Các giai đoạn của quá trình dịch mã
Quá trình dịch mã được bắt đầu bằng sự gắn của mRNA và một tRNA khởi đầu với tiểu đơn vị nhỏ tự do của ribosome. Phức hợp tiểu đơn vị nhỏ-mRNA thu hút tiểu đơn vị lớn đến để tạo nên ribosome nguyên vẹn với mRNA được kẹp giữa hai tiểu đơn vị. Sự tổng hợp protein được bắt đầu tại codon khởi đầu ở đầu 5′ của mRNA và tiến dần về phía 3′. Khi ribosome dịch mã từ codon này sang codon khác, một tRNA đã gắn amino acid kế tiếp được đưa vào trung tâm giải mã và trung tâm peptidyl transferase của ribosome. Khi ribosome gặp codon kết thúc thì quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide kết thúc. Chuỗi này được giải phóng, hai tiểu đơn vị của ribosome rời nhau ra và sẵn sàng đến gặp mRNA mới để thực hiện một chu trình tổng hợp protein mới. Quá trình dịch mã được chia thành ba giai đoạn là khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
Giai đoạn khởi đầu
Ở prokaryote
*Các yếu tố khởi đầu (IF: initiation factor)
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- tRNAifMet 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 tRNA khởi đầu đến gắn trực tiếp với vị trí P (không qua vị trí A). tRNA 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 N-formyl methionine. tRNA khởi đầu này được gọi là fMet-tRNA 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-tRNAifMet 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 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-tRNAifMet 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
Khởi đầu dịch mã ở prokaryote.
Ở 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.
Khởi đầu dịch mã ở eukaryote
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 Met-tRNAiMet đến tiểu đơn vị nhỏ. Hai protein gắn GTP này cùng nhau đưa Met-tRNAiMet 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. Codon 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 liên 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.
Giai đoạn kéo dài
Bước 1: Aminoacyl-tRNA được đưa đến vị trí A nhờ yếu tố kéo dài EF-Tu
Một khi tRNA đã gắn amino acid thì EF-Tu đến gắn vào đầu 3′ của aminoacyl- tRNA. EF-Tu chỉ có thể gắn với aminoacyl-tRNA khi nó liên kết với GTP. EF-Tu-GTP đưa aminoacyl-tRNA vào vị trí A của ribosome. Chỉ phức hợp aminoacyl-tRNA-EF-Tu- GTP nào có anticodon bổ sung với codon của mRNA tại vị trí A thì mới được giữ lại trên ribosome. Sau đó, EF-Tu tương tác với trung tâm gắn yếu tố của ribosome nằm trên tiểu đơn vị lớn và thủy phân GTP, rồi EF-Tu được phóng thích khỏi tRNA và ribosome, để aminoacyl-tRNA nằm lại tại vị trí A.
Kéo dài dịch mã
Bước 2: Hình thành cầu nối peptide
Aminoacyl-tRNA tại vị trí A được quay vào trung tâm peptidyl transferase và cầu nối peptide được hình thành. Phản ứng này được xúc tác bởi peptidyl transferase, ngày nay nó được xác định là rRNA, đặc biệt là rRNA 23S của tiểu đơn vị lớn. Vì vậy, peptidyl transferase còn được gọi là ribozyme.
Trong quá trình hình thành cầu nối peptide, cầu nối giữa amino acid và tRNA ở vị trí A không bị phá vỡ. Đầu 3′ của cả hai tRNA được đưa đến gần nhau và nhóm amine của amino acid ở vị trí A tấn công nhóm carboxyl của amino acid ở vị trí P. Kết quả là tRNA ở vị trí A mang một dipeptide, trong khi tRNA ở vị trí P đã bị khử acyl.
Sau đó xảy ra sự chuyển dịch (xem bước 3): peptidyl-tRNA (đang mang dipeptide) chuyển sang vị trí P, và vị trí A sẵn sàng tiếp nhận một aminoacyl-tRNA mới. Cầu nối peptide tiếp theo được hình thành theo cách giống hệt trên, trong đó nhóm amine của amino acid mới liên kết với nhóm carboxyl ở đầu C tận cùng của chuỗi polypeptide đang tổng hợp. Thực chất, đây là quá trình chuyển chuỗi polypeptide đang tổng hợp từ peptidyl- tRNA ở vị trí P sang aminoacyl-tRNA ở vị trí A. Vì vậy, phản ứng tạo cầu nối peptide được gọi là phản ứng peptidyl transferase.
Như vậy, chuỗi polypeptide được tổng hợp theo chiều từ đầu N đến đầu C.
Trong quá trình này, không có sự thủy phân nucleoside triphosphate. Năng lượng được cung cấp từ sự phá vỡ cầu nối acyl giàu năng lượng giữa chuỗi polypeptide đang tổng hợp và tRNA.
Bước 3: Sự chuyển dịch (translocation)
Một khi phản ứng peptidyl transferase xảy ra thì tRNA trong vị trí P không gắn với amino acid nữa, và chuỗi polypeptide đang hình thành được liên kết với tRNA trong vị trí A. Để một vòng kéo dài polypeptide mới xảy ra, tRNA ở vị trí P phải chuyển đến vị trí E và tRNA ở vị trí A chuyển đến vị trí P. Đồng thời, mRNA phải di chuyển qua 3 nucleotide để ribosome tiếp xúc với codon tiếp theo. Những sự di chuyển này được gọi là sự chuyển dịch.
Bước đầu tiên trong chuyển dịch được song hành với phản ứng peptidyl transferase. Khi chuỗi peptide được chuyển sang tRNA ở vị trí A, đầu 3′ của tRNA này hướng đến vùng vị trí P của tiểu đơn vị lớn, trong khi đầu anticodon vẫn còn nằm ở vị trí A. Tương tự, tRNA ở vị trí P (mà không còn gắn chuỗi polypeptide nữa) nằm ở vị trí E của tiểu đơn vị lớn và vị trí P của tiểu đơn vị nhỏ.
Để hoàn thành sự chuyển dịch phải có sự tác động của một yếu tố kéo dài gọi là EF- G. EF-G chỉ gắn vào ribosome khi được liên kết với GTP. Sau khi phản ứng peptidyl transferase xảy ra, sự thay đổi vị trí của tRNA ở vị trí A đã để lộ vị trí gắn cho EF-G. Khi EF-G-GTP gắn vào vị trí này, nó tiếp xúc với trung tâm gắn yếu tố và kích thích thủy phân GTP. Sự thủy phân này làm thay đổi hình dạng của EF-G-GDP và cho phép nó với tới tiểu đơn vị nhỏ để thúc đẩy sự chuyển dịch của tRNA ở vị trí A. Khi sự chuyển dịch được hoàn thành, cấu trúc của ribosome giảm đáng kể ái lực với EF-G-GDP, điều này cho phép yếu tố kéo dài được phóng thích khỏi ribosome. Cùng với việc tRNA ở vị trí A chuyển đến vị trí P, tRNA ở vị trí P chuyển đến vị trí E và mRNA dịch chuyển ba nucleotide. Từ vị trí E, tRNA được phóng thích khỏi ribosome.
4. Các yếu tố kéo dài có gắn GDP (EF-Tu-GDP và EF-G-GDP) được đổi GDP thành GTP trước khi tham gia vào vòng kéo dài mới
EF-Tu và EF-G là những protein xúc tác mà chỉ được sử dụng một lần đối với một vòng kéo dài bao gồm đưa tRNA vào ribosome, hình thành cầu nối peptide, và chuyển dịch. Sau khi GTP được thủy phân, hai protein trên phải giải phóng GDP và gắn với một GTP mới.
Đối với EF-G, do GDP có ái lực thấp với EF-G hơn GTP nên GDP nhanh chóng được giải phóng và GTP mới được gắn vào.
Đối với EF-Tu, cần có sự tham gia của yếu tố hoán đổi GTP gọi là EF-Ts. Sau khi EF-Tu-GDP được phóng thích khỏi ribosome, EF-Ts được gắn vào EF-Tu và thế chỗ của GDP. Sau đó GTP đến gắn vào phức hợp EF-Tu-EF-Ts. Phức hợp sau cùng được tách thành EF-Ts tự do và EF-Tu-GTP.
Giai đoạn kết thúc
a. Các yếu tố giải phóng kết thúc dịch mã
Chu kỳ gắn aminoacyl-tRNA của ribosome, sự hình thành cầu nối peptide, và sự chuyển dịch xảy ra liên tục cho đến khi một trong ba codon kết thúc vào vị trí A. Các codon này được nhận diện bởi các yếu tố giải phóng (RF: release factor) .
Có hai loại yếu tố giải phóng:
- Các yếu tố giải phóng loại I nhận diện codon kết thúc và thúc đẩy sự thủy phân để tách chuỗi polypeptide ra khỏi peptidyl-tRNA tại vị trí P. Prokaryote có hai yếu tố giải phóng loại I là RF1 và RF2, trong đó RF1 nhận diện codon kết thúc UAG và RF2 nhận diện UGA, còn UAA được nhận diện bởi cả RF1 và RF2. Eukaryote chỉ có một yếu tố giải phóng gọi là eRF1 nhận diện được cả ba loại codon kết thúc.
- Các yếu tố giải phóng loại II kích thích sự tách yếu tố giải phóng loại I ra khỏi ribosome sau khi chuỗi polypeptide được giải phóng. Chỉ có một yếu tố giải phóng loại II, được gọi là RF3 ở prokaryote và eRF3 ở eukaryote. Yếu tố giải phóng loại II được điều hòa bởi GTP.
Kết thúc dịch mã
b. Sự hoán đổi GDP/GTP và thủy phân GTP điều khiển hoạt động của yếu tố giải phóng loại II
Yếu tố giải phóng loại II là một protein gắn GTP nhưng có ái lực với GDP cao hơn GTP. Vì vậy, phần lớn RF3 được gắn với GDP. RF3-GDP gắn với ribosome theo một phương thức phụ thuộc sự hiện diện của yếu tố giải phóng loại I. Sau khi yếu tố giải phóng loại I kích thích sự phóng thích chuỗi polypeptide, xảy ra một sự thay đổi hình dạng ribosome, và yếu tố giải phóng loại I kích thích RF3 hoán đổi GDP thành GTP. Sự gắn GTP vào RF3 dẫn đến sự hình thành tương tác ái lực cao với ribosome và đẩy yếu tố giải phóng loại I ra khỏi ribosome. Sự thay đổi này cho phép RF3 liên kết với trung tâm gắn yếu tố của tiểu đơn vị lớn. Sự tương tác này kích thích thủy phân GTP. Vì không còn yếu tố loại I nữa nên RF3-GDP có ái lực thấp với ribosome và bị phóng thích ra ngoài.
c. Sự tái tuần hoàn của ribosome
Sau khi phóng thích chuỗi polypeptide và các yếu tố giải phóng, ribosome vẫn còn gắn với mRNA cùng với hai tRNA tại vị trí P và vị trí E. Để ribosome tham gia vào quá trình tổng hợp polypeptide mới, tRNA và mRNA phải đi khỏi ribosome và hai tiểu đơn vị của ribosome phải rời nhau ra. Tập hợp những sự kiện như vậy gọi là sự tái tuần hoàn ribosome (ribosome recycling).
Ở prokaryote, có một yếu tố gọi là yếu tố tái tuần hoàn ribosome (RRF: ribosome recycling factor). RRF gắn vào vị trí A, nó bắt chước tRNA. RRF lôi kéo EF-G đến ribosome và EF-G kích thích giải phóng những tRNA tại vị trí P và E. Sau đó, EF-G và RRF được phóng thích khỏi ribosome cùng với mRNA. IF3 có thể tham gia vào sự giải phóng mRNA đồng thời nó cũng cần cho sự tách rời hai tiểu đơn vị của ribosome. Kết quả tạo ra tiểu đơn vị nhỏ gắn IF3 và tiểu đơn vị lớn tự do. Ribosome bây giờ có thể tham gia vào vòng dịch mã mới.
