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