Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Dịch mã và bài tập định lượng
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được cơ chế dịch mã trên ribosome, nêu đúng mối quan hệ giữa số nucleotide của gene, số ribonucleotide của mRNA, số codon, số amino acid và số liên kết peptide, và tính được các đại lượng này theo cả hai chiều — từ chiều dài gene suy ra số amino acid, và ngược lại.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước em vừa học phiên mã tạo ra mRNA trưởng thành từ gene (same-grade bridge). mRNA mang thông tin ra tế bào chất, nhưng bản thân trình tự nucleotide không phải là protein — phải qua thêm một bước nữa mới thành chuỗi amino acid. Bài này học bước đó: dịch mã.
Khởi động
mRNA chỉ có 4 loại nucleotide, nhưng chuỗi polypeptide được tạo ra lại có tới 20 loại amino acid khác nhau, xếp đúng thứ tự quy định bởi trình tự mRNA. Bộ máy nào trong tế bào "đọc" được mRNA và "viết" ra đúng loại amino acid tương ứng ở đúng vị trí?
Kiến thức trọng tâm
Dịch mã là quá trình ribosome trượt dọc mRNA, đọc lần lượt từng codon và tổng hợp chuỗi polypeptide tương ứng. Mỗi phân tử tRNA mang một amino acid xác định ở một đầu, và một bộ ba đối mã (anticodon) ở đầu kia, bổ sung chính xác với một codon trên mRNA. Khi anticodon của tRNA khớp với codon đang được ribosome đọc, amino acid trên tRNA đó được gắn vào chuỗi polypeptide đang hình thành, nối với amino acid liền trước bằng một liên kết peptide.
Dịch mã bắt đầu khi ribosome nhận diện mã mở đầu AUG trên mRNA, tRNA mang methionine tới khớp anticodon với AUG. Ribosome sau đó trượt lần lượt qua từng codon tiếp theo, mỗi codon được một tRNA mang đúng amino acid tương ứng khớp vào, amino acid mới nối với chuỗi đang kéo dài bằng liên kết peptide. Quá trình dừng lại khi ribosome gặp một mã kết thúc — UAA, UAG hoặc UGA — không có tRNA nào khớp với các bộ ba này, chuỗi polypeptide được giải phóng khỏi ribosome.
Mỗi codon khớp với đúng một tRNA mang đúng một amino acid; mã kết thúc không có tRNA tương ứng nên dịch mã dừng lại.
Vì gene có 2 mạch bổ sung còn mRNA chỉ có 1 mạch, số ribonucleotide của mRNA đúng bằng một nửa số nucleotide của gene: nếu gene có N nucleotide, tính cả 2 mạch, thì mRNA có $rN = N \div 2$ ribonucleotide. Mỗi codon gồm 3 ribonucleotide, nên tổng số codon trên mRNA — TÍNH CẢ mã kết thúc — là $rN \div 3 = N \div 6$. Vì mã kết thúc không mã hoá amino acid nào, số amino acid thực sự được dùng trong quá trình dịch mã, kể cả methionine mở đầu, là $(N \div 6) - 1$.
Một chuỗi gồm $n$ amino acid nối tiếp nhau có đúng $n - 1$ liên kết peptide, vì mỗi liên kết peptide nối hai amino acid liền kề — số liên kết luôn ít hơn số amino acid đúng 1 đơn vị. Ngoài ra, ở nhiều loại protein, amino acid methionine mở đầu bị cắt bỏ sau khi dịch mã hoàn tất, nên số amino acid trong chuỗi polypeptide TRƯỞNG THÀNH, chức năng, thường ít hơn số amino acid lúc mới dịch mã xong đúng 1 đơn vị nữa.
Mỗi bước giảm đúng theo quy tắc đã học: codon = ribonucleotide ÷ 3; amino acid = codon − 1 (trừ mã kết thúc); liên kết peptide = amino acid − 1.
Ví dụ
Từ chiều dài gene suy ra số amino acid và số liên kết peptide
1
Một gene có N = 3000 nucleotide, tính cả hai mạch, được phiên mã và dịch mã hoàn chỉnh một lần. Tính: (a) số ribonucleotide của mRNA, (b) tổng số codon trên mRNA, (c) số amino acid được dùng trong quá trình dịch mã, kể cả Met mở đầu, không kể mã kết thúc, (d) số liên kết peptide của chuỗi polypeptide vừa dịch mã xong, (e) số amino acid của chuỗi polypeptide trưởng thành sau khi cắt bỏ Met mở đầu.
2
Vì mRNA chỉ có 1 mạch, tương ứng một nửa số nucleotide của gene: $rN = N \div 2 = 3000 \div 2 = 1500$ ribonucleotide.
3
Mỗi codon gồm 3 ribonucleotide, nên tổng số codon — kể cả mã kết thúc — là $1500 \div 3 = 500$ codon.
4
Trong 500 codon, 1 codon là mã kết thúc, không mã hoá amino acid nào. Số amino acid thực sự được dùng là $500 - 1 = 499$.
5
Chuỗi polypeptide vừa dịch mã xong có 499 amino acid nối tiếp nhau, nên số liên kết peptide là $499 - 1 = 498$.
6
Sau khi cắt bỏ amino acid methionine mở đầu, chuỗi polypeptide trưởng thành còn lại $499 - 1 = 498$ amino acid.
7
Vậy mRNA có 1500 ribonucleotide, 500 codon; chuỗi polypeptide vừa dịch mã có 499 amino acid và 498 liên kết peptide; chuỗi trưởng thành sau khi cắt Met có 498 amino acid.
Ví dụ
Bài toán ngược: từ số amino acid trưởng thành suy ra chiều dài gene (dạng đề kiểm tra)
1
Một chuỗi polypeptide trưởng thành, đã cắt bỏ Met mở đầu, có 199 amino acid. Xác định chiều dài N của gene đã mã hoá cho chuỗi polypeptide này.
2
Chuỗi trưởng thành có 199 amino acid sau khi đã cắt Met mở đầu, nên số amino acid lúc vừa dịch mã xong, trước khi cắt, là $199 + 1 = 200$.
3
200 amino acid này ứng với 200 codon mã hoá; cộng thêm 1 mã kết thúc không mã hoá amino acid nào, tổng số codon trên mRNA là $200 + 1 = 201$.
4
Mỗi codon gồm 3 ribonucleotide, nên mRNA có $201 \times 3 = 603$ ribonucleotide.
5
Vì mRNA có số ribonucleotide bằng một nửa số nucleotide của gene, $N = 603 \times 2 = 1206$ nucleotide.
6
Kiểm tra ngược: với N = 1206, $rN = 603$, số codon $= 603 \div 3 = 201$, số amino acid dùng khi dịch mã $= 201 - 1 = 200$, số amino acid trưởng thành sau khi cắt Met $= 200 - 1 = 199$ — khớp đúng với dữ kiện đề bài.
7
Vậy gene đã mã hoá cho chuỗi polypeptide này có N = 1206 nucleotide.
Sai lầm thường gặp
Sai lầm phổ biến nhất là quên trừ mã kết thúc khi tính số amino acid từ số codon — mã kết thúc chiếm 1 codon nhưng không mã hoá amino acid nào, nên số amino acid luôn ít hơn số codon đúng 1 đơn vị. Sai lầm khác là nhầm số liên kết peptide với số amino acid — một chuỗi n amino acid chỉ có n − 1 liên kết peptide, không phải n liên kết, vì liên kết peptide nối HAI amino acid liền kề, không phải mỗi amino acid có một liên kết riêng.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Với gene N nucleotide: mRNA có $N \div 2$ ribonucleotide, $N \div 6$ codon, kể cả mã kết thúc, $(N \div 6) - 1$ amino acid dùng khi dịch mã, và $(N \div 6) - 2$ liên kết peptide. Đi ngược từ số amino acid về N cũng dùng đúng các bước đó, chỉ theo chiều ngược lại.
Không phải gene nào cũng được phiên mã và dịch mã cùng một lúc, ở mọi tế bào. Bài tiếp theo giải thích cơ chế tế bào quyết định gene nào được "bật", gene nào bị "tắt".
Dịch mã là quá trình ribosome trượt dọc mRNA, đọc lần lượt từng codon và tổng hợp chuỗi polypeptide tương ứng. Mỗi phân tử tRNA mang một amino acid xác định ở một đầu, và một bộ ba đối mã (anticodon) ở đầu kia, bổ sung chính xác với một codon trên mRNA. Khi anticodon của tRNA khớp với codon đang được ribosome đọc, amino acid trên tRNA đó được gắn vào chuỗi polypeptide đang hình thành, nối với amino acid liền trước bằng một liên kết peptide.
Dịch mã bắt đầu khi ribosome nhận diện mã mở đầu AUG trên mRNA, tRNA mang methionine tới khớp anticodon với AUG. Ribosome sau đó trượt lần lượt qua từng codon tiếp theo, mỗi codon được một tRNA mang đúng amino acid tương ứng khớp vào, amino acid mới nối với chuỗi đang kéo dài bằng liên kết peptide. Quá trình dừng lại khi ribosome gặp một mã kết thúc — UAA, UAG hoặc UGA — không có tRNA nào khớp với các bộ ba này, chuỗi polypeptide được giải phóng khỏi ribosome.
Vì gene có 2 mạch bổ sung còn mRNA chỉ có 1 mạch, số ribonucleotide của mRNA đúng bằng một nửa số nucleotide của gene: nếu gene có N nucleotide, tính cả 2 mạch, thì mRNA có rN=N÷2 ribonucleotide. Mỗi codon gồm 3 ribonucleotide, nên tổng số codon trên mRNA — TÍNH CẢ mã kết thúc — là rN÷3=N÷6. Vì mã kết thúc không mã hoá amino acid nào, số amino acid thực sự được dùng trong quá trình dịch mã, kể cả methionine mở đầu, là (N÷6)−1.
Một chuỗi gồm n amino acid nối tiếp nhau có đúng n−1 liên kết peptide, vì mỗi liên kết peptide nối hai amino acid liền kề — số liên kết luôn ít hơn số amino acid đúng 1 đơn vị. Ngoài ra, ở nhiều loại protein, amino acid methionine mở đầu bị cắt bỏ sau khi dịch mã hoàn tất, nên số amino acid trong chuỗi polypeptide TRƯỞNG THÀNH, chức năng, thường ít hơn số amino acid lúc mới dịch mã xong đúng 1 đơn vị nữa.
Một gene có N = 3000 nucleotide, tính cả hai mạch, được phiên mã và dịch mã hoàn chỉnh một lần. Tính: (a) số ribonucleotide của mRNA, (b) tổng số codon trên mRNA, (c) số amino acid được dùng trong quá trình dịch mã, kể cả Met mở đầu, không kể mã kết thúc, (d) số liên kết peptide của chuỗi polypeptide vừa dịch mã xong, (e) số amino acid của chuỗi polypeptide trưởng thành sau khi cắt bỏ Met mở đầu.
Vì mRNA chỉ có 1 mạch, tương ứng một nửa số nucleotide của gene: rN=N÷2=3000÷2=1500 ribonucleotide.
Mỗi codon gồm 3 ribonucleotide, nên tổng số codon — kể cả mã kết thúc — là 1500÷3=500 codon.
Trong 500 codon, 1 codon là mã kết thúc, không mã hoá amino acid nào. Số amino acid thực sự được dùng là 500−1=499.
Chuỗi polypeptide vừa dịch mã xong có 499 amino acid nối tiếp nhau, nên số liên kết peptide là 499−1=498.
Sau khi cắt bỏ amino acid methionine mở đầu, chuỗi polypeptide trưởng thành còn lại 499−1=498 amino acid.
Chuỗi trưởng thành có 199 amino acid sau khi đã cắt Met mở đầu, nên số amino acid lúc vừa dịch mã xong, trước khi cắt, là 199+1=200.
200 amino acid này ứng với 200 codon mã hoá; cộng thêm 1 mã kết thúc không mã hoá amino acid nào, tổng số codon trên mRNA là 200+1=201.
Mỗi codon gồm 3 ribonucleotide, nên mRNA có 201×3=603 ribonucleotide.
Vì mRNA có số ribonucleotide bằng một nửa số nucleotide của gene, N=603×2=1206 nucleotide.
Kiểm tra ngược: với N = 1206, rN=603, số codon =603÷3=201, số amino acid dùng khi dịch mã =201−1=200, số amino acid trưởng thành sau khi cắt Met =200−1=199 — khớp đúng với dữ kiện đề bài.
Sai lầm phổ biến nhất là quên trừ mã kết thúc khi tính số amino acid từ số codon — mã kết thúc chiếm 1 codon nhưng không mã hoá amino acid nào, nên số amino acid luôn ít hơn số codon đúng 1 đơn vị. Sai lầm khác là nhầm số liên kết peptide với số amino acid — một chuỗi n amino acid chỉ có n − 1 liên kết peptide, không phải n liên kết, vì liên kết peptide nối HAI amino acid liền kề, không phải mỗi amino acid có một liên kết riêng.
Với gene N nucleotide: mRNA có N÷2 ribonucleotide, N÷6 codon, kể cả mã kết thúc, (N÷6)−1 amino acid dùng khi dịch mã, và (N÷6)−2 liên kết peptide. Đi ngược từ số amino acid về N cũng dùng đúng các bước đó, chỉ theo chiều ngược lại.