt động của cơ thể sống. Chúng thực hiện các chức năng như là thành phần cấu trúc của tế bào, xúc tác các phản ứng hóa học (các enzyme), điều hòa và kiểm soát các quá trình sinh hóa (các hormon protid, các protein hoạt hóa, ức chế), vận chuyển oxy và các vi chất (hemoglobin, myoglobin, myosin), co cơ và vận động (titin), bảo vệ (các kháng thể, bổ thể, yếu tố đông máu) v.v. Hầu hết các protein chỉ thể hiện hoạt tính sinh học khi chúng nằm ở trạng thái cuốn với cấu trúc 3 chiều bó chặt và duy nhất cho mỗi protein, gọi là trạng thái tự nhiên (native state) hoặc trạng thái cuốn (folded state) của protein. Khi protein bị duỗi hoặc cuốn nhầm, chúng không chỉ mất đi các hoạt tính sinh học vốn có mà còn có thể kết tụ thành các cấu trúc dạng sợi không hòa tan gọi là amyloid [2], được biết là liên quan tới nhiều loại bệnh thoái hóa với tiến triển nghiêm trọng như Alzheimer, Parkinson, tiểu đường tuýp 2, các loại bệnh xốp não, bệnh bò điên v.v. Hầu hết các loại dược phẩm hiện nay được thiết kế nhằm tương tác với một loại protein cụ thể nằm ở trạng thái cuốn. Do vậy, việc xác định cấu trúc cuốn và làm rõ cơ chế cuốn của protein có vai trò to lớn đối với hiểu biết của chúng ta về cơ thể sống cũng như đối với sức khỏe con người. Về mặt hóa học, protein là một chuỗi polymer tuyến tính với các đơn phân 1
  18. Danh mục các hình vẽ, đồ thị (monomer) là các amino acid. Protein trong tự nhiên được tạo thành từ 20 loại amino acid khác nhau. Mỗi phân tử protein được xác định bởi một chuỗi các amino acid với một trình tự xác định. Hiện tượng cuốn của protein được biết đến lần đầu vào những năm 50 của thế kỷ trước từ các thí nghiệm của Anfinsen [3]. Trong các điều kiện sinh lý bình thường như trong một dung môi với nhiệt độ 20-40◦ C, áp suất gần với áp suất khí quyển và pH ở vùng trung tính, protein nằm ổn định ở trạng thái tự nhiên. Khi điều kiện của dung môi thay đổi, protein có thể bị duỗi ra. Tuy nhiên, hầu hết các protein cuốn gần như ngay lập tức, trong khoảng thời gian từ vài phần nghìn giây cho tới vài giây, về trạng thái tự nhiên ban đầu khi các điều kiện sinh lý được hồi phục. Tính thuận nghịch của các quá trình duỗi và cuốn protein đã đưa Anfinsen đến giả thiết rằng cấu trúc 3 chiều của trạng thái tự nhiên được quyết định hoàn toàn bởi trình tự amino acid trong chuỗi protein. Giả thiết này cũng được biết đến với tên gọi là giả thiết nhiệt động học (thermodynamic hypothesis) vì để trạng thái tự nhiên là ổn định và duy nhất, nó phải là trạng thái cực tiểu năng lượng tự do của hệ trong các điều kiện sinh lý bình thường. Với phát hiện của mình, Anfinsen đã được trao giải Nobel hóa học vào năm 1972. Vấn đề cuốn protein về cơ bản được coi là việc dự đoán cấu trúc 3 chiều của phân tử protein khi biết trình tự amino acid của nó. Việc dự đoán này ngầm định phải được thực hiện trên máy tính với các thuật toán xác định. Vấn đề ngược của vấn đề cuốn protein là thiết kế protein: với một cấu trúc 3 chiều cho trước, hãy tìm các trình tự amino acid có thể cuốn về cấu trúc này. Việc thiết kế protein nhằm tạo ra các loại protein mới với các chức năng mong muốn, có thể ứng dụng trong y sinh học. Trải qua hơn 4 thập kỷ, mặc dù các nhà nghiên cứu đã có những thành công nhất định trong việc dự đoán cấu trúc cũng như thiết kế protein [4], cho đến nay vấn đề cuốn protein về cơ bản vẫn chưa được giải quyết. Điều này là do sự phức tạp của phân tử protein và của các tương tác trong phân tử và tương tác của protein với dung môi. Mặc dù protein là hệ mesoscopic với chiều dài khoảng từ vài chục tới vài nghìn amino acid, số lượng các cấu hình khác nhau mà protein có thể có cũng như số lượng các trình tự amino acid khác nhau là các con số vô cùng lớn. Việc dự đoán cấu trúc bằng mô phỏng máy tính luôn gặp hạn chế bởi tốc độ máy tính, đặc biệt trong các mô phỏng với tất cả các nguyên tử. Song song với việc dự đoán cấu trúc protein từ trình tự amino acid, người ta cũng đặt câu hỏi tại sao protein lại có thể cuốn nhanh chóng về trạng thái tự nhiên như vậy. Lập luận của Levinthal vào cuối những năm 1960 cho thấy nếu quá trình cuốn protein là một quá trình tìm kiếm mù lòa (blind search) trong 2
  19. Danh mục các hình vẽ, đồ thị không gian các cấu hình thì thời gian cuốn sẽ dài hơn tuổi của vũ trụ (nghịch lý Levinthal) [5]. Do vậy, Levinthal cho rằng protein phải cuốn theo những lộ trình cuốn (folding pathway) xác định nhằm giảm số cấu hình trung gian phải trải qua. Vào thập niên 1990, Wolynes, Onuchic và Thirumalai đưa ra khái niệm phễu cuốn [6], mô tả cấu trúc không gian cấu hình trong đó số cấu hình (hay entropy) của hệ giảm khi năng lượng giảm. Protein được cho là có địa hình năng lượng dạng phễu. Quá trình cuốn được coi là quá trình ngẫu nhiên có tính chất hồi phục về trạng thái có năng lượng thấp nhất, trong đó việc giảm năng lượng xảy ra đồng thời với việc giảm entropy. Với phễu cuốn, protein không nhất thiết cuốn theo các lộ trình cuốn xác định, nhưng vẫn giảm được phần lớn số cấu hình trung gian phải trải qua. Hầu hết các nghiên cứu hiện nay đều cho các kết quả phù hợp với cách giải thích hiện tượng cuốn protein bằng phễu cuốn, mặc dù vấn đề có tồn tại hay không các lộ trình cuốn xác định vẫn được đặt ra. Hầu hết các protein nhỏ dạng cầu được biết cuốn theo cơ chế hai trạng thái trong các thí nghiệm, với các đặc trưng về động học và cân bằng giống như các phản ứng hóa học đơn giản. Quá trình cuốn của protein giống như một dạng chuyển pha loại một với sự giải phóng ẩn nhiệt (latent heat). Protein được biết có tính hợp tác cuốn (folding cooperativity) [7] cao, thể hiện ở đỉnh nhiệt dung riêng sắc nét tại nhiệt độ chuyển pha cuốn. Nghiên cứu của Kaya và Chan [8] cho thấy mức độ hợp tác cuốn của protein trong thực tế thu được từ các kết quả thực nghiệm cao hơn đáng kể so với các mô hình thường sử dụng trong mô phỏng. Trong các nghiên cứu về cơ chế cuốn của protein, việc tìm hiểu về trạng thái chuyển tiếp (transition state) rất được quan tâm, do đây là trạng thái trung gian quan trọng nhất quyết định tốc độ cuốn của protein. Các nghiên cứu thực nghiệm của Fersht [9] cho thấy protein có thể có nhiều trạng thái chuyển tiếp khác nhau, hay nói cách khác là tồn tại một tập hợp các trạng thái chuyển tiếp. Điều này ủng hộ lý thuyết phễu cuốn vì cho thấy protein có thể có rất nhiều lộ trình cuốn khác nhau. Hiện tượng kết tụ protein và sự hình thành amyloid cũng được nghiên cứu mạnh trong những năm gần đây. Người ta thấy rằng rất nhiều protein, kể các cả các protein không liên quan tới các bệnh tật, và các đoạn protein (peptide), trong các điều kiện thích hợp (thông thường khi protein bị làm duỗi và ở mật độ cao) đều có thể kết tụ thành amyloid. Ngoài ra, các kết tụ amyloid có các đặc trưng cấu trúc rất giống nhau (dạng sợi dài, giàu phiến β) mặc dù trình tự amino acid của các protein hoặc peptide tạo thành chúng là rất khác nhau. Điều này dẫn đến giả thuyết cho rằng amyloid là trạng thái chung của mọi protein, và là trạng thái cơ bản của hệ khi các protein có thể hình thành các tương tác 3
  20. Danh mục các hình vẽ, đồ thị liên phân tử. Như vậy, xu hướng kết tụ và hình thành amyloid luôn tồn tại cho mọi protein, và là một xu hướng cạnh tranh với quá trình cuốn protein. Tuy vậy, các thí nghiệm cũng cho thấy rằng khả năng kết tụ và tốc độ kết tụ phụ thuộc vào các điều kiện dung môi và vào trình tự amino acid của các protein. Một số nghiên cứu cho thấy trong chuỗi protein có thể tồn tại các đoạn trình tự amino acid nhỏ có ảnh hưởng lớn tới khả năng kết tụ của cả protein. Do vậy, việc nghiên cứu để tìm ra mối liên hệ giữa trình tự amino acid và khả năng kết tụ là rất cần thiết, có ý nghĩa cơ bản trong việc tìm hiểu các bệnh liên quan tới amyloid cũng như tìm ra phương hướng để chữa trị các loại bệnh này. Mặc dù các mô phỏng với mô hình đầy đủ các nguyên tử (all-atom simula- tions) hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong các nghiên cứu về các hệ sinh học phân tử, việc áp dụng các phương pháp này trong nghiên cứu cuốn protein là không khả thi do giới hạn của tốc độ máy tính. Máy tính hiện nay chỉ cho phép mô phỏng hệ đầy đủ các nguyên tử tới thời gian dưới 1 micro giây, trong khi thời gian cuốn ở mức mili giây hoặc cao hơn. Một cách tiếp cận phù hợp đối với vấn đề cuốn protein đó là dùng các mô hình lý thuyết đơn giản. Mặc dù các mô hình này có thể không trực tiếp dự đoán được cấu trúc protein, chúng mang lại nhiều hiểu biết cơ bản về hiện tượng cuốn protein, và có thể giúp tìm ra phương hướng giải quyết vấn đề cuốn protein. Hạn chế chung của các mô hình đơn giản đó là nhiều chi tiết về cấu trúc bị lược bỏ, do vậy các kết quả thu được cần sự biện luận hoặc cần được kết hợp với các mô phỏng đầy đủ nguyên tử (trong cách tiếp cận đa tỷ lệ) để có thể đưa ra các kết quả mang tính định lượng cho các protein cụ thể. Có khá nhiều mô hình với các ý tưởng và mức độ đơn giản hóa khác nhau, tuy nhiên đáng kể nhất là các mô hình sau đây. Mô hình Go [10, 11], được đề xuất bởi G¯o và Abe vào năm 1981 và được áp dụng trên trên mạng 2 chiều, trong đó các tương tác giữa các hạt (mỗi amino acid được coi là một hạt) được lựa chọn sao cho chỉ các tiếp xúc trong trạng thái tự nhiên có năng lượng âm, còn năng lượng của các tiếp xúc khác đều bằng không. Mô hình Go luôn đảm bảo trạng thái tự nhiên có năng lượng thấp nhất và duy nhất. Tuy nhiên, nó không xét tới trình tự amino acid của protein. Các mô hình Go ngoài mạng, còn gọi là các mô hình tương tự Go, được xây dựng dựa trên các cấu trúc thực của protein cho cơ chế cuốn khá phù hợp với các kết quả thực nghiệm [12]. Cho tới nay, mô hình Go và các mô hình tương tự Go được sử dụng khá rộng rãi trong các nghiên cứu về protein, ví dụ trong nghiên cứu về sự phụ thuộc của các tính chất cuốn và chiều dài của protein [13], trạng thái chuyển tiếp trong cuốn protein [14], các lộ trình cuốn [15, 16], kéo duỗi protein [17, 18] v.v. Mô hình protein đơn giản thứ hai là mô hình HP trên mạng được nghiên 4
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

TL.01: Bộ Tiểu Luận Triết Học
207 tài liệu
1455 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2