Chương 5: Quá trình sinh tổng hợp Protein

24/03/2016 Chương Quá trình sinh tổng hợp Protein 24/03/2016 3:03:44 SA Nguyễn Hữu Trí Gene Gene biểu thành protein thông qua đường phiên mã (transcription) dịch mã (translation) 24/03/2016 3:03:44 SA Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Sự biểu gen • DNA vật liệu di truyền sống • Q trình chuyển thơng tin di truyền từ DNA sang protein cịn gọi q trình biểu gen • Bao gồm bước, gọi phiên mã (transcription) dịch mã (translation) 24/03/2016 3:03:44 SA Nguyễn Hữu Trí Prokaryote • Phiên mã dịch xảy gần đồng thời TRANSCRIPTION DNA mRNA Ribosome TRANSLATION Polypeptide (a) Tế bào Prokaryote Tế bào khơng có màng nhân, mRNA tổng hợp trình transcription translation mà khơng thơng qua q trình chế biến 24/03/2016 3:03:44 SA Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Eukaryote • RNA transcript biến đổi trước trở thành mRNA trưởng thành • RNA phiên mã nhân, mRNA dịch mã tế bào chất Màng nhân DNA TRANSCRIPTION Pre-mRNA RNA PROCESSING mRNA Ribosome TRANSLATION Polypeptide 24/03/2016 3:03:44 SA Tế bào Eukaryote Quá trình transcription xảy (b) nhân ngăn cách màng nhân Khi RNA phiên mã, gọi pre-mRNA, sau qua chế biến mRNA gọi trưởng thành hay mRNA thật rời nhân Nguyễn Hữu Trí RNA tổng số •Messenger RNA (mRNA): 1-5% Là mạch khn cho q trình sinh tổng hợp protein • Ribosomal RNA (rRNA): >80% Thành phần cấu trúc nên ribosome • Transfer RNA (tRNA): 10-15% Vận chuyển acid amino tương ứng với codon mRNA 24/03/2016 RNA thông tin (mRNA) mRNA trình tự định DNA, đóng vai trị trung gian chuyển thơng tin mã hóa phân tử DNA đến máy giải mã thành protein tương ứng mRNA tạo nhờ qúa trình phiên mã có nhu cầu; mã hóa cho protein đặc hiệu cho tế bào mRNA tế bào eukaryote sau dịch mã xử lý (processing) trước rời nhân tế bào chất nơi xảy trình dịch mã Prokaryote trình dịch mã diễn gần đồng thời với trình phiên mã mRNA 24/03/2016 3:03:44 SA Nguyễn Hữu Trí Khung đọc mở ORF 24/03/2016 3:03:44 SA Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 RNA ribosome (rRNA) • RNA ribosome chiếm đến 80% tổng số RNA tế bào • Các RNA kết hợp với protein chuyên biệt tạo thành ribosom • Một ribosome gồm tiểu đơn vị nhỏ tiểu đơn vị lớn Mỗi tiểu đơn vị gồm nhiều protein rRNA có kích thước khác • Tiểu đơn vị nhỏ có vị trí gắn với phân tử mRNA Tiểu đơn vị lớn có ba vị trí gắn cho phân tử tRNA, vị trí P (Peptide site), vị trí A (Amino acid site) vị trí E (Exit site) Trong suốt trình sinh tổng hợp protein hai tiểu phần gắn với 24/03/2016 3:03:44 SA Nguyễn Hữu Trí RNA vận chuyển (tRNA) • Hầu hết phân tử tRNA prokaryote eukaryote có cấu trúc giống • Dây đơn RNA gấp khúc tạo thành vòng (loop), cho phân tử có cấu trúc bậc hai thân – Thân (stem) nhánh (arm) vùng chứa cặp base nối với nhau, tương ứng theo mã di truyền – Ở loop khơng có bắt cặp base 24/03/2016 3:03:44 SA 10 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Cấu trúc RNA vận chuyển • • Phân tử tRNA C Là chuỗi RNA mạch đơn có chiều dài khoảng 76 nucleotide – Có hình L – Mỗi tRNA mang amino acid đặc hiệu với đầu cuối – Mỗi tRNA mang anticodon đầu khác 5 3 Vị trí gắn Amino acid Liên kết hydro Anticodon Cấu trúc 3-D 24/03/2016 3:03:44 SA A AG 3Anticodon5 Kí hiệu 11 Nguyễn Hữu Trí Cấu trúc RNA vận chuyển 24/03/2016 3:03:44 SA 12 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Mã di truyền 24/03/2016 3:03:44 SA 13 Nguyễn Hữu Trí 14 Nguyễn Hữu Trí Codon 24/03/2016 3:03:44 SA 24/03/2016 Đột biến làm thay đổi khung đọc 24/03/2016 3:03:44 SA 15 Nguyễn Hữu Trí Sự tiến hóa mã di truyền • Các codon phải đọc khung đọc để tổng hợp nên chuỗi polypeptide đặc hiệu • Mã di truyền gần có tính vạn (universal) – Tức toàn giới sinh vật từ đơn giản vi khuẩn tới loài động vật phức tạp có chung mã di truyền 24/03/2016 3:03:44 SA 16 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Khung đọc mã ba 24/03/2016 3:03:44 SA 17 Nguyễn Hữu Trí Sự dịch mã Trình tự bốn loại nucleotide mRNA dịch mã thành trình tự acid amin protein • RNA vận chuyển (tRNA) đóng vai trị vận chuyển amino acid cần thiết đến máy dịch mã để tổng hợp protein mRNA tương ứng • Ribosome xúc tác cho trình dịch mã • Protein, polymer amino acid, tổng hợp nhờ aminoacyl‐tRNA • Protein tổng hợp theo hướng từ N‐C, mRNA (mRNA) dịch mã theo hướng 5'‐3' • Nhóm amino aminoacyl‐tRNA gắn vào đầu C‐terminal carbonyl chuỗi peptide hình thành để tạo cầu nối peptide • Tỉ lệ sai sót khoảng ∼ 10−4 24/03/2016 3:03:44 SA 18 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 Học thuyết trung tâm Chiều 3′ - 5′ mạch DNA phiên mã thành phân tử mRNA dịch mã thành protein Chú ý, mRNA tổng hợp theo chiều 5′ - 3′ protein tổng hợp theo chiều từ đầu N 24/03/2016 3:03:44 SA 19 Nguyễn Hữu Trí Quá trình dịch mã (Translation) 24/03/2016 3:03:44 SA 20 Nguyễn Hữu Trí 10 24/03/2016 Initiation Factor tiểu phần 30S • Liên kết trình tự Shine-Dalgarno mRNAvới trình tự bổ sung 16S rRNA hoạt hóa IF3 – Trợ giúp IF1 IF2 – Lúc initiation factor liên kết với tiểu phần 30S 24/03/2016 3:03:44 SA 35 Nguyễn Hữu Trí Gắn fMet-tRNA vào phức hợp 30S khởi đầu • IF2 nhân tố xúc tác cho việc gắn fMet-tRNA vào phức hợp 30S khởi đầu dịch mã • Hai yếu tố khởi đầu dịch mã cịn lại đóng vai trị trợ giúp quan trọng • GTP cần thiết cho việc gắn IF2 GTP không bị thủy phân bước 24/03/2016 3:03:44 SA 36 Nguyễn Hữu Trí 18 24/03/2016 Phức hợp 70S khởi đầu dịch mã • GTP thủy phân sau tiểu phần 50S gắn vào phức hợp 30S để hình thành phức hợp 70S khởi đầu dịch mã (70S initiation complex) • Mục đích thủy phân tách IF2 GTP khỏi complex giúp q trình kéo dài chuỗi polypeptide bắt đầu 24/03/2016 3:03:44 SA 37 Nguyễn Hữu Trí Khởi đầu dịch mã IF1 tác động làm tách ribosome 70S thành 50S 30S Gắn IF1, IF3 vào 30S, ngăn cản tái hình thành ribosome hồn chỉnh IF3 xúc tác cho việc gắn tiểu phần 30S vào mRNA 24/03/2016 3:03:44 SA 38 Nguyễn Hữu Trí 19 24/03/2016 Khởi đầu dịch mã IF2 xúc tác cho việc gắn fMet-tRNA GTP vào phức hợp Khi fMet-tRNA gắn vào mRNA, phức hợp 30S khởi đầu dịch mã hình thành Việc gắn vào 50S với việc tách IF1 IF3 IF2 tách thủy phân GTP Hoàn thành phức hợp 70S khởi đầu dịch mã Lúc fMet-tRNA nằm vị trí P 24/03/2016 3:03:44 SA 39 Nguyễn Hữu Trí Sự kéo dài chuỗi Polypeptide Sự kéo dài bắt đầu ribosome mang fMet-tRNA vị trí P site aminoacyl-tRNA vị trí A Sự kéo dài gồm bước 24/03/2016 3:03:44 SA 40 Nguyễn Hữu Trí 20 24/03/2016 Các protein factor hình thành liên kết peptide • Factor thứ T (transfer) – Vận chuyển aminoacyl-tRNAs tới ribosome – Có protein khác • Tu, khơng bền (unstable) • Ts, bền (stable) • Factor thứ hai, G, có hoạt tính GTPase • Factor EF-Tu EF-Ts tham gia vào bước trình kéo dài • Factor EF-G tham gia vào bước thứ ba 18-41 Sự kéo dài chuỗi Polypeptide EF-Tu/GTP kết hợp aminoacyl-tRNA gắn vào vị trí A ribosome Peptidyl transferase tạo liên kết peptide peptide vị trí P aminoacyl-tRNA đến vị trí A Kéo dài chuỗi peptide thêm amino acid dịch chuyển sang vị trí A 24/03/2016 3:03:44 SA 42 Nguyễn Hữu Trí 21 24/03/2016 Sự kéo dài chuỗi Polypeptide EF-G/GTP sử dụng hoạt tính GTPase thủy phân GTP chuyển vị trí peptidyl-tRNA với mRNA codon tương ứng sang vị trí P 24/03/2016 3:03:44 SA 43 Nguyễn Hữu Trí Cơ chế kéo dài 44 22 24/03/2016 Cơ chế sửa sai Dựa vào việc bắt cặp Codon – Anticodon: Khi trình bắt cặp xảy ra, hai cầu nối hình thành 16S rRNA anticodon Khi bắt cặp sai tRNA codon, thiếu thêm vào hai cầu nối nên trình phân ly dễ dàng xảy Sự định vị aa – tRNA vị trí A EF-Tu/GTP: Nếu bắt cặp vị trí EF-Tu/GTP nằm Factor binding center (FBC) GTP bị thủy phân EF-Tu tách khỏi aminoacyl-tRNA Nếu bắt cặp sai, FE-Tu/GTP tạo phức hợp với aa-tRNA không tiếp xúc với FBC theo cách GTP không thủy phân EF-Tu/GTP/ aa-tRNA bị đẩy Sự thích nghi: Nếu bắt cặp giúp cho tRNA vị trí A dễ dàng hình thành liên kết peptide aa chuỗi polypeptide hình thành Nếu tRNA vị trí A sai thí bị đẩy khỏi ribosome 24/03/2016 3:03:44 SA 45 Nguyễn Hữu Trí Nhân tố kết thúc (Release Factor) • Sự kết thúc dịch mã Prokaryotic thực thông qua nhân tố kết thúc RF: – RF1 nhận stop codon UAA UAG – RF2 nhận stop codon UAA UGA – RF3 GTP-binding protein hỗ trợ RF1 RF2 bám vào ribosome 46 23 24/03/2016 Sự kết thúc q trình dịch mã • Bước cuối dịch mã kết thúc ribosome tới stop codon mRNA Release factor Polypeptide giải phóng 5 3 3 3 5 5 Stop codon (UAG, UAA, UGA) Khi ribosome tiến tới stop codon mRNA, vị trí A ribosome gắn protein gọi release factor thay tRNA Release factor thủy phân cầu nối tRNA vị trí P amino acid cuối chuỗi polypeptide Chuỗi polypeptide Được giải phóng khỏi ribosome 24/03/2016 3:03:44 SA 47 Hai tiểu phần ribosome Và cấu tử khác phức hợp phiên mã tách Nguyễn Hữu Trí Sự dịch mã • Prokaryote – N-formyl-methionine – Trình tự Shine-Dalgarno cho ribosome điểmkhởi đầu dịch mã 24/03/2016 3:03:44 SA •Eukaryote – Bắt đầu với methionine – tRNA khởi đầu khơng giống tRNA tham gia vào q trình kéo dài – Có trình tự Kozak (ACCAUGG) – mRNA có mũ chụp đầu 5’ 48 Nguyễn Hữu Trí 24 24/03/2016 Sự dịch mã • Sự khác trình biểu gen tế bào prokaryote tế bào eukaryote • Prokaryote thiếu màng nhân cho phép trình dịch mã bắt đầu trình phiên mã diễn 24/03/2016 3:03:44 SA 49 Nguyễn Hữu Trí Polyribosome Nhiều ribosome tham gia dịch mã phân tử mRNA lúc hình thành nên polyribosome RNA polymerase DNA mRNA Polyribosome RNA polymerase Hướng phiên mã 0.25 m DNA Polyribosome Polypeptide (amino cuối) Ribosome mRNA (5 end) 24/03/2016 3:03:44 SA 50 Nguyễn Hữu Trí 25 24/03/2016 α-Amino acid liên kết peptide 24/03/2016 3:03:44 SA 51 Nguyễn Hữu Trí Protein tổng hợp nào? 24/03/2016 3:03:44 SA 52 Nguyễn Hữu Trí 26 24/03/2016 Biến đổi sau dịch mã Mặc dù mã di truyền mã hóa cho 20 amino acid, nhiều amino acid khác tìm thấy protein Ngồi selenocysteine pyrrolysine, cịn có amino acid khác tạo thành biến đổi chuổi peptide sau tổng hợp Quá trình gọi biến đổi sau dịch mã 24/03/2016 3:03:44 SA 53 Nguyễn Hữu Trí Hình thành Protein có chức • Chuỗi polypeptide tiếp tục trải qua biến đổi sau dịch mã • Sau dịch mã protein biến đổi theo nhiều đường để hình thành nên hình dạng 3-D 24/03/2016 3:03:44 SA 54 Nguyễn Hữu Trí 27 24/03/2016 Hình thành Protein có chức Protein đưa đến hệ thống nội màng tiết – Được chuyển đến ER – Có signal peptides nối với signal-recognition particle (SRP), giúp ribosome dịch mã tới liên kết với ER 24/03/2016 3:03:44 SA 55 Nguyễn Hữu Trí Cơ chế chuyển protein mục tiêu đến ER Tổng hợp Polypeptide bắt đầu ribosome tự cytosol Một SRP gắn với signal peptide, làm gián đoạn trình sinh tổng hợp giây lát SRP gắn với receptor màng ER Receptor phần is phức hợp protein (một phức hợp chuyển vị) có kênh màng enzyme signal-cleaving SRP tách ra, chuỗi polypeptide tiếp tục tổng hợp chuyển qua màng (signal peptide bám vào màng.) Signal-cleaving enzyme cắt đứt signal peptide Phần lại chuỗi polypeptide rời ribosome gấp cuộn lại hình thành cấu trúc cuối Ribosome mRNA Signal peptide Màng ER Signal peptide bị loại Signalrecognition particle SRP (SRP) receptor CYTOSOL protein ER LUMEN Protein Translocation complex 24/03/2016 3:03:44 SA 56 Nguyễn Hữu Trí 28 24/03/2016 24/03/2016 3:03:44 SA 57 Nguyễn Hữu Trí Điều hịa gấp cuộn protein 24/03/2016 3:03:44 SA 58 Nguyễn Hữu Trí 29 24/03/2016 Selenocysteine: Amino Acid thứ 21 • Selenocysteine (Sec) khơng phải amino acid điển hình, gắn vào chuổi polypeptide số protein thông qua trình dịch mã mRNA ribosome Quá trình xảy prokaryote eukaryote, bao gồm người Selenocysteine mã hóa UGA Tuy nhiên, UGA lại stop codon Sự lựa chọn “stop” selenocysteine phụ thuộc vào trình tự đặc biệt gọi selenocysteine insertion sequence (SECIS element) 24/03/2016 3:03:44 SA 59 Nguyễn Hữu Trí Selenocysteine vs cysteine • Selenocysteine có tRNA riêng Trên thực tế, selenocysteine-tRNA khởi đầu cách nạp với serine Sau serine enzyme biến đổi thành selenocysteine Selenocysteine analog cysteine, có selenium thay sulfur 24/03/2016 3:03:44 SA 60 Nguyễn Hữu Trí 30 24/03/2016 Pyrrolysine: Amino Acid thứ 22 Vào năm 2002, amino acid thứ 22 khám phá pyrrolysine, dẫn xuất lysine gắn với vòng pyrroline Amino acid tìm thấy vài archaebacteria, mã hóa stop codon UAG Cơ chế nạp Pyrrolysin vào tRNA việc chèn pyrrolysin vào chuỗi polypeptide cho tương tự với trường hợp selenocysteine 24/03/2016 3:03:44 SA 61 Nguyễn Hữu Trí Cofactor vs prosthetic • Để có đầy đủ chức năng, nhiều protein cần phần chất protein, gọi cofactor hay nhóm prosthetic Nhiều protein sử dụng nguyện tử kim loại làm cofactor; có nhóm phức tạp là hợp chất hữu • Do đó, prosthetic nhóm cố định với protein, cofactor thành phần trương đối tự tương tác với protein 24/03/2016 3:03:44 SA 62 Nguyễn Hữu Trí 31 24/03/2016 Nhóm prosthetic • Tên gọi chung nhóm khơng phải protein mà liên kết chặt với protein giúp có chức gọi nhóm prosthetic • Một protein khơng có nhóm prosthetic họi apoprotein • Một số protein liên kết chặt chẽ với ion kim loại để có chức VD: Hemoglobin 24/03/2016 3:03:44 SA 63 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 3:03:44 SA 64 Nguyễn Hữu Trí 32 ... CYTOSOL protein ER LUMEN Protein Translocation complex 24/03/2016 3:03:44 SA 56 Nguyễn Hữu Trí 28 24/03/2016 24/03/2016 3:03:44 SA 57 Nguyễn Hữu Trí Điều hịa gấp cuộn protein 24/03/2016 3:03:44 SA 58 ... phiên mã 0. 25 m DNA Polyribosome Polypeptide (amino cuối) Ribosome mRNA (5? ?? end) 24/03/2016 3:03:44 SA 50 Nguyễn Hữu Trí 25 24/03/2016 α-Amino acid liên kết peptide 24/03/2016 3:03:44 SA 51 Nguyễn... mã, gọi pre-mRNA, sau qua chế biến mRNA gọi trưởng thành hay mRNA thật rời nhân Nguyễn Hữu Trí RNA tổng số •Messenger RNA (mRNA): 1 -5% Là mạch khn cho q trình sinh tổng hợp protein • Ribosomal