Sinh học phân tử - Chương VII.doc

Sinh học phân tử

Chơng VII mà di truyền dịch mà I Đặt vÊn ®Ị Trong chương đề cập đến q trình truyền thơng tin di truyền từ DNA (gen) → mRNA → protein Theo sơ đồ mRNA giai đoạn trung gian DNA protein, giúp truyền thơng tin mã hóa từ DNA máy dịch mã để tạo thành protein Từ gen tổng hợp nhiều mRNA, thơng tin gen khuếch đại tạo số protein Quá trình sinh tổng hợp protein giống trình sinh tổng hợp DNA mRNA tóm tắt sau: Chỉ tiêu tổng hợp Đơn vị Quá trình tổng hợp kéo dài mạch Sự bắt đầu kết thúc Độ phức tạp Cần đòi hỏi DNA RNA Protein nucleotide 20 loại axit amin Nối kết (kéo dài) Nối kết axit amin nu Bắt đầu điểm kết điểm Quá trình chép phiên mã phức tạp hơn, chủ yếu dựa vào lực bazơ thành phần câú tạo nên phân tử với bazơ khuôn thông qua liên kết hydro Khuôn DNA mRNA cộng với bazơ nitơ NTP Cũng bắt đầu điểm kết thúc điểm Quá trình dịch mã phức tạp Từng axit amin nối với thông qua khn mRNA lại khơng có lực với mRNA, nhánh bên axit amin lại bị đẩy nhiều nhóm bazơ Khn mRNA cộng với axit amin nhân tố tiếp hợp (adaptor) tRNA Quá trình dịch mã tiến hành chung cho loaị tế bào II Vai trò loại RNA (mRNA, tRNA rRNA) trình sinh tổng hợp protein mRNA mã di truyền Mỗi phân tử mRNA mang thông tin di truyền xác định trình tự polypeptide, thơng tin chép từ DNA gen qua trình phiên mã Vậy làm trình tự cặp bazơ DNA kiểm tra trình tự 20 axit amin DNA mRNA cấu tạo từ nucleotide, protein hình thành từ 20 axit amin, thơng tin di truyền mã hố từ DNA thành mRNA phải dạng tổ 91 hợp loại nu để giải mã cho 20 axit amin cấu thành nên protein Vì có 20 axit amin nhập vào để tạo nên protein phải có 20 codon tạo thành từ bazơ Giả sử tổ hợp nu mã hóa axit amin 42 = 16 mã codon, nhỏ nhu cầu thực tế 20 mã (codon) Nếu tổ hợp nu mã hóa axit amin 43 = 64 codon Vào năm 1960 người ta thiết lập hệ thống tương ứng tổ hợp số nu với axít amin Hệ thống có tên mã di truyền (codon), nucleotide phân tử mRNA đợc trỡnh by bng 1.7 Theo bảng mã di truyền rút số điểm sau: - Số lượng codon có mã codon có nu 64, lớn số lượng axit amin (20) Do mét axit amin mã hóa nhiều codon, người ta gọi tượng mã di truyền có tính suy thối - Tính suy thối mã di truyền có ý nghĩa tích cực, sống tế bào, nhiều axit amin có nhiều codon mã hóa dù mét số ba nu codon bị đột biến axit amin mã hóa khơng bị biến đổi theo protein mang axit amin giữ cấu trúc chức nguyên vẹn Thường axit amin mã hóa nhiều codon thường xuất với tần số lớn chuỗi polypeptide (những protein enzyme có nhóm chức vị trí axit amin thuộc loại bị thay đổi tính chất hơn) - Các codon khác mã hoá cïng axit amin, thường chúng khác nu thứ codon, người ta gọi tượng suy thối codon, có dạng suy thoỏi là: suy thoái cục suy thoái hoàn toµn Bảng 1.7 Mã di truyền suy thối mã 92 + Suy thoái cục (partial degenracy): xảy bazơ vị trí thứ pyrimidine (U C) hay purine (A G), thay nu thứ từ purine sang pyrimidine ngược lại làm thay đổi axit amin mà mã mã hố + Suy thối hồn tồn (complete degeneracy): xảy trường hợp bazơ có mặt ví trí nu thứ codon codon mã đặc thù cho axit amin (trường hợp codon mã hóa axit amin) - Có thể dự đốn trật tự mã di truyền có liên quan đến cách làm giảm tối thiểu đột biến gây chết, nhiều cách thay bazơ vị trí thứ codon khơng làm thay đổi axit amin mà mã hóa Hơn axit amin có tính chất hóa học tương tự leucine, isoleucine valine có codon khác bazơ Bởi nhiều trường hợp thay cặp bazơ đơn dẫn đến việc thay axit amin axit amin khác có đặc tính hóa học tương tự (thí dụ valine thay isoleucine) - Do tượng suy thối codon chắn tRNA nhận biết vài codon khác để mã hóa cho axit amin định, đối mã tRNA định phải có khả ghép cặp bazơ với vài codon khác Như liên kết hydro bazơ codon anticodon chặt chẽ (theo luật bổ sung nghiêm khắc) nu đầu, cịn nu thứ codon chặt chẽ hơn, Crick gọi vị trí vị trí lắc lư “wobble” hay giao động Thuyết giao động (wobble hypothesis), bảng 2.7 rằng: Bảng 2.7 Ghép cặp bazơ bazơ đầu 5’ anticodon tRNA với bazơ đầu 3’ codon mRNA theo giả thuyết giao động Base 5’ in anticodon G C A U I Base 3’ in codon U or C G U A or G A, U or C + Có tRNA cho axit amin mà codon biểu suy thối hồn tồn vị trí thứ Thực tế chứng minh có tRNA đối mã với codon serine là: tRNA ser có anticodon AGG bọc lấy codon UCU UCC mRNA ; tRNA ser có anticodon AGU bọc codon UCA UCG tRNA ser mang anticodon UCG bọc lấy codon AGU AGC - Tính đặc thù bị biến đổi trình bọc tRNA, gắn amino acyl vào ribosome in vitro kích thích trinuleotide - Một số tRNA chứa bazơ (inosine) tạo thành trình biến đổi enzyme sau phiên mã Nếu inosine nằm vị trí giao động ghép cặp với A, U cytosine codon mRNA Trong thực tế alanyl-tRNA tinh khiết 93 chứa inosine (I) vị trí 5’ anticodon bọc với ribosome hoạt hóa với gcu, gcc gca Hình 1.7 Trình tự nu cấu hình tRNA vận chuyển alanine (trái) methionine (phải) nấm men Cấu trúc bậc hình thành nhờ cầu nối hydro bazơ đoạn khác Trong cấu trúc có vịng, chúng có chứa trình tự anticodon CAU alanine, cịn methionine trình tự anticodon 3’-CGI-5’ Tên vị trí nu biến đổi giải hình vẽ Mã đầu kết thúc - Có mã codon đặc thù kết thúc dịch mã tạo chuỗi polypeptide UAA, UAG UGA Những mã nhận biết nhân tố giải phóng protein khơng phải tRNA Một chúng protein RF-1 đặc thù cho UAA UGA codon Còn RF-2 làm kết thúc dịch tạo protein UAA UGA codon codon AUG GUG nhận biết tRNA khởi đầu cho methionine (tRNAi met lúc bazơ wobble lại đầu 5’) Nhưng biểu đặc tính làm khởi đầu chúng sau trình tự nu thích hợp vùng leader phân tử mRNA, tất protein sinh vật có đầu COOH axit amin methionine Ở vị trí nội vi codon AUG nhận biết tRNAMet Codon GUG nhận biết valine tRNA Trong trường hợp có mã khởi đầu AUG GUG, bazơ đầu 5’ codon bazơ dao động Vì tính dao động bazơ đầu 5’ để khởi đầu nên điều có liên quan đến việc ghép cặp bazơ vị trí P (Peptidyl-tRNA binding site) vị trí A (aminoacyl-tRNA binding site) ribosome - Tính phổ biến mã di truyền: Rất nhiều nghiên cứu kết luận mã di truyền giống gần giống tất các lồi sinh vật Có số trường hợp ngoại lệ xảy ty thể người, nấm men số lồi khác, mã UGA quy định tryptophane khác so với ty thể mã lại mã kết thúc Ở ty thể nấm 94 men, codon CUA mã hóa cho threonin thay bình thường leucine Trường hợp ty thể động vật có vú, codon AUA lại mã hóa cho methionine thay bình thường isoleucine - Có số đột biến (đột biến ức chế) gen tRNA dẫn đến làm thay đổi vị trí nhận biết codon anticodon tRNA RNA vận chuyển (tRNA) - Phân tử tRNA vận chuyển axit amin đến chuỗi polypeptide kéo dài trình dịch mã Phân tử tRNA loại axit nucleic hoạt động sinh học nhỏ Thí dụ tRNA vận chuyển alanine nấm men có 77 nu, cuộn lại để tạo thành hình cỏ lá, xẩy trình ghép cặp G≡C A=U Tất tRNA có đính axit amin đầu 3’ thứ tự 5’-ACCA-3’OH adenylic đầu 5’ luôn guanylic axit (G), C cytidilic tRNA có chứa số purine pyrimidine không phổ biến RNA khác Các bazơ tạo thành sau phiên mã nhân có chứa số enzyme có khả làm biến đổi số bazơ định Vị trí anticodon nằm từ nu thứ 36-38, bazơ ψ: pseudouridynic axit; T: ribothymidylic axit; Ud :dihydrouridilic axit; Gm: methyl guanydilic axit; Gd: dimethylguanylic axit; I: Inosinic axit Im: methyl inosinic axit - tRNA nhân tố tiếp hợp hay trung gian, có đầu chứa trình tự nu đối mã với nu codon phân tử mRNA gọi anticodon đầu mang axit amin kết nối để tạo thành chuỗi protein - Mỗi sinh vật tiền nhân có số lượng tRNA khác nhau, thường có từ 30-40, cịn động thực vật 50, có cấu trúc giống - Một tRNA kết hợp với codon khác nhau, mã hóa cho axit amin - Chức trung gian tRNA thực nhờ số enzyme đặc biệt, enzyme aminoacyl- tRNA synthetase, có 20 loại enzyme, tương ứng với 20 axit amin Các enzyme có khả nhận biết amino axit đặc thù tRNA tương ứng vận chuyển axit amin Q trình gắn amino axit vào tRNA trình cần tiêu tốn lượng trải qua bước: + Bước 1: Enzyme nhận biết gắn với amino axit đặc thù theo công thức: enzyme + amino axit + ATP  enzyme – aminoacyl –AMP +P-P + Bước 2: Amino axit chuyển từ phức hợp sang tRNA tương ứng Sau phức hợp enzyme – aminoacyl –AMP tương tác với tRNA để tạo thành tRNA –amino acyl giải phóng AMP enzyme RNA ribosome (rRNA) Hiệu trình dịch mã triệu liên kết peptide giây, dựa vào va chạm ngẫu nhiên thành phần tham gia phản ứng xúc tác để tạo liên kết peptide cực Muốn mRNA tRNA –amino axit phải đặt vào vị trí tiếp xúc phản ứng tối thích, vị trí phức hợp ribonucleoprotein: ribosome Ribosome cấu tạo từ rRNA 50 loại protein khác nhau, phân thành tiểu đơn vị Tiểu đơn vị lớn chứa rRNA lớn tiểu đơn vị 95 nhỏ chứa rRNA nhỏ Trừ vài sai khác kích thước thành phần, ribosome rRNA sinh vật tiền nhân nhân thật giống (hình 2.7) 96 Hình 2.7 Cấu trúc ribosome chế kết gắn thứ tự di chuyển từ vị trí A đến P dịch mã tRNA mang axit amin tương ứng với codon III Các giai đoạn sinh tổng hợp protein Khởi động Protein bắt đầu tổng hợp từ codon AUG nằm phân tử mRNA, mã hóa methionine tương ứng tRNAMet Như vậy, trình tổng hợp tất polypeptide có axit amin bắt đầu methyonine Sau amino–terminal methionine bị cắt khỏi nhiều polypeptide Phần lớn protein có chức cần thiết khơng có amino-terminal methionine Ở sinh vật tiền nhân nhiều quan tử sinh vật nhân thật, methionine tRNAMet có nhóm amin bị khóa nhóm formyl (COH) Có loại tRNA là: + tRNAMet kết hợp với AUG codon nằm mRNA + tRNAiMet kết hợp với AUG codon khởi đầu, có nhiệm vụ gắn methionine vào chuỗi polypeptide Tuy nhiên, sinh vật nhân thật nhóm amino methionyl –tRNAMet khơng bị khóa lại Vậy điều ngăn cản methionyl-tRNAiMet khởi đầu không phản ứng với mã AUG bên mRNA mà lại phản ứng với codon AUG khởi đầu mRNA Để làm điều methionyl tRNAiMet phải tương tác với số nhân tố khởi đau như: IF-1, IF-2 IF-3 Trong methionyl-tRNAMet lại cần phải tương tác với protein nhân tố kéo dài có tên gọi Ef-Ts Ef-Tu - Ở sinh vật tiền nhân, chuỗi polypeptide khởi động trình tổng hợp với việc hình thành phức hợp mRNA, Methionyl – tRNAfMet tiểu đơn vị ribosome 30S (hình 3.7) Quá trình hình thành phức hợp khởi đầu cần yêu cầu hoạt hóa nhân tố khởi động là: IF-1, IF-2 IF-3 GTP để cung cấp lượng Quá trình trợ lực mối tương tác cặp bổ sung trình tự bazơ gần đầu 3’ 16S rRNA với trình tự bazơ đoạn leader mRNA, đoạn khơng dịch mã tính từ đầu 5’ đến mã AUG GUG khởi động Đoạn biến động nhiều chiều dài từ vài nucleotide đến vài trăm nucleotide - Phức hợp khởi động sau kết hợp với tiểu đơn vị ribosome 50S methionyltRNAfMet trở lên có khả bọc lấy vị trí P (hình 3.7 bc) Quá trình cần thủy 97 phân phân tử GTP Đối mã codon khởi đầu AUG với anticodon tRNAMet P giữ codon tiếp có mặt vị trí A, hình thành nên tính đặc thù bao bọc lấy aminocyl-tRNA, tương ứng với axit amin alanine (hình 3.7d) Quá trình bọc lại yêu cầu thủy phân phân tử GTP kết hợp với nhân tố kéo dài Ef-Ts Ef-Tu (hình 3.7 d c) Liên kết peptide hình thành nhóm COOH f methionine gắn tRNAfMet vị trí P với nhóm amino alanine tRNAala vị trí A enzyme peptidyl transferase, enzyme bọc lấy tiểu đơn vị lớn 50S (hình 3.7d e) Hình 3.7 Sơ đồ bước dịch mã tạo protein từ mRNA ribosome từ a - d 98 Hình 4.7 Tiếp bước kéo dài chuỗi protein từ e-i 99 Giai đoạn kéo dài - Tiến hành đơn giản sở nguyên lý lặp lại (hình 4.7) Sau Met đặt vào vị trí chuỗi peptide aminoacyl–tRNA có anticodon tương ứng với codon mRNA đến xếp vào vị trí ribosome nhờ tác nhân kéo dài EF - Có vị trí đặc biệt tiểu ribosome nhỏ vị trí A tiếp nhận aminoacyl-tRNA vị trí P giữ phức hợp peptidyl-tRNA chuỗi polypeptide hình thành cịn gắn với tRNA trước - Sự tiếp xúc peptidyl-tRNA aminoacyl –tRNA dẫn đến hình thành nên liên kết peptide gắn axit amin vào chuỗi polypeptide - Sự di chuyển mRNA sau 0,5 giây nucleotide codon, codon trước vị trí A sau 0,5 giây chuyển sang vị trí P (hình 4.7 e f), hình codon alanine GCC Codon serine UCC dịch đến A, q trình chuyển vị cần hoạt tính nhân tố kéo dài Ef-G thủy phân phân tử GTP Aminoacyl-tRNA đặc thù cho codon mRNA nằm vị trí A (hình 4.7 f g) bọc lấy A liên kết peptide hình thành Quá trình lặp lại gặp phải dấu hiệu kết thúc dịch mã Kết thúc - Khi ribosome tiến đến nhận biết dấu hiu kt thỳc dch mó vị trí có mét sè codon UAG, UAA, UGA) (hình 4.7 g h) Nhóm formyl amino terminal methionine thường bị loại bỏ nhờ men deformylase (hình 4.7 g h) trước tổng hợp chuỗi polypeptide kết thúc - Khi ba codon kết thúc tiến vào vị trí A (hình 4.7h) chuỗi polypeptide, tRNA vị trí P mRNA tách rời khỏi ribosome tiểu đơn vị ribosome tách (hình 4.7 h i) Q trình kết thúc địi hỏi cần có tham gia protein, nhân tố giải kí hiệu là: RF-1 RF-2 Hai tiểu ribosome tách rời nhau, trở lên tự sẵn sàng bước vào chu kỳ bắt đầu dịch mã IV.Tóm tắt Một số nét liên quan đến đặc điểm phiên dịch mã gen: - Khi kích thước genome sinh vật tăng nên thường kích thước intron tăng - Intron thường dài exon, biến động từ 200 bp (dài exon) đến tới 10 kb, có trường hợp dài đến 50 – 60 kb - Hầu hết exon mã hố 100 axit amin, động vật có xương sống có trường hợp exon mã hóa 50 axit amin, nấm exon mã hóa 300 axit amin - hầu hết loại nấm men, gen không chứa đoạn ngắt intron, ngược lại sinh vật bậc cao: ruồi động vật có vú gen có chứa nhiều đoạn intron 100 - Do cách thức cắt nối intron, exon khác nên trình tự DNA (gen) mã hố tạo thành protein - Hai protein sinh từ gen chế bắt đầu biểu kết thúc vị trí khác - Hai gen có trình tự giống khung đọc DNA vị trí khác sinh mRNA khác - Các gen có đoạn chồng chéo nhau, kết phiên mã tạo mRNA có phần giống 101 ... tương tác với số nhân tố khởi đau như: IF-1, IF-2 IF-3 Trong methionyl-tRNAMet lại cần phải tương tác với protein nhân tố kéo dài có tên gọi Ef-Ts Ef-Tu - Ở sinh vật tiền nhân, chuỗi polypeptide... đặc thù bao bọc lấy aminocyl-tRNA, tương ứng với axit amin alanine (hình 3.7d) Quá trình bọc lại yêu cầu thủy phân phân tử GTP kết hợp với nhân tố kéo dài Ef-Ts Ef-Tu (hình 3.7 d c) Liên kết... nu đối mã với nu codon phân tử mRNA gọi anticodon đầu mang axit amin kết nối để tạo thành chuỗi protein - Mỗi sinh vật tiền nhân có số lượng tRNA khác nhau, thường có từ 3 0-4 0, cịn động thực vật