Chương 3: MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN, PROTEIN Tóm tắt: Thông tin cấu trúc của phân tử protein, tARN, rARN được mã hoá trong gene bằng trình tự các nucleotit. Trình tự nucleotit trong gene mã hoá cho chuỗi polipeptit đã được xác lập bằng thực nghiệm và thể hiện trong bảng mã di truyền. Mã di truyền là mã bộ ba nucleotit (codon), sự thay đổi trong codon có thể dẫn đến sự thay đổi trong chuỗi polipeptit và đột biến ở tính trạng. Những đặc điểm về cấu trúc vá chức năng của protein và mối liên hệ giữa ADN, ARN, protein và sự điều hoà biểu hiện gene cũng là cơ sở quan trọng để xây dựng kĩ thuật biểu hiện gene. Nội dung của chương gồm 4 vấn đề cơ bản: (1). Thông tin sinh học và mật mã di truyền; (2). Protein; (3). Tổng hợp protein; (4). Điều hoà biểu hiện gene. §1. THÔNG TIN DI TRUYỀN VÀ MẬT MÃ DI TRUYỀN Thông tin quy định cấu trúc một loại protein, một loại tARN, rARN được gọi thông tin di truyền. Thông tin di truyền được chứa đựng và được mã hoá trong phân tử ADN bởi trình tự các nucleotit. Hiện tượng 3 nucleotit kế tiếp nhau trong gene quy định một axit amin trong chuỗi polipeptit được gọi là sự mã hoá bộ ba. Còn một bộ ba cụ thể xác định cho một axit amin cụ thể ( ví dụ: UGU: serine) được gọi là bộ ba mã hoá (codon - code). Phân tử tARN có một bộ ba bổ sung với bộ ba mã sao của mARN được gọi là bộ ba đối mã (anticodon) ADN chứa thông tin di truyền, đó là thông tin quy định cấu trúc một loại protein, rARN và tARN. Trình tự của các bazơ trong ADN quyết định trình tự của axit amin trên protein tương ứng. Phân tử ADN được cấu tạo từ 4 loại nucleotit, và protein lại được cấu tạo từ 20 loại axit amin, nếu, một nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4 tổ hợp mã; còn hai nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4 2 = 16 tổ hợp mã bộ 2, như vậy vẫn còn thiếu 4 loại axit amin chưa được xác định bởi các mã bộ hai. Và ba nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4 3 = 64 tổ hợp mã bộ 3. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm: mã di truyền là mã bộ ba. Đối tượng là gene rII ở phage T4. Trong thí nghiệm người ta tạo đột biến mất (-) và thêm (+) một cặp bazơ trên ADN → biến đổi ADN → thành phần axit amin của protein. Giả sử phân tử mARN chỉ có thành phần CAG và trong phân tử protein chỉ có một loại axit amin: 33 mARN CAG CAG CAG CAG CAG Protein a1 a1 a1 a1 a1 - Nếu đột biến làm mất C (-) ở vị trí mã số 2 trên mARN: mARN CAG AGC AGC AGC AGC protein a1 a2 a2 a2 a2 - Nếu đột biến (+) thêm G vào giữa bộ ba thứ 2: mARN CAG AGC GAG CAG CAG CAG protein a1 a2 a3 a1 a1 a1 Các số liệu thực nghiệm thu được trên thí nghiệm rII ở thực khuẩn T 4 đã chứng tỏ lập luận trên là đúng. Vậy mã di truyền là mã bộ ba nucleotit. 1.1. Giải mã di truyền Năm 1961 M. Nirenberg sử dụng hệ thống vô bào để giải mã di truyền. Hệ thống vô bào được chiết từ E. coli có chứa ribosome, ARN, enzyme aminoacylsynthetase, mARN, các axit amin và một số phụ gia khác. Phản ứng diễn ra trong vài phút rồi dừng lại, nếu bổ sung thêm mARN thì việc tổng hợp lại tiếp diễn. Nếu mARN nhân tạo chỉ toàn uraxin thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit phenylalanine, nếu mARN chỉ toàn adenine thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit lisine; nếu mARN toàn cytosine thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit proline. Từ đó có thể suy ra bộ ba UUU quy định axit amin phenylalanine; AAA : lisine; CCC : proline. Bằng phương pháp đó người ta đã tìm ra 61 bộ ba mã hoá. Ba bộ ba còn lại là UAA, UAG, UGA làm nhiệm vụ nhận biết tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi polipeptit, còn gọi là bộ ba vô nghĩa (non sense) vì chúng không quy định axit amin. 1.2. Các đặc tính của mã Thông tin được đọc theo từng cụm ba nucleotit một cách liên tục không ngắt quãng. - Thông tin được đọc theo một chiều, bắt đầu từ một điểm xác định. - Mã di truyền mang tính phổ biến (umversal). - Mã di truyền mang tính thoái hoá (degenerate), trừ 2 ngoại lệ AUG và UGG. - Mã di truyền mang những bộ ba khởi đầu (AUG) ở đầu 5'. Các bộ ba kết thúc UAG, UAA, UGA. 34 Bảng mật mã di truyển (mã sao mARN) U C A G UUU. Phe UCU Ser UUC Phe. UCC Ser UUA Leu UCA Ser U UUG Leu UCG Ser UAU Tir UAC Tir UAA KT UAG KT UGU Cys UGC Cys UGA KT UGG Trp U C A G CUU Leu CCU Pro CUC Leu CCC Pro CUA Leu CCA Pro C CUG Leu CCG Pro CAU His CAC His CAA Gin CAG Gin CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg U C A G AUU Isoleu ACU Thr AUC Isoleu ACC Thr AUA Isoleu ACA Thr A AUG Met ACG Thr AAU Asn AAC Asn AAA Lis AAG Lis AGU Ser AGC Ser AGA Arg AGG Arg U C A G GUU Val GCU Ala GUC Val GCC Ala GUA Val GCA Ala G GUG Val GCG Ala GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu GGU Gli GGC Gli GGA Gli GGG Gli U C A G Mã khởi đầu AUG có 2 chức năng: vừa tạo ra sự bắt đầu dịch mã (mã mở đầu) vừa mã hoá axit amin. (Một vài trường hợp mã mở đầu không phải là AUG mà là UGU điều khiển axit amin formyl methionine đi vào đầu chuỗi polipeptit). Mã kết thúc (codon vô nghĩa - nonsense): UAA (ochae) Tín hiệu kết thúc UGA (opal) quá trình tổng hợp protein UAG (amber) - Tính linh hoạt Trong tế bào có những loại tARN có thể đồng thời có một số bộ ba khác nhau. Phân tích trình tự tARN đã cho thấy rằng một số tARN có cấu trúc inosine là một trong các bazơ của cụm mã đối (anticodon). Đặc điểm của inosine được thể hiện ở hình 3.1. Phân tích trình tự cho thấy đầu 5' của codon đối mã (bổ trợ với bazơ thứ ba của cụm mã) khác với 2 bazơ kia, có khả năng kết hợp với một số bazơ trên đầu 3' của cụm mã. Hiện tượng này còn được gọi là tính "linh hoạt" trong kết cặp bazơ và tính linh hoạt là có giới hạn: 35 Hình 3.1. Cấu trúc của inosine và guanine Bazơ trên đầu 5' của anticodon Bazơ trên đầu 3' của cụm mã G kết cặp với U hoặc C C kết cặp với G A kết cặp với U U kết cặp với A hoặc G I (Inosin) kết cặp với A, U hoặc G Hình 3.2. Tính linh hoạt của mã di truyền 1.3. Đột biến và mã di truyền Mối liên quan giữa đột biến và mã di truyền được thể hiện ở 4 kiểu đột biến cơ bản. 1.3.1. Đột biến nhầm nghĩa Một cặp bazơ bị biến đổi dẫn đến thay đổi cụm mã tương ứng trên mARN và làm thay đổi 1 axit amin trên polipeptit. 36 1.3.2. Đột biến vô nghĩa 3' AGT CAA GGT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5 Đột biến thay thế ở bộ ba thứ 4 (G-C bị thay thế bởi A-T) 3' AGT CAA GGT TAC CAT 5' Thay đối ở mARN 5' UCA GUU CCA AUG GUA 3' mARN Biến đổi một cặp bazơ làm xuất hiện một codon vô nghĩa dẫn đến xuất hiện tín hiệu kết thúc chuỗi polipeptit làm cho chuỗi polipeptit được tổng hợp ngắn (ít axit amin) hơn bình thường. 3' AGT CAA GAT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5 Đột biến măt cặp bazơ G-X ở bộ ba thứ 3 3' AGT CAA ATT GCC AT 5' Xuất hiện mã kết thúc UAA ở mARN 5' UCA GUU UAA CGG UA 3' mARN 1.3.3. Đột biến cặp bazơ ở bộ ba quy định axit amin 1àm xuất hiện codon mới (codon thoái hoá) không ảnh hưởng đến chuỗi polipeptit Một loại axit amin có thể được quy định bởi một vài bộ ba: ví dụ GUU, GUC, GUA, GUG cùng quy định axit amin valine. Trường hợp bình thường: 3' AGT CAA GGT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5 5' UCA GUU CCA ACG GUA 3' mARN Scrine - Valine - Proline - Threonie - Valine Protein Trường hợp đột biến. 37 1.3.4. Đột biến dịch khung 3' AGT CAA GGT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5 Đột biến thay thế ở bộ ba thứ 2 (A-T bị thay thế bởi G-X) 3' AGT CAG GOT TAC CAT 5' Thay đối ở mARN 1àm BD đổi GUU thành GUC 5' UCA GUC CCA AUC GUA 3' mARN Serine - Valine - proline - Threonie - Valine Protein (GUU và GUC cùng quy định valine) Hiện tượng mất hoặc thêm một cặp bazơ dẫn đến tổ hợp lại các codon và làm thay đổi thành phần axit amin của chuỗi polipeptit. • Trường hợp bình thường: 3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene Phiên mã 5' UUG UGU GUC CAA GUU UCC UCG 3' mARN Dịch mã - Leucinne - Cysteine-Valine - Glicine - Valine - Tryptophane - Serine Protein • Trường hợp đột biến dịch khung: 3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene Đột biến mất cặp C-G ở bộ ba thứ 3 3' aAC acAn agg ttc aaa Gga gc 5' Gene đột biến Phiên mã 5' UUG UGU UCC AAG UUU CCU CG 3' mARN Dịch mã - Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline Protein 38 Như vậy chuỗi polipeptide có thành phần axit amin: - Leucinne - Cysteine-Valine - Glicine - Valine - Tryptophane - Serine Biến đổi thành: - Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline. §2. PROTEIN 2.1. Chức năng của protein trong tế bào Protein chiếm khối lượng lớn trong tế bào và tham gia vào hầu hết các quá trình sinh học. Thành phần cấu tạo nên các bộ phận của tế bào, quy định những đặc điểm về hình thái và cấu tạo của tế bào và cơ thể. Protein enzyme có khả năng xúc tác lớn và tính đặc hiệu cao. Kháng thể: chống lại các tác nhân xâm nhập vào tế bào và cơ thể. Tác nhân gây miễn dịch (kháng nguyên) xâm nhập vào cơ thể động vật có xương sống sẽ kích thích sự sản sinh ra kháng thể. Protein vận động (myosin), cảm ứng. 2.2. Cấu trúc của protein Axit amin là đơn vị cấu tạo nên protein, có khoảng 20 loại axit amin cấu tạo nên các phân tử protein khác nhau. Axit amin có cấu tạo chung như sau: Dựa vào diện tích của chúng các aminoacit có thể chia làm 4 nhóm: • Nhóm I. Các axit amin có tính kiềm: lisine, argimne, histidinc. ở độ pH của tế bào nhóm amine (NH) 2 ở nhánh bên bị ion hoá thành NH 3 , nên chúng mang điện tích dương. • Nhóm II. Các axit amin mang tính axit, vì nhánh bên bị oxy hoá thành COO - , bao gồm: aspartic và glutamic. • Nhóm III. Các axit amin trung tính kị nước (không mang điện tích) như: alanine, valine, leucine có nhánh bên mang các nhóm kị nước. • Nhóm IV. Các axit amin trung tính phân cực có nhánh bên nhóm OH để tạo các liên kết hyđrô ưa nước. 39 Các axit amin liên kết với nhau bằng mối liên kết peptit. Protein có cấu trúc theo nhiều bậc: Bậc I: chuỗi polipeptit có dạng mạch thẳng. Bậc II: chuỗi polipeptit có dạng mạch xoắn α . Bậc III: chuỗi polipeptit có dạng mạch hình cầu. Bậc IV: tổ chức protein có nhiều chuỗi polipeptit : Hình 3.4. Liên kết tạo chuỗi polipeptit Hình 3.5. Sơ đồ các bậc cấu trúc của protein Một phân tử protein chỉ có một chuỗi polipeptit (cấu trúc bậc I, II, III) hoặc gồm nhiều chuỗi polipeptit (cấu trúc bậc IV). 40 41 Hình 3.7. a, b: Cấu trúc bậc II; c, d, e, g: Cấu trúc bậc III; m. n, p, q: Cấu trúc bậc IV của protein.(theo Phan Văn Chi, 2002) §3. QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN 3.1. Các yếu tố tham gia tổng hợp protein 3.1.1. Các phân tử ARN Mỗi phân tử mARN mang thông tin xác định trình tự của một polipepetit, thông tin này được phiên mã từ ADN. Số lượng loại tARN biến động theo loài từ 30 - 40 loại (Prokaryot), 50 loại (Eukaryot), nhưng cấu trúc của các loại tARN rất giống nhau. Chức năng của tARN được thực hiện nhờ các enzyme đặc biệt là các aminoacyl-tARN-synthetase. Có 20 loại aminoacyl-tARN-synthetase tương ứng với 20 loại axit amin. Quá trình gắn axit amn với tARN với sự tham gia của enzyme này là quá trình tiêu tốn năng lượng và trải qua 2 bước: • Enzyme nhận biết và gắn với 1 axit amin đặc hiệu • Enzyme + a.a + ATP → enzyme - aminoacyl - AMP + P.P Axit amin được chuyển từ phức hợp enzyme aminoacyl sang tARN tương ứng. Enzyme - aminoacyl - AMP + tARN → tARN- aminoacyl + AMP + E 3.1.2. Ribosome (RBX) 42 [...]... động: Aminoacyl - tARN - synthetase chuyên biệt (methionyl - tARN synthetase) gắn 1 phân tử met vào một đầu của tARNmet tạo thành Met tARNimet Hình thành tiểu đơn vị nhỏ ribosome - met - tARNimet - mARN với sự tham gia của nhân tố khởi động (IF2 - Prokaryot ; IF4 - Eukaryot) 3. 2.2 Kéo dài Khi a.a met đặt vào vị trí chuỗi polipeptit bắt dầu được tổng hợp 43 Aminoacyl - tARN kế tiếp nó đến xếp vào đúng vị... được cấu tạo từ rARN và protein tạo thành ribonucleoprotein RBX có 2 tiểu phần (tiểu đơn vị); tiểu đơn vị lớn chứa 1 phân tử rARN lớn và tiểu đơn vị nhỏ chứa 1 rARN nhỏ RBX ở Prokaryot và Eukaryot cơ bản giống nhau Hình 3. 8 Ribosome 3. 2 Các giai đoạn của quá trình tổng hợp protein Quá trình sinh tổng hợp protein trong tế bào trải qua hai khâu: phiên mã và dịch mã (hình 3. 9) Ở đây chỉ trình bày khái quát... chuyên biệt (hình 3. 6) Hình 3. 9 Sự gắn của mARN với các tiểu phần ribosom và sự dịch mã của chúng A: tiếp nhận aminoacyl - tARN P: giữ phức hợp peptidyl - tARN để hình thành chuỗi polipeptit Quá trình cứ lặp lại cho đến khi xuất hiện dấu hiệu kết thúc dịch mã 3. 2 .3 Kết thúc Khi nhân tố (TF) kết thúc nhận biết được dấu hiệu kết thúc (các codon kết 44 thúc: UAG, UAA, UGA), phức hợp peptidyl - tARN lập tức... và đạt tốc độ phiên mã tối đa THẢO LUẬN 1 Trình bày về mật mã di truyền 2 Đột biến gene và mật mã di truyền 3 Mối liên quan giữa protein và tính chống chịu 4 Đặc điểm cấu trúc của protein Quá trình tổng hợp protein 5 Phương pháp phân tích cấu trúc protein và đặc điểm cấu trúc của protein 6 Điều hoà biểu hiện gene và ứng dụng trong kĩ thuật di truyền 49 ... vào promotor gene sẽ tạo phân tử mARN 4.1.1 Cấu trúc của operon Sự điều hòa biểu hiện gene ở Prokaryot phần lớn xảy ra ở giai đoạn phiên mã Cơ chế điều hòa thông qua operon Mỗi operon bao gồm: nhóm gene cấu trúc (cistron) cạnh nhau và các trình tự AND khác nhau tham gia điều hòa Operon là đơn vị phiên mã gồm ít nhất 1 promotor (trình tự khởi động) và mARN kế cận mã hóa cho các trình tự của một hay nhiều... mã Cơ chế này dựa vào sự tương tác của protein điều hoà (nhân tố kìm hãm - repressor) với một trình tự ADN, promotor ở đầu 5' không mã hoá của các gene cấu trúc Repressor liên kết với operator nằm giữa promotor và gene cấu trúc Có 2 khả năng: (1) Không có lactose: Khi môi trường không có lactose mà chỉ có glucose thì repressor liên kết với operator và các cistron không tổng hợp mARN - lac Hình 3. 12... triptophan, repressor không gắn được vào operator các gene cấu trúc của operon phiên mã 4.2 Điều hoà biểu hiện gene ở Eukaryot Bộ gene của Eukaryot có kích thước lớn, phân tử ADN được nén trong nhân tế bào Cơ chế điều hoà biểu hiện gene có thể xảy ra ở 5-6 mức độ khác 48 nhau và sự điều hoà biểu hiện gene ở Eukaryot có một số đặc điểm cơ bản sau: Ở Prokaryot, các gene điều hoà và promotor nằm gần nhau; còn... tách thành tARN tự do và chuỗi polipepetit RBX tách ra thành 2 tiểu đơn vị và mARN được giải phóng Hình 3. 10 Dịch mã tổng hợp protem ở các ribosom trên lưới nội chất §4 ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GENE Ba thành phần cơ bản của sự điều hoà hoạt động gene (1) Những tín hiệu làm thay đổi biểu hiện gene (2) Điều hoà biểu hiện gene thực hiện ở giai đoạn nào từ sao chép đến dịch mã (3) Cơ chế phân tử của sự điều hoà... ngay cả khi cách xa vài nghìn cặp bazơ và chúng hoạt động bất kì ở hướng nào, dù là ở trước hay sau promotor Tóm lại, các gene của Eukaryot được hoạt hoá bởi hai trình tự ADN có tác động cis là promotor và enhancer Chúng được nhận biết các nhân tố protein có tác động trans Các nhân tố trans này cho phép ARN-polimerase khởi động phiên mã và đạt tốc độ phiên mã tối đa THẢO LUẬN 1 Trình bày về mật mã... tương tác với trình tự ADN đặc hiệu kiểm soát phiên mã của gene cấu trúc Gene điều khiển tổng hợp protein điều hoà gọi là gene điều hoà (regulatory gene), phía trước nhóm gene cấu trúc có trình tự protnotor, nơi ARN-polimerase nhận biết 45 Hìnhh 3. 11 Mối quan hệ giữa AND, ARN và protein Thực chất của khởi đầu phiên mã là quan hệ tương tác giữa ARN polimerase với promotor Khi ARN-polilmese gắn vào promotor . 3& apos; mARN Dịch mã - Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline Protein 38 Như vậy chuỗi polipeptide có thành phần axit amin: - Leucinne - Cysteine-Valine -. Aminoacyl - tARN - synthetase chuyên biệt (methionyl - tARN - synthetase) gắn 1 phân tử met vào một đầu của tARN met tạo thành Met - tARNi met . Hình thành tiểu đơn vị nhỏ ribosome - met - tARNi met . thường: 3& apos; AGT CAA GGT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5 5' UCA GUU CCA ACG GUA 3& apos; mARN Scrine - Valine - Proline - Threonie - Valine Protein Trường hợp đột biến. 37 1 .3. 4.