Quá trình dịch mã tổng hợp prôtêin

 Dịch mã - Tổng hợp prôtêin

     Quá trình dịch mã để tổng hợp prôtêin là chặng cuối của quá trình truyền đạt thông tin di truyền để từ đó biểu hiện ra tính trạng. Đây là quá trình rất phức tạp và cũng vô cùng quan trọng nên đã được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu.

Quá trình tổng hợp prôtêin diễn ra tại ribosome với sự tham gia của nhiều thành phần khác nhau.

1. Các thành phần tham gia quá trình dịch mã

      Có nhiều yếu tố tham gia quá trình tổng hợp prôtêin. Mỗi yếu tố có cấu trúc và chức năng riêng tham gia vào một vài khâu của quá trình, nhưng tất cả các yếu tố đó đều cùng phối hợp nhịp nhàng,  ăn khớp nhau chặt chẽ bảo  đảm cho quá trình tổng hợp prôtêin xảy ra nhanh chóng, chính xác.

* ADN

      Phân tử ADN chứa đựng thông tin cấu trúc của phân tử prôtêin ở dạng mã hoá bởi mã bộ ba. Thành phần nucleotide của ADN quyết định thành phần acid amin của prôtêin do nó mã hoá.

- ADN của nhân sơ gồm các nucleotide tham gia mã hoá acid amin. Bởi vậy, ở nhân sơ, thành phần trật tự các nucleotide trên ADN (trong 1 gen) qui định thành phần trật tự của phân tử prôtêin được gen đó mã hoá.

- ADN của eucariote gồm có các đoạn chứa các nucleotide mã hoá các acid amin (exon) xen kẽ các nucleotide không mã hoá acid amin (intron). Bởi vậy, không phải tất cả các nucleotide trên              ADN mã hoá phân tử prôtêin mà chỉ có các nucleotide trong các đoạn exon mới tham gia mã hoá prôtêin.

Chú ý: ADN chỉ tham gia gián tiếp vào quá trình dịch mã thông qua ARN.

* mARN.

      Thông tin cấu trúc của phân tử prôtêin được mã hoá trên gen (một đoạn của ADN) được phiên mã sang phân tử mARN. Thường một phân tử ADN chứa đựng thông tin cấu trúc cho nhiều phân tử prôtêin. Một gen mã hoá một phân tử prôtêin. Bởi vậy, khi 1 phân tử ADN phiên mã sẽ cho nhiều mARN. Mỗi gen cấu trúc phiên mã ra một mARN và thực hiện việc tổng hợp một phân tử prôtêin.

Trên mARN chứa dựng các mã bộ ba, đó là bộ ba mã hoá, chúng được sao từ bộ ba mã gốc của ADN.

* tARN. Làm nhiệm vụ vận chuyển acid amin từ tế bào chất đến ribosome, đồng thời nhận biết vị trí của bộ ba mã hoá trên mARN nhờ bộ ba đối mã trên ARNt để đặt đúng vị trí acid amin trên chuỗi polypeptid. tARN là cầu nối trung gian giữa mARN với polypeptid, là chìa khoá để giải mã. Mỗi acid amin có vài loại iARN, đó là các izoaceptor tARN.

 * rARN. Tham gia cấu trúc ribosome. Trong ribosome có nhiều loại rARN khác nhau để cùng với prôtêin cấu trúc nên các phần của ribosome, đặc biệt là tạo nên 2 vị trí A và P trong tiểu phần lớn của ribosome để thực hiện cơ chế giải mã ở đó. Trong tiểu phần bé của ribosome có loại rARN (như ArRN  - 16S ở nhân sơ, ARNr  - 28S ở eucariote) - loại rARN này có 1 đoạn ngắn có cấu trúc bổ sung với đoạn không mã hoá nằm trước mã mở đầu của mARN. Nhờ tính chất bổ sung của 2 loại ARN đó mà đặt đúng vị trí mARN ở

giai đoạn mở đầu sao cho bộ ba mở đầu của mARN nằm vào đúng vị trí P của ribosome.

* Các enzyme tham gia dịch mã:

-  Aminoacyl - tARN - sintetase là loại enzyme xúc tác quá trình hoạt hóa acid amin, gắn acid amin vào với ARNt tạo phức aminoacyl - tARN để đi đến ribosome. Mỗi acid amin có loại enzyme tương ứng xúc tác.

-  Peptidyl - transferase là enzyme xúc tác phản ứng cắt liên kết ester giữa chuỗi polypeptid đang được tổng hợp với tARN ở vị trí P của ribosome, đồng thời vận chuyển chuỗi polypeptid  đó từ vị trí P sang vị trí A và tổng hợp lại liên kết peptid giữa chuỗi polypeptid với acid amin đang có ở vị trí A.

- Translocase là enzyme xúc tác sự di chuyển của ribosome trên mARN theo chiều 5' - 3'. Mỗi lần di chuyển ribosome đi được 3 nucleotide. Sau khi ribosome di chuyển, phức hệ tARN mang chuỗi polypeptid từ vị trí A được chuyển sang vị trí P, còn vị trí A không có acid amin nào nên sẵn sàng tiếp nhận phức hệ tARN mang acid amin mới vào để tiếp tục quá trình tổng hợp. 

* Các yếu tố tham gia dịch mã:

Trong quá trình tổng hợp prôtêin có nhiều yếu tố tham gia vào cơ chế dịch mã như vai trò của chất kích thích, chất hỗ trợ.

- Yếu tố mở  đầu: Tham gia vào giai  đoạn mở  đầu quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid, có nhiều loại yếu tố mở đầu:

+ Ở nhân sơ có IF1, IF2, IF3.

+ Ở eucariote có eIF1, eIF2, eIF3, eIF4 .... 

- Yếu tố kéo dài: tham gia vào giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptid ở ribosome có nhiều yếu tổ kéo dài với chức năng khác nhau.

- Yếu tố kết thúc hay yếu tố giải phóng tham gia vào giai đoạn kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptid và giải phóng chuỗi polypeptid khỏi ribosome.

2. Cơ chế dịch mã

b. Hoạt hóa acid amin

      Tự acid amin không di chuyển được đến ribosome mà phải nhờ tARN. Để gắn vào tARN, acid amin phải được hoạt hoá. Sự hoạt hoá acid amin nhờ có ATP cung cấp năng lượng, enzyme amino.acyl - tARN - sintetase xúc tác. Quá trình diễn ra qua 2 giai đoạn:

- Hoạt hoá acid amin, tạo aminoacyl - adenilat:

  

b. Giai đoạn mở đầu

Giai đoạn mở đầu xảy ra qua nhiều bước:

- Bước 1. Tiểu đơn vị ribosome 30S kết hợp với yếu tố khởi đầu IF - 3. Sau đó, tiểu đơn vị 30S lại liên kết với mARN: mã mở đầu trên mARN nằm đúng vị trí P nhờ đoạn không mã hoá của mARN nhận biết đoạn bổ sung trên ARN16S của tiểu đơn vị và liên kết với nhau để đặt đúng mã mở đầu của mARN vào vị trí P.

- Bước 2. mARN kết hợp với yếu tố mở  đầu IF2. Qua yếu tố mở  đầu, phức hệ tARN ^f.Met đến gắn vào mã mở đầu ở vị trí P. tARN^f.Met là phức hợp gồm ARNt mà có bộ ba đối mã tương ứng bổ sung với bộ ba mở đầu trên mARN  - đó là tARN mở đầu. tARN mở đầu này được gắn f.Met vào. f.Met là acid amin mở đầu. Nó là loại acid amin được tạo ra từ metionin.

- Bước 3. Phức hợp trên kết hợp với tiểu thể lớn của ribosome (tiểu thể 50S). GTP thủy phân tạo GDP + H3PO4 để cung cấp năng lượng và tách GDP H₃PO₄ ra khỏi phức hệ. IF cũng được giải phóng. Phức hợp mở đầu được hình thành, phức hợp mở đầu gồm:

+ Ribosome, gồm cả 2 tiểu thể.

+ mARN có mã mở đầu  nằm ở vị trí P của ribosome.

+ Phức hợp tARN^f.Met gắn với mã mở đầu.

c. Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptid

Giai đoạn kéo dài chuỗi xảy ra theo chu kỳ, mỗi chu kỳ nối dài thêm một acid amin vào chuỗi polypeptid. Một chu kỳ xảy ra qua 3 bước:

- Bước 1. tARN^aa mang acid amin mới vào vị trí A đang trống của ribosome, bộ ba đối mã của tARN^aa

 liên kết bổ sung với bộ ba mã hoá acid amin đang được nối vào và đặt phức hệ tARN^aa vào vị trí A của ribosome. Tùy theo bộ ba mã hoá của mARN nằm ở vị trí A mã hoá cho acid amin nào mà phức hệ tARNt^aa tương ứng tham gia vào quá trình này.

- Bước 2. Tạo liên kết peptid nhờ enzyme peptidyl - transferase xúc tác phân huỷ liên kết giữa acid amin với ARNt nằm ở vị trí P. Sau đó vận chuyển chuỗi polypepptid đang tổng hợp này sang vị trí A của ribosome. Tại vị trí A, liên kết peptid được hình thành giữa acid amin ở vị trí A (Aa nằm trên phức hệ tARN^aa mới chuyển vào) với acid amin cuối cùng của chuỗi polypeptid đang được tổng hợp.

- Bước 3. Dịch chuyển ribosome nhờ transferase, ribosome dịch chuyển, trên mARN theo chiều 5' - 3'. Mỗi lần di chuyển ribosome chuyển sang phía 3' của mARN một đoạn dài 3 nucleotide - vừa trọn một bộ ba. Năng lượng cung cấp cho sự di chuyển này là GTP. Sau khi dịch chuyển, tARN nằm vùng P không mang acid amin sẽ được giải phóng ra tế bào chất  để tiếp tục thực hiện vận chuyển acid amin tiếp theo. Phức hợp tARN mang chuỗi polypeptid chuyển sang vị trí P, vị trí A bỏ trống.

Đến  đây kết thúc một chu kỳ kéo dài thêm một acid amin vào chuỗi polypeptid đang tổng hợp. Tuỳ vị trí A của ribosome đang có bộ ba mã hoá nào  của mARN mà phức hợp tARN^aa mang acid amin tương ứng vào tiếp tục chu kỳ tiếp theo.

d. Giai đoạn két thúc tổng hợp chuỗi polypeptid

Quá trình kéo dài chuỗi cứ tiếp diễn đến khi có một trong ba bộ ba kết thúc (UAG, UGA hoặc UAA) nằm  ở vị trí A của ribosome thì kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid ở ribosome. Đó là vì các bộ ba này không mã hoá acid amin, nên không có phức hợp ARNt mang acid amin vào kéo dài chuỗi, quá trình bị gián  đoạn nên chuỗi polypeptid  được phóng thích ra khỏi ribosome và kết thúc quá trình tổng hợp.

Quá trình kết thúc xảy ra nhờ yếu tố kết thúc RF và diễn ra các hoạt động:

- Thuỷ phân liên kết giữa chuỗi polypeptid với tARN  để giải phóng chuỗi polypeptid  ra tế bào chất. - mARN rời khỏi ribosome. Nếu quá trình tổng hợp prôtêin diễn ra trên polyxom (poly ribosome) thì trên mỗi ribosome tiến hành tổng hợp một chuỗi polypeptid. Các chuỗi polypeptid  được tổng hợp từ một polyxom có thành phần, trật tự các acid amin giống nhau, tức là tạo ra cùng một prôtêin bậc I như nhau vì cùng được tổng hợp từ một bản phiên mã: mARN

e. Quá trình hoàn thiện phân tử prôtêin

Sau khi rời khỏi ribosome, chuỗi polypeptid phải trải qua một số biến đổi để trở nên phân tử prôtêin trưởng thành đi vào các bộ phận của tế bào để thực hiện chức năng của nó.

Ở nhân sơ, do acid amin mở đầu là formin - metionin (f.Met) nên trước hết acid amin này được loại bỏ khỏi chuỗi polypeptid nhờ peptidase. Ở nhân thực, nếu acid amin mở đầu là metionin thì phản ứng này có thể không xảy ra.

Sau khi loại bỏ acid amin mở đầu, chuỗi polypeptid trở nên phân tử prôtêin bậc I.

Từ đó trở thành liên kết hydro để tạo nên cấu trúc bậc II, hình thành các liên kết disunfit, liên kết ion, liên kết kỵ nước... để tạo cấu trúc bậc III theo nhu cầu của tế bào.

Phân tử prôtêin hoàn thiện sẽ được vận chuyển đến nơi sử dụng. Để đưa các prôtêin đến đúng địa chỉ sử dụng nhờ hoạt động của một đoạn ngắn polypeptid (dài khoảng 15 - 20 acid amin) ở đầu amin của chuỗi polypeptid, đó là trình tự tín hiệu. Khi prôtêin đã đến nơi sử dụng, đoạn tình tự tín hiệu vận chuyển prôtêin đến đích này sẽ bị cắt bỏ, lúc đó, prôtêin mới trở nên prôtêin trưởng thành để thực hiện chức năng của nó do tế bào phân công.

DOWNLOAD: