Tag Archives: sự gấp nếp protein

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).

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.