Chương 3: MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN, PROTEIN
§1. THÔNG TIN DI TRUYỀN VÀ MẬT MÃ DI TRUYỀN
gọi thông tin di truyền. Thông tin di truyền được chứa đựng và được mã hoá trong phân tử ADN bởi trình tự các nucleotit. Hiện tượng 3 nucleotit kế tiếp nhau trong gene quy định một axit amin trong chuỗi polipeptit được gọi là sự mã hoá bộ ba. Còn một bộ ba cụ thể xác định cho một axit amin cụ thể ( ví dụ: UGU: serine) được gọi là bộ ba mã hoá (codon - code). Phân tử tARN có một bộ
ba bổ sung với bộ ba mã sao của mARN được gọi là bộ ba đối mã (anticodon) ADN chứa thông tin di truyền, đó là thông tin quy định cấu trúc một loại protein, rARN và tARN. Trình tự của các bazơ trong ADN quyết định trình tự
của axit amin trên protein tương ứng.
Phân tử ADN được cấu tạo từ 4 loại nucleotit, và protein lại được cấu tạo từ 20 loại axit amin, nếu, một nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4 tổ
hợp mã; còn hai nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 42 = 16 tổ hợp mã bộ 2, như vậy vẫn còn thiếu 4 loại axit amin chưa được xác định bởi các mã bộ
hai. Và ba nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 43 = 64 tổ hợp mã bộ 3. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm: mã di truyền là mã bộ ba. Đối tượng là gene rII ở phage T4. Trong thí nghiệm người ta tạo đột biến mất (-) và thêm (+) một cặp bazơ trên ADN → biến đổi ADN → thành phần axit amin của protein.
Giả sử phân tử mARN chỉ có thành phần CAG và trong phân tử protein chỉ có một loại axit amin:
mARN CAG CAG CAG CAG CAG Protein a1 a1 a1 a1 a1
- Nếu đột biến làm mất C (-) ở vị trí mã số 2 trên mARN: mARN CAG AGC AGC AGC AGC
protein a1 a2 a2 a2 a2
- Nếu đột biến (+) thêm G vào giữa bộ ba thứ 2: mARN CAG AGC GAG CAG CAG CAG protein a1 a2 a3 a1 a1 a1
Các số liệu thực nghiệm thu được trên thí nghiệm rII ở thực khuẩn T4 đã chứng tỏ lập luận trên là đúng. Vậy mã di truyền là mã bộ ba nucleotit.
1.1. Giải mã di truyền
Năm 1961 M. Nirenberg sử dụng hệ thống vô bào để giải mã di truyền. Hệ thống vô bào được chiết từ E. coli có chứa ribosome, ARN, enzyme aminoacylsynthetase, mARN, các axit amin và một số phụ gia khác. Phản ứng diễn ra trong vài phút rồi dừng lại, nếu bổ sung thêm mARN thì việc tổng hợp lại tiếp diễn.
Nếu mARN nhân tạo chỉ toàn uraxin thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit phenylalanine, nếu mARN chỉ toàn adenine thì chuỗi polipeptit
được tổng hợp chỉ có loại axit lisine; nếu mARN toàn cytosine thì chuỗi polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit proline. Từ đó có thể suy ra bộ ba UUU quy định axit amin phenylalanine; AAA : lisine; CCC : proline.
Bằng phương pháp đó người ta đã tìm ra 61 bộ ba mã hoá. Ba bộ ba còn lại là UAA, UAG, UGA làm nhiệm vụ nhận biết tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi polipeptit, còn gọi là bộ ba vô nghĩa (non sense) vì chúng không quy
định axit amin.
1.2. Các đặc tính của mã
Thông tin được đọc theo từng cụm ba nucleotit một cách liên tục không ngắt quãng.
- Thông tin được đọc theo một chiều, bắt đầu từ một điểm xác định. - Mã di truyền mang tính phổ biến (umversal).
- Mã di truyền mang tính thoái hoá (degenerate), trừ 2 ngoại lệ AUG và UGG.
- Mã di truyền mang những bộ ba khởi đầu (AUG) ở đầu 5'. Các bộ ba kết thúc UAG, UAA, UGA.
Bảng mật mã di truyển (mã sao mARN)
U C A G UUU. Phe UCU Ser
UUC Phe. UCC Ser UUA Leu UCA Ser U
UUG Leu UCG Ser
UAU Tir UAC Tir UAA KT UAG KT UGU Cys UGC Cys UGA KT UGG Trp U C A G CUU Leu CCU Pro
CUC Leu CCC Pro CUA Leu CCA Pro C
CUG Leu CCG Pro
CAU His CAC His CAA Gin CAG Gin CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg U C A G AUU Isoleu ACU Thr
AUC Isoleu ACC Thr AUA Isoleu ACA Thr A
AUG Met ACG Thr
AAU Asn AAC Asn AAA Lis AAG Lis AGU Ser AGC Ser AGA Arg AGG Arg U C A G GUU Val GCU Ala
GUC Val GCC Ala GUA Val GCA Ala G
GUG Val GCG Ala
GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu GGU Gli GGC Gli GGA Gli GGG Gli U C A G Mã khởi đầu AUG có 2 chức năng: vừa tạo ra sự bắt đầu dịch mã (mã mở đầu) vừa mã hoá axit amin. (Một vài trường hợp mã mởđầu không phải là AUG mà là UGU điều khiển axit amin formyl methionine đi vào đầu chuỗi polipeptit). Mã kết thúc (codon vô nghĩa - nonsense):
UAA (ochae) Tín hiệu kết thúc
UGA (opal) quá trình tổng hợp protein
UAG (amber) - Tính linh hoạt
Trong tế bào có những loại tARN có thể đồng thời có một số bộ ba khác nhau. Phân tích trình tự tARN đã cho thấy rằng một số tARN có cấu trúc inosine là một trong các bazơ của cụm mã đối (anticodon). Đặc điểm của inosine được thể hiện ở hình 3.1.
Phân tích trình tự cho thấy đầu 5' của codon đối mã (bổ trợ với bazơ thứ
ba của cụm mã) khác với 2 bazơ kia, có khả năng kết hợp với một số bazơ trên
đầu 3' của cụm mã. Hiện tượng này còn được gọi là tính "linh hoạt" trong kết cặp bazơ và tính linh hoạt là có giới hạn:
Hình 3.1. Cấu trúc của inosine và guanine
Bazơ trên đầu 5' của anticodon Bazơ trên đầu 3' của cụm mã
G kết cặp với U hoặc C
C kết cặp với G
A kết cặp với U
U kết cặp với A hoặc G
I (Inosin) kết cặp với A, U hoặc G
Hình 3.2. Tính linh hoạt của mã di truyền 1.3. Đột biến và mã di truyền
Mối liên quan giữa đột biến và mã di truyền được thể hiện ở 4 kiểu đột biến cơ bản.
1.3.1. Đột biến nhầm nghĩa
Một cặp bazơ bị biến đổi dẫn đến thay đổi cụm mã tương ứng trên mARN và làm thay đổi 1 axit amin trên polipeptit.
1.3.2. Đột biến vô nghĩa
3' AGT CAA GGT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5
Đột biến thay thếở bộ ba thứ 4 (G-C bị thay thế bởi A-T)
3' AGT CAA GGT TAC CAT 5'
Thay đối ở mARN
5' UCA GUU CCA AUG GUA 3' mARN
Biến đổi một cặp bazơ làm xuất hiện một codon vô nghĩa dẫn đến xuất hiện tín hiệu kết thúc chuỗi polipeptit làm cho chuỗi polipeptit được tổng hợp ngắn (ít axit amin) hơn bình thường.
3' AGT CAA GAT TGC CAT 5'
1 2 3 4 5
Đột biến măt cặp bazơ G-X ở bộ ba thứ 3
3' AGT CAA ATT GCC AT 5'
Xuất hiện mã kết thúc UAA ở mARN
5' UCA GUU UAA CGG UA 3' mARN
1.3.3. Đột biến cặp bazơ ở bộ ba quy định axit amin 1àm xuất hiện codon mới (codon thoái hoá) không ảnh hưởng đến chuỗi polipeptit
Một loại axit amin có thể được quy định bởi một vài bộ ba: ví dụ GUU, GUC, GUA, GUG cùng quy định axit amin valine.
Trường hợp bình thường:
3' AGT CAA GGT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5
5' UCA GUU CCA ACG GUA 3' mARN
Scrine - Valine - Proline - Threonie - Valine.. Protein
1.3.4. Đột biến dịch khung
3' AGT CAA GGT TGC CAT 5' 1 2 3 4 5
Đột biến thay thế ở bộ ba thứ 2 (A-T bị thay thế bởi G-X)
3' AGT CAG GOT TAC CAT 5'
Thay đối ở mARN 1àm BD đổi GUU thành GUC
5' UCA GUC CCA AUC GUA 3' mARN
... Serine - Valine - proline - Threonie - Valine... Protein
(GUU và GUC cùng quy định valine)
Hiện tượng mất hoặc thêm một cặp bazơ dẫn đến tổ hợp lại các codon và làm thay đổi thành phần axit amin của chuỗi polipeptit.
• Trường hợp bình thường:
3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene
Phiên mã
5' UUG UGU GUC CAA GUU UCC UCG 3' mARN
Dịch mã
- Leucinne - Cysteine-Valine - Glicine - Valine - Tryptophane - Serine
Protein
• Trường hợp đột biến dịch khung:
3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene
Đột biến mất cặp C-G ở bộ ba thứ 3 3' aAC acAn agg ttc aaa Gga gc 5' Gene đột biến
Phiên mã
5' UUG UGU UCC AAG UUU CCU CG 3' mARN
Dịch mã
- Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline
Như vậy chuỗi polipeptide có thành phần axit amin:
- Leucinne - Cysteine-Valine - Glicine - Valine - Tryptophane - Serine Biến đổi thành:
- Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline.
§2. PROTEIN