Thạc Sĩ Động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào

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 Thuý2
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 ThuýMục 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
3MỤC 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 . 64MỤC LỤC 5
5 Sự cuốn và thoát ra của protein mới sinh tại đường hầm ribosome 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 118Danh 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 24
1.5 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 38
3.1 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 50
6DANH SÁCH HÌNH VẼ 7
3.2 So sánh năng lượng tự do cuốn ΔΔF NưU của protein GB1 phụ thuộc
vào nồng độ các đại phân tử đám đông Φ c 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 a N = 11.2
˚
A và a U = 16.5
˚
A tương ứng. Với lý thuyết
của Zhou, trạng thái duỗi của protein được coi là một chuỗi Gaussian
có bán kính hồi chuyển R U
g
= 16.5
˚
A trong khi trạng thái cuốn vẫn được
coi là một quả cầu cứng có bán kính a N = 11.2
˚
A. Bán kính của các đại
phân tử đám đông là R c = 10
˚
A 54
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) . 61
4.2 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 . 64
5.1 (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 T f là 0.922 cho protein GB1 và 0.804 cho protein
SpA trong hệ đơn vị /k B . (b) Sự phụ thuộc của năng lượng tự do F
vào số tiếp xúc cuốn N c cho protein GB1 (đường liền nét) và cho protein
SpA (đường đứt nét) 67
5.2 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 = 100
˚
A,
đường kính d = 15
˚
A, 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 = 70
˚
A (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 . 71DANH SÁCH HÌNH VẼ 8
5.3 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 71
5.4 Phân bố các cấu hình của protein có chiều dài đầy đủ khi hoàn thành
dịch mã là hàm của số tiếp xúc cuốn, N c , và bán kính hồi chuyển, R g ,
cho protein GB1 ở nhiệt độ T = 0.4/k B (a,b) và T = 0.8/k B (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 t g 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 t g
được chú thích trên hình vẽ . 74
5.5 Tương tự như Hình 5.4 nhưng cho SpA với ba tốc độ dịch mã khác nhau
ứng với t g = 10τ, 50τ, 100τ tại hai nhiệt độ T = 0.4/k B và T = 0.8/k B . 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 (N out ) và số tiếp xúc cuốn được hình thành
(N c ) tại đường hầm thoát thuần đẩy tại nhiệt độ T = 0.4/k B cho ba
trường hợp đường kính đường hầm thoát khác nhau: d = 10
˚
A(a,d),
d = 15
˚
A(b,e) và d = 20
˚
A(c,f). Biểu đồ thu được từ 100 mô phỏng độc
lập với thời gian dịch mã cho mỗi amino acid là t g = 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. 77
5.7 Sự phụ thuộc theo nhiệt độ của thời gian cuốn median tại đường hầm
thoát thuần đẩy (t fold ), thời gian thoát median (t esc ), và thời gian cuốn
lại median của protein biến tính tự do (t refold ). 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 t g = 10τ (a) và dịch mã chậm với t g = 100τ (b). Dữ liệu trên
hình vẽ nhận được từ 1000 mô phỏng độc lập tại mỗi nhiệt độ 78DANH SÁCH HÌNH VẼ 9
5.8 Sự phụ thuộc vào thời gian của xác suất cuốn thành công, P fold , 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/k B 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 t g = 10τ . 80
5.9 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do theo số amino acid thoát ra ngoài
đường hầm thoát (N out ) và số tiếp xúc cuốn được hình thành (N c ) cho
protein GB1 (a) và SpA (b) trong đường hầm thoát thuần đẩy, tại nhiệt
độ T = 0.4/k B . N out được xét với các giá trị từ 0 tới N ư 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
˚
A 82
5.10 Sự phụ thuộc của năng lượng tự do F theo toạ độ, x C , 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 /k B . 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/k B (nét liền) và T = 0.4/k B (nét đứt) thu được từ
các mô phỏng với thời gian dịch mã mỗi amino acid t g = 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, σ t , theo thời gian thoát trung
bình, µ t , tại các giá trị nhiệt độ khác nhau là một hàm tuyến tính, nhận
được với t g = 10τ (vòng tròn) và t g = 100τ (dấu cộng) 86DANH 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 t esc ∼ ζ 1.12 T
ưα với α = 0.64 (đường nét liền) khi
T < T f , và α = 0.92 (đường nét đứt) khi T > T f . Dữ liệu thu được từ
mô phỏng với thời gian mọc mỗi amino acid t g = 10τ trong suốt quá
trình dịch mã và tương ứng các hệ số ma sát khác nhau ζ = 2.5, 5 và
10 mτ
ư1 . (b) Tương tự như (a) nhưng với t g = 100τ chỉ tính với một
trường hợp ζ = 2.5 mτ
ư1 . 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
ư1 . 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
˚
A. Biểu đồ thu được từ 100 mô phỏng độc lập tại
nhiệt độ T = 0.4 /k B sau khi dịch mã với t g = 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 (x 48 ) hoặc của đầu cuối C (x C ), cho
protein GB1 tại đường hầm thoát có 6 hạt hút ở nhiệt độ T = 0.4 /k B
(nét liền) và T = 1.2 /k B (nét đứt). Cấu hình của protein thu được từ
mô phỏng tại cực tiểu địa phương của năng lượng tự do . 94DANH 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/k B (nét liền) và T = 0.4/k B (nét đứt) với thời
gian dịch mã cho mỗi amino acid t g = 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
ư1 (ô
vuông) và ζ = 5mτ
ư1 (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 T f . Thời gian dịch mã cho mỗi
amino acid là t g = 10τ 95
6.1 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 (Φ c ) của (a) nhiệt dung riêng
C, (b) năng lượng tự do F của protein GB1 bị giam cầm trong quả cầu
bán kính R wall = 50
˚
A, và (c) sự thay đổi của đỉnh nhiệt dung riêng C max
và (d) nhiệt độ chuyển pha T f theo Φ c trong ba trường hợp: điều kiện
biên tuần hoàn (pbc) và điều kiện biên cầu với các bán kính R wall = 100
˚
A và R wall = 50
˚
A. Các sai số (errorbars) trên hình vẽ được xác định từ
5 kết quả mô phỏng độc lập . 103DANH SÁCH HÌNH VẼ 12
6.3 Sự thay đổi theo nồng độ theo thể tích đám đông đại phân tử Φ c của
năng lượng tự do cuốn của protein GB1 trong môi trường đám đông và
môi trường tự do ΔΔF NưU = ΔF NưU (Φ c ) ư ΔF NưU (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
R wall = 100
˚
A và điều kiện biên cầu bán kính R wall = 50
˚
A 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 a N và a U tương ứng. Trong nghiên
cứu này, các bán kính a N và a U 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 ΔΔF NưU trong môi trường đám
đông so với môi trường tự do theo tỷ lệ thể tích đám đông Φ c . 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 R wall = 100
˚
A. Các trạng
thái cuốn và trạng thái duỗi của SpA cư xử các quả cầu cứng có bán
kính hiệu dụng a N = R N
g
và a U tương ứng (Hình con ở góc trái). Đường
nét đứt màu xanh lá cây là đường khớp ΔΔF NưU với lý thuyết hạt điều
chỉnh tỷ lệ khi coi các bán kính hiệu dụng a N và a U là các hàm tuyến
tính của Φ c . Với protein SpA, các bán kính hiệu dụng này hầu như không
phụ thuộc vào nồng độ của các đại phân tử đám đông 109DANH SÁCH HÌNH VẼ 13
6.5 Sự thay đổi của độ chênh năng lượng tự do ΔΔF ‡ưU giữa trạng thái
duỗi (U) và trạng thái chuyển tiếp (‡) trong môi trường đám đông và
môi trường tự do theo Φ c . Các mô phỏng thực hiện cho hai protein GB1
và SpA trong trường hợp điều kiện biên cầu với bán kính R wall = 100
˚
A. Các giá trị ΔΔF ‡ưU 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 a U và a ‡
tương ứng. Với protein GB1, a U và a ‡ phụ thuộc tuyến tính theo nồng
độ. Với protein SpA, a U ∼ 12.6
˚
A và a ‡ = 12.2
˚
A. Các giá trị của a U
được thể hiện trên các Hình con ở góc trái của Hình 6.3 và Hình 6.4.
Các giá trị của a ‡ và R
‡
g
được thể hiện trên các Hình con ở góc dưới của
hình vẽ này 110