Sinh tổng hợp protein

dnthChương VSINH TỔNG HỢP PROTEINKhám phá mối liên hệ Gen - Protein Sai hỏng trao đổi chất bẩm sinh 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.Khi enzyme 5 không có sẽ dẫn đến sự tích tụ của cơ chất EVai trò của enzyme trong chuỗi phản ứng sinh hóaCon đường trao đổi chất phenylalanine và các căn bệnh có liên quanBeadle - Tatum (1941) và giả thuyết “một gen, một 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 quảDạng hoang dại tăng trưởng trên tất cả môi trườngDòng 1 chỉ tăng trưởng khi được bổ sung arginineDòng 2 tăng trưởng khi được bổ sung arginine hay citrullineDòng 3 tăng trưởng khi được bổ sung một trong ba chất trênKết quả thí nghiệmChất bổ sung vào môi trường tối thiểuDòng 3 bị kìm hãmDòng 2 bị kìm hãmDòng 1 bị kìm hãmCon đường sinh tổng hợp của arginineGiả thuyết một gen – một enzymeKết luận của Beadle – TatumMột gen kiểm soát sự tổng hợp của một enzyme. Lý thuyết một gen – một enzyme Dòng thông tin từ DNA đến ProteinDNA và protein có sự liên quan đồng tuyến tínhDNA: 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 proteinĐặc điểm của sự tổng hợp proteinCác 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. - 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  có thể nhận thông tin từ DNA qua bắt cặp bổ sung.RNA là chất trung gian, vì:Cấu trúc và chức năng của RNARNADNAĐường riboseĐường deoxyriboseUracil (U)Thymine (T)Mạch đơn, ngắnMạch kép, dàiCó nhiều chức năng khác nhau tùy loại RNAChỉ có một chức năng lưu trữ thông tin di truyềnRNA là một chuỗi polynucleotide, có cấu trúc tương tự mạch đơn DNA, có vai trò trung gian trong sinh tổng hợp protein.Cấu trúc phân tử RNACác dạng RNARNA thông tin (mRNA)RNA vận chuyển (tRNA)RNA ribosome (rRNA)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 EukaryoteĐiểm khởi đầu phiên mãCodon khởi đầuCodon kết thúcVùng mã hóatRNA 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.RNA vận chuyển (tRNA)3 dạng đặc trưng của tRNACác mô hình cấu trúc tRNArRNA 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.RNA ribosome (rRNA)Hình dạng rRNACấu trúc của một ribosomeHọc thuyết trung tâmLưu trữ thông tinTruyền thông tinBiểu hiện chức năng của thông tinSao chépPhiên mãDịch mãHọc thuyết trung tâm của sinh học phân tửMã di truyềnMã 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 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 truyềnBảng mã di truyền Quá trình phiên mãQuá 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 chuyển theo hướng 3’  5’ trên DNA để tổng hợp mRNA theo hướng 5’  3’.Quá trình phiên mãPhiên mã ở ProkaryoteChỉ 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 ProkaryoteTheo 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. Phiên mã ở EukaryoteRNA 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 eukaryoteCác gen gián đoạnNhiều 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.Tiến trình phiên mãGắn 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).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.Tiến trình phiên mã5’UTR3’UTRPre mRNAmature mRNAChế biến(gắn chóp, methyl hóa, bổ sung poly A, splicing)7-mG capPhiên mã100-200Exon 1Exon 2Exon 3Exon 4Exon 1Exon 2Exon 3Exon 4Exon 1Exon 2Exon 3Exon 4IntronIntronIntronPromoter/EnhancermRNAGeneChuỗi DNA mã hóa5’3’Quá trình phiên mã gen gián đoạn ở eukaryoteFigure 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 MÃQuá 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’  3’. Sự tổng hợp đi từ đầu N đến đầu C của protein.RibosomeRibosome 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.RibosomeVị trí liên kết với mRNAĐơn vị nhỏĐơn vị lớnmRNACác codonCác tRNAAcid amin tiếp theo gắn vào chuỗiChuỗi polypetide được kéo dàiaminoacyl site (A), peptidyl site (P)PolyribosomeCác ribosome gắn thành chuỗi trên mRNA tạo nên cấu trúc polyribosome (hay polysome).  Tốc độ tổng hợp protein tăng nhanhPolyribosome trong dịch mã ở E. coliTiến trình dịch mãKhởi sựCó 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.Khởi sựMet-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.Tiến trình dịch mãtRNA khởi sựPhức hợp đơn vị nhỏ của ribosome và các nhân tố khởi sựGắn với mRNANhân tố IF nhận biết codon khởi sựNhân tố IF tách rờiĐơn vị lớn của ribosome đến gắn vàotRNA khởi sự gắn vào vị trí PAminoacyl tRNA gắn vào vị trí AHình thành liên kết peptide đầu tiênGiai đoạn khởi sựFigure 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. 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.Kéo dàiTiến trình dịch mãSự thành lập liên kết peptidetRNA ở điểm P sẽ được phóng thích.Ribosome di chuyển trên mRNA theo hướng 5’  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.Kéo dàiTiến trình dịch mãChuỗi polypeptide kéo dàimRNAVị trí PVị trí AAminoacyl tRNA gắn với các nhân tố kéo dàiLiên kếtPhóng thích nhân tố kéo dàiKéo dài chuỗiGiai đoạn kéo dàiQuá 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).Kết thúcTiến trình dịch mãGiai đoạn kết thúcNhân tố tách mạch gắn vào codon kết thúcTổng quát quá trình dịch mãTóm tắt sự biểu hiện genQuá 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 prokaryoteSự khác nhau trong biểu hiện gen ở eukaryote và prokaryoteCÁC ĐỘT BIẾN Các tác nhân gây đột biếnCác 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 trườngCác tác nhân gây đột biếnCác tác nhân gây đột biếnĐột biến lệch khung (frameshift)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. 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.Đột biến thay thế (substitution)Đột biến thay thế (substitution)Các dạng đột biếnNormalCác dạng đột biếnCác dạng đột biếnCác dạng đột biếnDạng bình thườngDạng đột biến thay thế (substitution)Dạng đột biến lệch khung (frameshift)Lệch khung do mất baseLệch khung do thêm base tạo codon vô nghĩa Lệch khung do thêm hay mất 3 nucleotideTrung tính không gây hậu quả trên trình tự acid aminNhầm nghĩaVô nghĩaĐột biến nhiễm sắc thểĐột biến nhiễm sắc thểĐột biến nhiễm sắc thểĐột biến nhiễm sắc thểGENDòng thông tinSao chépPhiên mãDịch mãDi truyền của “ngôn ngữ” DNACác ứng dụng của “ngôn ngữ” DNACấu trúc và chức năng của tế bàorRNAtRNAmRNARibosomeProteinmRNADNARNAProteinCon đường từ gen tới protein ở eukaryote và prokaryoteLịch sử khám phá gen1866, 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.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.Lịch sử khám phá gen1977, Roberts và Sarp khám phá ra gen gián đoạn gồm các đoạn intron và exon. 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.Lịch sử khám phá gen- 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.Định nghĩa gen hiện nayản đồ bộ gen ngườiĐược 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 baseCó khoảng 6000 căn bệnh có nguồn gốc từ gen.So sánh kích thước bộ genOrganismGenome Size (Bases)Estimated GenesHuman (Homo sapiens)3 billion30,000Laboratory mouse (M. musculus)2.6 billion30,000Mustard weed (A. thaliana)100 million25,000Roundworm (C. elegans)97 million19,000Fruit fly (D. melanogaster)137 million13,000Yeast (S. cerevisiae)12.1 million6,000Bacterium (E. coli) 4.6 million3,200Human immunodeficiency virus (HIV) 97009 điểm cần nhớGen kiểm tra các phản ứng sinh hóa và giả thuyết “một gen - một enzyme”. Học thuyết trung tâm trong sinh học phân tử.Mã di truyền, codon, anticodon, tính suy thoái và vạn năng.Cấu trúc và chức năng của RNA, rRNA, tRNA và mRNA.Ribosome, polysome.Sự phiên mã, các enzyme tham gia, gen gián đoạn, intron, exon, quá trình chế biến.Sự dịch mã, các enzyme tham gia dịch mã, vị trí A và P trên mRNA.Các định nghĩa về gen.