Bài giảng Sinh hóa học - Chương 4: Sự biến dưỡng protein và amino acid

Nội dung text: Bài giảng Sinh hóa học - Chương 4: Sự biến dưỡng protein và amino acid

1. 4. SINH TỔNG HỢP PROTEIN  a e DNA e ơ a DNA Pre-mRNA  e a ơ a Pre-mRNA - e eae e snRNA  mRNA e ơ a eea rRNA ee tRNA PROTEIN (1)Sao chép TTDT từ DNA bố mẹ sang DNA con; (1) (2)Chuyển đổi mã di truyền từ DNA sang RNA – qúa trình phiên mã (transcription); (2) (2’) (1’) (3) Dịch mã di truyền (translation) : TTDT từ mRNA được chuyển sang trình tự sắp xếp đặc hiệu của (3) amino acid trong phân tử protein. (1*) Một số vi sinh vật TTDT được bảo tồn trong RNA -> RNA tự tái bản (2*) Sự sao chép ngược : RNA -> DNA -> mRNA H4.18 : Lý thuyết trung tâm của sinh học phân tử 11
2. SINH TỔNG HỢP PROTEIN Các hiểu biết trên đây chính là nền tảng cho sự ra đời và phát triển của công nghệ DNA tái tổ hợp 4.1 CÁC YẾU TỐ THAM GIA - DNA – hiện là nền tảng cho sự ra đời và phát triển - CÁC RNA như vũ bão của ngành Công nghệ sinh học hiện - RIBOSOME - NĂNG LƯỢNG (ATP & GTP) đại. - CÁC AMINO ACID 4.2. TIẾN TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN - TÁI BẢN DNA - SAO CHÉP MẬT MÃT - GIẢI MÃ DI TRUYỀN Ở RIBOSOME 46 4.1. CÁC YẾU TỐ THAM GIA U T O DNA a ee – Cấu trúc xoắn kép của DNA. →→→ a →→→ – Tính chất của DNA. e e – Vai trò - Bảng mã di truyền. e e – Chromosome 12
3. TÍNH CH T QUAN TR NG C A DNA
   e →→→ a
   a ơ e a →→→ a a e e →→→ a  CH C N NG C A DNA BẢNG MÃ DI TRUYỀN
   a a →→→ ee →→→ ơ a →→→ a
   a eee a ae →→→  e  a  a 13
4. 
   Messenger RNA (m.RNA) : được sao chép từ sợi template của DNA theo nguyên tắc bắt cặp bổ sung ->
   CÁC RNA mang TTDT đến ribosome Messenger RNA (m.RNA)
   Transfer RNA (t.RNA) : Transfer RNA (t.RNA) - Đầu 3’ liên kết với amino acid để vận chuyển Ribosomal RNA (r.RNA) :Kết hợp với - DHU (dihydrouracil) loop : nhận biết enzyme protein -> ribosome (ribonucleoprotein) - Tϕϕϕ C (thymine pseudouridine cytidine) loop : nhận biết ribosome đang hoạt động (ϕϕϕ = 5-ribosyl uridilic acid – uridilic acid giả) - ANTICODON loop : tìm codon mã hóa AA mRNA
   Ribosomal RNA (r.RNA) : kết hợp với protein để hình thành ribosome.
   RIBOSOME : - Prokaryote : 70S -> 50 S + 30 S (S = Svedberg) 50S (2 rRNA + 34 r-protein) 30S (1 rRNA + 21 r-protein) - Eukaryote : 80S -> 60 S + 40 S 60S (3 rRNA + 45 r-protein) 40S (1 rRNA + 33 r-protein)
   NĂNG LƯỢNG : ATP, GTP t.RNA
   Các amino acid 14
5. P site A site 60S (50S) -> 5’ 3’ mRNA 40S (30S) -> Hình 4.21 : Ribosome - R60S (R50S) : Aminoacyl site (A site) : tiếp nhận amino acid Peptidyl site (P site) : chứa chuỗi peptide - R40S (R30S) : gắn với mRNA RIBOSOME (1). DNA REPLICATION 5.2. TIẾN TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN Sao chép TTDT từ DNA bố mẹ sang DNA con -> bảo tồn nguyên vẹn TTDT khi tế bào phân chia
   TÁI BẢN DNA (DNA replication )
   Nguyên tắc : sợi template được đọc từ 3' -> 5',
   S TRUY N MÃ T DNA SANG mRNA • sợi DNA được tổng hợp từ 5‘ -> 3' (transcription)
   Các đặc tính
   GIẢI MÃ DI TRUYỀN (translation - ti n trình - Bán bảo thủ (một sợi mới bổ sung với sợi cũ), tng hp protein ribosome) - Bắt cặp theo nguyên tắc bổ sung (A -> T, G -> C) - Các nucleotide được thêm vào luôn luôn theo hướng 5’ -> 3’ - Vùng NST tái bản gọi là replicon 15
6. 
   Các yếu tố cần thiết (bảng 4.7-t.117)  RNA primer (10-20 nucleotides)  Enzyme helicase để tháo xoắn.  Protein SSB (single strand DNA binding) : ngăn cản tái bắt cặp và ngăn cản sợi đơn tự xếp lại.  DNA polymerase III : tổng hợp DNA trên mồi.  DNA polymerase I : thủy giải mồi và thay thế chúng bởi DNA.  Các ligase để nối các đoạn DNA.  Các deoxyribonucleoside triphosphate (dATP, Các yếu tố thực hiện qúa trình tái bản dTTP, dCTP vàdGTP) (1) (4) (2) (3) (6) (7) (5) Sự tái bản 2 sợi DNA Sự tái bản DNA ở eukaryote 64 theo mô hình của Kornberg (1988) 16
7. (2). TRANSCRIPTION Chuyển đổi mã di truyền từ DNA sang RNA (qúa trình phiên )
   Đặc tính : Template DNA được đọc từ 3’-> 5', m RNA được tổng hợp từ 5’ -> 3' - Sao chép theo nguyên tắc bổ sung các gốc ba Base trên DNA sense : T A C G Base DNA template : A T G C Base trên mRNA : U A C G - Các yếu tố cần thiết : . các nucleotide triphosphate : UTP, ATP, GTP,ø CTP . ARN polymerase. Sao chép theo nguyên tắc bổ sung các gốc base
   Ở prokaryote : sự sao chép tiến hành song song với sự dịch mã. Cùng lúc sao chép một nhóm gene liên quan -> tạo thành poly-cistronic mRNA -> tổng hợp cùng lúc nhiều hơn một protein Hình 4.19 : Sao chép và dịch MMTTDT (t.118) 17
8. 
   Ở eukaryote : Gene gồm các vùng exons (mã hóa) và các vùng introns (không mã hóa) xen kẽ nhau. • sao chép ở nhân trước, dịch mật mã ở ribosome sau. Chỉ có monocistronic mRNA -> chỉ tổng hợp một protein • B1 : sao chép tất cả exons và introns -> pre-mRNA • B2 : RNA processing :  thêm mũ 7 methyl G ở đầu 5’  đuôi poly A ở đầu 3’,  Splicing : loại bỏ introns nối các exons -> mature m-RNA (3). SỰ DỊCH MẬT MÃ THÔNG TIN DI TRUYỀN (Translation- QÚA TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN) Các yếu tố tham gia :  Messenger RNA (mRNA)  Transfer RNA (tRNA)  Ribosomes (complexes of protein and ribosomal RNA [rRNA])  Amino acids Eukaryote monocistronic- mRNA  Năng lượng (ATP và GTP) 18
9. Ba ûng 4.10 : Ca ùc ye áu to á protein hoa ø tan trong sinh to ång hơ ïp protein ở E. coli Yếu tố PTT (kD) Chức năng Qúa trình dịch mật mã trải qua 4 giai đoạn: Các yếu tố mở đầu (Initiation factors) IF -1 9 Trợ giúp cho sự kết hợp 2 tiểu đơn vị ribosome - GĐ 1: tRNA charging : gắn AA vào tRNA IF -2 97 Gắùn t.RNA mở đầu và GTP codon kh i dn IF -3 22 Gắùn tiểu đơn vị 30S vào m.RNA tại codon mở đầu - GĐ 2: Initiation : thành lập tổ hợp mRNA, Các yếu tố nối dài chuỗi polypeptide (Elongation factor) ribosomes và aminoacyl- tRNA. EF -Tu 43 Liên kết với aminoacyl-t.RNA và GTP EF -Ts 74 Tách GDP từ EF -Tu - GĐ 3: Elongation : đọc mã (codon) và dịch sang EF -G 77 Xúc tiến sự chuyển vị của ribosome chuỗi peptide có trật tự aminoacid tương ứng. Các yếu tố phóng thích (Releasing factor) - GĐ 4: Termination : chấm dứt tổng hợp protein) RF -1 36 Ghi nhận codon chấm dứt UAA và UAG RF -2 38 Ghi nhận codon chấm dứt UAA và UGA RF -3 46 Kích thích sự liên kết RF –1 và RF -2
   GĐ 1 : gắn amino acid với tRNAs đặc hiệu
   Bước hoạt hóa : Aminoacyl synthetase R–CH–COOH + ATP R–CH–CO ∼∼∼ AMP -H P O  enzyme (aminoacyl synthetase) nhận diện cả 4 2 7 NH 2 NH 2 amino acid và tRNA Amino acid Aminoacyl adenylate  Phản ứng có tính đặc hiệu cao t RNA  Tiêu tốn năng lượng (ATP) AMP AA
   Bước gắn amino acid vào tRNA -> tRNA- aminoacyl Anticodon 3 – 2 - 1 Codon 1 – 2 - 3 19
10. GĐ 2 : Initiation –KHỞI DẪN (H.4.22,t.125)  Codon khởi dẫn AUG (mã hóa Met) . Ơû prokaryote -> f Met -tRNA . Xác định khung đọc mật mã từ AUG  aa IF3)  B1 : R30S gắn với IF1 & IF3 -> tách R50S  B2 : mRNA gắn vào R30S nhờ IF3  fMet-tRNA liên kết vào codon khởi dẫn nhờ phức hợp IF2-GTP.  B3 : GTP -> GDP + Pi cung cấp năng lượng R50S + R30S -> R70S hoạt động . Các IF rời khỏi Khởi dẫn tổng hợp protein ribosome. f Met-tRNA ở P site, A site trống. GĐ 3 : Elongation (hình 4.23, T127)  Cần năng lượng (GTP)  Elongation factor (EF-Tu, EF-Ts & EF-G)  B1 : Binding – phức hợp AMINOACYL-tRNA nhờ phức hợp (EF-Tu.GTP) sẽ gắn vào codon trống ở A site do sự tương tác bổ sung ANTICODON – CODON.  B2 : Transpeptidation : chuỗi peptide ở P site chuyển sang A site, tạo liên kết peptide mới nhờ peptidyl - synthetase xúc tác, sử dụng NL từ bước 1 còn dư.  B3 :Translocation : GTPcung cấp NL, ribosome dịch chuyển 1 codon theo hướng 5’->3’ -> đọc mật mã kế tiếp. Chuỗi polypeptide sang P site. tRNA rời khỏi ribosome. A site có codon trống. Chu kỳ mới tiếp tục. Bước đầu tiên trong giai đoạn dịch MMTTDT 20
11. GĐ 4 : Termination (hình 4.24, t.128)  Sự dịch mã chấm dứt khi xuất hiện codon vô nghĩa ở A site (stop codons : UAA, UAG , UGA)  Cần năng lượng (GTP)  Các yếu tố phóng thích (releasing factor - RF 1, RF2 & RF3  B1 :Phức hợp RF3.GTP + RF1(RF2) liên kết vào A site và RF1 gắn với codon UAA .  B2 : Polypeptide được phóng thích vào tế bào chất  B3 : GTP -> GDP + Pi -> cung cấp năng lượng -> Hình 4.28 : Tiếp tục nối dài mạch peptide ribosome trượt hết mRNA và trở thành bất hoạt - Polypeptide mới được phóng thích sẽ được cắt bỏ phân tử fMet (nếu phân tử này không phải là amino acid cấu trúc). - Cơ chế hình thành cấu trúc bậc II, bậc IIIvà bậc IV đặc trưng cho từng loại phân tử protein hiện chưa được giải thích đầy đủ. Người ta cho rằng các dạng cấu trúc này đã được tiên quyết bởi cấu trúc bậc nhất (bởi trật tự sắp xếp của amino acid trong polypeptide) Chấm dứt tổng hợp polypeptide 21
12. 5. KIỂM SOÁT BIỂU HIỆN GENE 5.1 KIỂM SOÁT BIỂU HIỆN GENE Ở PROKARYOTES
    Lactose operon của E.coli (Lac operon ) (H 4.25)  Gene I (không thu c t/p lac operon) : mã hóa protein c ch . Khi chất ức chế liên kết với operator -> rào cản của sự sao chép -> tạo nên sự kiểm soát ngược.  Vùng kiểm soát :CAP (catabolite gene activator protein) binding site; lac promoter và operator.  Vùng gene cấu trúc (cistrons) : Z, Y và A.  Gene hoạt động sao chép khi có chất cảm ứng Hoạt động của polyribosome allolactose (H 4.33). Cistrons Hình 4.25 : Lac operon H 4.26 : Hoạt động “đóng” và “mở” của lac.operon 22
13. H 4.26 : Hoạt động “đóng” và “mở” của lac.operon ee “mở” aae 5.2 KIỂM SOÁT BIỂU HIỆN GENE Ở Điều hòa biểu hiện gene là cơ sở của sự phát triển EUKARYOTES sinh học và tạo ra tính đa hình của tế bào trong các Ng/tắc kìm hãm và cảm ứng điều hòa ở prokaryotes tổ chức khác nhau. được áp dụng cho eukaryotes. Ở eukaryotes có một số đặc điểm :
    a ee eae a  Các gene không tổ chức thành operon, mà các gene a họ hàng tổ chức thành gia đình .  a  Có các exons (vùng mã hóa) xen kẽ introns (vùng  a a không mã hóa  a  Histone liên kết với gene -> điều hòa hoạt động gene  ea ở giai đoạn phân chia tế bào.  DNA eukaryotes chứa nhiều đoạn lặp lại vô nghĩa. 23
14. 
    a Hình 4.27 : Cấu trúc gene eukaryotic cell - Vùng điều hòa : enhancer (chứa các trình tự nhận biết chuyên biệt của các yếu tố điều hòa); promoter (chứa các trình tự nhận biết gián tiếp RNA polymerase, như TATA box, GC box- vùng Các yếu tố tham gia điều hòa khởi dẫn sao chép giàu A và T, hoặc giàu C và G). - Vùng mã hóa: gồm các exon và các intron xen kẽ nhau.
    Kiểm soát biểu hiện gene trong và sau dịch mã
    Kiểm soát biểu hiện gene sau sao chép :  Các yếu tố kéo dài (EF-Tu, EF-Ts, EF-G) : đó là  Gắn mũ 7 methyl GMP ở đầu 5’; các protein chuyên biệt thuộc họ protein G (chỉ  Thêm poly A ở đầu 3’ : giúp mRNA ra khỏi nhân và hoạt động khi liên kết với GTP thay vì ATP, chúng bảo vệ mRNA trong qúa trình dịch mã. cũng có hoạt lực GTPase, thủy giải GTP  RNA splicing : các introns được “cắt bỏ” và các ->cung cấp năng lượng cho quá trình dịch mã, tổng exons được “ráp nối” . hợp protein. Thí dụ điển hình là sự kiểm soát tổng  Tế bào “cắt-ráp” theo nhiều cách -> tạo nên nhiều hợp hemoglobin bởi nhóm heme trong hồng cầu phân tử mRNA khác nhau từ cùng một bản sao lưới (hình 4.39). mRNA sơ cấp -> có thể có hai hay nhiều kiểu polypeptide từ một gene duy nhất. 24
15.  Biên tập lại polypeptide sau khi tổng hợp : thí dụ về sự tổng hợp peptide insulin (H 4.40) : phân tử proinsulin gồm 86 amino acid. Qúa trình biên tập cắt đoạn peptide từ amino acid 31 -> 65 (35 amino acid). Insulin gồm : chuỗi A : amino acid 66 -> 86 (21 amino acid) chuỗi B : amino acid 1 -> 30 (30 amino acid). Hình 4.29 : Heme kiểm soát tổng hợp globin ở hồng cầu lưới Một số chất ức chế các tiến trình ở ribosome Chất ức chế Tác động sinh học Chloramphenicol Ức chế peptidyl transferase trên tiểu đơn vị 50S ribosome prokaryotic Cycloheximide Ức chế peptidyl transferase trên tiểu đơn vị 60S ribosome eukaryotic Erythromycin Ức chế sự chuyển dịch của tiểu đơn vị 50S ribosome prokaryotic Fusidic acid Ức chế tiến trình nối dài chuỗi peptide của prokaryotic bằng cách ngăn ngừa sự kết hợp EF-G.GDP vào tiểu đơn vị 50S ribosome Puromycin Cấu trúc tương tự như aminoacyl-t.RNA gây ra sự chấm dứt tổng hợp protein sớm ở prokaryotic và eukaryotic Streptomycin Gây ra sự nhầm lẫn trong việc giải mã di truyền của m.RNA và ức chế tiến trình mở đầu tổng hợp protein prokaryotic Tetracycline Ức chế sự liên kết aminoacyl-t.RNA vào tiểu đơn vị 30S ribosome prokaryotic a b Diphtheria toxin Tác động làm bất hoạt yếu tố eEF-2 bởi sự phosphoryl hoá –ADP Hình 4.30 : Proinsulin (a) và insulin (b) Ricin / abrin Protein thực vật có độc tính tác động làm bất hoạt tiểu đơn vị 60S ribosome eukaryotic 25
16. TNG H P HEMOGLOBIN 7. SỰ CHUYỂN HÓA CỦA CÁC PROTEIN PHỨC TẠP
    NHÓM CHROMOPROTEIN - Sự tổng hợp heme và hemoglobin - Sự thoái hóa của hemoglobin -> sắc tố mật
    NHÓM NUCLEOPROTEIN - Sự tổng hợp gốc kiềm purine và pyrimidine Myoglobin - Sự thoái biến gốc kiềm purine và pyrimidine Cytochrome Hemoglobin
    GAN BILIRUBIN + 1 (2) GLUCURONIC A HEMOGLOBIN (đỏ) BILIRUBIN K T H P HỒNG CẦU CHẾT o a a (LÁCH, GAN) Verdo hemoglobin (xanh) Globin A A t/t chuyn hĩa
    RU T Sắt (d tr! " gan và tái s& d'ng )  e e BILIVERDIN  e a a NADPH + H + NADP + e e BILIRUBIN TỰ DO (sc t mt) khơng hịa tan, đc, a a 26
17. BI N D ƯNG NUCLEOPROTEIN • NH 3 + GLUTAMATE SỰ THOÁI BIẾN BASE PURINE  a NH OH 2 N N N N Guanine Adenine H N N NH 2 N NH  a a a aa a H2O H2O NH NH 3 3 aae →→→ ae →→→ a a OH OH N N H O e →→→ a N 2 N HO  a e a ae a N NH N NH a Hypoxanthine Xanthine + H O 2  a O OH N N ea HN N O OH O HO  ng i nu m ae NH NH N NH Uric acid (dạng ketone) Uric acid (dạng enol) a 27
18. 8. RỐI LOẠN BIẾN DƯỠNG PROTEIN e 2) Sự thay đổi hàm lượng protein toàn phần huyết thanh. 3) Sự thay đổi hàm lượng và tỷ lệ giữa các tiểu phần protein huyết thanh (albumin, ααα, βββ, γγγ - globulin). 4) Rối loạn sinh tổng hợp protein : do đột biến NST (thay đổi số lượng hoặc thay đổi cấu trúc) và đột biến gene (đột biến điểm). 28