Bài giảng Ribosome

Ribosome - Ribosome (có nơi viết thành ribôxôm, riboxom hoặc ribô thể) còn gọi là hạt palad,được Palade mô tả lần đầu tiên vào năm 1953. ribosome có trong tất cả tế bào từ vi khuẩn đến động vật bậc cao. Là một bào quan có mặt ở trong tất cả các tế bào của sinh vật sống. Chúng đảm nhiệm chức năng thực hiện quá trình sinh tổng hợp protein của tế bào. Các ribosome được cấu tạo từ các rRNA và ribosome protein. Nó dịch mã mRNAthành chuỗi polypeptide (đơn vị cấu thành protein). Ribosome được xem như là một nhà máy tổng hợp ra protein dựa trên các thông tin di truyền của gene.Ribosome có thể nằm tự do trong tế bào chất hay bám trên màng của mạng lưới nội chất. Hình ảnh Ribosome. I. Đặc điểm cấu tạo của Ribosome: 1. Đặc điểm hình thái và vị trí : - Ribosome là những khối hình cầu hay hình trứng có đường kính 150Å. Sự phân bố của ribosome trong tế bào thay đổi tuỳ vùng. Chúng có thể ở dạng tự do rải rác trong tế bào chất,hay dính vào mặt ngoài của màng mạng lưới nội sinh chất hoặc mặt ngoài của màng nhân. Hình ảnh sự phân bố ribosome trên Hình ảnh Ribosome ở dạng tự do lưới nội chất. (free ribosome). (5) Ribosome . (3) Lưới nội chất. - Ribosome tự do: Ribosome tự do có mặt ở trong mọi tế bào, và còn ở trong ty thể và lục lạp ở trong tế bào eukaryote. Nhiều ribosome tự do có thể bám vào một mRNA để tạo thành polyribosome (hay polysome). Ribosome tự do thường tạo ra protein để dùng trong tế bào chất hay trong các bào quan chứa chúng. - Ribosome có thể đứng riêng lẻ hoặc liên kết với nhau thành chuỗi bởi một sợi mảnh có đường kính 15Å. Ngày nay, người ta đã biết đó là sợi mARN. Mỗi chuỗi có từ 5 - 70 ribosome (theo Rich, 1963-1964). Khoảng cách giữa các ribosome là 50 - 150Å. Mỗi chuỗi như vậy gọi là polysom. . 2. Thành phần cấu tạo và cấu trúc phân tử: - Ribosome được cấu tạo bởi ít nhất là 3 phân tử RNA và trên 50 protein khác nhau (Chính xác là từ 3-4 phân tử RNA và từ 55-82 protein),với khối lượng phân tử là 2,5 MDa (megadalton) đối với ribosome của prokaryote và 4,2 MDa đối với ribosome của eukaryote. - Mỗi ribosome được tạo thành bởi 2 đơn vị nhỏ gọi là hai tiểu phần có độ lắng và kích thước khác nhau. Hai tiểu phần gắn vào nhau nhờ ion Mg++. Protein và rARN liên kết với nhau để hình thành ribosome là nhờ mối liên kết hidro và ion Mg(2+).Ribosome có thể bị phân thành đơn vị nhỏ khi trong môi trường nồng độ các cation Mg,Ca,Co,Mn bị hạ thấp(như khi nồng độ Mg++ thấp hơn 0,001M , ribosome tách thành 2 tiểu phần có độ lắng khác nhau) và khi trong môi trường nồng độ các cation đó được tăng cao thì các đơn vị nhỏ lại liên kết lại với nhau để hình thành nên ribosome như lúc đầu: .Bao gồm: một tiểu đơn vị lớn và một tiểu đơn vị nhỏ. Tiểu đơn vị lớn (1) kết hợp vừa vặn với tiểu đơn vị nhỏ (2) Cấu trúc ribosome với tiểu đơn vị nhỏ (A) và tiểu đơn vị lớn (B). Mặt cắt bên và trước . (1) Đầu (Head) (2) Phần trung tâm (Platform) (3) Chân (Base) (4) Rãnh (Ridge) (5) Trung tâm tổng hợp (Central protuberance) (6) Lưng (Back) (7) Tay (Stalk) (8) Mặt (Front). Tiểu đơn vị lớn chứa trung tâm peptidyl transferase chịu trách nhiệm cho việc hình thành các cầu nối peptide. Tiểu đơn vị nhỏ chứa trung tâm giải mã, là nơi các tRNA đã được gắn amino acid đọc và giải mã các codon. Ngoài ra còn có trung tâm gắn các yếu tố ở tiểu đơn vị lớn. Hình .Các vùng liên kết với RNA trên tiểu phần lớn của Ribosome - Trong quá trình dịch mã, tiểu đơn vị lớn và tiểu đơn vị nhỏ của mỗi ribosome liên kết với nhau và với mRNA. Hai tiểu đơn vị nhỏ và lớn khi kết hợp với nhau sẽ tạo ra một rãnh ở chỗ tiếp giáp của chúng để cho mRNA đi qua.Sau mỗi vòng tổng hợp protein, chúng lại rời nhau ra. Mỗi tiểu đơn vị đều được cấu tạo bởi các RNA ribosome (rRNA) và các protein ribosome: a. rRNA : - Là thành phần chủ yếu,chiếm khoảng 65%,có kích thước khác nhau,rRNA cùng với protein cấu tạo nên ribosome. rRNA chiếm tỷ lệ cao trong tế bào khoảng 80% của tổng RNA (tRNA khoảng 16% và mRNA khoảng 2%, ngoài ra tế bào sinh vật Eukaryote còn chứa những phân tử RNA kích thước nhỏ của nhân (small nuclear,snRNA)chiếm khoảng <1% tham gia vào ghép nối các exon).Đóng vai trò xúc tác và cấu trúc trong tổng hợp protein. - Các rARN có vai trò trong sự liên kết hai đơn vị nhỏ với nhau cũng như liên kết với rARN khác. Ở các ribosome khác nhau có các rRNA khác nhau, chúng được đặc trưng bởi hằng số lắng S: - Theo quy ước, các tiểu đơn vị được đặt tên theo tốc độ lắng của chúng dưới lực ly tâm. Đơn vị đo tốc độ lắng là Svedberg (tên của nhà phát minh máy siêu ly tâm) và được viết tắt là S. 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. - Eukaryote : ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm hai đơn vị: + Đơn vị lớn ( 60S) có rRNA 28S ; 5,8S ; 5S + Đơn vị nhỏ (40S) có rRNA 18S - Prokaryote và lục lạp, ty thể có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị: + Đơn vị lớn (50S): có loại rRNA 23S ; 5S + Đơn vị nhỏ (30S): có rRNA 16S Hình .Ribosome tách thành các tiểu phần. Hình .Các tiểu phần kết hợp với nhau tạo thành Ribosome hoạt động Hình : So sánh Ribosome ở Bacteria và ở (Eukaryotic ribosome) RNA ribosom có cấu trúc bậc I (mạch thẳng) và cấu trúc bậc hai. Trong ribosome, các rRNA tồn tại ở dạng cấu trúc bậc hai. RNA ribosom có cấu tạo là một sợi xoắn có nhiều vùng liên kết đôi theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với U, G liên kết với C. Trong tế bào rRNA chiếm tỷ lệ cao có thể lên đến 75-80% tổng số RNA. Hình ảnh rRNA cấu tạo nên ribosom b. Protein của ribosome:đóng vai trò là giá đỡ giúp tăng khả năng xúc tác phản ứng của rRNA. Protein ribosome có vai trò trạo nên các vùng liên kết của của ribosome(vùng A,vùng P,vùng liên kết với mARN) đồng thời tham gia vào quá trình dịnh mã .Nói cách khác, ribosome được coi là một ribozyme xúc tác hình thành liên kết peptide. Bảng tóm tắt:Các thành phần cấu tạo của ribosome. Các thành phần cấu tạo Prokaryote Eukaryote Tiểu đơn vị lớn(50S) Tiểu đơn vị nhỏ(30S) Tiểu đơn vị lớn(60S) Tiểu đơn vị nhỏ(40S) rRNA 5S rRNA(120Nu) 23S rRNA(2900Nu) 16S rRNA(1540Nu) 5,8S rRNA(160Nu) 5S rRNA(120Nu) 28S rRNA(4700Nu) 18S rRNA(1900Nu) Protein 34 protein 21 protein 49 protein 33 protein 3. Thành phần hoá học: - Về thành phần hóa học của Ribosome thì dù là của vi khuẩn,của tế bào thực vật hay động vật đều có thành phần hóa học ,khối lượng phân tử và hằng số lắng gần giống nhau . Ribosome chứa protein và axit ribonucleic(rARN) với hàm lượng gần bằng nhau.Ribosome chứa một số phân tử ARN ít nhưng có khối lượng phân tử lớn. - So sánh với ARN thông tin (mARN) thì rARN bền vững hơn nhiều và ít được đổi mới.Protein của ribosome ở các tế bào khác nhau có axit amin giống nhau,có đặc tính kiềm và có khối lượng phân tử thấp. - Bằng phương pháp phân tích hoá học người ta xác định được thành phần hoá học của ribosome. Mỗi ribosome chứa: rARN, các enzyme, và các protein cấu trúc và nước. - Ribosome 70S chứa 50% nước; rARN bằng 63% trọng lượng khô, protein bằng 37% trọng lượng khô. - Ribosome 80S chứa 80% nước; rARN bằng 50% trọng lượng khô và protein chiếm 50% trọng lượng khô. - Ngoài những thành phần nói ở trên, trong ribosome còn có ion Mg++, Ca++, các enzyme như ribonuclease,deoxyribonuclease ở dạng không hoạt tính,leuxinaminopeptidase, β - galactoridase, các enzyme phosphatase base và acid. 4. Chức năng và nguồn gốc: - Chức năng chủ yếu của ribosome là nơi tổng hợp protein ở chỗ:chính trên ribosome các acid amin đã được hoạt hoá tập hợp lại và được lắp ráp đúng vị trí vào mạch polypeptid theo đúng mật mã di truyền ở trong mạch mARN.Rất nhiều thí nghiệm đã thực hiện thành công sự tổng hợp các protein trên các ribosom đã bị cô lập khỏi tế bào. . Ribosome ở dạng tự do tổng hợp protein ở dạng hoà tan . Ribosome gắn trên lưới nội chất tổng hợp protein dạng đóng gói như:tiêu thể, kháng thể, hocmon… - Một trong những đặc tính của ribosom là tính ít đặc trưng:trên ribosom có thể được đính loại mARN lạ và protein được tổng hợp là loại protein do mã chứa trong mARN đó.Ví dụ :khi tế bào vi khuẩn bị virus kí sinh thì chính trên ribosom của tế bào vi khuẩn đã tổng hợp nên protein của virus.Người ta đã dùng ribosom lấy từ hồng cầu lưới của thỏ để tổng hợp nên Hemolobin của cừu. - Đồng thời nhiều dân liệu đã chứng minh rằng,ribosom tham gia vào quá trình tổng hợp protein không phải như là một hợp chất hóa học mà như là một cấu trúc toàn vẹn đặc trưng.Trong quá trình tổng hợp protein không phải tất cả các ribosom đều hoạt động mà chỉ có các ribosom “hoạt tính” hoạt động,chúng khác các riboxom khác ở chỗ: sau khi nồng độ Mg bị giảm xuống chúng không bị phân giải thành các đơn vị nhỏ. - Trong khi tổng hợp protein không phải tất cả các ribosom hoạt tính đều tham gia cùng một lúc mà chỉ có khoảng 10% tham gia.Tính chất hoạt động một cách liên hoán “ hoạt động-nghỉ” của ribosom đã đảm bảo cho chúng hoạt động trong một thời gian lâu dài vá khả năng hoạt đọng lớn.Các ribosom hoạt động không phải đơn độc mà phối hợp lại thành một liên hợp poliribosom hay là “polisome”.Các polixom tự do trong tế bào chất tổng hợp các protein nội bào,còn plixom trên mạng lưới nội chất tổng hợp các protein là chất tiết ra ngoài. - Trong sự tổng hợp protein,ribosom không đóng vai trò thụ động như là nơi chứa sợi mARN mà có vai trò tích cực,và trong quá trình tổng hợp protein bằng hệ thống polysome, các protein riêng biệt chuyển vận theo sợi mARN,đọc thông tin chứa trong đó và hướng các acticodon của các tARN nhận đúng các codon tương ứng trong mARN ,do đó lắp ráp các axit amin vào đúng trình tự sắp xếp của mạch polipeptit đang được tạo thành,và như vậy mạch polipeptit sẽ được tạo thành theo kiểu lắp ráp dây chuyền.Sự tổng hợp nên protein trên ribosom được gọi là sự dịch mã. - Các ARN-ribosom được tổng hợp trong nhân tế bào trên khuôn AND,sau đó được tích lũy ở hạt nhân,ở đây rARN được liên kết với protein ribosom để hình thành các tiền ribosom,nhờ liên kết hydro và ion Mg2+.Tiền ribosom sẽ đi ra tế bào chất thành ribosome. II. Các vị trí gắn tRNA trên ribosome: Trên ribosome chứa ba vị trí gắn tRNA là vị trí A, P và E. Trong đó: - A là vị trí gắn aminoacyl-tRNA (tRNA có mang amino acid). - P là vị trí gắn peptidyl-tRNA (tRNA có mang chuỗi polypeptide). - E (exit) là vị trí gắn tRNA mà được phóng thích sau khi chuỗi polypeptide được chuyển sang aminoacyl-tRNA. Mỗi vị trí gắn tRNA được hình thành tại giao diện giữa tiểu đơn vị lớn và tiểu đơn vị nhỏ. Bằng cách này, các tRNA được gắn vào có thể bắt ngang qua khoảng cách giữa trung tâm peptidyl transferase của tiểu đơn vị lớn và trung tâm giải mã của tiểu đơn vị nhỏ. Đầu 3' của tRNA được nằm gần tiểu đơn vị lớn và vòng đối mã gần tiểu đơn vị nhỏ. III. Các kênh của ribosome: - Đó là các kênh cho phép mRNA đi vào và đi ra khỏi ribosome, và kênh cho phép chuỗi polypeptide mới sinh đi ra khỏi ribosome. mRNA đi vào và đi ra khỏi trung tâm giải mã của ribosome thông qua hai kênh hẹp tại tiểu đơn vị nhỏ. Trong đó, kênh vào có chiều rộng chỉ đủ cho RNA không bắt cặp đi qua. Đặc điểm này đảm bảo cho mRNA được duỗi thẳng khi nó đi vào trung tâm giải mã, bằng cách loại bỏ mọi tương tác bắt cặp base bổ sung nội phân tử. - Một kênh xuyên qua tiểu đơn vị lớn tạo lối thoát cho chuỗi polypeptide mới được tổng hợp. Kích thước của kênh đã hạn chế được sự gấp của các chuỗi polypeptide đang tổng hợp. Vì vậy, protein chỉ có thể hình thành cấu trúc bậc ba sau khi nó được giải phóng khỏi ribosome. IV. Khái niệm polyribosome: Mặc dù một ribosome chỉ có thể tổng hợp một polypeptide tại một thời điểm, nhưng mỗi mRNA có thể được dịch mã đồng thời bởi nhiều ribosome. Một mRNA mang nhiều ribosome được xem là polyribosome hay polysome. Mỗi ribosome đơn độc tiếp xúc với khoảng 30 nucleotide, nhưng do kích thước lớn của ribosome nên mật độ cho phép trên mRNA là 80 nucleotide cho mỗi ribosome. Khoảng cách giữa các ribosome là 50 -150Å. Hình :polyribosome gắn trên mRNA. Hình :polyribosome gắn trên mRNA. Hình :Polyribosome . V. Ribozym và self- splicing: - Vào 1981, phát minh về vai trò xúc tác của một số phân tử RNA đã làm đảo lộn quan điểm về chất này.Các phân tử rRNA của các loài nguyên sinh động vật, lúc đầu được tổng hợp với một số lượng lớn tiền chất, từ số các rRNA này sẽ có một được tạo ra bằng cách tự cắt nối (self - splicing). Quá trình cắt nối này có thể xảy ra ở in vitro trong sự vắng mặt của protein. Điều đó cho thấy rằng các trình tự intron tự nó có hoạt tính xúc tác tương tự enzyme. Phản ứng self-splicing trong đó trình tự intron tự xúc tác quá trình tự cắt rời khỏi phân tử rRNA ở loài Tetrahymena qua 2 bước: + Phản ứng được bắt đầu khi nucleotide G gắn vào trình tự intron, đồng thời cắt mạch RNA. + Đầu 3’ của RNA mới vừa được tạo ra gắn vào đầu bên kia của intron hoàn thành phản ứng nối liền - Trình tự intron dài 400 nucleotide đã được tổng hợp trong ống nghiệm và nó cuộn lại tạo phức hợp bề mặt có hoạt tính tương tự enzyme trong các phản ứng với các RNA khác. Mặc dù splicing phần lớn không được thực hiện tự động như ở Tetrahymena nhưng hiện tượng này cũng được phát hiện ở những sinh vật khác, cả ở nấm và vi khuẩn. Các RNA có khả năng tự xúc tác được gọi là ribozyme. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu cơ chế và nguồn gốc sự sống. Tóm lại: Ribôsome là những nhà máy sản xuất protein của tất cả các tế bào sống. Chúng giữ các thiết bị cần thiết để đọc mã gen và chuyển chúng thành những cấu trúc protein cụ thể. Bên trong mỗi tế bào, hàng chục nghìn ribosome tạo ra các protein với tốc độ và sự chính xác đáng kinh ngạc. Chúng là các cấu trúc cổ điển và ít biến đổi giữa các dạng sự sống khác nhau.