1. Gene và hệ gene
- Gene là một đoạn DNA mang thông tin mã hoá cho một sản phẩm nhất định là chuỗi polypeptide hoặc phân tử RNA. Ở một số virus, vật chất di truyền là RNA nên gene là đoạn RNA.
- Hệ gene (genome) là toàn bộ thông tin di truyền (toàn bộ trình tự nucleotide) có trong tế bào của một loài sinh vật, gồm các gene và các trình tự DNA không mã hoá.
Một gene mã hoá protein điển hình gồm ba vùng:
- Vùng điều hoà (đầu của mạch khuôn): chứa promoter là nơi RNA polymerase nhận biết, liên kết để khởi động phiên mã.
- Vùng mã hoá: mang thông tin mã hoá amino acid (hoặc mã hoá RNA).
- Vùng kết thúc (đầu của mạch khuôn): mang tín hiệu kết thúc phiên mã.
| Tiêu chí | Nhân sơ | Nhân thực |
| Vùng điều hoà | Promoter; trong operon còn có vùng vận hành (operator) | Promoter và các trình tự điều hoà khác |
| Vùng mã hóa | Thường liên tục, không có intron | Có exon và intron đan xen, gọi là gene đứt đoạn |
| Sản phẩm phiên mã | mRNA dùng được ngay để dịch mã | mRNA sơ khai phải được cắt bỏ intron, nối exon để tạo mRNA trưởng thành |
| Dạng | Đặc điểm |
| Gene điều hoà | Mã hoá sản phẩm (protein, RNA) điều hoà hoạt động của gene khác |
| Gene cấu trúc | Mã hoá protein tham gia cấu trúc hoặc chức năng (enzyme…) của tế bào |
| Gene mã hoá RNA | Sản phẩm là RNA không dịch mã, ví dụ rRNA, tRNA |
2. Quá trình truyền đạt thông tin di truyền
Thông tin di truyền được truyền qua ba quá trình chính:
- Codon: trình tự ba nucleotide liên tiếp trên mRNA, đọc theo chiều từ đầu 5' đến đầu 3', quy định một amino acid hoặc tín hiệu kết thúc.
- Triplet (bộ ba trên gene): trình tự ba nucleotide trên mạch khuôn của gene, quy định codon tương ứng trên mRNA.
- Anticodon: trình tự ba nucleotide trên tRNA, bổ sung với codon trên mRNA.
- AUG là codon khởi đầu và mã hóa methionine; UAA, UAG, UGA là codon kết thúc, không mã hóa amino acid.
- Mã di truyền là mã bộ ba; gồm 64 codon, trong đó 61 codon mã hoá 20 loại amino acid và 3 codon kết thúc.
- Được đọc từ một điểm xác định theo chiều trên mRNA, liên tục từng bộ ba, không gối lên nhau.
- Tính phổ biến: hầu hết các loài sinh vật dùng chung một bộ mã di truyền (có vài ngoại lệ).
- Tính đặc hiệu: mỗi codon chỉ mã hoá một loại amino acid.
- Tính thoái hoá: một amino acid có thể do nhiều codon khác nhau cùng mã hoá (trừ methionine và tryptophan chỉ có một codon).
2.1 Tái bản DNA
- 1.Enzyme làm tách hai mạch DNA.
- 2.Mỗi mạch cũ làm khuôn để tổng hợp mạch mới bổ sung.
- 3.Enzyme nối các đoạn nucleotide mới.
- 4.Kết quả thu được hai phân tử DNA giống nhau; mỗi phân tử gồm một mạch cũ và một mạch mới, gọi là tái bản bán bảo toàn.
2.2 Phiên mã
- 1.RNA polymerase nhận biết và liên kết với promoter, làm DNA tháo xoắn và tách hai mạch.
- 2.RNA polymerase di chuyển trên mạch khuôn theo chiều .
- 3.Phân tử RNA được tổng hợp theo nguyên tắc bổ sung, kéo dài theo chiều .
- 4.Khi gặp tín hiệu kết thúc, phiên mã dừng lại và RNA được giải phóng.
- 5.Ở sinh vật nhân thực, mRNA sơ khai được cắt bỏ intron, nối các exon thành mRNA trưởng thành.
- Tái bản DNA: , , , .
- Phiên mã (mạch khuôn RNA): , , , .
- Anticodon của tRNA bổ sung với codon trên mRNA.
2.3 Dịch mã
- 1.Hoạt hoá amino acid: mỗi amino acid được gắn vào tRNA tương ứng nhờ enzyme và năng lượng ATP.
- 2.Khởi đầu: tiểu phần nhỏ của ribosome gắn vào mRNA, di chuyển đến codon mở đầu AUG; tRNA mang methionine (ở nhân sơ là formylmethionine) khớp anticodon với AUG; tiểu phần lớn gắn vào tạo ribosome hoàn chỉnh.
- 3.Kéo dài: ribosome di chuyển dọc theo mRNA, mỗi lần đọc một codon; tRNA mang amino acid có anticodon bổ sung; các amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide tạo thành chuỗi polypeptide.
- 4.Kết thúc: khi ribosome gặp codon kết thúc UAA, UAG hoặc UGA, không có tRNA mang amino acid tương ứng; ribosome tách khỏi mRNA, chuỗi polypeptide được giải phóng. Amino acid mở đầu thường được cắt bỏ để tạo protein hoàn chỉnh.
| Quá trình | Mẫu | Sản phẩm | Địa điểm ở nhân thực |
| Tái bản DNA | Hai mạch DNA | Hai phân tử DNA | Nhân |
| Phiên mã | Mạch khuôn của gene | RNA: mRNA, tRNA, rRNA | Nhân |
| Dịch mã | mRNA | Chuỗi polypeptide/protein | Ribosome trong tế bào chất |
Trên mỗi mRNA thường có nhiều ribosome cùng dịch mã (polyribosome), giúp tăng hiệu suất tổng hợp protein. Ở sinh vật nhân sơ, phiên mã và dịch mã có thể diễn ra gần như đồng thời trong tế bào chất. Ở một số virus (như HIV), enzyme phiên mã ngược tổng hợp DNA từ khuôn RNA nên thông tin di truyền có thể đi theo hướng RNA DNA.
- Dự án hệ gene người (HGP) đã giải trình tự gần như toàn bộ hệ gene người (công bố hoàn thành năm 2003); phần lớn hệ gene người là trình tự không mã hoá protein.
- Ứng dụng: chẩn đoán, phòng và điều trị bệnh di truyền; xác định danh tính, quan hệ huyết thống (pháp y); nghiên cứu nguồn gốc, quan hệ tiến hoá giữa các loài; chọn tạo giống.
3. Ví dụ minh hoạ và bài tập
Một gene ở vi khuẩn có đoạn mã hóa gồm 1500 nucleotide trên mạch mã hóa, trong đó đã có một bộ ba kết thúc. Tính số amino acid của chuỗi polypeptide được tổng hợp từ gene này và số liên kết peptide trong chuỗi đó.
Lời giải · 3 bước
Số codon của đoạn mã hóa:
Bước 2
Trong 500 codon có 1 codon kết thúc không mã hóa amino acid, nên số amino acid là:
Bước 3
Số liên kết peptide trong một chuỗi polypeptide có amino acid là , do đó số liên kết peptide là:
Một gene ở sinh vật nhân thực phiên mã ra mRNA sơ khai dài 4800 nucleotide. Sau khi cắt intron, đoạn mã hóa của mRNA trưởng thành dài 1200 nucleotide, đã bao gồm một bộ ba kết thúc. Tính số amino acid của chuỗi polypeptide được tổng hợp.
Lời giải · 2 bước
Chỉ tính trên đoạn mã hóa của mRNA trưởng thành:
Bước 2
Vì có một codon kết thúc nên số amino acid là:
Cho đoạn mRNA: . Xác định số amino acid của chuỗi polypeptide được dịch mã từ đoạn này.
Lời giải
Đoạn mRNA được đọc thành ba codon: AUG, GCA, UAA. AUG là codon khởi đầu, mã hóa methionine; GCA mã hóa alanine; UAA là codon kết thúc. Vậy chuỗi polypeptide gồm 2 amino acid: methionine và alanine.
Nếu đề bài cho số nucleotide của cả hai mạch DNA thì phải lấy một nửa trước khi tính số codon. Ví dụ, cả hai mạch gene có 3000 nucleotide thì mỗi mạch có 1500 nucleotide, tương ứng 500 codon.
Một đoạn mã hóa trên mRNA có 999 nucleotide, đã bao gồm một bộ ba kết thúc. Chuỗi polypeptide được tổng hợp có bao nhiêu amino acid? Vì sao không phải 333 amino acid?
Gợi ý trả lời
Ta có codon. Trong đó có một codon kết thúc, nên số codon mã hoá amino acid chỉ là , tức chuỗi polypeptide có 332 amino acid.
Phân biệt promoter và exon trong cấu trúc gene.
Gợi ý trả lời
Promoter thuộc vùng điều hoà, là nơi RNA polymerase nhận biết và liên kết để bắt đầu phiên mã. Exon là đoạn nằm trong vùng mã hóa, được giữ lại trong mRNA trưởng thành sau khi cắt bỏ intron.