1. Lý thuyết phiên mã và dịch mã Sinh 12
1.1. Khái niệm phiên mã
Sự truyền thông tin di truyền từ phân tử ADN mạch kép sang phân tử ARN mạch đơn được gọi là quá trình phiên mã, hay còn gọi là sự tổng hợp ARN.
Ở sinh vật nhân thực, quá trình tổng hợp ARN diễn ra chủ yếu trong nhân tế bào, vào kì trung gian, giữa 2 lần phân bào, khi NST đang ở trạng thái dãn xoắn.
Ở sinh vật nhân sơ, do không có màng nhân nên phiên mã xảy ra ở tế bào chất.
Phiên mã tạo ra nhiều loại ARN khác nhau: mARN, tARN, rARN và cả các ARN kích thước nhỏ.
1.2. Khái niệm dịch mã
Mã di truyền chứa trong mARN được chuyển thành trình tự các axit amin trong chuỗi polipeptit của protein được gọi là quá trình dịch mã, hay còn gọi là sự tổng hợp protein.
Dịch mã là quá trình tiếp theo của phiên mã.
2. Cơ chế phiên mã và dịch mã
2.1. Cơ chế phiên mã
a) Thành phần tham gia phiên mã
Các thành phần tối thiểu cần cho quá trình phiên mã gồm:
ADN khuôn.
Ribonucleotit tự do: A, U, G, X.
Enzim ARN polimeraza.
b) Diễn biến quá trình phiên mã
Quá trình phiên mã gồm có 3 giai đoạn là khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
Bước 1: Khởi đầu phiên mã
Ban đầu, ADN được cuộn xoắn và liên kết với protein. Khi có tín hiệu phiên mã, đoạn ADN đó dãn xoắn làm lộ ra vùng điều hòa.
ARN pol nhận biết mạch gốc và bám vào, trượt dọc ADN theo chiều 3’ - 5’. Điểm khởi đầu phiên mã được nhận biết nhờ yếu tố sigma.
Bước 2: Kéo dài chuỗi ARN
Khi ARN bắt đầu được tổng hợp, yếu tố sigma tách ra khỏi phức hệ phiên mã.
Enzim ARN pol trượt dọc trên mạch khuôn ADN và trong quá trình đó, các Nucleotit trong môi trường lần lượt liên kết với các Nucleotit trên ADN theo nguyên tắc bổ sung: A gốc - U môi trường; T gốc - A môi trường; G gốc - X môi trường; X gốc - G môi trường.
ATP được sử dụng để cung cấp nguyên liệu giúp các Nu mới liên kết với nhau bằng liên kết photphodieste, hình thành một chuỗi poliribonucleotit liên tục có chiều 5’ - 3’.
Các đoạn mà ARN pol đã đi qua lập tức được đóng xoắn lại trở về ADN dạng kép như ban đầu.
Đây là giai đoạn lâu nhất của quá trình phiên mã.
Bước 3: Kết thúc phiên mã
Khi nhận biết được tín hiệu kết thúc phiên mã, ARN pol giải phóng khỏi ADN và liên kết trở lại với yếu tố sigma để tái sử dụng trong các lần phiên mã tiếp theo.
Hai mạch của gen liên kết trở lại với nhau.
→ Kết quả: Mỗi lần phiên mã tạo ra 1 phân tử ARN (mARN, tARN hoặc rARN) sẽ tham gia vào quá trình dịch mã tiếp theo.
Diễn biến quá trình phiên mã về cơ bản là giống nhau giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực, nhưng giữa chúng cũng có một số điểm khác biệt như:
- Sinh vật nhân sơ chỉ có 1 loại ARN pol; sinh vật nhân thực có nhiều loại ARN pol.
- Sinh vật nhân sơ, mARN sau khi phiên mã được sử dụng để dịch mã luôn, phiên mã dịch mã diễn ra đồng thời ở tế bào chất; sinh vật nhân thực, phân tử mARN sơ khai mới tạo ra cần trải qua quá trình biến đổi mARN (gắn mũ m7G, đuôi polyA, cắt intron nối exon) mới trở thành mARN trưởng thành ra ngoài tế bào chất và tiến hành dịch mã.
2.2. Cơ chế dịch mã
a) Thành phần tham gia dịch mã
mARN, tARN, riboxom
Enzim aminoacyl tRNA synthetase gắn amino acid với tRNA tương ứng.
Các axit amin tự do.
b) Diễn biến quá trình dịch mã
Dịch mã gồm 3 giai đoạn tương tự phiên mã là khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
Khởi đầu dịch mã.
Tiểu đơn vị nhỏ của riboxom gắn vào mARN và trượt dọc tìm bộ 3 mở đầu 5’ - AUG 3’. tARN mang axit amin Met (ở sinh vật nhân thực) hoặc fMet (ở sinh vật nhân sơ) đến khớp với bộ 3 mở đầu theo nguyên tắc bổ sung.
Sau đó, tiểu đơn vị lớn liên kết với phức hệ hình thành riboxom hoàn chỉnh. Lúc này tARN-Met đang ở vị trí P của riboxom.
Trình tự các Nu trên mARN được mã hóa thành trình tự các Nu trên chuỗi polipeptit theo bảng mã di truyền sau:
Kéo dài chuỗi:
+ tARN mang axit amin tiếp theo đi vào vị trí A của riboxom khớp bổ sung đối mã với codon tiếp theo trên mRNA. Enzim xúc tác hình thành liên kết peptit giữa axit amin mở đầu và axit amin thứ hai.
+ Riboxom dịch chuyển đi một bộ ba trên mARN, tARN đã mất đi axit amin mở đầu dịch sang vị trí E và rời khỏi riboxom.
+ Sự dịch chuyển riboxom tiếp tục diễn ra và làm kéo dài chuỗi polipeptit.
Kết thúc dịch mã:
+ Khi riboxom di chuyển đến 1 trong 3 codon kết thúc (5’ UAG 3’; 5’ UGA 3’; 5’ UAA 3’) không mã hóa axit amin mà chỉ mang tín hiệu kết thúc thì quá trình phiên mã dừng lại.
+ 2 tiểu phần của riboxom tách ra khỏi phức hệ, axit amin mở đầu được cắt bỏ hình thành cấu trúc chuỗi polipeptit bậc 1, hoàn tất quá trình dịch mã.
+ Poliriboxom: Nhiều riboxom cùng dịch mã cùng lúc trên 1 phân tử mARN làm tăng hiệu suất tổng hợp protein gọi là poliriboxom.
Đăng ký ngay để được các thầy cô tổng hợp kiến thức và xây dựng lộ trình ôn thi tốt nghiệp THPT sớm ngay từ bây giờ
3. Sự giống nhau giữa phiên mã và dịch mã
Cả phiên mã dịch mã đều là quá trình biểu hiện gen.
Cả 2 quá trình đều liên quan đến ARN.
Đều cần có khuôn và tổng hợp dựa theo nguyên tắc bổ sung.
Đều bao gồm 3 giai đoạn như sau: khởi đầu, kéo dài & kết thúc.
4. Phiên mã và dịch mã khác nhau như thế nào?
Phiên mãDịch mã Phiên mã là bước đầu tiên của biểu hiện gen, thông tin di truyền được chuyển từ trình tự mạch khuôn trên ADN sang trình tự trên mARN Dịch mã là bước thứ hai của biểu hiện gen, tạo ra protein có chức năng từ thông tin được mã hóa trên trình tự của mARN Ở sinh vật nhân thực, phiên mã sẽ xảy ra ở trong nhân Ở sinh vật nhân thực, dịch mã xảy ra trong tế bào chất Phiên mã dùng khuôn là mạch ADN gốc của gen Dịch mã dùng khuôn là mARN Nguyên liệu chính của phiên mã là các ribonucleotit A, U, G, X Nguyên liệu chính của dịch mã là 20 loại axit amin Enzim tham gia chính là ARN polimeraza Enzim aminoacyl tRNA synthetase gắn các axit amin với tARN tương ứng Sản phẩm của phiên mã tạo ra phân tử mARN có trình tự bổ sung với ADN mạch gốc Sản phẩm của dịch mã tạo ra chuỗi peptit Phiên mã được điều hòa bởi sự cuộn xoắn NST, methyl hóa ADN,... vùng 3’ của gen có promoter hoặc thêm cả các trình tự tăng cường làm tăng biểu hiện gen Dịch mã chủ yếu được điều hòa bằng sự gắn của 2 tiểu phần của riboxom. Nhiều loại độc tố cũng như thuốc có đích tác động là quá trình gắn riboxom và dịch mã này Ở sinh vật nhân thực, mARN sơ khai sau khi được tổng hợp trải qua quá trình gắn mũ m7G, đuôi poliA và cắt bỏ các intron, nối các exon mới thành mARN trưởng thành và được tham gia dịch mã Chuỗi peptit sau khi được tổng hợp được cắt bỏ axit amin mở đầu, gắn thêm các nhóm chức, biến đổi cấu hình và đi vào hoạt động5. Một số mối liên quan giữa nhân đôi, phiên mã và dịch mã
5.1. Mối quan hệ nhân đôi phiên mã và dịch mã
Nhân đôi, phiên mã, dịch mã là 3 giai đoạn của biểu hiện gen, trong đó:
Sản phẩm của quá trình trước là khuôn của quá trình sau nó. ADN nhân đôi dựa trên 2 mạch của phân tử ADN ban đầu. Mạch gốc ADN là khuôn để tổng hợp nên mARN trong quá trình phiên mã. mARN lại là khuôn để tổng hợp nên chuỗi polipeptit trong quá trình dịch mã.
Trình tự các Nu trên mạch khuôn ADN quy định trình tự các Nu các ADN con và trình tự mạch mARN. Trình các Nu trên mARN lại quy định trình tự các axit amin trong chuỗi polipeptit.
Nếu đột biến xảy ra trên ADN làm thay đổi trình tự các Nu có thể làm thay đổi cả trình tự Nu trên mARN và trình tự axit amin trên chuỗi polipeptit và ảnh hưởng đến hoạt tính protein.
5.2. Nguyên tắc chung của quá trình nhân đôi, phiên mã và dịch mã
Mỗi quá trình diễn ra đều tuân thủ theo một số quy tắc nhất định. Trong đó, quá trình nhân đôi ADN, phiên mã và dịch mã đều diễn ra theo nguyên tắc bổ sung giữa các Nucleotit: A liên kết với T hoặc U bằng 2 liên kết hidro, G liên kết với X bằng 3 liên kết hidro và ngược lại.
>> Xem thêm: Quá trình nhân đôi ADN diễn ra ở đâu?
6. Các dạng bài tập trắc nghiệm về phiên mã và dịch mã (có đáp án)
Tính số lượng Nu mỗi loại trên ARN.
Tính tỉ lệ Nu mỗi loại trên ARN.
Tính số lần phiên mã.
Tính số lượng axit amin trong chuỗi polipeptit.
Ví dụ 1: Một phân tử mARN được hình thành có hiệu số giữa các ribonucleotit là A - U = 450; X - U = 300. Trên mạch khuôn của gen mã hóa mARN này có T - X = 20%. Biết gen tổng hợp mARN dài 6120 Å. Số lượng Nu loại A của mARN là:
A. 540
B. 240
C. 690
D. 330
=> Đáp án đúng là C vì:
Số lượng Nu trên gen là: 6120/3.4 .2= 3600
Số lượng Nu trên mạch mARN là: 3600/2 = 1800
Ta có: T gốc - X gốc = 0.2 x 1800 ⇔ rA - rG = 3600 ⇔ rG = rA - 360
rA - rU = 450 ⇔ rU = rA - 450
rX - rU = 300 ⇔ rX = rU + 300 = rA - 450 + 300 = rA - 150
Mà rA + rU + rG + rX = 1800 ⇔ rA + rA - 450 + rA - 360 + rA - 150 = 1800
Vậy rA = 690 Nu
Ví dụ 2: Ở sinh vật nhân sơ, một gen cấu trúc có chiều dài 0.408 µm. Hỏi chuỗi polipeptit do gen này tổng hợp sẽ bao gồm bao nhiêu axit amin? Biết rằng quá trình phiên mã và dịch mã xảy ra bình thường và không tính axit amin mở đầu.
A. 399
B. 398
C. 400
D. 798
=> Đáp án đúng là B vì:
Đổi 0.408 µm = 4080 Å
Số Nu trên mạch mARN là: 4080/3.4 = 1200
Cứ 3 Nu liền nhau trên mARN tạo thành 1 bộ ba và các bộ 3 không chồng lấn lên nhau nên ta có số bộ ba được tạo ra trên mARN là: 1200/3 = 400
Bộ ba kết thúc chỉ mang tín hiệu kết thúc mà không mã hóa cho axit amin nên số bộ ba mã hóa axit amin là: 400 - 1 = 399
Sau khi chuỗi polipeptit tổng hợp sau, axit amin mở đầu được cắt khỏi chuỗi nên số axit amin còn lại trong chuỗi polipeptit hoàn chỉnh là: 399 - 1 = 398
Các em có thể tải Sơ đồ tư duy tại đây: Sơ đồ tư duy phiên mã và dịch mã
Đăng ký ngay để nhận bí kíp nắm trọn kiến thức và phương pháp giải tất cả các dạng bài Sinh 12 ngay!
Trên đây là toàn bộ những thông tin cần thiết liên quan đến quá trình phiên mã và dịch mã. Đây là một phần rất quan trọng trong chương trình Sinh 12 và đòi hỏi các em phải nắm thật chắc, chúc các em ôn tập tốt. Ngoài ra, em có thể truy cập ngay Vuihoc.vn để xem thêm các bài giảng phiên mã và dịch mã hoặc liên hệ trung tâm hỗ trợ để nhận thêm bài giảng và chuẩn bị được kiến thức tốt nhất cho kỳ thi THPT quốc gia sắp tới nhé!
>> Xem thêm:
- Di truyền ngoài nhân: Đặc điểm và quy luật di truyền
- Tạo giống nhờ công nghệ gen: Lý thuyết và bài tập
- Lý thuyết nguồn gốc sự sống và bài tập trắc nghiệm
- Gen di truyền là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng
