187

Chương 11

Trao đổi Protein

11.1. Sự phân giải protein và amino acid

11.1.1. Phân giải protein

Thủy phân là con đường phân giải protein phổ biến ở thực vật và

động vật. Quá trình thủy phân protein xảy ra tại lysosome, nơi chứa nhiều

enzyme thủy phân protein là protease. Quá trình thủy phân xảy ra qua 2

giai đoạn

- Nhờ peptid-peptido hydrolase, protein bị thủy phân thành các đoạn

peptid ngắn.

- Nhờ peptid-hydrolase thủy phân tiếp các peptid thành amino acid.

Kết quả chung là

n.amino acid

+(n-1)H2O

Protein

protease

Ở động vật có vú, sự phân giải protein đầu tiên do tác động của

pepsin. Tế bào niêm mạc dạ dày tiết ra pepsinogen. Nhờ pepsin và HCl

của dịch dạ dày, pepsinogen biến đổi thành pepsin họat động và pepsin

họat động sẽ thủy phân protein thành amino acid.

11.1.2. Phân giải amino acid

Có nhiều con đường phân giải amino acid.

11.1.2.1. Khử amine

Bằng nhiều con đường khác nhau, các amino acid bị khử nhóm

amine tạo ra các sản phẩm tương ứng.

- Khử amin bằng các enzyme khử. Nhờ enzyme khử xúc tác,

amino acid bị khử thành acid tương ứng và giải phóng NH3.

- Khử amin bằng con đường oxi hóa.

R - CH2 - COOH + NH3

R - CH - COOH

NH2 NADH+H+

NAD+

Dehydrogenase 188

Nhờ amino acid oxydase, amino acid bị oxi hóa để tạo ceto acid

tương ứng và NH3

R - CO - COOH + NH3

R - CH - COOH

+ O2

NH2

oxydase

- Khử amine bằng con đường thủy phân.

Nhờ tác dụng của enzyme thủy phân hydrolase, amino acid bị thủy

phân tạo oxiacid tương ứng và NH3

R CHOHCOOH + NH3

R - CH - COOH

+ H2O

NH2

hydrolase

Ngoài các con đường đó ra, aspartic acid còn bị khử amin bằng con

đường khử nội phấn tử nhờ enzyme dezaminase xúc tác

COOH CH = CH - COOH + NH3

COOH - CH2 - CH - COOH

NH2

Dezaminase

Sản phẩm của con đường khử amine các amino acid là các loại acid

tương ứng và NH3.

11.1.2.2. Khử carboxyl

Sự loại carboxyl của amino acid là cách phân giải amino acid rất phổ

biến nhờ decarboxylase xúc tác

R - CH2 NH2 + CO2

R - CH - COOH

NH2

Decarboxylase

Sản phẩm tạo ra là các amine, đó là các chất có họat tính sinh học

cao có vai trò trong quá trình trao đổi chất, các hoạt động sinh lý của cơ

thể như histamine.

11.1.2.3. Chuyển vị amine

Bằng con đường chuyển vị nhóm amine sang cho một cetoacid,

amino acid biến đổi thành ceto acid tương ứng, phản ứng nhờ enzyme vận

chuyển nhóm amin xúc tác amino transferase 189

R1 - CH - COOH

+

NH2

R2 - C - COOH

O

Amino -

Transferase

R1 - C - COOH

+

O

R2 - CH - COOH

NH2

Phản ứng này thực hiện 2 chức năng: vừa phân giải 1 amino acid

thành ceto acid, đồng thời tổng hợp mới amino acid khác từ ceto acid

tương ứng.

Trừ threonine và lysine, tất cả các amino acid còn lại đều có thể

tham gia vận chuyển nhóm amine để biến đổi thành các ceto acid tương

ứng, ví dụ:

CH3 - CH - COOH

NH2

+ COOH - CH2 - CO - COOH

CH3 - CO - COOH + COOH - CH3 - CH - COOH

NH2

11.1.2.4. Sự biến đổi các sản phẩm của quá trình phân giải amino acid

Các đường hướng phân giải amino acid trình bày ở trên đã tạo ra

nhiều loại sản phẩm. Các sản phẩm này tiếp tục được biến đổi để tạo sản

phẩm cuối cùng.

- Các chất hữu cơ tiếp tục biến đổi bằng cách oxy hóa như quá trình

phân giải acid béo để tạo acetyl-CoA, từ đó tham gia vào chu trình Krebs

để phân giải tiếp.

- Các amine được biến đổi thành các acid tương ứng sau đó tiếp tục

biến đổi như các acid khác

-

NH3 tiếp tục biến đổi bằng nhiều con đường để giải độc cho cơ thể

vì NH3 tích lũy nhiều sẽ gây độc.

R - CH = NH + H2O

R - CH2 - NH2 + O2

R CHO + NH3

R - CH = NH + H2O

R COOH

R CHO + O2

+ NH3 được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp trở lại amino acid

bằng con đường amine hóa, amide hóa (sẽ trình bày trong phần tổng hợp

amino acid). 190

+ NH3 bị biến đổi thành ure qua chu trình ornithine để thải ra ngoài

qua con đường nước tiểu ở động vật. Chu trình ornithine chia làm 3 giai

đoạn

1) Tổng hợp carbamyl-phosphate

NH2

O = C + ADP

O ~ P

CO2 + NH3 + ATP

Phản ứng được xúc tác bởi enzyme carbamyl phosphate synthetase.

2) Tổng hợp arginine.

Từ carbanyl-phosphate và ornithine sẽ tạo thành citrullin bằng một

phản ứng ngưng tụ. Sau đó citrullin kết hợp với aspactic acid nhờ

arginino-succinic-synthetase để tạo arginino-succinic acid. Tiếp theo

arginino-succinic acid bị phân giải thành arginine và fumaric acid nhờ

arginino-succinate-ligase.

3) Arginine bị phân giải nhờ arginase để tạo ornithine và ure. Ure

được thải ra ngoài còn ornithine tiếp tục tham gia vào chu trình mới.

Trên đây là những đường hướng chung của sự phân giải amino acid.

Tuy nhiên mỗi amino acid đều có con đường phân giải riêng. Các amino

acid biến đổi theo các đường hướng trên đều dẫn đến việc tạo nên các sản

phẩm tham gia vào chu trình Krebs để phân giải thành CO2 và H2O.

11.2. Tổng hợp amino acid

11.2.1. Amine hóa

Một số acid béo không no và ceto acid có thể amine hóa để tạo nên

amino acid tương ứng

Fumaric acid

α-cetoglutaric acid

oxaloacetic acid

COOH - CH = CH - COOH + NH3

COOH - CH - CH2 - COOH

NH2

aspartic acid

COOH - CH2 - CH2 - CO- COOH + NH3

COOH - CH2 - CO- COOH + NH3

COOH - CH2 - CH2 - CH - COOH

NH2

glutamic acid

COOH - CH2 - CH - COOH

NH2

aspartic acid 191

Về nguyên tắc, mọi amino acid đều có thể được tổng hợp bằng con

đường này từ các acid tương ứng. Nhưng trong tế bào chỉ có 2 enzyme là

glutamate dehydrogenase và pyruvate dehydrogenase có hoạt độ mạnh để

thực hiện xúc tác loại phản ứng trên, còn các enzyme khác không có khả

năng xúc tác cho nên trong thực tế chỉ có glutamic acid và alanin là 2

amino acid được tổng hợp bằng con đường này.

11.2.2. Amide hóa

Từ 2 loại amino acid là aspactic acid và glutamic acid do có 2 nhóm

carboxyl nên có thể được amide hóa để tạo amino acid mới, dạng amide

của aspactic acid và glutamic acid là asparagine và glutamine

Aspartic acid

COOH - CH2 - CH - COOH

+ NH3

NH2

O = C - CH2 - CH - COOH

NH2 NH2

Asparagine

Glutamic acid

COOH - CH2 - CH2 - CH - COOH

+ NH3

NH2

O = C - CH2 - CH2 - CH - COOH

NH2 NH2

Glutamine

11.2.3. Tổng hợp amino acid nhờ ATP

Quá trình tổng hợp amino acid nhờ ATP xảy ra qua 2 giai đoạn

- NH3 + ATP → AMP ~ NH2 + P - P

Đây là phản ứng họat hóa nhóm NH2 nhờ ATP. AMP ~ NH2 thực

hiện phản ứng chuyển vị amine cho ceto acid để tạo amino acid tương ứng

AMP ~ NH2 + R - C -COOH

O

AMP +

R - CH - COOH

NH2

Thực chất đường hướng này cũng là hình thức amine hóa các ceto

acid nhưng không sử dụng các dehydrogenase mà sử dụng ATP. 192

11.2.4. Chuyển vị amine

Như đã trình bày ở trên (Mục 11.1.2.3) amino acid có thể bị phân

giải bằng con đường chuyển vị amine đồng thời với việc tổng hợp một

amino acid khác.

Nhờ quá trình này mà thành phần các amino acid luôn được đổi

mới phù hợp với nhu cầu của cơ thể trong quá trình sống.

11.2.5. Oxim hóa

Ở một số vi sinh vật và thực vật có khả năng cố định Nitơ tự do -

quá trình cố định đạm. Qua quá trình cố định N2, NH2OH được hình thành

làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp amino acid theo cách oxim hóa.

Ngoài ra ở một số vi sinh vật và ở thực vật còn có quá trình khử

nitrat (NO3

-

) thành ammoniac (NH3). Trong quá trình biến đổi theo đường

hướng này NH2OH được tạo thành trước khi tạo NH3. NH2OH làm

nguyên liệu để tổng hợp amino acid bằng cách oxim hóa.

Quá trình oxim hóa xảy ra qua 2 giai đoạn

- Các ceto acid kết hợp với NH2OH tạo nên oxim tương ứng

Oximase R - C - COOH

+ NH2OH

O

Ceto acid

R - C - COOH

+ H2O

NOH

Oxim

- Các oxim bị khử để tạo amino acid tương ứng

R - C - COOH

NOH

NADH+H+

NAD+

Oxim dehydrogenase

R - CH - COOH

+ H2O

NH2

Ở vi sinh vật và thực vật, đây là con đường tổng hợp amino acid

quan trọng.

11.3. Tổng hợp protein

Quá trình tổng hợp protein là vấn đề quan trọng của sinh học phân

tử. Quá trình xảy ra phức tạp với sự tham gia của nhiều thành phần. 193

11.3.1. Các thành phần tham gia tổng hợp protein

11.3.1.1. Nucleic acid

Tham gia vào quá trình tổng hợp protein có các loại nucleic acid với

các chức năng khác nhau

- DNA: mang thông tin về cấu trúc phân tử protein theo dạng mã

hóa. Mỗi protein được mã hóa trên 1 đoạn DNA, đó là gen.

- RNAm: làm nhiệm vụ truyền thông tin về cấu trúc phân tử protein

từ gen sang chuỗi polypeptide.

- RNAt: làm nhiệm vụ vận chuyển các amino acid từ các vùng trong

tế bào đến ribosome để tiến hành tổng hợp chuỗi polypeptide tại đó. Đồng

thời nhận biết vị trí bộ ba mã hóa amino acid trên RNAm để đặt amino acid

vào đúng vị trí của nó trên chuỗi polypeptide.

- RNAr: cùng với protein, RNAr cấu tạo nên ribosome, nơi thực hiện

quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide.

11.3.1.2. Các enzyme

Tham gia xúc tác quá trình tổng hợp protein, có nhiều loại enzyme

- Aminoacyl-adenilat-synthetase là enzyme xúc tác quá trình họat

hóa amino acid, phản ứng gắn amino acid vào RNAt.

- Transpeptidase: xúc tác phản ứng tạo liên kết peptide để nối các

amino acid lại thành chuỗi polypeptide và chuyển dịch chuỗi polypeptide

trong ribosome từ vị trí P sang vị trí A.

- Translocase: là enzyme xúc tác quá trình di chuyển của ribosome

trên RNAm.

Ngoài các enzyme chính này còn có enzyme cắt amino acid mở đầu

ra khỏi chuỗi polypeptide, enzyme xúc tác sự tạo các cấu trúc không gian

của protein ...

11.3.1.3. Năng lượng

Quá trình tổng hợp protein cần năng lượng. Năng lượng cung cấp

cho quá trình này là ATP và GTP.

- ATP cung cấp năng lượng cho giai đoạn họat hóa amino acid.

- GTP cung cấp năng lượng cho giai đoạn tổng hợp chuỗi

polypeptide ở ribosome.

11.3.1.4. Nguyên liệu

Nguyên liệu để tổng hợp protein là các amino acid.

Trong số các amino acid có loại amino acid mở đầu là methionine ở

Eucariote và formyl methionine ở Procariote. 194

11.3.1.5. Ribosome

Ribosome là nơi tiến hành tổng hợp chuỗi polypeptide. Thành

phần ribosome gồm protein và RNAr. Cấu trúc ribosome gồm 2 tiểu thể:

tiểu thể lớn và tiểu thể bé. Trong ribosome có 2 vùng họat động: vùng A là

nơi tiếp nhận các amino acid mới còn vùng P là nơi tạo nên chuỗi

polypeptide. Ở tiểu thể bé chứa một loại RNAr, trên phân tử RNAr này có

1 đoạn có thành phần các nucleotide tương ứng bổ sung với đoạn không

mã hóa trên RNAm. Nhờ đó khi bắt đầu quá trình tổng hợp, RNAm đến gắn

vào ribosome và đặt đúng bộ ba mở đầu của nó vào vị trí P nhờ sự liên kết

giữa đoạn không mã hóa trên RNAm với đoạn bổ sung trên RNAr.

11.3.1.6. Các yếu tố tham gia tổng hợp protein

* Yếu tố mở đầu. Đó là những phân tử protein với chức năng tham

gia vào việc kích thích sự mở đầu trong quá trình tổng hợp chuỗi

poplypeptide.

Ở Procariote Ở Eucariote

Yếu tố Chức năng Yếu tố Chức năng

IF-1 Kích thích họat động của

IF2, IF3

eIF-1 Gắn với RNAm

IF-2 Làm dễ dàng quá trình kết

hợp f.Met-RNAt với tiểu

thể bé 30S

eIF-2 Làm dễ dàng sự kết hợp

Met-RNAt với tiểu thể

bé 40S

IF-3 Gắn với tiểu thể bé 30S,

ngăn không để kết hợp với

tiểu thể lớn 50S

eIF-3 Kết hợp với tiểu thể bé

40S

CBP-1 Kết hợp với mũ của

RNAm

eIF-4a Kết hợp với RNAm

eIF-5 Tách rời các yếu tố khởi

đầu khỏi 40S và kết hợp

với 60S

eIF-6 Tách ribosome 80S

thành 2 tiểu thể.

* Yếu tố kéo dài

Tham gia vào giai đoạn kéo dài có các yếu tố: 195

- EF-Tu giúp cho RNAt

Aa

đến gắn vào vị trí A của ribosome.

- EF-Ts giúp sự giải phóng GDP khỏi phức EF-Tu-GDP.

- EF-G xúc tác sự di chuyển của ribosome trên RNAm theo chiều 5'-3'.

11.3.2. Tổng hợp chuỗi polypeptide tại ribosome

11.3.2.1. Giai đoạn họat hóa amino acid

Để tham gia vào quá trình tổng hợp protein các amino acid phải

được họat hóa và gắn vào RNAt. Quá trình này xảy ra hai phản ứng, được

xúc tác bởi enzyme aminoacyl-adenylat-synthetase

[AMP ~ amino acid] E + P-P

Trong phản ứng thứ nhất này amino acid kết hợp với ATP tạo ra

amino acid-AMP và giải phóng pyrophosphat (P-P). Aminoacid-AMP

không ở trạng thái tự do mà gắn với enzyme tạo phức linh động

Amino acid + ATP [AMP ~ Amino acid] E + P-P

RNAt mang amino acid sẽ di chuyển đến ribosome để thực hiện quá

trình tổng hợp chuỗi polypeptide ở đó.

Enzyme

11.3.2.2. Giai đoạn mở đầu

Tham gia vào giai đoạn mở đầu có các yếu tố mở đầu. Ở procariote

yếu tố mở đầu là IF-1, IF-2, IF-3, còn ở Eucariote yếu tố mở đầu là eIF-1,

eIF-2, eIF-3. Năng lượng cung cấp cho giai đoạn mở đầu là GTP. Đặc biệt

để thực hiện giai đoạn tổng hợp nên amino acid mở đầu cần có RNAt

mang amino acid mở đầu.

Ở procariote amino acid mở đầu là một loại methionine đã bị biến

đổi thành dạng formyl methionine.

Formyl hóa

H2N - CH -COOH

(CH2)2

S

CH3

Methionine

CHO - NH - CH - COOH

(CH2)2

S

CH3

Formyl Methionine

Tham gia vận chuyển formyl methionine và methionine là 2 loại

RNAt có cùng bộ ba đối mã là UAC tương ứng bổ sung với mã mở đầu 196

AUG trên RNAm. Như vậy, RNAt mang formyl methionine vào để mở đầu

quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide, còn việc vận chuyển methionine để

đưa vào thành phần chuỗi polypeptide chỉ xảy ra khi trên RNAm có bộ ba

mã hóa methionine AUG.

Ở Eucariote amino acid mở đầu là methionine nên RNAt vận chuyển

methionine vừa làm nhiệm vụ mở đầu nếu giải mã cho bộ ba mở đầu AUG,

vừa làm nhiệm vụ đưa methionine vào tham gia thành phần chuỗi polypeptide

nếu giải mã cho bộ ba AUG nằm ở các vị trí khác vị trí mở đầu.

Giai đoạn mở đầu được thực hiện bởi sự tách ribosome thành 2 tiểu

đơn vị (ở procariote là 50S và 30S, còn ở Eucariote tương ứng là 60S và

40S). Tiếp theo tiểu đơn vị bé liên kết với yếu tố mở đầu IF3 tạo phức I

(IF3 -30S). Đồng thời RNAt mang amino acid mở đầu (f.Met hay Met) gắn

với GTP, yếu tố mở đầu IF2 tạo phức thứ II là (RNAtGTP-IF2). Tiếp theo

phức I và phức II kết hợp lại với nhau đồng thời RNAm đến gắn vào tiểu

thể bé của tổ hợp trên. Đoạn không mã hóa trên RNAm gắn bổ sung với

một đoạn trên RNAr của tiểu thể bé nhờ đó đặt bộ ba mở đầu của RNAm

vào đúng vị trí P của tiểu thể lớn khi tiểu thể bé đến gắn vào phức trên.

Cuối cùng tổ hợp (30S-IF3-RNAt-GTP-IF2-RNAm) gắn vào tiểu thể lớn,

khôi phục lại ribosome và giải phóng các yếu tố mở đầu, GDP và H3PO4.

Kết quả của giai đoạn này là tạo nên phức mở đầu, trong đó RNAt

amino acid mở đầu gắn vào mã mở đầu của RNAm nằm ở vị trí P của

ribosome 197

Ribosome

80S không

hoạt động

RNAm

Sơ đồ của giai đoạn mở đầu chuỗi polypeptide ở Eucariota

11.3.2.3. Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptide

Sau khi phức mở đầu được tạo nên, quá trình tổng hợp chuỗi

polypeptide bắt đầu tiến hành. Tham gia giai đoạn kéo dài chuỗi có các

yếu tố kéo dài (EF ở procariote, eEF ở Eucariote) GTP cung cấp năng

lượng, các enzyme, các amino acid-RNAt và phức hệ mở đầu.

Quá trình kéo dài chuỗi polypeptide xảy ra theo trật tự các bộ ba trên

RNAm kể từ sau bộ ba mở đầu, theo chiều 5'-3'. Ứng với các bộ ba đó các

RNAt tương ứng mang các amino acid của nó trong phức hợp aminoacid-

RNAt đến gắn đúng vị trí bằng cách nhận biết giữa bộ ba mã hóa của

RNAm với bộ ba đối mã của RNAt theo nguyên lý bổ sung. Bằng cách đó

đặt đúng vị trí các amino acid trên chuỗi polypeptide.

Mở đầu giai đoạn kéo dài chuỗi, amino acid-RNAt mang amino acid

đầu tiên đến gắn vào vị trí A của ribosome đang bỏ trống nhờ tạo liên kết

bổ sung giữa bộ ba mã hóa trên RNAm với bộ ba đối mã của RNAt.

Sau khi phức hợp amino acid-RNAt gắn vào vị trí A của ribosome,

amino acid mở đầu ở vị trí P được tách khỏi RNAt của nó và chuyển sang

vị trí A đế liên kết với amino acid ở đó bằng liên kết peptid. Quá trình đó

được xúc tác bởi peptidyl Transferase. Như vậy ở vị trí P chỉ còn RNAt

không mang amino acid còn ở vị trí A có RNAt mang 2 amino acid. Bước 198

tiếp theo là nhờ locaferase xúc tác ribosome trượt trên RNAm theo chiều

5'-3' một đoạn 3 nucleotide. Kết quả là tổ hợp RNAt mang 2 amino acid

chuyển sang vị trí P còn vị trí A của ribosome lại bỏ trống như phức hệ

mở đầu và kết thúc việc nối dài thêm 1 amino acid vào chuỗi polypeptide.

Các amino acid tiếp theo vào nối dài chuỗi cũng được tiến hành qua

các bước như với amino acid thứ nhất ở trên. Thứ tự các bộ ba trên RNAm

quy định trình tự các amino acid tương ứng vào tham gia quá trình nối dài

chuỗi polypeptide. Như vậy trật tự các bộ ba trên RNAm quyết định trật tự

các amino acid trên chuỗi polypeptide.

RNAt

Ala

+ GTP+ EF

Trans peptidase

RNAt mở đầu

Trans locase

Sơ đồ giai đoạn kéo dài chuỗi

11.3.2.4. Giai đoạn kết thúc sự tổng hợp chuỗi polypeptide

Quá trình kéo dài chuỗi sẽ ngừng khi gặp tín hiệu kết thúc. Tín hiệu

kết thúc là bộ ba kết thúc. Khi bộ ba kết thúc của RNAm (trên một RNAm

có 1 trong 3 bộ ba UAG, UGA và UAA) nằm vào vị trí A của ribosome.

Sự xuất hiện 1 trong 3 bộ ba trên, quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide 199

được kết thúc do các bộ ba này không mã hóa amino acid nên quá trình

kéo dài chuỗi bị ngắt quãng, chuỗi polypeptide đã được tổng hợp bị tách

khỏi RNAt cuối cùng mà không có RNAt tiếp để gắn vào nên được giải

phóng ra khỏi ribosome và kết thúc quá trình tổng hợp. Tham gia vào quá

trình kết thúc có yếu tố giải phóng RF làm nhiệm vụ nhận biết mã kết thúc

và giải phóng chuỗi polypeptide ra khỏi ribosome.

11.3.3. Hoàn thiện phân tử protein

Chuỗi polypeptide được tổng hợp tại ribosome phải qua nhiều biến

đổi mới trở thành phân tử protein hoàn thiện. Trước hết methionine ở đầu

chuỗi bị cắt bỏ nhờ peptidase xúc tác. Sau đó từ các nhóm chức trên các

amino acid của chuỗi hình thành các liên kết nội phân tử tạo nên protein

có các mức cấu trúc khác nhau. Trước hết từ chuỗi polypeptide liên kết

hydro được hình thành từ các nhóm CO và NH của các amino acid để tạo

nên cấu trúc bậc II của protein. Từ protein bậc II các liên kết disulfua, liên

kết ion, liên kết kỵ nước tạo ra làm cho phân tử protein có cấu trúc bậc II

cuộn xoắn để tạo nên phân tử protein bậc III. Từ một số phân tử protein

bậc III cùng chức năng có thể liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen,

tương tác Van der Waals để tạo nên protein có cấu trúc bậc IV.

Các phân tử protein đã được hoàn thiện sẽ được đưa đến các nơi sử

dụng để thực hiện chức năng của chúng trong tế bào.

11.3.4. Điều hòa tổng hợp protein

Quá trình tổng hợp protein xảy ra trong tế bào được điều hòa phù

hợp với nhu cầu của cơ thể. Khi cơ thể cần loại protein nào thì quá trình

điều hòa tự điều chỉnh cho quá trình tổng hợp protein đó xảy ra, ngược lại

khi không cần một loại protein nào đó nữa thì quá trình tổng hợp protein

đó bị ức chế.

Công trình có giá trị đầu tiên về cơ chế điều hòa tổng hợp protein do

J.Monod và Jacob (1956) đề xuất. Các tác giả này đã đưa ra thuyết Operon

để giải thích cơ chế điều hòa tổng hợp protein. Theo thuyết operon phân tử

DNA chứa nhiều loại gen:

- Gen cấu trúc-cistron,structural gene (S): gen này mã hóa phân tử

protein. Mỗi operon có thể có nhiều gen cấu trúc mã hóa cho một nhóm

protein có chức năng liên quan nhau như các enzyme xúc tác một chuỗi

phản ứng.

- Gen tác động operator (O).

- Gen khởi động promotor (P).

Bên cạnh mỗi operon có gen điều hòa Regulator (R) vai trò điều hòa

hoạt động của operon, quyết định sự đóng hay mở của operon. 200

Trật tự các gen trong operon như sau

R P O S1 S2 S3 S4

Mỗi operon chịu trách nhiệm điều hòa sự tổng hợp một nhóm

protein-enzyme cùng tham gia xúc tác một chuỗi phản ứng, trong đó mỗi

protein-enzyme do một gen cấu trúc mã hóa.

Có nhiều hình thức điều hòa tổng hợp protein theo operon như điều

hòa âm tính, điều hòa dương tính. Trong mỗi loại trên lại có nhiều hình

thức khác nhau như điều hòa bằng cách cảm ứng, điều hòa bằng cách ức

chế.

11.3.4.1. Điều hòa âm tính

Điều hòa âm tính là cơ chế điều hòa mà khi không có phức hệ ức

chế bám vào operon thì operon mở và tổng hợp protein xảy ra. Có 2 hình

thức điều hòa theo dạng này là điều hòa cảm ứng âm tính và điều hòa ức

chế âm tính.

* Điều hòa cảm ứng âm tính. Điển hình của dạng điều hòa này là

hoạt động điều hòa của operon lac. Bản chất của dạng điều hòa này là khi

trong môi trường có chất cảm ứng thì operon mở , quá trình tổng hợp

protein xảy ra. Chất cảm ứng ở đây là cơ chất của các enzyme do operon

kiểm soát, đó là lactose. Khi trong môi trường có lactose thì operon mở và

quá trình tổng hợp nên các enzyme tham gia phân giải lactose xảy ra.

Ngược lại khi trong môi trường không có lactose thì operon đóng và quá

trình tổng hợp protein không xảy ra. Cơ chế quá trình điều hòa xảy ra như

sau: operon lac có gen khởi động, gen tác động và 3 gen cấu trúc Z.Y.A

trong đó

- Gen Z: mã hóa enzyme β.galactosidase.

- Gen Y: mã hóa enzyme permease .

- Gen A: mã hóa enzyme transacetylase.

Ba enzyme trên tham gia quá trình phân giải lactose.

Gen điều hòa tổng hợp protein ức chế. Chất ức chế này nếu ở trạng

thái tự do sẽ có ái lực với operon và bám vào operon làm cho operon bị

đóng. Còn khi có chất cảm ứng do chất cảm ứng có ái lực với chất ức chế

mạnh hơn operon nên liên kết với chất ức chế tạo phức không họat động.

Phức này không bám được vào operon nên operon mở.

Như vậy trong tế bào có lactose làm chất cảm ứng liên kết với chất

ức chế do gen điều hòa tổng hợp ra làm cho chất ức chế không bám vào

operon, gen khởi động họat động kích hoạt RNA - polymerase. RNA - 201

polymerase sẽ xúc tác cho quá trình sao mã các gen cấu trúc thành các

RNAm, từ các RNAm sẽ tổng hợp ra 3 loại enzyme trên. Ba enzyme đó xúc

tác cho quá trình phân giải lactose.

Khi lactose bị phân giải hết, không còn chất cảm ứng để liên kết với

chất ức chế nên chất ức chế bám vào operon, ức chế hoạt động của RNA -

polymerase, RNA - polymerase không họat động sao mã được nên quá

trình tổng hợp protein cũng không xảy ra.

RNAm RNAm

* Điều hòa ức chế âm tính. Điển hình của dạng điều hòa này là họat

động điều hòa của operon Tryp. Bản chất của dạng điều hòa này là khi

trong môi trường có chất đồng ức chế thì operon đóng, quá trình tổng hợp

protein không xảy ra. Còn khi không có chất đồng ức chế thì operon mở,

quá trình tổng hợp protein xảy ra. Chất đồng ức chế ở đây là sản phẩm của

các enzyme do operon đó kiểm soát, đó là Tryptophan. Khi trong môi

trường không có Tryptophan, operon mở, quá trình tổng hợp các enzyme

tham gia tổng hợp Tryptophan xảy ra. Ngược lại, khi trong môi trường có

Tryptophan, operon đóng, quá trình tổng hợp các enzyme đó không xảy ra.

Cơ chế điều hòa đó xảy ra như sau.

Operon Tryp có 5 gen cấu trúc mã hóa cho 5 enzyme tham gia quá

trình tổng hợp Triptophan trong tế bào: Tryp E, Tryp D, Tryp C, Tryp B

và Tryp A.

Gen điều hòa tổng hợp protein ức chế. Khi trong tế bào có

Tryptophan đóng vai trò chất đồng ức chế thì chất ức chế kết hợp với chất

đồng ức chế tạo phức họat động. Phức này có ái lực với operon nên bám

vào operon làm cho operon không hoạt động, RNA-polymerase không sao 202

mã nên không có các RNAm cho quá trình tổng hợp protein, tổng hợp

protein-enzyme không xảy ra.

Khi trong tế bào không có Triptophan, chất ức chế do gen điều hòa

tổng hợp ra không có ái lực với operon nên không bám vào operon, RNA-

polymerase không bị ức chế nên xúc tác cho quá trình sao mã từ các gen

cấu trúc tạo ra các RNAm tương ứng. Từ các RNAm tiến hành quá trình

tổng hợp protein để tạo nên các protein-enzyme.

RNAm RNAm

11.3.4.2. Điều hòa dương tính

Điều hòa dương tính là cơ chế điều hòa tổng hợp protein mà khi có

phức hệ ức chế bám vào operon thì operon mở, quá trình tổng hợp protein

xảy ra. Khi không có phức hệ ức chế bám vào operon thì operon đóng, quá

trình tổng hợp protein dừng lại. Cơ bản của quá trình này là có cơ chế điều

hòa ngược hình thức điều hòa âm tính đã phân tích ở trên. 203

TÀI LIỆU THAM KHẢO