Chương 6 NUCLEIC ACID VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ CỦA NUCLEIC ACID
6.5 Sinh tổng hợp RNA (sự phiên mã - transcription)
Về nguyên tắc tương tự quá trình tổng hợp DNA. Ở đây một sợi DNA là khuôn và các nucleosidtriphosphate là nguyên liệu và kết quả là một phân tử RNA được tổng hợp.
Để sao chép cần một sợi DNA khuôn là sợi giàu base pyrimidine, các nucleosidtriphosphate và các enzyme, chủ yếu là RNA-polymerase. Nguyên liệu là ATP, GTP, CTP và UTP thay thế cho TTP. Basơ nitơ uracil bổ sung với adenine ở trên khuôn. Ở nhóm OH ở vị trí C3 của ribose được kết hợp với nucleoside tiếp theo có sự
tách ra của pyrophosphate. Chuỗi cũng kéo dài ở đầu C3 của ribose. Phản ứng do RNA- polymerase xúc tác tương tự sự tổng hợp DNA.
Năng lượng cần cho sự tổng hợp này là sự tách ra của pyrophosphate. Trong hình 6.11 chỉ ra sự kết hợp của base bổ sung GTP với cytosine trên mạch khuôn với sự tách ra của pyrophosphate. Chuỗi RNA kéo dài ngược hướng với sợi DNA khuôn. Ở sự tổng hợp này sẽ tạo nên một mạch kép tạm thời, gồm DNA và RNA.
Vì vậy người ta gọi hiện tượng này là lai, mạch kép là phân tử lai. Vì RNA cơ bản là nhỏ hơn mạch DNA, nên chỉ một đoạn tương đối ngắn của DNA được đọc để tổng hợp RNA. Nhờ đặc tính này mà một đoạn được đọc kế tiếp nhau bởi nhiều enzyme polymerase. RNA mới được tạo thành không chỉ là 1 mà có từ 30 đến 100 phân tử.
RNA-polymerase trượt trên đoạn DNA và tổng hợp nên sợi RNA. Để bắt đầu và kết thúc đoạn DNA cần có những tín hiệu hoá học, những tín hiệu này cho đến nay chưa được biết nhiều. Tuy nhiên những đoạn riêng biệt của DNA thì hoàn toàn xác định, nó mang thông tin di truyền cho 1 phân tử RNA xác định.
Hình 6.11 Sự tổng hợp RNA ở sợi giàu pyrimidine
Nếu ở sợi khuôn DNA có lỗi, ví dụ thiếu 1 base nitơ, sẽ có một cơ chế để sửa chữa.
Có những enzyme làm nhiệm vụ nhận biết những vị trí lỗi trên sợi DNA. Cơ chế này rất quan trọng, nếu không thì những thông tin “vô nghĩa” được đọc.
Ở sinh vật nhân sơ thì mRNA được đọc trực tiếp từ DNA. Ở những đoạn DNA mã hoá cho rRNA và tRNA thì trước hết những đoạn RNA được tổng hợp nên, sau đó chúng sẽ được biến đổi để tạo rRNA và tRNA trưởng thành. Sự biến đổi này chủ yếu là thay đổi các base nitơ. Một phần được methyl hoá, những nhóm OH được thay thế bởi các nhóm methyl. Qua đó ảnh hưởng đến khả năng tạo cầu hydro của các base nitơ. Sự methyl hoá các base nitơ xảy ra sau khi sao chép có ý nghĩa đối với cấu trúc bậc hai của rRNA và tRNA. DNA ở sinh vật nhân sơ nằm tự do trong tế bào chất và chủ yếu ở dạng vòng. Ở trong ty thể và lạp thể có chứa một lượng nhỏ DNA, DNA này tương tự DNA của sinh vật nhân sơ. Một phân tử DNA dạng vòng không có điểm bắt đầu và điểm kết thúc. Để đọc chúng phải có 1 điểm kết hợp của polymerase. Vùng bắt đầu này (initiation sites) được đặc trưng bởi một trình tự base đặc biệt. Sơ đồ dưới đây có những chữ in đậm là 4 điểm khác nhau cho sự sao chép DNA từ ty thể của ngô.
Ở sinh vật nhân chuẩn sự tổng hợp RNA không thực hiện trực tiếp trên DNA. Đa số đoạn sao chép tương đối dài, được gọi là hnRNA hoặc cRNA, sau đó chúng được biến đổi thành mRNA, rRNA và tRNA. Quá trình này gọi là “processing” (hinh 6.13). Khi 20 nucleotide đầu tiên được lắp ráp để tổng hợp mRNA thì 1 mũ (cap) được gắn vào đầu sợi RNA ở vị trí C5 của ribose. Mũ này gồm guanine đã methyl hoá, được kết hợp với RNA nhờ ba gốc phosphate. Quá trình tổng hợp mRNA tiếp tục cho đến khi tạo nên trình tự base adenin-adenin-uracil-adenin-adenin. Đây là tín hiệu cho sự kết thúc quá trình sao chép, có khoảng 20 base nằm sau tín hiệu kết thúc. Ở đầu cuối này một sợi polyadenine được gắn vào, có từ 150 -200 adenylnucleotide. Phần này bảo vệ cho mRMA trước sự tấn công của enzyme ở trong tế bào chất. Mũ guanosine kích thích quá trinh sao chép. Bản sao này chứa một số đoạn được cắt ra. Những đoạn được cắt rời lại gắn kết với nhau theo thứ tự. Bằng cách này mRNA được tổng hợp. Những trình tự trên phân tử mRNA được gọi là “exon”, những đoạn được cắt ra gọi là “intron” (hình 6.12).
Quá trình “processing” xảy ra trực tiếp sau khi sao chép và chủ yếu là quá trình methyl hoá. Ở đây nhóm OH hoặc nhóm NH2 của base nitơ được thay thế bởi nhóm methyl. Bằng cách này khả năng tạo cầu hydro bị hạn chế.
Quá trình “processing” của tRNA bên cạnh methyl hoá còn có những thay đổi ở các base nitơ, vì vậy mà các base nitơ mới như dihydrouracil và pseudouridine xuất hiện.
rRNA và tRNA được tổng hợp trong nhân, RNA-polymerase II xúc tác cho tổng hợp mRNA, và RNA- polymerase III cho tRNA. Hầu hết rRNA được tổng hợp ở trong hạch nhân (nucleus) nhờ enzyme RNA polymerase I. Cả ba loại RNA đều được tổng hợp ở trong nhân tế bào và được đưa ra tế bào chất, nơi mà chúng tham gia vào quá trình tổng hơp protein. Ba loại RNA trong tế bào chất chiếm tỷ lệ như sau: rRNA chiếm 80%, tRNA chiếm 15% và mRNA chiếm 5%.
Hình 6.12 Sự cắt ra các exon từ bản sao và sự gắn lại để tạo thành sợi mRNA
Hình 6.13 Sơ đồ biểu diễn "processing" bản sao để tạo mRNA, rRNA và tRNA