Tổng hợp lí thuyết và công thức phần ADN - Phiên mã - Dịch mã

I - CẤU TRÚC & CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI ADN

1. Cấu trúc ADN

-          Cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các nuclêôtit.

-          Nuclêôtit có chiều dài 3,4Å, khối lượng 300 đvC. Gồm 3 phần:

+ Đường đêôxiribôzơ (đường pentôzơ 5C).

+ Nhóm phôtphat: liên kết với C5’ của đường.

+ Bazơ nitơ liên kết với C1’ của đường. Có 4 loại: A (ađênin), T (timin), G (guanin), X (xitôzin).

-          Các nuclêôtit liên kết liên kết với nhau:

+ Theo chiều dọc: đường trong nuclêôtit này liên kết với nhóm phôtphat trong nuclêôtit kế tiếp tạo nên chuỗi pôlinuclêôtit.

+ Theo chiều ngang: 2 mạch pôlinuclêôtit liên kết với nhau bằng liên kết hiđrô giữa các bazơ nitơ theo nguyên tắc bổ sung: A liên kết với T bằng 2 liên kết hiđrô (A=T), G liên kết với X bằng 3 liên kết hiđrô (G≡X).

-          Phân tử ADN có cấu tạo dạng xoắn kép, 1 chu kì xoắn có chiều dài 34Å, gồm 20 nu.

-          Số lượng, thành phần và cách sắp xếp của các nuclêôtit quyết định tính đặc thù và sự đa dạng của ADN.

-          Trong ADN, 2 mạch bổ sung nhau, nên số Nu và chiều dài của 2 mạch bằng nhau.

-          Trong cùng một mạch, A và T cũng như G và X, không liên kết bổ sung nên không nhất thiết phải bằng nhau. Sự bổ sung chỉ có giữa 2 mạch: A của mạch này bổ sung với T của mạch kia, G của mạch này bổ sung với X của mạch kia. Vì vậy, số nu mỗi loại ở mạch 1 bằng số nu loại bổ sung mạch 2.

-          N = A + T+ G +X.  Theo nguyên tắc bổ sung: A = T, G = X.

=> N = 2A + 2G = 2T + 2X = 2(A+ G)

-          Số nu mỗi loại của ADN là số nu loại đó ở cả 2 mạch:

A =T = A₁ + A₂ = T₁ + T₂ = A₁ + T₁ = A₂ + T₂

G =X = G₁ + G₂ = X₁ + X₂ = G₁ + X₁ = G₂ + X₂

A + G = N/2   .Tổng 2 loại nu khác nhóm bổ sung luôn luôn bằng nửa số nu của ADN hoặc bằng 50% số nu của ADN. Vì vậy, nếu biết :

+ Tổng 2 loại nu = N/2 hoặc bằng 50% thì 2 loại nu đó phải khác nhóm bổ sung (A+G, A+X, T+G, T+X)

+ Tổng  2 loại nu khác N/2 hoặc khác 50%  thì 2 loại nu đó phải cùng nhóm bổ sung (A+T, G+X)

-       %A +%G =50%N

%A = %T =  (%A1 + %A2)/2    = (%T1 + %T2)/2

%G = %X = (%G1 + %G2)/2 = (%X1 + %X2)/2

-          Một chu kì xoắn gồm 10 cặp nu = 20 nu.  C = N/20  => N = C × 20

-          Một nu có khối lượng trung bình là 300 đvC.  =>  M = N × 300đvC

-          Phân tử ADN là 1 chuỗi gồm 2 mạch đơn chạy song song và xoắn đều đặn quanh 1 trục, vì vậy chiều dài của ADN là chiều dài của 1 mạch và bằng chiều dài trục của nó. Mỗi mạch có  nuclêôtit, độ dài của 1 nu là 3,4 Å

=> L = N/2 × 3,4 Å

=> N = (L/3,4) × 2 nu

-          Đơn vị thường dùng:1m =10³mm=10⁶µm (micrômet)=10⁹ nm (nanômet)=10¹⁰ Å (angstron)

-          Theo nguyên tắc bổ sung

+ A của mạch này nối với T ở mạch kia bằng 2 liên kết hiđrô

+ G của mạch này nối với X ở mạch kia bằng 3 liên kết hiđrô

Vậy số liên kết hiđrô của gen là: H = 2A + 3G = 2T + 3X  = N   +  G  = N   + X

-          Số liên kết hóa trị Đ – P trong cả ADN

Trong mỗi mạch đơn:

+ 2 nuclêôtit nối với nhau bằng 1 liên kết hóa trị

+ 3 nuclêôtit nối nhau bằng 2 liên kết hóa trị…

=> N/2 nuclêôtit nối nhau bằng  N/2 - 1  liên kết hóa trị

=> Số liên kết hóa trị nối các nuclêôtit với nhau trong cả 2 mạch là 2(N/2 -1) = N - 2

Trong mỗi nuclêôtit: nhóm phôtphat và đường nối với nhau bằng 1 liên kết hóa trị 

=> Số liên kết hóa trị nối nhóm phôtphat và đường trong mỗi nuclêôtit có trong 2 mạch là N

=> Số liên kết hóa trị Đ – P trong cả ADN là: HT = (N – 2) + N = 2(N – 1)

2.  Gen cấu trúc

-          Gen là một đoạn ADN mang thông tin mã hoá một chuỗi pôlipeptit hay một phân tử ARN.

-          Cấu trúc chung của gen cấu trúc: gồm 3 phần

3’	Mạch     mã     gốc			5’
	Vùng điều hoà	Vùng mã hoá	Vùng kết thúc
5’	Mạch      bổ      sung			3’

+ Vùng điều hòa: nằm ở đầu 3’ mạch gốc. Có trình tự nuclêôtit đặc biệt giúp ARN pôlimeraza nhận biết và liên kết => khởi động phiên mã. Chứa trình tự nuclêôtit điều hoà phiên mã.

+ Vùng mã hoá: mang thông tin mã hoá các axit amin. Sinh vật nhân sơ: vùng mã hoá liên tục (gen không phân mảnh). Sinh vật nhân thực: vùng mã hoá không liên tục (gen phân mảnh) xen kẽ các đoạn mã hoá axit amin (êxôn) là các đoạn không mã hoá axit amin (intrôn).

+ Vùng kết thúc: nằm ở đầu 5’ mạch gốc, mang tín hiệu kết thúc phiên mã.

3. Cơ chế tự nhân đôi ADN

-          Thời điểm: trước khi tế bào bước vào giai đoạn phân chia, tạo ra nhiễm sắc thể kép gồm 2 crômatit.

-          Diễn biến

+ Bước 1: Tháo xoắn phân tử ADN: Nhờ enzim tháo xoắn, hai mạch đơn của phân tử ADN tách nhau dần tạo nên chạc chữ Y và để lộ ra hai mạch khuôn.

+ Bước 2: Tổng hợp các mạch ADN mới theo nguyên tắc bổ sung: A=T, G≡X. Enzim ADN pôlimeraza tổng hợp mạch mới theo chiều 5’ – 3’.

Trên mạch khuôn 3’=>5’: mạch bổ sung được tổng hợp liên tục.

Trên mạch khuôn 5’=>3’: mạch bổ sung được tổng hợp ngắt quãng tạo các đoạn Okazaki. Các đoạn Okazaki nối lại với nhau nhờ enzim nối.

+ Bước 3: Hai phân tử ADN được tạo thành theo nguyên tắc bán bảo tồn: trong mỗi phân tử ADN được tạo thành thì một mạch là mới còn mạch kia là của ADN ban đầu.

-          Quá trình nhân đôi ADN diễn ra theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo tồn. Nhờ đó, hai phân tử ADN con được tạo ra hoàn toàn giống nhau và giống với phân tử ADN mẹ.

-       1 ADN mẹ qua 1 đợt tự nhân đôi tạo 2= 2¹ ADN con

1 ADN mẹ qua 2 đợt tự nhân đôi tạo 4= 2² ADN con

1 ADN mẹ qua 3 đợt tự nhân đôi tạo 8= 2³ ADN con

...

1 ADN mẹ qua x đợt tự nhân đôi tạo ra  2^x ADN con

= > Qua x đợt tự nhân đôi tổng số ADN con = 2^x

-          Dù ở đợt tự nhân đôi nào, trong số ADN con tạo ra từ 1 ADN ban đầu, vẫn có 2 ADN con mà mỗi ADN con này có chứa 1 mạch cũ của ADN mẹ. Vì vậy số ADN con còn lại là có cả 2 mạch cấu thành hoàn toàn từ nu mới của môi trường nội bào. =>  Số ADN con có 2 mạch mới hoàn toàn= 2^x – 2.

-          Khi ADN tự nhân đôi hoàn toàn 2 mạch đều liên kết các nu tự do theo NTBS: A_ADN nối với T_{Tự do} và ngược lại; G_ADN nối với X_{Tự do} và ngược lại . Vì vậy số nu tự do mỗi loại cần dùng bằng số nu mà loại nó bổ sung: A_td =T_td = A = T;   G_td = X_td = G = X. Số nu tự do cần dùng bằng số nu của ADN: N_td = N.

-          Số nu tự do cần dùng khi ADN trải qua x đợt tự nhân đôi bằng tổng số nu sau cùng coup trong các ADN con trừ số nu ban đầu của ADN mẹ

+ Tổng số nu sau cùng trong các ADN con: N.2^x

+ Số nu ban đầu của ADN mẹ: N

=> Tổng số nu tự do cần dùng cho 1 ADN qua x đợt tự nhân đôi: ∑N_td = N.2^x – N = N(2^x –1)

Số nu tự do mỗi loại cần dùng là:

∑A_td = ∑T_td = A(2^x –1)

∑G_td = ∑X_td = G(2^x –1)

Nếu tính số nu tự do của ADN con mà có 2 mạch hoàn tòan mới :

∑N_td = N(2^x – 2)

∑A_td = ∑T_td = A(2^x – 2)

∑G_td = ∑X_td = G(2^x – 2)

II- CẤU TRÚC & CƠ CHẾ TỔNG HỢP ARN (PHIÊN MÃ)

1. Cấu trúc ARN

-          ARN thông tin (memory – mARN):

+ Dùng làm khuôn cho quá trình tổng hợp prôtêin nên có cấu tạo mạch thẳng. Trên ARN có các mã di truyền là bộ ba mã hoá (cođon) các axit amin của prôtêin, mỗi mã di truyền tương ứng với bộ ba nuclêôtit trên ADN (triplet).

+ Ở đầu 5’ gần bộ ba mở đầu có trình tự nuclêôtit đặc hiệu để ribôxôm nhận biết và gắn vào.

+ Sau khi tổng hợp prôtêin, mARN được các enzim phân huỷ.

-          ARN vận chuyển (transport – tARN):

+ Mang axit amin ở đầu 3’ tới ribôxôm để tổng hợp prôtêin.

+ Có bộ ba đối mã (anticôđon) có thể nhận ra và bắt đôi bổ sung với mã bộ ba trên mARN => tham gia dịch trình tự mã bộ ba trên mARN thành trình tự các axit amin trên chuỗi pôlipeptit.

-          ARN ribôxôm (ribosome – rARN):

+ Kết hợp với prôtein tạo nên ribôxôm gồm hai tiểu đơn vị tồn tại riêng rẽ trong tế bào chất, chỉ khi tổng hợp prôtêin chúng mới liên kết với nhau thành prôtêin hoạt động chức năng.

2. Cơ chế tổng hợp ARN (phiên mã)

-          Khởi đầu phiên mã: ARN pôlimeraza bám vào vùng điều hoà, gen tháo xoắn, mạch gốc có chiều 3’=>5’ lộ ra và quá trình phiên mã bắt đầu tại vị trí đặc hiệu.

-          Đặc điểm phiên mã: theo chiều 5’=>3’, theo nguyên tắc bổ sung. Khi tới cuối gen, gặp tín hiệu kết thúc enzim sẽ ngừng phiên mã.

-          Kết quả:

+ Sau phiên mã ở tế bào nhân sơ: tạo thành mARN trưởng thành được sử dụng trực tiếp làm khuôn để tổng hợp prôtêin.

+ Sau phiên mã ở tế bào nhân thực: tạo ra mARN sơ khai, phải cắt bỏ các intron, nối các êxon lại thành mARN trưởng thành rồi đi qua màng nhân ra tế bào chất làm khuôn tổng hợp prôtêin.

-          Trong ARN A và U cũng như G và X không liên kết bổ sung nên không nhất thiết phải bằng nhau. Sự bổ sung chỉ có giữa A, U, G, X của ARN lần lượt với T, A, X, G của mạch gốc ADN. Vì vậy số ribônu mỗi loại của ARN bằng số nu bổ sung ở mạch gốc ADN.

rA = T gốc ; rU =  A gốc; rG  = X gốc; rX  =  G gốc

-          Chú ý: Ngược lại, số lượng và tỉ lệ % từng loại nu của ADN được tính như sau:

+ Số lượng:

A = T = rA + rU; G = X = rG + rX

+ Tỉ lệ %:

% A = %T = (%rA + %rU)/2   ; %G = % X = (%rG + %rX)/2

-          ARN thường gồm 4 loại ribônu: A, U, G, X và được tổng hợp từ 1 mạch ADN theo nguyên tắc bổ sung. => Số ribônu của ARN bằng số nu 1 mạch của AND: 
rN= rA + rU  + rG + rX = N/2   

-          Một ribônu có khối lượng trung bình là 300 đvC, nên:    
M_ARN = rN.300 đvC =  (N/2).300 đvC.

-          ARN gồm có 1 mạch rN với độ dài 1 nu là 3,4Å. Vì vậy chiều dài ARN bằng  chiều dài ADN tổng hợp nên ARN đó  =>  L_ARN = L_ADN = rN × 3,4Å = N/2 × 3,4 Å.

-          Trong mạch ARN: 2 ribônu nối nhau bằng 1 liên kết hoá trị. 3 ribônu nối nhau bằng 2 liên kết hoá trị… => Số liên kết hoá trị nối các ribônu = rN – 1.

 Trong mỗi ribônu có 1 liên kết hoá trị gắn thành phần nhóm phôtphhat vào đường. Do đó số liên kết hóa trị loại này có trong ARN = rN. => Số liên kết hoá trị Đ – P của ARN:

HT_ARN = rN – 1 + rN = 2.rN – 1.

-          Khi tổng hợp ARN, chỉ mạch gốc của ADN làm khuôn mẫu liên các ribônu tự do theo NTBS :

A_g = U_ARN    

T_g = A_ARN 

G_g = X_ARN      

X_g = G_ARN 

=> Số ribônu tự do mỗi loại cần dùng bằng số nu loại mà nó bổ sung trên mạch gốc của ADN

rA_td = T_g

rU_td = A_g

rG_td = G_g

rX_td = X_g

=> Số ribônu tự do các loại cần dùng bằng số nu của 1 mạch ADN: rN_td = N/2

-          Mỗi lần phiên mã tạo nên 1 phân tử ARN nên số phân tử ARN sinh ra từ 1 gen bằng số lần phiên mã của gen đó. => Số phân tử ARN = Số lần phiên mã = k. Số ribônu tự do cần dùng là số ribônu cấu thành các phân tử ARN. Vì vậy qua k lần phiên mã tạo thành các phân tử ARN thì tổng số ribônu tự do cần dùng là: ∑rN_td  = k.rN

+ Suy luận tương tự , số ribônu tự do mỗi loại cần dùng là :

∑rA_td = k.rA = k.T_g

∑rU_td = k.rU = k.A_g

∑rG_td = k.rG = k.X_g

∑rX_td = k.rX = k.G_g

* Chú ý: Khi biết số ribônu tự do cần dùng của 1 loại:

+ Muốn xác định mạch khuôn mẫu và số lần sao mã thì chia số ribônu đó cho số nu loại bổ sung ở mạch 1 và mạch 2 của ADN => Số lần sao mã phải là ước số giữa số ribbônu đó và số nu loại bổ sung ở mạch khuôn mẫu.

+ Trong trường hợp căn cứ vào 1 loại ribônu tự do cần dùng mà chưa đủ xác định mạch gốc, cần có số ribônu tự do loại khác thì số lần sao mã phải là ước số chung giữa só ribônu tự do mỗi loại cần dùng với số nu loại bổ sung của mạch gốc.

-          Số liên kết hiđrô:   H_{phá vỡ}  = H_ADN. H_{hình thành} = H_ADN

       => H_đứt = H_{hình thành} = H_ADN

-          Số liên kết hoá trị: HT_{hình thành} = rN – 1

-          Tổng số liên kết hiđrô bị phá vỡ: ∑H_{phá vỡ} = k×H_ADN

-          Tổng số liên kết hoá trị hình thành : ∑HT_{hình thành} = k×(rN – 1)

-          Số mã di truyền = N/(2x3) = rN/3

-          Số bộ ba mã hóa = Số mã di truyền – 1 (vì mã kết thúc không mã hoá)

-          Số kiểu bộ ba = (Số loại nu mạch gốc)³ = (Số loại ribônu của mARN)³ 

III- PRÔTÊIN & QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP PRÔTÊIN (DỊCH MÃ)

1. Cấu trúc prôtêin

-          Định nghĩa: Prôtêin là đại phân tử hữu cơ có cấu trúc đa phân với đơn phân là các axit amin.

-          Có 20 loại axit amin khác nhau.

-          Số lượng, thành phần, trình tự sắp xếp của 20 axit amin khác nhau => các prôtêin khác nhau.

-          Cấu trúc bậc 1: Bậc thấp nhất, đơn giản nhất. Là trình tự sắp xếp các axit amin với nhau bằng liên kết peptit => chuỗi polipeptit.

-          Cấu trúc bậc 2: Cấu trúc bậc 1 co xoắn a hoặc gấp nếp b.

-          Cấu trúc bậc 3: Cấu trúc bậc 2 tiếp tục xoắn.

-         Cấu trúc bậc 4: Các chuỗi polypeptit liên kết với nhau, cuộn lại tạo cấu trúc bậc 4. Prôtêin nào cấu tạo từ 2 chuỗi pôlypeptit trở lên mới có cấu trúc bậc 4.

2. Quá trình tổng hợp prôtêin (dịch mã)

a.       Hoạt hóa axit amin

+ Điều kiện: enzim đặc hiệu, ATP.

+ Nguyên liệu: axit amin, tARN tương ứng.

+ Kết quả: tạo nên phức hợp aa-tARN

b.      Tổng hợp chuỗi pôlipeptit

-          Mở đầu

+ Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn với mARN tại vị trí đặc hiệu.

+ Phức hợp Met-tARN bổ sung với côđon mở đầu (AUG).

+ Tiểu đơn vị lớn của ribôxôm kết hợp tạo ribôxôm hoàn chỉnh.

+ Thường mARN sẽ gắn với một nhóm ribôxôm gọi là polisome giúp tăng hiệu quả phiên mã

-          Kéo dài

+ Phức hợp aa – tARN gắn với côđon thứ 2.

+ Ribôxôm là khung đỡ mARN và 2 phức hợp aa-tARN.

+ Khi 2 aa liên kết với nhau, ribôxôm dịch đi 1 côđon để đỡ phức hợp aa-tARN tiếp theo.

-          Kết thúc

+ Khi ribôxôm tiếp xúc mã kết thúc (UAG)

3. Sau dịch mã

+ Axit amin mở đầu được cắt khỏi chuỗi pôlipeptit được tổng hợp.

+ Chuỗi pôlipeptit tiếp tục hình thành cấu trúc bậc cao hơn, trở thành prôtêin có hoạt tính sinh học.

-          Ngoài mã kết thúc không mã hóa axit amin, mã mở đầu tuy có mã hóa axit amin, nhưng axit amin này không tham gia vào cấu trúc của phân tử prôtêin. => Số axit amin của phân tử prôtêin là: rN/3 - 2.

-          Số axit amin môi trường cung cấp (số axit amin cần)= (số bộ ba –1) × Số phân tử prôtêin.

-          Số liên kết peptit = Số phân tử nước = (số bộ ba –2) × Số phân tử prôtêin.

Tải file PDF tại đây (đợi 5 giây và nhấn skip ad)

Tài liệu của thầy LÊ ĐÌNH HƯNG