21/02/2016. Gene. Sự biểu hiện của gen. Prokaryote. RNA thông tin (mrna)

Transcript

1 hương 5 Mã di truyền và quá trình tổng hợp Protein Trong suốt quá trình phiên mã. gene được xác định dựa vào trình tự các base dọc theo chiều dài của phân tử. ene biểu hiện thành protein thông qua con đường phiên mã (transcription) và dịch mã (translation). ene ene 2 Phân tử DN ene 1 ene 3 huỗi DN 5 (template) T TRNSRIPTION 5 odon TRNSLTION Protein Trp Phe ly Ser mino acid 21/02/2016 3:32:41 H 1 21/02/2016 3:32:41 H 2 Sự biểu hiện của gen DN là vật liệu di truyền của sự sống Quá trình chuyển thông tin di truyền từ DN sang protein còn gọi là quá trình biểu hiện của gen Bao gồm 2 bước, được gọi là phiên mã (transcription) và dịch mã (translation). Prokaryote Phiên mã và dịch xảy ra gần như đồng thời DN TRNSRIPTION TRNSLTION (a) Tế bào Prokaryote. Tế bào không có màng nhân, được tổng hợp bởi quá trình transcription thì ngay lập tức được translation mà không thông qua quá trình chế biến. 21/02/2016 3:32:41 H 3 21/02/2016 3:32:41 H 4 Eukaryote RN transcript được biến đổi trước khi trở thành trưởng thành RN được phiên mã trong nhân, được dịch mã ở tế bào chất TRNSRIPTION DN Màng nhân RN thông tin () là bản sao của những trình tự nhất định trên DN, đóng vai trò trung gian chuyển thông tin mã hóa trên phân tử DN đến bộ máy giải mã thành protein tương ứng. được tạo ra nhờ qúa trình phiên mã khi có nhu cầu; và do đó nó sẽ mã hóa cho các protein đặc hiệu cho tế bào. ở tế bào eukaryote sau khi được dịch mã sẽ được xử lý (processing) trước khi rời nhân đi ra tế bào chất là nơi xảy ra quá trình dịch mã ở Prokaryote quá trình dịch mã diễn ra gần như đồng thời cùng với quá trình phiên mã. RN PROESSIN Pre- TRNSLTION Tế bào Eukaryote. Quá trình transcription xảy ra trong (b) nhân được ngăn cách bởi màng nhân. Khi RN mới được phiên mã, gọi là pre-, sau khi qua chế biến được gọi là trưởng thành hay thật sự 21/02/2016 3:32:41 H 5 và rời nhân. 21/02/2016 3:32:41 H 6 1

2 Khung đọc mở ORF 21/02/2016 3:32:41 H 7 RN ribosom (rrn) RN ribosom chiếm đến 80% tổng số RN tế bào ác RN kết hợp với các protein chuyên biệt tạo thành Ribosom. Một Ribosom gồm một tiểu đơn vị nhỏ và một tiểu đơn vị lớn. Mỗi tiểu đơn vị gồm nhiều protein và rrn có kích thước khác nhau Tiểu đơn vị nhỏ có vị trí gắn với phân tử. Tiểu đơn vị lớn có ba vị trí gắn cho phân tử trn, vị trí P (Peptide site), vị trí (mino acid site) và vị trí E (Exit site). Trong suốt quá trình sinh tổng hợp protein hai tiểu phần này gắn với nhau. 21/02/2016 3:32:41 H 8 RN vận chuyển (trn) ấu trúc RN vận chuyển Vị trí gắn mino acid Hầu hết các phân tử trn của prokaryote và eukaryote có cấu trúc rất giống nhau. Dây đơn RN gấp khúc tạo thành vòng (loop), cho ra một phân tử có cấu trúc bậc hai trên thân chính. Thân (stem) hoặc nhánh (arm) là vùng chứa các cặp base nối với nhau, tương ứng theo mã di truyền. Ở các loop không có sự bắt cặp giữa các base Phân tử trn Là một chuỗi RN mạch đơn có chiều dài khoảng 80 nucleotide ó hình L Mỗi trn mang một amino acid đặc hiệu với đầu cuối. Mỗi trn mang một anticodon ở đầu khác * * * * * 5 * * * * * * * Liên kết Hydro nticodon 21/02/2016 3:32:41 H 9 21/02/2016 3:32:41 H 10 odon (bộ ba mã hóa) : Thông tin di truyền được mã hóa bằng những bộ ba base (base triplets) không chồng lắp lên nhau, hay còn gọi là codon. Mã di truyền Base đầu (5 end) lle Met or start Val Base thứ 2 Phe Tyr ys Ser Stop Stop Leu Stop Trp Leu Pro Thr la His ln sn Lys sp lu rg Ser rg ly Base thứ 3 ( end) Sự tiến hóa của mã di truyền ác codon phải được đọc đúng khung đọc để tổng hợp nên một chuỗi polypeptide đặc hiệu Mã di truyền gần như có tính vạn năng (universal) Tức là toàn bộ thế giới các sinh vật từ đơn giản nhất là vi khuẩn tới các loài động vật phức tạp nhất có chung bộ mã di truyền. 21/02/2016 3:32:41 H 11 21/02/2016 3:32:41 H 12 2

3 Sự dịch mã Trình tự của bốn loại nucleotide trên được dịch mã thành trình tự của các acid amin trên protein. 1. RN vận chuyển (trn) đóng vai trò vận chuyển các amino acid cần thiết đến bộ máy dịch mã để tổng hợp protein ừ tương ứng 2. xúc tác cho quá trình dịch mã. 3. Protein, là polymer của các amino acid, được tổng hợp nhờ các aminoacyl trn 4. Protein được tổng hợp theo hướng từ N, trong khi () được dịch mã theo hướng 5' 3'. 5. Nhóm amino của aminoacyl trn gắn vào đầu terminal carbonyl của chuỗi peptide đang hình thành để tạo cầu nối peptide. 6. Tỉ lệ sai sót khoảng /02/2016 3:32:41 H 13 Quá trình dịch mã (Translation) TRNSRIPTION TRNSLTION DN mino acids trn với amino acid gắn vào trn nticodon 5 odons 21/02/2016 3:32:41 H 14 ly Sự khởi đầu dịch mã (Intiation) Hai sự kiện quan trọng nhất xảy ra trước khi khởi đầu dịch mã xảy ra đó là Sự tạo thành các aminoacyl-trn mino acid phải tạo được cầu nối đồng hóa trị với trn Quá trình nối trn với amino acid được gọi là nạp trn (trn charging). Sự phân ly của ribosom thành hai tiểu phần Tế bào hình thành phức hợp khởi đầu dịch mã trên tiểu phần nhỏ của ribosome Hai tiểu phần phải được tách nhau trước khi quá trình này có thể xảy ra 21/02/2016 3:32:41 H 15 Tất cả trn có cùng 3 base tại đầu cuối 3 - () Đầu cuối adenosine là điểm nạp của amino acid mino acid được gắn bởi cầu nối ester giữa Nhóm carboxyl của amino acid Nhóm 2 -OH hoặc 3 -OH của đầu cuối adenosine của trn 21/02/2016 3:32:41 H Nạp trn 16 (b) ấu trúc 3-D nticodon 5 Liên kết hydro Vị trí gắn mino acid 5 nticodon (c) Kí hiệu Nạp trn ác minoacyl-trn synthetase gắn các amino acid vào các trn chuyên biệt với chúng Quá trình này hoàn thành thông qua hai bước phản ứng: Khởi đầu là quá trình hoạt hóa amino acid với MP có nguồn gốc từ TP Bước thứ hai, năng lượng từ aminoacyl-mp được sử dụng để chuyển amino acid tới trn 21/02/2016 3:32:41 H 17 21/02/2016 3:32:41 H 18 3

4 P i 21/02/2016 Hoạt hóa amino acid ó hai bước để hoạt hóa amino acid nhờ enzyme aa-trn synthetase Nhận ra trn nhờ vào việc xác định trình tự base của anticodon và các vùng khác những vùng này được gọi là vùng xác định. Một aminoacyl trn synthetase có thể nạp được nhiều lần trn cùng họ với một loại amino acid (20 synthetase khác nhau được sử dụng). minoacyl trn synthetase có thể sửa chữa các amino acid nạp sai. 21/02/2016 3:32:41 H 19 21/02/2016 3:32:41 H 20 minoacyl-trn synthetase Một enzyme đặc hiệu gọi là aminoacyl-trn synthetase gắn các amino acid đúng với trn chuyên biệt. Quá trình dịch mã thực hiện trên các ribosome Mỗi ribosome gồm hai tiểu đơn vị lớn và nhỏ Là phức hợp gồm rrn, các enzyme và protein cấu trúc mino acid P P P denosine TP minoacyl-trn synthetase (enzyme) 1 Vị trí hoạt động được gắn với amino acid và TP. 2 TP mất hai nhóm P Và nối với amino acid ở dạng MP. Pyrophosphate P denosine P P i Phosphates 3 trn thích hợp hình thành cầu nối đồng hóa trị với amino acid, thay thế MP. mino acid được 4 hoạt hóa được phóng thích khỏi enzyme. P i trn P denosine MP minoacyl trn Một amino acid 21/02/2016 3:32:41 H được hoạt hóa ) 21 21/02/2016 3:32:41 H 22 có ba vị trí gắn cho trn Vị trí P Vị trí P (Peptidyl-tRN binding site) Vị trí Vị trí E (Exit site) Vị trí E Vị trí gắn E P Vị trí (minoacyltrn binding site) Tiểu đơn vị lớn Tiểu đơn vị nhỏ Mô hình cho thấy các vị trí gắn của. 5 mino cuối odons huỗi polypeptide đang hình thành mino acid kế tiếp được gắn vào chuỗi polypeptide trn Mô phỏng sự kết hợp giữa, và trn. Một trn được gắn với một amino acid kế tiếp mang anticodon tương ứng bắt cặp với codon ở vị trí ( site) còn trống. Vị trí P (P site) giữ trn mang chuỗi polypeptide đang hình thành. trn sau đó được giải phóng nhờ vị trí E ( E site). 21/02/2016 3:32:41 H 23 21/02/2016 3:32:41 H 24 4

5 Sự phân tách của ác ribosome E. coli phân tách thành các tiểu phần tại bước cuối của quá trình dịch mã IF1 xúc tác hoạt hóa cho quá trình phân tách này IF3 gắn vào tiểu phần 30S tự do và ngăn cản sự tái liên kết với tiểu phần 50S để hình thành ribosomehoàn chỉnh. 21/02/2016 3:32:41 H 25 Sinh tổng hợp Protein 1. Khởi đầu (Initiation) 2. Kéo dài (Elongation) 3. Kết thúc (Termination) 21/02/2016 3:32:41 H 26 odon và aminoacyl-trn đầu tiên odon khởi đầu ở Prokaryote là: Thông thường là ó thể là Đôi khi là Khi dipeptide được hình thành, α NH 2 của Met mở đầu có thể tác kích vào nhóm =O của gốc aa thứ hai. Quá trình này không xảy ra nếu α NH 2 của Met khởi đầu được formyl hóa thành NH HO. minoacyl-trn khởi đầu là N-formyl-methionyl-tRN N-formyl-methionine (fmet) là amino acid đầu tiên của chuỗi polypeptide được tổng hợp mino acid này sau đó được tách khỏi phân tử protein trong suốt quá trình trưởng thành Phức hợp 30S khởi đầu dịch mã Khi ribosome hoàn toàn tách thành hai tiểu phần 50S và 30S, tế bào tiến hành thiết lập một phức hợp khởi đầu dịch mã hoàn chỉnh trên tiểu phần 30S gồm: fmet-trn TP Yếu tố IF1, IF2, IF3 21/02/2016 3:32:41 H 27 21/02/2016 3:32:41 H 28 ắn vào tiểu phần 30S Phức hợp 30S khởi đầu dịch mã được hình thành từ một tiểu phần ribosome 30S tự do cộng thêm và fmet-trn Việc gắn giữa tiểu phần ribosome 30S ở prokaryote vào vị trí khởi đầu dịch mã (initiation site) của phụ thuộc vào sự bắt cặp bổ sung giữa: Một trình tự ngắn Shine-Dalgarno của nằm ở upstream của codon khởi đầu Trình tự bổ sung ở đầu cuối 3 của 16S RN 21/02/2016 3:32:41 H 29 Ở vi khuẩn, tiểu đơn vị nhỏ gắn với tại trình tự Shine- Dalgarno (RBS = ribosome binding site) ở thượng nguồn codon khởi đầu. 21/02/2016 3:32:41 H 30 5

6 Initiation Factor và tiểu phần 30S Liên kết giữa trình tự Shine-Dalgarno với trình tự bổ sung của 16S rrn được hoạt hóa bởi IF3 Trợ giúp bởi IF1 và IF2 Lúc này cả 3 initiation factor đều liên kết với tiểu phần 30S ắn fmet-trn vào phức hợp 30S khởi đầu IF2 là nhân tố chính xúc tác cho việc gắn của fmet-trn vào phức hợp 30S khởi đầu dịch mã. Hai yếu tố khởi đầu dịch mã còn lại cũng đóng vai trò trợ giúp quan trọng TP cần thiết cho việc gắn của IF2 TP không bị thủy phân ở bước này 21/02/2016 3:32:41 H 31 21/02/2016 3:32:41 H 32 Phức hợp 70S khởi đầu dịch mã TP được thủy phân sau khi tiểu phần 50S gắn vào phức hợp 30S để hình thành phức hợp 70S khởi đầu dịch mã (70S initiation complex) Sự thủy phân TP được tách khỏi IF2 trong việc gắn với tiểu phần ribosome 50S. Mục đích của sự thủy phân là tách IF2 và TP khỏi complex nhờ đó mà quá trình kéo dài chuỗi polypeptide có thể được bắt đầu. Khởi đầu dịch mã 1. IF1 tác động làm tách ribosome 70S thành 50S và 30S. 2. ắn IF3 vào 30S, ngăn cản sự tái hình thành ribosome hoàn chỉnh. 3. IF1, IF2, TP gắn vào dọc bên IF3 4. ắn vào fmet-trn hình thành phức hợp 30S khởi đầu dịch mã. a. IF2 xúc tác cho việc gắn fmettrn b. IF3 xúc tác cho việc gắn 5. Việc gắn vào của 50S cùng với việc tách ra của IF1 và IF3 6. IF2 tách ra và thủy phân TP. 7. Hoàn thành phức hợp 70S khởi đầu dịch mã. 21/02/2016 3:32:41 H 33 21/02/2016 3:32:41 H 34 Sự kéo dài chuỗi ơ chế kéo dài Sự kéo dài bắt đầu khi ribosome mang fmet-trn ở vị trí P site và aminoacyl-trn ở vị trí. Quá trình kéo dài gồm 3 bước: 1. EF-Tu với TP kết hợp aminoacyl-trn gắn vào vị trí trên ribosoma. 2. Peptidyl transferase tạo một liên kết peptide giữa peptide trên vị trí P và aminoacyltrn mới đến ở vị trí. Kéo dài chuỗi peptide thêm một amino acid và dịch chuyển nó sang vị trí. 3. EF- với TP chuyển vị trí của peptidyl-trn với codon tương ứng sang vị trí P. 21/02/2016 3:32:41 H

7 ác protein factor và hình thành liên kết peptide Factor thứ nhất T (transfer). Vận chuyển aminoacyl-trns tới ribosome ó 2 protein khác nhau Tu, không bền (unstable) Ts, bền (stable) Factor thứ hai,, có hoạt tính TPase. Factor EF-Tu và EF-Ts tham gia vào bước đầu tiên của quá trình kéo dài. Factor EF- tham gia vào bước thứ ba /02/2016 3:32:41 H 38 Nhân tố kết thúc (Release Factor) Sự kết thúc dịch mã ở Prokaryotic được thực hiện thông qua 3 nhân tố kết thúc RF: RF1 nhận stop codon và RF2 nhận stop codon và RF3 là một TP-binding protein hỗ trợ RF1 và RF2 bám vào ribosome Eukaryote có 2 nhân tố kết thúc: erf1 nhận ra cả 3 stop codon erf3 là ribosome-dependent TPase hỗ trợ erf1 tách chuỗi polypeptide. Kết thúc dịch mã Nhân tố kết thúc (RF) tương tự như một trn đi vào vị trí và cung cấp một phân tử nước (H 2 O) để thủy phân trn cuối cùng khỏi chuỗi polypeptide để kết thúc dịch mã vi khuẩn được dịch mã mà không có quá trình xử lý (processing) trước khi kết thúc phiên mã và do không có màng nhân nên quá trình phiên mã và dịch mã đi cùng với nhau ở eukaryote hình thành một vòng cho phép ribosome sau khi dịch mã xong nhanh chóng tiếp xúc với đầu 5. Một phân tử được dịch mã bởi nhiều ribosom ở cả prokaryote và eukaryote tạo nên một phức hợp gọi là polyribosome hay polysome 39 21/02/2016 3:32:41 H 40 Sự dịch mã Eukaryote Vi khuẩn Bắt đầu với methionine N-formyl-methionine trn khởi đầu không giống Trình tự Shine-Dalgarno như trn tham gia vào quá chỉ cho ribosome biết trình kéo dài đâu là điểmkhởi đầu dịch Không có trình tự Shine- mã Dalgarno có mũ chụp tại đầu 5 Sự khác nhau giữa quá trình biểu hiện gen của tế bào prokaryote và tế bào eukaryote Prokaryote thiếu màng nhân cho phép quá trình dịch mã bắt đầu trong khi quá trình phiên mã vẫn đang diễn ra. RN polymerase Polyribosome (amino cuối) Sự dịch mã RN polymerase DN Polyribosome Hướng phiên mã 0.25 m DN (5 end) 21/02/2016 3:32:41 H 41 21/02/2016 3:32:41 H 42 7

8 Polyribosome Nhiều ribosome có thể tham gia dịch mã một phân tử cùng một lúc hình thành nên polyribosome (a) Tiểu đơn vị ribosome đang tiến tới Start of (5 end) Đang tổng hợp s ( end) Tổng hợp xong Hình thành Protein có chức năng huỗi polypeptide tiếp tục trải qua sự biến đổi sau khi dịch mã Sau khi dịch mã protein có thể được biến đổi theo nhiều con đường để hình thành nên hình dạng 3-D. 0.1 µm (b) Hình cho thấy một polyribosome lớn ở một tế bào prokaryote (TEM). 21/02/2016 3:32:41 H 43 21/02/2016 3:32:41 H 44 Biến đổi sau dịch mã 21/02/2016 3:32:41 H 45 8