Sản xuất protein của vi khuẩn – ABCs

CHƯƠNG 2: Sản xuất Protein của vi khuẩn 

Dịch: DS. Nguyễn Quang Việt

Hiệu đính: DS. Võ Thị Hà

Giống như tất cả các đội quân xâm lược, vi khuẩn gây bệnh cần phải được tiếp tế. Chúng cần các nguồn lực thích hợp để thay thế các phần bị mòn cũ không sử dụng được nữa và tạo ra các vi khuẩn mới. Vi khuẩn yêu cầu những nguồn lực từ các “quốc gia” mà chúng đang xâm chiếm, trong trường hợp này chính  là cơ thể con người. Trong đó một lượng lớn các phần cần tổng hợp để thay thế là các protein. Quá trình tổng hợp các protein này đạt được nhờ sử dụng các quá trình chung tương tự như ở các tế bào của con người sử dụng (Hình. 2-1). Đầu tiên, các nguyên liệu, các khối vật liệu tái tạo (building block) như các RNA, các acid amin và phân tử giàu năng lượng có chứa triphosphate nucleoside, phải giành được và có sẵn trong vi khuẩn. Nếu điều kiện này đáp ứng, các gen mẫu ở vi khuẩn phiên mã thành RNA do các enzym đặc biệt của vi khuẩn. Sau đó RNA được dịch mã thành protein. Do một số thành phần mà vi khuẩn cần cho các quá trình này khác đáng kể so với quá trình tương tự ở tế bào con người, quá trình sản xuất protein này ở vi khuẩn bị thuốc kháng sinh ức chế.

NGUYÊN LIỆU THÔ

Quá trình tổng hợp các protein mới đòi hỏi một lượng dồi dào các khối vật liệu tái tạo cũng như năng lượng. Ví dụ, người ta ước tính rằng năng lượng của ba hoặc bốn triphosphat nucleoside (ví dụ, adenosin triphosphat-ATP hay guanosin triphosphat-GTP) là cần thiết để gắn thêm một acid amin đơn vào chuỗi protein đang hình thành. Vi khuẩn tạo ra các vật liệu thô và năng lượng này nhờ lấy nguồn nhiên liệu là glucose từ môi trường và xử lý chúng thông qua các con đường chuyển hóa để sản sinh ranăng lượng và tạo ra các hợp chất trung gian.

Những con đường chuyển hóa này khá phức tạp và có sự khác biệt đáng kể giữa các tế bào vi khuẩn và các tế bào của người. Chúng có thể được sử dụng một cách hiệu quả để phân chia vi khuẩn thành hai loại: hiếu khí và kỵ khí. Vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy từ môi trường trong quá trình chuyển hóa, trong khi vi khuẩn kỵ khí không sử dụng. Trong thực tế, vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt đều bị oxy giết chết bởi vì chúng thiếu các enzym giải độc một số các sản phẩm phụ có hại của oxy, như hydrogen peroxid và các gốc super-oxid. Mycobacterium tuberculosis là một ví dụ về vi khuẩn hiếu khí nghiêm ngặt; vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt bao gồm Clostridium difficile và Bacteroides fragilis. Nhiều vi khuẩn có các quá trình chuyển hóa cho phép chúng sử dụng oxy khi có hiện diện của oxy nhưng có thể vận hành như vi khuẩn kỵ khí khi không có oxy. Những vi khuẩn này được gọi là tùy nghi (falcutative) liên quan đến sử dụng oxy và dĩ nhiên là chúng tồn tại tốt dù cho có hay không có oxy. Ví dụ về các vi khuẩn tuỳ nghi như vậy có Escherichia coli và Staphylococcus aureus. Các vi khuẩn khác phát triển tốt nhất khi có một lượng nhỏ khí oxy, ít hơn lượng oxy tìm thấy trong không khí. Những vi khuẩn này được cho là vi hiếu khí (micro-aerophilic). Campylobacter jejuni là một ví dụ của một loại vi khuẩn vi hiếu khí.

Năng lượng có sẵn để tiêu thụ bởi vi khuẩn được sản sinh và lưu trữ dưới dạng triphosphate nucleoside, và trong một số trường hợp dưới dạng chệnh lệch gradient proton giữa trong và ngoài tế bào. Các dạng năng lượng tiềm năng lưu trữ dưới dạng gradient này được gọi là động lực proton. Do proton di chuyển từ gradient cao xuống thấp (từ bên ngoài vi khuẩn vào bên trong vi khuẩn) và xuyên qua màng tế bào chất, dạng năng lượng này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các quá trình quan trọng như vận chuyển tích cực những chất dinh dưỡng vào tế bào và tạo ra các ATP.

PHIÊN MÃ

Phiên mã là quá trình trong đó các thông tin chứa trong DNA của một gen vi khuẩn được sử dụng để tổng hợp một phân tử RNA gọi là RNA thông tin (mRNA). Cũng giống như  các tế bào của người, phức hợp enzym RNA polymerase được vi khuẩn sử dụng để thực hiện điều này. RNA polymerase gắn vào DNA và sử dụng như khuôn mẫu để liên tục gắn thêm các acid ribonucleic vào một phân tử mRNA tương ứng. Quá trình này là khá hiệu quả; ở điều kiện lý tưởng, RNA polymerase vi khuẩn có thể tạo một mRNA với tốc độ 55 nucleotide mỗi giây.

Mặc dù cả hai phân tử thực hiện các chức năng tương tự, RNA polymerase vi khuẩn khá khác biệt với RNA polymerase của TB có nhân điển hình (như tế bào người). (các TB có nhân điển hình không giống như vi khuẩn, là những sinh vật có chứa các hạt nhân và các bào quan có màng riêng trong các tế bào. Ví dụ như tế bào ở các loài động vật, thực vật, nấm và động vật nguyên sinh.) Về mặt cấu trúc, RNA polymerase vi khuẩn bao gồm năm đơn vị nhỏ và có kích thước tổng thể khoảng 90 x 90 x 160 angstrom, trong khi RNA polymerase của nấm men có nhiều tiểu đơn vị hơn và có kích thước 140 x 136 x 110 angstrom. Khác biệt chức năng cũng tồn tại. Ví dụ, trong khi RNA polymerase vi khuẩn chính nó đủ để bắt đầu sao chép, RNA polymerase của TB có nhân điển hình đòi hỏi có tác động của các yếu tố phiên mã bổ sung. Tầm quan trọng của phiên mã đối với sức khỏe của vi khuẩn và sự khác biệt giữa RNA polymerase của vi khuẩn và RNA polymerase của TB có nhân điển hình làm cho phức hợp enzym này là một mục tiêu lý tưởng cho các hợp chất kháng khuẩn.

DỊCH MÃ

Cả ở TB có nhân điển hình và vi khuẩn, các cấu trúc đại phân tử là ribosome đều thực hiện công việc tổng hợp protein từ các thông tin chứa trong mRNA thông qua một quá trình gọi là dịch mã. Những phức hợp lớn này gồm cả ribosome RNA (rRNA) và các protein. Tuy nhiên ribosome của vi khuẩn có khác biệt đáng kể so với ribosome của TB có nhân điển hình. Ribosome 70S của vi khuẩn được tạo ra từ một tiểu đơn vị 50S và 30S (Hình. 2-2). (“S” là viết tắt của đơn vị Svedberg, đơn vị đo tốc độ lắng đo bằng một máy siêu li tâm Ultracentrifuge. Đơn vị Svedberg, do đó, phản ánh kích thước của một phức hợp chứ không phải đơn thuần là phép cộng). Những tiểu đơn vị này cũng có cấu trúc phức tạp. Ví dụ các tiểu đơn vị 50S tạo ra từ 2 phân tử rRNA và 34 protein, trong khi các tiểu đơn vị 30S bao gồm 1 phân tử rRNA và 21 protein. Ngược lại, các ribosome của TB có nhân điển hình 80S về kích thước và bao gồm một tiểu đơn vị 60S và một tiểu đơn vị 40S. Mỗi tiểu đơn vị lại gồm nhiều phân tử rRNA và protein.

Các ribosome hoàn chỉnh vận hành cùng với một loại RNA khác gọi là RNA vận chuyển (tRNA) để sản xuất protein mới. Ribosome gắn vào và đọc thông tin trên khuôn mẫu mRNA và kết hợp các acid amin phù hợp được các tRNA vận chuyển gắn  vào protein đang hình thành dựa trên các thông tin trong mẫu mRNA. Tầm quan trọng của dịch mã được thể hiện ở thực tế một nửa quá trình tổng hợp RNA ở một vi khuẩn phát triển nhanh chóng là tổng hợp rRNA và tRNA. Việc tổng hợp protein trong vi khuẩn đóng vai trò quan trọng để vi khuẩn phát triển và tính chất không giống nhau giữ ribosom của con người và vi khuẩn khiến cho ribosome của vi khuẩn là một mục tiêu hấp dẫn cho các kháng sinh tác động. Thật vậy, nhiều nhóm các tác nhân kháng khuẩn hoạt động theo cơ chế gắn vào và ức chế ribosome của vi khuẩn.

CÂU HỎI

1. ———————— vi khuẩn là sinh vật lớn lên trong trong môi trưởng thiếu oxy.

2. ———————— là một enzym phức tạp tạo ra mRNA từ một mẫu DNA.

3. Ribosome 70S của vi khuẩn gồm ———————— và ———————— các tiểu đơn vị chính là gồm ———————— và ————————