Chương IV: Sự biến dưỡng Protein và Amino acid potx

ĐẶC ĐIỂM : Về sự ấp thu AA: ởruột non các amino acid được còn thừa của một amino acid nào đó nằm ngoài tương quan sẽ bị đào thải -> khẩu phần cần cótỷ lệ các amino acid thiết yếu phù hợ

Chương IVSỰ BIẾN DƯỠNG PROTEIN VÀ AMINO ACID

2 Sự tiêu hóa protein và hấp thu amino acid

3 Sự biến dưỡng trung gian của amino acid

4 Quá trình sinh tổng hợp protein

5 Sự điều hòa biểu hiện gene

6 Biến dưỡng các protein phức tạp

7 Rối loạn biến dưỡng protein

1 VAI TRÒ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA BIẾN DƯỠNG PROTEIN

• - Khi oxy hóa protein có thể cung cấp 10-15% nhu cầu năng lượng của cơ thể.

• - Lưu ý giá trị sinh vật học của protein thức ăn có nguồn gốc động vật (thịt, trứng, sữa…) và protein thức ăn có nguồn gốc thực vật

1.2 ĐẶC ĐIỂM

: Về sự ấp thu AA: ởruột non các amino acid được

còn thừa của một amino acid nào đó nằm ngoài tương

quan sẽ bị đào thải -> khẩu phần cần cótỷ lệ các

amino acid thiết yếu phù hợp với đặc điểm hấp thucủa

từng loài

AA giới hạn

Cơ thể động vậtkhông dự trữ proteinmà tùy theo lứatuổi, tùy giai đoạn sinh trưởng và trạng thái sinh lý mà

có sự cân bằngnhất định giữa lượng protein thu vào vàthải ra Sự cân bằng này được thể hiện qua chỉ số gián

CÂN BẰNG N = ∑N THU VÀO - ∑N THẢI RA

Ba trạng thái căn bằng có thể gặp :

Cân bằng dương :

∑N thu vào〉〉〉〉∑N thải ra -> đồng hóa〉〉〉〉 dị hóa

(đv non đang phát triển)

 Thăng bằng

(động vật trưởng thành)

 Cân bằng âm

∑N thu vào 〈〈〈〈 ∑N thải ra -> đồng hóa 〈〈〈〈 dị hóa

(động vật già)

Lượng protein tối thiểu cho một số loài động vật

1 - 1.50Người

1.00Bò sữa (đang cho sữa)

0.60 – 0.70Bò sữa (khô sữa–cạn sữa)

0.70 – 1.42Ngựa

1.00Heo

1.00Cừu

Lượng protein tối thiểu(gr pro/kg P / ngày đêm)Loài động vật

2.TIÊU HÓA PROTEIN

Tiêu hóa protein ở dạ dày

Tiêu hóa protein ở ruột non

Tiêu hóa protein ở ruột già

Sự phân hủy protein mô bào

Đặc điểm tiêu hóa protein ở thú nhai lại

TIÊU HÓA Ở DẠ DÀY

Protein Albumose + Peptone + A acid

-Chimosin(rennin) : enzyme làm đông vón sữa

(vón)

-Các peptidase :

Aminopeptidase

Dipeptidase

TIÊU HÓA Ở RUỘT NON : các enzyme do vách ruột

và tuyến tụy tiết ra :

Các enzyme thủy phân protein trong dịch tiêu hóa

peptidase (ruột non)

Amino-Pepsin (dạ dày) Trypsin(tụy)

1 : Glu

2 : Tyr, Phe

Chymotripsin (tụy)

3 : AA kiềm (Arg, Lys) 5 : Leu, MetTyr, Phe

Carboxypeptidase (tụy) Endopeptidase

Exopeptidase

TIÊU HÓA Ở RUỘT GÌA : quá trình tiêu hóa xảy ra

do tác động củavi sinh vật

Qúa trình lên men(chủ yếu ở manh tràng) : do cácvi

sinh vật hữu íchlên men cellulose và các chất bột đường

chưa tiêu hóa ở ruột non đưa xuống :

các acid béo bay hơi -> hấp thu qua thành ruột gìa,

theo máu đến gan,

các chất khí -> đánh hơi qua hậu môn

 Loài ăn cỏ dạ dày đơn (ngựa, thỏ) manh tràng rất

phát triển, 40-50% cellulose được tiêu hóa ở đây

 Qúa trình thối rữa: vi khuẩn gây thối rữa (trực khuẩn

E.coli)phân hủy protein còn sót lại chưa tiêu hóa từ ruộtnon đưa xuống tạo ra nhiều chất độc và chất khí có mùihôi :phenol, cresol, indol, scatol, H2S, CO2, CH4

với acid glucuronic hoặc gốc sulfatevà thải theo nước tiểudưới tênhợp chất indican-> sử dụng chỉ tiêu này khi thămdò chức năng khử độc của gan

 Loài ăn thịt : qúa trình thối rữa > lên men -> phân thối

Loài ăn tạp : tùy thuộc thành phần thức ăn

HẤP THU SẢN PHẨM TIÊU HÓA PROTEIN

-Lịng ruột:AA và một ít peptide ngắn 4-8a.a

- Trên vách ruột: Peptide đi qua màngnhung mao niêm

biểu bìnhờ vật tải ATPase-Na+, → AA

- Như vậy sản phẩm tiêu hóa protein được hấp thu có mặt

- Nói chung các AA được hấp thu theo cơ chế vận chuyển

ngược bậc thang nồng độ, cần tiêu tốn năng lượng

SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT

TẾ BÀOỐNG TIÊU HÓA

PeptidProtein

Tiêu hóa

Protein

CO2, H2OUrea, NL,

SP sinh họcquan trọng

SỰ PHÂN HỦY PROTEIN MÔ BÀO

các chất có hoạt tính sinh học (enzyme, hormone, kháng

thể…)

Thời gian đổi mới của các mô bào khác nhau, được thể

gan : 8 -12 ngày đêm,

protein huyết tương : 18 -45 ngày đêm

enzyme, hormone có thể đổi mới từng giờ…

tham gia qúa trình chuyển hóa

ĐẶCĐIỂM TIÊU HÓA PROTEIN Ở THÚ NHAI LẠI

Ở dạ dày trước: xảy ra qúa trình cơ bản tiêu hóaprotein và các chất chứa N phi protein (NPN- non protein nitrogen) nhờenzyme của vi sinh vật

Ở dạ múi khế: 20-30%protein chưa tiêu hóa ở dạ cỏđược đưa xuống dạ múi khế (còn gọi làbypass protein) vàđược tiêu hóanhư ở dạ dày đơn(dịch tiêu hóa dạ múi khếchưa HCl, rennin và pepsin)

Các vi khuẩnBacteroides và Peptostreococus phân giải

phẩm này đượcvi khuẩn sử dụng một phầnđể sinh sôiphát triển và đa phần amino acid tham gia vàocác phảnứng biến dưỡng trung gian ở dạ cỏ

Hệ vi khuẩn dạ cỏ có khả năngphân hủy và sử dụng

cácchất NPN để tổng hợp thành amino acidcho chúng sử

dụng Khixuống dạ múi khế, protein vi sinh vật là nguồn

cungprotein có giá trị sinh vật học caoquan trọng cho

thú nhai lại Chất NPN quan trọng, thường được sử dụng

bổ sung vào thức ăn thú nhai lại làurea (50-70g/bò/ngày):

NH2

NH2

NH3 được vi khuẩn sử dụng trongphản ứng amin

hóa-hoàn nguyêncác alpha keto acid để tạo thành amino

acid Đây là con đườngbiến đổi N vô cơ thành N hữu cơ

rất quan trọng trong dạ cỏ

Urease VSV

3 SỰ BD TRUNG GIAN CỦA AMINO ACID

NH3ở vi sinh vật và thực vật3.2 Sự thoái biến của amino acid

 Sự khử amine của amino acid

 Sự khử carboxylcủa amino acid

3.1 SỰ TỔNG HỢP AMINO ACID

CƠ CHẾ CHUYỂN AMIN Ở MÔ BÀO ĐV

-Chỉ tổng hợp được các amino acid không thiết yếu

Hai hệ thống transaminase quan trọng trong mô bào đ/v :

- GOT : Glutamate Oxaloacetate Transaminase

- GPT : Glutamate Pyruvate Transaminase

H2N-CH-COOH

COOH (CH2)2O=C-COOH

CH3O=C-COOH

CH3

H2N-CH-COOH Pyridoxalphosphate

Pyruvate

αα-Ketoglutarate

COOH (CH2)2O=C-COOH

Hình 4.6 : Sự chuyển amine củaGLUTAMATE- PYRUVATE -TRANSAMINASE

Cơ chế amin hóa–hoàn nguyên các ααα- ketoacid bởi NH3

ở vi sinh vật và thực vật:

α

-Đây là con đường biến đổi N vô cơ thành N hữu cơ ở thực

vật và vi sinh vật

- Trong mô bào động vật con đường trên có thể xẩy ra ở

gan, thận

- Để tổng hợp AA thiết yếu cần 5-15 bước, AA không

thiết yếu < 5 bước

3.2 SỰ THOÁI HÓA CỦA AMINO ACID

(1) Khử amin-oxy hóa trực tiếp(2) Khử amin gián tiếp qua giai đoạn chuyển amin

(3) Sự oxy hóa sườn C của amino acid

• (20 AA) α -Ketoacid

R-CH-COOH

NH2

R-C -COOH O

Transaminase

Nhóm NH2của

glutamate

Nhóm NH2của aspartate1

• Sơ đồ của sự khử amine trực tiếp (H 4.7, T.103)

COOH (CH2)2

H2N -CH-COOH

COOH (CH2)2O=C-COOH

NH3 Ammonia NAD(P)H + H +

Glutamate dehydrogenase

(4) (5)

3.2 2 SỰ KHỬ CARBOXYL CỦA AMINO ACID

khử carboxyl tạo ra các amin hữu cơ có hoạt tính sinh

3.3 CÁC CON ĐƯỜNG ĐÀO THẢI NH3

• Nguồn gốc của NH3 trong mô bào :

acid

• NH3 tích tụtrong mô bào -> rối loạn cân bằng

acid-base -> trúng độc kiềm-> ảnh hưởng hệ thần kinh ->

tê liệt, hôn mê, có thể dẫn đến tử vong

Ba phương cách chủ yếu loại thải ammonia :

THÀNH LẬP MUỐI AMMONIUM

TỔNG HỢP CÁC AMIDE Ở NÃO

TỔNG HỢP UREA THEO CHU TRÌNH

ORNITHINE Ở GAN

Hình 4.9 : Phản ứng tổng hợp glutamine

H2N-CH-COOH

Glutamine Glutaminsynthease

• Urea được tạo thành ở gan qua 5 bước :

1 TL carbamyl phosphate do sự gắn NH3tự do với CO2nhờ xúc tác của carbamyl phosphate synthetase ở trong matrix của ty thể ATP cung cấp năng lượng.

2 Chuyển nhóm carbamyl phosphate tới ornithine tạo thành citruline nhờ ornithine carbamyl transferase (OCT) ở trong matrix của ty thể.

3 Tạo thànhargino-succinateở tế bào chất do sự

kết hợp củacitruline với aspartate, Enzyme xúc

tác làargino-succinate synthetase, ATPcung cấp

năng lượng

4 Phân ly argino-sucinate thànharginine và

fumaratenhờargino-succinase (ligase)

5 Tạo urea: arginasethủy phân arginine tách urea

ra và tái tạo lại ornithine -> có tên“chu trình

H2N O

NH3+ CO2+ 2ATP + H2O Carbamyl phosphate

H2N-CH-COOH

CH2

CH2

CH2NH C

H2N

COOH CH

CH COOH

Fumarate

O C

H2N NH2UREA Arginase

H2O

Arginine

AMP + H4P2O7Arginosuccinate synthetase

( 1 )

(2)

(3) (4)

(5)

4 SINH TỔNG HỢP PROTEIN

DNA

Pre-mRNAsnRNAmRNArRNAtRNA

PROTEIN

TRANSCRIPTION (mRNA synthesis)

- Sao mã từ DNA → Pre-mRNA

- Processing

Pre-mRNA → mRNA

TRANSLATION (protein synthesis)

 1959 - ARTHUR KORNBERG (cha) : Giải Nobel

Y học về cơ chế tổng hợp DNA

 2006 - ROGER KORNBERG (con) : Giải Nobel hĩa học về cơ chế sao chép thơng tin di truyền từDNA → RNA ở eukaryotic cell

 2006 – ANDREW FIRE & CRAIG MELLO : Giải Nobel Y học về cơ chế điều khiển dịng thơngtin của gene qua RNA (phát hiện được cơng bố từ1998)

H4.18 : Lý thuyết trung tâm của sinh học phân tử

(1)Sao chép TTDT từ DNA bố mẹ sang DNA con;

(2)Chuyển đổi mã di truyền từ DNA sang RNA – qúatrình phiên mã (transcription);

(3) Dịch mã di truyền (translation) : TTDT từ mRNA được chuyển sang trình tự sắp xếp đặc hiệu củaamino acid trong phân tử protein

(1*)Một số vi sinh vật TTDT được bảo tồn trong RNA-> RNA tự tái bản

(2*) Sự sao chép ngược: RNA -> DNA -> mRNA

Các hiểu biết trên đây chính là nền tảng cho sự ra

đời và phát triển củacông nghệ DNA tái tổ hợp

– hiện là nền tảng cho sự ra đời và phát triển

như vũ bão của ngànhCông nghệ sinh họchiện

đại

46

SINH TỔNG HỢP PROTEIN

4.1 CÁC YẾU TỐ THAM GIA

- DNA

- CÁC RNA

- RIBOSOME

- NĂNG LƯỢNG (ATP & GTP)

- CÁC AMINO ACID4.2 TIẾN TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN

- TÁI BẢN DNA

- SAO CHÉP MẬT MÃT

- GIẢI MÃ DI TRUYỀN Ở RIBOSOME

4.1 CÁC YẾU TỐ THAM GIA

DNA

– Cấu trúc xoắn kép của DNA.

– Tính chất của DNA.

– Vai trò - Bảng mã di truyền.

– Chromosome

CẤU TẠO DNA

Xoắn kép: Hai chuỗi polynucleotide xoắn kép, Đối song: một sợi hướng 5’ →→→ 3’ (trên xuống)

sợi kia 3’ →→→ 5’ (dưới lên) Bổ sung: Purine (G) ……… Pyrimidine (C)

Pyrimidine (T) … Purine (A)

TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CỦA DNA

DNA cĩ khả năng tựtách đơivàtái bản nhân đơitheonguyên tắc bán bảo thủ →→bảo tồn đầy đủ TTDT khi tếbào phân chia

DNA cĩ khả năng sao mã, tổng hợp nên các p/tmRNA

tương tự chúng (theo nguyên tắc bổ sung, thay T trênDNA bằng U trên mRNA) →→TTDT được sao chép

trực tiếp làm khuơn mẫu t/h protein ở ribosome →→TTDT mã hố trong nhân được biểu thị thành các tínhtrạng của sinh vật

CHỨC NĂNG CỦA DNA

Trong hầu hết các sinh vật DNA giữ vai trị bảo tồn và truyền

đạt TTDT từ thế hệ này sang thế hệ khác Chỉ ở một số lồi

virus chức năng này được đảm nhận bởi RNA.

TTDT từ DNA → → → enzyme → → → E kiểm sốt các đặc điểm cơ

bản của quá trình TĐC → → → biểu hiện các tính trạng của sinh vật.

Mỗi bộ ba nucleotide (triplet-codon) mã hĩa một AA

4 loại gốc base → → → 64 codon :

 Codon mở đầu (xác định khung đọc mật mã) : AUG - Met

 Codon mã hĩa : 60 codon/20 AA

 Codon chấm dứt (3 codon vơ nghĩa) : UAG, UAA & UGA

BẢNG MÃ DI TRUYỀN

CÁC RNA

Messenger RNA (m.RNA)

Transfer RNA (t.RNA)

Ribosomal RNA (r.RNA):Kết hợp với

protein -> ribosome (ribonucleoprotein)

Messenger RNA (m.RNA): được sao chép từ sợitemplate của DNA theo nguyên tắc bắt cặp bổ sung ->

mang TTDT đến ribosome

Transfer RNA (t.RNA) :

-Đầu 3’liên kết vớiamino acidđể vận chuyển

-DHU(dihydrouracil) loop : nhận biếtenzyme

-Tϕϕϕϕ C(thymine pseudouridine cytidine) loop : nhậnbiếtribosomeđang hoạt động

(ϕϕϕϕ = 5-ribosyl uridilic acid – uridilic acid giả)

-ANTICODON loop: tìm codonmã hóa AA trên mRNA

30S (1 rRNA + 21 r-protein)

- Eukaryote : 80S -> 60 S + 40 S60S (3 rRNA + 45 r-protein) 40S (1 rRNA + 33 r-protein)

NĂNG LƯỢNG : ATP, GTP

Các amino acid

P site A site 60S (50S) ->

3’

5’

Hình 4.21 : Ribosome

- R60S (R50S) : Aminoacyl site (A site) : tiếp nhận amino acid

Peptidyl site (P site) : chứa chuỗi peptide

- R40S (R30S) : gắn với mRNA

RIBOSOME

5.2 TIẾN TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN

TÁI BẢN DNA (DNA replication)

SỰ TRUYỀN MÃ TỪ DNA SANG mRNA

(transcription)

GIẢI MÃ DI TRUYỀN (translation - tiến trình

tổng hợp protein ở ribosome)

(1) DNA REPLICATIONSao chép TTDT từ DNA bố mẹ sang DNA con -> bảo tồn nguyên vẹn TTDT khi tế bào phân chia

Nguyên tắc :sợi template được đọc từ 3' -> 5',

• sợi DNA được tổng hợp từ 5‘ -> 3'

Các đặc tính

- Bán bảo thủ (một sợi mới bổ sung với sợi cũ),

- Bắt cặp theo nguyên tắc bổ sung (A -> T, G -> C)

- Các nucleotide được thêm vào luôn luôn theo hướng5’ -> 3’

-Vùng NST tái bản gọi làreplicon

Các yếu tố cần thiết(bảng 4.7-t.117)

 RNA primer (10-20 nucleotides)

 Enzyme helicase đểtháo xoắn

 Protein SSB (single strand DNA binding) : ngăn

cản tái bắt cặpvà ngăn cản sợi đơn tự xếp lại

 DNA polymerase III : tổng hợp DNAtrên mồi

 DNA polymerase I : thủy giải mồivà thay thế

chúng bởi DNA

 Cácligase để nốicác đoạn DNA

 Các deoxyribonucleoside triphosphate (dATP,

theo mô hình của Kornberg (1988)

(1)

(2) (3)

(4)

(5)

(6) (7)

(2) TRANSCRIPTIONChuyển đổi mã di truyền từ DNA sang RNA

(qúa trình phiên mã, truyền mã)

Đặc tính: Template DNA được đọc từ 3’-> 5',

m RNA được tổng hợp từ 5’ -> 3'

- Sao chép theonguyên tắc bổ sungcác gốc ba

Base trên DNA sense : T A C G

Base DNA template : A T G C

Base trên mRNA : U A C G

- Các yếu tố cần thiết :

các nucleotide triphosphate : UTP, ATP, GTP,ø CTP

ARN polymerase

Sao chép theo nguyên tắc bổ sung các gốc base

Hình 4.19 : Sao chép và dịch MMTTDT (t.118)

Ở prokaryote: sự sao chép tiến hành song song với sựdịch mã Cùng lúc sao chép một nhóm gene liên quan ->

tạo thànhpoly-cistronic mRNA-> tổng hợp cùng lúcnhiều hơn một protein

Ở eukaryote : Gene gồm các vùng exons (mã hóa) và các

vùng introns (không mã hóa) xen kẽ nhau.

• sao chép ở nhân trước, dịch mật mã ở ribosome sau Chỉ có

monocistronic mRNA -> chỉ tổng hợp một protein

• B1 : sao chép tất cả exons và introns -> pre-mRNA

• B2 : RNA processing :

 thêm mũ 7 methyl G ở đầu 5’

 thêm đuôi poly A ở đầu 3’,

 Splicing : loại bỏ introns và nối các exons -> mature m-RNA

Eukaryote monocistronic- mRNA

(3) SỰ DỊCH MẬT MÃ THÔNG TIN DI TRUYỀN (Translation- QÚA TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN)

Các yếu tố tham gia :

 Messenger RNA (mRNA)

 Transfer RNA (tRNA)

 Ribosomes (complexes of protein and ribosomal RNA [rRNA])

 Amino acids

 Năng lượng (ATP và GTP)

Qúa trình dịch mật mã trải qua 4 giai đoạn:

-GĐ 1:tRNA charging: gắn AA vào tRNA

-GĐ 2:Initiation: thành lập tổ hợp mRNA,

ribosomes và aminoacyl- tRNA

-GĐ 3:Elongation : đọc mã (codon) và dịch sang

chuỗi peptide có trật tự aminoacid tương ứng

-GĐ 4:Termination : chấm dứt tổng hợp protein)

Bảng 4.10: Các yếu tố protein hoà tan trong sinh tổng hợp protein ở E coli

Kích thích sự liên kết RF –1 và RF -2 46

Xúc tiến sự chuyển vị của ribosome 77

EF -G

Tách GDP từ EF -Tu 74

EF -Ts

Liên kết với aminoacyl-t.RNA và GTP 43

EF -Tu Các yếu tố nối dài chuỗi polypeptide (Elongation factor)

Gắùn tiểu đơn vị 30S vào m.RNA tại codon mở đầu 22

Chức năng PTT (kD)

Yếu tố

GĐ 1: gắn amino acid với tRNAs đặc hiệu

 enzyme (aminoacyl synthetase) nhận diện cả

amino acid và tRNA

 Phản ứng có tính đặc hiệu cao

 Tiêu tốn năng lượng (ATP)

Bước hoạt hóa :R–CH–COOH + ATP R–CH–CO ∼AMP

Bước gắn amino acid vàotRNA -> tRNA- aminoacyl Anticodon 3 – 2 - 1

Codon 1 – 2 - 3

GĐ 2 : Initiation–KHỞI DẪN (H.4.22,t.125)

 Codon khởi dẫnAUG(mã hóa Met)

Ơû prokaryote -> f Met -tRNA

Xác định khung đọc mật mã từ AUG

 Initiation factor (IF1, IF2 & IF3)

B1: R30S gắn với IF1 & IF3 -> tách R50S

B2 : mRNA gắn vào R30S nhờ IF3

 fMet-tRNA liên kết vào codon khởi dẫn nhờ

phức hợp IF2-GTP

B3: GTP -> GDP + Pi cung cấp năng lượng

R50S + R30S -> R70S hoạt động Các IF rời khỏi

ribosome f Met-tRNA ở P site, A site trống Khởi dẫn tổng hợp protein

GĐ 3 : Elongation(hình 4.23, T127)

 Cần năng lượng (GTP)

 Elongation factor (EF-Tu, EF-Ts & EF-G)

B1 : Binding– phức hợp AMINOACYL-tRNA nhờ phức

hợp (EF-Tu.GTP) sẽ gắn vào codon trống ở A site do sự

tương tác bổ sung ANTICODON – CODON

B2 : Transpeptidation: chuỗi peptide ở P site chuyển

sang A site, tạo liên kết peptide mớinhờpeptidyl

-synthetasexúc tác, sử dụng NL từ bước 1 còn dư

B3 :Translocation : GTPcung cấp NL, ribosome dịch

chuyển 1 codon theo hướng 5’->3’ -> đọc mật mã kế tiếp

Chuỗi polypeptide sang P site tRNA rời khỏi ribosome

A site có codon trống Chu kỳ mới tiếp tục Bước đầu tiên trong giai đoạn dịch MMTTDT