sinh tổng hợp protein

•  Cĩ ở cả nhân nguyên thủy lẫn nhân thật •  Khi ribosom đầu tiên dịch mã mARN được một đoạn, các ribosome khác có thể tiếp tục gắn vào phía trước để dịch mã.. Cấu trúc ARN thông tin m

SINH TỔNG HỢP PROTEIN

• 1 Cấu tạo các tiểu đơn vị ribosom ở tế bào nhân nguyên thủy và tế bào nhân thật

Ribosome nhân nguyên thủy

• Gồm 2 tiểu đơn vị, cấu tạo bởi rARNvà protein :

phân tử protein

•  rARN có cấu trúc không gian phức tạp do nhiều đoạn bắtcặp với nhau nhờ có trình tự nucleotid bổ sung

Ribosome nhân nguyên

thủy

 34 protein

23S rARN ( 3000 base) 16S rARN

( 1500 base)

 21 protein

5S rARN ( 120 base) +

30S 50S

Ribosome nhân thật

Tiểu đơn vị 40S Tiểu đơn vị

( 2000 base)

 33 protein

5.8S rARN (160 base) +

5S rARN (120 base) +

•  Cĩ ở cả nhân nguyên thủy lẫn nhân thật

•  Khi ribosom đầu tiên dịch mã mARN được một đoạn, các ribosome khác có thể tiếp tục gắn vào phía trước để dịch mã.

•  Khoảng 15-20 ribosome có thể gắn cùng lúc

trên mARN.

•  Các ribosome xếp thành chuỗi trên mARN tạo nên cấu trúc polyribosome hay còn gọi là

polysome

2 Cấu trúc ARN thông tin (mARN) ở tế bào nhân nguyên

thủy và nhân thật

• Thông tin di truyền là một trình tự thẳng của các base nucleotid tạo thành các codon trên mARN trong đó lần lượt chứa các vùng sau :

•  Vùng không mã hóa ở đầu 5’được gọi là trình tự dẫn bao gồm một trình tự bổ xung với rARN của ribosom để gắn ribosome vào mARN Các trình tự dẫn đầu 5’ rất khác nhau về độ dài ở các loại

mARN khác nhau, nhìn chung, ở các tế bào nhân

• “Chóp” (CAP) : Ngoài trình tự không mã hóa ở đầu 5’ và 3’, các mARN tế bào chất nhân thật có gắn thêm

“chóp” (CAP) 7-methyl Guanosine Triphosphat ở đầu 5’ Đặc điểm này liên quan đến sự tương tác giữa

mARN và ribosome

•  Phần mở đầu : chứa một bộ ba mở đầu (thường là AUG),

•  Vùng mã hóa (coding region) của mARN chứa các codon qui định trình tự acid amin của protein.Trình tự codon được đọc theo hướng 5’ đến 3’ trên mARN.

•  Phần kết thúc là một trong các bộ ba kết thúc (codon stop : UAA, UGA, hoặc UAG).

•  Trình tự không mã hóa nằm tại phần chấm dứt của phân tử mARN Các trình tự 3’ và 5’ không mã hóa còn được gọi là các vùng không phiên dịch ,

viết tắt là UTR (untranslated regions)

• Các vùng không phiên dịch ở đầu tận cùng 3’ có chiều dài rất khác nhau

•  Đuôi poly(A): Hầu hết các phân tử mARN tế bào nhân thật ở đầu 3’ có thêm đuôi 100-200 Adenin

(polyA).

• Chức năng của đuôi poly (A) chưa rõ ràng Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mARN khỏi bị thủy giải của exonuclease , nhưng không cần thiết cho sự dịch mã.

• Một vài loại mARN như histon-mARN và mARN vi khuẩn không có đuôi poly(A).

Vùng không phiên dịch

Vùng không phiên dịch

Vùng không phiên dịch

Vùng không phiên dịch

P P P

5’ 3’

S top

AAAAAAAA Star

7 - methyl

gïanosine

Khung dịch mã (ORF) Vùng mã hoá

Vùng 5’ không phiên dịch (UTR)

Vùng xen giữa không phiên dịch (UTR)

Vùng 3’ không phiên dịch (UTR)

Khung dịch mã 1 (ORF)

Khung dịch mã 2 (ORF) Vùng mã hoá,

cistron 1

Vùng mã hoá, cistron 2

(a)

CẤU TRÚC CHÓP (CAP) CỦA NHÂN THẬT

N

N

NN

PO

O

CH2OCH3

Có thể bịmethyl hoá

3 ARN vận chuyển và các enzym tổng hợp

tARN-aminoacyl synthetase).

• tARN

•  Các ARN vận chuyển có 1 anticodon tương ứng với acid amin mà nó vận chuyển

•  Mỗi tARN đặc hiệu cho một loại acid amin riêng biệt

•  Có thể có vài tARN giải mã cho cùng một acid amin Các loại tARN chuyên chở cùng một acid amin thì được gọi là tARN đồng nhận

•  Có vài bộ ba trong mã di truyền cùng giải mã cho một loại acidamin, ngoại trừ methionin và tryptophan Những bộ ba đồng loại(synonym) này được gọi là codon chéo, đây là điểm khác nhau

3 ARN vận chuyển và các enzym tổng hợp

tARN-aminoacyl synthetase).

•  Số lượng các tARN biến động theo loài : nhân nguyên

thủy 30-40, nhân thật 50

•  Các tARN phải được nhận biết chuyên biệt đồng thời bởimARN và bởi enzyme gắn acid amin vào tARN tương ứng

(enzyme tARN-aminoacyl synthetase) Điều này giúp giải

quyết trở ngại không gian trong quá trình dịch mã

•  Kích thước của codon lớn hơn so với acid amin, nên nếumột acid amin nhận biết và gắn trực tiếp lên một codon trênmARN thì nó sẽ cách với acid amin tương ứng với codon kếcận để hình thành liên kết peptid

•  Sự nhận diện chính xác tARN của synthetase thông quaviệc nhận diện anticodon Enzyme aminoacyl-tARN

đúng cho một synthetase thì được gọi là tARN duy nhất

4 Amynoaxyl hóa

• Hai bước aminoacyl hĩa

•  Acid amin phản ứng với ATP có enzyme xúc tác để tạo thành aminoacyl adenylate hoạt hóa

•  Pyrophosphat tạo ra bị thủy giải thành 2 phân tử phosphat vô

cơ Phản ứng này tạo ra một năng lượng thủy giải tự do tương đối cao, đẩy phản ứng theo chiều tạo aminoacyl-AMP trung gian

(Acid amin hoạt hoá)

P O O

O

O C

O CH(R)NH+Adenosine

4 Amynoaxyl hóa

4 Amynoaxyl hóa

Trong quá trình dịch mã, ribosom khơng cĩ khả năng xác

nĩ chỉ đơn thuần đảm bảo sự ăn khớp giữa codon trên mARN

và anticodon trên tARN, nếu khớp thì acid amin trên tARN dù đúng hay sai đều được nối vào chuỗi polypeptid

Bước aminoacyl hĩa phải chính xác: nếu một tARN chấp

nhận một acid amin sai dẫn đến việc gắn acid amin khơng

đúng vào protein và sẽ khơng cĩ “bước đọc sửa sai” theo

sau bước aminoacyl hĩa

4 Amynoaxyl hóa

 Bước đọc sửa sai chỉ được thực hiện ở giai đoạn aminoacyl

 Quá trình aminoacyl hĩa cùng lúc thực hiện 2 chức năng:

Cung cấp sự liên hệ duy nhất của mã di truyền (dựa vào

acid nucleic) và cấu trúc protein (với các acid amin)

- Hoạt hĩa acid amin trước khi kết nối vào protein Liên kết ester aminoacyl giữa acid amin và tARN dự trữ một năng

lượng tự do tương đối cao, năng lượng này rất cần thiết cho việc hình thành liên kết peptid trong quá trình dịch mã

5 Các tARN và Codon khởi đầu

• Trình tự mã của phân tử mARN được khởi đầu với bộ ba

AUG, rất hiếm các bộ ba khác (AUU, UUG)

• Chỉ có một codon mã hóa cho Met, nhưng trong tế bào chất lại hiện diện 2 loại tARN có khả năng mang Met đến kết hợp với codon đó :

mARN, có nhiệm vụ gắn Met vào chuỗi polypeptid đang hình thành

đầu vào chuỗi polypeptid

• Ơû vi khuẩn, tARNiMet khởi đầu không chỉ vận chuyển

methionin mà còn vận chuyển formyl-methionin : tARN này được gọi là tARNfMet (viết tắt là fMet)

5 Các tARN và Codon khởi đầu

CH3

tARN f Nhóm formyl

Nhóm methionyl

5 Các tARN và Codon khởi đầu

• Sự tổng hợp tất cả protein ở vi khuẩn đều bắt đầu bằng

thường bị loại bỏ sau khi tổng hợp xong phân tử protein Ví dụ, ở E coli, chỉ có 45% các protein hoàn chỉnh bắt đầu

bằng methionin

• Ở tế bào nhân thật, các tARN chuyên biệt cho các bộ ba

AUG khởi đầu và AUG bên trong mARN, những tARNMet mở đầu chỉ vận chuyển methionin khởi đầu được gọi là

tARNiMet và tARNmMet cho các bộ ba AUG bên trong

5 Các tARN và Codon khởi đầu

Các bộ ba khởi đầu và tARN khởi đầu

Vi khuẩn Nhân thật Bộ ba khởi đầu AUG (GUG) AUG

tARN khởi đầu tARNfMet tARNIMet

tARN mang a.a

Formyl-methionin

Methionin

5 Các tARN và Codon khởi đầu

• GIAI ĐOẠN KHỞI ĐẦU

• Giai đoạn khởi đầu, có sự tham gia của :

•  2 tiểu đơn vị của ribosome,

•  Một phần tử mARN (được sắp thẳng hàng với ribosome)

•  tARN khởi đầu mang methionin hoặc formyl-methionin ở nhân nguyên thủy

•  Các nhân tố khởi đầu (initiation factors) như IF1, IF2, IF3 ở vi khuẩn và 10 nhân tố eIF (nhân thật F) như eIF1, eIF2, eIF3, eIF-4A, eIF-4B… ở nhân thật

Chuỗi peptid mới sinh

Protein hoàn chỉnh

Giai đoạn kéo dài

Giai đoạn

khởi đầu

Giai đoạn kết thúc

40S 60S

40S

60S

S T O P

40S

Đơn vị phần nhỏ

Đơn vị phần lớn

S T A R T

Yếu tố ở

Nhóm yếu tố liên quan đáp ứng cho việc gắn chóp 5’vào đầu mARN và tháo xoắn cấu trúc bậc 2 tạo điều kiện cho ribosome đậu vào bộ ba khởi đầu

eIF-5 Giải phóng eIF-2 và eIF-3 khỏi ribosome và giúp cho

bán đơn vị 60S kết nối eIF-6 Tham gia vào việc tách ribosome thành các bán đơn vị GEF Yếu tố biến đổi nucleotid Guanin : tái sinh eIF-2

bởi sự biến đổi trung gian GDP thành GTP trong quá trình tương tự để tái sinh EF-Tu bởi EF-Ts (Hình 51)

Các yếu tố khởi đầu (initiation factors) của tế bào nhân nguyên

thủy và nhân thật và chức năng của chúng

• 6 Khởi đầu chuỗi peptid ở vi khuẩn

• Có sự tương tác trực tiếp giữa mARN và rARN của tiểu đơn vị30S dẫn đến việc gắn mARN vào ribosome

chứa một trình tự dẫn ở đầu 5’ ngắn: bao gồm trình tự

polypurin ngắn bổ sung với một trình tự giàu pyrimidin ở tậncùng 3’ của rARN 16S

• Việc ghép đôi base giữa các trình tự này có thể là cơ chế

làm cho ribosome của vi khuẩn hướng tới đúng bộ ba khởiđầu của mARN Ngày nay, người ta gọi trình tự ngắn này làtrình tự Shine-Dalgarno.

6 Khởi đầu chuỗi peptid ở vi khuẩn

• Đặc điểm sự khởi đầu chuỗi peptid ở vi khuẩn

•  Nhận diện trình tự Shine-Dalgarno, nằm gần điểm

xuất phát của trình tự mã hóa mARN.

•  Sự khởi đầu khơng phải nằm gần với điểm khởi đầu 5’ của mARN.Sự phiên dịch có thể bắt đầu ở bất kỳ

điểm nào trên phân tử mARN, chứng tỏ trước bộ ba

khởi đầu đã có một trình tự Shine-Dalgarno.

•  Các mARN nhân nguyên thủy có chứa tới vài vùng

6 Khởi đầu chuỗi peptid ở vi khuẩn

•  Các phân tử tARN luôn luôn gắn với ribosome như những

phức base có chứa GTP và yếu tố protein

•  mARN và phức hợp tARN gắn trước tiên vào tiểu đơn vị 30S, cả

2 bước này đều xảy ra trước khi 50S gắn vào để tạo ra phức hợp 70S cho việc nối dài

6 Khởi đầu chuỗi peptid ở vi khuẩn

Khởi đầu dịch mã ở tế bào nhân nguyên thủy bắt đầu với tiểu đơn

vị 30S và được xúc tác bởi các yếu tố khởi đầu IF1, IF2 và IF3

- IF1 ngăn khơng cho aminoacyl-tARN gắn vào vị trí sẽ trở thành

vị trí A của ribosom hồn chỉnh

- IF2 là một GTPase (protein gắn và thủy phân GTP) IF2 tương tác với 3 thành phần của bộ máy khởi đầu là tiểu đơn vị 30S, IF1 và fMet-tRNAfMet,do đĩ giúp fMet-tRNAfMet gắn vào tiểu đơn vị

30S tại vị trí P và ngăn các aminoacyl-tARN khác gắn vào

- IF3 gắn vào tiểu đơn vị 30S và ngăn nĩ tái hợp với tiểu đơn vị

50S hay gắn với aminoacyl-tARN khác Cần lưu ý là sự khởi

6 Khởi đầu chuỗi peptid ở vi khuẩn

Tiến trình khởi đầu gồm các bước:

1 IF3 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ tại vị trí E

2 IF1 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ tại vị trí A IF2 (cĩ hoạt tính GTPase)

gắn vào IF1 và chồm qua vị trí P để cĩ thể tiếp xúc với

tARNfMet

3 Tiểu đơn vị nhỏ của ribosom gắn mARN nhờ bắt cặp base giữa

vị trí gắn ribosom (rbs) trên mARN với rARN 16S sao cho

codon khởi đầu nằm tại vị trí P tARNfMet gắn vào tiểu đơn vị nhỏ tại vị trí P nhờ sự trợ giúp của IF2 Sự gắn của cả hai ARN (mARN và tARNfMet) vào ribosom cĩ thể xảy ra theo thứ tự bất

kỳ và độc lập với nhau.

6 Khởi đầu chuỗi peptid ở vi khuẩn

4 Khi codon khởi đầu bắt cặp đúng với anticodon trên tARNfMet, tiểu đơn vị nhỏ thay đổi cấu hình làm cho IF3 khơng gắn được

và bị phĩng thích Khi khơng cĩ IF3, tiểu đơn vị lớn mới gắn vào tiểu đơn vị nhỏ

5 Sự gắn tiểu đơn vị lớn kích hoạt GTPase (trên IF2-GTP) thủy giải GTP thành GDP IF2-GDP cĩ ái lực yếu với ribosom và

tARNfMet dẫn đến phĩng thích IF2-GDP và IF1 khỏi ribosom và giải phĩng vị trí A để tiếp nhận các tARN đã hoạt hĩa khác cho giai đoạn nối dài

7 Khởi đầu chuỗi peptid ở nhân thật

• Đặc điểm khởi đầu chuỗi peptid ở nhân thật

•  Trình tự dẫn mARN nhân thật không được xem như trình tự Shine-Dalgarno ở nhân nguyên thủy

•  Đầu tận cùng 3’ của rARN 18S (tương đương với rARN 16S

ở vi khuẩn) không có trình tự CCUCC

•  Bộ ba AUG có thể chỉ là bộ ba mã hóa bình thường nhưng cũng có thể là bộ ba khởi đầu

trình tự mã hóa và khởi đầu, thường xảy ra ở bộ ba khởi đầu AUG trong mARN

•  Ở nhân thật Met-tARNiMet phải được gắn kết trước vào tiểu đơn

vị 40S Điều đó cho thấy rằng đối mã (CAU) trên tARN-khởi đầu đã

Marilyn Kozak đã đề xuất mô hình “quét” để nhận diện codon khởi đầu ở tế bào nhân thật Trước tiên tiểu đơn vị nhỏ 40S của

ribosom gắn vào đầu tận cùng 5’ của mARN, sau đó di chuyển dọc theo mARN tới khi gặp codon khởi đầu AUG

Năng lượng cho sự di chuyển lấy từ sự thủy phân ATP và sự

tương tác khởi đầu với mARN có thể liên quan tới cấu trúc

chóp 5’ (CAP) Codon AUG có thể chỉ là codon mã hóa bình

thường nhưng cũng có thể là codon khởi đầu, nếu nó được

định vị trong một “ngữ cảnh” đúng Ngữ cảnh biết tới nhiều

nhất do Kozak phát hiện, do đó còn được gọi là trình tự Kozak

Ngữ cảnh nhận diện codon khởi đầu

Tiểu đơn vị 40S sẽ bỏ qua codon AUG bình thường cho đến khi định vị tại

codon AUG khởi đầu nằm trong ngữ cảnh tốt 95% các trường hợp khởi đầu

ở tế bào nhân thật xảy ra tại codon khởi đầu AUG, hầu như không dùng tới GUG.

Khởi đầu dịch mã ở tế bào nhân thật phức tạp hơn rất nhiều so với tế bào nhân nguyên thủy và có hơn 30 peptid tham gia

1 Chuẩn bị tiểu đơn vị 40S :

a eIF1A và eIF3 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ tại vị trí A và E

b eIF1A giúp eIF5B-GTP gắn vào tiểu đơn vị nhỏ.

c eIF5B-GTP giúp phức eIF2-GTP gắn với tRNAiMet , eIF5B-GTP và

eIF2-GTP định vị tRNAiMet vào vị trí P

2 Chuẩn bị mARN (Hình 5.10):

a eIF4E gắn vào chóp 5’ của mARN, giúp eIF4A và eIF4G gắn vào

mARN, 3 protein này tạo thành eIF4F hoàn chỉnh

b eIF4B được gắn tiếp vào và hoạt hóa hoạt tính helicase trên eIF4F để

• 8.Vai trị của các yếu tố khởi đầu

•  Ở E coli chỉ có 3 yếu tố khởi đầu , ở nhân thật có 10 yếu tố

thể hiện qua các cách gắn mARN và xác định bộ ba khởi đầu

đơn vị nhỏ thành phức hợp với GTP

•  eIF-6 tương tác với bán đơn vị lớn 60S và tách đôi được 2 bán đơn

vị của ribosome

khác Nhiều yếu tố khởi đầu liên quan tới sự gắn kết mARN như 4A, eIF-4B, eIF-4E, eIF-4F

eIF-• Các yếu tố này thường là những protein gắn chóp (Cap-binding

proteins) do chúng gắn vào chóp 5’: chúng gắn vào các hợp phầncủa chóp (như f-methyl GTP)

eIF-4E và eIF-4A, vì cùng là protein có phân tử lượng Mr 220 000 Người

ta cho rằng eIF-4F thông qua eIF-4E gắn trực tiếp vào chóp trước vàsau đó eIF-4A và eIF-4B mới gắn vào

• NỐI DÀI

3’, chuỗi polypeptid được bắt đầu tổng hợp ở đầu tận cùng –N

Quá trình này giống nhau ở tế bào nhân nguyên thủy và nhân thật

•  Sự nối dài có nhiều chu kỳ,

•  Sự nối dài cần đến các yếu tố nối dài (elongation factors = EF)

Ở vi khuẩn, các yếu tố này là EF-Tu, EF-Ts và EF-G

•  Trên ribosome có 2 vị trí A và P Vị trí A là vị trí aminocyl (hoặc Acceptor), và vị trí P là vị trí Peptidyl, nối giữa phức hợp peptidyl-tARN

Ở nhân

nguyên thủy

Ở nhân thật Chức năng

EF-Ts

(Mr = 30 000)

EF-1-Tu (Mr = 50/38 000) Tái hồi EF-Tu hoặc EF-1

EF-G

(Mr = 77 000)

EF-2 (Mr = 100 000)

Tham gia vào bước chuyển

vị của chu kỳ nối dài

Các yếu tố nối dài

Bá n đơn vị nhỏ

Bán đơn vị lớn

Vị trí gắn mARN

A P

Tiến trình nối dài gồm các chu kỳ 3 bước, sau mỗi chu kỳ 1 acid amin mới được thêm vào mạch polypeptid, tiến trình nối dài ở nhân nguyên thủy như sau:

1 Aminoacyl-tRNA có đối mã đúng được mang vào vị trí A nhờ yếu tố EFTu- GTP; khi vào đúng vị trí, hoạt tính GTPase của EF-Tu-GTP được kích hoạt bởi tiểu đơn vị lớn dẫn đến thủy phân GTP thành GDP và phóng thích aminoacyl-tRNA Sự kích hoạt GTPase chỉ xảy ra nếu tRNA vào đúng vị trí A và có anticodon đúng với mã trên mARN

2 Liên kết peptid được hình thành giữa aminoacyl-tRNA ở vị trí A với peptidyl-tRNA ở vị trí P nhờ enzym peptidyl transferase (do rARN 23S đảm nhiệm) và do đó chuyển polypeptid đang tổng

3 Peptidyl-tRNA mới hình thành ở vị trí A được chuyển

vị sang vị trí P nhờ hoạt động của yếu tố kéo dài G-GTP sử dụng năng lượng thủy phân GTP thành

EF-GDP để giải phóng vị trí A cho 1 chu kỳ mới Sự

chuyển vị có 3 hiện tượng xảy ra đồng thời:

- tARN vận chuyển ở vị trí P được đẩy sang vị trí E và thoát ra ngoài.

- Peptidyl-tARN di chuyển từ vị trí A sang vị trí P

- Ribosom tiến thêm một codon trên mARN, do đó,

codon tiếp theo được đưa vào gióng hàng với vị trí A.