Luận văn Quá trình thoát của protein mới sinh tại đường hầm thoát ribosome

những khác biệt trong chiều dài và trình tự amino acid quyết định. Nhìn chung, mỗi protein với một trình tự amino acid xác định tại các điều kiện sinh lý bình thường sẽ chỉ gấp nếp thành một hoặc một số ít hình dạng lập thể giống nhau – gọi là cấu hình native. Những khác biệt trong cấu hình native và tính chất hóa học của các chuỗi bên của các amino acid quyết định chức năng của protein. Do đó protein có khả năng thực hiện rất nhiều chức năng khác nhau bên trong và bên ngoài tế bào. Những 8 chức năng này rất quan trọng cho sự sống. Các protein phối hợp hoạt động để duy trì sự sống và đảm bảo chức năng chính xác của tế bào. 1.1.2.1. Cấu trúc bậc một của protein Cấu trúc bậc một của protein là trình tự amino acid trong protein. Có nhiều thuật ngữ dùng để chỉ chuỗi polymer tạo bởi các amino acid. Chuỗi amino acid ngắn liên kết với nhau bằng liên kết peptide và có trình tự xác định gọi oligopeptide hay chỉ đơn giản là peptide; chuỗi dài gọi là polypeptide. Peptide thường chứa ít hơn 30 amino acid, còn polypepide thường dài từ vài chục tới vài trăm amino acid. 1.1.2.2. Cấu trúc bậc hai của protein Cấu trúc bậc hai là thành tố đặc trưng của cấu trúc protein. Cấu trúc bậc hai là sự sắp xếp không gian địa phương của các vùng trong chuỗi polypeptide. Những phân đoạn này gắn với nhau thông qua liên kết hydro giữa các nhóm –NH và –CO của mạch khung, thường tạo thành các mô hình cấu trúc có tính lặp. Các cấu trúc bậc hai cơ sở là xoắn α, phiến β và đoạn ngoặt β ngắn hình chữ U. Hình 1.3: Biểu diễn mạch xương sống của các cấu trúc bậc hai phổ biến của protein: (a) 2RJX xoắn 𝛼 và (b) 1SHG phiến β [7] Cấu trúc xoắn α: Trong phân đoạn polypeptide có kiểu gấp nếp xoắn α, mạch khung xoắn lại. Ở cấu trúc dạng này O thuộc nhóm –CO của mỗi liên kết peptide tạo liên kết hydro với H thuộc nhóm –NH của amino acid thứ tư 9 trong chuỗi. Trong xoắn α, mọi nhóm –NH và –CO của mạch khung liên kết hydro với nhau, trừ các nhóm tại hai đầu tận cùng của chuỗi polypeptide. Kiểu sắp xếp liên kết theo chu kì này tạo thành cấu trúc xoắn từ đầu amin đến đầu carboxyl với chiều cao mỗi xoắn là 5,4 Å. Mỗi vòng xoắn chứa 3,6 amino acid, do đó khoảng cách giữa hai nguyên tử Cα liền nhau theo phương trục xoắn là 1,5 Å. Trong xoắn α, liên kết hydro ổn định của các amino acid làm mạch khung có dạng trụ dài, thẳng, từ đó nhóm R của amino acid quay ra ngoài xác định tính chất ưa nước hay kỵ nước của xoắn. Trong dung dịch xoắn kỵ nước thường vùi trong lõi của protein đã cuốn, trong khi xoắn ưa nước thường nằm tại bề mặt của protein, nơi chúng có thể tương tác với môi trường nước. Hình 1.4: Cấu trúc xoắn alpha Cấu trúc phiến β: Chứa các mạch β là một phân đoạn ngắn (5 đến 8 amino acid) và hầu như trải ra hết cỡ. Không như xoắn α, liên kết hydro trong phiến β hình thành giữa các nguyên tử nằm trên khung của các mạch β riêng biệt nhưng liền kề nhau trong không gian ( Hình 1.3 (b)). Liên kết hydro trong mạch phẳng phiến giữ các mạch β với nhau và các nhóm R gắn phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng này. Phiến β có tính định hướng do chiều của liên kết peptide. Do đó, trong phiến xếp nếp, các mạch β sát nhau có thể nằm cùng 10 chiều (song song) hoặc ngược chiều (đối song song). Kẹp tóc 𝛽 ( 𝛽 – harpin) là một cấu trúc đơn giản của phiến 𝛽 chỉ gồm hai mạch 𝛽 phản song song được nối với nhau bởi một đoạn uốn cong chứa từ 2 đến 5 amino acid. Cấu trúc đoạn ngoặt β: Gồm 4 amino acid tạo thành một đường cong hẹp, uốn mạch khung của chuỗi polypeptide quay ngược lại. Cấu trúc bậc hai hình chữ U ngắn này được ổn định nhờ liên kết hydro giữa hai đầu. Đoạn ngoặt β giúp các protein lớn gấp lại rất gọn. Có 6 loại đoạn ngoặt khác nhau được xác định, cấu trúc chi tiết của chúng phụ thuộc vào sự sắp xếp không gian và liên kết hydro. 1.1.2.3. Cấu trúc bậc ba của protein Cấu trúc bậc ba của protein là cấu hình tổng thể của chuỗi polypeptide hay sắp xếp ba chiều của toàn bộ các amino acid. Cấu trúc bậc ba chủ yếu ổn định nhờ tương tác kỵ nước giữa các nhóm R không phân cực, liên kết hydro giữa các nhóm R phân cực và tương tác van der Waals. Các tương tác này yếu nên cấu trúc bậc ba của protein không cứng nhắc mà luôn dao động nhỏ và liên tục. Thậm chí một số phân đoạn cấu trúc bậc ba của protein linh động đến mức chúng được coi là bị mất trật tự (không có cấu trúc lập thể bền vững, tường minh). Tuy vậy, sự biến thiên cấu trúc này lại quan trọng đối với chức năng và sự điều hòa của protein. Tính chất hóa học của nhóm R của amino acid quyết định cấu trúc bậc ba của protein. Amino acid có chuỗi bên phân cực, ưa nước hay tích điện thường nằm trên bề mặt của protein. Những amino acid này tương tác với nước, giúp protein hòa tan trong dung dịch và tạo tương tác không cộng hóa trị với các phân tử không hòa tan trong nước, bao gồm các protein khác. Ngược lại, amino acid với chuỗi bên không phân cực, kỵ nước thường bị cô lập cách xa bề mặt tiếp xúc nước của protein. Trong nhiều trường hợp chúng tạo thành lõi trung tâm không hòa tan trong nước (gọi là mô hình giọt dầu của protein cầu vì lõi tương đối kỵ nước hay “có tính dầu”). Nhóm R phân cực, ưa nước, không tích điện có thể nằm trong bề mặt cũng như trong lõi của protein. 11 Dựa trên cấu trúc bậc ba có thể chia protein thành ba loại: protein sợi, protein cầu và protein xuyên màng. Protein sợi là phần tử lớn, dài, cứng và thường cấu thành từ nhiều trình tự ngắn lặp liên tiếp, tạo thành cấu trúc bậc hai lặp đơn. Protein sợi thường kết tụ thành sợi lớn gồm nhiều protein và không hòa tan trong nước. Chúng thường có vai trò tạo nên cấu trúc hoặc tham gia vào sự vận động của tế bào. Protein cầu thường chứa tập hợp các cấu trúc bậc hai, hòa tan trong nước, gấp nếp chặt và không có hình cầu hoàn hảo. Protein xuyên màng nhúng trong lớp phospholipid kép của màng. Màng này đóng vai trò bức tường của tế bào và cơ quan tử. Ba loại protein này không hoàn toàn độc lập, một số protein cấu thành từ tổ hợp của hai hoặc thậm chí cả ba loại này. 1.1.2.4. Cấu trúc bậc bốn của protein Một số protein gồm các chuỗi polypeptide tập hợp thành một đại phân tử chức năng. Cấu trúc bậc bốn là cấu trúc của protein do sự tập hợp các tiểu đơn vị polypeptide đó. Cấu trúc bậc bốn là sự sắp xếp không gian giữa các cấu trúc bậc ba của các protein. Ví dụ về các tổ hợp đại phân tử với chức năng cấu trúc bao gồm capsid bao bọc bộ gen của virus và các bó sợi khung tế bào giúp chống đỡ và tạo hình tế bào chất. Các tổ hợp đại phân tử khác hoạt động như các bộ máy phân tử, thực hiện hầu hết các quá trình phức tạp của tế bào bằng cách tích hợp những chức năng riêng lẻ thành một chỉnh thể thống nhất. 1.2. HIỆN TƯỢNG CUỐN PROTEIN TRONG ỐNG NGHIỆM Tế bào phải thực hiện các quá trình nghiêm ngặt để tạo ra những protein với đầy đủ các chức năng. Sau khi các ribosome liên kết các amino acid thành các chuỗi polypeptide không phân nhánh (là cấu trúc bậc một của protein) thì mỗi chuỗi polypeptide này được cuốn nếp, biến đổi thành cấu hình lập thể mang cấu trúc bậc hai, bậc ba và có thể bậc bốn. Cấu hình này được gọi là trạng thái native (trạng thái tự nhiên của protein). Với hầu hết protein, trạng thái tự nhiên là cấu hình bền vững nhất và theo quan điểm nhiệt động học thì trạng thái này có năng lượng tự do thấp nhất. Quá trình cuốn protein là quá trình biến đổi động lực học của chuỗi polypeptide từ trạng thái duỗi với cấu trúc bậc một tới trạng thái tự nhiên của protein. Tùy thuộc vào 12 điều kiện bên ngoài mỗi chuỗi polypeptide có thể cuốn thành rất nhiều các hình dạng khác nhau. Vì vậy quá trình cuốn có thể cho sản phẩm là một cấu hình khác với cấu hình tự nhiên của protein, gọi là quá trình cuốn lỗi. Protein sẽ mất đi các chức năng sinh học vốn có khi nằm ở trạng thái cuốn lỗi. Như vậy, yếu tố nào quyết định cấu hình tự nhiên của protein? Cơ chế nào giúp cho protein cuốn về trạng thái tự nhiên nhanh và chính xác? Trước hết, dễ thấy mặt phẳng liên kết peptide hạn chế phương thức cuốn nếp của chuỗi polypeptide. Liên kết peptide có tính chất tương đối giống liên kết đôi nên nguyên tử C của nhóm –CO và N của nhóm –NH và các nguyên tử gắn trực tiếp với chúng phải nằm trên cùng một mặt phẳng cố định. Liên kết peptide không thể tự quay quanh nó. Do vậy biến thiên cấu hình của chuỗi polypeptide chỉ do độ linh động của khung quyết định. Độ linh động này lại do góc quay của các mặt phẳng cố định tạp thành từ liên kết giữa Cα với N của nhóm –NH (góc quay gọi là ) và liên kết giữa Cα với C của nhóm –CO (góc quay gọi là ) quyết định ( Hình 1.3). Các góc xoay  và  bị hạn chế bởi các ràng buộc địa phương về không gian của các nguyên tử trong chuỗi polypeptide. Theo nghịch lý Levinthal [9], nếu thời gian protein nằm ở mỗi cấu hình là 10–12 s thì để trải qua tất cả các cấu hình protein sẽ cần một khoảng thời gian lớn hơn tuổi vũ trụ. Thực nghiệm quan sát được thời gian cuốn của protein cỡ từ vài phần nghìn giây tới vài giây. Nghĩa là protein sẽ không trải qua tất cả các cấu hình trước khi đạt tới trạng thái tự nhiên. Các ràng buộc về không gian và các ràng buộc trong liên kết peptide đã hạn chế được đáng kể các cấu hình trung gian. Tuy nhiên, số lượng các cấu hình khả dĩ vẫn tăng theo hàm số mũ của N là số amino acid trong protein vì vậy không loại bỏ được nghịch lý Levinthal. Các thí nghiệm của Christian Anfinsen [10] về quá trình cuốn của protein biến tính (denatured) trong ống nghiệm cho thấy trình tự bậc một là thông tin cần cho cấu trúc lập thể chính xác. Một số yếu tố, ví dụ như năng lượng nhiệt động từ nhiệt độ, pH khắc nghiệt với khả năng thay đổi điện tích chuỗi bên của amino acid và các hóa chất làm biến tính (denaturants), có thể 13 phá hủy các tương tác không cộng hóa trị yếu, làm entropy tăng nhanh và làm duỗi protein. Tập hợp protein biến tính này chứa rất nhiều loại cấu hình không có hoạt tính sinh học và không trong trạng thái tự nhiên. Các thí nghiệm của Anfinsen cho thấy khi đưa mẫu chứa một loại protein tinh sạch, ở trạng thái biến tính về điều kiện thường (nhiệt độ sinh lý, pH bình thường, pha loãng hoặc loại bỏ chất biến tính) thì hầu hết các chuỗi polypeptide đã biến tính có thể tự phục hồi cấu hình tự nhiên mang hoạt tính sinh học. Điều này khiến Anfinsen đi đến kết luận rằng trình tự chuỗi amino acid là đủ để xác định cấu trúc ba chiều của protein. Quá trình cuốn lại của protein biến tính là tự phát và không cần sự hỗ trợ của các yếu tố liên quan. 1.3. QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN TRONG TẾ BÀO Quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình trung tâm của sinh học phân tử, là sự truyền thông tin di truyền vào các protein mang chức năng. Quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình phức tạp và bao gồm hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã. 1.3.1. Quá trình phiên mã Phiên mã (sao mã) là quá trình tổng hợp mRNA (messenger RNA – RNA thông tin). Trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ bốn bazơ A, G, C và T) trên phân tử DNA được sao chép thành trình tự nucleotide (trong ngôn ngữ bốn bazơ A, G, C và U) trên phân tử mRNA. Quá trình này gồm 3 bước sau: Khởi đầu phiên mã: Enzyme polymerase liên kết vào đoạn trình tự DNA khởi đầu phiên mã hình thành phức hệ đóng với DNA. Trong giai đoạn này, DNA vẫn duy trì ở dạng sợi kép, trong khi enzyme liên kết vào bề mặt của chuỗi xoắn kép. Sau đó polymerase làm biến đổi vùng DNA xoắn kép gần vị trí khởi đầu hình thành phức hệ mở, DNA tách thành hai mạch đơn. Kéo dài chuỗi mRNA: Enzyme polymerase di chuyển dọc theo mạch khuôn DNA theo chiều từ 3’ đến 5’ và thay đổi cấu hình để liên kết ổn định vào mạch khuôn đồng thời thực hiện một loạt các chức năng khác: Giãn xoắn mạch DNA ở phía trước, tổng hợp chuỗi RNA theo nguyên tắc bổ sung, tách chuỗi RNA khỏi mạch khuôn DNA và đóng xoắn mạch DNA ở phía sau. 14 Kết thúc phiên mã: Khi RNA polymerase đã phiên mã hết chiều dài gene nó dừng lại giải phóng RNA đã tổng hợp xong và tách khỏi DNA. Sau khi được tổng hợp, mRNA di chuyển tới các ribosome để trực tiếp tổng hợp protein cho tế bào. 1.3.2 Quá trình dịch mã Là quá trình tổng hợp protein từ tế bào chất, ngôn ngữ bốn bazơ của mRNA được dịch mã thành ngôn ngữ 20 amino acid của protein. Quá trình giải mã trình tự nucleotide trên mRNA thành trình tự amino acid cần sự tham gia của các phân tử tRNA (transfer RNA hay RNA vận chuyển). Ở tế bào vi khuẩn, hiện đã xác định được 30 – 40 loại tRNA và ở tế bào động vật và thực vật có khoảng 50 – 100 loại tRNA. Như vậy, mỗi amino acid (20 loại) có thể gắn với nhiều tRNA. Ngoài ra một loại tRNA có thể bắt cặp với nhiều codon trong mã di truyền (61 loại). Để tổng hợp protein, tRNA mang amino acid được hoạt hóa tới khớp với bộ ba nucleotide (còn gọi là bộ ba hay codon) trên mRNA để amino acid đã hoạt hóa gắn vào chuỗi polypeptide đang được tổng hợp. Quá trình dịch mã bao gồm các bước cơ bản sau: Hoạt hóa amino acid tự do trong tế bào chất: Amino acid được hoạt hóa nhờ gắn với hợp chất giàu năng lượng adenosinetriphosphate (ATP). Sau đó, các amino acid đã được hoạt hóa liên kết với tRNA tương ứng để tạo nên phức hợp amino acid – tRNA. Mở đầu chuỗi polypeptide: Các tiểu phần của ribosome lắp ráp gần vị trí khởi đầu dịch mã trên mRNA cùng với tRNA mang methionine có gắn đầu amin sẽ liên kết bazơ với codon mở đầu. Phức hợp amino acid mở đầu – tRNA (aa0 – tRNA) tiến vào ribosome đối mã của nó khớp với mã mở đầu trên mRNA theo nguyên tắc bổ sung. Kéo dài chuỗi polypeptide: tRNA vận chuyển amino acid thứ nhất tiến vào ribosome đối mã với nó (theo nguyên tắc bổ sung). Enzyme xúc tác tạo thành liên kết peptide giữa amino acid mở đầu và amino acid thứ nhất. Ribosome dịch chuyển đi một bộ ba trên mRNA làm cho tRNA mở đầu rời khỏi ribosome. Tiếp đó aa2 – tRNA tiến vào ribosome, đối mã của nó khớp 15 với mã thứ hai trên mRNA. Liên kết peptide giữa aa1 và aa2 được tạo thành. Sự dịch chuyển lại xảy ra, và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi ribosome tiếp giáp với bộ ba kết thúc. Trong mỗi chu trình kéo dài chuỗi, ribosome trải qua hai lần biến đổi hình dạng. Lần đầu tiên cho phép tRNA đang tới gắn chặt vào mRNA và tRNA đã hoàn thành nhiệm vụ giải phóng khỏi mRNA. Lần biến đổi hình dạng thứ hai dẫn tới sự dịch chuyển. Kết thúc chuỗi polypeptide: Ribosome chuyển dịch sang bộ ba kết thúc và ngừng quá trình dịch mã. Hai tiểu phần của ribosome tách nhau ra. Một enzyme đặc hiệu loại bỏ amino acid mở đầu giải phóng chuỗi polypeptide. 1.4. QUÁ TRÌNH CUỐN ĐỒNG DỊCH MÃ CỦA PROTEIN Quá trình cuốn của protein xảy ra đồng thời với quá trình tổng hợp protein (hay dịch mã mRNA) được gọi là cuốn đồng dịch mã (cotranslational folding). Protein chỉ có thể cuốn hoàn chỉnh khi được tổng hợp xong và chui ra ngoài đường hầm thoát. Để có thể tổng hợp một lượng protein đủ nhanh, mỗi phân tử mRNA thường được dịch mã cùng một lúc bởi nhiều ribosome. Tương tác kỵ nước dễ dẫn đến sự kết tụ của các chuỗi polypeptide mới sinh, đặc biệt đối với các chuỗi mới sinh được tổng hợp gần nhau từ cùng một mRNA. Sau khi ribosome đầu tiên kết hợp với mRNA thực hiện dịch mã được một đoạn ngắn, thì ở phía sau, nhiều ribosome khác cũng bám vào mRNA để dịch mã. Cùng một lúc, tại vị trí rất gần nhau trong tế bào sẽ xuất hiện rất nhiều các protein mới sinh có cấu trúc bậc một giống hệt nhau, lại chưa đạt đến cấu trúc cuốn bền vững và chỉ được cuốn một phần. Dịch mã tương đối chậm nên cấu trúc một phần và nhạy cảm với kết tụ sẽ tồn tại trong một khoảng thời gian tương đối dài. Các chuỗi mới sinh đã cuốn một phần rất dễ bám chặt vào nhau, kết tụ thành một khối lớn, không thể tiếp tục cuốn bình thường và cũng không thể thực hiện được các chức năng sinh học nữa. Do hiệu ứng kỵ nước những nhánh kỵ nước lộ ra trên các phân tử khác nhau sẽ bám vào nhau khi chưa kịp vùi vào lõi của protein, thúc đẩy sự kết tụ. Sự kết tụ là nguyên nhân chính gây ra bệnh Alheimer do các protein kết tụ thành các sợi amyloid không hòa tan và hủy các tế bào thần kinh. 16 1.5. ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME Trong bán cầu lớn tại PTC (peptidyl transferase center) của ribosome chuỗi polypeptide được sinh tổng hợp. Trong bán cầu lớn này có một đường hầm thoát hẹp dẫn protein mới sinh từ nơi được tổng hợp tới môi trường tế bào. Đường kính của đường của đường hầm thoát có thể thay đổi từ 10 Å – 20 Å và không hoàn toàn thẳng [2]. Đường hầm thoát chật hẹp nhất và hơi uốn cong ở chỗ thắt cách PTC khoảng 20 Å. Đường hầm ribosome được xây dựng bởi các đoạn của phân tử 23S rRNA và một số protein ribosome (L4, L22, L39). Đường hầm có chiều dài trong khoảng 80 Å – 100 Å tùy thuộc vào cách định nghĩa cổng ra. Đường hầm có thể chứa trọng vẹn một chuỗi peptide thẳng gồm 30 amino acid hoặc một chuỗi có cấu trúc xoắn α gồm 60 amino acid. Mặt trong của đường hầm thoát có bản chất ưa nước cho phép chuỗi mới sinh chui ra dễ dàng không bị cản trở. 1.6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME LÊN QUÁ TRÌNH CUỐN CÁC PROTEIN MỚI SINH Đường hầm thoát ribosome chật hẹp đã tạo ra một số rào cản không gian cho sự hình thành các cấu trúc của protein mới sinh [2]. Các đơn vị cấu trúc đơn giản như xoắn α và phiến  có thể hình thành bên tại đường hầm thoát [3]. Và một số vùng cấu trúc nhỏ bậc ba khác có thể hình thành ở cổng ra của đường hầm thoát [4]. Vì vậy, quá trình protein cuốn hoàn thiện chỉ xảy ra bên ngoài đường hầm thoát. Thực nghiệm cho thấy ngay cả khi protein nằm bên ngoài đường hầm ribosome, sự có mặt của ribosome vẫn giúp cho protein cuốn chính xác hơn [12]. Thí nghiệm của Ito và cộng sự [5, 6] cho thấy ribosome ngừng dịch mã khi trong đường hầm xuất hiện trình tự SecM trong chuỗi polypeptide. Điều này gợi ý rằng đường hầm thoát có vai trò nhận biết trình tự amino acid và tham gia tích cực vào quá trình tổng hợp protein. Nghiên cứu mô phỏng trong mô hình đầy đủ các nguyên tử của Pande và các cộng sự cho thấy đường hầm ribosome tạo nên hàng rào năng lượng tự do đối với các amino acid và có cơ chế then cửa (gate-latch mechanism) kiểm soát sự thoát ra của các amino acid [13]. 17 Nghiên cứu mô phỏng gần đây của Hoàng và cộng sự [7] cho thấy quá trình cuốn protein tại đường hầm thoát ribosome xảy ra đồng thời với quá trình thoát protein ra khỏi đường hầm, và điều này giúp cho protein cuốn chính xác hơn. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài đường hầm lên quá trình thoát protein [8] cũng gợi ý rằng chiều dài của đường hầm ribosome đã được tự nhiên lựa chọn sao cho quá trình khuyếch tán protein ra khỏi đường hầm được hiệu quả đồng thời không làm cho protein thoát ra quá nhanh để tránh các nguy cơ cuốn nhầm và kết tụ. CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 2.1 MÔ HÌNH GO CHO PROTEIN Mô hình Go [14] là một loại mô hình đơn giản hóa cho protein cho phép nghiên cứu động lực học của quá trình cuốn protein. Các thế năng tương tác trong mô hình Go được xây dựng trên cấu trúc trạng thái native của protein sao cho trạng thái này có thế năng cực tiểu. Mô hình Go áp dụng thế năng hút cho các tương tác giữa các amino acid có tiếp xúc trong trạng thái native và thế năng đẩy cho các tương tác giữa các amino acid không tiếp xúc với nhau trong trạng thái native. Ngoài ra, giữa các amino acid lân cận nhau dọc theo chuỗi polypeptide người ta có thể áp dụng các thế năng cho các góc liên kết và góc nhị diện. Các nghiên cứu mô phỏng cho thấy mô hình Go cho cơ chế cuốn phù hợp với các kết quả thực nghiệm [15, 16]. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng một phiên bản mô hình Go [15] với thế năng Lennard-Jones 10-12 và các thế năng góc. Trong mô hình này, mỗi amino acid được coi là một hạt có khối lượng m và có vị trí trùng với vị trí của nguyên tử Cα. Gọi N là số amino acid trong chuỗi protein. Cấu hình phân tử protein được xác định bởi hệ vectơ {𝑟𝑖 ⃗}i=1,2,,N là tọa độ của tất cả các hạt. Năng lượng của protein tại một cấu hình cho trước được xác định bởi: E = VNative + VRepulsive + VBond + VAngles (2.1) Số hạng thứ nhất trong phương trình (2.1) là tổng các thế năng Lennard-Jones cho tương tác giữa các amino acid có tiếp xúc trong trạng thái native: 18 𝑉Native = ∑ 𝜀 [5( 𝜎𝑖𝑗 𝑟𝑖𝑗 ) 12 − 6( 𝜎𝑖𝑗 𝑟𝑖𝑗 ) 10 ] native 𝑖,𝑗>𝑖+3 (2.2) trong đó rij là khoảng cách giữa hai hạt thứ i và j, ε là tham số năng lượng ứng với độ sâu của thế năng, 𝜎𝑖𝑗 = 𝑟𝑖𝑗 𝑛𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 là tham số được chọn bằng khoảng cách giữa hạt i và j trong trạng thái native. Để xác định xem hai amino acid trong trạng thái native có tiếp xúc nhau hay không, chúng tôi sử dụng tiêu chí đề xuất bởi Best và Hummer [17] bằng cách xét tất cả các nguyên tử nặng trong hai amino acid (trừ các nguyên tử hydro). Nếu giữa hai amino acid thứ i và thứ j với i + 3 < j tồn tại một cặp nguyên tử nặng có khoảng cách nhỏ hơn 4,5 Å thì hai amino acid được cho là có tiếp xúc với nhau. Số hạng thứ hai trong phương trình (2.1) là tổng thế năng đẩy được cho bởi: 𝑉𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖𝑣𝑒 = ∑ 4 non-native 𝑖,𝑗>𝑖+3 𝜖 [( 𝜎 𝑟𝑖𝑗 ) 12 − ( 𝜎 𝑟𝑖𝑗 ) 6 ] 𝛩(21 6⁄ 𝜎 − 𝑟𝑖𝑗) (2.3) trong đó tổng theo i và j được lấy theo tất cả các cặp amino acid không có tiếp xúc trong trạng thái native, (x) là hàm bước Heavyside, σ = 5 Å. Các hạt liên tiếp nhau trong chuỗi protein tương tác thông qua thế năng điều hòa. Số hạng thứ ba trong phương trình (2.1) là tổng thế năng điều hòa: 𝑉Bond = 100𝜀 ∑ (𝑟𝑖,𝑖+1 − 𝑑0) 2𝑁−1 𝑖=1 , (2.4) trong đó d0 = 3.8 Å là khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon alpha liên tiếp trong chuỗi protein. Những hạn chế về không gian liên quan tới mặt phẳng liên kết peptide trong protein được đặc trưng bởi số hạng thứ tư trong phương trình (2.1) 𝑉𝐴𝑛𝑔𝑙𝑒𝑠 = 𝑉𝐵𝐴 + 𝑉𝐷𝐴, (2.5) 19 trong đó các số hạng vế phải của phương trình (2.5) lần lượt là thế năng liên quan tới các góc liên kết (bond angle) và các góc nhị diện (dihedral angle) trong chuỗi. 𝑉𝐵𝐴 = ∑ 𝑘0 2 (𝜃𝑖 − 𝜃0,𝑖) 2 , 𝑁−1 𝑖=2 (2.6) với góc liên kết 𝜃𝑖là góc tạo bởi ba nguyên tử carbon alpha liên tiếp, 𝜃0,𝑖 là góc liên kết ở trạng thái native, k0= 20 /rad2 là tham số. 𝑉𝐷𝐴 = ∑{𝐴[1 + 𝑐𝑜𝑠(𝜙𝑖 − 𝜙0,𝑖)] + 𝐵[1 + 𝑐𝑜𝑠3(𝜙𝑖 − 𝜙0,𝑖)]} 𝑁−3 𝑖=2 (2.7) với góc nhị diện 𝜙𝑖 là góc tạo bởi bốn nguyên tử carbon alpha liên tiếp nhau trong chuỗi, 𝜙0,𝑖 là góc nhị diện ở trạng thái gốc, A = −  và B = − 0.5  là các tham số. 2.2. MÔ HÌNH ĐƯỜNG HẦM THOÁT RIBOSOME Chúng tôi sử dụng mô hình đơn giản hóa cho đường hầm thoát của ribosome [7, 8] để khảo sát ảnh hưởng của đường hầm thoát lên quá trình thoát của các protein mới sinh. Đường hầm thoát được mô hình hóa như một ống hình trụ rỗng có chiều dài L = 80 Å, đường kính d = 15 Å và tâm chạy dọc theo trục x, với một đáy kín và một đáy mở gắn vào một bức tường phẳng mô phỏng mặt ngoài của ribosome. Giả sử tâm của đáy ống trụ (x = 0) chính là vị trí mọc của protein mới sinh hay PTC (nơi amino acid được gắn vào chuỗi polypeptide đang được tổng hợp). Protein từ đường hầm thoát chui ra ngoài qua đáy còn lại của đường hầm thoát. Tương tác giữa amino acid và tường đường hầm thoát là thế năng đẩy cho bởi thế năng Lennard-Jones bị cắt tại cực tiểu của thế năng: 𝑉𝑤𝑎𝑙𝑙(𝑟) = { 4𝜀 [( 𝜎 𝑟 ) 12 − ( 𝜎 𝑟 ) 6 ] + 𝜀, 𝑟 ≤ 21 6⁄ 𝜎 0, 𝑟 > 21 6⁄ 𝜎 (2.8) 20 trong đó σ = 5 Å và r là khoảng cách ngắn nhất từ tâm các amino acid đến tường của đường hầm cộng thêm 2.5 Å (tương ứng với bán kính Van der Waals của các hạt ảo được giả định là cấu trúc thành mặt trong của đường hầm thoát). Thế năng đẩy cho bởi (2.8) cũng được sử dụng cho tương tác đẩy của cổng ra đường hầm thoát và tường phẳng bao ngoài đáy đường hầm thoát đối với các amino acid. 2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ DỰA TRÊN PHƯƠNG TRÌNH LANGEVIN Động lực học phân tử là kĩ thuật mô phỏng sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi theo thời gian trạng thái của một hệ các hạt cổ điển tương tác với nhau qua việc tích phân phương trình chuyển động của chúng. Phương pháp động lực học phân tử cho phép xác định trạng thái của hệ ở một thời điểm t bất kì khi biết trạng thái ban đầu của hệ. Phương pháp động lực học phân tử có thể dùng để nghiên cứu các quá trình động lực học của protein. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp động lực học phân tử xét tới các tác động ngẫu nhiên của dung môi lên hạt chuyển động dựa trên phương trình Langevin. 2.3.1. Phương trình Langevin Chuyển động của các hạt cổ điển tuân theo các phương trình Newton. Trong trường hợp chuyển động của các hạt chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên do môi trường bên ngoài người ta sử dụng phương pháp động học phân tử dựa trên phương trình Langevin. Phương trình Langevin có thể được sử dụng để mô tả chuyển động của các hạt lớn như các amino acid trong protein trong