Sinh tổng hợp protein

CHƯƠNG IX

SINH TỔNG HP PROTEIN

I. Học thuyết trung tâm
II. Phiên mã (Transcription)
III. Các RNA
IV. Dòch mã (Translation)
V. Các biến đổi sau dòch mã và sự di
chuyển về mục tiêu
VI. Các đột biến gen
VII. Dòng thông tin


I. HỌC THUYẾT TRUNG TÂM
(CENTRAL DOGMA).
1. Gen kiểm tra các phản ứng sinh hóa.
a. Sai hỏng trao đổi chất bẩm sinh.
Vào năm 1908, trên cơ sở nghiên cứu
các bệnh do sai hỏng trao đổi chất bẩm
sinh (inborn errors of metabolism) bác só
A.Garrod, người Anh lần đầu tiên nêu
lên quan điểm rằng sai hỏng của gen dẫn
dẫn đến sai hỏng phản ứng sinh hóa.


Chu trình
phenylalanine


• Bệnh được phát hiện đầu tiên là

ancaptonuria (black urine disease, black
bone disease, or alcaptonuria), người
bệnh có nước tiểu bò tích tụ nhiều acid
homogentisic chất này bò đen lại khi
gặp không khí nên nước tiểu màu đen.
Bệnh có sự di truyền do một gen lặn.
Năm 1914 phát hiện thêm ở người bò
bệnh này thiếu hoạt tính enzyme
oxydase
của
acid
homogentisic
dioxygenase (HGD).


• Mỗi bệnh trên đây liên quan đến
sai hỏng của một phản ứng sinh
học do hậu quả của một enzyme bò
mất hoạt tính và sự di truyền của
mỗi bệnh đều do một gen lặn.
Thường enzyme mất hoạt tính làm
chất phản ứng bò tích tụ lại nên dư
thừa.


b. Giả thuyết 1 gen-1 enzyme.

• Năm 1941 G.Beadle và Tatum đã sử dụng
mốc vàng bánh mì Neurospora crassa để
chứng minh gen kiểm tra các phản ứng sinh

hóa. Loài hoang dại của mốc này mọc được
trên môi trường tối thiểu gồm nước, muối
khoáng (NPK), glucose và biotin, vì từ các
chất đơn giản này sợi nấm mốc tổng hợp
được tất cả các chất phức tạp khác cần
thiết cho sự sống như các amino acid, các
nucleotide, đường và lipid...


• Dùng các tia phóng xạ và tử ngoại có thể
gây tạo ra các đột biến sinh hóa mất khả
năng tổng hợp chất này hay chất nọ và
được gọi là các đột biến khuyết dưỡng
(auxotroph). Các đột biến này chỉ mọc
được trên môi trường tối thiểu khi có
thêm vào chất mà đột biến không tổng
hợp được. Ví dụ các đột biến mất khả
năng tổng hợp amino acid arginine được
ký hiệu arg- không mọc được trên môi
trường tối thiểu vì tự nó không tổng hợp
được chất này; nhưng chúng mọc được khi
có thêm vào arginine.


• Các đột biến khuyết dưỡng này đa số có
sự di truyền của một gen. Từ kết quả
nghiên cứu của mình, Beadle và
Tatum nêu ra giả thuyết 1 gen - 1
enzyme, về sau được cụ thể hóa hơn 1
gen - 1 protein rồi 1 gen - 1

polypeptide, và cuối cùng là 1 gen - 1
đại phân tử sinh học (vì có gen chỉ
tổng hợp RNA).


• Giả thuyết 1 gen - 1 enzyme có ý
nghóa lớn, nó cụ thể hóa được các
bước trung gian từ gen đến tính trạng
diễn ra như thế nào. Do đó hai ông
Beadle và Tatum đã nhận được giải
Nobel về công trình này.


2. Học thuyết trung tâm (Central
dogma).

a. Sự liên quan đồng tuyến tính giữa DNA và
protein
•
Mãi đến năm 1953, mô hình cấu trúc DNA
của Watson - Crick được nêu lên và cũng năm
này Sanger lần đầu tiên tìm ra trình tự các
amino acid của một protein có phân tử không lớn
là insulin (chỉ có 51 amino acid). Các nghiên
cứu tiếp theo đã làm sáng tỏ mối quan hệ genprotein.



• Các mức cấu trúc không gian khác nhau của
phân tử protein được xác đònh một cách tự động

bởi trình tự sắp xếp của các amino acid theo
đường thẳng tức cấu trúc bậc một.
• Như vậy, việc xác đònh di truyền phân tử
protein ở trạng thái tự nhiên có đầy đủ hoạt
tính sinh học quy lại ở xác đònh cấu trúc bậc một
là đủ. Mặt khác, bốn loại nucleotide của DNA
cũng xếp theo đường thẳng và trình tự sắp xếp
của chúng cũng phản ánh một thông tin nhất
đònh


• Việc nghiên cứu các đột biến
hemoglobine liên quan đến các bệnh
thiếu máu làm sáng tỏ mối quan hệ
DNA - protein. Nghiên cứu hàng
trăm đột biến loại này cho thấy mỗi
đột biến liên quan với một thay đổi
amino acid nhất đònh trên mạch
polypeptide của hemoglobine.


• Ví dụ: ở bệnh thiếu máu hồng cầu hình
liềm, người bệnh do đột biến làm thay đổi
amino acid ở vò trí thứ 6 của mạch như
sau:
Vò trí: 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 ---• Hemoglobine bình thường:
• Hemoglobine người bệnh:

Glu
Val

• Giữa DNA và protein rõ ràng có sự liên quan
đồng tuyến tính (tức sự thay đổi các nucleotide
trên mạch thẳng của DNA dẫn đến các thay đổi
amino acid trên mạch thẳng của phân tử
protein).


b. Vài đặc điểm của tổng hợp protein
Tổng hợp protein trong tế bào có các đặc điểm :
• Các phân tử thông tin như acid nucleic và
protein được tổng hợp theo khuôn.
• Sinh tổng hợp protein tách rời về không gian với
DNA. Nhiều quan sát cho thấy tổng hợp protein có
thể xảy ra khi không có mặt DNA


Tảo xanh đơn bào Acetabularia khi bò cắt mất
phần chứa nhân vẫn tổng hợp được protein và
sống vài tháng nhưng mất khả năng sinh sản.
Rõ ràng, nơi chứa DNA mang thông tin di truyền
và chỗ sinh tổng hợp protein tách rời nhau về
không gian

• DNA cũng không phải là khuôn trực tiếp để tổng
hợp protein, do đó phải có chất trung gian
chuyển thông tin từ DNA ra tế bào chất và làm
khuôn để tổng hợp protein. Chất đó phải có cả
trong nhân và tế bào chất với số lượng phụ
thuộc mức độ tổng hợp protein

•

Chất trung gian đó chính là RNA qua
hàng loạt sự kiện sau:
- Thứ nhất, RNA được tổng hợp ngay ở
trong nhân có chứa DNA, sau đó nó đi
vào tế bào chất cho tổng hợp protein.
- Thứ hai, những tế bào giàu RNA tổng
hợp protein nhiều hơn. Ví dụ: Các tế
bào tổng hợp nhiều protein như ở gan,
lá lách, tuyến tơ của tằm chứa RNA
nhiều hơn so với tế bào ít tổng hợp
protein như ở thận, tim, phổi.


- Thứ ba, về phương diện hóa học RNA giống
DNA: mạch polyribonucleotide thẳng cũng
chứa 4 loại ribonucleotide A, G, C và Uracil
(U). Nó có thể nhận được thông tin từ DNA
qua bắt cặp bổ sung.
• Trong tế bào không tìm thấy chất nào khác
ngoài RNA có thể đóng vai trò trung gian cho
tổng hợp protein. Mối quan hệ được biểu
hiện như sau:
•
DNA  mRNA 
protein
•

sao chép phiên mã
dòch mãû


Hoïc thuyeát trung taâm.


HỌC THUYẾT TRUNG TÂM
(The central dogma)
Học thuyết trung tâm cho
rằng thông tin trên nucleic
acid có thể được tiếp nối liên
tục (sao chép) hay chuyển
tiếp (phiên mã và dòch mã),
nhưng sự chuyển dạng thông
tin thành protein là không
thuận nghòch.


• Đây còn gọi là học thuyết trung tâm hay
tiền đề cơ sở sinh học phân tử được F.Crick
nêu ra từ năm 1956 đến nay căn bản vẫn
đúng.
• Thông tin di truyền được đi từ DNA qua
RNA rồi đến protein. Vào những năm 70
phát hiện quá trình phiên mã ngược từ RNA
tổng hợp nên DNA nhờ enzyme reverse
transcriptase. Thông tin không thể đi theo
chiều ngược từ protein đến RNA.

3. DNA và mã di truyền (The genetic code)
• Năm 1961 F.Crick đã làm thí nghiệm
chứng minh rằng nhóm nucleotide mã hóa
có 3 hay nói cách khác codon gồm 3
nucleotide. Tất cả sẽ có 43 = 64 tổ hợp
codon.
• M.W.Nirenberg và H.Matthaei (Mỹ) đã
dùng enzyme theo phương pháp của Ochoa
tổng hợp RNA nhân tạo. Khi dùng chỉ một
loại nucleotide là uracil sẽ nhận được RNA
là polyuracil, nếu chỉ adenine sẽ được
polyadenine.


• Năm 1961, khi dùng polyuracil thay cho
mRNA để tổng hợp protein trong hệ thống
vô bào (có amino acid, enzyme tổng hợp
protein, nhưng không có DNA...) sản phẩm
nhận
được
là
mạch
polypeptide
polyphenylalanin chỉ chứa một loại amino
acid là phenylalanine. Điều đó chứng tỏ
codon UUU mã hóa cho phenylalanine. Đây
là codon đầu tiên được xác đònh. Nirenberg
và Matthaei cũng chứng minh được rằng
AAA mã hóa cho lysine, GGG cho glycine và

CCC cho proline.


• Vào năm 1964, H.G.Khorana tìm ra phương
pháp tạo mRNA tổng hợp nhân tạo với trình
tự lập lại (như AAG AAG AAG...) và nhờ nó
giải quyết xong các vấn đề còn chưa rõ.
•
Bảng mã di truyền cho thấy trong 64
codon, có 3 codon UAA, UAG, UGA không
mã hóa cho amino acid được gọi là vô nghóa
(non-sense), đồng thời là codon kết thúc
(termination) tức "dấu chấm câu", tức
chấm dứt mạch polypeptide.


Mã di truyền (The Genetic Code)
- Mã bộ ba (Triplet code)
vì 43 = 64
- Không chồng lắp (Non-overlapping),
không ngắt khoảng (unpunctuated)
- Gần như toàn năng (universal)
Codon = nhóm 3 nucleotide
Start codon (xanh lục) : AUG

Stop codons (đỏ) : UAA, UAG và UGA
Dư thừa (Redundant : chữ thứ 3 (3rd
letter)