Các tác giả Chương 1 Các đại phân tử sinh học I. Nucleic acid

2. Chức năng của protein

Phần lớn protein là enzyme. Hiện nay, có hơn 3.000 loại enzyme đã được biết. Enzyme là chất xúc tác sinh học có vai trò làm tăng tốc độ phản ứng. Mỗi một bước trong trao đổi chất đều được xúc tác bởi enzyme. Enzyme có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên 10¹⁶ lần so với tốc độ phản ứng không xúc tác. Sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất xảy ra ở vị trí hoạt động của enzyme.

2.2. Protein điều khiển

Một số protein không thực hiện bất kỳ sự biến đổi hóa học nào, tuy nhiên nó điều khiển các protein khác thực hiện chức năng sinh học, chẳng hạn insulin điều khiển nồng độ đường glucose trong máu. Đó là một protein nhỏ (5,7 kDa), gồm hai chuỗi polypeptide nối với nhau bằng các liên kết disulfite. Khi không đủ insulin thì sự tiếp nhận đường trong tế bào bị hạn chế. Vì vậy, mức đường trong máu tăng và dẫn đến sự thải đường mạnh mẽ qua nước tiểu (bệnh tiểu đường).

Một nhóm protein khác tham gia vào sự điều khiển biểu hiện gen. Những protein này có đặc tính là gắn vào những trình tự DNA hoặc để hoạt hóa hoặc ức chế sự phiên mã thông tin di truyền sang mRNA, ví dụ chất ức chế (repressor) đình chỉ sự phiên mã.

2.3. Protein vận chuyển

Làm nhiệm vụ vận chuyển chất đặc hiệu từ vị trí này sang vị trí khác, ví dụ vận chuyển O₂ từ phổi đến các mô do hemoglobin hoặc vận chuyển acid béo từ mô dự trữ đến các cơ quan khác nhờ protein trong máu là serum albumin.

Các chất được vận chuyển qua màng được thực hiện bằng các protein đặc hiệu, chẳng hạn vận chuyển glucose hoặc các amino acid qua màng (Hình 1.5).

2.4. Protein dự trữ

Các protein là nguồn cung cấp các chất cần thiết được gọi là protein dự trữ. Protein là polymer của các amino acid và nitrogen thường là yếu tố hạn chế cho sinh trưởng, nên cơ thể phải có protein dự trữ để cung cấp đầy đủ nitrogen khi cần. Chẳng hạn, ovalbumin là protein dự trữ trong lòng trắng trứng cung cấp đủ nitrogen cho phôi phát triển. Casein là protein sữa cung cấp nitrogen cho động vật có vú còn non. Hạt ở thực vật bậc cao cũng chứa một lượng protein dự trữ lớn (khoảng 60%), cung cấp đủ nitrogen cho quá trình nảy mầm của hạt.


Hình 1.5. Hai kiểu vận chuyển cơ bản. (a): vận chuyển bên trong hoặc giữa các tế bào hoặc mô. (b): vận chuyển vào hoặc ra khỏi tế bào.

Protein cũng có thể dự trữ các chất khác ngoài thành phần amino acid (N, C, H, O và S), ví dụ ferritin là protein tìm thấy trong mô động vật kết hợp với Fe. Một phân tử ferritin (460 kDa) gắn với 4.500 nguyên tử Fe (chiếm 35% khối lượng). Protein có vai trò giữ lại kim loại Fe cần thiết cho sự tổng hợp những protein có chứa Fe quan trọng như hemoglobin.

2.5. Protein vận động và co rút

Một số protein mang lại cho tế bào khả năng vận động, tế bào phân chia và co cơ. Các protein này có đặc điểm: chúng ở dạng sợi hoặc dạng polymer hóa để tạo sợi, chẳng hạn actin và myosin. Tubulin là thành phần cơ bản của thoi vô sắc (sợi xuất hiện khi phân chia các nhiễm sắc thể về các cực).

2.6. Protein cấu trúc

Có chức năng tạo độ chắc và bảo vệ tế bào và mô. Chẳng hạn: -keratin là protein không tan, cấu tạo nên tóc, sừng và móng. Collagen là protein hình sợi có trong xương. Ở động vật collagen chiếm 1/3 protein tổng số. Fibroin (-keratin) là thành phần cơ bản của kén tằm.

Một chức năng phổ biến khác của protein là cấu tạo nên màng sinh học.

2.7. Protein bảo vệ

Trong việc giải độc các kim loại nặng, phytochelatin có một ý nghĩa quan trọng, đây là những polypeptide đơn giản có nguồn gốc từ glutation và có công thức chung như sau:

(-glutamyl-cysteinyl)_n-glycine

Do có nhiều nhóm SH nên chúng có khả năng kết hợp chặt với các kim loại nặng, làm cho những kim loại nặng này không thể gây rối loạn trao đổi chất. Sự tổng hợp phytochelatin được kích thích bởi những kim loại nặng như Cd, Cu, Ag, Bi và Au.

Protein bảo vệ có vai trò quan trọng trong các phản ứng miễn dịch. Động vật có xương sống có một cơ chế phức tạp và phát triển cao để ngăn ngừa những tác nhân vi sinh vật gây bệnh. Chức năng này có liên quan đến đặc tính của chuỗi polypeptide. Khi một protein lạ (có nguồn gốc virus, vi khuẩn hoặc nấm) xâm nhập vào máu hoặc vào mô thì phản ứng tự vệ của cơ thể sẽ xuất hiện rất nhanh. Protein lạ được gọi là kháng nguyên (antigen) chứa một vùng có trật tự xác định các nguyên tử có thể kết hợp với tế bào lympho và kích thích tế bào này sản sinh kháng thể. Những tế bào lympho tồn tại trong hệ thống miễn dịch với số lượng 10⁹ và trên bề mặt của nó có những vùng nhận biết nơi mà kháng nguyên sẽ được kết hợp (Hình 1.6). Những vùng nhận biết này rất khác nhau và đặc hiệu cho từng loại kháng nguyên. Trong cơ thể luôn có sẵn một lượng lớn các tế bào lympho khác nhau và chúng có thể tổng hợp rất nhanh các kháng thể đặc hiệu khi kháng nguyên xuất hiện. Mỗi loại kháng thể có một vị trí kết hợp duy nhất đặc trưng với kháng nguyên. Khả năng bảo vệ của hệ miễn dịch đã làm cho protein lạ của tác nhân gây bệnh trở thành vô hại. Những kháng thể này được gọi là globulin miễn dịch. Chúng chiếm khoảng 20% protein tổng số trong máu.

Một nhóm protein bảo vệ khác là protein làm đông máu thrombin và fibrinogen, ngăn cản sự mất máu của cơ thể khi bị thương.

Cá ở các vùng cực của Trái đất có protein chống đông (antifreeze protein) có tác dụng bảo vệ máu khi nhiệt độ xuống dưới 0^oC.

2.8. Protein lạ/ngoại lai

Ví dụ monellin là một loại protein được tìm thấy ở một loại cây ở châu Phi, được coi là chất ngọt nhân tạo cho con người.

Ở một số sinh vật biển như họ Trai tiết ra loại protein keo (glue protein), cho phép nó gắn chặt lên bề mặt.

Mặc dù không mang hoạt tính sinh học cao như protein nhưng lipid cũng đóng một vai trò đặc biệt trong hệ thống sống. Chúng là nhân tố chính tạo nên các màng sinh học mà nếu thiếu thì mọi hoạt động của protein sẽ không thể phối hợp nhịp nhàng.

Đơn vị cấu trúc của lipid là các acid béo. Mỗi acid béo được cấu tạo từ một mạch carbohydrate (gồm các nguyên tử C và H) gắn với một nhóm carboxyl có tính acid. Các acid béo khác nhau bởi độ dài của chúng, bởi số lượng và vị trí các liên kết đôi. Các acid béo không có liên kết đôi được gọi là các acid béo bão hòa, các acid béo không bão hòa có ít nhất một liên kết đôi.


Hình 1.6. Sơ đồ biểu diễn của kháng thể và kháng nguyên. a: kháng thể gồm 4 chuỗi polypeptide. b: kháng thể kết hợp với kháng nguyên. c: kết hợp giữa kháng nguyên và kháng thể.

Màng sinh học có chức năng là giới hạn những vùng trao đổi chất và tham gia vào việc vận chuyển các chất. Màng sinh học cũng có khả năng chuyển đi những tín hiệu. Protein màng cũng có thể là các enzyme. Chức năng này được thể hiện ở màng trong của ty thể và lạp thể. Màng sinh học bao gồm lớp kép lipid với những protein phân bố ở trong đó (Hình 1.7)

Các lipid màng được hình thành từ một chuỗi dài acid béo nối với những nhóm có đặc tính ưa nước cao và được gọi là những phân tử lưỡng cực vì một đầu tương tác với nước, còn đầu kia thì kỵ nước.


Bảng 1.3. Cấu trúc một số acid béo tiêu biểu trong hệ thống sống



Hình 1.7. Sơ đồ biểu diễn một đoạn cắt của màng sinh học


IV. Polysaccharide

Các polysaccharide có nhiều chức năng quan trọng trong tế bào, chúng tham gia vào cấu tạo tế bào và là nguồn dự trữ năng lượng chủ yếu. Các polysaccharide được hình thành từ nhiều monomer, là các đường đơn giản (monosaccharide) nối với nhau bằng liên kết glycoside. Liên kết này được hình thành từ sự kết hợp giữa C₁ của một phân tử đường với nhóm hydroxyl của phân tử kế tiếp.

Nguồn dự trữ tinh bột ở các tế bào động vật là glycogen, trong khi đó ở thực vật là tinh bột. Một polymer khác của glucose là cellulose thì tạo nên thành tế bào thực vật và là hợp chất hữu cơ hiện dịn nhiều nhất trong sinh quyển.

Chúng ta vừa điểm qua riêng rẽ từng thành phần cấu tạo tế bào chính. Trong thực tế, hoạt động của chúng phối hợp mật thiết với nhau. Các nucleic acid trong tế bào thường kết hợp chặt chẽ với các protein tạo thành nucleoprotein. DNA của tế bào eukaryote thì được bọc bởi những protein đặc hiệu là các histone. Màng tế bào cũng không phải chỉ có phospholipid, chính các protein gắn trong màng đã tạo ra những đặc trưng riêng của màng sinh học. Một điểm cần lưu ý là nếu như cấu trúc và các tính chất hóa lý của nucleic acid, lipid và polysaccharide tương đối đồng nhất thì các protein lại hết sức đa dạng cả về cấu trúc và chức năng. Một phân tử protein thường bao gồm nhiều vùng mang những đặc tính khác nhau: vùng ưa nước hay kỵ nước, vùng gắn một đường, vùng có hoạt tính xúc tác, vùng liên kết với nucleic acid hay với một protein khác. Từ mỗi chức năng của tế bào, từ sự hình thành vật chất mang thông tin di truyền, truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hóa năng lượng, sự liên lạc giữa các tế bào... đều có sự tham gia của các protein. Điều kỳ diệu của sự sống là toàn bộ các hoạt động vô cùng đa dạng ấy được thực hiện bởi một phân tử duy nhất.

¹S (Svedberg): đơn vị đo vận tốc lắng. Hệ số lắng của một tiểu đơn vị phụ thuộc không những vào khối lượng của tiểu đơn vị đó mà còn phụ thuộc vào hình dạng và độ rắn của nó, điều này giải thích tại sao sự kết hợp của hai tiểu đơn vị 50S và 30S lại tạo ra một ribosome 70S.

Genome (hệ gen, bộ gen) là thuật ngữ được dùng với các nghĩa khác nhau như sau:

- Nguyên liệu di truyền của một cơ thể: 1) nhiễm sắc thể trong tế bào vi khuẩn (hoặc một trong mỗi loại nhiễm sắc thể nếu hơn một loại có mặt, ví dụ: các nhiễm sắc thể lớn hoặc bé của Vibrio cholerae), 2) DNA hoặc RNA trong một virion, 3) nhiễm sắc thể cùng với mọi plasmid được kết hợp (ví dụ: nhiễm sắc thể và hai plasmid nhỏ trong vi khuẩn Buchnera).

- Tất cả các gen (khác nhau) trong tế bào hoặc virion.

- Bộ nhiễm sắc thể đơn bội hoặc genome đơn bội trong tế bào.

Chuỗi genome hoàn chỉnh (nghĩa là trình tự hoàn chỉnh của các nucleotide trong genome) đã được công bố cho một số loài vi khuẩn. Các trình tự khác cũng đã được công bố, ví dụ genome của cây cúc dại (Arabidopsis thaliana) và genome người.

Genome chứa toàn bộ thông tin di truyền và các chương trình cần thiết cho cơ thể hoạt động. Ở các sinh vật nhân thật (eukaryote), 99% genome nằm trong nhân tế bào và phần còn lại nằm trong một số cơ quan tử như ty thể và lạp thể. Đa số genome vi khuẩn và phần genome chứa trong các cơ quan tử thường có kích thước nhỏ và ở dạng vòng khép kín. Ngược lại, phần genome trong nhân thường rất lớn và phân bố trên các nhiễm sắc thể dạng thẳng.

- Các genome vi khuẩn. Các trình tự hoàn chỉnh của genome Escherichia coli đã được xác định theo phương thức tổ hợp/tập hợp (consortium) của các phòng thí nghiệm. Năm 1995, hai trình tự genome hoàn chỉnh của vi khuẩn Haemophilus influenzae và Mycoplasma genitalium cũng được hoàn thành. Loài M. genitalium có một genome đơn giản (khoảng 580.067 base), do nó dựa vào vật chủ để vận hành nhiều bộ máy trao đổi chất của mình. Loài H. influenzae là một vi khuẩn đặc trưng hơn, và có genome khoảng 1.830.121 base với 1.749 gen.

- Chuỗi genome hoàn chỉnh của nấm men Saccharomyces cerevisiae đã được hoàn chỉnh trong năm 1996, nhờ một consortium của các phòng thí nghiệm. Genome của chúng dài 12.146.000 base.

- Các dự án genome ở động vật như: chuột, cừu, lợn, giun tròn (Caenorhabditis elegans), ruồi giấm (Drosophila melanogaster)…, hoặc ở thực vật như: lúa nước, lúa mì, ngô, táo, cúc dại…, mà nổi bật nhất trong số đó là dự án genome người cũng đã được thực hiện.

Ngày 12. 2. 2001 genome người đã được công bố với khoảng 30.000 gen, ít hơn nhiều so với dự kiến trước đây (hàng trăm ngàn gen), và chỉ gấp hai lần giun tròn hoặc ruồi giấm. Người ta đã xác định hệ gen người giống 98% so với tinh tinh và có đến 99% là giống nhau giữa các dân tộc, các cá thể. Do đó, vấn đề hình thành và phát triển nhân cách, chỉ số thông minh... phải chủ yếu trên cơ sở xã hội và sự rèn luyện của từng người để phát triển tiềm năng sinh học của bản thân.

Trình tự genome của những sinh vật mô hình rất có ý nghĩa trong những nghiên cứu của một chuyên ngành khoa học mới đó là genome học (genomics). Dựa vào đây, các nhà sinh học phân tử có thể phân tích cấu trúc, hoạt động và chức năng của các gen, làm sáng tỏ được vai trò của DNA lặp lại, DNA không chứa mã di truyền, DNA nằm giữa các gen... Điều đặc biệt có ý nghĩa là khi so sánh các genome với nhau, có thể hiểu được hoạt động của genome trong các cơ thể sống, mối quan hệ giữa chúng, sự đa dạng sinh học và mức độ tiến hóa.

Kết quả bước đầu so sánh genome giữa các loài sinh vật với nhau đã cho thấy có ba đặc điểm nổi bật: 1) các gen phân bố trong genome không theo qui luật, 2) kích thước của genome thay đổi không tỷ lệ thuận (tương quan) với tính phức tạp của loài, 3) số lượng nhiễm sắc thể cũng rất khác nhau ngay giữa những loài rất gần nhau.


I. Thành phần và đặc điểm của genome

Genome chứa mọi thông tin di truyền đặc trưng cho từng loài, thậm chí cho từng cá thể trong loài. Genome có thể bao gồm các phân tử DNA hoặc RNA. Đối với sinh vật bậc cao, kích thước genome thay đổi từ 10⁹ bp (động vật có vú) đến 10¹¹ bp (thực vật). Khác với tế bào tiền nhân (prokaryote), các gen trong genome của eukaryote thường tồn tại nhiều bản sao và thường bị gián đoạn bởi các đoạn mã mù không mang thông tin di truyền (các intron). Vì vậy, một trong những vấn đề đang được quan tâm là cần phải biết số lượng các gen khác nhau có mặt trong genome cũng như số lượng các gen hoạt động trong từng loại mô, từng giai đoạn phát triển và tỷ lệ các gen so với kích thước genome...

Hầu hết genome của cơ quan tử, nhưng không phải luôn luôn, có dạng phân tử DNA mạch vòng đơn của một chuỗi duy nhất.

Genome của cơ quan tử mã hóa cho một số, không phải tất cả, các protein được tìm thấy trong cơ quan tử. Do có nhiều cơ quan tử trong một tế bào, cho nên có nhiều genome của cơ quan tử trên một tế bào. Mặc dù bản thân genome của cơ quan tử là duy nhất. Nhưng nó cấu tạo gồm một chuỗi lặp lại¹ liên quan với mọi chuỗi không lặp lại² của nhân. Về nguyên tắc, các gen cơ quan tử được phiên mã và dịch mã bởi các cơ quan tử.

1.1. Genome của ty thể

DNA ty thể (mitochondrial DNA-mtDNA) là một genome độc lập, thường là mạch vòng, được định vị trong ty thể.

- DNA ty thể của tế bào động vật mã hóa đặc trưng cho 13 protein, 2 rRNA và 22 tRNA.

- DNA ty thể của nấm men S. cerevisiae dài hơn mtDNA của tế bào động vật năm lần do sự có mặt của các đoạn intron dài.

Các genome ty thể có kích thước tổng số rất khác nhau, các tế bào động vật có kích thước genome nhỏ (khoảng 16,5 kb ở động vật có vú) (Hình 2.1). Có khoảng một vài trăm ty thể trên một tế bào. Mỗi ty thể có nhiều bản sao DNA. Số lượng tổng số của DNA ty thể so với DNA nhân là rất nhỏ (<1%).

Trong nấm men S. cerevisiae, genome ty thể có kích thước khá lớn (khoảng 80 kb) và khác nhau tùy thuộc vào từng chủng. Có khoảng 22 ty thể trên một tế bào, tương ứng khoảng 4 genome trên một cơ quan tử. Ở những tế bào sinh trưởng, tỷ lệ mtDNA có thể cao hơn (khoảng 18%).

Kích thước của genome ty thể ở các loài thực vật là rất khác nhau, tối thiểu khoảng 100 kb. Kích thước lớn của genome đã gây khó khăn cho việc phân lập nguyên vẹn DNA, nhưng bản đồ cắt hạn chế (restriction map) trong một vài loài thực vật đã cho thấy genome ty thể thường là một chuỗi đơn, được cấu tạo như một mạch vòng. Trong mạch vòng này có những chuỗi tương đồng ngắn và sự tái tổ hợp giữa chúng đã sinh ra các phân tử tiểu genome (subgenome) mạch vòng nhỏ hơn, cùng tồn tại với genome “chủ” (master genome) hoàn chỉnh, đã giải thích cho sự phức tạp của các DNA ty thể ở thực vật.

Hai rRNA chính luôn được mã hóa bởi genome ty thể. Số lượng các tRNA được mã hóa bởi genome ty thể dao động từ không cho đến đầy đủ (25-26 trong ty thể). Nhiều protein ribosome được mã hóa trong genome ty thể của thực vật và sinh vật nguyên sinh, nhưng chỉ có một ít hoặc không có trong genome của nấm và động vật.

1.2. Genome của lạp thể

DNA lạp thể (chloroplast DNA-ctDNA) cũng là một DNA genome độc lập, thường là mạch vòng, được tìm thấy trong lạp thể của thực vật.

- Genome của lạp thể rất khác nhau về kích thước, nhưng đủ lớn để mã hóa cho khoảng 50-100 protein cũng như rRNA và tRNA.

- DNA lạp thể dài từ 120-190 kb. Các genome của lạp thể đã được phân tích trình tự cho thấy có khoảng 87-183 gen. Bảng 2.2 mô tả các chức năng được mã hóa bởi genome lạp thể ở cây trồng.


Bảng 2.2. Genome của lạp thể ở các cây trồng mã hóa cho 4 rRNA, 30 tRNA và khoảng 60 protein

Nói chung, các đặc điểm của genome lạp thể tương tự ở ty thể, ngoại trừ lạp thể mang nhiều gen hơn. Genome lạp thể mã hóa cho tất cả các loại rRNA và tRNA cần thiết trong tổng hợp protein, và cho khoảng 50 protein, bao gồm cả RNA polymerase và các protein ribosome.

Các intron trong lạp thể được chia thành hai nhóm: 1) những intron ở trên các gen tRNA thường (mặc dù không chắc chắn) được định vị trong vòng anticodon, giống như các intron được tìm thấy trong các gen tRNA của nhân nấm men S. cerevisiae; 2) những intron trong các gen mã hóa protein tương tự với các intron của các gen ty thể.

Vai trò của lạp thể là thực hiện quá trình quang hợp. Do đó, nhiều gen của nó mã hóa cho các protein của các phức hợp định vị trong các màng thylakoid. Một vài phức hợp protein của lạp thể giống các phức hợp protein của ty thể: có một số tiểu đơn vị được mã hóa bởi genome của cơ quan tử và một số khác được mã hóa bởi genome của nhân. Nhưng các phức hợp còn lại được mã hóa hoàn toàn bởi genome lạp thể.

Bản chất chung của eukaryotic genome được phản ánh qua động học của sự tái liên kết các DNA (DNA reassociation kinetics) bị biến tính. Sự tái liên kết giữa các chuỗi DNA bổ sung xảy ra nhờ bắt cặp base, ngược lại với quá trình biến tính (denaturation) mà nhờ đó chúng được tách rời (Hình 2.2) để thực hiện sự tái bản hoặc phiên mã. Động học của phản ứng tái liên kết phản ánh sự khác nhau của các chuỗi hiện diện, vì thế phản ứng này có thể được dùng để định lượng các gen và các sản phẩm RNA của chúng.

Bảng 2.3 mô tả phản ứng tái liên kết. Sự hồi tính của DNA (renaturation) phụ thuộc vào sự va chạm ngẫu nhiên của các chuỗi bổ sung. Phản ứng của các DNA riêng biệt có thể được mô tả bằng các điều kiện cần thiết cho sự hoàn thành một nửa (half-completion). Đây là tích số của C₀t_1/2 và được gọi là C₀t_1/2. Giá trị này tỷ lệ nghịch với hằng số tốc độ. Do C₀t_1/2 là tích số của nồng độ và thời gian yêu cầu cho một nửa đường, nên một giá trị C₀t_1/2 lớn hơn dẫn đến một phản ứng chậm hơn.

Sự hồi tính của DNA thường có dạng đường cong C₀t, đường cong biểu diễn đồ thị phân số của DNA được tái liên kết (1-C/C₀) theo log của C₀t. Hình 2.3 trình bày đường cong C₀t của một số genome đơn giản. Các đường cong có dạng tương tự nhau, nhưng giá trị C₀t_1/2 của mỗi đường là khác nhau.

Các genome trong hình 2.3 đại diện cho các nguồn DNA khác nhau (PolyU:PolyA, thực khuẩn thể MS2, thực khuẩn thể T4 và vi khuẩn E. coli). C₀t_1/2 liên quan trực tiếp với lượng DNA trong genome. Điều này phản ánh tình trạng khi genome trở nên phức tạp hơn, thì sẽ có thêm một số bản sao của một vài chuỗi đặc biệt trong một lượng DNA có trước. Ví dụ: nếu C₀ của DNA là 12 pg, thì nó sẽ chứa khoảng 3.000 bản sao của mỗi trình tự trong genome vi khuẩn.