Cấu trúc bậc bốn của protein (Quaternary structure of protein)

Các điểm chính:

• Định nghĩa: Cấu trúc bậc bốn là sự sắp xếp không gian của nhiều chuỗi polypeptide (tiểu đơn vị) trong một protein phức tạp.
• Tiểu đơn vị: Mỗi chuỗi polypeptide trong phức hợp protein được gọi là một tiểu đơn vị. Các tiểu đơn vị có thể giống hoặc khác nhau về trình tự amino acid.
• Liên kết: Các tiểu đơn vị được giữ với nhau bằng các liên kết không cộng hóa trị tương tự như những liên kết ổn định cấu trúc bậc ba, bao gồm:
  • Liên kết hydro: Giữa các nhóm phân cực của các amino acid.
  • Tương tác kỵ nước: Giữa các nhóm không phân cực của các amino acid.
  • Liên kết ion: Giữa các nhóm mang điện tích trái dấu.
  • Cầu disulfide: Liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ giữa các nguyên tử lưu huỳnh của cysteine. Mặc dù cầu disulfide là liên kết cộng hóa trị, nó thường được xem xét trong bối cảnh cấu trúc bậc bốn khi nó liên kết các tiểu đơn vị khác nhau.
• Chức năng: Cấu trúc bậc bốn đóng vai trò quan trọng trong:
  • Điều hòa hoạt động: Sự tương tác giữa các tiểu đơn vị có thể ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ protein, ví dụ như hợp tác trong liên kết phối tử.
  • Ổn định: Phức hợp protein có thể ổn định hơn so với các tiểu đơn vị riêng lẻ.
  • Tạo ra các vị trí hoạt động phức tạp: Sự kết hợp của các tiểu đơn vị có thể tạo ra các vị trí hoạt động mà không thể có được trong một chuỗi polypeptide đơn lẻ.
• Ví dụ:
  • Hemoglobin: Gồm bốn tiểu đơn vị (hai chuỗi alpha và hai chuỗi beta), mỗi tiểu đơn vị liên kết với một nhóm heme chứa sắt để vận chuyển oxy. Sự tương tác giữa các tiểu đơn vị này cho phép hemoglobin thực hiện chức năng hợp tác, nghĩa là việc liên kết một phân tử oxy làm tăng ái lực của protein đối với các phân tử oxy tiếp theo.
  • Enzyme: Nhiều enzyme có cấu trúc bậc bốn, cho phép điều hòa hoạt động enzyme một cách phức tạp. Ví dụ, một số enzyme được điều hòa allosteric, trong đó việc liên kết một phân tử hiệu ứng ở một vị trí trên protein có thể ảnh hưởng đến hoạt động của vị trí hoạt động trên một tiểu đơn vị khác.

Phân loại dựa trên số lượng tiểu đơn vị

• Dimer: Hai tiểu đơn vị.
• Trimer: Ba tiểu đơn vị.
• Tetramer: Bốn tiểu đơn vị.
• Pentamer: Năm tiểu đơn vị.
• Oligomer: Một thuật ngữ chung để chỉ protein có nhiều tiểu đơn vị. Oligomer có thể bao gồm các tiểu đơn vị giống nhau (homo-oligomer) hoặc khác nhau (hetero-oligomer).

Sự sắp xếp của các tiểu đơn vị

Các tiểu đơn vị trong một protein có cấu trúc bậc bốn có thể sắp xếp theo nhiều cách khác nhau, tạo ra sự đa dạng về hình dạng và chức năng. Sự sắp xếp này thường được xác định bởi sự tương tác giữa các amino acid trên bề mặt của các tiểu đơn vị. Một số dạng sắp xếp phổ biến bao gồm:

• Đối xứng xoắn: Các tiểu đơn vị sắp xếp theo hình xoắn ốc.
• Đối xứng vòng: Các tiểu đơn vị sắp xếp thành một vòng khép kín.
• Đối xứng khối: Các tiểu đơn vị sắp xếp thành một khối lập phương hoặc hình dạng tương tự.

Ảnh hưởng của cấu trúc bậc bốn lên chức năng protein

Cấu trúc bậc bốn ảnh hưởng đến chức năng protein theo nhiều cách:

• Hợp tác: Trong một số protein, sự liên kết của một phối tử với một tiểu đơn vị có thể ảnh hưởng đến ái tính liên kết của các tiểu đơn vị khác với cùng loại phối tử. Hiện tượng này gọi là hợp tác và rất quan trọng trong việc điều hòa hoạt động của nhiều enzyme và protein vận chuyển, ví dụ như hemoglobin. Sự hợp tác có thể là dương tính (liên kết phối tử đầu tiên làm tăng ái lực cho các phối tử tiếp theo) hoặc âm tính (liên kết phối tử đầu tiên làm giảm ái lực cho các phối tử tiếp theo).
• Tạo vị trí hoạt động: Trong một số enzyme, vị trí hoạt động được hình thành ở giao diện giữa các tiểu đơn vị. Điều này cho phép sự tương tác phức tạp giữa các tiểu đơn vị đóng góp vào chức năng xúc tác.
• Điều hòa allosteric: Sự liên kết của một phân tử điều hòa ở một vị trí trên protein (vị trí allosteric) có thể ảnh hưởng đến cấu trúc bậc bốn và do đó ảnh hưởng đến hoạt động của protein. Sự thay đổi cấu trúc này có thể làm tăng hoặc giảm hoạt động của protein.

Hiểu biết về cấu trúc bậc bốn là cần thiết để hiểu đầy đủ về cơ chế hoạt động của protein và thiết kế các loại thuốc hoặc liệu pháp nhằm mục tiêu vào chúng.

Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bậc bốn

Một số phương pháp được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bậc bốn của protein bao gồm:

• Tinh thể học tia X: Phương pháp này cho phép xác định vị trí chính xác của các nguyên tử trong protein, từ đó xây dựng mô hình ba chiều của cấu trúc protein. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu protein phải được kết tinh, điều này có thể khó khăn đối với một số protein, đặc biệt là protein màng.
• NMR (Cộng hưởng từ hạt nhân): NMR cung cấp thông tin về động lực học và cấu trúc của protein trong dung dịch. Phương pháp này phù hợp hơn với protein có kích thước nhỏ hơn so với tinh thể học tia X.
• Kính hiển vi điện tử lạnh (Cryo-EM): Phương pháp này cho phép hình ảnh hóa các protein lớn và phức tạp ở độ phân giải gần nguyên tử. Cryo-EM đã có những tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây và trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc bậc bốn.
• Các phương pháp sinh hóa: Các kỹ thuật như sắc ký lọc gel và siêu ly tâm phân tích có thể được sử dụng để xác định khối lượng phân tử và số lượng tiểu đơn vị trong một protein. Các phương pháp này thường được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật cấu trúc khác để cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh về cấu trúc bậc bốn. Ví dụ, sắc ký lọc gel có thể được sử dụng để xác định xem một protein tồn tại dưới dạng monomer, dimer hay oligomer. Siêu ly tâm phân tích có thể cung cấp thông tin về hình dạng và kích thước của phức hợp protein.

• Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). Biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.
• Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.
• Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (2016). Fundamentals of biochemistry: Life at the molecular level (5th ed.). John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein là gì?

Trả lời: Cấu trúc bậc ba mô tả sự sắp xếp không gian của một chuỗi polypeptide đơn lẻ, trong khi cấu trúc bậc bốn mô tả sự sắp xếp của nhiều chuỗi polypeptide (tiểu đơn vị) để tạo thành một phức hợp protein hoạt động. Cấu trúc bậc ba được ổn định bởi các liên kết không cộng hóa trị giữa các amino acid trong cùng một chuỗi, trong khi cấu trúc bậc bốn được ổn định bởi các liên kết tương tự giữa các chuỗi polypeptide khác nhau.

Tại sao cấu trúc bậc bốn lại quan trọng đối với chức năng của một số protein?

Trả lời: Cấu trúc bậc bốn cho phép protein thực hiện các chức năng mà một chuỗi polypeptide đơn lẻ không thể thực hiện được. Ví dụ, nó có thể tạo ra các vị trí hoạt động phức tạp, tạo điều kiện cho sự hợp tác giữa các tiểu đơn vị (như trong hemoglobin) và cho phép điều hòa allosteric, tức là sự điều chỉnh hoạt động của protein thông qua sự liên kết của một phân tử ở vị trí khác với vị trí hoạt động.

Làm thế nào để các đột biến ảnh hưởng đến cấu trúc bậc bốn của protein?

Trả lời: Đột biến, tức là sự thay đổi trong trình tự DNA, có thể ảnh hưởng đến cấu trúc bậc bốn bằng cách thay đổi các amino acid tham gia vào tương tác giữa các tiểu đơn vị. Điều này có thể dẫn đến sự giảm ổn định của phức hợp protein, làm thay đổi ái lực liên kết với các phối tử hoặc thậm chí ngăn cản sự hình thành cấu trúc bậc bốn hoàn toàn.

Ngoài tinh thể học tia X, NMR và Cryo-EM, còn có phương pháp nào khác để nghiên cứu cấu trúc bậc bốn của protein?

Trả lời: Có nhiều phương pháp bổ sung để nghiên cứu cấu trúc bậc bốn, bao gồm: sắc ký lọc gel, siêu ly tâm phân tích, tán xạ ánh sáng động, phép đo giao thoa tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS), và các phương pháp lai hóa như FRET (Förster resonance energy transfer). Những kỹ thuật này cung cấp thông tin về kích thước, hình dạng, và sự tương tác giữa các tiểu đơn vị.

Làm thế nào kiến thức về cấu trúc bậc bốn của protein có thể được ứng dụng trong y học?

Trả lời: Hiểu biết về cấu trúc bậc bốn của protein rất quan trọng cho việc thiết kế thuốc. Nhiều loại thuốc hoạt động bằng cách nhắm mục tiêu vào các protein cụ thể. Kiến thức về cấu trúc bậc bốn có thể giúp xác định các vị trí liên kết thuốc tiềm năng và thiết kế các loại thuốc ức chế hoặc kích hoạt hoạt động của protein một cách hiệu quả. Ví dụ, một số loại thuốc chống ung thư nhắm mục tiêu vào các protein có cấu trúc bậc bốn liên quan đến sự phát triển của tế bào ung thư.