Di truyền học, quá trình lắp ráp và sự điều chỉnh của hệ thống quang hợp

Di truyền học, quá trình lắp ráp và sự điều chỉnh của hệ thống quang hợp

CHƯƠNG 10: DI TRUYỀN HỌC, QUÁ TRÌNH LẮP RÁP VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH

CỦA HỆ THỐNG QUANG HỢP

I TỔ CHỨC GENE CỦA VI KHUẨN QUANG HỢP KỊ

KHÍ.

- Sự quang hợp của những sinh vật quang dưỡng kỵ khí được nghiên

cứu kỹ ở nhóm vi khuẩn tía

- Tổ chức gen và sự điều chỉnh của chúng tương đối ổn định.Đây là nhóm sinh vật quang hợp kỵ khí duy nhất được nghiên cứu rộng rãi

- Trình tự bộ gen của những vi khuẩn tía sau đây đã được xác định rõ :

rhodobacter capsulatus, rhodobacter sphaeroides và

rhodopseudomonas palustris, vi khuẩn xanh chlorobium tepidum và aurantiacus choloroflexus

- Bộ máy quang hợp ở vi khuẩn tía được xác định bởi các thông tin di truyền cần thiết, các thông tin di truyền này được nằm trong một cụm gen quang hợp ( PGC), cụm gen này có chiều dài ~ 41-46Kb và bao gồm các DNA nằm ở trong NST vòng của tế bào

- Cụm gen nay mã hóa cho 38 khung đọc mở và bổ sung các thông tin cần thiết

- Sự sắp xếp DNA trong PGC thì :

+ 50% dùng để mã hóa cho các enzyme tham gia vào các giai

đoạn tổng hợp diệp lục

+ 18% tổng hợp carotene

+ 8% giúp cho gen cấu trúc hấp thụ ánh sáng và giúp cho trung

tâm phản ứng protein xảy ra

+10% là dành cho các gen khác cần thiết cho sự tăng trưởng quanghợp cộng với một vài khung đọc mở không rõ và khu vực không

mã hóa

- Giai đoạn đầu để tổng hợp diệp lục thì phải theo thứ tự từ

protoporphyrin IX và được dùng chung cho sự tổng hợp hem

- Các gen hem này nó mã hóa các enzyme nằm ở vị trí khác trên NST, như là pet gen mã hóa cho các cytochrome bc1 phức tạp, đồng thời nó cũng dùng cho các con đường hô hấp

- Các gen quang hợp khác (không phải là một phần của PGC) bao gồm

các gen mã hóa cho các enzyme trong chu trình calvin và các gen puc

mã hóa cho phức hệ LH2 của anten

- Rhodobacter capsulatus và Rhodobacter sphaeriodes là hai loài vi

khuẩn được tìm hiểu rộng rãi nhất và có cụm gen quang hợp (PGC) cơbản giống hệt nhau Ở các loại vi khuẩn tía khác cũng có những biểu hiện sắp xếp tương tự Ở vi khuẩn G+ Heliobacillus mobilis cũng có

cụm gen quang hợp nhưng ở vi khuẩn lục chứa lưu huỳnh và không chứa lưu huỳnh và vi khuẩn lam thì không chứa cụm gen quang hợp.

- Ở đầu mút của một số sinh vật có cụm gen quang hợp mang thông tin di truyền tới thưc hiện quang hợp trong khi đó ở những loài khác thì không

- Các loại vi khuẩn khác xếp thành nhóm thường được tìm thấy khi các gen dịch chuyển một đoạn theo chiều ngang sang những sinh vật khác Mặt khác nó có thể dựa vào sự điều khiển của bộ máy quang hợp để buộc các gen đóng trên nhiễm sắc thể.Tuy nhiên điều này không quan trọng ở phần lớn các sinh vật khác

- Một vài cụm gen nhỏ được dùng mã hóa cho sự tổng hợp

bacteriochlorophyll,caroten và cấu trúc protein của hệ thống quang hóa

- Trung tâm phản ứng L và M của các protein và các peptide α và β của phức hệ LH1 được chứa trong một operon gần cuối đầu 3’của PGC

được gọi là puf ( đơn vị quang-cố định) Đơn vị H nằm ở gần đầu kết

thúc khác của PGC và được mã hóa bởi gen puhA

- Các gen tổng hợp bacteriochlorophyll và carotene được định vị trongvài cụm gen ,chúng được sao chép thành các operon

- Phức hệ anten LH2 được mã hóa bằng puc operon, puc operon này

không thuộc PGC nhưng có khoảng 20kb được định vị trên gen puhA.

II SỰ BIỂU HIỆN GENE VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA VI

KHUẨN QUANG HỢP MÀU TÍA.

- Vi khuẩn quang hợp tía là những sinh vật đặc biệt có khả năng biến đổi linh họat và có thể tạo ra năng lượng bằng cách quang hợp, hô hấphiếu khí và kỵ khí,lên men.Để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất của những dạng sống khác nhau, sự biểu hiện gen đóng vai trò điều chỉnh.Các biểu hiện của bộ máy quang hợp được tiến hành dưới trạng thái

kỵ khí Ngoài ra, giá trị thực của các trung tâm phản ứng và các cụm ăng ten LH1 và LH2 được sửa đổi phù hợp với cường độ ánh sáng

- Cấu tạo màng tế bào vi khuẩn tía về cơ bản là thay đổi theo biểu hiện của bộ máy quang hợp, với sự hình thành của hệ thống màng

invaginated intracytoplasmic (Chương 6)

- Quy chế của sự biểu hiện bộ máy quang hợp được điều khiển bởi một số mạch tương tác có ảnh hưởng đến sự phiên mã của các

operons khác nhau (Bauer và Bird, 1996; Zeilstra-Ryalls et al., 1998; Gregor và Klug, 1999) Như là đặc trưng cho vi khuẩn, sự sắp xếp được thực hiện chủ yếu ở cấp độ phiên mã, và nhiều, nếu không phải

là hầu hết, các gene được tổ chức tại operons của một số gen với chỉ một ARN vận chuyển duy nhất, sau đó dịch sang protein ở ribosome

- Trong một số trường hợp, có nhiều bản sao khác biệt.Hình thức các bản sao đa gene chồng chéo lên nhau gọi là superoperons.Mặc dù kết

quả tổng thể của các cơ chế điều tiết gần như là giống nhau trong hai

vi khuẩn tía đã được nghiên cứu, là Rb.capsulatus và Rb.sphaeroides, nhưng cơ chế phân tử của chúng lại khác nhau,điều đó đòi hỏi các vănbản gốc phải được tư vấn để biết chi tiết chính xác của bất kỳ hệ thốngnào

- Cấp độ đầu tiên của sự điều chỉnh là ức chế các biểu hiện của gene quang hợp trong điều kiện hiếu khí Khi có khí oxy, một chất kìm hãm được tổng hợp để ức chế sự biểu hiện của tất cả các operons quang hợp Các gen mã hóa cho chất kìm hãm này là ppsR (còn gọi làcrtJ), có vị trí ở giữa của PGC Sản phẩm gen này ức chế sự sao chép của tất cả các operons khác trong PGC bằng cách gắn vào một chuỗi palindrome bảo tồn Trong điều kiện kỵ khí, sự ức chế này mất đi, và tất cả các gen trong PGC được phiên mã đến một mức độ vừa phải

- Cấp độ thứ hai của sự điều chỉnh là kích hoạt trung tâm phản ứng và gen protein cấu trúc hút ánh sáng (puf, puhand PUC) trong điều kiện kỵ khí Điều này được quy định bởi một hệ thống tải nạp hai thành phần bao gồm một tín hiệu kinase cảm biến membranebound (RegB) và một chất điều chỉnh phản ứng hòa tan (Rega) Sự đáp ứng của RegB sẽ phù hợp với lượng oxy và sau đó sẽ đến Rega họat động, trong liên kết chuyển sang promoter ngược dòng của operon và kích hoạt phiên mã Ngoài ra,

sự biểu hiện của cytochrome c2 và các enzym trong chu trình Calvin

cũng được quy định bởi hệ thống này Cuối cùng, hệ thống này phải tương thích với sự oxy hóa khử của tế bào Các cytochrome oxidase phứctạp cytochrome cũng có liên quan (Oh và Kaplan, 1999) Các oxygen thụ cảm khác cũng có mặt, bao gồm thioredoxin; nhưng sự ảnh hưởng chưa được hiểu rõ (Gregor và Klug, 1999)

- Cấp độ thứ ba của sự điều chỉnh sao chép được thể hiện trong điều kiện ánh sáng yếu, nơi mà mức độ biểu hiện của các operons puh và puf được tăng lên trong ánh sáng mờ (Bauer và Bird, 1996) Điều này được quy định bởi một mạch nhạy cảm ánh sáng không được tìm hiểu kĩ ở cấp độ phân tử ,bao gồm các sản phẩm gen hvrA và cũng có thể là cả một tế bào nhận kích thích ánh sáng xanh dương Cuối cùng, tỷ lệ của Trung tâm phản ứng và các phức hệ LH1 và LH2 cũng được điều tiết bằng cường

độ ánh sáng Hiệu ứng cũng được điều khiển bởi operon puc (Gregor và Klug, 1999)

- Việc ánh sáng và khí oxy có ảnh hưởng đến quang hợp là hiển nhiên Trong điều kiện hiếu khí gần như hầu hết các gen quang hóa bị ức chế, và

nó sẽ được kích hoạt khi các tế bào trở thành kỵ khí Trong ánh sáng lờ

mờ, những bản sao thêm vào của những thành phần quang hóa được thựchiện, cấp độ của phù hợp của trung tâm phản ứng và phức hợp ăng-ten cũng tốt hơn Cấp độ khác của sự điều chỉnh đòi hỏi liên quan đến sự ổn định mRNA và lắp ráp của các phức protein quang hóa (Hebermehl và Klug, 1998)

III SỰ SẮP XẾP GEN Ở VI KHUẨN LAM

- Về cơ bản thì mô hình sắp xếp và điều chỉnh gen ở vi khuẩn lam xuất phát từ vi khuẩn tía ( không cần oxi) Vi khuẩn lam bắt buộc phảiđiều chỉnh bộ gen 1 cách nhịp nhàng và sống trong 1 khu vực rộng lớn

để thực hiện việc trao đổi chất Sự thay đổi này bắt buộc phải có sự điều chỉnh và biểu hiện gen cho phù hợp Nói chung, vi khuẩn lam là

1 đại diện cho cơ chế điều tiết trung gian giữa vi khuẩn tía không cần oxi ( cao) và lục lạp ( thấp)

- Bộ gen hoàn chỉnh của Synechocystis PCC 6803 đã được xác định

Nó là 1 bộ gen vòng gồm 3,6 triệu base cộng với vài plasmic nhỏ

- 50 ARN tâp hợp trên gen và khoảng 3000 protein được tìm thấy, trong đó 50% không rõ về chức năng hoặc chức năng đó chưa được công nhận trong các cơ thể khác nhau Như vậy, mức độ của sự bổ sung, điều chỉnh mọi bộ gen được bộc lộ trong quá trình quang hợp ở các cơ thể còn non Quang hợp ở vi khuẩn nhân sơ không khác gì với

vi khuẩn tía, nó cũng gồm 1 bộ gen trong đó 50% gen chưa biết

- Những cụm gen quang hợp ở vi khuẩn lam tương phản với vi khuẩntía, những gen quang hợp ở vi khuẩn lam nằm rải rác trên toàn bộ gen, gồm cụm gen nhỏ và vài operon Những operon này thường nhỏ hơn các operon ở vi khuẩn tía Ví dụ ở vi khuẩn tía những gen điển

hình tạo thành phức hợp cytochrome b6f là 1 operon đơn nhưng ở

Synechocystis PCC 6803 thì nó gồm 2 operon nhỏ hơn và 1 vài gen

Hầu hết các gen thực hiện quá trình quang hợp ở vi khuẩn lam được biểu hiện 1 cách cơ bản Những gen điều chỉnh quá trình sao chép chính và thực hiện quang hợp ở vi khuẩn lam có vai trò quan trọng hơn các gen thực hiện trao đổi chất ở vi khuẩn tía Nhận định này được làm rõ trong quá trình quang hợp ở sinh vật nhân chuẩn, quá trình này phức tạp hơn, có sự điều chỉnh và phối hợp giữa 2 bộ gen khác nhau

- Một số trường hợp thiếu operon và cụm gen tác động thì những gen tạo thành phức hợp protein ( các protein này neo vào màng thylakoid)

ở 1 số loài có khả năng thích nghi màu Những cơ thể này có khả năngthích ứng nhanh với sự thay đổi của môi trường, đó là mức độ cao của

sự điều chỉnh và năng lực biểu hiện gen phụ thuộc vào bên ngoài

IV HỆ GEN CỦA LỤC LẠP

- Lục lạp ở những tế bào sinh vật quang hợp nhân chuẩn thì chứa 1 hệ

gen ADN mạch vòng, nó giống như cái được tìm thấy ở vi khuẩn

- Chắc chắn hệ gen này là cái còn lại nói về nguồn gốc phát triển của lục lạp như vi khuẩn lam nội cộng sinh Thuyết nội cộng sinh có nội dung

là những bào quan của tế bào sinh vật nhân chuẩn có nguồn gốc từ

những sinh vật nhân sơ Prokaryotic sống bên trong các tế bào nhân chuẩn Eukaryotic như một sinh vật cộng sinh ở bên trong Lục lạp tiến hóa từ vi khuẩn lam nội cộng sinh

- Bộ gen hoàn chỉnh được sắp xếp theo trình tự của lục lạp ở các thực vật và 1 số ngành tảo

- Sự nổi bật nhất là hệ gen lục lạp có kích thước nhỏ hơn hệ gen của vi khuẩn lam cho nên nội dung di truyền cũng giảm Sự giảm kích thước này là những thông tin cần thiết cho việc thực hiện quang hợp đã được chuyển vào hạt nhân

- Kích thước của hệ gen lục lạp được sắp xếp theo trình tự từ 120 => 191

kb Hệ gen của lục lạp ở những thực vật bậc cao thì có 50=> 80 trình tự

mã hóa bao gồm những protein cốt lõi của hệ thống quang hóa, phức hệ cytochrome b6f , bộ NST của tARN và hầu hết các nguyên tố của lục lạp được tổng hợp

- Hầu hết các thành phần khác của protein trong lục lạp được mã hóa bởi nhân ADN rồi đưa vào lục lạp sau đó tập hợp thành phức chất

- Hệ gen lục lạp lớn nhất đế nay được sắp xếp theo trình tự của tảo đỏ

Porphyra purpurea, kích thước khoảng 191 kb và mã hóa cho khoảng

250 gen kể cả ARN, 200 trong số đó là gen mã hóa protein

- Hệ gen nhỏ nhất được tìm thấy trong cây thông, kích thước 120kb và

69 gen mã hóa protein

- Ba nhóm sinh vật có hệ gen lục lạp không điển hình là:

 Ngành trùng 2 roi, trong đó có 1 số lượng lớn những phân đoạn nhỏ của ADN và được xem là gồm các hệ gen lục lạp

 Thực vật kí sinh bị mất khả năng quang hợp Lục lạp của chúng mất các gen mã hóa protein quang hợp

 Ký sinh trùng bao gồm sinh vật gây sốt rét, hiện tại thì chúng không quang hợp được nhưng chắc chắn tổ tiên của chúng làm được

- Những sinh vật này có giữ lại 1 bộ gen lục lạp nhỏ có chức năng chủ yếu trong việc tổng hợp axit béo

- Một đặc tính tiêu biểu của hệ gen lục lạp là vùng đảo ngược được lặp lại nhiều Cấu trúc này có chức năng chưa được rõ ràng nhưng kích thước thì khác nhau ở nhiều loại thực vật Điều đó đã hỗ trợ cho việc thúc đẩy sự ổn định hệ gen

- Phần lớn những gen của lục lạp là những cistron đơn và sự phiên mã không phải là cơ sở chính cho việc điều chỉnh hệ gen của lục lạp

- Hệ gen của hạt nhân sẽ đươc nối tiếp ở thực vật bậc cao ( cây mutac

Arabidopsis thaliana), hiện tại thì đã hoàn tất và 1 số khác như gạo,

ngô…Khi được phân tích đầy đủ sẽ mở ra 1 hướng mới về nghiên cứu

hệ gen của hạt nhân và lục lạp

Hình: Bản đồ gen lục lạp của gạo Gen bên ngoài vòng tròn thì sao chép ngược chiều kim đồng hồ Gen bên trong vòng tròn thì được sao chép theo chiều kim đồng hồ Vùng lặp lại và đảo ngược là IRA và IRB Phần sao chép lớn là LSC, phần sao chép nhỏ là SSC

V CON Đ Ư ỜNG, C Ơ CHẾ XÂM NHẬP PROTEIN VÀ MỤC

ĐÍCH CỦA NÓ TRONG LỤC LẠP

- AND của lục lạp chứa các trình tự mã hóa cho các pro cốt lõi tham gia

vào Quang hợp ( ví dụ như protein D1,D2 của phức hệ PS II ).Còn những protein khác thì được tổng hợp từ bên ngoài và được đưa vào gọi là sự xâm nhập protein

- Việc xâm nhập này gồm có 2bước:

+ Cơ chế xâm nhập protein

+ Việc đưa những protein này đến nơi cần thiết để thực hiện chức năng

- Ở trong nhân, các trình tự mã hóa cho những protein này đã được xác

định trước cho lục lạp Hầu hết chỉ có một đoạn cuối là cần thiết để

dịch ra sản phẩm, khi đến stroma trình tự này sẽ được tách rời ra

- Quá trình xâm nhập này buộc protein phải đi qua 3màng Do đó,cơ chế xâm nhập lại có thêm 2bước:

+ Bước 1: Sự xâm nhập vào lục lạp qua 2màng tế bào

+ Bước 2: Diễn ra sự vận chuyển vào lumen của thylakoid

1 CƠ CHẾ XÂM NHẬP PROTEIN:

Những giai đoạn của việc xâm nhập protein có thể quan sát bằng thực nghiệm Một số giai đoạn cần năng lượng ATP, GTP, một số khác đòi hỏi năng lượng tự do

- Sự xâm nhập vào lục lạp:

- Giai đoạn đầu tiên là việc tập hợp những protein mà được vận chuyển qua màng

-> Giai đoạn này nhờ năng lượng tự do do sự tương tác giữa protein –

lipid ( protein xâm nhập và nhóm lipid chính của màng bao lục lạp –

monogalactosyldigliceride và digalactosyldiglyceride.

 Những giai đoạn tiếp theo nhờ năng lượng tự do do sự tương tác giữa protein – protein ( protein xâm nhập và protein vận chuyển chúng )

- Phức hệ protein vận chuyển gồm có hai loại :

+ Toc ( Translocon at the outer membrane Chloroplast )

+ Tic ( Translocon at the inner membrane Chloroplast )

 Những thành phần protein khác của chúng được xác định bởi khối lượng kDa của chúng -> tên gọi Ví dụ: Toc 159, Toc 75…Tic 20, Tic55…

i PHỨC HỆ TOC:

- Phức hệ Toc gồm có 3protein màng: Toc 159, Toc 75 và Toc 34.+ Protein Toc 75: hình thành một kênh hẹp có đường kính 8 – 9 A0, đểcho protein xâm nhập qua ( protein đã được mở gấp thành chuỗi dài )

 Giai đoạn này đòi hỏi năng lượng GTP và cả Toc 159 hay Toc 34 cũng vậy Việc cần năng lượng GTP mà không phải ATP là do chức năng đảm bảo việc chọn chính xác protein đi vào con đường này ( ATP là đồng tiền năng lượng – có thể sử dụng chung, GTP được sử dụng cho những trường hợp riệng biệt )

- Ngoài ra: Protein Toc 159 chỉ thực hiện chức năng khi thủy phân tạo

ra Toc 89 ( vai trò chính tham gia vào việc vận chuyển protein xâm

nhập qua màng ).

- Một số phân tử đi kèm cũng tham gia vào quá trình xâm nhập là Com

70 và Hsp 70 (đây là những protein kém chịu nhiệt có khối lượng 70 kDa )

+ Com 70: nằm cạnh bên ngoài màng ngoài - thuộc Cytosol.+ Hsp 70: nằm cạnh bên trong màng ngoài - thuộc khoảng không gian giữa màng ngoài và màng trong Giúp kéo protein qua khỏi màng ngoài

- Hoạt động của Tic thì ngắn hơn Toc Nhưng việc lắp ráp này chỉ xảy

ra khi 2 phức hệ này liên kết chặt chẽ với nhau tạo diêu phức hơp – gắn kết màng ngoài và màng trong giúp protein đi vào màng trong một cách trực tiếp