Di truyền học, quá trình lắp ráp và sự điều chỉnh của hệ thống quang hợp

CHƯƠNG 10: DI TRUYỀN HỌC, QUÁ TRÌNH LẮP RÁP VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỢP I. TỔ CHỨC GENE CỦA VI KHUẨN QUANG HỢP KỊ KHÍ. Sự quang hợp của những sinh vật quang dưỡng kỵ khí được nghiên cứu kỹ ở nhĩm vi khuẩn tía. Tổ chức gen và sự điều chỉnh của chúng tương đối ổn định.Đây là nhĩm sinh vật quang hợp kỵ khí duy nhất được nghiên cứu rộng rãi. Trình tự bộ gen của những vi khuẩn tía sau đây đã được xác định rõ : rhodobacter capsulatus, rhodobacter sphaeroides và rhodopseudomonas palustris, vi khuẩn xanh chlorobium tepidum và aurantiacus choloroflexus. Bộ máy quang hợp ở vi khuẩn tía được xác định bởi các thơng tin di truyền cần thiết, các thơng tin di truyền này được nằm trong một cụm gen quang hợp ( PGC), cụm gen này cĩ chiều dài ~ 41-46Kb và bao gồm các DNA nằm ở trong NST vịng của tế bào. Cụm gen nay mã hĩa cho 38 khung đọc mở và bổ sung các thơng tin cần thiết. Sự sắp xếp DNA trong PGC thì : + 50% dùng để mã hĩa cho các enzyme tham gia vào các giai đoạn tổng hợp diệp lục + 18% tổng hợp carotene + 8% giúp cho gen cấu trúc hấp thụ ánh sáng và giúp cho trung tâm phản ứng protein xảy ra. +10% là dành cho các gen khác cần thiết cho sự tăng trưởng quang hợp cộng với một vài khung đọc mở khơng rõ và khu vực khơng mã hĩa. Giai đoạn đầu để tổng hợp diệp lục thì phải theo thứ tự từ protoporphyrin IX và được dùng chung cho sự tổng hợp hem. Các gen hem này nĩ mã hĩa các enzyme nằm ở vị trí khác trên NST, như là pet gen mã hĩa cho các cytochrome bc1 phức tạp, đồng thời nĩ cũng dùng cho các con đường hơ hấp. Các gen quang hợp khác (khơng phải là một phần của PGC) bao gồm các gen mã hĩa cho các enzyme trong chu trình calvin và các gen puc mã hĩa cho phức hệ LH2 của anten.  - Rhodobacter capsulatus và Rhodobacter sphaeriodes là hai lồi vi khuẩn được tìm hiểu rộng rãi nhất và cĩ cụm gen quang hợp (PGC) cơ bản giống hệt nhau .Ở các loại vi khuẩn tía khác cũng cĩ những biểu hiện sắp xếp tương tự. Ở vi khuẩn G+ Heliobacillus mobilis cũng cĩ cụm gen quang hợp nhưng ở vi khuẩn lục chứa lưu huỳnh và khơng chứa lưu huỳnh và vi khuẩn lam thì khơng chứa cụm gen quang hợp. - Ở đầu mút của một số sinh vật cĩ cụm gen quang hợp mang thơng tin di truyền tới thưc hiện quang hợp trong khi đĩ ở những lồi khác thì khơng. - Các loại vi khuẩn khác xếp thành nhĩm thường được tìm thấy khi các gen dịch chuyển một đoạn theo chiều ngang sang những sinh vật khác. Mặt khác nĩ cĩ thể dựa vào sự điều khiển của bộ máy quang hợp để buộc các gen đĩng trên nhiễm sắc thể.Tuy nhiên điều này khơng quan trọng ở phần lớn các sinh vật khác. - Một vài cụm gen nhỏ được dùng mã hĩa cho sự tổng hợp bacteriochlorophyll,caroten và cấu trúc protein của hệ thống quang hĩa. - Trung tâm phản ứng L và M của các protein và các peptide α và β của phức hệ LH1 được chứa trong một operon gần cuối đầu 3’của PGC được gọi là puf ( đơn vị quang-cố định). Đơn vị H nằm ở gần đầu kết thúc khác của PGC và được mã hĩa bởi gen puhA. - Các gen tổng hợp bacteriochlorophyll và carotene được định vị trong vài cụm gen ,chúng được sao chép thành các operon. Phức hệ anten LH2 được mã hĩa bằng puc operon, puc operon này khơng thuộc PGC nhưng cĩ khoảng 20kb được định vị trên gen puhA. II. SỰ BIỂU HIỆN GENE VÀ SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA VI KHUẨN QUANG HỢP MÀU TÍA. - Vi khuẩn quang hợp tía là những sinh vật đặc biệt cĩ khả năng biến đổi linh họat và cĩ thể tạo ra năng lượng bằng cách quang hợp, hơ hấp hiếu khí và kỵ khí,lên men.Để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất của những dạng sống khác nhau, sự biểu hiện gen đĩng vai trị điều chỉnh. Các biểu hiện của bộ máy quang hợp được tiến hành dưới trạng thái kỵ khí .Ngồi ra, giá trị thực của các trung tâm phản ứng và các cụm ăng ten LH1 và LH2 được sửa đổi phù hợp với cường độ ánh sáng. Cấu tạo màng tế bào vi khuẩn tía về cơ bản là thay đổi theo biểu hiện của bộ máy quang hợp, với sự hình thành của hệ thống màng invaginated intracytoplasmic (Chương 6). - Quy chế của sự biểu hiện bộ máy quang hợp được điều khiển bởi một số mạch tương tác cĩ ảnh hưởng đến sự phiên mã của các operons khác nhau (Bauer và Bird, 1996; Zeilstra-Ryalls et al., 1998; Gregor và Klug, 1999). Như là đặc trưng cho vi khuẩn, sự sắp xếp được thực hiện chủ yếu ở cấp độ phiên mã, và nhiều, nếu khơng phải là hầu hết, các gene được tổ chức tại operons của một số gen với chỉ một ARN vận chuyển duy nhất, sau đĩ dịch sang protein ở ribosome. - Trong một số trường hợp, cĩ nhiều bản sao khác biệt.Hình thức các bản sao đa gene chồng chéo lên nhau gọi là superoperons.Mặc dù kết quả tổng thể của các cơ chế điều tiết gần như là giống nhau trong hai vi khuẩn tía đã được nghiên cứu, là Rb.capsulatus và Rb.sphaeroides, nhưng cơ chế phân tử của chúng lại khác nhau,điều đĩ địi hỏi các văn bản gốc phải được tư vấn để biết chi tiết chính xác của bất kỳ hệ thống nào . Cấp độ đầu tiên của sự điều chỉnh là ức chế các biểu hiện của gene quang hợp trong điều kiện hiếu khí . Khi cĩ khí oxy, một chất kìm hãm được tổng hợp để ức chế sự biểu hiện của tất cả các operons quang hợp . Các gen mã hĩa cho chất kìm hãm này là ppsR (cịn gọi là crtJ), cĩ vị trí ở giữa của PGC. Sản phẩm gen này ức chế sự sao chép của tất cả các operons khác trong PGC bằng cách gắn vào một chuỗi palindrome bảo tồn. Trong điều kiện kỵ khí, sự ức chế này mất đi, và tất cả các gen trong PGC được phiên mã đến một mức độ vừa phải. Cấp độ thứ hai của sự điều chỉnh là kích hoạt trung tâm phản ứng và gen protein cấu trúc hút ánh sáng (puf, puhand PUC) trong điều kiện kỵ khí. Điều này được quy định bởi một hệ thống tải nạp hai thành phần bao gồm một tín hiệu kinase cảm biến membranebound (RegB) và một chất điều chỉnh phản ứng hịa tan (Rega). Sự đáp ứng của RegB sẽ phù hợp với lượng oxy và sau đĩ sẽ đến Rega họat động, trong liên kết chuyển sang promoter ngược dịng của operon và kích hoạt phiên mã. Ngồi ra, sự biểu hiện của cytochrome c2 và các enzym trong chu trình Calvin cũng được quy định bởi hệ thống này. Cuối cùng, hệ thống này phải tương thích với sự oxy hĩa khử của tế bào. Các cytochrome oxidase phức tạp cytochrome cũng cĩ liên quan (Oh và Kaplan, 1999). Các oxygen thụ cảm khác cũng cĩ mặt, bao gồm thioredoxin; nhưng sự ảnh hưởng chưa được hiểu rõ (Gregor và Klug, 1999). - Cấp độ thứ ba của sự điều chỉnh sao chép được thể hiện trong điều kiện ánh sáng yếu, nơi mà mức độ biểu hiện của các operons puh và puf được tăng lên trong ánh sáng mờ (Bauer và Bird, 1996). Điều này được quy định bởi một mạch nhạy cảm ánh sáng khơng được tìm hiểu kĩ ở cấp độ phân tử ,bao gồm các sản phẩm gen hvrA và cũng cĩ thể là cả một tế bào nhận kích thích ánh sáng xanh dương. Cuối cùng, tỷ lệ của Trung tâm phản ứng và các phức hệ LH1 và LH2 cũng được điều tiết bằng cường độ ánh sáng. Hiệu ứng cũng được điều khiển bởi operon puc (Gregor và Klug, 1999). - Việc ánh sáng và khí oxy cĩ ảnh hưởng đến quang hợp là hiển nhiên. Trong điều kiện hiếu khí gần như hầu hết các gen quang hĩa bị ức chế, và nĩ sẽ được kích hoạt khi các tế bào trở thành kỵ khí. Trong ánh sáng lờ mờ, những bản sao thêm vào của những thành phần quang hĩa được thực hiện, cấp độ của phù hợp của trung tâm phản ứng và phức hợp ăng-ten cũng tốt hơn. Cấp độ khác của sự điều chỉnh địi hỏi liên quan đến sự ổn định mRNA và lắp ráp của các phức protein quang hĩa (Hebermehl và Klug, 1998). III. SỰ SẮP XẾP GEN Ở VI KHUẨN LAM - Về cơ bản thì mơ hình sắp xếp và điều chỉnh gen ở vi khuẩn lam xuất phát từ vi khuẩn tía ( khơng cần oxi). Vi khuẩn lam bắt buộc phải điều chỉnh bộ gen 1 cách nhịp nhàng và sống trong 1 khu vực rộng lớn để thực hiện việc trao đổi chất. Sự thay đổi này bắt buộc phải cĩ sự điều chỉnh và biểu hiện gen cho phù hợp. Nĩi chung, vi khuẩn lam là 1 đại diện cho cơ chế điều tiết trung gian giữa vi khuẩn tía khơng cần oxi ( cao) và lục lạp ( thấp). - Bộ gen hồn chỉnh của Synechocystis PCC 6803 đã được xác định. Nĩ là 1 bộ gen vịng gồm 3,6 triệu base cộng với vài plasmic nhỏ. - 50 ARN tâp hợp trên gen và khoảng 3000 protein được tìm thấy, trong đĩ 50% khơng rõ về chức năng hoặc chức năng đĩ chưa được cơng nhận trong các cơ thể khác nhau. Như vậy, mức độ của sự bổ sung, điều chỉnh mọi bộ gen được bộc lộ trong quá trình quang hợp ở các cơ thể cịn non. Quang hợp ở vi khuẩn nhân sơ khơng khác gì với vi khuẩn tía, nĩ cũng gồm 1 bộ gen trong đĩ 50% gen chưa biết. - Những cụm gen quang hợp ở vi khuẩn lam tương phản với vi khuẩn tía, những gen quang hợp ở vi khuẩn lam nằm rải rác trên tồn bộ gen, gồm cụm gen nhỏ và vài operon. Những operon này thường nhỏ hơn các operon ở vi khuẩn tía. Ví dụ ở vi khuẩn tía những gen điển hình tạo thành phức hợp cytochrome b6f là 1 operon đơn nhưng ở Synechocystis PCC 6803 thì nĩ gồm 2 operon nhỏ hơn và 1 vài gen. Hầu hết các gen thực hiện quá trình quang hợp ở vi khuẩn lam được biểu hiện 1 cách cơ bản. Những gen điều chỉnh quá trình sao chép chính và thực hiện quang hợp ở vi khuẩn lam cĩ vai trị quan trọng hơn các gen thực hiện trao đổi chất ở vi khuẩn tía. Nhận định này được làm rõ trong quá trình quang hợp ở sinh vật nhân chuẩn, quá t rình này phức tạp hơn, cĩ sự điều chỉnh và phối hợp giữa 2 bộ gen khác nhau. Một số trường hợp thiếu operon và cụm gen tác động thì những gen tạo thành phức hợp protein ( các protein này neo vào màng thylakoid) ở 1 số lồi cĩ khả năng thích nghi màu. Những cơ thể này cĩ khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi của mơi trường, đĩ là mức độ cao của sự điều chỉnh và năng lực biểu hiện gen phụ thuộc vào bên ngồi. IV. HỆ GEN CỦA LỤC LẠP - Lục lạp ở những tế bào sinh vật quang hợp nhân chuẩn thì chứa 1 hệ gen ADN mạch vịng, nĩ giống như cái được tìm thấy ở vi khuẩn. - Chắc chắn hệ gen này là cái cịn lại nĩi về nguồn gốc phát triển của lục lạp như vi khuẩn lam nội cộng sinh. Thuyết nội cộng sinh cĩ nội dung là những bào quan của tế bào sinh vật nhân chuẩn cĩ nguồn gốc từ những sinh vật nhân sơ Prokaryotic sống bên trong các tế bào nhân chuẩn Eukaryotic như một sinh vật cộng sinh ở bên trong. Lục lạp tiến hĩa từ vi khuẩn lam nội cộng sinh. - Bộ gen hồn chỉnh được sắp xếp theo trình tự của lục lạp ở các thực vật và 1 số ngành tảo. - Sự nổi bật nhất là hệ gen lục lạp cĩ kích thước nhỏ hơn hệ gen của vi khuẩn lam cho nên nội dung di truyền cũng giảm. Sự giảm kích thước này là những thơng tin cần thiết cho việc thực hiện quang hợp đã được chuyển vào hạt nhân. - Kích thước của hệ gen lục lạp được sắp xếp theo trình tự từ 120 => 191 kb. Hệ gen của lục lạp ở những thực vật bậc cao thì cĩ 50=> 80 trình tự mã hĩa bao gồm những protein cốt lõi của hệ thống quang hĩa, phức hệ cytochrome b6f , bộ NST của tARN và hầu hết các nguyên tố của lục lạp được tổng hợp. - Hầu hết các thành phần khác của protein trong lục lạp được mã hĩa bởi nhân ADN rồi đưa vào lục lạp sau đĩ tập hợp thành phức chất. - Hệ gen lục lạp lớn nhất đế nay được sắp xếp theo trình tự của tảo đỏ Porphyra purpurea, kích thước khoảng 191 kb và mã hĩa cho khoảng 250 gen kể cả ARN, 200 trong số đĩ là gen mã hĩa protein. - Hệ gen nhỏ nhất được tìm thấy trong cây thơng, kích thước 120kb và 69 gen mã hĩa protein. - Ba nhĩm sinh vật cĩ hệ gen lục lạp khơng điển hình là: Ngành trùng 2 roi, trong đĩ cĩ 1 số lượng lớn những phân đoạn nhỏ của ADN và được xem là gồm các hệ gen lục lạp. Thực vật kí sinh bị mất khả năng quang hợp. Lục lạp của chúng mất các gen mã hĩa protein quang hợp. Ký sinh trùng bao gồm sinh vật gây sốt rét, hiện tại thì chúng khơng quang hợp được nhưng chắc chắn tổ tiên của chúng làm được. - Những sinh vật này cĩ giữ lại 1 bộ gen lục lạp nhỏ cĩ chức năng chủ yếu trong việc tổng hợp axit béo. - Một đặc tính tiêu biểu của hệ gen lục lạp là vùng đảo ngược được lặp lại nhiều. Cấu trúc này cĩ chức năng chưa được rõ ràng nhưng kích thước thì khác nhau ở nhiều loại thực vật. Điều đĩ đã hỗ trợ cho việc thúc đẩy sự ổn định hệ gen. - Phần lớn những gen của lục lạp là những cistron đơn và sự phiên mã khơng phải là cơ sở chính cho việc điều chỉnh hệ gen của lục lạp. - Hệ gen của hạt nhân sẽ đươc nối tiếp ở thực vật bậc cao ( cây mutac Arabidopsis thaliana), hiện tại thì đã hồn tất và 1 số khác như gạo, ngơ…Khi được phân tích đầy đủ sẽ mở ra 1 hướng mới về nghiên cứu hệ gen của hạt nhân và lục lạp. Hình: Bản đồ gen lục lạp của gạo. Gen bên ngồi vịng trịn thì sao chép ngược chiều kim đồng hồ. Gen bên trong vịng trịn thì được sao chép theo chiều kim đồng hồ. Vùng lặp lại và đảo ngược là IRA và IRB. Phần sao chép lớn là LSC, phần sao chép nhỏ là SSC. V. CON ĐƯỜNG, CƠ CHẾ XÂM NHẬP PROTEIN VÀ MỤC ĐÍCH CỦA NĨ TRONG LỤC LẠP AND của lục lạp chứa các trình tự mã hĩa cho các pro cốt lõi tham gia vào Quang hợp ( ví dụ như protein D1, D2 của phức hệ PS II ).Cịn những protein khác thì được tổng hợp từ bên ngồi và được đưa vào gọi là sự xâm nhập protein. Việc xâm nhập này gồm cĩ 2bước: + Cơ chế xâm nhập protein. + Việc đưa những protein này đến nơi cần thiết để thực hiện chức năng. Ở trong nhân, các trình tự mã hĩa cho những protein này đã được xác định trước cho lục lạp. Hầu hết chỉ cĩ một đoạn cuối là cần thiết để dịch ra sản phẩm, khi đến stroma trình tự này sẽ được tách rời ra. Quá trình xâm nhập này buộc protein phải đi qua 3màng. Do đĩ,cơ chế xâm nhập lại cĩ thêm 2bước: + Bước 1: Sự xâm nhập vào lục lạp qua 2màng tế bào. + Bước 2: Diễn ra sự vận chuyển vào lumen của thylakoid. CƠ CHẾ XÂM NHẬP PROTEIN: Những giai đoạn của việc xâm nhập protein cĩ thể quan sát bằng thực nghiệm. Một số giai đoạn cần năng lượng ATP, GTP, một số khác địi hỏi năng lượng tự do. - Sự xâm nhập vào lục lạp: Giai đoạn đầu tiên là việc tập hợp những protein mà được vận chuyển qua màng. -> Giai đoạn này nhờ năng lượng tự do do sự tương tác giữa protein – lipid ( protein xâm nhập và nhĩm lipid chính của màng bao lục lạp – monogalactosyldigliceride và digalactosyldiglyceride. Những giai đoạn tiếp theo nhờ năng lượng tự do do sự tương tác giữa protein – protein ( protein xâm nhập và protein vận chuyển chúng ). Phức hệ protein vận chuyển gồm cĩ hai loại : + Toc ( Translocon at the outer membrane Chloroplast ) + Tic ( Translocon at the inner membrane Chloroplast ) Những thành phần protein khác của chúng được xác định bởi khối lượng kDa của chúng -> tên gọi. Ví dụ: Toc 159, Toc 75…Tic 20, Tic 55… PHỨC HỆ TOC: Phức hệ Toc gồm cĩ 3protein màng: Toc 159, Toc 75 và Toc 34. + Protein Toc 75: hình thành một kênh hẹp cĩ đường kính 8 – 9 A0, để cho protein xâm nhập qua ( protein đã được mở gấp thành chuỗi dài ) Giai đoạn này địi hỏi năng lượng GTP và cả Toc 159 hay Toc 34 cũng vậy. Việc cần năng lượng GTP mà khơng phải ATP là do chức năng đảm bảo việc chọn chính xác protein đi vào con đường này ( ATP là đồng tiền năng lượng – cĩ thể sử dụng chung, GTP được sử dụng cho những trường hợp riệng biệt ). Ngồi ra: Protein Toc 159 chỉ thực hiện chức năng khi thủy phân tạo ra Toc 89 ( vai trị chính tham gia vào việc vận chuyển protein xâm nhập qua màng ). Một số phân tử đi kèm cũng tham gia vào quá trình xâm nhập là Com 70 và Hsp 70 (đây là những protein kém chịu nhiệt cĩ khối lượng 70 kDa ) + Com 70: nằm cạnh bên ngồi màng ngồi - thuộc Cytosol. + Hsp 70: nằm cạnh bên trong màng ngồi - thuộc khoảng khơng gian giữa màng ngồi và màng trong. Giúp kéo protein qua khỏi màng ngồi. Hoạt động của Tic thì ngắn hơn Toc. Nhưng việc lắp ráp này chỉ xảy ra khi 2 phức hệ này liên kết chặt chẽ với nhau tạo diêu phức hơp – gắn kết màng ngồi và màng trong giúp protein đi vào màng trong một cách trực tiếp. Thành phần của Tic gồm cĩ 3 protein: + Tic 22 nằm ở bên ngồi màng trong, là thành phần đầu tiên dời chỗ, giúp khép chặt siêu phức hợp -> protein đi vào dễ dàng. + Tic 20 là một protein xuyên màng, kết hợp với Tic 22 vận chuyển protein đi vào. + Tic 110 là một protein gắn chặt trên màng, hầu hết khối lượng của nĩ nằm ở màng trong.Nĩ liên kết với các phân tử khác như: . ClpC: giúp kéo protein ra khỏi màng, cần năng lượng ATP. . GroEL/ GroES, Cpn60: cĩ nhiệm vụ gấp protein đã xâm nhập vào để trở thành dạng hoạt động. Trước đĩ, khi chuỗi protein đã vào stroma, nĩ sẽ được protein stromal protease cắt đi, chỉ lấy phần trình tự cần thiết. Trình tự protein cĩ thể được vận chuyển vào lumen hoặc gắn trên màng thylskoid tùy vào mục đích sử dụng chúng. VIỆC VẬN CHUYỂN PROTEIN VÀO THYLAKOID ĐỂ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ: Việc vận chuyển các protein này vào lumen hay thylakoid qua bốn con đường chính. Mỗi con đường cĩ một thành phần tham gia riêng mà khơng cĩ ở con đường khác. . Con đường thứ nhất : ( Secretory ) tương tự như hệ thống kích thích bài tiết tìm thấy nhiều trong vi khuẩn, nĩ địi hỏi năng lượng thủy phân ATP để vận chuyển vào plastocyanin và độ chênh lệch pH. + Protein 33kDa của OEC ( PS II ) và các protein subunit của PS I dùng đến con đường này. ii. Con đường thứ hai tương tự như hệ thống nhận dạng hạt SRP – tham gia vào việc bài tiết của lưới nội chất ở eurkaryote và vi khuẩn ), hoạt động cần đến năng lượng GTP và 5pH để đưa hệ thống anten LHC vào thylakoid. Cả Sec và SRP được kích thích bởi 5pH khác nhau nhưng việc cần đến năng lượng NTP là tuyệt đối cần thiết. iii. Con đường thứ ba chỉ được tiền hành khi cĩ sự chênh lệch pH (5pH) và khơng cần đến năng lượng. Nĩ cĩ thể chuyển protein ở dạng gấp mà khơng cần phải tháo xoắn trở thành dạng chuỗi. + Protein 17kDa và 23kDa của OEC ( PS II ) sử dụng con đường này. Con đường thứ tư khơng cần đến năng , cũng khơng cần đến 5pH, nĩ xuất hiện sự kết hợp một cách tự động đi vào màng thylakoid. Sau đĩ sẽ được enzim thylakoid protease tách ra trong lumen. Đến bây giờ vẫn chưa giải thích được vì sao chỉ cĩ một con đường xâm nhập vào lục lạp mà lại cĩ đến bốn con đường đi vào thylakoid. Một trong những lí do đĩ là do sự khác biệt của những protein chỉ dành riêng cho mỗi con đường. Ví dụ: Một protein rời khỏi màng lục lạp vào stroma, cần được tập hợp lại phải nhờ cĩ SRP nhận dạng. Hoặc việc vận chuyển protein gấp chỉ co con đường 5pH mới làm được. VI. SỰ ĐỀU CH ỈNH VÀ VI ỆC L ẮP R ÁP HỆ THỐNG QUANG HỢP CỦA VI KHUẨN LAM VÀ LỤC LẠP ___________________ Hầu hết các protein (cĩ chức năng trong quá trình quang hợp) là một phần của các phức hợp đa protein (như hệ thống quang hố, phức hợp cytochrome b6f hoặc phức hợp rubisco). Những phức hợp này luơn cĩ một phép tính hợp thức cố định Protein cơ định, (như phức hợp rubisco L8S8). Phép tính hợp thức cố định này cho biết nhu cầu để điều chỉnh số lượng của mỗi Protein cơ định. Nếu như sự đều chỉnh này khơng xuất hiện (…) thì cĩ thể gây độc cho cơ thể sinh vật. Hiệu ứng tiêu cực này đặc biệt nghiêm trọng nếu những thành phần thừa bao gồm diệp lục, bởi vì nĩ nhanh chĩng dẫn tới sự sản xuất singlet oxy (singlet ơxy thường được tạo thành từ nước qua quá trình quang hợp sử dụng năng lượng mặt trời) gây hại cho các thành phần sinh học. Ngồi ra, tồn bộ những phức hợp này phải được điều chỉnh sao cho phù hợp với những chức năng hiệu quả nhất của bộ máy quang hợp. Cuối cùng, sự điều chỉnh (ngắn hạn) của những phức hợp này (do sự phosphoryl hố hay mức caroten) giúp cho việc phân bố năng lượng. (Cơ chế điều chỉnh này đã được trình bày ở chương 5 và chương 7). Từ những lý do đã nêu ở trên, chúng ta thấy rằng tổng hợp và lắp ráp các thành phần quang hợp được điều chỉnh rất chặt chẽ. Mặc dù nhiều chi tiết của hệ điều chỉnh phức tạp này vẫn chưa được hiểu rõ, nhưng chúng ta đã đạt được những tiến bộ đáng kể và một số nguyên tắc tổng quát trở thành điều hiển nhiên. Trái ngược với vi khuẩn quang hợp anoxygenic (đã được trình bày ở trên) về sự kiểm sốt phiên mã qua sự biểu hiện gen (cơ chế tiêu biểu của vi khuẩn), điều này ở vi khuẩn lam và đặc biệt là trong lục lạp cĩ nhiều điểm khác biệt. Những bản sao mARN hạt diệp lục điển hình sống rất lâu, với thời gian bán huỷ từ 6-40 giờ (Kim et al., 1993). Nĩ được so sánh với thời gian bán huỷ mARN trong vài phút của vi khuẩn điển hình và ít hơn một giờ ở vi khuẩn lam. Những nhân tố (chuyển cho mARN hạt diệp lục) xuất hiện từ rất lâu, nằm chủ yếu ở đầu 5’ (ít hơn ở đầu 3’) những vùng khơng dịch mã chỉ ngược dịng từ vùng mã hố của gen. Các nhân tố dịch mã cĩ hạt nhân mã hố kết khơi lại tới những vùng này và điều chỉnh khả năng thơng báo để tương tác với ribosome hạt diệp lục, do đĩ kiểm sốt được tốc độ sản xuất protein được mã hố bởi hạt diệp lục. Như vậy điều khiển sự tổng hợp ở mức tịnh tiến là rất lớn và chủ yếu được kiểm sốt bởi những tín hiệu từ hạt nhân. Một bằng chứng thực tế, việc giảm bớt số lượng bản sao của AND lục lạp bởi một nhân tố của mười chất ức chế bằng cách sử dụng của AND nhân rộng làm giảm mức độ của các bản sao một cách đáng kể nhưng hầu như khơng cĩ hiệu ứng nào liên quan tới tốc độ của sự tổng hợp protein được mã hố bởi hạt diệp lục (Hosler et al., 1989). Ngồi sự kiểm sốt dịch mã, sự giảm phẩm cấp của những protein thừa hoặc thiếu những protein thiết yếu, chúng ta cĩ thể thấy được trong nhiều trường hợp. Chẳng hạn như apo- plastoxyanin, apo- cytochromes và những protein hạt diêp lục khơng cĩ chất màu nhanh chĩng bị giảm sút bởi sự thuỷ phân protein. Mức thứ hai của sự kiểm sốt dịch mã của tốc độ của một số cấu trúc dưới phân tử trong các protein thiếu (hợp bởi những cấut rúc dưới phân tử khác) sẽ được mơ tả ở phái dưới. Cĩ phải diệp lục đã gửi một vài tín hiệu ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen hạt nhân hay khơng? Nhiều gen hạt nhân được điều chỉnh ánh sáng chủ yếu bởi phytochrome và các cơ quan nhận tia sáng xanh, Các hệ thống báo hiệu được điều chỉnh bởi ánh sáng này khơng phải được định vị trong hạt diệp lục. Tuy nhiên, khơng cĩ bằng chứng rõ ràng về việc các tín hiệu được gửi đến hạt nhân cĩ nguồn gốc từ lục lạp (nơi mà chúng ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen hạt nhân) và đĩ cĩ thể là bản dịch của mARN trên ribosome tế bào chất (Goldschmidt-Clermont, 1998). Điều này đặc biệt đúng đối với các gen Lhcb cho các protein anten LHC (cịn gọi là Cab cho các diệp lục a/b. Sự kiểm sốt dịch mã của sự biểu hiện gen hạt diệp lục được hồn thành mở mức độ phân tử như thế nào? Mặc dù nhiều chi tiết của quá trinh điều chỉnh này vẫn chưa được hiểu rõ hết nhưng đã đạt được nhiều tiến bộ (Bruick Mayfield et al., 1999). Sự kiểm sốt dịch mã của sự biểu hiện gen hạt diệp lục được điều chỉnh bởi một lượng lớn các nhân tố protein được mã hố bởi hạt nhân. Những protein hạt nhân này được tổng hợp trên ribosome tế bào chất và được đưa vào trong hạt diệp lục qua các hệ thống đã nêu trên. Sau dĩ, chúng gắn vào vùng khơng dịch mã và ảnh hưởng đến khả năng tương tác của bản sao với ribosome. Các trường hợp nghiên cứu tốt nhất là gen psbA mã hố cho protein D1 của hai trung tâm phản ứng của hệ thống quang hố. Các protein 60,55,47 và 38 kDa được gắn vào vùng khơng dịch mã của gen psbA. Protein 47kDa tương đồng với protein bắt buộc poly A. Protein này kết khối lại tại vùng khơng dịch mã của gen psbA trong một hệ thống nhạy cảm với cả ánh sáng lẫn thế cộng hưởng. Protein 60kDa là một loại enzim đồng phân hố cĩ liên kết disunfit, mối liên kết disunfit cystine làm gảm nhĩm SH trong ánh sáng khi mà tại hạt diệp lục cũng cĩ sự giảm sút này. Protein 60kDa gây giảm lượng liên kết disunfit trên protein bắt buộc 47kDa poly A. Trong trạng thái khử, protein 47kDa kết khối lại tại vùng khơng dịch mã của gen psbA và tăng cường kết hợp với ribosome, tạo thành bản dịch của protein D1. Trong trạng thái tối, thế cộng hưởng cao hơn, liên kết disunfit được thành lập lại, ngăn chặn bản dịch. Ngồi ra, (an ADP- dependent protein kinase phosphorylates the 60kDa protein disulfide isomerase in the dark when ADP level are high). Nĩ khử hoạt tính của enzim đồng phân hố, điều chỉnh sự sao chép của gen psbA. Một số thể đột biến hạt nhân đã bị cơ lập (là ví dụ minh hoạ về sự kiểm sốt dịch mã của sự biểu hiện kiểu gen hạt diệp lục). Những thể này hạ thấp xuống mức protein 47kDa trong diệp lục (mặc dù khơng cĩ đột biến trong cấu trúc gen protein 47kDa). Điều này dẫn đến sự giảm sút trong nhịp độ của bản dịp của gen psbA. Sự ràng buộc psbA mARN tới ribosome gần như phụ thuộc tuyệt đối vào protein 47kDa. Sự ràng buộc và đều tiết ở mức độ phân tử vẫn chưa được hiểu rõ. Trái ngược với trường hợp mơ tả trên trong đó quá trình tịnh tiến và quá trình tịnh tiến sau chi phối sự biểu hiện gen hạt diệp lục. Pfannschmidt et al.(1999) cho thấy chất lượng ánhd sáng (the different spectral distributions of light that can differentalyy drive the two photosystems) ảnh hưởng đến nhịp độ của sự sao chép ở hệ quang hợp 1 và hệ quang hợp 2 và sự khác nhau phiên mã này được phản ánh trong các mức của phức hợp protein hoạt động. (This control was show to be responsive to the redox state of the plastoquinone pool). Những việc trên vẫn chưa được sáng tỏ, hoặc ngay cả khi, những quan niệm về sự điều chỉnh sự biểu hiện gen hạt diệp lục rất khác này cĩ thể được đều hồ. Một mặt, sự nhìn nhận được mơ tả trên, theo đĩ sự điều chỉnh gần như trọn vẹn qua tịnh tiến và tịnh tiến sau, và nhịp độ của sự sao chép khơng phải được điều chỉnh (được hỗ trợ bởi một số ngiên cứu) (Bruick and Mayfield,1999; Wollman et al., 1999). Ngược lại, quan điểm của Allen và cộng sự về hiệu ứng phiên mã là rất cần thiết, chúng là cơ chế thiết yếu của sự điều chỉnh sự biểu hiện gen hạt diệp lục qua những hiệu ứng oxy hố- khử trên những nhịp độ phiên mã (Allen et al.,1995;Pfannschmidt et al.,1999; Allen and Pfannschmidt,2000). VII. SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA PHÉP TÍNH HỢP THỨC PROTEIN THIẾU HỢP BỞI CƠ CHẾ NHỮNG CES: Trong nhiều trường hợp, mức độ tích tụ của các tiểu đơn vị của một đa protein được kiểm sốt bởi một trong những thành phần tổng thể, được gọi là tiểu đơn vị thống lĩnh. Các tiểu đơn vị khác đáp ứng với mức độ tích tụ, đặc biệt, tỷ lệ của chúng tổng hợp được giảm bớt nếu các tiểu đơn vị chi phối là khơng cĩ mặt hoặc cĩ mặt với số lượng giảm. Các tiểu đơn vị phụ thuộc được điều khiển bởi tổng hợp eptistatic (CES) và do đĩ được chỉ định cấu trúc dựa trên CES. Trong hầu hết phức chất đa protein thiếu hợp của những màng quang hợp, tính trội và những cấu trúc CES được tìm thấy. ( Wollman etal, 1999). VÍ DỤ: Protein D2 của trung tâm phản ứng phức hệ 2 là các tiểu đơn vị chi phối, và các protein D1 là tiểu đơn vị CES. Lần lượt, Protein D1 thì trội đối với anten CP 47 phức tạp. Trong một trường hợp cơ chế tác dụng CES được hiểu tương đối tốt. Cytocrome f là CES tiểu đơn vị trong lắp ráp cytocrome b6 f phức tạp. Cytocrome b và tiểu đơn vị IV là các tiểu đơn vị chi phối, nếu cytocrome f khơng lắp ráp thành một thành phần phức tạp, thì một phần C-terminal của protein liên kết với các khu vực chưa được dịch 5 'của RNA thơng tin của nĩ, sẽ ức chế sự tương tác của nĩ với các ribosome. Nhiều bằng chứng cho rằng những hiệu ứng CES đã thu được từ tảo lục Chamydomonas, là một hệ thống mơ hình tuyệt vời cho sự nghiên cứu của sự biểu hiện gen của sinh vật quang hợp nhân chuẩn. Để phát triển cao hơn nữa những nghiên cứu từ tảo lục Chamydomonas người ta đã ứng dụng vào thực vật lớp cao, và kỳ vọng rằng cùng với những nguyên tắc tổng quát, sẽ vận hành trong những hệ thống này nữa. CHÂN THÀNH CẢM ƠN!!!!!