Đang tải... (xem toàn văn)
Enzyme và các yếu tố tham gia là những chất xúc tác cho phản ứng hay có khảnăng làm yếu hoặc chấm dứt hoàn toàn tác dụng của enyme. Chúng có tính đặc hiệu cao đối với phản ứng xúc tác và với các phân tử chịu xúc tác. Chất xúc tác là một chất làm tăng tốc độ của một phản ứng hoá học mà bản thân không bị thay đổi, do đó enzyme thúc đẩy các phản ứng của tế bào. Mặc dù các RNA có khả năng xúc tác cho một số phản ứng, hầu hết các phản ứng sinh học được xúc tác bởi các protein. Tuy nhiên, trong trường hợp không có sự xúc tác của enzyme, hầu hết các phản ứng sinh hóa rất chậm rằng họ sẽ không xảy ra dưới các điều kiện ôn hòa nhiệt độ và áp suất tương thích với cuộc sống.
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: VAI TRÒ CỦA ENZIM VÀ CÁC YẾU TỐ THAM GIA VÀO QUÁ TRÌNH TÁI BẢN, PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Bá Lộc Học viên thực Lớp : Nguyễn Thị Hoài Phương : K24 - ĐVH Huế 01/2016 PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Enzyme yếu tố tham gia chất xúc tác cho phản ứng hay có khả làm yếu chấm dứt hoàn toàn tác dụng enyme Chúng có tính đặc hiệu cao phản ứng xúc tác với phân tử chịu xúc tác Chất xúc tác chất làm tăng tốc độ phản ứng hố học mà thân khơng bị thay đổi, enzyme thúc đẩy phản ứng tế bào Mặc dù RNA có khả xúc tác cho số phản ứng, hầu hết phản ứng sinh học xúc tác protein Tuy nhiên, trường hợp khơng có xúc tác enzyme, hầu hết phản ứng sinh hóa chậm họ không xảy điều kiện ơn hịa nhiệt độ áp suất tương thích với sống Các enzyme đẩy nhanh tỷ lệ phản ứng triệu lần, phản ứng nhiều năm khơng có tham gia chất xúc tác Trong sống sinh vật xảy nhiều phản ứng hóa học với hiệu suất cao, điều kiện bình thường nhiệt độ, áp suất, pH Sở dĩ có diện chất xúc tác sinh học gọi chung enzyme Vào thời điểm nhân vơ tính phân tử trở thành kỹ thuật phịng thí nghiệm thơng thường, nhà sản xuất cung cấp vô số nguồn enzym, số dấu hiệu cho hiểu biết chức độ đặc hiệu enzyme khác để tạo thao tác axit nucleic Trong vài năm trở lại đây, việc mở rộng to lớn kỹ thuật nhân vơ tính ứng dụng gây quan tâm lớn từ nhà cung cấp phịng thí nghiệm Kết là, vơ số nguồn enzyme có sẵn chọn enzyme thích hợp cho nhiệm vụ cụ thể khó khăn cho người Axit nucleic sử dụng để nhân vơ tính phân tử có nguồn gốc tự nhiên tổng hợp, độ dài chúng dao động từ vài đến vài ngàn nucleotide Axit nucleic thao tác rộng rãi, nhằm có đặc điểm tính chất cụ thể Những thao tác bao gồm lan truyền, thắt, thủy phân, bổ sung sửa đổi nhóm nhóm phosphate methyl Những thay đổi xúc tác polymerase, ligases, nucleases, phosphatase methylases tương ứng Trong này, làm rõ vai trị enzyme yếu tố tham gia nhóm để giải thích tính chất chế hoạt động Mục tiêu cung cấp cho người đọc hiểu biết tốt hoạt động enzyme sử dụng phân tử nhân vơ tính phân tử Vì vậy, chúng tơi lựa chọn nghiên cứu vấn đề: “Vai trị enzim yếu tố tham gia vào trình tái bản, phiên mã dịch mã” Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Các enzyme yếu tố tham gia vào trình tái bản, phiên mã dịch mã Phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu vai trò enzyme yếu tố tham gia vào trình tái bản, phiên mã dịch mã Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài phương pháp tổng hợp tài liệu lấy từ nguồn thông tin thư viện, báo đài, internet Dựa vào phân tích, tổng hợp, so sánh đối chiếu tài liệu để thực đề tài PHẦN NỘI DUNG I Vai trị enzim q trình tái I.1 Những enzim tham gia vào trình tái Sự tái ADN cần tham gia nhiều protein - enzim, loại có chức đặc biệt Sau chế xúc tác enzim - protein trình tái ADN Bảng 1: Những protein - enzim tái (ở E.coli) Protein Chức - Protein dna A - Mở xoắn kép vị trí đặc biệt - protein dna B - Xúc tác khởi đầu primase - Primase (dna G protein) - Xúc tác tổng hợp ARN mồi - Helicase - Mở xoắn kép - Protein-SSB - Ổn định vùng sợi đơn - ADN gyrase (topoisomerase II) - Chuyển xoắn phải thành xoắn trái ADN polymerase III - ADN polymerase (holoenzym) - ADN polymerase I III - Tiếp tục tổng hợp ADN sở ARN (holoenzym) mồi - Loại ARN mồi thay vào ADN - ADN polymerase II - Tham gia vào trình sửa chữa ADN, thay đoạn ADN hỏng ADN - ADN ligase bình thường - Nối liền đoạn ADN I.2 Cơ chế xúc tác enzim trình tái I.2.1 Những ADN polymerase E.coli ADN polymerase enzim tái bản, chịu trách nhiệm tổng hợp hai chuỗi ADN chạc tái I.2.1.1 Các ADN polymerase Tế bào E.coli chứa ba loại ADN polymerase khác với ký hiệu I, II III, ADN polymerase I nhiều ADN I Kornberg tìm thấy vào năm 1955 đến năm 1969, ADN polymerase II III tìm thấy - ADN polymerase I: enzim chủ yếu trình kéo dài chuỗi ADN mà có chức loại bỏ ARN mồi nhờ cắt đầu → thay vào chỗ ARN mồi ADN khác - ADN polymerase II: Tác dụng enzim chưa biết rõ Có thể ADN polymerase II tham gia vào trình sữa chữa, tức thay đoạn ADN hỏng ADN bình thường - ADN polymerase III: enzim chủ yếu xúc tác trình kéo dài hai chuỗi ADN chạc tái theo hướng → Ở tế bào E.coli, hoạt động ADN polymerase cần có mặt khn mồi ADN polymerase III khơng có tác dụng khởi đầu tổng hợp ADN Bảng 2: Hoạt động ADN polymerase E.coli ADN polymerase ADN polymerase I ADN polymerase II ADN polymerase III Hoạt động (E.coli) Trùng hợp theo hướng → Exonuclease → Exonucleoase → Vận tốc gắn/ph: 600 nucleotid Trùng hợp theo hướng → Exonuclease → Sửa chữa ADN Vận tốc gắn/phút: 600 nucleotid Trùng hợp theo hướng → Exonuclease → polymerase Exonucleoase → Vận tốc gắn/phút: 9000 nucleotid Thực tế, ADN polymerase biết tổng hợp ADN mà không cần đến mồi khuôn, tên xác enzim ADN polymerase phụ thuộc vào ADN Thông thường, mồi đoạn ARN tổng hợp primasehoặc chuỗi ADN phát triển I.2.1.2 Cấu trúc ADN polymerase III holoenzim ADN polymerase III kết hợp với nhiều tiểu đơn vị Phức hợp nhiều tiểu đơn vị đưcợ gọi ADN polymerase III holoenzim, ADN polymerase III holoenzim có 10 tiểu đơn vị: - Ba tiểu đơn vị tạo thành “lõi” enzim - Bốn tiểu đơn vị khác tiểu đơn vị phụ Ba tiểu đơn vị lõi enzim là: - Tiểu đơn vị α , thân polymerase, chịu trách nhiệm phản ứng tổng hợp - Tiểu đơn vị ε chịu trách nhiệm phản ứng exonuclease - Tiểu đơn vị θ mà chức chưa rõ Bốn tiểu đơn vị khác η , γ , β δ tăng cường hiệu quảt phản ứng trùng hợp kiểm sốt xác phản ứng Tiểu đơn vị β copolymerase III cần thiết cho nhận diện gắn chuỗi ADN mồi với chuỗi ADN mẹ làm khuôn Một holoenzim gắn vào vị trí khởi đầu, copolymerase III tách dạng tự copolymerase III Hình holoenzim ADN polymerase III Nó gồm thân polymerase (tiểu đơn vị α ) cộng với số tiểu đơn vị khác ADN polymerase enzim hướng tới khuôn, xúc tác tạo thành liên kết phosphodieste gốc - OH tự vị trí deoxyribose với nguyên tử phospho (phospho cùng) deoxyribonucleosid-5-triphosphat tới, kèm theo giải phóng phân tử pyrophosphat ADN polymerase bắt đầu tạo thành chuỗi ADN mới, mà biết kéo dài chuỗi nucleotid, tức bổ sung nucleotid đầu 3-OH acid nucleic I.2.1.3 Hoạt động ADN polymerase Những ADN polymerase xúc tác phản ứng kéo dài chuỗi ADN: cộng thêm “từng bước” đơn vị deoxiribonucleotid chuỗi ADN sẵn có Trong dNTP bốn deoxyribonucleosid-5-triphosphat (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) Ppi nhóm pyrophosphat Thành phần bazơ ADN tổng hợp phụ thuộc vào thành phần bazơ khuôn vào tỉ lệ tương đối bốn deoxyribonucleotid tiền thân Sự tạo thành liên kết phosphodieste có bazơ nucleotid thêm vào bổ sung với bazơ sẵn có chuỗi ADN mẹ làm khuôn I.2.1.4 Tác dụng exonuclease ADN polymerase I ADN polymerase cịn có thêm tác dụng thuỷ phân chuỗi ADN số trường hợp ADN polymerase I thủy phân từ 3-hydroxyl tận chuỗi ADN Sản phẩm tạo thành mônnucleotid Như ADN polymerase I exonuclease → Nucleotid giải phóng → exonuclease có gốc -OH tận tự khơng tham gia vào xoắn kép ADN ADN polymerase I thủy phân chuỗi ADN từ đầu chuỗi, exonuclease → Exonuclease → khác exonuclease → chỗ: - Vị trí cắt exonuclease phải vùng xoắn kép ADN - Vị trí cắt liên kết phosphodieste cuối liên kết phosphodieste cách xa đầu Sản phẩm giải phóng có gốc -OH tự phosphoryl hóa Hình 5: ADN polymerase I gồm chuỗi polypeptid có ba hoạt động enzim chuỗi polypeptid: exonuclease → 3, exonuclease → polymerase I.2.2 Những topoiisomeraza a) Topoisomer: Có hai phân tử có số lượng trình tự nucleotid hồn tồn Giữa hai phân tử có số vịng xoắn phân tử khác Số vòng xoắn số lần chuỗi ADN quấn xung quanh chuỗi Hai phân tử khác số vòng xoắn Topoisomer Đặc trưng quan trọng phân tử ADN số vòng Số vòng số cho loại Topoiisomeraza Có hai dạng Topoiisomeraza: - Dạng nới lỏng: dạng sức căng chuỗi xoắn tối thiểu Đây dạng có cấu trúc ổn định ADN - Dạng siêu xoắn: Có dạng siêu xoắn dương số vịng xoắn tăng Chiều xoắn chiều với xoắn kép ADN làm cho phân tử xoắn chặt Dạng siêu xoắn âm có số vịng xoắn giảm xoắn ngược chiều với chiều xoắn kép ADN làm cho phân tử ADN tách hai chuỗi đoạn dẫn đến số vòng xoắn giảm (Hình 3) Hình Hoạt động topoisomerase II chạc ba chép b) Topoiisomerase: enzim xúc tác q trình biến đổi số vịng xoắn ADN, làm chuyển đổi dạng Topoiisomerase Để thay đổi số vòng cần phải cắt rời hay hai chuỗi, cắt rời hai loại Topoiizomeraza xúc tác - Topoiisomeraza I: có procaryot lẫn eucaryot Topoiisomeraza I cắt tạm thời lại nối lại chuỗi ADN xoắn kép Tác dụng topoiisomeraza I sau: + Cắt chuỗi ADN, từ vịng xoắn sau vị trí cắt + Nối lại chuỗi ADN bị cắt liên kết phosphodieste ADN polymeraza tái tạo lại, lúc ADN có cấu trúc “nới lỏng” - Topoiisomeraza II procaryot có tên ADN gyraza Những topoiisomeraza tham gia vào trình tái bản, đặc biệt gyraza ADN gyraza cắt tạm thời hai chuỗi ADN, có tác dụng xếp lại siêu xoắn, tạo siêu xoắn trái (-) xoắn kép ADN Phản ứng kết hợp với phản ứng thủy phân phân tử ATP Tất nghiên cứu topoiisomer topoiisomeraza chủ yếu thực phân tử chuỗi kép ADN dạng vịng khép kín Những topoiisomeraza I II tìm thấy eucaryot, biết I.2.3 Helicaza protein SSB - Helicaza: Enzyme helicase (cịn có tên enzyme deroulase) có nhiệm vụ giúp chuỗi DNA từ dạng siêu xoắn sang dạng dãn thành hai sợi đơn cách cắt liên kết hydrogen base bổ sung Dạng cấu trúc cần thiết cho đoạn chuỗi DNA mà có nhu cầu sinh tổng hợp Phản ứng cần có mặt ATP Tiếp đến, khởi đầu phiên mã in vivo cần diện protein tạo thành phức hợp trung gian (mediator complex) Phức hợp cho phép tác nhân hoạt hóa tác động tốt lên RNA polymerase II yếu tố phiên mã tổng quát Cuối cùng, phiên mã cần enzyme biến đổi chromatin, bao gồm phức hợp tái tạo mơ hình chromatin (chromatin remodeling complex) enzyme histone acetylase Cả hai có tác dụng giúp cho máy khởi đầu phiên mã gắn vào DNA chromatin cách dễ dàng Như vậy, có nhiều protein gắn vào promoter để khởi động phiên mã eukaryote Thứ tự gắn protein thay đổi gen khác Thực tế, số gắn với xa DNA mang đến DNA dạng phức hợp Ví dụ: phức hợp trung gian, RNA polymerase II, số yếu tố phiên mã tổng quát gắn với nhân tương mang đến DNA II.3.2.5 Các yếu tố kích thích RNA polymerase II hoạt động giai đoạn kéo dài Một RNA polymerase II bắt đầu chuyển sang giai đoạn kéo dài yếu tố khởi đầu loại bỏ yếu tố phiên mã tổng quát phức hợp trung gian Thay vào đó, yếu tố kích thích giai đoạn kéo dài thu hút đến, bao gồm TFIIS hSPT5 Ngồi ra, cịn có yếu tố khác huy động để phục vụ cho trình biến đổi RNA tổng hợp Giai đoạn kéo dài phiên mã song hành chặt chẽ với bước biến đổi RNA tổng hợp Như phân tích trên, có bước quan trọng diễn chuyển từ giai đoạn khởi đầu sang kéo dài phosphoryl hóa CTD RNA polymerase II Sự phosphoryl hóa khơng giúp RNA polymerase II khỏi protein vị trí bắt đầu phiên mã mà cho phép protein khác đến kết hợp với để giúp q trình kéo dài phân tử RNA biến đổi RNA tiền thân III Vai trò enzyme phiên mã ngược Phiên mã ngược trình tổng hợp DNA dựa khn mẫu RNA Q trình xúc tác loại enzyme đặc biệt gọi enzyme phiên mã ngược (RT: reverse transcriptase) Enzyme có hoạt tính DNA polymerase hoạt tính RNase H Cũng giống DNA polymerase trình tái DNA, enzyme phiên mã ngược địi hỏi phải có primer (mồi) đặc biệt để tổng hợp nên DNA Enzyme phiên mã ngược phát lần retrovirus Sau retrovirus vào tế bào vật chủ, genome RNA phiên mã ngược thành DNA sợi đơi, tích hợp vào DNA vật chủ Quá trình phiên mã ngược phức tạp, người ta tóm tắt thành 10 bước sau: - Bước 1: Một tRNA tế bào có tính đặc hiệu với retrovirus đóng vai trị primer để khởi phát trình phiên mã ngược Primer lai với vùng bổ sung genome RNA retrovirus gọi vị trí gắn primer (PBS: primer-binding site) - Bước 2: Một đoạn DNA kéo dài từ tRNA có trình tự bổ sung với trình tự genome RNA retrovirus - Bước 3: Trình tự R đầu 5’ U5 virus bị loại bỏ RNase H - Bước 4: Đổi khuôn mẫu lần thứ (first template exchange) gọi “nhảy” lần một: DNA đến lai với trình tự R cịn lại đầu 3' - Bước 5: Một sợi DNA kéo dài từ đầu 3’ - Bước 6: Hầu hết RNA virus bị loại bỏ RNase H - Bước 7: Sợi DNA thứ hai kéo dài từ RNA lại virus - Bước 8: Cả tRNA phần RNA lại virus bị loại bỏ RNase H - Bước 9: Đổi khuôn mẫu lần thứ hai (“nhảy” lần hai): vùng PBS sợi DNA thứ hai đến lai với vùng PBS sợi thứ - Bước 10: Kéo dài hai sợi DNA R trình tự lặp lại genome retrovirus (ở đầu 5’ 3’), U5 U3 vùng mã hóa cho tín hiệu tích hợp đầu 5’ 3’ (Hình 10) Ngày nay, người ta phát enzyme phiên mã ngược virus động vật khác hepadnavirus, virus thực vật caulimovirus Tất chúng gọi retrovirus Ngoài ra, người ta cịn phát hoạt tính enzyme phiên mã ngược số dòng myxobacteria E coli Enzyme phiên mã ngược trở thành công cụ khơng thể thiếu sinh học phân tử Nó giúp nghiên cứu viên phiên mã ngược mRNA tế bào thành cDNA (complementary DNA), sau khuếch đại, tạo dòng biểu phương pháp đặc biệt Sự phát enzyme phiên mã ngược nhiều loại virus đặc biệt số vi khuẩn có ý nghĩa quan trọng việc nghiên cứu tiến hóa hệ thống sinh giới IV Vai trò yếu tố tham gia vào trình dịch mã Quá trình dịch mã để tổng hợp prơtêin chặng cuối q trình truyền đạt thơng tin di truyền để từ biểu tính trạng Đây q trình phức tạp vô quan trọng nên nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu Quá trình tổng hợp prôtêin diễn ribosome với tham gia nhiều thành phần khác IV.1 Các thành phần tham gia q trình dịch mã Có nhiều yếu tố tham gia q trình tổng hợp prơtêin Mỗi yếu tố có cấu trúc chức riêng tham gia vào vài khâu trình, tất yếu tố phối hợp nhịp nhàng, ăn khớp chặt chẽ bảo đảm cho trình tổng hợp prơtêin xảy nhanh chóng, xác * Các enzyme tham gia dịch mã: - Aminoacyl - tARN - sintetase loại enzyme xúc tác q trình hoạt hóa acid amin, gắn acid amin vào với ARNt tạo phức aminoacyl - tARN để đến ribosome Mỗi acid amin có loại enzyme tương ứng xúc tác - Peptidyl - transferase enzyme xúc tác phản ứng cắt liên kết ester chuỗi polypeptid tổng hợp với tARN vị trí P ribosome, đồng thời vận chuyển chuỗi polypeptid từ vị trí P sang vị trí A tổng hợp lại liên kết peptid chuỗi polypeptid với acid amin có vị trí A - Translocase enzyme xúc tác di chuyển ribosome mARN theo chiều 5' - 3' Mỗi lần di chuyển ribosome nucleotide Sau ribosome di chuyển, phức hệ tARN mang chuỗi polypeptid từ vị trí A chuyển sang vị trí P, cịn vị trí A khơng có acid amin nên sẵn sàng tiếp nhận phức hệ tARN mang acid amin vào để tiếp tục trình tổng hợp * Các yếu tố tham gia dịch mã: Trong trình tổng hợp prơtêin có nhiều yếu tố tham gia vào chế dịch mã vai trị chất kích thích, chất hỗ trợ - Yếu tố mở đầu: Tham gia vào giai đoạn mở đầu 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 ribosome có nhiều yếu tổ kéo dài với chức khác - Yếu tố kết thúc hay yếu tố giải phóng tham gia vào giai đoạn kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptid giải phóng chuỗi polypeptid khỏi ribosome IV.2 Sự hình thành aminoacyl - tRNA IV.2.1 Bản chất gắn amino acid vào tRNA Quá trình gắn amino acid vào tRNA trình hình thành liên kết acyl nhóm carboxyl amino acid nhóm 2'- 3'-OH adenine đầu 3' tRNA Liên kết xem liên kết giàu lượng Năng lượng giải phóng liên kết bị phá vỡ giúp hình thành cầu nối peptide để liên kết amino acid với chuỗi polypeptide tổng hợp IV.2.2 Sự nhận diện gắn amino acid vào tRNA Sự nhận diện gắn amino acid vào tRNA tương ứng thực enzyme gọi aminoacyl-tRNA synthetase Quá trình diễn sau: đầu tiên, amino acid adenylyl hóa cách phản ứng với ATP, kết tạo thành amino acid có gắn adenylic acid qua cầu nối ester giàu lượng nhóm COOH amino acid nhóm phosphoryl AMP, đồng thời giải phóng pyrophosphate Sau đó, amino acid adenylyl hóa (vẫn gắn với synthetase) phản ứng tiếp với tRNA Phản ứng chuyển amino acid đến đầu 3' tRNA để gắn với nhóm OH, đồng thời giải phóng AMP Phản ứng tổng hợp trình sau: Amino acid + tRNA + ATP aminoacyl-tRNA + AMP + PPi IV.2.3 Tính đặc hiệu aminoacyl-tRNA synthetase Hầu hết tế bào có enzyme synthetase riêng biệt chịu trách nhiệm cho việc gắn amino acid vào tRNA tương ứng (như có tất 20 synthetase) Tuy nhiên, nhiều vi khuẩn có 20 synthetase Trong trường hợp này, synthetase chịu trách nhiệm cho loại amino acid Sự nhận diện amino acid xác dựa vào kích thước, tích điện gốc R khác amino acid Sự nhận diện tRNA dựa vào trình tự nucleotide khác tRNA Tỷ lệ sai sót q trình gắn amino acid với tRNA tương ứng thấp IV.2.4 Phân loại aminoacyl - tRNA synthetase Có hai loại tRNA synthetase - Loại I bao gồm synthetase gắn amino acid Glu, Gln, Arg, Cys, Met, Val, Ile, Leu, Tyr, Trp vào nhóm 2'-OH - Loại II gồm synthetase gắn amino acid Gly, Ala, Pro, Ser, Thr, His, Asp, Asn, Lys, Phe vào nhóm 3'-OH IV IV.3 Cơ chế xúc tác enzyme yếu tố trình dịch mã Quá trình dịch mã bắt đầu gắn mRNA tRNA khởi đầu với tiểu đơn vị nhỏ tự ribosome Phức hợp tiểu đơn vị nhỏ-mRNA thu hút tiểu đơn vị lớn đến để tạo nên ribosome nguyên vẹn với mRNA kẹp hai tiểu đơn vị Sự tổng hợp protein bắt đầu codon khởi đầu đầu 5' mRNA tiến dần phía 3' Khi ribosome dịch mã từ codon sang codon khác, tRNA gắn amino acid đưa vào trung tâm giải mã trung tâm peptidyl transferase ribosome Khi ribosome gặp codon kết thúc trình tổng hợp chuỗi polypeptide kết thúc Chuỗi giải phóng, hai tiểu đơn vị ribosome rời sẵn sàng đến gặp mRNA để thực chu trình tổng hợp protein Quá trình dịch mã chia thành ba giai đoạn khởi đầu, kéo dài kết thúc IV.3.1 Giai đoạn khởi đầu IV.3.1.1 Ở prokaryote * Các yếu tố khởi đầu (IF: initiation factor) Có yếu tố khởi đầu xúc tác cho tiểu đơn vị nhỏ việc hình thành phức hợp khởi đầu Đó IF1, IF2, IF3 Mỗi yếu tố khởi đầu có tác dụng sau: - IF1 giúp tiểu đơn vị nhỏ gắn vào mRNA ngăn cản tRNA gắn vào vùng thuộc vị trí A tiểu đơn vị nhỏ - IF2 protein gắn thủy phân GTP IF2 thúc đẩy liên kết fMettRNAi fMet tiểu đơn vị nhỏ, ngăn cản aminoacyl-tRNA khác đến gắn vào tiểu đơn vị nhỏ - IF3 ngăn cản tiểu đơn vị nhỏ tái liên kết với tiểu đơn vị lớn gắn với tRNA mang amino acid IF3 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ vào cuối vòng dịch mã trước, giúp tách ribosome 70S thành tiểu đơn vị lớn tiểu đơn vị nhỏ Khi tiểu đơn vị nhỏ gắn ba yếu tố khởi đầu, gắn tRNA khởi đầu mRNA Sự gắn hai RNA hoàn toàn độc lập với * Bước 1: Tiểu đơn vị nhỏ gắn vào codon khởi đầu Sự liên kết tiểu đơn vị nhỏ với mRNA thực thông qua bắt cặp base bổ sung vị trí gắn ribosome rRNA 16S Các mRNA vi khuẩn có trình tự nucleotide đặc hiệu gọi trình tự Shine-Dalgarno (SD) gồm 5-10 nucleotide trước codon khởi đầu Trình tự bổ sung với trình tự nucleotide gần đầu 3' rRNA 16S Tiểu đơn vị nhỏ đặt mRNA cho codon khởi đầu đặt vào vị trí P tiểu đơn vị lớn gắn vào phức hợp * Bước 2: tRNA có mang methionine biến đổi đến gắn trực tiếp với tiểu đơn vị nhỏ Một tRNA đặc biệt gọi tRNA khởi đầu đến gắn trực tiếp với vị trí P (khơng qua vị trí A) tRNA có anticodon (bộ ba đối mã) bắt cặp với AUG GUG Tuy nhiên tRNA không mang methionine valine mà mang dạng biến đổi methionine gọi N-formyl methionine tRNA khởi đầu gọi fMet-tRNAi fMet Trong sau trình tổng hợp polypeptide, gốc formyl loại bỏ enzyme deformylase Ngoài ra, aminopeptidase loại bỏ methionine hai amino acid đầu chuỗi polypeptide * Bước 3: Hình thành phức hợp khởi đầu 70S Bước gắn thêm tiểu đơn vị lớn để tạo thành phức hợp khởi đầu 70S diễn sau: codon khởi đầu fMet-tRNAi fMet bắt cặp với nhau, tiểu đơn vị nhỏ thay đổi hình dạng làm giải phóng IF3 Sự vắng mặt IF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vị nhỏ mang thành phần Nhờ có tiểu đơn vị lớn gắn vào, hoạt tính GTPase IF2-GTP kích thích để thủy phân GTP IF2-GDP tạo thành có lực thấp ribosome tRNA khởi đầu dẫn đến giải phóng IF2-GDP IF1 Như phức hợp khởi đầu cuối tạo thành bao gồm ribosome 70S gắn codon khởi đầu mRNA, với fMet-tRNAi fMet vị trí P, cịn vị trí A trống Phức hợp sẵn sàng tiếp nhận tRNA mang amino acid vào vị trí A để bắt đầu tổng hợp polypeptide IV.3.1.2 Ở Eukaryote * Bước 1: Sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S Giai đoạn khởi đầu đòi hỏi hỗ trợ 30 protein khác nhau, eukaryote có yếu tố khởi đầu tương ứng với prokaryote Các yếu tố khởi đầu ký hiệu eIF Khi ribosome eukaryote hồn thành chu trình dịch mã, tách rời thành tiểu đơn vị lớn tiểu đơn vị nhỏ tự thông qua tác động yếu tố eIF3 eIF1A (tương tự với IF3 prokaryote) Hai protein gắn GTP eIF2 eIF5B làm trung gian thu hút tRNA khởi đầu gắn methionine (chứ N-formyl methionine prokaryote) đến tiểu đơn vị nhỏ Chính yếu tố eIF5B-GTP tương đồng với IF2GTP prokaryote Yếu tố liên kết với tiểu đơn vị nhỏ theo phương thức phụ thuộc eIF1A Rồi eIF5B-GTP giúp thu hút phức hợp eIF2-GTP Met-tRNAi Met đến tiểu đơn vị nhỏ Hai protein gắn GTP đưa Met-tRNAi Met vào vùng thuộc vị trí P tiểu đơn vị nhỏ Kết quả, hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S *Bước 2: Sự nhận dạng mũ 5’ mRNA Quá trình thực thơng qua eIF4F Yếu tố có ba tiểu đơn vị, tiểu đơn vị gắn vào mũ 5', hai tiểu đơn vị khác gắn với RNA Phức hợp lại gắn với eIF4B làm hoạt hóa enzyme RNA helicase tiểu đơn vị eIF4F Helicase tháo xoắn tất cấu trúc bậc hai hình thành đầu tận mRNA Phức hợp eIF4F/B mRNA lại thu hút phức hợp tiền khởi đầu 43S đến thông qua tương tác eIF4F eIF3 * Bước 3: Tiểu đơn vị nhỏ tìm thấy codon khởi đầu cách qt xi dịng từ đầu 5' mRNA hình thành phức hợp khởi đầu 80S Một gắn vào đầu 5' mRNA, tiểu đơn vị nhỏ yếu tố liên kết với di chuyển dọc theo mRNA theo hướng 5' → 3' gặp trình tự 5'-AUG-3' mà nhận dạng codon khởi đầu Codon nhận dạng bắt cặp base bổ sung anticodon (bộ ba đối mã) tRNA khởi đầu codon khởi đầu Sự bắt cặp thúc đẩy phóng thích eIF2 eIF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vị nhỏ Sự gắn dẫn đến phóng thích yếu tố khởi đầu cịn lại thơng qua thủy phân GTP tác dụng eIF5B Cuối cùng, Met-tRNAi Met đưa vào vị trí P phức hợp khởi đầu 80S Lúc này, ribosome tư sẵn sàng tiếp nhận aminoacyltRNA vào vị trí A * Những yếu tố khởi đầu dịch mã giữ mRNA eukaryote dạng vịng Ngồi việc gắn vào đầu 5' mRNA, yếu tố khởi đầu liên kết chặt chẽ với đầu 3' thông qua đuôi poly(A) Điều thực tương tác eIF4F protein gắn poly(A) bọc bên ngồi poly(A) Việc tìm thấy yếu tố khởi đầu dịch mã có vai trị "vịng hóa" mRNA theo phương thức phụ thuộc poly(A) giải thích quan sát trước ribosome kết thúc dịch mã mRNA mà vịng hóa thơng qua poly(A) ribosome phóng thích ribosome lý tưởng để tái khởi đầu dịch mã mRNA IV.3.2 Giai đoạn kéo dài *Bước 1: Aminoacyl-tRNA đưa đến vị trí A nhờ yếu tố kéo dài EF-Tu Một tRNA gắn amino acid EF-Tu đến gắn vào đầu 3' aminoacyltRNA EF-Tu gắn với aminoacyl-tRNA liên kết với GTP EFTu-GTP đưa aminoacyl-tRNA vào vị trí A ribosome Chỉ phức hợp aminoacyltRNA-EF-TuGTP có anticodon bổ sung với codon mRNA vị trí A giữ lại ribosome Sau đó, EF-Tu tương tác với trung tâm gắn yếu tố ribosome nằm tiểu đơn vị lớn thủy phân GTP, EF-Tu phóng thích khỏi tRNA ribosome, để aminoacyl-tRNA nằm lại vị trí A * Bước 2: Hình thành cầu nối peptide Aminoacyl-tRNA vị trí A quay vào trung tâm peptidyl transferase cầu nối peptide hình thành Phản ứng xúc tác peptidyl transferase, ngày xác định rRNA, đặc biệt rRNA 23S tiểu đơn vị lớn Vì vậy, peptidyl transferase cịn gọi ribozyme Trong q trình hình thành cầu nối peptide, cầu nối amino acid tRNA vị trí A khơng bị phá vỡ Đầu 3' hai tRNA đưa đến gần nhóm amine amino acid vị trí A cơng nhóm carboxyl amino acid vị trí P Kết tRNA vị trí A mang dipeptide, tRNA vị trí P bị khử acyl Sau xảy chuyển dịch (xem bước 3): peptidyl-tRNA (đang mang dipeptide) chuyển sang vị trí P, vị trí A sẵn sàng tiếp nhận aminoacyl-tRNA Cầu nối peptide hình thành theo cách giống hệt trên, nhóm amine amino acid liên kết với nhóm carboxyl đầu C tận chuỗi polypeptide tổng hợp Thực chất, trình chuyển chuỗi polypeptide tổng hợp từ peptidyl-tRNA vị trí P sang aminoacyl-tRNA vị trí A Vì vậy, phản ứng tạo cầu nối peptide gọi phản ứng peptidyl transferase Như vậy, chuỗi polypeptide tổng hợp theo chiều từ đầu N đến đầu C Trong q trình này, khơng có thủy phân nucleoside triphosphate Năng lượng cung cấp từ phá vỡ cầu nối acyl giàu lượng chuỗi polypeptide tổng hợp tRNA * Bước 3: Sự chuyển dịch (translocation) Một phản ứng peptidyl transferase xảy tRNA vị trí P khơng gắn với amino acid nữa, chuỗi polypeptide hình thành liên kết với tRNA vị trí A Để vòng kéo dài polypeptide xảy ra, tRNA vị trí P phải chuyển đến vị trí E tRNA vị trí A chuyển đến vị trí P Đồng thời, mRNA phải di chuyển qua nucleotide để ribosome tiếp xúc với codon Những di chuyển gọi chuyển dịch Bước chuyển dịch song hành với phản ứng peptidyl transferase Khi chuỗi peptide chuyển sang tRNA vị trí A, đầu 3' tRNA hướng đến vùng vị trí P tiểu đơn vị lớn, đầu anticodon cịn nằm vị trí A Tương tự, tRNA vị trí P (mà khơng cịn gắn chuỗi polypeptide nữa) nằm vị trí E tiểu đơn vị lớn vị trí P tiểu đơn vị nhỏ Để hoàn thành chuyển dịch phải có tác động yếu tố kéo dài gọi EF-G EF-G gắn vào ribosome liên kết với GTP Sau phản ứng peptidyl transferase xảy ra, thay đổi vị trí tRNA vị trí A để lộ vị trí gắn cho EF-G Khi EF-G-GTP gắn vào vị trí này, tiếp xúc với trung tâm gắn yếu tố kích thích thủy phân GTP Sự thủy phân làm thay đổi hình dạng EF-G-GDP cho phép với tới tiểu đơn vị nhỏ để thúc đẩy chuyển dịch tRNA vị trí A Khi chuyển dịch hoàn thành, cấu trúc ribosome giảm đáng kể lực với EF-G-GDP, điều cho phép yếu tố kéo dài phóng thích khỏi ribosome Cùng với việc tRNA vị trí A chuyển đến vị trí P, tRNA vị trí P chuyển đến vị trí E mRNA dịch chuyển ba nucleotide Từ vị trí E, tRNA phóng thích khỏi ribosome (Hình 11) * Các yếu tố kéo dài có gắn GDP (EF-Tu-GDP EF-G-GDP) đổi GDP thành GTP trước tham gia vào vòng kéo dài EF-Tu EF-G protein xúc tác mà sử dụng lần vòng kéo dài bao gồm đưa tRNA vào ribosome, hình thành cầu nối peptide, chuyển dịch Sau GTP thủy phân, hai protein phải giải phóng GDP gắn với GTP Đối với EF-G, GDP có lực thấp với EF-G GTP nên GDP nhanh chóng giải phóng GTP gắn vào Đối với EF-Tu, cần có tham gia yếu tố hoán đổi GTP gọi EF-Ts Sau EF-Tu-GDP phóng thích khỏi ribosome, EF-Ts gắn vào EF-Tu chỗ GDP Sau GTP đến gắn vào phức hợp EF-Tu-EF-Ts Phức hợp sau tách thành EF-Ts tự EF-Tu-GTP IV.3.3 Giai đoạn kết thúc IV.3.3.1 Các yếu tố giải phóng kết thúc dịch mã Chu kỳ gắn aminoacyl-tRNA ribosome, hình thành cầu nối peptide, chuyển dịch xảy liên tục ba codon kết thúc vào vị trí A Các codon nhận diện yếu tố giải phóng (RF: release factor) (Hình 12) Có hai loại yếu tố giải phóng: - Các yếu tố giải phóng loại I nhận diện codon kết thúc thúc đẩy thủy phân để tách chuỗi polypeptide khỏi peptidyl-tRNA vị trí P Prokaryote có hai yếu tố giải phóng loại I RF1 RF2, RF1 nhận diện codon kết thúc UAG RF2 nhận diện UGA, UAA nhận diện RF1 RF2 Eukaryote có yếu tố giải phóng gọi eRF1 nhận diện ba loại codon kết thúc - Các yếu tố giải phóng loại II kích thích tách yếu tố giải phóng loại I khỏi ribosome sau chuỗi polypeptide giải phóng Chỉ có yếu tố giải phóng loại II, gọi RF3 prokaryote eRF3 eukaryote Yếu tố giải phóng loại II điều hịa GTP PHẦN KẾT LUẬN Trong thể sống, khơng có q trình hóa học lại khơng có liên quan mật thiết đến trình sinh học enzyme xúc tác Có thể nói sống gắn liền với enzyme Ngồi nhóm nhỏ phân tử RNA có hoạt tính xúc tác, enzyme có chất protein, chúng bảo đảm cho trình chuyển hóa chất thể sống tiến hành với tốc độ nhịp nhàng, cân đối, theo chiều hướng xác định Vơ số enzyme có sẵn cho nhà khoa học việc lan truyền, phân cắt, sửa đổi axit nucleic Sự hiểu biết tốt hoạt động enzyme sử dụng phương thức cụ thể, chắn giúp lựa chọn nguồn thích hợp hoạt động enzym cần thiết cho mục đích cụ thể xác định điều kiện phản ứng tối ưu Các nghiên cứu enzyme thu hút quan tâm cán hoá sinh học, sinh học thực nghiệm nhiều nhà nghiên cứu lĩnh vực liên quan khác Các nghiên cứu nhằm theo hướng tách, tinh enzyme, tạo chế phẩm có độ khác nhau, nghiên cứu cấu trúc, mối liên quan cấu trúc hoạt tính sinh học enzyme, khả ứng dụng enzyme thực tế Ngày nay, nhiều nghiên cứu công nghệ enzyme tiến hành nhiều tác sử dụng phủ tạng lò mổ để sản xuất pancrease, pepsin, trypsin sử dụng mầm mạ để sản xuất amylase Đã có thử nghiệm công nghệ sản xuất amino acid từ nhộng tằm protease, bột protein thịt bromelain từ đọt dứa, lên men rượu enzyme cốđịnh cột Cũng có nghiên cứu sử dụng peroxydase, cyt-P450trong chế tạo biosensor thuốc phát chất độc Trong lĩnh vực y dược, việc nghiên cứu sâu chế tác dụng số enzyme nhằm mục đích kiến tạo nên số thuốc dùng điều trị số bệnh đặc biệt tạo số chế phẩm thuốc chống suy dinh dưỡng trẻ em, đồng thời tiến hành sản xuất đại trà Đây đóng góp thiết thực kịp thời việc phòng chống suy dinh dưỡng nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bá Lộc (2002), “Bài giảng sinh học phân tử (dành cho học viên cao học)”, Đại học sư phạm Huế Nguyễn Hoàng Lộc cs, “Giáo trình sinh học phân tử”, Nhà xuất Đại học Huế Hoàng Ngọc Phán Đỗ Quý Hai (2008), “Giáo trình nucleid acid”, Nhà xuất Đại học Huế Chu Hoàng Mậu, “Cơ sở phương pháp sinh học phân tử”, Đại học sư phạm Thái Nguyên Laure Rittié, Bernard Perbal (2008) , “Enzymes used in molecular biology: a useful guide”, J Cell Commun Signal, 2(1-2), pp 25–45 Tài liệu mạng: Link nguồn: http://123doc.org/document/3332-enzyme-la-chat-xuc-tac-sinh-hoc-co-thanh-phan-coban-la-protein.htm 2.http://www.zsinhhoc.com/2013/01/qua-trinh-dich-ma-tong-hop-protein.html 3.http://123doc.org/document/2857784-tieu-luan-mon-sinh-hoc-phan-tu-hocthuyet-trung-tam.htm?page=4 4.http://www.affymetrix.com/estore/browse/level_three_category_and_product s.jsp?parent=35800&category=35800 http://www.slideshare.net/chuvantaicvt/giao-trinh-enzyme-7662