Bài giảng Phiên mã, dịch mã, sinh tổng hợp protein

PHIÊN MÃ, DỊCH MÃ, SINH TỔNG HỢP PROTEIN

RNA (RiboNucleic Acid)

ARN thông tin (mRNA) : ARN thông tin được tổng hợp trong nhân tế bào từ khuôn mẫu của ADN, làm nhiệm vụ trung gian truyền thông tin di truyền từ ADN trong nhân sang protein được tổng hợp tại ribose thể trong tế bào chất. Thành phần nucleotide trong mARN rất biến đổi, từ 150 đến hàng ngàn nucleotide, thời gian tồn tại trong tế bào rất ngắn.

ARN vận chuyển (tARN)

Năm 1957 M. Hoagland & CSV (ở Harvard) đã chứng minh rằng mỗi acid amin gắn vào một dạng ARN nào đó trước khi đến ribose thể, từ đó gắn thêm các acid amin khác để tạo chuỗi polypeptide . Họ gọi loại ARN có nhiệm vụ chuyển các acid amin đến ribose thể là ARN vận chuyển (tRNA). Hoagland & CSV cũng đã kết luận rằng mỗi phân tử tRNA chỉ mang một phân tử acid amin, hoạt hóa nó với năng lượng ATP và chuyên chở nó đến ribose thể.

Gắn vào R

Gắn En hoạt hóa

Đến nay người ta biết được rằng có ít nhất một tRNA chuyên biệt cho mỗi aa. Tất cả các tRNA đều có chung vài đặc điểm cấu trúc: có từ 73-93 nucleotide, có cấu trúc sợi đơn được gấp lại thành nhiều thùy, bên trong có các base tự bắt cặp nhau, trình tự tận cùng là CCA dùng để gắn vào tRNA .

ARN ribose thể (rRNA)

Mỗi ribose thể gồm hai bán đơn vị lớn và nhỏ, mỗi bán đơn vị là một phức hợp của rRNA, enzyme và protein cấu trúc.

ARN ribose thể (rRNA) Ở nhóm sơ hạch và nhóm chân hạch, rARN có cấu trúc đặc sắc: ở một đoạn dài các cặp base bổ sung xoắn lại nhờ các liên kết hydro, tạo ra một hình dạng có nhánh và có vòng. Mặc dù chức năng của cấu trúc nầy vẫn chưa rõ, nhưng có lẽ nó có vai trò quyết định đối với hoạt động của ribose thể.

I/ QUAÙ TRÌNH TOÅNG HÔÏP PROTEIN TRONG TEÁ BAØO

1/ SỰ PHIÊN MÃ:

Cơ thể cần tổng hợp một loại protein nào đó thì thông tin cấu trúc của Protein này trên gien được mRNA sao chép lại chuyển đến hạt Ribosome

Phiên mã (Transcription) : sinh tổng hợp RNA từ khuôn DNA

CHỦ THYẾT TRUNG TÂM CỦA SHPT

RNA

Uracil – 1 base chỉ có ở RNA

mRNA

Uracil forms base pairs with adenine.

Đặc điểm của Quá Trình Phiên mã ở Prokaryote

 1. Phiên mã là 1 phản ứng enzyme tổng hợp

RNA từ khuôn DNA  RNA Polymerase  Đơn vị phiên mã : là trình tự DNA làm khuôn cho

sự tổng hợp 1 phân tử RNA  có thể là 1 gene hay nhiều gien kế cận (ở Vi khuẩn)

 Không có cơ chế sửa sai nên độ chính xác kém xa QT sao chép, nhưng không ảnh hưởng đến việc truyền đạt thông tin cho thế hệ sau.

2. Chỉ một trong 2 mạch đơn của phân tử DNA được dùng làm khuôn  Ở mức độ từng gien riêng biệt, RNA polymerase

quyết định việc chọn mạch khuôn gắn vào 1 trình tự đặc biệt trên mạch khuôn – PROMOTOR

 Phiên mã diễn tiến theo 1 chiều xác định : 5´3´

Hướng di chuyển của RNA polymerasequyết định mạch đơn nào được dùng làm khuôn

3. RNA polymerase được cấu tạo từ nhiều tiểu đơn vị:

 α1α2ββ´σ,  α : hình thành lõi của enzyme.  β : chứa vị trí thu nạp các Ribonu  β´´ : chứa vị trí liên kết DNA khuôn  σ có vai trò q trọng trong qtr khởi đầu phiên mã.   ct phức tạp lquan đến cơ chế kiểm soát qtr phiên mã.

GIAI ĐOẠN ccủủaa Quá Trình Phiên mã ở Prokaryote ::

3 3 GIAI ĐOẠN

BẮT ĐẦU (Initiation) BẮT ĐẦU (Initiation)

KÉO DÀI (Elongation) KÉO DÀI (Elongation)

KẾT THÚC (Termination) KẾT THÚC (Termination)

1. Giai đoạn khởi đầu :

 RNA polymerase nhận biết trình tự khởi động trên sợi

DNA (promotor) nhờ tiểu đơn vị σ sigma.

 Cấu trúc của promotor : 2 trình tự gồm 6 Nucleotide  3 bước :

 RNA polymerase gắn vào promotor  2 mạch DNA tách rời, 1 mạch làm khuôn  tổng hợp 1 trình tự RNA ngắn 8-9 Ribonu

1. Giai đoạn khởi đầu :

Quá Trình Phiên mã ở Prokaryote ::

2. Giai đoạn kéo dài (elongation) :

2. Giai đoạn kéo dài (elongation) :  Khi RNA đạt 10 Ribonu thì nhân tố σ tách khỏi phức

hợp enzyme.

 σ có thể gắn vào 1 promotor khác để khởi động 1

quá trình phiên mã mới

 Được thay thế bằng các nhân tố kéo dài.  RNA polymerase tháo xoắn liên tục phân tử DNA

 Sợi RNA sẽ tách dần khỏi mạch khuôn DNA trừ 1

trên chiều dài 18 Nucleotide. đoạn 12 Nucleotide bắt đầu từ điểm tăng trưởng vẫn liên kết với DNA.

 Phần DNA được tháo xoắn sẽ được RNA

polymerase xoắn trở lại sau đó.

3. Giai đoạn kết thúc (termination):

 Trên DNA vi khuẩn có những dấu hiệu “kết thúc”.  Khi RNA polymerase gặp dấu hiệu này ngừng

phiên mã, nhả sợi DNA khuôn ra và có thể h/động ở nơi khác.

 Nhân tố ρ (rho) : protein gồm 6 tiểu đơn vị.

 1 đoạn RNA mới tổng hợp (70-80 Ribonuc ) quấn quanh

protein ρ (rho)

phía phức hợp phiên mã.

 Các phân tử ρ dọc theo mạch RNA đang được tổng hợp về  RNA polymerase ngừng ở trình tự kết thúc phiên mã phụ

thuộc ρ .

 Trình tự đối xứng bổ sung hình thành trên RNA   Cấu trúc “kẹp tóc” ngăn không cho RNA polymerase tiếp

tục tổng hợp

Đặc điểm của Quá Trình Phiên mã ở PROKARYOTE

Đặc điểm của Quá Trình Phiên mã ở Eukaryote

RNA polymerase của Eukaryote có vai trò khác nhau trong Phiên mã

Polymerase I

Polymerase II

trong nhân trong nhân

Polymerase III

tổng hợp 5.8S,18S, 28S rRNA tổng hợp tất cả mRNA, snRNAs(small nuclear RNAs ) tổng hợp tRNA, 5S rRNA

trong nhân

RNA polymerase của Eukaryote có vai trò khác nhau trong Phiên mã

RNA polymerase

Ty thể

tổng hợp RNA ty thể

Lạp thể

tổng hợp RNA lạp thể

RNA polymerase

Promoter ở tế bào Eukaryote

 upstream of the gene  Khác nhau về cấu trúc và tính chất điều hoà  3 loại I/II/III.

Consensus sequence

Conserved eukaryotic promoter elements

CAAT box

GGCCAATCT

TATA box

TATAA

GC box

GGGCGG

CAP site

TAC

Đặc điểm của Quá Trình Phiên mã ở Eukaryote

Eukaryotic promoter elements.

RNA Polymerase II cần nhiều nhân tố phiên mã (TF -transcription Factor)

Quá trình trưởng thành(maturation) của các tiền mRNA

 Trước khi phiên mã kết thúc, các tiền mRNA trải qua 1 quá trình biến đổi ngay trong nhân để trở thành các mRNA hoạt động.

 Nhiều bước :  1. Gắn mũ chụp (capping) : là bước đầu tiên, ngay sau khi bắt đầu phiên mã : 1 Guanine có gắn nhóm methyl ở N7 được gắn vào đầu 5´´ của mRNA  tối cần thiết cho qtr dịch mã sau này.

Quá trình trưởng thành(maturation) của các tiền mRNA

 2. Gắn đuôi poly A : ngay sau khi phiên mã,

 mRNA bị cắt 20 Nuc nằm trước trình tự AAUAAA  Sau đó polyA polymerase sẽ gắn một lượng Adenine

nhất định vào đầu 3´ của mRNA  Gắn PABP (PolyA binding protein)

 3. Quá trình ghép nối

Sự cắt nối :

Source: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Class/MLACourse/Modules/MolBio Review/alternative_splicing.html

Quá trìng ghép nối của gien α-tropomyosin từ chuột

cluster of identical copies of a single gene cluster of identical copies of a single gene

ENZYME

rằng ADNADN gồmgồm 44 loại loại Thymine xếpxếp trong mộtmột

Mã di truyền (Codon) ÐơnÐơn vịvị mãmã (Codon) WatsonWatson vàvà CrickCrick khámkhám pháphá rara rằng Guanine vàvà Thymine Cytosine, Guanine Adenine, Cytosine, basebase cócó NN :: Adenine, thì trình theo trình tựtự củacủa cáccác acidacid aminamin trong thẳng thì đường thẳng theo đường phải được phân tửtử protein phân

những nhómnhóm basebase..

protein phải

loại basebase thay thường hiệnhiện diệndiện trong

protein nênnên thông

thay vìvì chỉchỉ cócó 44 loại trong protein hoặc nhiều

dưới dạngdạng bộbộ 33 hoặc

nhiều hơnhơn.. Những

được mãmã hóahóa bởibởi những NếuNếu nhưnhư mỗimỗi basebase củacủa ADNADN quiqui địnhđịnh mộtmột acidacid aminamin loại loại.. VìVì cócó 2020 loại phải cócó 2020 loại thì phải thì thông tintin phảiphải acidacid aminamin thường được Những đơnđơn được mãmã hóahóa dưới vịvị mãmã nầynầy gọigọi làlà codon

codon..

(Ðại họchọc Cambridge)

Cambridge) đãđã xácxác lậplập sốsố codon cócó độđộ dàidài bằngbằng 33,, vàovào nămnăm

CrickCrick && CSVCSV (Ðại Nucleotide Nucleotide củacủa mộtmột codon 1961 1961

The Genetic Code

CCU, CCC,

odon AUGAUG dùngdùng đểđể chỉchỉ UAG, đầu, vàvà UAA,UAA, UAG, thông tintin

thúc thông

••TTrừ 2 aa là Methionine và rừ 2 aa là Methionine và Tryptophan, tất cả các aa Tryptophan, tất cả các aa còn lại đều được mã hóa còn lại đều được mã hóa bởi nhiều hơn một bộ ba. bởi nhiều hơn một bộ ba. Những mã đồng nghĩa ••Những mã đồng nghĩa (mã hóa cho cùng một aa) (mã hóa cho cùng một aa) thường có hai base đầu thường có hai base đầu tiên giống nhau nhưng tiên giống nhau nhưng khác nhau ở base thứ ba. khác nhau ở base thứ ba. ••ThíThí dụdụ:: CCU, CCC, CCA,CCA, cùng mãmã hóahóa chocho CCGCCG cùng prolin prolin.. ••CCodon nơinơi bắtbắt đầu, UGAUGA nơinơi kếtkết thúc trêntrên mRNAmRNA..

Vai trò của ribose thể • Sự giải mã xảy ra ở ribose thể. Mỗi ribose thể gồm hai

bán đơn vị lớn và nhỏ.

• Khi không có sự tổng hợp protein, mỗi bán đơn vị tồn tại

riêng rẽ trong tế bào chất.

• Ribose thể ở nhóm sơ hạch gồm hai bán đơn vị 50S và 30S hợp thành ribose thể 70S (S = Svedberg, là đơn vị đo độ lắng của ribose thể khi đem ly tâm). Ở nhóm chân hạch hai bán đơn vị 60S và 40S hợp thành ribose thể 80S.

Vai trò của ribose thể Mỗi bán đơn vị có các phân tử rARN riêng. Các rARN này kết hợp với các protein để tạo thành các bán đơn vị. Ribose thể của nhóm sơ hạch có các rARN 23S, 16S và 5S trong khi ribose thể của nhóm chân hạch có các rARN 28S,18S, 5.8S và 5S .

NHÓM SƠ HẠCH

NHÓM CHÂN HẠCH

Thành phần Bán đơn vị

rARN 23S (2.900 nu.) + rARN 5S (120 nu.) + 31 protein  50S

rARN 16S ( 1540 nu.) + 21 protein  30S

rARN 28S (4.800 nu.) + rARN 5.8S (160 nu.) + rARN 5S (120 nu.) + 50 protein  60S

rARN 18S (1.900 nu.) + 33 protein  40S

80S

70S

Ribose thể Các thành phần của ribose thể ở nhóm sơ hạch và chân hạch

ADN

ARN polymerase

Chuoãi polypeptide daøi ra

Baùn ñôn vò nhoû

Baùn ñôn vò lôùn

Phiên mã và giải mã cùng lúc

Ở tb chân hạch có 4 bước đan xen vào nhau trong sự phiên mã và giải mã:

+ Thay đổi của bản phiên mã ở đầu 5´ + Thay đổi ở đầu 3´ + Sự nối các đoạn ARN sau khi tách bỏ intron + Sự di chuyển của mARN qua các lỗ của màng nhân để đi vào tế bào chất, nơi đây các ribose thể tự do sẵn sàng giải mã.

Các mARN bắt đầu quá trình giải mã theo phương thức gắn với các bán đơn vị nhỏ của ribose thể trong tế bào chất, từ đó liên kết với bán đơn vị lớn và bắt đầu giải mã. Đầu đoạn protein vừa được tổng hợp chứa một trình tự gắn vào một phức hệ nhận diện làm cho quá trình giải mã bị ngừng lại. Sau đó, tổ hợp phức hệ nhận diện mARN-ribose thể nầy bám vào mạng nội chất.

Phần protein vừa được tổng hợp chui vào mạng nội chất, sự giải mã lại bắt đầu và chuỗi aa dài ra được đưa vào các khoang của mạng nội chất. Khi chấm dứt sự giải mã, các bán đơn vị nhỏ tách khỏi mARN và rời mạng nội chất.

Các protein được tổng hợp ở mạng nội chất sần không có nhiệm vụ trong tế bào chất mà chúng có thể hòa tan, hoặc trôi nổi trong khoang của mạng nội chất hoặc được tích tụ lại trong mạng nội chất láng và bị bao lại thành các túi chuyên chở. Mặt khác, chúng có thể bám vào màng của mạng nội chất, nơi đây chúng có chức năng, hoặc bị bao lại bởi màng của mạng nội chất hay chính màng tế bào. Ngược lại, phần lớn protein được tổng hợp tại ribose thể trong tế bào chất đều ở lại trong đó.

Vai trò của ARN vận chuyển

mARN được tổng hợp từ ADN trong nhân, di chuyển đến ribose thể và làm khuôn cho sự tổng hợp protein. Mỗi acid amin được gắn vào một tARN tương ứng trước khi đến ribose thể va mỗi phân tử tARN chỉ mang một phân tử acid amin, hoạt hóa nó với năng lượng ATP và chuyên chở nó đến ribose thể. Tại ribose thể aa này gắn thêm các aa khác để tạo chuỗi polypeptide .

Các enzyme (aminoacyl tARN synthetase) xúc tác phản ứng ghép mỗi aa với tARN tương ứng. Ðầu tiên enzyme phản ứng với một aa và một phân tử ATP, tạo ra một phức hợp giàu năng lượng AMP-aa vẫn còn gắn với enzyme. Sau đó, enzyme xúc tác sự chuyển aa từ AMP sang gắn vào đầu 3 của tARN. Cuối cùng enzyme sẽ phóng thích tARN đã gắn acid amin.

•tARN mang aa đến gắn vào mARN bằng sự bắt cặp giữa các base bổ sung. Chúng ta đã thấy rằng mỗi codon mã hóa cho một aa là một trình tự của ba base trên sợi đơn mARN. •Mỗi tARN có bộ 3 base gọi là đối mã (anticodon-một bộ 3 chưa bắt cặp) bổ sung codon trên mARN cho aa riêng biệt. Mỗi aa có một hay nhiều hơn một ARN chuyên chở mang nó (vì mã di truyền có 64 mã) vì hầu hết aa có nhiều hơn một đơn vị mã. •Hai ARN chuyên chở mang một loại acid amin được gọi là isoacceptor.

Chu kỳ giải mã

Tóm tắt sự phiên mã và giải mã ở nhóm chân hạch : Khi sợi đôi ADN của một gene được hoạt hóa, ARN polymerase có thể nhận biết và gắn vào vùng khởi đầu phiên mã. ADN dùng làm khuôn tổng hợp phân tử mARN sợi đơn. Sự phiên mã của ADN bắt đầu ở dấu hiệu khởi đầu và chấm dứt ở trình tự kết thúc. Phiên bản nháp ở đầu có mũ 7-methylguanosin và đuôi polyAdenine, intron được dời khỏi phiên bản và các đoạn được ráp lại, những bước nầy không cần thiết ở nhóm sơ hạch. mARN hoàn chỉnh rời khỏi nhân và di chuyển vào tế bào chất để phối hợp với ribose thể.

Chu kỳ giải mã

mARN mang thông tin dưới dạng mã bộ ba, dùng làm khuôn để tổng hợp protein. Khi ribose thể di chuyển dọc mARN, chúng đọc các mã từ đầu 5’của sơi ARNm. Các aa tạo ra chuỗi polypeptide được chuyên chở bởi tARN chuyên biệt cho mỗi acid amin. Thứ tự của các tARN dọc mARN cũng là thứ tự của các acid amin mà nó mang theo. Các liên kết peptid gắn các acid amin với nhau. Sau khi bỏ lại acid amin, tARN rời khỏi mARN để nhặt và chuyên chở tiếp tục. Khi ribose thể đến mã kết thúc, nó sẽ phóng thích sợi polypeptide .

2/ QUÁ TRÌNH GIẢI MÃ

a) Hoạt hoá acid amin:

men

+ tRNA

aa + ATP

aa- tRNA + ADP

aa_ATP aa hoạt hóa

b)Toång hôïp chuoãi PolyPeptide

MET PRO

G A A U G A

G

U

X

U U U

X X

mARN ñeán tieáp xuùc vôùi Ribosome baèng 2 boä ba (trong

ñoù coù 1boä 3 môû ñaàu)

tARN mang acidamin môû ñaàu tôùi. Neáu ñaàu ñoái maõ cuûa ARNt khôùp vôùi boä ba môû ñaàu treân ARNm thì quaù trình toång hôïp Protein baét ñaàu.

tARN mang acidamin 1 tôùi. Neáu ñaàu ñoái maõ cuûa ARNt acidamin 1 khôùp vôùi boä ba maõ hoaù treân ARNm thì acidamin môû ñaàu lieân keát vôùi acidamin 1 baèng 1 lieân keát peptide nhôø naêng löôïng vaø enzyme, coøn ARNt acidamin môû ñaàu taùch khoûi acidamin môû ñaàu, ñeå acidamin môû ñaàu laïi

CYS

MET

PRO

G A A U G A G G G U

X

U

U U

X X

PRO

MET

PRO

CYS

G A A U G A G G G U

X

U

U U

X X

THR

MET

PRO

CYS

PRO

G A A

U

G A

G

U

X

U U U

X X

MET

THR

PRO

CYS

PRO

G A A U G A

G

U

X

U U U

X X

- Luùc ñoù Ribosome tröôït moät böôùc (coù 1boä ba) thì ARNt mang acid amin thöù hai ñeán tieáp xuùc. Neáu ñaàu ñoái maõ cuûa ARNt acid amin 2 khôùp vôùi boä ba maõ hoaù cuûa ARNm thì acid amin 1 gaén vôùi acid amin 2 (aa1_aa2) baèng moät lieân keát peùptít nhôø naêng löôïng vaø men. Coøn ARNt acid amin 1 taùch ra khoûi acid amin 1, ñeå acid amin 1 laïi.

- Cöù nhö vaäy cho ñeán khi Ribosome tieáp xuùc vôùi boä ba keá thuùc thì moät chuoãi Polypeptide ñöôïc toång hôïp xong. Luùc ñoù Ribosome taùch khoûi ARNm, chuoãi Polypeptide taùch khoûi Ribosome.

MET

THR

PRO

CYS

PRO

G

A

A U G A G G G U

X

U

X X

Moät boä ba maõ hoaù moâi tröôøng cung caáp moät acidamin

Boä ba keát thuùc moâi tröôøng khoâng cung caáp acidamin

Soá acidamin moâi tröôøng cung caáp cho 1 Ribosome giaûi maõ moät laàn treân moät ARNm

ΣRN

-1

men

MET

THR

PRO

CYS

PRO

G

A

A U G A G G G U

X

U

X X

Döôùi taùc duïng cuûa men ñaëc hieäu, acidamin môû ñaàu taùch khoûi chuoãi Polypeptide. Phaân töû Protein tieáp tuïc hoaøn thaønh caáu truùc baäc cao hôn

THR

PRO

CYS

PRO