Đặc điểm chung của quá trình dịch mã
Dịch mã là quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide dựa trên các thông tin mã hóa trên mRNA về trình tự sắp xếp các axit amin trên sợi polypeptide đó. Quá trình dịch mã phức tạp hơn nhiều so với quá trình sao mã và phiên mã. Dịch mã được thực hiện ở ribosome với sự tham gia của ba loại RNA. Mỗi ribosome gồm một đơn vị lớn và một đơn vị nhỏ. Ở tế bào vi khuẩn, tiểu đơn vị lớn chứa hai sợi rRNA là 23S và 5S, còn ở tiểu đơn vị nhỏ chứa một sợi rRNA 16S. Ở tế bào nấm men và sinh vật đa bào, tiểu đơn vị lớn chứa hai sợi rRNA là 28S và 5,8S , còn tiểu đơn vị nhỏ chứa một sợi rRNA là 18S. Khi không tiến hành tổng hợp protein, mỗi đơn vị tồn tại tách rời trong tế bào chất. Trong thời gian dịch mã, hai tiểu đơn vị ribosome kết hợp với mRNA và tRNA thực hiện quá trình tổng hợp protein. Hướng dịch mã trên mRNA từ đầu 5’ đến đầu 3’. Quá trình dịch mã được tiến hành khi hội tụ đủ các yếu tố như sự có mặt của mRNA, các ribosome, tRNA, các axit amin và các enzyme cần thiết, đảm bảo quá trình vận chuyển và hình thành liên kết peptit.
Dịch mã được thực hiện ở tế bào chất. Ở sinh vật procaryote, hai quá trình dịch mã và phiên mã xảy ra dồng thời. Sau khi sợi mRNA được phiên mã được một đoạn thì quá trình dịch mã khởi đầu. Ở sinh vật eucaryote, hai quá trình này xảy ra độc lập ở hai vị trí khác nhau.
Sự hoạt hóa và vận chuyển axit amin
Các phân tử tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển các axit amin cho quá trình tổng hợp protein. Mỗi axit amin có ít nhất một phân tử tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển.
Các axit amin (Aa) được hoạt hóa nhờ enzyme aminoacyl-tRNA synthetase với năng lượng từ phân tử ATP. Enzyme này làm nhiệm vụ gắn axit amin vào đầu 3' của phân tử tRNA. Bộ ba cuối cùng ở đầu 3' của phân tử tRNA là −CCA. Nhóm cacboxyl của axit amin sẽ tạo liên kết đồng hóa trị với gốc đường ribose ở nucleotide cuối.
Sản phẩm trung gian: Aa~AMP sau khi xuất hiện lập tức gắn với phân tử enzyme cho đến khi gặp tRNA tương ứng thì axit amin sẽ được trao cho tRNA hình thành tổ hợp Aa~t-RNA, giải phóng AMP.
Quá trình chuyển hóa có thể biểu diễn như sau
Các axit amin luôn được gắn vào tRNA của nó một cách chính xác, điều đó cho thấy: trong phân tử enzyme phải có những vùng làm chức năng nhận biết các cơ chất của nó một cách chính xác. Trong mỗi tế bào phải có ít nhất 20 loại enzyme aminoaxyl-tRNA synthetase tương ứng với 20 loại axit amin.
Quá trình gắn axit amin vào tRNA của enzyme aminoacyl-tRNA synthetase được biểu diễn ở hình trên.
Hướng đọc mã và hướng kéo dài sợi polypeptide
Sự kéo dài sợi polypeptide có thể biểu diễn như sau
Trong quá trình dịch mã, ribosome sẽ di chuyển dọc theo sợi mRNA từ đầu 5' đến đầu 3'. Các bộ ba mã hóa cho axit amin được đọc một cách liên tục từ bộ ba khởi đầu AUG nằm ở đầu 5' của phân tử mRNA cho đến khi gặp các bộ ba kết thúc ở đầu 3'−OH.
Sợi polypeptide được tổng hợp bắt đầu từ đầu chứa nhóm −NH đến đầu chứa nhóm −COOH.
Các giai đoạn của quá trình dịch mã
Quá trình dịch mã gồm 3 giai đoạn: Khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
Giai đoạn khởi đầu
Đầu tiên, một methionyl-tRNA synthetase (là một aminoacyl-tRNA synthetase) gắn phân tử methionyl vào đầu 3' của tRNAmet tạo phân tử Met-tRNAmet. Trong tế bào tồn tại hai loại tRNAmet: Loại thứ nhất chịu trách nhiệm mang phân tử methionyl đến vị trí khởi đầu dịch mã, loại thứ hai mang methionyl đến các vị trí có chứa bộ ba AUG nằm ở giữa phân tử mRNA.
Với sự trợ giúp của các phần tử khởi động IF (initiaion factor), tiểu đơn vị nhỏ của ribosome sẽ đến gắn vào một vị trí chuyên biệt của mRNA, vị trí này nằm ở đầu 5', không xa trước bộ ba khởi đầu AUG, đồng thời, phân tử Met-tRNAmet cũng định vị vào vị trí có chứa bộ ba khởi đầu, tạo nên phức hợp giữa tiểu đơn vị nhỏ của ribosome-mRNA-Met-tRNAmet. Ngay sau khi phức hợp này hình thành, tiểu đơn vị lớn của ribosome sẽ kết hợp vào tiểu đơn vị nhỏ, tạo nên hệ thống dịch mã: ribosome-mRNA-Met-tRNAmet .
Các nhân tố khởi động sau đó tách ra khỏi hệ để tiếp tục khởi động cho một quá trình dịch mã khác. Hiện nay, người ta đã biết được 3 loại nhân tố khởi động ở procaryote và 6 loại ở eucaryote. Năng lượng sử dụng để khởi động dịch mã được lấy từ các phân tử cao năng như GTP. Phân tử mRNA gắn vào tiểu đơn vị nhỏ của ribosome khi trong môi trường phải có nồng độ Mg+2 nhất định.
Giai đoạn kéo dài
Trên ribosome có hai vị trí chuyên biệt cho tRNA mang axit amin đến, đó là vị trí P (peptidyl) và A (aminoacyl). Phân tử tRNA mang methionine (Met-tRNAmet ) đầu tiên đến sẽ bám vào vị trí P - đối diện với bộ ba AUG, tiếp sau đó, một tRNA thứ hai mang một axit amin có bộ ba mã hóa tiếp theo xếp vào vị trí A.
Bước tiếp theo là hình thành liên kết peptit giữa nhóm cacboxyl của axit amin gắn với tRNA trên vị trí P với nhóm amin của axit amin gắn với tRNA trên vị trí A, đồng thời, liên kết giữa axit amin với tRNA trên vị trí P mất đi, sợi polypeptide đang hình thành lúc này gắn với tRNA trên vị trí A. Cùng lúc đó, sợi mRNA dịch chuyển một bước, làm cho tRNA ở vị trí P đẩy ra ngoài, còn tRNA ở vị trí A chuyển sang vị trí P. Vị trí A sẽ tiếp nhận một tRNA mang axit amin thứ ba đến. Quá trình này lại lặp lại, liên kết peptit thứ hai được hình thành. Cứ như vậy, chuỗi polypeptide được kéo dài cho đến khi xuất hiện dấu hiệu kết thúc, nghĩa là có bộ ba kết thúc nằm đối diện vị trí A.
Các tRNA mang axit amin (Aa∼tRNA) được xếp vào đúng vị trí A trên ribosome nhờ nhân tố kéo dài EF (elongation factor) với năng lượng từ phân tử ATP. Liên kết peptit được hình thành nhờ enzyme peptidyl transferase. Mỗi một bước dịch chuyển, mRNA sẽ tiến về phía trước ba nucleotide.
Giai đoạn kết thúc
Khi điểm A trên ribosome tiến đến đối diện với các bộ ba vô nghĩa (UAG, UAA, UGA) thì sẽ không có một tRNA nào mang axit amin đến nữa, nên sự kéo dài liên kết peptit sẽ dừng lại. Kết thúc giai đoạn dịch mã có sự trợ giúp của các nhân tố kết thúc RF (release factor). Nhân tố kết thúc nhận biết bộ ba kết thúc và làm đứt liên kết giữa các chuỗi polypeptide mới hình thành với phân tử tRNA cuối cùng, giải phóng sợi polypeptide. Sợi mRNA cũng tách khỏi ribosome, hai tiểu đơn vị của ribosome trở về trạng thái ban đầu, sắn sàng cho một chu kỳ dịch mã mới.
Ở E. Coli, người ta đã tìm ra ba nhân tố kết thúc là RF1, RF2, RF3. RF1 nhận biết các bộ ba kết thúc là UAG và UAA; RF2 nhận biết các bộ ba UGA và UAA. Các RF này nhận biết các bộ ba kết thúc và đưa enzyme peptidyl transferase cắt liên kết giữa tRNA với chuỗi peptit. Cách hoạt động của riêng RF3 chưa được làm rõ.
Polyribosome
Hiện tượng nhiều ribosome cùng bám vào một mRNA và thực hiện dịch mã đồng thời gọi là polysome hay polyribosome. Sau khi ribosome đầu tiên kết hợp với mRNA ở đầu 5' thực hiện dịch mã được một đoạn ngắn, thì ở đoạn phía sau, nhiều ribosome khác cũng bám vào và cũng thực hiện dịch mã đồng thời. Mỗi ribosome đảm nhận dịch mã một đoạn trên mRNA. Người ta ước tính khoảng đảm nhiệm dịch mã của mỗi ribosome trên mRNA ở E. Coli là khoảng 80 nucleotide. Nhờ vậy, tốc độ tổng hợp protein tăng lên đáng kể.