Cả chương này chỉ xoay quanh một dòng chảy thông tin: DNA giữ bản gốc, mRNA mang bản sao ra ngoài, ribosome đọc bản sao đó để lắp amino acid. Nắm chắc ba khâu ấy thì phần lớn câu hỏi tính toán chỉ còn là phép chia.
Gene là một đoạn của phân tử DNA mang thông tin mã hoá một sản phẩm xác định (chuỗi polypeptide hoặc một loại RNA). Một gene cấu trúc điển hình gồm ba vùng theo chiều 3' đến 5' của mạch mã gốc:
Hai mạch của gene có vai trò khác nhau. Mạch mã gốc (còn gọi là mạch khuôn) có chiều 3' đến 5' và là mạch được dùng làm khuôn phiên mã. Mạch bổ sung có chiều 5' đến 3', không được dùng làm khuôn nhưng lại có trình tự giống hệt mRNA, chỉ khác T thay cho U. Đây là chỗ đề thi hay gài bẫy nhất.
Mã di truyền là mã bộ ba: cứ ba nucleotide liền nhau trên mRNA (một codon) mã hoá một amino acid. Có 64 codon, trong đó 61 codon mã hoá amino acid và 3 codon kết thúc là 5'–UAA–3', 5'–UAG–3', 5'–UGA–3'. Codon mở đầu 5'–AUG–3' vừa báo hiệu bắt đầu dịch mã vừa mã hoá methionine.
| Đặc điểm | Nội dung | Hệ quả khi làm bài |
|---|---|---|
| Tính phổ biến | Hầu hết các loài dùng chung một bảng mã | Ghép gene người vào vi khuẩn vẫn cho đúng sản phẩm |
| Tính đặc hiệu | Một codon chỉ mã hoá một loại amino acid | Đọc xuôi từ mRNA sang amino acid là duy nhất |
| Tính thoái hoá | Nhiều codon khác nhau cùng mã hoá một amino acid | Đọc ngược từ amino acid về codon thì không duy nhất |
| Đọc liên tục | Đọc từng bộ ba nối tiếp, không gối lên nhau | Thêm hoặc mất một cặp nucleotide làm lệch khung đọc |
RNA polymerase bám vào vùng điều hoà, tháo xoắn gene và trượt dọc mạch mã gốc theo chiều 3' đến 5', đồng thời tổng hợp mRNA theo chiều 5' đến 3' theo nguyên tắc bổ sung A với U, T với A, G với C, C với G. Ở sinh vật nhân thực, mRNA sơ khai còn phải cắt bỏ intron, nối exon mới thành mRNA trưởng thành rời nhân.
Vì sao RNA polymerase bắt buộc trượt trên mạch mã gốc theo chiều 3' đến 5'? Vì enzyme này chỉ biết nối nucleotide mới vào đầu 3' tự do của chuỗi RNA đang dài ra. Chuỗi RNA vì thế chỉ mọc dài theo chiều 5' đến 3', mà hai mạch bổ sung luôn ngược chiều nhau, nên khuôn phải được đọc theo chiều ngược lại. Đây là lý do cơ học, không phải quy ước học thuộc: nhớ được nó thì không bao giờ viết mRNA cùng chiều với mạch khuôn.
Trường hợp phải cẩn thận: ở sinh vật nhân thực, mRNA sơ khai còn chứa intron, nên công thức quen thuộc "số bộ ba bằng N chia 6" chỉ đúng khi đề nói rõ là sinh vật nhân sơ hoặc cho thẳng chiều dài mRNA trưởng thành. Gặp đề nhân thực mà đề chỉ cho tổng số nucleotide của gene thì không tính được số amino acid, trừ khi đề cho thêm tổng chiều dài các intron.
Dịch mã gồm hai giai đoạn. Giai đoạn hoạt hoá amino acid: mỗi amino acid được gắn vào tRNA tương ứng nhờ enzyme và năng lượng ATP. Giai đoạn tổng hợp chuỗi polypeptide gồm ba bước mở đầu, kéo dài và kết thúc.
Nhiều ribosome cùng trượt trên một mRNA tạo thành polysome, nên một lần phiên mã có thể cho ra hàng chục chuỗi polypeptide giống nhau.
Gọi N là tổng số nucleotide của gene (vùng mã hoá), A, T, G, C là số nucleotide từng loại. Vì gene là DNA mạch kép nên A bằng T, G bằng C và N bằng 2A cộng 2G.
| Đại lượng | Công thức | Ghi chú bắt buộc nhớ |
|---|---|---|
| Số nucleotide mỗi mạch | $\dfrac{N}{2}$ | Mọi phép tính chiều dài đều dùng số này |
| Chiều dài gene | $L=\dfrac{N}{2}\times 3{,}4$ (đơn vị angstrom) | Mỗi nucleotide trên một mạch dài 3,4 angstrom |
| Số chu kì xoắn | $C=\dfrac{N}{20}$ | Mỗi chu kì gồm 10 cặp nucleotide |
| Số liên kết hydrogen | $H=2A+3G$ | A với T có 2 liên kết, G với C có 3 liên kết |
| Số nucleotide của mRNA | $\dfrac{N}{2}$ | mRNA chỉ chép từ một mạch |
| Số codon trên mRNA | $\dfrac{N}{6}$ | Đã gồm cả codon mở đầu và codon kết thúc |
| Số amino acid môi trường cung cấp | $\dfrac{N}{6}-1$ | Trừ 1 vì codon kết thúc không mã hoá amino acid |
| Số amino acid của chuỗi hoàn chỉnh | $\dfrac{N}{6}-2$ | Trừ tiếp methionine mở đầu bị cắt bỏ |
| Số liên kết peptide của chuỗi hoàn chỉnh | $\dfrac{N}{6}-3$ | Chuỗi có $k$ amino acid thì có $k-1$ liên kết |
Ba dòng cuối bảng chính là chỗ mất điểm nhiều nhất: bốn con số $\dfrac{N}{6}$, $\dfrac{N}{6}-1$, $\dfrac{N}{6}-2$, $\dfrac{N}{6}-3$ chỉ hơn kém nhau một đơn vị, và đề luôn đặt cả bốn vào bốn phương án. Trước khi tính, hãy đọc lại đúng một lần xem đề hỏi codon, hỏi amino acid môi trường cung cấp, hỏi amino acid của chuỗi hoàn chỉnh hay hỏi liên kết peptide.
Trên thực tế một phân tử mRNA hiếm khi chỉ có một ribosome: nhiều ribosome cùng trượt nối đuôi nhau tạo thành polysome, nhờ đó tế bào tạo rất nhiều bản sao của cùng một chuỗi polypeptide trong thời gian ngắn. Hệ quả trong bài tập rất rõ: số ribosome không làm thay đổi số codon của mRNA, cũng không làm thay đổi số amino acid của một chuỗi; nó chỉ nhân số chuỗi lên. Vì vậy khi đề nói “5 ribosome trượt qua một lượt” thì phải tính xong cho một chuỗi rồi mới nhân 5, tuyệt đối không đem 5 nhân vào số codon.
Cũng cần nhớ hai giới hạn của bảng công thức trên. Thứ nhất, nó viết cho vùng mã hoá của gene; nếu đề cho tổng chiều dài cả gene kể cả vùng điều hoà và vùng kết thúc thì không dùng thẳng được. Thứ hai, nó chỉ đúng với sinh vật nhân sơ: gene nhân thực còn intron nên mRNA trưởng thành ngắn hơn, số codon nhỏ hơn $\dfrac{N}{6}$, và bài chỉ giải được khi đề cho thêm tổng chiều dài các intron hoặc cho thẳng chiều dài mRNA trưởng thành.
Gene là DNA mạch kép nên nguyên tắc bổ sung cho ngay $A=T$ và $G=C$. Đề cho $N=1500$ và $A=300$, vậy $T=300$. Hai đại lượng còn thiếu là $G$ và $C$.
Tổng số nucleotide của gene mạch kép luôn thoả
$$N=2A+2G \Rightarrow 1500=2\times 300+2G \Rightarrow G=C=450.$$Bốn loại nucleotide của gene: $A=T=300$ và $G=C=450$.
Chiều dài đo dọc theo trục phân tử, mà hai nucleotide đối diện nhau trong một cặp nằm trên cùng một mặt phẳng nên chỉ đếm nucleotide của một mạch:
$$L=\dfrac{N}{2}\times 3{,}4=\dfrac{1500}{2}\times 3{,}4=750\times 3{,}4=2550\ \text{angstrom}.$$Cặp $A-T$ có 2 liên kết hydrogen, cặp $G-C$ có 3 liên kết. Hệ số 2 và 3 gắn với cặp, nên chỉ lấy $A$ và $G$, không cộng thêm $T$ và $C$ nữa:
$$H=2A+3G=2\times 300+3\times 450=600+1350=1950.$$Cộng ngược bốn loại nucleotide: $300+300+450+450=1500$, khớp đề. Kiểm số liên kết hydrogen bằng công thức thứ hai $H=N+G=1500+450=1950$, ra đúng con số ở bước 4. Hai đường khác nhau cùng về một chỗ thì kết quả gần như chắc chắn đúng.
$A=T=300$; $G=C=450$; chiều dài gene $2550$ angstrom; số liên kết hydrogen $1950$.
Lấy cả $1500$ nucleotide nhân $3{,}4$ sẽ ra $5100$ angstrom — đúng gấp đôi chiều dài thật, và $5100$ luôn là một phương án nhiễu có sẵn. Lấy $H=3A+2G$ thay vì $2A+3G$ sẽ ra $900+900=1800$, lệch $150$ liên kết.
Phiên mã dùng mạch mã gốc làm khuôn, ghép bổ sung theo quy tắc: khuôn T cho A, khuôn A cho U, khuôn G cho C, khuôn C cho G. Mạch khuôn có chiều 3' đến 5' nên mRNA sinh ra có chiều 5' đến 3' — hai đầu phải viết ngược nhau, đây là chỗ mất điểm oan nhiều nhất.
Viết mạch khuôn và mRNA thẳng cột với nhau thì mỗi bộ ba ứng với bộ ba nào là nhìn thấy ngay, không cần nhẩm:
Vậy mRNA là 5'–AUG CCC UUA GGU UAA–3'.
Đoạn mRNA có 5 codon. Codon cuối UAA thuộc nhóm ba codon kết thúc (UAA, UAG, UGA) nên không mã hoá amino acid nào. Số amino acid môi trường phải cung cấp là $5-1=4$, gồm Met, Pro, Leu, Gly.
Amino acid đầu tiên là methionine do codon mở đầu AUG quy định. Sau khi tổng hợp xong, enzyme cắt bỏ methionine mở đầu, nên chuỗi hoàn chỉnh chỉ còn $4-1=3$ amino acid: Pro, Leu, Gly.
Đếm ngược từ chuỗi hoàn chỉnh: 3 amino acid, cộng lại methionine mở đầu là 4 amino acid đã được lắp, cộng codon kết thúc là 5 codon, nhân 3 là 15 nucleotide trên mRNA — đúng bằng 15 nucleotide của đoạn mạch khuôn đề cho. Vòng kiểm khép kín thì không sót lần trừ nào.
mRNA: 5'–AUG CCC UUA GGU UAA–3'. Môi trường cung cấp 4 amino acid; chuỗi polypeptide hoàn chỉnh có 3 amino acid.
Trừ lần đầu vì codon kết thúc không mã hoá; trừ lần sau vì methionine mở đầu bị cắt. Quên lần trừ thứ hai thì ra 4, quên cả hai thì ra 5 — đúng hai phương án nhiễu mà đề luôn đặt sẵn. Ngoài ra nếu đọc nhầm mạch bổ sung thành mạch khuôn, ta sẽ được chuỗi bắt đầu bằng UAC chứ không phải AUG: hễ mRNA không mở đầu bằng AUG thì gần như chắc chắn đã chép nhầm mạch.
Gene là DNA mạch kép nhưng chỉ một mạch được dùng làm khuôn, nên số nucleotide của mRNA bằng một nửa của gene: $3600:2=1800$ nucleotide.
Mã di truyền là mã bộ ba đọc liên tục, không gối lên nhau:
Số codon bằng $\dfrac{1800}{3}=600$. Gộp hai bước lại thành một công thức nhanh:
$$\dfrac{N}{6}=\dfrac{3600}{6}=600.$$Trong 600 codon có đúng một codon kết thúc không mã hoá amino acid, nên mỗi ribosome cần môi trường cung cấp $600-1=599$ amino acid.
Bốn ribosome trượt qua một lượt tạo 4 chuỗi polypeptide giống hệt nhau. Ribosome không đụng gì tới số codon của mRNA, nó chỉ nhân số bản sao sản phẩm:
$$599\times 4=2396\ \text{amino acid}.$$Chuỗi vừa tổng hợp có 599 amino acid; cắt methionine mở đầu còn 598. Chuỗi có $k$ amino acid thì có $k-1$ liên kết peptide, vậy chuỗi hoàn chỉnh có $598-1=597$ liên kết peptide.
Xếp bốn đại lượng của cùng một gene thành một dãy giảm dần đúng một đơn vị mỗi bậc thì rất khó nhầm:
Đề hỏi đại lượng nào thì lấy đúng dòng đó; bốn con số này chính là bốn phương án của câu trắc nghiệm.
600 codon; môi trường cung cấp $2396$ amino acid cho cả 4 chuỗi; mỗi chuỗi hoàn chỉnh có $597$ liên kết peptide.
Nhân 4 vào số codon để ra $2400$ là hiểu sai vai trò của ribosome — mRNA vẫn chỉ có 600 codon dù bao nhiêu ribosome trượt qua. Còn nếu quên cắt methionine mở đầu thì số liên kết peptide ra $598$, lệch đúng một đơn vị so với đáp án.
Đề cho mạch bổ sung, chiều 5' đến 3'. Mạch này không làm khuôn, nhưng nó có trình tự giống hệt mRNA, chỉ khác T thay cho U. Nhận ra điều đó là bài xong một nửa.
Mạch mã gốc là mạch bổ sung của dòng trên, viết ngược chiều; mRNA sao lại mạch bổ sung và đổi T thành U:
mRNA có 5 codon; UAA cuối là codon kết thúc nên môi trường cung cấp $5-1=4$ amino acid (Met, Lys, Leu, Gly). Cắt methionine mở đầu, chuỗi hoàn chỉnh còn $4-1=3$ amino acid: Lys, Leu, Gly.
mRNA vừa viết bắt đầu bằng AUG và kết thúc bằng UAA. Đó là dấu hiệu tự kiểm tra mạnh nhất của dạng bài này: một đoạn mã hoá đầy đủ phải mở bằng AUG và đóng bằng một trong ba codon kết thúc.
Mạch mã gốc 3'–TAC TTC GAA CCT ATT–5'; mRNA 5'–AUG AAG CUU GGA UAA–3'; chuỗi polypeptide hoàn chỉnh có 3 amino acid.
Nếu tưởng dòng đề cho là mạch mã gốc rồi bổ sung ngay, ta sẽ được 5'–UAC UUC GAA CCU AUU–3'. Chuỗi này mở đầu bằng UAC chứ không phải AUG, lại chẳng có codon kết thúc nào ở cuối — hai dấu hiệu tố cáo đã chép nhầm mạch. Đọc kỹ hai chữ “bổ sung” hay “mã gốc” trong đề trước khi đặt bút.