Cấu trúc tế bào và cơ chế di truyền phân tử

Dịch mã

Dịch mã là quá trình đọc trình tự côđon trên phân tử mARN để tổng hợp chuỗi pôlipeptit tại ribôxôm. Quá trình cần mARN làm khuôn, tARN mang axit amin, ribôxôm, enzim và ATP.

• Hoạt hóa axit amin — giai đoạn đầu của dịch mã, mỗi axit amin được gắn vào tARN tương ứng nhờ enzim đặc hiệu và năng lượng ATP.
• Côđon và anticôđon — côđon nằm trên mARN, còn anticôđon nằm trên tARN và bổ sung ngược chiều với côđon. Anticôđon của tARN là bộ ba đối mã, khớp bổ sung với côđon trên mARN. Ví dụ: mạch khuôn ADN có bộ ba 3'XAT5' cho côđon 5'GUA3' mã hóa valin, và tARN tương ứng có anticôđon 3'XAU5'.
• Côđon mở đầu — 5'AUG3' là tín hiệu mở đầu dịch mã. Ở sinh vật nhân thực, axit amin mở đầu là mêtiônin; ở sinh vật nhân sơ là foocmin-mêtiônin.
• Chiều trượt và polixôm — ribôxôm trượt trên mARN theo chiều 5'→3' và đọc từng côđon liên tiếp. Một mARN có thể có nhiều ribôxôm cùng dịch mã, tạo thành polixôm.
• Côđon kết thúc — các côđon UAA, UAG, UGA không mã hóa axit amin, khi gặp chúng quá trình dịch mã dừng. Đột biến thay thế một cặp nuclêôtit có thể biến côđon mã hóa thành côđon kết thúc, làm chuỗi pôlipeptit bị ngắn lại sau khi dịch mã dừng sớm.
• Từ mARN đến chuỗi pôlipeptit — quá trình chuyển trình tự mARN thành chuỗi pôlipeptit được gọi là dịch mã.
• Đột biến và axit amin — do mã di truyền có tính thoái hóa, không phải lúc nào thay một nuclêôtit cũng làm đổi axit amin; phải so sánh côđon mới với bảng mã để xác định.

Nhân đôi ADN

Nhân đôi ADN là quá trình tạo hai phân tử ADN giống hệt phân tử ban đầu, dựa trên khuôn là hai mạch đơn và nguyên tắc bổ sung.

• Enzim — ADN pôlimeraza xúc tác tổng hợp mạch mới theo chiều 5'→3', gắn nuclêôtit vào đầu 3' tự do của mạch đang kéo dài. Enzim tháo xoắn có nhiệm vụ tách hai mạch đơn của phân tử ADN.
• Nguyên tắc bổ sung — A của mạch khuôn liên kết với T của môi trường nội bào bằng hai liên kết hiđrô; G liên kết với X. Hai nuclêôtit cùng loại không bắt cặp với nhau.
• Chạc chữ Y — trên mạch khuôn 3'→5', mạch mới được tổng hợp liên tục cùng hướng tháo xoắn (mạch dẫn). Trên mạch khuôn 5'→3', mạch mới được tổng hợp gián đoạn thành các đoạn ngắn ngược hướng tháo xoắn, sau đó nối lại.
• Nguyên tắc bán bảo toàn — mỗi ADN con gồm một mạch cũ và một mạch mới. Thí nghiệm nuôi E. coli bằng 15N rồi chuyển sang 14N cho thấy: sau n thế hệ có 2^n phân tử ADN, trong đó luôn chỉ có 2 phân tử lai chứa một mạch 15N và một mạch 14N, còn lại 2^n − 2 phân tử chỉ chứa 14N.
• Pha S — trong chu kì tế bào, pha S của kì trung gian là lúc ADN của NST được nhân đôi, làm mỗi NST đơn chuyển thành NST kép gồm hai crômatit giống nhau.

Opêron Lac

Opêron Lac ở E. coli là một cụm gồm vùng khởi động (P), vùng vận hành (O) và ba gen cấu trúc Z, Y, A nằm liền nhau trên ADN. Ba gen cấu trúc này được phiên mã thành một phân tử mARN chung, nên số lần phiên mã của Z, Y, A luôn bằng nhau.

• Gen điều hòa — gen điều hòa R nằm ngoài opêron, có vùng khởi động riêng và vẫn được phiên mã ngay cả khi môi trường không có lactôzơ. Gen R mã hóa prôtêin ức chế.
• Prôtêin ức chế — prôtêin ức chế gắn vào vùng vận hành O, cản trở ARN pôlimeraza phiên mã các gen cấu trúc. Khi có lactôzơ, prôtêin ức chế bị bất hoạt và các gen Z, Y, A được phiên mã.
• Vùng khởi động — ARN pôlimeraza bám vào vùng khởi động P để khởi đầu phiên mã.
• Đột biến vùng khởi động — nếu vùng khởi động bị đột biến, ARN pôlimeraza không bám được, các gen Z, Y, A không được phiên mã dù môi trường có lactôzơ.

Cấu trúc gen

Gen là đoạn ADN gồm hai mạch đơn bổ sung. Theo nguyên tắc bổ sung, số nuclêôtit N của gen thỏa mãn A = T, G = X và N = 2(A + G); mỗi cặp nuclêôtit dài 3,4 Å nên chiều dài gen L = (N/2) × 3,4 Å, từ đó suy ra được N.

• Tính số nuclêôtit khi biết một loại — nếu biết số ađênin của gen thì số timin bằng số ađênin, còn số guanin bằng số xitôzin và bằng N/2 trừ đi số ađênin. Ví dụ: gen có N = 1000 và A = 300 thì G = X = 200.
• Quan hệ giữa hai mạch — A của mạch 1 bằng T của mạch 2, T của mạch 1 bằng A của mạch 2; G của mạch 1 bằng X của mạch 2, và ngược lại. Vì vậy tỉ lệ % của một loại nuclêôtit trên cả gen bằng trung bình cộng tỉ lệ của hai mạch.
• Mạch thiếu loại nuclêôtit — nếu một mạch không có loại nuclêôtit nào thì mạch bổ sung cũng không có loại tương ứng; ví dụ mạch không có G thì mạch kia không có X.

Mã di truyền

Mã di truyền là bảng quy ước giữa 64 bộ ba côđon và các axit amin, trong đó 61 bộ ba mã hóa axit amin và 3 bộ ba là côđon kết thúc.

• Tính thoái hóa — nhiều bộ ba khác nhau cùng xác định một loại axit amin. Riêng AUG (mêtiônin) và UGG (triptôphan) là bộ ba đơn nhất, không có bộ ba thứ hai mã hóa cho cùng axit amin đó.
• Tính đặc hiệu — mỗi bộ ba chỉ mã hóa một loại axit amin.
• Tính phổ biến — hầu hết các loài sinh vật dùng chung một bộ mã di truyền.
• Tính liên tục — các bộ ba được đọc liên tiếp từ điểm mở đầu, không có dấu ngăn cách giữa các bộ ba.
• Ví dụ — GAA và GAG đều mã hóa axit amin glutamic, minh họa cho tính thoái hóa.

Phiên mã

Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN từ mạch khuôn ADN theo nguyên tắc bổ sung, do ARN pôlimeraza xúc tác. Ở tế bào nhân thực, ADN đóng vai trò làm khuôn cho phiên mã.

• Sản phẩm — mARN, tARN và rARN đều là sản phẩm của phiên mã, không phải khuôn của phiên mã.
• Phân biệt — không nhầm lẫn phiên mã (ADN → ARN) với dịch mã (mARN → chuỗi pôlipeptit).

Cấu trúc siêu hiển vi của nhiễm sắc thể

Ở sinh vật nhân thực, phân tử ADN quấn quanh khối prôtêin histon tạo nuclêôxôm; chuỗi nuclêôxôm xoắn lại tạo sợi cơ bản có đường kính 11 nm.

• Các mức xoắn tiếp theo — sợi cơ bản xoắn tạo sợi nhiễm sắc 30 nm, sợi nhiễm sắc tiếp tục siêu xoắn tạo sợi siêu xoắn 300 nm, và cuối cùng tạo crômatit 700 nm.
• Lưu ý — cần phân biệt đường kính của từng mức: sợi cơ bản 11 nm, sợi nhiễm sắc 30 nm, sợi siêu xoắn 300 nm, crômatit 700 nm.

Nguyên phân và số lượng nhiễm sắc thể

Trong nguyên phân, NST nhân đôi ở kì trung gian thành NST kép gồm hai crômatit giống nhau dính nhau ở tâm động. Ở kì giữa, các NST kép xếp thành một hàng trên mặt phẳng xích đạo, mỗi NST kép có hai crômatit.

• Số crômatit ở kì giữa — tế bào lưỡng bội (2n) ở kì giữa có 2n NST kép, tương ứng 4n crômatit. Ví dụ: tế bào có 2n = 6 có 12 crômatit ở kì giữa.
• Số crômatit của nhiều tế bào — số crômatit của một nhóm tế bào bằng số tế bào nhân với số crômatit của mỗi tế bào.

Dịch mã

Dịch mã là quá trình dùng trình tự codon trên mARN làm khuôn để lắp ráp chuỗi polipeptit tại ribosome. Ở sinh vật nhân sơ, ribosome gồm tiểu đơn vị bé và tiểu đơn vị lớn, và quá trình gồm ba giai đoạn là khởi đầu, kéo dài và kết thúc. Trình tự các sự kiện cần nhớ là: tiểu đơn vị bé gắn vào vùng khởi đầu trên mARN trước, tiểu đơn vị lớn kết hợp sau để tạo ribosome hoàn chỉnh, trong giai đoạn kéo dài tARN mang anticodon bổ sung với codon kế tiếp đi vào vị trí A, và chuỗi polipeptit chỉ được giải phóng khi ribosome gặp codon kết thúc.

Codon, mã di truyền và codon kết thúc

• Codon — bộ ba nucleotit liên tiếp trên mARN, đọc theo chiều 5'→3', mỗi codon mã hóa một amino acid. Trong 64 codon có 61 codon mã hóa amino acid và 3 codon kết thúc là UAA, UAG, UGA. Codon kết thúc không mã hóa amino acid nào mà chỉ báo hiệu ngừng dịch mã.
• Codon mở đầu AUG — mã hóa methionine (fMet ở vi khuẩn). Amino acid này vẫn là một phần của chuỗi polipeptit hoàn chỉnh nên được tính khi đếm số amino acid.
• Khi dịch mã bắt đầu từ codon mở đầu, Met luôn đứng đầu chuỗi.
• Một số nhóm codon cần nhớ: Met = AUG; Pro = CCN; Gly = GGN; Val = GUN; Ser = UCN, AGU, AGC; Leu = UUA, UUG, CUN; Lys = AAA, AAG; Phe = UUU, UUC; Tyr = UAU, UAC; Arg = CGN, AGA, AGG; Trp = UGG.

Đọc đúng chiều mạch khuôn

• mARN bổ sung và ngược chiều với mạch khuôn. Khi đề cho mạch gốc viết theo 3'→5', phải lấy bổ sung ngay từ đầu 3' của mạch đó (A→U, T→A, G→X, X→G), rồi viết mARN theo 5'→3' và mới đọc codon.
• Ví dụ: mạch gốc 3'-CGA TTC-5' cho mARN 5'-GCU AAG-3', nên chuỗi là Ala–Lys. Đọc thẳng mạch gốc từ 5' sang sẽ cho codon và amino acid sai.

Tính số codon, số nucleotit và số amino acid