Sinh tổng hợp axit amin

Sinh tổng hợp axit amin và protein
Người thưc hiện : Đỗ Trọng Đăng
Người hướng dẫn: TS Võ Văn Toàn
Học viên cao học khóa 9
Nội dung :
Sinh tổng hợp axit amin.
Sinh tổng hợp protein.

I. Sinh tổng hợp axit amin:
Axit amin là thành phần cấu tạo của protein, hay nói cách khác protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các axit amin. Bởi vậy quá trình tổng hợp axit amin là cần thiết đối với mọi dạng sống. Tuy nhiên khả năng tổng hợp các axit amin ở các cơ thể khác nhau lại rất khác nhau phụ thuộc vào dạng niơ mà chúng sử dụng.
Muốn tổng hợp axit amin thì cần tổng hợp bộ khung carbon và chuyển hóa nitơ thành axit amin. Trong đó, bộ khung carbon của axit amin chủ yếu bắt nguồn từ các sản phẩm trung gian của các quá trình trao đổi chất như quá trình đường phân, chu trình Canvil, Crebs,…
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 saccharide (3-phosphoglycerat, pyruvat, acetyl CoA).

Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hyđro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin.
Quá trình sinh tổng hợp một số loại axit amin:

II. Sinh tổng hợp protein:
1. 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 (transcription) và dịch mã (translation):

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:

- 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, hướng này được vẽ bằng đường liền đậm. Còn khả năng ARNARN, ARNADN chỉ đặc trưng cho một số virus (xảy ra trong điều kiện đặc biệt khi tế bào nhiễm virus) thì được vẽ bằng đường không liền nét.


2. Vai trò của một số dạng axit nucleic trong quá trình sinh tổng hợp protein:

Như đã trình bày, sinh tổng hợp cấu trúc bậc 1 protein phải trải qua hai quá trình: sao mã và dịch mã. 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.

mARN: là bản sao của gen, chứa thông tin cần thiết cho sự tổng hợp protein. Theo các nghiên cứu gần đây, mARN chứa trình tự nucleotide nhiều hơn số dùng mã hóa protein vì ngoài các nucleotide làm nhiệm vụ mã hóa, trong mARN còn chứa các nucleotide không mã hóa mà giữ vai trò như các tín hiệu, đồng thời sắp xếp các phần của tiểu đơn vị ribosome để nó có thể mồi cho sự dịch mã ứng với axit amin đầu N.

Bằng con đường thực nghiệm, Nirenberg và Ochoa (1961) đã khám phá ra toàn bộ mật mã di truyền (genetic code). Kết quả của công trình nghiên cứu được thu gọn trong một bảng gọi là “từ điển mã di truyền” dưới đây:

rARN: là thành phần cấu trúc của ribosome, đồng thời có hoạt tính xúc tác tương tự như enzyme (ribozyme)
tARN: như đã trình bày, 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.


3. 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 khác nhau.
Khu A (aminoacyl) nhận aminoacyl-tARN mới đưa vào.
Khu P (peptidyl) chứa peptidyl-tARN mang chuỗi polypeptide đang được tổng hợp.

4. Cơ chế sinh tổng hợp protein trên ribosome:
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.

4.1 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 pyrophopsphat.
AA +ATP AA-AMP + PPi

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
4.2 Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide:
Cần có hai điều kiện để thực hiện sự khởi đầu sinh tổng hợp chuỗi polypeptide:

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 (do nhóm amino đã bị formyl hóa nên không cho phép nó tham gia vào quá trình kéo dài chuỗi polypeptide mà chỉ tham gia vào quá trình khởi đầu tổng hợp).

Quá trình được mô tả như sau:

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 (thường không có trong ribosome) gọi là các yếu tố khởi đầu (Initiation Factor- IF): IF1, IF2, IF3. Kết quả của giai đoạn này tạo thành phức hợp khởi đầu [fMet-tARN-mARN-ribosome 70S]

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.

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 30S gắnb 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. Đây chính là dấu hiệu cho biết ribosome đã sẳn sàng đi vào giai đoạn kéo dài của quá trình sinh tổng hợp protein.

Trong ribosome 70S có hai khu liên kết với tARN là khu A (A-site) và khu P (P-site). Lúc này, fMet-tARN chiếm vị trí tại khu P với đối mã 3’-UAC-5’ liên kết bổ sung tạm thời với bộ ba mã hóa methionine là 3’-AUG-5’.
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.

4.3 Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide:
Axit amin thứ hai, do mã tiếp theo của mARN quy định, gắn với tARN riêng của nó tạo thành phức hợp AA2-tARN và được đưa vào khu A của phức hợp khởi đầu. 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). Chúng có vai trò đưa aminoacyl-tARN vào khu vực A của ribosome thông qua các bước sau:
- EF-Tu + GTP  EF-Tu.GTP (tổ hợp hai)
- EF-Tu.GTP + aminoacyl-tARN  aminoacyl-tARN-EF-Tu-GTP (tổ hợp ba)

“Tổ hợp ba” chỉ có thể kết hợp với khu A vì lúc này tại khu P đã có fMet-tARN (các giai đoạn sau này là peptidyl-tARN) chiếm chỗ.
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.
Sau khi kết hợp với ribosome, GTP bị thủy phân đồng thời giải phóng tổ hợp EF-Tu-GDP. Phức hợp EF-Tu-GDP sau khi tác động tương hỗ với sẽ tái tạo EF-Tu-GTP (tức tổ hợp hai) và có thể tương tác với aminoacyl-tARN tiếp theo.

Ở tiểu đơn vị 50S, trong trung tâm chuyển peptidyl diễn ra sự chuyển gốc formylmethionine (ở giai đoạn sau là gốc peptidyl) cho nhóm amin của phức hợp AA2-tARN. Sự tổng hợp liện kết peptide được thực hiện nhờ enzyme peptidyl transferase.

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. Khi đó peptidyl-tARN chuyển từ khu A sang khu P, tARN của formylmethionine được giải phóng, còn GTP thủy phân thành GDP và Pvc. Chu trình lại được tiếp tục khi bổ sung axit amin tiếp theo (AA3-tARN,…).

4.4 Giai đoạn kết thúc tổng hợp polypeptide:
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 và giải phóng chuỗi polypeptide. Sau khi thủy phân liên kết giữa chuỗi polypeptide và tARN tại khu P, 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.



Sự nhận biết các bộ mã kết thúc được thực hiện bởi các yếu tố kết thúc -RF (Release bbbbbFactor). Ở Procaryote có 3 yếu tố kết thúc là: RF1 (nhận biết bộ mã UAA và UAG), RF2 (nhận biết bộ mã UAA và UGA), RF3 (kết hợp với GTP tạo thành RF3-GTP có tác dụng kích thích các yếu tố trên tạo điều kiện để RF1 hoặc RF2 liên kết với ribosome) (ở Eucaryote chỉ có một yếu tố kết thúc là eRF).

Rõ ràng là để thực hiện phản ứng giải phóng chuỗi polypeptide thì polypeptidyl-tARN phải nằm tại khu P, còn các RF tương tác với khu A (do đó tại khu A không thể tiếp nhận aminoacyl-tARN). Khi đó phức hợp polypeptidyl-tARN bị được tách ra thành phân tử tARN tự do và chuỗi polypeptide hoàn chỉnh.

Sự thủy phân của GTP dẫn đến sự thay đổi cấu hình và giải phóng các nhân tố kết thúc RF. Lúc này, ribosome không còn mang phức hợp peptidyl-tARN sẽ rời khỏi mARM và tách thành 2 tiểu đơn vị, sẵn sảng cho một chu kỳ dịch mã mới.


Chuỗi polypeptide được giải phóng như sau:
Về mặt năng lượng, quá trình sinh tổng hợp prrotein 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 01 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.