KHTN9-CTST | Bài 39. Quá trình tái bản, phiên mã và dịch mã

MỤC TIÊU

- Mô tả sơ lược quá trình tái bản của DNA gồm các giai đoạn: tháo xoắn tách hai mạch đơn, các nucleotide tự do trong môi trường tế bào kết hợp hai mạch đơn theo nguyên tắc bổ sung.
- Nêu được kết quả và ý nghĩa di truyền của tái bản DNA.
- Dựa vào sơ đồ, hình ảnh quá trình phiên mã, nêu được khái niệm phiên mã.
- Nêu được khái niệm mã di truyền, giải thích được từ bốn loại nucleotide tạo ra được sự đa dạng của mã di truyền; nêu được ý nghĩa của đa dạng mã di truyền, mã di truyền quy định thành phần hoá học và cấu trúc của protein.
- Dựa vào sơ đồ hoặc hình ảnh quá trình dịch mã, nêu được khái niệm dịch mã.

TÓM TẮT KIẾN THỨC

Khởi động
Hình bên là mô hình học thuyết trung tâm được Francis Crick đề xuất đầu tiên vào năm 1957, thể hiện mối quan hệ di truyền giữa DNA, RNA và protein tương ứng với các cơ chế truyền đạt thông tin di truyền ở cấp độ phân tử. Vậy, thông tin di truyền từ DNA sẽ được truyền đạt thông qua những quá trình nào để quy định tính trạng và di truyền cho thế hệ sau?

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào Hình bên và thông tin trong bài.
❖ Lời giải chi tiết:
- Thông tin di truyền trên DNA sẽ quy định tính trạng thông qua quá trình phiên mã và dịch mã:
+ Trình tự các nucleotide trên gene quy định trình tự các nucleotide trên phân tử mRNA thông qua quá trình phiên mã.
+ Trình tự nucleotide trên phân tử mRNA được dịch mã thành trình tự các amino acid trên phân tử protein.
+ Protein biểu hiện thành tính trạng của cơ thể.
- Thông tin di truyền trên DNA sẽ được di truyền cho thế hệ sau thông qua quá trình tái bản DNA: Quá trình tái bản DNA là một cơ chế sao chép các phân tử DNA trước mỗi lần phân bào, giúp truyền đạt thông tin di truyền cho thế hệ tế bào con một cách chính xác.

1. QUÁ TRÌNH TÁI BẢN DNA

➲ 1.1. Mô tả sơ lược về quá trình tái bản DNA

Quá trình tái bản DNA là sự sao chép các phân tử DNA trước mỗi lần phân bào, với sự tham gia của nhiều loại enzyme. Quá trình đó trải qua các bước chính sau:
(1) Khởi đầu quá trình tái bản DNA là quá trình phá vỡ cấu trúc xoắn kép, tách mạch DNA thành hai mạch đơn nhờ enzyme tháo xoắn.
(2) Enzyme DNA polymerase thực hiện lắp ghép các nucleotide theo nguyên tắc bổ sung với mạch làm khuôn (A liên kết với T; G liên kết với C) để kéo dài chuỗi DNA mới.
(3) Kết thúc quá trình tái bản, một phân tử DNA ban đầu sẽ tạo ra hai phân tử DNA mới có cấu tạo giống hoàn toàn so với DNA mẹ ban đầu.

Thảo luận
Câu hỏi 1. Quan sát Hình 39.1 và đọc thông tin trong bài, hãy mô tả lại quá trình tái bản của DNA theo các giai đoạn: (1) tách hai mạch đơn; (2) tổng hợp chuỗi DNA mới theo nguyên tắc bổ sung và (3) kết thúc quá trình tái bản.

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào Hình 39.1 và thông tin trong bài.
❖ Lời giải chi tiết:
Quá trình tái bản DNA là sự sao chép các phân tử DNA trước mỗi lần phân bào, với sự tham gia của nhiều loại enzyme. Quá trình đó trải qua các bước chính sau:
(1) Tách hai mạch đơn: Khởi đầu quá trình tái bản DNA là quá trình phá vỡ cấu trúc xoắn kép, tách mạch DNA thành hai mạch đơn nhờ enzyme tháo xoắn.
(2) Tổng hợp chuỗi DNA mới theo nguyên tắc bổ sung: Enzyme DNA polymerase thực hiện lắp ghép các nucleotide theo nguyên tắc bổ sung với mạch làm khuôn (A liên kết với T; G liên kết với C) để kéo dài chuỗi DNA mới.
(3) Kết thúc quá trình tái bản: Kết thúc quá trình tái bản, một phân tử DNA ban đầu sẽ tạo ra hai phân tử DNA mới có cấu tạo giống hoàn toàn so với DNA mẹ ban đầu.

➲ 1.2. Tìm hiểu kết quả và ý nghĩa di truyền của tái bản DNA

Từ một phân tử DNA ban đầu, qua quá trình tái bản đã tạo ra hai phân tử DNA con có cấu trúc giống với DNA mẹ ban đầu, trong đó một mạch mới được tổng hợp. Quá trình tái bản giúp đảm bảo sự di truyền ổn định và liên tục qua các thế hệ tế bào.

Thảo luận
Câu hỏi 2. Quan sát Hình 39.2 và đọc thông tin trong bài, hãy:
a) Mô tả kết quả quá trình tái bản.
b) Nêu ý nghĩa di truyền của quá trình tái bản.

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào Hình 39.2 và thông tin trong bài.
❖ Lời giải chi tiết:
a) Kết quả của quá trình tái bản: Từ một phân tử DNA ban đầu, qua quá trình tái bản DNA tạo ra hai DNA con giống hệt nhau và giống hệt với DNA mẹ ban đầu, trong mỗi DNA con có một mạch mới được tổng hợp và một mạch cũ của DNA mẹ.
b) Ý nghĩa di truyền của quá trình tái bản DNA: Quá trình tái bản DNA là cơ chế sao chép các phân tử DNA trước mỗi lần phần bào, giúp truyền đạt thông tin di truyền cho thế hệ tế bào con một cách chính xác. Như vậy, tái bản DNA đảm bảo tính ổn định về vật chất di truyền qua các thế hệ tế bào và cơ thể.

Củng cố kiến thức
Hình bên minh họa kết quả tái bản của một đoạn phân tử DNA. Hãy vẽ hình minh họa kết quả quá trình tái bản thêm một lần nữa của hai đoạn phân tử DNA con vừa mới tạo thành.

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào Hình bên và thông tin trong bài.
❖ Lời giải chi tiết:

✍ Ghi nhớ
• Quá trình tái bản DNA là quá trình tạo ra hai DNA con giống hệt nhau từ một phân tử DNA mẹ ban đầu, có sự tham gia của nhiều enzyme.
• Quá trình tái bản DNA là một cơ chế sao chép các phân tử DNA trước mỗi lần phân bào, giúp truyền đạt thông tin di truyền cho thế hệ tế bào con một cách chính xác.

Mở rộng
Tái bản DNA ở virus: Ở nhiều nhóm virus, phân tử DNA có cấu trúc là một mạch đơn. Vì thế cơ chế tái bản DNA ở virus có nhiều điểm khác so với cơ chế tái bản DNA mạch kép ở vi khuẩn và sinh vật nhân thực. Có nhiều nhóm virus thực hiện cơ chế tái bản không cần đoạn mới hoặc tái bản theo cơ chế phiên mã ngược. Ở virus viêm gan B, phân tử DNA có cấu trúc mạch kép dạng vòng không hoàn chỉnh (có một phần ở dạng mạch đơn), vì thế cơ chế sao chép của nó được thực hiện theo cơ chế phiên mã ngược:
DNA $\overset{phiên mã}{\to}$ RNA $\overset{dịch mã}{\to}$ DNA

2. QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ

➲ Tìm hiểu quá trình phiên mã

Quá trình phiên mã là quá trình truyền đạt thông tin di truyền từ DNA sang RNA, được thực hiện theo các bước cơ bản sau đây:
(1) RNA polymerase bám vào vị trí khởi đầu phiên mã trên DNA, thực hiện cắt đứt liên kết hydrogen tạo bóng phiên mã với hai mạch đơn tách nhau ra.
(2) RNA polymerase lắp ghép các nucleotide tự do trong môi trường nội bào theo nguyên tắc bổ sung (A bổ sung với U; G bổ sung với C) với mạch khuông liên trên phân tử DNA sợi kép để tạo phân tử RNA mạch đơn. Phân tử RNA mới tổng hợp được tách dần ra khỏi mạch kép cho đến khi kết thúc quá trình phiên mã.
(3) Quá trình phiên mã kết thúc khi RNA polymerase gặp trình tự tín hiệu kết thúc trên DNA.

Thảo luận
Câu hỏi 3. Quan sát Hình 39.3 và đọc thông tin trong bài, hãy trả lời các câu hỏi sau:
a) Sản phẩm của quá trình phiên mã là gì?
b) Trình tự sắp xếp các nucleotide của phân tử mRNA giống trình tự sắp xếp của mạch khuôn hay mạch mã?

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào Hình 39.3 và thông tin trong bài.
❖ Lời giải chi tiết:
a) Sản phẩm của quá trình phiên mã là các phân tử RNA.
b) Do quá trình phiên mã được diễn ra dựa trên mạch khuôn của gene theo nguyên tắc bổ sung (A_gene liên kết với U_{tự do}, T_gene liên kết với A_{tự do}, G_gene liên kết với C_{tự do} và C_gene liên kết với G_{tự do}) → Trình tự sắp xếp của các nucleotide của phân tử mRNA giống trình tự sắp xếp của mạch mã nhưng thay thế T thành U.

Củng cố kiến thức
Một gene có trình tự các nucleotide phần đầu như sau:
5'-GCTGACCGGAAATTGGC-3'
3'-CGACTGGCCTTTAACCG-5'
Hãy xác định trình tự nucleotide của phân tử mRNA được sinh ra từ gene trên, biết rằng chiều phiên mã là chiều từ trái sang phải.

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào nguyên tắc bổ sung.
❖ Lời giải chi tiết:
Quá trình phiên mã được diễn ra dựa trên mạch khuôn của gene (mạch 3’ → 5’) theo nguyên tắc bổ sung (A_gene liên kết với U_{tự do}, T_gene liên kết với A_{tự do}, G_gene liên kết với C_{tự do} và C_gene liên kết với G_{tự do})
→ Trình tự nucleotide của phân tử mRNA được sinh ra từ gene trên là:

5'-GCUGACCGGAAAUUGGC-3'

✍ Ghi nhớ
• Phiên mã là quá trình tổng hợp phân tử RNA từ gene. Đây là quá trình truyền đạt thông tin di truyền từ DNA sang RNA.
• Enzyme RNA polymerase thực hiện phiên mã DNA để tạo phân tử RNA bằng cách gắn các nucleotide vào chuỗi mới tổng hợp theo nguyên tắc bổ sung với mạch khuôn của gene.

3. MÃ DI TRUYỀN

➲ Tìm hiểu về mã di truyền

- Dựa trên sự phân tích về toán học, các nhà khoa học đã đề xuất giả thuyết cho rằng mã di truyền là mã bộ ba, được hình thành bởi các nhóm ba nucleotide ngẫu nhiên từ bốn loại nucleotide của nucleic acid.
- Năm 1961, Marshall Nirenberg và cộng sự đã thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh giả thuyết này. Kết quả thí nghiệm đã khẳng định mã di truyền được cấu trúc theo dạng bộ ba và được gọi là mã bộ ba.
- Năm 1966, các nhà khoa học đã xác định được 61 bộ ba mã hoá cho 20 loại amino acid; có 3 bộ ba không mã hoá cho amino acid nào (bộ ba kết thúc); bộ ba AUG vừa mã hoá amino acid, vừa đóng vai trò là mã mở đầu.

Thảo luận
Câu hỏi 4. Quan sát Bảng 39.1 và đọc thông tin trong bài, hãy cho biết:
a) Mã di truyền là gì?
b) Liệt kê các amino acid được mã hoá bởi nhiều hơn một bộ ba.
c) Hãy tìm đặc điểm chung của các bộ ba cùng mã hoá cho một loại amino acid.

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào Bảng 39.1 và thông tin trong bài.
❖ Lời giải chi tiết:
a) Mã di truyền là thông tin về trình tự amino acid được mã hóa dưới dạng trình tự các nucleotide trên mRNA.
b) Các amino acid được mã hóa bởi nhiều hơn một bộ ba là: Phe, Leu, Ile, Val, Ser, Pro, Thr, Ala, Tyr, His, Gln, Asn, Lys, Asp, Glu, Cys, Arg, Ser, Gly.
c) Đặc điểm chung của các bộ ba cùng mã hóa cho một loại amino acid là có cùng nucleotide đầu tiên và nucleotide thứ 2 trong mã bộ ba.

Củng cố kiến thức
Hãy xác định trình tự các amino acid được mã hoá bởi phân tử mRNA sau đây:
5'-AUG-GGG-CGU-AAA-CCC-GUC-CUG-GGA-UGA-3'

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào nguyên tắc dịch mã.
❖ Lời giải chi tiết:
Cứ 3 nucleotide liên tiếp trên mRNA quy định một amino acid trên chuỗi polypeptide và chiều đọc mã di truyền là chiều 5’ → 3’. Do đó, đối chiếu bảng mã di truyền, ta có trình tự các amino acid được mã hóa bởi phân tử mRNA trên là:

-Met-Gly-Arg-Lys-Pro-Val-Leu-Gly-

✍ Ghi nhớ
• Mã di truyền là thông tin về trình tự các amino acid được mã hoá dưới dạng trình tự các nucleotide trên mRNA. Tổ hợp 3 nucleotide liên tiếp quy định thông tin di truyền mã hoá một amino acid được gọi là bộ ba mã hoá.
• Có 64 bộ ba được hình thành từ bốn loại nucleotide, trong đó có 61 mã di truyền mã hoá cho các amino acid, 3 bộ ba UAA, UAG và UGA đóng vai trò kết thúc dịch mã; bộ ba AUG vừa mã hoá amino acid, vừa đóng vai trò là mã mở đầu.
• Số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp các mã di truyền trên mRNA quy định số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp các amino acid trên chuỗi polypeptide.

4. QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ

➲ Trình bày khái niệm dịch mã

Dịch mã là quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide thông qua thông tin di truyền được mã hoá trên mRNA. Quá trình này có sự tham gia của ribosome, mRNA, các amino acid và tRNA tương ứng. Ribosome giúp liên kết các amino acid tạo thành chuỗi polypeptide. Số lượng, thành phần, trật tự sắp xếp các amino acid trên chuỗi polypeptide được quy định bởi số lượng và trật tự sắp xếp các bộ ba trên mRNA.
- Quá trình dịch mã bắt đầu từ mã mở đầu, sau đó ribosome di chuyển dọc theo phân tử mRNA, thực hiện việc lắp ghép các amino acid tương ứng với các bộ ba mã hoá trên mRNA để tạo chuỗi polypeptide.
- Khi ribosome di chuyển đến gặp bộ ba kết thúc thì quá trình dịch mã sẽ dừng lại, yếu tố kết thúc được tế bào huy động tham gia để kết thúc quá trình dịch mã.

Thảo luận
Câu hỏi 5. Quan sát Hình 39.4 và đọc thông tin trong bài, hãy trả lời các câu hỏi sau:
a) Quá trình dịch mã đóng vai trò gì trong tế bào?
b) Hãy mô tả mối liên hệ giữa mRNA, tRNA và chuỗi polypeptide.

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào Hình 39.4 và thông tin trong bài.
❖ Lời giải chi tiết:
a) Quá trình dịch mã đóng vai trò giải mã thông tin di truyền trong các bộ ba của mRNA thành chuỗi polypeptide, hình thành nên các tính trạng của cơ thể.
b) Mối liên hệ giữa mRNA, tRNA và chuỗi polypeptide:
- mRNA giữ vai trò là mạch khuôn mang thông tin di truyền từ DNA dưới dạng các codon quy định trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide.
- tRNA giữ vai trò như “người phiên dịch” thông tin di truyền trên mRNA thành chuỗi polypeptide bằng cách khi anticodon trên tRNA khớp bổ sung với một codon trên mRNA thì một amino acid được đặt vào đúng vị trí của chuỗi polypeptide.

Củng cố kiến thức
Một đoạn phân tử mRNA có trình tự như sau:
5’-AUGGCUCUCAGGAAAUUU-3’
Hãy xác định trình tự amino acid trên chuỗi polypeptide.

-Met-Ala-Leu-Arg-Lys-Phe-

Vận dụng kiến thức
Một nhà khoa học tổng hợp phân tử mRNA nhân tạo với vùng mã hoá protein chứa 1 500 nucleotide (bao gồm cả mã mở đầu và mã kết thúc). Nhà khoa học thực hiện phản ứng dịch mã phân tử mRNA mới tổng hợp trong tế bào vi khuẩn E. coli. Hãy cho biết:
a) Chuỗi polypeptide được dịch mã có bao nhiêu amino acid?
b) Nếu thực hiện dịch mã trong ống nghiệm, ngoài phân tử mRNA, chúng ta cần bổ sung những thành phần nào vào môi trường để quá trình dịch mã có thể diễn ra thành công?

❖ Phương pháp giải:
Dựa vào quá trình tái bản, phiên mã và dịch mã.
❖ Lời giải chi tiết:
a) Số amino acid có trong chuỗi polypeptide được dịch mã là:

(1500 : 3) – 1 bộ ba kết thúc = 499 (amino acid)

b) Ngoài phân tử mRNA, để thực hiện quá trình dịch mã trong ống nghiệm, chúng ta cần bổ sung các thành phần sau vào môi trường:
- Ribosome (Ribosome là nơi các tRNA đã được gắn amino acid đọc và giải mã các bộ ba, tại đây hình thành liên kết giữa các amino acid).
- Amino acid (Amino acid là nguyên liệu để tạo thành polypeptide trong quá trình dịch mã).
- tRNA tương ứng (tRNA có vai trò vận chuyển đúng loại amino acid tương ứng với bộ ba trên mRNA quy định).
- Các loại enzyme hình thành liên kết gắn các amino acid với nhau và gắn amino acid với tRNA.
- Năng lượng ATP để hoạt hóa amino acid.

✍ Ghi nhớ
• Dịch mã là quá trình tổng hợp phân tử protein từ việc giải mã thông tin di truyền trong các bộ ba của phân tử mRNA bởi ribosome.
• Quá trình dịch mã bắt đầu từ mã mở đầu, sau đó ribosome di chuyển dọc theo phân tử mRNA, thực hiện việc kéo dài chuỗi polypeptide. Khi ribosome di chuyển gặp bộ ba kết thúc, yếu tố kết thúc được huy động tham gia kết thúc quá trình dịch mã.

BÀI TẬP

Đang cập nhật