Sinh tổng hợp axit amin và protein Người thưc hiện : Đỗ Trọng Đăng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Toàn Học viên cao học khóa 9 Nội dung :  Sinh tổng hợp axit amin.  Sinh tổng hợp protein. I. Sinh tổng hợp axit amin:  Axit amin là thành phần cấu tạo của protein, hay nói cách khác protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các axit amin. Bởi vậy quá trình tổng hợp axit amin là cần thiết đối với mọi dạng sống. Tuy nhiên khả năng tổng hợp các axit amin ở các cơ thể khác nhau lại rất khác nhau phụ thuộc vào dạng niơ mà chúng sử dụng.  Muốn tổng hợp axit amin thì cần tổng hợp bộ khung carbon và chuyển hóa nitơ thành axit amin. Trong đó, bộ khung carbon của axit amin chủ yếu bắt nguồn từ các sản phẩm trung gian của các quá trình trao đổi chất như quá trình đường phân, chu trình Canvil, Crebs,…  Nhiều axit amin rất dễ được tạo thành bằng con đường amin hóa các cetoaxit tương ứng do tác động của các dehydrogenase (như glutamat, alanin, aspactat). Bên cạnh đó sự tổng hợp của một số các axit amin không theo con đường này, chúng được tạo thành từ sự biến đổi tương hỗ từ các axit amin khác hoặc khung carbon của chúng được tạo thành từ một số sản phẩm của sự trao đổi saccharide (3-phosphoglycerat, pyruvat, acetyl CoA).  Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hyđro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin.  Quá trình sinh tổng hợp một số loại axit amin: II. Sinh tổng hợp protein: 1. Luận thuyết trung tâm: Như đã biết, ở Eucaryote, ADN nằm trong nhân. Quá trình sinh tổng hợp protein lại diễn ra ở tế bào chất. Nếu thông tin được mã hóa trong ADN dùng để chỉ huy tổng hợp protein ở ribosome thì thông tin đó phải được chuyển từ nhân đến ribosome nhờ một “chất chuyển trung gian”. Khoa học đã chứng minh mARN là “chất chuyển trung gian” đã chỉ huy gắn các axit amin theo một trình tự nhất định, cho phép tổng hợp nên các protein đặc thù. Quá trình này được gọi là quá trình dịch mã. Như vậy, từ ADN đến protein gồm 2 quá trình nối tiếp nhau: sao mã (transcription) và dịch mã (translation):  Các vấn đề trên được Francis Crick nêu lên trong luận thuyết trung tâm (central dogma) của sinh học phân tử công bố năm 1958. Nội dung chủ yếu của luận thuyết là: - Thông tin di truyền được giữ trong axit nucleic (ADN hoặc ở một số virus là ARN), có thể truyền theo hướng axit nucleic  protein, nhưng thông tin không thể truyền theo hướng ngược lại từ protein đến axit nucleic. - Thông tin di truyền được sao trên mARN chỉ có thể dùng để dịch ra protein mà không thể quay lại dùng làm vật liệu tổng hợp nên gen.  Nhưng cho đến nay người ta đã phát hiện được quá trình sao mã ngược ở virus. Do đó năm 1970, Crick đã bổ sung cho luận thuyết trung tâm như hình sau: - Theo luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử, thông tin của gen chứa trong axit nucleic có thể truyền cho hàng loạt thế hệ. Phổ biến cho hầu hết các tế bào là thông tin truyền theo hướng ADN  ADN, ADN  ARN, ADN  Protein, hướng này được vẽ bằng đường liền đậm. Còn khả năng ARN  ARN, ARN  ADN chỉ đặc trưng cho một số virus (xảy ra trong điều kiện đặc biệt khi tế bào nhiễm virus) thì được vẽ bằng đường không liền nét. 2. Vai trò của một số dạng axit nucleic trong quá trình sinh tổng hợp protein: Như đã trình bày, sinh tổng hợp cấu trúc bậc 1 protein phải trải qua hai quá trình: sao mã và dịch mã. Để hiểu rõ về sinh tổng hợp protein, chúng ta khảo sát vai trò và hoạt động của các dạng axit nucleic trong các quá trình này.  ADN: chứa thông tin di truyền, và là khuôn để tổng hợp các dạng ARN cần thiết.  mARN: là bản sao của gen, chứa thông tin cần thiết cho sự tổng hợp protein. Theo các nghiên cứu gần đây, mARN chứa trình tự nucleotide nhiều hơn số dùng mã hóa protein vì ngoài các nucleotide làm nhiệm vụ mã hóa, trong mARN còn chứa các nucleotide không mã hóa mà giữ vai trò như các tín hiệu, đồng thời sắp xếp các phần của tiểu đơn vị ribosome để nó có thể mồi cho sự dịch mã ứng với axit amin đầu N. Bằng con đường thực nghiệm, Nirenberg và Ochoa (1961) đã khám phá ra toàn bộ mật mã di truyền (genetic code). Kết quả của công trình nghiên cứu được thu gọn trong một bảng gọi là “từ điển mã di truyền” dưới đây:  rARN: là thành phần cấu trúc của ribosome, đồng thời có hoạt tính xúc tác tương tự như enzyme (ribozyme)  tARN: như đã trình bày, tARN đóng vai trò là “chất thích ứng” (adaptor) để thực hiện đồng thời hai chức năng: nhận cả mã di truyền và axit amin phù hợp. yeast tRNA Phe CCA “H- bond” anticodon [...]... polypeptide đang được tổng hợp  4 Cơ chế sinh tổng hợp protein trên ribosome: Sự giải mã mARN thành trình tự chuỗi polypeptide có thể chia thành 4 giai đoạn như sau:  Giai đoạn hoạt hóa axit amin  Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide  Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide  Giai đoạn kết thúc chuỗi polypeptide và tách khỏi ribosome 4.1 Giai đoạn hoạt hóa axit amin: Axit amin được hoạt hóa...3 Địa điểm sinh tổng hợp protein:  Sinh tổng hợp protein diễn ra chủ yếu ở các ribosome Ribosome được xem như một nhà máy nhỏ gồm 2 tiểu đơn vị Các tiểu đơn vị có thể dễ dàng tách rời và tập hợp lại một cách nhanh chóng  Khi diễn ra sự tổng hợp protein, ở ribosome hình thành hai khu chức năng khác nhau  Khu A (aminoacyl) nhận aminoacyltARN mới đưa vào  Khu P (peptidyl)... đối với mỗi axit amin, đó là aminoacyl-tARNsynthetase (aaRS)  Trong phản ứng thứ nhất, axit amin kết hợp với ATP tạo thành aminoacyl-AMP kèm theo giải phóng gốc pyrophopsphat AA +ATP AA-AMP + PPi R C NH2 O C O: A O H P O - O O O O- P O P O- O- energy source A R NH2 C C H O O O O P O O- OH 3’ O OH 3’ + - O P O- O O P O- O-  Trong phản ứng thứ 2, aminoacyl-AMP sẽ phân li, cho phép axit amin gắn với... nhóm COO- của axit amin và nhóm 3’-OH của tARN tạo thành aminoacyl-tARN AA-AMP + tRNA  AA-tRNA + AMP C C A C C A OH 2’ or 3’ R NH2 C H A O O C O O O P O O- OH 3’ C R C NH2 H charged tRNA + AMP 4.2 Giai đoạn khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide: Cần có hai điều kiện để thực hiện sự khởi đầu sinh tổng hợp chuỗi polypeptide:  Một là trên mARN có một khu vực không mã hóa, đó là dấu hiệu kết hợp với ribosome... cần tiêu hao 03 liên kết cao năng:  01 ATP cho sự hoạt hóa axit amin ở giai đoạn đầu Hình thành aminoacyl-tARN  01 GTP để đưa aminoacyl-tARN trong tổ hợp ba (aminoacyltARN-EF-Tu-GTP) vào khu A của ribosome  01 GTP cần để ribosome di chuyển một bộ mã  Do giai đoạn khởi đầu còn cần 01 GTP tham gia để hình thành phức hợp khởi đầu nên để tổng hợp liên kết peptide đầu tiên phải sử dụng tới 4 liên kết... Factor)  Ở Procaryote, yếu tố kéo dài chuỗi là EF-T gồm hai bộ phận hợp thành là EF-Tu và EF-Ts ( Eucaryote là eEF1) Chúng có vai trò đưa aminoacyl-tARN vào khu vực A của ribosome thông qua các bước sau: - EF-Tu + GTP  EF-Tu.GTP (tổ hợp hai) - EF-Tu.GTP + aminoacyl-tARN  aminoacyl-tARN-EF-TuGTP (tổ hợp ba)  “Tổ hợp ba” chỉ có thể kết hợp với khu A vì lúc này tại khu P đã có fMet-tARN (các giai đoạn... quá trình sinh tổng hợp protein trong tế bào chất có tARN khởi đầu cũng mang methionine nhưng không được formyl hóa Ở đây cũng có các phản ứng với các yếu tố khởi đầu eIF1, eIF2, eIF3 tương tự như ở Procaryote  4.3 Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide: Axit amin thứ hai, do mã tiếp theo của mARN quy định, gắn với tARN riêng của nó tạo thành phức hợp AA2tARN và được đưa vào khu A của phức hợp khởi đầu... tARN nhận gốc methionine đễ đưa vào chuỗi polypeptide đang tổng hợp (Met-tARN),  Hai là tARN nhận gốc formylmethionine (fMet-tARN) có vai trò quan trọng trong việc khởi đầu tổng hợp chuỗi polypeptide (do nhóm amino đã bị formyl hóa nên không cho phép nó tham gia vào quá trình kéo dài chuỗi polypeptide mà chỉ tham gia vào quá trình khởi đầu tổng hợp) Quá trình được mô tả như sau: Initial N-formylmethionine:... giữa aminoacyltARN và peptidyl-tARN  Sau khi kết hợp với ribosome, GTP bị thủy phân đồng thời giải phóng tổ hợp EF-Tu-GDP Phức hợp EF-Tu-GDP sau khi tác động tương hỗ với sẽ tái tạo EF-Tu-GTP (tức tổ hợp hai) và có thể tương tác với aminoacyl-tARN tiếp theo   Ở tiểu đơn vị 50S, trong trung tâm chuyển peptidyl diễn ra sự chuyển gốc formylmethionine (ở giai đoạn sau là gốc peptidyl) cho nhóm amin. .. tạo điều kiện để phức hợp khởi đầu 30S gắnb với tiểu đơn vị 50S Người ta chưa biết chính xác vai trò của IF1, nó có thể tham gia vào việc đổi mới chu trình bằng cách góp phần giải phóng IF2 ra khỏi phức hợp Khi tiểu đơn vị 50S gắn với phức hợp 30S sẽ hình thành phức hợp ribosome 70S Đây chính là dấu hiệu cho biết ribosome đã sẳn sàng đi vào giai đoạn kéo dài của quá trình sinh tổng hợp protein Trong . hợp axit amin.  Sinh tổng hợp protein. I. Sinh tổng hợp axit amin:  Axit amin là thành phần cấu tạo của protein, hay nói cách khác protein là một hợp. đơn phân là các axit amin. Bởi vậy quá trình tổng hợp axit amin là cần thiết đối với mọi dạng sống. Tuy nhiên khả năng tổng hợp các axit amin ở các cơ thể