Quá trình sinh tổng hợp protein trong tế bào được điều khiển một cách nghiêm ngặt bởi các gen xác định nằm trên nhiễm sắc thể duy nhất của tế bào tiền nhân hoặc được phân bố trên các nhiễm sắc thể khác nhau của tế bào nhân thật.
Trước khi protein được tổng hợp, các gen xác định trong các nhiễm sắc thể phải thực hiện phiên mã để tạo ra các bản sao mARN bổ sung với một trong hai sợi đơn của gen đó. Qúa trình phiên mã được thực hiện nhờ các enzyme ARN polymerase.
Trong tế bào E. coli mARN được tổng hợp nhờ một loại ARN polymerase duy nhất, trong khi đó trong các tế bào nhân thật có ít nhất 3 loại ARN polymersase khác nhau để xúc tác tổng hợp 3 loại ARN khác nhau. Tuy nhiên, tất cả các ARN polymerase này đều có các đặc điểm giống nhau là: 1/ hoạt động của chúng đòi hỏi sự tham gia của ADN để làm khuôn cho phân tử ARN cần được tổng hợp; 2/ cần có mặt đồng thời cả 4 loại nucleoside triphosphate để làm nguyên liệu cho phản ứng là ATP, GTP, CTP và UTP; 3/ chỉ cho phép tăng trưởng sợi ARN theo chiều 5'-3'; 4/ cần có sự tham
gia của các ion hóa trị hai Mg2+ hoặc Mn2+. ARN polymerase của E.
coli có cấu trúc khá phức tạp, được cấu tạo từ các phần dưới đơn vị α, β, β', ω và σ. Các phần dưới đơn vị α, β, ω và β', tạo nên phần cốt lõi của enzyme gọi là core-enzyme, trong khi đó enzyme đầy đủ
(holoenzyme) có chứa cả phần dưới đơn vị σ. Bản thân core-
enzyme có thể xúc tác cho qúa trình polymer-hóa, song chỉ có holoenzyme mới có khả năng nhận biết điểm khởi đầu của quá trình phiên mã.
Tổng hợp ARN được bắt đầu khi trung tâm hoạt động của holoenzyme gắn một cách đặc hiệu vào khu vực khởi đầu (promoter) trên phân tử ADN. Promoter ở E. coli bao gồm 2 khu vực có trật tự nucleotide như mô tả trong hình 3.13, khu vực này cách khu vực kia khoảng 17 base. Trung tâm hoạt động của polymerase đủ lớn để gắn đồng thời với cả hai khu vực này. Do chứa nhiều các đôi AT nên cấu trúc xoắn kép của promoter dễ dàng bị enzyme phá vỡ, dẫn đến sự mở đầu của quá trình phiên mã.
Sau khi đã gắn với promoter, enzyme di chuyển một đoạn khoảng 7 base về phía đầu 3'của sợi bổ sung, nơi có trật tự C-A-T và bắt đầu quá trình phiên mã tại đây. Sợi khuôn được dùng để sao chép và sự sao chép này được tiến hành liên tục cho đến khi enzyme gặp tín hiệu kết thúc.
Tín hiệu kết thúc là một khu vực của gen cho phép phân tử ARN con tự động tạo nên cấu trúc xoắn kép dạng kẹp tóc tiếp nối với một trật tự poly-U. Sau khi khu vực này được sao chép xong, quátrình phiên mãsẽ tự động dừng lại và cả polymerase cùng mARN con đều tách khỏi sợi khuôn ADN. Trong các thí nghiệm sinh tổng hợp mARN in vitro người ta nhận thấy trong nhiều trường hợp trong việc kết thúc quá trình phiên mã còn có sự tham gia của
một loại protein có tên là yếu tố rho (ρ). Cấu tạo của tín hiệu kết
Hình 3.13. tín hiệu bắt đầu (A) và tín hiệu kết thúc (B)
của qúa trình phiên mã (transcription).
Với cơ chế sinh tổng hợp mô tả trên đây, toàn bộ các thông tin về trật tự aminoacid của một protein vốn lưu giữ trong trật tự các bộ ba mật mã trong đoạn gen của protein đó được sao chép thành trật tự các bộ ba trong sản phẩm mARN. Sau khi được tổng hợp và trải qua sự tu chỉnh cần thiết, mARN sẽ đi đến ribosome để điều khiển sinh tổng hợp protein.
3.4.2. Các yếu tố cần thiết cho sinh tổng hợp protein và các giai đoạn của quá trình sinh tổng hợp protein.