Sinh học - Chương IV: Sự biến dưỡng protein và amino acid

1Chương IV SỰ BIẾN DƯỠNG PROTEIN VÀ AMINO ACID 1. Vai trò và đặc điểm của biến dưỡng protein 2. Sự tiêu hóa protein và hấp thu amino acid 3. Sự biến dưỡng trung gian của amino acid 4. Quá trình sinh tổng hợp protein 5. Sự điều hòa biểu hiện gene 6. Biến dưỡng các protein phức tạp 7. Rối loạn biến dưỡng protein 1. VAI TRÒ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA BIẾN DƯỠNG PROTEIN • 1.1. VAI TRÒ • - Tổng hợp các protein cấu trúc -> xây dựng mô bào -> sinh vật sinh trưởng và phát triển. • - Tổng hợp các protein phi cấu trúc -> là các chất có hoạt tính sinh học cần cho mọi hoạt động sống : enzyme, hormone, kháng thể . • - Khi oxy hóa protein có thể cung cấp 10-15% nhu cầu năng lượng của cơ thể. • - Lưu ý giá trị sinh vật học của protein thức ăn có nguồn gốc động vật (thịt, trứng, sữa) và protein thức ăn có nguồn gốc thực vật 1.2. ĐẶC ĐIỂM
: Về sự ấp thu AA: ở ruột non các amino acid được hấp thu theo một tương quan số lượng nhất định, phần còn thừa của một amino acid nào đó nằm ngoài tương quan sẽ bị đào thải -> khẩu phần cần có tỷ lệ các amino acid thiết yếu phù hợp với đặc điểm hấp thu của từng loài. AA giới hạn 2
Cơ thể động vật không dự trữ protein mà tùy theo lứa tuổi, tùy giai đoạn sinh trưởng và trạng thái sinh lý mà có sự cân bằng nhất định giữa lượng protein thu vào và thải ra. Sự cân bằng này được thể hiện qua chỉ số gián tiếp là “cân bằng nitrogen” : CÂN BẰNG N = ∑N THU VÀO - ∑N THẢI RA Ba trạng thái căn bằng có thể gặp :  Cân bằng dương : ∑N thu vào 〉 ∑N thải ra -> đồng hóa 〉 dị hóa (đv non đang phát triển)  Thăng bằng ∑N thu vào = ∑N thải ra -> đồng hóa = dị hóa (động vật trưởng thành)  Cân bằng âm ∑N thu vào 〈 ∑N thải ra -> đồng hóa 〈 dị hóa (động vật già)
Lượng protein tối thiểu cho một số loài động vật 1 - 1.50Người 1.00Bò sữa (đang cho sữa) 0.60 – 0.70Bò sữa (khô sữa–cạn sữa) 0.70 – 1.42Ngựa 1.00Heo 1.00Cừu Lượng protein tối thiểu (gr pro/kg P / ngày đêm)Loài động vật 32.TIÊU HÓA PROTEIN
Tiêu hóa protein ở dạ dày
Tiêu hóa protein ở ruột non
Tiêu hóa protein ở ruột già
Sự phân hủy protein mô bào
Đặc điểm tiêu hóa protein ở thú nhai lại
TIÊU HÓA Ở DẠ DÀY - Pepsinogen HCl + pepsin Pepsin + Peptide Protein Albumose + Peptone + A. acid - Chimosin (rennin) : enzyme làm đông vón sữa Caseinogen (hòa tan) Ca++ Caseinate calci (vón) - Trypsinogen Enterokinase Trypsin - Chimotrypsinogen Enterokinase Chimotrypsin Protein Peptide và amino acid -Các peptidase : Aminopeptidase Carboxypeptidase amino acid Dipeptidase
TIÊU HÓA Ở RUỘT NON : các enzyme do vách ruột và tuyến tụy tiết ra : Các enzyme thủy phân protein trong dịch tiêu hóa 1 2 3 5 64H2N COOH Đầu N Đầu C Amino- peptidase (ruột non) Pepsin (dạ dày) Trypsin (tụy) 1 : Glu 2 : Tyr, Phe Chymotripsin (tụy) 3 : AA kiềm (Arg, Lys) 5 : Tyr, Phe Leu, Met Carboxypeptidase (tụy) Endopeptidase Exopeptidase 4
TIÊU HÓA Ở RUỘT GÌA : quá trình tiêu hóa xảy ra do tác động của các enzyme từ ruột non đưa xuống và do tác động của vi sinh vật.  Qúa trình lên men (chủ yếu ở manh tràng) : do các vi sinh vật hữu ích lên men cellulose và các chất bột đường chưa tiêu hóa ở ruột non đưa xuống : . các acid béo bay hơi -> hấp thu qua thành ruột gìa, theo máu đến gan, . các chất khí -> đánh hơi qua hậu môn.  Loài ăn cỏ dạ dày đơn (ngựa, thỏ) manh tràng rất phát triển, 40-50% cellulose được tiêu hóa ở đây.  Qúa trình thối rữa : vi khuẩn gây thối rữa (trực khuẩn E.coli) phân hủy protein còn sót lại chưa tiêu hóa từ ruột non đưa xuống tạo ra nhiều chất độc và chất khí có mùi hôi :phenol, cresol, indol, scatol, H2S, CO2, CH4.  Các chất trên ngấm vào máu, gây độc cho cơ thể. Chúng được khử độc ở gan bằng cách thành lập các hợp chất kép với acid glucuronic hoặc gốc sulfate và thải theo nước tiểu dưới tên hợp chất indican -> sử dụng chỉ tiêu này khi thăm dò chức năng khử độc của gan.  Loài ăn thịt : qúa trình thối rữa > lên men -> phân thối. Loài ăn tạp : tùy thuộc thành phần thức ăn. HẤP THU SẢN PHẨM TIÊU HÓA PROTEIN - Lịng ruột : AA và một ít peptide ngắn 4-8 a.a.. - Trên vách ruột : Peptide đi qua màng nhung mao niêm mạc ruột non p/g→ di , tri-peptide, - các peptide này cùng với AA đi vào cytosol của tế bào lớp biểu bì nhờ vật tải ATPase-Na+, → AA. - Như vậy sản phẩm tiêu hóa protein được hấp thu có mặt trong tĩnh mạch cửa đều là amino acid. - Nói chung các AA được hấp thu theo cơ chế vận chuyển ngược bậc thang nồng độ, cần tiêu tốn năng lượng. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT TẾ BÀOỐNG TIÊU HÓA Peptid Protein Tiêu hóa Hấp thu Amino acid Protein CO2, H2O Urea, NL, SP sinh học quan trọng 5SỰ PHÂN HỦY PROTEIN MÔ BÀO
Đây là qúa trình phân hủy để đổi mới mô bào cũng như các chất có hoạt tính sinh học (enzyme, hormone, kháng thể)
Được thực hiện nhờ các cathepsin của mô bào.
Thời gian đổi mới của các mô bào khác nhau, được thể hiện qua chỉ số “chu kỳ bán rã”. Thí dụ : gan : 8 -12 ngày đêm, protein huyết tương : 18 -45 ngày đêm enzyme, hormone có thể đổi mới từng giờ.
Sự phân hủy mô bào tạo nguồn amino acid nội sinh, tham gia qúa trình chuyển hóa. ĐẶCĐIỂM TIÊU HÓA PROTEIN Ở THÚ NHAI LẠI
Ở dạ dày trước : xảy ra qúa trình cơ bản tiêu hóa protein và các chất chứa N phi protein (NPN - non protein nitrogen) nhờ enzyme của vi sinh vật.
Ở dạ múi khế : 20-30% protein chưa tiêu hóa ở dạ cỏ được đưa xuống dạ múi khế (còn gọi là bypass protein) và được tiêu hóa như ở dạ dày đơn (dịch tiêu hóa dạ múi khế chưa HCl, rennin và pepsin). Các vi khuẩn Bacteroides và Peptostreococus phân giải protein -> peptide, amino acid và NH3 tự do. Các sản phẩm này được vi khuẩn sử dụng một phần để sinh sôi phát triển và đa phần amino acid tham gia vào các phản ứng biến dưỡng trung gian ở dạ cỏ.
Hệ vi khuẩn dạ cỏ có khả năng phân hủy và sử dụng các chất NPN để tổng hợp thành amino acid cho chúng sử dụng. Khi xuống dạ múi khế, protein vi sinh vật là nguồn cung protein có giá trị sinh vật học cao quan trọng cho thú nhai lại. Chất NPN quan trọng, thường được sử dụng bổ sung vào thức ăn thú nhai lại là urea (50-70g/bò/ngày): NH2 C = O CO2 + 2 NH3 NH2 NH3 được vi khuẩn sử dụng trong phản ứng amin hóa- hoàn nguyên các alpha keto acid để tạo thành amino acid. Đây là con đường biến đổi N vô cơ thành N hữu cơ rất quan trọng trong dạ cỏ. Urease VSV 3. SỰ BD TRUNG GIAN CỦA AMINO ACID 3.1. Sự tổng hợp aminno acid  Cơ chế chuyển amin ở mô bào động vật;  Cơ chế amine hóa–hoàn nguyên các α- ketoacid bởi NH3 ở vi sinh vật và thực vật 3.2. Sự thoái biến của amino acid  Sự khử amine của amino acid  Sự khử carboxyl của amino acid 3.3. Các đường hướng đào thải NH3 63.1. SỰ TỔNG HỢP AMINO ACID
CƠ CHẾ CHUYỂN AMIN Ở MÔ BÀO ĐV -Chỉ tổng hợp được các amino acid không thiết yếu α - A.acid - α-Ketoglutarate αAA mới - Oxaloacetate -> Asp -Pyruvate -> Ala α -Ketoacid GLUTAMATE α-Ketoacid mới -NH2 -NH2
Phản ứng tổng quát : R R’ R R’ CH-NH2 + C = O C = O + CH-NH2 COOH COOH COOH COOH α-Aminoacid α-Ketoacid α-ketoacid α-aminoacid mới mới
Hai hệ thống transaminase quan trọng trong mô bào đ/v : - GOT : Glutamate Oxaloacetate Transaminase - GPT : Glutamate Pyruvate Transaminase Aminotransferase -CH2O–HO- H3C- N CHO CH2-NH2 Pyridoxamine P -CH2O–HO- H3C- N P COOH (CH2)2 H2N-CH-COOH COOH (CH2)2 O=C-COOH CH3 O=C-COOH CH3 H2N-CH-COOH PyridoxalphosphateGlutamate Alanine Pyruvateα- Ketoglutarate Hình 4.6 : Sự chuyển amine của GLUTAMATE- PYRUVATE -TRANSAMINASE 7
Cơ chế amin hóa–hoàn nguyên các α- ketoacid bởi NH3 ở vi sinh vật và thực vật: R R NAD+ R’ C =O + NH3 C = NH NADH+H+ CH-NH2 COOH H2O COOH COOH α-Ketoacid Iminoacid α-Aminoacid -Đây là con đường biến đổi N vô cơ thành N hữu cơ ở thực vật và vi sinh vật. - Trong mô bào động vật con đường trên có thể xẩy ra ở gan, thận. - Để tổng hợp AA thiết yếu cần 5-15 bước, AA không thiết yếu < 5 bước. 3.2. SỰ THOÁI HÓA CỦA AMINO ACID 3.2.1. Sự khử amine của amino acid (1) Khử amin-oxy hóa trực tiếp (2) Khử amin gián tiếp qua giai đoạn chuyển amin (3) Sự oxy hóa sườn C của amino acid 3.2.2. Sự khử carboxyl của amino acid • (20 AA) α-Ketoacid R-CH-COOH NH2 R-C -COOH O CO2, H2O, NL NH2 O = C NH2 CT Krebs Chuyển amine Transaminase Nhóm NH2 của glutamate Nhóm NH2 của aspartate 1 Khử amine L.Glutamate dehydrogenase NH3 Khử amine Nhóm NH2 của glutamine Glutamine synthetase 3 4GAN UREA THOÁI HÓA CHUNG CỦA AMINO ACID 2 5 3.2.1. SỰ KHỬ AMINE (1) SỰ KHỬ AMIN-OXY HÓA TRỰC TIẾP Mục đích : phân hủy các amino acid sinh ra từ sự phân hủy đổi mới mô bào; cũng là phương thức p/h AA để lấy năng lượng • Sơ đồ của sự khử amine trực tiếp (H 4.7, T.103) 8COOH (CH2)2 H2N-CH-COOH COOH (CH2)2 O=C-COOH CH3 O=C-COOH CH3 H2N-CH-COOH Glutamate Alanine Pyruvate α- Ketoglutarate NH3 Ammonia NAD(P)H + H+ Glutamate dehydrogenase NAD(P)+ (2) SỰ KHỬ AMINE GIÁN TIẾP QUA GIAI ĐOẠN CHUYỂN AMINE (H.4.8 , T.104) GĐ chuyển amine GĐ khử amine Alanine transferase (3) SỰ OXY HÓA SƯỜN C CỦA AMINO ACID (H.4.11, T.108) (1) (2) (3) (4) (5) 3.2. 2. SỰ KHỬ CARBOXYL CỦA AMINO ACID
Trong mô bào động vật chỉ có một số amino acid bị khử carboxyl tạo ra các amin hữu cơ có hoạt tính sinh học. Enzyme xúc tác là decarboxylase có coenzyme là pyridoxal phosphate : R – CH – COOH CO2 + R – CH2 NH2 NH2 Decarboxylase Amino acid Amin hữu cơ (pyridoxal P) 9CH2-SH CH2-SO3H CH2-SO3H CH-NH2 CH-NH2 CH2-NH2 COOH COOH Cysteine A.cysteinic Taurine + 3/2O2 - CO2 3.3. CÁC CON ĐƯỜNG ĐÀO THẢI NH3 • Nguồn gốc của NH3 trong mô bào : • - Từ sự khử amine của amino acid, • - Từ sự phân giải các gốc base của sự trao đổi nucleic acid • NH3 tích tụ trong mô bào -> rối loạn cân bằng acid- base -> trúng độc kiềm -> ảnh hưởng hệ thần kinh -> tê liệt, hôn mê, có thể dẫn đến tử vong. Ba phương cách chủ yếu loại thải ammonia :
THÀNH LẬP MUỐI AMMONIUM NH4+ + R – COOH R – COO-NH4
TỔNG HỢP CÁC AMIDE Ở NÃO - Với glutamate -> glutamine - Với aspartate -> asparagine
TỔNG HỢP UREA THEO CHU TRÌNH ORNITHINE Ở GAN 10 Hình 4.9 : Phản ứng tổng hợp glutamine ở gan COOH (CH2)2 H2N-CH-COOH Glutamate NH3 Ammonia Glutaminase COOH (CH2)2 H2N-CH-COOH Glutamate O=C- NH2 (CH2)2 H2N-CH-COOH Glutamine Glutaminsynthease H2OADP + Pi + H2O ởû não + ATP UREA SỰ TỔNG HỢP UREA Ở GAN (chu trình ornithine của Krebs và Henseleit) • Urea được tạo thành ở gan qua 5 bước : 1. TL carbamyl phosphate do sự gắn NH3 tự do với CO2 nhờ xúc tác của carbamyl phosphate synthetase ở trong matrix của ty thể. ATP cung cấp năng lượng. 2. Chuyển nhóm carbamyl phosphate tới ornithine tạo thành citruline nhờ ornithine carbamyl transferase (OCT) ở trong matrix của ty thể. 3. Tạo thành argino-succinate ở tế bào chất do sự kết hợp của citruline với aspartate, Enzyme xúc tác là argino-succinate synthetase, ATP cung cấp năng lượng. 4. Phân ly argino-sucinate thành arginine và fumarate nhờ argino-succinase (ligase). 5. Tạo urea : arginase thủy phân arginine tách urea ra và tái tạo lại ornithine -> có tên “chu trình ornithine”. H2N-CH-COOH CH2 CH2 CH2 NH2 H2N-CH-COOH CH2 CH2 CH2 NH C HN NH2 COOH CH2 H2N–CH - COOH H2N-CH-COOH CH2 CH2 CH2 NH C H2N O NH3 + CO2 + 2ATP + H2O Carbamyl phosphate synthetase H2N – COO ~ Carbamine-PP Ornithyl-Carbamyl transferase COOH CH2 N–CH - COOH H2N-CH-COOH CH2 CH2 CH2 NH C H2N COOH CH CH COOH Fumarate O C H2N NH2 UREA Arginase H2O Arginine Arginosuccinase ATP AMP + H4P2O7 Arginosuccinate synthetase Aspartate Arginosuccinate ORNITHINE 2ADP + Pi Citruline CHU TRÌNH ORNITHINE (1) (2) (3) (4) (5) 11 4. SINH TỔNG HỢP PROTEIN DNA Pre-mRNA snRNA mRNA rRNA tRNA PROTEIN TRANSCRIPTION (mRNA synthesis) - Sao mã từ DNA→ Pre-mRNA - Processing Pre-mRNA → mRNA TRANSLATION (protein synthesis)  1959 - ARTHUR KORNBERG (cha) : Giải Nobel Y học về cơ chế tổng hợp DNA.  2006 - ROGER KORNBERG (con) : Giải Nobel hĩa học về cơ chế sao chép thơng tin di truyền từ DNA → RNA ở eukaryotic cell.  2006 – ANDREW FIRE & CRAIG MELLO : Giải Nobel Y học về cơ chế điều khiển dịng thơng tin của gene qua RNA (phát hiện được cơng bố từ 1998). H4.18 : Lý thuyết trung tâm của sinh học phân tử (2) (1) (3) (2’) (1’) (1)Sao chép TTDT từ DNA bố mẹ sang DNA con; (2)Chuyển đổi mã di truyền từ DNA sang RNA – qúa trình phiên mã (transcription); (3) Dịch mã di truyền (translation) : TTDT từ mRNA được chuyển sang trình tự sắp xếp đặc hiệu của 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 12 Các hiểu biết trên đây chính là nền tảng cho sự ra đời và phát triển của công nghệ DNA tái tổ hợp – hiện là nền tảng cho sự ra đời và phát triển như vũ bão của ngành Công nghệ sinh học hiện đại. 46 SINH TỔNG HỢP PROTEIN 4.1 CÁC YẾU TỐ THAM GIA - DNA - CÁC RNA - RIBOSOME - NĂNG LƯỢNG (ATP & GTP) - CÁC AMINO ACID 4.2. TIẾN TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN - TÁI BẢN DNA - SAO CHÉP MẬT MÃT - GIẢI MÃ DI TRUYỀN Ở RIBOSOME 4.1. CÁC YẾU TỐ THAM GIA DNA –Cấu trúc xoắn kép của DNA. –Tính chất của DNA. –Vai trò - Bảng mã di truyền. –Chromosome CẤU TẠO DNA . Xoắn kép : Hai chuỗi polynucleotide xoắn kép, . Đối song : một sợi hướng 5’→ 3’ (trên xuống) sợi kia 3’→ 5’ (dưới lên) . Bổ sung : Purine (G) Pyrimidine (C) Pyrimidine (T) . Purine (A) 13 TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CỦA DNA
DNA cĩ khả năng tự tách đơi và tái bản nhân đơi theo nguyên tắc bán bảo thủ→ bảo tồn đầy đủ TTDT khi tế bào phân chia.
DNA cĩ khả năng sao mã, tổng hợp nên các p/t mRNA tương tự chúng (theo nguyên tắc bổ sung, thay T trên DNA bằng U trên mRNA) → TTDT được sao chép chính xác từ DNA sang khuơn thứ cấp mRNA, mRNA trực tiếp làm khuơn mẫu t/h protein ở ribosome → TTDT mã hố trong nhân được biểu thị thành các tính trạng của sinh vật.  CHỨC NĂNG CỦA DNA
Trong hầu hết các sinh vật DNA giữ vai trị bảo tồn và truyền đạt TTDT từ thế hệ này sang thế hệ khác Chỉ ở một số lồi virus chức năng này được đảm nhận bởi RNA. TTDT từ DNA → enzyme → E kiểm sốt các đặc điểm cơ bản của quá trình TĐC → biểu hiện các tính trạng của sinh vật.
Mỗi bộ ba nucleotide (triplet-codon) mã hĩa một AA. 4 loại gốc base → 64 codon :  Codon mở đầu (xác định khung đọc mật mã) : AUG - Met  Codon mã hĩa : 60 codon/20 AA  Codon chấm dứt (3 codon vơ nghĩa) : UAG, UAA & UGA BẢNG MÃ DI TRUYỀN 14
CÁC RNA Messenger RNA (m.RNA) Transfer RNA (t.RNA) Ribosomal RNA (r.RNA) :Kết hợp với protein -> ribosome (ribonucleoprotein)
Messenger RNA (m.RNA) : được sao chép từ sợi template của DNA theo nguyên tắc bắt cặp bổ sung -> mang TTDT đến ribosome
Transfer RNA (t.RNA) : - Đầu 3’ liên kết với amino acid để vận chuyển - DHU (dihydrouracil) loop : nhận biết enzyme - Tϕ C (thymine pseudouridine cytidine) loop : nhận biết ribosome đang hoạt động (ϕ = 5-ribosyl uridilic acid – uridilic acid giả) - ANTICODON loop : tìm codon mã hóa AA trên mRNA t.RNA
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
Các amino acid 15 P site A site 60S (50S) -> 40S (30S) -> mRNA 3’5’ 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 5.2. TIẾN TRÌNH TỔNG HỢP PROTEIN
TÁI BẢN DNA (DNA replication )
SỰ TRUYỀN MÃ TỪ DNA SANG mRNA (transcription)
GIẢI MÃ DI TRUYỀN (translation - tiến trình tổng hợp protein ở ribosome) (1). DNA REPLICATION Sao chép TTDT từ DNA bố mẹ sang DNA con -> bảo tồn nguyên vẹn TTDT khi tế bào phân chia
Nguyên tắc : sợi template được đọc từ 3' -> 5', • sợi DNA được tổng hợp từ 5‘ -> 3'
Các đặc tính - Bán bảo thủ (một sợi mới bổ sung với sợi cũ), - 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 16
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, dTTP, dCTP vàdGTP) Các yếu tố thực hiện qúa trình tái bản Sự tái bản DNA ở eukaryote 64Sự tái bản 2 sợi DNA theo mô hình của Kornberg (1988) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 17 (2). TRANSCRIPTION Chuyển đổi mã di truyền từ DNA sang RNA (qúa trình phiên mã, truyền mã)
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 Hình 4.19 : Sao chép và dịch MMTTDT (t.118)
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 18
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’  thêm đuôi poly A ở đầu 3’,  Splicing :loại bỏ introns và nối các exons -> mature m-RNA Eukaryote monocistronic- mRNA (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  Năng lượng (ATP và GTP) 19 Qúa trình dịch mật mã trải qua 4 giai đoạn: - GĐ 1: tRNA charging : gắn AA vào tRNA - GĐ 2: Initiation : thành lập tổ hợp mRNA, ribosomes và aminoacyl- tRNA. - GĐ 3: Elongation : đọc mã (codon) và dịch sang chuỗi peptide có trật tự aminoacid tương ứng. - GĐ 4: Termination : chấm dứt tổng hợp protein) Bảng 4.10: Các yếu tố protein hoà tan trong sinh tổng hợp protein ở E. coli Kích thích sự liên kết RF –1 và RF -246RF -3 Ghi nhận codon chấm dứt UAA và UGA38RF -2 Ghi nhận codon chấm dứt UAA và UAG36RF -1 Các yếu tố phóng thích (Releasing factor) Xúc tiến sự chuyển vị của ribosome77EF -G Tách GDP từ EF -Tu74EF -Ts Liên kết với aminoacyl-t.RNA và GTP43EF -Tu Các yếu tố nối dài chuỗi polypeptide (Elongation factor) Gắùn tiểu đơn vị 30S vào m.RNA tại codon mở đầu22IF -3 Gắùn t.RNA mở đầu và GTP vào codon khởi dẫn97IF -2 Trợ giúp cho sự kết hợp 2 tiểu đơn vị ribosome9IF -1 Các yếu tố mở đầu (Initiation factors) Chức năngPTT (kD)Yếu tố
GĐ 1 : gắn amino acid với tRNAs đặc hiệu  enzyme (aminoacyl synthetase) nhận diện cả amino acid và tRNA  Phản ứng có tính đặc hiệu cao  Tiêu tốn năng lượng (ATP)
Bước hoạt hóa : R–CH–COOH + ATP R–CH–CO ∼ AMP NH2 NH2 Amino acid Aminoacyl adenylate Aminoacyl synthetase - H4P2O7 t RNA AMP AA
Bước gắn amino acid vào tRNA -> tRNA- aminoacyl Anticodon 3 – 2 - 1 Codon 1 – 2 - 3 20 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  Initiation factor (IF1, IF2 & 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 ribosome. f Met-tRNA ở P site, A site trống. Khởi dẫn tổng hợp protein 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 21 Hình 4.28 : Tiếp tục nối dài mạch peptide 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 -> ribosome trượt hết mRNA và trở thành bất hoạt Chấm dứt tổng hợp polypeptide - 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) 22 Hoạt động của polyribosome 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 thuộc t/p lac operon) : mã hóa protein ức chế. 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 allolactose (H 4.33). Hình 4.25 : Lac operon Cistrons H 4.26 : Hoạt động “đóng” và “mở” của lac.operon 23 H 4.26 : Hoạt động “đóng” và “mở” của lac.operon Gene “mở” khi cĩ mặt chất cảm ứng allolactose 5.2.. KIỂM SOÁT BIỂU HIỆN GENE Ở EUKARYOTES Ng/tắc kìm hãm và cảm ứng điều hòa ở prokaryotes được áp dụng cho eukaryotes. Ở eukaryotes có một số đặc điểm :  Các gene không tổ chức thành operon, mà các gene họ hàng tổ chức thành gia đình.  Có các exons (vùng mã hóa) xen kẽ introns (vùng không mã hóa  Histone liên kết với gene -> điều hòa hoạt động gene ở giai đoạn phân chia tế bào.  DNA eukaryotes chứa nhiều đoạn lặp lại vô nghĩa. Điều hòa biểu hiện gene là cơ sở của sự phát triển sinh học và tạo ra tính đa hình của tế bào trong các tổ chức khác nhau.
Điều hịa biểu hiện gene ở eukaryote xẩy ra ở nhiều giai đoạn :  GĐ sao chép;  GĐ sau sao chép;  GĐ trong và sau dịch mật mã;  Biên tập lại protein sau khi tổng hợp. 24 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 giàu A và T, hoặc giàu C và G). - Vùng mã hóa: gồm các exon và các intron xen kẽ nhau. Các yếu tố tham gia điều hòa khởi dẫn sao chép
Kiểm sốt sao chép mã
Kiểm soát biểu hiện gene sau sao chép :  Gắn mũ 7 methyl GMP ở đầu 5’;  Thêm poly A ở đầu 3’ : giúp mRNA ra khỏi nhân và bảo vệ mRNA trong qúa trình dịch mã.  RNA splicing : các introns được “cắt bỏ” và các exons được “ráp nối” .  Tế bào “cắt-ráp” theo nhiều cách -> tạo nên nhiều phân tử mRNA khác nhau từ cùng một bản sao mRNA sơ cấp -> có thể có hai hay nhiều kiểu polypeptide từ một gene duy nhất.
Kiểm soát biểu hiện gene trong và sau dịch mã  Các yếu tố kéo dài (EF-Tu, EF-Ts, EF-G) : đó là các protein chuyên biệt thuộc họ protein G (chỉ hoạt động khi liên kết với GTP thay vì ATP, chúng cũng có hoạt lực GTPase, thủy giải GTP ->cung cấp năng lượng cho quá trình dịch mã, tổng hợp protein. Thí dụ điển hình là sự kiểm soát tổng hợp hemoglobin bởi nhóm heme trong hồng cầu lưới (hình 4.39). 25 Hình 4.29 : Heme kiểm soát tổng hợp globin ở hồng cầu lưới 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). b Hình 4.30 : Proinsulin (a) và insulin (b) a Một số chất ức chế các tiến trình ở ribosome Protein thực vật có độc tính tác động làm bất hoạt tiểu đơn vị 60S ribosome eukaryotic Ricin / abrin Tác động làm bất hoạt yếu tố eEF-2 bởi sự phosphoryl hoá –ADPDiphtheria toxin Ức chế sự liên kết aminoacyl-t.RNA vào tiểu đơn vị 30S ribosome prokaryoticTetracycline 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 Streptomycin Cấu trúc tương tự như aminoacyl-t.RNA gây ra sự chấm dứt tổng hợp protein sớm ở prokaryotic và eukaryotic Puromycin 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 Fusidic acid Ức chế sự chuyển dịch của tiểu đơn vị 50S ribosome prokaryoticErythromycin Ức chế peptidyl transferase trên tiểu đơn vị 60S ribosome eukaryoticCycloheximide Ức chế peptidyl transferase trên tiểu đơn vị 50S ribosome prokaryoticChloramphenicol Tác động sinh họcChất ức chế 26 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 - Sự thoái biến gốc kiềm purine và pyrimidine Myoglobin Cytochrome Hemoglobin TỔNG HỢP HEMOGLOBIN HỒNG CẦU CHẾT (LÁCH, GAN) HEMOGLOBIN (đỏ) Verdo hemoglobin (xanh) Mở vịng pyrrol I - II BILIRUBIN TỰ DO (sắc tốmật) khơng hịa tan, đc, thận khơng thải, phải đưa về gan xử lý BILIVERDIN Globin A A t/t chuyn hĩa Sắt (d tr! " gan và tái s& d'ng) NADPH + H+ NADP+ SỰ PHÂN HỦY HEMOGLOBIN BILIRUBIN KẾT HỢP hịa tan trong nước, khơng độc, đổ vào túi mật, thải cùng muối mật vào ruột
Ở GAN BILIRUBIN + 1 (2) GLUCURONIC A
Ở RUỘT  50% thải theo phân (STERCOBILIN, sterco – phân)  50% theo tĩnh mạch cửa về gan : - khoảng 40% biến đổi trở lại thành bilirubin kết hợp - khoảng 10% theo máu đến thận thải theo nước tiểu (UROBILIN, uro - nước tiểu) 27 BIẾN DƯỠNG NUCLEOPROTEIN • TỔNG HỢP NHÂN PURINE NH3 + GLUTAMATE N NHNH HN O O O N NH N N HO OH OH Adenine N N NN N N NHNH HO OHOH H2N N NHN N N NH N N NH2 OH Guanine H2O H2O NH3 H2O NH3 XanthineHypoxanthine Uric acid (dạng ketone) Uric acid (dạng enol) + H2O SỰ THOÁI BIẾN BASE PURINE  Acid uric là sản phẩm đào thải N chủ yếu của lồi cầm, chim và bị sát (đẻ trứng).  NH3 sinh ra từ sự khử amin của amino acid ở gia cầm sẽ kết hợp với glutamate → glutamine → tham gia tổng hợp nhân pyrine → thối biến thành acid uric.  Acid uria thải theo phân gia cầm dưới dạng muối urate Na (vết màu trắng, khơng tan).  Trong máu các động vật khác cũng cĩ acid uric nhưng với hàm lượng thấp (khoảng 0,1 mg% ở heo, thay vì 3 mg% ở gà).  Ở người nếu muối urate lắng đọng nhiều ở vùng các khớp gây ra bệnh “gut”. 28 8. RỐI LOẠN BIẾN DƯỠNG PROTEIN 1) Sự thiếu về số lượng và chất lượng protein trong khẩu phần. 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, α, β, γ - 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).