[Sinh học 12] Phiên mã và dịch mã

CHUYÊN ĐỀ: QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ

I. CƠ CHẾ PHIÊN MÃ (SAO MÃ)

1. Khái niệm
- Phiên mã là quá trình truyền thông tin di truyền từ ADN mạch kép sang ARN mạch đơn.
- Trong nhân tế bào gen mang mật mã di truyền nhưng lại nằm cố định trên NST không thể di chuyển được. Để giúp gen làm nhiệm vụ truyền thông tin và điều khiển quá trình dịch mã phải nhờ đến một cấu trúc khác đó là mARN – bản sao của gen.
- Sau khi mARN được tổng hợp xong sẽ di chuyển ra ngoài tế bào chất với vai trò là bản sao của gen để điều khiển quá trình dịch mã tổng hợp chuỗi pôlipeptit

2. Cấu trúc và chức năng của các loại ARN:

→ARN thông tin (mARN): là phiên bản của gen, mang các bộ 3 mã sao, làm nhiệm vụ khuôn mẫu cho dịch mã ở riboxom

→ ARN vận chuyển (tARN): có chức năng vận chuyển axit. amin và mang bộ 3 đối mã tới riboxom để dịch mã. Trong tế bào có nhiều loại tARN khác nhau, mỗi loại tARN vận chuyển một loại axit amin tương ứng

→ARN riboxom (rARN): kết hợp với prôtêin tạo thành ribôxôm là nơi tổng hợp chuỗi pôlipeptit

3. Diễn biến của cơ chế phiên mã

- Quá trình phiên mã được bắt đầu khi enzim ARN-polimeraza bám vào vùng khởi đầu của gen tháo xoắn và tách 2 mạch đơn, ARN-polimeraza di chuyển dọc theo mạch khuôn giúp cho các ribonucleotit tự do trong môi trường nội bào liên kết với các nu trên mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung (A - U, G - X) tạo nên phân tử mARN theo chiều 5’ → 3’

- Đối với sinh vật nhân thực khi toàn bộ gen được phiên mã thì mARN sơ khai được cắt bỏ intron và nối các exon với nhau thành mARN trưởng thành

So sánh quá trình nhân đôi ADN và quá trình phiên mã:

→ Giống nhau:

- Khi thực hiện tự nhân đôi hoặc phiên mã thì NST chứa ADN phải ở trạng thái tháo xoắn
- Đều được thực hiện theo nguyên tắc bổ sung và khuôn mẫu
- Được thực hiện trong nhân tế bào với khuôn mẫu là ADN
- Mạch mới luôn được tổng hợp theo chiều 5’--> 3’

→ Khác nhau:

Tự nhân đôi ADN

Phiên mã

- Chịu sự điều khiển của enzyme ADN-pôlimeraza

- Thực hiện trên cả 2 mạch (mạch gốc tổng hợp liên tục, mạch bổ sung tổng hợp gián đoạn)

- 4 loại nu sử dụng từ môi trường là A,T,G,X

- Sản phẩm tạo thành là ADN mạch kép

- Chịu sự điều khiển của enzyme ARN-pôlimeraza

- Chỉ thực hiện trên mạch gốc (vì ARN chỉ có 1 mạch đơn)

- 4 loại nu sử dụng từ môi trường là A,U,G,X

- Sản phẩm tạo thành là ARN mạch đơn

II. DỊCH MÃ:

1. Khái niệm

- Là quá trình chuyển mã di truyền chứa trong mARN thành trình tự các axit amin trong chuỗi polipeptit của prôtêin.
- Để chuẩn bị cho quá trình dịch mã 2 đơn vị lớn – nhỏ của ribôxôm tiến đến mARN và liên kết với nhau qua mARN.

2. Diễn biến của cơ chế dịch mã

a. Hoạt hóa axit amin
Nhờ các enzim đặc hiệu và năng lượng ATP, các axit amin được hoạt hóa và gắn với tARN tương ứng tạo thành phức hợp aa-tARN

b. Dịch mã và hình thành chuỗi polipeptit

- Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn với mARN ở vị trí nhận biết đặc hiệu. Phức hợp mở đầu Met-tARN mang bộ 3 đối mã UAX bổ sung chính xác với bộ 3 mở đầu AUG trên mARN sau đó tiểu đơn vị lớn ribôxôm mới lắp ráp tạo thành ribôxôm hoàn chỉnh sẵn sàng dịch mã.

- Tiếp theo, aa₁-tARN gắn vào vị trí bên cạnh, bộ 3 đối mã của nó cũng khớp với bộ 3 của axit amin thứ nhất theo NTBS
- Enzim xúc tác tạo thành liên kết peptit giữa axit amin mở đầu và aa1 (Met-aa₁). Ribôsôme dịch chuyển đi 1 bộ 3 đồng thời tARN được giải phóng khỏi ribôsôme
- Tiếp theo aa₂-tARN lại tiến vào ribôsôme, quá trình cũng diễn ra như đối với aa₁.

→ Quá trình dịch mã cứ tiếp tục diễn ra cho đến khi gặp 1 trong 3 bộ 3 kết thúc (UAA, UAG, UGA) thì quá trình dừng lại. Ribôsôme tách khỏi mARN, giải phóng chuỗi polipeptit.

→ Sau đó Met cũng được cắt bỏ khỏi chuỗi polipetit, chuỗi pôlipeptit hoàn chỉnh được hình thành.

→ Axit amin mở đầu ở sinh vật nhân sơ là foomin Metionin, ở sinh vật nhân thực là Metionin

* Ví dụ 1: Một gen có 3000 nu khi gen này tham gia phiên mã và dịch mã ta có những vấn đề lưu ý sau:
+ Số bộ 3 trên mARN được tạo thành sau dịch mã là: 500 bộ 3 vì mARN chỉ có 1 mạch
+ Số a.a trong chuỗi pôlipeptit sơ khai = 499 axit amin (bộ 3 kết thúc không mã hóa a.a)
+ Số a.a trong chuỗi pôipeptit hoàn chỉnh = 498 axit amin (trừ Met bị cắt bỏ sau khi tổng hợp xong)
+ Số liên kết peptit trong chuỗi pôlipeptit = số axit amin - 1
+ Mỗi tARN chỉ vận chuyển một loại axit amin với một bộ ba đối mã đặc hiệu mà thôi.

3. Pôliribôxôm

Trên mỗi phân tử mARN, thường có nhiều ribôxôm hoạt động cùng lúc tạo thành poliribôxôm. Như vậy mỗi phân tử mARN có thể tổng hợp nhiều chuỗi polipeptit cùng lúc.

4. Mối liên hệ ADN – mARN – prôtêin – tính trạng

→ Thông tin di truyền trong ADN của mỗi tế bào được truyền đạt cho thế hệ tế bào con thông qua cơ chế nhân đôi
→ Thông tin di truyền trong ADN được biểu hiện thành đặc điểm bên ngoài của cơ thể (tính trạng) thông qua các cơ chế phiên mã và dịch mã

B. BÀI TẬP VẬN DỤNG

Bài 1: Hãy trình bày diễn biến và kết quả của quá trình phiên mã.

* Diễn biến
•   Khi enzim ARN pôlimeraza bám vào promoter (vùng khởi đầu của gen) làm gen tháo xoắn và tách 2 mạch đơn, làm lộ ra mạch khuôn (mạch gốc) (mạch có chiều 3‘ 5‘)
•   Enzim ARN pôlimeraza di chuyển dọc theo mạch gốc và gắn các nuclêôtit tự do trong môi trường nội bào liên kết với các nuclêôtit trên mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung (U-A, A-T; G-X, X-G) tạo nên phân tử mARN theo chiều 5‘ 3‘
•   Khi enzim di chuyển đến cuối gen gặp tín hiệu kết thúc thì dừng quá trình phiên mã và phân tử mARN vừa được tổng hợp được giải phóng. Vùng nào trên gen phiên mã xong thì đóng xoắn.

* Kết quả:

- Ở tế bào nhân sơ mARN sau khi tổng hợp ở dạng trưởng thành và trực tiếp làm khuôn tổng hợp chuỗi pôlipeptit. Còn ở tế bào nhân thực mARN sau khi tổng hợp ở dạng sơ khai, sau đó được cắt bỏ các đoạn intron, nối các đoạn exon lại với nhau thành mARN trưởng thành, đi qua màng nhân ra tế bào chất làm khuôn tổng hợp chuỗi pôlipeptit.

Bài 2: Quá trình dịch mã tại ribôxôm diễn ra như thế nào?
Chia thành 2 giai đoạn:
→ Hoạt hóa axit amin: Trong tế bào chất, nhờ enzim đặc hiệu và ATP, mỗi axit amin được hoạt hóa và gắn với tARN tương ứng tạo nên phức hợp axit amin – tARN (aa – tARN).
→ Tổng hợp chuỗi pôlipeptit. Gồm 3 giai đoạn
•   Mở đầu: Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn với mARN ở vị trí đặc hiệu nằm gần côđon mở đầu. Bộ ba đối mã của phức hợp mở đầu Met – tARN (UAX) khớp bổ sung với côđon mở đầu (AUG) trên mARN. Tiểu đơn vị lớn của ribôxôm kết hợp tạo ribôxôm hoàn chỉnh sẵn sàng tổng hợp chuỗi pôlipeptit.
•   Kéo dài chuỗi pôlipeptit: Anticôđon của phức hợp thứ 2 vào gắn bổ sung với côđon thứ 2 trên mARN, aa thứ 2 liên kết với aa Met (trước) bằng liên kết peptit. Ribôxôm lại dịch chuyển đi một côđon trên mARN và cứ tiếp tục như vậy đến cuối mARN.
•   Kết thúc: Khi ribôxôm tiếp xúc với mã kết thúc trên mARN thì quá trình dịch mã hoàn tất. Nhờ enzim đặc hiệu, axit amin mở đầu được cắt khỏi chuỗi pôlipeptit vừa tổng hợp. Chuỗi pôlipeptit tiếp tục hình thành các cấu trúc bậc cao hơn, trở thành prôtêin có hoạt tính sinh học.
→ Trong quá trình dịch mã, mARN không gắn với từng ribôxôm riêng rẽ mà đồng thời gắn với một nhóm ribôxôm gọi là pôliribôxôm (gọi tắt là pôlixôm) giúp tăng hiệu suất tổng hợp prôtêin.

Bài 3: Nêu vai trò của pôliribôxôm trong quá trình tổng hợp prôtêin.
→ Giúp tăng hiệu suất tổng hợp prôtêin.

Bài 4: Một đoạn gen có trình tự các nuclêôtit như sau:
3‘ XGA GAA TTT XGA 5‘ (mạch mã gốc)
5‘ GXT XTT AAA GXT 3‘
a, Hãy xác định trình tự các axit amin trong chuỗi pôlipeptit được tổng hợp từ đoạn gen trên.
b, Một đoạn phân tử prôtêin có trình tự axit amin như sau:
– lơxin – alanin – valin – lizin –
Hãy xác định trình tự các cặp nuclêôtit trong đoạn gen mang thông tin quy định cấu trúc đoạn prôtêin đó.

Hướng dẫn
a, mARN có: 5‘ GXU XUU AAA GXU 3‘ → trình tự axit amin trong prôtêin Ala – Leu – Lys – Ala
b, Vì có nhiều bộ ba cùng mã hóa một axit amin nên đây là một trường hợp.
→trình tự axit amin trong prôtêin – lơxin – alanin – valin – lizin –
→mARN: UUA GXU GUU AAA
→ADN: 3‘ AAT XGA XAA TTT 5‘ (mạch mã gốc)
5‘ TTA GXT GTT AAA 3‘

C. BÀI TẬP TỰ LUYỆN

Câu 1: Loại enzim nào sau đây trực tiếp tham gia vào quá trình phiên mã các gen cấu trúc ở sinh vật nhân sơ?
A. ADN polimeraza
B. Ligaza
C. Restrictaza
D. ARN polimeraza
Câu 2: Sự hoạt động đồng thời của nhiều riboxom trên cùng một phân tử mARN có vai trò
A. làm tăng năng suất tổng hợp protein cùng loại
B. đảm bảo cho quá trình dịch mã diễn ra chính xác
C. đảm bảo cho quá trình dịch mã diễn ra liên tục
D. làm tăng năng suất tổng hợp protein khác loại
Câu 3: Cho các sự kiện diễn ra trong quá trình phiên mã:
(1) ARN polimeraza bắt đầu tổng hợp mARN tại vị trí đặc hiệu (khởi đầu phiên mã).
(2) ARN polimeraza bám vào vùng điều hào làm gen tháo xoắn để lộ ra mạch gốc có chiều 3’ → 5’.
(3) ARN polimeraza trượt dọc theo mạch mã gốc trên gen có chiều 3’ → 5’.
(4) Khi ARN polimeraza di chuyển tới cuối gen, cặp tín hiệu kết thúc thì nó dừng phiên mã.
Trong quá trình phiên mã, các sự kiện trên diễn ra theo trình tự đúng là:
A. (1) → (4) → (3) → (2)
B. (1) → (2) → (3) → (4)
C. (2) → (1) → (3) → (4)
D. (2) → (3) → (1) → (4)
Câu 4: Mạch khuôn của gen có đoạn 3’ TATGGGXATGTA 5’ thì mARN được phiên mã từ mạch khuôn này có trình tự nucleotit là
A. 3’AUAXXXGUAXAU5’
B. 5’AUAXXXGUAXAU3’
C. 3’ATAXXXGTAXAT5’
D. 5’ATAXXXGTAXAT3’
Câu 5: Một trong những điểm giống nhau giữa quá trình nhân đôi ADN và quá trình phiên mã ở sinh vật nhân thực là:
A. đều có sự xúc tác của enzim ADN polimeraza để lắp ráp với các nucleotit trên mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung.
B. các quá trình thường thực hiện một lần trong một tế bào.
C. diễn ra trên toàn bộ phân tử ADN.
D. việc lắp ghép các đơn phân được thực hiện trên cơ sở nguyên tắc bổ sung.
Câu 6: Phân tử mARN ở tế bào nhân sơ được phiên mã từ một gen có 3000 nucleotit sau đó tham gia vào quá trình dịch mã. Quá trình tổng hợp protein có 5 riboxom cùng trượt trên mARN đó. Số axit amin môi trường cần cung cấp để hoàn tất quá trình dịch mã trên là
A. 9980 B. 2500
C. 9995 D. 1495
Câu 7: Thành phần nào sau đây không tham gia trực tiếp vào quá trình dịch mã?
A. ADN B. mARN
C. tARN D. Riboxom
Câu 8: Trong quá trình phiên mã, enzim ARN polimeraza có vai trò gì?
(1) Xúc tác tách 2 mạch của gen.
(2) Xúc tác cho quá trình liên kết bổ sung giữa các nucleotit của môi trường nội bào với các nucleotit trên mạch khuôn
(3) Nối các đoạn Okazaki lại với nhau.
(4) Xúc tác quá trình hoàn thiện mARN.
Phương án đúng là:
A. (1), (2) và (3)
B. (1), (2) và (4)
C. (1), (2), (3) và (4)
D. (1) và (2)
Câu 9: Chiều của mạch khuôn trên ADN được dùng để tổng hợp mARN và chiều tổng hợp mARN lần lượt là:
A. 5’ → 3’ và 5’ → 3’
B. 3’ → 5’ và 3’ → 5’
C. 5’ → 3’ và 3’ → 5’
D. 3’ → 5’ và 5’ → 3’
Câu 10: Ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực có sự khác nhau về axit amin mở đầu cho việc tổng hợp chuỗi polipeptit. Sự sai khác đó là:
A. ở sinh vật nhân sơ, axit amin mở đầu là foocmin metonin còn ở sinh vật nhân thực là metionin.
B. ở sinh vật nhân thực là axit amin foocmin metionin còn ở sinh vật nhân sơ là metionin.
C. ở sinh vật nhân sơ là axit amin foocmin metionin còn ở sinh vật nhân thực là valin.
D. ở sinh vật nhân sơ là axit amin foocmin metionin còn ở sinh vật nhân thực là glutamic.
Câu 11: Cho đoạn mạch gốc của phân tử ADN cps trình tự nucleotit như sau:
3’ TAX TAT TAT TAT TAT TAT TAT TAT ATT 5’
Phân tử ADN này thực hiện phiên mã và dịch mã thì số axit amin trong chuỗi polipeptit tương ứng sẽ là:
A. 7 B. 5
C. 3 D. 1
Câu 12: Trên tARN thì bộ ba đối mã (anticodon) có nhiệm vụ
A. xúc tác hình thành liên kết giữa axit amin với tARN
B. xúc tác vận chuyển axit amin đến nơi tổng hợp protein
C. xúc tác hình thành liên kết peptit
D. nhận biết codon đặc hiệu trên mARN trong quá trình tổng hợp protein.
Câu 13: Một phân tử mARN dài 1,02.10-3 mm điều khiển tổng hợp protein. Quá trình dịch mã có 5 riboxom cùng trượt 3 lần trên mARN. Tổng số axit amin môi trường cung cấp cho quá trình sinh tổng hợp là
A. 7500 B. 7485
C. 15000 D. 14985
Câu 14: Bản chất của mối quan hệ ADN → ARN → chuỗi polipeptit là gì?
A. Trình tự các cặp nucleotit trên ADN quy định trình tự các nucleotit trên mARN, từ đó quy định trình tự các axit amin trên chuỗi polipeptit.
B. Trình tự các bộ ba mã sao quy định trình tự các bộ ba đói mã trên tARN, từ đó quy định trình tự các axit amin.
C. Trình tự các nucleotit trên mạch khuôn ADN quy định trình tự các nucleotit trên mARN, từ đó quy định trình tự các axit amin trên chuỗi polipeptit.
D. Trình tự các nucleotit trên mARN quy định trình tự các nucleotit trên ADN, từ đó quy định trình tự các axit amin trên chuỗi polipepetit.
Câu 15: Chiều dài của gen D ở sinh vật nhân sơ là 510 nm. Mạch 1 của nó có 400 nucleotit loại A, 500 nucleotit loại T và 400 nucleotit loại G. Phân tử mARN có chiều dài tương ứng vừa được tổng hợp trên mạch 2 của gen D có số nucleotit từng loại là bao nhiêu?
A. U=300; G=400; X=200; A=600
B. U=200; G=400; X=200; A=700
C. U=400; G=200; X=400; A=500
D. U=500; G=400; X=200; A=400
Câu 16: Một gen ở sinh vậy nhân sơ có 2025 liên kết hidro, mARN do gen đó tổng hợp có G – A = 125 nucleotit; X – U = 175 nucleotit. Được biết tất cả số nucleotit loại T của gen đều tập trung trên mạch mã gốc. Số nucleotit mỗi loại trên mARN là
A. A=225; G=350; X=175; U=0
B. A=350; G=225; X=175; U=0
C. A=175; G=225; X=350; U=0
D. U=225; G=350; X=175; A=0
Câu 17: Cho các thông tin sau đây:
(1) mARN sau phiên mã được trực tiếp dùng làm khuôn để tổng hợp protein.
(2) Khi riboxom tiếp xúc với mã kết thúc trên mARN thì quá trình dịch mã hoàn tất.
(3) Nhờ một enzim đặc hiệu, axit amin mở đầu được cắt khỏi chuỗi polipeptit vừa tổng hợp.
(4) mARN sau phiên mã phải được cắt bỏ intron, nối các exon lại với nhau thành mARN trưởng thành.
Các thông tin về quá trình phiên mã và dịch mã đúng với cả tế bào nhân thực và tế bào nhân sơ là:
A. (2) và (3)
B. (3) và (4)
C. (1) và (4)
D. (2) và (4)
Câu 18: Cho các sự kiện diễn ra trong quá trình dịch mã ở tế bào nhân thực như sau:
(1) Bộ ba đối mã của phức hợp Met – tARN (UAX) gắn bổ sung với codon mở đầu (AUG) trên mARN.
(2) Tiểu đơn vị lớn của riboxom kết hợp với tiểu đơn vị bé tạo thành riboxom hoàn chỉnh.
(3) Tiểu đơn vị bé của riboxom gắn với mARN ở vị trí nhạn biết đặc hiệu.
(4) Côđon thứ hai trên mARN gắn bổ sung với anticodon của phức hệ aaI – tARN (aaI: axit amin đứng liền sau axit amin mở đầu).
(5) Riboxom dịch đi 1 codon trên mARN theo chiều 5’ → 3’.
(6) Hình thành liên kết peptit giữa axit amin mở đầu và aaI.
Thứ tự đúng của các sự kiện diễn ra trong giai đoạn mở đầu và giai đoạn kéo dài chuỗi polipeptit là:
A. (3) → (1) → (2) → (4) → (6) → (5)
B. (1) → (3) → (2) → (4) → (6) → (5)
C. (2) → (1) → (3) → (4) → (6) → (5)
D. (5) → (2) → (1) → (4) → (6) → (3)
Câu 19: Cho biết các codon mã hóa các axit amin tương ứng như sau: GGG – Gly; XXX – Pro; GXU – Ala; XGA- Arg; UXG – Ser; AGX – Ser. Một đoạn mạch gốc của một gen ở vi khuẩn có trình tự các nucleotit là 5’ AGXXGAXXXGGG 3’. Nếu đoạn mạch gốc này mang thông tin mã hóa cho đoạn polipeptit có 4 axit amin thì trình tự của 4 axit amin đó là:
A. Pro – Gly – Ser – Ala.
B. Ser – Ala – Gly – Pro.
C. Gly – Pro – Ser – Arg.
D. Ser – Arg – Pro – Gly.
Câu 20: Khi nói về số lần nhân đôi và số lần phiên mã của các gen ở một tế bào nhân thực, trong trường hợp không có đột biến, phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Các gen trên các NST khác nhau có số lần nhân đôi bằng nhau và số lần phiên mã thường khác nhau.
B. Các gen nằm trên cùng một NST có số lần nhân đôi khác nhau và số lần phiên mã thường khác nhau.
C. Các gen trên các NST khác nhau có số lần nhân đôi bằng nhau và số lần phiên mã thường bằng nhau.
D. Các gen nằm trong một tế bào có số lần nhân đôi bằng nhau và số lần phiên mã bằng nhau.