TIN SINH HỌC P44

XIN CHÀO QUÝ THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN
SƠ LƯỢC VỀ CẤU TRÚC PROTEIN
Giáo viên hướng dẫn : Võ Văn Toàn
Học viên thực hiện : Đặng Vũ Như Quỳnh
Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các axit amin. Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hyđro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Người ta đã phát hiện ra được tất cả 20 axit amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống.
1. Bối cảnh
1.1 Chức năng protein
1.2 Cấu trúc của Protein
Người ta phân biệt ra 4 bậc cấu trúc của protein:
Chức năng protein chỉ có thể được hiểu trong mối quan hệ với cấu trúc của protein. Điều đó có nghĩa cấu trúc của protein xác định chức năng sinh hóa của nó.
- Cấu trúc bậc 1: Các axit amin nối với nhau bằng liên kết peptit ( cấu trúc bậc 1 của protein là trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi polypeptit ).
Ví dụ: Protein enzim.
- Cấu trúc bậc 2: Là cấu hình của mạch polypeptit trong không gian, được giữ vững nhờ các liên kết hidro giữa các axit amin gần nhau. Có dạng xoắn α hay gấp nếp β.
Ví dụ: Protein tơ tằm.
- Cấu trúc bậc 3: Là hình dạng của phân tử protein trong không gian 3 chiều, tạo khối hình cầu. Cấu trúc này phụ thuộc tính chất của các nhóm (-R) trong mạch polypeptit.
Ví dụ: Protein hoocmom insulin.
- Cấu trúc bậc 4: Gồm hai hay nhiều chuỗi polypeptit khác nhau phối hợp với nhau tạo phức hợp protein lớn hơn.
Ví dụ: Hemoglobin.
K.Linderstrrom-Lang là người đầu tiên đề xuất sự phân loại này.
Các bậc cấu trúc của protein
1.2.1 Cấu trúc bậc 1
Các axit amin nối với nhau bởi liên kết peptit hình thành nên chuỗi polypepetide. Đầu mạch polypeptide là nhóm amin của axit amin thứ nhất và cuối mạch là nhóm cacboxyl của axit amin cuối cùng. Cấu trúc bậc một của protein thực chất là trình tự sắp xếp của các axit amin trên chuỗi polypeptide. Cấu trúc bậc một của protein có vai trò tối quan trọng vì trình tự các axit amin trên chuỗi polypeptide sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptide, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein. Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các axit amin có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein.
Cấu trúc bậc 1 của protein
Có 3 kiểu phổ biến của cấu trúc bậc 2 trong các protein, cụ thể là xoắn α , nếp gấp β và vòng .Tất cả các phần còn lại mà không thể phân loại vào một trong 3 kiểu này thường được gọi là cuộn dây ngẫu nhiên. Ngoài những yếu tố phổ biến của cấu trúc bậc 2, một số yếu tố khác đã được đề xướng. Tuy nhiên chúng chỉ chiếm một phần nhỏ và không thể là một nguyên tắc cấu trúc chung cho protein.
1.2.2 Cấu trúc bậc 2
Theo các nguyên tắc hóa học cơ bản và một vài quan sát thực nghiệm, Pauling và Corey dự đoán sự tồn tại của các dạng cấu trúc bậc 2 này vào năm 1951, một vài năm trước khi cấu trúc protein đầu tiên được làm sáng tỏ.
1.2.1.1 Xoắn
Mô hình cấu trúc bậc 2 nổi bậc nhất là xoắn. Có 3 kiểu xoắn được biết đến xảy ra trong các protein tự nhiên, xoắn 310, xoắn α và xoắn π .Kiểu xoắn phổ biến nhất là xoắn α.
- Cấu trúc xoắn α (α helix): Đoạn mạch polipeptide xoắn chặt lại, những nhóm peptide (-CO-NH-), Cα tạo thành phần bên trong (lõi) của xoắn, các mạch bên (nhóm R) của các gốc acid amine quay ra phía ngoài.
- Cấu trúc xoắn α được giữ vững chủ yếu nhờ liên kết hidro. Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm carboxyl của 1 liên kết peptide với nhóm –NH của liên kết peptide thứ tự sau nó (cách nhau 3 gốc acid amine) trên cùng một mạch polipeptide
- Theo mô hình của Paulin và Cori, trong cấu trúc xoắn giữa 2 gốc acid amine kế tiếp nhau có khoảng cách dọc thep trục xoắn là 1,5AO và góc quay 100O, 1 vòng xoắn có 3,6 gốc acid amine có chiều cao tương ứng là 5,4 AO.
- Chiều của vòng xoắn có thể là xoắn phải (theo chiều thuận kim đồng hồ) hoặc xoắn trái (ngược chiều kim đồng hồ). Xoắn α trong phân tử protein thường là xoắn phải.
- Sự tạo thành và độ bền của cấu trúc xoắn α phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ thành phần và trình tự sắp xếp của các acid amine trong mạch polipeptide, pH môi trường,… Đến nay người ta đã biết được một số quy luật cơ bản để tạo thành xoắn α, Vì vậy, nếu xác định được cấu trúc bậc I của phân tử protein thì có thể dự đoán tỉ lệ xoắn α (% số gốc acid amine tham gia tạo thành xoắn) và vị trí của cấu trúc xoắn α trong phân tử protein.
- Tỉ lệ % xoắn α trong phân tử protein khác nhau thay đổi khá nhiều.
vi dụ: trong hemoglobin và mioglobin là 75%, lozozim là 35%, kimotripsin hầu như không có xoắn α, chỉ có một phần xoắn rất ngắn ở đầu C.
- Khi tạo thành cấu trúc xoắn α, khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang bên phải tăng lên, vì thế có thể dựa vào tình chất này để xác định % xoắn trong phân tử protein.
                                                                

Hình : Ví dụ cấu trúc xoắn alpha. A: mô hình giản lược, B: mô hình phân tử, C: nhìn từ đỉnh, D: mô hình không gian
Xoắn α
Hình : Ví dụ cấu trúc xoắn alpha. A: mô hình giản lược, B: mô hình phân tử, C: nhìn từ đỉnh, D: mô hình không gian
Xoắn α
Hình : Ví dụ cấu trúc xoắn alpha. A: mô hình giản lược, B: mô hình phân tử, C: nhìn từ đỉnh, D: mô hình không gian
Xoắn 310
Xoắn α
Phiến gấp β:
Pauling và Corey đưa ra mô hình về cấu trúc đối xứng của protein sợi β-keratin. Trong dạng cấu trúc polypeptide này không có dạng xoắn ốc. thay vì thế, nó có dạng zigzag hơn là xoắn α. Amino acid trong cấu trúc đối xứng β các góc Φ và Ψ có giá trị dương. Giá trị đặc trưng của Φ là -140 độ và Ψ là 130 độ. Ngược lại, amino acid của xoắn thì cả 2 góc này mang giá trị âm. Một vùng của polypeptide mà các amino acid tồn tại dạng đối xứng sẽ là dạng sợi β và các sợi này liên kết với nhau thông qua liên kết H để tạo thành phiến.
Trong một phiến beta với 2 hoặc nhiều hơn 2 chuỗi polypeptide chạy dọc nhau và được liên kết theo một phương thức chung bởi liên kết hydrogen giữa các nhóm CO và NH của chuỗi chính. Vì vậy tất cả các liên kết hydrogen trong phiến alpha là tạo bởi các đoạn khác nhau trong chuỗi polypeptide. Sự đối ngược này với dạng xoắn alpha nơi mà tất cả liên kết hydrogen gồm yếu tố giống ở cấu trúc bậc 2. Nhóm R (các chuỗi bên) của các amino acid “láng giềng” trong điểm chuỗi beta ngược hướng.
Trong phiến beta song song, tất cả các sợi chạy cùng một hướng, trong khi đó trong các phiến đối song, chúng chạy ngược hướng nhau. Trong phiến hỗn hợp, một vài sợi song song và một số khác đối song nhau.
Song song và đối song song ở phiến gấp β
Phiến gấp β

Hình 1 : Ví vụ một của cấu trúc nếp gấp beta
(các mũi tên chỉ hướng chuỗi axit amin)
Vòng
Mô hình cấu trúc thứ 3 được xác định là vòng. Các loại phổ biến nhất của mô hình này là vòng loại I và loại II
Vòng được chia thành các lớp dựa trên góc phi và psi ( của amino acid ở vị trí i+1 và i+2. Sự khác nhau chính giữa chúng là sự tồn tại hướng của liên kết peptide giữa các amino acid ở (i+1) và (i+2).
Góc xoắn giữa amino acid (i+1) và (i+2) trong 2 loại nằm trong các vùng khác nhau của đồ thị Ramachadran.
Chú ý rằng phần (i+2) của loại II nằm trong một vùng đồ thị Ramachandran có thể chỉ thấy ở Glycine. Từ sơ đồ của vòng này, nó có thể thấy được đó là phần (i+2) có một chuỗi bên. Vì thế, phần (i+2) trong vòng ngược loại 2 gần như luôn là glycine
Ngoài các kiểu cấu trúc bậc II trên, trong phân tử của nhiều protein hình cầu còn có các đoạn mạch không cấu trúc xoắn, phần vô định hoặc cuộn lộn xộn.
Cấu trúc kiểu “xoắn colagen”

Kiểu cấu trúc này tìm thấy trong phân tử colagen. Thành phần acid amine của colagen rất đặc biệt so với các protein khác: glyxin 35%, prolin 12% tổng số acid amine trong phân tử. Ngoài ra, colagen còn chứa 2 acid amine ít gặp trong các acid amine khác là hydroxiproline và hydroxilizin.
Đơn vị cấu trúc của colagen là tropocolagen bao gồm 3 mạch polipeptide bện vào nhau thành một “dây cáp” siêu xoắn (vì mỗi mạch đều có cấu trúc xoắn).

3 mạch polipeptide trong “dây cáp” nối với nhau bằng các liên kết hidro.
Liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm –NH- của gốc glyxin trên mạch polipeptide với nhóm -CO- trong liên kết peptide ở trên mạch polipeptide khác. Ngoài ra các nhóm hydroxyl của hydroxipoline cũng tham gia tạo thành liên kết hydro làm tăng độ bền của cấu trúc siêu xoắn.
1.2.3 Cấu trúc bậc 3
Cấu trúc bậc ba là dạng không gian của cấu trúc bậc hai, làm cho phân tử protein có hình dạng gọn hơn trong không gian. Sự thu gọn như vậy giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống. Cơ sở của cấu trúc bậc ba là liên kết disulfid. Liên kết được hình thành từ hai phân tử cystein nằm xa nhau trên mạch peptid nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian do sự cuộn lại của mạch oevtid. Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững.
Cấu trúc bậc 3 đã tạo nên trung tâm hoạt động của phần lớn các loại enzym. Sự thay đổi cấu trúc bậc ba dẫn đến sự thay đổi hướng xúc tác của enzym hoặc mất khả năng xúc tác hoàn toàn.
Ngoài liên kết disulfit, cấu trúc bậc ba còn được ổn định (bền vững) nhờ một số liên kết khác như: tương tác VanderWaals, liên kết hidro, lực ion.
1.2.4 Cấu trúc bậc 4
Khi protein có nhiều chuỗi polypeptide phối hợp với nhau thì tạo nên cấu trúc bậc bốn của protein. Các chuỗi polypeptide liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hyđro.
2. Xác định và trực quan của cấu trúc protein
2.1 Nguồn gốc và hạn chế của dữ liệu kết cấu 3D
Thông tin về cấu trúc 3-D của các đại phân tử sinh học có thể được tìm thấy trong dữ liệu của Protein Ngân hàng (www.pdb.org). Hầu hết các cấu trúc dữ liệu trong cơ sở dữ liệu PDB đã thu được bởi một trong ba phương pháp: tinh thể học tia X (trên 80%), giải pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) (khoảng 16%).


Số cấu trúc nghiên cứu mỗi năm của PDB (04-May-2006)
Tinh thể học tia X là ngành khoa học xác định sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong một tinh thể dựa vào dữ liệu về sự phân tán của các tia X sau khi chiếu vào các electron của tinh thể. Sau khi xây dựng được hình ảnh 3 chiều của mật độ các electron bên trong tinh thể, vị trí của nguyên tử tính trung bình, các liên kết hóa học... có thể được thu thập.
Bước quan trọng trong tinh thể học tia X là sự nhiễu xạ tia X từ tinh thể. Một tinh thể là một vật rắn với các nguyên tử bên trong có trật tự cố định và được lặp đi lặp lại dọc theo 3 hướng chính gọi là vector cơ sở hay vector lưới (bais hay lattice). Nhiều chất có thể chuyển về dạng tinh thể như muối, kim loại, khoáng chất, chất bán dẫn, cũng như các phân tử vô cơ, hữu cơ hay sinh học khác.
Sau khi thu được dạng tinh thể của một chất, nó sẽ được treo lên máy đo góc (goniometer) và được bắn tia X vào, tạo ra các mẫu nhiễu xạ của các điểm gọi là điểm phản xạ. Tiếp, tinh thể sẽ được xoay tròn từ từ (theo một độ dời góc nhất định) và cứ mỗi lần xoay ta lại thu thập một mẫu nhiễu xạ mới. Tập hợp các ảnh 2D này sẽ được chuyển thành một mô hình 3D về mật độ của các electron bên trong tinh thể nhờ phương pháp toán học biến đổi Fourier và dữ liệu hóa học của mẫu (tức là ta đã biết thành phần hóa học của chất). Từ đó, có thể suy ra vị trí của các nhân nguyên tử mật độ electron và dữ liệu hóa học.
2.2 Tinh thể học tia X
2.3 Cộng huởng từ hạt nhân
Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là một hiện tượng vật lý dựa trên tài sản từ của hạt nhân nguyên tử. NMR nghiên cứu một hạt nhân từ, như của một nguyên tử hydro, bằng cách sắp xếp nó với một từ trường bên ngoài và nhiễu loạn này liên kết bằng cách sử dụng một trường điện từ. Đáp ứng với các lĩnh vực (gây nhiễu), là những gì được khai thác trong quang phổ NMR và hình ảnh cộng hưởng từ. Hạt nhân được bao quanh bởi các electron quay xung quanh, mà cũng quay các hạt tích điện [tức là nam châm] và do đó một phần lá chắn hạt nhân. Số lượng che chắn phụ thuộc vào môi trường địa phương chính xác. Ví dụ, một hydro liên kết với oxy sẽ được bảo vệ khác với một hydro ngoại quan đến một nguyên tử carbon. Ngoài ra, hai hạt nhân hydrogen có thể tương tác thông qua một quá trình được gọi là khớp nối quay spin-nếu họ đang ở trên cùng một phân tử, mà sẽ phân chia các dòng của quang phổ trong một cách nhận biết. Bằng cách nghiên cứu các đỉnh núi của NMR quang phổ, các nhà hoá học có tay nghề cao có thể xác định cấu trúc của nhiều hợp chất. Nó có thể là một kỹ thuật rất chọn lọc, phân biệt nhiều giữa các nguyên tử trong một phân tử hoặc bộ sưu tập của các phân tử cùng loại, nhưng chỉ khác nhau về môi trường hóa học của địa phương.



Giải quyết một cấu trúc protein bằng cách sử dụng NMR là giống như một mảnh tốt công việc thám tử. Các nhà nghiên cứu tiến hành một loạt các thí nghiệm, mỗi trong số đó cung cấp manh mối một phần về bản chất của các nguyên tử trong phân tử mẫu - chẳng hạn như khoảng cách giữa hai nguyên tử với nhau, cho dù những nguyên tử này được thể chất ngoại quan với nhau, hoặc trong trường hợp các nguyên tử nằm trong cùng một acid amin. Các thí nghiệm khác cho thấy các liên kết giữa các axit amin liền kề hay làm lộ ra các khu vực linh hoạt trong protein. Thách thức của NMR là để sử dụng một số bộ thí nghiệm như vậy để trêu chọc tính chất độc đáo cho từng nguyên tử trong mẫu. Sử dụng chương trình máy tính, với máy quang phổ NMR một có thể có được một ý tưởng sơ bộ về hình dạng tổng thể của protein và có thể xem các thỏa thuận có thể có của các nguyên tử trong các bộ phận khác nhau của nó. Mỗi thiết lập mới của các thí nghiệm tiếp tục lọc các cấu trúc này có thể xảy ra. Cuối cùng, các nhà khoa học một cách cẩn thận lựa chọn 20 đến 40 giải pháp tốt nhất đại diện cho các dữ liệu thí nghiệm của họ và hiện tại trung bình của các giải pháp này là cấu trúc cuối cùng của họ.


2.4 Cơ sở dữ liệu protein kiến trúc
Cath (http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath_new/index.html) là một phân loại thứ bậc của các cấu trúc protein trong ngân hàng dữ liệu protein Brookhaven. Cụm protein ở bốn cấp độ lớn, Class (C), Kiến trúc (A), Cấu trúc liên kết (T) và họ chất tương đồng (H) [Orengo, CA, Michie, AD, Jones, S., Jones, DT, Swindells, MB, Thornton, JM (1997) Cơ cấu. Vol 5. Không 8. p.1093-1108].


Cơ sở dữ liệu SCOP (Phân loại cấu trúc của protein, http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/) nhằm mục đích để cung cấp một mô tả chi tiết và toàn diện về các mối quan hệ cấu trúc và tiến hóa giữa tất cả các protein có cấu trúc được biết đến, bao gồm tất cả các mục trong dữ liệu Protein Ngân hàng [AG Murzin, Brenner SE, Hubbard T., Chothia C. (1995) J. Mol. Biol. 247, 536-540]. Nó có sẵn như là một tập hợp các chặt chẽ liên kết siêu văn bản tài liệu mà làm cho cơ sở dữ liệu lớn dễ hiểu và dễ tiếp cận.