Đề tài Sinh tổng hợp protein

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÀI BÁO CÁO HÓA SINH THỰC PHẨM ĐỀ TÀI SINH TỔNG HỢP PROTEIN Lớp: HC05TP { Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Bích Lam { Sinh viên thực hiện: HC06TP QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN MỤC LỤC Trang A- Giới thiệu chung về protein 3 B- Các chức năng của protein trong cơ thể: 3 C- Quá trình tổng hợp protein. 3 I- Gốc kiềm nitơ dị vòng: (các base chứa nitơ) 4 1.Pyrimidine: 4 2. Purine: 5 II- Đường pentose: 5 III- Nucleoside: 5 IV- ADN:( Deoxyribo Nucleotide Acid) 6 1.Cấu trúc cấp I của ADN 6 2. Cấu trúc cấp II cua ADN 6 V- ARN(Ribonucleic Acid): 7 1.Ribosome và polyribosome: 8 a)Ribosome 8 b) Polyribosome 8 2.mARN (ARN thông tin): 9 a)ARN thông tin: 9 b)Bản chất mã di truyền: 9 3. tARN(ARN vận chuyển) 11 a) Cấu trúc tARN : 11 b) tARN nhận biết codon: 12 4. Aminoacyl-tARN synthetase: 13 5.Sự cản đột biến: 13 D- Quá trình sinh tổng hợp protein 14 I- Sự phiên mã 14 1. Sự phiên mã ở nhóm sơ hạch 15 2. Sự phiên mã ở nhóm chân hạch 16 3. Vai trò của ribosome thế 20 4. Vai trò của tARN 23 5. Chu kỳ giải mã 24 6. Các chất ức chế dịch mã 27 a)Kháng kháng sinh 27 b)Puromycin 28 7.Ức chế tổng hợp protein eukaryote 28 8.Việc tổng hợp protein ở các bào quan. 29 II.Những sự kiện sau dịch mã của tổng hợp protein 30 1. Dạng tiền thân của protein 30 2.Tổng hợp các protein bài tiết . 30 Sinh tổng hợp protein – ¬ — A- Giới thiệu chung về protein Trong tề bào có hàng nghìn loại protêin có chức năng sinh học khác nhau và chiếm một tỉ lệ khá lớn trong chất khô của động vật. Protêin là sợi polypeptyde dài từ hàng trăm đến hàng nghìn amino acid nối nhau bằng liên kết peptyde gồm có hai loại: Protein thuần :chỉ chứa amino acid Protein tạp: ngoài amino acid còn có các thành phần khác như các ion kim loại hay các nhám ngoại. Tất cả các protein đều tạo thành từ 20 loại amino acid nhưng chính sự khác nhau về thành phần và thứ tự sắp xếp đã tạo nên sự đa dạng và quyết định tính chất cũng như hoạt tính sinh học của pritêin. Protein gồm có 4 cấu trúc chính :cấu trúc bậc 1, bậc 2, bậc 3 và bậc 4 trong đó bậc 3 và bậc 4 có chức năng sinh học. B- Các chức năng của protein trong cơ thể: Chức năng xúc tác:là thành phần chính cấu tạo nên nhiều enzym tham gia xúc tác đa số phản ứng quan trọng tron g cơ thể. Chứ c năng vận chuyển: hêmolôbin vận chuyển oxi từ phổi đi khắp cơ thể, protein huyết tương, protein vận chuyển lypid…. Chức năng dự trự: protein trong các loại hạt thực vật, trứng, sữa…. Chức năng vận động: làm khung vận động cho mô cơ và rất nhiều tế bào khác Chức năng cấu trúc: làm khung và giá đỡ cho tế bào và cơ thể, cấu tạo các sợi, tóc,móng, lông vũ…. Chức năng bảo vệ: protein immunoglobumin làm nhiệm vụ tiêu diệt vi khuẩn, virus các protein gây đông máu…. Chức năng điều hoà: các hoocmon điều hoà các quá trình trong cơ thể, điều hoà cơ chế tiết hoocmon… Tóm lại, protein đóng một vai trò đặt biệt quan trọng trong cơ thể, có thể nói rằng hầu hết các quá trình hay phản ứng chuyển hoá trao đổi chất đều không thể thực hiện được nếu không có sự tham gia của protein. C- Quá trình tổng hợp protein. Định nghĩa: là quà trình hình thành một protein mới từ nhiều amino acid với thành phần và trật tự sắp xếp được qui định theo một mã nhất định để đảm trách một nhiệm vụ tương ứng với mã đó. Các thành phần tham gia vào quá trình tổng hợp protein. Một số thành phần tham gia: -ADN -ARN + tARN + mARN +rARN (Ribosome) -Các enzyme đặc hiệu -Các yếu tố bắt đầu -GTP -Yếu tố nối dài: EF1,EF2,… -Yếu tố tách sợi ADN là nơi lưu trữ mọi thông tin di truyền.Cho đến nay các nhà khoa học đều cho rằng quá trình tổng hợp protein là quá trình sao chép và dịch mã từ ADN qua ARN và cuối cùng là protein.ADN và ARN là hai thành phần quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp protein ,vì vậy trước tiên ta phải hiểu được cấu tạo cua hai thành phần quan trọng này. ARN được tổng hợp từ ADN và giữa chúng co nhiều điểm tương đồng về thành phần cấu tạo: -Cùng chứa phosphoric acid. -Cùng có chung 3 loại base chứa nitơ: +Adenin. +Guanin. +Cytosine. -Cùng có liên kết phosphodiester. -Thứ tự các sắp xếp các base có trong ADN tương đồng Iot với các base có trong ARN. I- Gốc kiềm nitơ dị vòng: (các base chứa nitơ) Acid nucleic chứa 2 loại base: Pyrimidine và Purine 1.Pyrimidine: Trong acid nucleic, các pyrimidine phổ biến bao gồm : -C: Cytosine -T: Thymine -U: Ucracil Cytosine và Thymine có trong deoxyribonucleic acid và ribonucleic acid, còn Ucracil chỉ có trong Ribonucleic acid. Ngoài ra khi nghiên cứu còndeoxyribonucleic acid người ta còn tìm thấy một số gốc bất bình thường như 5 – hydroximethyl cytosine mà không có Cytosine. Hoặc khi nghiên cứu Ribonucleic acid, người ta lại tìm thấy một số đồng phân của Ucracil như lactam, lactim, lactim đôi. 2. Purine: Có hai loại gốc purine được tìm thấy trong nucleic acid: -A: Adenine. -G: Guanine. Ngoài ra người ta còn tìm thấy một số gốc purin đặc biệt có trong tARN hoặc trong mARN như Hypoxanthyl, δ methyl- guanine. II- Đường pentose: Trong phân tử ADN có chứa β-2 desoxiribose: Trong phân tử ARN có chứa β- D ribose: Cả hai loại đường này đều thuộc dạng D và β. III- Nucleoside: Một base kết hợp với một phân tử đường ribose hay deoxiribose se tạo ra ribonucleoside hay deoxyribonucleoside. Các nucleoside được goi tên theo tên base, tiếp đầu ngữ – deoxy cho biết thành phần đường là 2 – deoxyribose. Một số nucleoside. Các nucleoside được gọi là các phosphate cua nucleoside và số có dấu phẩy cho biết vị trí ester hóa trong đường robose. Sự ester hóa có thể đi với di hoặc tri phosphate. Trong đó nguyên tử P được đánh dấu là α,β và γ kể từ vị trí gần C5. Các nguyên tử trên base được đánh dấu bằng số còn trên đường thì thêm dấu phẩy. Khi một nucleoside tac động với một phân tử acid phosphoric sẽ tạo thành một nucleotide. Ở đây cũng chia ra làm hai loại nucleotide: -Ribonucleotide. -Deoxyribonucleotide. Các nucleotide thường rất acid và có khả năng tan trong nước. Các nucleotide tiêu biểu được tóm tắt trong bảng sau: Base chứa nitơ Ribonucleotide Deoxyribonucleotide Adenin Adenin 5’ monophosphat = AMP Deoxyadenosine – 5’ Phosphate = d. AMP Guanin Guanosin – 5’ monophosphate = GMP Deoxyguanosine 5’ Phosphate = dGMP Urasine Uridin 5’ monophosphate = UMP Deoxyuridin 5’ Phosphate = d UMP Cytosine Cytidim 5’ monophosphate = CMP Deoxycytidin 5’ Phosphate = d CMP Thymin Thyminribosit 5 monophosphate = TMP Deoxythymidin 5’ mono Phosphate = d TMP Các nucleotide khi bi thủy phân sẽ tạo ra các đơn phân. -Các đơn phân tạo thành khi thủy phân bằng acid yếu: + Base chứa nitơ + Pentose + Phosphate -Các đơn phân tạo thành khi thủy phân bằng kiềm yếu: + Base chứa nitơ – pentose ( nucleoside) + Phosphate. IV- ADN:( Deoxyribo Nucleotide Acid) Trong ADN có các thành phần sau: - Đường deoxyribose. - Phosphoric acid. - Base chứa nitơ( Adenin, Cytosine, Thymine, Guanin). Ba thành phần cơ bản này tạo ra ADN co cấu trúc phức tạp. 1.Cấu trúc cấp I của ADN Trong phân tử ADN, các nucleotide nối với nhau qua cầu nối phosphodiester, ở vị trí cacbon số 3 của đường pentose, và vị trí số 5 của phân tử đường pentose tiếp theo. Cứ như vậy tạo ra một chuỗi dài polynucleotide. Mạch polynucleotide được cấu tạo theo thứ tự một phân tử đường, một phân tử acid phosphoric acid, tiếp đến la`đường pentose rồi lại phosphoric acid. Kiểu kết cấu này có ở cả ADN, ARN. Thứ tự các mononucleotide trong chuoi polynucleotide được gọi là cấu trúc cấp I của nucleic acid. Chuỗi polynucleotide có hai đầu: 1 –Đầu 5’ là đầu có OH của pentose ở trạng thái tự do hoặc kết hợp với phosphoric acid. 2 – Đầu 3’ là đầu có OH của pentose ở trạng thái tự do hoặc liên kết với phosphoric acid. Thứ tự các Base trong polynucleotide cũng tương tự như thứ tự các amino acid trong chuỗi polypeptid. Thứ tự các Base này đóng vai trò quyết định bản chất của nucleic acid. 2. Cấu trúc cấp II cua ADN: Do hai nhà khoa học là Crick và Watson đề xuất: ADN được cấu tạo từ hai mạch polynucleotide quấn quanh nhau tạo thành một hình xoắn kép. -Trong phân tử ADN có: +Số lượng Adenin = số lượng Thymin. +Số lượng Guanin = số lượng Cytosine. -ADN có cấu trúc xoắn. -Mạch Polydeoxynucleotide được duy trì nhờ liên kết hidro. Các Base nằm trên cùng một mặt phẳng vuông góc với trục của hình xoắn. Khoảng cách giữa các base trong cùng một mặt phẳng là 3,4 A0. Một bước xoắn có chiều dài là 34 A0. Trong hình xoắn kép các Base liên kết với nhau bằng liên kết hidro: Giữa A và T là 2 liên kết Hidro. Giữa G và C là 3 liêh kết Hidro. Nhờ có số lượng lớn mối liên kết này mà tạo cho ADN có một cấu trúc vững chắc. V- ARN(Ribonucleic Acid): RNA là một hợp chất được cấu tạo bởi: -Base chứa nitơ. -Đường pentose là ribose. -Phosphoric acid. Các loại ARN và chức năng của chúng: ARN đóng vai trò trung gian trong quá trình truyền thông tin di truyền của tế bào.ARN đươc chia làm nhiều loại: -rARN – ARN ribosome ( Ribosomal ARN). -mARN – ARN thông tin (Messanger ARN). -tARN – ARN vận chuyển ( transfer ARN). Đây là 3 loại ARN chính. Ngoài ra còn có một loạt các ARN khác như: Pre-xARN ( Tiền rARN), Pre-tARN ( Tiền tARN), sn- ARN ( ARN nhỏ có trong nhân). ARN có thể tồn tại tự do hoặc liên kết với protein tạo ra phức nucleoprotein giữ nhiều vai trò quan trọng trong tế bào. 1.Ribosome và polyribosome: a)Ribosome Vai trò Là phức hệ ribonuclein làm nhiệm vụ polymer hoá lần lượt amino acid tạo ra protein, chúng chỉ có trong bào tương và ty thể, nó là những hạt hình cầu đường kính 22 nm với số lượng rất nhiều và chiếm khoảng 20% khối lượng tế bào. Ribosome đơn là tập hợp một tiểu phần lớn và một tiểu phần nhỏ, mỗi phần đều chứa các tRNA và nhiều loại protein làm cho ribosome có kích thước và khối lượng khác nhau. Protein trong tiểu phần lớn là enzym xúc tác tạo nên liên kết peptyde trong quá trình tổng hợp protein Cấu trúc ribosome ở vi khuẩn Tiểu phần lớn 50 S có một phân tử rRNA 23S và khoảng 31 loại protein khác nhau Tiểu phần nhỏ 30S có rRNA 16S và khoảng 21 loại protein khác nhau. Chức năng rRNA là bộ khung định hướng protein và giữ bền cấu trúc, gắn mRNA với tRNA . rRNA có cấu trúc bậc hai phức tạp chứa nhiều đôi base kiểu trâm cài-hình thành khi nucleic acid sợi đơn bắt cặp trong một bộ với nhau tạo nên vòng có cuông xoắn kép. Cấu trúc ribosome vi khuẩn Tổng hợp ribosome Từ rRNA ribosome của tế bào chất prokaryote và eukaryote được sao mã thành tiền thân pre- rRNA Từ tiền thân này nó bị bị cắt thành hai phân tử rRNA lớn, chúng tập hợp lại nhanh chóng và tuân thủ theo quy tắt nhất định cùng với protein được thêm vào theo một thứ tự riêng tạo nên phân tử ribosome. b) Polyribosome Khi việc dịch mã tiến hành ,đầu 5’ của mRNA trở nên thich nghi cho việc gắn ribosome khác để bắt đầu cho một sợi protein nữa và tiến hành tận đầu 3’.Theo cách này 1mRNA có thể kết hợp với nhiều ribosome , nó gắn với protein mới sinh ra ở các giai đoạn dài ra khác nhau :thông tin càng dài , số lượng ribosome kết hợp với nó càng nhiều .Tập hợp các ribosome nối với nhau bởi mRNA gọi là polyribosome hay polysome.Khio xử lí bằng RNAase hoặc ở nồng độ Mg+2 thấp( do sự tạo phức chelate với EDTA)chúng bị phá vỡ.Các ribosome có đường kính khoảng 22nm và cách xa nhau từng 3nm và cứ mỗi 80 nucleotide lại có 1 ribosome trên mRNA để dịch mãmột cách rất hiệu quả. Thông tin của 1 phân tử hemoglobin mã choc ho 146 amono acid thường kết hợp với 4-6 ribosome , và thông tin càng dài thì polysome càng lớn . Polysome kích thước khác nhau có hệ số lắng khác nhau và có thể tách ra bằng li tâm trong gradient nồng độ saccharose. Tỉ trọng các polysome gần giống nhau và lớn hơn tỉ trọng dung dịch saccharose ở đáy gradient.Với kĩ thuật li tâm này việc tách các polysome phụ thuộc vào hệ số lắng :polysome càng lớn nó càng lắng xuống nhanh trong gradient. Ơû vi khuẩn , DNA nằm trong tế bào chất và việc dịch mã có thể bắt đầu trước khi việc sao mã haòn tất.mRNA vi khuẩn là polycistron, có nghĩa là nó chứa thứ tư nucleotide mã hóa cho hơn một protein. Thông thường các protein này có chức năng trao đổi chất liên quan với nhau . Thí dụ một mRNA chứa 10 cistron mã cho 10 protein khác nhau tham gia vào việc sinh tổng hợp histidine . Nó dài khoảng 12.000 nucleotide .mRNa polyscistron thường chứa cá vùng không dịch mã ở mỗi đầu và giữa vùng thông tin cho mỗi protein.Việc bắt dầu dịch mã có thể không xảy ra ở đầu 5’, trước cistron thứ nhất mà ở mỗi codon bắt đầu nơi có thứ tự gắn ribosome.Ở eukaryote mRNA không phải là polycistron. 2.mARN (ARN thông tin): a)ARN thông tin: ◊ Mặc dù ribosome là bào quan chịu trách nhiệm tổng hợp protein, nhưng nó đòi hỏi phải có chương trình riêng để tạo thứ tự amono acid đặc hiệu. Thông tin mã hóa trên mARN sẽ được dịch mã nhờ các ribosome . ◊ Số lượng mARN thường chiếm số lượng không nhiều nhưng nó có ý nghĩa quyết định đến qua trình truyền thông tin ( mARN thường chiếm khoảng 5% tổng số ARN của tế bào). mARN trượt trên ribosome và mã hóa trên cơ sở các codon cua nó.Khi xay ra quá trình tổng hợp protein các yếu tố mở đầu sẽ giúp Ribosome gắn với mARN. Sự gắn này thường tương ứng với các codon. Codon mở đầu cho quá trình là AUG mã hóa cho methyonin.Cứ như vậy việc gắn sẽ được mã hóa theo thứ tự nhất định của các codon trên mARN. Thường thì mARN có đoạn đầu mang tín hiệu cho ribosome nhận biết để gắn vào dịch mã. Ngoài ra ở đuôi 3’ sau dấu kết thúc (stop signal ) có đoạn 3’ không mã hóa (3’- noncoding) là nơi gắn Poly – A. ◊ Các mARN cua procaryote có cấu trúc đơn giản. Thời gian tồn tại khoảng 2 phút. mARN cua Eucaryote có thời gian tồn tại là 30 phút đến 14 giờ. b)Bản chất mã di truyền: Thứ tự amino acid được của protein được mã hóa bởi thứ tự của gene, từ đó nó được dịch mã ra. Do chi có 4 loại nucleotide trên ADN và mARN , trong khi có đến 20 loại acid amin cho nên 1 hoặc 2 base thì không đủ mã hóa cho 20 acid amin đó. Tối thiểu phải có 3 base trong bộ mã codon (codon là tập hợp các nucleotide trên mADN mã đặc biệt hiệu cho 1 amino acid): Tập hợp 3 base sẽ tương ứng với 43 = 64 codon khac nhau.Mỗi hệ như vậy gọi là một triplet. Mã di truyền : codon trên mARN (Đọc theo chiều 5’" 3’) Vị trí thứ nhất (Đầu 5’) Vị trí thứ 2 Vị trí thứ 3 (Đầu 3’) U U C A G U C A G Phe Phe Leu Leu Ser Ser Ser Ser Tyr Tyr Stop Stop Cys Cys Stop Trp C Leu Leu Leu Leu Pro Pro Pro Pro His His Glu Glu Arg Arg Arg Arg U C A G A Ile Ile Ile Met Thr Thr Thr Thr Asp Asp Lys Lys Ser Ser Arg Arg U C A G G Val Val Val VAl Ala Ala Ala Ala Asp Asp Glu Glu Gly Gly Gly Gly U C A G *Ghi chú: Tìm acid amino tương ứng với codon bằng cách đọc theo chiều 5’"3’ từ cột thứ 1 sang cột thứ 3 Lưu ý: -Có 64 mã (codon) cho 20 acid amino: 61 codi\on chứa thông tin và phần lớn cácamino acid đều có nhiều hơn một codin mã cho bản thân mình. Các amino acid bất thường được hình thành do quá trình cải biến sau dịch mã cua protein. -Có sự thoái hóa nghĩa là thường có hơn 1 codon mã hóa cho 1 amino acid cụ thể. Hầu hết các thay đổi xảy ra ở base thứ 3, việc này ảnh hưởng đến phương cách đối mã (anticodon) trên tARN gắn với MARN. Nói chung, số luợng amino acid càng nhiều trên protein,thì số lượng codon cho nó càng lớn. Một loài nhất định có khuynh hướng chỉ sử dụng một số lượng hạn chế các codon. -Các codon UAA, UAG, UGA là các tín hiệu kết thúc gây nên sự kết thúc sợi và tách sợi polypeptid ra khoi ribosome. -Việc bắt đầu sợi polypeptide luôn được mã hóa bởi AUG (methionine), nhưng codon này cũng mã hóa cho methionine nếu nó ở trong sợi. -Trên mARN thông tin là một loạt các codon liên tiếp nhau, không phủ lên nhau và không cách nhau. Tuy có sự thoái hóa nhưng mã thông tin vẫn không mơ hồ vì chỉ có một amino acid tương ứng với một codon. Thông tin được đọc một cách liên tục, cứ 3 nucleotide một , kể từ codon bắt đầu là AUG.Sự cắt quãng tính liên tục này do sự xen vào hoặc mất đi một base sẽ làm sai khung đọc: từ chỗ bi7 đột biến thông tin đọc theo bộ ba triplet khác, do vậy polypeptide tổng hợp sẽ có thứ tự amino acid kjhác so với thông tin ban đầu, và nó sẽ ngắn hơn nếu khung đọc tạo nên codon kết thúc. Việc gắn xen hoặc mất đi của base tiếp theo có thể vẫn giữ nguyên khung đọc nguyên thủy, nhưng khi ấy sản phẩm protein sẽ có thứ tự ngắn hơn. - đột biến bằng sự thay thế base(đột biến điểm) có thể là trung tính( không gây ra sự thay đổi amino acid vì tính thoái hóa của mã) hay bảo thủ(gây ra sự thay thế 1 amino acid này bằng 1 amino acid khác có cùng kích thước và tích điện) hoặc cơ bản( gây ra sự thay thế 1 amino acid này bằng 1 amino acid khác). + Nếu sự thay thế sinh ra codon stop mới(codon nonsense) thì protein sẽ bị ngắn đi và gần như không có hoạt tính. - Thông tin được đọc theo chiều 5’" 3’ cùng chiều với việc sao mã. codon đầu tiên đặc trưng cho đầu N tận cùng của protein. 3. tARN(ARN vận chuyển) Trước năm 1955 người ta vẫn chưa hiểu tại sao thông tin lại được truyền từ ADN đến protein .Trong khi ADN được tổng hợp và hoạt động trong nhân, protein lại được tổng hợp ở Ribosome, ngoài nhân. Như vậy phải có 1 chất nào đó làm trung gian cho quá trình này. Năm 1955 F.Crick đã đưa giả thuyết về chất nối(adapteur) giả thuyết này cho rằng trước khi gắn thành polypeptide các amino acid phải được gắn qua 1 chất trung gian. Chất này sẽ được bắt cặp đặc biệt với các base trên mARN. Năm 1957 M.Hoagland và các cộng sự đã tìm ra tARN vận chuyển, đồng thời chứng minh rằng mỗi phân tử tARN gắn với 1 phân tử amino acid và gắn với ribosome. Tối thiểu mỗi acid ain phải 3 có 1 tARN đặc hiệu. Mặc dù mỗi tARN có tính đặc hiệu riêng nhưng chúng lại có 1 số đặc tính cấu trúc chung. a) Cấu trúc tARN : -Mỗi một tARN có chiều dài khoảng 73-93 nucleotide với MW khoảng 25000 Dalton. -Hìn