bài giảng Sinh tổng hợp protein

TS. Vũ Thị Thơm Khoa Y Dược ĐHQGHN Sinh tổng hợp protein Mục tiêu bài học  Trình bày được các khái niệm cơ bản về cơ chế phiên mã tổng hợp ARN  Trình bày được các khái niệm cơ bản về cơ chế dịch mã, tổng hợp protein Học thuyết trung tâm của Sinh học phân tử  Trong tế bào, thông tin di truyền được chứa trong ADN  ADN có khả năng tự sao chép để tạo thành ADN  Thông tin di truyền trong ADN có thể được “phiên mã” thành ARN, tiếp đó được “dịch mã” thành protein. Protein đảm nhiệm phần lớn các chức năng, hoạt động của tế bào  Thông tin di truyền chỉ được truyền đi theo một chiều Mã di truyền  Thông tin di truyền: trình tự nucleotid trong chuỗi polynucleotid  Mã di truyền (genetic code): thông tin di truyền được mã hóa bằng các bộ ba mã hóa (codon)  Codon: 3 nucleotid liên tiếp trên mạch polynucleotid quy định cho một loại acid amin nhất định của protein  Trình tự acid amin trong cấu trúc bậc 1 của một protein được quy định bởi trình tự nucleotid trong gen mã hóa protein đó Tính chất của mã di truyền  Mã bộ ba (đọc theo chiều 5’ – 3’ trên ARN)  Đặc hiệu: mỗi codon chỉ mã hóa cho 1 acid amin  Phổ biến (vạn năng): chung cho tất cả các loài, trừ một số ít ngoại lệ như ở ty thể hay động vật nguyên sinh  Thoái hóa: 1 acid amin có thể được mã hóa bởi nhiều codon khác nhau  Không chồng chéo: các codon được đọc theo thứ tự Bảng mã di truyền ADN  ATGAUG: mã khởi đầu, đồng thời mã cho Met  TAAUAA, TAGUAG, TGAUGA: mã kết thúc Khung đọc  Bộ ba mở đầu còn xác định khung đọc của trình tự ARN  có thể có ba khung đọc cho bất kỳ trình tự ARN nào phụ thuộc vào nucleotid nào được chọn làm nucleotid bắt đầu của codon.  Thường chỉ một khung đọc được sử dụng.  Ví dụ: Khung đọc 1: 5’ – AUG ACU AAG AGA UCC – 3’ Met Thr Lys Arg Ser Khung đọc 2: 5’ – A UGA CUA AGA GAU CC – 3’ Stop Khung đọc 3: 5’ – AU GAC UAA GAG AUC C – 3 Stop Sinh tổng hợp protein  Có hai quá trình chủ yếu trong sinh tổng hợp protein:  Tạo thành mARN dựa theo khuôn ADN: quá trình phiên mã (sao mã)  Tổng hợp protein theo khuôn mARN tại ribosom: quá trình dịch mã Quá trình phiên mã (Transcription) Quá trình phiên mã  Quá trình phiên mã là quá trình tổng hợp bản sao ARN của một gen ADN  Xúc tác bởi enzym ARN polymerase  Nguyên liệu: 4 loại ribonucleosid triphosphat (RiNu): ATP, UTP, GTP, CTP  ARN được tổng hợp theo chiều 5’3’. Các RiNu mới được gắn vào đầu 3’OH tự do của chuỗi polynucleotid  Tuân theo nguyên tắc bổ sung. Trình tự RiNu của ARN được quyết định bởi trình tự Nu của ADN  Không cần có primer  Phiên mã bắt đầu từ một vùng đặc hiệu được gọi là “promoter” (trình tự khởi động) trên ADN. Với gen mã hóa protein, promoter thường nằm ở thượng nguồn, cách đầu 5’ của gen một đoạn ngắn (một vài Nu) ARN polymerase Đây là enzym kiểm soát quá trình phiên mã, có chức năng:  Nhận biết promoter trên ADN, khởi động phiên mã  Tháo xoắn một đoạn ngắn ADN, tách chuỗi ADN xoắn kép để tạo thành 2 mạch đơn  Chọn RiNu phù hợp theo nguyên tắc bổ sung với Nu trên ADN mạch khuôn và xúc tác sự tạo thành liên kết phosphodiester giữa các RiNu của ARN  Nhận biết tín hiệu ngừng phiên mã: terminator (trình tự kết thúc) Đơn vị phiên mã  Đơn vị phiên mã được tính từ promoter đến terminator  Một đơn vị phiên mã được phiên mã thành một phân tử ARN http:www.nature.comscitablecontentatranscriptionunit19090 Mạch mã hóa Vùng mã hóa ARN Mạch khuôn Điểm bắt đầu phiên mã Điểm dừng phiên mã Thượng nguồn Hạ nguồn Bóng phiên mã  2 sợi ADN tách ra tạo cấu trúc bóng phiên mã (transcription bubble)  Mạch chứa codon mã hóa protein gọi là mạch mã hóa  Mạch bổ sung cho mạch mã hóa sẽ là mạch khuôn tổng hợp ARN  Khi bóng phiên mã dịch chuyển, ADN phía trước tháo xoắn, ADN phía sau khôi phục lại dạng xoắn kép, mạch ARN dài ra Tái xoắn Mạch khuôn Chuỗi xoắn lai ADNARN Vị trí kéo dài Mạch mã hóa Tháo xoắn ARN mới Chiều chuyển động của ARN polymerase ARN polymerase Các giai đoạn của phiên mã Phiên mã gồm 3 giai đoạn:  Khởi đầu phiên mã  Kéo dài phiên mã  Kết thúc phiên mã Promoter Đơn vị phiên mã ARN polymerase Khởi điểm 55 ADN tái xoắn 3 3 Bản phiên mã ARN hoàn chỉnh ADN tháo xoắn Bản phiên mã ARN Mạch khuôn ADN ADN 123 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ Bản phiên mã ARN Khởi đầu. Sau khi ARN polymerase bám vào promoter, 2 sợi ADN tháo xoắn, và enzym bắt đầu tổng hợp ARN từ điểm khởi đầu của mạch khuôn Kéo dàd. Enzym dịch chuyển, tháo xoắn ADN, mạch mã sao ARN tổng hợp kéo dài theo hướng 5 3 . Sau khi ARN polymerase đi qua, ADN tái xoắn trở về mạch kép. Kết thúc. Cuối cùng, bản mã sao ARN được giải phóng, ARN polymerase tách khỏi ADN ARN polymerase ở vi khuẩn  ARN polymerase gồm bốn loại tiểu đơn vị: , , ’ và σ.  : tương tác với các tiểu đơn vị khác, tạo phức hợp ARN polymerase; tương tác với promoter  và ’: trung tâm xúc tác phản ứng tổng hợp ARN  σ: là yếu tố khởi đầu phiên mã, nhận biết promoter đặc hiệu. Có nhiều loại Phức hệ khởi đầu phiên mã  Promoter điển hình có ba thành phần: Hai trình tự liên ứng (consensus sequence) ở vị trí 35 và 10, và điểm khởi đầu phiên mã  Phức hệ khởi đầu phiên mã có chứa tiểu đơn vị σ, bao phủ một đoạn mạch khoảng 7580 cặp Nu, trong đó bao gồm đoạn promoter  Các tiểu đơn vị σ nhận biết các trình tự liên ứng khác nhau  nhận biết các promoter khác nhau Khởi đầu phiên mã  ARN polymerase (có tiểu đơn vị σ) nhận biết và bám vào promoter trên mạch xoắn kép ADN, tạo phức hệ đóng, khởi động phiên mã  ARN polymerase tháo xoắn ADN, tách mạch ADN kép thành 2 mạch đơn  phức hệ mở  Bắt đầu xúc tác gắn RiNu  Tiểu đơn vị σ tách khỏi enzym 1. Tạo phức hệ đóng 2. Tạo phức hệ mở 3. Bắt đầu gắn RiNu 4. σ tách khỏi enzym  ARN polymerase xúc tác tổng hợp phân tử ARN mạch đơn theo nguyên tắc bổ sung dựa trên mạch khuôn ADN. RiNu được gắn vào đầu 3’OH của mạch ARN  ARN polymerase dịch chuyển về đầu 5’ của mạch khuôn ADN, tiếp tục tháo xoắn khoảng 10 đến 20 ADN cặp Nu một lúc để bắt cặp với RiNu Kéo dài ARN polymerase Mạch mã hóa ribonucleotid 3 end A E G C A U T A G G T T A T C C A A 355 ARN mới tổng hợp Chiều phiên mã Mạch khuôn Kéo dài phiên mã Kết thúc phiên mã  Khi ARN polymerase gặp trình tự kết thúc (terminator đoạn ADN với trình tự đặc hiệu), nó sẽ rời khỏi ADN, giải phóng phân tử ARN  ADN tái xoắn  Kết thúc phiên mã có thể phụ thuộc hoặc không phụ thuộc vào yếu tố rho (ρ)  Không phụ thuộc ρ: ARN hình thành cấu trúc kẹp tóc giàu GC, tiếp theo là một đuôi giàu U (poly U). Kết thúc phiên mã phụ thuộc ρ  Yếu tố rho là enzym helicase phụ thuộc ATP  ρ bám vào trình tự đặc hiệu trên ARN đang được tổng hợp. Sau đó, nó di chuyển trên sợi ARN đuổi theo ARN polymerase nhờ năng lượng tạo ra khi thủy phân ATP  ARN tại trình tự kết thúc cũng tạo thành cấu trúc kẹp tóc, ngăn cản ARN polymerase chuyển động  ρ bắt kịp polymerase, nhận biết trình tự kết thúc, xúc tác tháo xoắn ARN khỏi mạch khuôn ADN, giải phóng ARN và polymerase, kết thúc phiên mã Phiên mã ở sinh vật nhân thật 3 loại ARN polymerase ở sinh vật nhân thật Tên Vị trí Chức năng ARN Polymerase I Nhân con Tổng hợp rARN (5.8S,18S and 28S rARN) ARN Polymerase II Nhân Tổng hợp hnRNA, là tiền chất của to mARN; tổng hợp phần lớn snARN (small nuclear ARN) ARN Polymerase III Nhân Tổng hợp rARN 5S, tARN, một số các phân tử ARN nhỏ không mã hóa khác Các yếu tố bảo thủ trong vùng promoter Trình tự Hộp CAAT GGCCAATCT Hộp TATA TATAA Hộp GC GGGCGG Vị trí CAP TAC Promoter của sinh vật nhân thật  Promoter nằm ở thượng nguồn của gen  Có nhiều loại promoter, với cấu trúc và chức năng điều hòa khác nhau Vùng kiểm soát phiên mã Gen tăng cường Kiểm soát mức độ biểu hiện của gen Kiểm soát sự gắn kết của ARN polymerase Kiểm soát điểm khởi đầu phiên mã Điểm khởi đầu phiên mã Yếu tố phiên mã  Phiên mã ở sinh vật nhân thật cần có sự tham gia của các yếu tố phiên mã (transcription factor)  Yếu tố phiên mã là các protein liên kết với ADN gần điểm khởi đầu phiên mã  Có thể ức chế hoặc hỗ trợ ARN polymerase trong khởi động và duy trì phiên mã SAO MÃ SỬA ĐỔI ARN DỊCH MÃ mARN ADN TiềnmARN Polypeptid Ribosom Màng nhân Sửa đổi ARN  Trong tế bào nhân thật, phiên mã xảy ra trong nhân, tổng hợp nên tiềnARN  Sau khi được tổng hợp, tiềnARN phải trải qua nhiều biến đổi trong nhân tế bào (RNA processing)  Hai đầu của phân tử tiền mARN được sửa đổi để bảo vệ mARN khỏi bị phân cắt bởi enzym của tế bào và giúp chuyển mARN từ nhân ra tế bào chất, đồng thời có thể tham gia điểu hòa dịch mã  Đầu 5’ được gắn mũ là RiNu G được methyl hóa  Đầu 3’ được gắn đuôi poly(A) Thêm Nu G đã sửa đổi vào đầu 5’ Thêm 50 250 Nu A vào đầu 3’ Vùng mã hóa protein Tín hiệu adenyl hóa Vùng Đuôi Poly(A) không dịch mã 3 UTR Bộ ba kết thúc Bộ ba Mũ 5 Vùng khởi đầu không dịch mã 5 UTR AAUAAA AAA…AAA PHIÊN MÃ SỬA ĐỔI ARN ADN Tiền mARN mARN DỊCH MÃ Ribosome Polypeptide G P P P 5 3 Sửa đổi ARN thông tin (mARN) Tạo mũ đầu 5’  Mũ là RiNu G bị methyl hóa: m7G (7methylguanylate)  m7G gắn với đầu 5’ của mARN qua cầu nối 5’5’ triphosphat  Nhóm 2’OH của 2 RiNu đầu tiên của phân tử tiền mARN cũng có thể bị methyl hóa  Nếu RiNu đầu là A thì base nitơ A cũng có thể bị methyl hóa Gắn đuôi poly(A)  Tín hiệu trên tiền mARN: Ở vùng 3’: 5’AAUAAA3’; tiếp theo là đoạn trình tự giàu U hay GU  Những protein đặc hiệu có khả năng nhận biết đoạn trình tự trên và cắt mARN ở vị trí khoảng 20 RiNu sau trình tự 5’AAUAAA3’  Enzym poly(A) polymerase bổ sung thêm A vào đấu 3’ Sửa đổi mARN – Loại bỏ intron  Phân tử tiền mARN có chứa cả intron và exon  Intron: không mã hóa protein  Exon: mã hóa protein  Intron cần được loại bỏ khỏi phân tử tiền mARN bằng quá trình cắt bỏ intron (splicing)  Các exon sẽ nối lại để tạo thành mARN hoàn chỉnh có thể tham gia vào dịch mã Tổng hợp ARN ribosom (rARN) Các rARN thường được phiên mã thành một phân tử tiền ARN chung, sau đó được cắt thành các rARN riêng hoàn chỉnh Sinh vật nhân sơ Các tiểu đơn vị Ribosom 70S 30S 50S rARN 23S + rARN 5S và 31 protein rARN 16S và 21 protein Sinh vật nhân chuẩn Các tiểu đơn vị Ribosom 80S 40S 60S rARN 28S + rARN 5,8S + rARN 5S và ~49 protein rARN 18S và ~33 protein Tổng hợp ARN vận chuyển (tARN) Ribonuclease cắt phân tử tiền tARN thành nhiều tARN. Tiếp đó, các tARN này lại được biến đổi để thành tARN hoàn chỉnh Thùy đối mã Thùy nhận acid amin Quá trình dịch mã (Translation) PHIÊN MÃ DỊCH MÃ ADN mARN Ribosom Polypeptide Polypeptid Acid amin tARN gắn acid amin Ribosom tARN Bộ ba đối mã mARN Gly A A A U G G U U U G G C 5 Bộ ba mã sao 3  Dịch mã là quá trình tổng hợp protein diễn ra tại ribosom, dựa trên bản phiên mã của mARN  Cần ribosom, mARN, và tARN  Ribosom là bộ máy tổng hợp protein  Ribosom tạo điều kiện cho bộ ba đối mã của tARN có thể tương tác đặc hiệu với bộ ba mã sao của mARN trong quá trình tổng hợp protein  Ribosom gồm 2 tiểu đơn vị, được tạo thành từ protein và rARN Dịch mã: Vai trò của Ribosom Dịch mã: Vai trò của mARN và tARN  mARN: chứa thông tin mã hóa cấu trúc bậc 1 của protein  tARN mang các bộ ba đối mã (anticodon) để nhận biết các bộ ba mã sao (codon) trên mARN và mang axit amin đến ribosom  Có khoảng 40 loại tARN. Các phân tử tARN khác nhau, cùng vận chuyển 1 loại aa được gọi là các tARN đồng nhận.  Một tARN có thể nhận biết hơn một bộ ba quy định axit amin nhờ tính thoái hóa của bazơ thứ ba (hay tính linh hoạt của mã bộ ba) Ví dụ: G có thể liên kết với U và C; I (một dạng khử amin của G đôi khi có mặt ở thùy đối mã) có thể liên kết với cả C, A và U. Các giai đoạn của dịch mã  Hoạt hóa acid amin: liên kết acid amin với tARN tương ứng  Khởi đầu dịch mã: tạo phức hợp mARNribosom và phân tử tARN khởi đầu (initiator tARN) gắn với bộ ba mã mở đầu  Kéo dài dịch mã: ribosom đọc lần lượt các bộ ba mã sao tiếp theo. Chuỗi polypeptid dài dần ra, từ đầu N tận đến đầu C tận  Kết thúc dịch mã: Khi ribosom gặp bộ ba kết thúc, chuỗi polypeptid được giải phóng và ribosom rời khỏi mARN  Chuỗi polypeptid thường cần được cuộn gấp hoặc qua sửa đổi để có hoạt tính sinh học Hoạt hóa acid amin  Axit amin gắn vào tARN thông qua phản ứng aminoacyl hóa (nạp axit amin) ở thùy nhận axit amin của tARN ( có trình tự 5’CCA3’)  Xúc tác: enzym aminoacyltARN synthetase, sử dụng năng lượng từ sự thủy phân ATP  tARN gắn acid amin còn được gọi là aminoacyl tARN Khởi đầu dịch mã ở sinh vật nhân sơ  Với sinh vật nhân sơ, tiểu đơn vị 30S của ribosom tương tác với các trình tự đặc hiệu (trình tự ShineDalgano). Có thể có vài trình tự khác nhau trên cùng một mARN do mRNA của sinh vật nhân sơ có thể mã hóa cho một vài protein khác nhau.  Dịch mã bắt đầu ở bộ ba AUG  Axit amin mở đầu: Nformyl methionin (một trong hai nguyên tử H của nhóm amin bị thay bằng nhóm formyl)  Tiểu đơn vị 50S sẽ gắn vào sau  Có sự tham gia của các yếu tố khởi đầu (IF1, IF2, IF3)  Dịch mã có thể tiến hành trong khi phiên mã còn đang diễn ra Khởi đầu dịch mã ở sinh vật nhân thật  Với sinh vật nhân thật, tiểu đơn vị 40S của ribosom gắn vào mũ 5’, sau đó di chuyển dọc theo sợi mARN cho đến khi tìm được bộ ba AUG đầu tiên  mARN của sinh vật nhân thật thường chỉ mã cho 1 gen  Dịch mã bắt đầu với acid amin Met  Tiểu đơn vị 60S sẽ gắn vào sau  Có sự tham gia của các yếu tô khởi đầu (các eIF) Trong giai đoạn khởi đầu, mARN, tARN mang acid amin đầu tiên của chuỗi polypeptid, và 2 tiểu đơn vị của ribosom được đưa đến kết hợp với nhau, tạo thành phức hệ khởi đầu dịch mã Tiểu đơn vị lớn của ribosom tARN khởi đầu mARN Nơi gắn mARN Tiểu đơn vị nhỏ của ribosom Phức hệ khởi đầu dịch mã P site GTP GDP Mã khởi đầu Tiểu đơn vị nhỏ của ribosom gắn với mARN. Một tARN khởi đầu, có bộ ba đối mã UAC kết hợp bổ sung cho bộ ba mã sao AUG. tARN này mang acid amin Met 1 U A C A U G E A 35 53 5 3 5 3 Khởi đầu dịch mã Kết hợp với tiểu đơn vị lớn của ribosom tạo phức hệ khởi đầu dịch mã. Quá trình này cần các protein đặc biệt gọi là các yếu tố khởi đầu. Năng lượng cung cấp lấy từ thủy phân GTP. tARN khởi đầu chiếm vị trí P; vị trí A để dành cho tARN mang acid amin tiếp theo 2 Kéo dài dịch mã  Acid amin được gắn lần lượt vào chuỗi polypeptid  Ribosom xúc tác phản ứng tạo liên kết peptid  Có sự trợ giúp của các yếu tố kéo dài (EFTu, EFTs, EFG ở sinh vật nhân sơ; eEF1 và eEF2 ở sinh vật nhân thật) Đầu N tận của chuỗi polypeptid mRNA Ribosom sẵn sàng cho aminoacyl tRNA tiếp theo E P A E P A E P A E P A GDP GTP GTP GDP 5 3 Nhận biết codon. Bộ ba đối mã của aminoacyl tARN tương tác bổ sung với bộ ba mã sao của mARN tại vị trí A. Phản ứng thủy phân GTP giúp tăng độ chính xác và hiệu quả của bước này 1 Hình thành liên kết peptid. Một phân tử rARN của tiểu đơn vị lớn xúc tác phản ứng tạo liên kết peptid giữa acid amin mới ở vị trí A và đầu C tận của chuỗi polypeptid ở vị trí P. Bước này chuyển chuỗi polypeptid sang tARN ở A 2 Chuyển vị. Ribosom chuyển vị tARN ở A sang P. tARN không mang acid amin ở P chuyển sang E và giải phóng khỏi ribosom. mARN, gắn với tARN, cũng chuyển đi một codon, đưa bộ ba mã sao mới vào vị trí A 3 Yếu tố kết thúc dịch mã Chuỗi polypeptid Bộ ba mã kết thúc (UAG, UAA, UGA) 5 3 3 5 3 5 Khi ribosom đến bộ ba mã kết thúc, vị trí A sẽ tiếp nhận một protein gọi là yếu tố kết thúc dịch mã 1 Yếu tố kết thúc dịch mã thủy phân liên kết giữa tARN ở vị trí P và acid amin cuỗi cùng của chuỗi polypeptid, giải phóng polypeptid khỏi ribosom 2 3 Hai tiểu đơn vị của ribosom và các thành phần khác của phức hệ cũng được giải phóng Kết thúc dịch mã  Yếu tố kết thúc dịch mã trong sinh vật nhân sơ: RF1, RF 2, RF3; trong sinh vật nhân thật: eRF Polyribosom Polyribosom: Một phân tử mARN được dịch mã đồng thời bởi nhiều ribosom Sau dịch mã (Posttranslation)  Chuỗi polypeptid có thể được giải phóng ra trong tế bào chất hoặc được đưa qua màng tế bào  Chuỗi polypeptid cuộn gấp ngay, tạo các bậc cấu trúc cần thiết. Nó cũng có thể kết hợp với các polypeptid khác để tạo phân tử protein hoàn chỉnh  Polypeptid có thể được cải biến, sửa đổi, gắn với các phân tử khác cần cho hoạt động chức năng của protein như đường, lipid, phosphat, v.v. Thắc mắc? Chuẩn bị bài tới  Chương 17, 18 Biological Science, 3 rd edition; Freeman S., 2008