sinh tổng hợp protein

- Về tổng thể, quá trình tổng hợp protêin là quá trình dịch mã di truyền trên khuơn mẫu ARNm, gồm 3 giai đoạn: khởi động, kéo dài, kết thúc với sự tham gia của nhiều yếu tố và các enzym

I SINH TỔNG HỢP PROTEIN:

- Sinh tổng hợp protein là trung tâm của mọi quá trình trao đổi chất, nĩ quyết định tồn bộ quá trình sinh trưởng, phát triển của cơ thể Ccá quá trình trao đổi khác như quá trình trao đổi axit nuclêic (AND, ARN) , trao đổi gluxit, lipit, trao đổi khống… đều phục vụ cho quá trình trao đổi protein

- Về tổng thể, quá trình tổng hợp protêin là quá trình dịch mã di truyền trên khuơn mẫu ARNm, gồm 3 giai đoạn: khởi động, kéo dài, kết thúc với sự tham gia của nhiều yếu tố và các enzym khác nhau

II CÁC YẾU TỐ THAM GIA QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN:

1 ARNm và mã di truyền:

 ARN thơng tin:

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

ARNm thuộc loại đơn phân tử được hình thành do sự sao chép theo nguyên tắc bổ sung các bazơ nitơ với 1 sợi AND, khi cĩ mặt enzym ARN- polymeraza Chúng cĩ thành phần nuclêotic rất khác nhau, dao động từ vài chúc đến vài trăm, tới vài nghìn mononucleotit Khối lượng phân tử khoảng 3.105 – 4.106, với độ dài khoảng 5.104 – 50.104 A0 ARNm cĩ đời sống rất ngắn, khoảng 2 – 3 phút ở tế bào prokaryot, khoảng 2 – 4 giờ ở tế bào eukaryot

ARNm của tế bào prokaryot khơng được sao chép dưới dạng một chuỗi polynucleotit cùng kích thích với ADN mà dưới dạng nhiều phân tử ARNm với kích thích khác nhau; tại đây mỗi phân tử ARNm

mã hố cho nhiều chuỗi polypeptit, gọi là ARNm polycistronic Ngược lại ở eukaryot, mỗi phân tử protein được mã hố bởi một ARNm đặc hiệu, tương ứng với một gen cấu trúc, gọi là ARNm monocistronic Vì thế cũng cĩ 2 kiểu sao chép ADN tương ứng và phân tử ARNm rất đa dạng, tương ứng với sữ đa dạng của protein

 Mã di truyền:

Mỗi phân tử ARNm mang thong tin di truyền xác định trình tự của chuổi polypeptit được tổng hợp Thơng tin này được sao chép từ ADN sang ARNm trong quá trình phiên mã

AND và ARN được cấu tạo từ 4 loại nuclêotit, trong khi phân tử protein được hình thành từ 20 axit amin khác nhau Như vậy, thong tin di truyền mã hố trong AND và ARN dưới dạng tổ hợp của 4 loại nucleotit cần được giải mã thành 20 loại aa cấu tạo nên protein Vì thế, tối thiểu phải sử dụng 3 nucleotit

để mã hố cho một aa và số lượng sẽ là 43 = 64

Trong bộ mã di truyền một mã tương ứng với 1 bộ 3 nucleotit được gọi là codon

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

bảng : Mã di truyền

vị trí thứ 1

U

C

A

G

 Một số đặc điểm của mã di truyền:

Mã di truyền cĩ tính thối hố và các thay đổi xảy ra ở chữ thứ 3 , nghĩa là 1 aa được mã hố bởi nhiều codon khác nhau

Trên ARNm cĩ hang loạt các codon lien tiếp nhau Nếu cĩ một bazơ được xen vào hoặc mất đi làm cho sự lien tục bị ngắt quãng và trình tự sắp xếp của aa trên chuỗi polynucletit sẽ bị sai lệch

Việc thay thế các bazơ sẽ gây đột biến cĩ thể là trung tính hay bảo thủ

2 ARN vận chuyển và sự đọc mã :

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.

ARNt là phận tử tương đối nhỏ, bao gồm khoảng 75 – 90 mononucleotit, khối lượng phân tử bằng 23.000 – 30.000, hằng số sa lắng khoảng 4S, làm nhiệm vụ vận chuyển aa đến riboxom Trong ARNt cĩ chứa khoảng 8 – 10% các bazơ hiếm, chính điều này tạo nên cấu trúc chác bacủa ARNt - một cấu trúc

cĩ tới 60 – 70% cuộn xoắn và đã tạo thành 3 vịng lớn, một chút nhỏ Trên một vịng lớn cĩ chứa bộ ba

2

đối mã (anticodon), anticodon trên ARNt sẽ nhận biết codon trên ARNm nhờ quy tắc mã - đối mã, được cặp đôi theo chiều đối xong

Mô hình cấu trúc của phân tử tARN

Mỗi một ARNt sẽ vận chuyển 1 aa nhất định Số lượng các ARNt biến động theo loài: 30-40 ở prokaryot và 50-60 ở eukeryot nhưng đều có cấu trúc gần giống nhau Đáng chú ý là 1 ARNt có thể kết hợp với hai codon khác nhau cùng mã hoá cho 1 aa

Quá trình gắn aa vào ARNt cần có sự tham gia của enzyme aminoacyl – ARNt synthetaza Có 20 enzym tương ứng với 20 aa Đ ây là quá trình tiêu tốn năng lượng và trải qua 2 bước:

- Enzyme nhận biết và gắn với 1 aa đặc hiệu :

- aa được chuyển từ phức hợp enzyme – aminoacyl – adenylat sang ARNt tương ứng :

3 Ribosom và ARN ribosom:

Quá trình sinh tổng hợp protein diễn ra với tốc độ 1 triệu liện kết peptit trong 1 giây Để đạt được điều này, các thành phần tham gia quá trình dịch mã phải lien kết với 1 phức hợp ribonucleoprotein, đó chính là ribosom được tạo thành từ các ARNr và hơn 50 loại protein

Robosom của mọi loại tế bào đều có cấu trúc chung là gồm hai tiểu phần : một tiểu phần lớn có vị trí A để tiếp nhận aminoacyl – ARNt và vị trí P để tiếp nhận peptidyl – ARNt và một tiểu phần nhỏ Giữa hai tiểu phần này có 1 đường rãnh để tiếp nhận và gắn ARNm Trên ribosom còn có các vị trí gắn các yếu

tố mở đầu, kéo dài và kết thúc Trong quá trình dịch mã, hai quá trình này có thể phân li và tái hợp liên

tục Nhiều ribosom cùng gắn lên một phân tử ARNm trong quá trình tổng hợp protein tạo thành

polyribosome hay polysom

4 Các enzyme quan trọng xúc tác cho quá trình dịch mã:

- Aminoacyl – ARNt – syntheaza: làm nhiệm vụ xúc tác cho quá trình tổng hợp phức aminoacyl – ARNt Hiện nay đã tinh chế được hầu hết các aminoacyl – ARNt – synthetaza của 20 aa khác nhau dưới dạng tinh khiết Chúng có hiệu quả cao

- Peptidyl transferaza: xúc tác cho phản ứng tạo lien kết peptit, có ở tiểu phần lớn của ribosom

5 Các yếu tố mở đầu, kéo dài, kết thúc:

chúng đều là protein cần thiết cho các giai đoạn sinh tổng hợp protein ở ribosom

6 Năng lượng và các cation cần thiết cho quá trình dịch mã:

Cần 4 nucleotit cho một aa khi di vào tổng hợp protein :

- 2 GTP thuỷ phân thành 2 GDP và Pi dùng để thay đổi cấu hình cần thiết cho việc di chuyển của ARNt và ARNm trên ribosom

- 2 ATP cần thiết cho việc phosphoryl hoá AMP vốn được giải phóng ra khi tạo phức aminoacyl – ARNt

- Sự hình thành lien kết peptit sẽ sử dụng năng lượng được giải phóng ra khi thuỷ phân phức hợp trên

7 Nguyên liệu để tổng hợp protein

Nguyên liệu để tổng hợp protein là 20aa

4

III Các giai đoạn của quá trình dịch mã

1 Giai đoạn khởi đầu :

Với sự có mặt của yếu tố khở đầu ( eIF – 6) , hai tiểu phần của ribosom 80S tách rời nhau Tiểu phần nhỏ 40S gắn với các yếu tố mở đầu eIF-3, eIF-4C và trở thành dạng hoạt hoá Với sự tham gia của GTP thì Met – ARNt gắn vào tiểu phần nhỏ hoạt hoá rồi chuyển đến gắn vào một vị trí chuyên biệt của ARNm - gần codon AUG để hình thành phức khởi đầu tiếp đó, khi có sự tham gia của ATP, các yếu tố

mở đầu lần lượt được giải phóng tạo thành phức hợp khởi đầu Phức hợp khởi đầu kết hợp với tiểu phần lớn 60S để hình thành ribosom 80S hoạt động

2 Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptit:

Là quá trình gắn các axit amin vào chuỗi polypeptit theo một trình tự nhất định đã được mã hoá ở ARNm, được chia thành 3 bước:

Bước 1 : gắn aminoacyl – ARNt tiếp theo vào vị trí A của ribosom theo lệnh của codon tiếp theo Cần có sự tham gia của các yếu tố kéo dài EF1 và GTP cung cấp năng lượng

Bước 2: dưới sự tác dụng của enzym peptidl – ARNt transferaza, nhóm –NH2 vừa mới đi vào tại vị trí A sẽ kết hợp với nhóm –COOH tự do của Met ở vị trí P của ribôsom, loại trừ 1 phân tử nước và hình thành liên kết –CO-NH- Dipeptidyl – ARNt vừa được tạo ra vẫn găn ở vị trí A , liên kết giữa Met và ARNt

bị cắt đứt, giải phóng năng lượng, cung cấp năng lượng cho sự tạo liên kết peptit, còn ARNtMet vẫn ở vị trí P

Bước 3: dịch chuyển dipeptidyl – ARNT từ vị trí A sang vị trí P Để thực hiện quá trình này, ribosom dịch chuyển dọc theo ARNm từng codon một theo hướng đến đầu 3’ , cần có sự tham gia của yếu tố kéo dài EF-2 GTP thuỷ phân để cung cấp năng lượng cho sự dịch chuyển của ribosom

6

3 Giai đoạn kết thúc :

Khi trên phân tử ARNm xuất hiện các codon kết thúc : UAA, UAG, UGA, các yếu tố kết thúc

RF1, RF2 , RF3 cũng xuất hiện ở tiểu phần lớn của ribosom Ribosom tiếp tục dịch chuyển một codon và polipeptidyl – ARNt chuyển từ vị trí A sang vị trí P, mã kết thúc ứng với vị trí A được nhận biết bởi các yếu tố kết thúc đã không cho aminoacyl – ARNt tiếp theo vào vị trí A Chuỗi polipeptit được giải phóng, ARNt, ARNm tách khỏi ribosom Ribosom lại tiếp tục phân li và lại tham gia vvào chu kì tổng hợp mới.

IV Các chất ức chế quá trình dịch mã

Kháng kháng sinh: tính kháng sinh có thể xuất phát từ sự thay đổi của màng vi khuẩn hoặc xuất hiện các enzyme phá huỷ hoạt tính của kháng sinh bằng cách thay đổi cấu tạo hoá học của chất kháng sinh

Chất kháng sinh : điển hình là puromycin - một kháng sinh ức chế tổng hợp protein ở cả tế bào prokaryot và eukaryot.

V Sự điều hòa quá trình sinh tổng hợp Protein:

1 Ý nghĩa:

- Bảo đảm cho tế bào tổng hợp loại protêin cần thiết vào lúc cần thiết trong quá trình phát triển cá thể.

- Bảo đảm cho tế bào của từng loại mô khác nhau tổng hợp đúng loại Protêin

2 Các loại gen tham gia vào cơ chế:

- Gen cấu trúc: mã hóa thông tin cấu trúc của 1 Protein xác định

- Gen điều hòa: kích thích hoặc ức chế gen vận hành,qua đó điều hòa hoạt động của gen cấu trúc

8