Sinh tổng hợp protein

Loài hoang dại của mốc này mọc được trên môi trường tối thiểu gồm nước, muối khoáng NPK, glucose và biotin, vì từ các chất đơn giản này sợi nấm mốc tổng hợp được tất cả các chất phức tạ

CHƯƠNG IX

SINH TỔNG HỢP PROTEIN

I Học thuyết trung tâm

II Phiên mã (Transcription)

III Các RNA

IV Dịch mã (Translation)

V Các biến đổi sau dịch mã và sự di

chuyển về mục tiêu

VI Các đột biến gen VII Dòng thông tin

I HỌC THUYẾT TRUNG TÂM

(CENTRAL DOGMA)

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 do sai hỏng trao đổi chất bẩm sinh (inborn errors of metabolism) bác sĩ A.Garrod, người Anh lần đầu tiên nêu

lên quan điểm rằng sai hỏng của gen dẫn

dẫn đến sai hỏng phản ứng sinh hóa

Chu trình

phenylalanine

• Bệnh được phát hiện đầu tiên là

ancaptonuria ( black urine disease, black bone disease, or alcaptonuria) , người

bệnh có nước tiểu bị tích tụ nhiều acid

homogentisic chất này bị đen lại khi

gặp không khí nên nước tiểu màu đen

Bệnh có sự di truyền do một gen lặn

Năm 1914 phát hiện thêm ở người bị bệnh này thiếu hoạt tính enzyme oxydase của acid homogentisic dioxygenase (HGD)

• Mỗi bệnh trên đây liên quan đến

sai hỏng của một phản ứng sinh học do hậu quả của một enzyme bị mất hoạt tính và sự di truyền của mỗi bệnh đều do một gen lặn Thường enzyme 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 Tatum đã sử dụng

mốc vàng 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 gồm nước, muối khoáng (NPK), glucose và biotin, vì 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 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

(auxotroph) Các đột biến này chỉ mọc được trên môi trường tối thiểu khi có thêm vào chất mà đột biến không tổng hợp được Ví dụ các đột biến mất khả năng tổng hợp amino acid arginine được

ký hiệu arg- không mọc được trên môi

trường tối thiểu vì tự nó không tổng hợp được chất này; nhưng chúng mọc được khi có thêm vào arginine

• Các đột biến khuyết dưỡng này đa số có

sự di truyền của một gen Từ kết quả

nghiên cứu của mình, Beadle và

Tatum nêu ra giả thuyết 1 gen - 1

enzyme, về sau được cụ thể hóa hơn 1

gen - 1 protein rồi 1 gen - 1 polypeptide, và cuối cùng là 1 gen - 1 đại phân tử sinh học (vì có gen chỉ tổng hợp RNA)

• Giả thuyết 1 gen - 1 enzyme có ý

nghĩa lớn, nó cụ thể hóa được các bước trung gian từ gen đến tính trạng

diễn ra như thế nào Do đó hai ông Beadle và Tatum đã nhận được giải Nobel về công trình này

2 Học thuyết trung tâm (Central

dogma)

a Sự liên quan đồng tuyến tính giữa DNA và protein

• Mãi đến năm 1953, 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 một protein có phân tử không lớn

là insulin (chỉ có 51 amino acid) Các nghiên cứu tiếp theo đã làm sáng tỏ mối quan hệ gen-

protein

• Các mức cấu trúc không gian khác nhau của

phân tử protein được xác định một cách tự động

bởi trình tự sắp xếp của các amino acid theo đường thẳng tức cấu trúc bậc một

• Như vậy, việc xác định di truyền phân tử

protein ở trạng thái tự nhiên có đầy đủ hoạt

tính sinh học quy lại ở xác định cấu trúc bậc một là đủ Mặt khác, bốn loại nucleotide của DNA cũng xếp theo đường thẳng và trình tự sắp xếp của chúng cũng phản ánh 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 - protein Nghiên cứu hàng trăm đột biến loại này cho thấy mỗi đột biến liên quan với một thay đổi amino acid nhất định trên mạch polypeptide của hemoglobine

• 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 - 8

• Hemoglobine bình thường: Glu

• Hemoglobine người bệnh: Val

• Giữa DNA và protein rõ ràng có sự liên quan

đồng tuyến tính (tức sự thay đổi các nucleotide trên mạch thẳng của DNA dẫn đến các thay đổi

amino acid trên mạch thẳng của phân tử

protein)

b Vài đặc điểm của tổng hợp protein

Tổng hợp protein trong tế bào có các đặc điểm :

• Các phân tử thông tin như acid nucleic và

protein được tổng hợp theo khuôn

• Sinh tổng hợp protein tách rời về không gian với

DNA Nhiều quan sát cho thấy tổng hợp protein có thể xảy ra khi không có mặt DNA

Tảo xanh đơn bào Acetabularia khi bị cắt mất phần chứa nhân vẫn tổng hợp được protein và sống vài tháng nhưng mất khả năng sinh sản

Rõ ràng, nơi chứa DNA mang thông tin di truyền và chỗ sinh tổng hợp protein tách rời nhau về

không gian

• DNA cũng không phải là khuôn trực tiếp để tổng

hợp protein, do đó phải có chất trung gian

chuyển thông tin từ DNA ra tế bào chất và làm khuôn để tổng hợp protein Chất đó phải có cả trong nhân và tế bào chất với số lượng phụ thuộc mức độ tổng hợp protein

• Chất trung gian đó chính là RNA qua

hàng loạt sự kiện sau:

- Thứ nhất, RNA được tổng hợp ngay ở

trong nhân có chứa DNA, sau đó nó đi

vào tế bào chất cho tổng hợp protein

- Thứ hai, những tế bào giàu RNA tổng

hợp protein nhiều hơn Ví dụ: Các tế

bào tổng hợp nhiều protein như ở gan, lá lách, tuyến tơ của tằm chứa RNA nhiều hơn so với tế bào ít tổng hợp protein như ở thận, tim, phổi

- Thứ ba, về phương diện hóa học RNA giống

DNA: mạch polyribonucleotide thẳng cũng

chứa 4 loại ribonucleotide A, G, C và Uracil (U) Nó có thể nhận được thông tin từ DNA qua bắt cặp bổ sung

• Trong tế bào không tìm thấy chất nào khác

ngoài RNA có thể đóng vai trò trung gian cho tổng hợp protein Mối quan hệ được biểu

hiện như sau:

• DNA  mRNA  protein

• sao chép phiên mã dịch mãû

Học thuyết trung tâm

HỌC THUYẾT TRUNG TÂM (The central dogma)

Học thuyết trung tâm cho rằng thông tin trên nucleic acid có thể được tiếp nối liên tục (sao chép) hay chuyển

tiếp (phiên mã và dịch mã), nhưng sự chuyển dạng thông tin thành protein là không thuận nghịch

• Đây còn gọi là học thuyết trung tâm hay

tiền đề cơ sở sinh học phân tử được F.Crick

nêu ra từ năm 1956 đến nay căn bản vẫn đúng

• Thông tin di truyền được đi từ DNA qua

RNA rồi đến protein Vào những năm 70

phát hiện quá trình phiên mã ngược từ RNA

tổng hợp nên DNA nhờ enzyme reverse transcriptase Thông tin không thể đi theo

chiều ngược từ protein đến RNA

• Năm 1961 F.Crick đã làm thí nghiệm

chứng minh rằng nhóm nucleotide mã hóa

có 3 hay nói cách khác codon gồm 3

nucleotide Tất cả sẽ có 43 = 64 tổ hợp codon

• M.W.Nirenberg và H.Matthaei (Mỹ) đã

dùng enzyme theo phương pháp của Ochoa

tổng hợp RNA nhân tạo Khi dùng chỉ một

loại nucleotide là uracil sẽ nhận được RNA là polyuracil, nếu chỉ adenine sẽ được

polyadenine

3 DNA và mã di truyền (The genetic code)

• Năm 1961, khi dùng polyuracil thay cho

mRNA để tổng hợp protein trong hệ thống vô bào (có amino acid, enzyme tổng hợp protein, nhưng không có DNA ) sản phẩm

polyphenylalanin chỉ chứa một loại amino

acid là phenylalanine Điều đó chứng tỏ

codon UUU mã hóa cho phenylalanine Đây

là codon đầu tiên được xác định Nirenberg

và Matthaei cũng chứng minh được rằng

AAA mã hóa cho lysine, GGG cho glycine và CCC cho proline

• Vào năm 1964, H.G.Khorana tìm ra phương

pháp tạo mRNA tổng hợp nhân tạo với trình

tự lập lại (như AAG AAG AAG ) và nhờ nó

giải quyết xong các vấn đề còn chưa rõ

• Bảng mã di truyền cho thấy trong 64

codon, có 3 codon UAA, UAG, UGA không mã hóa cho amino acid được gọi là vô nghĩa (non-sense), đồng thời là codon kết thúc

(termination) tức "dấu chấm câu", tức chấm dứt mạch polypeptide

- Mã bộ ba (Triplet code)

Start codon (xanh lục) : AUG

Stop codons (đỏ) : UAA, UAG và UGA

Dư thừa (Redundant : chữ thứ 3 (3rd letter)

Mã di truyền (The Genetic Code)

• Mã di truyền có tính "suy thoái"

(degeneration) tức một amino acid có nhiều

codon mã hóa, chỉ trừ methionine và tryptophane chỉ có một codon Các codon đồng nghĩa tức mã hóa cho cùng một amino acid thường có hai base đầu tiên giống nhau, nhưng khác nhau ở cái thứ ba Ví dụ: CCU, CCC, CCA và CCG tất cả đều mã hóa cho proline Trên thực tế, U và C luôn luôn tương đương nhau ở vị trí thứ ba, còn A và G tương đương nhau trong 14 trên 16 trường hợp

• Trừ một số ngoại lệ nhỏ, mã di

truyền có tính vạn năng

(universal) tức toàn bộ thế giới

sinh vật có chung bộ mã di truyền

•

II QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ

• 1 Nguyên tắc chung

Quá trình chuyển thông tin di truyền từ DNA sang RNA gọi là phiên mã RNA được tổng hợp nhờ hệ enzyme RNA-polymerase, đúng ra gọi

chính xác là RNA-polymerase phụ thuộc DNA

(DNA-dependent-RNA-polymerase) Ở đây

DNA còn thể hiện tính chất kỳ lạ là khả năng dị

xúc tác (heterocatalysis) tức làm khuôn tổng hợp

một phân tử khác

RNA polymerase theo mạch khuơn DNA, xúc tác

phản ứng polymer hố tạo liên kết phosphodiester, nối các đơn phân ribonucleotide ATP, GTP, UTP

và CTP tạo mạch RNA bổ sung

• Hóa học của tổng hợp RNA rất giống với sao

chép DNA Trong quá trình nối dài (elongation)

mạch RNA, nucleotide mới gắn vào đầu 3’OH của

ribonucleotide trước đó và polymer hoá phóng

thích 2 liên kết phosphate giàu năng lượng

Hướng tổng hợp cũng tương tự từ đầu 5’ –> 3’,

và do vậy mạch khuôn đối song song

(antiparallel) với mạch RNA mới tạo thành, mà

không tạo liên kết hydro giữa 2 mạch Khác với DNA polymerase, RNA polymerase có thể tái

khởi sự tổng hợp mạch mới và không cần mồi

Tổng hợp RNA

• Quá trình phiên mã trải qua ba giai đoạn là

khởi sự (initiation), nối dài (elongation), kết thúc (termination) biến đổi sau phiên mã (Post-transcription Modification);

• Thực hiện theo các nguyên tắc :

• Chỉ một trong hai 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 cho mRNA được tổng hợp theo

hướng 5'  3'

Types of RNAs involved in protein synthesis using

genetic information

33

RNA có thể ở dạng tự do hoặc gắn với protein thành các phức hợp ribonucleoprotein giữ nhiều vai trò quan trọng trong hoạt động sống của tế bào

Loại RNA Chức năng

RNA nhỏ can thiệp, làm dừng biểu hiện gen bằng phân hủy định hướng mRNA và tạo cấu trúc chất nhiễm sắc cuộn chặt

Có nhiều chức năng khác nhau trong tế bào như tạo đầu mút nhiễm sắc thể (telomer), bất hoạt nhiễm sắc thể X, và sự vận chuyển các protein vào lưới nội chất

rRNA ribosome

rRNA là thành phần cấu tạo, chiếm phân nửa khối lượng của ribosome Tế bào có

số lượng lớn 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 2 đơn vị:

- đơn vị lớn 50 S có 1 rRNA 23S và 1 rRNA 5S,

- đơn vị nhỏ 30S chỉ có 1 rRNA 16S

Các ribosome của Eukaryotae có hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm 2 đơn vị:

• - đơn vị lớn 60 S có 1 rRNA 28S, 1 rRNA

5,8S và 1 rRNA 5S,

• - đơn vị nhỏ 40S chỉ có 1 rRNA 18S

Số lượng các nucleotide của mỗi loại rRNA hầu như đã biêt

Việc so sánh trình tự các nucleotide của

RNA 16S ở các lồi vi khuẩn khác nhau

được dùng trong phân loại phân tử.

Ribosomal RNAs

38

Roles of the three RNA types 39

2 RNA polymerase

Khuôn cho RNA polymerase là DNA mạch kép,

nhưng chỉ phiên mã một mạch có nghĩa (sense),

tuy gen hiện diện ở cả hai mạch và vùng 2 mạch

đó được phiên mã vào những thời điểm khác

nhau Các nguyên tắc này được RNA polymerase của tất cả các sinh vật tuân thủ Sự khác nhau

đáng kể giữa RNA polymerase của các siêu giới thể hiện như sau :

• – Ở sinh vật nhân sơ chỉ một loại RNA

polymerase tổng hợp tất cả các loại RNA

• – Sinh vật nhân thực có 3 loại RNA polymerase

tổng hợp 3 loại RNA khác nhau

Khởi sự phiên mã ở E coli : RNA polymerase lõi

với nhân tố sigma

Đoạn gen được phiên mã

A common organization of sequences for the

promoter of a eukaryotic structural gene

42

•The TATA box

then guides RNA polymerase II to

the initiation site where transcription can begin

• Tế bào nhân thực có RNA polymerase I tổng hợp

rRNA, RNA polymerase II –> mRNA và RNA polymerase III –> tRNA và các loại RNA khác

Cơ sở của tính đặc hiệu này là mỗi loại RNA

polymerase chỉ nhận biết các promoter từ những nhóm đặc biệt của gen

• Các RNA polymerase nhân thực còn đòi hỏi rất

nhiều protein hỗ trợ để nhận biết các promoter

đặc hiệu

• Ở vi khuẩn promoter cho gen mã hoá protein

cũng giống tương tự promoter cho gen mã hoá

tRNA

• Khác với vi khuẩn, các nhân tố khởi sự

Eukaryotae (cả ở Archaea) nhận biết các

promoter một cách độc lập, không phải một phần

của lõi polymerase holoenzyme

• Ở các loài Archaea, chỉ một loại RNA

polymerase rất giống với RNA polymerase II

Eukaryotae, cấu trúc promoter cũng giống

Sự phiên mã ở Archaea cũng đòi hỏi một số

nhân tố hỗ trợ giống với phiên mã ở tế bào nhân thực Ở đây thể hiện rõ thêm sự giống

nhau giữa Archaea với Eukarya trong quan

hệ tiến hoá và do vậy tách Archaea thành

siêu giới riêng

• Promoters

determine the

binding location and direction of RNA

polymerase

• The basal

transcription factors and RNA polymerase complex bound to

DNA separates the DNA double strands, initiating RNA

synthesis

3 Roles of Promoters and the Initiation of

Transcription

46

4 Sự phiên mã ở Prokaryotae

• Ở Prokaryotae sự phiên mã có các đặc điểm:

• Chỉ một loại RNA-polymerase chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các loại RNA

• mRNA thường chứa thông tin nhiều gen nối tiếp

nhau (polycistronic mRNA)

• Quá trình tổng hợp mRNA được tiến hành khi

RNA-polymerase bám vào đoạn khởi động

(promoter)

•RNA transcription occurs on sections containing information for

the amino acid sequence (i.e., the coding regions) as well as the extra portions on both sides of the sections

•A promoter is a DNA region to which RNA polymerase attaches

Transcription of Genes

48

Phiên mã ở sinh vật nhân sơ : mRNA đa gen

theo hướng 5'  3'

Gen phân bố như thế nào trên DNA?

Tín hiệu trên DNA (Signals in DNA) là những đoạn ngắn cho

RNA polymerase biết ở đâu khởi sự và kết thúc (where to start

and finish)

• Promotors (start)

• Terminators (stop)