Sinh tổng hợp protein

CHƯƠNG VIII

SINH TỔNG HỢP PROTEIN
I. HỌC THUYẾT TRUNG TÂM
1. GEN KIỂM TRA CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA :
a. Sai hỏng trao đổi chất bẩm sinh
Vào năm 1908, trên cơ sở nghiên cứu các bệnh nhân do sai hỏng trao đổi chất bẩm sinh, bác sĩ A.Grrod người Anh lần đầu tiên nêu lên quan điểm rằng sai hỏng của gen dẫn đến sai hỏng phản ứng sinh hóa.
Mỗi bệnh liên quan đến sai hỏng của một phản ứng sinh học do một enzyme bị mất hoạt tính làm chất phản ứng bị tích tụ lại nên dư thừa.
b. Giả thuyết 1 gen _1 enzyme:
Năm 1941, G.Beadle và E.Tatun đã sử dụng bánh mì Neurospora Crassa để chứng minh gen kiểm tra các phản ứng sinh hóa. Loài hoang dại của mốc này mọc được trên môi trường tối thiểu gần nước, muối khoáng, glucose và biotin. Từ các chất đơn giản này, sợi nấm mốc tổng hợp được tất cả các chất phức tạp khác cần thiết cho sự sống như các amino acid, các nucleotide, đường và lipid.
Dùng các tia phóng xạ và tia tử ngoại có thể gây tạo ra các đột biến sinh hóa mất khả năng tổng hợp chất này hay chất nọ và được gọi là các đột biến khuyết dưỡng
Từ kết quả nghiên cứu của mình, Beadle và Tatun đã nêu ra giả thuyết một gen ? Về sau, giả thuyết được cụ thể hóa hơn một gen - một protêin ( vì có protêin không phải enzyme ), rồi một gen - một polypeptide ( vì có protêin gần nhiều polypeptide do nhiều gen xác định ), và cuối cùng là một gen - một đại phân tử sinh học ( vì có gen chỉ tổng hợp RNA ).
Giả thuyết một gen - một enzyme có ý nghĩa lớn, nó cụ thể hóa các bứơc trung gian từ gen đến tình trạng diễn ra như thế nào.
2. HỌC THUYẾT TRUNG TÂM :
a. Sự liên quan đồng tuyến tính giữa DNA và Polypeptide
Vào 1953 thì mô hình cấu trúc DNA của Watson Crick được nêu lên và cũng năm này Sanger lần đầu tiên tìm ra trình tự các amino acid của Insulin, một protêin có phân tử không lớn ( chỉ có 51 amino acid ).
Trình tự xắp xếp các amino acid theo cấu trúc đường thẳng tức là cấu trúc bật một.
Mặt khác, bốn loại nucleotide của DNA cũng xếp theo đường thẳng và trình tự xắp xếp của chúng phản ảnh một thông tin nhất định.
Việc nghiên cứu các đột biến hemoglobine liên quan đến các bệnh thiếu máu, làm sáng tỏ mối quan hệ DNA - Protêin.
Ví dụ : ở bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, người bệnh do đột biến làm thay đổi amino acid ở vị trí thứ 6 của mạch ? như sau : vị trí : 1-2-3-4-5-6-7.........
b. Vài đặc điểm của tổng hợp protêin
Các phân tử thông tin như nucleic acid và protêin được tổng hợp theo khuôn. Tổng hợp này vừa chính xác vừa ít, tốn enzyme.
Sinh tổng hợp protêin tách rời về không gian với DNA nhiều quan sát cho thấy sinh tổng hợp protêin có thể xảy ra khi không có mặt DNA. Sự kiện này biểu hiện rõ ràng nhất ở những tế bào có nhân Eukarytae.
RNA được coi là chất trung gian chuyển thông tin từ DNA ra tế bào chất và làm khuôn để tổng hợp protein.
Trong tế bào thì không thể tìm thấy chất nào khác ngoài RNA có thể đóng vai trò trung gian cho tổng hợp protêin. Mối quan hệ được biểu hiện như sau :
ADN mRNA protêin

Sao chép phiên mã dịch mã
Đây là học thuyết trung tâm hay tiền đề cơ sở của sinh học phân tử do F.Crick nêu ra 1956 đến nay căn bản vẫn đúng.
Vào những năm 70, phát hiện quá trình phiên mã ngược từ RNA tổng hợp nên DNA nhờ enzyme reverse transcriptase.
3. AND VÀ MÃ DI TRUYỀN
Chúng ta biết có sự liên quan tuyến tính giữa DNA và phân tử protêin, từ đó dễ dàng dự đoán rằng trình tự đặc hiệu của các amino acid trên protêin sẽ được mã hoá bằng nhóm các nucleotide trên DNA.
Đơn vị mã hoá hay còn gọi là codon phải gồm ba hay nhiều nucleotide hơn.
Để xác định chính xác codon nào mã hoá cho từng amino acid thì ông M.W.Nireberg và H.Matthaei ( Mỹ ) đã dùng enzyme theo phương pháp của Ochoa tổng hợp RNA nhân tạo.
Vào 1964, H.G.Khorana tìm ra phương pháp tạo mRAN tổng hợp nhân tạo với trình tự lặp lại của các codon (như AAG AAG AAG.)và nhờ đó giải quyết xong các vấn đề còn chưa rõ.
Mã di truyền có tính "suy thoái", tức 1 aminoacid có nhiều codon mã hóa, trừ methionine và tryptophane chỉ có 1 codon.Các codon đồng nghĩa tức mã hoá cho cùng 1 aminoacid có 2 base đầu tiên giống nhau nhưng khác nhau ở cái thứ ba.
Trừ 1số ngoại lệ, mã di truyền có tính vạn năng tức toàn bộ sinh vật có chung bộ mã di truyền.
Mã di truyền gồm 64 codon :được tóm tắt trên bảng VIII.1.
II.QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ.(TRANSCRIPTION):
1. NGUYÊN TẮC CHUNG:
Quá trình chuyển thông tin di truyền từ DNA sang RNA được gọi là sự phiên mã.
Sự phiên mã thực hiện theo nguyên tắc:
+ Chỉ 1 trong 2 mạch của phân tử DNA được dùng làm khuôn để tổng hợp RNA
+ RNA-polymerase bám vào DNA làm tách mạch và di chuyển theo hướng 3`_5` trên DNA để mRNA được tổng hợp theo hướng 5`- 3`
2. SỰ PHIÊN MÃ Ở PROKARYOTAE:
Ở PROKARYOTAE sự phiên mã có các đặc điểm:
+ Chỉ một loại RNA-polymerase tổng hợp tất cả các loại RNA
+ mRNA thường chứa thông tin nhiều gen nối tiếp
+ Quá trình tổng hợp mRNA được tiến hành khi rna-polymerase bám vào đoạn khởi động (prômter). Đoạn khởi động ở e coli được đọc từ 5` 3` ở trên mạch bổ xung
+ Ở phần lớn prokaryotae quá trình tổng hợp tiếp tục đến khi đọc qua dấu kết thúc. Khi polymerase kết thúc phiên mã, nõ và mrna tách rời khỏi DNA
3. PHIÊN MÃ Ở EUKARYOTAE - CHẾ BIẾN MRNA :
Phiên mã ở eukaryotae có các đặc điểm sau:
+ RNA polymerase II chịu trách nhiệm tổng hợp mRNA còn 2 RNA- polymerase khác tổng hợp rna cua rybosome và các loại rna khác
+ mRNA chứa thông tin của một gen
+ Quá trình phiên mã phức tạp hơn nhiều : ở đầu 5` của mRNA cố gắng "chóp" là 7-methylguanosine, còn cuối mRNA có phía 3` có thêm "đuôi" polyadenyne dài 100 đến 200 adenyne
+ Đặc biệt là bản phiên mã đầu tiên còn gọi là tiền mrna chưa được sử dụng trực tiếp mà phải qua quá trình chế biến
a.Các gen gián đoạn :
Từ năm 1977 người ta phát hiện nhiều gen của eukaryotae có tính gián đoạn. trên gen các đoạn mã hoá cho protein được gọi là exon xen kẽ với các đoạn không mã hoá được gọi là intron. Bản phiên mã đầu tiên tức tiền mrna trước cả trình tự của các exon và các intron
Quá trình chế biến tiền mRNA thành RNA trưởng thành (chỉ gồm các đoạn exon) tức cắt intron gắn exon lại với nhau gọi là splicing
Các intron tuy không mã hoá cho protein nhưng chúng có vai trò quan trọng đối với chức năng của mRNA
b.Diễn biến phiên mã :
Chi tiết quá trình phiên mã ở Eukaryotae gồm ba giai đoạn :
+ Gắn chóp : khi mạch mRNA đang được tạo ra dài độ 20 - 30 nucleotide thì ở đầu 5`p enzyme nối thêm vào chất 7 - methyl - guanylate. Chóp này gắn vào đầu 5`p một cách đặc biệt là tạo liên kết 5`p - 5`p.
+ Thêm đuôi poly - A: một đoạn ngắn của Mrna bị cắt và các adenine được nối vào thành đuôi polyadenine đuôi này có thể dài đến vài trăm nucleotide.
+ Splicing : cắt rời các intron và nối các exon lại với nhau. Quá trình được thực hiện nhờ các phức hợp riponucleoprotêin nhỏ của nhân tế bào tạo cấu trúc không gian thuận tiện cho các đầu exon gần nhau và xúc tác phản ứng cắt nối.
Sau splicing, mrna mới trưởng thành không còn các intron và qua lỗ nhân vào tế bào chất để dịch mã.
III. CÁC RNA
Các RNA giữ vai trò trung gian quan trọng trong sinh tổng hợp protêin gồm chủ yếu ba dạng : rRNA ribosome, tRNA vận truyển và mRNA thông tin. Tất cả chúng điều được tổng hợp từ các gen tương ứng trên DNA và có những đặc điểm chung:
+ Mạch polynucleotide đơn,
+ Đường 5 là ribose
+ Ngoài A, G, C thì Uracil ( U ) thay cho Thymine RNA có thể ở dạng tự do hoặc gắn với protein thành các phức hợp nucleoprotein giữ nhiều vai trò quan trọng trong hoạt động sống của tế bào.
1. rRNA RIBOSOME
rRNA là thành phần cấu tạo, chiếm phân nửa số lượng của ribosome nên rrna chiếm tỉ lệ cao, có thể đến 75% của tổng RNA.
- Các ribosome của lục lạp, ti thể và prokaryotae có hệ số lắng khi ly tâm là 70s. gồm hai đơn vị :
+ Đơn vị lớn 50s có 1 rRNA 23s và 1 rRNA 5s.
+ Đơn vị nhỏ 30s chỉ có một rRNA 16s.
- Các ribosome của Eukaryotae thuộc loại 80s, gồm hai đơn vị :
+ Đơn vị lớn 60s có 1 rRNA 28s, 1 rRNA 5,8s và 1 rRNA 5s.
+ Đơn vị nhỏ 40s chỉ có 1rRNA 18s.
2. CÁC tRNA VẬN CHUYỂN ( TRANSFER RNA )
Năm 1957, M.Hoagland tìm ra tRNA vận chuyển ( transfer ) và chứng minh rằng mỗi phân tử tRNA gắn với một phân tử amino acid và mang đến ribosome.
Hiện nay biết rằng ít nhất mỗi loại tRNA đặc hiệu cho một trong 20 amino acid.
Tuy nhiên tất cả các tRNA có một số đặt tính cấu trúc chung : chiều dài khoảng 73 đến 93 nucleotide, cấu trúc gồm một mạch cuộn lại như hình lá chẻ 3 nhờ bắt cặp bên trong phân tử, và đầu mút 3 có trình tự kết thúc CCA. Amino acid luôn luôn gắn vào đầu CCA.
Mỗi enzyme đặc hiệu cho một loại amino acid riêng biệt và xúc tác phản ứng gắn với tRNA của nó nhờ năng lượng ATP tạo ra amonoacyl - tRNA.
3. mRNA THÔNG TIN VÀ THỜI GIAN TỒN TẠI CỦA CHÚNG
mRNA nguyên vẹn của tế bào vi khuẩn và cả Eukaryotae chứa trình tự nucleotide nhiều hơn số dùng mã hoá protêin.
RNA - polymerase khởi sự phiên mã ở một đoạn nằm ngay trước vùng mã hoá protêin là đoạn 5` không mã hoá ( 5` - noneoding ). Do đó, mRNA có đoạn đầu mang tín hiệu cho ribosome nhận biết ( ribosombinding site ) để gắn vào dịch mã.
Ngoài ra, ở đuôi 3`sau dấu kết thúc ( stopsignal ) có đoạn 3` không mã hoá ( 3` - noncoding ) là nơi gắng poly - A. như đã thấy ở phần phiên mã mRNA có cấu trúc phức tạp.
Điều đó có lẽ liên quan đến sự biểu hiện của gen do thời gian tồn tại ngắn hay dài của mRNA.
Các mRNA của Prokaryotae có cấu trúc đơn giản có nủa thời gian tồn tại ngắn : trung bình 2 phút. mRNA của Eukaryotae có nửa thời gian tồn tại khoảng 30 phút đến 24 giờ.
4. RIBOZYME:
Trong một số trường hợp, RNA bên trong intron tự cắt rời ra mà không cần sự xúc tác của prôtêin. Nhiều nghiên cứu khác phát hiện khả năng xúc tác của một số RNA và chúng được gọi la ribozyme.
IV. SỰ DỊCH MÃ ( TRANSLATION )
Thông tin trên mRNA trưởng thành, tức trình tự các base trên mRNA tiếp theo được sử dụng để xác định trình tự các amino tạo nên mạch polypeptide. Quá trình này được gọi là dịch mã, thông tin được chuyển từ " ngôn ngữ" trên phân tử khác. Quá trình dịch mã phức tạp hơn so với sao chép và phiên mã. Nó được hiện trên một cấu trúc là ribosome với sự tham gia của cả 3 loại RNA, mRNA, rRNA và tRNA, mà tất cả điều được tổng hợp từ khuôn DNA. Hướng dịch mã trên tRNA là 5` - 3`.
CÁC RIBOSOME
Quá trình dịch mã thực hiện trên các ribosome. Mỗi ribosome gồm hai đơn vị 1 lớn và 1 nhỏ, mỗi cái là phức hợp gồm rRNA, các enzyme và các protêin cấu trúc. Khi không thực hiện tổng hợp protêin, mỗi đơn vị tồn tại tách rời trong tế bào chất.
2. POLYRIBOSOME VÀ QUÁ TRÌNH GẮN CỦA AMINO ACID
Sau khi mRNA được tạo ra do phiên mã, gắn vào đơn vị nhỏ của ribosome, đơn vị lớn có thể gắn vào và dịch mã bắt đầu.
a. Polysome ở cả prokaryotae, khi ribosome đầu tiên gắn vào đầu dịch mã mRNA đến phần sau thì các ribosome khác có thể gắn vào phía đầu để dịch mã. Do đó các ribosome xếp thành chuỗi trên mRNA tạo nên cấu trúc polyribosome, còn gọi là polysome.
b. Diễn biến dịch mã ở ribosome
Dịch mã ở ribosome trải qua các giai đoạn : khởi sự ( initiation ), nối dài (elongation) và kết thúc (termination)
Khởi sự : giai đoạn có nhiều bước nhờ những protein gọi là các nhân tố khởi sự IF ( initiation factors ).
Dịch mã bắt đầu khi tRNA đặc biệt cho khởi sự gắn với đơn vị nhỏ của ribosome. Ở tất cả các sinh vật,bộ mã khởi sự cho tổng hợp protein là AUG mã hoá cho methyonin.
Khi tRNA khởi sự gắn với đơn vị nhỏ ribosome, phức hợp sẽ bám vào các quá trình tự nhận biết đặc biệt của ribosome ở đầu 5` của mRNA phía trước đoạn mã hoá cho protein.Nhờ đó anticodon của tRNA -methionine khởi sự bắt gặp với codon xuất phát AUG trên mRNA, ở điểm -p(p-site) .Sau đó đơn vị lớn và nhỏ gắn vào nhau thành ribosome nguyên vẹn.
Nối dài sự nối các aminoacid tiếp theo ,RNA khác mang anticodon tương ứng bắt cặp với điểm -A.tRNA ở điểm -p sẽ được phóng thích.Phản ứng nối các aminoacid kề nhau được xúc tác bởi enzyme peptideyl transferase. Ribosome di chuyển từ đầu 5` của mRNA đến đầu 3` sao cho tRNA còn lại chiếm điểm -p,và codon tiếp theo choán điểm A chuẩn bị nhận anticodon bổ sung.
Kết thúc: Chu trình dịch mã gắn khoảng 15 aminoacid 1 dây vào mạch polypeptide, nó được chấm dứt khi trải qua 1 trong 3 codon kết thúc la UAA, UAG và UGA. Mạch polypeptide hoàn chỉnh thoát ra ngoài nhờ ác nhân tố tách mạch RF (relense factors)
V.CÁC ĐỘT BIẾN GEN:
Trên phân tử DNA có thể xảy ra các biến đổi,đa số các biến đổi đã được sửa sai,tuy nhiên vẫn có các đột biến xảy ra.
1. ĐỘT BIẾN LỆCH KHUNG :
Hai kiểu đột biến có hậu quả nặng là thêm base hay mất base.Sự thêm hay mất base dẫn đến sự dịch mã lệch khung.Từ điểm biến đổi về sau,từ bộ ba bị sai, cái sai sẽ kéo dài liên tục đến cuối mạch polypeptde.Sự tổng hợp mạch polypeptide có thể kết thúc sớm do sự lệch khung dẫn đến codon kết thúc.
2. ĐỘT BIẾN THAY THẾ:
Kiểu đột biến thứ ba là thay thế base.các đột biến sai nghĩa khi codon của aminoacid này biến thành codon mã hoá aminoacid khác.các đột biến vô nghĩa khi codon mã hoá cho một aminoacid biến thành một trong ba codon kết thúc.Có nhiều đột biến được gọi là trung tính hay im lặng khi codon mã hoá cho một aminoacid biến đổi base thứ ba cũng vẫn mã hoá cho aminoacid đó.
3. CÁC TÁC NHÂN GÂY ĐỘT BIẾN:
Các tác nhân làm tăng tần số đột biến cao hơn mức tự nhiên được gọi là các tác nhân gây đột biến.Các tác nhân vật lý như phóng xạ ,tia X, tia tử ngoại gây đột biến.nhiều hoá chất cũng là tác nhân gây đột biến như các đồng đẳng của base nitric,HNO2, các chất ankin hoá mạnh.
V. GEN LÀ GÌ???
DÒNG THÔNG TIN:

DNA (các gen)

sao chép phiên mã
5` 3` RNA

rRNA, tRNA mRNA - Sơ khởi

Hai bản sao DNA tham gia ở Prokaryotae ở Eukaryotae
giống nhau phục vụ phần lớn mRNA splicing
cho dịch mã đi thẳng tới
( cắt bỏ intron
nối các oxon)
Phân bào
mRNA
Dịch mã trưởng thành

Protein





`
2. ĐỊNH NGHĨA VỀ GEN HIỆN NAY:
G.Men den là người đầu tiên nêu khái niệm về nhân tố di truyền mà về sau gọi là gen,Tmorgan chứng minh gen nằm trên NST chiếm 1 locus nhất định.Gen là đơn vị chức năng xác định 1 tính trạng.Vào những năm 1940,giả thuyết 1 gen_một enzyme ra đời,sau là một gen_một polypeptide cho thấy gen xác định cấu trúc của protein.
Vào những năm 50.DNA được chứng minh là chất di truyền. Mô hình cấu trúc DNA của Watsơn-Crick được nêu ra và học thuyết trung tâm ra đời.Gen là các đoạn DNA trên NST mã hoá cho một polypeptide hay RNA.
Cuối những năm 70,việc phát hiện ra gen gián đoạn ở Eukaryotae cho thấy có những đoạn DNA không mã hoá cho các aminoacid trên phân tử protein..Khái niệm về gen được chỉnh lý một lần nữa:"Gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide nó bao gồm cả vùng trước và sau vùng mã hoá cho protein và cả những đoạn không mã hoá xen giữa những đoạn mã hoá.Hiện nay có thể định nghĩa tổng quát như sau: Gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên NST và xác định một tính trạng nhất định.Các gen là những đoạn vật chất di truyền mã hoá cho những sản phẩm riêng lẻ như các RNA được sử dụng trực tiếp hoặc cho tổng hợp các enzyme các protein cấu trúc hay các mạch polypeptide để gắn tạo ra protein có hoạt tính sinh học.
GOOD BYE!