TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC TIỂU LUẬN HÓA SINH ĐẠI CƯƠNG Đề tài Trình bày về tRNA Giảng viên hướng dẫn Giang Thị Phương Ly Sinh viên thực hiện Hoàng Thị Linh Giang Lớp HH 01[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC TIỂU LUẬN HÓA SINH ĐẠI CƯƠNG Đề tài: Trình bày tRNA Giảng viên hướng dẫn: Giang Thị Phương Ly Sinh viên thực hiện: Hoàng Thị Linh Giang Lớp: HH.01-K62 MSSV: 20174587 MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG I Tổng quan RNA tRNA I.1 RNA I.2 tRNA II Cấu trúc II.1 Mononucleotide II.2 Cấu trúc sơ cấp II.3 Cấu trúc thứ cấp III.4 Cấu trúc bậc 11 III Anticodon 12 IV Aminoacyl – tRNA 13 IV.1 Aminoacyl – tRNA 13 IV.2 Q trình aminoacyl hóa 14 IV Tính ổn định thủy phân aa – tRNA 16 V Liên kết với ribosome tham gia trình tổng hợp protein 16 V.1 Ribosome 16 V.2 tRNA tham gia vào trình tổng hợp protein 17 KẾT LUẬN 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 MỞ ĐẦU Sự sống, sống hay sống là khái niệm phân biệt thực thể vật chất có chế sinh học (ví dụ khả tự trì, hay truyền tín hiệu), tách biệt chúng với vật thể khơng có chế ngừng hoạt động, vật gọi vô sinh hay vô tri thức Nhiều dạng sống tồn thực vật, động vật, nấm, nguyên sinh vật, vi khuẩn cổ Các chứng cho thấy rằng sự sống Trái Đất đã tồn cách khoảng 3,7 tỉ năm[1] với dấu vết sống cổ tìm thấy hóa thạch có tuổi 3,4 tỉ năm[2].Các nhà nghiên cứu nghiên cứu nguồn gốc sống thông qua kết hợp sinh học phân tử, cổ sinh vật học, sinh vật học, hải dương học, sinh lý học, địa hóa học hóa sinh, nhằm mục đích xác định các phản ứng hóa học trước có sống tạo sống Sự sống hoạt động thông qua hoạt động hóa học chuyên biệt của cacbon và nước và xây dựng phần lớn dựa bốn họ hóa chất chính: lipid (thành tế bào mỡ), carbohydrat (đường, cellulose), amino acid (chuyển hóa protein) nucleic acid (DNA, RNA) Các nghiên cứu RNA (Ribonucleic Acid) cội nguồn hình thành sống [3] RNA phân tử polyme cơ có nhiều vai trị sinh học trong mã hóa, dịch mã, điều hịa Một số phân tử RNA đóng vai trò hoạt động bên tế bào xúc tác cho phản ứng sinh học, kiểm soát biểu gen, đáp ứng cảm nhận liên lạc q trình truyền tín hiệu tế bào Trong đó,tRNA (transfer-RNA) loại RNA vận chuyển có vai trị quan trọng tổng hợp protein dịch mã di truyền Bài luận giúp ta hiểu rõ cấu trúc, từ nắm vai trị chức phận trình hoạt động tRNA mối quan hệ tương quan với loại RNA khác NỘI DUNG I.Tổng quan RNA tRNA I.1 RNA “Nucleic” nghĩa “nhân”, nucleicacid chất tìm thấy nhân tế bào hình thành từ nucleotide polymers, diện tế bào dạng tự hết hợp với protein (gọi nucleoprotein) RNA – Ribonucleic Acidlà phân tử polymer của nucleotide có nhiều vai trị sinh học trong mã hóa, dịch mã, điều hòa, và biểu hiện của gene RNA và DNA là các nucleic acid, với lipid, protein và cacbohydrat, tạo thành bốn loại đại phân tử cơ sở cho dạng sống trên Trái Đất Giống như DNA, RNA tạo thành từ chuỗi nucleotide, khơng giống DNA có cấu trúc sợi xoắn kép, RNA dạng tự nhiên sợi đơn gập lại vào Các sinh vật tế bào sử dụng RNA thông tin (mRNA) đề truyền đạt thông tin di truyền cho phép tổng hợp trực tiếp lên protein chun biệt Nhiều virus mã hóa thơng tin di truyền chúng trong bộ gene RNA.Một số phân tử RNA đóng vai trò hoạt động bên tế bào chất xúc tác cho phản ứng sinh học, kiểm soát biểu gene đáp ứng cảm nhận liên lạc q trình truyền tín hiệu tế bào Một q trình hoạt động là sinh tổng hợp protein, chức phổ biến mà phân tử RNA trực tiếp tham gia tổng hợp protein phân tử ribosome Quá trình sử dụng phân tử RNA vận chuyển (tRNA) mang các acid amine đến phức hệ ribosome, nơi phân tử RNA ribosome (rRNA) thực ghép nối acid amine với tạo thành chuỗi protein I.2 tRNA RNA vận chuyển – tRNA (trước gọi là sRNA[4])là một phân tử bộ chuyển đổi bao gồm RNA thường có độ dài từ 76 đến 90 nucleotide, [5]đóng vai trị liên kết vật lý giữa mRNA và trình tự acid amine của protein. tRNA thực điều cáchmang acid amine đến máy tổng hợp protein tế bào ( ribosome ) theo dẫn chuỗi nucleotide ( codon ) trong RNA thơng tin (mRNA). Trong trình tự nucleotide cụ thể mRNA định acid amine nào kết hợp vào sản phẩm protein gene mà mRNA phiên mã, vai trị của tRNA là xác định trình tự từ mã di truyền tương ứng với acid amine nào. [6] mRNA mã hóa acid amine codon, loại nhận tRNA cụ thể. Một đầu tRNA khớp với mã di truyền trong chuỗi ba nucleotide gọi là anticodon . Anticodon tạo thành ba cặp sở bổ sung với một codontrongmRNA trình sinh tổng hợp protein. Ở đầu bên tRNA liên kết cộng hóa trị với acid amine tương ứng với trình tự anticodon. Mỗi tRNA gắn vào loại acid amine, sinh vật có nhiều loại tRNA. Mặt khác,mã di truyền chứa nhiều codon định acid amine nên có số tRNA mang anticodon khác mang acid amine. Sự liên kết cộng hóa trị vào đầu tRNA 3’ này xúc tác enzyme gọi là aminoacyl tRNA synthetase. Trong trình tổng hợp protein, acid amine đến ribosome tham gia trình tổng hợp chuỗi polypeptide phát triển nhờ tRNA. Ngoài ra, số lượng tương đối nucleotide tRNA bị biến đổi hóahọc, thường do methyl hóa hoặc khử amin. Các base bất thường ảnh hưởng đến tương tác tRNA với các ribosome và đơi xảy trong anticodon để thay đổi đặc tính ghép cặp sở.[7] Có hai loại tRNA: tế bào chất ty thể. Các tRNA tế bào chất tìm thấy chất lỏng bên tế bào (tế bào chất). Những tRNA giúp tạo protein từ gen nằm DNA nhân tế bào (DNA hạt nhân). Các cấu trúc tế bào gọi ty thể có lượng nhỏ DNA chúng, gọi là DNA ty thể. Protein sản xuất từ gen nằm DNA ty thể lắp ráp tRNA ty thể II Cấu trúc Cấu trúc tRNA chuỗi polynucleotide liên kết với liên kết phosphodiester 3’ – 5’, phân tách thành cấu trúc sơ cấp, cấu trúc thứ cấp (cấu trúc cỏ ba lá) và cấu trúc bậc ba[8] II.1 Mononucleotide Thành phần nucleotide gồm nitrogenous base liên kết với đườngpentose phosphoric acid • Phosphoric acid: • Đường pentose β – D – Ribose 5' OH HO P 4' OH 1' 2' 3' O • Các nitrogenous base dẫn xuất pyrimindine purine: NH2 O N HN N N Pyrimindine N H O Cytosine (C) O N H Uracil (U) NH2 O N N N N H N N N H N Purine N HN H2N Adenine (A) N H N Guanine (G) Chú ý: Để phân biệt C base ribose, nguyên tử C ribose đánh dấu C’ II.1.1 Nucleoside N9 purine (A, G) + C1’ β – D – Ribose → Phản ứng khử nước tạo liên N1 pyrimindine (C, U) + C1’ β – D – Ribose kết β – glycosidic nucleoside NH2 N N HO O N N N N HO O O H H OH OH H H H OH OH H H Adenosine H Guanosine NH N NH2 NH2 O N NH N O HO N O HO O O H H OH OH H H H H OH OH H H Cytidine Uridine II.1.2 Nucleotide C5’ nucleoside + phosphoric acid → Phản ứng khử nước tạo liên kết ester nucleotide Trong acid nucleic, nucleotide chứa gốc phosphate O NH2 N N OH O P O CH2 OH H N N O O H H OH H OH N OH N P O CH2 OH H Adenosine – 5’ – monophosphate NH N O H H OH H OH Guanosine – 5’ – monophosphate NH2 O NH2 NH N N OH O P O CH2 OH H O O O H H OH H OH N OH P O CH2 OH H Cytidine – 5’ – monophosphate O O H H OH H OH Uridine – 5’ – monophosphate II.2 Cấu trúc sơ cấp Cấu trúc sơ cấp polymer sinh học cho biết xác thành phần nguyên tử liên kết hóa học nguyên tử Đối với loại polymer sinh học không phân nhánh RNA, cấu trúc sơ cấp tương đương với trình tự tiểu đơn vị đơn phân cấu tạo nó.Các mononucleotide liên kết với liên kết phosphodiester 3’ – 5’ Các ribose gốc phosphate liên kết với tạo thành xương sống khung polynucleotide, gốc base phân bố xung quanh Ví dụ: Dinucleotides A – C NH2 OH O N p A OH N O CH2 O N O H H O OH H Liên kết phosphodiester 3’ – 5’ N NH2 H C O- P N N O CH2 O O H H OH OH H H II.3 Cấu trúc thứ cấp Cấu trúc thứ cấp RNA nói chung tRNA nói riêng xoắn lại với số đoạn dọc theo chuỗi polynucleotide có base “bổ sung” cho tạo liên kết hydro: A – U, G – C cặp base “bổ sung”, tạo thành cấu trúc cỏ với chuỗi lồi với chức khác nhau: D – loop: chứa vài nucleotide khác giúp nhận biết enzyme, ví dụ: dihydrouridine Anticodon – loop: tìm codon mRNA, chứa anticodon T – loop: có chứa vài nucleotide khác giúp nhận biết ribosome, ví dụ:pseudouridine (một dạng đồng phân uridine) 10 Đuôi CCA một chuỗi cytosine – cytosine – adenine ở đầu 'của phân tử tRNA. Acid amine nạp vào tRNA các synthetase aminoacyl tRNA, để tạo thành aminoacyl – tRNA Hình Cấu trúc thứ cấp tRNA Có số base bị biến đổi số vị trí tRNA, ví dụ base anticodon làinosine (với nitrogen base dẫn xuất purine giống adenine), queuosine (có nguồn gốc từ guanine), acid uridine-5-oxyacetic (có nguồn gốc từ uracil), 5-methylaminomethyl-2-thiouridine uracil), hoặc lysidine (có nguồn gốc từ cytosine).[10] III.4 Cấu trúc bậc Cấu trúc cỏ ba trở thành cấu trúc hình chữ L 3D thơng qua việc xếp chồng đồng trục xoắn ốc, là mơ-đun cấu trúc bậc ba RNA phổ biến 11 Hình Cấu trúc bậc tRNA III Anticodon Anticodon [9] là đơn vị tạo thành từ ba nucleotide tương ứng theo nguyên tắc bổ sung với ba nucleotide sở của codon trên mRNA. Ví dụ: codon 5' – AUG – 3’ tạo liên kết hydro với anticodo 3'-UAC-5', codon: 5’ – UUG – 3’ anticodon: 3’ – AAC – 5’, Như vậy, tRNA chứa anticodon riêng biệt Bên 12 cạnh đó, số anticodon ghép với nhiều codon tượng ghép cặp không ổn định, nghĩa không theo nguyên tắc bổ sung có biến đổi nucleotide Ví dụ: inosine (một nucleoside được hình thành khi hypoxanthine được gắn vào vịng β – D – Ribose thơng qua liên kết N9 – glycosidic) có thể liên kết hydro với nhiều base vị trí codon tương ứng Các nucleotide biến đổi khác xuất vị trí anticodon cịn gọi "wobble position" Trên tế bào, 61 loại tRNA yêu cầu để cung cấp tương ứng một-một phân tử tRNA codon định acid amine. Tuy 13 nhiên, nhiều tế bào chứa 61 loại tRNA “wobble position” có khả liên kết với nhiều codon mRNA IV Aminoacyl – tRNA IV.1 Aminoacyl – tRNA Aminoacyl-tRNA (aa-tRNA) là tRNA có chứa nhóm aminoacyl liên kết cộng hóa trị với đầu CCA 3’ Qúa trình thêm vào tRNA nhóm aminoacyl gọi q trình aminoacyl hóa H ình Aminoacyl-Trna Vai trò aa – tRNA đưa acid amine vào ribosome để kết hợp vào chuỗi polypeptide đang sản xuất q trình dịch mã [12]Mỗi acid amine có 14 aminoacyl-tRNA synthetase riêng, sử dụng để liên kết hóa học với tRNA mà đặc trưng, hay nói cách khác "cognate". Sự kết hợp tRNA với acid amine cognate quan trọng, đảm bảo có acid amine cụ thể phù hợp với anticodon tRNA, phù hợp với codon của mRNA sử dụng trình tổng hợp protein.Một số sinh vật thiếu nhiều aminoacyl tRNA synthetase dẫn đến việc nạp sai acid amine Tuy nhiên, chúng có sử dụng enzyme một aminoacyl tRNA synthetase để điều chỉnh lại sai lệch Để ngăn ngừa lỗi dịch mã acid amine sai kết hợp vào chuỗi polypeptide, trình cung cấp chức đọc lại aa-tRNA synthetase; chế đảm bảo kết hợp acid amine với tRNA nó. [13]Các acid amine bị khử nhầm với chất tRNA trải qua trình thủy phân thông qua chế khử aa-tRNA synthetase[14] Do thối hóa của mã di truyền, nhiều tRNA có acid amine với anticodon khác nhau. Những tRNA khác gọi isoacceptors. Trong số trường hợp định, acid amine không cognate liên kết dẫn đến tRNA bị nạp sai. Các tRNA bị nạp sai phải thủy phân để ngăn chặn tổng hợp protein khơng xác IV.2 Q trình aminoacyl hóa Các aminoacyl tRNA tổng hợp theo hai bước: hoạt hóa acid amine sau nhờ aminoacyl tRNA synthetase phù hợp xúc tác hình thành liên kết acid amine hoạt hóa với tRNA Các nucleotide tự tế bào chứa một, hai ba gốc phosphate 15 NH2 N OH HO P N OH O O P O CH2 O H N N O H H OH H OH Adenosine – 5’ – Diphosphate (ADP) NH2 N OH HO P O OH O P O N OH O N P O O CH2 H N O H H OH H OH Adenosine – 5’ – Triphosphate (ATP) Ví dụ: xét q trình khởi đầu tổng hợp protein: acid amine hoạt hóa bằng ATP (một nucleotide giàu lượng): Đầu tiên, adenyl hóa acid amine, tạo thành aminoacyl – AMP: Acid amin + ATP → Aminoacyl-AMP + PP i Thứ hai, chuyển aminoacyl – AMP đến tRNA: 16 Aminoacyl-AMP + tRNA → Aminoacyl-tRNA + AMP Phản ứng mạng tổng thể là: Acid amine + ATP + tRNA → Aminoacyl-tRNA + AMP + PP i Phản ứng thuận lợi mặt lượng vì pyrophosphate (PPi) bị thủy phân. Quá trình thủy phân pyrophosphate thành hai phân tử phản ứng phốt phát vô (P i) thuận lợi mặt lượng thúc đẩy hai phản ứng cịn lại IV Tính ổn định thủy phân aa – tRNA Các aa – tRNA khác có số tốc độ phản ứng khác trình thủy phân liên kết ester acid amine với tRNA Sự khác biệt phụ thuộc vào yếu tố chắn không gian, acid amine phân nhánh ví dụ valine hay isoleucine chứng minh tạo aa – tRNA ổn định tổng hợp Nhìn chung, chất hóa học acid amine liên kết định tính ổn định aa – tRNA [15] Ngồi ra, cịn có ảnh hưởng môi trường, việc tăng nồng độ ion sinh lí Na +, K+, Mg2+ chứng minh làm ổn định liên kết ester aa-tRNA. Độ pH tăng gây ảnh hưởng thay đổi trình ion hóa nhóm amino, nhóm amino tích điện làm ổn định liên kết aatRNA thông qua hiệu ứng liên hợp V Liên kết với ribosome tham gia trình tổng hợp protein V.1 Ribosome Ribosome bào quan tổng hợp chuỗi polypeptide dựa khuôn mã của mRNA Đây một bộ máy phân tử lớn, phức tạp, có mặt tất các tế bào sống, nơi xảy trình sinh tổng hợp protein Ribosome bao gồm hai tiểu đơn vị - tiểu đơn vị ribosome nhỏ đọc mRNA, tiểu đơn vị lớn liên kết acid amine để tạo thành chuỗi polypeptide Mỗi tiểu đơn vị cấu tạo từ RNA hay gọi rRNA, với 50 loại protein 17 Hình 4: Tiểu đơn vị lớn (đỏ) tiểu đơn vị nhỏ (xanh) gắn kết với tạo thành ribosome V.2 tRNA tham gia vào trình tổng hợp protein Sử dụng mRNA mẫu, ribosome dùng đơn vị mã (3 nucleotide) mRNA, ghép nối với acid amine thích hợp cung cấp aminoacyltRNA Aminoacyl-tRNA có chứa anticodon bổ sung vào đầu axit amine thích hợp đầu Ribosome có ba phần RNA liên kết, gọi A, P E Phần A liên kết với aminoacyl tRNA, phần P liên kết với peptidyl-tRNA (tRNA dính với peptide tổng hợp) phần E liên kết với tRNA tự trước khỏi ribosome. Quá trình dịch mã (tổng hợp protein) chia thành ba giai đoạn: Mở đầu: Tiểu đơn vị nhỏ ribosome (có rARN) gắn với mARN vị trí nhận biết đặc hiệu (gần ba mở đầu) di chuyển đến ba mở đầu (AUG) Aminoacyl-tRNA phù hợp tiến đến gắn với mở đầu theo nguyên tắc bổ sung (UAX - AUG), sau tiểu đơn vị lớn gắn vào tạo ribosome hồn chỉnh Kéo dài (tổng hợp): Aminoacyl-tRNA khớp bổ sung đối mã với codon mARN Tiểu đơn vị lớn xúc tác cho hình thành liên kết peptit axit amin mở đầu Ribosome tiếp tục dịch chuyển tARN 18 tách di chuyển khỏi ribosome, trình tiếp tục ribosome chạy tiếp dọc mARN Kết thúc: Khi ribosome chạy đến codon kết thúc (UAA, UAG, UGA - tương ứng với khơng axit amin) dịch mã chấm dứt, hai tiểu đơn vị ribosome tách Ngay sau đó, enzym đặc hiệu loại bỏ axit amin mở đầu, q trình dịch mã hồn tất Hình Sơ đồ mơ tả q trình tổng hợp protein 19 KẾT LUẬN Như vậy, tRNA thành phần cần thiết quan trọng trình tổng hợp protein Với chất cấu trúc chuỗi xoắn polynucleotides, tRNAcó chức vận chuyển acid amine đến ribosome để tiến hành tổng hợp nên chuỗi polypeptides theo mã di truyền Mỗi tRNA chứa anticodon khác tương ứng với codon tương ứng mRNA, song thối hóa vị trí anticodon làm cho tRNA “bổ sung” với nhiều mRNA dẫn đến việc nạp sai trình tự acid amine lên chuỗi polypeptides Tuy nhiên, điều khắc phục aa – t RNA synthetase, chức đọc lại aa – tRNA synthetase cho phép kết hợp acid amine với tRNA tương ứng thủy phân acid amine đặc hiệu chúng Aa – tRNA hình thành qua hai giai đoạn: hoạt hóa acide amine tạo liên kết ester với tRNA.Sự ổn định aa – tRNA phụ thuộc chủ yếu vào chất amid amine liên kết, bị ảnh hưởng phần yếu tố môi trường (pH, chất điện ly, ) Sau có phân tử aa – tRNA, trình tổng hợp protein bắt đầu, diễn ribosome khuôn mẫu mRNA chuỗi polypeptides hình thành nhờ vận chuyển acid amine aa – tRNA đến ribosome Ngồi vai trị chủ yếu liên kết trung gian chuỗi mã hóa mRNA chuỗi polypeptides mã hóa q trình tổng hợp protein, người ta thấy aa-tRNA có chức số đường sinh tổng hợp khác. aa-tRNA tìm thấy có chức chất đường sinh tổng hợp cho thành tế bào, kháng sinh, lipid thối hóa protein 20