Chương 5 PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ

Chương PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ Nói đến gen tức nói đến ADN quan hệ với ARN protein sơ đồ Lý thuyết trung tâm Sinh học phân tử; sợi đơn ADN dùng làm khuôn cho tái (replication) Mặt khác, gen làm khn cho tổng hợp ARN trình phiên mã (transcription) Đến lượt, phân tử ARN lại làm khuôn cho tổng hợp chuỗi polypeptide mà từ tạo thành protein, gọi dịch mã (translation) Phiên mã dịch mã hai giai đọan biểu gen mã hóa protein Trong chương này, tìm hiểu vấn đề sau: (i) Quá trình phiên mã; (ii) Cấu trúc chức loại ARN tế bào; (iii) Quá trình dịch mã; (iv) So sánh điểm liên quan tế bào prokaryote eukaryote Phiên mã (Transcription) 1.1 Đặc điểm chung phiên mã prokaryote eukaryote Phiên mã (transcription) trình tổng hợp ARN khác từ thông tin di truyền chứa đựng ADN Trừ gen mã hóa protein operon vi khuẩn, nói chung, ARN tổng hợp sơ cấp (primary transcript) gọi pre-ARN Các pre-ARN phải trải qua trình sửa đổi để trở thành ARN trưởng thành (mature) trước tham gia vào trình sinh tổng hợp protein tế bào Hình 5.1 Cấu trúc chung gen hay đơn vị phiên mã Q trình phiên mã (Hình 5.2) có đặc điểm chung sau đây: (i) Diễn tác dụng enzyme ARN polymerase (ii) Vùng ADN chứa gen mở xoắn cục bộ, mạch đơn gọi mạch có nghĩa (sense) dùng làm khn (template) cho tổng hợp ARN (iii) Phản ứng tổng hợp ARN diễn theo nguyên tắc bổ sung kéo dài theo chiều 5'→3', ngược với chiều mạch khuôn sau: Mạch khuôn: 3'-A-T-G-C-5' Mạch ARN: 5'-U-A-C-G-3' (iv) Nguyên liệu loại ribonucleoside triphosphate: ATP, UTP, GTP, CTP (v) Sản phẩm phiên mã ARN mạch đơn (vi) Sự khởi đầu kết thúc phiên mã phụ thuộc vào tín hiệu điều hồ trình tự ADN đặc thù nằm trước sau gen phiên mã 73 (vii) Q trình phiên mã chia làm ba bước: Mở đầu tương tác ARN polymerase với vùng promoter nhằm xác định mạch khuôn gen tổng hợp vài nucleotide; Kéo dài giai đọan sinh trưởng tiếp tục chuỗi ARN dọc theo mạch khuôn cuối gen; Kết thúc phiên mã đặc trưng giải phóng mạch ARN ARN polymerase khỏi khn ADN Hình 5.2 Sự tổng hợp ARN mạch khuôn gen (ADN) tác dụng ARN polymerase 1.2 Phiên mã prokaryote 1.2.1 ARN polymerase prokaryote Ở prokaryote, đại diện E coli, ARN polymerase hoàn chỉnh (holoenzyme) protein có nhiều tiểu đơn vị, gồm hai phần yếu tố sigma (σ) lõi enzyme Yếu tố sigma (sigma factor) giúp cho ARN polymerase nhận biết bám chặt vào promoter để bắt đầu phiên mã vị trí xác, lõi enzyme (polymerase core) đóng vai trị tổng hợp mạch ARN Tất lớp ARN E coli phiên mã ARN polymerase Sau số đặc tính hoạt động ARN polymerase E coli (Bảng 5.1; Hình 5.3): Bảng 5.1 Các thành phần cấu trúc ARN polymerase prokaryote Tiểu đơn vị Số lượng Vai trò α dùng để kết hợp holoenzyme ARN polymerase β hình thành liên kết phosphodiester β' bám khuôn ADN σ nhận biết promoter khởi đầu phiên mã α2ββ'σ ↔ Holoenzyme = α2ββ' + σ Lõi enzyme + Yếu tố sigma (i) Khi bám vào promoter, ARN polymerase gây tháo xoắn 10 bp, có lẽ khoảng 17 bp vùng lân cận điểm bắt dầu phiên mã (ii) Búp phiên mã lan tỏa với ARN polymerase làm lộ mạch khn phiên mã Thực tế, ARN polymerase E coli mở rộng từ vị trí -44 đến +3 phức hợp mở promoter 74 Hình 5.3 Mơ hình chức vùng đầu cuối C (C-terminal domain = CTD) tiểu đơn vị α ARN polymerase (a) Trong lõi promoter, α CTD không sử dụng, (b) promoter có yếu tố UP, α CTD tiếp xúc với yếu tố UP Lưu ý hai tiểu đơn vị α mô tả: nằm khuất sau (iii) Tiểu đơn vị α ARN polymerase có vùng chức đầu C (C-terminal domain = CTD) uốn gập cách độc lập cho nhận biết bám vào yếu tố điều hòa ngược dòng promoter gọi UP Điều cho phép tương tác chặt polymerase promoter (iv) Tiểu đơn vị α dùng để kết hợp holoenzyme ARN polymerase Và điều gây kết hợp gốc chức vùng đầu mút N α (α-NTD; N-terminal domain) Các điểm tiếp xúc α-NTD tiểu đơn vị β β' nằm phía đối diện dimer α-NTD so với vùng đầu cuối C dimer (v) Tiểu đơn vị β lõi bám vào nucleotide vị trí hoạt động ARN polymerase nơi mà liên kết phosphodiester hình thành Yếu tố σ gần kề vị trí bám nucleotide, pha khởi đầu 1.3 Các promoter prokaryote Các vùng khởi động (promoter) nói chung nằm kề trước gen có chứa đoạn trình tự đặc thù cho phép ARN polymerase nhận biết bám chặt vào để khởi đầu phiên mã vị trí xác mạch khn gen Các promoter operon vi khuẩn nói chung có cấu trúc tương đồng Đoạn trình tự quan trọng promoter gọi hộp TATA (TATA box) hay hộp Pribnow (Pribnow box) Đó trình tự TATAAT nằm vị trí “-10'' (Hình 5.4) Ngồi ra, promoter vi khuẩn cịn có trình tự TTGACA gần vị trí ''-30'', gọi đoạn nhận biết (recognition sequence) Đối với gen mã hóa protein eukaryote, nằm phía trước điểm bắt đầu phiên mã chừng 75 nucleotide có trình tự GGCCAAATCT, thường gọi hộp CCAAT (CCAAT box) - đọc “hộp cat”; đóng vai trị điều hịa tốc độ phiên mã (Hình 5.4) * Lưu ý: Tất trình tự tín hiệu quy ước mạch đối khuôn gen, chúng có trình tự giống với ARN tổng hợp (chỉ khác bazơ T gen thay U ARN) Các ký hiệu dấu '−' '+' vị trí trước sau vị trí bắt đầu phiên mã, gọi yếu tố ngược dịng (upstream) xi dịng (downstream) Hình 5.4 Mơ hình cấu trúc vùng khởi động (promoter) E coli 75 1.4 Các giai đoạn trình phiên mã E coli - Giai đoạn bám khởi đầu: Trước tiên, enzyme ARN polymerase hoàn chỉnh (holoenzyme) nhận biết bám chặt vào promoter tháo xoắn vùng có kích thước khoảng 12-17 cặp bazơ Tổng hợp ARN thường khởi đầu nucleotide ATP GTP Sau holoenzyme ARN polymerase tổng hợp vài nucleotide, nhân tố sigma tách để vào chu kỳ phiên mã khác, gọi chu kỳ sigma (sigma cycle) (Hình 5.5) - Giai đoạn kéo dài: Enzyme lõi tiến hành kéo dài chuỗi ARN theo chiều 5'→3' dọc theo mạch khn có chiều ngược lại ARN polymerase lõi tiến đến đâu ADN mở xoắn phiên mã đến đấy; vùng ADN phiên mã đóng xoắn trở lại Hình 5.5 ARN polymerase bám promoter (trái) giai đoạn khởi đầu phiên mã E coli - Giai đoạn kết thúc: Khi trình phiên mã tổng hợp xong hai đoạn kết thúc giàu GC AT nằm đằng sau gen vùng mạch ARN hình thành cấu trúc ''kẹp tóc'' làm dừng phiên mã lõi ARN polymerase Việc kết thúc số ARNcần tới yếu tố rho (ρ) có chất protein, khiến cho mạch ARN vừa tổng hợp enzyme lõi giải phóng khỏi ADN khn (Hình 5.6 5.7) Hình 5.6 Mơ hình cấu trúc vùng kết thúc phiên mã (terminator) prokaryote 76 Hình 5.7 Phiên mã E coli, với hình thành cấu trúc “kẹp tóc” tham gia yếu tố Rho giai đoạn kết thúc phiên mã Lưu ý, vi khuẩn dịch mã mARN bắt đầu phiên mã tiếp diễn 1.5 Phiên mã sửa đổi ARN sau phiên mã eukaryote 1.5.1 Các ARN polymerase eukaryote Ở eukaryote, có ba loại ARN polymerase I, II III với phân bố chức chuyên hóa khác gen nhân, sau: ARN polymerase I hạch nhân (nucleolus) phiên mã phức hợp gen rARN cho sản phẩm gồm rARN 18S, 28S 5,8S; ARN polymerase II có dịch nhân (nucleoplasm) phiên mã gen mã hóa protein cho sản phẩm hARN tiền chất mARN gen cho kiểu snARN; ARN polymerase III có dịch nhân phiên mã gen tARN, rARN 5S, snARN U6 Ngoài ra, ARN polymerase ty thể chịu trách nhiệm tổng hợp tất ARN ty thể (Bảng 5.2) Bảng 5.2 Các ARN polymerase eukaryote Định khu Polymerase Sản phẩm ARN polymerase I hạch nhân rARN 18S, 28S 5,8S ARN polymerase II dịch nhân mARN, snARN (và snARN U1, U2, U3, U4, U5) ARN polymerase III dịch nhân tARN, ARN 5S, ( snARN U6, ARN 7S hay 7SL) ARN polymerase ty thể ty thể tất ARN ty thể 1.5.2 Các promoter eukaryote Các vùng khởi động (promoter) nói chung nằm kề trước gen có chứa đoạn trình tự đặc thù cho phép ARN polymerase nhận biết bám chặt vào để khởi đầu phiên mã vị trí xác mạch khn gen Vấn đề tương đối phức tạp eukaryote, ta xét promoter gen mã hóa protein mà khơng đề cập loại promoter gen mã hóa ARN khác Các promoter gen mã hóa protein eukaryote operon vi khuẩn nói chung có cấu trúc tương đồng Nếu hộp TATA vi khuẩn, có trình tự TATAAT nằm vị trí “-10'' gen mã hóa protein eukaryote, trình tự TATAAA nằm gần vị trí “-30” (Hình 5.8) đặc trưng riêng cho ARN polymerase II 77 Hình 5.8 Cấu trúc vùng khởi động (promoter) eukaryote Nói chung, vùng bảo tồn cao đặc thù cho loại ARN polymerase định, gọi trình tự điều hịa (consensus sequences) Các đột biến thay bazơ hộp TATA, nghĩa làm cho bớt giống với trình tự bảo tồn (ví dụ, TATAAT → TGTAAT) làm yếu khả phiên mã promoter (down mutation) Ngược lại, đột biến làm cho trình tự promoter trở nên giống với trình tự điều hịa (ví dụ, TATCTT→ TATAAT), làm mạnh khả phiên mã promoter (up mutation) 1.5.3 Sửa đổi sau phiên mã sản phẩm gen phân đoạn Để trở thành phân tử mRNA trưởng thành có khả tham gia vào trình dịch mã tế bào chất, tất mARN (pre-mRNA) gen mã hóa protein tế bào eukaryote phải trải qua trình sửa đổi ARN sau phiên mã nhân (RNA processing) Sau phân tử mARN tế bào chất để tham gia vào trình dịch mã Hai kiện sửa đổi yếu mARN, là: – Gắn thêm chóp m7Gppp poly(A); – Cắt bỏ intron nối exon hay gọi splicing Các chóp 5' poly(A) có tác dụng bảo vệ mARN khỏi bị phân cắt enzyme tế bào chất (Hình 5.9) Về chi tiết, xem chương Hình 5.9 Các bước tổng quát trình phiên mã sửa đổi sau phiên mã premARN gen phân đoạn: (1) Lắp chóp 5’-m7Gppp lúc phiên mã; (2) Gắn đuôi poly(A); (3) Splicing – loại bỏ intron nôi exon 78 Cấu trúc chức ARN Trên nguyên tắc, ARN cấu tạo từ đơn phân ribonucleotide; ribonucleotide nối kết với liên kết 3',5'-phosphodiester tạo thành chuỗi polyribonucleotide - cấu trúc sơ cấp phân tử ARN (Chương 1) Đường pentose đặc trưng ARN ribose, thành phần bazơ, bốn loại adenine (A), uracil (U), guanine (G) cytosine (C), phát nhiều dạng bazơ có mặt chủ yếu tARN Có ba loại phân tử ARN tham gia vào trình sinh tổng hợp protein tế bào, là: ARN thơng tin (messenger RNA = mRNA), ARN vận chuyển (transfer RNA = tRNA), ARN ribosome (ribosomal RNA = rRNA) Nói chung, phân tử ARN có kích thước bé phân tử ADN sinh vật cụ thể Các phân tử ARN mạch đơn mạch kép, mạch thẳng mạch vòng phổ biến dạng mạch đơn, thẳng (nhưng khơng thấy có phân tử ARN mạch kép, vịng mơ tả) Loại ARN có hàm lượng cao tế bào rARN Ở Bảng 5.3 cho thấy hàm lượng tương đối (%) kích thước (trọng lượng phân tử số nucleotide) phân tử ARN vi khuẩn E coli Bảng 5.3 Các phân tử ARN E coli Loại ARN Chức (%) TLPT Số nucleotide mARN Mã hoá protein Biến thiên Biến thiên tARN Mang axit amin 15 2,5.101 ~ 75 rARN 5S Thành phần ribosome 80 3,6.101 120 16S Thành phần ribosome 0,55.10 23S Thành phần ribosome 1,2.10 1542 2904 Ngoài ba loại ARN (rARN, tARN mARN) có mặt tế bào prokaryote eukaryote, tế bào eukaryote cịn có loại ARN khác, như: (i) ARN dị nhân, hnARN (heterogenous nuclear RNA) với kích thước sai biệt lớn, chúng tiền thân mARN trưởng thành sau này; (ii) ARN nhân kích thước bé, snARN (small nuclear RNA), với loại U1 → U10 sáu loại đầu có vai trị quan trọng xử lý pre-mARN gen phân đoạn; (iii) ARN tế bào chất, scARN (small cytoplasmic RNA) 7SL cần cho tổng hợp protein chế tiết bám vào màng; vài ARN khác giới thiệu Bảng 5.4 Bảng 5.4 Các lớp ARN chức phụ tế bào Loại ARN Chức Các lớp mARN ARN phiên mã từ gen mã hoá protein, mang thông tin cho dịch mã Một số tương tự mARN khơng dịch mã, ví dụ XIST, H19 chế in dấu gen bố mẹ (parental imprinting) hnARN mARN trước cắt-nối Đó chưa (heterogenous sửa đổi gen eukaryote; gọi 79 nuclear) tARN rARN tính đa dạng lớn kích thước so với tARN rARN Phân tử thích ứng thực việc dịch mã tARN làm mồi cho tái ADN tái retrovirus Thành phần cấu trúc ribosome, cần cho trình tổng hợp protein tế bào Các lớp phụ iARN (initiator) Các trình tự ARN ngắn dùng làm mồi cho tổng hợp ADN mạch chậm snARN (small nuclear) hay U-RNA (uridine-rich) Các phân tử ARN trọng lượng phân tử thấp phát dịch nhân, thành phần enzyme cắt bỏ intron phản ứng xử lý (processing) khác; chúng chứa nhiều gốc uridine sửa đổi snoARN (small nucleolar) Các phân tử ARN trọng lượng phân tử thấp phát hạch nhân, tham gia vào trình xử lý rARN (ARN processing) scARN (small cytoplasmic) Các phân tử ARN trọng lượng phân tử thấp phát tế bào chất với chức khác Ví dụ ARN 7S thành phần tiểu phần nhận biết tín hiệu pARN (prosomal), ARN bé kết hợp với khoảng 20 protein bọc gói với mARN mRNP hay thể thơng tin vốn có tác dụng điều hồ biểu gen ARN telomerase Một ARN nhân có chứa khn cho đoạn lặp telomere thành phần enzyme telomerase gARN Một loại ARN tổng hợp roi động Trypanosoma; cung cấp khn cho biên tập ARN (guide RNA) ARN antisense ARN ngược nghĩa bổ sung với mARN tạo thành mạch đơi với để kìm hãm việc tổng hợp protein Nó có nhiều hệ thống, phổ biến vi khuẩn; gọi ARN bổ sung gây nhiễu mARN Ribozyme Các phân tử ARN mà xúc tác cho phản ứng hố học, enzyme chứa ARN Thơng thường có hoạt tính tự xúc tác (các intron tự cắt), ribonuclease P chất xúc tác đích thực (ví dụ xử lý tARN) Các ARN khác hoạt động hài hoà với protein, ví dụ MRP endonuclease tái 80 ADN ty thể (i) Vùng dẫn đầu (5'UTR) không dịch mã có cấu trúc cần thiết cho bám vào tiểu đơn vị ribosome bé (Hình 5.10) (ii) Vùng mã hoá (coding region) nằm kề sau vùng 5'-UTR; mang thơng tin cấu trúc chuỗi polypeptide, mARN eukaryote (monocistronic) mang thông tin nhiều polypeptide khác cách đoạn đệm không dịch mã, mARN prokaryote (polycistronic) (iii) Vùng kéo sau (3'-UTR) nằm đuôi mARN, không dịch mã 2.1 ARN thông tin (mARN) Các mARN loại ARN quan trọng dùng làm khn trực tiếp cho q trình tổng hợp polypeptide tế bào chất Nhìn chung, mARN có cấu trúc mạch thẳng, với kích thước khác có ba phần sau: Hình 5.10 Cấu trúc chung mARN Hình 5.11 Cấu trúc mARN prokaryote (a) mARN eukaryote (b) Ở Hình 5.11 cho thấy điểm khác cấu trúc mARN prokaryote eukaryote, cho thấy cấu trúc “mũ” đặc trưng có mặt đầu 5' tất mARN trưởng thành eukaryote Trong nhân tế bào eukaryote có ARN nhân kích thước lớn sai khác lớn gọi hnARN (heterogenous nuclear RNA) vốn tiền thân mARN, ARN nhân kích thước bé snARN (small nuclear RNA) có mặt thành phần enzyme splicing, ARN tế bào chất kích thước bé scARN (small cytoplasmic RNA) Trong tế bào động vật có vú, vài loại mARN phong phú, mức độ phức tạp mARN (số lượng loại mARN khác nhau) đại diện mARN Một điểm cần ý biểu gen tỷ lệ với độ phong phú loại ARN tương 81 ứng (một gen biểu mạnh số tế bào lớn) 2.2 Các ARN vận chuyển (tARN) Mỗi phân tử tARN có hai chức mang axit amin hoạt hoá đến phức hệ “ribosome-mARN” để tiến hành việc đọc dịch mã cho codon cụ thể mARN Trong thành phần nucleotide tARN có nhiều bazơ chuẩn bị biến đổi thành bazơ sửa đổi nhờ hoạt động xúc tác enzyme sau phiên mã Các bazơ (còn gọi bazơ hiếm) tập trung chủ yếu vòng thân (stem loops) như: 5',6'-dihydrouridine (DHU), inosine (I), ribothymidine (T), pseudouridine (Ψ) v.v (Hình 5.12) Hình 5.12 Các bazơ có mặt ARN, chủ yếu tARN Mỗi tế bào có chừng 45-50 phân tử tARN khác Hầu hết tARN có khoảng 75-80 nucleotide với cấu trúc bậc hai mở rộng tương tác cặp bazơ (A-U G-C) số đoạn chúng (Hình 5.13) cấu trúc bậc ba Đây kiểu cấu trúc “lá ba thùy” gọn nhẹ, vững phù hợp với chức khác tARN Nói chung, phân tử tARN thường giống nhiều đoạn khác chủ yếu ba đối mã (anticodon) Lưu ý rằng, bazơ Inosine (I) có mặt vị trí 5' anticodon số phân tử tARN kết cặp linh hoạt với C, U A vị trí 3' codon mARN Mỗi tARN thường có 3-4 vịng thân (tính từ đầu 5') với chức khác sau (Hình 5.13): (i) vòng I - DHU nhận biết aminoacyl-tARN synthetase; (ii) vòng II - anticodon đọc mã mARN kết cặp anticodon-codon (theo nguyên tắc bổ có linh hoạt; chương 3); (iii) vòng III - phụ (extra loop) khơng có số tARN; (iv) vòng IV - TΨC nhận biết ribosome để vào vị trí tiếp nhận aminoacyl-tARN (vị trí A) Và cuối cùng, đoạn mạch thẳng -CCA đầu 3' vị trí gắn vào axit amin hoạt hố để tạo thành aminoacyl-tARN 82 (a) (b) Hình 5.13 (a) Cấu trúc bậc hai (trái) bậc ba tARN-Ala (b) Một sơ đồ hóa khác cấu trúc tARN (trái) hoạt động dịch mã mARN theo nguyên tắc bổ sung – ngược chiều anticodon codon 2.3 ARN ribosome (rARN) ribosome Các rARN với protein đặc thù thành phần cấu trúc nên ribosome “nhà máy” tổng hợp protein tế bào Ở vi khuẩn có loại rARN có hệ số lắng 23S, 16S (Hình 5.14) 5S, với số lượng nucleotide tương ứng 2904, 1542 120 (Bảng 5.5) Ở tế bào eukaryote có loại rARN với hệ số lắng 28S, 18S, 5,8S 5S (Hình 5.15) Riêng tế bào thực vật cịn có rARN mã hoá ADN lạp thể (chloroplast DNA = cpDNA) 83 Hình 5.14 Cấu trúc bậc hai rARN 16S Hình 5.15 Cấu trúc tổng quát đơn vị phiên mã pre-rARN eukaryote Ba vùng mã hóa (màu xanh) mã hóa rARN 18S, 5.8S 28S phát ribosome eukaryote bậc cao số loài tương đương với chúng Thứ tự vùng mã hóa gen ln theo chiều 5'→3' Sự thay đổi độ dài đoạn đệm phiên mã (vàng nhạt) nói lên sai khác chiều dài đơn vị phiên mã (transcription unit) pre-rARN sinh vật khác Mỗi ribosome hồn chỉnh có hai tiếu đơn vị bé lớn Hai tiểu đơn vị kết hợp với tạo ribosome hoạt động trình dịch mã mARN thực bắt đầu Tiểu đơn vị bé bám vào mARN trước tiên dịch mã Tiểu đơn vị lớn chứa hai vị trí: vị trí A nơi bám vào aminoacyl-tARN vị trí P chỗ dừng tạm peptidyl-tARN Trong tiểu đơn vị lớn có chứa peptidyl transferase Enzyme có chức tách gốc peptidyl khỏi tARN (ở vị trí P) nối với aminoacyl-tARN (ở vị trí A) liên kết peptide làm cho chuỗi polypeptide sinh trưởng dài theo chiều N→ C Các hợp phần cấu tạo nên ribosome prokaryote eukaryote trình bày Bảng 5.5 Hình 5.16 (a) (b) 84 (c) Hình 5.16 Cấu trúc ribosome E coli (a) Ribosome 70S nhìn từ mặt bên với tiểu phần 30S particle (màu vàng) tiểu phần 50S (đỏ) dính với (b) Ribosome 70S xoay góc 90 độ so với hình (a) [Nguồn: J Lake (1976), J Mol Biol 105; p.155, fig.14] (c) Sơ đồ vị trí hoạt động ribosome Dịch mã (Translation) Dịch mã (translation) hay tổng hợp protein trình sinh học quan trọng diễn tế bào chất, phụ thuộc vào nhiều yếu tố; quan trọng mARN, tARN ribosome mARN mang thơng tin quy định trình tự kết hợp axit amin vào chuỗi polypeptide, mà việc dịch mã mARN thực aminoacyl-tARN, ribosome đóng vai trị ổn định việc kết hợp mARN với tARN (Hình 5.18) Quá trình chia làm hai giai đoạn Bảng 5.5 Thành phần cấu tạo ribosome Prokaryote Eukaryote Vi khuẩn Tế bào động vật có vú RIBOSOME 70S 80S Đường kính 18-20 nm 20-22 nm 50S 60S 23S (2904 nt) 28S (4.718 nt) 5S (120 nt) 5,8S (160 nt) Tiểu đơn vị lớn rARN 5S (120 nt) Protein 34 phân tử ~50 phân tử 30S 40S rARN 16S (1.542 nt) 18S (1.874 nt) Protein 21 phân tử ~35 phân tử Tiểu đơn vị bé 3.1 Hoạt hoá axit amin Quá trình diễn bào tương tạo nguồn tARN mang axit amin sẵn sàng tham gia dịch mã Mỗi axit amin đính vào tARN thích hợp nhờ enzyme aminoacyl-tARN synthetase đặc thù Trước tiên, enzyme (E) xúc tác cho phản ứng ATP hoạt hoá axit amin, với có mặt Mg2+, tạo phức hợp [aminoacyl-AMP + E] (Hình 5.17) R−CH(NH2)−COOH + ATP → E*[R−CH(NH2)−CO~AMP] + PP Tiếp theo, tác dụng enzyme đó, phức hợp kết hợp với tARN thích hợp 85 liên kết đồng hố trị để tạo aminoacyl-tARN E*[R−CH(NH2)−CO~AMP] + tARN → R−CH(NH2)−CO~tARN + AMP 3.2 Cơ chế dịch mã (tổng hợp chuỗi polypeptide) Bước 1: Mở đầu (initiation) Quá trình dịch mã bắt đầu tiểu đơn vị ribosome bé bám vào mARN vị trí codon khởi đầu AUG Lúc phân tử tARN khởi đầu đặc thù mang methionine (ở vi khuẩn formyl-Met; cấu trúc Met f-Met giới thiệu đây) vào khớp anticodon với codon mở đầu mARN Kế đó, tiểu đơn vị ribosome lớn bám vào tiểu đơn vị bé tạo ribosome hoạt động hoàn chỉnh Lúc Met-tARN vị trí P vị trí A để trống; tARN thứ hai (aa2- tARN) vào vị trí A khớp với codon thứ hai (Hình 5.20) amino acid RO H2N-C-C-OH - = tRNA 3’ H ATP PPi - = RO H2N-C-C-O-P-O-ribose-adenine H amino acid hoạt hoá RO H2N-C-C-O - = AMP Hoạt hoá amino acid gắn aa vào tRNA H aminoacyl-tRNA Hình 5.17 Sự hoạt hố axit amin gắn axit amin hoạt hố vào tARN Hình 5.18 Một ribosome tham gia dịch mã mARN với tARN mang axir amin tương ứng Ở E coli, bước có tham gia yếu tố mở đầu (IF-1, IF-2 IF-3), GTP đặc biệt là, tương tác trình tự Shine-Dalgarno giàu purine vùng 5'-UTR mARN với trình tự bổ sung rARN 16S có mặt tiểu đơn vị ribosome bé (R30S) Nhờ R30S bám 86 vào mARN, nhận biết codon mở đầu AUG để bắt đầu q trình dịch mã vị trí xác (Hình 5.19) Hình 5.19 Mở đầu dịch mã tế bào E coli (trên) trình tự Shine-Dalgarno vùng 5'UTR E coli phage chúng Bước 2: Kéo dài (elongation) Quá trình kéo dài bắt đầu sau liên kết peptide hình thành Phản ứng xúc tác enzyme peptidyl transferase, kết tạo peptidyl-tARN vị trí A (fMet-aa2-tARN) Sau đó, ribosome chuyển dịch sang codon dọc theo mARN theo chiều 5'→3' Phản ứng đẩy phân tử tARN tự vốn vị trí P ngồi; lúc peptidyl-tARN (fMet-aa2-tARN) nằm vị trí P vị trí A lại để trống Một chu kỳ dịch mã lại bắt đầu, aminoacyl-tARN thứ ba (aa3-tARN) vào khớp anticdon với codon để trống vị trí A, liên kết peptid thứ hai hình thành (fMet-aa2-aa3-tARN), ribosome lại dịch chuyển sang codon Q trình nói diễn cách dọc theo mARN theo chu kỳ ba bước nói trên, làm cho chuỗi polypeptide dài dần dịch mã xong codon có nghĩa cuối (Hình 5.21) Bước 3: Kết thúc (termination) Quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide dừng lại codon kết thúc đưa đối diện với vị trí A để trống, vốn nhận biết protein kết thúc gọi nhân tố giải phóng RF (release factor) Sự có mặt với transferase cắt rời chuỗi polypeptide khỏi tARN cuối phóng thích hai tiểu đơn vị ribosome chuỗi polypeptide tARN khỏi mARN (Hình 5.22) 87 Hình 5.20 Mở đầu dịch mã tế bào E coli Hình phân biệt cấu tạo N-formylmethionine - axit amin Met sửa đổi để chuyên làm nhiệm vụ mở đầu cho trình dịch mã tế bào vi khuẩn (nó nhận biết mang loại tARN mở đầu gọi tRNAifMet) với loại Methionine bình thường Hình 5.21 Quá trình tổng hợp kéo dài chuỗi polypeptide 88 Hình 5.22 Quá trình kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptide Những điểm khác biệt phiên mã dịch mã prokaryote eukaryote (1) Trên phân tích hoạt động ribosome mARN Thực ra, mARN có nhiều ribosome hoạt động, gọi polyribosome hay polysome, tạo nhiều polypeptide giống Hình 5.23 Nhiều ribosome (polysome) nối đuôi trượt qua mARN để tổng hợp hàng loạt polypeptide phân tử mARN (2) Trên nguyên tắc, axit amin mở đầu cắt bỏ khỏi chuỗi polypeptide (sau tổng hợp vài axit amin trường hợp vi khuẩn) trước chuỗi tổng hợp đầy đủ (như trường hợp eukaryote) Tuy nhiên, eukaryote lúc axit amin mở đầu bị tách bỏ, mà số protein giữ lại (3) Sau tổng hợp, chuỗi polypeptide sơ cấp sửa đổi chuyển sang bậc cấu trúc cao theo cách đặc thù để trở thành protein hoạt động chức 89 (4) Tham gia vào bước mở đầu, kéo dài kết thúc cịn có yếu tố protein, với tên gọi tương ứng nhân tố mở đầu (IF: initiation factor), nhân tố kéo dài (EF: elongation factor; gồm EF-Tu EF-G), nhân tố giải phóng (release factor) với GTP ion Mg2+, K+ NH+4 (5) Trong tế bào prokaryote, khơng có màng nhân mARN đa cistron qua sửa đổi sau phiên mã, ribosome aminoacyl-tARN bám vào đầu 5' mARN để bắt đầu trình dịch mã đầu 3' q trình phiên mã cịn tiếp diễn Ngược lại, tế bào eukaryote có màng nhân phân cách pre-mARN phải trải qua công đoạn sửa đổi phức tạp sau phiên mã (tất diễn nhân), dịch mã diễn sau tế bào chất Vì phiên mã dịch mã rõ ràng hai trình tách biệt khơng gian lẫn thời gian TĨM TẮT (1) Phiên mã dịch mã hai hai giai đọan biểu gen mã hóa protein tế bào Phiên mã trình tổng hợp ARN từ mạch khuôn gen cấu trúc, xảy tác dụng ARN polymerase theo nguyên tắc bổ sung ngược chiều với mạch khuôn gen Cịn q trình tổng hợp protein diễn ribosome tế bào chất khuôn mARN, với tham gia tARN (2) Trong phiên mã tất gen gen sinh vật nhân sơ loại ARN polymerase đảm nhận, tế bào sinh vật nhân chuẩn có tới loại ARN polymerase I, II III chịu trách nhiệm tổng hợp loại ARN khác tế bào Promoter chất tác động ARN polymerase, chúng có trình tự bảo tồn cao độ - gọi hộp TATA (3) Trong tế bào có ba loại phân tử ARN tham gia vào trình tổng hợp protein: mARN, tARN rARN Ở tế bào nhân chuẩn cịn có nhiều loại ARN khác thực chức khác (4) Tổng hợp protein q trình phức tạp có tham gia nhiều yếu tố, quan trọng mARN, tARN ribosome enzyme nguồn lượng cần thiết Kết tổng hợp phân tử protein tham gia vào hoạt động sống sở tế bào CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 81 Trong trình dịch mã, ribosome dịch chuyển mARN sau khớp bổ sung anticodon codon (a) Đúng (b) Sai 82 Về mặt tổ chức, mARN trưởng thành prokaryote khác biệt cách với mARN eukaryote chủ yếu vùng nào? A Vùng khởi động B Vùng mã hoá protein C Vùng theo sau hay 3'-UTR D Vùng dẫn đầu hay 5'-UTR 83 Phiên mã trình tổng hợp ARN theo chiều _ tác dụng ARN polymerase hoạt động dọc theo mạch khn có chiều A 5' đến 3'; 5' đến B 5' đến 3'; 3' đến 5' C 3' đến 5'; 5' đến 3' D 3' đến 5'; 3' đến 5' 90 84 Phát biểu sau gen mã hố histone khơng đúng? A Đằng sau gen khơng có trình tự AATAAA B Các mARN trưởng thành khơng có poly(A) C Các mARN chúng khơng có chóp m7Gppp D Khơng có q trình cắt-nối (splicing) sau phiên mã 85 Sự đọc mã mARN diễn trung thực A peptidyl transferase B đoạn -CCA (3’) C aminoacyl~tARN synthetase D anticodon tARN 86 Phân tích cấu trúc tổ chức gen điển hình cho gen sinh vật nhân chuẩn vẽ sơ đồ minh họa 87 Một đoạn trình tự bazơ mạch đối khn gen mã hóa protein sau: 5'AACGTATTCAACTCA-3' Hãy cho biết: (a) Trình tự bazơ ARNm trình tự axit amin tương ứng (b) Đoạn polypeptid đột biến đồng hoán xảy nucleotid G mạch này? 88 Một đoạn trình tự gen cho sau: Mạch 1: 5'-AAATCGATTGGCACA-3' Mạch 2: 3'-TTTAGCTAACCGTGT-5' Hãy cho biết trình tự bazơ ARNm (5'→ 3') trình tự axit amin peptide khi: (a) mạch mạch khuôn, (b) mạch khuôn 89 Giả sử ARNm có trình tự mã hóa protein sau: 5'-AUG-UUC-AUU-GAA-GGC-AUC-AAC-GGU-UAA-3' Hãy xác định trình tự nucleotide gen trình tự axit amin protein 90 (a) Hàm lượng GC ADN phage T3 53% Bạn kỳ vọng hàm lượng G+C mARN T3 sao? (b) Nếu cho trước hàm lượng purin ADN T3 mạch mã, bạn dự đoán hàm lượng purin mARN T3? Tại sao, khơng? 91 Phân tích ngắn gọn vai trị yếu tố tham gia vào trình sinh tổng hợp protein tế bào chất 92 Anh (chị) làm sáng tỏ nhận định sau: Khác với tế bào tiền nhân, phiên mã dịch mã tế bào nhân chuẩn trình gián đoạn, tách biệt không gian lẫn thời gian 93 Phân tích tương tác ba thành phần mARN, aminoacyl~ARNt ribosome để làm bật vai trò quan trọng chúng chế tổng hợp chuỗi polypeptit 94 Hãy đặc điểm giống khác cấu trúc mARN trưởng thành tế bào prokaryote eukaryote 95 Nêu điểm sửa đổi sau phiên mã sản phẩm phiên mã sơ cấp gen phân đoạn vai trò intron 96 Phân tích phù hợp cấu trúc chức mARN 97 Phân tích phù hợp cấu trúc chức tARN 91 98 Có loại rARN tế bào prokaryote eukaryote? Chúng đóng vai trị tế bào? 99 Hãy cho biết giống khác thành phần cấu tạo ribosome tế bào prokaryote eukaryote 100 Dưới sơ đồ ADN sợi kép mã Sợi sợi không làm khuôn Sợi ARN sinh Hãy đánh dấu đầu 5’ 3’ ARN sợi không làm khuôn, sợi khuôn 92