Bài giảng Cấu trúc, chức năng, và sinh tổng hợp protein - ThS.BS. Đỗ Thị Thanh Thủy

Nội dung text: Bài giảng Cấu trúc, chức năng, và sinh tổng hợp protein - ThS.BS. Đỗ Thị Thanh Thủy

1. CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, VÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN ThS.BS.Đỗ Thị Thanh Thủy
2. NỘI DUNG BÀI GIẢNG CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Bốn bậc cấu trúc của protein Các liên kết trong phân tử protein CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng của protein SINH TỔNG HỢP PRTEIN Sinh tổng hợp protein Các biến đổi để tạo protein chức năng TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ môn Hóa sinh, Đại học Y Dược TP. HCM. (2005), Hóa sinh Y học. Nhà xuất bản Y học. Bruce A (2002), Molecular biology of the cell. 4nd Edition. Garland Publishing, Inc., New York and London. Branden C, Tooze J (1999), Introduction to Protein Structure, second edition. Garland Publishing. Cantor C and Schimme P, Biophysical Chemistry: Part I: The Conformation of Biological Macromolecules,1st edition, W. H. Freeman. Gary Walsh, (2002), Proteins: Biotechnology and Biochemistry. John Wiley and Sons Ltd.
3. MỤC TIÊU BÀI GIẢNG 1. Nêu được bốn bậc cấu trúc của protein và các liên kết trong phân tử protein. 2. Nêu được mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng của protein 4. Mô tả được các bước trong quá trình sinh tổng hợp protein Và một số biến đổi để tạo protein chức năng
4. SINH TỔNG HỢP PROTEIN
5. GENOMICS VÀ PROTEOMICS GENOME Bộ gen (hệ gen) GENOMICS Nghiên cứu về bộ gen (hệ gen) PROTEOME Bộ protein của tế bào hay mô PROTEOMICS Nghiên cứu về bộ protein của các loài
6. GENOMICS VÀ PROTEOMICS Năm 2003, bộ gen người được giải mã, chứa khoảng 3 tỉ cặp base, ước tính khoảng 20.000 đến 25.000 gen. 3 billion base pair => 6 G letters & 1 letter => 1 byte The whole genome can be recorded in just 10 CD-ROMs! Bộ protein phức tạp hơn nhiều Do vị trí splicing khác nhau Do biến đổi sau dịch mã Ước tính >100.000 phân tử protein khác nhau (Feb 12, 2008, có 48891 Cấu trúc protein trong PDB)
7. CẤU TRÚC CỦA PROTEIN Cấu trúc bậc I (Primary structure) Trình tự AA và các vị trí liên kết hóa trị (chủ yếu là liên kết disulfit) trong chuỗi polypeptid Cấu trúc bậc II (Secondary structure) Biểu thị cấu trúc thông thường của một chuỗi polypeptid (gồm xoắn a, lá gấp b, và các xoắn hay vòng hình chữ U) Cấu trúc bậc III (Tertiary structure) Biểu thị cấu trúc ba chiều của một chuỗi polypeptid, và tính ổn định của cấu trúc này nhờ các liên kết yếu giữa các chuỗi Cấu trúc bậc IV (Quaternary structure) Protein có nhiều chuỗi polypeptid có cấu trúc bậc ba
8. CẤU TRÚC PROTEIN Cấu trúc bậc I Cấu trúc bậc II Cấu trúc bậc IV Cấu trúc bậc III
9. CẤU TRÚC PROTEIN helix-loop-helix motif gắn Calci HAIRPIN BETA SHEET motif Motifs: các dạng cấu trúc bậc 2 trong nhiều polypeptid.
10. CẤU TRÚC PROTEIN Pyruvate kinase có 3 domain Domains là những vùng chức năng của polypeptid
11. LIÊN KẾT TRONG PT PROTEIN LK Peptid
12. LIÊN KẾT TRONG CẤU TRÚC PROTEIN LK giữa các nhóm kị nước và Lực van der Waals Trục LK Peptid LK Hydro LK Disulfid LK muối (LK ion)
13. LIÊN KẾT TRONG PT PROTEIN
14. LIÊN QUAN GIỮA CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN ❖ Protein có vai trò quan trọng trong cơ thể ❖ Mỗi protein có một cấu trúc ba chiều duy nhất được xác định bởi trình tự aa ❖ Cấu trúc của protein liên quan chặt chẽ với chức năng của nó. ❖ Cấu trúc của protein có thể được tiên đoán nhờ các chương trình tin sinh học.
15. LIÊN QUAN GIỮA CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Example of enzyme reaction Hormone receptor Antibody substrates enzyme A enzyme B enzyme A Binding to A
16. HbA HbS OXY-STATE DEOXY-STATE
17. LUẬN THUYẾT TRUNG TÂM Central Dogma of Biology DNA transcription RNA translation Protein Replication Chuyển mã (sao chép) ARNm Giải mã (phiên mã) Francis Crick 1958
18. LUẬN THUYẾT TRUNG TÂM (Bổ xung) DNA Reverse Transcription Transcription (Retrovirus) RNA viruses (David Baltimore RNA và Howard Temin) Protein Prions: scrapie và mad cow Stanley Pruisner 1997 Nobel Prize
19. THÀNH PHẦN SINH TỔNG HỢP PROTEIN tARN RIBOSOME (rARN) mARN
20. Codon-anticodon
21. SINH TỔNG HỢP PROTEIN GIAI ĐOẠN KHỞI ĐẦU Yếu tố khởi đầu: IF-1, IF-2, IF-3. ❖ mRNA gắn vào tiểu đơn vị nhỏ của Ribosome ❖ Tiểu đơn vị lớn gắn vào tạo Ribosome hoàn chỉnh ❖ Tín hiệu codon khởi đầu trên mRNA (thường là AUG) ❖ tRNA với anticodon UAC và methionine gắn vào codon khởi đầu ở vị trí P
22. SINH TỔNG HỢP PROTEIN GIAI ĐOẠN KÉO DÀI Yếu tố kéo dài: EF-Tu (EF thermo unstable) EF2: chuyển vị ❖ Vị trí A rỗng, chấp nhận tARN gắn aa kế tiếp ❖ Cả 2 vị trì P và A đều gắn với các tARN có chứa AA ❖ Liên kết PEPTID được tạo thành giữa 2 AA ❖ tARN ở vị trí P rời ra và phóng thích
23. SINH TỔNG HỢP PROTEIN GIAI ĐOẠN KÉO DÀI ❖ tARN ở vị trí A di chuyển đến vị trí P ❖ Mã ba mới ở vị trí A thu hút phức hợp tARN-AA mới.
24. SINH TỔNG HỢP PROTEIN GIAI ĐOẠN KẾT THÚC Yếu tố kết thúc: RF1 RF2 RF3 UAA UAG UGA ❖ Đoạn polypeptid tiếp tục kéo dài, cho đến khi gặp stop codon ở vị trí A, không có phức hợp tRNA-AA nào gắn vào vị trị này. ❖ Đoạn polypeptid được phóng thích
25. POLYSOM
26. 30 năm nghiên cứu cấu trúc của Ribosome EM: Electron Microscopy Nobel hóa học 2009: Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz, Ada E. Yonath Cấu trúc và chức năng của Ribosome Hiểu được những vấn đề cơ bản trong STH protein
27. BIẾN ĐỔI TẠO PROTEIN CHỨC NĂNG Protein sẽ gấp và xoắn (folding: helices, β sheets ) và biến đổi (phosphoryl, carboxy, carbohydrates).
28. BIẾN ĐỔI TẠO PROTEIN CHỨC NĂNG ◼ Protein có khuynh hướng gấp và xoắn thành cấu hình có năng lượng tự do thấp nhất. ◼ Protein bắt đầu gấp và xoắn từ khi đang được tổng hợp. ◼ Protein đưa các phần kỵ nước vào trong để tạo dạng α helix. ◼ Hầu hết protein đều có dạng cấu trúc bậc 2: α helice và β sheet.
29. SỐ PHẬN CỦA PROTEIN SAU GIẢI MÃ
30. BIẾN ĐỔI TẠO PROTEIN CHỨC NĂNG chaperonin
31. BIẾN ĐỔI TẠO PROTEIN CHỨC NĂNG
32. THOÁI HÓA PROTEIN Proteasome
33. SỐ PHẬN CỦA PROTEIN SAU GIẢI MÃ
34. Amyotrophic lateral sclerosis SOD1 (Superoxide dismutase 1) gắn Cu và Zn, phân hủy các gốc superoxide tự do. Đột biến (>100) gây bệnh Amyotrophic lateral sclerosis gia đình (Xơ cứng cột bên teo cơ) nhà vật lý nổi tiếng thế giới Stephen Hawking: bức xạ của lỗ đen
35. Tích tụ các protein liên quan mật thiết với nhau được gọi là Abeta peptit, tạo thành những mảng Amyloid bất thường và các nhóm mô xơ sợi thần kinh cuộn rối bao xung quanh TB thần kinh, làm chết tế bào não và hậu quả là mất khả năng tái tạo các tế bào thần kinh.
36. Mảng β amyloid Amyloid precursor protein 1. (APP) là tiền chất của các mảng bám dạng bột 1. APP xuyên màng TB thần kinh. 2. Enzyme cắt APP thành các 2. đoạn, có đoạn gọi là β Amyloid. 3. Các đoạn β Amyloid có khuynh hướng tạo thành cụm gọi là mảng 3.
37. Tau protein: Giữ hệ thống vi ống bền vững. Trong AD, Tau protein bị thay đổi, tích tụ lại với nhau tạo thành các cuộn rối xơ sợi thần kinh
38. Stanley Ben Prusiner, 1997 Transmissable spongiform encephalopathies (TSEs), gồm bệnh bò điên (BSE) và bệnh Creutzfeld Jakob (CJD) ở người. Bệnh xảy ra khi protein tên PRION xoắn sai lệch PrPc (Prion Protein cellular) PrPsc (Prion Protein scrapie) (binh thường là thành phần màng TB TK) Khi xoắn sai, goi là infectious prion, gây hiệu ứng domino tới các prion bình thường khác, truyền qua đường ăn uống.
39. Stanley Ben Prusiner, 1997 PrPsc PrPc (Prion Protein cellular) PrPsc (Prion Protein scrapie) Hiệu ứng domino của các prion (proteinaceous infectious particle)
40. Gen Huntington: vùng lập lại trinucleotide (CAG mã hóa cho glutamine) (<28 lần) ở exon 1(NST 4). Bệnh Huntington: vùng lập lại CAG mở rộng (40 lần), tạo ra protein sai lệch. Polyglutamin của protein Huntingtin folding không đúng, gây tích tụ các protein này, phá hủy tế bào thần kinh
41. BIẾN ĐỔI TẠO PROTEIN CHỨC NĂNG Sau khi tổng hợp hoặc đồng thời trong khi giải mã ❖ Cắt bỏ một hay nhiều đoạn peptid INSULIN Tổng hợp dưới dạng PREPROINSULIN H2N- - Loại bỏ signal sequence (PRE) - Loại bỏ đoạn peptid (PRO) H2N- - Cầu disulphide nối 2 đoạn peptide disulfide H2N- bonds H2N- ZYMOGEN
42. BIẾN ĐỔI TẠO PROTEIN CHỨC NĂNG ❖ Biến đổi hóa trị: thường xảy ra sau khi giải mã Collagen: Proline → Hydroxyproline (cấu trúc bền) (hydroxylation) Cần Vitamin C O Thiếu Vitamin C → không Hydroxyproline O C OH → Scurvy C R HN R N OH H OH Prothrombin: Glutamate → gamma- Carboxy Glutamate O (carboxylation) O H2N CH C OH Cần Vitamin K H2N CH C OH CH2 Thiếu vitamin K → RL đông máu CH2 CH2 CH C O O C C O O- O- O-
43. BIẾN ĐỔI TẠO PROTEIN CHỨC NĂNG modification target site cellular process Phosphorylation Ser, Thr, Tyr signalling, activation Glycosylation Asn, Ser, Thr protein activity Methylation Arg, Lys, His, Glu prot. repair, chemotaxis Hydroxylation Pro, Lys, Asn, Asp collagen structure Sulfation Tyr protein-protein intera’n Prenylation Cys signalling Palmitoylation Cys membrane association Myristoylation N-terminus membrane association Acetylation Lys, N-terminus gene expression Sulfation Tyr protein-protein intera’n Amidation C-terminus bioactive peptides Ubiquitylation Lys degradation Truncation various activation
44. NGHIÊN CỨU VỀ PROTEIN
45. NGHIÊN CỨU VỀ PROTEIN Gene → Protein → 3D Structure → Function
46. VÍ DỤ VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Osteoarthritis (OA): Viêm khớp xương Autoimmunity: rheumatoid arthritis (RA): thấp khớp multiple sclerosis (MS): đa xơ cứng