Các nhà khoa học làm sáng tỏ cơ chế phân tử bí ẩn cung cấp năng lượng cho tế bào trong hầu hết các hình thức của sự sống
Thứ hai, 19-01-2015 | 07:37:41
|
Nghiên cứu mới đây cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về cách một enzyme quan trọng của ty lạp thể, enzyme transhydrogenase (TH), hoạt động trong một quá trình chìa khóa để duy trì các tế bào khỏe mạnh.
Một nhóm nghiên cứu do các nhà sinh học cấu trúc tại Viện Nghiên cứu Scripps (TSRI) dẫn dắt đã thực hiện một bước tiến lớn trong việc hiểu rõ cơ chế phân tử phức tạp của một enzyme chuyển hóa được tạo ra trong hầu hết các hình thức của sự sống trên Trái đất.
Phát hiện được công bố trên tạp chí Science, tập trung vào việc nghiên cứu nicotinamide transhydrogenase nucleotide (TH), một enzyme cổ tiến hóa được tìm thấy ở động vật cũng như thực vật và nhiều loài đơn giản hơn. Enzyme này là một phần của một quá trình quan trọng duy trì các tế bào khỏe mạnh và cũng mới đây được liên kết với một số bệnh, như tiểu đường và ung thư.
“Mặc dù TH rất quan trọng nhưng enzyme này là một trong những enzyme ti thể ít được nghiên cứu nhất”, PGS. David C. Stout của TSRI cho biết. “Nghiên cứu mới của chúng tôi sẽ giúp làm sáng tỏ một số bí ẩn, từ đó đề xuất cách cấu trúc enzyme có thể khai thác các proton và chỉ ra rằng hai mặt của nó có thể lần lượt thực hiện các chức năng nhưng luôn ở trạng thái cân bằng”.
Cung cấp năng lượng cho tế bào
Ở người và các sinh vật bậc cao hơn khác, các enzym TH hoạt động trong ty thể, là các lò phản ứng oxy vỏ kép cực nhỏ giúp cung cấp năng lượng cho hầu hết các quá trình tế bào.
Khi một ty thể đốt cháy oxy, nó bơm proton ra khỏi khoang bên trong của nó (“ma trận”), tạo ra sự dư thừa của các hạt tích điện ngay bên ngoài lớp màng trong của nó. Các enzyme TH, được cố định ở một đầu trong lớp màng này, cho phép từng dòng proton trở lại qua màng trong phạm vi ma trận. Quá trình này - tương tự quá trình tạo ra ATP, nguồn năng lượng phổ quát của tế bào - cũng liên quan đến việc sản xuất ra một hợp chất được gọi là NADPH. Hợp chất này rất quan trọng cho việc làm giảm các gốc oxy tự do để duy trì sức khỏe của tế bào.
Phòng thí nghiệm của Stout và các phòng thí nghiệm khác trước đây mô tả các phần của enzyme TH nhô ra khỏi màng tạo thành ma trận của ty lạp thể. Nhưng một sự hiểu biết chính xác cơ chế của TH thật khó nắm bắt. Về tổng thể, enzyme này có cấu trúc đặc biệt lỏng lẻo làm cho việc đánh giá bằng tinh thể học tia X, một công cụ tiêu chuẩn để xác định các cấu trúc của các protein lớn ở độ phân giải cấp nguyên tử, gặp khó khăn.
“Các chi tiết quan trọng chúng ta còn thiếu bao gồm cấu trúc của phần xuyên màng của TH và cách thức trong đó các bộ phận lắp ráp thành enzyme hoàn chỉnh”, Josephine H. Leung, một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Stout, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Manh mối mới cho một cấu trúc năng động
Trong nghiên cứu mới này, Leung và các đồng nghiệp của cô đã có thể lần đầu tiên hình thành các tinh thể (các nhóm sắp thành hàng ngay ngắn) của phần xuyên màng TH và sử dụng tinh thể học tia X để xác định cấu trúc của nó - ở độ phân giải cấp nguyên tử 2,8 angstrom (280 phần nghìn tỷ của một mét).
Nhóm nghiên cứu cũng đã có thể phát triển các tinh thể của enzyme TH trọn vẹn. Những tinh thể này mang lại một hình ảnh cấu trúc có độ phân giải thấp hơn nhiều, nhưng các nhà nghiên cứu đã có thể nâng độ phân giải lên 6,9 angstrom bằng cách kết nối dữ liệu từ tinh thể học của từng phần TH. Trong một nghiên cứu sâu hơn, GS. Bridget Carragher và các đồng nghiệp tại Cơ quan Tài nguyên kính hiển vi phân tử tự động quốc gia (NRAMM) tại TSRI đã chụp từng bản sao của enzyme này với độ phân giải lên đến 18 angstrom bằng kính hiển vi điện tử.
Dữ liệu hiển vi điện tử xác nhận rằng TH tồn tại một cách tự nhiên như một “chất nhị trùng” - hai bản sao giống hệt nhau liên kết với nhau - và cung cấp những đầu mối quan trọng cho thấy TH hoạt động như thế nào trong cấu hình này.
Trực tiếp trên cấu trúc xuyên màng của TH, ngay bên trong ma trận của ty lạp thể, là cấu trúc “miền III” gắn kết phân tử tiền thân của NADPH, NADP +, trong quá trình chuyển đổi thành NADPH. Các nhà sinh học cấu trúc đã không hiểu làm thế nào hai cấu trúc như vậy lại có thể làm việc cạnh nhau trong chất nhị trùng hợp TH mà không can thiệp vào hoạt động của nhau. Dữ liệu cấu trúc mới này cho thấy những cấu trúc cạnh nhau này rất linh hoạt và luôn luôn có nhiều hướng khác nhau.
“Điểm nổi bật nhất trong phát hiện của chúng tôi là 2 cấu trúc miền III không đối xứng - một trong số chúng sẽ phải quay lên trong khi cấu trúc khác quay xuống”, Leung nói.
Đặc biệt, một trong các cấu trúc được định hướng rõ ràng để thúc đẩy sản xuất NADPH, trong khi cấu trúc khác được quay về phía màng, có lẽ để tạo thuận lợi cho một proton đi xuyên màng. Mô hình cấu trúc mới này cho thấy với mỗi proton đi xuyên màng, hai cấu trúc miền III lật và chuyển đổi chức năng của chúng. “Chúng tôi nghi ngờ rằng sự di chuyển này của proton là nguyên nhân mà bằng cách nào đó gây ra sự lật này của cấu trúc miền III”, Leung nói.
Nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm để xác định cấu trúc và cơ chế chính xác của TH. Ví dụ, dữ liệu cấu trúc mới này cung cấp bằng chứng về một kênh có khả năng là proton trong vùng xuyên màng TH, nhưng chỉ hiển thị một cấu hình đóng của cấu trúc này. “Chúng tôi nghi ngờ rằng các kênh này có thể có một cấu hình mở cho phép các proton đi qua, vì vậy đó là một trong những chi tiết chúng tôi muốn nghiên cứu thêm”, Leung nói.
N.L.H - NASATI, theo Sciencedaily |
Trở lại In Số lần xem: 1217 |
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|