So Sánh Quá Trính Sao Chép, Phiên Mã, Dịch Mã ở Nhân Sơ Và Nhân ...

2.1Ở Prokaryote.Có các yếu tố khởi đầu xúc tác cho tiểu đơn vị nhỏ trong việc hình thành phức hợp khởi đầu.. Mỗi yếu tố khởi đầu có tác dụng như sau: - IF1 giúp tiểu đơn vị nhỏ gắn vào m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NÔNG NGHIỆP – TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

BÁO CÁO SINH HỌC PHÂN TỬ

NHÓM 1 – CHUYÊN ĐỀ 8

SO SÁNH QUÁ TRÌNH SAO CHÉP, PHIÊN MÃ, DỊCH MÃ

Ở PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE

I.Quá trình sao chép DNA.

1 Sự giống nhau.

Sao chép DNA diễn ra theo kiểu bán bảo tồn và đều dựa trên khuôn mẫu của DNA

mẹ

Quá trình sao chép bắt đầu tại điểm khởi đầu (origin), từ điểm này DNA sợi kép mở xoắn tạo ra cấu trúc hình vòng theo hai hướng ngược nhau gọi là chẻ ba sao chép.

Tại chẻ ba sao chép, đầu tiên xảy ra sự tổng hợp “đoạn mồi” (primer) theo hướng 3’ RNA polymerase và DNA polymerase xúc tác tổng hợp sợi mới chỉ theo chiều 5’-3’ nên trên mạch khuôn có chiều 5’-3’-5’ mạch mới được tổng hợp liên tục, mạch khuôn

có chiều 5’-3’ được tổng hợp gián đoạn, hình thành nên những đoạn Okasaki Về sau, các đoạn mồi được cắt bỏ và chỗ trống được thay thế bằng DNA, các đoạn Okasaki được nối lại nhờ enzyme nối

Nguyên liệu cho tổng hợp có 4 loại ribonucleotide: A, T, G, C

Đều dựa vào nguyên tắc bổ sung khi lắp ráp các nucleotide trên khuôn mẫu của từng mạch đơn trên DNA mẹ

Kết qủa đều tạo ra 2 phân tử DNA con giống hệt DNA mẹ theo nguyên tắc bán bảo toàn

Luôn có quá trình sửa sai nhờ hệ thống enzyme sửa sai luôn rà soát trên phân tử ADN

Sự khác nhau.

2.1 Ở Prokaryote.

Chỉ có một đơn vị sao chép (replicon), nên chỉ có một điểm khởi đầu sao chép

Quá trình diễn biến tại điểm khởi đầu cho đến lúc hình thành chẻ ba sao chép có thể hình dung theo 4 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn 1: protein dnaA chuẩn bị bám vào điểm khởi đầu

- Giai đoạn 2: nhiều phân tử protein dnaA và các protein phụ khác tập trung bên trong điểm khởi đầu tạo ra cấu trúc nucleoprotein chuyên hóa của khởi điểm (origin snup)

- Giai đoạn 3: cấu trúc Origin snup làm mở xoắn vùng DNA tại điểm khởi đầu hình thành nên “phức hợp mở”

- Giai đoạn 4: enzyme helicase dnaB chui vào trong phức hợp mở sự kiện này đòi hỏi phải có protein dnaC và ATP Tại điểm khởi đầu diễn ra sự mở xoắn theo

cả hai hướng và hai phân tử dnaB được chuyển đến cả hai chạc của phức hợp

mở Khi hai mạch đơn được tách ra nó được duy trì bởi protein SSB

Quá trình sao chép DNA

Trong quá trình nhân đôi ADN có sự tham gia của rất nhiều enzyme 1 trong số những enzyme quan trọng là ADN polymerase (ADN pol – vai trò chính ở nhân sơ là ADN pol III) Enzim ADN pol có 1 đặc tính là chỉ có thể bổ sung mạch mới dựa trên đầu 3′-OH có sẵn Điều này dẫn tới 2 đặc điểm:

- ADN pol không thể tự tổng hợp mạch mới (Nhưng ARN pol thì không đòi hỏi yêu cầu này)=> cần 1 đoạn mồi khoảng 10 Nu (thường là ARN) – primer (enzim tổng hợp là primase – 1 loại ARN polymerase) Đoạn mồi này có vai trò cung cấp đầu 3′-OH cho ADN pol tổng hợp mạch mới Sau đó, đoạn mồi này, thường, sẽ được thay thế bằng 1 đoạn ADN tương ứng

- ADN pol (III) chỉ có thể tổng hợp mạch mới theo chiều 5′-3′ Do vậy, trên mạch khuôn chiều 3′-5′ sẽ được tổng hợp liên tục; còn mạch 5′-3′ sẽ được tổng hợp gián đoạn thành các đoạn ADN ngắn khoảng 1000 Nu (gọi là đoạn Okazaki)

Để cho quá trình tái bản diễn ra phải có enzyme RNA polymerase và DNA polymerase Các enzyme này hoạt động theo chiều 5’-3’ mà phân tử DNA có hai mạch phân cực ngược nhau 3’-5’ và 5’-3’ Vì vậy sự tổng hợp DNA trên hai mạch không giống nhau: một mạch được tổng hợp liên tục hay sợi sớm (leading strand), một mạch được tổng hợp gián đoạn hay sợi chậm (lagging strand) tạo nên những đoạn Okasaki Trước tiên enzyme primase xúc tiến việc tổng hợp các đoạn mồi trên cả hai mạch khuôn tạo ra các đoạn RNA ngắn với đầu 3’-OH tự do, sau đó DNA polymerase 3 gắn các nucleotide vào để kéo dài sợi DNA mới

Trên sợi sớm chỉ cần một lần tổng hợp đoạn mồi Trên sợi chậm diễn ra nhiều lần tổng hợp đoạn mồi để tổng hợp một đoạn Okasaki Khi một đoạn Okasaki được tổng hợp xong thì phân tử DNA polymerase 3 tách ra và phân tử DNA polymerase 1 thế vào thực hiện chức năng: cắt bỏ đoạn mồi RNA và tổng hợp DNA thay thế chỗ đoạn mồi bị mất đi Khe hở còn lại giữa hai đoạn Okasaki kế nhau được nối lại nhờ enzyme ligase Quá trình cứ diễn ra như vậy và cuối cùng sợi DNA trở nên liên tục

2.2 Ở Eukaryote.

Sự sao chép ở eukaryote phức tạp hơn so với ở prokaryote nhưng cơ chế của sự sao chép ở eukaryote cũng tương tự như ở prokaryote

Tuy nhiên, có một số điểm khác như sau:

- Trong khi ở prokaryote chỉ có một điểm khởi đầu, thì sự sao chép ở eukaryote bắt đầu cùng một lúc ở nhiều điểm khởi đầu Điều này là cần thiết do eukaryote có hệ gen lớn

- Vận tốc phát triển của chẻ ba sao chép ở eukaryote khoảng 50 nucleotide/s chỉ bằng 1/10 so với ở E coli

- Ở,eukaryote hệ enzyme tham gia phức tạp hơn so với prokaryote Hệ enzyme ADN polymerase có nhiều loại alpha, beta, gama… và cơ chế hoạt động phức tạp hơn

Tóm lại quá trình sao chép ở prokaryote và erkaryote có sự khác nhau cơ bản:

Đơn vị sao chép

Toàn bộ DNA chỉ có một đơn vị sao chép

Có nhiều đơn vị sao chép

Các đoạn RNA mồi và

các đoạn okazaki

được tổng hợp

Thời gian sao chép Ngắn hơn (ở E.coli là 40

phút)

Dài hơn (thường khoảng 6 –

10 giờ),

Tốc độ sao chép Khoảng 1500 nuclêôtit/giây Khoảng 10 – 100nuclêôtit/giây

Nơi diễn ra sao chép

Quá trình sao chép ADN ở nhân sơ có thể diễn ra liên tục và đồng thời với quá trình phiên mã và dịch mã ở

trong nhân

Quá trình sao chép diễn ra trong nhân tế bào

Cơ chế kiểm soát kiểm soát nghiêm ngặt quáTế bào không có cơ chế

trình sao chép

Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua 1 lần rồi thì không lặp lại trước khi toàn bộ DNA được sao chép hoàn toàn DNA polymerase Có một loại DNA

polymerase (pol III)

Có sự tham gia của cả 3 loại DNApolymerase ( pol I, pol II,

pol III)

II

Quá trình phiên mã.

Khái niệm: Là quá trình truyền thông tin di truyền từ phân tử ADN mạch kép sang ARN mạch đơn

Sự giống nhau.

Diễn ra dưới tác dụng của enzyme DNA polymerase đặc trưng

Vùng DNA chứa gen cần phiên mã phải mở xoắn cục bộ và chỉ một sợi đơn (gọi là sợi có nghĩa) dùng làm khuôn cho tổng hợp RNA

Nguyên liệu cho tổng hợp có 4 loại ribonucleotide: A, U, G, C

Phản ứng trùng hợp RNA diễn ra theo nguyên tắc bổ sung và sợi RNA được kéo dài theo chiều 5’-3’ (ngược chiều của sợi khuôn)

Sự khởi đầu và kết thúc phiên mã phụ thuộc vào các tín hiệu là các trình tự DNA đặc thù nằm trước và sau gen được phiên mã Quá trình phiên mã gồm 3 giai đoạn: khởi đầu, kéo dài, kết thúc

Sản phẩm đều là RNA sợi đơn

Sự khác nhau.

2.1 Ở Prokaryote.

Tế bào prokaryote chỉ chứa một loại RNA polymerase Enzyme này được cấu tạo bởi yếu tố sigma và lõi enzyme Nhân tố sigma giúp cho DNA pol nhận biết và bám chặt vào promoter để có thể bắc đầu phiên mã tại vị trí chính xác, và lõi enzyme đóng vai trò chính trong tổng hợp RNA

Promoter của gen vi khuẩn nằm ngay trước vị trí khởi đầu phiên mã Bằng cách phân tích các trình tự DNA này của một số lượng lớn các gen vi khuẩn người ta nhận thấy có hai đoạn ngắn tương đối giống nhau giữa gen này và gen khác, mỗi đoạn gồm sáu nucleotide Đoạn thứ nhất nằm cách vị trí khởi đầu khoảng 35 bp, là sự biến đổi của trình tự TTGACA.Đoạn thứ hai nằm cách vị trí khởi đầu khoảng 10 bp, là sự biến đổi của trình tự TATAAT Chúng lần lượt được gọi là vùng 35 và vùng10

Tín hiệu kết thúc là những trình tự trên DNA có vai trò thúc đẩy sự tách RNA polymerase ra khỏi DNA và giải phóng chuỗi RNA mới được tổng hợp

Sao khi tổng hợp xong, RNA được sử dụng trực tiếp cho quá trình dịch mã

2.2 Ở Eukaryote.

Tế bào eukaryote có đến ba loại RNA polymerase là RNA polymerase I (pol I), RNA polymerase II (pol II), và RNA polymerase III (pol III) Trong đó, RNA polymerase II đảm nhận việc phiên mã cho hầu hết các gen, chủ yếu là gen mã hóa cho protein RNA polymerase I phiên mã các gen tiền thân của rRNA lớn và RNA polymerase III phiên

mã các gen tRNA, một số gen RNA kích thước nhỏ của nhân (small nuclear, snRNA)

và RNA 5S Các RNA polymerase của eukaryote cũng bao gồm nhiều tiểu đơn vị, trong đó có những tiểu đơn vị tương ứng với các tiểu đơn vị trong enzyme của vi khuẩn

Ở Eukaryote có hai loại gen cấu trúc: loại thứ nhất là các gen (khoảng 10%) có đoạn

mã hóa là trình tự liên tục, loại thứ hai (khoảng 90%) là các gen có trình tự mã hóa không liên tục

Đối với gen mà đoạn mã hóa liên tục thì sau khi được tổng hợp bản sau tiền mRNA được gia công thành mRNA hoàn chỉnh

Đối với gen mà đoạn mã hóa không liên tục, bên trong gen này và các tiền mRNA tương ứng chứa các đoạn không mã hóa (intron), phân bố xen kẽ với những đoạn mã hóa (exon) Về sau các mRNA này trải qua quá trình chế biến và gia công tinh vi để tạo

ra các mRNA trưởng thành

Cơ chế cắt bỏ intron và nối exon:

tương đối ngắn (dưới 200 nucleotide) được gọi là snRNA Có năm loại liên quan đến

dạng cắt nối chính là U1, U2, U4, U5 và U6 Mỗi snRNA được kết hợp với nhiều protein

để hình thành snRNP Có ba trình tự nằm trên intron đóng vai trò quan trọng trong quá trình cắt nối là: vị trí cắt nối đầu 5’, vị trí phân nhánh là một trình tự giàu các pyrimidine bao quanh một nucleotide adenine ở gần đầu 3’, và vị trí cắt nối đầu 3’ Đầu tiên, vị trí cắt nối đầu 5’ được nhận dạng bởi U1 snRNP bằng sự bắt cặp các base bổ sung

Vị trí phân nhánh cũng được nhận dạng bởi BBP (branch-point binding protein: protein gắn vị trí phân nhánh) và U2AF U2 snRNP đến thay thế BBP (nhờ U2AF giúp đỡ) Sự bắt cặp base giữa U2 snRNA và vị trí phân nhánh làm thừa ra một gốc A không bắt cặp và sẵn sàng phản ứng với vị trí 5’ Sau đó U4 và U6 snRNP cùng U5 snRNP đến gắn với phức hợp trên Dạng U1 rời khỏi phức hợp và U6 thế chỗ U1 tại vị trí cắt nối đầu 5’ U4 được giải phóng để U6 tương tác với U2 Điều này làm cho vị trí cắt nối đầu 5’ và vị trí phân nhánh được đặt kề nhau và tạo điều kiện cho phản ứng cắt nối xảy

ra Nucleotide adenine đặc hiệu ở vị trí phân nhánh tấn công và cắt intron ở vị trí đầu 5’. Đồng thời có một liên kết đồng hóa trị xảy ra giữa A ở vị trí phân nhánh và đầu 5’ của intron tạo nên một cấu trúc hình thòng lọng Đầu 3’ của exon trước nối với đầu 5’ của exon kế tiếp và thòng lọng intron được giải phóng

Tóm lại quá trình phiên mã ở prokaryote và erkaryote có sự khác nhau cơ bản:

Tích hợp tín hiệu

ở sự khởi đầu

phiên mã

Tạo mRNA

trưởng thành

Trực tiếp tạo ra từ mạch gốc theo nguyên tắc bổ sung

Tạo ra qua 2 bước:

-sao chép thong tin từ mạch gốc

tạo mRNA sơ khai

-loại bỏ các intron để tạo mRNA

trưởng thành

Sự kết cặp phiên

mã – dịch mã

Có mRNA có thể được ribosome dùng ngay để dịch mã kể cả khi chúng chưa phiên mã xong

(ở trong nhân)

Không mRNA luôn được phiên mã hoàn chỉnh và được hoàn hiện trước dịch mã trong nhân, rồi mới rời nhân ra tế bào chất để dịch mả

III.Quá trình dịch mã.

Sự giống nhau.

Được thực hiện dưới sự tham gia của ribosome và 3 loại RNA(mRNA, tRNA, rRNA) được phiên mã tử khuôn DNA.

Xảy ra trên polyribosme, ribosome “đọc” mRNA theo hướng 5’- 3’.

Sự tổng hợp đi từ đầu N đến đầu C của protein.

Sản phẩm là các chuỗi polipeptit xác định, rồi hình thành protein.

Sự khác nhau.

2.1Ở Prokaryote.

Có các yếu tố khởi đầu xúc tác cho tiểu đơn vị nhỏ trong việc hình thành phức hợp khởi đầu Đó là IF1, IF2, IF3 Mỗi yếu tố khởi đầu có tác dụng như sau:

- IF1 giúp tiểu đơn vị nhỏ gắn vào mRNA và ngăn cản các tRNA gắn vào vùng thuộc vị trí A trên tiểu đơn vị nhỏ.

- IF2 là một protein gắn và thủy phân GTP IF2 thúc đẩy sự liên kết giữa fMet-tRNAi fMet và tiểu đơn vị nhỏ, ngăn cản những aminoacyl-tRNA khác đến gắn vào tiểu đơn vị nhỏ.

- IF3 ngăn cản tiểu đơn vị nhỏ tái liên kết với tiểu đơn vị lớn và gắn với các tRNA mang amino acid IF3 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ vào cuối vòng dịch mã trước,

nó giúp tách ribosome 70S thành tiểu đơn vị lớn và tiểu đơn vị nhỏ.

Khi tiểu đơn vị nhỏ đã được gắn ba yếu tố khởi đầu, nó sẽ gắn tRNA khởi đầu

và mRNA Sự gắn hai RNA này là hoàn toàn độc lập với nhau.

Bước 1: Tiểu đơn vị nhỏ gắn vào codon khởi đầu Sự liên kết giữa tiểu đơn vị

nhỏ với mRNA được thực hiện thông qua sự bắt cặp base bổ sung giữa vị trí gắn ribosome và rRNA 16S Các mRNA của vi khuẩn có một trình tự nucleotide đặc hiệu gọi là trình tự Shine-Dalgarno (SD) gồm 5-10 nucleotide trước codon khởi đầu Trình tự này bổ sung với một trình tự nucleotide gần đầu 3' của rRNA 16S Tiểu đơn vị nhỏ được đặt trên mRNA sao cho codon khởi đầu được đặt đúng vào

vị trí P một khi tiểu đơn vị lớn gắn vào phức hợp.

Bước 2: tRNA đầu tiên có mang methionine biến đổi đến gắn trực tiếp với tiểu

đơn vị nhỏ Một tRNA đặc biệt được gọi là tRNA khởi đầu đến gắn trực tiếp với vị trí P (không qua vị trí A) tRNA này có anticodon (bộ ba đối mã) có thể bắt cặp với AUG hoặc GUG Tuy nhiên tRNA này không mang methionine cũng như valine

mà mang một dạng biến đổi của methionine gọi là Nformyl methionine tRNA khởi đầu này được gọi là fMet-tRNAi fMet.

Trong hoặc sau quá trình tổng hợp polypeptide, gốc formyl được loại bỏ bởi enzyme deformylase Ngoài ra, aminopeptidase sẽ loại bỏ methionine cũng như một hoặc hai amino acid kế tiếp ở đầu chuỗi polypeptide

Bước 3: Hình thành phức hợp khởi đầu 70S Bước gắn thêm tiểu đơn vị lớn để

tạo thành phức hợp khởi đầu 70S diễn ra như sau: khi codon khởi đầu và fMet-tRNAi fMet bắt cặp với nhau, tiểu đơn vị nhỏ thay đổi hình dạng làm giải phóng IF3 Sự vắng mặt IF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vị nhỏ đang mang các thành phần trên Nhờ có tiểu đơn vị lớn gắn vào, hoạt tính GTPase của

IF2-GTP được kích thích để thủy phân IF2-GTP IF2-GDP tạo thành có ái lực thấp đối với ribosome và tRNA khởi đầu dẫn đến sự giải phóng IF2-GDP cũng như IF1.

Như vậy phức hợp khởi đầu cuối cùng được tạo thành bao gồm ribosome 70S được gắn tại codon khởi đầu của mRNA, với fMet-tRNAi fMet tại vị trí P, còn vị trí A đang trống Phức hợp này sẵn sàng tiếp nhận một tRNA mang amino acid vào vị trí

A để bắt đầu tổng hợp polypeptide.

2.2Ở Eukaryote.

Bước 1: Sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S

Giai đoạn khởi đầu đòi hỏi sự hỗ trợ của hơn 30 protein khác nhau, mặc dù eukaryote cũng có những yếu tố khởi đầu tương ứng với prokaryote.

Các yếu tố khởi đầu này được ký hiệu là eIF.

Khi ribosome của eukaryote hoàn thành một chu trình dịch mã, nó tách rời ra thành tiểu đơn vị lớn và tiểu đơn vị nhỏ tự do thông qua tác động của các yếu tố eIF3 và eIF1A (tương tự với IF3 ở prokaryote) Hai protein gắn GTP là eIF2 và eIF5B làm trung gian thu hút tRNA khởi đầu đã gắn methionine (chứ không phải N-formyl methionine như ở prokaryote) đến tiểu đơn vị nhỏ Chính yếu tố eIF5B-GTP là tương đồng với IF2-GTP của prokaryote Yếu tố này liên kết với tiểu đơn vị nhỏ theo phương thức phụ thuộc eIF1A Rồi eIF5B-GTP giúp thu hút phức hợp eIF2-GTP và MettRNAi Met đến tiểu đơn vị nhỏ Hai protein gắn eIF2-GTP này cùng nhau đưa Met tRNAi Met vào vùng thuộc vị trí P của tiểu đơn vị nhỏ Kết quả, hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S.

Bước 2: Sự nhận dạng mũ 5’ của mRNA

Quá trình này được thực hiện thông qua eIF4F Yếu tố này có ba tiểu đơn vị, một tiểu đơn vị gắn vào mũ 5', hai tiểu đơn vị khác gắn với RNA Phức hợp này lại được gắn với eIF4B làm hoạt hóa một enzyme RNA helicase của một trong những

tiểu đơn vị của eIF4F Helicase này tháo xoắn tất cả các cấu trúc bậc hai được hình thành ở đầu tận cùng của mRNA Phức hợp eIF4F/B và mRNA lại thu hút phức hợp tiền khởi đầu 43S đến thông qua tương tác giữa eIF4F và eIF3.

Bước 3: Tiểu đơn vị nhỏ tìm thấy codon khởi đầu bằng cách quét xuôi dòng từ

đầu 5' của mRNA và sự hình thành phức hợp khởi đầu 80S Một khi được gắn vào đầu 5' của mRNA, tiểu đơn vị nhỏ và các yếu tố liên kết với nó di chuyển dọc theo mRNA theo hướng 5' → 3' cho đến khi gặp trình tự 5'-AUG-3' đầu tiên mà nó nhận dạng là codon khởi đầu Được nhận dạng bằng sự bắt cặp base bổ sung giữa anticodon (bộ ba đối mã) của tRNA khởi đầu và codon khởi đầu Sự bắt cặp này

thúc đẩy phóng thích eIF2 và eIF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn được vào tiểu đơn

vị nhỏ Sự gắn này dẫn đến phóng thích các yếu tố khởi đầu còn lại thông qua sự thủy phân GTP dưới tác dụng của eIF5B Cuối cùng, Met-tRNAiMet được đưa vào

vị trí P của phức hợp khởi đầu 80S Lúc này, ribosome ở trong tư thế sẵn sàng tiếp nhận aminoacyl-tRNA vào vị trí A Những yếu tố khởi đầu dịch mã giữ mRNA eukaryote ở dạng vòng Ngoài việc gắn vào đầu 5' của mRNA, các yếu tố khởi đầu còn lien kết chặt chẽ với đầu 3' thông qua đuôi poly(A) Điều này được thực hiện bởi sự tương tác giữa eIF4F và protein gắn poly(A) bọc bên ngoài đuôi poly(A).

Việc tìm thấy các yếu tố khởi đầu dịch mã có vai trò "vòng hóa" mRNA theo phương thức phụ thuộc đuôi poly(A) đã giải thích được quan sát trước đây là một khi ribosome kết thúc sự dịch mã một mRNA mà được vòng hóa thông qua đuôi poly(A) thì ribosome mới được phóng thích này là ribosome lý tưởng để tái khởi đầu dịch mã trên cùng mRNA.

Tóm lại quá trình dịch mã ở prokaryote và erkaryote có sự khác nhau cơ bản:

phiên mã diễn ra trong nhân trước, dịch mã xảy ra ở tế bào

chất sau