Sinh học phân tử - Chương VII.doc

Sinh học phân tử

Chơng VII mã di truyền và dịch mã

I Đặt vấn đề

Trong chương này chỳng ta sẽ đề cập đến quỏ trỡnh truyền thụng tin di truyền từ DNA (gen)  mRNA  protein Theo sơ đồ trờn thỡ mRNA là giai đoạn trung gian giữa DNA và protein, giỳp truyền thụng tin mó húa từ DNA ra bộ mỏy dịch mó để tạo thành protein Từ một gen cú thể tổng hợp được nhiều bản sao mRNA, như vậy thụng tin của một gen duy nhất cú thể khuếch đại sẽ tạo ra một số cỏc protein

Quỏ trỡnh sinh tổng hợp protein cũng giống như quỏ trỡnh sinh tổng hợp DNA

và mRNA cú thể túm tắt như sau:

Chỉ tiờu tổng

hợp

Đơn vị cơ bản 4 nucleotide 20 loại axit amin

Quỏ trỡnh tổng

hợp và kộo dài

mạch

Nối kết dần dần (kộo dài) từng nu

Nối kết dần dần từng axit amin

Sự bắt đầu và kết

thỳc

Bắt đầu tại một điểm và kết tại một điểm

Cũng bắt đầu tại một điểm và kết thỳc tại một điểm

Độ phức tạp Quỏ trỡnh sao chộp và phiờn mó

ớt phức tạp hơn, chủ yếu dựa vào ỏi lực giữa cỏc bazơ thành phần cõỳ tạo nờn phõn tử mới với cỏc bazơ khuụn thụng qua liờn kết hydro

Quỏ trỡnh dịch mó rất phức tạp Từng axit amin được nối với nhau thụng qua khuụn mRNA nhưng lại khụng cú ỏi lực với mRNA, hơn thế nữa những nhỏnh bờn của axit amin lại bị đẩy bởi nhiều nhúm cỏc bazơ

Cần đũi hỏi Khuụn DNA và mRNA cộng

với cỏc bazơ nitơ NTP Khuụn mRNA cộng với cỏc axitamin và nhõn tố tiếp hợp

(adaptor) là tRNA Quỏ trỡnh dịch

mó được tiến hành chung cho mỗi loaị tế bào

II Vai trũ của 3 loại RNA (mRNA, tRNA và rRNA) trong quỏ trỡnh sinh tổng hợp protein

1 mRNA và mó di truyền

Mỗi phõn tử mRNA mang thụng tin di truyền xỏc định trỡnh tự một polypeptide, thụng tin này được sao chộp từ DNA của một gen qua quỏ trỡnh phiờn mó Vậy làm thế nào trỡnh tự 4 cặp bazơ trong DNA cú thể kiểm tra được trỡnh tự 20 axit amin DNA và mRNA đều được cấu tạo từ 4 nucleotide, trong khi protein được hỡnh thành từ 20 axit amin, như vậy thụng tin di truyền mó hoỏ từ DNA thành mRNA phải dưới dạng một tổ

thành từ 4 bazơ Giả sử nếu tổ hợp 2 nu mó húa 1 axit amin thỡ sẽ được 42 = 16 mó codon, như vậy vẫn nhỏ hơn nhu cầu thực tế là 20 mó (codon) Nếu tổ hợp 3 nu mó húa 1 axit amin thỡ được 43 = 64 codon

Vào những năm 1960 người ta đó thiết lập được hệ thống tương ứng giữa tổ hợp số cỏc nu với từng axớt amin Hệ thống này cú tờn là mó di truyền (codon), là bộ

3 nucleotide trên phân tử mRNA đợc trỡnh bầy ở bảng 1.7 Theo bảng mó di truyền chỳng ta cú thể rỳt ra một số điểm sau:

- Số lượng codon cú thể cú nếu mó codon cú 3 nu là 64, lớn hơn số lượng axit amin (20) Do vậy một axit amin cú thể được mó húa bởi nhiều bộ 3 codon, người ta gọi là hiện tượng mó di truyền cú tớnh suy thoỏi

- Tớnh suy thoỏi của mó di truyền cú ý nghĩa tớch cực, đối với sự sống cũn của tế bào, đối với nhiều axit amin cú nhiều codon mó húa thỡ dự một trong số ba nu của cỏc codon đú bị đột biến nhưng cú thể axit amin do nú mó húa khụng bị biến đổi theo và protein mang axit amin này vẫn giữ được cấu trỳc và chức năng nguyờn vẹn Thường những axit amin được mó húa bởi nhiều codon thỡ thường xuất hiện với tần số lớn trong chuỗi polypeptide (những protein enzyme nào cú nhúm chức ở những vị trớ axit amin thuộc loại này thỡ ớt bị thay đổi tớnh chất hơn)

- Cỏc codon khỏc nhau mó hoỏ cùng một axit amin, thường chỳng chỉ khỏc nhau ở nu thứ 3 của codon, người ta gọi là hiện tượng suy thoỏi codon, cú 2 dạng suy thoỏi là: suy thoái cục bộ và suy thoái hoàn toàn

Bảng 1.7 Mó di truyền và suy thoỏi mó

+ Suy thoái cục bộ (partial degenracy): xảy ra khi bazơ ở vị trí thứ 3 hoặc là một trong 2 pyrimidine (U và C) hay một trong 2 purine (A và G), nếu thay nu thứ 3 từ một purine sang một pyrimidine và ngược lại sẽ làm thay đổi axit amin mà mã đó mã hoá + Suy thoái hoàn toàn (complete degeneracy): xảy ra trong trường hợp bất kỳ một trong 4 bazơ có thể có mặt tại ví trí nu thứ 3 của codon thì codon đó vẫn mã đặc thù cho cùng một axit amin (trường hợp 4 codon cùng mã hóa 1 axit amin)

- Có thể dự đoán rằng trật tự trong mã di truyền có liên quan đến cách làm giảm tối thiểu những đột biến gây chết, nhiều cách thay thế bazơ ở vị trí thứ 3 của codon không làm thay đổi axit amin mà nó mã hóa Hơn thế nữa những axit amin có tính chất hóa học tương tự nhau như leucine, isoleucine và valine có những codon khác nhau chỉ 1 bazơ Bởi vậy rất nhiều trường hợp thay thế cặp bazơ đơn sẽ dẫn đến việc thay thế một axit amin này bằng một axit amin khác có đặc tính hóa học tương tự (thí dụ valine thay bằng isoleucine)

- Do hiện tượng suy thoái codon cho nên chắc chắn một tRNA có thể nhận biết vài codon khác nhau để mã hóa cho một axit amin nhất định, và đối mã của một tRNA nhất định phải có khả năng ghép cặp bazơ với vài codon khác nhau Như vậy liên kết hydro giữa 2 bazơ của codon và anticodon chỉ chặt chẽ (theo luật bổ sung nghiêm khắc) ở 2 nu đầu, còn nu thứ 3 của codon thì ít chặt chẽ hơn, chính vì thế Crick đã gọi

vị trí này là vị trí lắc lư “wobble” hay giao động Thuyết giao động (wobble hypothesis), bảng 2.7 chỉ ra rằng:

Bảng 2.7 Ghép cặp bazơ giữa bazơ đầu 5’ của anticodon trên tRNA với bazơ đầu 3’ của codon trên mRNA theo giả thuyết giao động.

Base 5’ in anticodon

Base 3’ in codon

+ Có ít nhất 2 tRNA cho mỗi axit amin mà codon của nó biểu hiện suy thoái hoàn toàn ở vị trí thứ 3 Thực tế chứng minh rằng có 3 tRNA đối mã với 6 codon serine đó là: tRNA ser 1 có anticodon là AGG có thể bọc lấy được 2 codon UCU và UCC trên mRNA ; tRNA ser 2 có anticodon là AGU sẽ bọc được các codon UCA và UCG và tRNA ser 3 mang anticodon UCG sẽ bọc lấy các codon AGU và AGC

- Tính đặc thù này bị biến đổi bởi quá trình bọc của những tRNA, gắn amino acyl vào

ribosome ở in vitro được kích thích bởi trinuleotide.

- Một số tRNA chứa bazơ hiếm (inosine) được tạo thành bởi quá trình biến đổi của enzyme sau phiên mã Nếu inosine nằm ở vị trí giao động có thể ghép cặp được với A,

U hoặc cytosine của codon trên mRNA Trong thực tế những alanyl-tRNA tinh khiết chứa inosine (I) tại vị trí 5’ của anticodon sẽ bọc với ribosome hoạt hóa với gcu, gcc hoặc gca

Hình 1.7 Trình tự nu và cấu hình 3 lá của tRNA vận chuyển alanine (trái) và của methionine (phải) của nấm men Cấu trúc bậc 2 được hình thành nhờ cầu nối hydro giữa các bazơ ở những đoạn khác nhau Trong cấu trúc có 3 vòng, một trong chúng có chứa trình tự anticodon CAU đối với alanine, còn đối với methionine thì trình tự anticodon là 3’-CGI-5’ Tên và vị trí các nu biến đổi được chú giải như hình vẽ trên

2 Mã đầu và kết thúc

- Có 3 mã codon đặc thù kết thúc dịch mã tạo chuỗi polypeptide là UAA, UAG và UGA Những mã này được nhận biết bởi những nhân tố giải phóng protein chứ không phải là tRNA Một trong chúng đó là protein RF-1 đặc thù cho UAA và UGA codon Còn RF-2 làm kết thúc dịch tạo protein tại UAA và UGA codon 2 codon AUG và GUG được nhận biết bởi tRNA khởi đầu cho methionine (tRNAi met lúc này bazơ wobble lại ở đầu 5’) Nhưng chỉ biểu hiện được đặc tính làm khởi đầu khi chúng đi sau một trình tự các nu thích hợp ở vùng leader của phân tử mRNA, còn tất cả các protein của mọi sinh vật đều có đầu COOH là axit amin methionine Ở những vị trí nội vi thì các codon AUG được nhận biết bởi tRNAMet Codon GUG được nhận biết bởi valine tRNA Trong trường hợp có 2 mã khởi đầu là AUG và GUG, thì bazơ đầu 5’ của codon sẽ là bazơ dao động Vì tính dao động là ở bazơ đầu 5’ duy nhất để khởi đầu nên điều này có liên quan đến việc ghép cặp bazơ ở vị trí P (Peptidyl-tRNA binding site) hơn là ở vị trí A (aminoacyl-tRNA binding site) trên ribosome

- Tính phổ biến của mã di truyền: Rất nhiều nghiên cứu đều kết luận rằng mã di truyền giống nhau hoặc rất gần giống nhau ở tất các các loài sinh vật Có một số trường hợp ngoại lệ xảy ra ở ty thể người, nấm men và một số loài khác, ở đó mã UGA quy định tryptophane khác so với ngoài ty thể thì mã này lại là mã kết thúc Ở ty thể của nấm men, codon CUA sẽ mã hóa cho threonin thay bằng bình thường là leucine Trường hợp ở ty thể động vật có vú, codon AUA lại mã hóa cho methionine thay bằng bình thường là isoleucine

- Có một số đột biến (đột biến ức chế) ở những gen tRNA dẫn đến làm thay đổi vị trí nhận biết codon của anticodon của tRNA

- Phân tử tRNA vận chuyển axit amin đến chuỗi polypeptide đang kéo dài trong quá trình dịch mã Phân tử tRNA là loại axit nucleic hoạt động sinh học nhỏ nhất Thí dụ tRNA vận chuyển alanine của nấm men chỉ có 77 nu, được cuộn lại để tạo thành một hình cỏ 3 lá, do xẩy ra quá trình ghép cặp giữa GC và A=U Tất cả các tRNA đều có đính axit amin ở đầu 3’ thứ tự ở đây là 5’-ACCA-3’OH adenylic còn đầu 5’ luôn luôn

là guanylic axit (G), C là cytidilic tRNA có chứa một số purine và pyrimidine hiếm không phổ biến ở các RNA khác Các bazơ hiếm được tạo thành sau phiên mã vì ở trong nhân có chứa một số enzyme có khả năng làm biến đổi một số bazơ nhất định

Vị trí anticodon nằm từ nu thứ 36-38, các bazơ hiếm là : pseudouridynic axit; T: ribothymidylic axit; Ud :dihydrouridilic axit; Gm: methyl guanydilic axit; Gd: dimethylguanylic axit; I: Inosinic axit và Im: methyl inosinic axit

- tRNA là nhân tố tiếp hợp hay trung gian, có một đầu chứa trình tự 3 nu đối mã với 3

nu của codon trên phân tử mRNA gọi là anticodon còn đầu kia mang axit amin sẽ kết nối để tạo thành chuỗi protein

- Mỗi sinh vật tiền nhân có một số lượng tRNA khác nhau, thường có từ 30-40, còn ở động thực vật là 50, nhưng đều có cấu trúc rất giống nhau

- Một tRNA có thể kết hợp được với hơn 2 codon khác nhau, cùng mã hóa cho một axit amin

- Chức năng trung gian của tRNA được thực hiện nhờ một số enzyme đặc biệt, đó là các enzyme aminoacyl- tRNA synthetase, có 20 loại enzyme, tương ứng với 20 axit amin Các enzyme này có khả năng nhận biết một amino axit đặc thù và cả tRNA tương ứng vận chuyển axit amin đó Quá trình gắn amino axit vào tRNA là quá trình cần tiêu tốn năng lượng và trải qua 2 bước:

+ Bước 1: Enzyme nhận biết và gắn với một amino axit đặc thù theo công thức: enzyme + amino axit + ATP  enzyme – aminoacyl –AMP +P-P

+ Bước 2: Amino axit được chuyển từ phức hợp trên sang tRNA tương ứng Sau đó phức hợp enzyme – aminoacyl –AMP tương tác với tRNA để tạo thành tRNA –amino acyl và giải phóng ra AMP và enzyme

4 RNA ribosome (rRNA)

Hiệu năng của quá trình dịch mã là một triệu liên kết peptide trong một giây, nếu chỉ dựa vào sự va chạm ngẫu nhiên giữa các thành phần tham gia phản ứng xúc tác thì để tạo được một liên kết peptide là cực hiếm Muốn vậy thì mRNA và tRNA – amino axit phải được đặt vào một vị trí có thế tiếp xúc phản ứng tối thích, vị trí đó là phức hợp ribonucleoprotein: ribosome Ribosome được cấu tạo từ rRNA và hơn 50 loại protein khác nhau, phân thành 2 tiểu đơn vị Tiểu đơn vị lớn chứa 1 rRNA lớn còn tiểu đơn vị nhỏ chứa 1 rRNA nhỏ Trừ một vài sai khác về kích thước và thành phần, ribosome cũng như rRNA của sinh vật tiền nhân và nhân thật về cơ bản là giống nhau (hình 2.7)

Hình 2.7 Cấu trúc ribosome và

cơ chế kết gắn và thứ tự di

chuyển từ vị trí A đến P khi dịch

mã của các tRNA mang axit

amin tương ứng với codon

III Các giai đoạn sinh tổng hợp protein

1 Khởi động

Protein bắt đầu tổng hợp từ codon AUG nằm trên phân tử mRNA, mã hóa methionine tương ứng tRNAMet Như vậy, trong quá trình tổng hợp tất cả các polypeptide đều có axit amin bắt đầu bằng methyonine Sau đó amino–terminal methionine này bị cắt khỏi nhiều polypeptide Phần lớn những protein có chức năng cần thiết đều không có amino-terminal methionine Ở sinh vật tiền nhân và nhiều cơ quan tử của sinh vật nhân thật, methionine ở tRNAMet có nhóm amin bị khóa bởi nhóm formyl (-COH) Có 2 loại tRNA là:

+ tRNAMet kết hợp với AUG codon nằm giữa mRNA

+ tRNAiMet kết hợp với AUG codon khởi đầu, có nhiệm vụ gắn methionine đầu tiên vào chuỗi polypeptide

Tuy nhiên, ở sinh vật nhân thật nhóm amino của methionyl –tRNAMet không bị khóa lại Vậy điều gì đã ngăn cản methionyl-tRNAiMet khởi đầu không phản ứng với

mã AUG bên trong mRNA mà lại chỉ phản ứng được với codon AUG khởi đầu của mRNA Để làm được điều đó thì methionyl tRNAiMet phải tương tác với một số nhân

tố khởi đau như: IF-1, IF-2 và IF-3 Trong khi đó methionyl-tRNAMet thì lại cần phải tương tác với những protein nhân tố kéo dài có tên gọi là Ef-Ts và Ef-Tu

- Ở sinh vật tiền nhân, chuỗi polypeptide khởi động quá trình tổng hợp đầu tiên với việc hình thành một phức hợp giữa mRNA, Methionyl – tRNAfMet và tiểu đơn vị ribosome 30S (hình 3.7) Quá trình hình thành phức hợp khởi đầu này cần yêu cầu sự hoạt hóa của 3 nhân tố khởi động là: IF-1, IF-2 và IF-3 và GTP để cung cấp năng lượng Quá trình này có thể được trợ lực bằng mối tương tác cặp bổ sung giữa trình tự bazơ gần đầu 3’ của 16S rRNA với trình tự bazơ ở đoạn leader của mRNA, là đoạn không dịch mã tính từ đầu 5’ đến mã AUG hoặc GUG khởi động Đoạn này biến động nhiều về chiều dài từ vài nucleotide đến vài trăm nucleotide

- Phức hợp khởi động sau đó kết hợp với tiểu đơn vị ribosome 50S và

methionyl-thủy phân một phân tử GTP Đối mã giữa codon khởi đầu AUG với anticodon của tRNAMet ở tại P đã giữ codon tiếp có mặt tại vị trí A, bởi thế đã hình thành nên tính đặc thù bao bọc lấy aminocyl-tRNA, tại đây tương ứng với axit amin alanine (hình 3.7d) Quá trình bọc này lại yêu cầu thủy phân 1 phân tử GTP kết hợp với những nhân tố kéo dài Ef-Ts và Ef-Tu (hình 3.7 d và c) Liên kết peptide được hình thành giữa nhóm COOH của f methionine được gắn trong tRNAfMet tại vị trí P với nhóm amino của alanine trong tRNAala ở vị trí A bởi enzyme peptidyl transferase, enzyme này bọc lấy tiểu đơn vị lớn 50S (hình 3.7d và e)

Hình 3.7 Sơ đồ các bước dịch mã tạo protein từ mRNA và ribosome từ a - d

Hình 4.7 Tiếp các bước kéo dài chuỗi protein từ e-i.

2 Giai đoạn kộo dài

- Tiến hành đơn giản trờn cơ sở nguyờn lý lặp lại (hỡnh 4.7) Sau khi Met được đặt vào

vị trớ đầu tiờn của chuỗi peptide thỡ aminoacyl–tRNA kế tiếp cú anticodon tương ứng với codon kế tiếp của mRNA sẽ đến xếp vào đỳng vị trớ trờn ribosome nhờ một trong cỏc tỏc nhõn kộo dài EF

- Cú 2 vị trớ đặc biệt trờn tiểu ribosome nhỏ là vị trớ A tiếp nhận aminoacyl-tRNA kế tiếp và vị trớ P giữ phức hợp peptidyl-tRNA là chuỗi polypeptide đang hỡnh thành vẫn cũn gắn với tRNA ngay trước đú

- Sự tiếp xỳc giữa peptidyl-tRNA và aminoacyl –tRNA sẽ dẫn đến sự hỡnh thành nờn liờn kết peptide gắn axit amin mới vào chuỗi polypeptide

- Sự di chuyển của mRNA sau 0,5 giõy đi được đỳng 3 nucleotide của một codon, như vậy nếu codon trước ở vị trớ A thỡ sau 0,5 giõy sẽ chuyển sang vị trớ P (hỡnh 4.7 e và f),

ở 2 hỡnh này là codon alanine GCC Codon tiếp theo là serine UCC dịch đến A, quỏ trỡnh chuyển vị cần hoạt tớnh của nhõn tố kộo dài Ef-G và thủy phõn một phõn tử GTP Aminoacyl-tRNA tiếp theo đặc thự cho codon trờn mRNA nằm ở vị trớ A (hỡnh 4.7 f

và g) sẽ bọc lấy A và liờn kết peptide mới được hỡnh thành Quỏ trỡnh này được lặp lại cho đến khi gặp phải dấu hiệu kết thỳc dịch mó

3 Kết thỳc

- Khi ribosome tiến đến và nhận biết dấu hiệu kết thỳc dịch mó đó là vị trí có một trong

số 3 codon UAG, UAA, UGA) (hỡnh 4.7 g và h) Nhúm formyl của amino terminal methionine thường bị loại bỏ nhờ men deformylase (hỡnh 4.7 g và h) trước khi tổng hợp chuỗi polypeptide kết thỳc

- Khi một trong ba codon kết thỳc trờn tiến vào vị trớ A (hỡnh 4.7h) thỡ chuỗi polypeptide, tRNA ở vị trớ P thỡ mRNA sẽ tỏch rời nhau khỏi ribosome và 2 tiểu đơn vị ribosome tỏch nhau ra (hỡnh 4.7 h và i) Quỏ trỡnh kết thỳc đũi hỏi cần cú sự tham gia của 1 trong 2 protein, đú là nhõn tố giải thoỏt kớ hiệu là: RF-1 và RF-2 Hai tiểu ribosome tỏch rời nhau, trở lờn tự do sẵn sàng bước vào một chu kỳ bắt đầu dịch mó mới

IV.Túm tắt

Một số nột chớnh liờn quan đến đặc điểm phiờn và dịch mó gen:

- Khi kớch thước genome của sinh vật tăng nờn thỡ thường là do kớch thước của cỏc intron tăng

- Intron thường dài hơn exon, biến động từ 200 bp (dài bằng một exon) đến tới 10

kb, cú trường hợp dài đến 50 – 60 kb

- Hầu hết cỏc exon đều mó hoỏ ớt hơn 100 axit amin, ở động vật cú xương sống cú trường hợp một exon mó húa ớt hơn 50 axit amin, ở nấm một exon cú thể mó húa trờn 300 axit amin

- ở hầu hết cỏc loại nấm men, cỏc gen khụng chứa đoạn ngắt intron, ngược lại ở

- Do cách thức cắt nối intron, exon khác nhau nên một trình tự DNA (gen) có thể

mã hoá và tạo thành hơn một protein

- Hai protein có thể sinh ra từ một gen do cơ chế bắt đầu biểu hiện và kết thúc ở những vị trí khác nhau

- Hai gen có trình tự giống nhau nhưng khung đọc DNA ở vị trí khác nhau sẽ sinh

ra mRNA khác nhau

- Các gen có những đoạn chồng chéo nhau, kết quả phiên mã có thể tạo ra mRNA

có một phần giống nhau