TỔNG HỢP PROTEIN: CÁC GIAI ĐOẠN VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CHÚNG - SINH HỌC - 2026

Sự tổng hợp protein là một sự kiện sinh học xảy ra ở hầu hết mọi sinh vật. Tế bào liên tục lấy thông tin được lưu trữ trong DNA và nhờ sự hiện diện của máy móc chuyên dụng phức tạp, biến đổi nó thành các phân tử protein.

Tuy nhiên, mã 4 chữ cái được mã hóa trong DNA không được dịch trực tiếp thành protein. Một phân tử RNA có chức năng trung gian, được gọi là RNA thông tin, tham gia vào quá trình này.

Tổng hợp protein.
Nguồn: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Khi tế bào cần một loại protein cụ thể, trình tự nucleotide của một phần DNA thích hợp sẽ được sao chép thành RNA - trong một quá trình được gọi là phiên mã - và đến lượt nó lại được dịch mã thành protein được đề cập.

Dòng thông tin được mô tả (DNA tới RNA thông tin và RNA thông điệp tới các protein) xảy ra từ những sinh vật rất đơn giản như vi khuẩn đến con người. Chuỗi các bước này được gọi là "tín điều" trọng tâm của sinh học.

Bộ máy chịu trách nhiệm tổng hợp protein là ribosome. Các cấu trúc tế bào nhỏ này được tìm thấy ở một mức độ lớn trong tế bào chất và được neo vào lưới nội chất.

Protein là gì?

Protein là đại phân tử được tạo thành từ các axit amin. Chúng chiếm gần 80% nguyên sinh chất của toàn bộ tế bào bị mất nước. Tất cả các protein tạo nên một sinh vật được gọi là "proteome".

Các chức năng của nó rất đa dạng và đa dạng, từ vai trò cấu trúc (collagen) đến vận chuyển (hemoglobin), chất xúc tác cho các phản ứng sinh hóa (enzym), bảo vệ chống lại mầm bệnh (kháng thể), v.v.

Có 20 loại axit amin tự nhiên được kết hợp với nhau bằng liên kết peptit để tạo thành protein. Mỗi axit amin được đặc trưng bởi có một nhóm cụ thể mang lại cho nó các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt.

Các giai đoạn và đặc điểm

Cách thức mà tế bào quản lý để giải thích thông điệp DNA xảy ra thông qua hai sự kiện cơ bản: phiên mã và dịch mã. Nhiều bản sao của RNA, được sao chép từ cùng một gen, có khả năng tổng hợp một số lượng đáng kể các phân tử protein giống hệt nhau.

Mỗi gen được phiên mã và dịch mã một cách khác biệt, cho phép tế bào tạo ra nhiều loại protein khác nhau. Quá trình này liên quan đến các con đường điều hòa tế bào khác nhau, thường bao gồm kiểm soát quá trình sản xuất RNA.

Bước đầu tiên tế bào phải làm để bắt đầu sản xuất protein là đọc thông điệp được viết trên phân tử DNA. Phân tử này là phổ quát và chứa tất cả các thông tin cần thiết cho việc xây dựng và phát triển các sinh vật hữu cơ.

Tiếp theo, chúng ta sẽ mô tả quá trình tổng hợp protein xảy ra như thế nào, bắt đầu quá trình “đọc” vật liệu di truyền này và kết thúc bằng việc sản xuất protein cho mỗi tế bào.

Phiên mã: từ DNA sang RNA thông tin

Thông điệp trên chuỗi xoắn kép DNA được viết bằng mã bốn chữ cái tương ứng với các bazơ adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và thymine (T).

Chuỗi các chữ cái DNA này đóng vai trò như một khuôn mẫu để xây dựng một phân tử RNA tương đương.

Cả DNA và RNA đều là các polyme mạch thẳng được tạo thành từ các nucleotide. Tuy nhiên, chúng khác nhau về mặt hóa học ở hai khía cạnh cơ bản: các nucleotide trong RNA là ribonucleotide và thay vì base thymine, RNA có uracil (U), bắt cặp với adenine.

Quá trình phiên mã bắt đầu bằng việc mở chuỗi xoắn kép ở một vùng cụ thể. Một trong hai chuỗi hoạt động như một "khuôn mẫu" hoặc khuôn mẫu để tổng hợp RNA. Các nucleotide sẽ được thêm vào theo quy tắc ghép đôi cơ sở, C với G và A với U.

Enzyme chính tham gia vào quá trình phiên mã là RNA polymerase. Nó có nhiệm vụ xúc tác sự hình thành các liên kết phosphodiester tham gia vào các nucleotide của chuỗi. Chuỗi đang kéo dài theo hướng 5 'đến 3'.

Sự phát triển của phân tử liên quan đến các protein khác nhau được gọi là "yếu tố kéo dài" chịu trách nhiệm duy trì sự liên kết của polymerase cho đến khi kết thúc quá trình.

Nối RNA thông tin

Nguồn: BCSteve, từ Wikimedia Commons Ở sinh vật nhân chuẩn, gen có cấu trúc cụ thể. Trình tự bị gián đoạn bởi các phần tử không phải là một phần của protein, được gọi là intron. Thuật ngữ này trái ngược với exon, bao gồm các phần của gen sẽ được dịch mã thành protein.

Nối là một sự kiện cơ bản bao gồm việc loại bỏ các intron của phân tử truyền tin, để tách một phân tử được xây dựng riêng bởi các exon. Sản phẩm cuối cùng là RNA thông tin trưởng thành. Về mặt vật lý, nó diễn ra trong spliceosome, một bộ máy phức tạp và năng động.

Ngoài quá trình nối, RNA thông tin còn trải qua quá trình mã hóa bổ sung trước khi được dịch mã. Một "mui xe" được thêm vào có bản chất hóa học là một nucleotide guanin đã được biến đổi, và ở đầu 5 'và đuôi của một số adenin ở đầu kia.

Các loại RNA

Trong tế bào, nhiều loại RNA khác nhau được sản xuất. Một số gen trong tế bào tạo ra phân tử RNA thông tin và phân tử này được dịch thành protein - như chúng ta sẽ thấy ở phần sau. Tuy nhiên, có những gen mà sản phẩm cuối cùng là chính phân tử ARN.

Ví dụ, trong hệ gen của nấm men, khoảng 10% gen của nấm men có phân tử ARN là sản phẩm cuối cùng của chúng. Điều quan trọng là phải đề cập đến chúng, vì những phân tử này đóng một vai trò cơ bản khi nói đến tổng hợp protein.

- RNA ribosome: RNA ribosome là một phần của trung tâm của ribosome, cấu trúc quan trọng để tổng hợp protein.

Nguồn: Jane Richardson (Dcrjsr), từ Wikimedia Commons Quá trình xử lý RNA của ribosome và quá trình lắp ráp tiếp theo của chúng thành ribosome xảy ra trong một cấu trúc rất dễ thấy của nhân - mặc dù nó không được bao bọc bởi màng - được gọi là nucleolus.

- RNA vận chuyển: nó hoạt động như một bộ tiếp hợp chọn một axit amin cụ thể và cùng với ribosome, kết hợp phần axit amin còn lại vào protein. Mỗi axit amin liên quan đến một phân tử ARN chuyển.

Ở sinh vật nhân thực có ba loại polymerase, mặc dù có cấu trúc rất giống nhau nhưng lại đóng những vai trò khác nhau.

RNA polymerase I và III phiên mã các gen mã cho RNA chuyển, RNA ribosome và một số RNA nhỏ. RNA polymerase II nhắm mục tiêu đến việc dịch mã các gen mã hóa protein.

- Các ARN nhỏ liên quan đến điều hòa: Các ARN dài ngắn khác tham gia điều hòa biểu hiện gen. Chúng bao gồm các microRNA và các RNA can thiệp nhỏ.

Các microRNA điều chỉnh sự biểu hiện bằng cách chặn một thông điệp cụ thể, và những thông điệp nhỏ gây nhiễu sẽ ngăn chặn sự biểu hiện thông qua sự suy thoái trực tiếp của chất truyền tin. Tương tự, có những RNA hạt nhân nhỏ tham gia vào quá trình nối RNA thông tin.

Bản dịch: từ RNA thông tin đến protein

Một khi RNA thông tin trưởng thành thông qua quá trình nối và đi từ nhân đến tế bào chất của tế bào, quá trình tổng hợp protein sẽ bắt đầu. Sự xuất khẩu này được thực hiện qua trung gian của phức hợp lỗ nhân - một loạt các kênh nước nằm trong màng của nhân nối trực tiếp tế bào chất và nhân.

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta sử dụng thuật ngữ "dịch thuật" để chỉ việc chuyển đổi từ từ ngôn ngữ này sang ngôn ngữ khác.

Ví dụ: chúng tôi có thể dịch một cuốn sách từ tiếng Anh sang tiếng Tây Ban Nha. Ở cấp độ phân tử, quá trình dịch mã liên quan đến sự thay đổi từ ngôn ngữ sang RNA thành protein. Nói chính xác hơn, đó là sự thay đổi từ nucleotide thành axit amin. Nhưng sự thay đổi phương ngữ này xảy ra như thế nào?

Mã di truyền

Trình tự nucleotit của gen có thể được biến đổi thành protein tuân theo các quy luật do mã di truyền thiết lập. Điều này đã được giải mã vào đầu những năm 1960.

Như người đọc sẽ có thể suy luận, bản dịch không thể là một hoặc một, vì chỉ có 4 nucleotide và 20 axit amin. Logic như sau: sự kết hợp của ba nucleotide được gọi là "bộ ba" và chúng liên kết với một axit amin cụ thể.

Vì có thể có 64 thể ba (4 x 4 x 4 = 64) nên mã di truyền là thừa. Nghĩa là, cùng một axit amin được mã hóa bởi nhiều hơn một bộ ba.

Sự hiện diện của mã di truyền là phổ biến và được sử dụng bởi tất cả các sinh vật sống trên trái đất ngày nay. Việc sử dụng rộng rãi này là một trong những chất tương đồng phân tử nổi bật nhất của tự nhiên.

Ghép nối axit amin để chuyển ARN

Các codon hoặc bộ ba được tìm thấy trong phân tử RNA thông tin không có khả năng nhận biết trực tiếp các axit amin. Ngược lại, quá trình dịch mã của RNA thông tin phụ thuộc vào một phân tử có thể nhận biết và liên kết codon và axit amin. Phân tử này là RNA chuyển giao.

RNA vận chuyển có thể gấp lại thành một cấu trúc ba chiều phức tạp giống như một chiếc cỏ ba lá. Trong phân tử này có một vùng gọi là “antodon”, được hình thành bởi ba nucleotide liên tiếp bắt cặp với các nucleotide bổ sung liên tiếp của chuỗi RNA thông tin.

Như chúng ta đã đề cập trong phần trước, mã di truyền là dư thừa, vì vậy một số axit amin có nhiều hơn một ARN chuyển.

Việc phát hiện và dung hợp axit amin chính xác với ARN chuyển là một quá trình được thực hiện qua trung gian của một enzym gọi là aminoacyl-tRNA synthetase. Enzyme này chịu trách nhiệm ghép nối cả hai phân tử thông qua liên kết cộng hóa trị.

Thông điệp RNA được giải mã bởi ribosome

Để tạo thành protein, các axit amin liên kết với nhau thông qua liên kết peptit. Quá trình đọc RNA thông tin và liên kết các axit amin cụ thể xảy ra trong ribosome.

Ribôxôm

Ribosome là phức hợp xúc tác được tạo thành từ hơn 50 phân tử protein và nhiều loại RNA ribosome khác nhau. Ở sinh vật nhân thực, trung bình một tế bào chứa trung bình hàng triệu ribôxôm trong môi trường tế bào chất.

Về mặt cấu trúc, ribosome được tạo thành từ một đơn vị lớn và một tiểu đơn vị nhỏ. Vai trò của phần nhỏ là đảm bảo rằng RNA vận chuyển bắt cặp chính xác với RNA thông tin, trong khi phần nhỏ lớn xúc tác sự hình thành liên kết peptit giữa các axit amin.

Khi quá trình tổng hợp không hoạt động, hai tiểu đơn vị tạo nên ribosome sẽ bị tách ra. Khi bắt đầu tổng hợp, RNA thông tin tham gia vào cả hai tiểu đơn vị, nói chung là gần đầu 5 '.

Trong quá trình này, sự kéo dài của chuỗi polypeptit xảy ra bằng cách bổ sung gốc axit amin mới theo các bước sau: liên kết với ARN chuyển, hình thành liên kết peptit, chuyển vị của các tiểu đơn vị. Kết quả của bước cuối cùng này là sự chuyển động của toàn bộ ribosome và một chu kỳ mới bắt đầu.

Sự kéo dài của chuỗi polypeptit

Trong ribosome, ba vị trí được phân biệt: vị trí E, P và A (xem hình ảnh chính). Quá trình kéo dài bắt đầu khi một số axit amin đã được liên kết cộng hóa trị và có một phân tử ARN chuyển ở vị trí P.

ARN chuyển có axit amin tiếp theo được kết hợp sẽ liên kết với vị trí A bằng cách bắt cặp bazơ với ARN thông tin. Sau đó, phần tận cùng cacboxyl của peptit được giải phóng khỏi ARN chuyển ở vị trí P bằng cách phá vỡ liên kết năng lượng cao giữa ARN chuyển và axit amin mà nó mang theo.

Axit amin tự do được gắn vào chuỗi, và một liên kết peptit mới được hình thành. Phản ứng trung tâm trong toàn bộ quá trình này được thực hiện qua trung gian của enzyme peptidyl transferase, được tìm thấy trong tiểu đơn vị lớn của ribosome. Do đó, ribosome di chuyển qua RNA thông tin, dịch mã từ axit amin thành protein.

Cũng như trong quá trình phiên mã, các yếu tố kéo dài cũng tham gia vào quá trình dịch mã protein. Những yếu tố này làm tăng tốc độ và hiệu quả của quá trình.

Hoàn thành bản dịch

Quá trình dịch mã kết thúc khi ribosome gặp các codon dừng: UAA, UAG hoặc UGA. Chúng không được nhận biết bởi bất kỳ RNA chuyển và không liên kết với bất kỳ axit amin nào.

Tại thời điểm này, các protein được gọi là yếu tố giải phóng liên kết với ribosome và gây ra xúc tác của phân tử nước chứ không phải axit amin. Phản ứng này giải phóng đầu tận cùng cacboxyl. Cuối cùng, chuỗi peptit được giải phóng vào tế bào chất của tế bào.

Người giới thiệu

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Hóa sinh. Phiên bản thứ 5. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Thư mời tham gia môn Sinh học. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Sinh học phân tử tế bào. New York: Sách khoa học của Mỹ.
4. Hall, JE (2015). Sách điện tử về sinh lý y học Guyton và Hall. Khoa học sức khỏe Elsevier.
5. Lewin, B. (1993). Gien Tập 1. Reverte.
6. Lodish, H. (2005). Sinh học tế bào và phân tử. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Cấu trúc Ribôxôm và cơ chế dịch mã. Ô, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Giới thiệu về vi sinh vật học. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN và Cate, JHD (2012). Cấu trúc và chức năng của ribosome nhân thực. Các quan điểm của Cold Spring Harbor trong sinh học, 4 (5), a011536.