DI TRUYỀN HỌC, QUÁ TRÌNH LẮP RÁP VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỢP

1
TRƯỜNG ĐH SÀI GÒN
LỚP DSI 1081



MAI THỊ TRÀ GIANG
PHẠM THỊ MỸ HẠNH
NGUYỄN VĂN TÚ
TÔ HOÀNG YẾN



HUỲNH THỊ DIỄM THÚY
LÊ KIM YẾN
CAO THỊ THÙY TRANG
ĐỖ NGUYỄN HỒNG HẠNH
BÀI THUYẾT TRÌNH MÔN QUANG HỢP
GVHD: THẦY HOÀNG MINH TÂM
2
CHƯƠNG 10
DI TRUYỀN HỌC, QUÁ TRÌNH LẮP RÁP VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỢP
3
CÁC VẤN ĐỀ ĐƯỢC ĐỀ CẬP
I. TỔ CHỨC GENE CỦA VI KHUẨN QUANG HỢP KỊ KHÍ.
II. SỰ BIỂU HIỆN GENE VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA VI KHUẨN QUANG HỢP MÀU TÍA.

III. TỔ CHỨC GENE TRONG VI KHUẨN LAM.

IV. HỆ GENE CỦA LỤC LẠP.

V. CON ĐƯỜNG, CƠ CHẾ CỦA VIỆC XÂM NHẬP PROTEIN VÀ MỤC ĐÍCH CỦA NÓ TRONG LỤC LẠP.

VI. SỰ ĐIỀU CHỈNH VÀ VIỆC LẮP RÁP CỦA PHỨC HỆ QUANG HỢP TRONG VI KHUẨN LAM VÀ TRONG LỤC LẠP.

VII. SỰ ĐIỀU CHỈNH BỞI CƠ CHẾ CES.
4
I. TỔ CHỨC GENE TRONG VI KHUẨN QUANG HỢP KÒ KHÍ
5
- Sự quang hợp của những sinh vật quang dưỡng kỵ khí được nghiên cứu kỹ ở nhóm vi khuẩn tía.
- Tổ chức gen và sự điều chỉnh của chúng tương đối ổn định.
6
Trình tự bộ gen của những vi khuẩn tía sau đây đã được xác định rõ :
Rhodobacter capsulatus
Rhodobacter sphaeroides
Rhodopseudomonas palustris
Vi khuẩn xanh chlorobium tepidum
Aurantiacus choloroflexus.
7
- Bộ máy quang hợp ở vi khuẩn tía được xác định bởi các thông tin di truyền cần thiết.
- Các thông tin di truyền này được nằm trong một cụm gen quang hợp( PGC) – Photosynthetic Gene Cluster.
- Cụm gen này có chiều dài khỏang 41- 46Kb và bao gồm các DNA nằm ở trong NST vòng của tế bào.
8
SỰ
SẮP
XẾP
ADN
TRONG
PGC
50% mã hóa enzim tham gia vào việc tổng hợp lục lạp
18% tổng hợp caroten
8% giúp thực hiện chức năng chính.
10% dành cho gene khác
14% sử dụng cho mục đích khác
9
Các gen hem này nó mã hóa các enzyme nằm ở vị trí khác trên NST, như là:
+ pet gen mã hóa cho các phöùc heä cytochrome bc1.
+ Đồng thời nó cũng dùng cho các con đường hô hấp.
10
Các gen quang hợp khác (không phải là một phần của PGC) bao gồm:
+ Các gen mã hóa cho các enzyme trong chu trình calvin
+ Các gen puc mã hóa cho phức hệ LH2 của anten.
11
Cụm các gen quang hợp của Rhodobacter sphaeroides
12
Ở vi khuẩn G+ ( Heliobacillus mobilis ) cũng có PGC nhưng ở vi khuẩn lục chứa lưu huỳnh, không chứa lưu huỳnh và vi khuẩn lam thì không chứa PGC.
13
- Trung tâm phản ứng L và M của các protein và các peptide α và β của phức hệ LH1 được chứa trong một operon gần cuối đầu 3’của PGC được gọi là puf ( đơn vị quang-cố định).

- Đơn vị H nằm ở gần đầu kết thúc khác của PGC và được mã hóa bởi gen puhA.
14
- Phức hệ anten LH2 được mã hóa bằng puc operon.
- puc operon này không thuộc PGC nhưng có khoảng 20kb được định vị trên gen puhA.
15
II. SỰ BIỂU HIỆN GENE VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA VI KHUẨN QUANG HỢP MÀU TÍA.

16
- Vi khuẩn quang hợp màu tía là những sinh vật đặc biệt có khả năng biến đổi linh họat và có thể tạo ra năng lượng bằng cách quang hợp, hô hấp hiếu khí và kỵ khí,lên men.
17
-Để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất của những dạng sống khác nhau, sự biểu hiện gen đóng vai trò điều chỉnh. Các biểu hiện của bộ máy quang hợp được tiến hành dưới trạng thái kỵ khí
18
- Ngoài ra, giá trị thực của các trung tâm phản ứng và các cụm ăng ten LH1 và LH2 được sửa đổi phù hợp với cường độ ánh sáng.
19
- Quy chế của sự biểu hiện bộ máy quang hợp được điều khiển bởi một số mạch tương tác có ảnh hưởng đến sự phiên mã của các operons khác nhau (Bauer và Bird, 1996; Zeilstra-Ryalls et al., 1998; Gregor và Klug, 1999).
20
- Cấp độ đầu tiên của sự điều chỉnh là ức chế các biểu hiện của gene quang hợp trong điều kiện hiếu khí .

21
- Cấp độ thứ hai của sự điều chỉnh là kích hoạt trung tâm phản ứng và gen protein cấu trúc hút ánh sáng (puf, puhand PUC) trong điều kiện kỵ khí.
22
- Cấp độ thứ ba của sự điều chỉnh sao chép được thể hiện trong điều kiện ánh sáng yếu, nơi mà mức độ biểu hiện của các operons puh và puf được tăng lên trong ánh sáng mờ (Bauer và Bird, 1996).
23
III. TỔ CHỨC GENE TRONG VI KHUẨN LAM
24
SỰ SẮP GEN Ở VI KHUẨN LAM
25
- Về cơ bản thì mô hình sắp xếp và điều chỉnh gen ở vi khuẩn lam xuất phát từ vi khuẩn tía ( kò khí).
- Vi khuẩn lam là 1 đại diện cho cơ chế điều tiết trung gian giữa vi khuẩn tía kò khí ( cao) và lục lạp ( thấp).
26
- Bộ gen hoàn chỉnh của Synechocystis PCC 6803 đã được xác định. Nó là 1 bộ gen vòng gồm 3,6 triệu base cộng với vài plasmic nhỏ.
Bản đồ gen của Synechocystis PCC 6803
3.6 Mbp
27

- Người ta tìm thấy 50 ARN tâp hợp trên gen và khoảng 3000 protein, trong đó 50% không rõ về chức năng.
- Những gen quang hợp ở vi khuẩn lam nằm rải rác trên toàn bộ gen, gồm các cụm gen nhỏ và vài operon.
- Những gen điều chỉnh quá trình sao chép chính và thực hiện quang hợp ở vi khuẩn lam có vai trò quan trọng hơn các gen thực hiện trao đổi chất ở vi khuẩn tía.
28
IV. HỆ GENE CỦA LỤC LẠP.
29
- Lục lạp ở những tế bào sinh vật quang hợp nhân chuẩn thì chứa 1 hệ gen ADN mạch vòng, nó giống như cái được tìm thấy ở vi khuẩn.

- Hệ gen này nói về nguồn gốc phát triển của lục lạp như là vi khuẩn lam nội cộng sinh.
30
- Sự nổi bật nhất là hệ gen lục lạp có kích thước nhỏ hơn hệ gen của vi khuẩn lam cho nên nội dung di truyền cũng giảm.
- Kích thước của hệ gen lục lạp được sắp xếp theo trình tự từ 120 => 191 kb. Và có khoảng 50 => 80 trình tự mã hóa bao gồm những protein cốt lõi, phức hệ cytochrome b6f, bộ NST của tARN và các nguyên tố của lục lạp đã được tổng hợp.
31
- Hệ gen lục lạp lớn nhất đến nay được sắp xếp theo trình tự của tảo đỏ Porphyra purpurea.
- Hệ gen nhỏ nhất được tìm thấy trong cây thông.
- Ba nhóm sinh vật có hệ gen lục lạp không điển hình là:

+ Ngành trùng 2 roi.
+ Thực vật kí sinh.
+ Kí sinh trùng bao gồm sinh vật gây sốt rét.

- Những sinh vật này có giữ lại 1 bộ gen lục lạp nhỏ có chức năng chủ yếu trong việc tổng hợp axit béo.
32
- Hầu hết các thành phần khác của protein trong lục lạp được mã hóa bởi nhân ADN rồi đưa vào lục lạp sau đó tập hợp thành phức chất.

- Hệ gen của hạt nhân đã được hoàn thành ở thực vật bậc cao như cây mustard Arabidopsis thaliana và một số thực vật khác như gạo, ngô…
33
BẢN
ĐỒ
GEN
LỤC
LẠP
Ở
GẠO
34
V. CON ĐƯỜNG, CƠ CHẾ CỦA VIỆC XÂM NHẬP PROTEIN VÀ MỤC ĐÍCH CỦA NÓ TRONG LỤC LẠP.
35
1. CON ĐƯỜNG VÀ CƠ CHẾ XÂM NHẬP PRTEIN
36
37
2. MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC XÂM NHẬP PROTEIN
38
39
VI. SỰ ĐỀU CHỈNH VÀ LẮP RÁP CỦA HỆ THỐNG QUANG HỢP Ở VI KHUẨN LAM VÀ LỤC LẠP
40
- Hầu hết các protein (có chức năng trong quá trình quang hợp) là một phần của các phức hợp đa protein.

- Những phức hợp này luôn có một phép tính hợp thức cố định Protein cơ định (như phức hợp rubisco L8S8).


41
- Phép tính hợp thức cố định này cho biết nhu cầu để điều chỉnh số lượng của mỗi Protein cơ định.

- Nếu như sự đều chỉnh này không xuất hiện: có thể gây độc.

- Hiệu ứng tiêu cực này đặc biệt nghiêm trọng nếu những thành phần thừa có diệp lục.
42
Sự điều chỉnh những phức hợp này (do sự phosphoryl hoá hay mức caroten) giúp cho việc phân bố năng lượng.
43
- Những bản sao mARN hạt diệp lục sống rất lâu, với thời gian bán huỷ từ 6-40 giờ.

- Những nhân tố (chuyển cho mARN hạt diệp lục) xuất hiện từ rất lâu, nằm chủ yếu ở đầu 5’ (ít hơn ở đầu 3’) những vùng không dịch mã.
44
-Các nhân tố dịch mã có hạt nhân mã hoá kết khối lại tới những vùng này và điều chỉnh khả năng thông báo để tương tác với ribosome hạt diệp lục, do đó kiểm soát được tốc độ sản xuất protein được mã hoá bởi hạt diệp lục.
45
Như vậy điều khiển sự tổng hợp ở mức tịnh tiến là rất lớn và chủ yếu được kiểm soát bởi những tín hiệu từ hạt nhân.
46
Có phải diệp lục đã gửi tín hiệu ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen hạt nhân hay không?
47
-Nhiều gen hạt nhân được điều chỉnh ánh sáng chủ yếu bởi phytochrome và các cơ quan nhận tia sáng xanh.

- Các hệ thống báo hiệu được điều chỉnh bởi ánh sáng này không phải được định vị trong hạt diệp lục.

- Tuy nhiên, không có bằng chứng rõ ràng về việc các tín hiệu được gửi đến hạt nhân có nguồn gốc từ lục lạp.
48
Đó có thể là bản dịch của mARN trên ribosome tế bào chất
49
Sự kiểm soát dịch mã của sự biểu hiện gen hạt diệp lục được hoàn thành ở mức độ phân tử như thế nào?
50
- Sự kiểm soát dịch mã của sự biểu hiện gen hạt diệp lục được điều chỉnh bởi một lượng lớn các nhân tố protein được mã hoá bởi hạt nhân.

- Sau đó, chúng gắn vào vùng không dịch mã và ảnh hưởng đến khả năng tương tác của bản sao với ribosome.
51
VD: gen psbA mã hoá cho protein D1 của hai trung tâm phản ứng của hệ thống quang hoá.
52
Các protein 60,55,47 và 38 kDa được gắn vào vùng không dịch mã của gen psbA
Protein 47kDa tương đồng với protein poly A
Protein này kết khối lại tại vùng không dịch mã của gen psbA

- Protein 60kDa là một loại enzim đồng phân hoá có liên kết disunfit, mối liên kết disunfit cystine làm giảm nhóm SH trong ánh sáng

53
Protein 60kDa gây giảm lượng liên kết disunfit trên protein bắt buộc 47kDa poly A

- Trong trạng thái khử, protein 47kDa kết khối lại tại vùng không dịch mã của gen psbA và tăng cường kết hợp với ribosome, tạo thành bản dịch của protein D1. Trong trạng thái tối, thế cộng hưởng cao hơn, liên kết disunfit được thành lập lại, ngăn chặn bản dịch
54
VII. SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA PHÉP TÍNH HỢP THỨC PROTEIN BỞI CƠ CHẾ CES:
55
- Trong nhiều trường hợp, mức độ tích tụ của các tiểu đơn vị của một đa protein được kiểm soát bởi một trong những thành phần tổng thể, được gọi là tiểu đơn vị thống lĩnh.
56
- Các tiểu đơn vị khác đáp ứng với mức độ tích tụ, đặc biệt, tỷ lệ của chúng tổng hợp được giảm bớt nếu các tiểu đơn vị chi phối là không có mặt hoặc có mặt với số lượng giảm. Các tiểu đơn vị phụ thuộc được điều khiển bởi tổng hợp eptistatic (CES) và do đó được chỉ định cấu trúc dựa trên CES.
57
VÍ DỤ:
- Protein D2 của trung tâm phản ứng phức hệ 2 là các tiểu đơn vị chi phối, và các protein D1 là tiểu đơn vị CES. Lần lượt, Protein D1 thì trội đối với anten CP 47 phức tạp.
58
- Trong một trường hợp cơ chế tác dụng CES được hiểu tương đối tốt. Cytocrome f là CES tiểu đơn vị trong lắp ráp cytocrome b6 f phức tạp. Cytocrome b và tiểu đơn vị IV là các tiểu đơn vị chi phối, nếu cytocrome f không lắp ráp thành một thành phần phức tạp, thì một phần C-terminal của protein liên kết với các khu vực chưa được dịch 5 `của RNA thông tin của nó, sẽ ức chế sự tương tác của nó với các ribosome.
59
- Nhiều bằng chứng cho rằng những hiệu ứng CES đã thu được từ tảo lục Chamydomonas, là một hệ thống mô hình tuyệt vời cho sự nghiên cứu của sự biểu hiện gen của sinh vật quang hợp nhân chuẩn.
60
- Để phát triển cao hơn nữa những nghiên cứu từ tảo lục Chamydomonas người ta đã ứng dụng vào thực vật lớp cao, và kỳ vọng rằng cùng với những nguyên tắc tổng quát, sẽ vận hành trong những hệ thống này nữa.