Campbell phiên mã và dịch mã ADN

325


17.1. Gen xác định protein qua phiên m và dịch m
17.2. Phiên m là quá trình tổng hợp ARN do ADN
điểu khiển: Quan sát gần hơn
17.3. Các tế bào sinh vật nhân thật cải biến ARN sau
phiên m
17.4. Dịch m là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit
do ARN điều khiển: Quan sát gần hơn
17.5. Các đột biến điểm có thể ảnh hởng đến cấu
trúc và chức năng protein
17.6. Mặc dù sự biểu hiện gen ở các liên giới sinh vật là
khác nhau, nhng khái niệm gen là thống nhất





ào năm 2006, hình ảnh một con hơu con bị bạch tạng
đang nô đùa giữa đàn hơu nâu ở vùng núi miền đông
nớc Đức đã gây nên một làn sóng phản ứng khác nhau
trong cộng đồng (Hình 17.1). Một tổ chức săn bắn động vật ở
địa phơng cho rằng: con hơu bạch tạng mắc bệnh di truyền
và cần giết bỏ. Một số ngời khác thì cho rằng con hơu đó cần
đợc bảo vệ bằng cách cho lai với những con hơu khác để bảo
vệ vốn gen của quần thể. Trong khi, những ngời khác thì ủng
hộ quan điểm cần chuyển con hơu đó vào vờn quốc gia để
bảo vệ, vì trong môi trờng sống hoang dại, con hơu này dễ bị
các loài động vật ăn thịt phát hiện. Một siêu sao nhạc rốc ngời
Đức thậm chí đã tổ chức một buổi biểu diễn quyên góp tiền để

làm việc di chuyển và bảo vệ con hơu này. Điều gì đã dẫn đến
kiểu hình kỳ lạ của con hơu này, vốn là nguyên nhân dẫn đến
những quan điểm tranh cãi khác nhau?
ở Chơng 14, chúng ta đã biết rằng các tính trạng di truyền
đợc qui định bởi các gen và tính trạng bạch tạng là do một
alen lặn thuộc gen tổng hợp sắc tố gây nên. Các nội dung thông
tin đợc mã hóa trong các gen biểu hiện ở dạng các trình tự
nucleotit đặc thù trên phân tử ADN, tức là phân tử mang thông
tin di truyền. Nhng bằng cách nào các thông tin này có thể qui
định các tính trạng của một cơ thể sinh vật? Nói cách khác,
bằng cách nào mỗi gen có thể truyền đạt đợc thông điệp của
nó? Và bằng cách nào thông điệp của nó đợc tế bào dịch mã
thành một tính trạng nhất định, chẳng hạn nh màu tóc nâu,
hay nhóm máu A, hay nh trong trờng hợp con hơu bạch
tạng ở trên là sự thiếu hụt hoạt toàn sắc tố da? Con hơu có
kiểu hình bạch tạng ở trên là do một enzym thiết yếu cần cho
sự tổng hợp sắc tố của nó bị sai hỏng; mà nguyên nhân dẫn đến
protein này bị sai hỏng là do gen mã hóa enzym mang thông tin
không chính xác.
Ví dụ về hơu bạch tạng minh họa nội dung chính của
chơng này, đó là: ADN mà mỗi cá thể đợc di truyền từ bố,
mẹ qui định các tính trạng đặc thù của nó thông qua quá trình
tổng hợp protein và các phân tử ARN liên quan đến sự tổng hợp
protein. Nói cách khác protein là cầu nối giữa kiểu gen và kiểu
hình. Sự biểu hiện của gen là quá trình ở đó ADN điều khiển
sự tổng hợp protein (hoặc trong một số trờng hợp, sản phẩm
cuối cùng là các ARN). Sự biểu hiện của một gen mã hóa
protein luôn gồm hai giai đoạn: phiên mã và dịch mã. Chơng
này đề cập đến các bớc của dòng thông tin đi từ gen đến
protein và giải thích tại sao các đột biến di truyền có thể ảnh

hởng đến các cơ thể sinh vật thông qua các protein của chúng.
Sự biểu hiện của các gen diễn ra thông qua các quá trình tơng
đối giống nhau ở cả ba liên giới sinh vật là sinh vật nhân sơ
(prokaryote), sinh vật nhân thật (eukaryote) và vi khuẩn cực
đoan (archea). Những hiểu biết về những quá trình này sẽ cho
phép chúng ta nhìn lại về khái niệm gen một cách thấu đáo hơn
ở phần cuối của chơng này.
Trớc khi tìm hiểu chi tiết bằng cách nào các gen có thể điều
khiển sự tổng hợp protein, chúng ta hãy quay ngợc bánh xe
lịch sử để xem gen và protein đợc phát hiện nh thế nào.
Bằng chứng từ các nghiên cứu về sai
hỏng chuyển hóa
Vào năm 1909, bác sĩ ngời Anh Archibald Garrod là ngời
đầu tiên cho rằng các gen qui định kiểu hình thông qua các
V
Các khái niệm chính

Tổng quan

Dòng thông tin di truyền
Hình 17.1 Tại sao một gen sai hỏng duy nhất có thể
dẫn đến kiểu hình khác biệt rõ rệt ở hơu bạch tạng?

Từ Gen
đến Protein

1
7
.1

Khái niệ
m

Gen xác định protein qua phiên
m và dịch m

326 khối kiến thức 3 Di truyền học

enzym xúc tác các phản ứng diễn ra trong tế bào. Garrod dự
đoán rằng các triệu chứng của một bệnh di truyền là kết quả
của việc mất khả năng tổng hợp một enzym nhất định nào đó ở
ngời bệnh. Ông coi những bệnh nh vậy là những rối loạn
trao đổi chất bẩm sinh. Garrod đã nêu ví dụ về một bệnh di
truyền đợc gọi là alkapto niệu; ở những ngời mắc bệnh này,
nớc tiểu có màu đen do trong thành phần có alkapton là một
chất chuyển mầu sẫm khi tiếp xúc với không khí. Garrod cho
rằng phần lớn mọi ngời đều có một enzym giúp chuyển hóa
alkapton, nhng những ngời bị bệnh đã đợc di truyền gen
mất khả năng tổng hợp enzym này.
Garrod cũng có thể là một trong những ngời đầu tiên nhận
ra các qui luật di truyền của Mendel có thể áp dụng cho ngời
giống nh với cây đậu Hà lan. Có thể nói nhận thức của Garrod
đã đi trớc thời đại, bởi vì các nghiên cứu đợc tiến hành sau
đó hàng chục năm mới thực sự ủng hộ cho giả thiết của ông về
việc mỗi gen điều khiển sự tổng hợp của một enzym đặc thù.
Các nhà hóa sinh học ngày càng tích lũy đợc nhiều bằng
chứng cho thấy tế bào tiến hành tổng hợp và phân hủy phần lớn
các chất hữu cơ thông qua các con đờng chuyển hóa, ở đó mỗi
phản ứng hóa học đều đợc xúc tác bởi một enzym đặc thù
(xem trang 142). Một ví dụ về con đờng chuyển hóa nh vậy

là sự tổng hợp các sắc tố quy định màu mắt ở ruồi Drosophila
(xem Hình 15.3). Vào khoảng những năm 1930, George Beadle
và Boris Ephrussi dự đoán rằng ở ruồi Drosophila, mỗi một thể
đột biến màu mắt đều có quá trình tổng hợp sắc tố bị ức chế tại
một bớc đặc thù nào đó, do thiếu sự tổng hợp enzym xúc tác
bớc phản ứng đó. Tuy vậy, vào thời điểm đó không có phản
ứng nào cũng nh enzym có liên quan đến sự tổng hợp sắc tố
qui định màu mắt ở ruồi giấm đợc biết đến.
Các thể đột biến khuyết dỡng ở
Neurospora: Điều tra khoa học
Một bớc ngoặt trong việc làm sáng tỏ mối quan hệ giữa gen và
enzym đến sau đó vài năm khi Beadle và Edward Tatum nghiên
cứu ở nấm men Neurospora crassa. Trên cơ sở các phơng
pháp gây tạo đột biến đợc tìm ra từ những năm 1920, các nhà
khoa học đã dùng tia X bắn phá các chủng Neurospora để
tạo nên các chủng đột biến có nhu cầu dinh dỡng khác so với
kiểu dại. Các chủng nấm men Neurospora kiểu dại có nhu cầu
dinh dỡng đơn giản. Chúng có thể dễ dàng sống trong môi
trờng thạch (agar) đợc bổ sung một số muối vô cơ, đờng
glucose và vitamin biotin. Từ môi trờng tối thiểu này, các tế
bào nấm men có thể dùng các con đờng chuyển hóa của chúng
để tạo nên tất cả các phân tử cần cho sự sinh trởng và phát
triển của mình. Beadle và Tatum đã xác định đợc nhiều chủng
đột biến không có khả năng sống trên môi trờng tối thiểu do
nguyên nhân mất khả năng tổng hợp một hợp chất thiết yếu nào
đó. Những chủng đột biến nh vậy đợc gọi là đột biến khuyết
dỡng. Để có thể nuôi các chủng đột biến này, Beadle và
Tatum phải nuôi chúng trong môi trờng đủ, gồm các thành
phần của môi trờng tối thiểu, ngoài ra bổ sung thêm 20 loại
axit amin và một số chất dinh dỡng khác nữa. Trong môi

trờng đủ, mọi thể đột biến đều có khả năng sống dù chúng
không có khả năng tổng hợp một chất nào đó.
Để phân tích đặc điểm của các dạng sai hỏng trao đổi chất ở
các chủng đột biến khuyết dỡng, Beadle và Tatum đã tiến
hành lấy mẫu bằng cách nuôi chúng trong môi trờng đủ, rồi
phân phối chúng vào các ống đựng mẫu. Trong mỗi ống đựng
mẫu, họ bổ sung môi trờng tối thiểu, ngoài ra chỉ bổ sung
thêm một chất dinh dỡng nhất định (vốn khác nhau giữa môi
trờng đủ và mối trờng tối thiểu). Chất bổ sung đặc thù cho
phép nấm men đột biến có thể sinh trởng sẽ cung cấp thông
tin về kiểu sai hỏng chuyển hóa ở chủng nấm men đột biến. Ví
dụ, nếu chủng đột biến đợc tìm thấy có khả năng phát triển
trong môi trờng bổ sung axit amin arginine, thì các nhà nghiên
cứu kết luận rằng thể đột biến đó bị sai hỏng trong con đờng
chuyển hóa tổng hợp arginine so với chủng kiểu dại.
Beadle và Tatum sau đó tiếp tục xác định tính đặc thù của
mỗi thể đột biến. Hình 17.2 minh họa cách họ dùng các phép thử
tiếp theo để phân biệt ba thể đột biến khác nhau dù chúng đều là
các đột biến khuyết dỡng về arginine. Mỗi thể đột biến này đều
cần một nhóm chất khác nhau dọc theo con đờng sinh tổng hợp
arginine gồm ba bớc. Từ kết quả thí nghiệm, các nhà nghiên
cứu cho rằng các thể đột biến đã bị ức chế ở các bớc khác nhau
của cùng con đờng chuyển hóa trong đó mỗi thể đột biến thiếu
một enzym tơng ứng với bớc chuyển hóa bị ức chế.
Do trong nghiên cứu của Beadle và Tatum, các sai hỏng ở
các thể đột biến đều liên quan đến một gen duy nhất, nên kết
quả nghiên cứu của họ đã ủng hộ cho Giả thiết một gen - một
enzym mà chính hai nhà khoa học này đã đa ra. Giả thiết một
gen - một enzym phát biểu rằng: chức năng của một gen là
điều khiển sự tổng hợp một enzym đặc thù. Giả thiết này sau đó

tiếp tục đợc củng cố khi ngày càng có nhiều thể đột biến đợc
xác định thiếu một enzym đặc thù nào đó so với các dạng kiểu
dại. Năm 1958, Beadle và Tatum đợc trao giải thởng Nobel
về phát hiện của họ cho thấy các gen điều khiển các sự kiện
hóa học xác định (Trích nguyên văn từ ủy ban Nobel).
Sản phẩm biểu hiện của gen: Câu
chuyện tiếp tục phát triển
Khi các nhà nghiên cứu ngày càng hiểu rõ hơn về protein, họ
bắt đầu xem lại giả thiết một gen - một enzym. Trớc hết,
không phải mọi protein đều là enzym. Ví dụ nh, keratin là một
protein cấu trúc có trong thành phần lông, tóc ở động vật; hay
nh insulin là một protein có chức năng điều hòa (hoocmôn),
đều là các protein nhng không phải là enzym. Do có nhiều
protein không phải là enzym nhng vẫn là các sản phẩm của
gen, nên các nhà sinh học phân tử bắt đầu nghĩ về khái niệm
một gen - một protein. Tuy vậy, rất nhiều protein đợc cấu tạo
nên từ hai hay nhiều chuỗi polypeptit khác nhau, mà mỗi chuỗi
polypeptit lại đợc mã hóa bởi một gen riêng. Ví dụ nh,
protein vận chuyển ôxy trong máu của động vật có xơng sống
là hemoglobin đợc cấu tạo nên từ hai loại polypeptit đợc mã
hóa tơng ứng bởi hai gen khác nhau (xem Hình 5.21). Vì vậy,
ý tởng của Beadle và Tatum đã đợc phát biểu lại là Giả thiết
một gen - một chuỗi polypeptit. Mặc dù vậy, khái niệm này
cũng không hoàn toàn chính xác. Thứ nhất, nhiều gen ở sinh
vật nhân thật có thể đồng thời mã hóa cho nhiều chuỗi
polypeptit khác nhau nhng có quan hệ với nhau thông qua
cách hoàn thiện các sản phẩm phiên mã và dịch mã khác nhau
mà chúng ta sẽ đề cập đến ở phần sau của chơng này. Thứ hai,
một số gen mã hóa cho các phân tử ARN có chức năng quan
trọng trong tế bào, mặc dù chúng không bao giờ đợc dịch mã

thành protein. Tuy vậy, hiện nay chúng ta chủ yếu tập trung vào
các gen mã hóa cho các chuỗi polypeptit. (Trong thực tế hiện
nay sản phẩm của các gen thờng đợc hiểu với nghĩa phổ
biến là protein, chứ không phải chính xác hơn là các chuỗi
polypeptit - một thực tế bạn cũng sẽ gặp trong cuốn sách này).
Chơng 17 Từ gen đến protein 327





Có phải các gen quy định các enzym biểu hiện chức năng trong các con đờng hóa sinh?













G.W. Beadle and E.L. Tatum, Genetic control of biochemical reactions in Neurospora,
Proceedings of the National Academy of Science 27: 499 - 506 (1941).
Giả sử kết quả thí nghiệm là: các thể đột biến nhóm I chỉ sinh trởng đợc trên môi
trờng MM bổ sung thêm hoặc ornithine hoặc arginine và các đột biến nhóm II sinh trởng đợc trên
môi trờng MM đợc bổ sung thêm hoặc citruline, ornithine hay arginine. Beadle và Tatum sẽ rút ra

những kết luận gì về con đờng chuyển hóa và những sải hỏng ở các thể đột biến thuộc nhóm I và II?

Hình 1
7
.
2

Nghiên cứu phát hiện

Thí nghiệm

Kết quả

Kết luận

Nguồn

Nếu thì sao ?

Khi nghiên cứu ở
Neurospora crassa
, George Beadle và Edward
Tatum
tại Đại học Stanford đã phân lập đợc các thể đột biến cần bổ sung
arginine vào môi trờng sinh trởng của chúng. Các nhà nghiên cứu thấy rằng
các thể đột biến này chia làm ba nhóm, mỗi
nhóm bị sai hỏng một gen khác
nhau. Cân nhắc trên các dữ liệu thí nghiệm, họ dự đoán con đờng sinh tổng hợp
arginine liên quan đến một tiền chất trong môi trờng dinh dỡng và các phân tử
trung gian là ornithine và citruline. Thí nghiệm nổi tiếng nhất của

họ đợc minh
họa ở đây vừa chứng minh giả thiết một gen -
một enzym vừa xác nhận con
đờng tổng hợp arginine mà họ đã dự đoán. Trong thí nghiệm này, họ đã nuôi ba
nhóm nấm men đột biến trong 4 điều kiện môi trờng khác nhau nh đợc minh
họa ở phần Kết quả dới đây. ở
đây, họ đã dùng môi trờng tối thiểu (MM) làm
đối chứng do trong môi trờng này các tế bào kiểu dại có thể sinh trởng, trong
khi các tế bào đột biến thì không. (Xem hình minh họa các ống nghiêm bên phải.)

Chủng kiểu dại có khả năng sinh
tr
ởng trong tất cả các điều kiện thí nghiệm
khác nhau, chỉ đòi hỏi môi trờng tối thiểu.
Trong khi đó, ba nhóm đột biến đều cần bổ
sung những chất dinh dỡng đặc thù cho mỗi
nhóm. Ví dụ: các đột biến nhóm II không sinh
trởng đợc trong môi trờng chỉ bổ sun
g
ornithrine, mà chỉ sinh trởng trong các môi
trờng hoặc bổ sung citruline hay arginine.
Từ những yêu cầu về nguồn dinh
dỡng của các thể đột biến, Beadle và Tatum
đã suy luận ra rằng mỗi nhóm đột biến không
thể thực hiện một bớc trong con đờng sinh
t
ổng hợp arginine, mà theo giả thiết là do
chúng thiếu những enzym đặc thù. Do mỗi
nhóm đột biến bị đột biến ở một gen duy nhất,
họ kết luận rằng mỗi gen bình thờng qui định

việc tế bào sản xuất một enzym. Kết quả
nghiên cứu này ủng hộ cho giả thiết một gen
-
một enzym của họ và đồng thời cũng xác
nhận con đờng chuyển hóa tổng hợp
arginine. (Chú ý trong phần Kết quả là các thể
đột biến chỉ sinh trởng đợc trong các môi
trờng bổ sung một hợp chất hình thành sau
bớc sai hỏng của quá trình chuyển hóa, vì
điều này mới có thể giúp khắc phục sai hỏng.)


Sinh trởng:
Các tế bào
kiểu dại sinh
trởng và
phân chia
Không sinh trởng:

Các tế bào đột
biến không sinh
trởng và phân
chia
Môi trờng
tối thiểu

Các nhóm Neurospora crassa

Kiểu dại Nhóm đột biến I Nhóm đột biến II

Nhóm đột biến III

Điều kiện môi trờng
Môi trờng tối
thiểu
(MM)
(Đối chứng)
MM +
ornithine
MM +
citruline
MM +
argini ne
(Đối chứng)
Sinh trởng
trong mọi điều
kiện thí nghiệm

Sinh trởng khi có
ornithine, citruline
hoặc arginine
Chỉ sinh trởng
khi có citruline
hoặc arginine
Nhất thiết phải có
arginine mới có
thể sinh trởng
Tiền chất Tiền chất Tiền chất Tiền chất
Enzym A
Enzym B

Enzym C
Enzym B Enzym B
Enzym C Enzym C
Enzym A Enzym A
Gen
A

Gen
B

Gen
C

Kiểu dại
Nhóm đột biến I
(đột biến ở gen A)
Nhóm đột biến II
(đột biến ở gen B)
Nhóm đột biến III
(đột biến ở gen C)
328 khối kiến thức 3 Di truyền học

Các nguyên lý cơ bản của phiên m
và dịch m
Gen cung cấp bản hớng dẫn để tế bào tổng hợp nên các
protein đặc thù. Tuy vậy, gen không trực tiếp tạo nên protein.
Cầu nối giữa ADN và sự tổng hợp protein là axit nucleic ARN.
Từ Chơng 5, chúng ta đã biết ARN có cấu trúc hóa học giống
ADN, trừ hai đặc điểm: i) nó chứa đờng ribose thay cho đờng
deoxyribose, và ii) nó mang bazơ nitơ loại uracil chứ không

phải loại thymine (xem Hình 5.27). Vì vậy, nếu nh các loại
nucleotit chạy dọc mạch ADN có các bazơ thuộc các loại A, G,
C và T, thì mỗi nucleotit của ARN có các bazơ điển hình là A,
G, C và U. Một phân tử ARN thờng tồn tại ở dạng mạch đơn.
Nh một thông lệ, dòng thông tin từ gen đến protein thờng
đợc mô tả nh sự truyền tải của các dạng ngôn ngữ bởi vì
các loại axit nucleic cũng nh protein đều là các đa phân tử
(polyme) truyền tải thông tin trên cơ sở trình tự đặc thù của các
đơn phân (monome), cũng giống nh cách chúng ta dùng Tiếng
Việt hay Tiếng Anh là trình tự đặc thù của các chữ cái để trao
đổi thông tin. Trong phân tử ADN và ARN, các monome là bốn
loại nucleotit khác nhau về thành phần bazơ. Các gen điển hình
có chiều dài hàng trăm hoặc hàng nghìn nucleotit, mỗi gen có
một trình tự bazơ đặc thù. Mỗi chuỗi polypeptit của một phân
tử protein cũng có các monome sắp xếp thành một chuỗi thẳng
hàng có trình tự nhất định (cấu trúc bậc 1 của protein); nhng
các monome của chúng là các axit amin. Nh vậy, các axit
nucleic và protein mang thông tin đợc viết bằng hai ngôn ngữ
hóa học khác nhau. Sự truyền tải thông tin từ ADN tới protein
cần qua hai giai đoạn chính: phiên mã và dịch mã.
Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN dới sự chỉ dẫn của
ADN. Cả hai loại axit nucleic này đều dùng ngôn ngữ hóa học
giống nhau; vì vậy, thông tin đợc phiên mã đơn giản, hoặc
đợc sao chép, từ phân tử này thành phân tử khác. Cụ thể, mạch
ADN có thể đợc dùng làm khuôn để tổng hợp một mạch bổ
sung mới trong sao chép ADN, cũng nh nó có thể làm khuôn
để lắp ráp một trình tự bổ sung của các nuleotit ARN trong
phiên mã. Đối với các gen mã hóa protein, các phân tử ARN
thu đợc là bản phiên mã trung thực từ bản hớng dẫn tổng
hợp protein đợc mã hóa trong gen. Nó không khác mấy bản

sao bảng điểm học tập của bạn; và cũng giống một bản phiên
mã, nó có thể đợc gửi đi dới dạng nhiều bản sao khác nhau.
Loại phân tử ARN nh vậy đợc gọi là ARN thông tin
(mARN) bởi vì nó mang thông điệp di truyền từ ADN tới bộ
máy tổng hợp protein của tế bào. (Phiên mã là thuật ngữ chung
cho quá trình tổng hợp mọi loại ARN trên cơ sở mạch khuôn
ADN. ở phần sau của chơng này, chúng ta sẽ đề cập đến các
loại ARN khác cũng đợc tạo ra từ phiên mã.)
Dịch mã là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit diễn ra
dới sự chỉ dẫn của ARN. Trong giai đoạn này, có một sự
thay đổi ngôn ngữ: Tế bào phải phiên dịch trình tự các bazơ
của một phân tử mARN thành trình tự các axit amin của một
chuỗi polypeptit. Vị trí diễn ra sự dịch mã là các ribosome; đó
là phức hệ dạng hạt tạo điều kiện thuận lợi cho sự kết nối các
axit amin theo một trật tự nhất định để hình thành nên các
chuỗi polypeptit.
Phiên mã và dịch mã là các quá trình có ở mọi cơ thể sống.
Từ Chơng 1, chúng ta biết rằng sinh giới gồm ba liên giới: Vi
khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cực đoan (Archaea) và Sinh vật
nhân thật (Eukarya). Hai liên giới đầu đợc gọi chung là các
sinh vật nhân sơ (prokaryote) bởi vì tế bào của chúng không có
cấu trúc nhân đợc bao bọc bởi màng - vốn là đặc điểm rõ rệt
của các tế bào sinh vật nhân thật. Phần lớn các nghiên cứu về
phiên mã và dịch mã đến nay đợc thực hiện ở vi khuẩn và sinh
vật nhân thật; và vì vậy, đó cũng là những nội dung chính đợc
tập trung đề cập ở chơng này. Mặc dù những hiểu biết về
những quá trình này ở liên giới vi khuẩn cực đoan còn hạn chế,
nhng ở phần cuối chơng chúng ta cũng sẽ thảo luận về một
số khía cạnh của sự biểu hiện gen ở liên giới sinh vật này.
Các nguyên lý động học cơ bản của phiên mã và dịch mã là

giống nhau ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật, nhng có một đặc
điểm khác biệt quan trọng trong dòng thông tin di truyền ở
trong các tế bào. Do vi khuẩn không có nhân, nên ADN của vi
khuẩn không bị tách biệt hoàn toàn về không gian với ribosome
cũng nh với các thành phần khác của bộ máy tổng hợp protein
(Hình 17.3a). Nh bạn sẽ thấy ở phần sau, do không có sự tách
biệt rõ ràng về không gian, nên ở vi khuẩn quá trình dịch mã
một phân tử mARN có thể bắt đầu ngay cả khi sự phiên mã
tổng hợp phân tử mARN đó vẫn đang diễn ra. Ngợc lại, ở các
tế bào sinh vật nhân thật, màng nhân tách biệt hoàn toàn hai
quá trình phiên mã và dịch mã về không gian và thời gian (Hình
17.3b). Cụ thể, phiên mã diễn ra trong nhân, rồi mARN đợc
chuyển ra tế bào chất; ở đó nó đợc dùng làm khuôn để dịch
mã. Tuy vậy, trớc khi mARN rời khỏi nhân, bản phiên mã
ARN ở sinh vật nhân thật từ các gen mã hóa protein thờng
đợc biến đổi qua một số bớc để hình thành nên phân tử
mARN cuối cùng hoàn thiện về chức năng. Sự phiên mã một
gen mã hóa protein ở sinh vật nhân thật ban đầu tạo ra một
phân tử tiền-mARN; phân tử này trải qua quá trình hoàn thiện
để hình thành nên phân tử mARN cuối cùng. Các bản phiên mã
ARN đầu tiên đợc hình thành từ mỗi gen, bao gồm cả các gen
chỉ mã hóa cho các loại ARN mà không đợc dịch mã thành
protein, đợc gọi chung là các bản phiên mã sơ cấp.
Có thể tóm tắt sự phiên mã và dịch mã nh sau: các gen
lập trình sự tổng hợp protein thông qua các thông điệp di
truyền ở dạng ARN thông tin. Có thể hiểu theo cách khác là
các tế bào đợc chi phối bởi một chuỗi lệch ở cấp phân tử theo
dòng thông tin di truyền có hớng là: ADN ARN protein.
Khái niệm này đợc Francis Crick đa ra lần đầu tiên vào năm
1956 và đợc gọi là nguyên lý trung tâm. Khái niệm này đã

tồn tại nh thế nào qua thời gian? Vào những năm 1970, các
nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng một số
phân tử ARN có thể làm khuôn để tổng hợp ADN thông qua
một quá trình mà chúng ta sẽ đề cập đến ở Chơng 19. Tuy vậy,
cơ chế ngoại lệ này không hề phủ nhận khái niệm chung là
dòng thông tin di truyền chủ yếu đi từ ADN tới ARN rồi tới
protein. ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận về nội dung
bằng cách nào bản hớng dẫn cách lắp ráp các axit amin theo
một trật tự đặc thù trong chuỗi polypeptit đợc mã hóa trong
các axit nucleic.
M di truyền
Khi các nhà sinh học bắt đầu nghi ngờ rằng bản hớng dẫn
tổng hợp protein đợc ghi trong các phân tử ADN, họ nhận ra
một vấn đề: Chỉ có 4 loại bazơ trong các nucleotit để xác định
cho 20 loại axit amin. Do đó, mã di truyền không thể ở dạng
ngôn ngữ kiểu tợng hình nh Tiếng Trung quốc đợc, nghĩa là
mỗi ký tự tơng ứng với một từ riêng. Vậy, bao nhiêu bazơ
trong các nucleotit thì tơng ứng với một axit amin?
Chơng 17 Từ gen đến protein 329

Codon: Mã bộ ba của các bazơ
Nếu mỗi bazơ nucleotit đợc dịch mã thành một axit amin, thì
chỉ có nhiều nhất 4 axit amin đợc xác định. Thế còn nếu mã di
truyền là mã bộ hai thì sao? Chẳng hạn, trình tự hai bazơ AG
xác định một axit amin, còn trình tự bazơ GT xác định một axit
amin khác. Do ở mỗi vị trí, có 4 khả năng lựa chọn các bazơ
nucleotit khác nhau, nên chúng ta sẽ có tối đa 16 (tức là 4
2
) khả
năng tổ hợp; điều này cho thấy mã bộ hai không đủ để mã hóa

cho tất cả 20 axit amin.
Bộ ba các bazơ nucleotit là số nguyên nhỏ nhất, đồng đều
có thể mã hóa cho tất cả các axit amin. Nếu mỗi cách sắp xếp
cứ 3 bazơ kế tiếp nhau xác định một axit amin, thì chúng ta sẽ
có 64 (tức là 4
3
) khả năng mã hóa; số lợng này thừa đủ để xác
định tất cả các axit amin. Trên cơ sở đó, các số liệu thí nghiệm
sau này cũng đã xác nhận rằng: dòng thông tin đi từ gen đến
protein dựa trên mã bộ ba; nói cách khác, bản hớng dẫn tổng
hợp một chuỗi polypeptit đợc viết trên ADN là một chuỗi
những từ gồm 3 nucleotit và có đặc điểm không gối lên nhau.
Ví dụ, bộ ba các bazơ AGT tại một vị trí nhất định (trong vùng
mã hóa) trên mạch ADN sẽ dẫn đến sự lắp ráp một axit amin
Serine tại vị trí tơng ứng trên chuỗi polypeptit đợc tạo ra.
Trong quá trình phiên mã, các gen xác định trình tự các
bazơ nằm dọc chiều dài phân tử mARN (Hình 17.4). Trong
phạm vi mỗi gen, chỉ một trong hai mạch ADN đợc phiên mã.
Mạch này đợc gọi là mạch khuôn bởi vì nó cung cấp kiểu
mẫu, hay khuôn mẫu, cho sự lắp ráp các nucleotit trên bản
phiên mã ARN. Một mạch ADN thờng làm khuôn cho một số
hoặc nhiều gen nằm dọc theo phân tử ADN; trong khi đó, mạch
bổ sung với nó có thể làm khuôn cho sự phiên mã của những

Hình 17.3 Tổng quan: vai trò c
a phiên mã và dịch
mã trong dòng thông tin di truyền. Trong
tế bào, dòng
thông tin di truyền đi từ ADN đến ARN rồi đến protein. Hai giai
đoạn chính của dòng thông tin này là Phiên mã và Dịch mã. Hai

hình ảnh thu gọn ở trên, (a) và (b), phản ánh một số đặc điểm
của các quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra ở vi khu
ẩn và
sinh vật nhân thật đợc đề cập trong chơng này.
(a) Tế bào vi khuẩn.
Trong tế bào vi khuẩn, do thiếu
nhân, mARN đợc tạo ra từ phiên mã đợc dùng
ngay để dịch mã mà không cần biến đổi gì thêm.
ADN

Phiên mã
Màng
nhân
Hoàn thiện ARN

Dịch mã
Phiên mã
Dịch mã
mARN

Ribosome

Polypeptide

(b) Tế bào sinh vật nhân thật.
Nhân tạo thành không
gian tách biệt cho phiên mã. Bản phiên mã ARN
đầu tiên, gọi là tiền-
ARN, đợc biến đổi qua một số
bớc trớc khi rời nhân ở dạng mARN hoàn thiện.

Ribosome

Po
lypeptide

ADN

mARN


Tiền
-
mARN



Hình 17.4 Mã bộ ba.
Với mỗi gen, chỉ một trong hai mạch
ADN đợc dùng làm khuôn để phiên mã. Giống nh trong sao
chép ADN, nguyên tắc kết cặp giữa các bazơ nucleotit cũng
đợc dùng trong phiên mã, chỉ thay thế thymin
e (T) trong ADN
bằng uracil (U) trong ARN. Mỗi codon (mã bộ ba) xác định một
axit amin đợc bổ sung vào chuỗi polypeptit đang kéo dài. Phân
tử mARN đợc dịch mã theo chiều 5' 3'.
Phân tử
ADN
mARN

Gen 1

Mạch
ADN
khuôn

Codon

Gen 2

Gen 3

Protein

Ph
iên mã

dịch

mã

Axit amin

330 khối kiến thức 3 Di truyền học

gen khác. Điều đáng lu ý là trong phạm vi mỗi gen nhất định,
luôn chỉ có một mạch ADN đợc làm khuôn để phiên mã.
Một phân tử mARN chỉ có trình tự bổ sung với mạch làm
khuôn ADN theo nguyên tắc kết cặp của các bazơ, chứ không
giống hệt mạch làm khuôn này. Sự kết cặp giữa các bazơ là
giống nhau trong sao chép ADN và phiên mã, chỉ có đặc điểm

khác là U thay thế cho T là thành phần bazơ của ARN; ngoài ra
các nucleotit của ARN mang thành phần đờng là ribose thay
cho deoxyribose trong phân tử ADN. Giống với mạch ADN
mới, phân tử ARN đợc tổng hợp theo chiều đối song song với
mạch ADN làm khuôn. (Xem các khái niệm về "đối song
song" và "chiều 5 3" của chuỗi axit nucleic trên Hình
16.7). Ví dụ nh, trình tự ba bazơ ACC dọc phân tử ADN (viết
là 3-ACC-5) làm khuôn tổng hợp nên trình tự 5-UGG-3 trên
phân tử mARN. Mỗi bộ ba các bazơ của phân tử mARN đợc
gọi là codon; và theo thói quen, chúng thờng đợc viết theo
chiều 5 3. Trong ví dụ trên đây, UGG là codon mã hóa cho
axit amin Tryptophan (viết tắt là Trp). Thuật ngữ codon trong
thực tế cũng đợc dùng để chỉ bộ ba các bazơ thuộc mạch
không làm khuôn trên phân tử ADN. Những codon này có trình
tự các nucleotit bổ sung với mạch ADN làm khuôn, và vì vậy sẽ
giống với trình tự các nucleotit trên mARN, trừ việc U đợc
thay thế bằng T. (Vì lý do này, mạch ADN không làm khuôn
lại đợc gọi là mạch mã hóa.)
Trong quá trình dịch mã, trình tự các codon dọc phân tử
mARN đợc giải mã, hay dịch mã, thành trình tự các axit amin
từ đó hình thành nên chuỗi polypeptit. Các codon đợc bộ máy
dịch mã đọc theo chiều 5 3 của mạch mARN. Mỗi codon
xác định một trong 20 loại axit amin đợc lắp ráp vào đúng vị
trí tơng ứng dọc chuỗi polypeptit. Do các codon là mã bộ ba,
nên số nucleotit cần để mã hóa một thông điệp di truyền cần
nhiều hơn ít nhất ba lần so với số các axit amin trong sản phẩm
protein. Ví dự nh, để mã hóa một chuỗi polypeptit gồm 100
axit amin, cần một trình tự gồm 300 nucleotit dọc mạch ARN.
Giải mã sự sống
Các nhà sinh học phân tử đã giải mã sự sống thành công vào

những năm đầu của thập kỷ 1960, khi một loạt các thí nghiệm
hợp lý đã giúp làm sáng tỏ sự dịch mã các axit amin từ mỗi
codon trên mARN. Codon đầu tiên đợc giải mã bởi Marshall
Nirenberg và cộng sự tại Viện Y học Quốc gia Hoa Kỳ (NIH)
vào năm 1961. Nirenberg đã tổng hợp nhân tạo đợc một phân
tử mARN gồm toàn các nucleotit ARN thuộc loại uracil (U)
liên kết với nhau. Bất kể khi mạch ARN đợc bắt đầu và kết
thúc dịch mã nh thế nào, thì mã bộ ba lặp lại cũng luôn là
UUU. Nirenberg đã bổ sung phân tử poly U này vào ống
nghiệm chứa dung dịch hỗn hợp gồm các loại axit amin,
ribosome và các thành phần khác cần cho sự tổng hợp protein.
Hệ thống nhân tạo của Nirenberg và cộng sự đã dẫn đến sự
hình thành một chuỗi polypeptit chỉ gồm toàn các axit amin
phenylalanine (Phe) kết thành chuỗi liên tiếp, còn đợc gọi là
chuỗi polyphenylalanine. Bằng cách đó, Nirenberg đã xác định
đợc rằng codon UUU trên phân tử mARN xác định axit amin
phenylalanine. Ngay sau đó, các axit amin đợc xác định bằng
các codon AAA, GGG và CCC cũng đã đợc xác định.
Mặc dù phải áp dụng một số kỹ thuật phức tạp hơn mới có
thể giải mã các codon khác, nh AUA và CGA; nhng có thể
nói đến giữa những năm 1960, tất cả 64 codon đã đợc giải mã
hết. Nh đợc liệt kê trên Hình 17.5, trong số 64 codon có 61
codon mã hóa cho các axit amin. Ba codon không mã hóa cho
bất cứ axit amin nào đợc gọi là các tín hiệu kết thúc dịch mã
(stop codon); ở đó, quá trình dịch mã kết thúc. Điều đáng lu ý
là codon AUG có hai chức năng: nó vừa mã hóa cho axit amin
methinonine (Met), vừa là tín hiệu bắt đầu dịch mã (start
codon). Điều này có nghĩa là, các thông điệp di truyền trên
phân tử mARN luôn đợc bắt đầu từ codon AUG (trừ một số
ngoại lệ); nói cách khác, đây cũng chính là tín hiệu thông

báo cho bộ máy dịch mã bắt đầu quá trình dịch mã mARN. (Do
AUG đồng thời mã hóa cho methionine, nên tất cả các chuỗi
polypeptit đều bắt đầu bằng axit amin này khi chúng đợc tổng
hợp. Tuy vậy, sau đó một enzym có thể cắt bỏ axit amin khởi
đầu này hoặc không).
Có một đặc điểm cần chú ý trên Hình 17.5 là mã di truyền
có tính thoái hóa, nhng luôn đặc thù. Cụ thể nh, mặc dù các
mã bộ ba GAA và GAG có thể đồng thời mã hóa cho axit
glutamic (tính thoái hóa), nhng không có bất kỳ mã bộ ba nào
đồng thời mã hóa cho hai axit amin trở lên (tính đặc thù).
Ngoài ra, tính thoái hóa của mã bộ ba cũng không phải là ngẫu
nhiên. Trong nhiều trờng hợp, các codon khác nhau có cùng
nghĩa (mã hóa cho cùng một loại axit amin), mà chỉ khác nhau
về bazơ thứ ba trong bộ ba nucleotit của chúng. ở phần sau của
chơng này, chúng ta sẽ thấy u điểm của tính thoái hóa của
mã di truyền trong các quá trình biểu hiện các gen.

Hình 17.5 Từ điển mã di truyền.
Thứ tự ba bazơ của
các codon mARN đợc minh họa theo chiều 5'
3' trên phân tử
mARN. (Thực hành sử dụng "Từ điển mã di truyền này" bằng
việc tìm ra các codon trên Hình 17.4). Codon AUG không
chỉ
mã hóa axit amin methionine (Met) mà còn là tín hiệu "báo hiệu"
cho ribosome bắt đầu dịch mã tại điểm này. Có 3 trong 64
codon có chức năng là "tín hiệu kết thúc dịch mã" (stop codon);
nó báo hiệu sự kết thúc của một "thông điệp di truyền". Xem
Hình 5.17 về cách viết tắt các axit amin bằng ba chữ cái.
Bazơ mARN thứ hai

Bazơ mARN thứ nhất
Bazơ mARN thứ ba
Chơng 17 Từ gen đến protein 331

Để có thể hiểu đợc một thông điệp hay một câu đợc viết
theo một ngôn ngữ nào đó thì chúng ta phải đọc đợc các kí
hiệu của ngôn ngữ đó khi chúng đợc xếp theo những những
nhóm nhất định; nói cách khác là trong một khung đọc đúng.
Hãy xem câu nói sau: con chó bắt con mèo. Nếu sự xếp
nhóm của các chữ trong câu này bắt đầu từ một vị trí sai, thì
câu sẽ trở nên vô nghĩa; chẳng hạn nh onc hób ắtc onm èo.
Khung đọc cũng có vai trò quan trọng nh vậy trong ngôn ngữ
phân tử của tế bào. Chẳng hạn nh đoạn polypeptit ngắn trên
Hình 17.4 sẽ chỉ đợc tạo ra chính xác một khi các nucleotit
trên phân tử mARN đợc đọc từ trái qua phải (chiều 5 3)
đúng theo từng nhóm 3 kí tự là UGG
UUU GGC UCA. Mặc dù
thông điệp di truyền đợc viết liên tục (không có khoảng cách)
giữa các mã bộ ba, nhng bộ máy tổng hợp protein của tế bào
đọc đợc thông điệp đó bằng việc xếp các chữ cái (nucleotit)
thành chuỗi các từ (codon) gồm ba chữ cái liên tục và không
gối lên nhau. Thông điệp di truyền không đợc đọc theo kiểu
các codon gối lên nhau, chẳng hạn nh UGG UUU; trong
trờng hợp mã gối lên nhau, nghĩa của thông điệp sẽ thay đổi.
Sự tiến hóa của mã di truyền
Mã di truyền có tính phổ biến, nghĩa là giống nhau ở tất cả các
loài từ các vi khuẩn đơn bào đơn giản nhất cho đến các loài
động vật và thực vật có cấu trúc phức tạp nhất. Chẳng hạn nh,
mã bộ ba CCG trên phân tử mARN đợc dịch mã thành axit
amin proline ở mọi loài sinh vật đã từng nghiên cứu. Nhờ tính

phổ biến của mã di truyền, trong phòng thí nghiệm, các gen
đợc chuyển (biến nạp) từ loài này sang loài khác nhìn chung
đợc phiên mã và dịch mã một cách hiệu quả đáng ngạc nhiên,
nh ví dụ trên Hình 17.6 ! Một số protein của ngời đợc dùng
trong y học, nh insulin, có thể đợc sản xuất bằng các tế bào
vi khuẩn sau khi gen mã hóa protein đó đợc chuyển từ hệ gen
ngời vào hệ gen vi khuẩn. Những thành tựu nh vậy của kỹ
thuật "chuyển gen" đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ sinh học trong những năm gần đây (xem Chơng 20).
Tuy vậy, có một số ngoại lệ so với tính phổ biến chung của
mã di truyền. ở những trờng hợp này, hệ thống dịch mã đọc
các mã bộ ba với nghĩa thay đổi chút ít so với các mã bộ ba tiêu
chuẩn. Những thay đổi nhỏ này đã đợc tìm thấy ở một số loài
sinh vật nhân thật đơn bào và trong hệ gen tế bào chất (ti thể và
lạp thể) của một số loài. Ngoài ra, cũng có những ngoại lệ liên
quan đến việc một mã bộ ba kết thúc đợc dịch mã thành một
trong hai loại axit amin hiếm vốn không thấy có ở phần lớn các
loài. Một trong những axit amin hiếm nh vậy (pyrrolysine)
cho đến nay mới chỉ gặp ở liên giới vi khuẩn cực đoan
(Archeae); trong khi đó, axit amin hiếm thứ hai
(selenocysteine) đợc tìm thấy trong protein của vi khuẩn và
thậm chí ở một số enzym của ngời. Mặc dù có ngoại lệ, nhng
có thể nói tính phổ biến của mã di truyền là rõ ràng. Một ngôn
ngữ đợc mọi hệ thống sống sử dụng chung là bằng chứng cho
thấy nó xuất hiện ngay từ giai đoạn sớm của quá trình tiến hóa.
Nói cách khác, ngôn ngữ này có mặt đủ sớm trong tổ tiên
chung của mọi sinh vật còn tồn tại đến ngày nay. Ngôn ngữ di
truyền đợc dùng chung đồng thời là một bằng chứng gợi nhớ
về mối quan hệ họ hàng giữa mọi dạng sống trên Trái đất.

Bây giờ chúng ta sẽ đề cập đến tính logic về khía cạnh ngôn
ngữ và ý nghĩa tiến hóa của mã di truyền. Trớc tiên, chúng ta
sẽ xem chi tiết hơn các bớc của phiên mã, giai đoạn thứ nhất
trong quá trình biểu hiện của các gen mã hóa protein.
Các thành phần phân tử của phiên m
ARN thông tin, phân tử mang thông tin từ ADN tới bộ máy
tổng hợp protein của tế bào, đợc phiên mã từ mạch làm khuôn

của một gen. Một enzym đợc gọi là ARN polymerase có thể
tách hai mạch ADN của chuỗi xoắn kép và lắp ráp các nucleotit
ARN dọc theo mạch ADN làm khuôn dựa trên nguyên tắc kết
cặp giữa các bazơ nucleotit (Hình 17.7). Giống với ADN

Hình 17.6 Sự biểu hiện gen ở các loài khác nhau
.
Do các loài sinh vật khác nhau
sử dụng chung một ngôn ngữ
(bảng mã) di truyền, nên một loài có thể đợc "lập trình" để sản
xuất một loại protein vốn trong tự nhiên chỉ có đặc thù ở một loài
thứ hai bằng cách chuyển ADN từ loài thứ hai vào loài thứ nhất.
(a) Lợn biểu hiện gen của sứa.
Một gen mã hóa protein phát
huỳnh quang đợc chuyển từ
sứa vào trứng lợn đã thụ tinh.
Một trứng nh vậy đã phát triển
thành lợn phát huỳnh quang.
(b)
Cây thuốc lá biểu hiện gen
của côn trùng. Màu vàng
của cây đợc tạo ra bởi một
phản ứng hóa học đợc xúc
tác bởi một enzym do gen
của côn trùng mã hóa.
17.1
1.
Bạn mong đợi một chuỗi polypeptit do một đoạn mARN
dài 30 nucleotit G (poly-G) mã hóa nh thế nào?
2.

Mạch khuôn của một gen chứa trình tự nucleotit
3-TTCAGTCGT-5. Hãy vẽ mạch không làm khuôn và
trình tự mARN, chỉ rõ các đầu 5 và 3. Hãy so sánh trình
tự nucleotit của hai mạch vừa đợc vẽ.
3.
Giả sử mạch không làm khuôn ở câu
2 đợc dùng để phiên mã thay cho mạch làm khuôn bình
thờng. Hãy vẽ trình tự mARN và trình tự các axit amin
trên chuỗi polypeptit đợc dịch mã dựa vào Hình 17.5.
(Lu ý chiều các đầu 5 và 3). Dự đoán protein đợc tạo
ra từ mạch không làm khuôn sẽ biểu hiện chức năng thế
nào so với protein thông thờng.
Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A.
Kiểm tra khái niệm
vẽ tiếp

Điều gì nếu


1
7
.
2

Khái niệm

Phiên m là quá trình tổng hợp
ARN do ADN điều khiển:

Quan sát gần hơn

332 khối kiến thức 3 Di truyền học

polymerase trong sao chép ADN, ARN polymerase chỉ lắp ráp
đợc các nucleotit vào chuỗi polynucleotit đang kéo dài theo
chiều 5 3. Tuy vậy, không giống ADN polymerase, ARN
polymerase có thể khởi đầu sự tổng hợp chuỗi polynucleotit
ARN mà không cần một đoạn mồi sẵn có.
Các đoạn trình tự nucleotit đặc thù trên phân tử ADN xác
định vị trí mà quá trình phiên mã một gen bắt đầu và kết thúc.
Đoạn trình tự mà ở đó các enzym ARN polymerase đính kết
vào ADN và khởi đầu sự phiên mã đợc gọi là promoter (hay
trình tự khởi đầu phiên mã); ở vi khuẩn, trình tự là tín hiệu
kết thúc sự phiên mã đợc gọi là terminator (hay tín hiệu kết
thúc phiên mã). (Sự kết thúc phiên mã ở sinh vật nhân thật
diễn ra theo một cơ chế khác sẽ đợc đề cập sau). Các nhà sinh
học phân tử thờng xem chiều phiên mã của một gen là xuôi
dòng, trong khi chiều ngợc lại đợc gọi là ngợc dòng.
Những thuật ngữ này còn đợc dùng để mô tả vị trí các trình tự
nucleotit (đôi khi gọi là các yếu tố trình tự) trên các phân tử
ADN và ARN. Vì vậy, trên ADN các promoter của một gen
luôn nằm ngợc dòng so với terminator tơng ứng của nó.
Đoạn trình tự ADN đợc dùng để phiên mà thành một phân tử
ARN hoành chỉnh chức năng đợc gọi là một đơn vị phiên mã.
Vi khuẩn có một loại ARN polymerase duy nhất không chỉ
xúc tác tổng hợp mARN mà còn xúc tác tổng hợp các loại
ARN khác, bao gồm cả các ARN là thành phần bộ máy tổng
hợp protein nh ARN ribosome. Ngợc lại, các tế bào sinh vật
nhân thật có ít nhất ba loại ARN polymerase khác nhau có
trong nhân tế bào. Một loại đợc dùng trong phiên mã tổng hợp
các mARN đợc gọi là ARN polymerase II. Các ARN

polymerase khác đợc dùng để phiên mã các gen mã hóa cho
ARN nhng không đợc dịch mã thành protein. Trong phần
phiên mã đợc đề cập sau đây, chúng ta sẽ nêu trớc tiên những
đặc điểm chung trong phiên mã ở vi khuẩn và sinh vật nhân
thật, sau đó sẽ mô tả một số đặc điểm khác nhau cơ bản nhất.
Tổng hợp bản phiên m ARN
Nh đợc mô tả trên Hình 17.7, ba giai đoạn của sự phiên mã
bao gồm khởi đầu phiên mã, kéo dài chuỗi ARN và kết thúc
phiên mã. Xem kỹ Hình 17.7 để làm quen với các khái niệm và
các giai đoạn cơ bản của một quá trình phiên mã.
ARN polymerase và khởi đầu phiên mã
Trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) của một gen bao gồm
điểm bắt đầu phiên mã (tức là nucleotit ở đó sự tổng hợp ARN
thực sự bắt đầu) và phần mở rộng thờng nằm ngợc dòng hàng
chục nucleotit kể từ điểm bắt đầu phiên mã. Ngoài chức năng là

Tr
ì
nh t
ự
kh
ở
i
đầ
u
phiên mã (Promoter)

Đơn vị phiên mã

Điểm bắt

đầu phiên mã

ADN
ARN
polyemrase
Khởi đầu phiên mã
. Sau
khi ARN polymerase đã liên kết
vào promoter, các mạch ADN
giãn xoắn và enzym bắt đầu
tổng hợp ARN từ điểm bắt đầu
phiên mã trên mạch làm khuôn.

Kéo dài chuỗi
. Enzym ARN
polymerase di chuyển xuôi dòng,
làm giãn xoắn ADN và kéo dài bản
phiên mã ARN theo chiều 5 3;
ngay sau đó, các mạch ADN tái
liên kết về dạng chuỗi xoắn kép.
Bản phi
ê
n
mã ARN
ADN
giãn xoắn

Mạch khuôn

ADN
Kết thúc phiên mã
. Cuối
cùng, bản phiên mã ARN hoàn
chỉnh đợc giải phóng và enzym
polymerase rời khỏi ADN.
Bản phi
ê
n
mã ARN
ADN "đóng
xoắn" trở lại
Bản phi
ê
n m
ã
ARN ho
à
n ch
ỉ
nh


Hình 17.7
Các giai đoạn phiên mã: khởi đầu phiên
mã, kéo dài chuỗi và kết thúc phiên mã.
Hình mô tả
các giai đoạn phiên mã ở đây là giống nhau ở cả vi khuẩn và
sinh vật nhân thật; tuy vậy, chi tiết giai đoạn kết thúc phiên mã
là khác nhau ở hai liên giới (xem

mô tả trong phần diễn giải).
Ngoài ra, ở vi khuẩn, bản phiên mã ARN có thể dùng ngay để
dịch mã nh một phân tử mARN hoàn thiện; trong khi đó, ở sinh
vật nhân thật, bản phiên mã thờng phải trải qua quá trình hoàn
thiện trớc khi có thể đợc dùng làm khuôn để dịch mã.
Kéo dài chuỗi

ARN
polymerase
Mạch ARN mới tổng hợp

Mạch ADN không làm khuôn

Các nucleotit ARN

Chiều phiên mã
("xuôi dòng")
Mạch ADN
làm khuôn

Chơng 17 Từ gen đến protein 333

vị trí liên kết của ARN polymerase và xác định điểm bắt đầu
phiên mã, promoter còn có vai trò xác định mạch nào trong hai
mạch của chuỗi xoắn kép ADN đợc dùng làm khuôn.
Một số phần của promoter có vai trò đặc biệt quan trọng đối
với sự liên kết của ARN polymerase vào mạch khuôn ADN. ở
vi khuẩn, bản thân enzym ARN polymerase (thực ra là tiểu
phần polypeptit của nó) có khả năng nhận ra và liên kết vào
promoter. ở sinh vật nhân thật, một nhóm gồm nhiều protein

gọi là các yếu tố phiên mã điều hòa việc liên kết của ARN
polymerase vào promoter và khởi đầu phiên mã của các gen. Từ
Chơng 16, chúng ta nhớ rằng ADN trong nhiễm sắc thể ở sinh
vật nhân thật đợc đóng gói ở dạng phức hợp với histone và
một số protein khác và đợc gọi là chất nhiễm sắc. Vai trò của
các protein này trong việc xác định khả năng bộc lộ của ADN
đối với các yếu tố phiên mã sẽ đợc chúng ta đề cập ở Chơng
18. Chỉ khi một số yếu tố phiên mã nhất định đã liên kết vào
promoter, ADN polymerase mới có thể liên kết vào nó. Toàn bộ
phần phức hệ gồm các yếu tố phiên mã và ARN polymerase II
đã liên kết vào promoter đợc gọi là phức hệ khởi đầu phiên
mã.
Hình 17.8 mô tả vai trò của các yếu tố phiên mã và một
trình tự ADN thiết yếu thuộc promoter đợc gọi là hộp TATA
trong quá trình hình thành phức hệ khởi đầu phiên mã ở một
promoter của sinh vật nhân thật.
Sự tơng tác giữa ARN polymerase II với các yếu tố phiên
mã là một ví dụ điển hình về tầm quan trọng của tơng tác
protein - protein trong điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân thật.
Một khi enzym polymerase đã liên kết ổn định với trình tự
ADN tại promoter, hai mạch ADN tại đó sẽ giãn xoắn, và
enzym sẽ bắt đầu sự phiên mã dựa trên mạch làm khuôn.
Kéo dài mạch ARN
Khi ARN polymerase di chuyển dọc mạch ADN khuôn, nó tiếp
tục tháo xoắn chuỗi xoắn kép và vào mỗi thời điểm nó bộc lộ ra
một đoạn dài khoảng 10 - 20 bazơ ADN để các bazơ ARN có
thể tiến hành bắt cặp (xem Hình 17.7). Enzym này lần lợt bổ
sung các nucleotit vào phía đầu 3 của phân tử ARN đang kéo
dài khi nó di chuyển dọc chuỗi xoắn kép. Cùng với việc bộ máy
tổng hợp ARN tiến về phía trớc, phân tử ARN mới tổng hợp

sẽ tách khỏi mạch khuôn ADN, đồng thời chuỗi xoắn kép ADN
hình thành trở lại. ở sinh vật nhân thật, quá trình phiên mã diễn
ra với tốc độ khoảng 40 nucleotit mỗi giây.
Sự phiên mã của mỗi gen đơn lẻ có thể đợc đồng thời xúc
tác bởi nhiều enzym ARN polymerase cùng lúc (có thể tởng
tợng giống nh nhiều chiếc xe tải nối đuôi nhau thành một
đoàn dài). Từ mỗi phân tử enzym ARN polymerase, một mạch
ARN đang kéo dài chui ra với chiều dài tơng ứng với
khoảng cách mà enzym ARN polymerase đã trợt dọc trên
mạch khuôn ADN kể từ điểm khởi đầu phiên mã (xem các phân
tử mARN trên Hình 17.24). Sự tập hợp đồng thời của nhiều
phân tử polymerase giúp lợng mARN đợc phiên mã từ mỗi
gen tăng lên vào cùng một thời điểm; qua đó, tế bào có thể tổng
hợp đợc một lợng lớn protein đặc thù vào các thời điểm khác
nhau theo yêu cầu sinh trởng của nó.
Kết thúc phiên mã
Cơ chế kết thúc phiên mã có đặc điểm khác nhau giữa vi khuẩn
và sinh vật nhân thật. ở vi khuẩn, sự phiên mã vợt qua một
trình tự (tín hiệu) kết thúc phiên mã trên mạch khuôn ADN.
Trình tự kết thúc phiên mã (terminator) có mặt trên mạch ARN
đợc tạo ra có vai trò nh tín hiệu kết thúc phiên mã làm tách
enzym polymerase rời khỏi ADN đồng thời giải phóng bản
phiên mã vốn sau đó đợc dùng làm khuôn (mARN) để dịch
mã. ở sinh vật nhân thật, ARN polymerase II phiên mã một
trình tự trên ADN đợc gọi là trình tự gắn đuôi polyA; trình tự
này thờng mã hóa cho một tín hiệu gắn đuôi polyA (là
AAUAAA) trên phân tử tiền-mARN. Sau đó, tại một điểm cách
tín hiệu AAUAAA khoảng từ 10 đến 35 nucleotit, các
protein liên kết với mạch ARN đang kéo dài sẽ cắt rời phân tử

Hình 17.8 Sự khởi đầu phiên mã ở promoter củ
a
sinh vật nhân thật. Trong tế bào sinh vật
nhân thật, các
protein đợc gọi là các yếu tố phiên mã điều hòa sự khởi đầu
phiên mã của enzym ARN polymerase II.
Giải thích
sự tơng tác giữa ARN polymerase với promoter
sẽ có đặc điểm khác nh thế nào nếu hình trên mô tả sự
khởi đầu phiên mã ở vi khuẩn.
Phiên

m
ã

Các yếu tố
phiên mã
Mạch ADN
làm khuôn

Ho
à
n thi
ệ
n ARN

D
ị
ch m
ã

ADN

Tiền
-
mARN

mARN

Ribosome

Polypeptit

Điểm bắt đầu
phiên mã
Hộp TATA

Promoter

Các yếu tố
phiên mã
ARN polymerase II

Bản

phiên
mã ARN
Promoter ở sinh vật nhân thật

thờng có một hộp TATA, nằm ngợc

dòng và cách điểm bắt đầu phiên mã
khoảng 25 nucleotit. (Theo thói quen,
trình tự các nucletotit thờng đợc
trình bày theo mạch không làm khuôn
,
tức là mạch mã hóa.)
Một số yếu tố phiên mã
, mà
một trong số chúng nhận ra hộp
TATA, liên kết ADN (promoter)
trớc khi ARN polymerase có thể
liên kết vào vùng này.
Các yếu tố phiên mã bổ sung

liên kết vào ADN cùng với ARN
polymerase để hình thành nên phức
hệ khởi đầu phiên mã. Chuỗi xoắn
kép ADN đợc tháo xoắn và sự tổng
hợp ARN bắt đầu diễn ra từ điểm
khởi đầu phiên mã trên mạch ADN
làm khuôn.
Phức hệ khởi đầu phiên m

?
??
?



334 khối kiến thức 3 Di truyền học

này khỏi ARN polymerase, đồng thời giải phóng ra phân tử
tiền-mARN. Tuy vậy, sau hoạt động cắt này, enzym
polymerase tiếp tục phiên mã ADN khoảng vài trăm nucleotit
kể từ khi phân tử tiền-mARN đợc giải phóng ra. Các nghiên
cứu gần đây ở nấm men cho thấy: đoạn ARN đợc tạo ra từ
việc phiên mã tiếp tục này đợc phân giải bởi một enzym di
chuyển dọc ARN. Các số liệu ủng hộ cho quan điểm là: sự
phiên mã chỉ thực sự kết thúc và enzym polymerase rời khỏi
ADN khi enzym phân giải trên đây tiếp cận đợc polymerase.
Đồng thời lúc này phân tử tiền-mARN trải qua giai đoạn chế
biến hay hoàn thiện để trở thành phân tử mARN hoàn thiện
sẵn sàng cho dịch mã. Quá trình hoàn thiện mARN ở sinh vật
nhân thật đợc đề cập trong mục dới đây.
Các enzym trong nhân tế bào sinh vật nhân thật có thể biến đổi
phân tử tiền-mARN theo một số cách đặc trng trớc khi bản
phiên mã di truyền đợc chuyển ra tế bào chất. Trong quá trình
hoàn thiện mARN này, cả hai đầu của phân tử mARN tiền
thân đều đợc biến đổi. Ngoài ra, trong phần lớn trờng hợp,
một số phần bên trong phân tử ARN cũng đợc cắt bỏ, trong
khi các phần còn lại nối lại với nhau. Kết quả của những biến
đổi này là tạo ra một phân tử mARN sẵn sàng cho dịch mã.
Sự biến đổi ở các đầu mARN
Mỗi đầu của một phân tử tiền-mARN đợc biến đổi theo một
cách đặc trng (Hình 17.9). Đầu tiên, đầu 5 đợc tổng hợp; nó
tiếp nhận một mũ đầu 5, về bản chất là một dạng biến đổi của
nucleotit guanine (G) đợc bổ sung vào đầu 5 của mARN
đang kéo dài sau khi phiên mã đã diễn ra đợc khoảng từ 20
đến 40 nucleotit đầu tiên. Đầu 3 của phân tử tiền-mARN cũng
đợc biến đổi trớc khi mARN rời khỏi nhân. Chúng ta nhớ lại

rằng, trong quá trình phiên mã, mARN đợc giải phóng ngay
sau khi tín hiệu gắn đuôi polyA (AAUAAA) đợc phiên mã.
Tại đầu 3, một enzym sẽ bổ sung một chuỗi gồm khoảng từ 50
đến 250 nucleotit loại adenine (A) liên tiếp nhau, gọi là đuôi
polyA. Đầu 5 cũng nh đuôi polyA của mARN có cùng một
số chức năng quan trọng. Thứ nhất, chúng tạo điều kiện thuận
lợi cho sự vận chuyển phân tử mARN hoàn thiện ra khỏi nhân
tế bào. Thứ hai, chúng bảo vệ phân tử mARN khỏi sự phân giải
do hoạt động của các enzym thủy phân. Và thứ ba, chúng giúp
các ribosome đính kết đợc vào đầu 5 của phân tử mARN khi
phân tử này đi vào tế bào chất. Hình 17.9 minh họa sơ đồ cấu
trúc của một phân tử mARN hoàn thiện điển hình ở sinh vật
nhân thật gồm cả phần mũ và đuôi. Sơ đồ này đồng thời cho
thấy các vùng không đợc dịch mã (UTR) có ở cả hai đầu 5 và
3 của phân tử mARN (các vùng này thờng đợc gọi tơng
ứng là 5UTR và 3UTR). Các vùng UTR là các phần của phân
tử mARN hoàn thiện không đợc dịch mã thành protein, nhng
chúng có một số chức năng khác trong dịch mã, chẳng hạn nh
một vị trí liên kết của ribosome.
Gen phân mảnh và sự ghép nối ARN
Một giai đoạn đáng chú ý trong quá trình hoàn thiện mARN
trong nhân của sinh vật nhân thật là việc loại bỏ đi một phần
lớn các phân đoạn bên trong phân tử mARN tiền thân; một
công việc giống nh cắt - dán các file video bằng các phần
mềm máy tính (Hình 17.10) và đợc gọi là sự ghép nối ARN.
Chiều dài trung bình của một đơn vị phiên mã dọc theo phân tử
ADN của ngời gồm khoảng 27.000 cặp bazơ (bp); vì vậy,
phân tử mARN tiền thân thờng có chiều dài tơng ứng. Tuy
vậy, để mã hóa một phân tử protein có kích thớc trung bình
gồm 400 axit amin, chỉ cần một phân tử ARN có kích thớc

gồm 1200 nucleotit. (Nhớ rằng, mỗi axit amin đợc mã hóa bởi
một bộ ba nucleotit.) Điều này có nghĩa là phần lớn các gen ở
sinh vật nhân thật và các bản phiên mã ARN tiền thân của
chúng chứa các phân đoạn nucleotit dài không mã hóa; đây là
những phân đoạn không đợc dịch mã. Điều đáng ngạc nhiên
17.2
1.
So sánh giữa ADN polymerase và ARN polymerase về sự
biểu hiện chức năng, yêu cầu về mạch khuôn và các đoạn
mồi, chiều tổng hợp và các loại nucleotit làm cơ chất.
2.
Promoter là gì? Nó nằm ngợc dòng hay xuôi dòng so
với đơn vị tái bản?
3.
Điều gì giúp ARN polymerase có thể khởi đầu phiên
mã tại vị trí chính xác (điểm khởi đầu phiên mã) ở tế
bào vi khuẩn và ở tế bào sinh vật nhân thật?
4.
Giả sử việc chiếu xạ tia X gây nên sự
thay đổi trình tự ở hộp TATA trong vùng promoter của
một gen. Hậu quả xảy ra đối với sự phiên mã của gen đó
sẽ có xu hớng nh thế nào?
Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A.
Kiểm tra khái niệm
điều gì nếu


1
7
.

3

Khái niệm

Tế bào sinh vật nhân thật biến
đổi

ARN sau phiên m


Hình 17.9 Sự hoàn thiện ARN: bổ sung
mũ đầu 5 và đuôi polyA. Các enzym làm
biến đổi hai đầu của phân tử tiền-mARN ở sinh
vật nhân thật. Các đầu sau khi biến đổi thúc đẩy
sự vận chuyển mARN từ nhân ra tế bào chất;

đồng thời giúp bảo vệ mARN khỏi sự
phân giải. Khi mARN đã ra đến tế bào
chất, các đầu biến đổi này kết hợp với
một số protein ở tế bào chất thúc đẩy
sự đính kết của ribosome. Phần mũ
đầu

5' và đuôi polyA đầu 3' không
đợc dịch mã và thuộc các vùng đợc
gọi tơng ứng là vùng đầu 5' không
đợc dịch mã (5'UTR) và vùng đầu 3'
không đợc dịch mã (3'UTR).

Phiên

m
ã

Ho
à
n thi
ệ
n ARN

D
ị
ch m
ã

ADN
Tiền
-
mARN

mARN
Ribosome

Polypeptit
5'UTR
Mũ đầu 5

Codon
bắt đầu

Codon
kết thúc
3'UTR
Đuôi polyA
Đoạn mã hóa protein
Tín hiệu gắn đuôi polyA
Đuôi polyA gồm khoảng từ 50
đến 250 nucleotit loại adenine
đợc bổ sung vào đầu 3'
Một dạng biến đổi của nucleotit
guanine đợc bổ sung vào đầu 5'

Chơng 17 Từ gen đến protein 335

là những phân đoạn không mã hóa này thờng nằm xen kẽ giữa
các phân đoạn mã hóa của gen, và tơng ứng là giữa các phân
đoạn mã hóa trên tiền-mARN. Nói cách khác, trình tự các
nucleotit ADN mã hóa cho một chuỗi polypeptit ở sinh vật
nhân thật thờng không liên tục; chúng đợc phân tách thành
các phân đoạn. Các phân đoạn axit nucleic không mã hóa nằm
giữa các phân đoạn mã hóa của gen đợc gọi là các trình tự
xen, hay các intron. Các phân đoạn mã hóa còn lại trong gen
đợc gọi là các exon; đây là các vùng của gen đợc biểu hiển
và đợc dịch mã thành các trình tự axit amin. (Một số trờng
hợp ngoại lệ bao gồm các vùng UTR của các exon tại các đầu
của mARN. Những vùng này tuy là thành phần của mARN
hoàn thiện nhng không đợc dịch mã. Do những ngoại lệ này,
để dễ nhớ có thể coi exon là các trình tự có trên phân tử mARN
khi phân tử này rời khỏi nhân ra tế bào chất). Các thuật ngữ
intron và exon đợc dùng để mô tả cả các trình tự mARN cũng

nh các trình tự ADN mã hóa chúng.
Để tạo ra một bản phiên mã tiền thân từ một gen, ARN
polymerase ban đầu tiến hành phiên mã toàn bộ gen, bao gồm
cả các intron và exon. Tuy vậy, phân tử mARN đi vào tế bào
chất là phân tử đã đợc cắt ngắn. Các intron đợc cắt khỏi phân
tử, trong khi các exon đợc nối lại với nhau để hình thành nên
một phân tử mARN mang trình tự mã hóa liên tục. Quá trình
này đợc gọi là sự ghép nối ARN.
Vậy, sự ghép nối ở tiền-mARN diễn ra nh thế nào? Các
nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, các tín hiệu ghép nối ARN
là các trình tự nucleotit ngắn ở hai đầu của mỗi intron. Các hạt
có tên là các ribonucleoprotein nhân kích thớc nhỏ, đợc viết
tắt là snRNP (đọc là snớp), có thể nhận ra các vị trí ghép nối
này. Nh tên gọi của chúng, các snRNP có trong nhân tế bào và
có thành phần cấu tạo gồm các phân tử ARN và protein. Các
ARN có trong các snRNP đợc gọi là các ARN nhân kích thớc
nhỏ (snARN); mỗi phân tử chỉ dài khoảng 150 nucleotit. Một số
loại snRNP kết hợp với nhau và với một số protein bổ sung
khác hình thành nên bộ máy ghép nối ARN và đợc gọi là
spliceosome (hay thể ghép nối); chúng có kích thớc lớn
tơng đơng ribosome. Spliceosome tơng tác với những vị trí
nhất định trên intron, giải phóng intron và nối hai exon ở hai
đầu của mỗi intron lại với nhau (
Hình 17.11). Một số bằng
chứng cho thấy các snARN, ngoài vai trò là thành phần bộ máy
của spliceosome và nhận biết các vị trí ghép nối, còn có vai trò
trực tiếp xúc tác các phản ứng ghép nối ARN.

Hình 17.10 Sự hoàn thiện ARN: ghép
nối ARN. Phân tử ARN đợc minh họa ở đây

mã hóa cho -globin, một trong các chuỗi
polypeptit của hemoglobin. Các chỉ số bên dới
ARN là số thứ tự các mã bộ ba (codon); -globin
là một protein gồm 146 axit amin. Gen -globin
và phân tử tiền-mARN của nó có ba
exon, tơng ứng với trình tự trên phân
tử mARN rời khỏi nhân ra tế bào chất.
(Các vùng 5'UTR và 3'UTR thuộc các
exon mặc dù chúng không mã hóa
protein) . Trong quá trình hoàn thiện
ARN, các intron đợc cắt bỏ, còn các
exon đợc ghép nối với nhau.ở nhiều
gen, các intron thờng lớn hơn nhiều
so với các exon. (Trong hình trên,
kích thớc các phần của tiền-mARN
không đợc vẽ theo tỉ lệ thực).


Phiên

m
ã

Ho
à
n thi
ệ
n A
RN

D
ị
ch m
ã

ADN
Tiền-mARN
mARN

Ribosome
Polypeptit

M
ũ
5


Vùng mã hóa
Các intron đợc cắt bỏ,
còn các exon đợc
ghép nối với nhau
Đ
u
ô
i polyA
Mũ 5
Đ
u
ô
i polyA

Hình 17.11 Vai trò của các snRNP và spliceosome
trong quá trình ghép nối tiền-mARN. Hình trên chỉ minh họa một
phần phân tử tiền-mARN; các intron và exon khác nằm xuôi dòng so với
intron đợc vẽ ở đây. Các ribonucleoprotein nhân kích thớc nhỏ
(snRNP) và các protein khác hình thành nên một phức hệ đợc gọi
là thể ghép nối (spliceosome) trên phân tử tiền-mARN. Trong spliceosome,
snARN kết cặp bổ sung với các nucleotit tại các vị trí đặc thù dọc trình tự
các intron. Spliceosome cắt phân tử tiền-mARN, giải phóng các
intron, đồng thời nối các exon với nhau. Các thành phần của spliceosome
sau đó tách nhau ra, giải phóng khỏi mARN. Phân tử mARN lúc này chỉ
còn chứa các exon đợc gọi là các phân tử mARN hoàn thiện.
Các protein khác

Bản phiên mã ARN (tiền
-
mARN)

Các thành
phần của
spliceosome

Phân đoạn
intron đợc
cắt ra
mARN

336 khối kiến thức 3 Di truyền học

Các ribozyme

ý tởng về vai trò xúc tác của snARN bắt nguồn từ việc phát
hiện ra các ribozyme, đó là các phân tử ARN có chức năng
giống nh các enzym. ở một số sinh vật, sự ghép nối ARN ở
một số gen có thể diễn ra mà không cần sự góp mặt của bất cứ
một loại protein hay thậm chí một loại ARN bổ sung nào khác:
Các phân đoạn intron ARN của chúng có chức năng ribozyme
và có khả năng tự cắt - nối! Ví dụ nh, ở loài động vật nguyên
sinh Tetrahymena, phản ứng tự ghép nối ARN diễn ra trong
quá trình tổng hợp các ARN ribosome (rARN), là các ARN
thành phần của ribosome. Trong thực tế, các phân tử tiền-rARN
ở loài động vật nguyên sinh này tự cắt bỏ các intron của nó. Sự
phát hiện ra các ribozyme làm lu mờ quan điểm cho rằng tất
cả các chất xúc tác sinh học đều là các phân tử protein.
ARN có ba thuộc tính giúp nó có thể biểu hiện chức năng
nh các enzym. Thứ nhất, do ARN có cấu trúc mạch đơn nên
một vùng trên phân tử có thể kết cặp bổ sung với một vùng
khác trên cùng phân tử đó; điều này giúp cho phân tử ARN có
cấu trúc không gian đặc thù. Một cấu trúc không gian đặc thù
là điều kiện tiên quyết để có chức năng xúc tác của ribozyme,
cũng giống nh ở các enzym là protein vậy. Thứ hai, giống với
một số axit amin trong các enzym là protein, một số bazơ
nucleotit của ARN mang các nhóm chức có thể tham gia vào
các hoạt động xúc tác. Thứ ba, các ARN có khả năng hình
thành liên kết hydro với các phân tử axit nucleic khác (ARN
hoặc ADN); điều này làm tăng tính đặc hiệu trong hoạt động
xúc tác của nó. Chẳng hạn nh, sự kết cặp bổ sung giữa các
bazơ trong thành phần ARN của spliceosome với các bazơ trên
phân tử tiền-mARN giúp định vị chính xác vị trí mà các
ribozyme sẽ xúc tác phản ứng ghép nối ARN. ở phần sau
chơng này, chúng ta sẽ thấy các thuộc tính của ARN còn giúp

nhóm phân tử này thực hiện một số chức năng quan trọng khác
(ngoài chức năng xúc tác) trong hoạt động sống của tế bào; ví
dụ nh việc nhận ra các mã bộ ba (codon) trên phân tử mARN.
Tầm quan trọng về chức năng và tiến
hóa của các intron
Một câu hỏi đợc đặt ra là: chức năng sinh học của các intron
và sự ghép nối ARN là gì? Nếu nh đối với phần lớn intron đến
nay cha xác định đợc rõ chức năng sinh học cụ thể, thì ít nhất
một số intron đã biết chứa các trình tự tham gia điều hòa hoạt
động của các gen. Và bản thân quá trình ghép nối ARN là điều
kiện tiên quyết để mARN có thể đi từ nhân ra tế bào chất.
Một trong những hậu quả của việc các gen có intron là một
gen duy nhất có thể mã hóa cho nhiều hơn một loại chuỗi
polypeptit. Đến nay chúng ta đã biết nhiều gen có thể mã hóa
cho hai hoặc nhiều chuỗi polypeptit khác nhau tùy thuộc vào
việc những phân đoạn nào đợc chọn là exon trong quá trình
hoàn thiện mARN; quá trình này đợc gọi là sự ghép nối ARN
thay thế. Chẳng hạn nh, sự phân biệt giới tính ở ruồi giấm chủ
yếu là do các con đực và con cái khác nhau về cách ghép nối
ARN khi phiên mã ở một số gen nhất định. Các kết quả từ Dự
án Hệ gen Ngời (xem Chơng 21) cũng cho thấy: cơ chế ghép
nối ARN thay thế có thể là một trong những nguyên nhân cơ
bản giúp con ngời mặc dù có tổ chức cơ thể cao, nhng chỉ
cần một số lợng gen hạn chế - ớc tính chỉ gấp rỡi so với ruồi
giấm. Nhờ cơ chế ghép nối ARN thay thế, số loại sản phẩm
protein mà mỗi cơ thể có thể tạo ra có thể lớn hơn nhiều so với
số lợng gen mà cơ thể đó có.
Các protein thờng có cấu tạo dạng môđun gồm nhiều vùng
cấu trúc và chức năng tách biệt, đợc gọi là các miền. Chẳng
hạn nh, một miền của một enzym có bản chất protein chứa vị

trí xúc tác, trong khi một miền khác của nó làm nhiệm vụ liên
kết protein với màng tế bào. Trong một số trờng hợp, các exon
khác nhau mã hóa cho các miền khác nhau của cùng một
protein (Hình 17.12).
Sự có mặt của các intron trong gen có thể thúc đẩy sự tiến
hóa nhanh của các protein có tiềm năng mới nhờ quá trình đợc
gọi là sự xáo trộn exon. Sự có mặt của các intron làm tăng xác
suất trao đổi chéo giữa các exon thuộc các gen alen với nhau -
đơn giản bởi vì chúng cung cấp thêm nền cho sự trao đổi
chéo mà không làm gián đoạn các trình tự mã hóa. Ngoài ra,
cũng có thể có sự bắt cặp và đôi khi trộn lẫn giữa các exon
thuộc các gen hoàn toàn khác nhau (không alen với nhau). Dù
cho sự xáo trộn exon xảy ra theo kiểu nào, thì đều có thể dẫn
đến sự hình thành các protein mới với những tổ hợp chức năng
mới. Tuy phần lớn trờng hợp xáo trộn exon là không có lợi,
nhng đôi khi cũng có thể xuất hiện các tổ hợp biến dị có lợi.











Hình 17.12
Sự tơng đồng giữa giữa các exon và
các miền trên phân tử protein.

Miề
n 1

Polypeptit

Miền 3

Miền 2

Gen

ADN

Phiên mã
Hoàn thiện ARN
Dịch mã
17.3
1.
Sự biến đổi ở các đầu 5 và 3 của tiền m-ARN ảnh hởng
nh thế nào đến phân tử mARN rời khỏi nhân tế bào?
2.
Tại sao nói ghép nối ARN giống với biên tập video?
3.
ở giun tròn, một gen mã hóa cho
ATPase có hai kiểu ghép nối ARN thay thế ở exon 4 và
ba kiểu ghép nối ARN thay thế ở exon 7. Có bao nhiêu
dạng protein mà gen này có thể tạo ra?
Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A.
Kiểm tra khái niệm

điều gì nếu
Chơng 17 Từ gen đến protein 337

Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét kĩ hơn bằng cách nào
dòng thông tin di truyền có thể đi từ mARN tới protein qua quá
trình đợc gọi là dịch mã. Cũng giống nh quá trình phiên mã,
chúng ta sẽ tập trung vào những bớc cơ bản chung của dịch
mã diễn ra ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật; sau đó sẽ đề cập
đến các đặc điểm khác biệt chính giữa chúng.
Các thành phần phân tử của dịch m
Trong quá trình dịch mã, tế bào tiến hành thông dịch thông
điệp di truyền trên phân tử mARN hoàn thiện thành chuỗi
polypeptit tơng ứng. Thông điệp di truyền là chuỗi các bộ ba
nucleotit trên phân tử mARN, còn thông dịch viên là các
ARN vận chuyển (tARN). Chức năng của tARN là vận
chuyển các axit amin có trong tế bào chất tới các ribosome.
Mọi tế bào đều có nguồn dự trữ trong tế bào chất của tất cả 20
loại axit amin; tế bào có đợc nguồn dự trữ này hoặc thông qua
các quá tổng hợp chúng từ các phân tử tiền thân hoặc hấp thụ từ
môi trờng dinh dỡng xung quanh. Sau khi axit amin đợc
tARN vận chuyển đến ribosome, nó đợc ribosome gắn kết vào
chuỗi polypeptit đang kéo dài (Hình 17.13).
Các phân tử tARN không giống nhau hoàn toàn. Nguyên lí
dịch mã di truyền từ một phân tử mARN thành một chuỗi trình
tự axit amin đặc thù dựa trên hiện tợng mỗi loại tARN thờng
chỉ dịch một bộ ba nucleotit (codon) trên mARN thành một axit
amin đặc thù. Khi một phân tử tARN đến ribosome, nó mang
theo một axit amin đặc thù tơng ứng với nó ở một đầu của
phân tử. ở đầu đối diện, tARN mang một bộ ba nucleotit đợc
gọi là bộ ba đối mã (anticodon); đây chính là bộ ba kết cặp bổ

sung với bộ ba mã hóa trên mARN. Ví dụ nh, nếu bộ ba mã
hóa trên mARN là UUU, thì sẽ đợc dịch mã thành
phenylalanine. Phân tử tARN làm nhiệm vụ thông dịch ở đây
có một đầu mang bộ ba đối mã là AAA có thể hình thành liên
kết hydro với bộ ba mã hóa UUU; trong khi đó, đầu kia mang
phenylalanine (xem tARN ở giữa ribosome trên Hình 17.13).
Khi mARN dịch chuyển qua ribosome, axit amin phenylalanine
sẽ đợc bổ sung vào chuỗi polypeptit bất cứ khi nào bộ ba mã
hóa trên mARN là UUU. Từ trật tự liên tục của các codon,
thông điệp di truyền sẽ đợc dịch mã thông qua việc các tARN
nhập các axit amin theo một thứ tự xác định, còn ribosome sẽ
tiến hành nối lần lợt các axit amin đó vào chuỗi polypeptit. Sở
dĩ tARN đợc gọi là thông dịch viên, vì nó đồng thời vừa đọc
đợc ngôn ngữ của axit nucleic (các codon trên mARN) vừa
dịch đợc sang ngôn ngữ của protein (trình tự các axit amin).
Nguyên lí cơ bản của dịch mã là đơn giản, song cơ chế hóa
sinh và phân tử là tơng đối phức tạp, đặc biệt là ở tế bào sinh
vật nhân thật. Để dễ theo dõi, chúng ta sẽ tập trung đề cấp trớc
tiên về mô hình dịch mã ở vi khuẩn vốn ít phức tạp hơn, với
việc đầu tiên xem xét về các thành phần chính của bộ máy dịch
mã. Sau đó, chúng ta sẽ tìm hiểu bằng cách nào các thành phần
này phối hợp với nhau để có thể tạo nên một chuỗi polypeptit.
Cấu trúc và chức năng của ARN vận chuyển
Giống với mARN và các loại ARN khác trong tế bào, các phân
tử ARN vận chuyển đợc phiên mã từ các mạch khuôn ADN. ở
sinh vật nhân thật, giống với mARN, tARN cũng đợc tổng
hợp trong nhân tế bào rồi sau đó mới đợc vận chuyển ra tế bào
chất và dùng cho quá trình dịch mã. ở cả tế bào vi khuẩn và
sinh vật nhân thật, mỗi phân tử tARN đều có thể đợc dùng lặp
lại nhiều lần; mỗi lần, nó nhận một axit amin đặc thù tại phần

bào tan (cytosol) của tế bào chất, rồi đa đến ribosome để lắp ráp
vào chuỗi polypeptit đang kéo dài; sau đó, nó rời khỏi ribosome và
sẵn sàng cho một chu kỳ vận chuyển axit amin tiếp theo.
Một phân tử tARN chỉ gồm một mạch đơn ARN duy nhất
có chiều dài khoảng 80 nucleotit (so với hàng trăm nucleotit
của phần lớn các mARN). Tuy vậy, do có các đoạn trình tự bổ
sung có thể hình thành liên kết hydro với nhau trong mỗi phân
tử, mạch ARN đơn duy nhất này có thể tự gập xoắn để tạo nên
một phân tử có cấu hình không gian ba chiều ổn định. Nếu vẽ
1
7
.
4

Khái niệm

Dịch m là quá trình tổng hợp
một chuỗi polypeptit do ARN
điều khiển:
Quan sát gần hơn


Hình 17.13 Dịch mã: khái niệm cơ bản.
Khi phân tử
mARN di chuyển qua ribosome, các bộ ba mã hóa (codon)
đợc dịch mã thành các axit amin theo thứ tự từng axit amin
một. "Thông dịch viên" là các phân tử tARN, mỗi loại có một bộ
ba đối mã (anticodon) đặc thù tại một đ
ầu, đồng thời mang axit
amin đặc thù tơng ứng ở đầu kia. tARN bổ sung axit amin mà

nó đang vận chuyển vào chuỗi polypeptit đang kéo dài cùng lúc
với khi bộ ba đối mã của nó tạo liên kết hydro với bộ ba mã hóa
trên phân tử mARN. Hình ảnh đa phơng tiện tại
trang web dới
đây minh họa chi tiết hơn quá trình dịch mã ở tế bào vi khuẩn.

tARN

Các codon
Ribosome

Anticodon

ADN

Phiên mã

Các axit amin
Chuỗi polypeptit
mARN
Dịch

mã

mARN

Ribosome

Polypeptit

Th
ă
m trang web

để xem hình ảnh động ba chiều
về quá trình tổng hợp protein.
Đa phơng tiện

338 khối kiến thức 3 Di truyền học

sự kết cặp giữa các đoạn nucleotit của tARN với nhau trên mặt
phẳng, thì tARN có cấu trúc giống một chiếc lá gồm nhiều thùy
(
Hình 17.14a). Trong thực tế, các phân tử tARN thờng vặn và
gập xoắn thành cấu trúc không gian có dạng chữ L (Hình
17.14b). Một vòng thòng lọng mở ra từ một đầu chữ L mang bộ
ba đối mã (anticodon); đây là bộ ba nucleotit đặc thù của tARN
kết cặp bổ sung với bộ ba mã hóa (codon) tơng ứng trên
mARN. Từ một đầu khác của phân tử tARN dạng chữ L nhô ra
đầu 3; đây là vị trí đính kết của axit amin. Vì vậy, có thể thấy
cấu trúc của tARN phù hợp với chức năng của nó.
Sự dịch mã chính xác từ mARN đến protein đợc quyết
định bởi hai quá trình đều dựa trên cơ chế nhận biết phân tử.
Đầu tiên, đó là phân tử tARN liên kết với codon trên mARN
nhất định phải vận chuyển tới ribosome đúng loại axit amin mà
codon đó mã hóa (mà không phải bất cứ loại axit amin nào
khác). Sự kết cặp chính xác giữa tARN và axit amin đợc quyết
định bởi một họ enzym có tên là aminoacyl-tARN synthetase
(Hình 17.15). Trung tâm xúc tác của mỗi loại aminoacyl-tARN
synthetase chỉ phù hợp cho một sự kết cặp đặc thù giữa một

(a) Cấu trúc hai chiều (trên mặt phẳng). Các vùng liên kết hydro
gồm 4 cặp bazơ và ba vòng có cấu trúc "thòng lọng" là đặc
điểm chung của tất cả các loại tARN
. Tất cả các tARN cũng
giống nhau ở trình tự các bazơ ở tận cùng đầu 3' (CCA);
đây là vị trí liên kết của các axit amin. Mỗi loại tARN có một
bộ ba đối mã đặc trng và một số trình tự đặc thù ở hai
vòng "thòng l
ọng" còn lại. (Dấu hoa thị biểu diễn một số loại
bazơ đợc biến đổi hóa học chỉ thấy có ở tARN).
(b)
Cấu trúc không gian ba chiều


Hình 17.14 Cấu trúc củ
a ARN vận chuyển (tARN).
Các bộ ba đối mã (anticodon) trên tARN thờng đợc viết theo
chiều 3' 5
' để phù hợp với các mã bộ ba trên mARN thờng
đợc viết theo chiều 5'
3' (xem Hình 17.13). Để các bazơ có
thể kết cặp với nhau, giống với chuỗi xoắn kép ADN, các mạch
ARN phải đối song song. Ví dụ: bộ ba đối mã 3'-AAG-
5' của
tARN kết cặp với bộ ba mã hóa 5'-UUC-3' trên mARN.
(c) Mô hình tARN đợc
dùng trong sách này

Các liên
kết hydro

Bộ ba đối mã (anticodon)

Các liên
kết hydro

A
nticodon

A
nticodon

Vị trí gắn
axit amin


Hình 17.15 Mỗi loại aminoacyl-tARN synthetase
nối một axit amin đặc thù vào một tARN. Phản ứng nối

giữa tARN với axit amin là phản ứng tiêu thụ năng lợng từ sự
thủy phân ATP. Phân tử ATP giải phóng hai nhóm phosphate và
chuyển về dạng AMP (adenosine monophosphate).
tARN

Các codon
tARN
Aminoacyl
-

tARN
synthetase
Axit amin

Aminoacyl-tARN
synthetase (enzym)
Mô hình máy tính

Aminoacyl
-
tARN
("tARN đã nạp axit amin")

Vị trí xúc tác đồng
thời thuộc miền liên kết
với axit amin và ATP.
ATP giải phóng hai nhóm
và phần còn lại của phân tử
(AMP) liên kết với axit amin.
Loại tARN phù
hợp hình thành liên
kết cộng hóa trị với
axit amin sau khi
đẩy nhóm AMP
khỏi phức hệ.
tARN sau khi đã nạp
axit amin đợc giải phóng
khỏi enzym.
Chơng 17 Từ gen đến protein 339

loại axit amin với tARN. Có 20 loại synthetase khác nhau, mỗi
loại dành cho một axit amin; mỗi enzym synthetase có thể liên
kết với nhiều tARN khác nhau cùng mã hóa cho một loại axit
amin. Synthetase xúc tác sự hình thành liên kết cộng hóa trị
giữa axit amin với tARN qua một phản ứng đợc thúc đẩy bởi
sự thủy phân ATP. Phân tử aminoacyl-tARN thu đợc (còn
đợc gọi là tARN đã nạp axit amin) lúc này rời khỏi enzym
và sẵn sàng cho việc vận chuyển axit amin của nó tới vị trí
chuỗi polypeptit đang kéo dài trên ribosome.
Quá trình thứ hai liên quan đến sự kết cặp giữa bộ ba đối
mã trên tARN với bộ ba mã hóa trên mARN. Nếu mỗi loại
tARN có tính đặc thù đối với một bộ ba mã hóa trên mARN, thì
sẽ có 61 loại tARN khác nhau (xem Hình 17.5). Tuy vậy, trong
thực tế chỉ có khoảng 45 loại; điều này cho thấy một số tARN
có thể liên kết vào nhiều hơn một bộ ba mã hóa. Sự bắt cặp
linh hoạt nh vậy có thể do nguyên tắc kết cặp bổ sung giữa
bazơ thứ ba của bộ ba mã hóa trên mARN với bazơ tơng ứng
trên bộ ba đối mã của tARN là lỏng lẻo hơn so với các bazơ ở
hai vị trí còn lại. Chẳng hạn nh, bazơ U ở tận cùng đầu 5 của
một bộ ba đối mã trên tARN có thể kết cặp hoặc với A hoặc với
G ở vị trí thứ ba (từ là đầu 3) của bộ ba mã hóa tơng ứng trên
mARN. Sự kết cặp lỏng lẻo của các bazơ ở vị trí thứ ba nh
vậy đợc gọi là tính thoái hóa của mã di truyền. Tính thoái
hóa của mã di truyền giúp giải thích tại sao nhiều bộ ba đồng
nghĩa (cùng mã hóa một loại axit amin) thờng chỉ khác nhau ở
bazơ thứ ba, mà không ở các vị trí bazơ còn lại. Ví nh nh,
một tARN có bộ ba đối mã là 3-UCU-5 có thể kết cặp bazơ
hoặc với bộ ba mã hóa 5-AGA-3 hoặc với bộ ba 5-AGG-3
trên phân tử mARN; điều thú vị là cả hai bộ ba này đều mã hóa
cho arginine (xem Hình 17.5).

Các ribosome
Các ribosome tạo điều kiện cho sự kết cặp giữa các bộ ba đối
mã của tARN với các bộ ba mã hóa tơng ứng trên phân tử
mARN trong quá trình tổng hợp protein. Mỗi ribosome đều
gồm có hai tiểu phần, lần lợt đợc gọi là các tiểu phần lớn và
tiểu phần nhỏ (Hình 17.16). Các tiểu phần ribosome đợc cấu
tạo nên từ các protein và các phân tử ARN đợc gọi là các
ARN ribosome, hay rARN. ở sinh vật nhân thật, các tiểu phần
ribosome đợc hình thành trong hạch nhân. Các gen mã hóa
rARN nằm trên ADN nhiễm sắc thể đợc phiên mã, hoàn thiện
và sản phẩm của nó đợc đóng gói với các protein đợc nhập
khẩu vào nhân từ tế bào chất. Sau đó, các tiểu phần ribosome
đợc xuất khẩu ra tế bào chất qua các lỗ màng nhân. ở cả vi
khuẩn và các sinh vật nhân thật, tiểu phần lớn và tiểu phần nhỏ
chỉ lắp ráp với nhau để hình thành nên ribosome có chức năng
khi chúng đã đính kết vào một phân tử mARN. Khoảng 2/3
khối lợng ribosome là của các rARN, bao gồm 3 phân tử (ở vi
khuẩn) hoặc bốn phân tử (ở sinh vật nhân thật) khác loại. Do
phần lớn mỗi tế bào đều luôn chứa hàng nghìn ribosome, nên
rARN thờng là loại ARN phổ biến nhất có trong tế bào.
Mặc dù các ribosome ở vi khuẩn và ở sinh vật nhân thật rất
giống nhau về cấu trúc và chức năng, nhng các ribosome sinh
vật nhân thật có kích thớc lớn hơn đôi chút và khác với các
ribosome vi khuẩn về các thành phần cấu tạo nên chúng. Sự
khác biệt này có ý nghĩa y học. Một số thuốc kháng sinh gây ức
chế hoạt động của các ribosome vi khuẩn, nhng không ức chế
hoạt động của các ribosome sinh vật nhân thật, do vậy không
ảnh hởng đến sự tổng hợp protein ở sinh vật nhân thật. Những
thuốc kháng sinh này, bao gồm cả tetracycline và streptomycin,
đợc dùng phổ biến trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn.

Hình 17.16 Cấu trúc của ribosome.
mARN

Các codon
Vị trí P (vị trí liên

kết
của Peptidyl-tARN)
Tiểu
phần lớn

Chuỗi polypeptit
đang kéo dài
Axit amin tiếp theo
đợc bổ sung vào
chuỗi polypeptit
K
ênh thoát

(kênh đi ra)

Các phân
tử tARN
Tiểu
phần nhỏ

Vị trí A
(vị trí liên kết

của Aminoacyl-tARN)

Tiểu
phần lớn

Tiểu
phần nhỏ

Vị trí E
(vị trí thoát
-Exit)
Vị trí đính
kết mARN

Đầu amino

Chuỗi polypeptit

mARN
tARN

ADN

Phiên mã

Dịch mã
mARN

Ribosome

Polypeptit

(a) Mô hình ribosome đang hoạt đông chức năng do máy tính
xây dựng. Đây là mô hình ribosome ở vi khuẩn với hình dạng
tổng thể. Ribosome ở sinh vật nhân thật có cấu hình tơng tự.
Mỗi tiểu phần ribosome là phức hệ của các protein và rARN.

(b) Mô hình dạng sơ đồ về các vị trí liên kết trên ribosome.
Mỗi
ribosome có một vị trí đính kết mARN và ba vị trí liên kết tARN,
đợc gọi là các vị trí A, P và E. Mô hình ribosome ở dạng sơ đồ
này đợc dùng minh họa trong các hình tiếp theo.
(b) Mô hình dạng sơ đồ khi cùng có mặt với mARN và tARN.
Một tARN sẽ liên kết vừa khít vào vị trí của nó trên ribosome
nếu nh bộ ba đối mã của nó kết cặp đúng với một bộ ba mã
hóa trên mARN. Vị trí P giữ tARN đang liên kết với chuỗi
polypeptit, trong khi vị trí A giữa tARN đang mang axit amin tiếp
theo sẽ đợc bổ sung vào chuỗi. tARN rời ribosome tại vị trí E.

340 khối kiến thức 3 Di truyền học

Cấu trúc của ribosome phản ánh chức năng của nó là mang
mARN cùng với tARN đã nạp axit amin. Ngoài vị trí đính kết
mARN, mỗi ribosome đều có ba vị trí liên kết tARN (xem
Hình 17.16). Vị trí P (vị trí petidyl-tARN) giữ tARN đang
mang chuỗi polypeptit đang đợc kéo dài, trong khi vị trí A (vị
trí aminoacyl-tARN) giữa tARN mang axit amin tiếp theo đợc
bổ sung vào chuỗi polypeptit. tARN tự do (không liên kết với
axit amin) đợc giải phóng khỏi ribosome tại vị trí E (Exit).
Ribosome giữ mARN và tARN ở những vị trí áp sát vào nhau,

đồng thời đa các axit amin mới tới sát cạnh đầu C (đầu
cacboxyl) của chuỗi polypeptit đang kéo dài. Sau đó, nó xúc tác
sự hình thành liên kết peptit. Khi chuỗi polypeptit đã đủ dài, nó
chui qua một kênh thoát (kênh đi ra) thuộc tiểu phần lớn của
ribosome. Khi chuỗi polypeptit đã đợc tổng hợp xong, nó đợc
giải phóng vào phần bào tan ở tế bào chất qua kênh thoát.
Nhiều nghiên cứu gần đây ủng hộ cho giả thiết là chính
rARN, chứ không phải protein, giữ vai trò trọng yếu trong cấu
trúc và chức năng của ribosome. Các protein, chiếm phần lớn
phần bao ngoài ribosome, giúp thay đổi cấu hình không gian
của các phân tử rARN khi những phân tử này thực hiện vai trò
xúc tác trong quá trình dịch mã. Các ARN ribosome là thành
phần chính tạo nên giao diện tiếp xúc giữa hai tiểu phần
ribosome tại các vị trí A và P, đồng thời nó cũng là trung tâm
xúc tác hình thành liên kết peptit. Vì vậy, ribosome có thể đợc
coi nh một ribozyme "khổng lồ"!
Sự hình thành một chuỗi polypeptit
Chúng ta có thể chia quá trình dịch mã, tức là sự tổng hợp một
chuỗi polypeptit, thành ba giai đoạn (giống nh các giai đoạn
của phiên mã), đó là: khởi đầu dịch mã, kéo dài chuỗi và kết
thúc dịch mã. Cả ba giai đoạn đều cần sự có mặt của một số
yếu tố protein đặc thù giúp cho sự dịch mã có thể diễn ra. ở
một số bớc của giai đoạn khởi đầu dịch mã và kéo dài chuỗi,
năng lợng cần đợc cung cấp. Tuy vậy, nguồn năng lợng này
đợc cung cấp từ sự thủy phân GTP (guanosine triphosphate) là
một dẫn xuất của ATP (chứ không phải từ ATP).
Lắp ráp ribosome và khởi đầu dịch mã
Giai đoạn khởi đầu dịch mã liên quan đến việc huy động các
thành phần của phức hệ dịch mã, gồm: bản hiên mã mARN,
một phân tử tARN vận chuyển axit amin đầu tiên của chuỗi

polypeptit, và hai tiểu phần của ribosome (Hình 17.17). Đầu
tiên, tiểu phần nhỏ của ribosome sẽ đính kết vào mARN và một
tARN khởi đầu dịch mã đặc biệt luôn mang axit amin đầu tiên
là methionine. ở vi khuẩn, tiểu phần nhỏ của ribosome có thể
lắp ráp với hai thành phần trên đây theo trật tự bất kỳ; nó liên
kết đợc với mARN qua một trình tự ARN đặc thù nằm ngợc
dòng bộ ba bắt đầu dịch mã (AUG). ở sinh vật nhân thật, tiểu
phần nhỏ ribosome đầu tiên liên kết với tARN khởi đầu dịch
mã; sau đó, phức hệ này mới liên kết vào mũ đầu 5 của phân tử
mARN. Bắt đầu từ đây, phức hệ gồm tiểu phần nhỏ ribosome
và tARN khởi đầu dịch mã trợt dọc (xuôi dòng) phân tử
mARN cho đến khi nó gặp bộ ba mã bắt đầu dịch mã; ở vị trí
này, tARN khởi đầu dịch mã sẽ hình thành liên kết hydro với
mARN. ở cả vi khuẩn và sinh vật nhân thật, bộ ba mã bắt đầu
dịch mã đều là tín hiệu bắt đầu dịch mã; nó rất quan trọng vì có
vai trò xác định khung đọc cho một phân tử mARN.
Sau khi phức hệ gồm mARN, tARN khởi đầu dịch mã và
tiểu phân nhỏ ribosome đã hình thành, tiểu phần lớn ribosome
sẽ liên kết vào để tạo nên phức hệ khởi đầu dịch m. Các
protein có tên là các yếu tố khởi đầu dịch m giúp đa các
thành phần của phức hệ trên đây tổ hợp với nhau. Để hình
thành đợc phức hệ khởi đầu dịch mã, tế bào dùng năng lợng
ở dạng phân tử GTP. Khi quá trình khởi đầu dịch mã kết thúc,
tARN khởi đầu dịch mã đang ở vị trí P của ribosome, trong khi
vị trí A còn trống và sẵn sàng tiếp nhận một aminoacyl-tARN
tiếp theo. Cần lu ý rằng, quá trình tổng hợp một chuỗi
polypeptit luôn diễn ra theo một chiều, bắt đầu từ axit amin
methionine tại đầu amino (còn gọi là đầu N) cho tới axit amin
cuối cùng ở đầu cacboxyl (còn gọi là đầu C; xem Hình 5.18).

Hình 17.17 Sự khởi đầu dịch mã.
Vị trí P
Tiểu phần nhỏ ribosome liên kết vào phân tử
mARN. ở tế bào vi khuẩn, tiểu phần này nhận
ra một trình tự nucleotit đặc thù trên mARN
nằm ngợc dòng bộ ba mã bắt đầu dịch mã
(codon bắt đầu). Một tARN khởi đầu dịch mã
mang bộ ba đối mã UAC kết cặp bazơ bổ
sung với bộ ba mã bắt đầu dịch mã AUG.
tARN này luôn mang axit amin methionine.
Tiểu
phần lớn

Tiểu
phần nhỏ

Vị trí liên kết mARN
mARN
tARN khởi
đầu dịch mã
Khi tiểu phần lớn của ribosome liên kết
vào, phức hệ khởi đầu dịch mã hình thành.
Các protein gọi là các yếu tố khởi đầu dich
mã (không vẽ ở đây) giúp tổ hợp các thành
phần của phức hệ khởi đầu dịch mã. GTP
cung cấp năng lợng cho sự tổ hợp này.
tARN khởi đầu dịch mã ở vị trí P; còn vị trí A
sẵn sàng cho việc tiếp nhận tARN mang
axit amin tiếp theo.

Codon bắt đầu
Chơng 17 Từ gen đến protein 341

Kéo dài chuỗi polypeptit
Trong giai đoạn kéo dài chuỗi của quá trình dịch mã, các axit
amin đợc lần lợt bổ sung vào chuỗi polypeptit đang kéo dài.
Mỗi bớc bổ sung axit amin liên quan đến một số protein đợc
gọi là các yếu tố kéo dài chuỗi và diễn ra thành chu kỳ gồm 3
bớc (Hình 17.18). Sự tiêu thụ năng lợng xảy ra ở các bớc
thứ nhất và thứ ba. Việc nhận ra một bộ ba mã hóa cần thủy
phân một phân tử GTP; điều này góp phần vào việc làm tăng
hiệu quả và mức độ chính xác của bớc này. Một phân tử GTP
khác sẽ đợc thủy phân để cung cấp năng lợng cho bớc
chuyển vị ribosome tới codon tiếp theo trên phân tử mARN.
Phân tử mARN trợt qua ribosome theo một chiều nhất
định, bắt đầu từ đầu 5; nói cách khác, ribosome trợt trên phân
tử mARN theo chiều 5 3. Điểm quan trọng là ribosome và
mARN dịch chuyển tơng đối so với nhau theo một chiều duy
nhất, mỗi lần một codon. ở vi khuẩn, mỗi chu kỳ kéo dài chuỗi
(lắp ráp một axit amin) diễn ra trong khoảng thời gian ít hơn
một phần mời (0,1) giây và lặp lại bắt đầu từ axit amin đầu
tiên cho đến axit amin cuối cùng của chuỗi polypeptit.
Sự kết thúc dịch mã
Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình dịch mã (Hình 17.19 ở
trang sau). Các bớc kéo dài chuỗi polypeptit tiếp tục diễn ra
cho đến khi một bộ ba mã kết thúc tiếp cận vị trí A của
ribosome. Các bộ ba UAG, UGA và UAA không mã hóa cho
bất cứ một axit amin nào; mà thay vào đó, chúng là các tín hiệu
kết thúc dịch mã. Một protein gọi là yếu tố giải phóng chuỗi sẽ
liên kết trực tiếp vào các bộ ba mã kết thúc (các codon kết

thúc). Yếu tố giải phóng chuỗi này sẽ bổ sung một phân tử
nớc vào chuỗi polypeptit đang kéo dài (thay cho axit amin nh
bình thờng ở các bộ ba mã hóa). Phản ứng này làm đứt gãy
(thủy phân) liên kết giữa mạch polypeptit (lúc này đã hoàn
chỉnh) với tARN (lúc này đang ở vị trí P), làm giải phóng chuỗi
polypeptit qua kênh thoát trên tiểu phần lớn của ribosome (xem
Hình 17.16a). Các thành phần của bộ máy dịch mã sau đó sẽ
tách khỏi nhau qua một quá trình gồm nhiều bớc dới sự hỗ
trợ của một số yếu tố protein khác nữa. Mỗi lần phân tách các
thành phần của bộ máy dịch mã ở bớc này cần tiêu thụ thêm
năng lợng từ hai phân tử GTP.

Hình 17.18 Chu kỳ kéo dài chuỗi trong dịch mã. Sự thủy phân GTP giữ vai trò quan trọng trong giai
đoạn kéo dài chuỗi. ở đây không vẽ các protein tham gia vào giai đoạn này đợc gọi là các yếu tố kéo dài chuỗi.
Phiên

m
ã

D
ị
ch m
ã

ADN

mARN

Ribosome

Polypeptit

Ribosome sẵn sàng cho
aminoacyl-tARN
tiếp theo
Đầu amino của
chuỗi polypeptit
mARN

Chuyển vị. Ribosome
chuyển vị trên mARN một
bộ ba mã hóa, dẫn đến sự
dịch chuyển tARN từ vị trí A
sang vị trí P. Đồng thời
tARN tự do ở vị trí P
chuyển sang vị trí E, rồi
đợc giải phóng ra ngoài.
Sự chuyển vị của mARN
đa codon tiếp theo vào vị
trí dịch mã tại vị trí A.
Hình thành liên kết peptit.
Một phân tử rARN thuộc tiểu
phần lớn của ribosome xúc tác
cho sự hình thành liên kết
peptit giữa axit amin mới ở vị trí
A với đầu cacboxyl của chuỗi
polypeptit đang kéo dài ở vị trí
P. Bớc này đồng thời chuyển
chuỗi polypeptit từ tARN ở vị trí
P và gắn nó vào axit amin trên

tARN đang ở vị trí A.
Nhận biết codon. Bộ ba đối mã
(anticodon) trên phân tử aminoacyl-
tARN
kết cặp bazơ bổ sung với bộ ba mã hóa
(codon) trên phân tử mARN tại vị trí A.
Sự thủy phân GTP làm tăng hiệu quả và
tính chính xác của bớc này.
342 khối kiến thức 3 Di truyền học

Polyribosome
Một ribosome có thể tổng hợp một chuỗi polypeptit kích thớc
trung bình trong vòng dới một phút. Tuy vậy, thờng thì sự
dịch mã một phần tử mARN đợc tiến hành đồng thời bởi
nhiều ribosome khác nhau; nghĩa là, một phân tử mARN có thể
đợc dùng làm khuôn để cùng lúc tạo nên nhiều bản sao của
một chuỗi polypeptit. Một khi ribosome đã vợt qua codon bắt
đầu, thì một ribosome thứ hai có thể đính kết đợc vào mARN;
kết quả là một loạt ribosome nối tiếp nhau trợt dọc trên phân
tử mARN. Một chuỗi gồm nhiều ribosome nh vậy đợc gọi là
polyribosome (hay polysome); nó có thể đợc quan sát thấy
bằng kính hiển vi điện tử (Hình 17.20). Cấu trúc polyribosome
có cả ở các tế bào vi khuẩn và tế bào sinh vật nhân thật. Chúng
giúp cho tế bào trong một thời gian rất ngắn có thể tổng hợp
đợc nhiều bản sao của một chuỗi polypeptit nhất định.
Sự hoàn thiện và vận chuyển protein
Quá trình dịch mã đơn thuần thờng là cha đủ để có thể tạo
nên một phân tử protein ở dạng hoạt động chức năng. Trong
phần này, chúng ta sẽ đề cập đến những biến đổi của protein
sau dịch mã và một số cơ chế vận chuyển protein tới đích trong

tế bào, ở nơi mà chúng biểu hiện chức năng.
Sự biến đổi và gập xoắn của protein sau
dịch mã
Ngay trong quá trình tổng hợp, chuỗi polypeptit bắt đầu cuộn
xoắn và gập một cách tự phát do kết quả tơng tác giữa các
đoạn trình tự axit amin (cấu trúc bậc 1) ở các phần khác nhau
của chuỗi, từ đó hình thành nên một phân tử protein có hình
dạng đặc thù: nghĩa là, một phân tử có cấu hình không gian ba
chiều bậc 2 và bậc 3 (xem Hình 5.21). Nh vậy, gen xác định
cấu trúc bậc 1; còn cấu trúc bậc 1 qui định hình dạng của phân
tử. Trong nhiều trờng hợp, một nhóm các protein gọi là
chaperone (hoặc chaperonin) giúp gập xoắn phân tử protein
theo đúng cách mà tế bào cần (xem Hình 5.24).
Tuy vậy, đối với nhiều protein, chúng chỉ đạt đợc trạng
thái hoạt động chức năng đúng của chúng sau khi đã trải qua
một số bớc biến đổi bổ sung đợc gọi là các biến đổi protein
sau dịch m. Trong quá trình này, những axit amin nhất định
đợc biến đổi về mặt hóa học, chẳng hạn thông qua việc chúng
đợc gắn thêm các gốc đờng, lipit, các nhóm phosphate, hoặc
một số gốc hóa học khác nữa. Hoặc, các enzym đặc hiệu sẽ loại
bỏ bớt một hoặc một số axit amin từ đoạn dẫn đầu (đầu amino)
của chuỗi polypeptit. Trong một số trờng hợp, một chuỗi
polypeptit có thể đợc một enzym cắt thành hai hay nhiều phân

Hình 17.19 Sự kết thúc dịch mã. Giống với giai đoạn kéo dài chuỗi, giai đoạn kết thúc dịch mã cũng cần
sự thủy phân GTP và các yếu tố protein bổ sung (một số protein không đợc vẽ trên hình).
Codon kết thúc dịch mã

(UAG, UAA hoặc UGA)

Yếu tố giải
phóng chuỗi

Khi ribosome tiếp cận một bộ ba (codon) kết
thúc dịch mã trên mARN, vị trí A của
ribosome sẽ tiếp nh
ận yếu tố giải phóng
chuỗi; protein này có hình dạng giống tARN.

C
huỗi

polypeptit tự do

Yếu tố giải phóng chuỗi thúc đẩy sự thủy
phân liên kết giữa tARN tại vị trí P và axit
amin cuối cùng trên chuỗi polypeptit, dẫn đến
việc giải phóng chuỗi polypeptit khỏi ribosome.

Hai tiểu phần của ribosome và
các thành phần khác của bộ máy
dịch mã tách rời khỏi nhau.

Hình 17.16 Cấu trúc và hoạt động của ribosome.
Ribos
ome

Đầu 5' của
phân tử mARN

Các chuỗi polypeptit
đang kéo dài
Chuỗi polypeptit
hoàn chỉnh
Các
tiểu
phần ribosome

đi vào
Polyribosome
(a) Mỗi phân tử mARN thờng đợc dịch mã đồng thời bởi một
số ribosome tập hợp thành cụm đợc gọi là polyribosome.
(b) ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
này cho thấy một polyribosome kích thớc
lớn ở một tế bào vi khuẩn.

Đầu 3' của
phân tử mARN
mARN

Chơng 17 Từ gen đến protein 343

đoạn ngắn. Chẳng hạn nh insulin lúc ban đầu mới đợc tổng
hợp là một chuỗi polypeptit duy nhất; nhng để trở thành dạng
hoạt động chức năng, chuỗi polypeptit này đợc cắt bỏ một
đoạn ở giữa; hai phân đoạn còn lại sau đó đợc gắn với nhau
bởi các cầu disufit (-S-S-) để tạo nên một phân tử protein gồm
hai tiểu phần. Trong các trờng hợp khác, hai hay nhiều chuỗi
polypeptit đợc tổng hợp riêng rẽ (do các gen khác nhau mã
hóa) tổ hợp với nhau; chúng trở thành các tiểu đơn vị của cùng

một phân tử protein có cấu trúc bậc bốn đặc thù. Một ví dụ
quen thuộc nh vậy là hemoglobin (xem Hình 5.21).
Đa protein tới đích
Các hình ảnh từ kính hiển vi điện tử chụp các tế bào sinh vật
nhân thật đang tổng hợp mạnh protein cho thấy có hai loại quần
thể ribosome (và polyribosome) khác nhau: một loại là dạng tự
do còn loại kia là dạng liên kết (xem Hình 6.11). Các ribosome
tự do phân tán khắp phần bào tan ở tế bào chất và chủ yếu tổng
hợp các protein mà sau này đợc lu lại và hoạt động trong
phần bào tan. Ngợc lại, các ribosome ở dạng liên kết thờng
đính kết trên lớp mặt hớng về phần bào tan của mạng lới nội
chất (ER) hoặc màng nhân. Các ribosome ở dạng liên kết tổng
hợp các protein là thành phần của các hệ thống nội màng (ví dụ
nh màng nhân, ER, bộ máy Golgi, lyzôsom, không bào và
màng nguyên sinh của tế bào), ngoài ra là các protein xuất bào
(ví dụ nh insulin). Tuy vậy, các ribosome có thể chuyển trạng
thái từ dạng tự do sang dạng liên kết.
Điều gì quyết định việc một ribosome sẽ tồn tại ở trạng thái
tự do trong phần bào tan hay liên kết với mạng lới nội chất thô
vào một thời điểm nhất định? Việc tổng hợp một chuỗi
polypeptit luôn bắt đầu trong phần bào tan, khi một ribosome tự
do bắt đầu dịch mã một phân tử mARN. ở đó, quá trình dịch
mã cứ tiếp diễn cho đến khi kết thúc - trừ khi chuỗi polypeptit
đang kéo dài tự động nhắc nhở ribosome hãy đính kết vào
ER. Các chuỗi polypeptit thuộc các protein mà sau này là thành
phần cấu tạo nên các hệ thống nội màng hoặc đợc xuất bào có
các peptit tín hiệu; chính tín hiệu này giúp đa protein tới ER
(Hình 17.21). Peptit tín hiệu thờng là một đoạn trình tự gồm
khoảng 20 axit amin ở sát hoặc gần đầu amino (đầu ra trớc)
của chuỗi polypeptit. Tín hiệu này đợc nhận biết bởi một phức

hệ gồm có ARN và protein có tên là hạt nhận biết tín hiệu
(signal-recognition particle, hay SRP). Các hạt này có chức
năng nh những thể tiếp hợp (adapter) giúp mang các ribosome
tới một loại protein thụ thể đặc hiệu trên màng ER. Thụ thể này
là một phần của phức hệ chuyển vị gồm nhiều protein. Sự tổng
hợp chuỗi polypeptit sẽ tiếp tục diễn ra ở đó, đồng thời chuỗi
polypeptit đang kéo dài sẽ trờn và lách qua các lỗ protein trên
màng để đi vào khoang ER. Peptit tín hiệu thờng đợc cắt bỏ
sau đó bởi một enzym. Trong trờng hợp protein đợc xuất bào,
phần còn lại của chuỗi polypeptit hoàn chỉnh sẽ đợc phóng
thích vào phần dịch có trong khoang ER. Còn nếu ngợc lại,
khi protein là thành phần của hệ thống nội màng, nó sẽ đợc
duy trì và nhúng một phần vào màng ER.

Hình 17.21 Cơ chế tín hiệu đa
protein vào mạng lới nội chất (ER).
Một chuỗi polypeptit cuối cùng đợc xuất bào
hoặc đa đến hệ thống nội màng thờng bắt
đầu từ một đoạn peptit tín hiệu, đó là một đoạn

trình tự axit amin đặc thù với ER. Hình
trên minh họa quá trình dịch mã một
protein đợc xuất bào diễn ra đồng thời
với việc nó đợc nhập vào xoang ER.
Trong ER và sau đó là trong Golgi,

Protein này tiếp tục đợc biến đổi và
hoàn thiện. Cuối cùng các nang vận
chuyển sẽ vận chuyển nó đến màng
nguyên sinh và tiến hành xuất bào

(xem Hình 7.10)


Ribosome

Phần
bào tan
Phức hệ
chuyển vị

Màng ER
Peptit tín
hiệu đợc
cắt bỏ
Protein
S
ự tổng hợp
chuỗi polypeptit
bắt đầu từ một
ribosome tự do
trong bào tan
Xoang ER

mARN

Peptit
tín hiệu

Hạt nhận
biết tín hiệu

(SRP)
Protein
thụ thể
của SRP

Một SRP gắn
vào peptit tín hiệu,
làm dừng đôi chút
quá trình tổng hợp
SRP liên kết vào protein

thụ thể trên màng ER. Thụ
thể này là một phần của
phức hệ chuyển vị. Phức hệ
này còn có protein lỗ màng
và enzym cắt peptit tín hiệu
(không vẽ riêng ở đây)
SRP rời khỏi chuỗi
polypeptit; sự dịch mã
đợc khôi phục và diễn ra
đồng thời với việc chuỗi
polypeptit trờn xuyên
qua màng. (Peptit tín hiệu
đợc giữ lại tại phức hệ
chuyển vị)

Một enzym
cắt đoạn peptit
tín hiệu khỏi
chuỗi polypeptit

Phần còn lại
của
chuỗi polypeptit
hoàn
chỉnh rời khỏi ribosome
và gập xoắn thành
dạng cấu hình hoạt
động chức năng

344 khối kiến thức 3 Di truyền học

Các đoạn peptit tín hiệu khác đợc dùng để vận chuyển các
chuỗi polypeptit tới ti thể, lạp thể, qua màng nhân vào trong
nhân tế bào hoặc tới các bào quan khác không phải là thành
phần của hệ thống nội màng. Điểm khác biệt quan trọng nhất ở
những trờng hợp này là quá trình dịch mã diễn ra hoàn toàn
trong phần bào tan trớc khi các chuỗi polypeptit đợc nhập
khẩu vào các bào quan tơng ứng của chúng. Cơ chế vận
chuyển các protein đến đích rất đa dạng, nhng trong mọi
trờng hợp đã đợc nghiên cứu đến nay, mã địa chỉ hớng
dẫn vị trí định vị trong tế bào của các protein cũng nh nơi
chúng đợc xuất bào đều là các trình tự peptit tín hiệu đặc thù.
Vi khuẩn cũng sử dụng các peptit tín hiệu để xác định các
protein xuất bào.
Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu quá trình biểu hiện của gen; qua
đó, chúng ta có thể hiểu đợc bằng cách nào những thay đổi
trong thông tin di truyền của một tế bào (hoặc virut) có thể gây
nên các ảnh hởng về kiểu hình. Những thay đổi này, đợc gọi
là các đột biến, chính là nguyên nhân dẫn đến sự đa dạng,
phong phú của các gen ở mọi loài sinh vật; nói nh vậy bởi vì

các đột biến chính là nguồn gốc tận
cùng của mọi gen mới. Trên Hình
15.15, chúng ta đã thấy các dạng đột
biến ở qui mô lớn; đó là các đột biến
sắp xếp lại nhiễm sắc thể gây ảnh
hởng đến các đoạn dài của ADN.
Còn ở đây, chúng ta chỉ tập trung đề
cập đến các đột biến điểm, tức là
những thay đổi hóa học xảy ra ở một
cặp bazơ nucleotit duy nhất của gen.
Nếu đột biến điểm xuất hiện
trong các tế bào giao tử hoặc các tế
bào phát sinh giao tử, thì nó có thể
đợc chuyền cho thế hệ con và các
thế hệ con, cháu sau này. Nếu đột
biến gây ảnh hởng bất lợi đến kiểu
hình của con vật thì trạng thái đột
biến gây nên đợc gọi là các rối
loạn hoặc các bệnh di truyền. Ví dụ nh, chúng ta sẽ thấy cơ sở
di truyền học của bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm là do một
đột biến ở một cặp bazơ duy nhất trên gen mã hóa chuỗi -
globin của hemoglobin. Sự thay đổi của một nucleotit đơn lẻ
trên mạch khuôn ADN dẫn đến sự hình thành một protein bất
thờng (
Hình 17.22; xem thêm Hình 5.22). ở những ngời
đồng hợp tử về alen đột biến, việc các tế bào hồng cầu trở nên
có hình liềm do sự biến đổi của hemoglobin dẫn đến nhiều triệu
chứng bệnh lý khác nhau (xem Chơng 14). Một ví dụ khác là
một dạng bệnh tim dẫn đến đột tử trong tập luyện thể thao ở
một số vận động viên trẻ, đợc gọi là bệnh cơ tim theo dòng họ.

Nguyên nhân gây bệnh này đợc xác định là do đột biến điểm
xảy ra ở một số gen có liên quan; trong đó, mỗi đột biến đều có
nguy cơ gây bệnh.
Các loại đột biến điểm
Các đột biến điểm xảy ra trong các gen có thể chia thành hai
nhóm lớn: i) sự thay thế cặp bazơ và ii) sự mất hoặc thêm cặp
bazơ. Hãy xem những đột biến này có thể gây ảnh hởng đến
protein nh thế nào.
Các đột biến thay thế
Các đột biến thay thế cặp bazơ là những đột biến mà ở đó
một cặp nucleotit này đợc thay thế bằng một cặp nucleotit
khác (Hình 17.23a). Một số dạng thay thế đợc gọi là các đột
biến câm, bởi vì do tính thoái hóa của mã di truyền, chúng
không gây ảnh hởng đến kiểu hình và biểu hiện chức năng của
protein do gen (mà ở đó đột biến xảy ra) mã hóa. Nói cách
khác, sự thay đổi một cặp bazơ có thể chuyển một bộ ba mã
hóa này thành một bộ ba mã hóa khác, nhng cả hai bộ ba đều
cùng mã hóa cho một axit amin. Ví dụ: nếu 3-CCG-5 trên
mạch khuôn bị đột biến thành 3-CCA-5, thì bộ ba mã hóa trên
mARN là GGC sẽ bị biến đổi thành GGU; nhng với cả hai bộ
ba mã hóa này, axit amin đợc chọn cài vào chuỗi polypeptit
đều là glycine (xem Hình 17.5). Các đột biến thay thế cũng có
thể diễn đến các đột biến sai nghĩa. Một đột biến sai nghĩa nh
vậy có thể chỉ gây ảnh hởng ít đến protein, nếu nh axit amin
mới có các thuộc tính giống với axit amin mà nó thay thế, hoặc
khi nó nằm ở trong miền cấu trúc ít có tính quyết định đến hoạt
động chức năng của protein.
17.5
1.

Hai quá trình nào đảm bảo cho việc bổ sung đúng một
axit amin vào chuỗi polypeptit đang kéo dài?

2.

Nêu tính u việt của sự hình thành cấu
trúc polyribosome
trong quá trình dịch mã đối với tế bào.

3.

Mô tả bằng cách nào một chuỗi polypeptit xuất bào có
thể đợc vận chuyển tới hệ thống nội màng.

4.

Thảo luận bằng cách nào mà các
đặc điểm cấu trúc của rARN có thể
tham gia thực
hiện
chức năng của ribosome.
Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A.
Kiểm tra khái niệm
điều gì nếu
1
7
.
5

Khái niệm

Đột biến điểm có thể ảnh hởng
đến cấu trúc và chức năng protein


Hình 17.22 Cơ sở phân tử của bệnh hồng cầu hình liêm: đột biến điểm.
Alen
gây bệnh hồng cầu hình liềm khác với alen kiểu dại (bình thờng) bởi một cặp bazơ ADN duy nhất.

ADN hemoglobin kiểu dại
mARN

Hemoglobin bình thờng

ADN hemoglobin đột biến

mARN
Hemoglobin tế bào hình liềm
Trên ADN, mạch khuôn

đột biến (bên trên) có A
thay thế cho T ở mạch
khuôn kiểu dại
Mạch mARN đột biến
có U thay cho A ở một
bộ ba mã hóa
Hemoglobin đột biến
(tế bào hình liềm) có
valine (Val) thay thế
cho axit glutamic (Glu)

ở hemoglobin kiểu dại
Chơng 17 Từ gen đến protein 345

Tuy vậy, những đột biến thay thế cặp bazơ đợc quan tâm
hơn cả là những đột biến thay thế làm thay đổi lớn ở protein.
Những thay đổi duy nhất liên quan đến các axit amin trong các
miền quan trọng của protein - chẳng hạn nh trong phần cấu
trúc của hemoglobin ở Hình 17.22 hoặc ở vị trí trung tâm hoạt
động của một enzym - sẽ làm thay đổi hoạt tính protein một
cách đáng kể. Thi thoảng, những đột biến nh vậy có thể dẫn
đến sự tăng cờng hoạt tính hoặc tăng thêm khả năng hoạt động
của protein; nhng trong phần lớn trờng hợp, chúng có tác
động gây hại, thờng làm giảm hoặc mất hoạt tính của protein
dẫn đến những sai hỏng trong biểu hiện chức năng của tế bào.
Các đột biến thay thế thờng là các đột biến sai nghĩa;
nghĩa là bộ ba mã hóa bị thay đổi vẫn mã hóa cho một axit
amin và vì vậy nó vẫn có nghĩa, nhng nghĩa của nó không còn
đúng nữa. Nhng một đột biến điểm cũng có thể làm thay đổi
một bộ ba mã hóa axit amin thành một bộ ba kết thúc dịch mã.
Trờng hợp này đợc gọi là đột biến vô nghĩa, và nó dẫn đến
sự kết thúc dịch mã sớm; chuỗi polypeptit đợc tạo ra thờng
ngắn hơn chuỗi polypeptit do gen bình thờng mã hóa. Hầu hết
các đột biến vô nghĩa đều dẫn đến các protein mất chức năng.
Các đột biến thêm và mất nucleotit
Các đột biến điểm thêm nucleotit và mất nucleotit là sự bổ
sung thêm vào hoặc mất đi một cặp nucleotit ở trong gen (Hình
17.23b). Những đột biến này thờng gây ảnh hởng lớn hơn
nhiều đến sản phẩm protein do gen mã hóa so với các đột biến
thay thế nucleotit. Thêm và mất các nucleotit có thể làm thay

Hình 17.23 Các loại đột biến điểm. Đột biến là những thay đổi trên ADN dẫn đến các thay đổi trên mARN hoặc các ARN khác.
Kiểu dại

Mạch khuôn ADN

mARN

Protein

Bộ ba

mã kết thúc (stop codon)

Đầu cacboxyl

(
đầu C
)

Đầu amino (đầu N)
Thêm A

A thay cho G

Thêm U

U thay cho C

stop codon

stop codon

Dịch khung dẫn đến đột biến vô nghĩa sớm (thêm một cặp bazơ)

Đột biến câm (không ảnh hởng đến trình tự axit amin)

Mất
T thay cho C

stop codon

Dịch khung dẫn đến đột biến vô nghĩa muộn (mất một cặp bazơ)

Đột biến sai nghĩa

A thay cho G

Mất

Mất

A thay cho T

stop codon

Không d
ịch khung
, nhng mất một axit amin

(mất

ba

cặp bazơ)
;

Một đột biến thêm ba cặp bazơ (không minh họa ở đây) cũng có
thể dẫn đến việc thêm một axit amin trên chuỗi polypeptit
Đột biến vô nghĩa

U thay cho A

Mất

stop codon

346 khối kiến thức 3 Di truyền học

đổi khung đọc của một thông điệp di truyền, do các bộ ba mã
hóa bị sắp xếp lại trong quá trình dịch mã. Những đột biến nh
vậy, đợc gọi là đột biến dịch khung, xuất hiện bất cứ khi nào
số nucleotit đợc thêm vào hay bị mất đi không phải là bội số
của ba. Tất cả các nucleotit nằm xuôi dòng sau vị trí đột biến
đều bị xếp vào các nhóm bộ ba mã hóa không đúng, dẫn đến
kết quả là gen đợc dịch mã sai nghĩa trầm trọng; ngoài ra, nó
thờng đợc kết thúc dịch mã sớm hơn hoặc muộn hơn ở dạng
đột biến vô nghĩa. Trừ các trờng hợp khung đọc bị thay đổi
xuất hiện ở rất gần đầu cuối của gen, còn trong phần lớn trờng
hợp đột biến dịch khung, protein đợc tạo ra mất chức năng.
Các tác nhân đột biến
Đột biến có thể xuất hiện theo nhiều cách khác nhau. Các lỗi

xuất hiện trong quá trình sao chép ADN hoặc tái tổ hợp cũng
có thể dẫn đến sự thay thế, thêm vào hoặc mất đi của các
nucleotit, thậm chí gây đột biến trên một đoạn dài ADN. Chẳng
hạn nh, nếu một bazơ sai đợc bổ sung vào mạch ADN mới
tổng hợp trong quá trình sao chép thì bazơ đó sẽ bắt cặp sai với
bazơ trên mạch bổ sung. Trong nhiều trờng hợp, những bazơ
sai hỏng đó đợc sửa chữa bằng các hệ thống sẽ đợc chúng ta
đề cập ở Chơng 16. Nhng nếu chúng không đợc sửa chữa,
thì các bazơ sai hỏng lại đợc dùng làm khuôn cho các chu kỳ
sao chép ADN sau này, dẫn đến sự xuất hiện đột biến. Những
đột biến nh vậy đợc gọi là các đột biến tự phát. Tần số đột
biến tự phát không dễ xác định. Các số liệu ớc tính cho thấy
tần số đột biến trong sao chép ADN ở E. coli và sinh vật nhân
thật tơng đối giống nhau: khoảng 10
-10
nucleotit bị thay đổi và
sự thay đổi này đợc di truyền cho các thế hệ tế bào tiếp theo.
Một số tác nhân vật lý và hóa học, đợc gọi là các tác nhân
đột biến, có thể tơng tác với ADN theo một số cách và gây ra
các đột biến. Vào những năm 1920, Hermann Muller phát hiện
ra chiếu xạ tia X có thể làm biến đổi di truyền ở ruồi giấm, và
ông đã sử dụng nguồn chiếu xạ này để tạo ra các thể đột biến ở
ruồi Drosophila phục vụ cho các nghiên cứu của mình. Nhng
ông cũng đồng thời nhận ra và cảnh báo rằng: Chiếu xạ tia X và
các dạng chiếu xạ năng lợng cao khác cũng có nguy cơ gây
hại với vật chất di truyền ở ngời cũng nh các loài sinh vật thí
nghiệm khác. Ngoài các dạng chiếu xạ năng lợng cao, trong
các tác nhân vật lý gây đột biến từ chiếu xạ còn phải kể đến tia
cực tím (UV); chúng thờng gây nên sự hình thành của phức
kép thymine trên ADN (xem Hình 16.18).

Các tác nhân hóa học gây đột biến có thể chia thành một số
nhóm khác nhau. Nhóm các chất bazơ nitơ thay thế có cấu trúc
hóa học giống với các bazơ cấu tạo nên ADN, nhng chúng có
xu hớng kết cặp sai trong quá trình sao chép ADN. Một số
chất gây đột biến khác có thể "can thiệp" vào quá trình sao
chép ADN bằng việc tự cài vào các mạch ADN hoặc làm biến
dạng cấu trúc bình thờng của chuỗi xoắn kép. Ngoài ra, có
những chất gây đột biến khác hoạt động theo kiểu làm biến đổi
cấu trúc hóa học của các bazơ nucleotit thông thờng và làm
chúng kết cặp sai.
Các nhà khoa học đã phát triển một số phép thử giúp đánh
giá khả năng gây đột biến của các hợp chất hóa học khác nhau.
ứ ng dụng nổi bật nhất của các phép thử này là giúp sàng lọc sơ
bộ các hợp chất có nguy cơ gây ung th. Sở dĩ nh vậy vì phần
lớn các hợp chất gây ung th đều là những hợp chất gây đột
biến mạnh; và ngợc lại, các tác nhân gây đột biến mạnh đều
có nguy cơ gây ung th cao.
Mặc dù các nguyên tắc cơ bản trong phiên mã và dịch mã là
giống nhau ở vi khuẩn và các sinh vật nhân thật; nhng giữa hai
liên giới sinh vật này cũng có những khác biệt nhất định về bộ
máy phiên mã và dịch mã của tế bào, cũng nh khi xét chi tiết
các bớc của các quá trình này. Việc phân loại các loài sinh vật
trên trái đất thành ba liên giới chính đợc tiến hành khoảng 40
năm trớc đây, khi nhóm các vi khuẩn cực đoan (archaea) đợc
tách riêng khỏi nhóm vi khuẩn (bacteria). Giống với vi khuẩn,
archaea cũng là sinh vật nhân sơ (prokaryote). Tuy vậy, chúng
đồng thời có nhiều đặc điểm vừa giống sinh vật nhân thật, vừa
giống vi khuẩn về các cơ chế điều hòa sự biểu hiện của các gen.
So sánh sự biểu hiện của gen ở vi khuẩn,
archaea và sinh vật nhân thật

Những tiến bộ gần đây trong sinh học phân tử đã giúp các nhà
nghiên cứu xác định đợc trình tự nucleotit đầy đủ của hàng
trăm hệ gen khác nhau thuộc các liên giới sinh vật khác nhau.
Sự phong phú của các số liệu thu đợc cho phép so sánh trình
tự của các gen và của các protein giữa các sinh vật thuộc các
liên giới khác nhau. Trong số đó, những gen đợc quan tâm
nhất bao gồm các gen mã hóa cho các thành phần của những
quá trình sinh học cơ bản nhất nh phiên mã và dịch mã.
Các enzym ARN polymerase của vi khuẩn và sinh vật nhân
thật khác biệt nhau rõ rệt. Ngợc lại, enzym ARN polymerase
duy nhất ở archaea (vi khuẩn cực đoan) lại rất giống ba loại
ARN polymerase ở sinh vật nhân thật. Ngoài ra, vi khuẩn cực
đoan và sinh vật nhân thật lại giống nhau trong việc dùng một
tập hợp phức tạp các yếu tố phiên mã; điều này không giống
với vi khuẩn. Sự kết thúc phiên mã ở vi khuẩn và sinh vật nhân
thật có nhiều đặc điểm khác nhau. Tuy những hiểu biết về cơ
chế kết thúc phiên mã ở vi khuẩn cực đoan còn hạn chế, song
nhiều khả năng chúng giống với sinh vật nhân thật.
Liên quan đến dịch mã, các ribosome của vi khuẩn và sinh
vật nhân thật khác nhau đôi chút. Ribosome ở archaea tuy có
kích thớc giống ribosome ở vi khuẩn, nhng tính mẫn cảm với
các chất ức chế ribosome lại tơng đồng với các ribosome của
sinh vật nhân thật. ở phần trớc, chúng ta đã biết sự khởi đầu
dịch mã là khác nhau giữa vi khuẩn và sinh vật nhân thật. Về
điều này, quá trình diễn ra ở archaea có vẻ giống vi khuẩn hơn.
17.5
1.

Điều gì có xu hớng xảy ra nếu nh một cặp nucleotit
ở giữa vùng mã hóa của gen bị mất?

2.

Một gen mà mạch khuôn của nó
mang trình tự 3
-TACTTGTCCGATATC-5 bị đột
biến thành 3
-TACTTGTCCAATATC-5. Đối với cả
hai gen bình thờng và đột biến, hãy viết trình tự của
cả hai mạch, trình tự của bản phiên mã mARN, và
trình tự axit amin mà chúng mã hóa
. Đột biến này gây
nên ảnh
hởng gì đối với trình tự axit amin?
Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A.
Kiểm tra khái niệm
điều gì nếu

1
7
.
6

Khái niệm

Mặc dù sự biểu hiện gen ở các liên
giới sinh vật là khác nhau, nhng
khái niệm gen là thống nhất

Chơng 17 Từ gen đến protein 347

Sự khác biệt quan trọng nhất giữa vi khuẩn và sinh vật nhân
thật trong quá trình biểu hiện các gen là ở tế bào vi khuẩn
không có sự phân chia thành các ngăn. Giống nh một phân
xởng sản xuất chỉ có một gian nhà, mỗi tế bào vi khuẩn bảo
đảm cho một dây chuyền hoạt động liên tục. Do không có
nhân, nó có thể đồng thời vừa phiên mã vừa dịch mã một gen
(
Hình 17.24) và phân tử protein mới tổng hợp có thể khuếch tán
nhanh chóng đến vị trí hoạt động chức năng của nó. Hiện nay,
những hiểu biết về sự đồng thời phiên mã và dịch mã ở các vi
khuẩn cực đoan còn hạn chế, nhng phần lớn các nhà nghiên
cứu tin rằng chúng có xu hớng giống vi khuẩn, vì cả hai liên
giới sinh vật này đều thiếu màng nhân. Ngợc lại, màng nhân ở
sinh vật nhân thật làm tách biệt hai quá trình phiên mã và dịch
mã về mặt không gian; đồng thời dành một phần không gian
trong nhân tế bào cho quá trình hoàn thiện ARN. Giai đoạn
hoàn thiện này gồm một số bớc bổ sung mà sự điều hòa những
bớc này góp thêm phần giúp điều tiết các hoạt động rất phức
tạp và tinh vi ở tế bào sinh vật nhân thật (xem Chơng 18).
Cuối cùng, tế bào sinh vật nhân thật có các cơ chế phức tạp để
vận chuyển các protein tới các ngăn (cơ quan tử) của tế bào.
Những hiểu biết về các protein và ARN tham gia vào các
quá trình phiên mã và dịch mã ở liên giới vi khuẩn cực đoan có
thể giúp chúng ta sáng tỏ đợc nhiều điều về sự tiến hóa của
các quá trình này ở cả ba liên giới sinh vật. Tuy có sự khác biệt
trong quá trình biểu hiện gen ở các liên giới sinh vật khác nhau,
nhng khái niệm gen là thống nhất ở tất cả mọi dạng sống.
Gen là gì? Xem lại định nghĩa này
Định nghĩa về gen đã đợc chúng ta phát triển dần trong các

chơng trớc, giống nh bản thân nó đã đợc hoàn thiện qua
lịch sử phát triển của di truyền học. Chúng ta đã bắt đầu định
nghĩa gen trên cơ sở khái niệm của Mendel về một đơn vị di
truyền độc lập có ảnh hởng đến một đặc điểm kiểu hình
(Chơng 14). Sau đó, chúng ta đã thấy Morgan và các cộng sự
gán cho gen có vị trí (locut) nhất định trên nhiễm sắc thể
(Chơng 15). Chúng ta tiếp tục xem một gen nh một trình tự
nucleotit đặc thù trên một phân tử ADN của nhiễm sắc thể
(Chơng 16). Cuối cùng, ở chơng này, chúng ta đã nêu định
nghĩa gen về khía cạnh chức năng là: một trình tự ADN mã hóa
cho một chuỗi polypeptit (Hình 17.24, ở trang sau, tóm tắt con
đờng từ gen tới chuỗi polypeptit ở tế bào sinh vật nhân thật).
Tất cả những định nghĩa gen trên đây đều có thể đợc dùng, tùy
vào bối cảnh và khía cạnh nào của gen đợc quan tâm.
Rõ ràng, định nghĩa gen phát biểu rằng gen mã hóa cho
một chuỗi polypeptit là quá giản lợc. Phần lớn các gen ở sinh
vật nhân thật chứa các đoạn không mã hóa (intron); mà những
đoạn không mã hóa vốn chiếm phần lớn các gen nh vậy lại
không có trình tự tơng ứng trên các chuỗi polypeptit. Các nhà
sinh học phân tử cũng thờng xem các trình tự khởi đầu phiên
mã (promoter) và các trình tự điều hòa khác trên ADN thuộc
vào các vùng biên của gen. Tuy các trình tự này không đợc
phiên mã, nhng chúng đợc xem là phần chức năng thiết yếu
của gen; bởi vì nếu thiếu chúng thì phiên mã không thể xảy ra.
Định nghĩa gen về góc độ phân tử phải đủ khái quát và bao
gồm cả các trình tự ADN mã hóa cho các rARN, tARN và các
loại ARN khác (vốn không đợc dịch mã). Mặc dù những gen
này không mã hóa cho protein, song chúng có vai trò sống còn
đối với hoạt động sống của tế bào. Vì vậy, có lẽ chúng ta nên đi
đến khái niệm sau về gen: Gen là một vùng ADN có thể đợc

biểu hiện để tạo ra một sản phẩm cuối cùng có chức năng (sản
phẩm đó có thể là một chuỗi polypeptit hoặc một phân tử ARN).
Tuy vậy, nếu chỉ quan tâm đến kiểu hình, khái niệm về gen
chủ yếu đợc gán cho trình tự ADN mã hóa các chuỗi
polypeptit. ở chơng này, chúng ta đã làm quen với quá trình
biểu hiện gen ở mức phân tử - thông qua phiên mã thành ARN,
rồi sau đó dịch mã thành chuỗi polypeptit, dẫn đến sự hình
thành một protein có cấu trúc và chức năng xác định. Chính các
protein đã tạo nên các kiểu hình quan sát đợc ở sinh vật.
Mỗi loại tế bào nhất định thờng chỉ biểu hiện một nhóm
nhỏ các gen của nó. Đặc điểm này đặc biệt đúng ở sinh vật đa
bào. Bạn sẽ thực sự gặp rắc rối nếu tế bào thủy tinh thể ở mắt
lại biểu hiện các gen mã hóa protein tóc vốn bình thờng chỉ
hoạt động trong các tế bào nang tóc! Sự điều hòa biểu hiện của
các gen là rất chính xác. Chúng ta sẽ khám phá sự điều hòa
biểu hiện gen ở chơng sau, bắt đầu từ các trờng hợp đơn giản
ở vi khuẩn, rồi sau đó tiếp tục với sinh vật nhân thật.


Hình 17.24 Phiên mã và dịch mã đồng thời ở vi khuẩn
.
ở tế bào vi khuẩn, quá trình dịch mã các phân tử mARN có thể
bắt đầu ngay từ khi đoạn dẫn đầu (đầu 5') của phân tử mARN
tách ra khỏi mạch khuôn ADN. ảnh kính hiển vi điện tử truyền
qua (TEM) cho thấy một mạch ADN của E. coli đang
đợc phiên
mã bời nhiều phân tử ARN polymerase khác nhau. Liên kết vào
mỗi phân tử ARN polymerase là một chuỗi mARN đang kéo dài
mà ngay lúc này nó cũng đang đợc dịch mã bởi các ribosome.
Các chuỗi polyeptit đợc tổng hợp mới, không nhìn thấy rõ trên

ảnh TEM, đợc vẽ minh họa ở sơ đồ bên dới.
Phân tử mARN nào đợc bắt đầu phiên mã trớc tiên? Trên
phân tử mARN đó, ribosome nào bắt đầu dịch mã trớc tiên?

ARN polymerase

Ribosome

ARN
polymerase
Chiều
phiên mã
Polyribosome
ADN

mARN (đầu 5'
)
ADN

mARN

Polyribosome

Polypeptit
(đầu amino)

?
??
?

17.6
1.

Sự phiên mã và dịch mã đồng thời đợc vẽ trên Hình
17.24 có ở sinh vật nhân thật không? Giải thích.

2.

ở sinh vật nhân thật, mARN khi
dịch mã đợc giữ ở dạn
g vòng tròn do tơng tác giữa
đuôi polyA
ở đầu 3 với mũ đầu 5 qua protein. Điều
này giúp tăng hiệu quả dịch mã
nh thế nào?
Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A.
Kiểm tra khái niệm
điều gì nếu

348 khối kiến thức 3 Di truyền học



Hình 17.25 Tóm tắt sự phiên mã và
dịch mã ở tế bào sinh vật nhân thật. Sơ
đồ này mô tả con đờng từ một gen đến một
chuỗi polypeptit. Nhớ rằng, mỗi gen trên ADN có
thể đợc phiên mã nhiệu lần thành nhiều phân tử

mARN giống hệt nhau mà mỗi phân tử mARN
nh vậy lại có thể đợc dùng cho dịch mã

nhiều lần để tạo nên nhiều chuỗi
polypeptit giống hệt nhau. (Cũng cần
nhớ rằng sản phẩm cuối cùng của một
số gen không phải là protein, mà chỉ là
các phân tử ARN, nh tARN và rARN.)
Nhìn chung, các nguyên tắc phiên mã
và dịch mã là giống nhau ở cả vi khuẩn,

archaea và sinh vật nhân thật. Sự
khác biệt chính là sự xuất hiện quá
trình hoàn thiện mARN diễn ra trong
nhân tế bào sinh vật nhân thật. Những
khác biệt đáng kể khác liên quan đến
các bớc khởi đầu phiên mã và dịch
mã và ở bớc kết thúc phiên mã.


mARN

Phiên mã
Chuỗi
polypeptit
đang kéo dài

tARN đã nạp
axit amin
Bộ ba

đối mã
(anticodon)

Tiền
-
ARN

Axit amin
Hoàn thiện mARN

Hoạt hóa axit amin
Dịch mã
ADN

ARN
polymerase

Exon

Bản phiên
mã ARN
Intron

Nhân tế bào

tế bào chất

tARN
Các tiểu

phần
ribosome
Ribosome
Mũ 5'

M ũ

M ũ
ARN đợc
phiên mã từ
một mạch khuôn ADN.
ở

sinh vật nhân thật,
bản phiên mã ARN (tiền
ARN) đợc cắt bỏ intron
và biến đổi các đầu để
hình thành mARN hoàn
thiện trớc khi rời nhân.
mARN đi ra tế bào
chất và sau đó
liên kết
vào ribosome.
Nhờ enzym đặc biệt sử
dụng
năng lợng ATP, mỗi
axit amin đợc gắn chính xác
vào tARN tơng ứng của nó
.

Các tARN lần lợt lắp
ráp các axit amin của
chúng vào chuỗi polypeptit
khi mARN dịch chuyển
qua ribosome mỗi lần một
codon.
(Khi hoàn thành,
chuỗi polypeptit đợc giải
phóng khỏi ribosome.)
Chơng 17 Từ gen đến protein 349




H
ã
y tham kh
ả
o c
ơ
s
ở
h
ọ
c li
ệ
u g
ồ
m c
á

c h
ì
nh
ả
nh
độ
ng
ba chiều, các bài hớng dẫn dạng file MP3, video, các bài kiểm tra thực hành,
eBook và nhiều học liệu khác tại địa chỉ Web www.masteringbio.com





Gen xác định các protein thông qua phiên m và
dịch m (các trang 325

331)
Bằng chứng từ các nghiên cứu về sai hỏng chuyển hóa. ADN
điều khiển quá trình trao chất bằng việc hớng dẫn tế bào tổng
hợp các enzym và các protein đặc thù. Các thí nghiệm của
Beadle và Tatum với các chủng Neurospora đột biến ủng hộ cho
giả thiết một gen - một enzym. Gen mã hóa cho các chuỗi
polypeptit hoặc cho các phân tử ARN.
Các nghiên lý cơ bản của phiên m và dịch m
Phiên mã là quá trình chuyền thông tin từ ADN sang ARN thông
qua hai dạng ngôn ngữ nucleotit đặc thù của chúng
(deoxyribonucleotit và ribonucleotit). Trong khi đó, dịch mã là
quá trình chuyền thông tin từ trình tự nucleotit trên ARN thành
trình tự axit amin trong chuỗi polypeptit.

M di truyền. Thông tin di truyền đợc mã hóa bằng một trình tự
của ba nucleotit không gối lên nhau, đợc gọi là bộ ba mã hóa
hay codon. Mỗi codon trên ARN thông tin (mARN) hoặc đợc
dịch mã thành một axit amin (61 trong tổng số 64 codon) hoặc
đợc dùng làm tín hiệu kết thúc dịch mã (3 codon). Codon phải
đợc đọc trong khung đọc mở đúng.

Điều tra Các con đờng trao đổi chất đợc phân tích nh thế nào?
Hớng dẫn bằng file MP3 Từ ADN đến ARN và protein
Hoạt động Tổng quan về sinh tổng hợp protein



Phiên m là quá trình tổng hợp ARN do ADN điều
khiển: Quan sát gần hơn (các trang 331

334)
Các thành phần phân tử của phiên m. Sự tổng hợp ARN
đợc xúc tác bởi ARN polymerase, và cũng diễn ra trên cơ sở
nguyên tắc kết cặp bổ sung giữa các bazơ nh trong quá trình sao
chép ADN, trừ một điểm là ở ARN, uracil thay thế cho thymine.

Tổng hợp bản phiên m ARN. Ba giai đoạn của quá trình
phiên mã là khởi đầu phiên mã, kéo dài chuỗi và kết thúc phiên
mã. Trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) là tín hiệu khởi đầu
sự tổng hợp ARN. Các yếu tố phiên mã giúp ARN polymerase
của sinh vật nhân thật nhận ra các trình tự promoter. Cơ chế kết
thúc phiên mã khác nhau giữa vi khuẩn và sinh vật nhân thật.

Hoạt động Tổng quan về sinh tổng hợp protein

Tóm tắt các khái niệm chính

Đa phơng tiện


Khái niệm

1
7
.1

Đa phơng tiện

Khái niệm

1
7
.
2


Tế bào sinh vật nhân thật biến đổi ARN sau phiên m
(các trang 334

336)
Sự biến đổi ở các đầu mARN.
mARN ở sinh vật nhân thật đợc

hoàn thiện trớc khi rời nhân.
Quá trình hoàn thiện bao gồm sự
biến đổi ở các đầu mARN và sự
ghép nối ARN. Đầu 5 nhận một
mũ nucleotit đợc biến đổi, trong
khi đầu 3 đợc nối đuôi polyA.
Gen phân mảnh và sự ghép nối ARN. Phần lớn các gen ở sinh
vật nhân thật chứa các intron xen kẽ giữa các vùng mã hóa đợc
gọi là các exon. Trong quá trình ghép nối ARN, các intron đợc
cắt bỏ, trong khi các exon đợc nối lại với nhau. Sự ghép nối
ARN điển hình đợc thực hiện bởi thể ghép nối (spliceosome);
nhng trong một số trờng hợp, ARN bản thân nó có thể tự xúc
tác phản ứng ghép nối. Khả năng xúc tác của một số ARN, đợc
gọi là ribozym, bắt nguồn từ các thuộc tính của ARN. Sự có mặt
các intron tạo điều kiện cho khả năng ghép nối ARN thay thế.


Hoạt động Hoàn thiện ARN


Dịch m là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit do
ARN điều khiển: Quan sát gần hơn (các trang 337

344)

Các thành phần phân tử của dịch m. Tế bào dịch mã thông
điệp di truyền (mARN) thành protein nhờ các ARN vận chuyển
(tARN). Sau khi liên kết với axit amin đặc thù, tARN lần lợt
sắp hàng thông qua sự bắt cặp giữa bộ ba đối mã của chúng với
bộ ba mã hóa trên mARN. Các ribosome giúp thúc đẩy sự bắt

cặp này bằng việc cung cấp giao diện cho mARN và tARN.
Sự hình thành một chuỗi polypeptit.
Ribosome điều phối ba giai đoạn của
quá trình dịch mã, gồm: khởi đầu dịch
mã, kéo dài chuỗi và kết thúc dịch mã.
Sự hình thành liên kết peptit đợc xúc tác bởi rARN. Nhiều
ribosome có thể cùng lúc phiên mã một phân tử mARN duy
nhất, hình thành nên cấu trúc gọi là polyribosome.
Sự hoàn thiện và vận chuyển protein. Sau khi dịch mã, sự biến
đổi của các protein làm ảnh hởng đến cấu hình không gian của
chúng. Các ribosome tự do trong phần bao tan ở tế bào chất khởi
đầu sự tổng hợp tất cả các loại protein, nhng các protein mà sau
này đợc đa đến hệ thống nội màng hoặc đợc xuất bào sẽ đợc
chuyển vào mạng lới nội chất (ER). Những protein này có một
đoạn peptit tín hiệu giúp các hạt nhận biết tín hiệu (SRP) có thể
liên kết vào, và làm các ribosome đang dịch mã đính lên màng ER.

ảnh động 3 chiều Bioflix Tổng hợp protein
Hoạt động Dịch mã
Phòng thí nghiệm sinh học trực tuyến Phòng thí nghiệm dịch mã


Đột biến điểm có thể ảnh hởng đến cấu trúc và chức
năng protein (các trang 344

346)
Các kiểu đột biến điểm. Đột biến điểm là sự thay đổi ở một cặp
bazơ trên ADN. Nó có thể dẫn đến sự hình thành một protein
mất chức năng. Sự thay thế cặp bazơ có thể dẫn đến các đột biến

Đa phơng tiện

Khái niệm

1
7
.
4

Tổng kết Chơng

Promoter

Đa phơng tiện

Đơn vị phiên mã

Bản phiên mã ARN

ARN polymerase

Mạch khuôn ADN

Khái niệm

1
7
.
3

Tiền
-
mARN


Mũ

mARN

Đuôi polyA


mARN


Ribosome
Polypeptit

Đa phơng tiện

Khái niệm

1
7
.
5