- Hệ thống sửa sai trong tế bào rất đa dạng và cú hiệu quả với sự tham gia
Rm Vị trớc ắt của enzyme Nase III trờn sợi tiền NA
Hỡnh 2-14: Nhiều rRNA cú mặt trong cựng một phõn tử tiền RNA ởE. Coli
Ở vi khuẩn E. Coli, một gen thường mó húa cho một số phõn tử rRNA. Vớ dụ 3 loại rRNA là 16S, 23S và 5S được mó húa trong một gen. Khi phiờn mó sẽ tạo một phõn tử tiền rRNA chung cho cả 3 loại rRNA trờn, sau đú, cỏc enzyme ribonuclease sẽ thực hiện quỏ trỡnh cắt loại cỏc intron để tạo 3 phõn tử rRNA hoàn thiện. Cũng cú trường hợp, trong một operon mó húa cho rRNA cú cả phần mó húa cho cả tRNA (Hỡnh 2-14).
2.4- DỊCH MÃ (Translation)
2.4.1- Đặc điểm chung của quỏ trỡnh dịch mó
Dịch mó là quỏ trỡnh tổng hợp chuỗi polypeptide dựa trờn cỏc thụng tin mó húa trờn mRNA về trỡnh tự sắp xếp cỏc axit amin trờn sợi polypeptide đú. Quỏ trỡnh dịch mó phức tạp hơn nhiều so với quỏ trỡnh sao mó và phiờn mó. Dịch mó được thực hiện ở ribosome với sự tham gia của ba loại RNA. Mỗi ribosome gồm một đơn vị lớn và một đơn vị nhỏ. Ở tế bào vi khuẩn, tiểu đơn vị lớn chứa hai sợi rRNA là 23S và 5S, cũn ở tiểu đơn vị nhỏ chứa một sợi rRNA 16S. Ở tế bào nấm men và sinh vật đa bào, tiểu đơn vị lớn chứa hai sợi
rRNA là 28S và 5,8S , cũn tiểu đơn vị nhỏ chứa một sợi rRNA là 18S. Khi khụng tiến hành tổng hợp protein, mỗi đơn vị tồn tại tỏch rời trong tế bào chất. Trong thời gian dịch mó, hai tiểu đơn vị ribosome kết hợp với mRNA và tRNA thực hiện quỏ trỡnh tổng hợp protein. Hướng dịch mó trờn mRNA từ đầu 5’ đến đầu 3’. Quỏ trỡnh dịch mó được tiến hành khi hội tụ đủ cỏc yếu tố như sự cú mặt của mRNA, cỏc ribosome, tRNA, cỏc axit amin và cỏc enzyme cần thiết, đảm bảo quỏ trỡnh vận chuyển và hỡnh thành liờn kết peptit.
Dịch mó được thực hiện ở tế bào chất. Ở sinh vật procaryote, hai quỏ trỡnh dịch mó và phiờn mó xảy ra dồng thời. Sau khi sợi mRNA được phiờn mó được một đoạn thỡ quỏ trỡnh dịch mó khởi đầu. Ở sinh vật eucaryote, hai quỏ trỡnh này xảy ra độc lập ở hai vị trớ khỏc nhau.
2.4.2- Sự hoạt húa và vận chuyển axit amin
Cỏc phõn tử tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển cỏc axit amin cho quỏ trỡnh tổng hợp protein. Mỗi axit amin cú ớt nhất một phõn tử tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển.
Cỏc axit amin (Aa) được hoạt húa nhờ enzyme aminoacyl-tRNA synthetase với năng lượng từ phõn tử ATP. Enzyme này làm nhiệm vụ gắn axit amin vào đầu 3' của phõn tử tRNA. Bộ ba cuối cựng ở đầu 3' của phõn tử tRNA là −CCA. Nhúm cacboxyl của axit amin sẽ tạo liờn kết đồng húa trị với gốc đường ribose ở nucleotide cuối.
Sản phẩm trung gian: Aa∼AMP sau khi xuất hiện lập tức gắn với phõn tử enzyme cho đến khi gặp tRNA tương ứng thỡ axit amin sẽ được trao cho tRNA hỡnh thành tổ hợp Aa∼t-RNA, giải phúng AMP.
Quỏ trỡnh chuyển húa cú thể biểu diễn như sau:
∼Aa Aa Aa Aa Aa Aminoacyl-tRNA synthetase ATP ATP
AMP tRNA tRNA
AMP P P
H HH H H N+ C C R O O_ + Adenosine Amino axit P P P H H H H H H N C C C + R O O O Oh P P Adenine Cytosine Cytosine H C H H H H H N+ C C R O O O Oh P P Adenine Cytosine Cytosine H C H O Oh Oh P P Adenine Cytosine Cytosine H H H H N+ C C R O O P Adenosine Amp P Adenosine + + + Aminoacyl tARN - synthetase Aa Amp nối thành aminoacyl-tARN synthetase ATP rnat
Hỡnh 2-15: Sơđồ biểu diễn quỏ trỡnh gắn axit amin vào tRNA của enzyme aminoacyl-tRNA synthetase
Cỏc axit amin luụn được gắn vào tRNA của nú một cỏch chớnh xỏc, điều đú cho thấy: trong phõn tử enzyme phải cú những vựng làm chức năng nhận biết cỏc cơ chất của nú một cỏch chớnh xỏc. Trong mỗi tế bào phải cú ớt nhất 20 loại enzyme aminoaxyl-tRNA synthetase tương ứng với 20 loại axit amin.
Quỏ trỡnh gắn axit amin vào tRNA của enzyme aminoacyl-tRNA synthetase được biểu diễn ở Hỡnh 2-15.
2.4.3- Hướng đọc mó và hướng kộo dài sợi polypeptide
Sự kộo dài sợi polypeptide cú thể biểu diễn như sau:
H H H N H H N Aa Aa 1 1 Aa Aa 2 2 Aa Aa 3 3 C C O O O O tRNA(a) tRNA(b) Aa4 H H H Aa4 C O O N tRNA(b) tRNA(a)
Trong quỏ trỡnh dịch mó, ribosome sẽ di chuyển dọc theo sợi mRNA từ đầu 5' đến đầu 3'. Cỏc bộ ba mó húa cho axit amin được đọc một cỏch liờn tục từ bộ ba khởi đầu AUG nằm ở đầu 5' của phõn tử mRNA cho đến khi gặp cỏc bộ ba kết thỳc ở đầu 3'−OH.
Sợi polypeptide được tổng hợp bắt đầu từ đầu chứa nhúm −NH2 đến đầu chứa nhúm −COOH.
2.4.4- Cỏc giai đoạn của quỏ trỡnh dịch mó
Quỏ trỡnh dịch mó gồm 3 giai đoạn: Khởi đầu, kộo dài và kết thỳc.
1,- Giai đoạn khởi đầu:
Đầu tiờn, một methionyl-tRNA synthetase (là một aminoacyl-tRNA synthetase) gắn phõn tử methionyl vào đầu 3' của tRNAmet tạo phõn tử Met-
tRNAmet. Trong tế bào tồn tại hai loại tRNAmet: Loại thứ nhất chịu trỏch nhiệm mang phõn tử methionyl đến vị trớ khởi đầu dịch mó, loại thứ hai mang methionyl đến cỏc vị trớ cú chứa bộ ba AUG nằm ở giữa phõn tử mRNA.
Với sự trợ giỳp của cỏc phần tử khởi động IF (initiaion factor), tiểu đơn vị nhỏ của ribosome sẽ đến gắn vào một vị trớ chuyờn biệt của mRNA, vị trớ này nằm ở đầu 5', khụng xa trước bộ ba khởi đầu AUG, đồng thời, phõn tử Met-tRNAmet cũng định vị vào vị trớ cú chứa bộ ba khởi đầu, tạo nờn phức hợp giữa tiểu đơn vị nhỏ của ribosome-mRNA-Met-tRNAmet. Ngay sau khi phức hợp này hỡnh thành, tiểu đơn vị lớn của ribosome sẽ kết hợp vào tiểu đơn vị nhỏ, tạo nờn hệ thống dịch mó: ribosome-mRNA-Met-tRNAmet (Hỡnh 2-16).
Cỏc nhõn tố khởi động sau đú tỏch ra khỏi hệ để tiếp tục khởi động cho một quỏ trỡnh dịch mó khỏc. Hiện nay, người ta đó biết được 3 loại nhõn tố khởi động ở procaryote và 6 loại ở eucaryote. Năng lượng sử dụng để khởi động dịch mó được lấy từ cỏc phõn tử cao năng như GTP. Phõn tử mRNA gắn vào tiểu đơn vị nhỏ của ribosome khi trong mụi trường phải cú nồng độ Mg+2 nhất định.
2,- Giai đoạn kộo dài:
Trờn ribosome cú hai vị trớ chuyờn biệt cho tRNA mang axit amin đến, đú là vị trớ P (peptidyl) và A (aminoacyl). Phõn tử tRNA mang methionine (Met-tRNAmet ) đầu tiờn đến sẽ bỏm vào vị trớ P - đối diện với bộ ba AUG, tiếp sau đú, một tRNA thứ hai mang một axit amin cú bộ ba mó húa tiếp theo xếp vào vị trớ A.
Bước tiếp theo là hỡnh thành liờn kết peptit giữa nhúm cacboxyl của axit amin gắn với tRNA trờn vị trớ P với nhúm amin của axit amin gắn với tRNA trờn vị trớ A, đồng thời, liờn kết giữa axit amin với tRNA trờn vị trớ P mất đi, sợi polypeptide đang hỡnh thành lỳc này gắn với tRNA trờn vị trớ A. Cựng lỳc đú, sợi mRNA dịch chuyển một bước, làm cho tRNA ở vị trớ P đẩy ra ngoài, cũn tRNA ở vị trớ A chuyển sang vị trớ P. Vị trớ A sẽ tiếp nhận một tRNA mang axit amin thứ ba đến. Quỏ trỡnh này lại lặp lại, liờn kết peptit thứ hai được hỡnh thành. Cứ như vậy, chuỗi polypeptide được kộo dài cho đến khi xuất hiện dấu hiệu kết thỳc, nghĩa là cú bộ ba kết thỳc nằm đối diện vị trớ A.
, , ,, , , , 30S tiểu đơn vị 2 2 2 5’ 5’ 3’ 3’ 3 3 1 1 1 1 2 3 Bộ đối mã tRNA fMet fMet fMet Hệ 30S khởi đầu GDP + P 50 tiểu đơn vị vị trí A vị trí P Hệ 70S khởi đầu 1F1 1F2 1F3 GTP 16S rRNA AUG Hỡnh 2-16: Sơđồ biểu diễn giai đoạn khởi động dịch mó ở procaryote - 72 -
mRNA 5' 3' 5' 3' AUGGU U UC A GAA UAC Met tRNA 3' 5' CA G Val 5' 3' 5' 5' 3' AUGGU U UC A GAA UAC 3' CAG Val Met 5' Met 3' 5' 5' Val Tyr 3' AUGGU U UC A GAA CA AUG G 3' * 5' 5' 3' AUGGU U UC A GAA CAG 3' 5' C A U 3' 5' AUG Tyr * 5' 3' 5' 3' AUGGU U UC A GAA CAG Tyr 3' 5' G A C Met Val 3' 5' C UU Glu * Chuyển dịch Chuyển dịch G* - vị trí này, G có thể bị methyl hoá, nó kết cặp với U do tính linh hoạt ở vị trí thứ 3 này ở 3' Val Met
Hỡnh 2-17: Sơđồ biểu diễn giai đoạn kộo dài chuỗi polypeptide đang tổng hợp
Cỏc tRNA mang axit amin (Aa∼tRNA) được xếp vào đỳng vị trớ A trờn ribosome nhờ nhõn tố kộo dài EF (elongation factor) với năng lượng từ phõn tử ATP. Liờn kết peptit được hỡnh thành nhờ enzyme peptidyl transferase. Mỗi một bước dịch chuyển, mRNA sẽ tiến về phớa trước ba nucleotide.
3,-Giai đoạn kết thỳc:
Khi điểm A trờn ribosome tiến đến đối diện với cỏc bộ ba vụ nghĩa (UAG, UAA, UGA) thỡ sẽ khụng cú một tRNA nào mang axit amin đến nữa, nờn sự kộo dài liờn kết peptit sẽ dừng lại. Kết thỳc giai đoạn dịch mó cú sự trợ giỳp của cỏc nhõn tố kết thỳc RF (release factor). Nhõn tố kết thỳc nhận biết bộ ba kết thỳc và làm đứt liờn kết giữa cỏc chuỗi polypeptide mới hỡnh thành với phõn tử tRNA cuối cựng, giải phúng sợi polypeptide. Sợi mRNA cũng tỏch khỏi ribosome, hai tiểu đơn vị của ribosome trở về trạng thỏi ban đầu, sắn sàng cho một chu kỳ dịch mó mới.
Ở E. Coli, người ta đó tỡm ra ba nhõn tố kết thỳc là RF1, RF2, RF3. RF1 nhận biết cỏc bộ ba kết thỳc là UAG và UAA; RF2 nhận biết cỏc bộ ba UGA và UAA. Cỏc RF này nhận biết cỏc bộ ba kết thỳc và đưa enzyme peptidyl transferase cắt liờn kết giữa tRNA với chuỗi peptit. Cỏch hoạt động của riờng RF3 chưa được làm rừ.
2.4.5- Polyribosome
Hiện tượng nhiều ribosome cựng bỏm vào một mRNA và thực hiện dịch mó đồng thời gọi là polysome hay polyribosome. Sau khi ribosome đầu tiờn kết hợp với mRNA ở đầu 5' thực hiện dịch mó được một đoạn ngắn, thỡ ở đoạn phớa sau, nhiều ribosome khỏc cũng bỏm vào và cũng thực hiện dịch mó đồng thời. Mỗi ribosome đảm nhận dịch mó một đoạn trờn mRNA. Người ta ước tớnh khoảng đảm nhiệm dịch mó của mỗi ribosome trờn mRNA ở E. Coli
là khoảng 80 nucleotide. Nhờ vậy, tốc độ tổng hợp protein tăng lờn đỏng kể.
2.5- ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GEN (Điều hoà sinh tổng hợp protein)
2.5.1- Mục đớch của điều hoà biểu hiện gen
Mục đớch của sự điều hoà biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phự hợp với cỏc nhõn tố dinh dưỡng, tỏc nhõn lý húa và mụi trường, tạo số lượng và số loại cần thiết để đảm bảo nhu cầu của tế bào là phỏt triển và sinh sản.
Trong bất kỳ tế bào nào, tất cả cỏc gen đều khụng hoạt động đồng thời, bởi vỡ nhu cầu protein của tế bào thay đổi liờn tục. Trong cơ thể sống, khụng phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng như nhau. Cú loại được tổng hợp một cỏch liờn tục trong suốt quỏ trỡnh sống, vớ dụ như hemoglobin của mỏu; cú loại chỉ được tổng hợp trong một giai đoạn nhất định nào đú trong chu trỡnh sống, vớ dụ như hormone sinh trưởng, hormone sinh sản, ... Như vậy, một số gen sẽ hoạt động nhiều hơn, thường xuyờn hơn, một số khỏc chỉ hoạt động ở những giai đoạn nhất định hoặc trong những điều kiện nhất định của chu trỡnh sống. Để đỏp ứng đầy đủ và đỳng số lượng protein cho cơ thể sống, trong cơ thể sống phải cú cơ chế điều hoà sinh tổng hợp protein, làm sao cho lượng protein tạo ra vừa đủ, khụng thừa và cũng khụng thiếu. Cú như vậy, hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống mới đảm bảo bỡnh thường, ngược lại sẽ làm rối loạn trao đổi chất, phỏt sinh bệnh tật hoặc tử vong.
2.5.2- Cỏc yếu tố điều hoà biểu hiện gen
Để thực hiện điều hoà biểu hiện gen, đầu tiờn, phải cú tớn hiệu gõy điều hoà, sau đú, thực hiện quỏ trỡnh điều hoà.
Ở tế bào procaryote, tớn hiệu gõy điều hoà thường là những yếu tố dinh dưỡng hay những yếu tố vật lý của mụi trường. Sự thay đổi cỏc yếu tố dinh dưỡng hay yếu tố vật lý của mụi trường cú tỏc động làm thay đổi hoạt động của cơ thể sống, nhằm thớch nghi với điều kiện mới để phỏt triển.
Ở tế bào eucaryote, tớn hiệu điều hoà là những phần tử do tế bào chuyờn biệt phỏt sinh. Vớ dụ như cỏc hormone được tổng hợp ở cỏc bộ phận chuyờn biệt như tuyến yờn, tuyến giỏp, ... đi vào trong mỏu, đem tớn hiệu đến cỏc mụ thực hiện điều hoà biểu hiện gen.
Điều hoà biểu hiện gen cú thể thực hiện bằng nhiều cỏch khỏc nhau như thay đổi cấu trỳc của DNA, tỏc động trực tiếp đến cỏc giai đoạn tổng hợp protein như phiờn mó, dịch mó, ..., quỏ trỡnh xảy ra rất phức tạp.
Phần lớn sinh vật procaryote đều ở dạng đơn bào, tế bào chưa cú màng nhõn, quỏ trỡnh phiờn mó và dịch mó xảy ra đồng thời trong tế bào chất, nờn sự điều hoà biểu hiện gen được tiến hành chủ yếu ở giai đoạn phiờn mó. Đối với cỏc sinh vật đơn bào, sự điều hoà là nhanh và nhạy, vỡ cỏc tớn hiệu điều hoà tỏc động trực tiếp ngay tế bào. Ngược lại, sinh vật eucaryote là những cơ
thể đa bào: Mỗi tế bào là một thành phần của cơ thể sống, nờn phải tuõn thủ nghiờm ngặt theo một chương trỡnh phỏt triển chung của cơ thể, mỗi bộ phận cú một chức năng riờng biệt, sự điều hoà ở đõy mang tớnh thống nhất cho toàn bộ cơ thể. Thờm vào đú, tế bào eucaryote cú cấu tạo hoàn chỉnh, sự phiờn mó xảy ra trong nhõn tế bào, cũn sự dịch mó thực hiện ở ngoài tế bào chất, do vậy, sự điều hoà biểu hiện gen phức tạp hơn nhiều và được tiến hành ở nhiều giai đoạn.
2.5.3- Mụ hỡnh điều hoà biểu hiện gen ở vi khuẩn
2.5.3.1- Cấu trỳc operon
Bộ gen của vi khuẩn được tổ chức theo operon. Một operon cú một vựng điều khiển và vựng mó húa. Vựng điều khiển bao gồm gen điều hoà, promoter và điểm điều hành (operator). Vựng mó húa bao gồm một số gen cấu trỳc nằm kề nhau, mỗi gen cấu trỳc mó húa cho một polypeptide. Cỏc protein được mó húa trong một operon thường cú quan hệ mật thiết với nhau trong một quỏ trỡnh chuyển húa sinh húa nào đú trong tế bào.
Một operon cú ớt nhất một promoter, tuy nhiờn, operon cú thể cú nhiều hơn một promoter và ỏi lực của cỏc promoter này đối với RNA-polymerase là khỏc nhau. Operator là trỡnh tự DNA, nơi mà protein ức chế (repressor protein) gắn vào.
Khỏi niệm về operon được F. Jacob và cỏc cộng sự của ụng nờu ra năm 1961 khi nghiờn cứu sự kiểm soỏt di truyền hấp thụ đường lactose ở E. Coli. Với sự khỏm phỏ ra cơ chế điều hoà biểu hiện gen, ụng đó nhận được giải thưởng Nobel 1965.
2.5.3.2- Operon cảm ứng - Operon lactose ở E. Coli
Vi khuẩn E. Coli cú khả năng sử dụng đường lactose như nguồn cacbon chớnh để phỏt triển. Lactose là một disacarit, nờn khi cú mặt lactose trong mụi trường, vi khuẩn sản sinh ra enzyme β-galactosidase để thuỷ phõn lactose, tạo thành cỏc phõn tử monosacarit là glucose và galactose thuận lợi cho quỏ trỡnh chuyển húa. Ngoài β-galactosidase ra, tế bào vi khuẩn cũn tổng hợp enzyme permease làm nhiệm vụ vận chuyển lactose qua màng tế bào. Khi nghiờn cứu