SINH TỔNG HỢP PROTEIN
ThS. Nguyễn Thanh Tố Nhi
KHÁI QUÁT
Sinh tổng hợp protein = Dịch mã = Giai đoạn cuối của sự biểu
hiện TTDT/mARN thành trình tự acid amin tƣơng ứng/chuỗi
polypeptid
Xảy ra trong tế bào chất
Ở Prokaryote khác eukaryote (eukaryote phức tạp hơn)
CÁC YẾU TỐ CẦN THIẾT
Ribosom: bộ máy dịch mã
mARN: chứa thông tin quy định trình tự aa cần tổng hợp
tARN: vận chuyển aa đến rbs
Aminoacyl-tARN sythetase:
enzyme gắn aa vào tARN
RIBOSOM
Cấu tạo? Prokaryote, eukaryote Trạng thái trƣớc khi dịch mã, dịch mã? Ảnh hƣởng Mg2+? Chức năng?
RIBOSOM
Cấu tạo? Prokaryote, eukaryote Trạng thái trƣớc khi dịch mã, dịch mã? Ảnh hƣởng Mg2+? Chức năng?
mARN
Vùng mã hóa bắt đầu bằng codon khởi đầu (AUG), kết thúc
bằng codon kết thúc (UAA, UAG, UGA)
tARN
Chất kết nối giữa TTDT đƣợc mã hóa ở mARN với trình tự aa
của protein tƣơng ứng
tARN
Mỗi tARN vận chuyển 1 loại aa
Mỗi aa có thể đƣợc vận chuyển bởi một số tARN khác nhau
tARN duy nhất: aa liên quan đến 1 tARN
tARN đồng nhận: các loại tARN liên quan đến 1 aa
Sự dị biệt codon: có 1 vài codon cho 1 aa đƣợc sử dụng
Aminoacyl hóa tARN
Là quá trình gắn amino acid với tARN
Xúc tác bởi aminoacyl-tARN synthetase
2 bƣớc:
Hoạt hóa aa: aa phản ứng với ATP hình thành
aminoacyl adenylate hoạt hóa
Gắn aa: enzym aminoacyl-tARN synthetase gắn aa
hoạt hóa với tARN tạo phức hợp aminoacyl-tARN
Aminoacyl hóa tARN
Sơ đồ phản ứng
1) Amino acid + ATP
aminoacyl-AMP + PPi
2Pi
2) Aminoacyl-AMP + tARN
Aminoacyl-tARN + AMP
Aminoacyl hóa tARN
20 loại tARN cho 20 loại aa?
Câu hỏi:
20 loại tARN-aminoacyl synthetase cho 20 loại aa?
Aminoacyl hóa tARN
Chức năng • Cung cấp sự liên hệ giữa mã di truyền (mARN) và
protein (aa), hoạt hóa aa trƣớc khi nối vào protein
• Liên kết ester giữa aa & tARN cung cấp năng lƣợng
cho việc hình thành liên kết peptid trong dịch mã
Aminoacyl hóa tARN
Trong quá trình dịch mã, Rbs
không
Không xác định đƣợc tARN có gắn đúng với aa tƣơng ứng hay
nếu khớp thì aa/tARN
Chỉ đảm bảo sự ăn khớp giữa codon/mARN và anticodon/tARN,
dù đúng hay sai đều đƣợc
nối vào chuỗi polypeptid.
Aminoacyl hóa tARN
“Bƣớc đọc sửa sai” chỉ xảy ra ở giai đoạn aminoacyl hóa bởi
này thể hiện ở việc nhận diện:
enzym aminoacyl-tARN synthetase. Tính chính xác của bƣớc
Aa qua kích thƣớc, điện tích, cấu dạng
tARN nhờ nhánh D và vòng anticodon
tARN VÀ CODON KHỞI ĐẦU
Eukaryote • Codon khởi đầu: AUG (~methionin = Met) • Có 2 loại tARN mang Met đến kết hợp với codon
AUG/mARN tARNiMet: dùng cho AUG mở đầu chuỗi polypeptid tARNmMet: dùng cho AUG khác nằm trong chuỗi
polypeptid
tARN VÀ CODON KHỞI ĐẦU
Prokaryote
Codon khởi đầu: AUG, GUG (formyl-methionin = fMet)
2 loại tARN:
tARNfMet: AUG mở đầu chuỗi polypeptid (chuỗi
peptid ở Prokar đƣợc khởi đầu = formyl-methione)
tARNmMet: dùng cho codon AUG khác trong chuỗi
polypeptid
Các tARN & codon khởi đầu
Vi khuẩn
TB nhân thật
Codon khởi đầu
AUG, GUG
AUG
tARN mang Met
tARNfMet
tARNiMet
khởi đầu
tARN mang Met
tARNmMet
tARNmMet
khác / protein
Acid amin khởi
Formyl-methionin
Methionine
đầu chuỗi peptid
TIẾN TRÌNH DỊCH MÃ
3 giai đoạn chính: Khởi đầu Nối dài Kết thúc
KHỞI ĐẦU DỊCH MÃ
Yếu tố cần thiết
mARN
tARN mang acid amin mở đầu
2 tiểu đơn vị của ribosom
Yếu tố khởi đầu Prokaryote: IF1, IF2, IF3
Yếu tố khởi đầu Eukaryote : eIF1, eIF2,…, eIF10
RIBOSOM
3 vị trí quan trọng/rbs P (peptidyl-tARN): chuỗi polypeptid đang hình thành gắn với tARN A (aminocyl): tARN mang 1 aa đến đối mã – codon kế tiếp/mARN chƣa đƣợc dịch mã E (exit) tARN đến vị trí này bị phóng thích
KHỞI ĐẦU CHUỖI PEPTID Ở VI KHUẨN
Trình tự Shine-Dalgarno/mARN
Là 1 tt ở đầu 5’ chứa polypurin ngắn bổ sung với 1 tt giàu
Giúp ribosom của VK hƣớng tới đúng codon khởi đầu của mARN
pyrimidin ở đầu 3’ của rARN 16S
Nằm gần điểm xuất phát của trình tự mã hóa mARN
Sự khởi đầu dịch mã không nhất thiết nằm gần điểm khởi đầu
5’ của mARN
Tiến trình khởi đầu gồm các bƣớc:
1. IF3 gắn vào tiểu ĐV nhỏ tại E IF1 gắn vào tiểu ĐV nhỏ tại A. IF2 (GTPase) gắn vào IF1 và
chồm qua vị trí P để tiếp xúc với
tARNfMet
2. Tiểu ĐV nhỏ của ribosom gắn
mARN nhờ bắt cặp base giữa vị
trí gắn ribosom (rbs) trên mARN
với rARN 16S sao cho codon khởi đầu nằm tại vị trí P.
3. tARNfMet gắn vào tiểu đơn vị nhỏ tại vị trí P nhờ sự trợ giúp
của IF2
4. Khi codon khởi đầu + tARNfMet
bắt cặp, tiểu ĐV nhỏ thay đổi cấu
hình
IF3 không gắn đƣợc & bị
phóng thích
Tiểu ĐV lớn gắn vào TĐV nhỏ
5. Sự gắn TĐV lớn kích hoạt GTPase (IF2) thủy giải GTP thành GDP phóng thích IF2 & IF1 khỏi
ribosom giải phóng vị trí A
KHỞI ĐẦU Prokaryote
Tiến trình khởi đầu
1.TĐV 30S gắn vào mARN (codon khởi đầu AUG/mARN
nằm tại vị trí P/rbs nhờ trình tự Shine-Dalgarno)
2. tARNfMet gắn vào phức hợp 1 tại P/rbs
3. TĐV 50S gắn vào phức hợp 2
TĐV 30S – mARN – tARNfMet – TĐV 50S
KHỞI ĐẦU Eukaryote
mARN di chuyển để “quét” tìm codon AUG trong 1 “ngữ cảnh”
Trình tự Kozak: tiểu đơn vị nhỏ 40S của rbs gắn vào đầu 5’
đúng
KHỞI ĐẦU Eukaryote
1) Chuẩn bị TĐV 40S
eIF1A & eIF3 gắn vào TĐV nhỏ tại A và E
eIF1A giúp eIF5B-GTP gắn vào tđv nhỏ
eIF5B-GTP giúp phức eIF2-GTP với tARNiMet gắn vào, eIF5B-
GTP và eIF2-GTP định vị tARNiMet vào vị trí P/rbs 40S
2) Chuẩn bị mARN
eIF4E gắn chóp 5’ của mARN, giúp eIF4A và eIF4G gắn vào
eIF4B gắn trực tiếp vào và hoạt hóa hoạt tính helicase trên
mARN, 3 protein này tạo eIF4F hoàn chỉnh
eIF4F để loại bỏ cấu trúc bậc 2 ở đầu 5’ của mARN
KHỞI ĐẦU Eukaryote
3) eIF4F/B giúp tđv nhỏ gắn tARNiMet tiếp xúc với mARN từ chóp 5’ nhờ tƣơng tác eIF4F và eIF3. Tđv nhỏ trƣợt trên mARN theo hƣớng 5’3’ đến khi codon AUG khởi đầu (trong trình tự Kozak) vào đúng vị trí P. Sự trƣợt của mARN phụ thuộc ATP nhờ hoạt tính helicase trong eIF4F 4) Sự bắt cặp chính xác giữa anticodon của tARNiMet và AUG dẫn đến phóng thích eIF2 và eIF3, tạo điều kiện cho tđv lớn gắn vào tđv nhỏ 5) Sự gắn tđv lớn sẽ phóng thích các yếu tố khởi đầu còn lại do kích thích thủy giải GTP nhờ eIF5B
tARNiMet đƣợc đặt đúng vị trí P Vị trí A sẵn sàng tiếp nhận các tARN đã hoạt hóa khác cho giai
đoạn nối dài
KHỞI ĐẦU Eukaryote
KHỞI ĐẦU Eukaryote
Tiến trình khởi đầu
1.TĐV 40S gắn vào tARNiMet (định vị tARNiMet tại
P/rbs)
2. Phức hợp gắn vào mARN (rbs hƣớng vào đúng
AUG mở đầu/5’-mARN nhờ trình tự Kozak)
3. TĐV 60S gắn vào phức hợp 2
TĐV 40S – tARNiMet – mARN - TĐV 60S
YẾU TỐ KHỞI ĐẦU
Prokar Eukar Chức năng
IF1 eIF1A Ngăn không cho aminoacyl-tARN thường gắn
IF2 eIF2
IF3 eIF3
eIF5
eIF4
vào vị trí A Định vị tARNiMet/ tARNfMet vào P/rbs eIF-2 gắn trực tiếp vào tARNiMet Ngăn cản 2 tiểu đơn vị rbs kết hợp thành rbs hoàn chỉnh Gắn chóp 5’ vào tháo xoắn cấu trúc bậc 2 tạo điều kiện cho rbs gắn vào Giúp phức eIF-2_GTP/ tARNiMet gắn vào rbs Giải phóng các yếu tố khởi đầu khỏi rbs sau khi gắn tiểu đơn vị lớn
NỐI DÀI
Hƣớng 5’3’. Tƣơng đối giống giữa prokaryote và eukaryote
amin mới đƣợc thêm vào mạch polypeptid
Tiến trình nối dài chu kỳ gồm 3 bƣớc, sau mỗi chu kỳ 1 acid
Cần các protein – 3 yếu tố nối dài
EF-Tu
EF-1α Mang các aminoacyl-tARN tới vị trí A/rbs
Prokar Eukar Chức năng
EF-Ts EF-1βγ Tái hồi EF-Tu hoặc EF-1α
EF-G EF-2
Tham gia vào bƣớc chuyển vị của chu kỳ nối dài
NỐI DÀI
1.
mã đúng đƣợc mang vào A
Aminoacyl-tRNA có đối
GTPase
nhờ EF-Tu-GTP
GTP GDP, EF-
Tu phóng thích aminoacyl-
tRNA vào đúng vị trí A
NỐI DÀI
hình thành giữa aminoacyl-
2. Liên kết peptid đƣợc
tRNA ở A với peptidyl-
tRNA ở P nhờ peptidyl
transferase (do rARN 23S
đảm nhiệm) → chuyển
polypeptid đang tổng hợp
từ tRNA ở P sang
aminoacyl-tRNA ở A
NỐI DÀI
3. Peptidyl-tRNA mới hình
thành ở A đƣợc chuyển vị
sang P nhờ EF-G-GTP: năng
GDP để giải phóng vị trí A cho
lƣợng thủy phân GTP thành
1 chu kỳ mới
4. EF-G, EF-Tu tái tạo lại GTP
để tham gia chu kỳ mới (EF-
Tu nhờ EF-Ts)
NỐI DÀI
Năng lƣợng cho 1 chu kỳ nối dài:
1ATP (aminoacyl hóa tARN)
2GTP :
•1 cho EF-Tu để gắn tARN-aa vào A
•1 cho EF-G để chuyển peptidyl-tARN từ AP)
KẾT THÚC DỊCH MÃ
Tiến trình nối dài diễn ra đến khi codon kết thúc (UAA, UAG,
Yếu tố kết thúc RF nhận diện codon kết thúc, kích hoạt kết thúc
UGA) đi vào vị trí A
dịch mã, phóng thích chuỗi polypeptid
KẾT THÚC DỊCH MÃ
Có 2 loại RF
tARN ở vị trí P
Loại I: nhận diện codon stop & thủy phân chuỗi polypeptid khỏi
•Eukaryote: 1 loại RF nhận diện cả 3 codon kết thúc
•Prokaryote: 2 loại RF: UAG (RF1), UGA (RF2), UAA (RF1&2)
Loại 2: kích thích sự tách yếu tố loại I ra khỏi rbs nhờ năng
lƣợng thủy giải GTP
•Eukaryote: eRF3, Prokaryote: RF3
Cấu trúc vòng của mARN khi dịch mã Eukaryote
mARN (5’CAP gắn với
Cấu trúc vòng của
polyA) nhờ poly A
binding protein (PABP)
Rbs sau khi hoàn tất
1 chuỗi peptid quay lại
điểm xuất phát
dịch mã mới nhanh
khởi đầu chu trình
chóng
KẾT THÚC DỊCH MÃ
Sau khi kết thúc dịch mã, rbs vẫn gắn mARN và 2 tARN tại P & E
RRF gắn vào vị trí A, kéo EF-G vào rbs, đẩy tARN ra khỏi rbs
Yếu tố tái sử dụng rbs (RRF) giúp thu hồi bộ máy dịch mã:
RRF và EF-G phóng thích khỏi rbs cùng với mARN
TÓM TẮT QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ
POLYRIBOSOM/POLYSOME
Ở Prokar & eukar, khi rbs đầu tiên dịch mã đƣợc 1 đoạn thì
các rbs khác gắn vào phía trƣớc rbs đầu tiên trên mARN để
dịch mã
Do đó, các rbs xếp thành chuỗi trên mARN tạo nên cấu trúc
Khoảng 15 – 20 rbs có thể gắn cùng lúc trên mARN tốc độ
polyribosom (polysom)
tổng hợp protein tăng đáng kể ở Prokaryote & Eukaryote
POLYSOME
NHU CẦU NĂNG LƢỢNG CHO DỊCH MÃ
Để thực hiện các phản ứng đặc biệt: hoạt hoá aa bằng cách
gắn chúng vào tARN
Cho 1 quá trình nào đó: tháo xoắn cấu trúc bậc 2 của mARN
hoặc cho sự chuyển dịch rbs trong các bƣớc chuyển vị trong quá
Duy trì các yếu tố ở trạng thái hoạt tính nhƣ EF - Tu
trình nối dài
vị trí A
Cho sự biến dạng của ribosom: sau khi gắn kết aa – tARN vào
NHU CẦU NĂNG LƢỢNG CHO DỊCH MÃ
Giai đoạn Aminoacyl hóa
Prokaryote ATP
Eukaryote ATP
Khởi đầu
Nối dài
GTP Kết hợp EF-Tu GTP Kết hợp EF-G
GTP Kết hợp IF-2
GTP Kết hợp eIF-2 ATP Gắn chóp và tháo xoắn GTP Kết hợp EF-Tu GTP Kết hợp EF-G
Kết thúc GTP GTP
ĐỘ CHÍNH XÁC QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ
Aminoacyl hóa tARN
Tƣơng tác codon – anticodon
Kết thúc sớm – muộn
AMINOACYL HÓA tARN
Aminoacyl hóa sai:
tARN có thể nhận 1 aa không đúng
Enzym aa – tARN synthetase dùng tARN có anticodon không
Một số aa có cấu trúc tƣơng tự với aa cần đƣợc đƣa vào
chuyên biệt cho các aa đƣợc gắn vào nó
TƢƠNG TÁC CODON - ANTICODON
Phức hợp sai giữa codon và anticodon sẽ dẫn đến việc gắn vào
aa không đúng. Các nghiên cứu đột biến vi khuẩn cho thấy các
protein chuyên biệt trong các tiểu đơn vị của rbs đảm bảo việc
gắn đúng các codon và anticodon trong suốt quá trình dịch mã
KẾT THÚC SỚM – KẾT THÚC MUỘN
Các sai sót của giai đoạn kết thúc có thể xảy ra do kết thúc
sớm (premature termination) hoặc kết thúc muộn do đọc quá.
Sự đọc quá do lỗi của bộ máy dịch mã, không nhận ra codon
dừng. Tất nhiên, aa đƣợc đƣa vào và dịch mã liên tục qua cả
vùng không mã hoá 3’ mARN. Sự đọc quá cũng có thể do
này giải mã đƣợc codon kết thúc
một đột biến ở codon đối mã nào đó làm cho codon đối mã
