RNA vận chuyển (Transfer RNA – tRNA)

Cấu trúc

Phân tử tRNA có cấu trúc ba chiều đặc trưng, thường được mô tả như hình dạng “lá cỏ ba lá”. Cấu trúc này được hình thành bởi các vùng xoắn kép và các vùng mạch đơn, bao gồm:

• Vòng đối mã (Anticodon loop): Chứa một bộ ba nucleotide (đối mã) có trình tự bổ sung với codon trên mRNA. Sự bắt cặp codon-anticodon đảm bảo rằng axit amin chính xác được thêm vào chuỗi polypeptide đang phát triển. Ví dụ, nếu codon trên mRNA là AUG, thì anticodon trên tRNA sẽ là UAC.
• Cánh tay tiếp nhận axit amin (Acceptor stem): Đây là vị trí gắn kết với axit amin tương ứng. Đầu 3′ của cánh tay này luôn kết thúc bằng trình tự CCA, nơi axit amin được gắn vào thông qua liên kết este với nhóm hydroxyl của adenosine cuối cùng.
• Vòng D (D loop) và vòng TΨC (TΨC loop): Hai vòng này chứa các nucleotide biến đổi (như dihydrouridine (D) và pseudouridine (Ψ)) và đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện tRNA bởi các enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp protein, đặc biệt là enzyme aminoacyl-tRNA synthetase. Các nucleotide biến đổi này giúp ổn định cấu trúc của tRNA và tăng cường khả năng tương tác với ribosome và aminoacyl-tRNA synthetase.
• Vòng biến đổi (Variable loop): Vòng này có kích thước khác nhau giữa các tRNA (từ 4 đến 21 nucleotide) và góp phần vào sự ổn định cấu trúc tổng thể cũng như sự tương tác đặc hiệu với aminoacyl-tRNA synthetase tương ứng.

Chức năng

Chức năng chính của tRNA là vận chuyển axit amin đến ribosome trong quá trình dịch mã. Quá trình này diễn ra theo các bước sau:

1. Hoạt hóa axit amin: Mỗi axit amin được liên kết với tRNA tương ứng của nó bởi một enzyme đặc hiệu gọi là aminoacyl-tRNA synthetase. Phản ứng này đòi hỏi năng lượng từ ATP. Kết quả là tạo thành aminoacyl-tRNA. Có một enzyme aminoacyl-tRNA synthetase đặc trưng cho mỗi axit amin.
2. Nhận diện codon: Aminoacyl-tRNA đến ribosome và đối mã của nó bắt cặp với codon tương ứng trên mRNA tại vị trí A (aminoacyl) trên ribosome.
3. Hình thành liên kết peptide: Ribosome xúc tác phản ứng hình thành liên kết peptide giữa axit amin mới đến và chuỗi polypeptide đang phát triển tại vị trí P (peptidyl) trên ribosome. Chuỗi polypeptide đang phát triển được chuyển từ tRNA tại vị trí P sang axit amin mới đến trên tRNA tại vị trí A.
4. Giải phóng tRNA: tRNA không mang axit amin được giải phóng khỏi ribosome ở vị trí E (exit) và có thể được nạp lại một axit amin khác.

Sự đa dạng

Có nhiều loại tRNA khác nhau, mỗi loại mang một đối mã đặc hiệu và vận chuyển một axit amin cụ thể. Mặc dù có 64 codon có thể có (4³), nhưng không cần có 64 tRNA khác nhau. Điều này là do hiện tượng “wobble” (lung lay), cho phép một anticodon bắt cặp với nhiều hơn một codon. Cụ thể, base thứ ba của anticodon có thể bắt cặp không chính xác với base thứ nhất của codon.

Sinh tổng hợp tRNA

Giống như các loại RNA khác, tRNA được phiên mã từ DNA. Ở sinh vật nhân thực, quá trình này diễn ra trong nhân tế bào bởi RNA polymerase III. Tiền chất tRNA sau phiên mã trải qua một loạt các sửa đổi, bao gồm:

• Cắt bỏ các đoạn intron: Các đoạn intron (đoạn không mã hóa) được loại bỏ khỏi tiền chất tRNA bởi các enzyme đặc hiệu.
• Thêm trình tự CCA ở đầu 3′: Enzyme tRNA nucleotidyltransferase thêm trình tự CCA vào đầu 3′ của tRNA, tạo thành vị trí gắn kết axit amin.
• Biến đổi hóa học các base: Một số base nitrogen trong tRNA được biến đổi hóa học, ví dụ như sự hình thành pseudouridine (Ψ) và dihydrouridine (D). Những biến đổi này đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của tRNA, ví dụ như tăng cường sự ổn định và khả năng nhận diện của tRNA.

Aminoacyl-tRNA synthetase

Enzyme aminoacyl-tRNA synthetase đóng vai trò then chốt trong việc gắn đúng axit amin với tRNA tương ứng. Mỗi axit amin có một aminoacyl-tRNA synthetase đặc hiệu. Enzyme này nhận diện cả axit amin và tRNA tương ứng của nó, đảm bảo tính chính xác của quá trình dịch mã. Sự đặc hiệu kép này cực kỳ quan trọng để duy trì độ chính xác của quá trình tổng hợp protein. Phản ứng xúc tác bởi aminoacyl-tRNA synthetase diễn ra trong hai bước:

1. Axit amin phản ứng với ATP tạo thành aminoacyl-AMP:

Axit amin + ATP → Aminoacyl-AMP + PPi

2. Aminoacyl-AMP phản ứng với tRNA tạo thành aminoacyl-tRNA:

Aminoacyl-AMP + tRNA → Aminoacyl-tRNA + AMP

Wobble hypothesis (Giả thuyết lung lay)

Giả thuyết lung lay giải thích tại sao một anticodon có thể nhận diện nhiều hơn một codon. Sự lung lay xảy ra ở base thứ ba của codon (đầu 3′) và base thứ nhất của anticodon (đầu 5′). Ví dụ, anticodon 3′-AAG-5′ có thể bắt cặp với cả codon 5′-UUC-3′ và 5′-UUU-3′. Điều này làm giảm số lượng tRNA cần thiết cho việc dịch mã tất cả 64 codon. Sự bắt cặp lung lay thường tuân theo các quy tắc nhất định, ví dụ G ở anticodon có thể bắt cặp với U hoặc C ở codon.

Vai trò của tRNA trong các quá trình khác

Ngoài vai trò chính trong dịch mã, tRNA còn tham gia vào một số quá trình sinh học khác, bao gồm:

• Điều hòa biểu hiện gen: Một số tRNA có thể điều chỉnh biểu hiện gen bằng cách ảnh hưởng đến sự ổn định mRNA hoặc hiệu quả dịch mã. Ví dụ, một số tRNA có thể ức chế sự khởi đầu dịch mã.
• Sinh tổng hợp thành tế bào: Một số tRNA tham gia vào quá trình sinh tổng hợp thành tế bào vi khuẩn, ví dụ như thành phần của peptidoglycan.
• Sửa đổi protein sau dịch mã: Một số tRNA tham gia vào quá trình sửa đổi protein sau dịch mã, ví dụ như thêm các nhóm hóa học vào protein, ảnh hưởng đến chức năng và định vị của 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.
• Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th edition. New York: W H Freeman; 2002.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào các biến đổi hóa học trên tRNA ảnh hưởng đến chức năng của nó?

Trả lời: Các biến đổi hóa học trên tRNA, như sự methyl hóa, thio hóa, và isopentenyl hóa, ảnh hưởng đến chức năng của tRNA theo nhiều cách. Chúng có thể:

• Ổn định cấu trúc tRNA: Các biến đổi này có thể tăng cường các tương tác giữa các base, giúp ổn định cấu trúc ba chiều của tRNA. Ví dụ, pseudouridine (Ψ) giúp ổn định cấu trúc vòng TΨC.
• Tăng cường sự tương tác codon-anticodon: Một số biến đổi có thể ảnh hưởng đến khả năng bắt cặp base của anticodon với codon trên mRNA, giúp tăng cường tính đặc hiệu và hiệu quả của quá trình dịch mã.
• Cải thiện khả năng nhận diện của aminoacyl-tRNA synthetase: Các biến đổi trên tRNA có thể đóng vai trò như “dấu hiệu” cho aminoacyl-tRNA synthetase, giúp enzyme này nhận diện và gắn đúng axit amin với tRNA tương ứng.

Ngoài “wobble”, còn cơ chế nào khác góp phần vào sự thoái hóa của mã di truyền?

Trả lời: Sự thoái hóa của mã di truyền, tức là một axit amin có thể được mã hóa bởi nhiều codon, chủ yếu là do “wobble”. Tuy nhiên, isoacceptor tRNA cũng đóng một vai trò nhỏ. Isoacceptor tRNA là các tRNA khác nhau mang cùng một anticodon nhưng có thể được aminoacyl hóa bởi cùng một axit amin. Sự tồn tại của isoacceptor tRNA cho phép tế bào điều chỉnh mức độ tổng hợp protein bằng cách thay đổi số lượng các tRNA khác nhau cho cùng một axit amin.

Quá trình nạp axit amin cho tRNA (aminoacylation) tiêu tốn năng lượng như thế nào?

Trả lời: Quá trình aminoacylation cần năng lượng từ ATP. ATP bị thủy phân thành AMP và pyrophosphate (PPi) trong quá trình này. Phản ứng được xúc tác bởi aminoacyl-tRNA synthetase và diễn ra trong hai bước như đã mô tả ở trên (phần Aminoacyl-tRNA synthetase). Năng lượng được sử dụng để tạo liên kết giàu năng lượng giữa axit amin và tRNA, giúp cung cấp năng lượng cho quá trình hình thành liên kết peptide sau này trên ribosome.

Vai trò của tRNA trong các bệnh ở người là gì?

Trả lời: Các đột biến hoặc rối loạn chức năng của tRNA có thể dẫn đến nhiều bệnh ở người. Ví dụ, đột biến ở gen mã hóa tRNA ty thể có liên quan đến các bệnh về thần kinh và cơ. Ngoài ra, sự biểu hiện sai lệch của một số tRNA có thể góp phần vào sự phát triển của ung thư. Nghiên cứu về vai trò của tRNA trong các bệnh đang được tiến hành và có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới.

tRNA có thể được sử dụng trong công nghệ sinh học như thế nào?

Trả lời: tRNA có nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ sinh học, bao gồm:

• Tổng hợp protein in vitro: tRNA được sử dụng trong các hệ thống tổng hợp protein không tế bào để sản xuất protein tái tổ hợp.
• Kỹ thuật di truyền: tRNA có thể được sử dụng để đưa các axit amin không tự nhiên vào protein, mở ra khả năng tạo ra các protein có chức năng mới.
• Phát triển thuốc: Như đã đề cập ở trên, tRNA là một mục tiêu tiềm năng cho các loại thuốc mới, đặc biệt là trong điều trị ung thư và các bệnh nhiễm trùng.
• Nghiên cứu cấu trúc và chức năng ribosome: tRNA được sử dụng như một công cụ để nghiên cứu cấu trúc và chức năng của ribosome, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế dịch mã.