SINH HỌC 12 · Hệ thống mã di truyền và dịch mã: từ bộ ba nucleotide đến chuỗi polypeptide
Đặc huấn hệ thống khái niệm Sinh học 12: mã bộ ba và bốn đặc điểm, tRNA và ribosome, các giai đoạn dịch mã, polysome, phép đếm amino acid, đột biến, kháng…
THPT AI LUKATO · SINH HỌC 12 · BÀI 03 · ĐẶC HUẤN HỆ THỐNG KHÁI NIỆM
Hệ thống mã di truyền và dịch mã: từ bộ ba nucleotide đến chuỗi polypeptide
Mã bộ ba và bốn đặc điểm, tRNA và ribosome, các giai đoạn dịch mã, polysome và chiều chuyển dịch, cách đếm amino acid, đột biến và độ dài chuỗi, kháng sinh và gene người trong vi khuẩn: một chuỗi khái niệm liền mạch, không điểm mù.
AUG Met
GCU Ala
UUC Phe
AAG Lys
CAU His
UGG Trp
UAA dừng
6 PHẦN KHÁI NIỆM 5 PHÒNG THÍ NGHIỆM TƯƠNG TÁC 3 HOẠT ẢNH 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ KIỂM TRA MỌI PHÉP ĐẾM ĐÃ KIỂM BẰNG MÁY
01 Bản đồ 02 Mã bộ ba 03 tRNA và ribosome 04 Quá trình dịch mã 05 Polysome 06 Đếm và đột biến 07 Ứng dụng 08 Hiểu nhầm 09 Khung tư duy 10 Trắc nghiệm 11 Tổng kết
01 · TOÀN CẢNH
Bản đồ tư duy của cả chuỗi
Thông tin trong gene chỉ trở thành tính trạng khi được dịch sang ngôn ngữ của protein. Cầu nối là mã di truyền : mRNA được chia thành các bộ ba (codon); mỗi codon được một tRNA mang anticodon bổ sung nhận ra tại ribosome; amino acid mà tRNA mang theo được nối vào chuỗi polypeptide. Mọi nội dung của chủ đề này đều quy về một phép đếm, một phép đọc hoặc một phép so sánh trên chuỗi đó.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Vì sao chủ đề này cần học kỹ
- Bốn đặc điểm của mã di truyền rất dễ bị đảo vế. "Một amino acid do nhiều codon mã hóa" là tính thoái hóa; "một codon chỉ mã hóa một amino acid" là tính đặc hiệu. Đổi chỗ hai vế là nhầm lẫn phổ biến.
- Chiều chuyển dịch của ribosome là một chi tiết rất dễ sai. Ribosome đi theo chiều 5' → 3' trên mRNA; từ đó suy ra ribosome nào có chuỗi dài nhất, ngắn nhất trong polysome.
- Ba con số rất dễ lẫn: số bộ ba, số amino acid được dịch mã, số amino acid của chuỗi hoàn chỉnh (đã cắt amino acid mở đầu). Mỗi số trả lời một câu hỏi khác nhau nên phải phân biệt rõ từng đại lượng.
- Đột biến và độ dài protein: không chỉ cần biết "mất một cặp nucleotide" mà còn phải đọc lại cả khung từ vị trí đó đến mã kết thúc mới.
- Gene người trong vi khuẩn (bộ máy dịch mã vi khuẩn dùng cho mRNA người, gene người đưa vào vi khuẩn) minh họa hai ý khác nhau: tính phổ biến của mã và việc vi khuẩn không cắt được intron.
Học xong, em làm được
- Giải thích vì sao mã di truyền là mã bộ ba, kể được 61 + 3 bộ ba, vai trò của AUG ở nhân thực và nhân sơ.
- Phân biệt chắc chắn bốn đặc điểm, đặc biệt tính thoái hóa và tính đặc hiệu, và áp dụng vào ví dụ lạ.
- Mô tả tRNA (anticodon, đầu nhận amino acid), enzyme gắn amino acid, ribosome (hai tiểu đơn vị, vị trí A, P, E).
- Trình bày đủ các bước: hoạt hóa, mở đầu, kéo dài, kết thúc, cắt amino acid mở đầu.
- Xác định hướng chuyển dịch của ribosome và chiều dài chuỗi trong polysome.
- Đếm đúng: bộ ba, amino acid dịch mã, chuỗi hoàn chỉnh, liên kết peptide, nucleotide; dự đoán hậu quả của đột biến điểm lên độ dài protein.
- Giải thích tác dụng của kháng sinh lên ribosome vi khuẩn và vì sao gene người cần được xử lý trước khi biểu hiện trong vi khuẩn.
02 · MÃ DI TRUYỀN
Mã bộ ba và bốn đặc điểm
Hai khái niệm đầu tiên: mã di truyền là gì, và vì sao đơn vị của mã là ba nucleotide. Sau đó là bốn đặc điểm, trong đó hai đặc điểm hay bị tráo chữ nhất.
K1. Mã di truyền là mã bộ ba: 64 codon
Định nghĩa Mã di truyền là quy ước chuyển trình tự nucleotide của mRNA thành trình tự amino acid của polypeptide. Đơn vị của mã là codon (bộ ba mã hóa): ba nucleotide liên tiếp trên mRNA. Trên mRNA có bốn loại nucleotide A, U, G, C.
Vì sao là ba Protein dùng 20 loại amino acid. Nếu mã gồm 1 nucleotide thì chỉ có 4 1 = 4 tổ hợp; gồm 2 nucleotide thì 4 2 = 16 tổ hợp; cả hai đều nhỏ hơn 20 nên không đủ. Mã gồm 3 nucleotide cho 4 3 = 64 tổ hợp, đủ để mã hóa 20 amino acid và còn dư để làm tín hiệu kết thúc.
Phân loại 64 codon
61 codon mã hóa amino acid 3 codon UAA, UAG, UGA: kết thúc AUG mở đầu + mã hóa Met
Ba mã kết thúc không mã hóa amino acid và không có tRNA mang anticodon bổ sung. Codon AUG nằm trong 61 codon mã hóa: ở sinh vật nhân thực nó mã hóa Methionine (Met), ở sinh vật nhân sơ nó mã hóa Methionine đã gắn nhóm formyl (fMet) khi làm codon mở đầu.
Hiểu lầm phổ biến. "Có 64 codon thì có 64 loại amino acid." Sai: chỉ có 20 loại amino acid; 61 codon cùng mã hóa 20 loại đó, nên trung bình mỗi amino acid có hơn ba codon.
Phòng thí nghiệm 1 · Bảng mã tương tác
Chọn từng nucleotide của một codon (đọc 5' → 3'). Máy cho biết amino acid, loại codon, anticodon của tRNA, và tô xanh mọi codon cùng mã hóa amino acid đó . Em cũng có thể bấm thẳng vào bảng.
Nucleotide thứ nhất (đầu 5') Thứ hai Thứ ba (đầu 3')
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Trong mỗi ô, bốn codon xếp theo nucleotide thứ ba: U, C, A, G.
Việc nên thử. (1) Chọn AUG: có mấy codon cùng mã hóa Met? (2) Chọn UGG. (3) Chọn một codon của Leu rồi đếm số ô xanh. (4) Chọn UAA, UAG, UGA: bảng có ô xanh nào không? (5) Chọn GGU rồi đổi nucleotide thứ ba: amino acid có đổi không?
K2. Bốn đặc điểm của mã di truyền
Đặc điểm · Nội dung chính · Hệ quả hoặc ví dụ
Đọc liên tục từ một điểm xác định, theo từng bộ ba, không gối lên nhau · Ribosome bắt đầu từ codon mở đầu, đọc đúng 3 nucleotide một lần, rồi nhảy sang 3 nucleotide kế tiếp; không bỏ sót, không đọc chồng. · Mất hoặc thêm 1 nucleotide làm đổi cách chia bộ ba của mọi codon từ vị trí đó về phía 3'.
Tính phổ biến · Hầu hết sinh vật dùng chung một bộ mã (chỉ có một vài ngoại lệ). · Cơ sở của công nghệ gene: bộ máy dịch mã của vi khuẩn đọc đúng mRNA của người.
Tính đặc hiệu · Một codon chỉ mã hóa một loại amino acid (nhìn từ codon). · UUU chỉ mã hóa Phe, không bao giờ mã hóa amino acid khác.
Tính thoái hóa · Một amino acid có thể do nhiều codon mã hóa (nhìn từ amino acid). · Leu có 6 codon; Met và Trp chỉ có 1 codon. Thay nucleotide thứ ba của codon thường không đổi amino acid.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Mẹo phân biệt một lần là nhớ Đặc hiệu: đứng ở codon , nhìn sang amino acid: luôn chỉ thấy một . Thoái hóa: đứng ở amino acid , nhìn lại codon: có thể thấy nhiều . Thoái hóa không làm mất tính đặc hiệu, vì mỗi codon trong nhóm vẫn chỉ mã hóa đúng amino acid đó.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Ý nghĩa của tính thoái hóa Nhiều codon đồng nghĩa khác nhau chủ yếu ở nucleotide thứ ba, nên một đột biến thay thế ở vị trí đó thường không làm đổi amino acid: tính thoái hóa giúp giảm hậu quả của đột biến điểm.
GIA SƯ HỎI Hai codon UUU và UUC đều mã hóa Phe. Đây là tính đặc hiệu hay tính thoái hóa? Đáp: tính thoái hóa , vì hai codon khác nhau cùng mã hóa một amino acid. Tính đặc hiệu là nói UUU không thể mã hóa amino acid nào khác ngoài Phe.
03 · BỘ MÁY DỊCH MÃ
tRNA, enzyme gắn amino acid và ribosome
Codon nằm trên mRNA nhưng amino acid không tự nhận ra codon. Cần một phân tử "thông dịch" biết cả hai ngôn ngữ: đó là tRNA , và một "bàn lắp ráp" giữ mRNA cùng các tRNA: đó là ribosome .
K3. tRNA, anticodon và hoạt hóa amino acid
Cấu tạo tRNA là phân tử RNA mạch đơn, có những đoạn tự bắt cặp bổ sung nên cuộn lại thành cấu trúc ba thùy. Hai vị trí quyết định chức năng: bộ ba đối mã (anticodon) ở một thùy, và đầu 3' là nơi gắn amino acid.
Anticodon Anticodon bắt cặp bổ sung với codon theo nguyên tắc A với U, G với C; hai bộ ba xếp đối song song. Ví dụ codon 5' AUG 3' khớp anticodon 3' UAC 5'; tRNA này mang Met. Mỗi loại tRNA chỉ mang một loại amino acid.
Hoạt hóa Trước khi dịch mã, amino acid được hoạt hóa nhờ ATP rồi gắn vào đầu 3' của tRNA tương ứng nhờ enzyme đặc hiệu (aminoacyl-tRNA synthetase), tạo phức hợp aminoacyl-tRNA (aa-tRNA). Từ đó trở đi, ribosome chỉ kiểm tra sự khớp codon với anticodon; amino acid đi theo tRNA.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hai lần ghép đúng, hai chỗ khác nhau Enzyme đặc hiệu bảo đảm đúng amino acid gắn đúng tRNA (trước dịch mã). Ribosome bảo đảm đúng tRNA khớp đúng codon (trong dịch mã). Đó là cách thông tin trên mRNA được chuyển chính xác thành trình tự amino acid. Với mã kết thúc UAA, UAG, UGA không có tRNA nào bổ sung; ribosome nhận ra chúng bằng yếu tố giải phóng (protein), không bằng tRNA.
K4. Ribosome: hai tiểu đơn vị và ba vị trí A, P, E
Cấu tạo Ribosome gồm rRNA kết hợp với protein, có hai tiểu đơn vị (bé và lớn). Khi không dịch mã, hai tiểu đơn vị tách rời trong tế bào chất; khi dịch mã, chúng ghép lại quanh mRNA. Ribosome của vi khuẩn và của sinh vật nhân thực khác nhau về cấu trúc (thường ghi 70S và 80S); sự khác biệt này là điểm tựa của thuốc kháng sinh (phần 07).
Ba vị trí A (nhận aa-tRNA mới); P (giữ tRNA đang mang chuỗi polypeptide); E (vị trí thoát của tRNA đã giải phóng chuỗi). Liên kết peptide hình thành giữa amino acid ở vị trí P và amino acid ở vị trí A; sau đó ribosome chuyển dịch một codon về phía 3' của mRNA.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình trên là một "ảnh chụp" giữa quá trình kéo dài: Met-Ala đã nằm trên tRNA ở P; Phe-tRNA vừa vào A; tRNA đã trả chuỗi ở E sắp rời đi. Phòng thí nghiệm 2 (phần 04) cho em xem hoạt ảnh này từng bước.
Hiểu lầm phổ biến. "Ribosome mang codon." Sai: codon nằm trên mRNA , anticodon nằm trên tRNA ; ribosome là nơi hai bộ ba đó ghép với nhau.
04 · QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ
Hoạt hóa, mở đầu, kéo dài, kết thúc
K5. Các bước của dịch mã
Giai đoạn · Diễn biến cốt lõi · Chi tiết hay bị hỏi
0. Hoạt hóa amino acid (ngoài ribosome) · Amino acid + ATP + tRNA, nhờ enzyme đặc hiệu, tạo aa-tRNA. · Mỗi amino acid được gắn với tRNA riêng của nó; mã kết thúc không có tRNA.
1. Mở đầu · Tiểu đơn vị bé gắn với mRNA tại vị trí nhận biết đặc hiệu ; phức hợp Met-tRNA khớp với codon mở đầu AUG (anticodon UAC); tiểu đơn vị lớn gắn vào, ribosome hoàn chỉnh. Met-tRNA ở vị trí P, vị trí A trống. · Nhân thực: Met-tRNA. Nhân sơ: fMet-tRNA. Tiểu đơn vị lớn gắn sau khi phức hợp mở đầu đã khớp codon.
2. Kéo dài · Lặp lại ba bước cho mỗi codon: (a) aa-tRNA có anticodon bổ sung vào vị trí A; (b) liên kết peptide giữa amino acid ở P và amino acid ở A, chuỗi chuyển sang tRNA ở A; (c) ribosome chuyển dịch một codon theo chiều 5' → 3': tRNA mang chuỗi sang P, tRNA đã trả chuỗi sang E rồi rời ra. · Mỗi chu kỳ thêm đúng 1 amino acid và dịch chuyển 3 nucleotide.
3. Kết thúc · Ribosome gặp mã kết thúc (UAA, UAG hoặc UGA) ở vị trí A; không có tRNA bổ sung; yếu tố giải phóng làm chuỗi polypeptide tách khỏi tRNA; hai tiểu đơn vị của ribosome tách nhau; enzyme cắt amino acid mở đầu, được polypeptide hoàn chỉnh. · Mã kết thúc không được dịch thành amino acid, nên không nằm trong chuỗi.
Chiều tổng hợp mRNA được đọc theo chiều 5' → 3' ; chuỗi polypeptide được nối dài từ đầu amino (đầu N, chứa amino acid mở đầu) về phía đầu carboxyl. Không bao giờ có chuyện ribosome đọc mRNA theo chiều 3' → 5'; chiều 3' → 5' là chiều mạch gốc được đọc khi phiên mã.
Hiểu lầm phổ biến. "Tiểu đơn vị lớn gắn mRNA trước, rồi tiểu đơn vị bé gắn vào." Sai: tiểu đơn vị bé gắn vào mRNA trước, Met-tRNA vào khớp codon mở đầu, sau đó tiểu đơn vị lớn mới gắn vào.
Phòng thí nghiệm 2 · Ribosome đọc mRNA từng bước (hoạt ảnh)
mRNA mẫu: 5' (vị trí nhận biết) AUG GCU UUC AAG UAA 3' . Bấm Tiếp để đi từng bước, kéo thanh trượt, hoặc bấm Tự chạy để xem hoạt ảnh liên tục. Đổi giữa nhân thực và nhân sơ để thấy khác biệt ở amino acid mở đầu. Anticodon trong hoạt ảnh được viết theo chiều 3' → 5'.
Tế bào
Bước 0 / 15
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
GIA SƯ HỎI Ở bước kéo dài, vì sao tRNA ở vị trí E không mang amino acid? Đáp: vì liên kết peptide vừa chuyển cả chuỗi sang amino acid ở vị trí A; tRNA ở P đã "trả" chuỗi nên khi ribosome chuyển dịch, nó sang E rồi rời ra để được gắn amino acid mới (tái sử dụng).
05 · POLYSOME
Nhiều ribosome trên một mRNA và chiều dài chuỗi
K6. Polysome (polyribosome)
Định nghĩa Trên một phân tử mRNA có thể có nhiều ribosome cùng dịch mã. Cả cụm gọi là polysome. Mỗi ribosome tổng hợp một chuỗi polypeptide riêng, và các chuỗi cùng loại (cùng trình tự amino acid) vì cùng đọc một mRNA. Nhờ vậy một mRNA cho ra nhiều phân tử protein trong thời gian ngắn.
Chiều chuyển dịch Mọi ribosome đều bắt đầu ở đầu 5' (gần codon mở đầu) và chuyển dịch về đầu 3' . Ribosome khởi đầu sớm nhất đã đi xa nhất về phía 3'.
Quy tắc đọc polysome Ribosome càng gần đầu 5' càng mới khởi đầu: chuỗi polypeptide ngắn nhất . Ribosome càng gần đầu 3' đã đi lâu nhất: chuỗi dài nhất (sắp gặp mã kết thúc). Hai ribosome liền kề cách nhau d codon thì chuỗi của chúng hơn kém nhau d amino acid.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Nhân sơ Ở vi khuẩn, ribosome gắn vào đầu 5' của mRNA ngay khi đầu này vừa được RNA polymerase tổng hợp ra, nên hình ảnh quen thuộc là polysome nối liền với phân tử DNA đang phiên mã: ribosome ở sát DNA (gần đầu 3' của mRNA) mang chuỗi dài nhất, ribosome xa DNA (gần đầu 5' tự do) mang chuỗi ngắn nhất.