intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Từ gen đến Protein

Chia sẻ: Dinh Tuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST
Báo xấu
82
lượt xem 12
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Từ gen đến Protein được biên soạn nhằm trang bị cho các bạn những kiến thức về gen xác định Protein qua phiên mã và dịch mã, phiên mã là quá trình tổng hợp ARN do ADN điều khiển, các tế bào sinh vật nhân thật cải biến ARN sau phiên mã và một số kiến thức khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Từ gen đến Protein

  1. Tõ Gen ®Õn Protein  H×nh 17.1 T¹i sao mét gen sai háng duy nhÊt cã thÓ dÉn ®Õn kiÓu h×nh kh¸c biÖt râ rÖt ë h−¬u b¹ch t¹ng? C¸c kh¸i niÖm chÝnh 17.1. Gen x¸c ®Þnh protein qua phiªn m vµ dÞch m 17.2. Phiªn m lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN do ADN nã? Vµ b»ng c¸ch nµo th«ng ®iÖp cña nã ®−îc tÕ bµo dÞch m· ®iÓu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n thµnh mét tÝnh tr¹ng nhÊt ®Þnh, ch¼ng h¹n nh− mµu tãc n©u, hay nhãm m¸u A, hay nh− trong tr−êng hîp con h−¬u b¹ch 17.3. C¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt c¶i biÕn ARN sau t¹ng ë trªn lµ sù thiÕu hôt ho¹t toµn s¾c tè da? Con h−¬u cã phiªn m kiÓu h×nh b¹ch t¹ng ë trªn lµ do mét enzym thiÕt yÕu cÇn cho 17.4. DÞch m lµ qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit sù tæng hîp s¾c tè cña nã bÞ sai háng; mµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn protein nµy bÞ sai háng lµ do gen m· hãa enzym mang th«ng tin do ARN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n kh«ng chÝnh x¸c. 17.5. C¸c ®ét biÕn ®iÓm cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn cÊu VÝ dô vÒ h−¬u b¹ch t¹ng minh häa néi dung chÝnh cña tróc vµ chøc n¨ng protein ch−¬ng nµy, ®ã lµ: ADN mµ mçi c¸ thÓ ®−îc di truyÒn tõ bè, mÑ qui ®Þnh c¸c tÝnh tr¹ng ®Æc thï cña nã th«ng qua qu¸ tr×nh 17.6. MÆc dï sù biÓu hiÖn gen ë c¸c liªn giíi sinh vËt lµ tæng hîp protein vµ c¸c ph©n tö ARN liªn quan ®Õn sù tæng hîp kh¸c nhau, nh−ng kh¸i niÖm gen lµ thèng nhÊt protein. Nãi c¸ch kh¸c protein lµ cÇu nèi gi÷a kiÓu gen vµ kiÓu h×nh. Sù biÓu hiÖn cña gen lµ qu¸ tr×nh ë ®ã ADN ®iÒu khiÓn Tæng quan sù tæng hîp protein (hoÆc trong mét sè tr−êng hîp, s¶n phÈm cuèi cïng lµ c¸c ARN). Sù biÓu hiÖn cña mét gen m· hãa Dßng th«ng tin di truyÒn protein lu«n gåm hai giai ®o¹n: phiªn m· vµ dÞch m·. Ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn c¸c b−íc cña dßng th«ng tin ®i tõ gen ®Õn V µo n¨m 2006, h×nh ¶nh mét con h−¬u con bÞ b¹ch t¹ng protein vµ gi¶i thÝch t¹i sao c¸c ®ét biÕn di truyÒn cã thÓ ¶nh ®ang n« ®ïa gi÷a ®µn h−¬u n©u ë vïng nói miÒn ®«ng h−ëng ®Õn c¸c c¬ thÓ sinh vËt th«ng qua c¸c protein cña chóng. n−íc §øc ®· g©y nªn mét lµn sãng ph¶n øng kh¸c nhau Sù biÓu hiÖn cña c¸c gen diÔn ra th«ng qua c¸c qu¸ tr×nh t−¬ng trong céng ®ång (H×nh 17.1). Mét tæ chøc s¨n b¾n ®éng vËt ë ®èi gièng nhau ë c¶ ba liªn giíi sinh vËt lµ sinh vËt nh©n s¬ ®Þa ph−¬ng cho r»ng: con h−¬u b¹ch t¹ng m¾c “bÖnh di truyÒn” (prokaryote), sinh vËt nh©n thËt (eukaryote) vµ vi khuÈn cùc vµ cÇn giÕt bá. Mét sè ng−êi kh¸c th× cho r»ng con h−¬u ®ã cÇn ®oan (archea). Nh÷ng hiÓu biÕt vÒ nh÷ng qu¸ tr×nh nµy sÏ cho ®−îc b¶o vÖ b»ng c¸ch cho lai víi nh÷ng con h−¬u kh¸c ®Ó b¶o phÐp chóng ta nh×n l¹i vÒ kh¸i niÖm gen mét c¸ch thÊu ®¸o h¬n vÖ vèn gen cña quÇn thÓ. Trong khi, nh÷ng ng−êi kh¸c th× ñng ë phÇn cuèi cña ch−¬ng nµy. 17.1 hé quan ®iÓm cÇn chuyÓn con h−¬u ®ã vµo v−ên quèc gia ®Ó b¶o vÖ, v× trong m«i tr−êng sèng hoang d¹i, con h−¬u nµy dÔ bÞ Kh¸i niÖm c¸c loµi ®éng vËt ¨n thÞt ph¸t hiÖn. Mét siªu sao nh¹c rèc ng−êi §øc thËm chÝ ®· tæ chøc mét buæi biÓu diÔn quyªn gãp tiÒn ®Ó Gen x¸c ®Þnh protein qua phiªn lµm viÖc di chuyÓn vµ b¶o vÖ con h−¬u nµy. §iÒu g× ®· dÉn ®Õn kiÓu h×nh kú l¹ cña con h−¬u nµy, vèn lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn m vµ dÞch m nh÷ng quan ®iÓm tranh c·i kh¸c nhau? Tr−íc khi t×m hiÓu chi tiÕt b»ng c¸ch nµo c¸c gen cã thÓ ®iÒu ë Ch−¬ng 14, chóng ta ®· biÕt r»ng c¸c tÝnh tr¹ng di truyÒn khiÓn sù tæng hîp protein, chóng ta h·y quay ng−îc “b¸nh xe ®−îc qui ®Þnh bëi c¸c gen vµ tÝnh tr¹ng b¹ch t¹ng lµ do mét lÞch sö” ®Ó xem gen vµ protein ®−îc ph¸t hiÖn nh− thÕ nµo. alen lÆn thuéc gen tæng hîp s¾c tè g©y nªn. C¸c néi dung th«ng tin ®−îc m· hãa trong c¸c gen biÓu hiÖn ë d¹ng c¸c tr×nh tù B»ng chøng tõ c¸c nghiªn cøu vÒ sai nucleotit ®Æc thï trªn ph©n tö ADN, tøc lµ ph©n tö mang th«ng tin di truyÒn. Nh−ng b»ng c¸ch nµo c¸c th«ng tin nµy cã thÓ qui háng chuyÓn hãa ®Þnh c¸c tÝnh tr¹ng cña mét c¬ thÓ sinh vËt? Nãi c¸ch kh¸c, Vµo n¨m 1909, b¸c sÜ ng−êi Anh Archibald Garrod lµ ng−êi b»ng c¸ch nµo mçi gen cã thÓ truyÒn ®¹t ®−îc th«ng ®iÖp cña ®Çu tiªn cho r»ng c¸c gen qui ®Þnh kiÓu h×nh th«ng qua c¸c 325
  2. enzym xóc t¸c c¸c ph¶n øng diÔn ra trong tÕ bµo. Garrod dù thªm mét chÊt dinh d−ìng nhÊt ®Þnh (vèn kh¸c nhau gi÷a m«i ®o¸n r»ng c¸c triÖu chøng cña mét bÖnh di truyÒn lµ kÕt qu¶ tr−êng ®ñ vµ mèi tr−êng tèi thiÓu). ChÊt bæ sung ®Æc thï cho cña viÖc mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp mét enzym nhÊt ®Þnh nµo ®ã ë phÐp nÊm men ®ét biÕn cã thÓ sinh tr−ëng sÏ cung cÊp th«ng ng−êi bÖnh. ¤ng coi nh÷ng bÖnh nh− vËy lµ nh÷ng “rèi lo¹n tin vÒ kiÓu sai háng chuyÓn hãa ë chñng nÊm men ®ét biÕn. VÝ trao ®æi chÊt bÈm sinh”. Garrod ®· nªu vÝ dô vÒ mét bÖnh di dô, nÕu chñng ®ét biÕn ®−îc t×m thÊy cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn truyÒn ®−îc gäi lµ alkapto niÖu; ë nh÷ng ng−êi m¾c bÖnh nµy, trong m«i tr−êng bæ sung axit amin arginine, th× c¸c nhµ nghiªn n−íc tiÓu cã mµu ®en do trong thµnh phÇn cã alkapton lµ mét cøu kÕt luËn r»ng thÓ ®ét biÕn ®ã bÞ sai háng trong con ®−êng chÊt chuyÓn mÇu sÉm khi tiÕp xóc víi kh«ng khÝ. Garrod cho chuyÓn hãa tæng hîp arginine so víi chñng kiÓu d¹i. r»ng phÇn lín mäi ng−êi ®Òu cã mét enzym gióp chuyÓn hãa Beadle vµ Tatum sau ®ã tiÕp tôc x¸c ®Þnh tÝnh ®Æc thï cña alkapton, nh−ng nh÷ng ng−êi bÞ bÖnh ®· ®−îc di truyÒn gen mçi thÓ ®ét biÕn. H×nh 17.2 minh häa c¸ch hä dïng c¸c phÐp thö mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp enzym nµy. tiÕp theo ®Ó ph©n biÖt ba thÓ ®ét biÕn kh¸c nhau dï chóng ®Òu lµ Garrod còng cã thÓ lµ mét trong nh÷ng ng−êi ®Çu tiªn nhËn c¸c ®ét biÕn khuyÕt d−ìng vÒ arginine. Mçi thÓ ®ét biÕn nµy ®Òu ra c¸c qui luËt di truyÒn cña Mendel cã thÓ ¸p dông cho ng−êi cÇn mét nhãm chÊt kh¸c nhau däc theo con ®−êng sinh tæng hîp gièng nh− víi c©y ®Ëu Hµ lan. Cã thÓ nãi nhËn thøc cña Garrod arginine gåm ba b−íc. Tõ kÕt qu¶ thÝ nghiÖm, c¸c nhµ nghiªn ®· ®i tr−íc thêi ®¹i, bëi v× c¸c nghiªn cøu ®−îc tiÕn hµnh sau cøu cho r»ng c¸c thÓ ®ét biÕn ®· bÞ øc chÕ ë c¸c b−íc kh¸c nhau ®ã hµng chôc n¨m míi thùc sù ñng hé cho gi¶ thiÕt cña «ng vÒ cña cïng con ®−êng chuyÓn hãa trong ®ã mçi thÓ ®ét biÕn thiÕu viÖc mçi gen ®iÒu khiÓn sù tæng hîp cña mét enzym ®Æc thï. mét enzym t−¬ng øng víi b−íc chuyÓn hãa bÞ øc chÕ. C¸c nhµ hãa sinh häc ngµy cµng tÝch lòy ®−îc nhiÒu b»ng Do trong nghiªn cøu cña Beadle vµ Tatum, c¸c sai háng ë chøng cho thÊy tÕ bµo tiÕn hµnh tæng hîp vµ ph©n hñy phÇn lín c¸c thÓ ®ét biÕn ®Òu liªn quan ®Õn mét gen duy nhÊt, nªn kÕt c¸c chÊt h÷u c¬ th«ng qua c¸c con ®−êng chuyÓn hãa, ë ®ã mçi qu¶ nghiªn cøu cña hä ®· ñng hé cho Gi¶ thiÕt mét gen - mét ph¶n øng hãa häc ®Òu ®−îc xóc t¸c bëi mét enzym ®Æc thï enzym mµ chÝnh hai nhµ khoa häc nµy ®· ®−a ra. Gi¶ thiÕt “mét (xem trang 142). Mét vÝ dô vÒ con ®−êng chuyÓn hãa nh− vËy gen - mét enzym” ph¸t biÓu r»ng: chøc n¨ng cña mét gen lµ lµ sù tæng hîp c¸c s¾c tè quy ®Þnh mµu m¾t ë ruåi Drosophila ®iÒu khiÓn sù tæng hîp mét enzym ®Æc thï. Gi¶ thiÕt nµy sau ®ã (xem H×nh 15.3). Vµo kho¶ng nh÷ng n¨m 1930, George Beadle tiÕp tôc ®−îc cñng cè khi ngµy cµng cã nhiÒu thÓ ®ét biÕn ®−îc vµ Boris Ephrussi dù ®o¸n r»ng ë ruåi Drosophila, mçi mét thÓ x¸c ®Þnh thiÕu mét enzym ®Æc thï nµo ®ã so víi c¸c d¹ng kiÓu ®ét biÕn mµu m¾t ®Òu cã qu¸ tr×nh tæng hîp s¾c tè bÞ øc chÕ t¹i d¹i. N¨m 1958, Beadle vµ Tatum ®−îc trao gi¶i th−ëng Nobel mét b−íc ®Æc thï nµo ®ã, do thiÕu sù tæng hîp enzym xóc t¸c vÒ “ph¸t hiÖn cña hä cho thÊy c¸c gen ®iÒu khiÓn c¸c sù kiÖn b−íc ph¶n øng ®ã. Tuy vËy, vµo thêi ®iÓm ®ã kh«ng cã ph¶n hãa häc x¸c ®Þnh” (TrÝch nguyªn v¨n tõ ñy ban Nobel). øng nµo còng nh− enzym cã liªn quan ®Õn sù tæng hîp s¾c tè qui ®Þnh mµu m¾t ë ruåi giÊm ®−îc biÕt ®Õn. S¶n phÈm biÓu hiÖn cña gen: C©u C¸c thÓ ®ét biÕn khuyÕt d−ìng ë chuyÖn tiÕp tôc ph¸t triÓn Neurospora: §iÒu tra khoa häc Khi c¸c nhµ nghiªn cøu ngµy cµng hiÓu râ h¬n vÒ protein, hä Mét b−íc ngoÆt trong viÖc lµm s¸ng tá mèi quan hÖ gi÷a gen vµ b¾t ®Çu xem l¹i gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym. Tr−íc hÕt, enzym ®Õn sau ®ã vµi n¨m khi Beadle vµ Edward Tatum nghiªn kh«ng ph¶i mäi protein ®Òu lµ enzym. VÝ dô nh−, keratin lµ mét cøu ë nÊm men Neurospora crassa. Trªn c¬ së c¸c ph−¬ng protein cÊu tróc cã trong thµnh phÇn l«ng, tãc ë ®éng vËt; hay ph¸p g©y t¹o ®ét biÕn ®−îc t×m ra tõ nh÷ng n¨m 1920, c¸c nhµ nh− insulin lµ mét protein cã chøc n¨ng ®iÒu hßa (hoocm«n), khoa häc ®· dïng tia X “b¾n ph¸” c¸c chñng Neurospora ®Ó ®Òu lµ c¸c protein nh−ng kh«ng ph¶i lµ enzym. Do cã nhiÒu t¹o nªn c¸c chñng ®ét biÕn cã nhu cÇu dinh d−ìng kh¸c so víi protein kh«ng ph¶i lµ enzym nh−ng vÉn lµ c¸c s¶n phÈm cña kiÓu d¹i. C¸c chñng nÊm men Neurospora kiÓu d¹i cã nhu cÇu gen, nªn c¸c nhµ sinh häc ph©n tö b¾t ®Çu nghÜ vÒ kh¸i niÖm dinh d−ìng ®¬n gi¶n. Chóng cã thÓ dÔ dµng sèng trong m«i mét gen - mét protein. Tuy vËy, rÊt nhiÒu protein ®−îc cÊu t¹o tr−êng th¹ch (agar) ®−îc bæ sung mét sè muèi v« c¬, ®−êng nªn tõ hai hay nhiÒu chuçi polypeptit kh¸c nhau, mµ mçi chuçi glucose vµ vitamin biotin. Tõ m«i tr−êng tèi thiÓu nµy, c¸c tÕ polypeptit l¹i ®−îc m· hãa bëi mét gen riªng. VÝ dô nh−, bµo nÊm men cã thÓ dïng c¸c con ®−êng chuyÓn hãa cña chóng protein vËn chuyÓn «xy trong m¸u cña ®éng vËt cã x−¬ng sèng ®Ó t¹o nªn tÊt c¶ c¸c ph©n tö cÇn cho sù sinh tr−ëng vµ ph¸t lµ hemoglobin ®−îc cÊu t¹o nªn tõ hai lo¹i polypeptit ®−îc m· triÓn cña m×nh. Beadle vµ Tatum ®· x¸c ®Þnh ®−îc nhiÒu chñng hãa t−¬ng øng bëi hai gen kh¸c nhau (xem H×nh 5.21). V× vËy, ®ét biÕn kh«ng cã kh¶ n¨ng sèng trªn m«i tr−êng tèi thiÓu do ý t−ëng cña Beadle vµ Tatum ®· ®−îc ph¸t biÓu l¹i lµ Gi¶ thiÕt nguyªn nh©n mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp mét hîp chÊt thiÕt yÕu nµo mét gen - mét chuçi polypeptit. MÆc dï vËy, kh¸i niÖm nµy ®ã. Nh÷ng chñng ®ét biÕn nh− vËy ®−îc gäi lµ ®ét biÕn khuyÕt còng kh«ng hoµn toµn chÝnh x¸c. Thø nhÊt, nhiÒu gen ë sinh d−ìng. §Ó cã thÓ nu«i c¸c chñng ®ét biÕn nµy, Beadle vµ vËt nh©n thËt cã thÓ ®ång thêi m· hãa cho nhiÒu chuçi Tatum ph¶i nu«i chóng trong m«i tr−êng ®ñ, gåm c¸c thµnh polypeptit kh¸c nhau nh−ng cã quan hÖ víi nhau th«ng qua phÇn cña m«i tr−êng tèi thiÓu, ngoµi ra bæ sung thªm 20 lo¹i c¸ch hoµn thiÖn c¸c s¶n phÈm phiªn m· vµ dÞch m· kh¸c nhau axit amin vµ mét sè chÊt dinh d−ìng kh¸c n÷a. Trong m«i mµ chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn ë phÇn sau cña ch−¬ng nµy. Thø hai, tr−êng ®ñ, mäi thÓ ®ét biÕn ®Òu cã kh¶ n¨ng sèng dï chóng mét sè gen m· hãa cho c¸c ph©n tö ARN cã chøc n¨ng quan kh«ng cã kh¶ n¨ng tæng hîp mét chÊt nµo ®ã. träng trong tÕ bµo, mÆc dï chóng kh«ng bao giê ®−îc dÞch m· §Ó ph©n tÝch ®Æc ®iÓm cña c¸c d¹ng sai háng trao ®æi chÊt ë thµnh protein. Tuy vËy, hiÖn nay chóng ta chñ yÕu tËp trung vµo c¸c chñng ®ét biÕn khuyÕt d−ìng, Beadle vµ Tatum ®· tiÕn c¸c gen m· hãa cho c¸c chuçi polypeptit. (Trong thùc tÕ hiÖn hµnh lÊy mÉu b»ng c¸ch nu«i chóng trong m«i tr−êng ®ñ, råi nay “s¶n phÈm cña c¸c gen” th−êng ®−îc hiÓu víi nghÜa phæ ph©n phèi chóng vµo c¸c èng ®ùng mÉu. Trong mçi èng ®ùng biÕn lµ protein, chø kh«ng ph¶i chÝnh x¸c h¬n lµ c¸c chuçi mÉu, hä bæ sung m«i tr−êng tèi thiÓu, ngoµi ra chØ bæ sung polypeptit - mét thùc tÕ b¹n còng sÏ gÆp trong cuèn s¸ch nµy). 326 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  3.  H×nh 17.2 Nghiªn cøu ph¸t hiÖn Cã ph¶i c¸c gen quy ®Þnh c¸c enzym biÓu hiÖn chøc n¨ng trong c¸c con ®−êng hãa sinh? ThÝ nghiÖm Khi nghiªn cøu ë Neurospora crassa, George Beadle vµ Edward Tatum t¹i §¹i häc Stanford ®· ph©n lËp ®−îc c¸c thÓ ®ét biÕn cÇn bæ sung arginine vµo m«i tr−êng sinh tr−ëng cña chóng. C¸c nhµ nghiªn cøu thÊy r»ng c¸c thÓ ®ét biÕn nµy chia lµm ba nhãm, mçi nhãm bÞ sai háng mét gen kh¸c nhau. C©n nh¾c trªn c¸c d÷ liÖu thÝ nghiÖm, hä dù ®o¸n con ®−êng sinh tæng hîp arginine liªn quan ®Õn mét tiÒn chÊt trong m«i tr−êng dinh d−ìng vµ c¸c ph©n tö Sinh tr−ëng: Kh«ng sinh tr−ëng: trung gian lµ ornithine vµ citruline. ThÝ nghiÖm næi tiÕng nhÊt cña hä ®−îc minh C¸c tÕ bµo C¸c tÕ bµo ®ét häa ë ®©y võa chøng minh gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym võa x¸c nhËn con kiÓu d¹i sinh biÕn kh«ng sinh ®−êng tæng hîp arginine mµ hä ®· dù ®o¸n. Trong thÝ nghiÖm nµy, hä ®· nu«i ba tr−ëng vµ tr−ëng vµ ph©n nhãm nÊm men ®ét biÕn trong 4 ®iÒu kiÖn m«i tr−êng kh¸c nhau nh− ®−îc minh ph©n chia chia M«i tr−êng häa ë phÇn KÕt qu¶ d−íi ®©y. ë ®©y, hä ®· dïng m«i tr−êng tèi thiÓu (MM) lµm tèi thiÓu ®èi chøng do trong m«i tr−êng nµy c¸c tÕ bµo kiÓu d¹i cã thÓ sinh tr−ëng, trong khi c¸c tÕ bµo ®ét biÕn th× kh«ng. (Xem h×nh minh häa c¸c èng nghiªm bªn ph¶i.) KÕt qu¶ Chñng kiÓu d¹i cã kh¶ n¨ng sinh C¸c nhãm Neurospora crassa tr−ëng trong tÊt c¶ c¸c ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm KiÓu d¹i Nhãm ®ét biÕn I Nhãm ®ét biÕn II Nhãm ®ét biÕn III kh¸c nhau, chØ ®ßi hái m«i tr−êng tèi thiÓu. M«i tr−êng tèi Trong khi ®ã, ba nhãm ®ét biÕn ®Òu cÇn bæ thiÓu (MM) sung nh÷ng chÊt dinh d−ìng ®Æc thï cho mçi (§èi chøng) §iÒu kiÖn m«i tr−êng nhãm. VÝ dô: c¸c ®ét biÕn nhãm II kh«ng sinh tr−ëng ®−îc trong m«i tr−êng chØ bæ sung MM + ornithrine, mµ chØ sinh tr−ëng trong c¸c m«i ornithine tr−êng hoÆc bæ sung citruline hay arginine. MM + citruline MM + arginine (§èi chøng) Sinh tr−ëng Sinh tr−ëng khi cã ChØ sinh tr−ëng NhÊt thiÕt ph¶i cã trong mäi ®iÒu ornithine, citruline khi cã citruline arginine míi cã kiÖn thÝ nghiÖm hoÆc arginine hoÆc arginine thÓ sinh tr−ëng KÕt luËn Tõ nh÷ng yªu cÇu vÒ nguån dinh d−ìng cña c¸c thÓ ®ét biÕn, Beadle vµ Tatum Nhãm ®ét biÕn I Nhãm ®ét biÕn II Nhãm ®ét biÕn III ®· suy luËn ra r»ng mçi nhãm ®ét biÕn kh«ng KiÓu d¹i (®ét biÕn ë gen A) (®ét biÕn ë gen B) (®ét biÕn ë gen C) thÓ thùc hiÖn mét b−íc trong con ®−êng sinh tæng hîp arginine, mµ theo gi¶ thiÕt lµ do TiÒn chÊt TiÒn chÊt TiÒn chÊt TiÒn chÊt chóng thiÕu nh÷ng enzym ®Æc thï. Do mçi Gen A Enzym A Enzym A Enzym A nhãm ®ét biÕn bÞ ®ét biÕn ë mét gen duy nhÊt, hä kÕt luËn r»ng mçi gen b×nh th−êng qui ®Þnh viÖc tÕ bµo s¶n xuÊt mét enzym. KÕt qu¶ nghiªn cøu nµy ñng hé cho gi¶ thiÕt mét gen – Gen B Enzym B Enzym B Enzym B - mét enzym cña hä vµ ®ång thêi còng x¸c nhËn con ®−êng chuyÓn hãa tæng hîp arginine. (Chó ý trong phÇn KÕt qu¶ lµ c¸c thÓ Gen C Enzym C Enzym C Enzym C ®ét biÕn chØ sinh tr−ëng ®−îc trong c¸c m«i tr−êng bæ sung mét hîp chÊt h×nh thµnh sau b−íc sai háng cña qu¸ tr×nh chuyÓn hãa, v× ®iÒu nµy míi cã thÓ gióp kh¾c phôc sai háng.) Nguån 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). NÕu ... th× sao ? Gi¶ sö kÕt qu¶ thÝ nghiÖm lµ: c¸c thÓ ®ét biÕn nhãm I chØ sinh tr−ëng ®−îc trªn m«i tr−êng MM bæ sung thªm hoÆc ornithine hoÆc arginine vµ c¸c ®ét biÕn nhãm II sinh tr−ëng ®−îc trªn m«i tr−êng MM ®−îc bæ sung thªm hoÆc citruline, ornithine hay arginine. Beadle vµ Tatum sÏ rót ra nh÷ng kÕt luËn g× vÒ con ®−êng chuyÓn hãa vµ nh÷ng s¶i háng ë c¸c thÓ ®ét biÕn thuéc nhãm I vµ II? Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 327
  4. C¸c nguyªn lý c¬ b¶n cña phiªn m sinh vËt nh©n s¬ (prokaryote) bëi v× tÕ bµo cña chóng kh«ng cã cÊu tróc nh©n ®−îc bao bäc bëi mµng - vèn lµ ®Æc ®iÓm râ rÖt vµ dÞch m cña c¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. PhÇn lín c¸c nghiªn cøu vÒ Gen cung cÊp b¶n h−íng dÉn ®Ó tÕ bµo tæng hîp nªn c¸c phiªn m· vµ dÞch m· ®Õn nay ®−îc thùc hiÖn ë vi khuÈn vµ sinh protein ®Æc thï. Tuy vËy, gen kh«ng trùc tiÕp t¹o nªn protein. vËt nh©n thËt; vµ v× vËy, ®ã còng lµ nh÷ng néi dung chÝnh ®−îc CÇu nèi gi÷a ADN vµ sù tæng hîp protein lµ axit nucleic ARN. tËp trung ®Ò cËp ë ch−¬ng nµy. MÆc dï nh÷ng hiÓu biÕt vÒ Tõ Ch−¬ng 5, chóng ta ®· biÕt ARN cã cÊu tróc hãa häc gièng nh÷ng qu¸ tr×nh nµy ë liªn giíi vi khuÈn cùc ®oan cßn h¹n chÕ, ADN, trõ hai ®Æc ®iÓm: i) nã chøa ®−êng ribose thay cho ®−êng nh−ng ë phÇn cuèi ch−¬ng chóng ta còng sÏ th¶o luËn vÒ mét deoxyribose, vµ ii) nã mang baz¬ nit¬ lo¹i uracil chø kh«ng sè khÝa c¹nh cña sù biÓu hiÖn gen ë liªn giíi sinh vËt nµy. ph¶i lo¹i thymine (xem H×nh 5.27). V× vËy, nÕu nh− c¸c lo¹i C¸c nguyªn lý ®éng häc c¬ b¶n cña phiªn m· vµ dÞch m· lµ nucleotit ch¹y däc m¹ch ADN cã c¸c baz¬ thuéc c¸c lo¹i A, G, gièng nhau ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt, nh−ng cã mét ®Æc C vµ T, th× mçi nucleotit cña ARN cã c¸c baz¬ ®iÓn h×nh lµ A, ®iÓm kh¸c biÖt quan träng trong dßng th«ng tin di truyÒn ë G, C vµ U. Mét ph©n tö ARN th−êng tån t¹i ë d¹ng m¹ch ®¬n. trong c¸c tÕ bµo. Do vi khuÈn kh«ng cã nh©n, nªn ADN cña vi Nh− mét th«ng lÖ, dßng th«ng tin tõ gen ®Õn protein th−êng khuÈn kh«ng bÞ t¸ch biÖt hoµn toµn vÒ kh«ng gian víi ribosome ®−îc m« t¶ nh− sù truyÒn t¶i cña c¸c d¹ng “ng«n ng÷” bëi v× còng nh− víi c¸c thµnh phÇn kh¸c cña bé m¸y tæng hîp protein c¸c lo¹i axit nucleic còng nh− protein ®Òu lµ c¸c ®a ph©n tö (H×nh 17.3a). Nh− b¹n sÏ thÊy ë phÇn sau, do kh«ng cã sù t¸ch (polyme) truyÒn t¶i th«ng tin trªn c¬ së tr×nh tù ®Æc thï cña c¸c biÖt râ rµng vÒ kh«ng gian, nªn ë vi khuÈn qu¸ tr×nh dÞch m· ®¬n ph©n (monome), còng gièng nh− c¸ch chóng ta dïng TiÕng mét ph©n tö mARN cã thÓ b¾t ®Çu ngay c¶ khi sù phiªn m· ViÖt hay TiÕng Anh lµ tr×nh tù ®Æc thï cña c¸c ch÷ c¸i ®Ó trao tæng hîp ph©n tö mARN ®ã vÉn ®ang diÔn ra. Ng−îc l¹i, ë c¸c ®æi th«ng tin. Trong ph©n tö ADN vµ ARN, c¸c monome lµ bèn tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, mµng nh©n t¸ch biÖt hoµn toµn hai lo¹i nucleotit kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn baz¬. C¸c gen ®iÓn h×nh qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· vÒ kh«ng gian vµ thêi gian (H×nh cã chiÒu dµi hµng tr¨m hoÆc hµng ngh×n nucleotit, mçi gen cã 17.3b). Cô thÓ, phiªn m· diÔn ra trong nh©n, råi mARN ®−îc mét tr×nh tù baz¬ ®Æc thï. Mçi chuçi polypeptit cña mét ph©n chuyÓn ra tÕ bµo chÊt; ë ®ã nã ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó dÞch tö protein còng cã c¸c monome s¾p xÕp thµnh mét chuçi th¼ng m·. Tuy vËy, tr−íc khi mARN rêi khái nh©n, b¶n phiªn m· hµng cã tr×nh tù nhÊt ®Þnh (cÊu tróc bËc 1 cña protein); nh−ng ARN ë sinh vËt nh©n thËt tõ c¸c gen m· hãa protein th−êng c¸c monome cña chóng lµ c¸c axit amin. Nh− vËy, c¸c axit ®−îc biÕn ®æi qua mét sè b−íc ®Ó h×nh thµnh nªn ph©n tö nucleic vµ protein mang th«ng tin ®−îc viÕt b»ng hai ng«n ng÷ mARN cuèi cïng hoµn thiÖn vÒ chøc n¨ng. Sù phiªn m· mét hãa häc kh¸c nhau. Sù truyÒn t¶i th«ng tin tõ ADN tíi protein gen m· hãa protein ë sinh vËt nh©n thËt ban ®Çu t¹o ra mét cÇn qua hai giai ®o¹n chÝnh: phiªn m· vµ dÞch m·. ph©n tö tiÒn-mARN; ph©n tö nµy tr¶i qua qu¸ tr×nh hoµn thiÖn Phiªn m· lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN d−íi sù “chØ dÉn” cña ®Ó h×nh thµnh nªn ph©n tö mARN cuèi cïng. C¸c b¶n phiªn m· ADN. C¶ hai lo¹i axit nucleic nµy ®Òu dïng ng«n ng÷ hãa häc ARN ®Çu tiªn ®−îc h×nh thµnh tõ mçi gen, bao gåm c¶ c¸c gen gièng nhau; v× vËy, th«ng tin ®−îc phiªn m· ®¬n gi¶n, hoÆc chØ m· hãa cho c¸c lo¹i ARN mµ kh«ng ®−îc dÞch m· thµnh ®−îc sao chÐp, tõ ph©n tö nµy thµnh ph©n tö kh¸c. Cô thÓ, m¹ch protein, ®−îc gäi chung lµ c¸c b¶n phiªn m· s¬ cÊp. ADN cã thÓ ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó tæng hîp mét m¹ch bæ Cã thÓ tãm t¾t sù phiªn m· vµ dÞch m· nh− sau: c¸c gen sung míi trong sao chÐp ADN, còng nh− nã cã thÓ lµm khu«n “lËp tr×nh” sù tæng hîp protein th«ng qua c¸c th«ng ®iÖp di ®Ó l¾p r¸p mét tr×nh tù bæ sung cña c¸c nuleotit ARN trong truyÒn ë d¹ng ARN th«ng tin. Cã thÓ hiÓu theo c¸ch kh¸c lµ phiªn m·. §èi víi c¸c gen m· hãa protein, c¸c ph©n tö ARN c¸c tÕ bµo ®−îc chi phèi bëi mét chuçi lÖch ë cÊp ph©n tö theo thu ®−îc lµ b¶n phiªn m· “trung thùc” tõ b¶n h−íng dÉn tæng dßng th«ng tin di truyÒn cã h−íng lµ: ADN → ARN → protein. hîp protein ®−îc m· hãa trong gen. Nã kh«ng kh¸c mÊy b¶n Kh¸i niÖm nµy ®−îc Francis Crick ®−a ra lÇn ®Çu tiªn vµo n¨m sao b¶ng ®iÓm häc tËp cña b¹n; vµ còng gièng mét b¶n phiªn 1956 vµ ®−îc gäi lµ “nguyªn lý trung t©m”. Kh¸i niÖm nµy ®· m·, nã cã thÓ ®−îc göi ®i d−íi d¹ng nhiÒu b¶n sao kh¸c nhau. tån t¹i nh− thÕ nµo qua thêi gian? Vµo nh÷ng n¨m 1970, c¸c Lo¹i ph©n tö ARN nh− vËy ®−îc gäi lµ ARN th«ng tin nhµ khoa häc ®· rÊt ng¹c nhiªn khi ph¸t hiÖn ra r»ng mét sè (mARN) bëi v× nã mang th«ng ®iÖp di truyÒn tõ ADN tíi bé ph©n tö ARN cã thÓ lµm khu«n ®Ó tæng hîp ADN th«ng qua m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo. (Phiªn m· lµ thuËt ng÷ chung mét qu¸ tr×nh mµ chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn ë Ch−¬ng 19. Tuy vËy, cho qu¸ tr×nh tæng hîp mäi lo¹i ARN trªn c¬ së m¹ch khu«n c¬ chÕ ngo¹i lÖ nµy kh«ng hÒ phñ nhËn kh¸i niÖm chung lµ ADN. ë phÇn sau cña ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn c¸c dßng th«ng tin di truyÒn chñ yÕu ®i tõ ADN tíi ARN råi tíi lo¹i ARN kh¸c còng ®−îc t¹o ra tõ phiªn m·.) protein. ë phÇn tiÕp theo, chóng ta sÏ th¶o luËn vÒ néi dung DÞch m· lµ qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit diÔn ra b»ng c¸ch nµo b¶n h−íng dÉn c¸ch l¾p r¸p c¸c axit amin theo d−íi sù “chØ dÉn” cña ARN. Trong giai ®o¹n nµy, cã mét sù mét trËt tù ®Æc thï trong chuçi polypeptit ®−îc m· hãa trong thay ®æi ng«n ng÷: TÕ bµo ph¶i “phiªn dÞch” tr×nh tù c¸c baz¬ c¸c axit nucleic. cña mét ph©n tö mARN thµnh tr×nh tù c¸c axit amin cña mét chuçi polypeptit. VÞ trÝ diÔn ra sù dÞch m· lµ c¸c ribosome; ®ã M di truyÒn lµ phøc hÖ d¹ng h¹t t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho sù kÕt nèi c¸c Khi c¸c nhµ sinh häc b¾t ®Çu nghi ngê r»ng b¶n h−íng dÉn axit amin theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c tæng hîp protein ®−îc ghi trong c¸c ph©n tö ADN, hä nhËn ra chuçi polypeptit. mét vÊn ®Ò: ChØ cã 4 lo¹i baz¬ trong c¸c nucleotit ®Ó x¸c ®Þnh Phiªn m· vµ dÞch m· lµ c¸c qu¸ tr×nh cã ë mäi c¬ thÓ sèng. cho 20 lo¹i axit amin. Do ®ã, m· di truyÒn kh«ng thÓ ë d¹ng Tõ Ch−¬ng 1, chóng ta biÕt r»ng sinh giíi gåm ba liªn giíi: Vi ng«n ng÷ kiÓu t−îng h×nh nh− TiÕng Trung quèc ®−îc, nghÜa lµ khuÈn (Bacteria), Vi khuÈn cùc ®oan (Archaea) vµ Sinh vËt mçi ký tù t−¬ng øng víi mét tõ riªng. VËy, bao nhiªu baz¬ nh©n thËt (Eukarya). Hai liªn giíi ®Çu ®−îc gäi chung lµ c¸c trong c¸c nucleotit th× t−¬ng øng víi mét axit amin? 328 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  5. nucleotit kh¸c nhau, nªn chóng ta sÏ cã tèi ®a 16 (tøc lµ 42) kh¶ n¨ng tæ hîp; ®iÒu nµy cho thÊy m· bé hai kh«ng ®ñ ®Ó m· hãa cho tÊt c¶ 20 axit amin. ADN Bé ba c¸c baz¬ nucleotit lµ sè nguyªn nhá nhÊt, ®ång ®Òu Phiªn m· cã thÓ m· hãa cho tÊt c¶ c¸c axit amin. NÕu mçi c¸ch s¾p xÕp mARN cø 3 baz¬ kÕ tiÕp nhau x¸c ®Þnh mét axit amin, th× chóng ta sÏ Ribosome cã 64 (tøc lµ 43) kh¶ n¨ng m· hãa; sè l−îng nµy thõa ®ñ ®Ó x¸c ®Þnh tÊt c¶ c¸c axit amin. Trªn c¬ së ®ã, c¸c sè liÖu thÝ nghiÖm DÞch m· sau nµy còng ®· x¸c nhËn r»ng: dßng th«ng tin ®i tõ gen ®Õn Polypeptide protein dùa trªn m· bé ba; nãi c¸ch kh¸c, b¶n h−íng dÉn tæng hîp mét chuçi polypeptit ®−îc viÕt trªn ADN lµ mét chuçi nh÷ng “tõ” gåm 3 nucleotit vµ cã ®Æc ®iÓm kh«ng gèi lªn nhau. VÝ dô, bé ba c¸c baz¬ AGT t¹i mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh (trong vïng (a) TÕ bµo vi khuÈn. Trong tÕ bµo vi khuÈn, do thiÕu m· hãa) trªn m¹ch ADN sÏ dÉn ®Õn sù l¾p r¸p mét axit amin nh©n, mARN ®−îc t¹o ra tõ phiªn m· ®−îc dïng ngay ®Ó dÞch m· mµ kh«ng cÇn biÕn ®æi g× thªm. Serine t¹i vÞ trÝ t−¬ng øng trªn chuçi polypeptit ®−îc t¹o ra. Trong qu¸ tr×nh phiªn m·, c¸c gen x¸c ®Þnh tr×nh tù c¸c baz¬ n»m däc chiÒu dµi ph©n tö mARN (H×nh 17.4). Trong Mµng nh©n ph¹m vi mçi gen, chØ mét trong hai m¹ch ADN ®−îc phiªn m·. M¹ch nµy ®−îc gäi lµ m¹ch khu«n bëi v× nã cung cÊp kiÓu mÉu, hay khu«n mÉu, cho sù l¾p r¸p c¸c nucleotit trªn b¶n phiªn m· ARN. Mét m¹ch ADN th−êng lµm khu«n cho mét sè ADN hoÆc nhiÒu gen n»m däc theo ph©n tö ADN; trong khi ®ã, m¹ch Phiªn m· bæ sung víi nã cã thÓ lµm khu«n cho sù phiªn m· cña nh÷ng TiÒn -mARN Hoµn thiÖn ARN mARN Gen 2 Ph©n tö ADN Gen 1 Gen 3 DÞch m· Ribosome M¹ch Polypeptide ADN khu«n (b) TÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. Nh©n t¹o thµnh kh«ng gian t¸ch biÖt cho phiªn m·. B¶n phiªn m· ARN ®Çu tiªn, gäi lµ tiÒn-ARN, ®−îc biÕn ®æi qua mét sè Phiªn m· b−íc tr−íc khi rêi nh©n ë d¹ng mARN hoµn thiÖn.  H×nh 17.3 Tæng quan: vai trß của phiªn m· vµ dÞch mARN m· trong dßng th«ng tin di truyÒn. Trong tÕ bµo, dßng Codon th«ng tin di truyÒn ®i tõ ADN ®Õn ARN råi ®Õn protein. Hai giai ®o¹n chÝnh cña dßng th«ng tin nµy lµ Phiªn m· vµ DÞch m·. Hai dÞch m· h×nh ¶nh thu gän ë trªn, (a) vµ (b), ph¶n ¸nh mét sè ®Æc ®iÓm cña c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· diÔn ra ë vi khuÈn vµ Protein sinh vËt nh©n thËt ®−îc ®Ò cËp trong ch−¬ng nµy. Axit amin Codon: M· bé ba cña c¸c baz¬  H×nh 17.4 M· bé ba. Víi mçi gen, chØ mét trong hai m¹ch ADN ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó phiªn m·. Gièng nh− trong sao NÕu mçi baz¬ nucleotit ®−îc dÞch m· thµnh mét axit amin, th× chÐp ADN, nguyªn t¾c kÕt cÆp gi÷a c¸c baz¬ nucleotit còng chØ cã nhiÒu nhÊt 4 axit amin ®−îc x¸c ®Þnh. ThÕ cßn nÕu m· di ®−îc dïng trong phiªn m·, chØ thay thÕ thymine (T) trong ADN truyÒn lµ m· bé hai th× sao? Ch¼ng h¹n, tr×nh tù hai baz¬ AG b»ng uracil (U) trong ARN. Mçi codon (m· bé ba) x¸c ®Þnh mét x¸c ®Þnh mét axit amin, cßn tr×nh tù baz¬ GT x¸c ®Þnh mét axit axit amin ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi. Ph©n amin kh¸c. Do ë mçi vÞ trÝ, cã 4 kh¶ n¨ng lùa chän c¸c baz¬ tö mARN ®−îc dÞch m· theo chiÒu 5' → 3'. Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 329
  6. gen kh¸c. §iÒu ®¸ng l−u ý lµ trong ph¹m vi mçi gen nhÊt ®Þnh, Baz¬ mARN thø hai lu«n chØ cã mét m¹ch ADN ®−îc lµm khu«n ®Ó phiªn m·. Mét ph©n tö mARN chØ cã tr×nh tù bæ sung víi m¹ch lµm khu«n ADN theo nguyªn t¾c kÕt cÆp cña c¸c baz¬, chø kh«ng gièng hÖt m¹ch lµm khu«n nµy. Sù kÕt cÆp gi÷a c¸c baz¬ lµ gièng nhau trong sao chÐp ADN vµ phiªn m·, chØ cã ®Æc ®iÓm kh¸c lµ U thay thÕ cho T lµ thµnh phÇn baz¬ cña ARN; ngoµi ra c¸c nucleotit cña ARN mang thµnh phÇn ®−êng lµ ribose thay Baz¬ mARN thø nhÊt cho deoxyribose trong ph©n tö ADN. Gièng víi m¹ch ADN Baz¬ mARN thø ba míi, ph©n tö ARN ®−îc tæng hîp theo chiÒu ®èi song song víi m¹ch ADN lµm khu«n. (Xem c¸c kh¸i niÖm vÒ "®èi song song" vµ "chiÒu 5’ → 3’" cña chuçi axit nucleic trªn H×nh 16.7). VÝ dô nh−, tr×nh tù ba baz¬ ACC däc ph©n tö ADN (viÕt lµ 3’-ACC-5’) lµm khu«n tæng hîp nªn tr×nh tù 5’-UGG-3’ trªn ph©n tö mARN. Mçi bé ba c¸c baz¬ cña ph©n tö mARN ®−îc gäi lµ codon; vµ theo thãi quen, chóng th−êng ®−îc viÕt theo chiÒu 5’ → 3’. Trong vÝ dô trªn ®©y, UGG lµ codon m· hãa cho axit amin Tryptophan (viÕt t¾t lµ Trp). ThuËt ng÷ codon trong thùc tÕ còng ®−îc dïng ®Ó chØ bé ba c¸c baz¬ thuéc m¹ch kh«ng lµm khu«n trªn ph©n tö ADN. Nh÷ng codon nµy cã tr×nh tù c¸c nucleotit bæ sung víi m¹ch ADN lµm khu«n, vµ v× vËy sÏ gièng víi tr×nh tù c¸c nucleotit trªn mARN, trõ viÖc U ®−îc thay thÕ b»ng T. (V× lý do nµy, m¹ch ADN kh«ng lµm khu«n l¹i ®−îc gäi lµ “m¹ch m· hãa”.) Trong qu¸ tr×nh dÞch m·, tr×nh tù c¸c codon däc ph©n tö  H×nh 17.5 Tõ ®iÓn m· di truyÒn. Thø tù ba baz¬ cña mARN ®−îc gi¶i m·, hay dÞch m·, thµnh tr×nh tù c¸c axit amin c¸c codon mARN ®−îc minh häa theo chiÒu 5' → 3' trªn ph©n tö tõ ®ã h×nh thµnh nªn chuçi polypeptit. C¸c codon ®−îc bé m¸y mARN. (Thùc hµnh sö dông "Tõ ®iÓn m· di truyÒn nµy" b»ng dÞch m· ®äc theo chiÒu 5’ → 3’ cña m¹ch mARN. Mçi codon viÖc t×m ra c¸c codon trªn H×nh 17.4). Codon AUG kh«ng chØ x¸c ®Þnh mét trong 20 lo¹i axit amin ®−îc l¾p r¸p vµo ®óng vÞ m· hãa axit amin methionine (Met) mµ cßn lµ tÝn hiÖu "b¸o hiÖu" trÝ t−¬ng øng däc chuçi polypeptit. Do c¸c codon lµ m· bé ba, cho ribosome b¾t ®Çu dÞch m· t¹i ®iÓm nµy. Cã 3 trong 64 nªn sè nucleotit cÇn ®Ó m· hãa mét “th«ng ®iÖp di truyÒn” cÇn codon cã chøc n¨ng lµ "tÝn hiÖu kÕt thóc dÞch m·" (stop codon); nhiÒu h¬n Ýt nhÊt ba lÇn so víi sè c¸c axit amin trong s¶n phÈm nã b¸o hiÖu sù kÕt thóc cña mét "th«ng ®iÖp di truyÒn". Xem H×nh 5.17 vÒ c¸ch viÕt t¾t c¸c axit amin b»ng ba ch÷ c¸i. protein. VÝ dù nh−, ®Ó m· hãa mét chuçi polypeptit gåm 100 axit amin, cÇn mét tr×nh tù gåm 300 nucleotit däc m¹ch ARN. hÕt. Nh− ®−îc liÖt kª trªn H×nh 17.5, trong sè 64 codon cã 61 Gi¶i m· sù sèng codon m· hãa cho c¸c axit amin. Ba codon kh«ng m· hãa cho bÊt cø axit amin nµo ®−îc gäi lµ c¸c “tÝn hiÖu kÕt thóc dÞch m·” C¸c nhµ sinh häc ph©n tö ®· gi¶i m· sù sèng thµnh c«ng vµo (stop codon); ë ®ã, qu¸ tr×nh dÞch m· kÕt thóc. §iÒu ®¸ng l−u ý nh÷ng n¨m ®Çu cña thËp kû 1960, khi mét lo¹t c¸c thÝ nghiÖm lµ codon AUG cã hai chøc n¨ng: nã võa m· hãa cho axit amin hîp lý ®· gióp lµm s¸ng tá sù dÞch m· c¸c axit amin tõ mçi methinonine (Met), võa lµ tÝn hiÖu “b¾t ®Çu dÞch m·” (start codon trªn mARN. Codon ®Çu tiªn ®−îc gi¶i m· bëi Marshall codon). §iÒu nµy cã nghÜa lµ, c¸c th«ng ®iÖp di truyÒn trªn Nirenberg vµ céng sù t¹i ViÖn Y häc Quèc gia Hoa Kú (NIH) ph©n tö mARN lu«n ®−îc b¾t ®Çu tõ codon AUG (trõ mét sè vµo n¨m 1961. Nirenberg ®· tæng hîp nh©n t¹o ®−îc mét ph©n ngo¹i lÖ); nãi c¸ch kh¸c, ®©y còng chÝnh lµ “tÝn hiÖu” th«ng tö mARN gåm toµn c¸c nucleotit ARN thuéc lo¹i uracil (U) b¸o cho bé m¸y dÞch m· b¾t ®Çu qu¸ tr×nh dÞch m· mARN. (Do liªn kÕt víi nhau. BÊt kÓ khi m¹ch ARN ®−îc b¾t ®Çu vµ kÕt AUG ®ång thêi m· hãa cho methionine, nªn tÊt c¶ c¸c chuçi thóc dÞch m· nh− thÕ nµo, th× m· bé ba lÆp l¹i còng lu«n lµ polypeptit ®Òu b¾t ®Çu b»ng axit amin nµy khi chóng ®−îc tæng UUU. Nirenberg ®· bæ sung ph©n tö “poly U” nµy vµo èng hîp. Tuy vËy, sau ®ã mét enzym cã thÓ c¾t bá axit amin khëi nghiÖm chøa dung dÞch hçn hîp gåm c¸c lo¹i axit amin, ®Çu nµy hoÆc kh«ng). ribosome vµ c¸c thµnh phÇn kh¸c cÇn cho sù tæng hîp protein. Cã mét ®Æc ®iÓm cÇn chó ý trªn H×nh 17.5 lµ m· di truyÒn HÖ thèng nh©n t¹o cña Nirenberg vµ céng sù ®· dÉn ®Õn sù cã tÝnh tho¸i hãa, nh−ng lu«n ®Æc thï. Cô thÓ nh−, mÆc dï c¸c h×nh thµnh mét chuçi polypeptit chØ gåm toµn c¸c axit amin m· bé ba GAA vµ GAG cã thÓ ®ång thêi m· hãa cho axit phenylalanine (Phe) kÕt thµnh chuçi liªn tiÕp, cßn ®−îc gäi lµ glutamic (tÝnh tho¸i hãa), nh−ng kh«ng cã bÊt kú m· bé ba nµo chuçi polyphenylalanine. B»ng c¸ch ®ã, Nirenberg ®· x¸c ®Þnh ®ång thêi m· hãa cho hai axit amin trë lªn (tÝnh ®Æc thï). ®−îc r»ng codon UUU trªn ph©n tö mARN x¸c ®Þnh axit amin Ngoµi ra, tÝnh tho¸i hãa cña m· bé ba còng kh«ng ph¶i lµ ngÉu phenylalanine. Ngay sau ®ã, c¸c axit amin ®−îc x¸c ®Þnh b»ng nhiªn. Trong nhiÒu tr−êng hîp, c¸c codon kh¸c nhau cã cïng c¸c codon AAA, GGG vµ CCC còng ®· ®−îc x¸c ®Þnh. nghÜa (m· hãa cho cïng mét lo¹i axit amin), mµ chØ kh¸c nhau MÆc dï ph¶i ¸p dông mét sè kü thuËt phøc t¹p h¬n míi cã vÒ baz¬ thø ba trong bé ba nucleotit cña chóng. ë phÇn sau cña thÓ gi¶i m· c¸c codon kh¸c, nh− AUA vµ CGA; nh−ng cã thÓ ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ thÊy −u ®iÓm cña tÝnh tho¸i hãa cña nãi ®Õn gi÷a nh÷ng n¨m 1960, tÊt c¶ 64 codon ®· ®−îc gi¶i m· m· di truyÒn trong c¸c qu¸ tr×nh biÓu hiÖn c¸c gen. 330 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  7. §Ó cã thÓ hiÓu ®−îc mét th«ng ®iÖp hay mét c©u ®−îc viÕt thuËt "chuyÓn gen" ®· t¹o ra sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng theo mét ng«n ng÷ nµo ®ã th× chóng ta ph¶i ®äc ®−îc c¸c kÝ nghÖ sinh häc trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y (xem Ch−¬ng 20). hiÖu cña ng«n ng÷ ®ã khi chóng ®−îc xÕp theo nh÷ng nh÷ng Tuy vËy, cã mét sè ngo¹i lÖ so víi tÝnh phæ biÕn chung cña nhãm nhÊt ®Þnh; nãi c¸ch kh¸c lµ trong mét khung ®äc ®óng. m· di truyÒn. ë nh÷ng tr−êng hîp nµy, hÖ thèng dÞch m· ®äc H·y xem c©u nãi sau: “con chã b¾t con mÌo”. NÕu sù xÕp c¸c m· bé ba víi nghÜa thay ®æi chót Ýt so víi c¸c m· bé ba tiªu nhãm cña c¸c ch÷ trong c©u nµy b¾t ®Çu tõ mét vÞ trÝ sai, th× chuÈn. Nh÷ng thay ®æi nhá nµy ®· ®−îc t×m thÊy ë mét sè loµi c©u sÏ trë nªn v« nghÜa; ch¼ng h¹n nh− “onc hãb ¾tc onm Ìo”. sinh vËt nh©n thËt ®¬n bµo vµ trong hÖ gen tÕ bµo chÊt (ti thÓ vµ Khung ®äc còng cã vai trß quan träng nh− vËy trong ng«n ng÷ l¹p thÓ) cña mét sè loµi. Ngoµi ra, còng cã nh÷ng ngo¹i lÖ liªn ph©n tö cña tÕ bµo. Ch¼ng h¹n nh− ®o¹n polypeptit ng¾n trªn quan ®Õn viÖc mét m· bé ba kÕt thóc ®−îc dÞch m· thµnh mét H×nh 17.4 sÏ chØ ®−îc t¹o ra chÝnh x¸c mét khi c¸c nucleotit trong hai lo¹i axit amin hiÕm vèn kh«ng thÊy cã ë phÇn lín c¸c trªn ph©n tö mARN ®−îc ®äc tõ tr¸i qua ph¶i (chiÒu 5’ → 3’) loµi. Mét trong nh÷ng axit amin hiÕm nh− vËy (pyrrolysine) ®óng theo tõng nhãm 3 kÝ tù lµ UGG UUU GGC UCA. MÆc dï cho ®Õn nay míi chØ gÆp ë liªn giíi vi khuÈn cùc ®oan th«ng ®iÖp di truyÒn ®−îc viÕt liªn tôc (kh«ng cã kho¶ng c¸ch) (Archeae); trong khi ®ã, axit amin hiÕm thø hai gi÷a c¸c m· bé ba, nh−ng bé m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo (selenocysteine) ®−îc t×m thÊy trong protein cña vi khuÈn vµ ®äc ®−îc th«ng ®iÖp ®ã b»ng viÖc xÕp c¸c ch÷ c¸i (nucleotit) thËm chÝ ë mét sè enzym cña ng−êi. MÆc dï cã ngo¹i lÖ, nh−ng thµnh chuçi c¸c tõ (codon) gåm ba ch÷ c¸i liªn tôc vµ kh«ng cã thÓ nãi tÝnh phæ biÕn cña m· di truyÒn lµ râ rµng. Mét ng«n gèi lªn nhau. Th«ng ®iÖp di truyÒn kh«ng ®−îc ®äc theo kiÓu ng÷ ®−îc mäi hÖ thèng sèng sö dông chung lµ b»ng chøng cho c¸c codon gèi lªn nhau, ch¼ng h¹n nh− UGG UUU; trong thÊy nã xuÊt hiÖn ngay tõ giai ®o¹n sím cña qu¸ tr×nh tiÕn hãa. tr−êng hîp m· gèi lªn nhau, nghÜa cña th«ng ®iÖp sÏ thay ®æi. Nãi c¸ch kh¸c, ng«n ng÷ nµy cã mÆt ®ñ sím trong tæ tiªn chung cña mäi sinh vËt cßn tån t¹i ®Õn ngµy nay. Ng«n ng÷ di Sù tiÕn hãa cña m· di truyÒn truyÒn ®−îc dïng chung ®ång thêi lµ mét b»ng chøng gîi nhí vÒ mèi quan hÖ hä hµng gi÷a mäi d¹ng sèng trªn Tr¸i ®Êt. M· di truyÒn cã tÝnh phæ biÕn, nghÜa lµ gièng nhau ë tÊt c¶ c¸c loµi tõ c¸c vi khuÈn ®¬n bµo ®¬n gi¶n nhÊt cho ®Õn c¸c loµi KiÓm tra kh¸i niÖm ®éng vËt vµ thùc vËt cã cÊu tróc phøc t¹p nhÊt. Ch¼ng h¹n nh−, 17.1 m· bé ba CCG trªn ph©n tö mARN ®−îc dÞch m· thµnh axit 1. B¹n mong ®îi mét chuçi polypeptit do mét ®o¹n mARN amin proline ë mäi loµi sinh vËt ®· tõng nghiªn cøu. Nhê tÝnh dµi 30 nucleotit G (poly-G) m· hãa nh− thÕ nµo? phæ biÕn cña m· di truyÒn, trong phßng thÝ nghiÖm, c¸c gen vÏ tiÕp ®−îc chuyÓn (biÕn n¹p) tõ loµi nµy sang loµi kh¸c nh×n chung 2. M¹ch khu«n cña mét gen chøa tr×nh tù nucleotit ®−îc phiªn m· vµ dÞch m· mét c¸ch hiÖu qu¶ ®¸ng ng¹c nhiªn, 3’-TTCAGTCGT-5’. H·y vÏ m¹ch kh«ng lµm khu«n vµ nh− vÝ dô trªn H×nh 17.6 ! Mét sè protein cña ng−êi ®−îc dïng tr×nh tù mARN, chØ râ c¸c ®Çu 5’ vµ 3’. H·y so s¸nh tr×nh trong y häc, nh− insulin, cã thÓ ®−îc s¶n xuÊt b»ng c¸c tÕ bµo tù nucleotit cña hai m¹ch võa ®−îc vÏ. vi khuÈn sau khi gen m· hãa protein ®ã ®−îc chuyÓn tõ hÖ gen 3. §iÒu g× nÕu Gi¶ sö m¹ch kh«ng lµm khu«n ë c©u ng−êi vµo hÖ gen vi khuÈn. Nh÷ng thµnh tùu nh− vËy cña kü 2 ®−îc dïng ®Ó phiªn m· thay cho m¹ch lµm khu«n b×nh th−êng. H·y vÏ tr×nh tù mARN vµ tr×nh tù c¸c axit amin trªn chuçi polypeptit ®−îc dÞch m· dùa vµo H×nh 17.5. (L−u ý chiÒu c¸c ®Çu 5’ vµ 3’). Dù ®o¸n protein ®−îc t¹o ra tõ m¹ch kh«ng lµm khu«n sÏ biÓu hiÖn chøc n¨ng thÕ nµo so víi protein th«ng th−êng. Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. Kh¸i niÖm 17.2 Phiªn m lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN do ADN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n B©y giê chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn tÝnh logic vÒ khÝa c¹nh ng«n ng÷ vµ ý nghÜa tiÕn hãa cña m· di truyÒn. Tr−íc tiªn, chóng ta (b) C©y thuèc l¸ biÓu hiÖn gen (a) Lîn biÓu hiÖn gen cña søa. sÏ xem chi tiÕt h¬n c¸c b−íc cña phiªn m·, giai ®o¹n thø nhÊt cña c«n trïng. Mµu vµng Mét gen m· hãa protein ph¸t trong qu¸ tr×nh biÓu hiÖn cña c¸c gen m· hãa protein. cña c©y ®−îc t¹o ra bëi mét huúnh quang ®−îc chuyÓn tõ ph¶n øng hãa häc ®−îc xóc søa vµo trøng lîn ®· thô tinh. C¸c thµnh phÇn ph©n tö cña phiªn m t¸c bëi mét enzym do gen Mét trøng nh− vËy ®· ph¸t triÓn cña c«n trïng m· hãa. thµnh lîn ph¸t huúnh quang. ARN th«ng tin, ph©n tö mang th«ng tin tõ ADN tíi bé m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo, ®−îc phiªn m· tõ m¹ch lµm khu«n  H×nh 17.6 Sù biÓu hiÖn gen ë c¸c loµi kh¸c nhau. cña mét gen. Mét enzym ®−îc gäi lµ ARN polymerase cã thÓ Do c¸c loµi sinh vËt kh¸c nhau sö dông chung mét ng«n ng÷ t¸ch hai m¹ch ADN cña chuçi xo¾n kÐp vµ l¾p r¸p c¸c nucleotit (b¶ng m·) di truyÒn, nªn mét loµi cã thÓ ®−îc "lËp tr×nh" ®Ó s¶n ARN däc theo m¹ch ADN lµm khu«n dùa trªn nguyªn t¾c kÕt xuÊt mét lo¹i protein vèn trong tù nhiªn chØ cã ®Æc thï ë mét loµi thø hai b»ng c¸ch chuyÓn ADN tõ loµi thø hai vµo loµi thø nhÊt. cÆp gi÷a c¸c baz¬ nucleotit (H×nh 17.7). Gièng víi ADN Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 331
  8. polymerase trong sao chÐp ADN, ARN polymerase chØ l¾p r¸p §o¹n tr×nh tù ADN ®−îc dïng ®Ó phiªn mµ thµnh mét ph©n tö ®−îc c¸c nucleotit vµo chuçi polynucleotit ®ang kÐo dµi theo ARN hoµnh chØnh chøc n¨ng ®−îc gäi lµ mét ®¬n vÞ phiªn m·. chiÒu 5’ → 3’. Tuy vËy, kh«ng gièng ADN polymerase, ARN Vi khuÈn cã mét lo¹i ARN polymerase duy nhÊt kh«ng chØ polymerase cã thÓ khëi ®Çu sù tæng hîp chuçi polynucleotit xóc t¸c tæng hîp mARN mµ cßn xóc t¸c tæng hîp c¸c lo¹i ARN mµ kh«ng cÇn mét ®o¹n måi s½n cã. ARN kh¸c, bao gåm c¶ c¸c ARN lµ thµnh phÇn bé m¸y tæng C¸c ®o¹n tr×nh tù nucleotit ®Æc thï trªn ph©n tö ADN x¸c hîp protein nh− ARN ribosome. Ng−îc l¹i, c¸c tÕ bµo sinh vËt ®Þnh vÞ trÝ mµ qu¸ tr×nh phiªn m· mét gen b¾t ®Çu vµ kÕt thóc. nh©n thËt cã Ýt nhÊt ba lo¹i ARN polymerase kh¸c nhau cã §o¹n tr×nh tù mµ ë ®ã c¸c enzym ARN polymerase ®Ýnh kÕt trong nh©n tÕ bµo. Mét lo¹i ®−îc dïng trong phiªn m· tæng hîp vµo ADN vµ khëi ®Çu sù phiªn m· ®−îc gäi lµ promoter (hay c¸c mARN ®−îc gäi lµ ARN polymerase II. C¸c ARN tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m·); ë vi khuÈn, tr×nh tù lµ tÝn hiÖu polymerase kh¸c ®−îc dïng ®Ó phiªn m· c¸c gen m· hãa cho kÕt thóc sù phiªn m· ®−îc gäi lµ terminator (hay tÝn hiÖu kÕt ARN nh−ng kh«ng ®−îc dÞch m· thµnh protein. Trong phÇn thóc phiªn m·). (Sù kÕt thóc phiªn m· ë sinh vËt nh©n thËt phiªn m· ®−îc ®Ò cËp sau ®©y, chóng ta sÏ nªu tr−íc tiªn nh÷ng diÔn ra theo mét c¬ chÕ kh¸c sÏ ®−îc ®Ò cËp sau). C¸c nhµ sinh ®Æc ®iÓm chung trong phiªn m· ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n häc ph©n tö th−êng xem chiÒu phiªn m· cña mét gen lµ “xu«i thËt, sau ®ã sÏ m« t¶ mét sè ®Æc ®iÓm kh¸c nhau c¬ b¶n nhÊt. dßng”, trong khi chiÒu ng−îc l¹i ®−îc gäi lµ “ng−îc dßng”. Nh÷ng thuËt ng÷ nµy cßn ®−îc dïng ®Ó m« t¶ vÞ trÝ c¸c tr×nh tù Tæng hîp b¶n phiªn m ARN nucleotit (®«i khi gäi lµ c¸c yÕu tè tr×nh tù) trªn c¸c ph©n tö ADN vµ ARN. V× vËy, trªn ADN c¸c promoter cña mét gen Nh− ®−îc m« t¶ trªn H×nh 17.7, ba giai ®o¹n cña sù phiªn m· lu«n n»m ng−îc dßng so víi terminator t−¬ng øng cña nã. bao gåm khëi ®Çu phiªn m·, kÐo dµi chuçi ARN vµ kÕt thóc phiªn m·. Xem kü H×nh 17.7 ®Ó lµm quen víi c¸c kh¸i niÖm vµ c¸c giai ®o¹n c¬ b¶n cña mét qu¸ tr×nh phiªn m·. Tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (Promoter) §¬n vÞ phiªn m· ARN polymerase vµ khëi ®Çu phiªn m· Tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter) cña mét gen bao gåm ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m· (tøc lµ nucleotit ë ®ã sù tæng hîp ARN §iÓm b¾t ADN thùc sù b¾t ®Çu) vµ phÇn më réng th−êng n»m ng−îc dßng hµng ®Çu phiªn m· chôc nucleotit kÓ tõ ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m·. Ngoµi chøc n¨ng lµ ARN polyemrase Khëi ®Çu phiªn m·. Sau khi ARN polymerase ®· liªn kÕt vµo promoter, c¸c m¹ch ADN KÐo dµi chuçi gi·n xo¾n vµ enzym b¾t ®Çu M¹ch ADN kh«ng lµm khu«n tæng hîp ARN tõ ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m· trªn m¹ch lµm khu«n. C¸c nucleotit ARN ARN polymerase B¶n phiªn M¹ch khu«n ADN ADN m· ARN gi·n xo¾n KÐo dµi chuçi. Enzym ARN polymerase di chuyÓn xu«i dßng, lµm gi·n xo¾n ADN vµ kÐo dµi b¶n phiªn m· ARN theo chiÒu 5’ → 3’; ngay sau ®ã, c¸c m¹ch ADN t¸i ADN "®ãng liªn kÕt vÒ d¹ng chuçi xo¾n kÐp. xo¾n" trë l¹i ChiÒu phiªn m· ("xu«i dßng") M¹ch ADN lµm khu«n B¶n phiªn m· ARN KÕt thóc phiªn m·. Cuèi M¹ch ARN míi tæng hîp cïng, b¶n phiªn m· ARN hoµn chØnh ®−îc gi¶i phãng vµ enzym  H×nh 17.7 C¸c giai ®o¹n phiªn m·: khëi ®Çu phiªn polymerase rêi khái ADN. m·, kÐo dµi chuçi vµ kÕt thóc phiªn m·. H×nh m« t¶ c¸c giai ®o¹n phiªn m· ë ®©y lµ gièng nhau ë c¶ vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt; tuy vËy, chi tiÕt giai ®o¹n kÕt thóc phiªn m· lµ kh¸c nhau ë hai liªn giíi (xem m« t¶ trong phÇn diÔn gi¶i). B¶n phiªn m· ARN hoµn chØnh Ngoµi ra, ë vi khuÈn, b¶n phiªn m· ARN cã thÓ dïng ngay ®Ó dÞch m· nh− mét ph©n tö mARN hoµn thiÖn; trong khi ®ã, ë sinh vËt nh©n thËt, b¶n phiªn m· th−êng ph¶i tr¶i qua qu¸ tr×nh hoµn thiÖn tr−íc khi cã thÓ ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó dÞch m·. 332 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  9. vÞ trÝ liªn kÕt cña ARN polymerase vµ x¸c ®Þnh ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m·, promoter cßn cã vai trß x¸c ®Þnh m¹ch nµo trong hai m¹ch cña chuçi xo¾n kÐp ADN ®−îc dïng lµm khu«n. ADN Promoter ë sinh vËt nh©n thËt Phiªn m· Mét sè phÇn cña promoter cã vai trß ®Æc biÖt quan träng ®èi th−êng cã mét hép TATA, n»m ng−îc víi sù liªn kÕt cña ARN polymerase vµo m¹ch khu«n ADN. ë Hoµn thiÖn ARN TiÒn-mARN dßng vµ c¸ch ®iÓm b¾t ®Çu phiªn m· vi khuÈn, b¶n th©n enzym ARN polymerase (thùc ra lµ tiÓu kho¶ng 25 nucleotit. (Theo thãi quen, mARN phÇn polypeptit cña nã) cã kh¶ n¨ng nhËn ra vµ liªn kÕt vµo tr×nh tù c¸c nucletotit th−êng ®−îc tr×nh bµy theo m¹ch kh«ng lµm khu«n, promoter. ë sinh vËt nh©n thËt, mét nhãm gåm nhiÒu protein DÞch m· Ribosome tøc lµ m¹ch m· hãa.) gäi lµ c¸c yÕu tè phiªn m· ®iÒu hßa viÖc liªn kÕt cña ARN Polypeptit polymerase vµo promoter vµ khëi ®Çu phiªn m· cña c¸c gen. Tõ Promoter Ch−¬ng 16, chóng ta nhí r»ng ADN trong nhiÔm s¾c thÓ ë sinh vËt nh©n thËt ®−îc ®ãng gãi ë d¹ng phøc hîp víi histone vµ mét sè protein kh¸c vµ ®−îc gäi lµ chÊt nhiÔm s¾c. Vai trß cña c¸c protein nµy trong viÖc x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng béc lé cña ADN Hép TATA ®èi víi c¸c yÕu tè phiªn m· sÏ ®−îc chóng ta ®Ò cËp ë Ch−¬ng §iÓm b¾t ®Çu M¹ch ADN phiªn m· lµm khu«n 18. ChØ khi mét sè yÕu tè phiªn m· nhÊt ®Þnh ®· liªn kÕt vµo promoter, ADN polymerase míi cã thÓ liªn kÕt vµo nã. Toµn bé Mét sè yÕu tè phiªn m·, mµ phÇn phøc hÖ gåm c¸c yÕu tè phiªn m· vµ ARN polymerase II mét trong sè chóng nhËn ra hép ®· liªn kÕt vµo promoter ®−îc gäi lµ phøc hÖ khëi ®Çu phiªn TATA, liªn kÕt ADN (promoter) m·. H×nh 17.8 m« t¶ vai trß cña c¸c yÕu tè phiªn m· vµ mét tr−íc khi ARN polymerase cã thÓ C¸c yÕu tè liªn kÕt vµo vïng nµy. tr×nh tù ADN thiÕt yÕu thuéc promoter ®−îc gäi lµ hép TATA phiªn m· trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m· ë mét promoter cña sinh vËt nh©n thËt. Sù t−¬ng t¸c gi÷a ARN polymerase II víi c¸c yÕu tè phiªn m· lµ mét vÝ dô ®iÓn h×nh vÒ tÇm quan träng cña t−¬ng t¸c protein - protein trong ®iÒu hßa phiªn m· ë sinh vËt nh©n thËt. Mét khi enzym polymerase ®· liªn kÕt æn ®Þnh víi tr×nh tù C¸c yÕu tè phiªn m· bæ sung ADN t¹i promoter, hai m¹ch ADN t¹i ®ã sÏ gi·n xo¾n, vµ liªn kÕt vµo ADN cïng víi ARN enzym sÏ b¾t ®Çu sù phiªn m· dùa trªn m¹ch lµm khu«n. polymerase ®Ó h×nh thµnh nªn phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m·. Chuçi xo¾n KÐo dµi m¹ch ARN kÐp ADN ®−îc th¸o xo¾n vµ sù tæng hîp ARN b¾t ®Çu diÔn ra tõ ®iÓm Khi ARN polymerase di chuyÓn däc m¹ch ADN khu«n, nã tiÕp khëi ®Çu phiªn m· trªn m¹ch ADN tôc th¸o xo¾n chuçi xo¾n kÐp vµ vµo mçi thêi ®iÓm nã béc lé ra lµm khu«n. mét ®o¹n dµi kho¶ng 10 - 20 baz¬ ADN ®Ó c¸c baz¬ ARN cã thÓ tiÕn hµnh b¾t cÆp (xem H×nh 17.7). Enzym nµy lÇn l−ît bæ ARN polymerase II C¸c yÕu tè sung c¸c nucleotit vµo phÝa ®Çu 3’ cña ph©n tö ARN ®ang kÐo phiªn m· dµi khi nã di chuyÓn däc chuçi xo¾n kÐp. Cïng víi viÖc bé m¸y tæng hîp ARN tiÕn vÒ phÝa tr−íc, ph©n tö ARN míi tæng hîp sÏ t¸ch khái m¹ch khu«n ADN, ®ång thêi chuçi xo¾n kÐp ADN h×nh thµnh trë l¹i. ë sinh vËt nh©n thËt, qu¸ tr×nh phiªn m· diÔn ra víi tèc ®é kho¶ng 40 nucleotit mçi gi©y. Sù phiªn m· cña mçi gen ®¬n lÎ cã thÓ ®−îc ®ång thêi xóc B¶n phiªn t¸c bëi nhiÒu enzym ARN polymerase cïng lóc (cã thÓ t−ëng m· ARN t−îng gièng nh− nhiÒu chiÕc xe t¶i nèi ®u«i nhau thµnh mét Phøc hÖ khëi ®Çu phiªn m ®oµn dµi). Tõ mçi ph©n tö enzym ARN polymerase, mét m¹ch ARN ®ang kÐo dµi “chui” ra víi chiÒu dµi t−¬ng øng víi  H×nh 17.8 Sù khëi ®Çu phiªn m· ë promoter cña kho¶ng c¸ch mµ enzym ARN polymerase ®· tr−ît däc trªn sinh vËt nh©n thËt. Trong tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, c¸c m¹ch khu«n ADN kÓ tõ ®iÓm khëi ®Çu phiªn m· (xem c¸c ph©n protein ®−îc gäi lµ c¸c yÕu tè phiªn m· ®iÒu hßa sù khëi ®Çu tö mARN trªn H×nh 17.24). Sù tËp hîp ®ång thêi cña nhiÒu phiªn m· cña enzym ARN polymerase II. ph©n tö polymerase gióp l−îng mARN ®−îc phiªn m· tõ mçi Gi¶i thÝch sù t−¬ng t¸c gi÷a ARN polymerase víi promoter ? sÏ cã ®Æc ®iÓm kh¸c nh− thÕ nµo nÕu h×nh trªn m« t¶ sù gen t¨ng lªn vµo cïng mét thêi ®iÓm; qua ®ã, tÕ bµo cã thÓ tæng khëi ®Çu phiªn m· ë vi khuÈn. hîp ®−îc mét l−îng lín protein ®Æc thï vµo c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau theo yªu cÇu sinh tr−ëng cña nã. enzym polymerase rêi khái ADN ®ång thêi gi¶i phãng b¶n KÕt thóc phiªn m· phiªn m· vèn sau ®ã ®−îc dïng lµm khu«n (mARN) ®Ó dÞch m·. ë sinh vËt nh©n thËt, ARN polymerase II phiªn m· mét C¬ chÕ kÕt thóc phiªn m· cã ®Æc ®iÓm kh¸c nhau gi÷a vi khuÈn tr×nh tù trªn ADN ®−îc gäi lµ tr×nh tù g¾n ®u«i polyA; tr×nh tù vµ sinh vËt nh©n thËt. ë vi khuÈn, sù phiªn m· v−ît qua mét nµy th−êng m· hãa cho mét tÝn hiÖu g¾n ®u«i polyA (lµ tr×nh tù (tÝn hiÖu) kÕt thóc phiªn m· trªn m¹ch khu«n ADN. AAUAAA) trªn ph©n tö tiÒn-mARN. Sau ®ã, t¹i mét ®iÓm c¸ch Tr×nh tù kÕt thóc phiªn m· (terminator) cã mÆt trªn m¹ch ARN tÝn hiÖu “AAUAAA” kho¶ng tõ 10 ®Õn 35 nucleotit, c¸c ®−îc t¹o ra cã vai trß nh− tÝn hiÖu kÕt thóc phiªn m· lµm t¸ch protein liªn kÕt víi m¹ch ARN ®ang kÐo dµi sÏ c¾t rêi ph©n tö Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 333
  10. nµy khái ARN polymerase, ®ång thêi gi¶i phãng ra ph©n tö Sù biÕn ®æi ë c¸c ®Çu mARN tiÒn-mARN. Tuy vËy, sau ho¹t ®éng c¾t nµy, enzym polymerase tiÕp tôc phiªn m· ADN kho¶ng vµi tr¨m nucleotit Mçi ®Çu cña mét ph©n tö tiÒn-mARN ®−îc biÕn ®æi theo mét kÓ tõ khi ph©n tö tiÒn-mARN ®−îc gi¶i phãng ra. C¸c nghiªn c¸ch ®Æc tr−ng (H×nh 17.9). §Çu tiªn, ®Çu 5’ ®−îc tæng hîp; nã cøu gÇn ®©y ë nÊm men cho thÊy: ®o¹n ARN ®−îc t¹o ra tõ tiÕp nhËn mét mò ®Çu 5’, vÒ b¶n chÊt lµ mét d¹ng biÕn ®æi cña viÖc phiªn m· tiÕp tôc nµy ®−îc ph©n gi¶i bëi mét enzym di nucleotit guanine (G) ®−îc bæ sung vµo ®Çu 5’ cña mARN chuyÓn däc ARN. C¸c sè liÖu ñng hé cho quan ®iÓm lµ: sù ®ang kÐo dµi sau khi phiªn m· ®· diÔn ra ®−îc kho¶ng tõ 20 phiªn m· chØ thùc sù kÕt thóc vµ enzym polymerase rêi khái ®Õn 40 nucleotit ®Çu tiªn. §Çu 3’ cña ph©n tö tiÒn-mARN còng ADN khi enzym ph©n gi¶i trªn ®©y tiÕp cËn ®−îc polymerase. ®−îc biÕn ®æi tr−íc khi mARN rêi khái nh©n. Chóng ta nhí l¹i §ång thêi lóc nµy ph©n tö tiÒn-mARN tr¶i qua giai ®o¹n “chÕ r»ng, trong qu¸ tr×nh phiªn m·, mARN ®−îc gi¶i phãng ngay biÕn” hay “hoµn thiÖn” ®Ó trë thµnh ph©n tö mARN hoµn thiÖn sau khi tÝn hiÖu g¾n ®u«i polyA (AAUAAA) ®−îc phiªn m·. s½n sµng cho dÞch m·. Qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN ë sinh vËt T¹i ®Çu 3’, mét enzym sÏ bæ sung mét chuçi gåm kho¶ng tõ 50 nh©n thËt ®−îc ®Ò cËp trong môc d−íi ®©y. ®Õn 250 nucleotit lo¹i adenine (A) liªn tiÕp nhau, gäi lµ ®u«i polyA. §Çu 5’ còng nh− ®u«i polyA cña mARN cã cïng mét KiÓm tra kh¸i niÖm sè chøc n¨ng quan träng. Thø nhÊt, chóng t¹o ®iÒu kiÖn thuËn 17.2 lîi cho sù vËn chuyÓn ph©n tö mARN hoµn thiÖn ra khái nh©n 1. So s¸nh gi÷a ADN polymerase vµ ARN polymerase vÒ sù tÕ bµo. Thø hai, chóng b¶o vÖ ph©n tö mARN khái sù ph©n gi¶i biÓu hiÖn chøc n¨ng, yªu cÇu vÒ m¹ch khu«n vµ c¸c ®o¹n do ho¹t ®éng cña c¸c enzym thñy ph©n. Vµ thø ba, chóng gióp måi, chiÒu tæng hîp vµ c¸c lo¹i nucleotit lµm c¬ chÊt. c¸c ribosome ®Ýnh kÕt ®−îc vµo ®Çu 5’ cña ph©n tö mARN khi 2. Promoter lµ g×? Nã n»m ng−îc dßng hay xu«i dßng so ph©n tö nµy ®i vµo tÕ bµo chÊt. H×nh 17.9 minh häa s¬ ®å cÊu tróc cña mét ph©n tö mARN hoµn thiÖn ®iÓn h×nh ë sinh vËt víi ®¬n vÞ t¸i b¶n? nh©n thËt gåm c¶ phÇn mò vµ ®u«i. S¬ ®å nµy ®ång thêi cho 3. §iÒu g× gióp ARN polymerase cã thÓ khëi ®Çu phiªn thÊy c¸c vïng kh«ng ®−îc dÞch m· (UTR) cã ë c¶ hai ®Çu 5’ vµ m· t¹i vÞ trÝ chÝnh x¸c (®iÓm khëi ®Çu phiªn m·) ë tÕ 3’ cña ph©n tö mARN (c¸c vïng nµy th−êng ®−îc gäi t−¬ng bµo vi khuÈn vµ ë tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt? øng lµ 5’UTR vµ 3’UTR). C¸c vïng UTR lµ c¸c phÇn cña ph©n tö mARN hoµn thiÖn kh«ng ®−îc dÞch m· thµnh protein, nh−ng ®iÒu g× nÕu Gi¶ sö viÖc chiÕu x¹ tia X g©y nªn sù 4. chóng cã mét sè chøc n¨ng kh¸c trong dÞch m·, ch¼ng h¹n nh− thay ®æi tr×nh tù ë hép TATA trong vïng promoter cña mét vÞ trÝ liªn kÕt cña ribosome. mét gen. HËu qu¶ x¶y ra ®èi víi sù phiªn m· cña gen ®ã sÏ cã xu h−íng nh− thÕ nµo? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. Gen ph©n m¶nh vµ sù ghÐp nèi ARN Mét giai ®o¹n ®¸ng chó ý trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN Kh¸i niÖm 17.3 trong nh©n cña sinh vËt nh©n thËt lµ viÖc lo¹i bá ®i mét phÇn lín c¸c ph©n ®o¹n bªn trong ph©n tö mARN tiÒn th©n; mét c«ng viÖc gièng nh− “c¾t - d¸n” c¸c file video b»ng c¸c phÇn TÕ bµo sinh vËt nh©n thËt biÕn mÒm m¸y tÝnh (H×nh 17.10) vµ ®−îc gäi lµ sù ghÐp nèi ARN. ®æi ARN sau phiªn m ChiÒu dµi trung b×nh cña mét ®¬n vÞ phiªn m· däc theo ph©n tö ADN cña ng−êi gåm kho¶ng 27.000 cÆp baz¬ (bp); v× vËy, C¸c enzym trong nh©n tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt cã thÓ biÕn ®æi ph©n tö mARN tiÒn th©n th−êng cã chiÒu dµi t−¬ng øng. Tuy ph©n tö tiÒn-mARN theo mét sè c¸ch ®Æc tr−ng tr−íc khi b¶n vËy, ®Ó m· hãa mét ph©n tö protein cã kÝch th−íc trung b×nh phiªn m· di truyÒn ®−îc chuyÓn ra tÕ bµo chÊt. Trong qu¸ tr×nh gåm 400 axit amin, chØ cÇn mét ph©n tö ARN cã kÝch th−íc hoµn thiÖn mARN nµy, c¶ hai ®Çu cña ph©n tö mARN tiÒn gåm 1200 nucleotit. (Nhí r»ng, mçi axit amin ®−îc m· hãa bëi th©n ®Òu ®−îc biÕn ®æi. Ngoµi ra, trong phÇn lín tr−êng hîp, mét bé ba nucleotit.) §iÒu nµy cã nghÜa lµ phÇn lín c¸c gen ë mét sè phÇn bªn trong ph©n tö ARN còng ®−îc c¾t bá, trong sinh vËt nh©n thËt vµ c¸c b¶n phiªn m· ARN tiÒn th©n cña khi c¸c phÇn cßn l¹i nèi l¹i víi nhau. KÕt qu¶ cña nh÷ng biÕn chóng chøa c¸c ph©n ®o¹n nucleotit dµi kh«ng m· hãa; ®©y lµ ®æi nµy lµ t¹o ra mét ph©n tö mARN s½n sµng cho dÞch m·. nh÷ng ph©n ®o¹n kh«ng ®−îc dÞch m·. §iÒu ®¸ng ng¹c nhiªn §u«i polyA gåm kho¶ng tõ 50 Mét d¹ng biÕn ®æi cña nucleotit ®Õn 250 nucleotit lo¹i adenine Phiªn m· ADN guanine ®−îc bæ sung vµo ®Çu 5' ®−îc bæ sung vµo ®Çu 3' Hoµn thiÖn ARN TiÒn-mARN §o¹n m· hãa protein TÝn hiÖu g¾n ®u«i polyA mARN Ribosome DÞch m· Codon Codon Mò ®Çu 5’ 5'UTR 3'UTR §u«i polyA Polypeptit b¾t ®Çu kÕt thóc  H×nh 17.9 Sù hoµn thiÖn ARN: bæ sung ®ång thêi gióp b¶o vÖ mARN khái sù ®Çu 5' vµ ®u«i polyA ®Çu 3' kh«ng mò ®Çu 5’ vµ ®u«i polyA. C¸c enzym lµm ph©n gi¶i. Khi mARN ®· ra ®Õn tÕ bµo ®−îc dÞch m· vµ thuéc c¸c vïng ®−îc biÕn ®æi hai ®Çu cña ph©n tö tiÒn-mARN ë sinh chÊt, c¸c ®Çu biÕn ®æi nµy kÕt hîp víi gäi t−¬ng øng lµ vïng ®Çu 5' kh«ng vËt nh©n thËt. C¸c ®Çu sau khi biÕn ®æi thóc ®Èy mét sè protein ë tÕ bµo chÊt thóc ®Èy ®−îc dÞch m· (5'UTR) vµ vïng ®Çu 3' sù vËn chuyÓn mARN tõ nh©n ra tÕ bµo chÊt; sù ®Ýnh kÕt cña ribosome. PhÇn mò kh«ng ®−îc dÞch m· (3'UTR). 334 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  11. Phiªn m· ADN Mò 5’ §u«i polyA Hoµn thiÖn ARN TiÒn-mARN C¸c intron ®−îc c¾t bá, mARN cßn c¸c exon ®−îc Ribosome Vïng m· hãa ghÐp nèi víi nhau DÞch m· Polypeptit Mò 5’ §u«i polyA  H×nh 17.10 Sù hoµn thiÖn ARN: ghÐp vµ ph©n tö tiÒn-mARN cña nã cã ba ARN, c¸c intron ®−îc c¾t bá, cßn c¸c nèi ARN. Ph©n tö ARN ®−îc minh häa ë ®©y exon, t−¬ng øng víi tr×nh tù trªn ph©n exon ®−îc ghÐp nèi víi nhau.ë nhiÒu m· hãa cho β-globin, mét trong c¸c chuçi tö mARN rêi khái nh©n ra tÕ bµo chÊt. gen, c¸c intron th−êng lín h¬n nhiÒu polypeptit cña hemoglobin. C¸c chØ sè bªn d−íi (C¸c vïng 5'UTR vµ 3'UTR thuéc c¸c so víi c¸c exon. (Trong h×nh trªn, ARN lµ sè thø tù c¸c m· bé ba (codon); β-globin exon mÆc dï chóng kh«ng m· hãa kÝch th−íc c¸c phÇn cña tiÒn-mARN lµ mét protein gåm 146 axit amin. Gen β-globin protein) . Trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn kh«ng ®−îc vÏ theo tØ lÖ thùc). lµ nh÷ng ph©n ®o¹n kh«ng m· hãa nµy th−êng n»m xen kÏ gi÷a c¸c ph©n ®o¹n m· hãa cña gen, vµ t−¬ng øng lµ gi÷a c¸c ph©n ®o¹n m· hãa trªn tiÒn-mARN. Nãi c¸ch kh¸c, tr×nh tù c¸c nucleotit ADN m· hãa cho mét chuçi polypeptit ë sinh vËt B¶n phiªn m· ARN (tiÒn-mARN) nh©n thËt th−êng kh«ng liªn tôc; chóng ®−îc ph©n t¸ch thµnh c¸c ph©n ®o¹n. C¸c ph©n ®o¹n axit nucleic kh«ng m· hãa n»m gi÷a c¸c ph©n ®o¹n m· hãa cña gen ®−îc gäi lµ c¸c tr×nh tù xen, hay c¸c intron. C¸c ph©n ®o¹n m· hãa cßn l¹i trong gen ®−îc gäi lµ c¸c exon; ®©y lµ c¸c vïng cña gen ®−îc biÓu hiÓn C¸c protein kh¸c vµ ®−îc dÞch m· thµnh c¸c tr×nh tù axit amin. (Mét sè tr−êng hîp ngo¹i lÖ bao gåm c¸c vïng UTR cña c¸c exon t¹i c¸c ®Çu cña mARN. Nh÷ng vïng nµy tuy lµ thµnh phÇn cña mARN hoµn thiÖn nh−ng kh«ng ®−îc dÞch m·. Do nh÷ng ngo¹i lÖ nµy, ®Ó dÔ nhí cã thÓ coi exon lµ c¸c tr×nh tù cã trªn ph©n tö mARN khi ph©n tö nµy rêi khái nh©n ra tÕ bµo chÊt). C¸c thuËt ng÷ intron vµ exon ®−îc dïng ®Ó m« t¶ c¶ c¸c tr×nh tù mARN còng nh− c¸c tr×nh tù ADN m· hãa chóng. §Ó t¹o ra mét b¶n phiªn m· tiÒn th©n tõ mét gen, ARN polymerase ban ®Çu tiÕn hµnh phiªn m· toµn bé gen, bao gåm c¶ c¸c intron vµ exon. Tuy vËy, ph©n tö mARN ®i vµo tÕ bµo chÊt lµ ph©n tö ®· ®−îc c¾t ng¾n. C¸c intron ®−îc c¾t khái ph©n tö, trong khi c¸c exon ®−îc nèi l¹i víi nhau ®Ó h×nh thµnh nªn mét ph©n tö mARN mang tr×nh tù m· hãa liªn tôc. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ sù ghÐp nèi ARN. VËy, sù ghÐp nèi ë tiÒn-mARN diÔn ra nh− thÕ nµo? C¸c C¸c thµnh nhµ nghiªn cøu ®· ph¸t hiÖn ra r»ng, c¸c tÝn hiÖu ghÐp nèi ARN phÇn cña lµ c¸c tr×nh tù nucleotit ng¾n ë hai ®Çu cña mçi intron. C¸c h¹t spliceosome cã tªn lµ c¸c ribonucleoprotein nh©n kÝch th−íc nhá, ®−îc viÕt Ph©n ®o¹n intron ®−îc t¾t lµ snRNP (®äc lµ “sníp”), cã thÓ nhËn ra c¸c vÞ trÝ ghÐp nèi c¾t ra nµy. Nh− tªn gäi cña chóng, c¸c snRNP cã trong nh©n tÕ bµo vµ mARN cã thµnh phÇn cÊu t¹o gåm c¸c ph©n tö ARN vµ protein. C¸c ARN cã trong c¸c snRNP ®−îc gäi lµ c¸c ARN nh©n kÝch th−íc  H×nh 17.11 Vai trß cña c¸c snRNP vµ spliceosome nhá (snARN); mçi ph©n tö chØ dµi kho¶ng 150 nucleotit. Mét sè trong qu¸ tr×nh ghÐp nèi tiÒn-mARN. H×nh trªn chØ minh häa mét lo¹i snRNP kÕt hîp víi nhau vµ víi mét sè protein bæ sung phÇn ph©n tö tiÒn-mARN; c¸c intron vµ exon kh¸c n»m xu«i dßng so víi kh¸c h×nh thµnh nªn bé m¸y ghÐp nèi ARN vµ ®−îc gäi lµ intron ®−îc vÏ ë ®©y. C¸c ribonucleoprotein nh©n kÝch th−íc nhá spliceosome (hay thÓ ghÐp nèi); chóng cã kÝch th−íc lín (snRNP) vµ c¸c protein kh¸c h×nh thµnh nªn mét phøc hÖ ®−îc gäi t−¬ng ®−¬ng ribosome. Spliceosome t−¬ng t¸c víi nh÷ng vÞ trÝ lµ thÓ ghÐp nèi (spliceosome) trªn ph©n tö tiÒn-mARN. Trongspliceosome, nhÊt ®Þnh trªn intron, gi¶i phãng intron vµ nèi hai exon ë hai snARN kÕt cÆp bæ sung víi c¸c nucleotit t¹i c¸c vÞ trÝ ®Æc thï däc tr×nh tù ®Çu cña mçi intron l¹i víi nhau (H×nh 17.11). Mét sè b»ng c¸c intron. Spliceosome c¾t ph©n tö tiÒn-mARN, gi¶i phãng c¸c chøng cho thÊy c¸c snARN, ngoµi vai trß lµ thµnh phÇn bé m¸y intron, ®ång thêi nèi c¸c exon víi nhau. C¸c thµnh phÇn cña spliceosome cña spliceosome vµ nhËn biÕt c¸c vÞ trÝ ghÐp nèi, cßn cã vai trß sau ®ã t¸ch nhau ra, gi¶i phãng khái mARN. Ph©n tö mARN lóc nµy chØ trùc tiÕp xóc t¸c c¸c ph¶n øng ghÐp nèi ARN. cßn chøa c¸c exon ®−îc gäi lµ c¸c ph©n tö mARN hoµn thiÖn. Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 335
  12. C¸c ribozyme Gen ADN ý t−ëng vÒ vai trß xóc t¸c cña snARN b¾t nguån tõ viÖc ph¸t hiÖn ra c¸c ribozyme, ®ã lµ c¸c ph©n tö ARN cã chøc n¨ng gièng nh− c¸c enzym. ë mét sè sinh vËt, sù ghÐp nèi ARN ë Phiªn m· mét sè gen cã thÓ diÔn ra mµ kh«ng cÇn sù gãp mÆt cña bÊt cø mét lo¹i protein hay thËm chÝ mét lo¹i ARN bæ sung nµo kh¸c: C¸c ph©n ®o¹n intron ARN cña chóng cã chøc n¨ng ribozyme Hoµn thiÖn ARN vµ cã kh¶ n¨ng tù c¾t - nèi! VÝ dô nh−, ë loµi ®éng vËt nguyªn sinh Tetrahymena, ph¶n øng tù ghÐp nèi ARN diÔn ra trong DÞch m· qu¸ tr×nh tæng hîp c¸c ARN ribosome (rARN), lµ c¸c ARN thµnh phÇn cña ribosome. Trong thùc tÕ, c¸c ph©n tö tiÒn-rARN ë loµi ®éng vËt nguyªn sinh nµy tù c¾t bá c¸c intron cña nã. Sù MiÒn 3 ph¸t hiÖn ra c¸c ribozyme lµm “lu mê” quan ®iÓm cho r»ng tÊt c¶ c¸c chÊt xóc t¸c sinh häc ®Òu lµ c¸c ph©n tö protein. ARN cã ba thuéc tÝnh gióp nã cã thÓ biÓu hiÖn chøc n¨ng nh− c¸c enzym. Thø nhÊt, do ARN cã cÊu tróc m¹ch ®¬n nªn MiÒn 2 mét vïng trªn ph©n tö cã thÓ kÕt cÆp bæ sung víi mét vïng MiÒn 1 kh¸c trªn cïng ph©n tö ®ã; ®iÒu nµy gióp cho ph©n tö ARN cã cÊu tróc kh«ng gian ®Æc thï. Mét cÊu tróc kh«ng gian ®Æc thï lµ ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt ®Ó cã chøc n¨ng xóc t¸c cña ribozyme, Polypeptit còng gièng nh− ë c¸c enzym lµ protein vËy. Thø hai, gièng víi mét sè axit amin trong c¸c enzym lµ protein, mét sè baz¬  H×nh 17.12 Sù t−¬ng ®ång gi÷a gi÷a c¸c exon vµ nucleotit cña ARN mang c¸c nhãm chøc cã thÓ tham gia vµo c¸c miÒn trªn ph©n tö protein. c¸c ho¹t ®éng xóc t¸c. Thø ba, c¸c ARN cã kh¶ n¨ng h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi c¸c ph©n tö axit nucleic kh¸c (ARN hoÆc ADN); ®iÒu nµy lµm t¨ng tÝnh ®Æc hiÖu trong ho¹t ®éng protein mµ mçi c¬ thÓ cã thÓ t¹o ra cã thÓ lín h¬n nhiÒu so víi xóc t¸c cña nã. Ch¼ng h¹n nh−, sù kÕt cÆp bæ sung gi÷a c¸c sè l−îng gen mµ c¬ thÓ ®ã cã. baz¬ trong thµnh phÇn ARN cña spliceosome víi c¸c baz¬ trªn C¸c protein th−êng cã cÊu t¹o d¹ng m«®un gåm nhiÒu vïng ph©n tö tiÒn-mARN gióp ®Þnh vÞ chÝnh x¸c vÞ trÝ mµ c¸c cÊu tróc vµ chøc n¨ng t¸ch biÖt, ®−îc gäi lµ c¸c miÒn. Ch¼ng ribozyme sÏ xóc t¸c ph¶n øng ghÐp nèi ARN. ë phÇn sau h¹n nh−, mét miÒn cña mét enzym cã b¶n chÊt protein chøa vÞ ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ thÊy c¸c thuéc tÝnh cña ARN cßn gióp trÝ xóc t¸c, trong khi mét miÒn kh¸c cña nã lµm nhiÖm vô liªn nhãm ph©n tö nµy thùc hiÖn mét sè chøc n¨ng quan träng kh¸c kÕt protein víi mµng tÕ bµo. Trong mét sè tr−êng hîp, c¸c exon (ngoµi chøc n¨ng xóc t¸c) trong ho¹t ®éng sèng cña tÕ bµo; vÝ kh¸c nhau m· hãa cho c¸c miÒn kh¸c nhau cña cïng mét dô nh− viÖc nhËn ra c¸c m· bé ba (codon) trªn ph©n tö mARN. protein (H×nh 17.12). Sù cã mÆt cña c¸c intron trong gen cã thÓ thóc ®Èy sù tiÕn TÇm quan träng vÒ chøc n¨ng vµ tiÕn hãa nhanh cña c¸c protein cã tiÒm n¨ng míi nhê qu¸ tr×nh ®−îc gäi lµ sù x¸o trén exon. Sù cã mÆt cña c¸c intron lµm t¨ng x¸c hãa cña c¸c intron suÊt trao ®æi chÐo gi÷a c¸c exon thuéc c¸c gen alen víi nhau - Mét c©u hái ®−îc ®Æt ra lµ: chøc n¨ng sinh häc cña c¸c intron ®¬n gi¶n bëi v× chóng cung cÊp thªm “nÒn” cho sù trao ®æi vµ sù ghÐp nèi ARN lµ g×? NÕu nh− ®èi víi phÇn lín intron ®Õn chÐo mµ kh«ng lµm gi¸n ®o¹n c¸c tr×nh tù m· hãa. Ngoµi ra, nay ch−a x¸c ®Þnh ®−îc râ chøc n¨ng sinh häc cô thÓ, th× Ýt nhÊt còng cã thÓ cã sù b¾t cÆp vµ ®«i khi trén lÉn gi÷a c¸c exon mét sè intron ®· biÕt chøa c¸c tr×nh tù tham gia ®iÒu hßa ho¹t thuéc c¸c gen hoµn toµn kh¸c nhau (kh«ng alen víi nhau). Dï ®éng cña c¸c gen. Vµ b¶n th©n qu¸ tr×nh ghÐp nèi ARN lµ ®iÒu cho sù x¸o trén exon x¶y ra theo kiÓu nµo, th× ®Òu cã thÓ dÉn kiÖn tiªn quyÕt ®Ó mARN cã thÓ ®i tõ nh©n ra tÕ bµo chÊt. ®Õn sù h×nh thµnh c¸c protein míi víi nh÷ng tæ hîp chøc n¨ng Mét trong nh÷ng hËu qu¶ cña viÖc c¸c gen cã intron lµ mét míi. Tuy phÇn lín tr−êng hîp x¸o trén exon lµ kh«ng cã lîi, gen duy nhÊt cã thÓ m· hãa cho nhiÒu h¬n mét lo¹i chuçi nh−ng ®«i khi còng cã thÓ xuÊt hiÖn c¸c tæ hîp biÕn dÞ cã lîi. polypeptit. §Õn nay chóng ta ®· biÕt nhiÒu gen cã thÓ m· hãa cho hai hoÆc nhiÒu chuçi polypeptit kh¸c nhau tïy thuéc vµo KiÓm tra kh¸i niÖm viÖc nh÷ng ph©n ®o¹n nµo ®−îc chän lµ exon trong qu¸ tr×nh 17.3 hoµn thiÖn mARN; qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ sù ghÐp nèi ARN 1. Sù biÕn ®æi ë c¸c ®Çu 5’ vµ 3’ cña tiÒn m-ARN ¶nh h−ëng thay thÕ. Ch¼ng h¹n nh−, sù ph©n biÖt giíi tÝnh ë ruåi giÊm chñ nh− thÕ nµo ®Õn ph©n tö mARN rêi khái nh©n tÕ bµo? yÕu lµ do c¸c con ®ùc vµ con c¸i kh¸c nhau vÒ c¸ch ghÐp nèi 2. T¹i sao nãi ghÐp nèi ARN gièng víi biªn tËp video? ARN khi phiªn m· ë mét sè gen nhÊt ®Þnh. C¸c kÕt qu¶ tõ Dù 3. ®iÒu g× nÕu ¸n HÖ gen Ng−êi (xem Ch−¬ng 21) còng cho thÊy: c¬ chÕ ghÐp ë giun trßn, mét gen m· hãa cho nèi ARN thay thÕ cã thÓ lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n c¬ ATPase cã hai kiÓu ghÐp nèi ARN thay thÕ ë exon 4 vµ b¶n gióp con ng−êi mÆc dï cã tæ chøc c¬ thÓ cao, nh−ng chØ ba kiÓu ghÐp nèi ARN thay thÕ ë exon 7. Cã bao nhiªu cÇn mét sè l−îng gen h¹n chÕ - −íc tÝnh chØ gÊp r−ìi so víi ruåi d¹ng protein mµ gen nµy cã thÓ t¹o ra? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. giÊm. Nhê c¬ chÕ ghÐp nèi ARN thay thÕ, sè lo¹i s¶n phÈm 336 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  13. Kh¸i niÖm 17.4 Phiªn m· ADN DÞch m lµ qu¸ tr×nh tæng hîp DÞch m· mARN Ribosome mét chuçi polypeptit do ARN Polypeptit ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n C¸c axit amin Chuçi polypeptit Trong môc nµy, chóng ta sÏ xem xÐt kÜ h¬n b»ng c¸ch nµo dßng th«ng tin di truyÒn cã thÓ ®i tõ mARN tíi protein qua qu¸ tr×nh ®−îc gäi lµ dÞch m·. Còng gièng nh− qu¸ tr×nh phiªn m·, chóng ta sÏ tËp trung vµo nh÷ng b−íc c¬ b¶n chung cña dÞch m· diÔn ra ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt; sau ®ã sÏ ®Ò cËp Ribosome ®Õn c¸c ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt chÝnh gi÷a chóng. C¸c thµnh phÇn ph©n tö cña dÞch m Trong qu¸ tr×nh dÞch m·, tÕ bµo tiÕn hµnh “th«ng dÞch” th«ng ®iÖp di truyÒn trªn ph©n tö mARN hoµn thiÖn thµnh chuçi tARN polypeptit t−¬ng øng. Th«ng ®iÖp di truyÒn lµ chuçi c¸c bé ba nucleotit trªn ph©n tö mARN, cßn “th«ng dÞch viªn” lµ c¸c Anticodon ARN vËn chuyÓn (tARN). Chøc n¨ng cña tARN lµ vËn chuyÓn c¸c axit amin cã trong tÕ bµo chÊt tíi c¸c ribosome. Mäi tÕ bµo ®Òu cã nguån dù tr÷ trong tÕ bµo chÊt cña tÊt c¶ 20 C¸c codon lo¹i axit amin; tÕ bµo cã ®−îc nguån dù tr÷ nµy hoÆc th«ng qua c¸c qu¸ tæng hîp chóng tõ c¸c ph©n tö tiÒn th©n hoÆc hÊp thô tõ mARN m«i tr−êng dinh d−ìng xung quanh. Sau khi axit amin ®−îc tARN vËn chuyÓn ®Õn ribosome, nã ®−îc ribosome g¾n kÕt vµo  H×nh 17.13 DÞch m·: kh¸i niÖm c¬ b¶n. Khi ph©n tö chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi (H×nh 17.13). mARN di chuyÓn qua ribosome, c¸c bé ba m· hãa (codon) C¸c ph©n tö tARN kh«ng gièng nhau hoµn toµn. Nguyªn lÝ ®−îc dÞch m· thµnh c¸c axit amin theo thø tù tõng axit amin dÞch m· di truyÒn tõ mét ph©n tö mARN thµnh mét chuçi tr×nh mét. "Th«ng dÞch viªn" lµ c¸c ph©n tö tARN, mçi lo¹i cã mét bé tù axit amin ®Æc thï dùa trªn hiÖn t−îng mçi lo¹i tARN th−êng ba ®èi m· (anticodon) ®Æc thï t¹i mét ®Çu, ®ång thêi mang axit chØ dÞch mét bé ba nucleotit (codon) trªn mARN thµnh mét axit amin ®Æc thï t−¬ng øng ë ®Çu kia. tARN bæ sung axit amin mµ nã ®ang vËn chuyÓn vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi cïng lóc amin ®Æc thï. Khi mét ph©n tö tARN ®Õn ribosome, nã mang víi khi bé ba ®èi m· cña nã t¹o liªn kÕt hydro víi bé ba m· hãa theo mét axit amin ®Æc thï t−¬ng øng víi nã ë mét ®Çu cña trªn ph©n tö mARN. H×nh ¶nh ®a ph−¬ng tiÖn t¹i trang web d−íi ph©n tö. ë ®Çu ®èi diÖn, tARN mang mét bé ba nucleotit ®−îc ®©y minh häa chi tiÕt h¬n qu¸ tr×nh dÞch m· ë tÕ bµo vi khuÈn. gäi lµ bé ba ®èi m· (anticodon); ®©y chÝnh lµ bé ba kÕt cÆp bæ §a ph−¬ng tiÖn sung víi bé ba m· hãa trªn mARN. VÝ dô nh−, nÕu bé ba m· Th¨m trang web hãa trªn mARN lµ UUU, th× sÏ ®−îc dÞch m· thµnh ®Ó xem h×nh ¶nh ®éng ba chiÒu phenylalanine. Ph©n tö tARN lµm nhiÖm vô “th«ng dÞch” ë ®©y vÒ qu¸ tr×nh tæng hîp protein. cã mét ®Çu mang bé ba ®èi m· lµ AAA cã thÓ h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi bé ba m· hãa UUU; trong khi ®ã, ®Çu kia mang CÊu tróc vµ chøc n¨ng cña ARN vËn chuyÓn phenylalanine (xem tARN ë gi÷a ribosome trªn H×nh 17.13). Khi mARN dÞch chuyÓn qua ribosome, axit amin phenylalanine Gièng víi mARN vµ c¸c lo¹i ARN kh¸c trong tÕ bµo, c¸c ph©n sÏ ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptit bÊt cø khi nµo bé ba m· tö ARN vËn chuyÓn ®−îc phiªn m· tõ c¸c m¹ch khu«n ADN. ë hãa trªn mARN lµ UUU. Tõ trËt tù liªn tôc cña c¸c codon, sinh vËt nh©n thËt, gièng víi mARN, tARN còng ®−îc tæng th«ng ®iÖp di truyÒn sÏ ®−îc dÞch m· th«ng qua viÖc c¸c tARN hîp trong nh©n tÕ bµo råi sau ®ã míi ®−îc vËn chuyÓn ra tÕ bµo nhËp c¸c axit amin theo mét thø tù x¸c ®Þnh, cßn ribosome sÏ chÊt vµ dïng cho qu¸ tr×nh dÞch m·. ë c¶ tÕ bµo vi khuÈn vµ tiÕn hµnh nèi lÇn l−ît c¸c axit amin ®ã vµo chuçi polypeptit. Së sinh vËt nh©n thËt, mçi ph©n tö tARN ®Òu cã thÓ ®−îc dïng lÆp dÜ tARN ®−îc gäi lµ “th«ng dÞch viªn”, v× nã ®ång thêi võa ®äc l¹i nhiÒu lÇn; mçi lÇn, nã nhËn mét axit amin ®Æc thï t¹i phÇn ®−îc ng«n ng÷ cña axit nucleic (c¸c codon trªn mARN) võa bµo tan (cytosol) cña tÕ bµo chÊt, råi ®−a ®Õn ribosome ®Ó l¾p r¸p dÞch ®−îc sang ng«n ng÷ cña protein (tr×nh tù c¸c axit amin). vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi; sau ®ã, nã rêi khái ribosome vµ Nguyªn lÝ c¬ b¶n cña dÞch m· lµ ®¬n gi¶n, song c¬ chÕ hãa s½n sµng cho mét chu kú vËn chuyÓn axit amin tiÕp theo. sinh vµ ph©n tö lµ t−¬ng ®èi phøc t¹p, ®Æc biÖt lµ ë tÕ bµo sinh Mét ph©n tö tARN chØ gåm mét m¹ch ®¬n ARN duy nhÊt vËt nh©n thËt. §Ó dÔ theo dâi, chóng ta sÏ tËp trung ®Ò cÊp tr−íc cã chiÒu dµi kho¶ng 80 nucleotit (so víi hµng tr¨m nucleotit tiªn vÒ m« h×nh dÞch m· ë vi khuÈn vèn Ýt phøc t¹p h¬n, víi cña phÇn lín c¸c mARN). Tuy vËy, do cã c¸c ®o¹n tr×nh tù bæ viÖc ®Çu tiªn xem xÐt vÒ c¸c thµnh phÇn chÝnh cña bé m¸y dÞch sung cã thÓ h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi nhau trong mçi ph©n m·. Sau ®ã, chóng ta sÏ t×m hiÓu b»ng c¸ch nµo c¸c thµnh phÇn tö, m¹ch ARN ®¬n duy nhÊt nµy cã thÓ tù gËp xo¾n ®Ó t¹o nªn nµy phèi hîp víi nhau ®Ó cã thÓ t¹o nªn mét chuçi polypeptit. mét ph©n tö cã cÊu h×nh kh«ng gian ba chiÒu æn ®Þnh. NÕu vÏ Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 337
  14. Aminoacyl-tARN Axit amin synthetase (enzym) VÞ trÝ xóc t¸c ®ång thêi thuéc miÒn liªn kÕt víi axit amin vµ ATP. ATP gi¶i phãng hai nhãm C¸c liªn  vµ phÇn cßn l¹i cña ph©n tö kÕt hydro (AMP) liªn kÕt víi axit amin. Aminoacyl-tARN tARN synthetase Bé ba ®èi m· (anticodon) (a) CÊu tróc hai chiÒu (trªn mÆt ph¼ng). C¸c vïng liªn kÕt hydro gåm 4 cÆp baz¬ vµ ba vßng cã cÊu tróc "thßng läng" lµ ®Æc tARN ®iÓm chung cña tÊt c¶ c¸c lo¹i tARN. TÊt c¶ c¸c tARN còng gièng nhau ë tr×nh tù c¸c baz¬ ë tËn cïng ®Çu 3' (CCA); ®©y lµ vÞ trÝ liªn kÕt cña c¸c axit amin. Mçi lo¹i tARN cã mét Lo¹i tARN phï C¸c codon bé ba ®èi m· ®Æc tr−ng vµ mét sè tr×nh tù ®Æc thï ë hai hîp h×nh thµnh liªn vßng "thßng läng" cßn l¹i. (DÊu hoa thÞ biÓu diÔn mét sè lo¹i kÕt céng hãa trÞ víi baz¬ ®−îc biÕn ®æi hãa häc chØ thÊy cã ë tARN). axit amin sau khi ®Èy nhãm AMP VÞ trÝ g¾n khái phøc hÖ. axit amin M« h×nh m¸y tÝnh C¸c liªn kÕt hydro tARN sau khi ®· n¹p axit amin ®−îc gi¶i phãng khái enzym. Aminoacyl-tARN Anticodon ("tARN ®· n¹p axit amin") Anticodon (c) M« h×nh tARN ®−îc  H×nh 17.15 Mçi lo¹i aminoacyl-tARN synthetase (b) CÊu tróc kh«ng gian ba chiÒu dïng trong s¸ch nµy nèi mét axit amin ®Æc thï vµo mét tARN. Ph¶n øng nèi  H×nh 17.14 CÊu tróc cña ARN vËn chuyÓn (tARN). gi÷a tARN víi axit amin lµ ph¶n øng tiªu thô n¨ng l−îng tõ sù C¸c bé ba ®èi m· (anticodon) trªn tARN th−êng ®−îc viÕt theo thñy ph©n ATP. Ph©n tö ATP gi¶i phãng hai nhãm phosphate vµ chuyÓn vÒ d¹ng AMP (adenosine monophosphate). chiÒu 3' → 5' ®Ó phï hîp víi c¸c m· bé ba trªn mARN th−êng ®−îc viÕt theo chiÒu 5' → 3' (xem H×nh 17.13). §Ó c¸c baz¬ cã mARN. Tõ mét ®Çu kh¸c cña ph©n tö tARN d¹ng ch÷ L nh« ra thÓ kÕt cÆp víi nhau, gièng víi chuçi xo¾n kÐp ADN, c¸c m¹ch ARN ph¶i ®èi song song. VÝ dô: bé ba ®èi m· 3'-AAG-5' cña ®Çu 3’; ®©y lµ vÞ trÝ ®Ýnh kÕt cña axit amin. V× vËy, cã thÓ thÊy tARN kÕt cÆp víi bé ba m· hãa 5'-UUC-3' trªn mARN. cÊu tróc cña tARN phï hîp víi chøc n¨ng cña nã. Sù dÞch m· chÝnh x¸c tõ mARN ®Õn protein ®−îc quyÕt sù kÕt cÆp gi÷a c¸c ®o¹n nucleotit cña tARN víi nhau trªn mÆt ®Þnh bëi hai qu¸ tr×nh ®Òu dùa trªn c¬ chÕ nhËn biÕt ph©n tö. ph¼ng, th× tARN cã cÊu tróc gièng mét chiÕc l¸ gåm nhiÒu thïy §Çu tiªn, ®ã lµ ph©n tö tARN liªn kÕt víi codon trªn mARN (H×nh 17.14a). Trong thùc tÕ, c¸c ph©n tö tARN th−êng vÆn vµ nhÊt ®Þnh ph¶i vËn chuyÓn tíi ribosome ®óng lo¹i axit amin mµ gËp xo¾n thµnh cÊu tróc kh«ng gian cã d¹ng ch÷ L (H×nh codon ®ã m· hãa (mµ kh«ng ph¶i bÊt cø lo¹i axit amin nµo 17.14b). Mét vßng thßng läng më ra tõ mét ®Çu ch÷ L mang bé kh¸c). Sù kÕt cÆp chÝnh x¸c gi÷a tARN vµ axit amin ®−îc quyÕt ba ®èi m· (anticodon); ®©y lµ bé ba nucleotit ®Æc thï cña tARN ®Þnh bëi mét hä enzym cã tªn lµ aminoacyl-tARN synthetase kÕt cÆp bæ sung víi bé ba m· hãa (codon) t−¬ng øng trªn (H×nh 17.15). Trung t©m xóc t¸c cña mçi lo¹i aminoacyl-tARN synthetase chØ phï hîp cho mét sù kÕt cÆp ®Æc thï gi÷a mét 338 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  15. lo¹i axit amin víi tARN. Cã 20 lo¹i synthetase kh¸c nhau, mçi lo¹i dµnh cho mét axit amin; mçi enzym synthetase cã thÓ liªn kÕt víi nhiÒu tARN kh¸c nhau cïng m· hãa cho mét lo¹i axit ADN amin. Synthetase xóc t¸c sù h×nh thµnh liªn kÕt céng hãa trÞ Phiªn m· gi÷a axit amin víi tARN qua mét ph¶n øng ®−îc thóc ®Èy bëi mARN Ribosome sù thñy ph©n ATP. Ph©n tö aminoacyl-tARN thu ®−îc (cßn DÞch m· ®−îc gäi lµ “tARN ®· n¹p axit amin”) lóc nµy rêi khái enzym Polypeptit Chuçi polypeptit vµ s½n sµng cho viÖc vËn chuyÓn axit amin cña nã tíi vÞ trÝ ®ang kÐo dµi Kªnh tho¸t chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi trªn ribosome. C¸c ph©n (kªnh ®i ra) Qu¸ tr×nh thø hai liªn quan ®Õn sù kÕt cÆp gi÷a bé ba ®èi tö tARN m· trªn tARN víi bé ba m· hãa trªn mARN. NÕu mçi lo¹i tARN cã tÝnh ®Æc thï ®èi víi mét bé ba m· hãa trªn mARN, th× sÏ cã 61 lo¹i tARN kh¸c nhau (xem H×nh 17.5). Tuy vËy, trong TiÓu thùc tÕ chØ cã kho¶ng 45 lo¹i; ®iÒu nµy cho thÊy mét sè tARN phÇn lín cã thÓ liªn kÕt vµo nhiÒu h¬n mét bé ba m· hãa. Sù b¾t cÆp “linh ho¹t” nh− vËy cã thÓ do nguyªn t¾c kÕt cÆp bæ sung gi÷a baz¬ thø ba cña bé ba m· hãa trªn mARN víi baz¬ t−¬ng øng TiÓu trªn bé ba ®èi m· cña tARN lµ “láng lÎo” h¬n so víi c¸c baz¬ ë phÇn nhá hai vÞ trÝ cßn l¹i. Ch¼ng h¹n nh−, baz¬ U ë tËn cïng ®Çu 5’ cña mét bé ba ®èi m· trªn tARN cã thÓ kÕt cÆp hoÆc víi A hoÆc víi G ë vÞ trÝ thø ba (tõ lµ ®Çu 3’) cña bé ba m· hãa t−¬ng øng trªn mARN mARN. Sù kÕt cÆp “láng lÎo” cña c¸c baz¬ ë vÞ trÝ thø ba nh− vËy ®−îc gäi lµ tÝnh tho¸i hãa cña m· di truyÒn. TÝnh tho¸i (a) M« h×nh ribosome ®ang ho¹t ®«ng chøc n¨ng do m¸y tÝnh hãa cña m· di truyÒn gióp gi¶i thÝch t¹i sao nhiÒu bé ba ®ång x©y dùng. §©y lµ m« h×nh ribosome ë vi khuÈn víi h×nh d¹ng nghÜa (cïng m· hãa mét lo¹i axit amin) th−êng chØ kh¸c nhau ë tæng thÓ. Ribosome ë sinh vËt nh©n thËt cã cÊu h×nh t−¬ng tù. Mçi tiÓu phÇn ribosome lµ phøc hÖ cña c¸c protein vµ rARN. baz¬ thø ba, mµ kh«ng ë c¸c vÞ trÝ baz¬ cßn l¹i. VÝ nh− nh−, mét tARN cã bé ba ®èi m· lµ 3’-UCU-5’ cã thÓ kÕt cÆp baz¬ VÞ trÝ P (vÞ trÝ liªn kÕt hoÆc víi bé ba m· hãa 5’-AGA-3’ hoÆc víi bé ba 5’-AGG-3’ cña Peptidyl-tARN) trªn ph©n tö mARN; ®iÒu thó vÞ lµ c¶ hai bé ba nµy ®Òu m· hãa VÞ trÝ A (vÞ trÝ liªn kÕt cho arginine (xem H×nh 17.5). cña Aminoacyl-tARN) VÞ trÝ E (vÞ trÝ tho¸t C¸c ribosome -Exit) TiÓu C¸c ribosome t¹o ®iÒu kiÖn cho sù kÕt cÆp gi÷a c¸c bé ba ®èi phÇn lín m· cña tARN víi c¸c bé ba m· hãa t−¬ng øng trªn ph©n tö mARN trong qu¸ tr×nh tæng hîp protein. Mçi ribosome ®Òu VÞ trÝ ®Ýnh TiÓu gåm cã hai tiÓu phÇn, lÇn l−ît ®−îc gäi lµ c¸c tiÓu phÇn lín vµ kÕt mARN phÇn nhá tiÓu phÇn nhá (H×nh 17.16). C¸c tiÓu phÇn ribosome ®−îc cÊu (b) M« h×nh d¹ng s¬ ®å vÒ c¸c vÞ trÝ liªn kÕt trªn ribosome. Mçi t¹o nªn tõ c¸c protein vµ c¸c ph©n tö ARN ®−îc gäi lµ c¸c ribosome cã mét vÞ trÝ ®Ýnh kÕt mARN vµ ba vÞ trÝ liªn kÕt tARN, ARN ribosome, hay rARN. ë sinh vËt nh©n thËt, c¸c tiÓu phÇn ®−îc gäi lµ c¸c vÞ trÝ A, P vµ E. M« h×nh ribosome ë d¹ng s¬ ®å ribosome ®−îc h×nh thµnh trong h¹ch nh©n. C¸c gen m· hãa nµy ®−îc dïng minh häa trong c¸c h×nh tiÕp theo. rARN n»m trªn ADN nhiÔm s¾c thÓ ®−îc phiªn m·, hoµn thiÖn vµ s¶n phÈm cña nã ®−îc ®ãng gãi víi c¸c protein ®−îc “nhËp §Çu amino Chuçi polypeptit khÈu” vµo nh©n tõ tÕ bµo chÊt. Sau ®ã, c¸c tiÓu phÇn ribosome ®−îc “xuÊt khÈu” ra tÕ bµo chÊt qua c¸c lç mµng nh©n. ë c¶ vi khuÈn vµ c¸c sinh vËt nh©n thËt, tiÓu phÇn lín vµ tiÓu phÇn nhá Axit amin tiÕp theo ®−îc bæ sung vµo chØ l¾p r¸p víi nhau ®Ó h×nh thµnh nªn ribosome cã chøc n¨ng chuçi polypeptit khi chóng ®· ®Ýnh kÕt vµo mét ph©n tö mARN. Kho¶ng 2/3 khèi l−îng ribosome lµ cña c¸c rARN, bao gåm 3 ph©n tö (ë vi tARN khuÈn) hoÆc bèn ph©n tö (ë sinh vËt nh©n thËt) kh¸c lo¹i. Do mARN phÇn lín mçi tÕ bµo ®Òu lu«n chøa hµng ngh×n ribosome, nªn rARN th−êng lµ lo¹i ARN phæ biÕn nhÊt cã trong tÕ bµo. MÆc dï c¸c ribosome ë vi khuÈn vµ ë sinh vËt nh©n thËt rÊt C¸c codon gièng nhau vÒ cÊu tróc vµ chøc n¨ng, nh−ng c¸c ribosome sinh vËt nh©n thËt cã kÝch th−íc lín h¬n ®«i chót vµ kh¸c víi c¸c (b) M« h×nh d¹ng s¬ ®å khi cïng cã mÆt víi mARN vµ tARN. Mét tARN sÏ liªn kÕt võa khÝt vµo vÞ trÝ cña nã trªn ribosome ribosome vi khuÈn vÒ c¸c thµnh phÇn cÊu t¹o nªn chóng. Sù nÕu nh− bé ba ®èi m· cña nã kÕt cÆp ®óng víi mét bé ba m· kh¸c biÖt nµy cã ý nghÜa y häc. Mét sè thuèc kh¸ng sinh g©y øc hãa trªn mARN. VÞ trÝ P gi÷ tARN ®ang liªn kÕt víi chuçi chÕ ho¹t ®éng cña c¸c ribosome vi khuÈn, nh−ng kh«ng øc chÕ polypeptit, trong khi vÞ trÝ A gi÷a tARN ®ang mang axit amin tiÕp ho¹t ®éng cña c¸c ribosome sinh vËt nh©n thËt, do vËy kh«ng theo sÏ ®−îc bæ sung vµo chuçi. tARN rêi ribosome t¹i vÞ trÝ E. ¶nh h−ëng ®Õn sù tæng hîp protein ë sinh vËt nh©n thËt. Nh÷ng thuèc kh¸ng sinh nµy, bao gåm c¶ tetracycline vµ streptomycin,  H×nh 17.16 CÊu tróc cña ribosome. ®−îc dïng phæ biÕn trong ®iÒu trÞ c¸c bÖnh nhiÔm khuÈn. Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 339
  16. CÊu tróc cña ribosome ph¶n ¸nh chøc n¨ng cña nã lµ mang ®−îc cung cÊp tõ sù thñy ph©n GTP (guanosine triphosphate) lµ mARN cïng víi tARN ®· n¹p axit amin. Ngoµi vÞ trÝ ®Ýnh kÕt mét dÉn xuÊt cña ATP (chø kh«ng ph¶i tõ ATP). mARN, mçi ribosome ®Òu cã ba vÞ trÝ liªn kÕt tARN (xem L¾p r¸p ribosome vµ khëi ®Çu dÞch m· H×nh 17.16). VÞ trÝ P (vÞ trÝ petidyl-tARN) gi÷ tARN ®ang Giai ®o¹n khëi ®Çu dÞch m· liªn quan ®Õn viÖc huy ®éng c¸c mang chuçi polypeptit ®ang ®−îc kÐo dµi, trong khi vÞ trÝ A (vÞ thµnh phÇn cña phøc hÖ dÞch m·, gåm: b¶n hiªn m· mARN, trÝ aminoacyl-tARN) gi÷a tARN mang axit amin tiÕp theo ®−îc mét ph©n tö tARN vËn chuyÓn axit amin ®Çu tiªn cña chuçi bæ sung vµo chuçi polypeptit. tARN tù do (kh«ng liªn kÕt víi polypeptit, vµ hai tiÓu phÇn cña ribosome (H×nh 17.17). §Çu axit amin) ®−îc gi¶i phãng khái ribosome t¹i vÞ trÝ E (Exit). tiªn, tiÓu phÇn nhá cña ribosome sÏ ®Ýnh kÕt vµo mARN vµ mét Ribosome gi÷ mARN vµ tARN ë nh÷ng vÞ trÝ ¸p s¸t vµo nhau, tARN khëi ®Çu dÞch m· ®Æc biÖt lu«n mang axit amin ®Çu tiªn ®ång thêi ®−a c¸c axit amin míi tíi s¸t c¹nh ®Çu C (®Çu lµ methionine. ë vi khuÈn, tiÓu phÇn nhá cña ribosome cã thÓ cacboxyl) cña chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi. Sau ®ã, nã xóc t¸c l¾p r¸p víi hai thµnh phÇn trªn ®©y theo trËt tù bÊt kú; nã liªn sù h×nh thµnh liªn kÕt peptit. Khi chuçi polypeptit ®· ®ñ dµi, nã kÕt ®−îc víi mARN qua mét tr×nh tù ARN ®Æc thï n»m ng−îc chui qua mét kªnh tho¸t (kªnh ®i ra) thuéc tiÓu phÇn lín cña dßng bé ba b¾t ®Çu dÞch m· (AUG). ë sinh vËt nh©n thËt, tiÓu ribosome. Khi chuçi polypeptit ®· ®−îc tæng hîp xong, nã ®−îc phÇn nhá ribosome ®Çu tiªn liªn kÕt víi tARN khëi ®Çu dÞch gi¶i phãng vµo phÇn bµo tan ë tÕ bµo chÊt qua kªnh tho¸t. m·; sau ®ã, phøc hÖ nµy míi liªn kÕt vµo mò ®Çu 5’ cña ph©n tö NhiÒu nghiªn cøu gÇn ®©y ñng hé cho gi¶ thiÕt lµ chÝnh mARN. B¾t ®Çu tõ ®©y, phøc hÖ gåm tiÓu phÇn nhá ribosome rARN, chø kh«ng ph¶i protein, gi÷ vai trß träng yÕu trong cÊu vµ tARN khëi ®Çu dÞch m· tr−ît däc (xu«i dßng) ph©n tö tróc vµ chøc n¨ng cña ribosome. C¸c protein, chiÕm phÇn lín mARN cho ®Õn khi nã gÆp bé ba m· b¾t ®Çu dÞch m·; ë vÞ trÝ phÇn bao ngoµi ribosome, gióp thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian nµy, tARN khëi ®Çu dÞch m· sÏ h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi cña c¸c ph©n tö rARN khi nh÷ng ph©n tö nµy thùc hiÖn vai trß mARN. ë c¶ vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt, bé ba m· b¾t ®Çu xóc t¸c trong qu¸ tr×nh dÞch m·. C¸c ARN ribosome lµ thµnh dÞch m· ®Òu lµ tÝn hiÖu b¾t ®Çu dÞch m·; nã rÊt quan träng v× cã phÇn chÝnh t¹o nªn giao diÖn tiÕp xóc gi÷a hai tiÓu phÇn vai trß x¸c ®Þnh khung ®äc cho mét ph©n tö mARN. ribosome t¹i c¸c vÞ trÝ A vµ P, ®ång thêi nã còng lµ trung t©m Sau khi phøc hÖ gåm mARN, tARN khëi ®Çu dÞch m· vµ xóc t¸c h×nh thµnh liªn kÕt peptit. V× vËy, ribosome cã thÓ ®−îc tiÓu ph©n nhá ribosome ®· h×nh thµnh, tiÓu phÇn lín ribosome coi nh− mét ribozyme "khæng lå"! sÏ liªn kÕt vµo ®Ó t¹o nªn phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m:. C¸c protein cã tªn lµ c¸c yÕu tè khëi ®Çu dÞch m: gióp ®−a c¸c Sù h×nh thµnh mét chuçi polypeptit thµnh phÇn cña phøc hÖ trªn ®©y tæ hîp víi nhau. §Ó h×nh thµnh ®−îc phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m·, tÕ bµo dïng n¨ng l−îng Chóng ta cã thÓ chia qu¸ tr×nh dÞch m·, tøc lµ sù tæng hîp mét ë d¹ng ph©n tö GTP. Khi qu¸ tr×nh khëi ®Çu dÞch m· kÕt thóc, chuçi polypeptit, thµnh ba giai ®o¹n (gièng nh− c¸c giai ®o¹n tARN khëi ®Çu dÞch m· ®ang ë vÞ trÝ P cña ribosome, trong khi cña phiªn m·), ®ã lµ: khëi ®Çu dÞch m·, kÐo dµi chuçi vµ kÕt vÞ trÝ A cßn trèng vµ s½n sµng tiÕp nhËn mét aminoacyl-tARN thóc dÞch m·. C¶ ba giai ®o¹n ®Òu cÇn sù cã mÆt cña mét sè tiÕp theo. CÇn l−u ý r»ng, qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi “yÕu tè” protein ®Æc thï gióp cho sù dÞch m· cã thÓ diÔn ra. ë polypeptit lu«n diÔn ra theo mét chiÒu, b¾t ®Çu tõ axit amin mét sè b−íc cña giai ®o¹n khëi ®Çu dÞch m· vµ kÐo dµi chuçi, methionine t¹i ®Çu amino (cßn gäi lµ ®Çu N) cho tíi axit amin n¨ng l−îng cÇn ®−îc cung cÊp. Tuy vËy, nguån n¨ng l−îng nµy cuèi cïng ë ®Çu cacboxyl (cßn gäi lµ ®Çu C; xem H×nh 5.18).  H×nh 17.17 Sù khëi ®Çu dÞch m·. TiÓu phÇn lín VÞ trÝ P tARN khëi ®Çu dÞch m· mARN Codon b¾t ®Çu TiÓu VÞ trÝ liªn kÕt mARN phÇn nhá TiÓu phÇn nhá ribosome liªn kÕt vµo ph©n tö Khi tiÓu phÇn lín cña ribosome liªn kÕt mARN. ë tÕ bµo vi khuÈn, tiÓu phÇn nµy nhËn vµo, phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m· h×nh thµnh. ra mét tr×nh tù nucleotit ®Æc thï trªn mARN C¸c protein gäi lµ c¸c yÕu tè khëi ®Çu dich n»m ng−îc dßng bé ba m· b¾t ®Çu dÞch m· m· (kh«ng vÏ ë ®©y) gióp tæ hîp c¸c thµnh (codon b¾t ®Çu). Mét tARN khëi ®Çu dÞch m· phÇn cña phøc hÖ khëi ®Çu dÞch m·. GTP mang bé ba ®èi m· UAC kÕt cÆp baz¬ bæ cung cÊp n¨ng l−îng cho sù tæ hîp nµy. sung víi bé ba m· b¾t ®Çu dÞch m· AUG. tARN khëi ®Çu dÞch m· ë vÞ trÝ P; cßn vÞ trÝ A tARN nµy lu«n mang axit amin methionine. s½n sµng cho viÖc tiÕp nhËn tARN mang axit amin tiÕp theo. 340 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  17. §Çu amino cña Phiªn m· ADN chuçi polypeptit NhËn biÕt codon. Bé ba ®èi m· mARN (anticodon) trªn ph©n tö aminoacyl-tARN DÞch m· Ribosome kÕt cÆp baz¬ bæ sung víi bé ba m· hãa (codon) trªn ph©n tö mARN t¹i vÞ trÝ A. Polypeptit Sù thñy ph©n GTP lµm t¨ng hiÖu qu¶ vµ tÝnh chÝnh x¸c cña b−íc nµy. mARN Ribosome s½n sµng cho aminoacyl-tARN tiÕp theo H×nh thµnh liªn kÕt peptit. Mét ph©n tö rARN thuéc tiÓu ChuyÓn vÞ. Ribosome phÇn lín cña ribosome xóc t¸c chuyÓn vÞ trªn mARN mét cho sù h×nh thµnh liªn kÕt bé ba m· hãa, dÉn ®Õn sù peptit gi÷a axit amin míi ë vÞ trÝ dÞch chuyÓn tARN tõ vÞ trÝ A A víi ®Çu cacboxyl cña chuçi sang vÞ trÝ P. §ång thêi polypeptit ®ang kÐo dµi ë vÞ trÝ tARN tù do ë vÞ trÝ P P. B−íc nµy ®ång thêi chuyÓn chuyÓn sang vÞ trÝ E, råi chuçi polypeptit tõ tARN ë vÞ trÝ ®−îc gi¶i phãng ra ngoµi. P vµ g¾n nã vµo axit amin trªn Sù chuyÓn vÞ cña mARN tARN ®ang ë vÞ trÝ A. ®−a codon tiÕp theo vµo vÞ trÝ dÞch m· t¹i vÞ trÝ A.  H×nh 17.18 Chu kú kÐo dµi chuçi trong dÞch m·. Sù thñy ph©n GTP gi÷ vai trß quan träng trong giai ®o¹n kÐo dµi chuçi. ë ®©y kh«ng vÏ c¸c protein tham gia vµo giai ®o¹n nµy ®−îc gäi lµ c¸c yÕu tè kÐo dµi chuçi. KÐo dµi chuçi polypeptit Sù kÕt thóc dÞch m· Trong giai ®o¹n kÐo dµi chuçi cña qu¸ tr×nh dÞch m·, c¸c axit §©y lµ giai ®o¹n cuèi cïng cña qu¸ tr×nh dÞch m· (H×nh 17.19 ë amin ®−îc lÇn l−ît bæ sung vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi. trang sau). C¸c b−íc kÐo dµi chuçi polypeptit tiÕp tôc diÔn ra Mçi b−íc bæ sung axit amin liªn quan ®Õn mét sè protein ®−îc cho ®Õn khi mét bé ba m· kÕt thóc tiÕp cËn vÞ trÝ A cña gäi lµ c¸c yÕu tè kÐo dµi chuçi vµ diÔn ra thµnh chu kú gåm 3 ribosome. C¸c bé ba UAG, UGA vµ UAA kh«ng m· hãa cho b−íc (H×nh 17.18). Sù tiªu thô n¨ng l−îng x¶y ra ë c¸c b−íc bÊt cø mét axit amin nµo; mµ thay vµo ®ã, chóng lµ c¸c tÝn hiÖu thø nhÊt vµ thø ba. ViÖc nhËn ra mét bé ba m· hãa cÇn thñy kÕt thóc dÞch m·. Mét protein gäi lµ yÕu tè gi¶i phãng chuçi sÏ ph©n mét ph©n tö GTP; ®iÒu nµy gãp phÇn vµo viÖc lµm t¨ng liªn kÕt trùc tiÕp vµo c¸c bé ba m· kÕt thóc (c¸c codon kÕt hiÖu qu¶ vµ møc ®é chÝnh x¸c cña b−íc nµy. Mét ph©n tö GTP thóc). YÕu tè gi¶i phãng chuçi nµy sÏ bæ sung mét ph©n tö kh¸c sÏ ®−îc thñy ph©n ®Ó cung cÊp n¨ng l−îng cho b−íc n−íc vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi (thay cho axit amin nh− chuyÓn vÞ ribosome tíi codon tiÕp theo trªn ph©n tö mARN. b×nh th−êng ë c¸c bé ba m· hãa). Ph¶n øng nµy lµm ®øt g·y Ph©n tö mARN tr−ît qua ribosome theo mét chiÒu nhÊt (thñy ph©n) liªn kÕt gi÷a m¹ch polypeptit (lóc nµy ®· hoµn ®Þnh, b¾t ®Çu tõ ®Çu 5’; nãi c¸ch kh¸c, ribosome tr−ît trªn ph©n chØnh) víi tARN (lóc nµy ®ang ë vÞ trÝ P), lµm gi¶i phãng chuçi tö mARN theo chiÒu 5’ → 3’. §iÓm quan träng lµ ribosome vµ polypeptit qua kªnh tho¸t trªn tiÓu phÇn lín cña ribosome (xem mARN dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi so víi nhau theo mét chiÒu duy H×nh 17.16a). C¸c thµnh phÇn cña bé m¸y dÞch m· sau ®ã sÏ nhÊt, mçi lÇn mét codon. ë vi khuÈn, mçi chu kú kÐo dµi chuçi t¸ch khái nhau qua mét qu¸ tr×nh gåm nhiÒu b−íc d−íi sù hç (l¾p r¸p mét axit amin) diÔn ra trong kho¶ng thêi gian Ýt h¬n trî cña mét sè yÕu tè protein kh¸c n÷a. Mçi lÇn ph©n t¸ch c¸c mét phÇn m−êi (0,1) gi©y vµ lÆp l¹i b¾t ®Çu tõ axit amin ®Çu thµnh phÇn cña bé m¸y dÞch m· ë b−íc nµy cÇn tiªu thô thªm tiªn cho ®Õn axit amin cuèi cïng cña chuçi polypeptit. n¨ng l−îng tõ hai ph©n tö GTP. Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 341
  18. Chuçi YÕu tè gi¶i polypeptit tù do phãng chuçi Codon kÕt thóc dÞch m· (UAG, UAA hoÆc UGA) Khi ribosome tiÕp cËn mét bé ba (codon) kÕt YÕu tè gi¶i phãng chuçi thóc ®Èy sù thñy Hai tiÓu phÇn cña ribosome vµ thóc dÞch m· trªn mARN, vÞ trÝ A cña ph©n liªn kÕt gi÷a tARN t¹i vÞ trÝ P vµ axit c¸c thµnh phÇn kh¸c cña bé m¸y ribosome sÏ tiÕp nhËn yÕu tè gi¶i phãng amin cuèi cïng trªn chuçi polypeptit, dÉn ®Õn dÞch m· t¸ch rêi khái nhau. chuçi; protein nµy cã h×nh d¹ng gièng tARN. viÖc gi¶i phãng chuçi polypeptit khái ribosome.  H×nh 17.19 Sù kÕt thóc dÞch m·. Gièng víi giai ®o¹n kÐo dµi chuçi, giai ®o¹n kÕt thóc dÞch m· còng cÇn sù thñy ph©n GTP vµ c¸c yÕu tè protein bæ sung (mét sè protein kh«ng ®−îc vÏ trªn h×nh). Polyribosome Chuçi polypeptit C¸c chuçi polypeptit hoµn chØnh Mét ribosome cã thÓ tæng hîp mét chuçi polypeptit kÝch th−íc ®ang kÐo dµi trung b×nh trong vßng d−íi mét phót. Tuy vËy, th−êng th× sù dÞch m· mét phÇn tö mARN ®−îc tiÕn hµnh ®ång thêi bëi nhiÒu ribosome kh¸c nhau; nghÜa lµ, mét ph©n tö mARN cã thÓ C¸c tiÓu ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó cïng lóc t¹o nªn nhiÒu b¶n sao cña phÇn ribosome mét chuçi polypeptit. Mét khi ribosome ®· v−ît qua codon b¾t ®i vµo ®Çu, th× mét ribosome thø hai cã thÓ ®Ýnh kÕt ®−îc vµo mARN; Polyribosome kÕt qu¶ lµ mét lo¹t ribosome nèi tiÕp nhau tr−ît däc trªn ph©n §Çu 5' cña tö mARN. Mét chuçi gåm nhiÒu ribosome nh− vËy ®−îc gäi lµ §Çu 3' cña ph©n tö mARN polyribosome (hay polysome); nã cã thÓ ®−îc quan s¸t thÊy ph©n tö mARN b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö (H×nh 17.20). CÊu tróc polyribosome cã c¶ ë c¸c tÕ bµo vi khuÈn vµ tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. Chóng (a) Mçi ph©n tö mARN th−êng ®−îc dÞch m· ®ång thêi bëi mét gióp cho tÕ bµo trong mét thêi gian rÊt ng¾n cã thÓ tæng hîp sè ribosome tËp hîp thµnh côm ®−îc gäi lµ polyribosome. ®−îc nhiÒu b¶n sao cña mét chuçi polypeptit nhÊt ®Þnh. Sù hoµn thiÖn vµ vËn chuyÓn protein Qu¸ tr×nh dÞch m· ®¬n thuÇn th−êng lµ ch−a ®ñ ®Ó cã thÓ t¹o Ribosome nªn mét ph©n tö protein ë d¹ng ho¹t ®éng chøc n¨ng. Trong phÇn nµy, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn nh÷ng biÕn ®æi cña protein mARN sau dÞch m· vµ mét sè c¬ chÕ vËn chuyÓn protein tíi ®Ých trong tÕ bµo, ë n¬i mµ chóng biÓu hiÖn chøc n¨ng. Sù biÕn ®æi vµ gËp xo¾n cña protein sau dÞch m· Ngay trong qu¸ tr×nh tæng hîp, chuçi polypeptit b¾t ®Çu cuén (b) ¶nh kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (TEM) xo¾n vµ gËp mét c¸ch tù ph¸t do kÕt qu¶ t−¬ng t¸c gi÷a c¸c nµy cho thÊy mét polyribosome kÝch th−íc ®o¹n tr×nh tù axit amin (cÊu tróc bËc 1) ë c¸c phÇn kh¸c nhau lín ë mét tÕ bµo vi khuÈn. cña chuçi, tõ ®ã h×nh thµnh nªn mét ph©n tö protein cã h×nh d¹ng ®Æc thï: nghÜa lµ, mét ph©n tö cã cÊu h×nh kh«ng gian ba  H×nh 17.16 CÊu tróc vµ ho¹t ®éng cña ribosome. chiÒu bËc 2 vµ bËc 3 (xem H×nh 5.21). Nh− vËy, gen x¸c ®Þnh cÊu tróc bËc 1; cßn cÊu tróc bËc 1 qui ®Þnh h×nh d¹ng cña ph©n sau dÞch m:. Trong qu¸ tr×nh nµy, nh÷ng axit amin nhÊt ®Þnh tö. Trong nhiÒu tr−êng hîp, mét nhãm c¸c protein gäi lµ ®−îc biÕn ®æi vÒ mÆt hãa häc, ch¼ng h¹n th«ng qua viÖc chóng chaperone (hoÆc chaperonin) gióp gËp xo¾n ph©n tö protein ®−îc g¾n thªm c¸c gèc ®−êng, lipit, c¸c nhãm phosphate, hoÆc theo ®óng c¸ch mµ tÕ bµo cÇn (xem H×nh 5.24). mét sè gèc hãa häc kh¸c n÷a. HoÆc, c¸c enzym ®Æc hiÖu sÏ lo¹i Tuy vËy, ®èi víi nhiÒu protein, chóng chØ ®¹t ®−îc tr¹ng bá bít mét hoÆc mét sè axit amin tõ ®o¹n dÉn ®Çu (®Çu amino) th¸i ho¹t ®éng chøc n¨ng ®óng cña chóng sau khi ®· tr¶i qua cña chuçi polypeptit. Trong mét sè tr−êng hîp, mét chuçi mét sè b−íc biÕn ®æi bæ sung ®−îc gäi lµ c¸c biÕn ®æi protein polypeptit cã thÓ ®−îc mét enzym c¾t thµnh hai hay nhiÒu ph©n 342 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
  19. ®o¹n ng¾n. Ch¼ng h¹n nh− insulin lóc ban ®Çu míi ®−îc tæng §iÒu g× quyÕt ®Þnh viÖc mét ribosome sÏ tån t¹i ë tr¹ng th¸i hîp lµ mét chuçi polypeptit duy nhÊt; nh−ng ®Ó trë thµnh d¹ng tù do trong phÇn bµo tan hay liªn kÕt víi m¹ng l−íi néi chÊt th« ho¹t ®éng chøc n¨ng, chuçi polypeptit nµy ®−îc c¾t bá mét vµo mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh? ViÖc tæng hîp mét chuçi ®o¹n ë gi÷a; hai ph©n ®o¹n cßn l¹i sau ®ã ®−îc g¾n víi nhau polypeptit lu«n b¾t ®Çu trong phÇn bµo tan, khi mét ribosome tù bëi c¸c cÇu disufit (-S-S-) ®Ó t¹o nªn mét ph©n tö protein gåm do b¾t ®Çu dÞch m· mét ph©n tö mARN. ë ®ã, qu¸ tr×nh dÞch hai tiÓu phÇn. Trong c¸c tr−êng hîp kh¸c, hai hay nhiÒu chuçi m· cø tiÕp diÔn cho ®Õn khi kÕt thóc - trõ khi chuçi polypeptit polypeptit ®−îc tæng hîp riªng rÏ (do c¸c gen kh¸c nhau m· ®ang kÐo dµi tù ®éng “nh¾c nhë” ribosome h·y ®Ýnh kÕt vµo hãa) tæ hîp víi nhau; chóng trë thµnh c¸c tiÓu ®¬n vÞ cña cïng ER. C¸c chuçi polypeptit thuéc c¸c protein mµ sau nµy lµ thµnh mét ph©n tö protein cã cÊu tróc bËc bèn ®Æc thï. Mét vÝ dô phÇn cÊu t¹o nªn c¸c hÖ thèng néi mµng hoÆc ®−îc xuÊt bµo cã quen thuéc nh− vËy lµ hemoglobin (xem H×nh 5.21). c¸c peptit tÝn hiÖu; chÝnh tÝn hiÖu nµy gióp ®−a protein tíi ER (H×nh 17.21). Peptit tÝn hiÖu th−êng lµ mét ®o¹n tr×nh tù gåm §−a protein tíi ®Ých kho¶ng 20 axit amin ë s¸t hoÆc gÇn ®Çu amino (®Çu ra tr−íc) C¸c h×nh ¶nh tõ kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö chôp c¸c tÕ bµo sinh vËt cña chuçi polypeptit. TÝn hiÖu nµy ®−îc nhËn biÕt bëi mét phøc nh©n thËt ®ang tæng hîp m¹nh protein cho thÊy cã hai lo¹i quÇn hÖ gåm cã ARN vµ protein cã tªn lµ h¹t nhËn biÕt tÝn hiÖu thÓ ribosome (vµ polyribosome) kh¸c nhau: mét lo¹i lµ d¹ng tù (signal-recognition particle, hay SRP). C¸c h¹t nµy cã chøc do cßn lo¹i kia lµ d¹ng liªn kÕt (xem H×nh 6.11). C¸c ribosome n¨ng nh− nh÷ng thÓ tiÕp hîp (adapter) gióp mang c¸c ribosome tù do ph©n t¸n kh¾p phÇn bµo tan ë tÕ bµo chÊt vµ chñ yÕu tæng tíi mét lo¹i protein thô thÓ ®Æc hiÖu trªn mµng ER. Thô thÓ nµy hîp c¸c protein mµ sau nµy ®−îc l−u l¹i vµ ho¹t ®éng trong lµ mét phÇn cña phøc hÖ chuyÓn vÞ gåm nhiÒu protein. Sù tæng phÇn bµo tan. Ng−îc l¹i, c¸c ribosome ë d¹ng liªn kÕt th−êng hîp chuçi polypeptit sÏ tiÕp tôc diÔn ra ë ®ã, ®ång thêi chuçi ®Ýnh kÕt trªn líp mÆt h−íng vÒ phÇn bµo tan cña m¹ng l−íi néi polypeptit ®ang kÐo dµi sÏ tr−ên vµ l¸ch qua c¸c lç protein trªn chÊt (ER) hoÆc mµng nh©n. C¸c ribosome ë d¹ng liªn kÕt tæng mµng ®Ó ®i vµo khoang ER. Peptit tÝn hiÖu th−êng ®−îc c¾t bá hîp c¸c protein lµ thµnh phÇn cña c¸c hÖ thèng néi mµng (vÝ dô sau ®ã bëi mét enzym. Trong tr−êng hîp protein ®−îc xuÊt bµo, nh− mµng nh©n, ER, bé m¸y Golgi, lyz«som, kh«ng bµo vµ phÇn cßn l¹i cña chuçi polypeptit hoµn chØnh sÏ ®−îc phãng mµng nguyªn sinh cña tÕ bµo), ngoµi ra lµ c¸c protein xuÊt bµo thÝch vµo phÇn dÞch cã trong khoang ER. Cßn nÕu ng−îc l¹i, (vÝ dô nh− insulin). Tuy vËy, c¸c ribosome cã thÓ chuyÓn tr¹ng khi protein lµ thµnh phÇn cña hÖ thèng néi mµng, nã sÏ ®−îc th¸i tõ d¹ng tù do sang d¹ng liªn kÕt. duy tr× vµ “nhóng” mét phÇn vµo mµng ER. Sù tæng hîp Mét SRP g¾n SRP liªn kÕt vµo protein SRP rêi khái chuçi Mét enzym PhÇn cßn l¹i cña chuçi polypeptit vµo peptit tÝn hiÖu, thô thÓ trªn mµng ER. Thô polypeptit; sù dÞch m· c¾t ®o¹n peptit chuçi polypeptit hoµn b¾t ®Çu tõ mét lµm dõng ®«i chót thÓ nµy lµ mét phÇn cña ®−îc kh«i phôc vµ diÔn ra tÝn hiÖu khái chØnh rêi khái ribosome ribosome tù do qu¸ tr×nh tæng hîp phøc hÖ chuyÓn vÞ. Phøc hÖ ®ång thêi víi viÖc chuçi chuçi polypeptit vµ gËp xo¾n thµnh trong bµo tan nµy cßn cã protein lç mµng polypeptit tr−ên xuyªn d¹ng cÊu h×nh ho¹t vµ enzym c¾t peptit tÝn hiÖu qua mµng. (Peptit tÝn hiÖu ®éng chøc n¨ng (kh«ng vÏ riªng ë ®©y) ®−îc gi÷ l¹i t¹i phøc hÖ chuyÓn vÞ) Ribosome mARN Peptit tÝn hiÖu Mµng ER H¹t nhËn Peptit tÝn biÕt tÝn hiÖu hiÖu ®−îc (SRP) c¾t bá Protein Protein PhÇn thô thÓ bµo tan cña SRP Xoang ER Phøc hÖ chuyÓn vÞ  H×nh 17.21 C¬ chÕ tÝn hiÖu ®−a tr×nh tù axit amin ®Æc thï víi ER. H×nh Protein nµy tiÕp tôc ®−îc biÕn ®æi vµ protein vµo m¹ng l−íi néi chÊt (ER). trªn minh häa qu¸ tr×nh dÞch m· mét hoµn thiÖn. Cuèi cïng c¸c nang vËn Mét chuçi polypeptit cuèi cïng ®−îc xuÊt bµo protein ®−îc xuÊt bµo diÔn ra ®ång thêi chuyÓn sÏ vËn chuyÓn nã ®Õn mµng hoÆc ®−a ®Õn hÖ thèng néi mµng th−êng b¾t víi viÖc nã ®−îc nhËp vµo xoang ER. nguyªn sinh vµ tiÕn hµnh xuÊt bµo ®Çu tõ mét ®o¹n peptit tÝn hiÖu, ®ã lµ mét ®o¹n Trong ER vµ sau ®ã lµ trong Golgi, (xem H×nh 7.10) Ch−¬ng 17 Tõ gen ®Õn protein 343
  20. C¸c ®o¹n peptit tÝn hiÖu kh¸c ®−îc dïng ®Ó vËn chuyÓn c¸c lo¹n hoÆc c¸c bÖnh di truyÒn. VÝ dô nh−, chóng ta sÏ thÊy c¬ së chuçi polypeptit tíi ti thÓ, l¹p thÓ, qua mµng nh©n vµo trong di truyÒn häc cña bÖnh thiÕu m¸u hång cÇu h×nh liÒm lµ do mét nh©n tÕ bµo hoÆc tíi c¸c bµo quan kh¸c kh«ng ph¶i lµ thµnh ®ét biÕn ë mét cÆp baz¬ duy nhÊt trªn gen m· hãa chuçi β- phÇn cña hÖ thèng néi mµng. §iÓm kh¸c biÖt quan träng nhÊt ë globin cña hemoglobin. Sù thay ®æi cña mét nucleotit ®¬n lÎ nh÷ng tr−êng hîp nµy lµ qu¸ tr×nh dÞch m· diÔn ra hoµn toµn trªn m¹ch khu«n ADN dÉn ®Õn sù h×nh thµnh mét protein bÊt trong phÇn bµo tan tr−íc khi c¸c chuçi polypeptit ®−îc nhËp th−êng (H×nh 17.22; xem thªm H×nh 5.22). ë nh÷ng ng−êi khÈu vµo c¸c bµo quan t−¬ng øng cña chóng. C¬ chÕ vËn ®ång hîp tö vÒ alen ®ét biÕn, viÖc c¸c tÕ bµo hång cÇu trë nªn chuyÓn c¸c protein ®Õn ®Ých rÊt ®a d¹ng, nh−ng trong mäi cã h×nh liÒm do sù biÕn ®æi cña hemoglobin dÉn ®Õn nhiÒu triÖu tr−êng hîp ®· ®−îc nghiªn cøu ®Õn nay, “m· ®Þa chØ” h−íng chøng bÖnh lý kh¸c nhau (xem Ch−¬ng 14). Mét vÝ dô kh¸c lµ dÉn vÞ trÝ ®Þnh vÞ trong tÕ bµo cña c¸c protein còng nh− n¬i mét d¹ng bÖnh tim dÉn ®Õn ®ét tö trong tËp luyÖn thÓ thao ë chóng ®−îc xuÊt bµo ®Òu lµ c¸c tr×nh tù peptit tÝn hiÖu ®Æc thï. mét sè vËn ®éng viªn trÎ, ®−îc gäi lµ bÖnh c¬ tim theo dßng hä. Vi khuÈn còng sö dông c¸c peptit tÝn hiÖu ®Ó x¸c ®Þnh c¸c Nguyªn nh©n g©y bÖnh nµy ®−îc x¸c ®Þnh lµ do ®ét biÕn ®iÓm protein xuÊt bµo. x¶y ra ë mét sè gen cã liªn quan; trong ®ã, mçi ®ét biÕn ®Òu cã nguy c¬ g©y bÖnh. KiÓm tra kh¸i niÖm 17.5 1. Hai qu¸ tr×nh nµo ®¶m b¶o cho viÖc bæ sung ®óng mét C¸c lo¹i ®ét biÕn ®iÓm axit amin vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi? C¸c ®ét biÕn ®iÓm x¶y ra trong c¸c gen cã thÓ chia thµnh hai 2. Nªu tÝnh −u viÖt cña sù h×nh thµnh cÊu tróc polyribosome nhãm lín: i) sù thay thÕ cÆp baz¬ vµ ii) sù mÊt hoÆc thªm cÆp trong qu¸ tr×nh dÞch m· ®èi víi tÕ bµo. baz¬. H·y xem nh÷ng ®ét biÕn nµy cã thÓ g©y ¶nh h−ëng ®Õn 3. M« t¶ b»ng c¸ch nµo mét chuçi polypeptit xuÊt bµo cã protein nh− thÕ nµo. thÓ ®−îc vËn chuyÓn tíi hÖ thèng néi mµng. C¸c ®ét biÕn thay thÕ 4. ®iÒu g× nÕu Th¶o luËn b»ng c¸ch nµo mµ c¸c C¸c ®ét biÕn thay thÕ cÆp baz¬ lµ nh÷ng ®ét biÕn mµ ë ®ã ®Æc ®iÓm cÊu tróc cña rARN cã thÓ tham gia thùc mét cÆp nucleotit nµy ®−îc thay thÕ b»ng mét cÆp nucleotit hiÖn chøc n¨ng cña ribosome. kh¸c (H×nh 17.23a). Mét sè d¹ng thay thÕ ®−îc gäi lµ c¸c ®ét Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. biÕn c©m, bëi v× do tÝnh tho¸i hãa cña m· di truyÒn, chóng kh«ng g©y ¶nh h−ëng ®Õn kiÓu h×nh vµ biÓu hiÖn chøc n¨ng cña protein do gen (mµ ë ®ã ®ét biÕn x¶y ra) m· hãa. Nãi c¸ch Kh¸i niÖm 17.5 kh¸c, sù thay ®æi mét cÆp baz¬ cã thÓ chuyÓn mét bé ba m· hãa nµy thµnh mét bé ba m· hãa kh¸c, nh−ng c¶ hai bé ba ®Òu §ét biÕn ®iÓm cã thÓ ¶nh h−ëng cïng m· hãa cho mét axit amin. VÝ dô: nÕu 3’-CCG-5’ trªn m¹ch khu«n bÞ ®ét biÕn thµnh 3’-CCA-5’, th× bé ba m· hãa trªn ®Õn cÊu tróc vµ chøc n¨ng protein mARN lµ GGC sÏ bÞ biÕn ®æi thµnh GGU; nh−ng víi c¶ hai bé ba m· hãa nµy, axit amin ®−îc chän cµi vµo chuçi polypeptit B©y giê chóng ta sÏ t×m hiÓu qu¸ tr×nh biÓu hiÖn cña gen; qua ®Òu lµ glycine (xem H×nh 17.5). C¸c ®ét biÕn thay thÕ còng cã ®ã, chóng ta cã thÓ hiÓu ®−îc b»ng c¸ch nµo nh÷ng thay ®æi thÓ diÔn ®Õn c¸c ®ét biÕn sai nghÜa. Mét ®ét biÕn sai nghÜa nh− trong th«ng tin di truyÒn cña mét tÕ bµo (hoÆc virut) cã thÓ g©y vËy cã thÓ chØ g©y ¶nh h−ëng Ýt ®Õn protein, nÕu nh− axit amin nªn c¸c ¶nh h−ëng vÒ kiÓu h×nh. Nh÷ng thay ®æi nµy, ®−îc gäi míi cã c¸c thuéc tÝnh gièng víi axit amin mµ nã thay thÕ, hoÆc lµ c¸c ®ét biÕn, chÝnh lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn sù ®a d¹ng, khi nã n»m ë trong miÒn cÊu tróc Ýt cã tÝnh quyÕt ®Þnh ®Õn ho¹t phong phó cña c¸c gen ë mäi loµi sinh vËt; nãi nh− vËy bëi v× ®éng chøc n¨ng cña protein. c¸c ®ét biÕn chÝnh lµ nguån gèc tËn cïng cña mäi gen míi. Trªn H×nh ADN hemoglobin kiÓu d¹i ADN hemoglobin ®ét biÕn Trªn ADN, m¹ch khu«n 15.15, chóng ta ®· thÊy c¸c d¹ng ®ét ®ét biÕn (bªn trªn) cã A biÕn ë qui m« lín; ®ã lµ c¸c ®ét biÕn thay thÕ cho T ë m¹ch s¾p xÕp l¹i nhiÔm s¾c thÓ g©y ¶nh khu«n kiÓu d¹i h−ëng ®Õn c¸c ®o¹n dµi cña ADN. Cßn ë ®©y, chóng ta chØ tËp trung ®Ò cËp ®Õn c¸c ®ét biÕn ®iÓm, tøc lµ mARN mARN M¹ch mARN ®ét biÕn nh÷ng thay ®æi hãa häc x¶y ra ë mét cã U thay cho A ë mét cÆp baz¬ nucleotit duy nhÊt cña gen. bé ba m· hãa NÕu ®ét biÕn ®iÓm xuÊt hiÖn trong c¸c tÕ bµo giao tö hoÆc c¸c tÕ Hemoglobin ®ét biÕn Hemoglobin b×nh th−êng Hemoglobin tÕ bµo h×nh liÒm bµo ph¸t sinh giao tö, th× nã cã thÓ (tÕ bµo h×nh liÒm) cã ®−îc chuyÒn cho thÕ hÖ con vµ c¸c valine (Val) thay thÕ thÕ hÖ con, ch¸u sau nµy. NÕu ®ét cho axit glutamic (Glu) biÕn g©y ¶nh h−ëng bÊt lîi ®Õn kiÓu ë hemoglobin kiÓu d¹i h×nh cña con vËt th× tr¹ng th¸i ®ét  H×nh 17.22 C¬ së ph©n tö cña bÖnh hång cÇu h×nh liªm: ®ét biÕn ®iÓm. Alen biÕn g©y nªn ®−îc gäi lµ c¸c rèi g©y bÖnh hång cÇu h×nh liÒm kh¸c víi alen kiÓu d¹i (b×nh th−êng) bëi mét cÆp baz¬ ADN duy nhÊt. 344 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2