Cung cấp lý thuyết cơ bản đến nâng cao của hai quá trình và ứng dụng của nó vào giải bài tập sinh học phân tử của hai quá trình này. Bài tập ứng dụng được chia từ dễ đến khó và có lời giải chi tiết cho từng câu.
Trang 1
A.Lí thuyết cơ sở : Quá trình phiên mã
1.Khái niệm phiên mã
- Quá trình phiên mã là quá trình tổng hợp ARN từ mạch khuôn
2.Nguyên tắc phiên mã
-Gen có 2 mạch nhưng chỉ có một mạch mã gốc hay còn gọi là mạch khuôn để tạo ra phân tử
ARN
-NTBS để hình thành phân tử ARN từ phân tử AND : A-U , G-X
3.Hình ảnh minh họa quá trình phiên mã
4.Cơ chế phiên mã ở sinh vật nhân sơ
a.Các thành phần tham gia phiên mã
- Mạch khuôn : có thể là 1 mạch của gen
hoặc là mạch ARN Trường hợp mạch
CHUYÊN ĐỀ II
BÀI 3 QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ
Trang 2ARN chỉ xảy ra ở các virut (vì ở virut chứa ARN làm vật chất mang thông tin di truyền ) quá trình phiên mã từ ARN như thế này gọi là quá trình phiên mã ngược
-Nguyên liệu : ribonucleotit ( A,U,G,X )
Tri-P (ATP,GTP,UTP) là nguồn cung cấp năng lượng
-Enzim: + ARN-polimeraza phụ thuộc AND xúc tác quá trình phiên mã từ AND khuôn
+ ARN-polimeraza phụ thuộc ARN xúc tác quá trình phiên mã từ ARN khuôn
+ Yếu tố Rho() xúc tác quá trình kết thúc chuỗi
b.Cơ chế phiên mã
Giai đoạn khởi đầu – Enzim ARN-pôlymeraza bám vào đoạn khởi đầu ở vùng điều hòa của gen làm đoạn gen này tháo xoắn rồi tách thành 2 mạch đơn Enzim chọn mạch khuôn rồi bắt đầu trượt dọc theo mạch này để tổng hợp ARN
Giai đoạn kéo dài – ARN-pôlymeraza vừa trượt dọc trên mạch khuôn gen theo chiều 3’- 5’, vừa lắp các ribônuclêôtit tự do vào mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung, rồi sử dụng ATP để gắn các ribônuclêôtit vừa được lắp trên mạch khuôn với nhau bằng liên kết phôtphođieste, tạo nên chuỗi pôlyribônuclêôtit mới theo hướng 5’-3’ Đoạn nào trên gen đã phiên mã xong đóng xoắn lại ngay
Giai đoạn kết thúc – Khi ARN-pôlymeraza trượt tới tín hiệu kết thúc trên gen thì dừng phiên mã
và tách khỏi gen, phân tử ARN vừa tạo thành được giải phóng
Chú ý:
- Phân tử mARN vừa được tổng hợp xong có thể được trực tiếp dùng ngay làm khuôn phiên mã
- Sự tổng hợp tARN và rARN diễn ra tương tự như ở mARN, nhưng chuỗi pôlyribônuclêôtit sơ khai được tạo thành xong sẽ biến đổi thành cấu trúc đặc trưng
5.Cơ chế phiên mã ở sinh vật nhân thực
Phiên mã ở nhân thực có nhiều loại enzim khác nhau cùng tham gia
Phiên mã mỗi loại ARN (mARN, tARN và rARN) đòi hỏi xúc tác bởi một loại ARN-pôlymeraza riêng
Ngay khi mARN được tạo thành xong, thì chuỗi pôlyribônuclêôtit mới chỉ là phân tử mARN sơ khai,phải qua quá trình chế biến, được cắt bỏ intrôn và nối các êxôn thì trở mới nên mARN trưởng thành Sau đó mARN trưởng thành này đi qua màng nhân vào mạng lưới nội chất để làm khuôn dịch mã
Do đó, ở tế bào nhân thực phiên mã tách rời với dịch mã về cả không gian lẫn thời gian
B.Lí thuyết cơ sở : Quá trình dịch mã
Trang 31.Khái niệm
-Dịch mã là giai đoạn kế tiếp sau phiên mã , là quá trình tổng hợp protein ở riboxom
-Mã di truyền chứa trong mARN được chuyển thành trình tự các aa trong chuỗi polipeptit của protein
-Trong quá trình dịch mã , phân tử mARN liên kết với riboxom Mỗi riboxom gồm 2 tiểu phần (hạt) là đơn vị bé và đơn vị lớn Khi chưa dịch mã thì 2 tiểu phần tách riêng rẽ , khi vào dịch mã
2 tiểu phần này dính lại và thành 1 riboxom hoàn chỉnh
Trên ribosome chứa ba vị trí gắn tRNA là vị trí A,
- E là vị trí gắn tRNA mà được phóng thích sau
khi chuỗi polypeptide được chuyển
sang aminoacyl-tRNA
Mỗi vị trí gắn tRNA được hình thành tại giao diện giữa tiểu đơn vị lớn và tiểu đơn vị
nhỏ Bằng cách này, các tRNA được gắn vào có thể bắt ngang qua khoảng cách giữa trung tâm peptidyl transferase của tiểu đơn vị lớn và trung tâm giải mã của tiểu đơn vị nhỏ Đầu
3' của tRNA được nằm gần tiểu đơn vị lớn và vòng đối mã gần tiểu đơn vị nhỏ
2.Diễn biến của cơ chế dịch mã
a Hoạt hóa axit amin
Chương trình cơ bản: Dưới tác dụng của một loại enzim, các axit tự do trong tế bào liên kết với
hợp chất giàu năng lượng ATP, trở thành dạng axit amin hoạt hóa Nhờ một loại enzim khác, aa
đã được hoạt hóa lại liên kết với tARN tạo thành phức hợp aa-tARN
Chương trình nâng cao:
Sự nhận diện và gắn amino acid vào tRNA tương ứng được thực hiện bởi một
Trang 4enzyme gọi là aminoacyl-tRNA synthetase
Quá trình này diễn ra như sau: đầu tiên, amino
acid được adenylyl hóa bằng cách
phản ứng với ATP, kết quả tạo thành amino
acid có gắn adenylic acid qua cầu nối ester
giàu năng lượng giữa nhóm COOH của amino
acid và nhóm phosphoryl của AMP, đồng
thời giải phóng ra pyrophosphate Sau đó,
amino acid được adenylyl hóa này (vẫn đang
gắn với synthetase) phản ứng tiếp với tRNA
Phản ứng này chuyển amino acid đến đầu 3'
của tRNA để gắn với nhóm OH, đồng thời giải
phóng AMP
Phản ứng tổng hợp của quá trình này như sau:
Amino acid + tRNA + ATP →
aminoacyl-tRNA + AMP + PPi
b.Dịch mã và hình thành chuỗi polipeptit
Theo chương trình cơ bản:
-Quá trình mở đầu : Quá trình dịch mã bắt đầu
khi một tiểu đơn vị ribosome bé bám vào
mRNA tại vị trí của codon khởi đầu AUG Lúc này một phân tử tRNA khởi đầu đặc thù mang methionine (ở vi khuẩn là formyl-Met) đi vào và khớp anticodon của nó với codon mở đầu của mRNA Kế đó, tiểu đơn vị ribosome lớn bám vào tiểu đơn vị bé tạo ra một ribosome hoạt động hoàn chỉnh Lúc này Met-tRNA ở vị trí P và vị trí A để trống; một tRNA thứ hai (ví dụ,
tRNAVal) đi vào vị trí A và khớp với codon thứ hai
-Quá trình kéo dài : Đầu tiên,tARN mang aa mở đầu foocmin metionin (fMet-tARN) tiến vào
vị trí codon mở đầu , anticodon tương ứng trên tARN của nó khớp theo nguyên tắc bổ sung với codon mở đầu trên mARN Tiếp theo tARN mang aa thứ nhất (aa1-tARN) tới vị trí bên
cạnh,anticodon của nó khớp bổ sung với codon của axit amin thứ nhất ngay sau khi codon mở đầu trên mARN Enzim xúc tác tạo thành liên kết peptit giữa các aa mở đầu và aa thứ nhất
(fMet-aa1).Riboxom dịch chuyển đi một bộ ba trên mARN , đồng thời tARN (đã mất aa mở đầu) rời khỏi riboxom.Tiếp theo ,aa2-tARN tiến vào riboxom , anticodon của nó khớp bổ sung với codon của aa thứ hai trên mARN Liên kết giữa aa thứ nhất và aa thứ hai (aa1-aa2) được tạo thành Sự dịch chuyển của riboxom lại tiếp tục theo từng bộ ba trên mARN
-Quá trình kết thúc: Quá trình dịch mã cứ tiếp diễn cho đến khi gặp codon kết thúc trên mARN
thì quá trình dịch mã kết thúc Riboxom tách khỏi mARN và chuỗi polipeptit được giải phóng, đồng thời aa mở đầu (fMet) cũng bị tách khỏi chuỗi polipeptit.Chuỗi polipeptit sau đó hình thành
Trang 5phân tử protein hoàn chỉnh Axit amin mở đầu ở sinh vật nhân sơ là foocmin metionin, còn ở sinh vật nhân thực là metionin
3.Chú ý
- Các ribôxôm, tARN và mARN có thể được sử dụng lại nhiều lần, tồn tại qua vài thế hệ tế bào rồi bị huỷ
- Có nhiều ribôxôm cùng dịch mã cho 1 mARN, chúng cùng bám lên phân tử này, tạo ra
pôlyribôxôm (gọi tắt là pôlyxôm) làm tăng hiệu suất tổng hợp prôtêin
-Sau khi được tổng hợp, các chuỗi polypeptide sơ cấp này sẽ được sửa đổi và chuyển sang các bậc cấu trúc cao hơn theo cách đặc thù để trở thành các protein hoạt động chức năng
4.Mối quan hệ AND-ARN-Tính trạng
-Thông tin di truyền trong AND của mỗi tế bào được truyền đạt cho thế hệ tế bào con thông qua
cơ chế nhân đôi
-Thông tin di truyền trong AND được biểu hiện thành tính trạng của cơ thể thông qua các cơ chế phiên mã và dịch mã
Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ:
C.Phương pháp giải toán sinh và thiết lập công thức cần nhớ
I.Công thức ứng dụng về quá trình phiên mã
Phần 1 Chương trình cơ bản
-Số ribonucleotit môi trường nội bào cần dùng qua k lần sao mã:
Số phân tử ARN = số lần sao mã = k
rNtd = k.rN
rAtd = k.rA = k.Tgốc rUtd = k.rU = k.Agốc
rGtd = k.rG = k.Xgốc rXtd = k.rX = k.Ggốc -Số liên kết hidro bị phá vỡ qua 1 lần sao mã: Hđứt = Hhình thành = HADN
-Số liên kết hidro bị phá vỡ qua k lần sao mã: Hphá vỡ = k.H
Trang 6-Số liên kết hóa trị được hình thành qua k lần sao mã: Hhình thành = k( rN – 1 )
-Dựa vào mối tương quan giữa cấu trúc phân tử của gen với ARNm , xác định số ribonucleotit từng loại của ARNm bằng cách là
A=T=Am + UmG=X=Gm + Xm-Khi biết rN và tỉ lệ từng loại ribonucleotit của ARNm , tính số ribonucleotit từng loại của mARN bằng cách:
Am=%Am.rN Um=%Um.rN
Gm=%Gm.rN Xm=%Xm.rN -Với các dạng bài tập cho sao mã từ mạch AND hay ARN gốc thì chúng ta nên vẽ 2 mạch ra và cho các nu bổ sung với nhau , từ đó suy ra được tương quan giữa các nu giữa cả AND hoặc ARN với mARN
-Xác định thành phần phần trăm của mỗi nu của gen từ phần trăm từ loại của ARN:
m m
X G
X G
U A
T A
Phần 2 Chương trình nâng cao
-Mỗi lần sao mã sẽ có thời gian được xác định bằng công thức là: TGsao mã = dt .rN
TGsao mã=
sm v rN
Trong đó: - dt là thời gian để tiếp nhận một ribonucleotit
- Vsm là tốc độ sao mã
-Thời gian sao mã đối với k lần sao mã được xác định bằng công thức:
TGsao mã = TGsao mã một lần + ( k – 1 )Δt Trong đó: Δt là thời gian chuyển tiếp giữa 2 lần sao mã liên tiếp
II.Công thức ứng dụng về quá trình dịch mã
-Trước khi vào xét quá trình dịch mã , chúng ta ôn sơ khai lại về protein :
Trang 7+ Kiến thức toán đã ôn ở bài giảng 1, không nhắc lại
+ Ôn tập cấu trúc bậc protein:
Cấu trúc bậc I :là trình tự sắp xếp các aa trong chuỗi polipeptit
Cấu trúc bậc II:là cấu hình của mạch polipeptit trong không gian , được giữ vững
nhờ các liên kết hidro giữa các aa ở gần nhau Cấu trúc bậc 2 có dạng xoắn anpha hoặc gấp nếp beta
Cấu trúc bậc III: là hình dạng của phân tử protein trong không gian 3 chiều , do
xoắn bậc 2 cuộn xếp theo kiểu đặc trưng cho mỗi loại protein , tạo thành khối cầu Cấu trúc này đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của các nhóm (-R) trong mạch
polipeptit, như tạo liên kết disunphua (-S-S-) hay liên kết yếu là hidro
+ 1 liên kết disunphit có khối lượng là 2 đvC
Cấu trúc bậc IV: là khi protein có 2 hay nhiều chuỗi polipeptit phối hợp nhau tạo
nên
+ Biến tính của protein: Các yếu tố của môi trường như nhiệt độ cao, độ pH, có thể phá hủy cấu trúc không gian ba chiều của protein làm cho chúng mất chức năng
-Chúng ta bắt đầu đi xét quá trình dịch mã:
Theo chương trình cơ bản
+ Tổng số protein tạo thành qua k lần sao mã và n lượt trượt riboxom : P = k.n
Trang 8+ Tính số tARN khi: Nếu có x phân tử giải mã 3 lần số a.a do chúng cung cấp là 3x
Nếu có y phân tử giải mã 2 lần số a.a do chúng cung cấp là 2y
Nếu có z phân tử giải mã 1 lần số a.a do chúng cung cấp là z
Tổng số a.a cần dùng là: 3x + 2y + z = ∑a.a tự do cần dùng
+ Bài toán về sự dịch chuyển của riboxom trên mARN:
Vận tốc trượt của riboxom trên mARN :
t
rN v
Trong đó: Δl là khoảng cách giữa 2 riboxom kế tiếp
- Vậy thời gian tổng hợp các phân tử protein là: T = t + t’ =
V
l
Trang 9- Nếu các riboxom (n) cách đều nhau trên mARN, ta có: T = t + t’ =
V
l n
∑ a.atd = a1 + a2 + ………+ ax Trong đó : -x là số riboxom
-a1 ,a2 : số a.a trong chuỗi polipeptit của Riboxom 1, Riboxom 2, ………… -Nếu các riboxom cách đều nhau thì ta có:
Số hạng đầu a1 = số a.a của R1
Công sai d: số a.a ở Riboxom sau kém hơn Riboxom trước
Số hạng của dãy x: số Riboxom đang trượt trên mARN
Câu 1 Quá trình dịch mã kết thúc khi
A Riboxom tiếp xúc với bộ ba kết thúc UAA rồi riboxom được phân hủy
B Riboxom tiếp xúc với bộ ba kết thúc UAG rồi hai tiểu phần được giải phóng tự do
C Riboxom tiếp xúc với bộ ba kết thúc UGA rồi hai tiểu phần phân hủy
D Riboxom rời khỏi mạch mARN và trở lại dạng tự do với 2 tiểu phần khác nhau
Câu 2.Quá trình tổng hợp protein diễn ra tại vị trí nào trong tế bào ?
Câu 3.Cho các thành phần sau, thành phần nào tham gia vào quá trình dịch mã:
Trang 10(1) ATP (2) các aa tự do (3) mARN trưởng thành (4) enzim polimeraza (5) tARN
(6) một số dạng enzim (7) riboxom
A.(1),(2),(6),(7) B.(2),(4),(6),(7) C.(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7) D.(2),(3),(4) Câu 4 Sắp xếp các giai đoạn của quá trình dịch mã một cách liên tiếp
(1) Giai đoạn mở đầu (2) Giai đoạn hoạt hóa aa
(3)Giai đoạn kéo dài (4) Giai đoạn kết thúc
A.(1)(2) (3) (4) B.(1) (3) (2) (4) C.(2) (1) (3) (4) D.(2) (3) (1) (4) Câu 5.Vai trò của ARN và AND khác nhau:
A.Chỉ có ARN mới trực tiếp tham gia vào quá trình tổng hợp protein,AND thì không trực tiếp B.Chỉ có AND mới tham gia trực tiếp vào quá trình tổng hợp protein, ARN thì không trực tiếp C.Chỉ có ARN có khả năng tự nhân đôi còn AND thì không
D.Chỉ có AND là có khả năng dịch mã còn mARN thì không
Câu 6 Trong quá trình tổng hợp mARN thì enzim ARN polymeraza di chuyển trên mạch khuôn của gen có chiều:
A 3’ đến 5’ B 5’ đến 3’ C 3 đến 5 D 5 đến 3
Câu 7.Cho các sự kiện diễn ra trong quá trình phiên mã:
(1) ARN pôlimeraza bắt đầu tổng hợp mARN tại vị trí đặc hiệu (khởi đầu phiên mã)
(2) ARN pôlimeraza bám vào vùng điều hoà làm gen tháo xoắn để lộ ra mạch gốc có chiều 3' → 5'
(3) ARN pôlimeraza trượt dọc theo mạch mã gốc trên gen có chiều 3' → 5'
(4) Khi ARN pôlimeraza di chuyển tới cuối gen, gặp tín hiệu kết thúc thì nó dừng phiên mã Trong quá trình phiên mã, các sự kiện trên diễn ra theo trình tự đúng là
A (1) → (4) → (3) → (2)
B (2) → (3) → (1) → (4)
C (1) → (2) → (3) → (4)
Trang 11D (2) → (1) → (3) → (4)
Câu 8 Các bộ ba trên mARN có vai trò quy định tín hiệu kết thúc quá trình dịch mã là:
A 3’UAG5’ ; 3’UAA5’; 3’UGA5’
B 3’GAU5’; 3’AAU5’; 3’AGU5’
C 3’UAG5’; 3’UAA5’; 3’AGU5’
D 3’GAU5’; 3’AAU5’; 3’AUG5’
Câu 9 Khi nói về cơ chế dịch mã ở sinh vật nhân thực, nhận định nào sau đây không đúng?
A Axit amin mở đầu trong quá trình dịch mã là mêtiônin
B Khi dịch mã, ribôxôm chuyển dịch theo chiều 3'→5' trên phân tử mARN
C Khi dịch mã, ribôxôm chuyển dịch theo chiều 5'→3' trên phân tử mARN
D.Trong cùng một thời điểm có thể có nhiều ribôxôm tham gia dịch mã trên một phân tử mARN Câu 10 Khi nói về cơ chế di truyền ở sinh vật nhân thực, trong điều kiện không có đột biến xảy
ra, phát biểu nào sau đây là không đúng?
A Sự nhân đôi ADN xảy ra ở nhiều điểm trong mỗi phân tử ADN tạo ra nhiều đơn vị tái bản
B Trong dịch mã, sự kết cặp các nuclêôtit theo nguyên tắc bổ sung xảy ra ở tất cả các nuclêôtit trên phân tử mARN
C Trong tái bản ADN, sự kết cặp các nuclêôtit theo nguyên tắc bổ sung xảy ra ở tất cả các nuclêôtit trên mỗi mạch đơn
D Trong phiên mã, sự kết cặp các nuclêôtit theo nguyên tắc bổ sung xảy ra ở tất cả các nuclêôtit trên mạch mã gốc ở vùng mã hoá của gen
Câu 11 Cho các sự kiện diễn ra trong quá trình dịch mã ở tế bào nhân thực như sau:
(1) Bộ ba đối mã của phức hợp Met - tARN (UAX) gắn bổ sung với côđon mở đầu (AUG) trên mARN
(2) Tiểu đơn vị lớn của ribôxôm kết hợp với tiểu đơn vị bé tạo thành ribôxôm hoàn chỉnh
(3) Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn với mARN ở vị trí nhận biết đặc hiệu
(4) Côđon thứ hai trên mARN gắn bổ sung với anticôđon của phức hệ aa1 - tARN (aa1: axit amin đứng liền sau axit amin mở đầu)
Trang 12(5) Ribôxôm dịch đi một côđon trên mARN theo chiều 5’ → 3’
(6) Hình thành liên kết peptit giữa axit amin mở đầu và aa1
Thứ tự đúng của các sự kiện diễn ra trong giai đoạn mở đầu và giai đoạn kéo dài chuỗi pôlipeptit là:
A (1) → (3) → (2) → (4) → (6) → (5)
B (3) → (1) → (2) → (4) → (6) → (5)
C (2) → (1) → (3) → (4) → (6) → (5)
D (5) → (2) → (1) → (4) → (6) → (3)
Câu 12 Cho các thông tin sau đây:
(1) mARN sau phiên mã được trực tiếp dùng làm khuôn để tổng hợp prôtêin
(2) Khi ribôxôm tiếp xúc với mã kết thúc trên mARN thì quá trình dịch mã hoàn tất
(3) Nhờ một enzim đặc hiệu, axit amin mở đầu được cắt khỏi chuỗi pôlipeptit vừa tổng hợp (4) mARN sau phiên mã phải được cắt bỏ intron, nối các êxôn lại với nhau thành mARN trưởng thành
Các thông tin về sự phiên mã và dịch mã đúng với cả tế bào nhân thực và tế bào nhân sơ là
A (3) và (4) B (1) và (4) C (2) và (3) D (2) và (4) Câu 13 Nội dung nào sau đây là sai
A Các riboxom giải mã trên mARN chuyển dịch theo chiều 5’ – 3’, trượt từng bộ ba tương ứng trên mARN
B Các đối mã của tARN giải mã cho các mã sao trên ARN theo nguyên tắc bổ sung nhằm xác định trình tự acid trên chuỗi polipeptit
C Mã kết thúc trên mARN không được tARN giải mã và không quy định acid amin nào
D Có bao nhiêu riboxom tham gia giải mã trên 1 phân tử mARN sẽ có bấy nhiêu phân tử protein khác loại được tổng hợp
Câu 14 Thành phần nào sau đây không tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein
