I. Nguyên lý cơ bản của phiên mã và dịch mã Gen cung cấp đầy đủ các thông tin di truyền để tế bào tổng hợp nên các protein đặc thù. Tuy vậy, gen không trực tiếp tạo ra protein. Cầu nối giữa DNA và sự tổng hợp protein là acid nucleic RNA (có cấu trúc giống DNA, ngoài trừ nó chứa đường ribose thay cho đường deoxyribose, và mang base nitrogen loại uracil thay cho loại thymine, tồn tại ở dạng mạch đơn). Sự truyển tải thông tin từ DNA đến protein cần qua hai giai đoạn chính: Phiên mã và dịch mã Phiên mã là thuật ngữ chung cho quá trình tổng hợp mọi RNA trên cơ sở mạch khuân là DNA. Do vậy, quá trình phiên mã là truyền đạt thông tin trên mạch mã gốc (phân tử DNA) sang phân tử ARN. Quá trình này diễn ra trong nhân, ở kì trung gian của tế bào đề chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình phân bào Dịch mã là quá trình tổng hợp chuỗi polipeptit dựa trên trình tự các nuclotit trên phân tử mRNA. Nhờ có quá trình dịch mã mà các thông tin di truyền trong các phân tử axit nucleotit được biểu hiện thành các tính trạng biểu hiện ở bên ngoài kiểu hình. Quá trình phiên mã diễn ra trong tế bào chất tại các ribosome. Mã di truyền là trình tự sắp xếp các nucleotit trong gen (trong mạch khuôn) quy định trình tự sắp xếp các axit amin trong prôtêin.Mã di truyền gồm bộ 3 mã gốc trên ADN và bộ 3 mã sao trên mARN. Mã di truyền là mã bộ ba vì : Nếu mỗi nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được 4 loại axit amin. Nếu cứ 2 nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được 42 = 16 bộ ba thì mã hóa 16 loại axit amin. Nếu cứ 3 nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được 43 = 64 bộ ba mã hóa cho 20 loại axit amin. Bằng thức nghiệm các nhà khoa học đã xác định được chính xác cứ ba nucleotit đứng liền nhau thì mã hóa cho một axit amin và có 64 bộ ba. Trong 64 bộ ba thì có: 61 bộ ba mã hóa cho 20 axit amin. 3 bộ ba không mã hóa cho axit amin được gọi là bộ ba kết thúc . Trong quá trình dịch mã khi riboxom tiếp xúc với các bộ ba kết thúc thì các phần của riboxom tách nhau ra và quá trình dịch mã kết thúc. II. Quá trình Phiên mã 1. Các thành phần tham gia quá trình phiên mã Mạch mã gốc của gen mang thông tin tổng hợp phân tử RNA Nguyên liệu để tổng hợp mạch là các ribonucleotit tự do trong môi trường (U, A,G,X) RNA polymerase nhận biết điểm khởi đầu phiên mã trên mạch mã gốc, bám vào và liên kết với mạch mã gốc, tháo xoắn phân tử DNA và lắp ráp các nucleotide RNA dọc theo mạch DNA làm khuôn dựa trên nguyên tắc bổ sung 2. Tổng hợp RNA Gồm 03 giai đoạn: khởi đầu phiên mã, kéo dài chuỗi, kết thúc phiên mã 2.1. Khởi đầu phiên mã Vùng khởi đầu (promoter) của một gen bao gồm điểm bắt đầu phiên mã (tức là nucleotide ở đó sự tổng hợp RNA thực sự bắt đầu) và phần mở rộng thường nằm ngược dòng hàng chục nucleotide kể từ điểm bắt đầu phiên mã. Ngoài chức năng là vị trí liên kết của RNA polymerase và xác định điểm bắt đầu phiên mã, promoter còn có vai trò xã định mạch nào làm khuôn trong 2 mạch của DNA. Giai đoạn khởi đầu phiên mã Các protein có trong promoter có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự liên kết của RNA polymerase vào mạch khuôn DNA gọi là các yếu tố phiên mã. Toàn bộ phức hệ gồm các yếu tố phiên mã và RNA polymerase đã liên kết vào promoter được gọi là phức hệ khởi đầu phiên mã Phức hệ khởi đầu phiên mã 2.2. Kéo dài mạch RNA Khi RNA polymerase di chuyển dọc theo mạch DNA khuôn, tháo xoắn phân tử DNA một đoạn khoảng 1020 base DNA để các base RNA tiến hành bắt cặp. Enzyme này lần lượt bổ sung các nucleotide vào phía đầu 3’ của phân tử RNA và tách ra khỏi mạch khuôn, đồng thời phân tử DNA xoắn kép trở lại. Quá trình phiên mã diễn ra với tốc độ khoảng 40 nucleotides Giai đoạn kéo dài mạch mRNA Sự phiên mã của các gen đơn lẻ có thể xảy ra đồng thời dưới sự tác động của các enzyme polymerase khác nhau. Do vậy, tế bào có thể tổng hợp được một lượng lớn protein mà gen mã hóa cho cơ thể.
Trang 1I Nguyên lý cơ bản của phiên mã và dịch mã
Gen cung cấp đầy đủ các thông tin di truyền để tế bào tổng hợp nên các protein đặc thù Tuy vậy, gen không trực tiếp tạo ra protein Cầu nối giữa DNA và
sự tổng hợp protein là acid nucleic RNA (có cấu trúc giống DNA, ngoài trừ nó chứa đường ribose thay cho đường deoxyribose, và mang base nitrogen loại uracil thay cho loại thymine, tồn tại ở dạng mạch đơn) Sự truyển tải thông tin từ DNA đến protein cần qua hai giai đoạn chính: Phiên mã và dịch mã
Phiên mã là thuật ngữ chung cho quá trình tổng hợp mọi RNA trên cơ sở mạch khuân là DNA Do vậy, quá trình phiên mã là truyền đạt thông tin trên mạch
mã gốc (phân tử DNA) sang phân tử ARN Quá trình này diễn ra trong nhân, ở kì trung gian của tế bào đề chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình phân bào
Dịch mã là quá trình tổng hợp chuỗi polipeptit dựa trên trình tự các nuclotit trên phân tử mRNA Nhờ có quá trình dịch mã mà các thông tin di truyền trong các phân tử axit nucleotit được biểu hiện thành các tính trạng biểu hiện ở bên ngoài kiểu hình Quá trình phiên mã diễn ra trong tế bào chất tại các ribosome
Trang 2Mã di truyền là trình tự sắp xếp các nucleotit trong gen (trong mạch khuôn) quy định trình tự sắp xếp các axit amin trong prôtêin.Mã di truyền gồm bộ 3 mã gốc trên ADN và bộ 3 mã sao trên mARN
* Mã di truyền là mã bộ ba vì :
- Nếu mỗi nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được 4 loại axit amin
- Nếu cứ 2 nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được
42 = 16 bộ ba thì mã hóa 16 loại axit amin
- Nếu cứ 3 nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được
43 = 64 bộ ba mã hóa cho 20 loại axit amin
Bằng thức nghiệm các nhà khoa học đã xác định được chính xác cứ ba nucleotit đứng liền nhau thì mã hóa cho một axit amin và có 64 bộ ba
Trang 3*Trong 64 bộ ba thì có:
- 61 bộ ba mã hóa cho 20 axit amin
- 3 bộ ba không mã hóa cho axit amin được gọi là bộ ba kết thúc
Trong quá trình dịch mã khi riboxom tiếp xúc với các bộ ba kết thúc thì các phần của riboxom tách nhau ra và quá trình dịch mã kết thúc
II Quá trình Phiên mã
1 Các thành phần tham gia quá trình phiên mã
- Mạch mã gốc của gen mang thông tin tổng hợp phân tử RNA
- Nguyên liệu để tổng hợp mạch là các ribonucleotit tự do trong môi trường (U, A,G,X)
- RNA polymerase nhận biết điểm khởi đầu phiên mã trên mạch mã gốc, bám vào và liên kết với mạch mã gốc, tháo xoắn phân tử DNA và lắp ráp các nucleotide RNA dọc theo mạch DNA làm khuôn dựa trên nguyên tắc bổ sung
2 Tổng hợp RNA
Trang 4Gồm 03 giai đoạn: khởi đầu phiên mã, kéo dài chuỗi, kết thúc phiên mã
2.1 Khởi đầu phiên mã
Vùng khởi đầu (promoter) của một gen bao gồm điểm bắt đầu phiên mã (tức
là nucleotide ở đó sự tổng hợp RNA thực sự bắt đầu) và phần mở rộng thường nằm ngược dòng hàng chục nucleotide kể từ điểm bắt đầu phiên mã Ngoài chức năng
là vị trí liên kết của RNA polymerase và xác định điểm bắt đầu phiên mã, promoter còn có vai trò xã định mạch nào làm khuôn trong 2 mạch của DNA
Giai đoạn khởi đầu phiên mã Các protein có trong promoter có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự liên
kết của RNA polymerase vào mạch khuôn DNA gọi là các yếu tố phiên mã Toàn
bộ phức hệ gồm các yếu tố phiên mã và RNA polymerase đã liên kết vào promoter được gọi là phức hệ khởi đầu phiên mã
Phức hệ khởi đầu phiên mã
Trang 52.2 Kéo dài mạch RNA
Khi RNA polymerase di chuyển dọc theo mạch DNA khuôn, tháo xoắn phân
tử DNA một đoạn khoảng 10-20 base DNA để các base RNA tiến hành bắt cặp Enzyme này lần lượt bổ sung các nucleotide vào phía đầu 3’ của phân tử RNA và tách ra khỏi mạch khuôn, đồng thời phân tử DNA xoắn kép trở lại Quá trình phiên
mã diễn ra với tốc độ khoảng 40 nucleotide/s
Giai đoạn kéo dài mạch mRNA
Sự phiên mã của các gen đơn lẻ có thể xảy ra đồng thời dưới sự tác động của các enzyme polymerase khác nhau Do vậy, tế bào có thể tổng hợp được một lượng lớn protein mà gen mã hóa cho cơ thể
2.3 Kết thúc phiên mã
RNA polymeraseII phiên mã một trình tự trên DNA gọi là trình tự gắn đuôi polyA; trình tự này thường mã hóa cho một tín hiệu gắn đuôi polyA (là AAUAAA) trên phân tử tiền m-RNA Sau đó, tại một điểm cách tín hiệu
“AAUAAA” khoảng 10-35 nucoletide, các protein đang liên kết với mạch RNA kéo dài sẽ cắt rời phân tử này khỏi RNA polymerase, đồng thời giải phóng phân tử tiền m-RNA Tuy nhiên, emzyme polymerase vẫn tiếp tục phiên mã trên DNA khoảng vài trăm nucoletid nữa kể từ khi tiền m-RNA được giải phóng Các enzyme trong nhân tế bào có thể biến đổi phân tử tiền m-RNA để trở thành phân tử m-RNA hoàn thiện sẵn sàng cho quá trình dịch mã Trong quá trình hoàn thiện mRNA, cả hai đầu của phân tử đầu được biến đổi và một số phần bên trong mRNA cũng được cắt bỏ, cụ thể như sau:
* Sự biến đổi ở các đầu mRNA
Mỗi đầu của phân tử tiền m-RNA được biến đổi theo một cách đặc trưng:
Trang 6- Đầu 5’: tiếp nhận mũ đầu 5’ (là một dạng biến đổi của nucleotide guanine (G)) vào đầu 5’ của mRNA đang kéo dài (khi phân tử mRNA tổng hợp được 20-40 nucleotide đầu tiên)
- Đầu 3’: biến đổi trước khi rời khỏi nhân tế bào, và được gắn một đuôi polyA (50-250 nucleotide lại adenine (A) liên tiếp nhau)
Như vậy, mũ đầu 5’ và đuôi polyA của phân tử mRNA có chung một số chức năng quan trọng: thứ nhất, chúng tạo điều kiện thuận lợi cho sự vận chuyển phân
tử mRNA hoàn thiện ra khỏi nhân tế bào Thứ hai, chúng bảo vệ phân tử mRNA khỏi sự phân hủy do họa đọng của các enzyme thủy phân trong nhân tế bào Thứ
ba, chúng giúp ribosome đính kết vào đầu 5’ của phân tử mRNA khi phân tử này đi vào tế bào chất
Quá trình gắn mũ 5’ và đuôi polyA Trên sơ đồ này đồng thời cho thấy các vùng không được dịch mã (UTR) có
cả ở hai đầu 5’ và 3’ của tử mRNA, nhưng chúng đóng một chức năng khác trong dịch mã, ví dụ như một vị trí liên kết của ribosome
* Gen phân mảnh và sự cắt nôi RNA
Một giai đoạn đáng chú ý trong quá trình hoàn thiện phân tử mRNA là việc loại bỏ đi phần lớn các đoạn bên trong phân tử tiền m-RNA, được gọi là quá trình cắt nối RNA
Chiều dài trung bình một đơn vị phiên mã dọc theo phân tử DNA của người
là 27.000 cặp base (bp); vì vậy phân tử mRNA tiền thân cũng có chiều dài tương ứng Tuy nhiên, để mã hóa phân tử protein có trung bình khoảng 400 aminoacid, chỉ cần một phân tử mRNA có kích thước khoảng 1.200 nucleotide Do vậy, phần lớn trên phân tử tiền mRNA chứa các đoạn nucleotide không được dịch mã (gọi là các intron) và thường được nằm xen kẽ với các đoạn được dịch mã (gọi là các exon) Quá trình cắt các intron và nối các exon với nhau gọi là sự cắt nối RNA để tạo ra phân tử mRNA hoàn thiện, sẵn sàng cho quá trình dịch mã
Trang 7Quá trình cắt intron và gắn exon
III Quá trình dịch mã
1 Các thành phần tham gia quá trình dịch mã
- Mạch khuôn mRNA mang thông tin mã hóa aa
- Nguyên liệu gồm 20 loại aa tham gia vào quá trình trổng hợp chuỗi
polipeptit
- t ARN và riboxom hoàn chỉnh ( tiểu phần bé , tiểu phấn lớn liên kết với nhau)
- Các loại enzyme hình thành liên kết gắn aa với nhau và aa với tARN
* Cấu trúc và chức năng của RNA vận chuyển (tRNA)
Giống với mRNA, các loại tRNA khác nhau được phiên mã từ DNA trong nhân tế bào và được vận chuyển ra tế bào chất, dùng cho quá trình dịch mã Mỗi phân tử tRNA được dùng nhiều lần, mỗi lần tRNA nhận 1 amino acid đặc thù ở bào tương của tế bào chất, rồi vận chuyển đến ribosome để ráp vào chuỗi polypeotide đang kéo dài, sau đó tách khỏi ribosome và vận chuyển các amino acid tiếp theo
Phân tử tRNA có cấu trúc dạng mạch đơn có chiều dài khoảng 80
nucleotide, có thể tự gập xoắn để tạo lên phân tử có cấu trúc hình không gian ba chiều ổn định Các vùng liên kết hydrogen gồm 4 cặp base và 3 vòng có cấu trúc thòng lọng, vị trị gắn amino acid có trình tự ACC ở đầu 3’ là đặc điểm chung của tất cả các loại tRNA Mỗi loại tRNA có bộ ba đối mã đặc trưng và một số trình tự đặc thù ở 2 thòng lọng còn lại
Cấu trúc hai chiều trên mặt phẳng của tRNA
Trang 8Cấu trúc không gian ba chiều của tRNA Quá trình dịch mã chính xác từ mRNA đến protein được quyết định bởi 2 quá trình dựa trên cơ chế nhận biết phân tử Thứ nhất, phân tử tRNA bắt cặp chính xác với amino acid, quá trình này được quyết định bởi một họ enzyme có tên là aminoacyl-tRNA synthetase Mỗi loại aminoacyl tRNA synthetase chỉ xúc tác một loại amino acid, do vậy sẽ có 20 loại synthetase khác nhau Thứ hai, kết hợp chính xác giữa anticodon tRNA và một codon mRNA Quá trình ghép nối linh hoạt ở bộ
ba đối mã với codon được gọi là dao động và cho phép một số tRNA liên kết với nhiều hơn một codon Do vậy, trên thực tế chỉ có khoảng 45 loại tRNA
* Cấu trúc và chức năng các Ribosome (rRNA)
Ribosome là một bộ máy phân tử lớn và phức tạp, có mặt trong tất cả các tế bào sống, nơi xảy ra quá trình sinh tổng hợp protein Ribosome liên kết các axit amin với nhau theo trật tự được quy định bởi phân tử RNA thông tin (mRNA) Ribosome bao gồm hai tiểu đơn vị chính - tiểu đơn vị ribosome nhỏ đọc mRNA, trong khi tiểu đơn vị lớn liên kết các axit amin để tạo thành một chuỗi polypeptide Mỗi tiểu đơn vị gồm một hoặc nhiều phân tử RNA ribosome (rRNA) và nhiều phân tử protein
Trang 9Cấu trúc phân tử rRNA
2 Quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide
Gồm 03 giai đoạn: Lắp ráp ribosome và khởi đầu dịch mã; kéo dài chuỗi polypeptide; kết thúc dịch mã
2.1 Lắp ráp ribosome và khởi đầu dịch mã
Giai đoạn khởi đầu của dịch mã liên quan đến việc huy động các thành phần của phức hệ dịch mã, gồm: mRNA, một tRNA vận chuyển aa đầu tiên của chuỗi polypeptide và hai tiểu phần của rRNA
Tiểu phần nhỏ ribosome liên kết tRNA để khởi đầu dịch mã, sau đó phức hệ này liên kết vào mũ 5’ của mRNA và trượt dọc phân tử mRNA khi gặp bộ ba mã hóa thì bắt đầu dịch mã ở vị trí P, còn vị trí A sẵn sàng cho tiếp nhận tRNA mang amino acid tiếp theo
Trang 10Sự khởi đầu dịch mã
2.2 Kéo dài chuỗi polypeptide
Gồm 03 bước
- Bước 01: Nhận biết codon: Bộ 3 đối mã (anticodon) trên phân tử aminocyl-tRNA bắt cặp bổ sung với bộ ba mã hóa (codon) trên phân tử mRNA tại vị trí A Sự thủy phân GTP làm tăng hiệu quả và chính xác ở bước này
- Bước 02: Chuyển vị: Ribosome di chuyển tRNA từ vị trí A sang vị trí P, đồng thời tRNA không mang amino acid ở vị trí P được chuyển sang vị trí E, rồi giải phóng
ra ngoài Sự di chuyển của mRNA cùng với các tRNA liên kết với nó đưa codon tiếp vào vị trí dịch mã A
- Bước 3: Hình thành liên kết peptide Một phân tử rRNA thuộc tiểu phần lớn của ribosome xúc tác cho sự hình thành liên kết peptide giữa amino acid mới ở vị trí A với đầu cacboxyl của chuỗi polypeptide đang kéo dài ở vị trí P