Trong quá trình dịch mã, tARN chỉ giải phóng aa của nó cho chuỗi polypeptide khi và chỉ khi anticodon của nó bắt cặp bổ sung khớp với codon trên mARN. Trong tế bào sinh vật có 61 mã bộ ba mã hoá cho 20 aa, điều này đòi hỏi phải có t−ơng ứng 61 tARN để vận chuyển. Song trên thực tế lại có ít hơn 61 tARN- mặc dù đ−ơng nhiên có nhiều hơn 20 tARN đủ để vận chuyển 20 aa khác nhaụ Điều này đ−ợc giải quyết bởi giả thuyết linh động (the wobble mechanism).
Sự tuân thủ nghiêm ngặt theo NTBS trong quá trình dịch mã có đôi chút thay đổị Ngoại lệ này chỉ diễn ra với base đầu tiên của anticodon. Sự bắt cặp không chính xác này là kết quả của sự linh động trong cấu trúc của tARN. Trình tự trên codon đ−ợc đọc theo chiều 5’-3’ thì base đầu tiên trên anticodon đọc theo h−ớng ng−ợc lại - ở đầu 5’.
Ví dụ ta có sự bắt cặp đúng và linh động nh− sau:
Bảng 4.3: Các nguyên tắc kết cặp linh động
Base 5' của anticodon Base 3' của codon G C hoặc U
C G
A U
U A hoặc G I U, C hoặc A
Vì GCC và GCU đều mã hoá cho alanine, sự bắt cặp linh động không làm thay đổi trình tự các aa trong chuỗi polypeptide, nh−ng nó cho phép tARN có thể vận chuyển đ−ợc nhiều hơn 1 loại aa t−ơng ứng với codon của nó, và vì thế cho phép tế bào tổng hợp ít loại tARN hơn.
Quá trình tiến hoá đã tạo nên một số cách khác cho phép sự t−ơng tác codon-anticodon trở nên linh hoạt hơn mà không gây nguy hại gì cho độ chính xác của quá trình dịch mã. Một trong những cách đó là sử dụng base bị biến đổi là inosine ở vòng anticodon, base này có thể kết cặp với C, U hoặc A trên codon.
2. Các giai đoạn của quá trình dịch mã
a. Sự gắn axit amin vào tARN
Các axit amin gắn với phân tử tARN một cách t−ơng ứng đặc hiệu cao, tARN mang aa t−ơng ứng đ−ợc qui −ớc viết là tARNtên axit amin t−ơng ứng . Enzyme thực hiện việc gắn aa với tARN là aminoacyl-tARN synthetase, mỗi tế bào có ít nhất 20 loại enzyme khác nhau để nhận biết các aa khác nhau, mỗi enzyme sẽ nhận 1 hay nhiều hơn 1 tARN đặc tr−ng và aa t−ơng ứng để kết hợp lại tạo phức hợp tARN-axit amin. Phản ứng tổng quát của quá trình này là:
Hình 4.4: Sơ đồ hoạt động của enzyme aminoacyl-tARN synthetase
Quá trình này còn gọi là quá trình hoạt hoá axit amin.
Sự chính xác trong dịch mã từ mARN thành protein phụ thuộc vào sự chọn lọc chính xác của những enzyme này với aa t−ơng ứng. Trong tế bào, tỷ lệ chính xác này là rất cao (khoảng 99%), phụ thuộc vào sự khác biệt năng l−ợng gắn kết ở các gốc C, kích th−ớc của aa t−ơng ứng, nhóm liên kết với enzyme trên axit amin (-CH3 hoặc -OH..) và cơ chế bảo vệ (do cơ chế đọc sửa của enzyme bằng cách thuỷ phân phức hợp aminiacyl-tARN không chính xác).
Phân tử tARN có đầu cuối 3’ là CCA, nucleotid A cuối cùng có đầu 2’-OH tự do trong gốc đ−ờng ribosẹ Ba nucleotid CCA tạo nên cánh tay linh hoạt để có thể đặt nhóm aminoacyl tại vị trí phản ứng chính xác trong ribosomẹ Liên kết ester tạo bởi nhóm aminoacyl có cùng mức năng l−ợng với liên kết peptidẹ Vì thế năng l−ợng cần cho sự tạo thành của liên kết peptid chính là năng l−ợng cung cấp từ ATP cho quá trình tạo aminoacyl.
b. Quá trình dịch mã
Ribosome chỉ bắt đầu dịch mã trên mARN tại vị trí chính xác. Vì mARN có vùng 5’ và 3’ không dịch mã nên Ribosome phải có khả năng nhận biết codon đầu tiên (AUG) tại vùng mã hoá và bắt đầu dịch mã từ đó.
Nhìn chung, quá trình dịch mã ở Prokaryote và eukaryote là t−ơng đối giống nhau, tuy nhiên vẫn có một vài điểm khác nhau cơ bản.
* Quá trình dịch mã ở prokaryote (xét quá trình dịch mã ở Ẹ coli):
- Mở đầu:
ở đầu 5’ của phân tử mARN có một đoạn trình tự khởi đầu cho quá trình dịch mã, là vị trí định vị ban đầu của ribosome nh−ng không mang trình tự mã hoá cho protein, vì vậy codon đầu tiên phải đ−ợc xác định sau khi ribosome bám vào mARN.
Hình 4.5: Cơ chế khởi đầu dịch mã
Vị trí mở đầu là AUG (có thể là GUG nh−ng không th−ờng xuyên), mặc dù vậy AUG có thể xuất hiện ở bất cứ vị trí nào trên phân tử mARN vì nó còn mã hoá cho 1 loại aa Methioninẹ
Tuy vậy, Ribosome vẫn có khả năng nhận biết đ−ợc đâu là mã mở đầu vì có 2 loại tARN khác nhau cùng đặc hiệu cho Met- nghĩa là chúng có cùng 1 anticodon nh−ng 1 tARN dùng riêng cho việc mở đầu và tARN còn lại dùng riêng cho việc thêm Met vào chuỗi polypeptidẹ tARN mở đầu có thể bắt cặp với codon AUG hoặc GUG nhờ sự linh động. Th−ờng sự linh động diễn ra với base 5’ của anticodon nh−ng đối với mã mở đầu thì vị trí base linh động lại ở vị trí 3’. Khả năng nhận biết riêng biệt của các tARN do cấu trúc khác nhau của aminoacyl-tARN. Aminoacyl-tARN mở đầu có cấu trúc đặc biệt đ−ợc nhận biết bởi nhân tố mở đầu là protein IFF2 và vận chuyển bởi IF2 đến phức hệ mở đầụ Còn aminoacyl-tARN kéo dài chuỗi thì lại đ−ợc nhận biết và mang đến ribosome bởi 1 nhân tố khác có trong tế bào chất, nhân tố này không bám vào phức hệ mở đầụ Đồng thời, ở Ẹ coli, Met bám vào vị trí mở đầu luôn đ−ợc
formyl hoá ở nhóm -NH2 bởi enzyme transformulase, axit amin mở đầu th−ờng đ−ợc lấy đi khi quá trình dịch mã hoàn thành, và tARN mở đầu th−ờng đ−ợc gọi là tARNMet f và phức hợp với axit amin là fMet-tARNMet f.
Khi ở trạng thái ch−a hoạt động, tiểu phần 30S của ribosome 70S có nhân tố mở đầu trong tế bào chất là IF3 bám vào và ngăn cản sự kết hợp sớm của nó với tiểu phần 50S. Các nhân tố khởi đầu IF1, IF2 cũng đều bám vào tiểu phần 30S một cách lỏng lẻọ
Khi có đầy đủ các thành phần: mARN, fMet-tARNMet f và GTP, phức hệ của chúng với tiểu phần 30S đ−ợc hình thành và giải phóng ra IF3. Trên mARN có một trình tự gọi là trình tự Shine-Delgarno bổ sung với 1 vùng của rARN 16S, sự bổ sung này giúp mARN định vị trên tiểu phần nhỏ. tARN định vị trên vị trí P của tiểu phần với anticodon của nó bắt cặp với codon AUG. Sau khi giải phóng IF3, phức hệ liên kết với tiểu phần lớn, sự kiện này diễn ra cùng với sự thuỷ phân GTP giải phóng GDP và Pi cùng với IF1, IF2. Kết thúc giai đoạn mở đầu, ribosome 70S hoàn chỉnh đã định vị trên mARN tại vị trí P với anticodon của fMet-tARNMet f bắt cặp bổ sung với codon mở đầu AUG và vị trí A trống, chờ đợi axit amin thứ 2.
ở các mARN là polycistron (nh− operon Lac), trên các vùng mã hoá cho các protein khác nhau đều có các vùng trình tự Shine-Delgarno liền kề để mỗi cistron có thể mở đầu dịch mã một cách độc lập.
- Kéo dài chuỗi:
Trong tế bào chất có 2 nhân tố dịch mã có hoạt tính GTPase đó là EF-Tu (Tu- temperature unstable) có nhiệm vụ chuyển aminoacyl-tARN tới ribosome và EF-G có nhiệm vụ dịch chuyển ribosome dọc theo phân tử mARN theo h−ớng 3’-5’ đến codon tiếp theo khi nhóm aminoacyl đ−ợc thêm vào chuỗi peptid kéo dàị
Tất cả các phức hợp aminoacyl-tARN đều gắn vào ribosome tại vị trí A, aminoacyl- tARN (khác với loại mở đầu) tạo phức hệ với nhân tố kéo dài EF-Tu, mang phân tử GTP bao quanh nó, phức hệ này có anticodon bắt cặp với codon t−ơng ứng trên mARN. Sau đó EF-Tu tách khỏi aminoacyl-tARN và đi vào tế bào chất để đ−ợc phục hồị EF-Tu-GTP không bám vào fMet-tARNMet f mà chỉ bám vào những tARN liên quan đến việc kéo dài chuỗị
Sau khi liên kết peptide đầu tiên đ−ợc hình thành, vị trí A đ−ợc lấp đầy bằng peptidyl tARN và vị trí P mang tARN tự dọ Ribosome định vị lại trên codon tiếp theo trên mARN, gọi là quá trình chuyển vị (translocation). tARN chuyển đến vị trí thoát (exit site) trên tiểu phần 50S, sau đó thoát ra và ribosome đ−ợc tái sử dụng, sự dịch chuyển này cần có sự tham gia của EF-G-translocase và thuỷ phân GTP. Sự bám của EF-Tu và EF-G diễn ra lần l−ợt nhau trên ribosome, dẫn đến sự hình thành liên kết peptide và chuyển vị diễn ra liền kê lần l−ợt nhaụ
Sau đó, tiểu phần nhỏ có sự chuyển vị, sẵn sàng cho sự thêm vào của axit amin tiếp theọ Ribosome lúc này đang ở trạng thái với vị trí P đ−ợc chiếm bởi dipeptidyl-tARN trong khi vị trí A định vị ở codon thứ 3 còn trống. Sự kéo dài là một quá trình lặp lại một cách tuần hoàn của những gì đã xảy ra ở sự nối axit amin thứ 2 hình thành dipeptid. Sự nối tiếp đến axit amin cuối cùng sẽ tạo chuỗi polypeptide có đầu amino (-NH2) đ−ợc tổng hợp đầu tiên và đầu cacbocyl (- COOH) đ−ợc tổng hợp cuối cùng.
Sự chính xác trong quá trình kéo dài phụ thuộc vào sự chính xác đặc hiệu của aminoacyl-tARN gắn với codon trên vị trí A của ribosome trong mỗi chu kỳ kéo dàị Sự chính xác này đ−ợc thực hiện bởi mối t−ơng tác giữa codon/anticodon nh−ng vấn đề chọn lọc nh− thế nào thì vẫn còn ch−a đ−ợc hiểu rõ. Nhân tố EF-Tu không có khả năng nhận biết aminoacyl- tARN nào cần cho phản ứng tiếp theo và nó gắn vào vị trí A một cách ngẫu nhiên. Một giả thuyết cho rằng, việc tổng hợp peptide không thể diễn ra đến khi EF-Tu đ−ợc giải phóng và việc đó lại không thể thực hiện nếu GTP không bị thuỷ phân, chính thời gian này đã tăng c−ờng thời gian cho hệ thống đọc sửạ Điều này góp phần rất lớn vào sự chính xác của quá trình kéo dài chuỗị
- Kết thúc dịch mã:
Hình 4.7: Sơ đồ minh hoạ kết thúc dịch mã
Trên phân tử mARN có ít nhất một trong 3 codon kết thúc, đó là UGA, UAA và UAG. Khi ribosome đạt đến vị trí kết thúc, không có một loại tARN nào nhận biết những codon kết thúc này, thay vào đó là một protein gọi là nhân tố giải phóng (release factor) của tế bào chất. Chúng giải phóng chuỗi polypeptide hoàn chỉnh khỏi tARN bằng cách thay đổi peptidyl transferase khiến nó thuỷ phân liên kết ester giữa nhóm -COOH của protein và nhóm -OH của nucleotid cuối cùng ở đầu 3’. Có 2 nhân tố giải phóng chính là RF1 và RF2. RF1 nhận biết codon UAA và UGA, RF2 nhận biết codon UAA và UAG. RF3 giúp đỡ cả 2 nhân tố trên thực hiện phản ứng. Tiếp theo, để chuyển tARN tự do khỏi vị trí P và giải phóng mARN, EF-G cùng với nhân tố giải phóng ribosome cần thiết cho việc phân tách hoàn toàn các tiểu phần. Lúc này, IF3 có thể bám vào tiểu phần nhỏ để ngăn cản việc tạo thành ribosome 70S hoàn chỉnh.
ở các prokaryote, do không có nhân thực, sự dịch mã diễn ra gần nh− song song với quá trình phiên mã giúp tiết kiệm đ−ợc thời gian vì chúng có chu kỳ sống rất ngắn. Sự phân bào liên tiếp nên bộ máy sinh tổng hợp protein cần làm việc với năng suất cao để đảm bảo cung cấp đủ nguyên liệu cho việc phân chia tế bàọ
Hình 4.8: Sơ đồ quá trình tổng hợp protein do nhiều ribosome (polyribosome) đảm nhiệm
Quá trình tiến hoá đã giúp chúng thích nghi theo xu h−ớng này bằng cách có nhiều ribosome tham gia dịch mã trên cùng một mARN tạo nên cấu trúc polyribosome hay polysomẹ Với sự tham gia của chuỗi polysome, hiệu quả tổng hợp tăng lên nhiều lần. Ngay sau khi một ribosome khởi động và dịch chuyển đ−ợc 30 codon thì sẽ có ribosome tiếp theo bắt
đầu bám và khởi động. Số l−ợng trung bình là 5 ribosome/mARN, số l−ợng này biến động tuỳ độ dài của mARN.
* Dịch mã sinh tổng hợp protein ở Eukaryote
Những cơ chế và lý thuyết cơ bản của quá trình dịch mã diễn ra ở prokaryote và eukaryote là nh− nhaụ Tuy nhiên, có những khác biệt về chi tiết và cũng mang tính cơ bản.
- Phức hệ tham gia dịch mã: Ribosome tham gia dịch mã ở Eukaryote là loại 80S gồm 2 tiểu phần 40S và 60S. Những phức hệ IF, EF, RF t−ơng tự, nh−ng về cấu trúc có khác nhau và vẫn phải phân biệt là các nhân tố của prokaryote hay eukaryote bằng cách thêm chữ e vào tr−ớc, ví dụ eIF, eEF và eRF.
- Sự khác nhau về cơ chế chủ yếu ở phần mở đầu dịch mã: + Methyonine mở đầu không bị formyl hoá.
+ Sự tạo thành phức hệ mở đầu có sự tham gia của tiểu phần 40S và 60S để tạo thành phức hợp hoàn chỉnh là giống nh− ở prokaryotẹ Nh−ng điểm khác nhau rất quan trọng là cơ chế mARN định vị nh− thế nào để cho khớp đúng vị trí P với codon mở đầụ Do trên mARN eukaryote không có trình tự Shine-Delgarno nên việc bắt đầu gắn kết là khác nhaụ Mặt khác, mARN ở eukaryote có mũ với một nucleotid G đ−ợc methyl hoá, sự mở đầu ở eukaryote bắt đầu bằng việc một nhóm nhân tố protein gắn vào mũ này, sau đó tiểu phần 40S sẽ gắn và tạo thành phức hợp. Cụ thể là nhân tố eIF3 và 4C bám vào tiểu phần 40S khiến cho nó có thể bám vào phức hệ có 3 thành phần gồm tARN mở đầu, eIF2 và GTP. Khác với prokaryote, tARN bám vào tiểu phần tr−ớc khi bám vào mARN. Khi đã có tiền phức hợp mở đầu ở đầu 5’ của mARN nằm cách codon mở đầu một khoảng đáng kể, sử dụng năng l−ợng từ ATP, phức hợp của 40S di chuyển dọc mARN cho đến khi gặp bộ ba mở đầu AUG đầu tiên, sau đó tiểu phần 60S gia nhập vào để tạo thành một phức hợp hoàn chỉnh. Khác với ở prokaryote, mARN của eukaryote là một monocistron nên không có nhiều phức hệ mở đầu dịch mã độc lập nh− ở prokaryote (ở prokaryote có nhiều trình tự Shine-Delgarno để khởi đầu dịch mã).
+ Dịch mã ở Eukaryote không có hiện t−ợng polysome nh− ở prokaryotẹ Đồng thời, mARN vừa đ−ợc tổng hợp từ ADN ở trong nhân chỉ là tiền mARN, phải trải qua quá trình sửa đổi để trở thành mARN tr−ởng thành rồi mới thoát khỏi nhân ra tế bào chất đến ribosome để thực hiện quá trình dịch mã.
- Quá trình dịch mã tổng hợp protein ở ti thể: Ti thể có ADN riêng và có cơ chế tổng hợp protein riêng. Ribosome của ti thể giống với loại ribosome của prokaryote và nó cũng sử dụng fMet-tARNMet f cho việc khởi đầụ Tuy nhiên, chúng có một số mã di truyền khác. Thêm vào đó, sự t−ơng tác codon-anticodon đ−ợc đơn giản hoá để ti thể co thể điều khiển quá trình tổng hợp protein chỉ với 22 loại tARN. Giả thuyết cho rằng sự đơn giản này có thể là do ti thể chỉ cần tổng hợp một số loại protein riêng, còn hầu hết các loại protein còn lại của ti thể đều đ−ợc mã hoá trong hệ gen nhân.