Luận án Động lực học cuốn protein trong môi trường tế bào

. Nồng độ theo thể tớch của M đại phõn tử giống nhau trong thể tớch V được cho bởi: Φc = (4pi/3)R3cM V . (6.4) 6.2. Ảnh hưởng của đỏm đụng đại phõn tử lờn sự ổn định cuốn của protein Sử dụng phương phỏp phõn tớch biểu đồ cú trọng số (WHAM) trước tiờn chỳng tụi khảo sỏt sự thay đổi của nhiệt dung riờng của protein do sự cú mặt của đỏm đụng đại phõn tử cho cỏc điều kiện biờn khỏc nhau. Kết quả thu được cho trường hợp điều kiện biờn cầu với Rwall = 50 A˚ trờn Hỡnh 6.2(a) cho thấy, khi nồng độ theo thể tớch đại phõn tử đỏm đụng tăng thỡ nhiệt độ tại đỉnh nhiệt dung riờng (chớnh là nhiệt độ chuyển pha cuốn - duỗi Tf ) cũng tăng và độ cao của đỉnh nhiệt dung (Cmax) giảm. Hỡnh 6.2(c) và (d) cho thấy nhiệt dung riờng cực đại giảm và nhiệt độ chuyển pha tăng khi nồng độ theo thể tớch đỏm đụng tăng là quy luật chung trong tất cả cỏc trường CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 103 420 440 460 480 500 520 540 560 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 C m a x(k B) Φc GB1 (c) pbc Rwall=100Rwall=50 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 T f (ε/ k B ) Φc GB1 (d) pbc Rwall=100Rwall=50 200 300 400 500 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 C (k B ) T (ε/kB) GB1 (a) φc=0.0φc=0.05φc=0.1φc=0.15φc=0.2φc=0.25φc=0.3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 50 60 70 80 90 100 F (un its of ε) Nc T=0.94 GB1 (b) φc=0.0φc=0.05φc=0.1φc=0.15φc=0.2φc=0.25φc=0.3 Hỡnh 6.2: Sự thay đổi theo tỷ lệ thể tớch đại phõn tử (Φc) của (a) nhiệt dung riờng C, (b) năng lượng tự do F của protein GB1 bị giam cầm trong quả cầu bỏn kớnh Rwall = 50 A˚, và (c) sự thay đổi của đỉnh nhiệt dung riờng Cmax và (d) nhiệt độ chuyển pha Tf theo Φc trong ba trường hợp: điều kiện biờn tuần hoàn (pbc) và điều kiện biờn cầu với cỏc bỏn kớnh Rwall = 100 A˚ và Rwall = 50 A˚. Cỏc sai số (errorbars) trờn hỡnh vẽ được xỏc định từ 5 kết quả mụ phỏng độc lập. hợp khảo sỏt bao gồm: điều kiện biờn tuần hoàn và điều kiện biờn cầu với cỏc bỏn kớnh Rwall = 50 A˚ và 100 A˚. Sự tăng của nhiệt độ chuyển pha cuốn - duỗi phản ỏnh rằng protein bền vững với nhiệt độ hơn khi nồng độ đỏm đụng tăng. Điều này cũng hoàn toàn phự hợp với kết quả thu được khi khảo sỏt sự thay đổi của năng lượng tự do ở nhiệt độ cỡ nhiệt độ chuyển pha (Tf = 0.94/kB) của protein GB1 bị giam cầm trong hỡnh cầu bỏn kớnh Rwall = 50 A˚ (Hỡnh 6.2(b)). Giản đồ năng lượng tự do cho thấy đỏm đụng làm tăng năng lượng tự do của cỏc trạng thỏi khụng cuốn. Nồng độ đại phõn tử càng cao, năng lượng tự do của trạng thỏi khụng cuốn càng lớn, do đú protein càng ổn định cuốn tốt hơn. Hỡnh 6.2(c) và (d) cũng cho thấy Cmax và Tf phụ thuộc tuyến tớnh vào Φc trong giới hạn cho phộp của sai số. Trong cỏc trường hợp điều kiện biờn cầu, độ dốc của cỏc đường tuyến tớnh lớn hơn so với trường hợp điều kiện biờn tuần hoàn. Điều này cho CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 104 thấy sự giam cầm làm cho ảnh hưởng của cỏc đại phõn tử đỏm đụng trở nờn mạnh hơn. Chỳ ý là cho mỗi giỏ trị Φc, sự chờnh lệch giữa cỏc giỏ trị Cmax và Tf cho ta ảnh hưởng cộng gộp của thế giam cầm và sự gia tăng ảnh hưởng của đỏm đụng do sự giam cầm gõy nờn. 6.3. Ảnh hưởng của đỏm đụng đại phõn tử lờn năng lượng tự do cuốn Trong mục này, chỳng tụi khảo sỏt chi tiết hơn sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn khi cú tỏc động của đỏm đụng so với trong mụi trường tự do khụng cú đỏm đụng. Năng lượng tự do cuốn được định nghĩa là hiệu của cỏc năng lượng tự do của trạng thỏi cuốn và trạng thỏi khụng cuốn. Từ dữ liệu mụ phỏng, năng lượng tự do cuốn được xỏc định theo cụng thức [100]: ∆FN−U ≡ FN − FU = −kBT ln ∫ 1Q‡ e−βF (Q)dQ∫ Q‡ 0 e−βF (Q)dQ  , (6.5) trong đú Q = Nc/N ∗ c là tỉ số của số tiếp xỳc cuốn giữa cấu hỡnh thu được từ mụ phỏng và trạng thỏi tự nhiờn của protein (0 ≤ Q ≤ 1), Q‡ tương ứng với Q ở trạng thỏi chuyển tiếp. Trong cụng thức (6.5), cỏc trạng thỏi cuốn và khụng cuốn được coi là tập hợp cỏc trạng thỏi vi mụ cú tỷ lệ tiếp xỳc cuốn lớn hơn và nhỏ hơn Q‡. Sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn dưới tỏc động của đỏm đụng đại phõn tử cú nồng độ Φc là ∆∆FN−U = ∆FN−U(Φc)−∆FN−U(0), (6.6) với ∆FN−U(0) tương ứng với Φc = 0. Ngoài ra, chỳng tụi cũng xem xột ảnh hưởng của đỏm đụng đại phõn tử lờn kớch thước của cỏc trạng thỏi cuốn và khụng cuốn. Bỏn kớnh hồi chuyển của trạng thỏi cuốn được cho bởi RNg = ∫ 1 Q‡ Rg(Q)e −βF (Q)dQ∫ 1 Q‡ e−βF (Q)dQ , (6.7) trong đú Rg(Q) là giỏ trị trung bỡnh của Rg theo Q. Bỏn kớnh hồi chuyển của trạng thỏi duỗi là RUg = ∫ Q‡ 0 Rg(Q)e −βF (Q)dQ∫ Q‡ 0 e−βF (Q)dQ , (6.8) CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 105 và bỏn kớnh hồi chuyển của trạng thỏi chuyển tiếp là R‡g = Rg(Q‡). (6.9) RNg , R U g , R ‡ g tại nhiệt độ T được tớnh từ dữ liệu mụ phỏng theo phương phỏp phõn tớch biểu đồ cú trọng số bởi cỏc cụng thức sau: RNg = ∑R k=1 ∑nk i=1R ik g Θ(Qik −Q‡)Pik∑R k=1 ∑nk i=1 Θ(Qik −Q‡)Pik , (6.10) RUg = ∑R k=1 ∑nk i=1R ik g Θ(Q‡ −Qik)Pik∑R k=1 ∑nk i=1 Θ(Q‡ −Qik)Pik , (6.11) R‡g = ∑R k=1 ∑nk i=1R ik g δ(Qi −Q‡)Pik∑R k=1 ∑nk i=1 δ(Qi −Q‡)Pik , (6.12) trong đú Rikg là bỏn kớnh hồi chuyển của cấu hỡnh thứ i ở mụ phỏng thứ k, Θ(x) là hàm bước Heaviside, δ(x) là hàm delta Dirac, Pik là trọng số của cấu hỡnh i ở mụ phỏng thứ k Pik = e−βEik∑R m=1 nm exp(fm − βmEik) , (6.13) với fm là cỏc trọng số năng lượng tự do, xỏc định bởi phương phỏp WHAM. Chỳng tụi khảo sỏt sự phụ thuộc của năng lượng tự do cuốn theo nồng độ theo thể tớch đỏm đụng đại phõn tử Φc cho protein GB1 trong ba trường hợp: điều kiện biờn tuần hoàn (pbc), điều kiện biờn cầu với bỏn kớnh Rwall = 100 A˚ và điều kiện biờn cầu với bỏn kớnh Rwall = 50 A˚ (Hỡnh 6.3). Cỏc giỏ trị năng lượng tự do cuốn được tớnh cho nhiệt độ gần với nhiệt độ chuyển pha (Tf = 0.94/kB) của protein GB1. Kết quả thu được một lần nữa cho thấy trong tất cả cỏc trường hợp khảo sỏt, khi nồng độ theo thể tớch của đỏm đụng tăng, năng lượng tự do cuốn của protein GB1 giảm. Như vậy, đỏm đụng đại phõn tử làm tăng sự ổn định cuốn của protein. Hỡnh 6.3 cũng cho thấy khi Φc tăng, năng lượng tự do cuốn với cỏc điều kiện biờn cầu giảm mạnh hơn so với trường hợp điều kiện biờn tuần hoàn. Điều này cho thấy sự giam cầm làm tăng mức độ ảnh hưởng của cỏc đại phõn tử đỏm đụng. Mặt khỏc, Hỡnh 6.3 cũng cho thấy sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn ∆∆FN−U dưới ảnh hưởng của đỏm đụng cú thể khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ với cỏc điều chỉnh thớch hợp về kớch thước hiệu dụng của cỏc trạng thỏi cuốn và khụng cuốn. CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 106 11 12 13 14 15 16 17 0 0.1 0.2 0.3 a (Å ) Φc Rg U aU aN=Rg N −4 −3.5 −3 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 ∆∆ F N −U / T (k B) Φc GB1 pbc Rwall=100Rwall=50 Hỡnh 6.3: Sự thay đổi theo nồng độ theo thể tớch đỏm đụng đại phõn tử Φc của năng lượng tự do cuốn của protein GB1 trong mụi trường đỏm đụng và mụi trường tự do ∆∆FN−U = ∆FN−U (Φc) − ∆FN−U (0) được khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ. Kết quả mụ phỏng được trỡnh bày cho ba trường hợp: điều kiện biờn tuần hoàn (pbc), điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 100 A˚ và điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 50 A˚ tương ứng với cỏc điểm màu xanh lỏ, màu đỏ và màu xanh da trời. Theo lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ, trạng thỏi cuốn và trạng thỏi duỗi của protein được coi như cỏc quả cầu cứng bỏn kớnh aN và aU tương ứng. Trong nghiờn cứu này, cỏc bỏn kớnh aN và aU được coi là phụ thuộc tuyến tớnh theo nồng độ đỏm đụng khi khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ (Hỡnh con ở gúc trỏi). CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 107 Theo đú, cỏc trạng thỏi cuốn của protein được coi như một quả cầu cứng cú bỏn kớnh aN bằng bỏn kớnh hồi chuyển của trạng thỏi cuốn R N g . Bỏn kớnh này gần như khụng phụ thuộc vào điều kiện biờn và giảm rất nhẹ khi nồng độ của đỏm đụng tăng (Hỡnh con trong Hỡnh 6.3). Trong khi đú, trạng thỏi duỗi của protein được coi như một quả cầu cứng bỏn kớnh aU nhỏ hơn bỏn kớnh hồi chuyển R U g . Cả aU và R U g đều giảm khi Φc tăng, nhưng aU giảm nhanh hơn R U g cho cả 3 trường hợp điều kiện biờn được khảo sỏt. Với protein GB1, kết quả trờn Hỡnh 6.3 cho thấy cỏc bỏn kớnh RNg , aN , R U g và aU đều phụ thuộc tuyến tớnh theo tỷ lệ về thể tớch của cỏc đại phõn tử đỏm đụng. Sử dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ với cỏc bỏn kớnh hiệu dụng aN và aU là hàm tuyến tớnh của tỷ lệ thể tớch, chỳng tụi thu được cỏc đường cong khớp rất tốt với cỏc giỏ trị ∆∆FN−U được tớnh toỏn từ cỏc dữ liệu mụ phỏng (Hỡnh 6.3) cho cả ba trường hợp điều kiện biờn được khảo sỏt. Chỳ ý rằng, cỏc hàm tuyến tớnh của aU theo Φc chỉ thu được bằng cỏch fit với cỏc dữ liệu mụ phỏng và là khỏc nhau cho cỏc điều kiện biờn khỏc nhau. Xem xột sự khỏc biệt về năng lượng tự do cuốn cho ba trường hợp điều kiện biờn khỏc nhau được chỉ ra trờn Hỡnh 6.3, chỳng ta sẽ thấy rừ hơn ảnh hưởng của hiệu ứng đỏm đụng và hiệu ứng giam cầm lờn sự ổn định cuốn của protein GB1. Trong hai trường hợp sử dụng điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 100 A˚ và điều kiện biờn tuần hoàn cựng thể tớch, sự thay đổi năng lượng tự do cuốn và bỏn kớnh hồi chuyển của protein GB1 ở trạng thỏi duỗi dưới tỏc động của đỏm đụng cú sự khỏc biệt đỏng kể (Hỡnh 6.3). Điều này chứng tỏ điều kiện giam cầm cú ảnh hưởng đỏng kể đến sự ổn định cuốn và kớch thước của protein ở trạng thỏi duỗi. Cụ thể, điều kiện biờn cầu làm tăng chờnh lệch năng lượng tự do cuốn của protein GB1 so với điều kiện biờn tuần hoàn ở cựng một điều kiện nồng độ đỏm đụng. Kết quả này phự hợp với nghiờn cứu trước đõy của Zhou và Dill [138] khảo sỏt sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn của hai protein chứa 100 và 200 amino acid bị giam cầm trong một hỡnh cầu cú bỏn kớnh thay đổi. Zhou và Dill chỉ ra rằng bỏn kớnh giam cầm của hỡnh cầu càng nhỏ thỡ protein càng ổn định cuốn tốt hơn và bỏn kớnh giam cầm Rcavity ∼ 150 A˚ là đủ lớn để điều kiện giam cầm khụng làm ảnh hưởng đến sự ổn định cuốn của protein. Trong cỏc mụ phỏng thực hiện trong luận ỏn này, điều kiện biờn tuần hoàn cú thể xột tương đương với khụng gian giam cầm rộng vụ hạn. Vỡ vậy, protein GB1 bị giam cầm trong một hỡnh cầu cú bỏn kớnh Rwall = 100 A˚ sẽ ổn định cuốn tốt hơn trong trường hợp điều kiện biờn tuần hoàn. Kỳ vọng rằng, tăng bỏn kớnh giam cầm lờn gần tới 150 A˚, năng CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 108 lượng tự do cuốn thu được trong hai trường hợp điều kiện biờn cầu và điều kiện biờn tuần hoàn sẽ gần như giống nhau. Với trường hợp sử dụng điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 50 A˚, protein chịu tỏc động cộng gộp của hiệu ứng đỏm đụng và hiệu ứng giam cầm một cỏch rừ rệt. So sỏnh với trường hợp Rwall = 100 A˚ ta thấy với cựng một nồng độ đỏm đụng, protein ổn định cuốn tốt hơn trong trường hợp bỏn kớnh giam cầm nhỏ. Chi tiết hơn, khảo sỏt hai trường hợp điều kiện biờn cầu bỏn kớnh khỏc nhau Rwall = 50 A˚ và Rwall = 100 A˚ tại cựng một nồng độ đỏm đụng, kết quả chỉ ra trờn Hỡnh 6.3 cho thấy năng lượng tự do cuốn của GB1 trong hai trường hợp chờnh nhau một lượng cỡ 0.55kBT và cú một sự gia tăng nhẹ của sự chờnh lệch này theo Φc. Để thu được cựng một giỏ trị của năng lượng tự do cuốn, điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 100 A˚ sẽ tương ứng với nồng độ đỏm đụng cao hơn điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 50 A˚ một lượng cỡ 10%. Như vậy, tỏc động của hiệu ứng giam cầm lờn sự ổn định cuốn của protein tương đương với tỏc động của hiệu ứng đỏm đụng và giữa chỳng cú tớnh chất cộng đơn thuần. Với protein SpA, đỏm đụng cũng làm tăng sự ổn định cuốn thể hiện ở sự tăng độ chờnh lệch năng lượng tự do cuốn-duỗi khi nồng độ đỏm đụng tăng (Hỡnh 6.4). Năng lượng tự do cuốn thu được từ cỏc dữ liệu mụ phỏng thực hiện trong điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 100 A˚ cũng phự hợp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ khi coi cỏc trạng thỏi cuốn và trạng thỏi duỗi của SpA giống như cỏc quả cầu cứng bỏn kớnh hiệu dụng aN và aU . Trong đú, cỏc bỏn kớnh hiệu dụng này được coi là phụ thuộc tuyến tớnh theo nồng độ theo thể tớch của đỏm đụng (Hỡnh con ở gúc trỏi của Hỡnh 6.4). Tuy nhiờn, cỏc bỏn kớnh hiệu dụng aN và aU của SpA gần như khụng thay đổi theo nồng độ đỏm đụng. Như vậy, protein SpA cư xử khỏc GB1 khi chịu tỏc động của đỏm đụng. Hỡnh 6.3 và Hỡnh 6.4 cho thấy cả hiệu ứng đỏm đụng và hiệu ứng giam cầm đều làm thay đổi nhưng khụng đỏng kể bỏn kớnh hồi chuyển RNg của trạng thỏi cuốn cho cả hai protein GB1 và SpA. Điều này là do trạng thỏi cuốn là trạng thỏi bú chặt, ớt chịu tỏc động của cỏc yếu tố bờn ngoài. CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 109 11 12 13 14 15 16 17 0 0.1 0.2 0.3 a (Å ) Φc Rg U aU Rg N −2 −1.6 −1.2 −0.8 −0.4 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 ∆∆ F N −U / T (k B) Φc SpA Rwall=100 Hỡnh 6.4: Sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn ∆∆FN−U trong mụi trường đỏm đụng so với mụi trường tự do theo tỷ lệ thể tớch đỏm đụng Φc. Cỏc ụ vuụng nhỏ màu xanh lỏ cõy là cỏc dữ liệu thu được từ cỏc mụ phỏng thực hiện trong điều kiện biờn cầu bỏn kớnh Rwall = 100 A˚. Cỏc trạng thỏi cuốn và trạng thỏi duỗi của SpA cư xử cỏc quả cầu cứng cú bỏn kớnh hiệu dụng aN = RNg và aU tương ứng (Hỡnh con ở gúc trỏi). Đường nột đứt màu xanh lỏ cõy là đường khớp ∆∆FN−U với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ khi coi cỏc bỏn kớnh hiệu dụng aN và aU là cỏc hàm tuyến tớnh của Φc. Với protein SpA, cỏc bỏn kớnh hiệu dụng này hầu như khụng phụ thuộc vào nồng độ của cỏc đại phõn tử đỏm đụng. CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 110 12 12.3 12.6 12.9 13.2 13.5 0 0.1 0.2 0.3 a (Å ) Φc GB1 Rg ++ a++ 0 0.1 0.2 0.3 Φc SpA Rg ++ a++ −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 ∆∆ F ++ − U / T (k B) Φc GB1 SpA Hỡnh 6.5: Sự thay đổi của độ chờnh năng lượng tự do ∆∆F‡−U giữa trạng thỏi duỗi (U) và trạng thỏi chuyển tiếp (‡) trong mụi trường đỏm đụng và mụi trường tự do theo Φc. Cỏc mụ phỏng thực hiện cho hai protein GB1 và SpA trong trường hợp điều kiện biờn cầu với bỏn kớnh Rwall = 100 A˚. Cỏc giỏ trị ∆∆F‡−U thu được từ mụ phỏng (cỏc chấm trũn màu đỏ và cỏc ụ vuụng nhỏ màu xanh) phự hợp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ (đường nột đứt) khi coi cỏc trạng thỏi duỗi và trạng thỏi chuyển tiếp của protein giống như cỏc quả cầu cứng bỏn kớnh hiệu dụng aU và a‡ tương ứng. Với protein GB1, aU và a‡ phụ thuộc tuyến tớnh theo nồng độ. Với protein SpA, aU ∼ 12.6 A˚ và a‡ = 12.2 A˚. Cỏc giỏ trị của aU được thể hiện trờn cỏc Hỡnh con ở gúc trỏi của Hỡnh 6.3 và Hỡnh 6.4. Cỏc giỏ trị của a‡ và R‡g được thể hiện trờn cỏc Hỡnh con ở gúc dưới của hỡnh vẽ này. CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 111 6.4. Ảnh hưởng của đỏm đụng đại phõn tử lờn bờ thế năng lượng tự do và trạng thỏi chuyển tiếp Để nghiờn cứu ảnh hưởng của đỏm đụng đại phõn tử lờn tốc độ cuốn của protein, chỳng tụi khảo sỏt độ cao của bờ thế giữa trạng thỏi duỗi và trạng thỏi chuyển tiếp được cho bởi cụng thức: ∆F‡−U = F (Q‡)− F (QU), (6.14) trong đú QU là vị trớ cực tiểu năng lượng tương ứng với trạng thỏi duỗi, Q‡ là vị trớ cực đại năng lượng tương ứng với trạng thỏi chuyển tiếp. Trong mụ hỡnh hai trạng thỏi, độ cao của bờ thế này quyết định tốc độ cuốn của protein: kf ∼ e−∆F‡−U/(kBT ). Kết quả thu được cho thấy độ cao của bờ thế xuất phỏt từ cỏc trạng thỏi duỗi cũng cú thể khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ khi coi cỏc trạng thỏi chuyển tiếp và trạng thỏi duỗi là cỏc quả cầu cứng cú bỏn kớnh hiệu dụng tương ứng là a‡ và aU (Hỡnh 6.5). Với GB1, a‡ và aU đều là cỏc hàm tuyến tớnh giảm đơn điệu theo Φc. Khi nồng độ tăng, a‡ và aU đều giảm. Tuy nhiờn aU giảm nhanh hơn a‡ bởi vỡ trạng thỏi chuyển tiếp bú chặt hơn trạng thỏi duỗi. Trong khi đú, trạng thỏi duỗi và trạng thỏi chuyển tiếp của protein SpA lại cư xử như cỏc quả cầu cứng cú bỏn kớnh hiệu dụng a‡ = 12.2 A˚, aU ∼ 12.6 A˚ hầu như khụng phụ thuộc vào nồng độ đỏm đụng. Sự giảm đơn điệu của ∆∆F‡−U theo Φc đối với protein SpA (Hỡnh 6.5) dẫn đến hệ quả rằng tốc độ cuốn tăng theo sự tăng nồng độ đỏm đụng một cỏch đơn điệu và tốc độ cuốn phụ thuộc vào Φc ở GB1 mạnh hơn so với SpA. Kết quả này hoàn toàn phự hợp với nghiờn cứu của Mittal và Best cho điều kiện biờn tuần hoàn [100]. Trong một nghiờn cứu khỏc của Cheung và cỏc đồng nghiệp [24], cỏc tỏc giả chỉ ra rằng tốc độ cuốn khụng tăng tuyến tớnh với nồng độ của cỏc đại phõn tử đỏm đụng. Thay vào đú, nú tăng ở nồng độ thấp sau đú bắt đầu giảm xuống khi nồng độ tăng thờm. Cỏc mụ phỏng của chỳng tụi chưa quan sỏt được hiệu ứng đảo tốc độ cuốn này ở tỷ lệ thể tớch dưới 0.3. Tuy vậy, cú thể quan sỏt được sự giảm chậm của ∆∆F‡−U theo Φc tại Φc ≈ 0.3 (Hỡnh 6.5). Sự khỏc biệt giữa hai protein GB1 và SpA khi chịu tỏc động của đỏm đụng cú thể là do sự khỏc biệt về cấu trỳc của trạng thỏi tự nhiờn của hai protein này. Cú thể kỳ vọng rằng, cỏc protein chỉ bao gồm cỏc xoắn α sẽ hành xử tương tự như protein SpA với đỏm đụng đại phõn tử. Đối với cả hai protein, khi nồng độ đại phõn tử tăng CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 112 bỏn kớnh hồi chuyển của trạng thỏi chuyển tiếp R‡g cũng tăng. Điều này là do khi Φc tăng, trạng thỏi chuyển tiếp bị dịch chuyển về phớa trạng thỏi duỗi (Hỡnh 6.2 b)) do thay đổi cỏn cõn giữa trạng thỏi cuốn và trạng thỏi duỗi. Mặc dự vậy, sự dịch chuyển này khụng được thể hiện ở bỏn kớnh hiệu dụng a‡ của trạng thỏi chuyển tiếp trong lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ. Hỡnh 6.5 cho thấy a‡ giảm khi Φc tăng cho protein GB1. Điều này cú thể xuất phỏt từ tớnh chất khụng đồng nhất trong cấu trỳc của cỏc trạng thỏi chuyển tiếp, bao gồm phần đó cuốn (folding nucleus) và phần khụng cuốn. 6.5. Thảo luận Trong hầu hết cỏc nghiờn cứu thực nghiệm và mụ phỏng trước đõy cho thấy đỏm đụng đại phõn tử làm tăng sự ổn định cuốn của protein chống lại khả năng biến tớnh do tỏc động hoỏ học và nhiệt độ [1, 7, 26, 56, 100, 114, 117, 120]. Trong nghiờn cứu này, chỳng tụi cũng chỉ ra rằng, đỏm đụng đại phõn tử làm tăng sự ổn định cuốn của protein và tăng nhiệt độ chuyển pha cuốn - duỗi. Sự tăng của nhiệt độ chuyển pha phản ỏnh rằng protein bền vững với nhiệt độ hơn khi nồng độ đỏm đụng tăng, nghĩa là protein chịu nhiệt tốt hơn. Hiệu ứng này phần nào cú thể giải thớch sức đề khỏng phi thường của thuỷ tinh thể ở nhiệt độ cao [13]. Trong thuỷ tinh thể của mắt cú chứa protein crystallin với nồng độ hơn 500mg/ml. Ở nồng độ này, hiệu ứng đỏm đụng đại phõn tử rất mạnh mẽ giỳp cỏc protein crystallin duy trỡ ổn định chống lại biến tớnh bởi nhiệt độ để giữ cho thuỷ tinh thể trong suốt. Nếu cỏc protein này bị kết tủa hoặc kết tụ sẽ gõy đục thuỷ tinh thể [8]. Trong nghiờn cứu của Mittal và Best [100], cỏc tỏc giả khảo sỏt ảnh hưởng của đỏm đụng lờn năng lượng tự do cuốn của ba protein nhỏ. Kết quả thu được cho thấy, đỏm đụng làm tăng năng lượng tự do của cỏc trạng thỏi khụng cuốn, và theo đú tốc độ cuốn và sự ổn định cuốn tăng theo sự tăng của tỷ lệ thể tớch đại phõn tử đỏm đụng một cỏch đơn điệu. Sự thay đổi năng lượng tự do cuốn của ba protein dưới ảnh hưởng của đỏm đụng so với mụi trường tự do phự hợp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ khi coi cỏc trạng thỏi cuốn và trạng thỏi duỗi của cỏc protein này là cỏc quả cầu cứng bỏn kớnh hiệu dụng khụng đổi aN và aU tương ứng, cụ thể là aN = R N g và aU = 0.8R U g , với RNg và R U g nhận cỏc giỏ trị cố định phụ thuộc vào protein nhưng khụng phụ thuộc vào Φc. Trong luận ỏn này, chỳng tụi chỉ ra rằng aU và R U g phụ thuộc vào Φc mặc dự sự CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 113 phụ thuộc này mạnh hay yếu phụ thuộc vào protein (mạnh cho GB1 và yếu cho SpA). Đồng thời, khi coi sự phụ thuộc này là tuyến tớnh, năng lượng tự do cuốn khớp tốt hơn với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ. Như vậy, nghiờn cứu này của chỳng tụi làm rừ hơn sự thay đổi của cỏc bỏn kớnh hiệu dụng của cỏc trạng thỏi cuốn và trạng thỏi duỗi của cỏc protein theo nồng độ đỏm đụng. Khỏc với cỏc nghiờn cứu trước đõy chỉ tập trung khảo sỏt ảnh hưởng của hiệu ứng đỏm đụng và hiệu ứng giam cầm lờn sự ổn định cuốn của protein một cỏch riờng rẽ. Trong nghiờn cứu này, chỳng tụi khảo sỏt sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn khi chịu tỏc động đồng thời của hai hiệu ứng này. Kết quả thu được cho thấy, tỏc động của hiệu ứng giam cầm lờn sự ổn định cuốn của protein tương đương với tỏc động của hiệu ứng đỏm đụng và giữa chỳng cú tớnh chất cộng đơn thuần. Phỏt hiện chung trong cỏc nghiờn cứu mụ phỏng trước đõy [7,51,100,124] là đỏm đụng làm giảm bỏn kớnh hồi chuyển của trạng thỏi khụng cuốn. Cụ thể, Tsao [124] sử dụng mụ phỏng động lực học phõn tử để khảo sỏt ảnh hưởng của đỏm đụng tỏc động lờn tớnh chất nhiệt động học và tớnh chất cuốn của cỏc protein. Tỏc giả chỉ ra rằng, đỏm đụng làm tăng sự bú chặt của protein và quỏ trỡnh cuốn trở nờn ớt hợp tỏc hơn. Một kết luận tương tự được đưa ra bởi Goldenberg khi thực hiện mụ phỏng Monte Carlo cho một tập hợp protein và tỡm thấy rằng bỏn kớnh hồi chuyển của trạng thỏi khụng cuốn giảm do hiệu ứng đỏm đụng [51]. Như vậy, luận ỏn của chỳng tụi cũng cho kết quả phự hợp với cỏc nghiờn cứu này. Cụ thể, cỏc kết quả thu được từ cỏc mụ phỏng của chỳng tụi cho thấy, cả hiệu ứng giam cầm và hiệu ứng đỏm đụng đều làm giảm bỏn kớnh hồi chuyển RUg của trạng thỏi khụng cuốn và làm thay đổi nhưng khụng đỏng kể bỏn kớnh hồi chuyển RNg của trạng thỏi cuốn cho cả hai protein GB1 và SpA. Trong nghiờn cứu này, chỳng tụi cũng tỡm thấy sự cư xử khỏc biệt của cỏc protein khỏc nhau khi chịu tỏc động của đỏm đụng. Sự khỏc biệt này chưa thực sự rừ rệt bởi vỡ cả hai protein được khảo sỏt đều là cỏc protein nhỏ, đơn miền và cú kớch thước tương tự nhau. Tuy nhiờn, sự khỏc biệt này phần nào lý giải được những tớnh chất khụng nhất quỏn trong cỏc kết quả thu được khi nghiờn cứu ảnh hưởng của hiệu ứng đỏm đụng lờn quỏ trỡnh cuốn của cỏc protein trong cỏc nghiờn cứu thực nghiệm và mụ phỏng trước đõy. CHƯƠNG 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁM ĐễNG ĐẠI PHÂN TỬ LấN QUÁ TRèNH CUỐN PROTEIN 114 6.6. Kết luận Sử dụng cỏc mụ hỡnh đơn giản hoỏ để mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh động học của protein trong một mụi trường đụng đỳc cỏc đại phõn tử như trong tế bào, chỳng tụi đó chỉ ra những tỏc động của đỏm đụng đại phõn tử lờn quỏ trỡnh cuốn của protein. Cụ thể, đỏm đụng làm tăng sự ổn định cuốn của protein và tăng khả năng chịu nhiệt của protein. Cỏc đại phõn tử đỏm đụng khiến trạng thỏi duỗi bú chặt hơn và làm tăng tốc độ cuốn. Nghiờn cứu này của chỳng tụi cũng cho thấy, sự thay đổi năng lượng tự do cuốn của protein trong mụi trường đỏm đụng phự hợp với ỏp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ của Minton. Trong đú, cỏc trạng thỏi cuốn và duỗi của protein cư xử như những quả cầu cứng cú bỏn kớnh hiệu dụng phụ thuộc tuyến tớnh vào nồng độ. Đặc biệt, chỳng tụi chỉ ra ảnh hưởng của hiệu ứng giam cầm lờn sự ổn định cuốn của protein tương đương với hiệu ứng đỏm đụng và giữa chỳng cú tớnh chất cộng. Chương 7 Kết luận Trong luận ỏn này, chỳng tụi nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc điều kiện tương tự như trong tế bào lờn quỏ trỡnh cuốn của protein, trong đú tập trung vào cỏc ảnh hưởng riờng biệt của đường hầm ribosome và của đỏm đụng đại phõn tử lờn protein, sử dụng cỏch tiếp cận của vật lý thống kờ và phương phỏp mụ phỏng động lực học phõn tử với phương trỡnh Langevin. Nghiờn cứu trong luận ỏn cho thấy đường hầm ribosome ảnh hưởng mạnh lờn quỏ trỡnh cuốn của cỏc protein mới sinh. Cụ thể là: 1. Nghiờn cứu của chỳng tụi là nghiờn cứu đầu tiờn chỉ ra rằng đường hầm thoỏt ribosome cú thể gõy ra cơ chế cuốn định hướng của protein mới sinh sau khi quỏ trỡnh dịch mó chấm dứt. Cơ chế cuốn định hướng này xảy ra tại miền nhiệt độ thấp khi quỏ trỡnh cuốn xảy ra đồng thời với quỏ trỡnh thoỏt ra của protein mới sinh khỏi đường hầm ribosome. 2. Cơ chế cuốn định hướng tại đường hầm ribosome làm tăng hiệu quả cuốn bằng cỏch giỳp protein hạn chế số cấu hỡnh trung gian và số đường cuốn, giỳp protein trỏnh rơi vào cỏc bẫy động học. Như vậy, cơ chế cuốn định hướng ở nhiệt độ thấp rất cú lợi cho cỏc protein mới sinh. 3. Quỏ trỡnh thoỏt của protein mới sinh cú thể được mụ tả như một quỏ trỡnh khuyếch tỏn một chiều của một hạt trong một trường thế tuyến tớnh hiệu dụng được mụ tả bởi phương trỡnh Smoluchowski. Quỏ trỡnh thoỏt và quỏ trỡnh cuốn cú tỏc động qua lại lẫn nhau. Quỏ trỡnh cuốn làm tăng tốc độ khuyếch tỏn, trong khi tương tỏc hỳt giữa cỏc hạt hỳt nằm trờn tường đường hầm thoỏt và protein mới sinh lại làm chậm quỏ trỡnh này. Tương tỏc hỳt này cú thể làm xuất hiện một rào chắn năng lượng tự do 115 CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN 116 trờn đường thoỏt của protein tại đường hầm ribosome. Rào chắn này làm chậm quỏ trỡnh thoỏt ra của protein, giỳp tăng khả năng cuốn thành cụng và hạn chế giải phúng cỏc protein mới sinh chưa kịp cuốn. Trong nghiờn cứu hiệu ứng của đỏm đụng đại phõn tử, chỳng tụi thu được cỏc kết quả sau: 1. Đỏm đụng đại phõn tử làm tăng tớnh ổn định của protein. Sự thay đổi của năng lượng tự do cuốn dưới ảnh hưởng của đỏm đụng đại phõn tử phự hợp với ỏp dụng lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ của Minton, trong đú, trạng thỏi cuốn và trạng thỏi duỗi của protein được coi như cỏc quả cầu cứng với cỏc bỏn kớnh hiệu dụng. Cỏc bỏn kớnh này phụ thuộc mạnh hay yếu vào nồng độ đỏm đụng tuỳ thuộc vào protein. Chỳng tụi chỉ ra rằng khi coi sự phụ thuộc này là tuyến tớnh, năng lượng tự do cuốn khớp với lý thuyết hạt điều chỉnh tỷ lệ tốt hơn so với việc coi cỏc bỏn kớnh này là cỏc hằng số như trong một số nghiờn cứu trước đõy [100]. 2. Cỏc nghiờn cứu trước đõy chỉ xem xột tỏc động riờng rẽ của hiệu ứng đỏm đụng và hiệu ứng giam cầm lờn tớnh ổn định của protein. Trong luận ỏn này, chỳng tụi xem xột tỏc động đồng thời của hai hiệu ứng này và chỉ ra rằng ảnh hưởng của sự giam cầm khụng gian lờn tớnh ổn định của protein tương tự như ảnh hưởng của đỏm đụng và giữa chỳng cú tớnh chất cộng. 3. Trong giới hạn nồng độ khảo sỏt, độ cao của rào năng lượng tự do liờn quan tới tốc độ cuốn của cỏc protein giảm theo sự tăng nồng độ của cỏc đại phõn tử đỏm đụng. Cỏc protein khỏc nhau cư xử khỏc nhau khi chịu tỏc động của đỏm đụng. Cỏc nghiờn cứu của luận ỏn đó giỳp chỳng ta hiểu biết sõu sắc thờm về quỏ trỡnh cuốn của protein trong tế bào, gúp phần vào cỏc hiểu biết về protein núi riờng và cỏc phõn tử sinh học núi chung từ quan điểm của vật lý. Cỏc kết quả đó được cụng bố của luận ỏn cú thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm hoặc bằng cỏc mụ phỏng trong cỏc mụ hỡnh thực tế hơn như mụ hỡnh gồm tất cả cỏc nguyờn tử. Ngoài ra, cỏc mụ hỡnh và phương phỏp của luận ỏn cú thể được ỏp dụng cho cỏc nghiờn cứu khỏc trong tương lai. Cụ thể, chỳng tụi dự kiến nghiờn cứu ảnh hưởng của kớch thước và hỡnh dạng của đường hầm ribosome lờn thời gian thoỏt của protein mới sinh và nghiờn cứu hiệu ứng của đỏm đụng đại phõn tử lờn quỏ trỡnh cuốn và thoỏt ra của cỏc protein mới sinh tại đường hầm ribosome. DANH SÁCH CÁC CễNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 117 DANH SÁCH CÁC CễNG BỐ CỦA TÁC GIẢ (1) 1. Bui Phuong Thuy and Trinh Xuan Hoang, Evolution of protein-protein interaction networks in duplication-divergence model, Communications in Physics 22, 7-14 (2012). 2. Bui Phuong Thuy and Trinh Xuan Hoang, Effects of ribosomal exit tun- nel on protein’s cotranslational folding, Communications in Physics 23, 219-225 (2013). 3. Bui Phuong Thuy, Hoang Thi Thu Huong and Trinh Xuan Hoang, Effects of macromolecular crowding on protein folding, Journal of Physics: Con- ference Series 627, 012027 (2015). 4. Phuong Thuy Bui and Trinh Xuan Hoang, Folding and escape of nascent proteins at ribosomal exit tunnel, The Journal of Chemical Physics 144, 095102 (2016). (1)Luận ỏn này khụng sử dụng kết quả của cụng trỡnh đầu tiờn Tài liệu tham khảo [1] Ai X, Zhou Z, Bai Y, and Choy WY, “15N NMR Spin Relaxation Dispersion Study of the Molecular Crowding Effects on Protein Folding under Native Conditions”, J. Am. Chem. Soc. 128, 3916-3917 (2006). [2] Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, and Watson JD, “Molecular biology of the cell”, Garland, New York (2002). [3] Alder BJ and Wainwright TE, “Studies in Molecular Dynamics. I. General Method”, J. Chem. Phys. 31, 459 (1959). [4] Allen MP and Tildesley DJ, “Computer Simulation of Liquids”, Oxford Science Publications. [5] Anfinsen C, “Principles that govern the folding of protein chains”, Science. 181, 223-230 (1973). [6] Anfinsen CB, Redfield RR, Choate WI, Page J, Carroll WR, “Studies on the gross structure, cross-linkages, and terminal sequences in ribonuclease”, J. Biol. Chem. 207, 201 (1954). [7] Batra J, Xu K and Zhou HX, “Nonadditive effects of mixed crowding on protein stability”, Proteins. 77, 133–138 (2009). [8] Benedek GB, “Cataract as a protein condensation disease: the Proctor Lecture”, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 38, 1911–21 (1997). [9] Benton LA, Smith AE, Young GB and Pielak GJ, “Unexpected effects of macro- molecular crowding on protein stability”, Biochemistry. 51, 9773–9775 (2012). 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 [10] Bhushan S, Gartmann M, Halic M, Armache JP, Jarasch A, etal. “α-Helical nascent polypeptide chains visualized within distinct regions of the ribosomal exit tunnel”, Nat. Struct. Mol. Biol. 17, 313-17 (2010). [11] Blattner FR, Plunkett G, Bloch CA, et al., “The complete genome sequence of Escherichia coli K-12”, Science. 277, 1453–62 (1997). [12] Boehr DD, Dyson HJ, Wright PE, “An NMR perspective on enzyme dynamics”, Chem. Rev. 106, 3055-79 (2006). [13] Bloemendal H, de Jong W, Jaenicke R, Lubsen NH, Slingsby C, Tardieu A, “Ageing and vision: structure, stability and function of lens crystallins”, Prog. Biophys. Mol. Biol. 86, 407–85 (2004). [14] Boublik T, “Statistical thermodynamics of convex molecule fluids”, Mol. Phys. 27, 1415-1427 (1974). [15] Brandt F, Etchells SA, Ortiz JO, Elcock AH, Hartl FU, Baumeister W, “The native 3D organization of bacterial polysomes”, Cell. 136, 261-271 (2009). [16] Brinker A, Pfeifer G, Kerner MJ, Naylor DJ, Hartl FU, Hayer-Hartl M, “Dual function of protein confinement in chaperonin-assisted protein foldingCell. 107, 223–233 (2001). [17] Bryngelson JD, and Wolynes PG, “Intermediates and barrier crossing in a random energy model (with applications to protein folding)”, J. Phys. Chem. 93, 6902-6915 (1989). [18] Bryngelson JD, Onuchic JN, Socci ND, and Wolynes PG, “Funnels, pathways, and the energy landscape of protein folding: a synthesis”, Proteins. 21, 167-195 (1995). [19] Buhr F, Jha S, Thommen M, Mittelstaet J, Kutz F, Schwalbe H, Rodnina MV, Komar AA, “Synonymous codons direct cotranslational folding toward different protein conformations”, Mol Cell bf 61, 341–351 (2016). [20] Bustamante C, Bryant Z, Smith SB, “Ten years of tension: single-molecule DNA mechanics”, Nature. 421, 423-7 (2003). TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 [21] Cabrita LD, Cassaignau AM, Launay HM, Waudby CA, et al. “A structural ensem- ble of a ribosome-nascent chain complex during cotranslational protein folding”, Nat Struct Mol Biol 23, 278–285 (2016). [22] Cabrita LD, Hsu ST, Launay H, Dobson CM, Christodoulou J, “Probing ribosome- nascent chain complexes produced in vivo by NMR spectroscopy”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 52, 22239-22244 (2009). [23] Charlton LM, Barnes CO, Li C, Orans J, Young GB and Pielak GJ, “Residue- level interrogation of macromolecular crowding effects on protein stability”, J. Am. Chem. Soc. 130, 6826–6830 (2008). [24] Cheung MS, Klimov D, Thirumalai D, “Molecular crowding enhances native state stability and refolding rates of globular proteins”, Proc. Natl. Acad. Sci USA. 102, 4753–4758 (2005). [25] Chiang PK, Lam MA, Luo Y, “The many faces of amyloid beta in Alzheimer’s disease”, Curr. Mol. Med. 8, 580-4 (2008). [26] Denos S, Dhar A and Gruebele M, “Crowding effects on the small, fast-folding protein lambda6-85”, Faraday Discuss. 157, 451–462 (2012). [27] Deuerling E, Bukau B, “Chaperone-assisted folding of newly synthesized proteins in the cytosol”, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 39, 261 (2004). [28] Dill KA, Ozkan SB, Weikl TR, Chodera JD, and Voelz V.A, “The protein folding problem: when will it be solved?”, Curr. Opin. Struct. Biol. 17, 342–346 (2007). [29] Dill KA, Ozkan SB, Shell MS, and Weikl TR, “The protein folding problem”, Annu. Rev. Biophys. 37, 289–316 (2008). [30] Dill KA, and Chan HS, “From Levinthal to pathways to funnels”, Nat. Struct. Biol. 4, 10 (1997). [31] Dobson CM, “Protein folding and misfolding”, Nature. 426, 884–890 (2003). [32] Dresios J, Derkatch IL, Liebman SW, Synetos D, “Yeast ribosomal protein L24 affects the kinetics of protein synthesis and ribosomal protein L39 improves trans- lational accuracy, while mutants lacking both remain viable.”, Biochemistry. 39, 7236-7244 (2000). TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 [33] Elcock AH, “Molecular simulations of cotranslational protein folding: Fragment stabilities, folding cooperativity, and trapping in the ribosome”, PloS. Comp. Biol. 2, 824-841 (2006). [34] Ellis R J, and Minton AP, “Cell biology: join the crowd”, Nature. 425, 27-28 (2003). [35] Ellis RJ, “Macromolecular crowding: obvious but underappreciated”, Trends. Biochem. Sci. 26, 597–604(2001). [36] Ellis RJ, Minton AP, “Protein aggregation in crowded environments”, Biol. Chem. 387, 485–97 (2006). [37] Evans MS, Sander IM, Clark PL, “ Cotranslational folding promotes beta-helix formation and avoids aggregation in vivo”, J. Mol. Biol. 383, 683 (2008). [38] Fedorov AN and Baldwin TO, “Cotranslational protein folding”, J. Biol. Chem. 272, 32715-8 (1997). [39] Ferreira ST, Vieira MN, De Felice FG, “Soluble protein oligomers as emerging toxins in Alzheimer’s and other amyloid diseases”, IUBMB Life. 59, 332-45 (2007). [40] Ferrenberg AM, and Swendsen RH, “Optimized Monte Carlo data analysis”, Phys. Rev. Lett. 63, 1195-1198 (1989). [41] Fersht AR, “Structure and mechanism in protein science.” W. H. Freeman, New York. (1999). [42] Fersht AR, “Transition-state structure as a unifying basis in protein-folding mech- anisms: Contact order, chain topology, stability, and the extended nucleus mech- anism”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 97, 1525 (2000). [43] Frydman J, “Folding of newly translated proteins in vivo: The role of molecular chaperones”, Annu. Rev. Biochem. 70, 603 (2001). [44] Fulle S, Gohlke H, “Statics of the Ribosomal Exit Tunnel: Implications for Co- translational Peptide Folding, Elongation Regulation, and Antibiotics Binding”, J. Mol. Biol. 387, 502 (2009). [45] Fuller BG, “Self-organization of intracellular gradients during mitosis”, Cell. Div. 5, 5 (2010). TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 [46] Fulton AB, “How crowded is the cytoplasm?”, Cell. 30, 345-347(1982). [47] Gibbons RM, “The scaled particle theory for particles of arbitrary shape”, Mol. Phys. 17, 81-86 (1969). [48] Gilbert RJC, Fucini P, Connell S, Fuller SD, Nierhaus KH, Robinson CV, Dobson CM, Stuart DI, “Three-dimensional structures of translating ribosomes by Cryo- EM”, Mol. Cell. 14, 57-66 (2004). [49] Go N, “Theoretical studies of protein folding”, Ann. Rev. Biophys. Bioeng. 12, 183-210 (1983). [50] Go N, Abe H, “Noninteracting local-structure model of folding and unfolding tran- sition in globular proteins. I. Formulation.”, Biopolymers. 20, 991-1011(1981). [51] Goldenberg DP, “Computational simulation of the statistical properties of unfolded proteins”, J. Mol. Biol. 326, 1615-1633 (2003). [52] Grantcharova V, Alm EJ, Baker D, and Horwich AL, “Mechanisms of protein folding”, Curr. Opin. Struct. Biol. 11, 70–82 (2001). [53] Gregory S, Sandeepkumar K, Jens M, and Edward W. Lowe Jr, “Computational Methods in Drug Discovery”, Pharmacological Reviews 66, 334-395 (2014). [54] [55] Gruebele M, Dave K, Sukenik S, “Globular Protein Folding In Vitro and In Vivo”, Annu. Rev. Biophys., 45, 233-251 (2016). [56] Guo MH, Xu YF and Gruebele M, “Temperature dependence of protein folding kinetics in living cells”, Proc. Nati. Acad. Sci. USA. 109, 17863–17867 (2012). [57] Haataja L, Gurlo T, Huang CJ, Butler PC, “Islet amyloid in type 2 diabetes, and the toxic oligomer hypothesis”, Endocr Rev. 29, 303-316 (2008). [58] Hartl FU, Hartl MH, “Converging concepts of protein folding in vitro and in vivo”, Nat. Struct. Mol. Biol. 16, 574-581 (2009). [59] Hoang TX and Cieplak M, “Sequencing of folding events in Go-like proteins”, J. Chem. Phys. 113, 8319 (2000). TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 [60] Hoang TX, Cieplak M, “Protein folding and models of dynamics on the lattice”, J. Chem. Phys. 109, 9192-9196 (1998). [61] Holtkamp W, Kokic G, Jager M, Mittelstaet J, Komar AA, Rodnina MV, “Co- translational protein folding on the ribosome monitored in real time”, Science 350, 1104–1107 (2015). [62] Homouz D, Perham M, Samiotakis A, Cheung MS, and Wittung-Stafshede P, “Crowded, cell-like environment induces shape changes in aspherical protein”, Proc. Nati. Acad. Sci. USA. 105, 11754-11759 (2008). [63] Homouz D, Stagg L, Wittung-Stafshede P and Cheung MS, “Macromolecular Crowding Modulates Folding Mechanism of α/β Protein Apoflavodoxin”, Biophys. J. 96, 671-680 (2009). [64] Hoppener JW, Ahrộn B, Lips CJ, “Islet amyloid and type 2 diabetes mellitus”, N. Engl. J. Med. 343, 411-419 (2000). [65] Huang GS and Oas TG, “Submillisecond folding of monomeric A repressor”, Proc. Nati. Acad. Sci. USA. 92, 6878-6882 (1995). [66] Irvine GB, El-Agnaf O, Shankar GM, Walsh DM, “Protein aggregation in the brain: the molecular basis for Alzheimer’s and Parkinson’s diseases”, Mol. Med. 14, 451-464 (2008). [67] Jacob M, Geeves M, Holtermann G and Schmid FX, “Diffusional barriercrossing in a two-stateprotein folding reaction”, Nat. Struct. Mol. Biol. 6, 923 - 926 (1999). [68] Jackson SE, Fersht AR, “Folding of chymotrypsin inhibitor 2. 1. Evidence for a two-state transition”, Biochemistry. 30, 10428-35 (1991). [69] Jackson SE, “How do small single-domain proteins fold?” Fold. Des. 3, R81–R91 (1998). [70] Jean DS, Alan SC, “Review: History of the Amyloid Fibril”, Journal of Structural Biology 130, 88-98 (2000). [71] Kaiser CM, Goldman DH, Chodera JD, Tinoco Jr. I, and Bustamante C, “The ribosome modulates nascent protein folding”, Science. 334, 1723 (2011). TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 [72] Kastner J, Thiel W, “Bridging the gap between thermodynamic integration and umbrella sampling provides a novel analysis method: Umbrella integration”, J. Chem. Phys. 123, 144104 (2005). [73] Klimov DK, and Thirumalai D, “Viscosity Dependence of the Folding Rates of Proteins”, Phys. Rev. Lett. 79, 317 (1997). [74] Kornberg A, “Ten Commandments: Lessons from the Enzymology of DNA Repli- cation”, J Bacteriol. 182, 3613–3618 (2000). [75] Kosolapov A, and Deutsch C, “Tertiary Interactions within the Ribosomal Exit Tunnel”, Nat. Struct. Mol. Biol. 16, 405-411 (2009). [76] Kramer G, Boehringer D, Ban N and Bukau B, “The ribosome as a platform for co-translational processing, folding and targeting of newly synthesized proteins”, Nat Struct Mol Biol bf 16, 589–597 (2009). [77] Kramers HA, “Brownian motion in a field of force and the diffusion model of chemical reactions”, Physica. 7, 284-303 (1940). [78] Kubitschek HE, “Cell volume increase in Escherichia coli after shifts to richer media.”, J. Bacteriol. 172, 94–101 (1990). [79] Kumar S, Bouzida D, Swendsen R, Kollman P, and Rosenberg J, “THE weighted histogram analysis method for free-energy calculations on biomolecules. I. The method”, J. Comput. Chem. 13,1011-1021 (1992). [80] Landau LD and Lifshitz EM, Fluid Mechanics, Second Edition p.61 (1987). [81] Lebowitz JL, Helfand E, and Praestgaard E, “Scaled particle theory of fluid mix- tures”, J. Chem. Phys. 43, 774-779 (1965). [82] Levinthal C, “Are there pathways for protein folding?”, J. Chim. Phys. 65, 44 (1968). [83] Levinthal C, “How to Fold Graciously”, Mossbauer Spectroscopy in Biological Sys- tems: Proceedings of a meeting held at Allerton House, Monticello, Illinois. (Uni- versity of Illinois Press), 22-24 (1969). [84] Lu J, Deutsch C, “Electrostatics in the ribosomal tunnel modulate chain elongation rates”, J. Mol. Biol. 384, 73-86 (2008). TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 [85] Luby-Phelps K, “Cytoarchitecture and physical properties of cytoplasm: volume, viscosity, diffusion, intracellular surface area”, Int. Rev. Cytol. 192, 189-221 (2000). [86] Ma Q, Fan JB, Zhou Z, Zhou BR, Meng SR, Hu JY, Chen J, Liang Y, “The Contrasting Effect of Macromolecular Crowding on Amyloid Fibril Formation”, Plos. one. 7, 36288-4 (2012). [87] Marenduzzo D, Finan K, and Cook P, “The depletion attraction: an underappreci- ated force driving cellular organization”, The Journal of Cell Biology. 175: 681-686 (2006). [88] Marino J, Heijne G and Beckmann R, “Small protein domains fold inside the ribosome exit tunnel”, FEBS Letters 590, 655–660 (2016). [89] Martinez JC, Serrano L, “The folding transition state between SH3 domains is conformationally restricted and evolutionarily conserved”, Nat. Struct. Biol. 6, 1010-6 (1999). [90] Maxwell KL. et al. “Protein folding: defining a “stan- dard” set of experimental conditions and a preliminary kinetic data set of two-state proteins”, Protein Sci. 14, 602–616 (2005). [91] Mayer MP, Bukau B, “Hsp70 chaperones: Cellular functions and molecular mech- anism”, Cell. Mol. Life Sci. 62, 670 (2005). [92] Merz F, Boehringer D, Schaffitzel C, Preissler S, Hoffmann A, et al. “Molecular mechanism and structure of trigger factor bound to the translating ribosome”, EMBO J. 27, 1622 (2008). [93] Miklos AC, Li CG, Sharaf NG and Pielak GJ, “Volume exclusion and soft inter- action effects on protein stability under crowded conditions”, Biochemistry. 49, 6984–6991 (2010). [94] Miklos AC, Sarkar M, Wang Y and Pielak GJ, “Protein crowding tunes protein stability”, J. Am. Chem. Soc. 133, 7116–7120 (2011). [95] Minton AP, “Excluded volume as a determinant of macromolecular structure and reactivity”, Biopolymers. 20, 2093-2120 (1981). TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 [96] Minton AP, “Models for Excluded Volume Interaction between an Unfolded Pro- tein and Rigid Macromolecular Cosolutes: Macromolecular Crowding and Protein Stability Revisited”, Biophys. J. 88, 971-985 (2005). [97] Minton AP, “Quantitative assessment of the relative contributions of steric re- pulsion and chemical interactions to macromolecular crowding”, Biopolymers. 99, 239-244 (2013). [98] Minton AP, “The effect of volume occupancy upon the thermodynamic activity of proteins: some biochemical consequences”,Mol. Cell. Biochem. 55, 119-140 (1983). [99] Minton AP, “The influence of macromolecular crowding and macromolecular con- finement on biochemical reactions in physiological media”, J. Biol. Chem. 276, 10577–80 (2001). [100] Mittal J, Best RB, “Dependence of Protein Folding Stability and Dynamics on the Density and Composition of Macromolecular Crowders”, Biophys. J. 98, 315–320 (2010). [101] Monterroso B, and Minton AP, “Effect of High Concentration of Inert Cosolutes on the Refolding of an Enzyme CARBONIC ANHYDRASE B IN SUCROSE AND FICOLL 70*”, J. Biol. Chem. 282, 33452-33458 (2007). [102] Nakatogawa H, Ito K, “The Ribosomal Exit Tunnel Functions as a Discriminating Gate”, Cell. 108, 629-636 (2002). [103] Nilsson OB, Hedman R, Marino J, et al. “Cotranslational Protein Folding inside the Ribosome Exit Tunnel”, Cell Rep. 12,1533-40 (2015). [104] Nitzan A, Chemical Dynamics in Condensed Phases, Relaxation, Transfer, and Reactions in Condensed Molecular Systems, Oxford University Press (2014). [105] O’Brien EP, Hsu ST, Christodoulou J, Vendruscolo M, and Dobson CM, “Tran- sient tertiary structure formation within the ribosome exit port”, J. Am. Chem. Soc. bf 132, 16928–16937 (2010). [106] O’Brien EP, Christodoulou J, Vendruscolo M, and Dobson CM, “New scenarios of protein folding can occur on the ribosome”, J. Am. Chem. Soc. 133, 513–526 (2011). TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 [107] O’Brien EP, Christodoulou J, Vendruscolo M, and Dobson CM, “Trigger factor slows co-translational folding through kinetic trapping while sterically protecting the nascent chain from aberrant cytosolic interactions”, J. Am. Chem. Soc. 134, 10920–10932 (2012). [108] O’Brien EP, Vendruscolo M, Dobson CM, “Prediction of variable translation rate effects on cotranslational protein folding”, Nat Commun 3, 868 (2012). [109] Ciryam P, Morimoto RI, Vendruscolo M, Dobson CM, O’Brien EP, “In vivo trans- lation rates can substantially delay the cotranslational folding of the Escherichia coli cytosolic proteome”, Proc Natl Acad Sci USA 110, 132–140 (2013). [110] Perutz MF, Kendrew JC, The Nobel Prize in Chemistry 1962. [111] Petrone PM, Snow CD, Lucent D, and Pande VS, “Side-chain recognition and gating in the ribosome exit tunnel”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105, 16549-16554 (2008). [112] Phillips R and Quake SR, “The biological frontier of physics”, Physics Today. 59, 38-43 (May 2006). [113] Plaxco KW and Baker D, “Limited internal friction in the rate-limiting step of a two-state protein folding reaction”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95, 13591–13596 (1998). [114] Qu Y and Bolen DW, “Efficacy of macromolecular crowding in forcing proteins to fold”, Biophys. Chem. 101-102, 155-165 (2002). [115] Ramachandran GN, Ramakrishnan C, Sasisekhanran V, “Stereochemistry of polypeptide chain configurations”, J. Mol. Biol. 7, 95-99 (1963). [116] Reiss H, Frisch HL, and Lebowitz JL, “Statisticalmechanics of rigidspheres”, J. Chem. Phys. 31, 369-380 (1959). [117] Roberts A and Jackson SE, “Destabilised mutants of ubiquitin gain equal stability in crowded solutions”, Biophys. Chem. 128, 140–149 (2007). [118] Seidelt B, Innis CA, Wilson DN, Gartmann M, Armache JP, Villa E, Trabuco LG, Becker T, Mielke T, Schulten K et al., “Structural Insight Into Nascent Polypeptide Chain-Mediated Translational Stalling”, Science. 326, 1412-1415 (2009). TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 [119] Shakhnovich EI, “Theoretical studies of protein-folding thermodynamics and ki- netics”, Current Opinion in Structure Biology. 7, 29-40 (1997). [120] Spencer DS, Xu K, Logan TM and Zhou HX, “Effects of pH, salt, and macro- molecular crowding on the stability of FK506-binding protein: an integrated ex- perimental and theoretical study”, J. Mol. Biol. 351, 219–232 (2005). [121] Stagg L, Christiansen A, and Wittung-Stafshede P, “Macromolecular crowding tunes folding landscape of parallel α/β protein, apoflavodoxin”, J. Am. Chem. Soc. 133, 646-648 (2011). [122] Tang YC, Chang HC, Roeben A, Wischnewski D, Wischnewski N, Kerner MJ, et al., “Structural features of the GroEL-GroES nano-cage required for rapid folding of encapsulated protein.”, Cell. 125, 903-914 (2006). [123] Torrie GM, Valleau JP, “Nonphysical sampling distributions in Monte Carlo free- energy estimation - Umbrella sampling”, J. Comput. Phys. 23, 187-199 (1977). [124] Tsao D, and Dokholyan NV, “Macromolecular crowding induces polypeptide com- paction and decreases folding cooperativity”, Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 3491- 3500 (2010). [125] Travasso RDM, Faớsca PFN and Rey A , “The protein folding transition state: Insights from kinetics and thermodynamics”, J. Chem. Phys. 133, 125102 (2010). [126] Ugrinov KG, Clark PL, “Cotranslational Folding Increases GFP Folding Yield”, Biophys. J. 98, 1312–1320 (2010). [127] Van den Berg B, Ellis RJ, Dobson CM, “Effects of macromolecular crowding on protein folding and aggregation”, EMBO J. 18, 6927-33 (1999). [128] Van den Berg B, Wain R, Dobson CM, Ellis RJ, “Macromolecular crowding per- turbs protein refolding kinetics: implications for folding inside the cell”, EMBO J. 19, 3870-3875 (2000). [129] Verlet L, “Computer "Experiments" on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard-Jones Molecules”, Phys. Rev. 159, 98 (1967). [130] Voss NR, Gerstein M, Steitz TA, Moore PB, “The geometry of the ribosomal polypeptide exit tunnel”, J. Mol. Biol. 360, 893-960 (2006). TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 [131] Wang Y, Sarkar M, Smith AE, Krois AS and Pielak GJ, “Macromolecular crowd- ing and protein stability”, J. Am. Chem. Soc. 134, 16614–16618 (2012). [132] Woolhead CA, Johnson AE, Bernstein HD, “Translation arrest requires two-way communication between a nascent polypeptide and the ribosome”, Mol. Cell. 22, 587-598 (2006). [133] Young JC, Agashe VR, Siegers K, Hartl FU, “Pathways of chaperone- mediated protein folding in the cytosol”, Nat Rev Mol Cell Biol 5, 781–791 (2004). [134] Zhou HX, “Effect of Mixed Macromolecular Crowding Agents on Protein Folding”, Proteins. 72, 1109-1113 (2008). [135] Zhou HX, “Influence of crowded cellular environments on protein folding, binding, and oligomerization: biological consequences and potentials of atomistic modeling”, FEBS. Lett. 587, 1053-1061(2013). [136] Zhou HX, “Polymer crowders and protein crowders act similarly on protein folding stability”, FEBS Lett. 587, 394-7 (2013). [137] Zhou HX, “Protein folding in confined and crowded environments”, Arch. Biochem. Biophys. 469, 76-82 (2008). [138] Zhou HX, Dill KA, “Stabilization of proteins in confined spaces”, Biochemistry. 40, 11289-93 (2001). [139] Zhou HX, Rivas G, Minton AP, “Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences”, Annu. Rev. Biophys. 37, 375–397 (2008). [140] Zimmerman SB, Minton AP, “Macromolecular crowding: biochemical, biophys- ical, and physiological consequences”, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 22, 27-65 (1993). [141] Zimmerman SB, Trach SO, “Estimation of macromolecule concentrations and excluded volume effects for the cytoplasm of Escherichia coli”, J. Mol. Biol. 222, 599-620 (1991).