RNA ribosome (Ribosomal RNA – rRNA)

Cấu trúc và chức năng của rRNA

rRNA là một phân tử RNA sợi đơn, gập lại thành cấu trúc ba chiều phức tạp. Cấu trúc này chứa cả những vùng xoắn kép và những vùng sợi đơn. Các vùng xoắn kép được hình thành bởi sự bắt cặp bổ sung giữa các base nitrogen (A với U, và G với C). Sự gập lại phức tạp này tạo nên hình dạng đặc trưng của rRNA, cho phép nó thực hiện các chức năng quan trọng trong ribosome.

rRNA không chỉ là một “khung xương” cấu trúc mà còn có hoạt tính xúc tác. Đặc biệt, rRNA trong tiểu đơn vị lớn của ribosome xúc tác cho phản ứng tạo liên kết peptide giữa các amino acid trong quá trình tổng hợp protein. Do đó, rRNA được coi là một ribozyme (enzyme RNA). Chức năng xúc tác này của rRNA là trung tâm của quá trình dịch mã.

rRNA liên kết với các protein ribosome để tạo thành hai tiểu đơn vị của ribosome: tiểu đơn vị nhỏ và tiểu đơn vị lớn. Hai tiểu đơn vị này kết hợp với nhau trong quá trình dịch mã. Sự tương tác giữa rRNA và protein ribosome rất quan trọng cho sự ổn định và chức năng của ribosome.

rRNA cũng đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết với mRNA và tRNA. rRNA trong tiểu đơn vị nhỏ liên kết với mRNA, giúp định vị mRNA đúng vị trí để bắt đầu quá trình dịch mã. Trong khi đó, rRNA trong tiểu đơn vị lớn liên kết với tRNA mang amino acid. Sự tương tác này đảm bảo cho quá trình dịch mã diễn ra chính xác, bằng cách đưa các amino acid vào đúng vị trí trên chuỗi polypeptide đang được tổng hợp.

Các loại rRNA

Kích thước của rRNA được đo bằng đơn vị Svedberg (S), phản ánh tốc độ lắng của chúng trong quá trình ly tâm. Ở sinh vật nhân thực (eukaryote), có bốn loại rRNA chính:

• 18S rRNA: Thành phần của tiểu đơn vị nhỏ (40S) của ribosome. Nó có vai trò quan trọng trong việc giải mã mRNA và liên kết với tRNA khởi đầu.
• 5S rRNA, 5.8S rRNA, và 28S rRNA: Là thành phần của tiểu đơn vị lớn (60S) của ribosome. 28S rRNA có hoạt tính peptidyl transferase, xúc tác cho sự hình thành liên kết peptide. 5S và 5.8S rRNA đóng vai trò trong việc ổn định cấu trúc của tiểu đơn vị lớn và tương tác với các tRNA.

Ở sinh vật nhân sơ (prokaryote), có ba loại rRNA chính:

• 16S rRNA: Thành phần của tiểu đơn vị nhỏ (30S) của ribosome. Nó có vai trò tương tự như 18S rRNA ở sinh vật nhân thực, liên kết với mRNA và tRNA khởi đầu.
• 5S rRNA và 23S rRNA: Thành phần của tiểu đơn vị lớn (50S) của ribosome. 23S rRNA có hoạt tính peptidyl transferase, tương tự như 28S rRNA ở sinh vật nhân thực. 5S rRNA đóng góp vào cấu trúc và chức năng của tiểu đơn vị lớn.

Sinh tổng hợp rRNA

rRNA được phiên mã từ các gen rRNA nằm trong vùng nhân con (nucleolus) ở sinh vật nhân thực và trong vùng nucleoid ở sinh vật nhân sơ. Sau khi được phiên mã, rRNA trải qua quá trình xử lý và biến đổi, bao gồm cắt tỉa và methyl hóa, trước khi kết hợp với protein ribosome để tạo thành ribosome hoàn chỉnh. Quá trình methyl hóa giúp bảo vệ rRNA khỏi sự phân hủy và đóng góp vào cấu trúc và chức năng của ribosome.

Ý nghĩa

rRNA là một phân tử quan trọng đối với sự sống. Sự hiểu biết về cấu trúc và chức năng của rRNA không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế tổng hợp protein mà còn có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu y sinh học, ví dụ như phát triển thuốc kháng sinh nhằm vào ribosome của vi khuẩn. Vì ribosome của vi khuẩn khác với ribosome của sinh vật nhân thực, nên các thuốc kháng sinh có thể ức chế đặc hiệu ribosome của vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến tế bào của con người.

rRNA là thành phần RNA cấu trúc và xúc tác của ribosome, đóng vai trò trung tâm trong quá trình tổng hợp protein. Nó có nhiều loại khác nhau với kích thước và chức năng đặc trưng, được sinh tổng hợp và xử lý phức tạp trước khi trở thành một phần của bộ máy dịch mã của tế bào.

Sự khác biệt giữa rRNA prokaryote và eukaryote

Như đã đề cập, rRNA ở prokaryote và eukaryote có kích thước khác nhau. Sự khác biệt này phản ánh sự phức tạp khác nhau của ribosome ở hai nhóm sinh vật này. Ribosome của eukaryote (80S) lớn hơn ribosome của prokaryote (70S) và được cấu tạo từ các rRNA và protein ribosome khác nhau. Sự khác biệt này có ý nghĩa trong nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực phát triển thuốc kháng sinh. Thuốc kháng sinh có thể nhằm mục tiêu vào rRNA của vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến rRNA của tế bào người, do sự khác biệt về cấu trúc và trình tự giữa chúng. Ví dụ, một số loại kháng sinh như aminoglycoside và macrolide liên kết đặc hiệu với rRNA của vi khuẩn, ức chế quá trình tổng hợp protein của vi khuẩn.

Vai trò của rRNA trong tiến hóa

Do rRNA có mặt ở tất cả các sinh vật sống và thực hiện chức năng thiết yếu, nên nó được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu phát sinh loài và phân loại sinh vật. Sự so sánh trình tự rRNA giữa các loài khác nhau giúp xác định mối quan hệ tiến hóa giữa chúng. 16S rRNA ở prokaryote và 18S rRNA ở eukaryote thường được sử dụng cho mục đích này vì chúng có tốc độ tiến hóa vừa phải, đủ để phân biệt các loài khác nhau nhưng cũng đủ bảo tồn để so sánh giữa các nhóm sinh vật xa nhau.

Các kỹ thuật nghiên cứu rRNA

Một số kỹ thuật thường được sử dụng để nghiên cứu rRNA bao gồm:

• Ly tâm: Tách chiết ribosome và rRNA dựa trên kích thước và mật độ.
• Điện di: Phân tách rRNA theo kích thước trên gel agarose hoặc polyacrylamide.
• Phiên mã ngược và PCR: Khuếch đại và phân tích trình tự rRNA. Kỹ thuật này cho phép nghiên cứu sự biểu hiện gen rRNA và xác định các đột biến.
• Tinh thể học tia X và NMR: Xác định cấu trúc ba chiều của rRNA ở độ phân giải nguyên tử.
• Kính hiển vi cryo-electron: Nghiên cứu cấu trúc ribosome và rRNA ở độ phân giải cao trong môi trường gần với trạng thái tự nhiên.

rRNA và bệnh tật

Đột biến hoặc rối loạn chức năng của rRNA có thể liên quan đến một số bệnh ở người, bao gồm:

• Một số bệnh về máu: Đột biến ở gen mã hóa rRNA có thể gây ra thiếu máu bất sản Diamond-Blackfan.
• Một số loại ung thư: Rối loạn chức năng của ribosome và rRNA có thể góp phần vào sự phát triển của một số loại ung thư.
• Kháng kháng sinh: Đột biến ở rRNA của vi khuẩn có thể dẫn đến kháng kháng sinh.

Tương tác của rRNA với các phân tử khác

Ngoài tương tác với protein ribosome, mRNA và tRNA, rRNA còn tương tác với nhiều phân tử khác trong tế bào, bao gồm các yếu tố khởi đầu, kéo dài và kết thúc dịch mã, cũng như các chaperone protein. Những tương tác này đóng vai trò quan trọng trong điều hòa quá trình tổng hợp protein.

• 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.
• Lewin B. Genes VIII. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall; 2004.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào mà rRNA có thể thực hiện chức năng xúc tác trong khi nó chỉ là một phân tử RNA?

Trả lời: rRNA có thể thực hiện chức năng xúc tác nhờ cấu trúc ba chiều phức tạp của nó. Các vùng gập lại đặc biệt của rRNA tạo ra các vị trí hoạt động, tương tự như các enzyme protein. Các vị trí này có thể liên kết với các chất phản ứng và xúc tác cho phản ứng hóa học, ví dụ như phản ứng tạo liên kết peptide trong quá trình tổng hợp protein.

Tại sao 16S rRNA thường được sử dụng trong nghiên cứu phát sinh loài hơn là các loại rRNA khác?

Trả lời: 16S rRNA được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu phát sinh loài vì một số lý do: (1) nó có mặt ở tất cả các prokaryote; (2) nó chứa cả vùng bảo tồn cao (giúp so sánh giữa các loài khác nhau) và vùng biến đổi (giúp phân biệt các loài gần nhau); (3) kích thước của nó đủ lớn để chứa đủ thông tin phát sinh loài nhưng cũng đủ nhỏ để dễ dàng phân tích.

Quá trình xử lý rRNA sau phiên mã bao gồm những bước nào?

Trả lời: Quá trình xử lý rRNA sau phiên mã bao gồm các bước sau: (1) cắt tỉa các đoạn rRNA tiền chất thành các rRNA trưởng thành; (2) biến đổi hóa học các base nitrogen, ví dụ như methyl hóa; (3) gập lại rRNA thành cấu trúc ba chiều chính xác với sự hỗ trợ của các protein chaperone.

Làm thế nào mà đột biến ở rRNA có thể dẫn đến kháng kháng sinh?

Trả lời: Đột biến ở rRNA, đặc biệt là ở vị trí liên kết của kháng sinh, có thể làm thay đổi cấu trúc của ribosome. Sự thay đổi này có thể ngăn cản kháng sinh liên kết với ribosome, làm mất tác dụng của kháng sinh. Ví dụ, đột biến ở 23S rRNA có thể gây kháng với các kháng sinh macrolide.

Ngoài vai trò trong tổng hợp protein, rRNA còn có chức năng nào khác không?

Trả lời: Mặc dù chức năng chính của rRNA là trong tổng hợp protein, một số nghiên cứu cho thấy rRNA còn có thể tham gia vào các quá trình khác, bao gồm điều hòa biểu hiện gen, đáp ứng stress của tế bào và điều hòa chu kỳ tế bào. Tuy nhiên, các chức năng này vẫn đang được nghiên cứu và chưa được hiểu rõ hoàn toàn.