MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN, PROTEIN

Chương 3: MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN, PROTEIN

Tóm tắt: Thông tin cấu trúc của phân tử protein, tARN, rARN được mã hoá
trong gene bằng trình tự các nucleotit. Trình tự nucleotit trong gene mã hoá cho
chuỗi polipeptit đã được xác lập bằng thực nghiệm và thể hiện trong bảng mã di
truyền. Mã di truyền là mã bộ ba nucleotit (codon), sự thay đổi trong codon có
thể dẫn đến sự thay đổi trong chuỗi polipeptit và đột biến ở tính trạng. Những
đặc điểm về cấu trúc vá chức năng của protein và mối liên hệ giữa ADN, ARN,
protein và sự điều hoà biểu hiện gene cũng là cơ sở quan trọng để xây dựng kĩ
thuật biểu hiện gene.
Nội dung của chương gồm 4 vấn đề cơ bản: (1). Thông tin sinh học và mật mã
di truyền; (2). Protein; (3). Tổng hợp protein; (4). Điều hoà biểu hiện gene.

§1. THÔNG TIN DI TRUYỀN VÀ MẬT MÃ DI TRUYỀN
Thông tin quy định cấu trúc một loại protein, một loại tARN, rARN được
gọi thông tin di truyền. Thông tin di truyền được chứa đựng và được mã hoá
trong phân tử ADN bởi trình tự các nucleotit. Hiện tượng 3 nucleotit kế tiếp
nhau trong gene quy định một axit amin trong chuỗi polipeptit được gọi là sự mã
hoá bộ ba. Còn một bộ ba cụ thể xác định cho một axit amin cụ thể ( ví dụ:
UGU: serine) được gọi là bộ ba mã hoá (codon - code). Phân tử tARN có một bộ
ba bổ sung với bộ ba mã sao của mARN được gọi là bộ ba đối mã (anticodon)
ADN chứa thông tin di truyền, đó là thông tin quy định cấu trúc một loại
protein, rARN và tARN. Trình tự của các bazơ trong ADN quyết định trình tự
của axit amin trên protein tương ứng.
Phân tử ADN được cấu tạo từ 4 loại nucleotit, và protein lại được cấu tạo
từ 20 loại axit amin, nếu, một nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4 tổ
hợp mã; còn hai nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4
2
= 16 tổ hợp mã
bộ 2, như vậy vẫn còn thiếu 4 loại axit amin chưa được xác định bởi các mã bộ
hai. Và ba nucleotit quy định 1 loại axit amin sẽ tạo ra 4

3
= 64 tổ hợp mã bộ 3.
Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm: mã di truyền là mã bộ ba. Đối
tượng là gene rII ở phage T4. Trong thí nghiệm người ta tạo đột biến mất (-) và
thêm (+) một cặp bazơ trên ADN → biến đổi ADN → thành phần axit amin của
protein.
Giả sử phân tử mARN chỉ có thành phần CAG và trong phân tử protein
chỉ có một loại axit amin:

33
mARN CAG CAG CAG CAG CAG
Protein a1 a1 a1 a1 a1
- Nếu đột biến làm mất C (-) ở vị trí mã số 2 trên mARN:
mARN CAG AGC AGC AGC AGC
protein a1 a2 a2 a2 a2
- Nếu đột biến (+) thêm G vào giữa bộ ba thứ 2:
mARN CAG AGC GAG CAG CAG CAG
protein a1 a2 a3 a1 a1 a1
Các số liệu thực nghiệm thu được trên thí nghiệm rII ở thực khuẩn T
4
đã
chứng tỏ lập luận trên là đúng. Vậy mã di truyền là mã bộ ba nucleotit.
1.1. Giải mã di truyền
Năm 1961 M. Nirenberg sử dụng hệ thống vô bào để giải mã di truyền.
Hệ thống vô bào được chiết từ E. coli có chứa ribosome, ARN, enzyme
aminoacylsynthetase, mARN, các axit amin và một số phụ gia khác. Phản ứng
diễn ra trong vài phút rồi dừng lại, nếu bổ sung thêm mARN thì việc tổng hợp
lại tiếp diễn.
Nếu mARN nhân tạo chỉ toàn uraxin thì chuỗi polipeptit được tổng hợp
chỉ có loại axit phenylalanine, nếu mARN chỉ toàn adenine thì chuỗi polipeptit

được tổng hợp chỉ có loại axit lisine; nếu mARN toàn cytosine thì chuỗi
polipeptit được tổng hợp chỉ có loại axit proline. Từ đó có thể suy ra bộ ba UUU
quy định axit amin phenylalanine; AAA : lisine; CCC : proline.
Bằng phương pháp đó người ta đã tìm ra 61 bộ ba mã hoá. Ba bộ ba còn
lại là UAA, UAG, UGA làm nhiệm vụ nhận biết tín hiệu kết thúc quá trình tổng
hợp chuỗi polipeptit, còn gọi là bộ ba vô nghĩa (non sense) vì chúng không quy
định axit amin.
1.2. Các đặc tính của mã
Thông tin được đọc theo từng cụm ba nucleotit một cách liên tục không ngắt
quãng.
- Thông tin được đọc theo một chiều, bắt đầu từ một điểm xác định.
- Mã di truyền mang tính phổ biến (umversal).
- Mã di truyền mang tính thoái hoá (degenerate), trừ 2 ngoại lệ AUG và
UGG.
- Mã di truyền mang những bộ ba khởi đầu (AUG) ở đầu 5'. Các bộ ba kết
thúc UAG, UAA, UGA.

34
Bảng mật mã di truyển (mã sao mARN)


U C A G

UUU. Phe UCU Ser

UUC Phe. UCC Ser

UUA Leu UCA Ser

U

UUG Leu UCG Ser
UAU Tir
UAC Tir
UAA KT
UAG KT

UGU Cys
UGC Cys
UGA KT
UGG Trp

U
C
A
G

CUU Leu CCU Pro
CUC Leu CCC Pro
CUA Leu CCA Pro
C
CUG Leu CCG Pro
CAU His
CAC His
CAA Gin
CAG Gin

CGU Arg
CGC Arg
CGA Arg

CGG Arg

U
C
A
G

AUU Isoleu ACU Thr
AUC Isoleu ACC Thr
AUA Isoleu ACA Thr
A
AUG Met ACG Thr
AAU Asn
AAC Asn
AAA Lis
AAG Lis

AGU Ser
AGC Ser
AGA Arg
AGG Arg

U
C
A
G

GUU Val GCU Ala
GUC Val GCC Ala
GUA Val GCA Ala

G
GUG Val GCG Ala
GAU Asp
GAC Asp
GAA Glu
GAG Glu

GGU Gli
GGC Gli
GGA Gli
GGG Gli

U
C
A
G


Mã khởi đầu AUG có 2 chức năng: vừa tạo ra sự bắt đầu dịch mã (mã mở
đầu) vừa mã hoá axit amin. (Một vài trường hợp mã mở đầu không phải là AUG
mà là UGU điều khiển axit amin formyl methionine đi vào đầu chuỗi polipeptit).
Mã kết thúc (codon vô nghĩa - nonsense):
UAA (ochae) Tín hiệu kết thúc
UGA (opal) quá trình tổng hợp protein
UAG (amber)
- Tính linh hoạt
Trong tế bào có những loại tARN có thể đồng thời có một số bộ ba khác
nhau. Phân tích trình tự tARN đã cho thấy rằng một số tARN có cấu trúc inosine
là một trong các bazơ của cụm mã đối (anticodon). Đặc điểm của inosine được
thể hiện ở hình 3.1.

Phân tích trình tự cho thấy đầu 5' của codon đối mã (bổ trợ với bazơ thứ
ba của cụm mã) khác với 2 bazơ kia, có khả năng kết hợp với một số bazơ trên
đầu 3' của cụm mã. Hiện tượng này còn được gọi là tính "linh hoạt" trong kết
cặp bazơ và tính linh hoạt là có giới hạn:

35

Hình 3.1. Cấu trúc của inosine và guanine
Bazơ trên đầu 5' của anticodon Bazơ trên đầu 3' của cụm mã
G kết cặp với U hoặc C
C kết cặp với G
A kết cặp với U
U kết cặp với A hoặc G
I (Inosin) kết cặp với A, U hoặc G

Hình 3.2. Tính linh hoạt của mã di truyền
1.3. Đột biến và mã di truyền
Mối liên quan giữa đột biến và mã di truyền được thể hiện ở 4 kiểu đột
biến cơ bản.
1.3.1. Đột biến nhầm nghĩa
Một cặp bazơ bị biến đổi dẫn đến thay đổi cụm mã tương ứng trên mARN
và làm thay đổi 1 axit amin trên polipeptit.

36

1.3.2. Đột biến vô nghĩa
3' AGT CAA GGT TGC CAT 5'
1 2 3 4 5
Đột biến thay thế ở bộ ba thứ 4 (G-C bị thay thế bởi A-T)
3' AGT CAA GGT TAC CAT 5'

Thay đối ở mARN
5' UCA GUU CCA AUG GUA 3' mARN
Biến đổi một cặp bazơ làm xuất hiện một codon vô nghĩa dẫn đến xuất
hiện tín hiệu kết thúc chuỗi polipeptit làm cho chuỗi polipeptit được tổng hợp
ngắn (ít axit amin) hơn bình thường.

3' AGT CAA GAT TGC CAT 5'
1 2 3 4 5
Đột biến măt cặp bazơ G-X ở bộ ba thứ 3
3' AGT CAA ATT GCC AT 5'
Xuất hiện mã kết thúc UAA ở mARN
5' UCA GUU UAA CGG UA 3' mARN
1.3.3. Đột biến cặp bazơ ở bộ ba quy định axit amin 1àm xuất hiện codon mới
(codon thoái hoá) không ảnh hưởng đến chuỗi polipeptit
Một loại axit amin có thể được quy định bởi một vài bộ ba: ví dụ GUU,
GUC, GUA, GUG cùng quy định axit amin valine.
Trường hợp bình thường:

3' AGT CAA GGT TGC CAT 5'
1 2 3 4 5

5' UCA GUU CCA ACG GUA 3' mARN

Scrine - Valine - Proline - Threonie - Valine.. Protein
Trường hợp đột biến.

37

1.3.4. Đột biến dịch khung
3' AGT CAA GGT TGC CAT 5'

1 2 3 4 5
Đột biến thay thế ở bộ ba thứ 2
(A-T bị thay thế bởi G-X)
3' AGT CAG GOT TAC CAT 5'
Thay đối ở mARN 1àm BD đổi GUU thành GUC
5' UCA GUC CCA AUC GUA 3' mARN

... Serine - Valine - proline - Threonie - Valine..... Protein
(GUU và GUC cùng quy định valine)
Hiện tượng mất hoặc thêm một cặp bazơ dẫn đến tổ hợp lại các codon và
làm thay đổi thành phần axit amin của chuỗi polipeptit.
• Trường hợp bình thường:

3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene
Phiên mã

5' UUG UGU GUC CAA GUU UCC UCG 3' mARN
Dịch mã

- Leucinne - Cysteine-Valine - Glicine - Valine - Tryptophane - Serine
Protein

• Trường hợp đột biến dịch khung:

3' AAC ACA CAG GTT CAA AGG AGC 5' Gene
Đột biến mất cặp C-G ở bộ ba thứ 3

3' aAC acAn agg ttc aaa Gga gc 5' Gene đột biến
Phiên mã

5' UUG UGU UCC AAG UUU CCU CG 3' mARN
Dịch mã

- Leucinne - Cysteine - Serine - Lisine - Tryptophane - Proline
Protein


38