Sinh tổng hợp

Protein cấu tạo từ những axit amino lắp ghép lại sử dụng thông tin được mã hóa trong gen. Mỗi protein có trình tự axit amino duy nhất xác định bởi trình tự các nucleotide trong gen mã hóa cho protein này. Mã di truyền là một tập hợp chứa các tập hợp con của các bộ ba-nucleotide gọi là bộ ba mã hóa (codon) và mỗi tổ hợp ba-nucleotide tương ứng cho một axit amino, ví dụ AUG (adenine-uracil-guanine) mã hóa cho methionine. Bởi vì DNA chứa bốn nucleotide, tổng số codon khả dĩ là 64; tuy nhiên chỉ có 20 axit amin do đó một số axit amino được mã hóa bởi nhiều hơn một codon.[9] Gen mã hóa trong DNA trước tiên được phiên mã thành tiền chất mRNA (pre-mRNA) bởi các protein như RNA polymerase. Hầu hết các sinh vật sau đó xử lý pre-mRNA (hay sản phẩm phiên mã sơ cấp - primary transcript) sử dụng nhiều dạng của sửa đổi sau phiên mã (post-transcriptional modification) để tạo nên mRNA hoàn chỉnh (mature mRNA), tạo thành khuôn mẫu cho sinh tổng hợp protein bằng ribosome. Trong sinh vật nhân sơ mRNA hoặc là được sử dụng ngay sau khi nó hình thành, hoặc nó gắn với một ribosome sau khi rời khỏi nucleoid. Ngược lại, ở sinh vật nhân thực chúng sản sinh mRNA trong nhân tế bào rồi sau đó chuyển dịch qua màng nhân sang bào tương, nơi quá trình sinh tổng hợp protein diễn ra. Tốc độ tổng hợp protein ở sinh vật nhân sơ nhanh hơn so với sinh vật nhân thực và có thể đạt tới 20 axit amino trong một giây.[10]

Giai đoạn tổng hợp protein từ khuôn mRNA gọi là dịch mã. mRNA được kéo vào ribosome và ribosome một lần đọc ba nucleotide bằng cách khớp theo nguyên tắc bổ sung mỗi bộ ba mã hóa (codon) với một bộ ba đối mã (anticodon) nằm trên phân tử RNA vận chuyển, nó mang theo axit amin tương ứng với codon mà nó nhận ra. Trước đó, enzyme aminoacyl tRNA synthetase "nạp" một axit amino đúng vào phân tử tRNA. Chuỗi polypeptide đang hình thành thường được gọi là chuỗi mới sinh (nascent chain). Protein luôn luôn sinh tổng hợp theo chiều từ đầu N (N-terminus, đầu có nhóm NH2) đến đầu C (C-terminus, đầu có nhóm COOH).[9]

Kích thước của một protein sinh tổng hợp có thể đo bằng số lượng axit amino chứa trong nó hoặc bằng tổng khối lượng phân tử, mà thông thường tính bằng đơn vị dalton (đồng nghĩa với đơn vị khối lượng nguyên tử), hoặc đơn vị dẫn xuất kilodalton (kDa). Protein sinh tổng hợp từ nấm men trung bình dài 466 axit amino và có khối lượng 53 kDa.[5] Protein lớn nhất từng được biết đến là titin, một thành phần của đơn vị cơ bản sợi cơ vân (muscle sarcomere), với khối lượng phân tử 3.000 kDa và chứa tới 27.000 axit amino.[11]

Hóa tổng hợp

Các protein ngắn có thể được tổng hợp hóa học bằng một số phương pháp gọi là tổng hợp peptide, mà dựa trên những kỹ thuật tổng hợp hữu cơ như kỹ thuật nối hóa học (chemical ligation) để tạo ra các peptide với chiều dài lớn.[12] Tổng hợp hóa học cho phép đưa những axit amino nhân tạo vào trong chuỗi polypeptide, như gắn các phân tử thăm dò huỳnh quang vào mạch bên của chuỗi axit amino.[13] Những phương pháp này hữu hiệu trong phòng thí nghiệm hóa sinh và sinh học tế bào, mặc dù nói chung không thương mại hóa được. Tổng hợp hóa học trở lên không hiệu quả đối với chuỗi polypeptide dài hơn khoảng 300 axit amino, và các protein được tổng hợp có thể không gập về dạng cấu trúc bậc bốn như mong đợi. Hầu hết các phương pháp tổng hợp hóa học bắt đầu từ đầu C đến đầu N, trái ngược so với các phản ứng sinh học.[14]