Bài giảng chương 5: Sinh tổng hợp protein

Chương V

SINH TỔNG HỢP PROTEIN

dnth

Khám phá mối liên hệ Gen - Protein

Garrod (1908) phát hiện bệnh Alkaptonuria làm cho nước tiểu có màu đen do tích tụ nhiều acid homogentisic.

Bệnh di truyền do một gen lặn.

1914, phát hiện ở người bị bệnh này thiếu mất hoạt tính emzyme oxydase của acid homogentisic. Enzyme mất hoạt tính làm chất phản ứng tích tụ lại gây dư thừa.

ấ ẩ ỏ ổ Sai h ng trao đ i ch t b m sinh

Vai trò của enzyme trong chuỗi phản ứng sinh hóa

Khi enzyme 5 không có sẽ dẫn đến sự tích tụ của cơ chất E

Con đường trao đổi chất phenylalanine và các căn bệnh có liên quan

ế

Beadle ­ Tatum (1941) và gi

thuy t

ộ

ộ

ả “m t gen, m t enzyme”

Thí nghiệm trên nấm Neurospora crassa:

• Dạng hoang dại mọc được trên môi trường tối thiểu.

• Dùng tia phóng xạ để gây ra đột biến khuyết dưỡng

(mất khả năng tổng hợp một số chất cần thiết).

• Dạng đột biến chỉ sống được trên môi trường có bổ sung những chất mà cơ thể đột biến không tổng hợp được.

Kết quả

Kết quả thí nghiệm

Chất bổ sung vào môi trường tối thiểu

Dạng hoang dại tăng trưởng trên tất cả môi trường

Dòng 1 chỉ tăng trưởng khi được bổ sung arginine

Dòng 2 tăng trưởng khi được bổ sung arginine hay citrulline

Dòng 3 tăng trưởng khi được bổ sung một trong ba chất trên

Con đường sinh tổng hợp của arginine

Giả thuyết một gen – một enzyme

Dòng 3 bị kìm hãm

Dòng 2 bị kìm hãm

Dòng 1 bị kìm hãm

ậ ủ

ế

K t lu n c a Beadle – Tatum

Một gen kiểm soát sự tổng hợp của một enzyme.

Lý thuyết một gen – một enzyme

fi

Dòng thông tin từ DNA đến Protein

ự

ế

ồ

DNA và protein có s  liên quan  đ ng tuy n tính

DNA: trình tự sắp xếp các nucleotide theo đường thẳng

phản ánh thông tin nhất định.

Protein: trình tự sắp xếp các acid amin theo đường thẳng (cấu trúc bậc một) xác định cấu trúc không gian của protein.

Sự thay đổi các nucleotic trên mạch thẳng của DNA dẫn đến thay đổi các acid amin trên mạch thẳng của phân tử protein

(cid:0)

ủ ự ổ

ể

ặ

ợ

Đ c đi m c a s  t ng h p protein

• Các phân tử thông tin như acid nucleic, protein được

tổng hợp theo khuôn.

• Sinh tổng hợp protein tách rời về mặt không gian với

DNA.

• RNA là chất trung gian chuyển thông tin từ DNA trong

nhân ra tế bào chất và làm khuôn để tổng hợp

protein.

ấ

: RNA là ch t trung gian, vì

- RNA được tổng hợp trong nhân có chứa DNA, sau đó di chuyển ra tế bào chất cho tổng hợp protein.

- Tế bào giàu RNA tổng hợp protein nhiều hơn.

- Bản chất hóa học của RNA giống DNA (cid:0)

có thể

nhận thông tin từ DNA qua bắt cặp bổ sung.

ấ

ủ

ứ C u trúc và ch c năng c a RNA RNA là một chuỗi polynucleotide, có cấu trúc tương tự mạch đơn DNA, có vai trò trung gian trong sinh tổng hợp protein.

RNA

DNA

Đường ribose

Đường deoxyribose

Uracil (U)

Thymine (T)

Mạch đơn, ngắn

Mạch kép, dài

Có nhiều chức năng khác nhau tùy loại RNA

Chỉ có một chức năng lưu trữ thông tin di truyền

Cấu trúc phân tử RNA

• RNA thông tin (mRNA)

• RNA vận chuyển (tRNA)

• RNA ribosome (rRNA)

ạ Các d ng RNA

RNA thông tin (mRNA)

mRNA mang thông tin di truyền từ DNA trong nhân đến nơi

ribosome tổng hợp protein ở tế bào chất.

mRNA có trình tự nucleotide nhiều hơn số dùng để mã hóa

protein.

Cấu trúc của một mRNA:

- Đoạn đầu 5’ không mã hóa (5’ UTR) là nơi gắn vào

ribosome.

- Kế đến là vùng mã hoá cho protein.

- Cuối cùng là phần đuôi 3’ không mã hóa (3’ UTR), nơi gắn

poly-A.

Cấu trúc mRNA của Eukaryote

Điểm khởi đầu phiên mã

Vùng mã hóa

Codon khởi đầu

Codon kết thúc

ể

ậ

RNA v n chuy n (tRNA)

tRNA vận chuyển một acid amin đến ribosome và gắn vào

mRNA.

Cấu trúc tRNA:

- Chiều dài từ 73 – 93 nucleotide, gồm một mạch cuộn lại

như hình lá chẻ ba.

- Đầu mút 3’ có trình tự kết thúc CCA, là nơi gắn 1 acid

amin.

- Bộ ba đối mã (anticodon) là nơi gắn với trình tự bổ sung

trên mRNA tương ứng với 1 a.a. đặc hiệu.

- Đầu mút 5’ thường tận cùng bằng một nucleotide

Guanine.

3 dạng đặc trưng của tRNA

Các mô hình cấu trúc tRNA

RNA ribosome (rRNA)

rRNA là thành phần cấu tạo và chiếm hơn ½ khối lượng của

ribosome.

Ribosom gồm 2 tiểu đơn vị lớn và nhỏ, mỗi tiểu đơn vị có

thành phần RNA và protein khác nhau.

Ribosome của Prokaryote, lục lạp, ty thể có hệ số lắng

khi ly tâm là 70S

Ribosome của Eukaryote có hệ số lắng khi ly tâm là

80S.

Hình dạng rRNA

Cấu trúc của một ribosome

Học thuyết trung tâm

Lưu trữ thông tin

Truyền thông tin

Biểu hiện chức năng của thông tin

Phiên mã

Dịch mã

Sao chép

Học thuyết trung tâm của sinh học phân tử

Mã di truyền được đọc theo trình tự từ đầu 5’ đến 3’ của mRNA, tương ứng với hướng từ đầu N tới đầu C của trình tự acid amin trong chuỗi protein.

Một codon gồm bộ 3 nucleotide.

Có 43 = 64 codon mã hóa cho 20 acid amin.

3 codon UAA, UAG, UGA không mã hóa cho acid

amin (codon vô nghĩa) và là codon kết thúc (stop).

Mã di  truy nề

• Mã di truyền có tính suy thoái (degeneration) tức

một acid amin có nhiều codon mã hóa (trừ

methionine và tryptophane).

• Mã di truyền có tính phổ quát (universal), tức toàn

bộ thế giới sinh vật đều có chung bộ mã di truyền.

Mã di  truy nề

Bảng mã di truyền

Quá trình phiên mã

Quá trình phiên mã (transcription) là quá trình chuyển

thông tin di truyền từ DNA sang RNA.

Enzyme xúc tác: RNA polymerase.

Các nucleotide tham gia: A, U, C, G.

Nguyên tắc chung:

- Chỉ một trong hai mạch DNA được dùng làm khuôn

tổng hợp RNA.

- RNA polymerase gắn vào DNA làm tách mạch và di 5’ trên DNA để tổng hợp mRNA

chuyển theo hướng 3’ (cid:0) theo hướng 5’ (cid:0)

3’.

Quá trình phiên mã

ở

Phiên mã

Prokaryote

Chỉ một loại RNA polymerase tổng hợp tất cả RNA.

mRNA chứa thông tin nhiều gen nối tiếp (polycistronic).

Tiến trình:

• RNA polymerase bám vào đoạn khởi động (promoter).

• Sự tổng hợp bắt đầu từ điểm xuất phát (start site), thường là CAT, cách chỗ bám

khoảng 7 base hướng đầu 5’ của mạch khuôn DNA.

• Quá trình tổng hợp kéo dài cho đến khi đọc qua điểm kết thúc (stop site).

• Kết thúc phiên mã, RNA polymerase và mRNA tách rời khỏi DNA.

Quá trình phiên mã ở Prokaryote

• Theo nguyên tắc, chỉ một trong 2 mạch DNA được dùng

làm khuôn không có nghĩa là trên toàn chuỗi DNA.

• Thay vào đó, một đoạn DNA bất kỳ có thể là khuôn cho một vài gen này nhưng sẽ không là khuôn cho những gen khác.

ở

Phiên mã

Eukaryote

• RNA polymerase I tổng hợp rRNA, RNA polymerase II tổng hợp mRNA, RNA polymerase III tổng hợp tRNA và các RNA nhỏ khác.

• mRNA chứa thông tin của một gen (monocistronic).

• Quá trình phiên mã phức tạp: đầu 5’ mRNA có gắn chóp (cap) 7-methylguanosine, đầu 3’ mRNA thêm đuôi (tail) polyadenine dài 100-200 adenine.

• Bản phiên mã đầu tiên (primary transcript) hay tiền mRNA (pre mRNA) phải qua quá trình chế biến (processing).

Polycistronic ở porokaryote và monocistronic ở eukaryote

Các gen gián đo nạ

Nhiều gen của eukaryote có tính gián đoạn.

Đoạn mã hóa được gọi là exon và đoạn không mã hóa

là intron.

Tiền mRNA chứa cả trình tự exon và intron.

Trong quá trình chế biến mRNA, các intron được cắt rời ra và các exon được nối lại với nhau (splicing) để thành mRNA trưởng thành.

Các intron có vai trò quan trọng đối với chức năng của

mRNA.

ế

Ti n trình phiên mã - Gắn chóp (cap): khi mRNA được tổng hợp khoảng 20-30 nucleotide, enzyme sẽ gắn 7-methyl-Guanosine vào đầu 5’ tạo liên kết 5’P-5’P.

- Thêm đuôi poly A: một đoạn ngắn ở đầu 3’ của mRNA bị cắt và được gắn vào các Adenine (dài khoảng 100-200 nucleotide).

ế

Ti n trình phiên mã

- Splicing: cắt rời các đoạn intron và nối các đoạn exon lại

với nhau.

- Xúc tác cho phản ứng cắt nối là phức hợp Spliceosome

(ribonucleoprotein - snRNP) trong nhân tế bào.

- Sau quá trình splicing, mRNA trưởng thành sẽ rời khỏi nhân, đi vào tế bào chất tham gia quá trình dịch mã để tổng hợp protein.

Quá trình phiên mã gen gián đoạn ở eukaryote

Gene

Chuỗi DNA mã hóa

Exon 1

Intron

Exon 2

Intron

Exon 3

Intron

Exon 4

Promoter/Enhancer

mRNA

Phiên mã

5’

3’

Pre mRNA

5’UTR

Exon 1

Exon 2

Exon 3

Exon 4

3’UTR

Chế biến (gắn chóp, methyl hóa, bổ sung poly A, splicing)

mature mRNA

7-mG cap

100-200

Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 4

Figure  15.12  Eukaryotic genes contain introns and exons.  a. Eukaryotic genes contain sequences that form the  coding sequence called exons and intervening sequences called introns. b. An electron micrograph showing hybrids  formed with the mRNA and the DNA of the ovalbumin gene, which has seven introns. Introns within the DNA sequence  have no corresponding sequence in the mRNA and thus appear as seven loops.c. A schematic drawing of the  micrograph.

QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ

Quá trình dịch mã (translation) là quá trình chuyển thông tin từ ngôn ngữ này (trình tự ribonucleotide) trên DNA thành ngôn ngữ khác (trình tự acid amin) trên protein.

Được thực hiện với sự tham gia của ribosome và 3 loại RNA (mRNA, tRNA và rRNA) phiên mã từ khuôn DNA.

Xảy ra trên polyribosome, ribosome sẽ “đọc” mRNA theo hướng 5’ (cid:0)

3’.

Sự tổng hợp đi từ đầu N đến đầu C của protein.

Ribosome gồm hai tiểu đơn vị: lớn và nhỏ.

Mỗi đơn vị là một phức hợp rRNA và các protein cấu

trúc.

Khi không tổng hợp protein, hai tiểu đơn vị ở dạng

tách rời nhau trong tế bào chất.

mRNA gắn trước tiên vào đơn vị nhỏ tại đầu 5’, sau

đó đơn vị lớn gắn vào và sự dịch mã bắt đầu.

Ribosome

Ribosome

Chuỗi polypetide được kéo dài

Đơn vị lớn

Acid amin tiếp theo gắn vào chuỗi

Các tRNA

mRNA

Đơn vị nhỏ

Các codon

Vị trí liên kết với mRNA

aminoacyl site (A), peptidyl site (P)

Các ribosome gắn

thành chuỗi trên

mRNA tạo nên cấu

trúc polyribosome

(hay polysome).

Polyribosome

Tốc độ tổng hợp protein tăng nhanh

(cid:0)

Polyribosome trong dịch mã ở E. coli

ế ị Ti n trình d ch mã

Khởi sự

Có sự tham gia của nhân tố khởi sự IF (initiation

factor), mRNA, ribosome, tRNAiMet.

Dấu hiệu khởi động là AUG (mã hóa cho methionine)

nằm ở đầu 5’ của mRNA.

Đầu tiên, methionyl-tRNA synthetase gắn một phân tử methionine vào một đầu của tRNAiMet tạo thành Met-tRNAiMet.

ế ị Ti n trình d ch mã

Khởi sự

Met-tRNAiMet gắn vào đơn vị nhỏ của ribosome.

Nhân tố IF có nhiệm vụ nhận biết codon khởi động AUG để phức hợp này đến gắn vào vị trí chuyên biệt trên mRNA, gần với codon AUG.

Anticodon của tRNAiMet bắt cặp với codon khởi sự AUG ở

điểm P (P site) của ribosome.

Đơn vị lớn của ribosome gắn vào đơn vị nhỏ và sự dịch mã

bắt đầu.

tRNA khởi sự

Phức hợp đơn vị nhỏ của ribosome và các nhân tố khởi sự

Aminoacyl tRNA gắn vào vị trí A

Gắn với mRNA

Hình thành liên kết peptide đầu tiên

Nhân tố IF nhận biết codon khởi sự

Nhân tố IF tách rời

tRNA khởi sự gắn vào vị trí P

Đơn vị lớn của ribosome đến gắn vào

Giai đoạn khởi sự

Figure 15.18 Initiation of translation. In prokaryotes, initiation factors play key roles in positioning the  small ribosomal subunit, the initiator tRNAfMet, and the mRNA. When the tRNAfMet is positioned over the  first AUG codon of the RNA, the large ribosomal subunit binds, forming the E, P, and A sites where  successive tRNA molecules bind to the ribosomes, and polypeptide synthesis begins.

ế ị Ti n trình d ch mã

Kéo dài

Có sự tham gia của nhân tố kéo dài EF (elongation

factor), GTP.

Các tRNA mang các aicd amin tương ứng đến bắt cặp

với các codon ở vị trí A (A site).

Acid amin gắn với tRNA ở điểm P sẽ tách ra khỏi tRNA và gắn với acid amin ở điểm A bởi enzyme peptideyl transferase tạo liên kết peptide.

ự ế ậ S  thành l p liên k t peptide

ế ị Ti n trình d ch mã

Kéo dài

tRNA ở điểm P sẽ được phóng thích. Ribosome di chuyển trên mRNA theo hướng 5’ (cid:0)

3’ để tRNA còn lại nằm ở điểm P, tRNA mới vào vị trí A bằng bắt cặp bổ sung codon – anticodon.

Quá trình lặp lại cho đến khi xuất hiện dấu hiệu kết

thúc.

Phóng thích nhân tố kéo dài

Aminoacyl tRNA gắn với các nhân tố kéo dài

Chuỗi polypeptide kéo dài

Liên kết

Kéo dài chuỗi

mRNA

Vị trí P Vị trí A

Giai đoạn kéo dài

ế ị Ti n trình d ch mã

Kết thúc

Quá

trình dịch mã gắn acid amin vào mạch

polypeptide với tốc độ khoảng 15 aa / s.

Kéo dài cho đến khi gặp một trong 3 dấu hiệu kết

thúc (UAA, UAG, UGA).

Chuỗi polypeptide tách rời khỏi các yếu tố dịch mã (ribosome, tRNA, mRNA …) nhờ nhân tố tách mạch RF (release factor).

Nhân tố tách mạch gắn vào codon kết thúc

Giai đoạn kết thúc

Tổng quát quá trình dịch mã

• Quá trình biểu hiện gen là sự chuyển đổi thông tin di truyền

chứa trong kiểu gen thành kiểu hình.

• Bản sao của gen là mRNA được tạo ra qua quá trình phiên mã, và mRNA được dùng để tổng hợp protein qua quá trình dịch mã.

• Cả 2 quá trình phiên mã và dịch mã đều được chia thành 3 giai đoạn: khởi đầu, kéo dài và kết thúc (tương tự như sự sao chép DNA).

• Sự biểu hiện gen ở eukaryote phức tạp hơn nhiều so với ở

prokaryote

ắ ự ể ệ Tóm t t s  bi u hi n gen

ự ể ệ ở

S  khác nhau trong bi u hi n gen  eukaryote và prokaryote

CÁC ĐỘT BIẾN

Các tác nhân gây đột biến làm tăng tần số đột biến

cao hơn mức tự nhiên.

Bao gồm:

- Tác nhân vật lý: phóng xạ, tia X, tia tử ngoại…

- Tác nhân hóa học: đồng đẳng của các base nitric, HNO2, các chất alkyl hóa mạnh, các chất gây ô nhiễm môi trường…

ộ ế Các tác nhân gây đ t bi n

ộ ế Các tác nhân gây đ t bi n

ộ ế Các tác nhân gây đ t bi n

Có hai dạng: thêm base (insertion) và mất base

(deletion).

Hậu quả:

- Dịch mã lệch khung.

- Có thể kết thúc sớm quá trình dịch mã nếu sự lệch khung dẫn đến codon kết thúc.

ế ệ ộ Đ t bi n l ch khung (frameshift)

Có các dạng:

- Đột biến sai nghĩa (mis-sense): codon của aa này biến

thành codon mã hóa cho aa khác.

- Đột biến vô nghĩa (non-sense): codon mã hóa cho aa biến

thành một trong các codon kết thúc không mã hóa cho aa

nào.

- Đột biến trung tính (im lặng): codon mã hóa cho một aa bị

biến đổi base thứ 3 cũng mã hóa cho aa đó.

ế ế ộ Đ t bi n thay th  (substitution)

ế ế ộ Đ t bi n thay th  (substitution)

ế ạ ộ Các d ng đ t bi n

Normal

ế ạ ộ Các d ng đ t bi n

ế ạ ộ Các d ng đ t bi n

ế ạ ộ Các d ng đ t bi n

Dạng bình thường

Dạng đột biến lệch khung (frameshift)

Dạng đột biến thay thế (substitution)

Lệch khung do mất base

Trung tính không gây hậu quả trên trình tự acid amin

Lệch khung do thêm base tạo codon vô nghĩa

Nhầm nghĩa

Vô nghĩa

Lệch khung do thêm hay mất 3 nucleotide

ễ ế ắ ộ ể Đ t bi n nhi m s c th

ế ễ ắ ộ ể Đ t bi n nhi m s c th

ế ễ ắ ộ ể Đ t bi n nhi m s c th

ễ ế ắ ộ ể Đ t bi n nhi m s c th

GEN

Dòng thông tin

DNA

RNA

Protein

Sao chép

Phiên mã

Dịch mã

mRNA

Ribosome

tRNA

mRNA

rRNA

Protein

Cấu trúc và chức năng của tế bào

Di truyền của “ngôn ngữ” DNA

Các ứng dụng của “ngôn ngữ” DNA

Con đường từ gen tới protein ở eukaryote và prokaryote

1866, Mendel nêu lên khái niệm nhân tố di

truyền.

1909, Johansen gọi nhân tố di truyền là gen.

1910, Morgan chứng minh gen nằm trên nhiễm

sắc thể và ở một locus nhất định.

1928, Griffith chứng minh gen có thể được biến

nạp.

ử ị L ch s  khám phá gen

1941, Beadle và Tatum cho thấy đột biến ở gen gây ra các sai hỏng trong con đường trao đổI chất và xuất hiện lý thuyết “một gen - một enzyme”.

1944, Avery, Mcleod và McCarty cho rằng DNA

mang thông tin của gen.

1953, Watson và Crick xác định cấu trúc phân tử

của DNA và học thuyết trung tâm ra đời.

ử ị L ch s  khám phá gen

1977, Roberts và Sarp khám phá ra gen gián

đoạn gồm các đoạn intron và exon.

ử ị L ch s  khám phá gen

gen là một đoạn DNA đảm bảo tạo ra một polypeptide, gồm đoạn trước và sau vùng mã hóa cho protein, cả intron và exon.

(cid:0)

- Là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền.

- Chiếm một locus nhất định trên nhiễm sắc thể.

- Xác định một tính trạng nhất định.

ệ ị Đ nh nghĩa gen hi n nay

http://www.dnapolicy.org

ả

i

ườ ồ ộ B n đ  b  gen ng • Được thực hiện từ năm 1990,

hoàn thành năm 2000.

• Cơ thể người có khoảng 75x1012

(75 trillion) tế bào.

• Bộ gen gồm 23 cặp NST, chứa

tổng cộng khoảng 31.000 gen mã hóa cho protein, 3 tỷ nucleotide (A, T, G, C)

• Một gen trung bình khoảng 3000

base

• Có khoảng 6000 căn bệnh có

nguồn gốc từ gen.

http://info.med.yale.edu/genetics/kkidd/239a.jpg

Organism

Genome Size (Bases)

Estimated Genes

Human (Homo sapiens)

3 billion

30,000

Laboratory mouse (M. musculus)

2.6 billion

30,000

Mustard weed (A. thaliana)

100 million

25,000

Roundworm (C. elegans)

97 million

19,000

Fruit fly (D. melanogaster)

137 million

13,000

Yeast (S. cerevisiae)

12.1 million

6,000

Bacterium (E. coli)

4.6 million

3,200

Human immunodeficiency virus (HIV)

9700

9

http://doegenomes.org

ướ ộ So sánh kích th c b  gen

Những điểm cần nhớ 1. Gen kiểm tra các phản ứng sinh hóa và giả thuyết “một gen -

một enzyme”.

2. Học thuyết trung tâm trong sinh học phân tử.

3. Mã di truyền, codon, anticodon, tính suy thoái và vạn năng.

4. Cấu trúc và chức năng của RNA, rRNA, tRNA và mRNA.

5. Ribosome, polysome.

6. Sự phiên mã, các enzyme tham gia, gen gián đoạn, intron,

exon, quá trình chế biến.

7. Sự dịch mã, các enzyme tham gia dịch mã, vị trí A và P trên

mRNA.

8. Các định nghĩa về gen.