Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 5: Quá trình sinh tổng hợp Protein - Nguyễn Hữu Trí

Nội dung text: Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 5: Quá trình sinh tổng hợp Protein - Nguyễn Hữu Trí

1. 24/03/2016 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-tRNA • Amino acid phải tạo được cầu nối đồng hóa trị với tRNA • Quá trình nối tRNA với amino acid được gọi là nạp tRNA (tRNA 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 khởi đầu dịch mã xảy ra. 24/03/2016 3:03:44 SA 21 Nguyễn Hữu Trí Nạp tRNA • Tất cả tRNA có cùng 3 base tại đầu cuối 3’- (CCA) Vị trí gắn • Đầu cuối adenosine là điểm nạp của amino acid Amino acid 3 A • Amino acid được gắn bởi cầu nối ester giữa C C – Nhóm carboxyl của amino acid A 5 C G G C – Nhóm 2’-OH hoặc 3’-OH của đầu cuối adenosine của C G tRNA U G U A A U U C A U G * C A C A G UA A * G * C U C * C G U G U C G A G G C* * * U * A G G * G AG C Liên kết G C U A Hydro * G A A* C * U A A G Anticodon 24/03/2016 3:03:44 SA 22 Nguyễn Hữu Trí 11
2. 24/03/2016 Nạp tRNA • Các Aminoacyl-tRNA synthetase gắn các amino acid vào các tRNA 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 AMP có nguồn gốc từ ATP – Bước thứ hai, năng lượng từ aminoacyl-AMP được sử dụng để chuyển amino acid tới tRNA 24/03/2016 3:03:44 SA 23 Nguyễn Hữu Trí Nạp tRNA Amino acid 1. Vị trí hoạt động của enzyme P P P Adenosine Aminoacyl-tRNA synthetase (enzyme) ATP aminoacyl-tRNA synthetase 1 được gắn với amino acid và ATP. P Adenosine P Pi 2. ATP mất hai nhóm P và nối Pyrophosphate Pi với amino acid ở dạng AMP. Pi 2 3. tRNA thích hợp kết hợp với Phosphate tRNA enzyme và hình thành cầu nối đồng hóa trị với amino acid, 3 P Adenosine thay thế AMP. AMP 4. Amino acid được hoạt hóa được phóng thích khỏi enzyme. 4 Aminoacyl tRNA: Một amino acid được “nạp”) 24/03/2016 3:03:44 SA 24 Nguyễn Hữu Trí 12
3. 24/03/2016 Sự sửa sai 24/03/2016 3:03:44 SA 25 Nguyễn Hữu Trí Ribosome Là một thành phần nằm trong tế bào chất tham gia vào quá trình dịch mã (translation), tổng hợp chuỗi polypeptide. 24/03/2016 3:03:44 SA 26 Nguyễn Hữu Trí 13
4. 24/03/2016 Ribosome • Ribosome có ba vị trí gắn cho tRNA – Vị trí P Vị trí P (Peptidyl-tRNA binding site) – Vị trí A Vị trí A (Aminoacyl- tRNA binding site) Vị trí E (Exit site) – Vị trí E Tiểu đơn vị lớn E P A Vị trí gắn mRNA Tiểu đơn vị nhỏ Mô hình cho thấy các vị trí gắn của Ribosome. 24/03/2016 3:03:44 SA 27 Nguyễn Hữu Trí Ribosome 24/03/2016 3:03:44 SA 28 Nguyễn Hữu Trí 14
5. 24/03/2016 Codon và aminoacyl-tRNA đầu tiên Codon khởi đầu ở Prokaryote là: Thông thường là AUG Có thể là GUG Đôi khi là UUG Khi dipeptide được hình thành, α−NH2 của Met mở đầu có thể tác kích vào nhóm −C=O của gốc aa thứ hai. Quá trình này không xảy ra nếu α−NH2 của Met khởi đầu được formyl hóa thành −NH−CHO. 24/03/2016 3:03:44 SA 29 Nguyễn Hữu Trí Codon và aminoacyl-tRNA đầu tiên Aminoacyl-tRNA khởi đầu là N-formyl-methionyl-tRNA N-formyl-methionine (fMet) là amino acid đầu tiên của chuỗi polypeptide được tổng hợp Amino acid này sau đó được tách khỏi phân tử protein trong suốt quá trình trưởng thành 24/03/2016 3:03:44 SA 30 Nguyễn Hữu Trí 15
6. 24/03/2016 Sự phân tách của Ribosome • Các 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 ribosome hoàn chỉnh. 24/03/2016 3:03:44 SA 31 Nguyễn Hữu Trí 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: – mRNA – fMet-tRNA – GTP – Yếu tố IF1, IF2, IF3 24/03/2016 3:03:44 SA 32 Nguyễn Hữu Trí 16
7. 24/03/2016 Gắn mRNA vào tiểu phần 30S • Phức hợp 30S khởi đầu dịch mã được hình thành từ một tiểu phần ribosome 30S tự do cộng thêm mRNA và fMet-tRNA • Việc gắn giữa tiểu phần ribosome 30S ở prokaryote vào vị trí khởi đầu dịch mã (initiation site) của mRNA phụ thuộc vào sự bắt cặp bổ sung giữa: – Một trình tự ngắn Shine-Dalgarno của mRNA nằm ở upstream của codon khởi đầu. – Trình tự bổ sung ở đầu cuối 3’ của 16S RNA 24/03/2016 3:03:44 SA 33 Nguyễn Hữu Trí Ở vi khuẩn, tiểu đơn vị nhỏ gắn với mRNA tại trình tự Shine- Dalgarno (RBS = ribosome binding site) ở upstream của codon AUG khởi đầu. 24/03/2016 3:03:44 SA 34 Nguyễn Hữu Trí 17
8. 24/03/2016 Initiation Factor và tiểu phần 30S • Liên kết giữa trình tự Shine-Dalgarno trên mRNAvới trình tự bổ sung của 16S rRNA được hoạt hóa bởi IF3 – Trợ giúp bởi IF1 và IF2 – Lúc này cả 3 initiation factor đều liên kết với tiểu phần 30S 24/03/2016 3:03:44 SA 35 Nguyễn Hữu Trí Gắn fMet-tRNA vào phức hợp 30S khởi đầu • IF2 là nhân tố chính xúc tác cho việc gắn của fMet-tRNA 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. • GTP cần thiết cho việc gắn của IF2. GTP không bị thủy phân ở bước này. 24/03/2016 3:03:44 SA 36 Nguyễn Hữu Trí 18
9. 24/03/2016 Phức hợp 70S khởi đầu dịch mã • GTP 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). • Mục đích của sự thủy phân là tách IF2 và GTP khỏi complex giúp quá trình kéo dài chuỗi polypeptide có thể được bắt đầu. 24/03/2016 3:03:44 SA 37 Nguyễn Hữu Trí Khởi đầu dịch mã 1. IF1 tác động làm tách ribosome 70S thành 50S và 30S. 2. Gắn IF1, IF3 vào 30S, ngăn cản sự tái hình thành ribosome hoàn chỉnh. 3. IF3 xúc tác cho việc gắn tiểu phần 30S vào mRNA 24/03/2016 3:03:44 SA 38 Nguyễn Hữu Trí 19
10. 24/03/2016 Khởi đầu dịch mã 4. IF2 xúc tác cho việc gắn fMet-tRNA và GTP vào phức hợp. Khi fMet-tRNA gắn vào mRNA, phức hợp 30S khởi đầu dịch mã được hình thành. 5. Việc gắn vào của 50S cùng với việc tách ra của IF1 và IF3. IF2 tách ra và thủy phân GTP. 6. Hoàn thành phức hợp 70S khởi đầu dịch mã. Lúc này fMet-tRNA nằm ở vị trí P. 24/03/2016 3:03:44 SA 39 Nguyễn Hữu Trí Sự kéo dài chuỗi Polypeptide Sự kéo dài bắt đầu khi ribosome mang fMet-tRNA ở vị trí P site và aminoacyl-tRNA ở vị trí A. Sự kéo dài gồm 3 bước. 24/03/2016 3:03:44 SA 40 Nguyễn Hữu Trí 20
11. 24/03/2016 Các protein factor và hình thành liên kết peptide • Factor thứ nhất T (transfer). – Vận chuyển aminoacyl-tRNAs tới ribosome – Có 2 protein khác nhau • Tu, không bền (unstable) • Ts, bền (stable) • Factor thứ hai, G, có hoạt tính GTPase. • Factor EF-Tu và EF-Ts tham gia vào bước đầu tiên của quá trình kéo dài. • Factor EF-G tham gia vào bước thứ ba. 18-41 Sự kéo dài chuỗi Polypeptide 1. EF-Tu/GTP kết hợp aminoacyl-tRNA gắn vào vị trí A trên ribosome. 2. Peptidyl transferase tạo một liên kết peptide giữa peptide trên vị trí P và aminoacyl-tRNA mới đến ở vị trí A. Kéo dài chuỗi peptide thêm một amino acid và dịch chuyển nó sang vị trí A. 24/03/2016 3:03:44 SA 42 Nguyễn Hữu Trí 21
12. 24/03/2016 Sự kéo dài chuỗi Polypeptide 3. EF-G/GTP sử dụng hoạt tính GTPase thủy phân GTP và chuyển vị trí của peptidyl-tRNA với mRNA codon tương ứng sang vị trí P. 24/03/2016 3:03:44 SA 43 Nguyễn Hữu Trí Cơ chế kéo dài 44 22
13. 24/03/2016 Cơ chế sửa sai 1. Dựa vào việc bắt cặp Codon – Anticodon: Khi quá trình bắt cặp đúng xảy ra, hai cầu nối hình thành giữa 16S rRNA và anticodon. Khi bắt cặp sai của tRNA và codon, sẽ thiếu sự thêm vào hai cầu nối này nên quá trình phân ly dễ dàng xảy ra hơn. 2. Sự định vị của aa – tRNA trong vị trí A bởi EF-Tu/GTP: Nếu bắt cặp đúng thì vị trí của EF-Tu/GTP nằm tại Factor binding center (FBC) vì vậy GTP có thể bị thủy phân và EF-Tu tách khỏi aminoacyl-tRNA. Nếu bắt cặp sai, FE-Tu/GTP tạo phức hợp với aa-tRNA sẽ không tiếp xúc với FBC theo đúng cách. GTP không được thủy phân và EF-Tu/GTP/ aa-tRNA bị đẩy ra. 3. Sự thích nghi: Nếu bắt cặp đúng sẽ giúp cho tRNA ở vị trí A dễ dàng hình thành liên kết peptide giữa aa và chuỗi polypeptide đang hình thành. Nếu tRNA ở vị trí A sai thí nó sẽ bị đẩy ra khỏi ribosome. 24/03/2016 3:03:44 SA 45 Nguyễn Hữu Trí 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 UAA và UAG – RF2 nhận stop codon UAA và UGA – RF3 là một GTP-binding protein hỗ trợ RF1 và RF2 bám vào ribosome 46 23
14. 24/03/2016 Sự kết thúc quá trình dịch mã • Bước cuối cùng của dịch mã là sự kết thúc khi ribosome đi tới stop codon trên mRNA Release factor Polypeptide được giải phóng 5 3 3 3 5 5 Stop codon (UAG, UAA, hoặc UGA) 1 Khi một ribosome tiến tới một stop 2 Release factor thủy phân cầu 3 Hai tiểu phần của ribosome codon trên mRNA, vị trí A của nối giữa tRNA ở vị trí P và amino Và các cấu tử khác của phức ribosome được gắn protein gọi là acid cuối cùng của chuỗi hợp phiên mã tách nhau ra. release factor thay vì một tRNA. polypeptide. Chuỗi polypeptide Được giải phóng khỏi ribosome. 24/03/2016 3:03:44 SA 47 Nguyễn Hữu Trí Sự dịch mã • Prokaryote •Eukaryote – N-formyl-methionine – Bắt đầu với methionine – Trình tự Shine-Dalgarno – tRNA khởi đầu không giống như chỉ cho ribosome biết tRNA tham gia vào quá trình đâu là điểmkhởi đầu dịch kéo dài mã – Có trình tự Kozak (ACCAUGG) – mRNA có mũ chụp tại đầu 5’ 24/03/2016 3:03:44 SA 48 Nguyễn Hữu Trí 24
15. 24/03/2016 Sự dịch mã • 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. 24/03/2016 3:03:44 SA 49 Nguyễn Hữu Trí Polyribosome Nhiều ribosome có thể tham gia dịch mã một phân tử mRNA cùng một lúc hình thành nên polyribosome RNA polymerase DNA mRNA Polyribosome Hướng phiên mã RNA 0.25 m polymerase DNA Polyribosome Polypeptide (amino cuối) Ribosome mRNA (5 end) 24/03/2016 3:03:44 SA 50 Nguyễn Hữu Trí 25
16. 24/03/2016 α-Amino acid và liên kết peptide 24/03/2016 3:03:44 SA 51 Nguyễn Hữu Trí Protein được tổng hợp như thế nào? 24/03/2016 3:03:44 SA 52 Nguyễn Hữu Trí 26
17. 24/03/2016 Biến đổi sau dịch mã Mặc dù mã di truyền chỉ mã hóa cho 20 amino acid, nhưng nhiều amino acid khác vẫn được tìm thấy trong các protein. Ngoài selenocysteine và pyrrolysine, còn có những amino acid khác được tạo thành do sự biến đổi của chuổi peptide sau khi được tổng hợp. Quá trình này được gọi là biến đổi sau dịch mã. 24/03/2016 3:03:44 SA 53 Nguyễn Hữu Trí Hình thành Protein có chức năng • Chuỗi 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. 24/03/2016 3:03:44 SA 54 Nguyễn Hữu Trí 27
18. 24/03/2016 Hình thành Protein có chức năng Protein được đưa đến hệ thống nội màng hoặc được tiết ra – Được chuyển đến ER – Có signal peptides được nối với signal-recognition particle (SRP), giúp ribosome dịch mã tới liên kết với ER 24/03/2016 3:03:44 SA 55 Nguyễn Hữu Trí Cơ chế chuyển protein mục tiêu đến ER 1 Tổng hợp 2 Một SRP gắn với 3 SRP gắn với một receptor 4 SRP tách ra, và 5 Signal-cleaving 6 Phần còn lại của chuỗi Polypeptide bắt signal peptide, làm trên màng ER. Receptor này chuỗi polypeptide tiếp tục enzyme cắt đứt polypeptide rời ribosome đầu trên một gián đoạn quá trình là một phần is của phức hợp được tổng hợp trong khi signal peptide. và gấp cuộn lại hình thành ribosome tự do sinh tổng hợp trong protein (một phức hợp nó được chuyển qua màng cấu trúc cuối cùng. trong cytosol. giây lát. chuyển vị) có một kênh trên . (signal peptide vẫn màng và một enzyme bám vào màng.) signal-cleaving Ribosome mRNA Signal peptide Màng ER Signal Signal- peptide recognition Protein bị loại particle (SRP) SRP receptor CYTOSOL protein Translocation ER LUMEN complex 24/03/2016 3:03:44 SA 56 Nguyễn Hữu Trí 28
19. 24/03/2016 24/03/2016 3:03:44 SA 57 Nguyễn Hữu Trí Điều hòa sự gấp cuộn protein 24/03/2016 3:03:44 SA 58 Nguyễn Hữu Trí 29
20. 24/03/2016 Selenocysteine: Amino Acid thứ 21 • Selenocysteine (Sec) không phải là một amino acid điển hình, và nó chỉ được gắn vào chuổi polypeptide trong một số protein hiếm thông qua quá trình dịch mã trên mRNA bởi ribosome. Quá trình này xảy ra ở cả prokaryote và eukaryote, bao gồm cả con người. Selenocysteine được mã hóa bởi UGA. Tuy nhiên, UGA lại là một stop codon. Sự lựa chọn giữa “stop” và selenocysteine phụ thuộc vào một trình tự đặc biệt gọi là selenocysteine insertion sequence (SECIS element). 24/03/2016 3:03:44 SA 59 Nguyễn Hữu Trí Selenocysteine vs cysteine • Selenocysteine có tRNA của riêng nó. Trên thực tế, selenocysteine-tRNA được khởi đầu bằng cách nạp với serine. Sau đó serine được enzyme biến đổi thành selenocysteine. Selenocysteine là một analog của cysteine, nhưng nó có selenium thay vì sulfur. 24/03/2016 3:03:44 SA 60 Nguyễn Hữu Trí 30
21. 24/03/2016 Pyrrolysine: Amino Acid thứ 22 Vào năm 2002, một amino acid thứ 22 được khám phá - pyrrolysine, một dẫn xuất của lysine gắn với vòng pyrroline. Amino acid này được tìm thấy ở vài archaebacteria, nó được mã hóa bởi stop codon UAG. Cơ chế nạp Pyrrolysin vào tRNA cũng như việc chèn pyrrolysin vào chuỗi polypeptide được cho rằng tương tự với trường hợp của selenocysteine. 24/03/2016 3:03:44 SA 61 Nguyễn Hữu Trí Cofactor vs prosthetic • Để có đầy đủ chức năng, nhiều protein cần những phần không có bản chất là protein, được gọi là cofactor hay nhóm prosthetic. Nhiều protein sử dụng một nguyện tử kim loại làm cofactor; có những nhóm phức tạp hơn là là các hợp chất hữu cơ. • Do đó, prosthetic là những nhóm cố định với một protein, trong khi cofactor thành phần trương đối tự do tương tác với protein. 24/03/2016 3:03:44 SA 62 Nguyễn Hữu Trí 31
22. 24/03/2016 Nhóm prosthetic. • Tên gọi chung của những nhóm không phải là protein mà liên kết chặt với protein và giúp nó có được chức năng gọi là nhóm prosthetic. • Một protein không có nhóm prosthetic được họi là một apoprotein. • Một số protein liên kết chặt chẽ với các ion kim loại để có chức năng. VD: Hemoglobin. 24/03/2016 3:03:44 SA 63 Nguyễn Hữu Trí 24/03/2016 3:03:44 SA 64 Nguyễn Hữu Trí 32