Nhân tố kéo dài (Elongation factor)

1. Nhân tố kéo dài ở vi khuẩn:

Vi khuẩn có ba nhân tố kéo dài chính: EF-Tu, EF-Ts, và EF-G.

• EF-Tu (Elongation Factor Thermo Unstable): EF-Tu liên kết với aminoacyl-tRNA (aa-tRNA) mang axit amin đến ribosome. Phức hợp EF-Tu•GTP•aa-tRNA này tương tác với vị trí A (aminoacyl) trên ribosome. Nếu anticodon của tRNA khớp với codon mRNA, GTP bị thủy phân, EF-Tu•GDP được giải phóng khỏi ribosome, và aa-tRNA được định vị chính xác để tham gia vào liên kết peptide.
• EF-Ts (Elongation Factor Thermo Stable): EF-Ts tái sinh EF-Tu bằng cách xúc tác cho việc trao đổi GDP thành GTP trên EF-Tu, chuẩn bị nó cho một chu kỳ liên kết aa-tRNA mới. Phản ứng có thể được tóm tắt là:
  EF-Tu•GDP + EF-Ts $\rightarrow$ EF-Tu•EF-Ts + GDPEF-Tu•EF-Ts + GTP $\rightarrow$ EF-Tu•GTP + EF-Ts
• EF-G (Elongation Factor G): EF-G xúc tác cho giai đoạn dịch mã, di chuyển ribosome dọc theo mRNA một codon sau khi liên kết peptide được hình thành. Quá trình này đòi hỏi năng lượng từ thủy phân GTP.

2. Nhân tố kéo dài ở sinh vật nhân thực:

Sinh vật nhân thực có các nhân tố kéo dài tương đương, nhưng tên gọi khác: eEF1 và eEF2.

• eEF1 (Elongation Factor 1): eEF1 có hai tiểu đơn vị: eEF1A và eEF1B. eEF1A tương đương với EF-Tu của vi khuẩn, liên kết với aa-tRNA và GTP. eEF1B tương đương với EF-Ts, xúc tác cho việc trao đổi GDP thành GTP trên eEF1A.
• eEF2 (Elongation Factor 2): eEF2 tương đương với EF-G của vi khuẩn, xúc tác cho giai đoạn dịch mã trên ribosome.

3. Nhân tố kéo dài ở cổ khuẩn:

Cổ khuẩn có các nhân tố kéo dài tương tự như ở sinh vật nhân thực.

4. Vai trò của nhân tố kéo dài:

• Đảm bảo độ chính xác của dịch mã: EF-Tu (eEF1A) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng chỉ có aa-tRNA chính xác mới được kết hợp vào chuỗi polypeptide. Cơ chế này giúp giảm thiểu lỗi dịch mã và đảm bảo protein được tổng hợp đúng theo trình tự gene.
• Xúc tác cho giai đoạn dịch mã: EF-G (eEF2) giúp ribosome di chuyển dọc theo mRNA, cho phép quá trình dịch mã tiếp tục. Sự dịch chuyển này giúp ribosome đọc được codon tiếp theo và tiếp tục quá trình kéo dài chuỗi polypeptide.
• Tối ưu hóa tốc độ dịch mã: Các nhân tố kéo dài giúp duy trì tốc độ dịch mã hiệu quả, đảm bảo quá trình tổng hợp protein diễn ra nhanh chóng và đáp ứng nhu cầu của tế bào.

5. Ý nghĩa lâm sàng:

Một số loại kháng sinh nhằm mục tiêu vào các nhân tố kéo dài của vi khuẩn, ức chế quá trình tổng hợp protein của vi khuẩn và do đó ức chế sự phát triển của chúng. Ví dụ, kháng sinh fusidic acid ức chế EF-G.

6. Cơ chế hoạt động chi tiết hơn:

• EF-Tu (eEF1A): Sự thủy phân GTP trên EF-Tu (eEF1A) là một bước quan trọng trong việc kiểm soát độ chính xác của dịch mã. Khi aa-tRNA được đưa đến vị trí A trên ribosome, codon và anticodon tương tác ban đầu. Nếu sự bắt cặp codon-anticodon chính xác, sự thay đổi cấu trúc trong ribosome kích thích hoạt tính GTPase của EF-Tu, dẫn đến sự thủy phân GTP. Điều này làm thay đổi cấu hình của EF-Tu, giải phóng aa-tRNA, cho phép nó tham gia vào phản ứng hình thành liên kết peptide. Nếu sự bắt cặp codon-anticodon không chính xác, aa-tRNA có nhiều khả năng rời khỏi ribosome trước khi GTP bị thủy phân.
• EF-G (eEF2): EF-G (eEF2) liên kết với ribosome ở trạng thái sau khi liên kết peptide đã được hình thành. Sự thủy phân GTP trên EF-G gây ra sự thay đổi cấu trúc, đẩy tRNA từ vị trí A sang vị trí P, và tRNA từ vị trí P sang vị trí E (exit). Đồng thời, ribosome di chuyển một codon dọc theo mRNA, để lộ codon tiếp theo ở vị trí A.

7. Điều hòa hoạt động của nhân tố kéo dài:

Hoạt động của nhân tố kéo dài có thể được điều hòa bởi các yếu tố khác nhau, bao gồm sự biến đổi sau dịch mã, nồng độ GTP, và tương tác với các protein khác. Ví dụ, phosphoryl hóa eEF2 có thể ức chế hoạt động của nó, do đó làm giảm tốc độ dịch mã.

8. Sự khác biệt giữa các vực sống:

Mặc dù chức năng chung của nhân tố kéo dài được bảo tồn trên các vực sống, vẫn có một số khác biệt về cấu trúc và cơ chế hoạt động giữa vi khuẩn, cổ khuẩn và sinh vật nhân thực. Ví dụ, eEF1 ở sinh vật nhân thực là một phức hợp đa tiểu đơn vị, trong khi EF-Tu ở vi khuẩn là một protein đơn phân tử.

9. Nghiên cứu hiện tại:

Nghiên cứu về nhân tố kéo dài vẫn đang được tiến hành, tập trung vào việc làm sáng tỏ thêm các chi tiết cơ chế hoạt động, điều hòa và vai trò của chúng trong các quá trình tế bào khác. Các nghiên cứu này cũng nhằm mục tiêu xác định các mục tiêu tiềm năng cho các liệu pháp kháng khuẩn mới.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
• Schmeing TM, Voorhees RM, Kelley AC, et al. The crystal structure of the ribosome bound to EF-Tu and aminoacyl-tRNA. Science. 2009;326(5953):688-694.
• Rodnina MV, Wintermeyer W. Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on the ribosome: kinetic and structural mechanisms. Annu Rev Biochem. 2001;70:415-435.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào mà EF-Tu đảm bảo chỉ có aa-tRNA đúng mới được đưa vào ribosome, góp phần vào độ chính xác của quá trình dịch mã?

Trả lời: EF-Tu liên kết với aa-tRNA cùng với GTP. Khi phức hợp này đến ribosome, codon mRNA và anticodon tRNA tương tác. Nếu bắt cặp chính xác, ribosome kích thích hoạt tính GTPase của EF-Tu, GTP bị thủy phân, EF-Tu thay đổi cấu trúc và giải phóng aa-tRNA. Nếu bắt cặp sai, aa-tRNA có xu hướng rời đi trước khi GTP bị thủy phân. Cơ chế kiểm tra kép này đảm bảo độ chính xác cao.

Sự khác biệt chính giữa cơ chế hoạt động của EF-G ở vi khuẩn và eEF2 ở sinh vật nhân thực là gì?

Trả lời: Mặc dù cả EF-G và eEF2 đều xúc tác cho sự dịch chuyển của ribosome dọc theo mRNA sau khi liên kết peptide được hình thành, có một số khác biệt nhỏ về cấu trúc và tương tác với ribosome. eEF2 ở sinh vật nhân thực thường lớn hơn và phức tạp hơn EF-G ở vi khuẩn. Ngoài ra, cách thức chúng tương tác với các protein ribosome và các yếu tố khác cũng có thể khác nhau. Tuy nhiên, chức năng chung của chúng là tương tự nhau.

Ngoài EF-Tu, EF-Ts và EF-G, còn có những nhân tố kéo dài nào khác ở vi khuẩn và chức năng của chúng là gì?

Trả lời: Một nhân tố kéo dài khác ở vi khuẩn là EF-P (Elongation Factor P). EF-P giúp ribosome vượt qua các điểm dừng lại trong quá trình dịch mã khi gặp phải các chuỗi polyproline, giúp duy trì tốc độ dịch mã.

Vai trò của GTP trong hoạt động của các nhân tố kéo dài là gì?

Trả lời: GTP đóng vai trò như một “công tắc phân tử” điều khiển hoạt động của các nhân tố kéo dài. Cả EF-Tu và EF-G đều liên kết với GTP. Sự thủy phân GTP thành GDP gây ra sự thay đổi cấu trúc trong các nhân tố này, cho phép chúng thực hiện chức năng của mình (đưa aa-tRNA đến ribosome hoặc dịch chuyển ribosome).

Làm thế nào mà việc nghiên cứu về nhân tố kéo dài có thể đóng góp vào việc phát triển thuốc kháng sinh mới?

Trả lời: Vì nhân tố kéo dài của vi khuẩn khác với nhân tố kéo dài ở sinh vật nhân thực, chúng là mục tiêu tiềm năng cho thuốc kháng sinh. Bằng cách nhắm mục tiêu vào các nhân tố kéo dài của vi khuẩn, các nhà khoa học có thể phát triển các loại thuốc ức chế quá trình tổng hợp protein của vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến tế bào người. Việc tìm hiểu cấu trúc và cơ chế hoạt động chi tiết của các nhân tố kéo dài này là rất quan trọng cho việc thiết kế thuốc hiệu quả.