Quá trình tổng hợp protein Hỗ trợ và Tải tài liệu miễn phí 24/7 tại đây: https://link1s.com/yHqvN

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

Sai hỏng trao

đổi chất bẩm

sinh trong

chu trình

phenylalanin

e

• Bệnh được phát hiện đầu tiên là

ancaptonuria, 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 Đến nay chu trình

phenylalanine được tìm ra và các sai hỏng gây bệnh di truyền biết được như sau:

• 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

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.

• Như chương II đã nêu, 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 Tính toán cho thấy hợp lý hơn cả là dùng khuôn để trên đó

xếp các amino acid theo trình tự rồi cần một enzyme polymer hóa, nối chúng lại là đủ Tổng

hợp theo khuôn vừa chính xác, vừa ít tốn enzyme.

• Căn cứ hàng loạt tính chất hóa học các protein

không thể làm khuôn mẫu cho sự tổng hợp

chính chúng Vậy khuôn để tổng hợp nên protein

không phải là protein

• 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

Sự kiện này biểu hiện rõ ràng nhất ở những tế bào có nhân Eukaryotae Trong những tế

bào này hầu như toàn bộ DNA tập trung ở nhiễm sắc thể nằm trong nhân, còn tổng hợp

protein chủ yếu diễn ra ở tế bào chất

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 âm.

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.

3 DNA và mã di truyền (The

genetic code).

• Chúng ta đã biết có sự liên quan đồng tuyến tính

giữa DNA và phân tử protein, từ đó dễ dàng dự đoán rằng trình tự đặc hiệu của các amino acid

trên phân tử protein sẽ được mã hóa bằng nhóm

các nucleotide trên phân tử DNA Có tất cả 4 loại

base, nếu các base có nhóm đôi tức hai cái mã hóa cho một acid thì tất cả chỉ có 16 tổ hợp, không đủ cho 20 amino acid Như đơn vị mã hóa hay còn gọi

là Codon phải gồm 3 hay nhiều nucleotide hơn

• 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 4 3 = 64 tổ hợp codon.

• Vấn đề tiếp theo là xác định chính xác các codon nào

mã hóa cho từng amino acid 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.

• 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 nhận được là mạch polypeptide

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)

Mã di truyền (The Genetic Code)

Mã di truyền

Có thể có 3 kiểu mã di truyền

Khung đọc mã (Reading frames)

Có 6 khung đọc mã trên DNA mạch kép : a, b, c, d, e, f (6 reading frames (a–f)

in dsDNA), chỉ 3 trên mRNA (of course, only 3 in mRNA)

Khung đọc mở (ORF = Open Reading Frame) : từ codon khởi sự đến codon kết thúc (From start codon to stop codon)

• 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 (universel)

tức toàn bộ thế giới sinh vật có

chung bộ mã di truyền.

• Bảng mã di truyền được tóm tắt như sau:

• MÃ DI TRUYỀN ( mRNA

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 Giống như DNA

polymerae, 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

• 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

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

tác (heterocatalysis), tức làm khuôn để tổng hợp nên một

phân tử khác nó là RNA Điều này thực hiện được nhờ

enzyme RNA polymerase và các ribonucleotide, đặc biệt

là uracil.

• Quá trình phiên mã trải qua ba giai đoạn là

khởi sự (initiation), nối dài (elongation), kết thúc (termination); và 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'.

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.

• Tất cả RNA polymerase của các loài vi

khuẩn là các protein có họ hàng gần nhau

Phức hợp enzyme từ E coli có lõi

holoenzyme gồm 4 tiểu phần và nhân tố 

(sigma factor), mà nó không gắn chặt như các tiểu phần khác và dễ tách ra Chỉ phần

enzyme lõi có khả năng xúc tác phản ứng

polymer hóa nối ribonucleotide tạo thành

mạch RNA, còn sigma có vai trò nhận biết

(recognition) vị trí thích hợp trên DNA để

khởi sự tổng hợp Lúc ban đầu, RNA

polymerase lõi gắn với nhân tố sigma dò

đến điểm khởi sự và σ tách ra khi phiên mã bắt đầu

Khởi sự phiên mã ở E coli : RNA polymerase lõi

với nhân tố sigma

Đoạn gen được phiên mã

• 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 Ngược lại, ở vi khuẩn

promoter cho gen mã hoá protein cũng giống

tương tự promoter cho gen mã hoá tRNA Các

RNA polymerase nhân thực còn đòi hỏi rất nhiều

protein hỗ trợ để nhận biết các promoter đặc hiệu

• 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