Protein hạt thường được tổng hợp ở dạng tiền chất có các đoạn trình tự tiền peptide chứa các tín hiệu định hướng vận chuyển, tín hiệu vi tiền xử lý và vị trí dự trữ từ điểm chúng được tổng hợp cho đến bào quan dự trữ cuối cùng. Trong sự trao đổi chất của protein dự trữ, vi tiền xử lý các tiền chất protein bằng enzyme có kiểm soát là bước quan trọng trong quá trình này. Việc tách peptide tín hiệu-SP (signal peptide) ở đầu N khỏi tiền chất polypeptide được xúc tác bằng peptidase tín hiệu trong lưới nội bảo.
Sau đó, polypeptide có thể còn bị thủy phân hạn chế bằng các proteinase khác nhau trong không bào dự trữ. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyén polypeptide trong lưới nội bào và trong việc phân giải protein dự trữ trong hạt protein. Những đoạn peptide tín hiệu, những 45
đoạn polypeptide không có cấu trúc đúng đều bị phân hủy bằng các cách khác nhau, một trong các cách đó có sự tham gia của ubiquitin và proteasome trong tế bào (xem mục 4.5.3. Hé ubiquitin - proteasome). Chỉ có những protein dự trữ có cấu trúc không gian đúng mới không bị phá hủy bởi hệ thống kiểm soát chất lượng bằng các proteinase. Protein dự trữ đã thành thục có cấu trúc chặt chẽ như cấu trúc không gian của germin, protein có cấu trúc đặc biệt, có khả năng tránh khỏi các tác động cua protease.
Cuối cùng, trong quá trình nảy mầm của hạt, protein dự trữ được thủy phân nhờ các protease mới được tổng hợp cũng như trong hạt theo trình tự nhất định. Đối với mỗi họ thực vật, cây một lá mầm, cây hai lá mầm, cũng như trong từng giai đoạn phát triển của hạt đều có nét đặc thù riêng được đề cập đến cụ thể sau đây.
2.3.1. Sinh tổng hợp, vận chuyển protein dự trữ và hình thành hạt
protein ở các cây hai lá mầm
Ở cây hai lá mầm, protein dự trữ bao gồm albumin2S, globulin7S và globulin11S, đều được tông hợp trong lưới nội bào, sau đó vận chuyển qua lưới nội bào, qua hệ thống Golgi vào bào quan dự trữ cuối cùng tạo thành hạt protein. Các hạt protein có ở trong phôi mầm và nội nhũ của hạt. Protein được tạo cấu trúc không gian trong lumen của lưới nội bào
và hình thành cầu nối disulfide tại đây (hình 2.6).
Quá trình lắp ráp globulinllS là quá trình được điều khiển:
polypeptide dạng monomer được lắp ráp trong lumen của lưới nội bào thành dạng trimer, sau đó, vận chuyển đến bào quan dự trữ qua hệ thống
Golgi và hình thành cấu trúc không gian cuối cùng của chúng tại đây:
dạng hexamer. Trong quá trình này, các tiền chất protein bị biến đôi bởi
. các protease đặc hiệu (xem mục 2.2. Protease-enzyme phân giải protein
trong hat), loai bo peptide tin hiéu dau N, hình thành cầu nối disulfide và
cat tai vi trí Asn-Gly néi gitta cdc tiéu đơn vi. Tién không bào hình thành từ hệ thông Golgi có kích thước khoảng 0,1 mm, sau đó, chúng tích hợp
lại với nhau thành không bào lớn hơn 0,3-0,5 mm cho đến 2 mm.
46
DNA
Nhân tế bảo
Bỏ vòng khuyên | Or
Sinh tổng hợp 5
polypeptide
A B
3 HạN Se rn an ell COOH
(SH SH
Phan cat peptide
z 11A —> -ô
as as
tin hiéu HẠN Lưới nội
A B | bao dang
4 4 NL a COOH hat
SH 5 SH
Tao thanh cau :
disulfide
Lap rap
Thuy phan Lo thanh |
hexamer
^
6 HạN COOH
mm @
HOOC-GĂmnia— NH, Hạt dự trữ
protein
®.
Hình 3.6: Tổng hợp và lắp rap legumin 11S: 1-Trong nhan té bao: tong hop mRNA, loai b6 cac intron. 2-Trên ribosome của lưới nội bào dạng hạt, mRNA được dịch mã thành polypeptide. 3,4-Tiền chất legumin được chuyển vào lưới nội bào, loại bỏ đoạn peptide tín hiệu, hình thành cầu disulfide và loại bỏ các peptide nối giữa các tiểu đơn vị. 5,6-Legumin được chuyển vào không bào dự trữ, ba phân tử legumin tương tác và hình thành cấu trúc trimer và sau đó tạo thành hexamer trong không bào dự trữ (theo Buchanan ef al., 2000).
47
Nghiên cứu về hệ thống trên cho thấy ba loại enzyme có thể tham gia vào quá trình này: Chất môi giới phân tử thuộc họ Hsp70/BiP, peptidyl-prolyl cis-trans isomerase (PPI) tạo cấu trúc không gian bằng cách tăng cường sự đồng phân của mối liên kết X-Pro (trong đó X là amino acid bat ky); protein disulfide isomerase (PDI) xuic tac cho quá trình tao cdu néi disulfide. Trong trường hợp vi tiền xử lý của vicilin, các polypeptide thường bị cắt không hoàn toàn, tạo ra các sản phẩm đa dạng với khối lượng phân tử khác nhau, cùng tồn tại trong tế bào. Quá trình glycosyl hóa cũng xảy ra trong lưới nội bào tại đầu C hoặc đầu N của các tiểu đơn vị tùy thuộc vào các loại vicilin khác nhau (hình 2.7). Túi màng
hình thành tiền không bào chứa protein dự trữ đi đến Golgi thường có hai
loại protein y-TIP và pyrophosphatase.
Các vị trí phân cắt
Trước vi tiên xử lý
peed
Phân cắt tại:
19 kDa
Vị trí 1&2 =
13.5 kDa
Glycosyl héa
Hình 2.7: Quá trình vi tiền xử lý của vicilin dau Ha Lan: polypeptide bị cắt không hoàn toàn, tạo thành các sản phẩm đa dạng, glycosyl hóa ở đầu C (theo Buchanan e¢ al., 2000).
48
2.3.2. Sinh tổng hợp, vận chuyển protein dự trữ và hình thành hạt
protein ở các cây ngũ cốc ,
Globulin7S và 115 (hoặc glutelin) có trong phôi mầm và hạt aleuron các cây ngũ cốc thường được tổng hợp trong lưới nội bào,
chuyển qua hệ thống Golgi vào không bảo dự trữ giống như quá trình dự
trữ globulin ở các cây hai lá mam.
Cơ chế dự trữ prolamin ở các cây ngũ cốc còn ít được nghiên cứu
hơn, nhưng có thê chia làm hai hướng :
@) Thứ nhất, ở ngô và các cây ngũ cốc họ Panicoideae (như cây lúa miền, cây kê) và lúa nước, prolamin tích tụ trong lumen của lưới nội bào và hình thành những hạt protein tại chỗ được bao bọc bởi màng bắt nguồn từ lưới nội bào. Như vậy, ở lúa có hai dạng hạt protein, PB-I có
nguồn gốc từ lưới nội bào chứa prolamin, còn PB-II là không bào chứa
globulin hoặc glutelin (hình 2.8).
Prolamin và glutelin được tổng hợp ở những vị trí khác nhau trên lưới nội bào: prolamin — ở vùng lưới ndi bao dang hat, con glutelin — 6 vùng lưới nội bào chứa dịch. Cơ chế lưu giữ prolamin lại lưới nội bào ở . lúa nước gắn liền với sự có mặt của chất môi giới phân tử là BiP tại lưới nội bào. Phân tử này liên kết với prolamin-polypeptide mới tổng hợp trong lưới nội bào cho đến khi protein tạo cấu trúc và tích tụ lại thành hạt protein. Trong quá trình này, việc vận chuyển mRNA của từng loại protein (prolamin, glutelin) từ nhân tế bào đến lưới nội bào được thực hiện một cách có điều khiển nhờ có yếu tố cis-acting trên RNA. Yếu tố này nhận biết được protein gắn với từng loại RNA tạo thành hạt ribonucleoprotein, sau đó, chúng được chuyển đến các vị trí trên lưới nội bào khác nhau qua mạng khung xương tế bào (microtubules): mRNA prolamin đến vùng lưới nội bào dạng hat; con mRNA glutelin dén ving lưới nội bào chứa dịch.
49