Giải Nobel Hóa học 2009

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm

Bộ máy tổng hợp protein trong tế bào có thể được ví như cỗ máy thi công của những công trình và là một trong những đối tượng được giới khoa học quan tâm nhất hiện nay. Một trong những bộ phận quan trọng của cỗ máy thi công đó chính là ribosome (ribôxôm) - đối tượng nghiên cứu của 3 nhà khoa học giành giải Nobel hóa học 2009.

Sơ lược về ribosome

Ribosome có gốc từ tiếng Hy Lạp "soma" ("thể"), là một cơ quan nằm trong tế bào chất. Ribosome vi khuẩn, sinh vật đơn bào và sinh vật đa bào có sự khác nhau về cấu trúc nhưng đều có chức năng dịch thông tin di truyền được "mã hóa" bởi các phân tử DNA sang các phân tử protein (các đơn vị cấu tạo và thực hiện nhiều chức năng khác nhau của cơ thể sinh vật).

Vào những năm 50, ribosome được mô tả dưới kính hiển vi điện tử bởi George Palade và được Richard B. Roberts gọi tên lần đầu vào năm 1958. Các ribosome có đường kính khoảng 20 nano mét, cấu tạo từ RNA (chiếm 65%) và protein (35%). Ribosome có mặt trong tế bào ở hai trạng thái: các ribosome tự do và các ribosome gắn với lưới nội nguyên sinh.

Ribosome bao gồm hai đơn vị cấu tạo (hay hai tiểu phần) hoàn toàn thích hợp về cấu trúc và hoạt động. Hai đơn vị cấu tạo này hoạt động thống nhất để thực hiện quá trình dịch mã từ DNA sang chuỗi polypeptide gồm các axít amin trong quá trình tổng hợp protein. Các đơn vị cấu trúc ở vi khuẩn gồm 1 hoặc 2 phân tử RNA trong khi ribosome của các tế bào nhân thực chứa 1 hoặc 3 phân tử RNA cùng nhiều phân tử protein kích thước nhỏ.

Vị trí và thời điểm tham gia "thi công" của ribosome được tóm tắt như sau:

1. Thông tin di truyền được mã hóa bới các DNA. Đây có thể được coi như bản thiết kế công trình.
2. Thông tin này được "sao chép" thông qua quá trình sao mã và chuyển sang RNA thông tin (Messenger RNA: mRNA).
3. Trong tế bào có các RNA vận chuyển các axít amin (được gọi là RNA vận chuyển: Transfer RNA; tRNA) cung cấp cho quá trình tổng hợp protein. Có thể ví tRNA như các phương tiện vận chuyển nguyên vật liệu cho công trình. RNA vận chuyển liên kết với axít amin qua liên kết ester. RNA vận chuyển còn mang các bộ "đối mã" để nhận diện các bộ mã ghi trên RNA thông tin.
4. Ribosome gắn với RNA vận chuyển nhờ một protein có tên là yếu tố khởi xướng dịch mã (initiation factor).
5. tRNA dịch chuyển bên trong ribosome. Bộ mã (ghi trên RNA thông tin) và đối mã (ghi trên RNA vận chuyển) được nhận biết trong suốt quá trình dịch chuyển này. Nếu bộ mã - đối mã nhận ra nhau, axit amin được tách khỏi RNA vận chuyển để gắn với chuỗi polypeptide đang được nối dài.
Quá trình dịch mã tổng hợp chuỗi polypeptide: RNA thông tin (mRNA) mang thông tin di truyền dưới dạng các bộ ba nucleotide. Các RNA vận chuyển (tRNA) một đấu gắn với các axit amin (amino acid) và một đầu mang bộ ba đối mã. Nếu bộ ba mã hóa trên mRNA tương thích với bộ ba đối mã trên tRNA, axit amin được tách ra và nối vào chuỗi polypeptide của protein đang được tổng hợp (new born protein). Quá trình này diễn ra tại ribosome được tạo thành từ hai đơn vị cấu tạo khác nhau về kích thước (large subunit và small subunit)

Như vậy ribosome được coi như nơi gặp gỡ của "các bộ phận thi công" bao gồm đơn vị thiết kế (RNA thông tin) mang bản vẽ đến đối chiếu, bộ phận vận chuyển nguyên liệu (RNA vận chuyển). Ribosome cũng là "phòng đối mã" giữa hai bộ phận này để quyết định việc đưa các "đơn nguyên" là các axit amin có được đưa vào công trình (chuỗi polypeptide: cấu trúc khởi đầu của các protein).

Vai trò của ribosome đối với sự sống

Như vậy thông tin di truyền sẽ chỉ tồn tại dưới dạng bản mã chứ không thể chuyển sang những "công trình của sự sống" được dựng và vận hành bởi các protein. Bộ máy dịch mã trong đó có sự đóng góp quan trọng của ribosome thực hiện bước chuyển đổi tuyệt vời này. Sản phẩm của quá trình vận hành bộ máy là hàng ngàn dạng protein khác nhau xác định hình thái và xúc tiến hàng loạt hoạt động diễn ra trong cơ thể sống ở mức độ hóa học.

Ứng dụng trị bệnh do vi khuẩn

Tím hiểu chức năng của ribosome có vai trò quan trọng trong nghiên cứu thuốc kháng khuẩn. Một loại thuốc có khả năng ức chế hoạt động của ribosome vi khuẩn gây bệnh sẽ ức chế được vi khuẩn đó. Đây là một hướng quan trọng trọng nghiên cứu sản xuất kháng sinh.

Cấu trúc 3D của ribosome

Một mô hình 3D của ribosome vi khuẩn

Venkatraman Ramakrishnan (Phòng nghiên cứu sinh học phân tử tại Cambridge Anh), Thomas A. Steitz (ĐH Yale Hoa Kỳ) và Ada E. Yonath (Viện khoa học Weizmann Israel) đã thành công trong nghiên cứu xác định vị trí của hàng trăm ngàn nguyên tử trong cấu trúc tinh thể dạng 3D của ribosome. Mô hình được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu thuốc kháng sinh trị bệnh nhiều loại bệnh do vi khuẩn thông qua tác động đến ribosome của vi khuẩn, kìm hãm hay ức chế sự phát triển của chúng.

Với việc sử dụng tia sáng có bước sóng ngắn như tia X, tinh thể học đã chuyển từ nghiên cứu hình học tinh thể sang nghiên cứu sự sắp xếp của các nguyên tử trong tinh thể. Khi được chiếu vào các electron của vât thể cần nghiên cứu tia X sẽ bị các electron phân tán. Phản hồi tia X từ vật thể tạo ra ảnh nhiễu xạ gồm tập hợp của các điểm xạ. Từ mỗi góc chiếu sẽ thu được mẫu nhiễu xạ (được coi như một hình ảnh 2D) về phân bố các electron của mẫu. Các electron trong nguyên tử xác định phương thức tương tác giữa các nguyên tử nên nhiễu xạ tia X có khả năng giúp tìm hiểu sâu cấu trúc và hoạt động ở mức nguyên tử. Khi xoay vật thể được chiều theo những góc xác định sẽ thu được tập hợp các hình ảnh 2D. Dựa vào tập hợp 2D này các nhà nghiên cứu xây dựng mô hình 3D về vị trí các nguyên tử, mật độ electron trong mẫu nghiên cứu.

Với phương pháp này, mô hình cấu trúc 3D của ribosome và tương tác giữa kháng sinh với ribosome vi khuẩn đã được nghiên cứu mang lại ứng dụng trong điều chế kháng sinh và điều trị nhiều bệnh do vi khuẩn.

Liên kết ngoài