Tài liệu Tiểu luận trình bày về trna

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC TIỂU LUẬN HÓA SINH ĐẠI CƯƠNG Đề tài: Trình bày về tRNA 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU............................................................................................................................ 3 NỘI DUNG........................................................................................................................ 4 I. Tổng quan về RNA và tRNA.....................................................................................4 I.1. RNA........................................................................................................................ 4 I.2. tRNA...................................................................................................................... 4 II. Cấu trúc....................................................................................................................5 II.1. Mononucleotide....................................................................................................6 II.2. Cấu trúc sơ cấp....................................................................................................8 II.3. Cấu trúc thứ cấp...................................................................................................9 III.4. Cấu trúc bậc 3...................................................................................................11 III. Anticodon..............................................................................................................12 IV. Aminoacyl – tRNA................................................................................................13 IV.1. Aminoacyl – tRNA.............................................................................................13 IV.2. Quá trình aminoacyl hóa...................................................................................14 IV. 3. Tính ổn định và sự thủy phân aa – tRNA..........................................................16 V. Liên kết với ribosome và tham gia quá trình tổng hợp protein..........................16 V.1. Ribosome............................................................................................................16 V.2. tRNA tham gia vào quá trình tổng hợp protein...................................................17 KẾT LUẬN..................................................................................................................... 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................20 2 MỞ ĐẦU Sự sống, sống hay cuộc sống là một khái niệm phân biệt các thực thể vật chất có cơ chế sinh học (ví dụ như khả năng tự duy trì, hay truyền tín hiệu), tách biệt chúng với các vật thể không có những cơ chế đó hoặc đã ngừng hoạt động, những vật đó được gọi là vô sinh hay vô tri thức. Nhiều dạng sự sống tồn tại như thực vật, động vật, nấm, nguyên sinh vật, vi khuẩn cổ... Các bằng chứng cho thấy rằng sự sống trên Trái Đất đã tồn tại cách đây khoảng 3,7 tỉ năm[1] với những dấu vết về sự sống cổ nhất được tìm thấy trong các hóa thạch có tuổi 3,4 tỉ năm[2].Các nhà nghiên cứu nghiên cứu nguồn gốc sự sống thông qua sự kết hợp của sinh học phân tử, cổ sinh vật học, sinh vật học, hải dương học, sinh lý học, địa hóa học và hóa sinh, và nhằm mục đích xác định các phản ứng hóa học trước khi có sự sống đã tạo ra sự sống như thế nào. Sự sống hoạt động thông qua hoạt động hóa học chuyên biệt của cacbon và nước và xây dựng phần lớn dựa trên bốn họ hóa chất chính: lipid (thành tế bào mỡ), carbohydrat (đường, cellulose), amino acid (chuyển hóa protein) và nucleic acid (DNA, RNA). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng RNA (Ribonucleic Acid) là cội nguồn hình thành sự sống [3]. RNA là một phân tử polyme cơ bản có nhiều vai trò sinh học trong mã hóa, dịch mã, điều hòa. Một số phân tử RNA đóng vai trò hoạt động bên trong tế bào như xúc tác cho các phản ứng sinh học, kiểm soát biểu hiện gen, hoặc những đáp ứng cảm nhận và liên lạc trong quá trình truyền tín hiệu tế bào. Trong đó,tRNA (transfer-RNA) là 1 loại RNA vận chuyển có vai trò rất quan trọng khi tổng hợp protein và dịch mã di truyền. Bài luận sẽ giúp ta hiểu rõ về cấu trúc, từ đó nắm được vai trò chức năng của từng bộ phận và quá trình hoạt động của tRNA cũng như mối quan hệ tương quan với các loại RNA khác. 3 NỘI DUNG I.Tổng quan về RNA và tRNA I.1. RNA “Nucleic” nghĩa là “nhân”, nucleicacid là chất được tìm thấy trong nhân tế bào được hình thành từ các nucleotide polymers, hiện diện trong mọi tế bào ở dạng tự do hoặc hết hợp với các protein (gọi là nucleoprotein). RNA – Ribonucleic Acidlà một phân tử polymer của các nucleotide có nhiều vai trò sinh học trong mã hóa, dịch mã, điều hòa, và biểu hiện của gene. RNA và DNA là các nucleic acid, cùng với lipid, protein và cacbohydrat, tạo thành bốn loại đại phân tử cơ sở cho mọi dạng sự sống trên Trái Đất. Giống như DNA, RNA tạo thành từ một chuỗi nucleotide, nhưng không giống DNA có cấu trúc là sợi xoắn kép, RNA ở dạng tự nhiên là một sợi đơn gập lại vào chính nó. Các sinh vật tế bào sử dụng RNA thông tin (mRNA) đề truyền đạt các thông tin di truyền cho phép tổng hợp trực tiếp lên các protein chuyên biệt. Nhiều virus mã hóa thông tin di truyền của chúng trong bộ gene RNA.Một số phân tử RNA đóng vai trò hoạt động bên trong tế bào như là những chất xúc tác cho các phản ứng sinh học, kiểm soát biểu hiện gene hoặc những đáp ứng cảm nhận và liên lạc trong quá trình truyền tín hiệu tế bào. Một trong những quá trình hoạt động chính là sinh tổng hợp protein, một chức năng phổ biến mà các phân tử RNA trực tiếp tham gia tổng hợp protein trên phân tử ribosome. Quá trình này sử dụng các phân tử RNA vận chuyển (tRNA) mang các acid amine đến phức hệ ribosome, nơi các phân tử RNA ribosome (rRNA) thực hiện ghép nối các acid amine với nhau tạo thành chuỗi protein. I.2. tRNA RNA vận chuyển – tRNA (trước đây gọi là sRNA[4])là một phân tử bộ chuyển đổi bao gồm RNA thường có độ dài từ 76 đến 90 nucleotide, [5]đóng vai trò là liên kết vật 4 lý giữa mRNA và trình tự acid amine của protein. tRNA thực hiện điều này bằng cáchmang một acid amine đến bộ máy tổng hợp protein của một tế bào ( ribosome ) theo chỉ dẫn của chuỗi 3 nucleotide ( codon ) trong RNA thông tin (mRNA). Trong khi trình tự nucleotide cụ thể của mRNA chỉ định acid amine nào được kết hợp vào sản phẩm protein của gene mà mRNA phiên mã, vai trò của tRNA là xác định trình tự nào từ mã di truyền tương ứng với acid amine nào. [6] mRNA mã hóa ra một acid amine bởi một codon, mỗi loại được nhận ra bởi một tRNA cụ thể. Một đầu của tRNA khớp với mã di truyền trong chuỗi ba nucleotide được gọi là anticodon . Anticodon tạo thành ba cặp cơ sở bổ sung với một codontrongmRNA trong quá trình sinh tổng hợp protein. Ở đầu bên kia của tRNA là một liên kết cộng hóa trị với acid amine tương ứng với trình tự anticodon. Mỗi tRNA chỉ có thể được gắn vào một loại acid amine, vì vậy mỗi sinh vật có nhiều loại tRNA. Mặt khác,mã di truyền chứa nhiều codon chỉ định cùng một acid amine nên có một số tRNA mang các anticodon khác nhau mang cùng một acid amine. Sự liên kết cộng hóa trị vào đầu tRNA 3’ này được xúc tác bởi các enzyme gọi là aminoacyl tRNA synthetase. Trong quá trình tổng hợp protein, các acid amine sẽ đi đến ribosome và tham gia quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide đang phát triển nhờ các tRNA. Ngoài ra, một số lượng tương đối các nucleotide trong tRNA có thể bị biến đổi hóahọc, thường là do methyl hóa hoặc khử amin. Các base bất thường này ảnh hưởng đến sự tương tác của tRNA với các ribosome và đôi khi xảy ra trong anticodon để thay đổi các đặc tính ghép cặp cơ sở.[7] Có hai loại tRNA: tế bào chất và ty thể. Các tRNA tế bào chất được tìm thấy ở chất lỏng bên trong tế bào (tế bào chất). Những tRNA này giúp tạo ra protein từ các gen nằm trong DNA trong nhân của tế bào (DNA hạt nhân). Các cấu trúc tế bào được gọi là ty thể có một lượng nhỏ DNA của chính chúng, được gọi là DNA ty thể. Protein được sản xuất từ các gen nằm trong DNA ty thể được lắp ráp bởi các tRNA của ty thể. 5 II. Cấu trúc Cấu trúc tRNA là 1 chuỗi polynucleotide liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester 3’ – 5’, được phân tách thành cấu trúc sơ cấp, cấu trúc thứ cấp (cấu trúc cỏ ba lá) và cấu trúc bậc ba[8]. II.1. Mononucleotide Thành phần nucleotide gồm 1 nitrogenous base liên kết với 1 đườngpentose và 1 phosphoric acid. • Phosphoric acid: • Đường pentose là β – D – Ribose • Các nitrogenous base là dẫn xuất của pyrimindine và purine: Pyrimindine Cytosine (C) 6 Uracil (U) Purine Adenine (A) Guanine (G) Chú ý: Để phân biệt C của base và ribose, các nguyên tử C của ribose được đánh dấu C’. II.1.1. Nucleoside N9 purine (A, G) + C1’ β – D – Ribose → Phản ứng khử nước tạo liên N1 pyrimindine (C, U) + C1’ β – D – Ribose kết β – glycosidic của nucleoside. Adenosine Guanosine 7 Cytidine Uridine II.1.2. Nucleotide C5’ nucleoside + phosphoric acid → Phản ứng khử nước tạo liên kết ester của nucleotide Trong acid nucleic, các nucleotide chứa một gốc phosphate Adenosine – 5’ – monophosphate Guanosine – 5’ – monophosphate 8 Cytidine – 5’ – monophosphate Uridine – 5’ – monophosphate II.2. Cấu trúc sơ cấp Cấu trúc sơ cấp của một polymer sinh học cho biết chính xác thành phần nguyên tử và liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Đối với một loại polymer sinh học không phân nhánh như RNA, cấu trúc sơ cấp tương đương với trình tự của các tiểu đơn vị đơn phân cấu tạo nó.Các mononucleotide liên kết với nhau bởi liên kết phosphodiester 3’ – 5’. Các ribose và gốc phosphate liên kết với nhau tạo thành xương sống của khung polynucleotide, gốc base sẽ phân bố xung quanh. Ví dụ: 1 Dinucleotides A – C 9 Liên kết phosphodiester 3’ – 5’ II.3. Cấu trúc thứ cấp Cấu trúc thứ cấp của RNA nói chung và tRNA nói riêng là sự xoắn lại với nhau của một số đoạn dọc theo chuỗi polynucleotide nếu có các base “bổ sung” cho nhau tạo được liên kết hydro: A – U, G – C là những cặp base “bổ sung”, tạo thành cấu trúc cỏ 3 lá với 3 chuỗi lồi với 3 chức năng khác nhau:  D – loop: chứa một vài nucleotide khác giúp nhận biết enzyme, ví dụ: dihydrouridine  Anticodon – loop: tìm codon trên mRNA, chứa anticodon.  T – loop: có chứa một vài nucleotide khác giúp nhận biết ribosome, ví dụ:pseudouridine (một dạng đồng phân của uridine). 10  Đuôi CCA là một chuỗi cytosine – cytosine – adenine ở đầu 3 'của phân tử tRNA. Acid amine được nạp vào tRNA bởi các synthetase aminoacyl tRNA, để tạo thành aminoacyl – tRNA. Hình 1. Cấu trúc thứ cấp của tRNA Có một số base có thể bị biến đổi ở một số vị trí trong tRNA, ví dụ base đầu tiên trên anticodon làinosine (với nitrogen base là dẫn xuất của purine giống như adenine), queuosine (có nguồn gốc từ guanine), acid uridine-5-oxyacetic (có nguồn gốc từ uracil), 5-methylaminomethyl-2-thiouridine uracil), hoặc lysidine (có nguồn gốc từ cytosine).[10] III.4. Cấu trúc bậc 3 Cấu trúc của cỏ ba lá trở thành cấu trúc hình chữ L 3D thông qua việc xếp chồng đồng trục của các xoắn ốc, đây là mô-đun cấu trúc bậc ba RNA phổ biến. 11 Hình 2. Cấu trúc bậc 3 của tRNA III. Anticodon Anticodon [9] là một đơn vị được tạo thành từ ba nucleotide tương ứng theo nguyên tắc bổ sung với ba nucleotide cơ sở của codon trên mRNA. Ví dụ: nếu codon là 5' – AUG – 3’ thì tạo liên kết hydro với anticodo 3'-UAC-5', hoặc codon: 5’ – UUG – 3’ và anticodon: 3’ – AAC – 5’,... Như vậy, mỗi tRNA sẽ chứa một anticodon riêng biệt. Bên 12 cạnh đó, một số anticodon có thể ghép với nhiều codon do một hiện tượng ghép cặp không ổn định, nghĩa là không theo nguyên tắc bổ sung do có sự biến đổi nucleotide. Ví dụ: inosine (một nucleoside được hình thành khi hypoxanthine được gắn vào vòng β – D – Ribose thông qua liên kết N9 – glycosidic) có thể liên kết hydro với nhiều hơn một base ở vị trí codon tương ứng. Các nucleotide biến đổi khác cũng có thể xuất hiện ở vị trí anticodon đầu tiên còn được gọi là "wobble position". Trên mỗi tế bào, 61 loại tRNA sẽ được yêu cầu để cung cấp sự tương ứng một-một giữa các phân tử tRNA và codon chỉ định acid amine. Tuy 13 nhiên, nhiều tế bào chứa ít hơn 61 loại tRNA vì “wobble position” có khả năng liên kết với nhiều hơn một codon trên mRNA. IV. Aminoacyl – tRNA IV.1. Aminoacyl – tRNA Aminoacyl-tRNA (aa-tRNA) là tRNA có chứa một nhóm aminoacyl liên kết cộng hóa trị với đầu CCA 3’ của nó. Qúa trình thêm vào tRNA nhóm aminoacyl này được gọi là quá trình aminoacyl hóa. H ình 3. Aminoacyl-Trna Vai trò của aa – tRNA là đưa acid amine vào ribosome để kết hợp vào chuỗi polypeptide đang được sản xuất trong quá trình dịch mã. 14 [12] Mỗi acid amine đều có aminoacyl-tRNA synthetase riêng, được sử dụng để liên kết hóa học với tRNA mà nó đặc trưng, hay nói cách khác là "cognate". Sự kết hợp của một tRNA với acid amine cognate của nó là rất quan trọng, vì nó đảm bảo rằng chỉ có acid amine cụ thể phù hợp với anticodon của tRNA, và lần lượt phù hợp với codon của mRNA được sử dụng trong quá trình tổng hợp protein.Một số sinh vật có thể thiếu một hoặc nhiều aminoacyl tRNA synthetase dẫn đến việc nạp sai acid amine. Tuy nhiên, chúng có sử dụng enzyme như một aminoacyl tRNA synthetase để điều chỉnh lại sự sai lệch đó. Để ngăn ngừa các lỗi dịch mã khi acid amine sai kết hợp vào chuỗi polypeptide, quá trình đã cung cấp chức năng đọc lại của các aa-tRNA synthetase; cơ chế này đảm bảo sự kết hợp đúng của một acid amine với tRNA của nó. [13]Các acid amine bị khử nhầm với cơ chất tRNA trải qua quá trình thủy phân thông qua cơ chế khử của các aa-tRNA synthetase[14]. Do sự thoái hóa của mã di truyền, nhiều tRNA sẽ có cùng acid amine nhưng với các anticodon khác nhau. Những tRNA khác nhau này được gọi là isoacceptors. Trong một số trường hợp nhất định, các acid amine không cognate sẽ được liên kết dẫn đến tRNA bị nạp sai. Các tRNA bị nạp sai này phải được thủy phân để ngăn chặn sự tổng hợp protein không chính xác. IV.2. Quá trình aminoacyl hóa Các aminoacyl tRNA đều được tổng hợp theo hai bước: hoạt hóa acid amine sau đó nhờ aminoacyl tRNA synthetase phù hợp xúc tác hình thành liên kết giữa acid amine hoạt hóa với tRNA. Các nucleotide tự do trong tế bào có thể chứa một, hai hoặc ba gốc phosphate. 15 Adenosine – 5’ – Diphosphate (ADP) Adenosine – 5’ – Triphosphate (ATP) Ví dụ: xét quá trình khởi đầu trong tổng hợp protein: acid amine được hoạt hóa bằng ATP (một nucleotide giàu năng lượng): Đầu tiên, sự adenyl hóa acid amine, tạo thành aminoacyl – AMP: Acid amin + ATP → Aminoacyl-AMP + PPi Thứ hai, chuyển aminoacyl – AMP đến tRNA: 16 Aminoacyl-AMP + tRNA → Aminoacyl-tRNA + AMP Phản ứng mạng tổng thể là: Acid amine + ATP + tRNA → Aminoacyl-tRNA + AMP + PPi Phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng vì pyrophosphate (PPi) sẽ bị thủy phân. Quá trình thủy phân pyrophosphate thành hai phân tử phản ứng phốt phát vô cơ (P i) rất thuận lợi về mặt năng lượng và thúc đẩy hai phản ứng còn lại. IV. 3. Tính ổn định và sự thủy phân aa – tRNA Các aa – tRNA khác nhau có hằng số tốc độ phản ứng khác nhau trong quá trình thủy phân liên kết ester giữa acid amine với tRNA. Sự khác biệt này phụ thuộc vào yếu tố chắn không gian, các acid amine phân nhánh ví dụ như valine hay isoleucine được chứng minh tạo ra các aa – tRNA ổn định nhất khi tổng hợp. Nhìn chung, bản chất hóa học của acid amine liên kết quyết định tính ổn định của aa – tRNA [15]. Ngoài ra, còn có ảnh hưởng của môi trường, việc tăng nồng độ các ion sinh lí như Na +, K+, Mg2+ đã được chứng minh làm mất ổn định liên kết ester aa-tRNA. Độ pH tăng cũng gây ảnh hưởng do thay đổi quá trình ion hóa của nhóm amino, nhóm amino tích điện có thể làm mất ổn định liên kết aatRNA thông qua hiệu ứng liên hợp. V. Liên kết với ribosome và tham gia quá trình tổng hợp protein V.1. Ribosome Ribosome là bào quan tổng hợp chuỗi polypeptide dựa trên khuôn mã của mRNA. Đây là một bộ máy phân tử lớn, phức tạp, có mặt trong tất cả các tế bào sống, nơi xảy ra quá trình sinh tổng hợp protein. Ribosome bao gồm hai tiểu đơn vị chính - tiểu đơn vị ribosome nhỏ đọc mRNA, trong khi tiểu đơn vị lớn liên kết các acid amine để tạo thành một chuỗi polypeptide. Mỗi tiểu đơn vị được cấu tạo từ các RNA hay còn gọi là rRNA, cùng với đó là hơn 50 loại protein. 17 Hình 4: Tiểu đơn vị lớn (đỏ) và tiểu đơn vị nhỏ (xanh) gắn kết với nhau tạo thành ribosome V.2. tRNA tham gia vào quá trình tổng hợp protein Sử dụng mRNA như một bản mẫu, ribosome dùng mỗi đơn vị mã (3 nucleotide) của mRNA, ghép nối nó với acid amine thích hợp được cung cấp bởi một aminoacyltRNA. Aminoacyl-tRNA có chứa một anticodon bổ sung vào một đầu và một axit amine thích hợp ở đầu kia. Ribosome có ba phần RNA liên kết, được gọi là A, P và E. Phần A liên kết với một aminoacyl tRNA, phần P liên kết với một peptidyl-tRNA (tRNA dính với peptide đang được tổng hợp) và phần E liên kết với tRNA tự do trước khi nó ra khỏi ribosome. Quá trình dịch mã (tổng hợp protein) chia thành ba giai đoạn:  Mở đầu: Tiểu đơn vị nhỏ của ribosome (có bộ 3 của rARN) gắn với mARN ở vị trí nhận biết đặc hiệu (gần bộ ba mở đầu) và di chuyển đến bộ ba mở đầu (AUG). Aminoacyl-tRNA phù hợp tiến đến gắn với bộ 3 mở đầu theo nguyên tắc bổ sung (UAX - AUG), sau đó tiểu đơn vị lớn gắn vào tạo ribosome hoàn chỉnh.  Kéo dài (tổng hợp): Aminoacyl-tRNA tiếp theo khớp bổ sung đối mã với codon tiếp theo trên mARN. Tiểu đơn vị lớn xúc tác cho sự hình thành liên kết peptit giữa các axit amin mở đầu và tiếp theo lần lượt. Ribosome tiếp tục dịch chuyển tARN 18 tách và di chuyển khỏi ribosome, quá trình vẫn tiếp tục khi ribosome chạy tiếp dọc mARN.  Kết thúc: Khi ribosome chạy đến một codon kết thúc (UAA, UAG, UGA - tương ứng với không axit amin) thì dịch mã chấm dứt, hai tiểu đơn vị ribosome tách nhau ra. Ngay sau đó, một enzym đặc hiệu loại bỏ axit amin mở đầu, quá trình dịch mã hoàn tất. Hình 5. Sơ đồ mô tả quá trình tổng hợp protein 19 KẾT LUẬN Như vậy, tRNA là thành phần rất cần thiết và quan trọng trong quá trình tổng hợp protein. Với bản chất cấu trúc là một chuỗi xoắn polynucleotides, tRNAcó chức năng vận chuyển các acid amine đến ribosome để tiến hành tổng hợp nên chuỗi polypeptides theo mã di truyền. Mỗi tRNA chứa một anticodon khác nhau tương ứng với một codon tương ứng trên mRNA, song do sự thoái hóa một vị trí nào đó trên anticodon làm cho tRNA đó có thể “bổ sung” với nhiều hơn một mRNA dẫn đến việc nạp sai trình tự acid amine lên chuỗi polypeptides. Tuy nhiên, điều này được khắc phục bởi aa – t RNA synthetase, chức năng đọc lại của aa – tRNA synthetase chỉ cho phép sự kết hợp đúng của một acid amine với tRNA tương ứng và thủy phân acid amine không phải đặc hiệu của chúng. Aa – tRNA hình thành qua hai giai đoạn: hoạt hóa acide amine và tạo liên kết ester với tRNA.Sự ổn định của aa – tRNA phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của amid amine liên kết, ngoài ra cũng bị ảnh hưởng một phần bởi các yếu tố môi trường (pH, chất điện ly,...). Sau khi đã có những phân tử aa – tRNA, quá trình tổng hợp protein bắt đầu, diễn ra trong ribosome trên khuôn mẫu mRNA chuỗi polypeptides sẽ được hình thành nhờ sự vận chuyển acid amine của aa – tRNA đến ribosome. Ngoài vai trò chủ yếu là liên kết trung gian giữa chuỗi mã hóa mRNA và chuỗi polypeptides được mã hóa trong quá trình tổng hợp protein, người ta cũng thấy rằng aa-tRNA có chức năng trong một số con đường sinh tổng hợp khác. aa-tRNA được tìm thấy có chức năng như chất nền trong con đường sinh tổng hợp cho thành tế bào, kháng sinh, lipid và thoái hóa protein. 20