Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromin

Ion kim loại, sự gấp nếp và trạng thái tồn tại của protein

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long 

Sự tương tác hết sức phức tạp giữa các hợp chất hữu cơ (protein, đường, lipid) và các hợp chất vô cơ (ion kim loại, phi kim) là cơ sở cơ bản nhất để tạo lập nên sự sống. Hiện nay, chúng ta đã biết ít nhất 13 kim loại thiết yếu cho sự sống của cả thực vật và động vật. Trong đó, sodium – potassium – magnesium – calcium có vai trò lớn nhất, chiếm 1-2% trọng lượng cơ thể, gọi là các nguyên tố kim loại đại lượng. 9 kim loại khác là những kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp d của bản tuần hoàn, còn được gọi là nguyên tố kim loại vi lượng vì chỉ chiếm tổng cộng 0,01% trọng lượng cơ thể: Vanadium, Chromium, Molbydenum, Manganese, Sắt (quan trọng nhất, 4-5 grams), Cobalt, Nickel, Đồng, Zince.

Nồng độ kim loại trong tế bào được điều hòa rất chặt chẽ và luôn ở nồng độ tối ưu, vì nồng độ quá cao hay quá thấp đều có ảnh hưởng gây chết tế bào và cơ thể. Nhờ đặt tính này, khi các kim loại kết hợp với protein, chúng tạo ra vô số các chức năng chuyên biệt cần thiết cho sự sống.

Hình 8.1: Vùng hoạt động của ribozyme được hình thành khi RNA ở dạng cấu trúc hairpin (chuỗi RNA đơn tạo thành chuỗi “kép” nhờ sự bắt cặp giữa các base purine và pyrimidine theo qui tắc bổ sung). Liên kết phosphate-ester có khả năng đứt gãy nằm ở “sườn” của guanine 8 (G8) và Adenine (A38) – được làm bền bởi liên kết hydrogen. Cấu trúc được biểu diễn ở đây là hình dạng lập thể ở dạng muối của Vanadium – nguyên tố trung tâm.

Cho tới nay người ta đã biết có khoảng 30% protein và 40% enzyme trong tế bào có chứa ít nhất một nguyên tố kim loại. Các amino acid thường đóng vai trò là ligand của các nguyên tố kim loại trong protein là thiolates của cysteines, imidazoles của histidines, carboxylate của glutamate và aspartate, phenolate của tyrosine. Ví dụ, nhánh bên của γ-carboxyglutamate thường gắn với ion calcium. Cần biết rằng, mỗi kim loại có hoạt tính như một acid Lewis, có thể kết hợp với nhiều ligands và chịu sự chi phối mạnh mẽ của các hiệu ứng hóa học. Như ta đã biết, trạng thái ion hóa của kim loại quyết định số phối trí và dạng hình học của nó; tuy nhiên, trong hệ thống sinh học, sự bền về mặt năng lượng của ion kim loại còn phải kể đến độ tương thích của nó với phân tử protein mà nó gắn kết để tạo metalloprotein. Vì vậy, các nguyên lý nhiệt động lực học cần phải được xem xét kĩ lưỡng hơn.

Hình 8.2: γ-carbooxyglutamate và các vị trí gắn Calcium của nó.

Mỗi kim loại có một tính chất hóa học riêng. Vì lý do đó, các kim loại khác nhau tham gia vào các phân loại chức năng sinh học khác nhau, nhưng vẫn có sự trùng lấp. Ví dụ, sắt và đồng là các kim loại có hoạt tính oxi hóa khử do vậy thường có mặt trong các phản ứng của chuỗi chuyền điện tử, các quá trình dự trữ và vận chuyển oxygen bởi các protein tương ứng (hemoglobin, myoglobin và hemocyanin). Ngược lại với sắt và đồng, zinc là một trung tâm siêu acid (superacid center – có hoạt tính acid mạnh hơn dung dịch acid sulfuric 100%) trong một số loại metalloenzymes, kích hoạt sự thủy phân và phân cắt nhiều liên kết hóa học. Tiêu biểu cho nhóm này là carboxypeptidases, carbonic anhydrase và alcohol dehydrogenase. Zinc còn đôi khi có vai trò cấu trúc trong protein (ví dụ, superoxide dismutase và zinc finger motifs), gần đây người ta còn thấy rằng zinc có tác động đến quá trình phiên mã thông qua protein Glut4. Các nguyên tố kim loại vi lượng khác thường là thành phần của các metalloenzymes. Ví dụ:

-          Manganese là một cofactor của các superoxide dismutase trong ti thể, phosphatase vô cơ,…

-          Nickel có mặt trong urease và một vài hydrogenase.

-          Mobydenum và Vanadium được tìm thấy trong nitrogenase (cùng với ion sulfur và sắt).

Hình 8.3: Oxygen gắn kết với Hemerythrin và các thông số cơ bản.

Mặc dù cấu trúc của các metalloprotein được hiểu biết rõ ràng, các lộ trình sinh tổng hợp nối kết kim loại và gấp nếp vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Vào năm 2011, Feng Gai và các đồng nghiệp đã tìm ra phương pháp để quan sát trực tiếp quá trình gấp nếp, chúng ta có thể hi vọng trong tương lai, vấn đề này sẽ được sáng tỏ.

Ái tính đối với kim loại của protein cũng là một vấn đề phức tạp. Người ta không biết chính xác bằng cách nào tế bào đồng thời tồn tại các protein liên kết yếu với kim loại và các protein liên kết mạnh với kim loại khi mà về logic nhiệt động học, các liên kết mạnh sẽ có ưu thế hơn rất nhiều. Có 2 giả thuyết để giải thích cho câu hỏi trên:

-          Protein gấp nếp chồng chéo quanh các vị trí gắn kết kim loại của nó để “bảo vệ” kim loại mà nó gắn kết.

-          Giả thuyết được chấp nhận nhiều hơn là sự gắn kim loại vào protein được kiểm soát rất chặt chẽ bởi các protein chuyên biệt (ví dụ, đồng chaperones) hoặc không chuyên biệt (ví dụ, ferrochelatase) của hệ thống vận chuyển (protein-based delivery system).

Hình 8.4: Cầu nối kim loại – imidazolate của Cu-Zn superoxide dismuatase. Nhánh bên của histidine ở vị trí 63 tồn tại như một ion imidazolate (cả hai proton của imidazolium được thay thế bởi đồng (I và II) và zince (II) – hai acid Lewis mạnh). Đây là dạng mà histidine tồn tại dạng ion imidazolate duy nhất được biết cho đến nay (được phát hiện bởi giáo sư Daryl Eggers).

Xét đồng, ion này gần như không ở trạng thái tự do trong tế bào chất vì hoạt tính oxi hóa – khử mạnh của nó có thể gây tổn hại đến protein, lipids và nucleic acids. Vì lẽ đó, nồng độ đồng trong tế bào được kiểm soát rất chặt chẽ, hầu hết các ion đồng sẽ được đưa vào đúng vị trí hoạt động của nó bởi hệ thống đồng chaperone.

Hình 8.5: Minh họa sự phân phối Cu bởi chaperones. Trình bày cả vai trò của Cu-P-type ATPases trong quá trình sinh tổng hợp cuproenzymes và sự tiết chế Cu. Ctr1 làm cho quá trình hấp thu Cu+ ở mặt đỉnh (tế bào biểu mô ruột) và mặt bên (tế bào gan). Trong tế bào chất, ion Cu+ được dự trữ trong một phức hợp với metallothioneins (MT) bởi tác động trung gian của GSH hoặc bởi một chaperones đặc hiệu. Ccs chaperone chuyển Cu+ đến Cu/Zn superoxide dismuatase Sod1/2; Cox17 đến vị trí CuA và CuB của ti thể COX thông qua Sco1-2 và Cox11; Atox 1 đến P-type ATPase ATP7A/ATP7B – nơi chúng thực hiện vai trò sinh tổng hợp và chế tiết. Cu+. ATP7A hoạt động ở màng đáy bên và có vai trò cung cấp Cu cho Albumin (ALB) còn ATP7B ở màng đỉnh và cuproferroxidase ceruloplasmin (CP) cũng ở màng đáy bên.

Đối với sắt, transferrins vận chuyển sắt vào tế bào và giải phóng nó vào endosome và hemopexin cũng vận chuyển apo-hem tới endosome.

Hình 8.6: Trình bày vai trò của transferrin và hoạt tính của sắt.

Người ta đã xác định được chính xác rằng hầu hết các ion kim loại gắn vào protein ở giai đoạn cuối của quá trình gấp nếp. Sẽ rất thú vị khi biết rằng người ta dùng thuật ngữ “yin-yang” để chỉ hoạt tính của kim loại, ở tài liệu này chúng tôi tạm dịch là “âm – dương”. Nghĩa là, chúng là một cofactor thiết yếu của protein nhưng lại rất độc đối với cơ thể khi ở trạng thái tự do. Rất nhiều tình trạng bệnh lý liên quan đến điều này. Ví dụ như hội chứng Menke’s (do hấp thu không đủ đồng), bệnh lý Wilson’s (liên quan đến chuyển hóa đồng) cũng như là các tình trạng suy thoái thần kinh khác,…

Nhìn chung, quá trình chuyển hóa các nguyên tố kim loại trong cơ thể ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình gấp nếp protein. Vì một lý do gì đó mà protein không được gấp nếp, tình trạng bệnh lý sẽ xảy ra như một hậu quả chắc chắn. Ngược lại, trong một số trường hợp, việc gắn các ion kim loại vào protein sẽ gây nên các biến đổi nào đó, làm protein mất hoạt tính hoặc bị phá vỡ cấu trúc,… điều này cũng sẽ dẫn đến tình trạng bệnh lý. Nhờ sự tiến bộ của sinh học phân tử tế bào, người ta đã biết được các tình trạng suy thoái thần kinh như Alzheimer’s, Parkinson’s có liên quan đến sự tăng cao nồng độ của sắt, đồng và zinc. Sự thoái giáng của amyloid β-protein (Aβ) liên quan trực tiếp đến ion kim loại, vì khi ion kim loại gắn vào protein, nó sẽ ngăn cản sự hình thành cấu trúc lõi β dạng chữ thập (cross-β core) của các sợi A này. Một ví dụ cụ thể, khi nồng độ zinc đạt mức micromol, sự tương tác giữa protein và kim loại sẽ tạo ra một thể kết tập bệnh lý mất cấu trúc sợi ổn định của Aβ ở các sợi glutamatergic synapse (vì các sợi synapse này có hoạt tính tiết ra nhiều zinc và đồng trong thời gian rất ngắn ở tình trạng sinh lý, do vậy các rối loạn bệnh lý cũng xảy ra dễ dàng ở đây).

Hình 8.7: Cấu trúc của một EF hand motif.

Kim loại có thể đóng vai trò như một yếu tố góp phần hình thành cấu trúc của protein. Việc gắn một ion kim loại vào chuỗi polypeptide đã gấp nếp sẽ tạo thành các liên kết chồng chéo tại các tiểu phân đặc biệt của protein, kết quả của quá trình này là tạo nên sự ổn định trong cấu trúc và chức năng của nó.Ví dụ, zinc tham gia vào sự cấu tạo nên cấu trúc zinc finger có motif chung là Cys2His2 – một trong những domain phổ biến nhất trong hệ thống protein người. Một ví dụ khác là EF-hand motif, có vai trò quan trọng trong việc thu nhập – dự trữ và vận chuyển Ca2+ giống như calbindin và parvalbumin. Cuối cùng, ion kim loại còn có vai trò quan trọng đặc biệt với các protein nhạy kim loại (các protein này tương tác trực tiếp với DNA và điều hòa sự biểu hiện gene). Cơ chế của quá trình này là các ion kim loại tham gia tạo thành các motif vòng α – một motif có tương tác chuyên biệt với DNA. Do vậy các protein nhạy kim loại này đóng vai trò như một “công tắc”, có thể “bật” và “tắt” quá trình biến đổi cấu trúc của DNA, thông qua đó điều hòa quá trình biểu hiện gene của tế bào.

Hình 8.8: Cấu trúc vòng α xoắn dạng right-handed điển hình.

 

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh