BÀI GIẢNG SỰ DỊCH MÃ - TRANSLATION

• Mang 3 vị trí tương tác với tRNA và một vị trí với mRNA – A: tiếp nhận tRNA mang aa mới – P: giữ tRNA mang chuỗi polypeptit đang được tổng hợp – E: liên kết với tRNA đã chuyển gia

SỰ DỊCH MÃ - TRANSLATION

Cấu trúc mRNA

5

• Mang 3 vị trí tương tác với

tRNA và một vị trí với mRNA

– A: tiếp nhận tRNA mang

aa mới

– P: giữ tRNA mang chuỗi

polypeptit đang được tổng

hợp

– E: liên kết với tRNA đã

chuyển giao aa, chuẩn bị

ra khỏi phức hợp dịch mã.

Adenine Guanine Xanthine

tRNA 5' anticodon base codon base mRNA 3'

Amino acid Aminoacyl-tRNA

CHUẨN BỊ

-Có sự tham gia của enzyme

aminoacl-tRNA synthetase, ATP, acid amin và

tRNA tương ứng.

-Enzyme synthetase gắn vào 1 phân tử

ATP và 1 acid amin  xúc tác phản

tạo aminoacyl-tRNA và giải phóng gốc

AMP Acid amin sẽ được gắn vào

ribonu cuối của tRNA vào gốc 2’ hoặc

3’OH Lúc này acid amin đã sẵn sàng

để gắn vào chuỗi peptide.

-Nếu tRNA không phù hợp với acid

amin  liên kết giữa aminoacyl-tRNA

sẽ bị thủy giải

QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG

-Codon khởi đầu là AUG

-Cần các nhân tố khởi đầu dịch mã: IF1, IF2, IF3

-Có 2 loại tRNA mang acid amin

methionine (Met): tRNA fmet cho codon mở

đầu AUG và tRNA met cho codon AUG trong phân tử mRNA

-IF3 gắn vào tiểu phần 30S của ribosome giải phóng nó khỏi phức hợp với 50S

-IF1 giúp IF3 gắn vào 30S ribosome và chiếm vùng A trên 30S, giúp cho phức

hợp fMet- tRNA fmet chỉ gắn vào vùng P Ngoài ra, nó còn ngăn chận sự gắn của các aa-tRNA khác vào vùng A trong quá trình khởi động

-IF2 là 1 GTP binding protein Protein này

gắn vào phức hợp fMet-tRNA fMet và giúp

nó cập vào 30S ribosome

CẤU TRÚC CỦA FMET

QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG

-Khi mRNA gắn vào ribosome, IF3 giúp

fMet-tRNA gắn chính xác vào codon khởi

động của mRNA là AUG Vùng

Shine-Dalgarno của mRNA sẽ tương tác với đầu

3’ của 16S rRNA Sự tương tác này giúp

cho 30S ở vào vị trí thích hợp cho sự khởi

động dịch mã

-Khi đó, tiểu phần lớn ribosome 50S đến

gắn vào phức hợp trên, GTP trên IF2 sẽ

được ly giải tạo ra năng lượng giúp tách

IF2-GDP và IF1 ra khỏi phức hợp khởi

động dịch mã Vùng GAP trên 50S chịu

trách nhiệm thủy phân GTP trên IF2

-Khi 2 tiểu phần của ribosome kết hợp với

nhau thông tin di truyền trên mRNA sẽ

được dịch mã mRNA sẽ trượt qua một

khe trên ribosome trong quá trình dịch mã

Sự gắn ở đầu 3’ của 16S rRNA với trình tự ở đoạn 5’UTR của mRNA phía trước mã khởi đầu AUG (TT Shine-Dalgarno) để dò tìm mã khởi đầu

TT Shine-Dalgarno(S-D): nằm ở đầu 5’-UTR, có TT đặc thù giàu Purin, khoảng 6-8bp: AGGAGGU

HOÀN TẤT GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG

QUÁ TRÌNH KÉO DÀI

Các bước tiến hành như sau:

Aminoacyl-tRNA thứ hai sẽ đến gắn vào

vị trí A của ribosome nhờ vào liên kết giữa bộ ba đối mã trên tRNA và bộ ba mã hóa trên mRNA

1 liên kết peptide sẽ được hình thành giữa 2 acid amin ở vị trí P và vị trí A

Liên kết peptide được hình thành nhờ vào 23S rRNA của tiểu phần lớn của ribosome

tRNAfmet trở thành tRNA tự do không mang acid amin

TẠO LIÊN KẾT PEPTIDE

-Phản ứng tạo liên kết peptide giữa hai acid

amin ở vị trí A và P trên ribosome được gọi

là transpeptidation

-Nó xảy ra khi có sự tấn công ái nhân

(nucleophilic attack) của nhóm amin NH2 của

acid amin trên vị trí A vào nhóm carbonyl

của acid amin trên vị trí P

-Một proton H+ sẽ được chuyển từ nhóm

NH2 đến carbonyl, sau đó sẽ được chuyển

tiếp đến gốc OH của nucleotide trên tRNA ở

vị trí P làm liên kết ester giữa carbonyl và

hydroxyl bị phá vỡ

-Khi ấy một liên kết peptide giửa acid amin ở

vị trí A và chuỗi peptide ở vị trí P được hình

thành đi kèm với sự giải phóng một phân tử

nước

O

OH O

H H

H

CH2

H

O P O O

O−

Adenine tRNA

C HC NH R

O

OH O

H H

H

CH2

H

O P O O

O−

Adenine tRNA

C HC

NH2R

C HC

NH3+R

H

CH2

H

O P O O

O−

Adenine tRNA

O

OH O

H H

H

CH2

H

O P O O

O−

Adenine tRNA

C HC NH R O

C HC NH R

C HC

NH3R

O

O

 Cần các nhân tố kéo dài: Tu,

EF-Ts, EF-G Trong đó, EF-Tu và EF-G

là các GTP-binding protein

 EF-Tu gắn vào các aminoacyl-tRNA

khác nhau với ái lực như nhau để chuyển các aminoacyl-tRNA này đến vị trí A của ribosome

 Bộ ba đối mã trên tRNA phải bổ sung với bộ ba mã hóa trên mRNA Khi đó, một vùng trình tự bảo tồn trên 16S rRNA sẽ nhận biết và tương tác với cấu hình của liên kết codon/anticodon này

QUÁ TRÌNH KÉO DÀI

 Một cấu trúc đặc biệt của ribosome

được hình thành từ tương tác này

Điều này cho phép kiểm tra xem

tRNA có gắn đúng vào vị trí không

 Sự sửa sai dịch mã sẽ xảy ra nếu

cấu trúc đặc biệt này của ribosome

không được tạo ra trước khi hình

thành liên kết peptide giữa 2 acid

amin

 Sự hình thành cấu trúc đặc biệt của

ribosome kết hợp với sự hình thành

cấu trúc của liên kết

codon/anticodon dẫn tới sự hoạt

hóa chức năng EF-Tu-GTPase của

P i EF-Tu-GDP

QUÁ TRÌNH KÉO DÀI

 Khi EF-Tu chuyển aminoacyl-tRNA đến ribosome, aa-tRNA sẽ có cấu hình

bị vặn xoắn

 Khi phân tử GTP trên EF-Tu bị thủy giải thành GDP và Pi  EF-Tu sẽ thay đổi cấu hình  tách khỏi phức hợp EF-Tu+aminoacyl-tRNA+ribosome

 Khi EF-Tu tách khỏi ribosome  cấu hình bóp méo của tRNA được giải phóng  vùng acceptor arm của tRNA được tái bố trí  thúc đẩy sự hình thành liên kết peptide Quá trình này gọi là accommodation

 EF-Tu sẽ được phục hồi phân tử GTP gắn trên nó như lúc đầu nhờ EF-Ts

Tương tác với EF-Ts sẽ giúp EF-Tu giải phóng GDP ra khỏi phân tử của nó Khi tách ra khỏi EF-Ts, EF-Tu sẽ có được cấu hình như ban đầu trước khi tham gia liên kết với aminoacyl-tRNA và bị thủy giải bởi ribosome, là EF-Tu- GTP

*EF-Tu-GTP (cấu hình 1) gắn và chuyển

aa-tRNA đến vị trí A của riosome

**EF-Tu-GDP (cấu hình 2)

tách khỏi phức hợp aa-tRNA-EF-Tu

QUÁ TRÌNH KÉO DÀI

Translocation (dịch chuyển vị trí):

Ribosome dịch chuyển sang một bộ ba

mã hóa khác trên mRNA

tRNAfMet tự do được dịch chuyển sang vị trí E của ribosome và sau đó được phóng thích ra khỏi ribosome

Chuỗi 2 acid amin gắn trên tRNA thứ hai được dịch chuyển sang vị trí P, bỏ lại vị trí

A trống để aminoacyl-tRNA thứ ba sẽ đến gắn vào

Quá trình kéo dài tiếp diễn cho đến khi gặp tín hiệu kết thúc trên mRNA

 Translocation: tRNA tự do từ vị trí P

sẽ được chuyển sang vị trí E để

được phóng thích ra khỏi ribosome

 Translocation có liên quan đến

nhân tố EF-G

 Kích thước và hình dáng của EF-G

tương tự như phức hợp

EF-Tu-aminoacyl-tRNA

 Khi EF-G đến gắn xung quanh vị trí

A của ribosome thì nó gây ra một

chuyển động đặc biệt của tiểu phần

nhỏ đối với tiểu phần lớn của

ribosome

 Sự thay đổi này đẩy tRNA với chuỗi

polypeptide từ vị trí A sang vị trí P

trên ribosome Cũng vậy, nó

chuyển tRNA tự do từ vị trí P sang

vị trí E trên ribosome

 Vì tRNA liên kết với mRNA nên

mRNA cũng di chuyển tương ứng

theo

small subunit

large subunit

mRNA location EF-G

tRNA

 Translocation còn được hỗ trợ bởi:

tRNA tự do ở vị trí P có ái lực cao hơn với vị trí E so với vị trí P tRNA với chuỗi peptide có ái lực cao hơn với vị trí P so với vị trí A

chuyển từ dạng EF-G-GTP sang EF-G-GDP và tách khỏi ribosome

để tạo ra dạng EF-G-GTP từ EF-G-GDP để tham gia vào quá trình dịch mã.

sự hiện tượng frame-shift error, có nghĩa là nếu không có tRNA ở vị trí này thì các tRNA sẽ dịch chuyển tự do 1 nucleotide gây ra tình trạng lệch khung dịch mã.

tRNA tự do đối với vị trí E, thúc đẩy sự phóng thích tRNA ra khỏi ribosome.

QUÁ TRÌNH KẾT THÚC

 Khi ribosome trượt đến codon kết thúc (stop codon-AUG) thì quá trình dịch mã kết thúc.

 Cần có các nhân tố kết thúc RF1, RF2, RF3 RF3 là một GTP-binding protein.

 RF1 và RF2 nhận biết và bám vào stop codon RF3 tạo điều kiện cho RF1 và RF2 gắn vào ribosome.

 Khi các nhân tố kết thúc này đến gắn vào

vị trí A trên ribosome thì có sự xúc tác cắt liên kết tRNA-chuỗi peptide và chuyển một phân tử nước đến gốc CO.

 Thủy giái GTP trên RF3 gây ra sự thay đổi cấu hình làm giải phóng các RF ra khỏi ribosome.

 Một nhân tố RRF (Ribosomal recycling factor) cùng với EF-G-GTP và IF3 được huy động để phóng thích tRNA tự do khỏi

vị trí P, phân ly ribosome khỏi mRNA và tách 2 tiểu phần ribosome như trước khi dịch mã.

Một liên kết peptide được hình thành cần có 2 GTP và 1 ATP, trong đó:

1 Một ATP cần để hình thành liên kết aminoacyl-tRNA

2 Một GTP cần để phân phối tRNA ang acid amin cũng như đảm bảo sự liên kết anticodon là chính xác

codon-3 Một phân tử GTP cần để cho sự dịch chuyển từ A sang P với sự trợ giúp của EF-G

NĂNG LƯỢNG CHO SỰ DỊCH MÃ

RNA polymerase

DNA

Polyribosome

RNA polymerase

Direction of transcription

mRNA

0.25 µm DNA

Polyribosome Polypeptide (amino end)

Ribosome mRNA (5′ end)

So sánh quá trình dịch mã ở Prokaryote và Eukaryote

Phiên mã và dịch mã đồng thời Phiên mã và dịch mã không đồng thời

Không có mũ Cap ở đầu 5’ của mRNA Có mũ Cap ở đầu 5’ của mRNA 

scanning để tìm codon mở đầu

Codon khởi đầu nằm ngay sau vị trí gắn

Ribosome Không có vị trí gắn Ribosome ở trước mã khởi đầu AUG

aa đầu tiên là formyl -Met aa đầu tiên bình thường

Ribosome 30S: 16S rARN + 21 Pr Ribosome 40S: 18S rARN + 33 Pr

Ribosome 50S: 23S, 5S rARN + 31 Pr Ribosome 60S: 28S, 5.8 S 5S rARN

+49Pr

CÁC NHÂN TỐ DỊCH MÃ Ở PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE

Gắn vào các tiểu phần ribosomeGắn vào mRNA

Vận chuyển tRNA khởi động Thay đổi vị trí các nhân tố khác

Vận chuyển aa-tRNATái hoạt hóa EF-Tu hoặc eEF1αDịch chuyển ribosome trên mRNAKết thúc

GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG

Quá trình dịch mã bắt đầu với giai đoạn dò tìm (scanning) để tìm codon mở đầu

4 nhân tố khởi động (eIF1, eIF3, eIF5, and eIF1A) gắn vào tiểu phần nhỏ ribosome

eIF2-GTP hộ tống tRNA khởi động gắn Met đến phức hợp ribosme-4 nhân tố khởi động  hình thành phức hợp 43S tiền khởi động

Cùng lúc, eIF4E nhận biết mũ 5’ của mRNA  huy động eIF4G và eIF4A  eIF4B cạnh tranh với eIF4G để gắn vào eIF4E  eIF4B kích hoạt hoạt tính helicase của eIF4A  phân cắt các cấu trúc bắt cặp

bổ sung có thể có trên mRNA

Phức hợp 43S tiền khởi động đến kết hợp với phức hợp protein trên mRNA  phức hợp tiền khởi động 48S  trượt trên mRNA

để dò tìm codon mở đầu của mRNA

SCANNING ĐỂ TÌM CODON MỞ ĐẦU

Giai đoạn dò tìm cần có năng lượng từ ATP

Khi phức hợp 48S đi đến codon mở đầu là AUG thì sẽ có sự bắt cặp bổ sung giữa codon của mRNA và anticodon của tRNA khởi đầu

Cấu trúc bắt cặp codon/anticodon làm thay đổi cấu hình của phức hợp 43S và của nhân tố eIF5

 eIF5 kích thích eIF2 phân giải GTP gắn trên phân tử của nó  làm cho các nhân tố eIF2-GDP, eIF1, eIF3, eIF4B, eIF5 rời khỏi phức hợp

eIF5B-GTP kích thích tiểu phần 60S ribosome đến kết hợp với tiểu phần nhỏ

Khi tiểu phần 60S kết hợp vào 40S  thay đổi cấu hình của phức hợp  eIF5B phân giải GTP

 giải phóng eIF5B-GDP và eIF1A ra khỏi phức hợp  hình thành phức hợp khởi động 80S

Các nhân tố khởi đầu dịch mã giữ cho mRNA của eukaryote ở dạng dịch mã hình tròn

Đuôi polyA của mRNA đóng vai trò lớn trong dịch mã ở eukaryote: các protein bám vào đuôi polyA tương tác với eIF4G làm cho mRNA có hình tròn

Các ribosome sau khi kết thúc dịch mã trên mRNA sẽ được tái cấu trúc để bắt đầu chu

kỳ dịch mã khác trên cùng mRNA

Giai đoạn kéo dài

Giai đoạn kéo dài trong quá trình dịch mã ở eukaryote là tương tự như ở prokaryote Điểm khác biệt là sử dụng các nhân tố dịch mã eEF1α, eEF1βγ, eEF2 thay cho EF-Tu, EF-

Ts, EF-G.

Giai đoạn kết thúc

Eukaryote sử dụng một nhân tố kết thúc duy nhất là eRF để nhận biết cả 3 loại codon kết thúc (UAG, UAA, UGA) Các bước kết thúc cũng tương tự như ở prokaryote.

CÁC CƠ CHẾ ĐẢM BẢO SỰ CHÍNH XÁC TRONG DỊCH MÃ

The energy difference a correct codon-anticodon pair and a near match cannot account for the high level of accuracy with the error rate of 10-3 Three mechanisms select

against incorrect pairings

1 Two adjacent adenine residues in the 16S rRNA within the A site form additional hydrogen bonds within the minor groove

2 Hoat tính GTPase của EF-Tu chỉ được kích hoạt khi có sự tương tác chính xác giữa nó và trung tâm gắn nhân tố mà điều này chỉ xảy ra khi có sự bắt cặp chính xác codon-anticodon.

3 The third mechanism is a form of proofreading that occurs after EF-Tu is released

To participate in the peptidyl transferase reaction, the tRNA must rotate into the peptidyl transferase center in a process called accommodation The 3’ end of tRNA moves

almost 70A This rotation is likely to place strain on the codon-anticodon interaction