QUÁ TRÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

Chuyên đề : Năng lượng sinh học
Các quá trình tiêu hao năng lượng trong cơ thể sinh vật.
Người hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn
Nhóm thực hiện: Nguyễn thị Vi Na
Trần Thị Ánh Tuyết
Khilasăc Punphamy
Hoàng Thương Huyền
NĂM HỌC 2008-2009
Các quá trình tiêu hao năng lượng
trong cơ thể sinh vật
1- Lực khởi động và năng lượng hoạt hóa
2- Các liên kết năng lượng trung gian là lực khử
2.1- Nhu cầu năng lượng khử NAD+
2.2- Nhu cầu năng lượng khử NADP+
2.3- Nhu cầu năng lượng khử các phản ứng khác.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.1- Photphoryl hóa
3.2- Tạo thành acetyl- CoA
3.3- Tổng hợp hydratcarbon
3.4- Tổng hợp lipit
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
1- Lực khởi động và năng lượng hoạt hóa
- Lực khởi động của một phản ứng hóa học được xác định bằng hiệu số năng lượng tự do (∆G) giữa chất tham gia phản ứng với sản phẩm phản ứng.
- Khi một phản ứng tự xảy ra thì ∆G là âm
- Phản ứng muốn xảy ra tiếp tục phải nhận năng lượng từ môi trường xung quanh, khi đó ∆G là một số dương
=> Trong thực tế, mặc dù ∆G âm, khi có khác biệt về mức năng lượng (chất tham gia phản ứng có mức năng lượng cao hơn là mức năng lượng của sản phẩm phản ứng) nên phản ứng không tiếp diễn hoặc chỉ xảy ra với tốc độ chậm chạp => phản ứng cần có năng lượng hoạt động hóa (Ehh) từ bên ngoài
Arrehnius đã xác nhận rằng tốc độ phản ứng phụ thuộc
vào nhiệt độ: K = A eEhh/RT
trong đó Ehh : năng lượng hoạt động hóa
R : hằng số khí.
T: Nhiệt độ tuyệt đối
A là bản chất của phân tử (A = PZ)
(Z là hệ số va chạm và P là nhân tố lập thể)
Năng lượng hoạt động hóa là giá trị năng lượng mà các tiểu
phần phải có để đạt được một ngưỡng chung. Từ phương
trình trên lấy logarith ta có: lnK = lnA – Ehh/RT
=> Phương trình đó chứng tỏ rằng ở nhiệt độ đã cho thì
số phân tử có khả năng phản ứng tỷ lệ nghịch với năng
lượng hoạt động hóa
1- Lực khởi động và năng lượng hoạt hóa
=> Qua những điều đã trình bày trên, chúng ta rút ra:
Phản ứng muốn xảy ra phải có mức năng lượng chênh lệch giữa chất tham gia phản ứng và sản phẩm phản ứng.
Khi bổ sung năng lượng từ ngoài vào hệ thống phản ứng thì làm cho tốc độ phản ứng tăng lên. Nghĩa là các chất tham gia phản ứng phải được hoạt hóa.
1- Lực khởi động và năng lượng hoạt hóa
2- Các liên kết năng lượng trung gian là lực khử

- Như đã biết, ATP tham gia trong quá trình hình thành
nicotinamid-adenin-dinucleotid theo phản ứng dưới đây:
ATP + Nicotinic-ribbose ↔ Desamido-NAD + P ~ P
- Sau đó nhờ năng lượng từ phân tử ATP thứ hai cung
cấp và có sự tham gia của glutamine thì hợp chất
desamido-NAD bị biến đổi thành NAD+ và axit glutamine
như sau:
Desamido-NAD +ATP +Glutamin ↔ NAD+ +AMP +P ~ P
+ axit glutamic
Theo Price và Handler, trong quá trình tổng hợp
NAD+ như trên thì glutamine đóng vai tro là chất cho
nhóm amin. Như vậy, quá trình này đã tiêu hao hai phân
tử ATP.
2.1- Nhu cầu năng lượng khử NAD+
Theo Slater phản ứng khử pyridinnucleotid có thể xảy ra như sau:
NAD+ ← → A → B → O
↑
Succinat
Do đó:
3Succinat + A 3Fumarat + 3AH2
AH2 + B + I2 A ~I2 + BH2
BH2 + 1/2O2 + I3 B ~I3+ H2O
A ~I2 + NAD+ + I1 A + I2 + NAD+ ~I1
B ~I3 + NAD+ + I1 B + I3 + NAD+ ~I1
3 AH2 + 2NAD+ ~I1 2A +2I1 + 2NADH + H+

3Succinat +1/2O2 +2NAD+↔3Fumarat +H2O +2NADH + H+
=>Trong đó A và B là thành phần của chuổi vận chuyển
điện tử . Còn I1, I2, I3 là thành phần của 3 vùng cố định
năng lượng chuỗi hô hấp.
α-glycerophosphat cũng như các chất cho hydro khác xảy ra quá trình khử NAD+ cũng diễn ra như trên.
2.2- Nhu cầu năng lượng khử NADP+
Mặc dù thế năng bình thường E0 của cả hai hệ thống
NADH/NAD+ và NADPH/NADP+ bằng nhau ( E0 = -
0,320 volt ). Nhưng thực chất việc phân phối hydro giữa
hai hệ thống này trong quá trình vận chuyển hydro nhờ
transydrogenase không đơn giản như qui luật tác dụng
khối lưọng đã mô tả. Bởi vì trong đa số trường hợp với
những điều kiện thích hợp thì NADP+ của ty thể bị khử
bằng hydro của NADH ty thể:
NADH + H+ + NADP+ + ~I → NAD+ + NADPH + H+ + I
Như vậy cần năng lượng để thực hiện phản ứng trao đổi.
Nguồn năng lượng huy động từ các sản phẩm trung gian giàu
năng lượng trong chuỗi hô hấp hay ATP cung cấp.
=> Quá trình này trong sinh tổng hợp ở ty thể có tác dụng
gắn hydro có sẵn vào NADPH(bị oxy hóa bởi chuỗi hô hấp)
2.3- Nhu cầu năng lượng khử các phản ứng khác.
* Khi tổng hợp glutamate bằng con đường khử từ -
cetoglutarat với NH3 ở ty thể gan chuột, kết quả cho thấy không
chỉ succinat mà còn cả malat đều là chất cho hydro – Đó là quá
trình đòi hỏi năng lượng. Khi oxy hóa malat cung cấp NADH
cần thiết năng lượng để thực hiện phản ứng tiếp theo như sau:

Malat + NAD+ Oxalacetate + NADH + H+
NADH +H++ -cetoglutarat +NH3 Glutamate+NAD++H2O
Glutamate + Oxalacetate  -cetoglutarat + Aspartate Malat + NH3 Aspartate +  -cetoglutarat

=> Phương trình trên cũng giải thích: malat là nguồn cung cấp hydro do phản ứng phụ thuộc năng lượng của NAD+.
=> Ở đây bước nhu cầu năng lượng lại là phản ứng khử từ
NAD+ thành NADH. Một ví dụ khác cũng cần được nhắc đến là
khử từ oestron thành 17- β -ostradiol như sau:

Ostron + NADH + H+ 17- β –ostradiol + NAD+
17- β –ostradiol + NADP+ Ostron + NADPH + H+
NADH + H+ + NADP+ NADPH + H+ + NAD+
2.3- Nhu cầu năng lượng khử các phản ứng khác.
* Còn đối với con đường isocitrat là chất cho hydro để tổng
hợp thành glutamate cũng có quá trình cần năng lượng diễn ra tương tự như quá trình trên.
Như vậy, bước đòi hỏi năng lượng lại là phản ứng vận chuyển hydro từ NADH đến NADP+. Đối với nhiều quá trình tổng hợp thì NADPH có vai trò vận chuyển hydro quan trọng

- Nhờ ATP và dưới xúc tác của creatinkinase (ở động vật có vú) hay argininkinase, ty thể của tế bào cơ có khả năng tạo thành các liên kết giàu năng lượng thích hợp.
Creatin + ATP Creatinphosphat + ADP

- Trong những trường hợp thiếu oxy và glycolyse không tạo thành ATP ở cơ, khi đó nhờ adenylatkinase - enzym vận chuyển phosphat trong cơ - có chức năng ngược với nucleosidmonophosphatkinase, xúc tác phản ứng cung cấp ATP có thể diễn ra theo phương trình dưới đây:
2ADP ATP + AMP
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.1- Photphoryl hóa
- Trong quá trình trao đổi hydratcacbon thì Glucose-6-photphat là chất then chốt nhất. Con đường phosphoryl hóa tạo thành glucose-6-photphat :
Glucose + ATP  glucose-6-photphat + ADP
=> phản ứng không thuận nghịch
- Trên cơ sở khác nhau về mức năng lượng tự do giữa các liên kết pyrophosphat trong ATP với liên kết esterphosphat trong glucose-6-phosphat mà phương trình phản ứng tiếp tục tạo thành glucose-6-phosphat:
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.1- Photphoryl hóa
Glucose-6-Photphat có thể tham gia vào các quá trình trao đổi hydrocarbon khác nhau:
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.1- Photphoryl hóa
- Acetyl-coenzyme A là dẫn xuất acetyl của coenzyme A. Nhóm SH của cysteamin là nhóm chức năng của coenzyme này.
- Acetyl-CoA là một cơ chất quan trọng nhất của trao đổi chất trung gian. Liên kết thioester giàu năng lượng, khi thủy phân liên kết này giải phóng năng lượng tự do khoảng -26 kj/Mol
- Ngoài ra phần lớn Acetyl- CoA tham gia vào hai con đường:
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.2- Tạo thành acetyl- CoA
Trong cơ thể sống, acetyl-CoA được tào thành từ:
- Axit pyruvic,
- Hoạt hóa axit béo,
- β-oxy hóa axit béo.
a. Quá trình tạo thành acetyl-CoA từ axit pyruvic:
Axit pyruvic trải qua gia đoạn decarboxyl hóa tạo thành acetyl-CoA:
CH3COCOOH + NAD+ + CoASH  CH3CO~S.CoA + NADH +
+ H++ + CO2
b. Tạo thành acetyl-CoA bằng hoạt hóa axit acetic hoạt động:
Hoạt hóa axit acetic tự do thành acetyl-CoA nhờ enzyme hoạt hóa acetat xúc tác và có sự tham gia của ATP:
CH3COOH + ATP + CoASH CH3CO~S.CoA +AMP + P~P
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.2- Tạo thành acetyl- CoA
- Từ glucose-6-phosphat có thể tham gia vào quá trình sinh tổng hợp polysaccharide dạng tinh bột (ở thực vật) hay glycogen (động vật) :
+ Glucose-6-phosphat Glucose-1-phosphat

+ Việc tổng hợp glucose-1,6-diphosphat có thể tiến hành theo 2 con đường sau tùy đối tượng và tùy loại mô:

 Ở nấm men, mô cơ và thực vật:
Glucose-1-phosphat + ATP Glucose-1,6-diphosphat + ADP

 Ở vi khuẩn Escherichia coli và mô cơ:
2Glucose-1-phosphat Glucose-1,6-diphosphat + Glucose
Mg2+
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.3- Tổng hợp hydratcarbon
- Từ Glucose-1-phosphat tổng hợp thành glycogen có thể xảy ra như sau:
UTP + Glucos-1-phosphat UDP-glucose + P~P
 Sau đó UDP-glucosid tiếp tục liên kết với chuỗi polysaccharide đang tổng hợp (nhờ enzyme glycogensynthetase)
=>Trong quá trình trên có sự tiêu hao năng lượng ở dạng UTP. UTP được tạo thành từ ATP như sau:
UDP + ATP UTP + ADP
Như vậy cứ mỗi lần vận chuyển glucose tiêu hao mất một phân tử ATP.
- Sự biến đổi tương hỗ giữa Glucose -1,6- diphosphat, Glucose-1-phosphat và Glucose-6-phosphat quyết định con đường phân giải hay tổng hợp hydratcarbon.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.3- Tổng hợp hydratcarbon
Bên cạnh con đường tổng hợp polysaccharide chung trên thì tại gan và thận có khả năng tổng hợp glucose hay glycogen hóa từ lactat, glycerin và các axit amin.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.3- Tổng hợp hydratcarbon
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.4- Tổng hợp lipit
- Tên gọi “lipid” xuất phát từ chữ Hylạp “lipos” - chất béo.
- Lipid không tan trong nước nhưng tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực.
- Là thành phần cấu tạo quan trọng của màng sinh học và là nguồn nhiên liệu dự trữ cung cấp năng lượng cho cơ thể.
=> Lipid thường được chia thành 2 nhóm lớn:
- Lipid đơn giản: là ester của alcol và axit béo (fatty acid). Thuộc nhóm này có triacylglycerol, sáp và sterit
- Lipid phức tạp: trong phân tử ngoài alcol và axit béo còn có axit phosphorit, colin,….
Trong cơ thể người và nhiều sinh vật khác có thể tự tổng hợp axit béo chuỗi ngắn cũng như chuỗi dài, ở trong cũng như ở ngoài ty thể. Nhưng đối với một số axit béo, đặc biệt là các axit béo có nhiều nối đôi như linolic, linolenic, … cơ thể không thể tự tổng hợp được, gọi là các axit béo cần thiết.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.4- Tổng hợp lipit
3.4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
Các axit béo thường xuyên được đổi mới. Ở gan động vật có vú có 3 hệ thống enzyme xúc tác quá trình sinh tổng hợp axit béo ở những vùng khác nhau.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.4- Tổng hợp lipit
3.4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
* Khi tổng hợp axit béo ngoài ty thể đòi hỏi ATP và khung carbon. Khung carbon có thể do acetyl-CoA hay citrat cung cấp.
- Do tính chất bán thấm của màng mà liên kết thioester của acetyl-CoA không thể thấm trực tiếp qua màng mà phải chuyển hóa thành acetylcarnitin giàu năng lượng. Phản ứng này được sự xúc tác của enzyme chuyển nhóm acetylcarnitin là acetylcarnitintranferase và có thể không tiêu hao năng lượng:
acetyl-CoA + Carnitin Acylcarnitin + CoA.SH
3.4- Tổng hợp lipit
3.4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
=> Bước tiêu hao năng lượng trong quá trình tổng hợp axit béo ở ngoài ty thể là bước carboxyl hóa từ acetyl-CoA đến malonyl-CoA.
Trong quá trình này malonyl-CoA được tạo thành từ sự cố định một phân tử CO2 trên một phân tử acetyl-CoA có sự xúc tác của enzyme biotin-acetyl-CoA-carboxylase.
HCO3- + ATP + acetyl-CoA  ADP + Pi + malonyl-CoA
Phản ứng này quyết định tốc độ tổng hợp axit béo nói chung
- Nếu citrat là chất tham gia phản ứng thì nhu cầu năng lượng để tổng hợp axit béo là gấp đôi.
=> Vì nhu cầu năng lượng từ phản ứng tách citrat (tricarboxylic) thành acetyl-CoA và oxaloacetat, sau đó là phản ứng chuyển acetyl-CoA đến malonyl-CoA như trên.
Citrat + CoA.SH + ATP acetyl-S.CoA + Oxalacetat +
ADP + P
3.4- Tổng hợp lipit
3.4.1- Sinh tổng hợp axit béo:
* Trong ty thể quá trình tổng hợp axit béo diễn ra ngược với quá trình β-oxy hóa axit béo Tất cả quá trình đều cần có sự tham gia của NADPH.
=> ý nghĩa chủ đạo là tiếp tục kéo dài chuỗi axít béo hiện có.
a. Tổng hợp Triacylglycerol:
Glycerol tham gia vào sự tổng hợp dưới dạng glycerol-3-phosphat. Axit béo trước khi được tổng hợp cũng phải được hoạt hóa tạo thành acyl CoA.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.4- Tổng hợp lipit
3.4.2- Sinh tổng hợp Triacylglycerol, Glycerophospholipids và Steric:
b. Tổng hợp Glycerophospholipids
Để tổng hợp Glycerophospholipids, các base nitơ nhất thiết phải được hoạt hóa nhờ XTP thành XDP-colin hoặc XDP-etabolamin. Sau đó chuyển gốc base nitơ cho axit phosphatidic hoặc diglyceric.
 
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.4- Tổng hợp lipit
3.4.2- Sinh tổng hợp Triacylglycerol, Glycerophospholipids và Steric:
c. Sinh tổng hợp steric:
Steric là lipid phức tạp tạo bởi sterol và axit béo. Nguyên liệu để tổng hợp sterol là acetyl CoA. Quá trình sinh tổng hợp sterol (cholesterol) bao gồm các giai đoạn được mô tả khái quát như sau:
- Giai đoạn chuyển acetyl CoA thành mevanolate.
- Giai đoạn tổng hợp squanlen.
- Giai đoạn chuyển squalen thành cholesterol
Sơ đồ khái quát như sau:
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.4- Tổng hợp lipit
3.4.2- Sinh tổng hợp Triacylglycerol, Glycerophospholipids và Steric:
Chlesterol có vai trò quan trọng trong cơ thể, đặc biệt là ở người. Từ cholesterol sẽ tổng hợp nên một loạt các steroids khác là các hormon trong cơ thể. .
4.3. Sơ đồ điều hòa trao đổi lipid:
3.5.1- Sinh tổng hợp axit amin:
- Quá trình tổng hợp axit amin là cần thiết đối với mọi dạng sống.
- Khả năng tổng hợp các axit amin phụ thuộc vào dạng niơ mà cơ thể sử dụng.
Một cách chung nhất, muốn tổng hợp axit amin thì cần tổng hợp bộ khung carbon và chuyển hóa nitơ thành axit amin.
+ Bộ khung carbon của axit amin chủ yếu bắt nguồn từ các sản phẩm trung gian của các quá trình trao đổi chất (đường phân, chu trình Canvil, Crebs,…)
+ Quá trình cố định nitơ trong tự nhiên có thể diễn ra theo phương trình sau:
N2 + 6e-- + 12 ATP + 12 H2O  NH4+ + 12 ADP + 12 P + 4 H+
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
- Nguồn nitơ (không khí theo nước mưa xuống đất, quá trình cố định nitơ của vi sinh vật…) amoniac (NH4+)
- Con đường chuyển hóa các amoniac thành axit amin có thể thực hiện theo các con đường sau:
+ Amid hóa các cetoaxit và khử các cetoaxit thành axit amin:
Ví dụ:
R-CO-COOH + NH3  R-C-COOH + H2O
(axit pyruvic) NH (Iminoaxit)
R-C-COOH + NADPH2  R-C-COOH + NADP+
NH NH2
+ Bằng con đường tương tự thì hầu hết các axit amin có thể được tạo thành từ các cetoaxit tương ứng của mình.
Α-Cetoglutaric + NH3  axit glutamic
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.1- Sinh tổng hợp axit amin:
+ Sinh tổng hợp amid từ các axit amin như:
Axit aspartic + NH3  Asparagin + H2O
+ Sinh tổng hợp các axit amin từ các axit không bảo hòa như:
HOOC-CH=CH-COOH + NH3  HOOC-CH2-CHNH2-COOH
(axit fumaric) (axit asparaginic)

+ Chuyển hóa axit amin này thành axit amin khác

=> Tóm lại, nhiều axit amin rất dễ được tạo thành bằng con đường amin hóa các cetoaxit tương ứng do tác động của các dehydrogenase (như glutamat, alanin, aspactat). Bên cạnh đó sự tổng hợp của một số các axit amin không theo con đường này, chúng được tạo thành từ sự biến đổi tương hỗ từ các axit amin khác hoặc khung carbon của chúng được tạo thành từ một số sản phẩm của sự trao đổi saccarit (3-phosphoglycerat, pyruvat, acetyl CoA )
Luận thuyết trung tâm:
Như đã biết, ở Eucaryote, ADN nằm trong nhân. Quá trình sinh tổng hợp protein lại diễn ra ở tế bào chất. Nếu thông tin được mã hóa trong ADN dùng để chỉ huy tổng hợp protein ở ribosome thì thông tin đó phải được chuyển từ nhân đến ribosome nhờ một chất chuyển trung gian. Khoa học đã chứng minh mARN là chất chuyển trung gian đã chỉ huy gắn các axit amin theo một trình tự nhất định, cho phép tổng hợp nên các protein đặc thù. Quá trình này được gọi là quá trình dịch mã. Như vậy, từ ADN đến protein gồm 2 quá trình nối tiếp nhau: sao mã và dịch mã
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.2- Sinh tổng hợp Protein:
Thông tin di truyền được sao chép trong mARN đưa đến protein đòi hỏi phải tồn tại các nhân tố thích ứng (adaptor) để thực hiện đồng thời hai chức năng: nhận cả mã di truyền và axit amin phù hợp theo sơ đồ:
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.2- Sinh tổng hợp Protein:
- Ngày nay, khoa học đã chứng minh: chất thích ứng đó là ARN vận chuyển- tARN (transfer ARN).
=> Các vấn đề trên được Francis Crick nêu lên trong luận thuyết trung tâm (central dogma) của sinh học phân tử công bố năm 1958. Nội dung chủ yếu của luận thuyết là:
- Thông tin di truyền được giữ trong axit nucleic (ADN hoặc ở một số virus là ARN), có thể truyền theo hướng axit nucleic  protein, nhưng thông tin không thể truyền theo hướng ngược lại từ protein đến axit nucleic.
- Thông tin di truyền được sao trên mARN chỉ có thể dùng để dịch ra protein mà không thể quay lại dùng làm vật liệu tổng hợp nên gen.
=> Nhưng cho đến nay người ta đã phát hiện được quá trình sao mã ngược ở virus. Do đó năm 1970, Crick đã bổ sung cho luận thuyết trung tâm như hình sau:
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.2- Sinh tổng hợp Protein:
Theo luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử, thông tin của gen chứa trong axit nucleic có thể truyền cho hàng loạt thế hệ.
Phổ biến cho hầu hết các tế bào là thông tin truyền theo hướng ADNADN, ADNARN, ADNprotein.
Còn khả năng ARNARN, ARNADN chỉ đặc trưng cho một số virus.
=> Vai trò của một số dạng axit nucleic trong quá trình sinh tổng hợp protein:
Để hiểu rõ về sinh tổng hợp protein, chúng ta khảo sát vai trò và hoạt động của các dạng axit nucleic trong các quá trình này.
- ADN: chứa thông tin di truyền và là khuôn để tổng hợp các dạng ARN cần thiết.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
mARN: là bản sao của gen, chứa thông tin cần thiết mã hóa protein, ngoài ra nó như các tín hiệu, đồng thời sắp xếp các phần của tiểu đơn vị ribosome để nó có thể mồi cho sự dịch mã.
Bằng con đường thực nghiệm, Nirenberg và Ochoa (1961) đã khám phá ra toàn bộ mật mã di truyền (genetic code).
- tARN: đóng vai trò là “chất thích ứng” (adaptor) để thực hiện đồng thời hai chức năng: nhận cả mã di truyền và axit amin phù hợp.
- rARN: là thành phần cấu trúc của ribosome, đồng thời có hoạt tính xúc tác tương tự như enzyme (ribozyme)
=> Địa điểm sinh tổng hợp protein:
Sinh tổng hợp protein diễn ra chủ yếu ở các ribosome. Ribosome được xem như một nhà máy nhỏ gồm 2 tiểu đơn vị.
Các tiểu đơn vị có thể dễ dàng tách rời và tập hợp lại một cách nhanh chóng. Khi diễn ra sự tổng hợp protein, ở ribosome hình thành hai khu chức năng:
- Khu A (aminoacyl) nhận aminoacyl-tARN mới đưa vào.
- Khu P (peptidyl) chứa peptidyl-tARN mang chuỗi polypeptide đang được tổng hợp.
Sự giải mã mARN thành trình tự chuỗi polypeptide có thể chia thành 4 giai đoạn như sau:
- Giai đoạn hoạt hóa axit amin.
- Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide.
- Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide.
- Giai đoạn kết thúc chuỗi polypeptide và tách khỏi ribosome.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.3- Cơ chế sinh tổng hợp protein trên ribosome:
3.5.3.1- Giai đoạn hoạt hóa axit amin:
- Axit amin được hoạt hóa bằng cách gắn với tARN riêng của nó. Quá trình này gồm 2 phản ứng được xúc tác bởi cùng một enzyme đặc hiệu đối với mỗi axit amin, đó là aminoacyl-tARN-synthetase (aaRS).
- Trong phản ứng thứ nhất, axit amin kết hợp với ATP tạo thành aminoacyl-AMP kèm theo giải phóng gốc pyrophotphat.
- Trong phản ứng thứ 2, aminoacyl-AMP sẽ phân li, cho phép axit amin gắn với tARN bằng liên kết este tạo bởi nhóm COO- của axit amin và nhóm 3’-OH của tARN tạo thành aminoacyl-tARN.
AA-AMP + tRNA  AA-tRNA + AMP
Hai phản ứng trên được khái quát bằng sơ đồ sau đây:
3.5.3.2- Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide:
* Điều kiện
- Một là trên mARN có một khu vực không mã hóa, đó là dấu hiệu kết hợp với ribosome mở đầu cho vùng mã hóa.
- Hai là có bộ mã khởi đầu AUG làm điểm xuất phát (Ở vi khuẩn đôi khi thấy mã GUG thay cho AUG).
Như đã biết, bộ ba mã AUG mã hóa cho methionine. Nghiên cứu ở E.coli, người ta thấy hai loại tARN đối với methionine:
- Một là tARN nhận gốc methionine đễ đưa vào chuỗi polypeptide đang tổng hợp (Met-tARN),
- Hai là tARN nhận gốc formylmethionine (fMet-tARN) có vai trò quan trọng trong việc khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide (không tham gia vào quá trình kéo dài chuỗi polypeptide do đã bị formyl hóa).
3.5.3.2- Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide:
=> Ở Procaryote ngoài các yếu tố tham gia vào quá trình khởi đầu tổng hợp protein như fMet-tARN, mARN, các tiểu đơn vị ribosome 30S và 50S, GTP, còn có 3 protein nữa gọi là các yếu tố khởi đầu (Initiation Factor- IF): IF1, IF2, IF3.
(!) Vấn đề đặt ra là mARN và fMet-tARN được đưa đến ribosome để khởi đầu quá trình sinh tổng hợp protein như thế nào?
- Đầu tiên, tiểu đơn vị 30S tạo phức hợp với 3 yếu tố khởi đầu IF1, IF2, IF3.
- Sau đó GTP gắn với IF2, cho phép mARN và fMet-tARN gắn vào phức hợp trên, đồng thời giải phóng IF3. (Yếu tố IF2 được coi là có vai trò nhận biết đặc biệt đối với fMet-tARN). Kết quả của giai đoạn này tạo ra phức hợp khởi đầu 30S.
=> Kết quả của giai đoạn này tạo thành phức hợp khởi đầu [fMet-tARN-mARN-ribosome 70S]
3.5.3.2- Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide:
- Sự thủy phân của GTP (nối với IF2) đã giải phóng IF3 và sau đó là IF1 và IF2 ra khỏi phức hợp. IF3 được tách khỏi phức hợp trên tạo điều kiện để phức hợp khởi đầu gắn với tiểu đơn vị 50S.
- Người ta chưa biết chính xác vai trò của IF1, nó có thể tham gia vào việc đổi mới chu trình bằng cách góp phần giải phóng IF2 ra khỏi phức hợp.
- Khi tiểu đơn vị 50S gắn với phức hợp 30S sẽ hình thành phức hợp ribosome 70S- dấu hiệu cho biết ribosome đã sẵn sàng đi vào gia đoạn kéo dài của quá trình sinh tổng hợp protein.
=> Ở Eucaryote quá trình sinh tổng hợp protein trong tế bào chất có tARN khởi đầu cũng mang methionine nhưng không được formyl hóa. Ở đây cũng có các phản ứng với các yếu tố khởi đầu eIF1, eIF2, eIF3 tương tự như ở Procaryote
- Axit amin thứ hai, do mã tiếp theo của mARN quy định, gắn với tARN riêng của nó tạo thành phức hợp AA2-tARN. Giai đoạn này cần GTP và các yếu tố kéo dài chuỗi (Elongation Factor).

- Ở Procaryote, yếu tố kéo dài chuỗi là EF-T gồm hai bộ phận hợp thành là EF-Tu và EF-Ts ( Eucaryote là eEF1).
Giai đoạn này là giai đoạn quyết định đảm bào định hướng đúng để tạo ta liên kết peptide giữa aminoacyl-tARN và peptidyl-tARN.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.3.3- Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide:
Sau khi kết hợp với ribosome, GTP bị thủy phân đồng thời giải phóng tổ hợp EF-Tu-GDP.
Phản ứng tiếp theo cần có sự tham gia của GTP và một yếu tố kéo dài khác là EF-G (ở Eucaryote là EF2). Yếu tố EF-G khi kết hợp với ribosome sẽ góp phần giúp ribosome dịch chuyển một khoảng cách bằng một bộ ba trên phân tử mARN.
Chu trình lại được tiếp tục khi bổ sung axit amin tiếp theo (AA3-tARN,…).
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.3.3- Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide:
Quá trình kéo dài chuỗi polypeptide được khái quát bằng sơ đồ sau đây:
Sự kết thúc chuỗi polypeptide xảy ra khi có dấu hiệu kết thúc, đó là một hay một vài bộ mã trong số các bộ mã sau: UAA, UAG, UGA.
Sự xuất hiện của các bộ mã này ở bất kỳ chỗ nào cũng dẫn đến làm ngừng sự kéo dài chuỗi polypeptide, cả chuổi polypeptide và tARN đều rời khỏi ribosome.
Sau đó ribosome bị phân ly thành các tiểu đơn vị 30S và 50S rồi nhập vào kho dự trữ ribosome.
3- Những phản ứng hoạt hoá và sinh tổng hợp
3.5- Sinh tổng hợp axit amin và protein
3.5.3.4- Giai đoạn kết thúc tổng hợp polypeptide:
Toàn bộ giai đoạn kết thúc được khái quát trong sơ đồ sau:
=> Về mặt năng lượng, quá trình sinh tổng hợp protein là một quá trình thu năng lượng. Ở vi khuẩn cũng như Eucaryote, nhu cầu năng lượng cho quá trình là rất lớn. Như đã trình bày chi tiết ở trên, để đưa một axit amin vào chuỗi polypeptide cần tiêu hao 03 liên kết cao năng:
- 01 ATP cho sự hoạt hóa axit amin ở giai đoạn đầu. Hình thành aminoacyl-tARN.
- 01 GTP để đưa aminoacyl-tARN trong tổ hợp ba (aminoacyl-tARN-EF-Tu-GTP) vào khu A của ribosome.
- 01 GTP cần để ribosome di chuyển một bộ mã.
Do giai đoạn khởi đầu còn cần 1 GTP tham gia để hình thành phức hợp khởi đầu nên để tổng hợp liên kết peptide đầu tiên phải sử dụng tới 4 liên kết cao năng.
Người ta cho rằng phân tử GTP tham gia vào quá trình này có 2 chức năng: một là tạo cấu hình thích hợp cần thiết cho sự tương tác tiếp theo, hai là đảm bào năng lượng để tổng hợp các liên kết peptide và sự di chuyển của ribosome trên mARN.