SINH HỌC 12 · ĐỌC NGƯỢC TỪ PROTEIN VỀ GENE — Mã thoái hóa, hai mạch, khung đọc và đột biến điểm: đọc xuôi cho một đáp án, đọc ngược cho cả một tập khả dĩ cần bộ lọc
Sinh học 12 · Bài khái niệm hệ thống: đọc xuôi từ DNA ra protein cho một đáp án, đọc ngược từ protein về gene cho cả một tập khả dĩ. Mã thoái hóa và số đo…
SINH HỌC 12 · DI TRUYỀN PHÂN TỬ · HỆ THỐNG KHÁI NIỆM
Đọc ngược từ protein về gene
Đọc xuôi từ DNA ra protein thì chỉ có một đáp án. Đọc ngược từ protein về DNA thì ra cả một tập khả dĩ: mã thoái hóa làm tập ấy phình ra, còn chiều của mạch, khung đọc và codon mở đầu là những bộ lọc thu nó lại. Bài này dựng hệ thống khái niệm đó, kèm năm công cụ tương tác để tự tay thử.
Mã thoái hóa Mạch mã hóa và mạch khuôn Khung đọc Codon mở đầu và fMet Đột biến điểm, dịch khung Bộ lọc ngược
Bản đồ ① Mã thoái hóa ② Hai mạch ③ Khung đọc ④ Đột biến điểm ⑤ Bộ lọc ngược ⑥ Lỗi hay gặp Trắc nghiệm
BẢN ĐỒ TƯ DUY
Một chuỗi thông tin, hai chiều đọc
Thông tin di truyền chảy theo một chiều: gene được phiên mã thành mRNA , mRNA được dịch mã thành chuỗi polypeptide . Đi theo chiều đó, mỗi bước có đúng một kết quả: một trình tự DNA cho đúng một mRNA, một mRNA cho đúng một chuỗi amino acid. Nhưng rất nhiều tình huống đòi hỏi đi ngược lại : biết chuỗi amino acid hoặc một vài dữ kiện về nó, hỏi trình tự gene có thể ra sao. Chiều ngược này không còn là một phép tính có đáp án duy nhất, mà là một việc thu hẹp tập khả dĩ .
Hàng xanh đi một chiều, mỗi bước một kết quả. Hàng cam đi ngược, mỗi bước mở ra một tập; dải vàng là các bộ lọc của bài này. Vuốt ngang nếu màn hình hẹp.
Học xong, em làm được Giải thích vì sao đọc ngược không cho đáp án duy nhất và đếm được kích thước của tập khả dĩ · Phân biệt mạch mã hóa với mạch khuôn và đổi qua lại không sai chiều · Xác định khung đọc từ codon mở đầu, nêu vai trò của fMet ở nhân sơ · Dự đoán hậu quả đột biến thay thế, mất, thêm cặp nucleotide lên chuỗi polypeptide · Dùng từng ràng buộc để thu hẹp tập khả dĩ về một đáp án.
CHÌA KHÓA ①
Mã thoái hóa: nhiều codon, một amino acid
Khái niệm
Hai tính chất, hai chiều đọc
Bảng mã có 64 bộ ba: 61 bộ ba mã hóa amino acid và 3 bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA). Chỉ có 20 loại amino acid, nên nhiều codon phải cùng mã hóa một amino acid: đó là tính thoái hóa . Ngược lại, mỗi codon chỉ mã hóa đúng một amino acid: đó là tính đặc hiệu . Hai tính chất này chính là lý do hai chiều đọc khác nhau: đọc xuôi là một hàm (mỗi codon một amino acid), đọc ngược là một quan hệ một nhiều (mỗi amino acid có một tập codon).
Số codon của mỗi amino acid không đều nhau: Met (AUG) và Trp (UGG) chỉ có 1 codon ; Ile có 3; Leu, Ser, Arg có 6; Val, Pro, Thr, Ala, Gly có 4; chín amino acid còn lại (Phe, Tyr, His, Gln, Asn, Lys, Asp, Glu, Cys) có 2. Cộng lại: 2 + 3 + 18 + 20 + 18 = 61.
Sự thoái hóa tập trung ở nucleotide thứ ba . Trong bảng mã có 8 "hộp" bốn codon cùng chung hai nucleotide đầu mà cả bốn đều mã hóa một amino acid (UC·, CU·, CC·, CG·, AC·, GU·, GC·, GG·), tức 32 codon mà nucleotide thứ ba không quyết định gì cả.
Công cụ ①: Tập codon của mỗi amino acid
Bấm một amino acid để xem toàn bộ codon của nó, rồi nhìn xem nucleotide nào thay đổi được mà amino acid không đổi.
Số đo thật trên bảng mã Xét mọi phép thay thế một nucleotide trên 61 codon mã hóa amino acid: có 61 × 9 = 549 phép. Trong đó 134 phép (24,4%) là đồng nghĩa, 392 phép (71,4%) làm đổi amino acid, 23 phép (4,2%) tạo mã kết thúc. Riêng nucleotide thứ ba: 126 trên 183 phép (68,9%) là đồng nghĩa; nucleotide thứ nhất chỉ 8 trên 183 (4,4%); nucleotide thứ hai là 0 trên 183. Vì vậy cùng là một nucleotide bị thay, vị trí trong codon quyết định hậu quả.
Lỗi hay gặp: đảo vế hai tính chất. "Một amino acid do nhiều codon mã hóa" là thoái hóa; "một codon chỉ mã hóa một amino acid" là đặc hiệu. Nếu một codon mã hóa hai amino acid thì mã mất tính đặc hiệu và chiều đọc xuôi sẽ không còn là một hàm.
CHÌA KHÓA ②
Hai mạch, hai cách hiểu
Khái niệm
Mạch mã hóa và mạch khuôn
Một đoạn DNA mạch kép có hai mạch đối song song. Trong một gene, chỉ một mạch làm khuôn để RNA polymerase tổng hợp mRNA; mạch kia, có trình tự nucleotide giống mRNA (chỉ khác T thay bằng U), gọi là mạch mã hóa (mạch bổ sung với mạch khuôn). RNA polymerase đọc mạch khuôn theo chiều 3' → 5', còn mRNA dài ra theo chiều 5' → 3'. Bởi vậy mRNA luôn là bổ sung và đối song song với mạch khuôn.
Mạch mã hóa và mRNA cùng trình tự (T thay U); mạch khuôn bổ sung và đối song song với cả hai. Dải vàng đánh dấu codon mở đầu.
Từ đó có hai quy tắc đổi chuỗi: từ mạch mã hóa sang mRNA chỉ việc thay T bằng U và giữ nguyên chiều; từ mạch khuôn sang mRNA phải lấy bổ sung rồi đảo chiều (bổ sung ngược). Một mạch đơn viết theo chiều 5' → 3' mà không ghi đó là mạch nào thì có hai cách hiểu , và hai cách hiểu cho hai mRNA hoàn toàn khác nhau. Ngoài ra, trong cùng một phân tử DNA, gene này có thể dùng mạch này làm khuôn còn gene kia dùng mạch đối diện; "mạch khuôn" là tính chất của từng gene , không phải của cả phân tử.
Công cụ ②: Công tắc mạch
Nhập một mạch đơn viết theo chiều 5' → 3' (chỉ dùng A, T, G, C). Công cụ đọc nó theo cả hai cách: coi là mạch mã hóa, hoặc coi là mạch khuôn.
Mạch 5' → 3'
Mẫu thử
Ý chốt Một mạch đơn không tự cho biết nó là mạch mã hóa hay mạch khuôn. Phải có thêm một dữ kiện (nhãn của mạch, vị trí của codon mở đầu, hoặc thông tin về protein) mới chọn được cách hiểu đúng; đó chính là chủ đề của chìa khóa ⑤.
CHÌA KHÓA ③
Khung đọc: codon mở đầu chia mRNA thành các bộ ba
Khái niệm
Ba khung, một khung được chọn
Ribosome đọc mRNA thành các bộ ba liên tiếp, không gối nhau . Vì vậy cùng một trình tự có ba khung đọc tùy việc codon đầu tiên bắt đầu ở nucleotide thứ nhất, thứ hai hay thứ ba; ba khung cho ba chuỗi amino acid không liên quan gì tới nhau. Khung nào được dùng thì do codon mở đầu AUG quyết định: dịch mã bắt đầu từ AUG, rồi cứ ba nucleotide một bước cho tới khi gặp mã kết thúc UAA, UAG hoặc UGA.
Ở sinh vật nhân sơ (ví dụ E. coli ), AUG mở đầu mã hóa amino acid fMet (formylmethionine). Ở nhân thực, amino acid mở đầu là Met. Sau khi dịch mã, amino acid mở đầu bị cắt khỏi chuỗi, nên chuỗi polypeptide hoàn chỉnh ngắn hơn chuỗi vừa được dịch một amino acid . Mã kết thúc không mã hóa amino acid, nên nếu chuỗi vừa dịch có n codon mã hóa amino acid (tính cả AUG) thì chuỗi hoàn chỉnh có n − 1 amino acid.
Một AUG nằm sau codon mở đầu, trong cùng khung, chỉ mã hóa Met bình thường ở giữa chuỗi; nó không khởi đầu chuỗi mới.
Mô hình đơn giản hóa của bài Công cụ ③ và ④ coi ribosome bắt đầu ở AUG đầu tiên tính từ đầu 5' của đoạn đang xét. Ở tế bào thật, nhân sơ còn cần một trình tự nhận biết nằm trước AUG để ribosome bám vào; mô hình này đủ dùng cho mọi tình huống trong chương trình.
Công cụ ③: Ba khung đọc
Nhập một đoạn mRNA (hoặc DNA mạch mã hóa, chữ T sẽ được đổi thành U). Công cụ chia thành ba khung, đánh dấu AUG và mã kết thúc, và chọn khung chứa AUG đầu tiên.
Đoạn 5' → 3'
Mẫu thử
CHÌA KHÓA ④
Đột biến điểm: thay thế đổi một codon, mất hoặc thêm đổi cả khung
Khái niệm
Ba dạng và thang hậu quả
Thay thế một cặp nucleotide chỉ làm đổi đúng một codon , nên chuỗi polypeptide đổi nhiều nhất một amino acid. Có ba bậc: đồng nghĩa (codon mới vẫn mã hóa amino acid cũ), sai nghĩa (đổi thành amino acid khác) và vô nghĩa (codon mới là mã kết thúc, chuỗi bị cắt ngắn). Từ số đo ở chìa khóa ①, nucleotide thứ ba hầu như quyết định khả năng đồng nghĩa.
Mất hoặc thêm một cặp nucleotide làm lệch cách chia bộ ba của mọi codon từ chỗ đó về phía đầu 3' : đây là đột biến dịch khung . Các codon phía trước vị trí đột biến vẫn đọc như cũ. Chuỗi mới thường đổi hàng loạt amino acid và có thể gặp mã kết thúc sớm hơn hoặc muộn hơn. Nếu số cặp mất hoặc thêm là bội của 3 , khung được giữ nguyên: chuỗi chỉ mất hoặc thêm một vài amino acid (và có thể đổi thêm một amino acid ở chỗ nối).
Hai đột biến có thể bù trừ nhau: mất một cặp ở vị trí này, thêm một cặp ở vị trí kia thì chỉ đoạn nằm giữa hai vị trí bị đọc lệch khung, còn phần sau lại về đúng khung cũ (với điều kiện đoạn lệch chưa gặp mã kết thúc). Cuối cùng, nếu đột biến làm mất chính codon mở đầu AUG thì không còn điểm bắt đầu tại đó: ribosome chỉ có thể bắt đầu ở một AUG khác phía sau (nếu có), và khi đó khung đọc có thể khác hẳn.
Công cụ ④: Phòng đột biến
Gene mẫu dưới đây là mạch mã hóa viết 5' → 3'. Chọn dạng đột biến và vị trí, rồi so sánh chuỗi trước và sau. Bạn cũng có thể gõ gene của riêng mình.
Mạch mã hóa 5' → 3'
Dạng đột biến
Vị trí 1 Nucleotide mới
CHÌA KHÓA ⑤
Đọc ngược là lọc: mỗi ràng buộc thu hẹp tập khả dĩ
Khái niệm
Đếm tập khả dĩ bằng quy tắc nhân
Biết chuỗi amino acid, số mRNA khả dĩ (chỉ tính các codon mã hóa amino acid) bằng tích số codon của từng amino acid . Ví dụ chuỗi Met–Trp–Lys–Gly: 1 × 1 × 2 × 4 = 8 mRNA. Muốn tính cả mã kết thúc ngay sau đó thì nhân thêm 3, được 24. Mỗi amino acid ít codon (Met, Trp) gần như "tự khai" trình tự của nó; mỗi amino acid nhiều codon (Leu, Ser, Arg) làm tập phình lên nhanh nhất.
Tập này chỉ thu lại khi có ràng buộc . Có bốn loại ràng buộc thường gặp: (1) chiều mạch : mạch đã cho là mạch mã hóa hay mạch khuôn; (2) khung đọc : AUG nằm ở đâu, mã kết thúc nằm ở đâu; (3) dữ kiện về nucleotide : ví dụ biết nucleotide thứ ba của một codon, biết codon đã bị đổi thế nào qua đột biến; (4) số liệu đếm : số amino acid, số codon mỗi loại, độ dài chuỗi. Mỗi ràng buộc chỉ loại bớt các ứng viên không phù hợp; khi mọi amino acid còn lại đúng một codon thì tập co về một đáp án duy nhất .
Hệ quả quan trọng: một bộ dữ kiện hợp lệ có thể vẫn không đủ để xác định duy nhất, và một cách hiểu có thể mâu thuẫn với dữ kiện (tập rỗng). Cả hai tình huống đều là kết quả có ý nghĩa, không phải lỗi của công cụ.
Công cụ ⑤: Bộ lọc ngược
Codon mở đầu luôn là AUG. Chọn ba amino acid tiếp theo, rồi (nếu muốn) khóa một vài nucleotide của mỗi codon để xem tập mRNA khả dĩ co lại thế nào.
CHÌA KHÓA ⑥
Lỗi hay gặp và bảng tổng kết
Lỗi 1 · Tưởng đọc ngược cho đáp án duy nhất. Quên tính thoái hóa: chỉ Met và Trp mới có đúng một codon. Biết chuỗi amino acid thì thường chưa biết chắc mRNA.
Lỗi 2 · Chuyển mạch khuôn sang mRNA mà không đảo chiều. Lấy bổ sung từng nucleotide nhưng giữ nguyên thứ tự trái phải sẽ ra một chuỗi bị đọc ngược chiều. Mạch khuôn viết 5' → 3' cho mRNA bằng bổ sung ngược.
Lỗi 3 · Mặc nhiên coi mạch cho sẵn là mạch mã hóa (hoặc mạch khuôn). Khi đề không nói, phải coi là hai khả năng và dùng dữ kiện để loại một.
Lỗi 4 · Chia bộ ba từ đầu chuỗi thay vì từ AUG. Khung đọc được chọn bởi codon mở đầu, không phải bởi nucleotide đầu tiên của đoạn.
Lỗi 5 · Đếm sai số amino acid. Có ba con số khác nhau: số bộ ba kể cả mã kết thúc, số amino acid được dịch mã (không kể mã kết thúc) và số amino acid của chuỗi hoàn chỉnh (đã cắt amino acid mở đầu).
Lỗi 6 · Lẫn hậu quả của thay thế với mất hoặc thêm. Thay thế đổi tối đa một amino acid; mất hoặc thêm một cặp làm lệch khung mọi codon phía sau. Ngược lại, thay thế không phải lúc nào cũng đổi amino acid.
Lỗi 7 · Cho rằng thay thế ở nucleotide thứ ba luôn đồng nghĩa. Đa số là đồng nghĩa nhưng không phải tất cả (ví dụ UAU đổi thành UAA thành mã kết thúc; AUG đổi thành AUA đổi amino acid và mất codon mở đầu).
Chìa khóa · Câu hỏi nền · Một dòng cốt lõi · Công cụ
① Mã thoái hóa · Một amino acid ứng với bao nhiêu codon? · 61 codon, 20 amino acid: xuôi là hàm, ngược là tập; thoái hóa nằm ở nucleotide thứ ba. · Tập codon
② Hai mạch · Mạch này là mạch mã hóa hay mạch khuôn? · Mã hóa: T thay U giữ chiều; khuôn: bổ sung rồi đảo chiều. · Công tắc mạch
③ Khung đọc · Đọc bộ ba bắt đầu từ đâu? · AUG chọn khung; mã kết thúc dừng; fMet bị cắt nên chuỗi ngắn hơn một. · Ba khung đọc
④ Đột biến điểm · Một đột biến làm đổi chuỗi đến đâu? · Thay thế đổi một codon; mất hoặc thêm không chia hết cho 3 làm lệch khung phía sau. · Phòng đột biến
⑤ Bộ lọc ngược · Còn bao nhiêu mRNA khả dĩ? · Quy tắc nhân đếm tập; mỗi ràng buộc loại bớt ứng viên cho tới khi duy nhất. · Bộ lọc ngược
⑥ Kiểm lỗi · Mình có rơi vào bẫy quen thuộc nào không? · Đối chiếu bảy lỗi trên trước khi chốt. · Danh sách lỗi
TRẮC NGHIỆM TỰ KIỂM
Mười câu, năm mức nhận thức
Đã trả lời 0 · Đúng 0 · Bấm một lựa chọn để xem giải thích của cả bốn phương án.
Bài giảng khái niệm do LUKATO biên soạn; mọi ví dụ và câu hỏi trong bài đều tự xây dựng và đã được kiểm lại bằng chương trình.