a. Tong hop Protein
$%* Các thành phần cơ bản tham gia tông hợp protein
Ba yếu tổ giữ vai trò quan trọng nhất trong quá trình tổng hợp protein là:
mARN, tARN và riboxom. Phân tử mARN mang mã di truyền, các tARN vận
~ Lad cho Meftiioni:
- Mã di truyền có bộ ba khởi đầu và kết thúc đặc hiệu: AUG là tín hiệu khởi đầu và các bộ ba kết thúc là UAG, UAA và UGA.
Phân tử ADN của một nhiễm sắc thể bao gồm vô số các đoạn ngắn gọi là gen. Mỗi gen chứa một đoạn mã để tạo một protein. Phân tử protein có thể chứa bất kì trong số hơn 20 loại axit amin khác nhau, các axit amin kết hợp với nhau theo một tính đặc thù của mạch polypeptit với vị trí chính xác của từng axit amin
trong đó. |
Hệ gen — genome không đơn thuần là tập hợp của các gen. Cầu trúc của hệ gen rát phức tạp và có độ trật tự rất cao. Ở sinh vật nhân chuẩn thành nhỏ hon so với toàn bộ hệ gen. Hệ gen của vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn bậc thấp thường không lớn và các gen phân bố sát nhau. Hầu hết các gen này chỉ có một bản sao trong genome va rat it bị gián đoạn bởi các đoạn ADN không chứa mã di truyền (inton). Ngược lại, các gen trong tế bào nhân chuẩn bậc cao thường chứa nhiều intro và phân bố xa nhau. Nhiều loài sinh vật đã được xác định trình tự các gen - bản đồ gen. Từ đó có thể xác lập được sự di truyền của các tính trạng và mỗi liên quan của chúng với cẫu trúc nhiễm sac thé .
Trong hệ gen không phải gen nào cũng hoạt động. Co những gen luôn hoạt động, có những gen chi hoạt động ở giai đoạn nhất định và có những gen không bao giờ hoạt động trong suốt cuộc đời của cá thể sinh vật hay của loài.
Trong giới hạn của một gen, bản mật mã chỉ được ghi trên 1 trong 2 sợi của
pâhn tử ADN. Sợi kia đơn giản chỉ là thứ tự các nucleotit bở sung dé hoàn thiện
phân tử, làm bền vững cấu trúc và tạo điều kiện cho tái bản, sữa chữa.
Mỗi gen bắt đầu băng một thứ tự đặc biêt các nucleotit gọi là đoạn khởi
động( yếu tố mở đầu) làm tín hiệu cho biết nơi xuất phát và kết thúc băng một thứ
tự “kết thúc” giữa hai thứ tự đó là chuỗi dài có tới 3000 nucleotit trơng ứng.
5.1.2. SU TONG HOP VA VAN CHUYEN PROTEIN TRONG TE BAO
a. Tong hop Protein
$% Các thành phần cơ bản tham gia tổng hợp protein
Ba yếu tô giữ vai trò quan trọng nhất trong quá trình tổng hợp protein là:
mARN, tARN và riboxom. Phân tử mARN mang mã di truyền, các tARN vận
chuyển axit amin tương ứng với mã bộ ba đến riboxom để ghép vào chuỗi peptit. Riboxom gồm 2 tiểu đơn vị, mỗi phần gồm các phân tử rARN tương tác
với protein đặc hiệu. Tiểu đơn vị nhỏ liên kết với mARN và tARN, tiêu đơn vị
lớn xúc tác cho phản ứng tạo câu peptit nỗi các axit amin với nhau.
Quá trình phiên mã
Sự phiên mã ( transcription) xảy ra trong ADN được chuyển đổi” phiên bản”
sang mARN và mARN được tạo trực tiếp từ khuôn trên sợi ghi mã của ADN.
Sự phiên mã chỉ xảy ra nhờ ARN polymeraza phụ thuộc ADN, nó xúc tác cho sự liên kết các nucleotit của ARN với nhau thành chuỗi.
Quá trình như sau:
Bước đầu của phiên mã xảy ra khi enzym “nhận biết? được thứ tự xuất phát
trên sợi ADN ghi mã ( nơi gen bắt đầu) và bám vào ADN ở điểm đó. Sự bám sẽ
làm gãy đứt các liên kết hydro giữa 2 sợi, làm cho 2 sợi mở xoắn ở đoạn có gen cần phiên mã. Lúc này phân tử ARNpolymeraza phụ thuộc ADN chạy dọc theo gen và các nucleotit mới bỗ sung với nucleotit của ADN, liên tiếp lắp thêm vào
sợi ADN đang dài ra. Khi enzym đi tới bazơ thai Àdenin mới được lắp thêm
vào phân tử mARN và tương tự khi xitozIn hay guanin của ADN thì guanin hay xitozin được lắp vào mARN. Trong ARN không có timin nên khi trên khuôn là
adenin thì ở mARN sẽ lắp thêm uraxin. Sự biến đổi này không thay đổi độ chính
xác của phiên mã, mARN thu được hoàn toàn khớp với khuôn ADN và chứa một nội dung mã tương ứng.
Vào giai đoạn cuối của phiên mã, khi enzym nhận biết thứ tự” kết thúc” và tách khỏi đoạn gen, làm ADN quay trở về trạng thái xoắn kép, mARN đựơc giải phóng,
chui qua mảng nhân đến riboxom để tiến hành giai đoạn tiếp theo là dịch mã.
% Dịch mã
Quá trình dịch mã là quá trình “phiên dịch” mã chứa trong mARN thành thứ tự các axit amin trong mạch polypeptit sắp được tổng hợp. Quá trình này xảy ra 0 riboxom.
52
chuyển axit amin tương ứng với mã bộ ba đến riboxom để ghép vào chuỗi peptit. Riboxom gồm 2 tiểu đơn vị, mỗi phần gồm các phân tử rARN tương tác với protein đặc hiệu. Tiêu đơn vị nhỏ liên kêt với mARN và tARN, tiêu đơn vị lớn xúc tác cho phản ứng tạo câu peptit nôi cac axit amin voi nhau.
s* Quá trình phiên mã
Sự phiên mã ( transcription) xảy ra trong ADN được chuyên đổi” phiên bản”
sang mARRN và mARN được tạo trực tiếp từ khuôn trên sợi ghi mã của ADN.
Sự phiên mã chỉ xảy ra nhờ ARN polymeraza phụ thuộc ADN, nó xúc tác cho sự liên kết các nucleotit của ARN với nhau thành chuỗi. |
Qua trinh nhu sau:
Bước đầu của phiên mã xảy ra khi enzym “nhận biết? được thứ tự xuất phát trên sợi ADN ghi mã ( nơi gen bắt đầu) và bám vào ADN ở điểm đó. Sự bám sẽ làm gãy đứt các liên kết hydro giữa 2 sợi, làm cho 2 sợi mở xoắn ở đoạn có gen cần phiên mã. Lúc này phân tử ARNpolymeraza phụ thuộc ADN chạy đọc theo gen va các nucleotit mới bỗổ sung với nucleotit của ADN, liên tiếp lắp thêm vào sợi ADN đang dài ra. Khi enzym ởi tới bazo than Adenin mới được lắp thêm vào phân tử mARN và tương tự khi xitozin hay guanin cua ADN thi guanin hay
xitozin được lắp vào mARN. Trong ARN không có timin nên khi trên khuôn là
adenin thì ở mARN sẽ lắp thêm uraxin. Sự biến đổi này không thay đổi độ chính xác của phiên mã, mARN thu được hoàn toàn khớp với khuôn ADN và chứa một nội dung mã tương ứng.
Vào giai đoạn cuối của phiên mã, khi enzym nhận biết thứ tự? kết thúc” và tách
khỏi đoạn gen, làm ADN quay trở về trạng thái xoăn kép, mARN đựơc giải phóng, chui qua màng nhân đến riboxom để tiễn hành giai đoạn tiếp theo là dịch mã.
% Dịch mã
Quá trình dịch mã là quá trình “phiên dịch” mã chứa trong mARN thành thứ tự các axit amin trong mạch polypeptit sắp được tổng hợp. Quá trình này xảy ra ở rIboxom.
52
Hai tiêu phần của riboxom nằm tách rời nhau và chỉ tương tác với nhau khi
có Mg” và mARN. Lúc này giữa 2 tiểu phần có một rãnh để tiếp nhận mARN(
khoảng 8 mã của mARN năm trong rãnh đó). Sự phiên mã đã có thể bắt đầu.
Ở tiểu phần của riboxom có 2 vị trí:
- Vị trí A= aminoaxyl làm nhiệm vụ tiếp nhận aminoaxyl- tARN
- VỊ trí Proton= polypeptit làm nhiệm vụ tiếp nhận peptidyl- tARN trong quá trình chuyền vị.
Sự tông hop protein do mARN điều khiển có thể diễn ra liên tục, nếu có đủ nguồn axit amin do tARN chuyên đến.
Các giai đoạn của qúa trình tong hop protein gom
* Giai đoạn hoạt hod axit amin: nghia la co su tao thành aminoaxyladenilat, tiép đến là sự tạo phức aminoaxyl- tARN.
* Giai đoạn mở đầu chuỗi:
Sự tổng hợp protein chỉ xảy ra ở riboxom đã hình thành hoàn hảo. Phân tử duy nhất có thể gắn vào vị trí P mà không qua vị tri A. Ở vị nh van) ậc cao
thì ở dạng Methionin- tARN. |
Phản ứng kéo đài chuỗi polypeptit đòi hỏi có sự tham gia của các factor tổng hop(EF,- elongdtion factors). Đây là giai đoạn lắp rap các axit amin theo trình tự đã được mã hóa ở mARN. Quá trình này 3 bước:
Bước một:
Aminoaxyl- tARN vào vị trí A của riboxom, quá trình này cần năng lượng
GTƠ và các yếu tố kéo dài EF- T, EF- c. Khi aminoaxit- tARN đã vào vị trí A
thì đối mã của có trên tARN sẽ bỗ sung vào mã tương ứng trên mARN bằng các
liên kết hydro theo qui lật bỗ sung đối bazo. GTP bi thuy phan bang GDP và đã
cung cấp năng lượng cho quá trình gan.
Bước hai: |
Tao thanh lién két peptit.
Lic nay 6 riboxom di cé F- met- tARN 6 vi tri P. Voi su xuc tac của peptidiltrans- feraza liên kết peptit được hình giữa nhóm COOH của Met- tARN. Kết quả là tạo ra dipeptidil- tARN vẫn gắn ở vị trí A. Liên kết F- Mets
Hai tiểu phần của riboxom nằm tách rời nhau và chỉ tương tác với nhau khi
có Mg' và mARN. Lúc này giữa 2 tiểu phần có một rãnh để tiếp nhận mARN(
khoảng 8 mã của mARN nằm trong rãnh đó). Sự phiên mã đã có thé bat đầu.
Ở tiểu phần của riboxom có 2 vị trí:
- Vi tri A= aminoaxy] lam nhiém vu tiếp nhận aminoaxyl- tARN
- Vi tri Proton= polypeptit lam nhiệm vụ tiếp nhận peptidyl- tARN trong
quá trình chuyền vị. |
Sự tông hợp protein do mARN điều khiển có thể diễn ra liên tục, nếu có đủ nguồn axit amin do tARN chuyên đến.
Các giai đoạn của qúa trình tong hop protein gom
* Giai doan hoat hoá axit amin: nghĩa là có sự tạo thành aminoaxyladenilat, tiếp đến là sự tạo phức aminoaxyl- tARN.
* Giai đoạn mở đầu chuỗi: |
Sự tổng hợp protein chỉ xảy ra ở riboxom đã hình thành hoàn hảo. Phân tử
duy nhất có thể gắn vào vị trí P mà không qua vị trí A. G v{ ảnh van ậc cao
thì ở dạng Methionin- tARN.
Phản ứng kéo dài chuỗi polypeptit đòi hỏi có sự tham gia của các factor tổng hop(EF,- elongdtion factors). Day 1a giai doan lắp rap các axit amin theo _ trình tự đã được mã hóa ở mARN. Quá trình này 3 bước:
Bước một:
Aminoaxyl- tARN vào vị trí A của riboxom, quá trình này cần năng lượng GTƠ và các yếu tô kéo dài EF- T, EF- c. Khi aminoaxit- tARN đã vào vị trí A thì đối mã của có trên tARN sẽ bỗ sung vào mã tương ứng trên mARN bằng các
liên kết hydro theo qui lật bổ sung đối bazơ. GTP bị thuỷ phân bằng GDP và đã
cung cấp năng lượng cho quá trình gan.
Bước hai:
Tạo thành liên kết peptit.
Lúc này ở riboxom đã có F- met- tARN ở vị trí P. Với sự xúc tác của peptidiltrans- feraza liên kết peptit được hình giữa nhóm COOH của Met- tARN. Kết quả là tạo ra dipeptidil- tARN van gắn ở vị trí A. Liên kết F- Mets
tARN bị cắt đứt, năng lượng giải phóng ta dùng để tạo liên kết peptit. Quá trình
này được lặp lại nhiều lần và mỗi lần ứng với một sự gắn thêm một axIt amin.
Bước ba:
Chuyển vị.
Sau khi liên kết được hình thành riboxom di chuyên về phía codon tiếp theo
so vậy peptidil- tARN chuyến từ vị trí A sang vị trí P. tARN Met tách khỏi
riboxom khi đó vị trí A trỗng, sẵn sing tiểp tARN- aminoaxit tiếp theo.
* Giai đoạn kết thúc.
Sự tổng hợp kết thúc khi trên phân tử mARN xuất hiện mã kết thúc( stop
codon) UAA, UAG, UGA; ca yếu tố kết thúc Rạ, Rạ, Rạ liên kết với riboxom làm dễ dàng cho cắt đứt liên kết giữa polypeptit và tARN. Chuỗi polypeptit đựơc giải phóng mARN tách khỏi riboxom, Riboxom lại tách thành 2 tiểu phân
và có thé lai tham gia tổng hợp pritein mới. |
Chuỗi polypeptit sau khi ra khỏi riboxom sẽ được cuộn lại tạo nên cau tric
bac 2, bac 3. |
Trong một giới hạn nào đó, phân tử mARN có thé tao duoc tai sir dung.
Phần tự do của nó sẽ liên kết với riboxom khác, trước khi dịch mã kết thúc. Tuỳ
độ dài của mARN mà có thể đưa tới sự hình thành một nhóm riboxom,gọi là
polyriboxom= polyxom. Trong tế bảo nhân chuẩn, từ một mARN có thé tong hợp đựơc hàng trăm phân tử protein. Phân tử mARN có thể sống được vài giờ.
* Điều hoa tong hop protein
Quá trình tổng hợp protein phụ thuộc vào sự truyền thông tin trong tế bào, su truyén thông tin có thể tóm tắt như sau:
Cơ chế điều hoà phiên mã được F.Jacob và J.Monod (1961) giải thích theo thuyết operon. Theo thuyết này thì một số gen phối hợp với nhau thành một đơn vị chức năng gọi là operon. Gen thứ nhất là gen ức chế, khi không có cơ chất thích hợp thì protein ức chế do gen ức chế sản ra sẽ liên kết với gen điều hoà(
gen chỉ huy) và việc đó đã phong bế trình tự xuất phát của gen cầu trúc tiếp theo.
Kết quả là sự phiên mã không xảy ra. Khi có chất cảm ứng, nó sẽ kết hợp với
54
tARN bị cắt đứt, năng lượng giải phóng ta dùng để tạo liên kết peptit. Quá trình
này được lặp lại nhiều lần và mỗi lần Ứng với một sự gan thêm một axit amin.
Bước ba:
Chuyến vị.
Sau khi liên kết được hình thành riboxom di chuyển về phía codon tiếp theo so vậy peptidil- tARN chuyển từ vi tri A sang vị tri P. tARN Met tach kho1
riboxom khi đó vị tri A tréng, sin (ing tiép tARN- aminoaxit tiép theo.
* Giai đoạn kết thúc.
Sự tổng hợp kết thúc khi trên phân tử mARN xuất hiện mã kết thúc( stop codon) UAA, UAG, UGA; cá yếu tố kết thúc Rạ, Rạ, R; liên kết với riboxom
làm dễ dàng cho cắt đứt liên kết giữa polypeptit và tARN. Chuỗi polypeptit đựơc giải phóng mARN tách khỏi riboxom, Riboxom lại tách thành 2 tiểu phân và có thê lại tham gia tổng hợp pritein mới.
Chuỗi polypeptit sau khi ra khỏi riboxom sẽ được cuộn lại tạo nên cau tric
bac 2, bac 3. |
Trong một giới hạn nào đó, phân tử mARN có thể tạo đựoc tái sử dụng.
Phần tự do của nó sẽ liên kết với riboxom khác, trước khi dịch mã kết thúc. Tuỳ độ dài của mARN mà có thể đưa tới sự hình thành một nhóm riboxom,goi la polyriboxom= polyxom. Trong tế bào nhân chuẩn, từ một mARN có thể tổng
hợp đựơc hàng trăm phân tử protein. Phân tử mARN có thể sống được vài giờ.
* Điều hoà tổng hợp protein |
Quá trình tổng hợp protein phụ thuộc vào sự truyền thông tin trong tế bào, sự truyền thông tin có thể tóm tắt như sau:
Cơ chế điều hoà phiên mã được F.Jacob và J.Monod (1961) giải thích theo thuyết operon. Theo thuyết này thì một số gen phối hợp với nhau thành một đơn vị chức năng gọi là operon. Gen thứ nhất là gen ức chế, khi không có cơ chất thích hợp thì protein ức chế do gen ức chế sản ra sẽ liên kết với gen điều hoà(
gen chỉ huy) và việc đó đã phong bế trình tự xuất phát của gen cấu trúc tiếp theo.
Kết quả là sự phiên mã không xảy ra. Khi có chất cảm ứng, nó sẽ kết hợp với
54
protein ức chế tạo nên phức chất cảm ứng- “ chất ức chế”, làm mất hoạt tính của protein ức chế. Do đó nó không bám vào ADN được. Sự phiên mã xảy ra.
Tuy nhiên trong cơ thể, ở những bộ phận khác nhau, một số gen mãi mãi bị
ức chế và một số lại luôn mở.
b. Sự vận chuyền protein trong tế bào
Ở vi khuẩn, các protein được tiết ra ngoài tế bào thường được tổng hợp như các preprotein có tín hiệu dẫn nằm ở đầu NHạ. Đôi khi tín hiệu này được gọi là Leaderpeptides ( dẫn đầu của chuỗi peptit). Đầu này thường không dài quá 25 a.a và bị cắt bỏ sau khi protein được tiết ra ngoài.
Trong tế bào sinh vật bậc cao, hầu hết protein được tông hợp trong tế bào chất. Quá trình vận chuyển các protein đến bào quan hoặc tiết ra ngoài tế bào thường được bắt đầu ở mang lưới nội chất. Tuỳ thuộc vào đoạn peptit đặc biệt gọi là tín hiệu dẫn ( sorting signals) mà protein được vận chuyển tới đúng đích.
Nhờ tín hiệu dẫn khác nhau mà protein được đưa vào nhân, đến các bào quan
hoặc đến bề mặt màng tế bào hoặc được tiết ra khỏi tế bào.
Sự vận chuyển protein bằng tín hiệu dẫn được thực hiện theo ba con đường khác nhau:
Vận chuyển theo siêu lỗ (gated transfort):Như quá trình vận chuyển protein vào nhân thông qua các siêu lỗ trên màng nhân.
Vận chuyển qua màng (transmembran transfort):Thông qua các thành phần trung gian nằm vắt qua màng (translocators) để đưa protein đến các đích khác nhau. Thông thường protein được vận chuyền theo cách này thường không gấp khúc, không có cầu trúc không gian.
Vận chuyển bằng các túi ( Vesicular transfort):Protein được các túi vận chuyên đưa đến các vị trí khác nhau, từ bào quang này đến bào quang khác hoặc
tiết ra khỏi tế bảo. |
Protein duoc vận chuyén theo cả 3 cách trên đều đòi hỏi tín hiệu dẫn có ngay trên phân tử protein. Chúng gồm 2 loại khác nhau: Loại thứ nhất gồm một đoạn khoảng 15 đến 60 axit amin. Đoạn peptit này ( còn gọi là signal peptide) thường nằm ở đầu NH;ạ của phân tử protein. Tín hiệu này sẽ bị cắt
protein ức chế tạo nên phức chất cảm ứng- “ chất ức chế”, làm mắt hoạt tính của
protein ức chễ. Do đó nó không bám vào ADN được. Sự phiên mã xảy ra.
Tuy nhiên trong cơ thể, ở những bộ phận khác nhau, một số gen mãi mãi bị ức chế và một số lại luôn mở.
b. Sự vận chuyền protein trong tế bào
Ở vi khuẩn, các protein được tiết ra ngoài tế bào thường được tông hợp như
các preprotein có tín hiệu dẫn nằm ở đầu NH¿. Đôi khi tín hiệu này được gọi là
Leaderpeptides ( dẫn đầu của chuỗi peptit). Đầu này thường không dài quá 25 a.a và bị cắt bỏ sau khi protein được tiết ra ngoài.
Trong tế bào sinh vật bậc cao, hầu hết protein được tông hợp trong tế bào chất. Quá trình vận chuyển các protein đến bào quan hoặc tiết ra ngoài tế bào
thường được bắt đầu ở mang lưới nội chất. Tuỳ thuộc vào đoạn peptit đặc biệt
gọi là tín hiệu dẫn ( sorting signals) mà protein được vận chuyển tới đúng đích.
Nhờ tín hiệu dẫn khác nhau mà protein được đưa vào nhân, đến các bào quan hoặc đến bề mặt màng tế bào hoặc được tiết ra khỏi tế bào.
Sự vận chuyền protein bằng tín hiệu dẫn được thực hiện theo ba con đường khác nhau:
Vận chuyển theo siêu lỗ (gated transfort):Như quá trình vận chuyền protein
vào nhân thông qua các siêu lỗ trên màng nhân.
Vận chuyển qua màng (transmembran transfort):Thông qua các thành phan trung gian nằm vat qua mang (translocators) để đưa protein đến các đích khác nhau. Thông thường protein được vận chuyền theo cách này thường không gap khúc, không có cấu trúc không gian.
Vận chuyển bằng các túi ( Vesicular transfort):Protein được các túi vận chuyên đưa đến các vị trí khác nhau, từ bào quang này đến bào quang khác hoặc
tiết ra khỏi tế bảo. |
Protein diroc van chuyén theo cả 3 cách trên đều đòi hỏi tín hiệu dan có ngay trên phân tử protein. Chúng gồm 2 loại khác nhau: Loại thứ nhất gồm một đoạn khoảng 15 đến 60 axit amin. Đoạn peptit này ( còn gọi là signal peptide) thường nằm ở đầu NH;ạ của phân tử protein. Tín hiệu này sẽ bị cắt