Sinh học phân tử - Chương VII.doc

Chơng VII
mã di truyền và dịch mã
I. Đặt vấn đề
Trong chng ny chỳng ta s cp n quỏ trỡnh truyn thụng tin di truyn t
DNA (gen) mRNA protein. Theo s trờn thỡ mRNA l giai on trung gian
gia DNA v protein, giỳp truyn thụng tin mó húa t DNA ra b mỏy dch mó to
thnh protein. T mt gen cú th tng hp c nhiu bn sao mRNA, nh vy thụng
tin ca mt gen duy nht cú th khuch i s to ra mt s cỏc protein.
Quỏ trỡnh sinh tng hp protein cng ging nh quỏ trỡnh sinh tng hp DNA v
mRNA cú th túm tt nh sau:
Ch tiờu tng
hp
DNA v RNA Protein
n v c bn 4 nucleotide 20 loi axit amin
Quỏ trỡnh tng
hp v kộo di
mch
Ni kt dn dn (kộo di) tng
nu.
Ni kt dn dn tng axit amin
S bt u v kt
thỳc
Bt u ti mt im v kt ti
mt im
Cng bt u ti mt im v kt
thỳc ti mt im
phc tp Quỏ trỡnh sao chộp v phiờn mó
ớt phc tp hn, ch yu da vo
ỏi lc gia cỏc baz thnh phn
cõỳ to nờn phõn t mi vi cỏc
baz khuụn thụng qua liờn kt

hydro.
Quỏ trỡnh dch mó rt phc tp.
Tng axit amin c ni vi nhau
thụng qua khuụn mRNA nhng li
khụng cú ỏi lc vi mRNA, hn
th na nhng nhỏnh bờn ca axit
amin li b y bi nhiu nhúm
cỏc baz.
Cn ũi hi Khuụn DNA v mRNA cng vi
cỏc baz nit NTP.
Khuụn mRNA cng vi cỏc axit
amin v nhõn t tip hp (adaptor)
l tRNA. Quỏ trỡnh dch mó c
tin hnh chung cho mi loa t
bo
II. Vai trũ ca 3 loi RNA (mRNA, tRNA v rRNA) trong quỏ trỡnh sinh tng
hp protein
1. mRNA v mó di truyn
Mi phõn t mRNA mang thụng tin di truyn xỏc nh trỡnh t mt polypeptide,
thụng tin ny c sao chộp t DNA ca mt gen qua quỏ trỡnh phiờn mó. Vy lm th
no trỡnh t 4 cp baz trong DNA cú th kim tra c trỡnh t 20 axit amin. DNA v
mRNA u c cu to t 4 nucleotide, trong khi protein c hỡnh thnh t 20 axit
amin, nh vy thụng tin di truyn mó hoỏ t DNA thnh mRNA phi di dng mt t
91
hợp như thế nào của 4 loại nu để giải mã cho 20 axit amin cấu thành nên protein. Vì
rằng có 20 axit amin nhập vào để tạo nên protein thì ít nhất cũng phải có 20 codon tạo
thành từ 4 bazơ. Giả sử nếu tổ hợp 2 nu mã hóa 1 axit amin thì sẽ được 4
2
= 16 mã
codon, như vậy vẫn nhỏ hơn nhu cầu thực tế là 20 mã (codon). Nếu tổ hợp 3 nu mã hóa

1 axit amin thì được 4
3
= 64 codon.
Vào những năm 1960 người ta đã thiết lập được hệ thống tương ứng giữa tổ hợp
số các nu với từng axít amin. Hệ thống này có tên là mã di truyền (codon), là bộ 3
nucleotide trªn ph©n tö mRNA ®îc trình bầy ở bảng 1.7. Theo bảng mã di truyền chúng
ta có thể rút ra một số điểm sau:
- Số lượng codon có thể có nếu mã codon có 3 nu là 64, lớn hơn số lượng axit amin
(20). Do vậy mét axit amin có thể được mã hóa bởi nhiều bộ 3 codon, người ta gọi là
hiện tượng mã di truyền có tính suy thoái.
- Tính suy thoái của mã di truyền có ý nghĩa tích cực, đối với sự sống còn của tế bào,
đối với nhiều axit amin có nhiều codon mã hóa thì dù mét trong số ba nu của các codon
đó bị đột biến nhưng có thể axit amin do nó mã hóa không bị biến đổi theo và protein
mang axit amin này vẫn giữ được cấu trúc và chức năng nguyên vẹn. Thường những
axit amin được mã hóa bởi nhiều codon thì thường xuất hiện với tần số lớn trong chuỗi
polypeptide (những protein enzyme nào có nhóm chức ở những vị trí axit amin thuộc
loại này thì ít bị thay đổi tính chất hơn).
- Các codon khác nhau mã hoá cïng một axit amin, thường chúng chỉ khác nhau ở nu
thứ 3 của codon, người ta gọi là hiện tượng suy thoái codon, có 2 dạng suy thoái lµ: suy
tho¸i côc bé vµ suy tho¸i hoµn toµn
Bảng 1.7. Mã di truyền và suy thoái mã
92
+ Suy thoái cục bộ (partial degenracy): xảy ra khi bazơ ở vị trí thứ 3 hoặc là một
trong 2 pyrimidine (U và C) hay một trong 2 purine (A và G), nếu thay nu thứ 3 từ một
purine sang một pyrimidine và ngược lại sẽ làm thay đổi axit amin mà mã đó mã hoá.
+ Suy thoái hoàn toàn (complete degeneracy): xảy ra trong trường hợp bất kỳ một
trong 4 bazơ có thể có mặt tại ví trí nu thứ 3 của codon thì codon đó vẫn mã đặc thù cho
cùng một axit amin (trường hợp 4 codon cùng mã hóa 1 axit amin).
- Có thể dự đoán rằng trật tự trong mã di truyền có liên quan đến cách làm giảm tối
thiểu những đột biến gây chết, nhiều cách thay thế bazơ ở vị trí thứ 3 của codon không

làm thay đổi axit amin mà nó mã hóa. Hơn thế nữa những axit amin có tính chất hóa
học tương tự nhau như leucine, isoleucine và valine có những codon khác nhau chỉ 1
bazơ. Bởi vậy rất nhiều trường hợp thay thế cặp bazơ đơn sẽ dẫn đến việc thay thế một
axit amin này bằng một axit amin khác có đặc tính hóa học tương tự (thí dụ valine thay
bằng isoleucine).
- Do hiện tượng suy thoái codon cho nên chắc chắn một tRNA có thể nhận biết vài
codon khác nhau để mã hóa cho một axit amin nhất định, và đối mã của một tRNA nhất
định phải có khả năng ghép cặp bazơ với vài codon khác nhau. Như vậy liên kết hydro
giữa 2 bazơ của codon và anticodon chỉ chặt chẽ (theo luật bổ sung nghiêm khắc) ở 2 nu
đầu, còn nu thứ 3 của codon thì ít chặt chẽ hơn, chính vì thế Crick đã gọi vị trí này là vị
trí lắc lư “wobble” hay giao động. Thuyết giao động (wobble hypothesis), bảng 2.7. chỉ
ra rằng:
Bảng 2.7. Ghép cặp bazơ giữa bazơ đầu 5’ của anticodon trên tRNA với bazơ đầu 3’ của codon
trên mRNA theo giả thuyết giao động.
Base 5’ in
anticodon
Base 3’ in codon
G U or C
C G
A U
U A or G
I A, U or C
+ Có ít nhất 2 tRNA cho mỗi axit amin mà codon của nó biểu hiện suy thoái hoàn
toàn ở vị trí thứ 3. Thực tế chứng minh rằng có 3 tRNA đối mã với 6 codon serine đó là:
tRNA ser. 1 có anticodon là AGG có thể bọc lấy được 2 codon UCU và UCC trên
mRNA ; tRNA ser. 2 có anticodon là AGU sẽ bọc được các codon UCA và UCG và
tRNA ser 3 mang anticodon UCG sẽ bọc lấy các codon AGU và AGC.
- Tính đặc thù này bị biến đổi bởi quá trình bọc của những tRNA, gắn amino acyl vào
ribosome ở in vitro được kích thích bởi trinuleotide.
- Một số tRNA chứa bazơ hiếm (inosine) được tạo thành bởi quá trình biến đổi của

enzyme sau phiên mã. Nếu inosine nằm ở vị trí giao động có thể ghép cặp được với A,
U hoặc cytosine của codon trên mRNA. Trong thực tế những alanyl-tRNA tinh khiết
93
chứa inosine (I) tại vị trí 5’ của anticodon sẽ bọc với ribosome hoạt hóa với gcu, gcc
hoặc gca.
Hình 1.7. Trình tự nu và cấu hình 3 lá của tRNA vận chuyển alanine (trái) và của methionine
(phải) của nấm men. Cấu trúc bậc 2 được hình thành nhờ cầu nối hydro giữa các bazơ ở những
đoạn khác nhau. Trong cấu trúc có 3 vòng, một trong chúng có chứa trình tự anticodon CAU
đối với alanine, còn đối với methionine thì trình tự anticodon là 3’-CGI-5’. Tên và vị trí các nu
biến đổi được chú giải như hình vẽ trên.
2. Mã đầu và kết thúc
- Có 3 mã codon đặc thù kết thúc dịch mã tạo chuỗi polypeptide là UAA, UAG và UGA.
Những mã này được nhận biết bởi những nhân tố giải phóng protein chứ không phải là
tRNA. Một trong chúng đó là protein RF-1 đặc thù cho UAA và UGA codon. Còn RF-2
làm kết thúc dịch tạo protein tại UAA và UGA codon. 2 codon AUG và GUG được
nhận biết bởi tRNA khởi đầu cho methionine (tRNAi
met
lúc này bazơ wobble lại ở đầu
5’). Nhưng chỉ biểu hiện được đặc tính làm khởi đầu khi chúng đi sau một trình tự các
nu thích hợp ở vùng leader của phân tử mRNA, còn tất cả các protein của mọi sinh vật
đều có đầu COOH là axit amin methionine. Ở những vị trí nội vi thì các codon AUG
được nhận biết bởi tRNA
Met
. Codon GUG được nhận biết bởi valine tRNA. Trong
trường hợp có 2 mã khởi đầu là AUG và GUG, thì bazơ đầu 5’ của codon sẽ là bazơ dao
động. Vì tính dao động là ở bazơ đầu 5’ duy nhất để khởi đầu nên điều này có liên quan
đến việc ghép cặp bazơ ở vị trí P (Peptidyl-tRNA binding site) hơn là ở vị trí A
(aminoacyl-tRNA binding site) trên ribosome.
- Tính phổ biến của mã di truyền: Rất nhiều nghiên cứu đều kết luận rằng mã di truyền
giống nhau hoặc rất gần giống nhau ở tất các các loài sinh vật. Có một số trường hợp

ngoại lệ xảy ra ở ty thể người, nấm men và một số loài khác, ở đó mã UGA quy định
tryptophane khác so với ngoài ty thể thì mã này lại là mã kết thúc. Ở ty thể của nấm
94
men, codon CUA sẽ mã hóa cho threonin thay bằng bình thường là leucine. Trường hợp
ở ty thể động vật có vú, codon AUA lại mã hóa cho methionine thay bằng bình thường
là isoleucine.
- Có một số đột biến (đột biến ức chế) ở những gen tRNA dẫn đến làm thay đổi vị trí
nhận biết codon của anticodon của tRNA.
3. RNA vận chuyển (tRNA)
- Phân tử tRNA vận chuyển axit amin đến chuỗi polypeptide đang kéo dài trong quá
trình dịch mã. Phân tử tRNA là loại axit nucleic hoạt động sinh học nhỏ nhất. Thí dụ
tRNA vận chuyển alanine của nấm men chỉ có 77 nu, được cuộn lại để tạo thành một
hình cỏ 3 lá, do xẩy ra quá trình ghép cặp giữa G≡C và A=U. Tất cả các tRNA đều có
đính axit amin ở đầu 3’ thứ tự ở đây là 5’-ACCA-3’OH adenylic còn đầu 5’ luôn luôn là
guanylic axit (G), C là cytidilic. tRNA có chứa một số purine và pyrimidine hiếm không
phổ biến ở các RNA khác. Các bazơ hiếm được tạo thành sau phiên mã vì ở trong nhân
có chứa một số enzyme có khả năng làm biến đổi một số bazơ nhất định. Vị trí
anticodon nằm từ nu thứ 36-38, các bazơ hiếm là ψ: pseudouridynic axit; T:
ribothymidylic axit; U
d
:dihydrouridilic axit; G
m
: methyl guanydilic axit; G
d
:
dimethylguanylic axit; I: Inosinic axit và I
m
: methyl inosinic axit.
- tRNA là nhân tố tiếp hợp hay trung gian, có một đầu chứa trình tự 3 nu đối mã với 3
nu của codon trên phân tử mRNA gọi là anticodon còn đầu kia mang axit amin sẽ kết

nối để tạo thành chuỗi protein.
- Mỗi sinh vật tiền nhân có một số lượng tRNA khác nhau, thường có từ 30-40, còn ở
động thực vật là 50, nhưng đều có cấu trúc rất giống nhau.
- Một tRNA có thể kết hợp được với hơn 2 codon khác nhau, cùng mã hóa cho một axit
amin.
- Chức năng trung gian của tRNA được thực hiện nhờ một số enzyme đặc biệt, đó là các
enzyme aminoacyl- tRNA synthetase, có 20 loại enzyme, tương ứng với 20 axit amin.
Các enzyme này có khả năng nhận biết một amino axit đặc thù và cả tRNA tương ứng
vận chuyển axit amin đó. Quá trình gắn amino axit vào tRNA là quá trình cần tiêu tốn
năng lượng và trải qua 2 bước:
+ Bước 1: Enzyme nhận biết và gắn với một amino axit đặc thù theo công thức: enzyme
+ amino axit + ATP  enzyme – aminoacyl –AMP +P-P.
+ Bước 2: Amino axit được chuyển từ phức hợp trên sang tRNA tương ứng. Sau đó
phức hợp enzyme – aminoacyl –AMP tương tác với tRNA để tạo thành tRNA –amino
acyl và giải phóng ra AMP và enzyme.
4. RNA ribosome (rRNA)
Hiệu năng của quá trình dịch mã là một triệu liên kết peptide trong một giây, nếu
chỉ dựa vào sự va chạm ngẫu nhiên giữa các thành phần tham gia phản ứng xúc tác thì
để tạo được một liên kết peptide là cực hiếm. Muốn vậy thì mRNA và tRNA –amino
axit phải được đặt vào một vị trí có thế tiếp xúc phản ứng tối thích, vị trí đó là phức hợp
ribonucleoprotein: ribosome. Ribosome được cấu tạo từ rRNA và hơn 50 loại protein
khác nhau, phân thành 2 tiểu đơn vị. Tiểu đơn vị lớn chứa 1 rRNA lớn còn tiểu đơn vị
95