Tài liệu động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ---------------------------- BÙI PHƯƠNG THUÝ ĐỘNG LỰC HỌC CUỐN PROTEIN TRONG MÔI TRƯỜNG TẾ BÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2016 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… BÙI PHƯƠNG THUÝ ĐỘNG LỰC HỌC CUỐN PROTEIN TRONG MÔI TRƯỜNG TẾ BÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trịnh Xuân Hoàng Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là kết quả của quá trình làm nghiên cứu sinh của tôi trong thời gian học tập tại Viện Vật lý và Học viện Khoa học và Công nghệ. Cụ thể, chương một, chương hai và chương ba là phần tổng quan giới thiệu các vấn đề cơ sở có liên quan đến luận án. Chương bốn giới thiệu các phương pháp và thuật toán được tìm hiểu, xây dựng và phát triển trong luận án. Chương năm và chương sáu là các kết quả nghiên cứu mà tôi đã thực hiện cùng với thầy hướng dẫn. Chương bẩy là phần kết luận. Tôi xin khẳng định các kết quả có trong luận án “Động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào” là các kết quả mới không trùng lặp với các kết quả của các luận án và công trình đã có. Tác giả luận án Bùi Phương Thuý 2 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy - PGS. TS. Trịnh Xuân Hoàng đã giúp đỡ em hoàn thành luận án này. Trong suốt 10 năm học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Thầy, em đã được Thầy chỉ dẫn nhiều điều bổ ích về kiến thức, kỹ năng, tư duy nghiên cứu khoa học và sự nghiêm túc trong khoa học. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy - GS. TSKH. Nguyễn Văn Liễn và các thầy giảng dạy, làm việc tại hai trung tâm Vật lý lý thuyết và Vật lý tính toán đã luôn tận tình động viên, hướng dẫn, cung cấp kiến thức nền tảng cho em. Các thầy là những tấm gương sáng về tinh thần làm việc, lối sống, sự say mê khoa học để em học hỏi, hoàn thiện bản thân. Cùng với kiến thức, đây sẽ là hành trang theo em suốt cuộc đời. Em xin cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, Trung tâm Vật lý tính toán, Bộ phận Đào tạo sau đại học thuộc Viện Vật lý và Học viện Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong học tập, nghiên cứu và hoàn thành các thủ tục hành chính trong suốt quá trình làm NCS tại Viện Vật lý. Em xin cảm ơn các bạn cùng nhóm nghiên cứu, các bạn, các anh chị làm việc tại Viện Vật lý và các đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em trong học tập cũng như trong cuộc sống. Hơn cả những gì có thể nói, con thực sự rất biết ơn gia đình đã luôn ở bên, yêu thương, động viên con, hỗ trợ về mọi mặt để con có thể yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Hà Nội, Tháng 4 năm 2016 Bùi Phương Thuý Mục lục Danh sách hình vẽ 6 Mở đầu 14 1 Thành phần hoá học và cấu trúc của protein 21 1.1. Thành phần hoá học của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2. Các bậc cấu trúc của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.1. Cấu trúc bậc một . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.2. Cấu trúc bậc hai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.3. Cấu trúc bậc ba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.4. Cấu trúc bậc bốn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3. Sinh tổng hợp của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3.1. Quá trình phiên mã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3.2. Quá trình dịch mã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4. Các tương tác của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2 Hiện tượng cuốn protein trong ống nghiệm 30 2.1. Hiện tượng cuốn protein trong ống nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2. Địa hình năng lượng của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.1. Giả thiết về phễu cuốn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3 MỤC LỤC 4 2.2.2. Nguyên lý thất vọng tối thiểu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.3. Nguyên lý nhất quán tối đa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3. Cơ chế cuốn của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.1. Mô hình hai trạng thái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2. Trạng thái chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3.3. Cơ chế tạo nhân cuốn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3 Hiện tượng cuốn protein trong môi trường tế bào 41 3.1. Hiện tượng cuốn của các protein mới sinh trong tế bào . . . . . . . . . 42 3.2. Chaperone phân tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3. Cơ chế cuốn định hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4. Hiệu ứng đám đông đại phân tử trong tế bào . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.5. Lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ trong nghiên cứu hiệu ứng đám đông đại phân tử lên quá trình cuốn protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5.1. Áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ của Minton . . . . . . . 53 3.5.2. Áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ của Zhou . . . . . . . . 53 3.5.3. Mô hình bổ sung tương tác hút . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.6. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Các phương pháp sử dụng trong mô phỏng protein 57 4.1. Phương pháp động lực học phân tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1. Phương trình Langevin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2. Thuật toán Verlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2. Phương pháp lấy mẫu ô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3. Phương pháp phân tích biểu đồ có trọng số với thế năng giữ . . . . . . 61 4.4. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 MỤC LỤC 5 Sự cuốn và thoát ra của protein mới sinh tại đường hầm ribosome 5 66 5.1. Mô hình tương tự Go cho protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2. Mô hình đường hầm thoát của ribosome . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.3. Phương pháp lấy mẫu ô cho protein ở đường hầm thoát . . . . . . . . . 72 5.4. Sự cuốn và thoát ra tại đường hầm thoát thuần đẩy . . . . . . . . . . . 73 5.5. Mô hình khuyếch tán cho quá trình thoát . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.5.1. Lý thuyết khuyếch tán một chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.5.2. Quá trình thoát trong mô hình khuyếch tán một chiều . . . . . 87 5.6. Hiệu ứng của các hạt hút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.7. Thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.8. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6 Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên quá trình cuốn protein 100 6.1. Mô hình đám đông đại phân tử và các điều kiện biên . . . . . . . . . . 101 6.2. Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên sự ổn định cuốn của protein 102 6.3. Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên năng lượng tự do cuốn . . . 104 6.4. Ảnh hưởng của đám đông đại phân tử lên bờ thế năng lượng tự do và trạng thái chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.5. Thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 6.6. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7 Kết luận 115 Danh sách các công bố của tác giả 117 Tài liệu tham khảo 118 Danh sách hình vẽ 1.1 (a) Cấu trúc chung của amino acid, (b) Cấu trúc của proline. . . . . . . 21 1.2 Phản ứng trùng ngưng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3 Chuỗi polypeptide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4 Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của protein GB1: (a) Xoắn α, (b) Phiến β. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 24 Biểu diễn dạng ruy băng của cấu trúc bậc ba của hai protein được sử dụng trong nghiên cứu này: miền B-1 của protein G (GB1) (a) và miền Z của protein tụ cầu A (SpA) (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1 Địa hình năng lượng kiểu sân golf trong nghịch lý Levinthal. . . . . . . 33 2.2 Phễu cuốn mô tả mối quan hệ giữa năng lượng và entropy. Bề mặt gồ ghề của phễu cuốn mô tả các bẫy động học. . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3 Giản đồ năng lượng tự do trong mô hình cuốn hai trạng thái. . . . . . 36 2.4 Minh hoạ quá trình chuyển trạng thái thông qua góc nhìn cổ điển. Quả bóng chỉ có thể chuyển hố khi nó tới được đỉnh năng lượng nằm giữa hai hố thế. Tương tự, quá trình chuyển trạng thái của protein chỉ xảy ra khi protein đạt tới trạng thái chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 38 a) Thể tích loại trừ (màu xám) cho mô hình hai quả cầu rắn. b) Thể tích loại trừ (màu xám) khi chèn một quả cầu cứng vào một dung dịch chứa các quả cầu cứng khác. Khu vực màu trắng là phần không gian tự do có thể đặt khối tâm của quả cầu mới. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 50 DANH SÁCH HÌNH VẼ 3.2 7 So sánh năng lượng tự do cuốn ∆∆FN −U của protein GB1 phụ thuộc vào nồng độ các đại phân tử đám đông Φc khi áp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ của Zhou và của Minton. Với lý thuyết của Minton, các trạng thái cuốn và trạng thái duỗi của protein được coi như các quả cầu cứng có bán kính aN = 11.2 Å và aU = 16.5 Å tương ứng. Với lý thuyết của Zhou, trạng thái duỗi của protein được coi là một chuỗi Gaussian có bán kính hồi chuyển RgU = 16.5 Å trong khi trạng thái cuốn vẫn được coi là một quả cầu cứng có bán kính aN = 11.2 Å. Bán kính của các đại phân tử đám đông là Rc = 10 Å. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Minh hoạ thế năng thêm vào (đường nét đứt) để làm giảm độ cao của rào thế trong giản đồ năng lượng tự do của hệ (đường nét liền). . . . . 4.2 54 61 Các biểu đồ biểu diễn số trạng thái N có năng lượng E tương ứng với các mô phỏng tại ba nhiệt độ khác nhau. Các nhiệt độ được chọn để các biểu đồ phủ nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 64 (a) Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng C vào nhiệt độ T cho protein GB1 (đường liền nét) và cho protein SpA (đường đứt nét). Nhiệt độ tại đỉnh nhiệt dung riêng Tf là 0.922 cho protein GB1 và 0.804 cho protein SpA trong hệ đơn vị /kB . (b) Sự phụ thuộc của năng lượng tự do F vào số tiếp xúc cuốn Nc cho protein GB1 (đường liền nét) và cho protein SpA (đường đứt nét). 5.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Minh hoạ mô hình đường hầm thoát của ribosome. Đường hầm thoát được mô hình hoá như một ống trụ rỗng với một đáy kín và một đáy mở gắn vào một bức tường phẳng. Đường hầm thoát có chiều dài L = 100Å, đường kính d = 15Å, và tâm của nó chạy dọc theo trục x. Tường của đường hầm thoát hoặc là thuần đẩy đối với các amino acid (a), hoặc chứa một vài hạt hút có kích thước tương tự các amino acid (các điểm màu xanh) được xếp cách đều trên một vòng tròn trên mặt phẳng vuông góc với trục của đường hầm thoát tại toạ độ x = 70Å (b). Protein mới sinh mọc từ PTC (điểm màu đỏ trên Hình a) đặt tại gốc toạ độ, và đi vào tại đường hầm thoát. Các cấu hình minh hoạ được chụp từ một mô phỏng MD của protein GB1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 DANH SÁCH HÌNH VẼ 5.3 8 Đồ thị mô tả thế năng Lennard-Jones (LJ) (a) và thế năng LJ bị cắt (b) sử dụng trong các mô hình tương tác giữa các amino acid và giữa tường đường hầm thoát với các amino acid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 71 Phân bố các cấu hình của protein có chiều dài đầy đủ khi hoàn thành dịch mã là hàm của số tiếp xúc cuốn, Nc , và bán kính hồi chuyển, Rg , cho protein GB1 ở nhiệt độ T = 0.4/kB (a,b) và T = 0.8/kB (c,d). Phân bố được thu được từ 1000 mô phỏng độc lập tại mỗi nhiệt độ và cho mỗi tốc độ dịch mã xác định bởi tg được định nghĩa là thời gian cần thiết để chuỗi polypeptide dài thêm một amino acid. Các biểu đồ được vẽ cho ba tốc độ dịch mã khác nhau ở mỗi nhiệt độ với các giá trị tg được chú thích trên hình vẽ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 74 Tương tự như Hình 5.4 nhưng cho SpA với ba tốc độ dịch mã khác nhau ứng với tg = 10τ, 50τ, 100τ tại hai nhiệt độ T = 0.4/kB và T = 0.8/kB . 75 5.6 Biểu đồ số lượng các cấu hình xuất hiện trong quá trình cuốn và thoát ra của protein GB1 (a,b,c) và SpA (d,e,f) là hàm của số amino acid bên ngoài đường hầm thoát (Nout ) và số tiếp xúc cuốn được hình thành (Nc ) tại đường hầm thoát thuần đẩy tại nhiệt độ T = 0.4/kB cho ba trường hợp đường kính đường hầm thoát khác nhau: d = 10Å(a,d), d = 15Å(b,e) và d = 20Å(c,f). Biểu đồ thu được từ 100 mô phỏng độc lập với thời gian dịch mã cho mỗi amino acid là tg = 100τ trong suốt quá trình tổng hợp protein. Màu sắc được chỉ ra tương ứng với số lượng các cấu hình xuất hiện trong quá trình cuốn và thoát ra theo hàm log. 5.7 77 Sự phụ thuộc theo nhiệt độ của thời gian cuốn median tại đường hầm thoát thuần đẩy (tfold ), thời gian thoát median (tesc ), và thời gian cuốn lại median của protein biến tính tự do (trefold ). Thời gian cuốn và thoát ra được tính từ thời điểm protein mới sinh có chiều dài đầy đủ được giải phóng khỏi PTC khi dịch mã nhanh với thời gian tổng hợp thêm mỗi amino acid tg = 10τ (a) và dịch mã chậm với tg = 100τ (b). Dữ liệu trên hình vẽ nhận được từ 1000 mô phỏng độc lập tại mỗi nhiệt độ. . . . . . 78 DANH SÁCH HÌNH VẼ 5.8 9 Sự phụ thuộc vào thời gian của xác suất cuốn thành công, Pfold , với sự có mặt của đường hầm thoát thuần đẩy (đường nét liền) và khi cuốn lại trong không gian tự do (đường nét đứt) tại nhiệt độ T = 0.4/kB cho GB1 (a) và SpA (b). Thời gian cuốn tại đường hầm thoát được tính từ khi protein có chiều dài đầy đủ được giải phóng từ PTC trong trường hợp thời gian dịch mã nhanh tg = 10τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9 80 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do theo số amino acid thoát ra ngoài đường hầm thoát (Nout ) và số tiếp xúc cuốn được hình thành (Nc ) cho protein GB1 (a) và SpA (b) trong đường hầm thoát thuần đẩy, tại nhiệt độ T = 0.4/kB . Nout được xét với các giá trị từ 0 tới N − 1, trong đó N là tổng số amino acid của protein. Năng lượng tự do được tính dựa trên mô phỏng lấy mẫu ô và phương pháp phân tích biểu đồ có trọng số. Đường kính đường hầm thoát d = 15 Å. . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.10 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do F theo toạ độ, xC , của đầu C của protein dọc theo trục đường hầm thoát cho đường cuốn chủ yếu của GB1 (a) và SpA (b) trong một đường hầm thoát thuần đẩy, tại bốn nhiệt độ T = 0.4, 0.8, 1.2, và 2.0 /kB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.11 Hàm phân bố thời gian thoát, τ , từ đường hầm thoát thuần đẩy của protein GB1. Biểu đồ chuẩn hoá được tính từ dữ liệu mô phỏng tại nhiệt độ T = 1.2/kB (nét liền) và T = 0.4/kB (nét đứt) thu được từ các mô phỏng với thời gian dịch mã mỗi amino acid tg = 10τ trong quá trình tổng hợp protein. Biểu đồ được khớp (đường mịn) bởi hàm phân bố được cho bởi phương trình (5.10) với x = L. Hình góc trên bên phải biểu diễn sự phụ thuộc của độ lệch chuẩn, σt , theo thời gian thoát trung bình, µt , tại các giá trị nhiệt độ khác nhau là một hàm tuyến tính, nhận được với tg = 10τ (vòng tròn) và tg = 100τ (dấu cộng). . . . . . . . . . 86 DANH SÁCH HÌNH VẼ 10 5.12 (a) Sự phụ thuộc của thời gian thoát median từ một đường hầm thoát thuần đẩy vào nhiệt độ của protein GB1 trong hệ toạ độ log-log. Hình vẽ chỉ ra sự phụ thuộc tesc ∼ ζ 1.12 T −α với α = 0.64 (đường nét liền) khi T < Tf , và α = 0.92 (đường nét đứt) khi T > Tf . Dữ liệu thu được từ mô phỏng với thời gian mọc mỗi amino acid tg = 10τ trong suốt quá trình dịch mã và tương ứng các hệ số ma sát khác nhau ζ = 2.5, 5 và 10 mτ −1 . (b) Tương tự như (a) nhưng với tg = 100τ chỉ tính với một trường hợp ζ = 2.5 mτ −1 . Hàm fit nhận được với α = 0.6 (đường nét liền) và α = 0.92 (đường nét đứt). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.13 Tương tự như Hình 5.12 nhưng cho SpA và chỉ được mô phỏng cho trường hợp ζ = 2.5 mτ −1 . Các hàm fit trong (a) với số mũ α bằng 0.915 và 1.055 tương ứng với miền nhiệt độ thấp (đường nét liền) và miền nhiệt độ cao (đường nét đứt). Các số mũ tương ứng với các hàm fit trong (b) theo thứ tự là 0.97 và 1.005. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.14 Biểu đồ số lượng các cấu hình nhận được trong quá trình cuốn và thoát ra của protein GB1 tại đường hầm thoát có 6 hạt hút. Đường kính đường hầm thoát d = 15 Å. Biểu đồ thu được từ 100 mô phỏng độc lập tại nhiệt độ T = 0.4 /kB sau khi dịch mã với tg = 10τ . Màu sắc được chỉ ra tương ứng với số lượng các cấu hình xuất hiện trong quá trình cuốn và thoát ra theo hàm log. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.15 Tương tự như Hình 5.14 cho trường hợp đường hầm thoát có 4 hạt hút. 92 5.16 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do F theo toạ độ bị giữ ξ, là toạ độ x của amino acid thứ 48 trong chuỗi (x48 ) hoặc của đầu cuối C (xC ), cho protein GB1 tại đường hầm thoát có 6 hạt hút ở nhiệt độ T = 0.4 /kB (nét liền) và T = 1.2 /kB (nét đứt). Cấu hình của protein thu được từ mô phỏng tại cực tiểu địa phương của năng lượng tự do. . . . . . . . . 94 DANH SÁCH HÌNH VẼ 11 5.17 Phân bố thời gian thoát cho protein GB1 tại đường hầm thoát có 4 hạt hút ở nhiệt độ T = 1.2/kB (nét liền) và T = 0.4/kB (nét đứt) với thời gian dịch mã cho mỗi amino acid tg = 10τ . Phân bố được chuẩn hoá và khớp với hàm phân bố được cho bởi phương trình (5.10). Độ lệch chuẩn của thời gian thoát tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ được vẽ ở hình nhỏ ở góc trên bên phải. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.18 Sự phụ thuộc của thời gian thoát median tại một đường hầm thoát với 4 hạt hút vào nhiệt độ của protein GB1 trong đồ thị log-log. Dữ liệu thu được từ mô phỏng với hai hệ số ma sát khác nhau ζ = 2.5mτ −1 (ô vuông) và ζ = 5mτ −1 (vòng tròn) và được khớp với phương trình (5.16) với số mũ α = 1.33 (nét liền) và α = 1.02 (nét đứt), tương ứng hai miền nhiệt độ thấp và cao hơn nhiệt độ cuốn Tf . Thời gian dịch mã cho mỗi amino acid là tg = 10τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 95 Minh hoạ mô hình đám đông đại phân tử với protein được đại diện bởi một chuỗi các amino acid (các hạt nhỏ) và các đại phân tử (các hạt lớn) được giam trong một hộp cầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.2 Sự thay đổi theo tỷ lệ thể tích đại phân tử (Φc ) của (a) nhiệt dung riêng C, (b) năng lượng tự do F của protein GB1 bị giam cầm trong quả cầu bán kính Rwall = 50 Å, và (c) sự thay đổi của đỉnh nhiệt dung riêng Cmax và (d) nhiệt độ chuyển pha Tf theo Φc trong ba trường hợp: điều kiện biên tuần hoàn (pbc) và điều kiện biên cầu với các bán kính Rwall = 100 Å và Rwall = 50 Å. Các sai số (errorbars) trên hình vẽ được xác định từ 5 kết quả mô phỏng độc lập. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 DANH SÁCH HÌNH VẼ 6.3 12 Sự thay đổi theo nồng độ theo thể tích đám đông đại phân tử Φc của năng lượng tự do cuốn của protein GB1 trong môi trường đám đông và môi trường tự do ∆∆FN −U = ∆FN −U (Φc ) − ∆FN −U (0) được khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ. Kết quả mô phỏng được trình bày cho ba trường hợp: điều kiện biên tuần hoàn (pbc), điều kiện biên cầu bán kính Rwall = 100 Å và điều kiện biên cầu bán kính Rwall = 50 Å tương ứng với các điểm màu xanh lá, màu đỏ và màu xanh da trời. Theo lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ, trạng thái cuốn và trạng thái duỗi của protein được coi như các quả cầu cứng bán kính aN và aU tương ứng. Trong nghiên cứu này, các bán kính aN và aU được coi là phụ thuộc tuyến tính theo nồng độ đám đông khi khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ (Hình con ở góc trái). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.4 Sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn ∆∆FN −U trong môi trường đám đông so với môi trường tự do theo tỷ lệ thể tích đám đông Φc . Các ô vuông nhỏ màu xanh lá cây là các dữ liệu thu được từ các mô phỏng thực hiện trong điều kiện biên cầu bán kính Rwall = 100 Å. Các trạng thái cuốn và trạng thái duỗi của SpA cư xử các quả cầu cứng có bán kính hiệu dụng aN = RgN và aU tương ứng (Hình con ở góc trái). Đường nét đứt màu xanh lá cây là đường khớp ∆∆FN −U với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ khi coi các bán kính hiệu dụng aN và aU là các hàm tuyến tính của Φc . Với protein SpA, các bán kính hiệu dụng này hầu như không phụ thuộc vào nồng độ của các đại phân tử đám đông. . . . . . . . . . 109 DANH SÁCH HÌNH VẼ 6.5 13 Sự thay đổi của độ chênh năng lượng tự do ∆∆F‡−U giữa trạng thái duỗi (U ) và trạng thái chuyển tiếp (‡) trong môi trường đám đông và môi trường tự do theo Φc . Các mô phỏng thực hiện cho hai protein GB1 và SpA trong trường hợp điều kiện biên cầu với bán kính Rwall = 100 Å. Các giá trị ∆∆F‡−U thu được từ mô phỏng (các chấm tròn màu đỏ và các ô vuông nhỏ màu xanh) phù hợp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ (đường nét đứt) khi coi các trạng thái duỗi và trạng thái chuyển tiếp của protein giống như các quả cầu cứng bán kính hiệu dụng aU và a‡ tương ứng. Với protein GB1, aU và a‡ phụ thuộc tuyến tính theo nồng độ. Với protein SpA, aU ∼ 12.6 Å và a‡ = 12.2 Å. Các giá trị của aU được thể hiện trên các Hình con ở góc trái của Hình 6.3 và Hình 6.4. Các giá trị của a‡ và Rg‡ được thể hiện trên các Hình con ở góc dưới của hình vẽ này. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Mở đầu Vật lý sinh học là lĩnh vực hiện nay đang rất được quan tâm trên thế giới và là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng của Vật lý trong thế kỷ 21 [112]. Nhiều vấn đề của sinh học, trong đó có cơ chế hoạt động của các bộ máy sinh học liên quan chặt chẽ đến các quy luật của vật lý. Vật lý sinh học ứng dụng các phương pháp và dựa trên các nền tảng của 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. Đối tượng nghiên cứu bao gồm tất cả các cấp của tổ chức sinh học, từ quy mô phân tử cho đến toàn bộ sinh vật hoặc hệ sinh thái. Bằng cách áp dụng các kiến thức và kỹ thuật thực nghiệm từ nhiều chuyên ngành của Vật lý, các nhà lý sinh đã có thể xác định cấu trúc của từng phân tử hay các hệ phức hợp các phân tử sinh học. Nhiều quá trình sinh học ở cấp độ phân tử cũng đã được làm sáng tỏ một cách trực tiếp hoặc gián tiếp bằng thực nghiệm. Các thành tựu nổi bật về thực nghiệm trong những năm gần đây bao gồm: xác định cấu trúc protein bằng phương pháp tinh thể học protein sử dụng tia X (bởi Max Perutz và John Kendrew) [110], ứng dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) trong nghiên cứu cấu trúc và động học của protein [12], kéo dài chuỗi protein và DNA sử dụng hiển vi lực nguyên tử [20]. Ngày nay, các vấn đề nghiên cứu thường gặp trong vật lý nói chung và đặc biệt là các bài toán lý sinh nói riêng đều rất phức tạp bởi vì các hệ được nghiên cứu có số phần tử rất lớn và chúng luôn tồn tại trong trạng thái tương tác với nhau. Rất nhiều các bài toán khó có thể tìm được lời giải giải tích hoặc bằng các phương pháp thông thường, nhưng lại có thể giải quyết được nhờ sự hỗ trợ của máy tính bằng các phương pháp mô phỏng. Vì vậy, mô phỏng máy tính đã trở thành một công cụ thiết yếu trong các phương pháp nghiên cứu, bên cạnh các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Từ 14 DANH SÁCH HÌNH VẼ 15 vài thập kỷ nay, việc sử dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại trên cơ sở các kiến thức liên ngành về y học, sinh học, hóa học và vật lý nghiên cứu những vấn đề cơ bản liên quan đến sự sống đang phát triển mạnh trên thế giới. Mô phỏng máy tính cũng đang được áp dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu các cơ chế gây ra các bệnh tật cho con người và thiết kế dược phẩm trên máy tính [53], là những vấn đề có ý nghĩa to lớn đối với sức khoẻ con người. Trong các vấn đề của sinh học phân tử thì việc nghiên cứu về protein đã và đang rất được quan tâm bởi vì protein là một thành phần không thể thiếu trong sự sống. Gần như mọi hoạt động của cơ thể sống đều có sự tham gia của protein và nó chiếm tới hơn 50% trọng lượng khô của hầu hết các tế bào. Rất nhiều vấn đề về protein cho đến nay đã được làm rõ. Chẳng hạn, chúng ta đã có những hiểu biết đáng kể về cấu trúc và chức năng của nhiều protein và cơ chế cuốn của các protein cầu. Tuy nhiên, những hiểu biết của chúng ta về các tính chất và hành xử của protein trong cơ thể sống còn rất hạn chế, trong đó có quá trình cuốn của protein trong tế bào. Sau khi được tổng hợp thành chuỗi polypeptide hoàn chỉnh tại ribosome, mỗi loại protein thường trải qua một quá trình biến đổi động học về một loại cấu hình duy nhất có lợi về mặt năng lượng và có thể thể hiện chức năng sinh học dựa trên trình tự amino acid chuyên biệt [6]. Quá trình này gọi là quá trình cuốn (gấp nếp) của protein. Nếu protein cuốn sai và không bị phân huỷ hoàn toàn bởi các proteasome trong tế bào thì những protein này không chỉ mất đi các hoạt tính sinh học thông thường mà chúng còn có thể kết tụ thành những cấu trúc dạng sợi không hoà tan (gọi là các sợi amyloid) [70], được biết có thể dẫn đến một số bệnh thoái hoá có tiến triển nghiêm trọng như các bệnh Alzheimer và Parkinson, bệnh bò điên, tiểu đường tuýp II [25, 31, 39, 57, 64, 66]. Vì vậy, nghiên cứu về quá trình cuốn của protein trong các điều kiện bên trong tế bào là đặc biệt cần thiết. Quá trình này diễn ra như thế nào? Bị ảnh hưởng ra sao bởi các quá trình sinh tổng hợp protein tại các ribosome? Protein làm cách nào để cuốn chính xác và nhanh chóng trong một môi trường đông đúc, không đồng nhất bên trong tế bào? Đây là những câu hỏi quan trọng về quá trình cuốn protein trong môi trường tế bào, mở ra các hướng nghiên cứu về các quá trình phi cân bằng [10, 48, 75, 126], quá trình kết tụ protein [36, 37, 66, 127], hiệu ứng giam cầm protein [137–139], hiệu ứng đám đông đại phân tử [9, 23, 26, 35, 62, 63, 86, 95–101, 120, 134–141] v.v. Do các khó khăn gặp phải khi tiến hành các thí nghiệm quan sát trực tiếp trong DANH SÁCH HÌNH VẼ 16 cơ thể sống nên các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào nghiên cứu tính chất cuốn của protein trong ống nghiệm [5, 6, 55, 58]. Cho đến gần đây, nghiên cứu quá trình cuốn của protein mới sinh đã đạt được một số tiến bộ bởi sự phát triển của các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng. Người ta có thể khẳng định rằng protein mới sinh chịu ảnh hưởng tích cực bởi đường hầm ribosome (ribosomal exit tunnel) [10, 22, 32, 33, 71, 75, 84, 102, 111, 132] và các chaperone phân tử liên kết với ribosome [27,43,58,133]. Đường hầm thoát (hay đường hầm ribosome) là một ống chật hẹp nằm trong bán cầu lớn của ribosome, nơi mà protein mới được tổng hợp phải chui qua để đi vào môi trường tế bào [22, 44]. Đường hầm thoát là môi trường đầu tiên mà chuỗi polypeptide đối mặt, lại có cấu trúc phức tạp, cứng và chật hẹp [48, 130]. Do đó, đường hầm ribosome ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cuốn của protein mới sinh. Cho đến nay những tác động này vẫn chưa hoàn toàn được làm sáng tỏ. Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã xác nhận rằng chuỗi polypeptide có thể bắt đầu cuốn và hình thành các xoắn α tại đường hầm thoát [10], và một số tiểu cấu trúc bậc ba tại cổng của đường hầm thoát (exit port) [48, 75] nơi có kích thước mở rộng hơn. Nghĩa là, trong khi lắp ghép các amino acid tạo thành cấu trúc bậc một, thì một phần chuỗi polypeptide vừa được tổng hợp sẽ đồng thời tham gia quá trình cuốn để tạo thành các cấu trúc bậc hai, bậc ba. Quá trình cuốn của protein xảy ra đồng thời với quá trình tổng hợp protein (hay dịch mã RNA) được gọi là cuốn đồng dịch mã (cotranslation folding). Protein chỉ có thể cuốn hoàn chỉnh khi được tổng hợp xong và chui ra ngoài đường hầm thoát [19, 21, 61]. Tuy nhiên, khi đó, protein lại gặp phải các khó khăn khi thực hiện quá trình cuốn trong tế bào chất chứa một lượng lớn các đại phân tử như các protein khác [11], RNA và DNA với nồng độ theo thể tích lên đến 40% [141]. Vì vậy, quá trình cuốn của protein trong tế bào sẽ chịu ảnh hưởng của một đám đông đại phân tử khiến cho các protein trong tế bào sẽ cư xử theo một cách thức hoàn toàn khác với trong ống nghiệm (một số ảnh hưởng của đám đông đại phân tử được chỉ ra trong chương 3 của luận án này). Do đó những gì diễn ra trong tế bào có thể khác với các kết quả thu được trong ống nghiệm với các giải pháp pha loãng protein ở những mức độ khác nhau. Do vậy, việc nghiên cứu các quá trình sinh hoá trong điều kiện thực tế với sự hiện diện của đám đông đại phân tử là thực sự cần thiết cho hiểu biết của chúng ta về sự sống. Cộng đồng lý sinh tin rằng, đám đông đại phân tử đóng một vai trò quan trọng trong chức DANH SÁCH HÌNH VẼ 17 năng của tế bào. Hiệu ứng đám đông có thể ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cuốn trên các khía cạnh: làm tăng tốc độ cuốn vì một protein cuốn gọn gàng chiếm một thể tích nhỏ hơn một chuỗi chưa cuốn [128], làm giảm hiệu quả cuốn vì làm tăng khả năng kết tụ protein [36, 127]. Như vậy, môi trường nội bào với sự tồn tại của rất nhiều các protein mới sinh và các đại phân tử khác tạo ra một môi trường bất lợi đối với quá trình cuốn của protein trong tế bào, dễ cuốn hỏng hoặc kết tụ [36, 127] . Do đó, để tối ưu hoá quá trình cuốn của protein, đảm bảo rằng quá trình cuốn là hiệu quả đối với hầu hết các protein, thì một số loại protein cần có sự hỗ trợ của một số họ đại phân tử gọi là các chaperone. Một tập hợp các phân tử chaperone sẽ phân chia nhiệm vụ, đón chuỗi polypeptide mới sinh ngay từ lối ra của đường hầm ribosome và hỗ trợ quá trình cuốn của protein [27, 43, 58, 133]. Chaperonin là họ chaperone đứng ở vị trí cuối cùng trong môi trường nội bào đón các protein cuốn một phần hoặc cuốn lỗi để giúp chúng cuốn lại cho đến khi đạt đến trạng thái tự nhiên hoàn chỉnh. Chaperonin có cấu tạo như một cái lồng có dạng trụ rỗng, có thể mở ra để nhận và giải phóng protein, đóng lại để tạo ra một môi trường hoàn toàn cô lập, mang lại thời gian cũng như không gian cuốn thích hợp giúp protein cuốn thành công [16,122]. Các hiểu biết đại cương về protein và quá trình cuốn của protein được giới thiệu trong các chương 1, 2, 3 của luận án này. Quá trình cuốn của protein mới sinh diễn ra rất phức tạp, bắt đầu ngay tại đường hầm ribosome, đồng thời với quá trình dịch mã, và sau đó có thể phải nhờ đến sự hỗ trợ của rất nhiều các chaperone phân tử mới có thể cuốn thành công. Ngoài ra, quá trình cuốn này còn xảy ra trong một môi trường đông đúc, ngăn cách, dính và không đồng nhất của tế bào. Những tính chất này dẫn đến vô vàn các trở ngại về kỹ thuật trong nghiên cứu thực nghiệm sự cuốn của protein mới sinh. Chẳng hạn, với kính hiển vi huỳnh quang, chúng ta có thể chụp được hình ảnh của các tế bào và có thể nhìn thấy bên trong chúng, nhưng chúng ta không thể quan sát bất cứ điều gì thay đổi nhanh chóng hoặc biến đổi theo thời gian, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy bất kỳ sự chuyển động nào dù là chậm nhất. Sự phức tạp trong môi trường cuốn của protein mới sinh không chỉ gây trở ngại cho các nghiên cứu thực nghiệm mà còn là một thách thức lớn với mô phỏng. Có thể chỉ ra vài khó khăn tiêu biểu như: ribosome là một phức hệ rất phức tạp, được hợp thành từ nhiều protein và RNA. Kích thước của đường hầm ribosome rất hẹp, không DANH SÁCH HÌNH VẼ 18 thẳng và có sự mở rộng kích thước trong một số trường hợp. Số lượng đại phân tử trong môi trường nội bào là rất lớn và có bản chất không giống nhau. Do đó, số lượng các đối tượng cần mô phỏng là rất lớn. Ngoài ra, các tương tác liên quan cũng rất phức tạp, bao gồm tương tác tĩnh điện, tương tác kị nước, tương tác cộng hoá trị, tương tác Van der Walls, v.v. Do đó, mô phỏng quá trình cuốn của protein mới sinh với độ chính xác cao là một thách thức lớn với các máy tính hiện nay. Hiện nay, rất nhiều nhóm nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới tập trung vào tìm hiểu cơ chế cuốn của các protein trong tế bào. Trong khi đó, các nghiên cứu lý thuyết về vấn đề này còn khá nghèo nàn do hạn chế về tốc độ máy tính. Trong lịch sử hơn 50 năm nghiên cứu về quá trình cuốn của protein, và khoảng 20 năm nghiên cứu về quá trình cuốn của protein trong tế bào, chúng ta đã thu được được những thành tựu đáng kể. Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã tìm thấy bằng chứng cho thấy các protein mới sinh cuốn đồng dịch mã bên trong đường hầm thoát của ribosome [10, 19, 21, 48, 61, 75, 88, 103]. Các nghiên cứu mô phỏng cũng ủng hộ kết luận này [33, 103, 105–107]. Do tính định hướng của quá trình dịch mã nên quá trình cuốn đồng dịch mã tuân theo cơ chế cuốn vector (cuốn định hướng) [38]. Tốc độ dịch mã có thể ảnh hưởng tới tốc độ cuốn [108, 109]. Và ngược lại, sự hình thành của các cấu trúc cuốn giúp protein mới sinh chống lại sự cản trở dịch mã của hầm thoát tác động lên chuỗi SecM [88, 103]. Như vậy, các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào quá trình cuốn đồng dịch mã và mối quan hệ giữa quá trình cuốn và quá trình dịch mã. Do đó, vẫn còn rất nhiều vấn đề liên quan đến quá trình cuốn của chuỗi mới sinh sau dịch mã và mối quan hệ giữa quá trình cuốn và quá trình thoát khỏi đường hầm ribosome cần được làm rõ. Trong khi đó, ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có nhóm nghiên cứu nào thực hiện các nghiên cứu về vấn đề này. Vì vậy, để làm phong phú hơn hiểu biết của chúng ta về quá trình cuốn của protein, chúng tôi thực hiện nghiên cứu về động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào bằng phương pháp mô phỏng, trong đó tập trung nghiên cứu quá trình cuốn và thoát ra của protein mới sinh sau dịch mã tại đường hầm ribosome và ảnh hưởng đám đông đại phân tử lên quá trình cuốn protein. Do những khó khăn gặp phải khi mô phỏng số lượng phân tử, nguyên tử rất lớn nên trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các mô hình đơn giản hoá cho protein, đường hầm ribosome và cho các đại phân tử đám đông.