Phiên mã là gì? Quá trình phiên mã ở sinh vật nhân thực?

Cấu trúc của ARN? Chức năng của ARN? Khái niệm phiên mã? Qúa trình phiên mã ở sinh vật diễn ra như thế nào? Một số bài tập vận dụng?

Sinh học là một môn học khá khó và phức tạp với khối lượng kiến thức tương đối lớn. Ngoài việc dành thời gian cho học tập ở trên lớp thì việc hệ thống lại kiến thức để ôn tập cũng là một giải pháp hữu hiệu giúp các em có thể nắm vững kiến thức và chinh phục môn học khó nhằn này. Bài viết này sẽ giúp các em hệ thống hóa lại kiến thức về phiên mã.

1. Cấu trúc của ARN:

ARN là một phần quan trọng trong quá trình phiên mã, để có thể hiểu được bản chất của quá trình phiên mã, trước tiên chúng ta cần phải hiểu rõ ARN là gì?

ARN có cấu trúc gần giống với ADN và được chia thành 3 loại là: ARN thông tin, ARN vận chuyển, ARN Riboxom.

2. Chức năng của ARN:

ARN có các chức năng sau đây:

Thứ nhất, ARN thông tin (hay còn gọi là mARN). mARN có cấu trúc dạng mạch đơn thẳng với đầu 5’ có trình tự nu đặc hiệu nằm gần codon mở đầu. Cấu trúc này nhằm để các riboxom có thể nhận biết và gắn vào. Về chức năng thì mARN được dùng làm khuôn mẫu cho quá trình dịch mã.

Thứ hai, ARN vận chuyển (hay còn gọi là tARN). tARN có cấu trúc dạng mạch đơn tự xoắn với 3 thùy và đầu 3’ mang axit amin có 1 bộ ba đối mã đặc hiệu riêng. Về chức năng thì tARN được dùng để vận chuyển các a.a tới riboxom, dịch chuyển thông tin di truyền.

Thứ ba, ARN Riboxom (hay còn gọi là rARN). rARN có cấu trúc mạch đơn với nhiều vùng ribôxôm liên kết với nhau tạo thành vùng xoắn cục bộ. Về chức năng thì chúng kết hợp với protein để cấu tạo nên riboxom.

3. Khái niệm phiên mã:

Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN, quá trình truyền thông tin di truyền trên mạch mã gốc của gen (ADN) sang mARN theo nguyên tắc bổ sung, quá trình xảy ra trong nhân, vào kì trung gian của quá trình phân bào, thời điểm xảy ra là trước khi tế bào tổng hợp prôtêin.

4. Quá trình phiên mã ở sinh vật diễn ra như thế nào?

4.1. Phiên mã ở nhân vật nhân sơ:

Quá trình phiên mã được chia thành 3 giai đoạn bao gồm: Khởi động, Kéo dài và Kết thúc.

Giai đoạn khởi động: Dưới tác động của enzim ARN-pôlimeraza một đoạn của phân tử ADN (gen) được tháo xoắn và tách 2 mạch đơn ra, trong đó một mạch đơn được dùng làm khuôn để tổng hợp ARN.

Giai đoạn kéo dài:

– Khi enzim ARN-pôlimeraza di động trên mạch khuôn, mỗi nuclêôtit trên mạch khuôn kết hợp với 1 ribonuclêotit trong môi trường nội bào theo nguyên tắc bổ sung (A-U, T-A, G-X, X-G)

– Enzim di động theo chiều 3’ => 5’ và sợi ARN được tổng hợp theo chiều 5’ => 3’.

Giai đoạn kết thúc:

– Khi enzim ARN-pôlimeraza dịch chuyển gặp dấu hiệu kết thúc thì ngừng lại và nhã mạch khuôn ra, đồng thời mạch ARN được tổng hợp xong và tách khỏi enzim và mạch khuôn. Hai mạch ADN liên kết lại với nhau.

– Quá trình tổng hợp ARN diễn ra theo nguyên tắc bổ sung và khuôn mẫu, do đó trình tự các nuclêôtit trên mạch khuôn ADN qui định trình tự các ribonucleotit trên mạch mARN.

– Cơ chế tổng hợp tARN và rARN cũng tương tự như ở mARN. Tuy nhiên, sợi pôliribonucleotit của tARN và rARN sau khi được tổng hợp xong sẽ hình thành cấu trúc bậc cao hơn để tạo thành phân tử ARN hoàn chỉnh.

4.2. Phiên mã ở sinh vật nhân thực:

Về cơ bản, phiên mã ở sinh vật nhân thực cũng khá giống với sinh vật nhân sơ, song vẫn có một số điểm khác biệt chúng ta cần lưu ý như sau:

– Mỗi quá trình tạo ra mARN, tARN và rARN đều có enzim ARN-pôlimeraza riêng xúc tác.

– Phiên mã ở sinh vật nhân thực tạo ra mARN sơ khai gồm các êxon (mang thông tin mã hóa axit amin) và intron (không mang thông tin mã hóa axit amin).Các intron được loại bỏ để tạo ra mARN trưởng thành chỉ gồm các êxon tham gia quá trình dịch mã.

Quá trình phiên mã sẽ hình thành ARN trực tiếp tham gia vào quá trình sinh tổng hợp prôtêin quy định tính trạng.

5. Một số bài tập vận dụng:

Câu 1: Quá trình dịch mã tại ribôxôm diễn ra như thế nào?

Đáp án: Quá trình dịch mã được xảy ra qua 2 giai đoạn với giai đoạn 2 gồm 3 bước nhỏ:

Giai đoạn 1: Hoạt hóa axit amin nhờ các enzim đặc hiệu và năng lượng ATP.

Giai đoạn 2: Tổng hợp chuỗi polipeptit với mở đầu là tiểu đơn vị bé của riboxom gắn với mARN, a.a mở đầu tiến vào mARN bổ sung mã mở đầu rồi tiểu phần lớn liên kết với tiểu phần bé. Tiếp theo sẽ kéo dài chuỗi polipeptit. Và cuối cùng 2 tiểu phần riboxom sẽ tách nhau ra và loại bỏ axit amin mở đầu khi dịch mã dừng lại.

Câu 2: Một số đoạn gen có trình tự các nucleotit 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.

Đáp án:

Câu a: Trình tự các axit amin trong chuỗi polipeptit trên là: Ala-Leu-Lys-Ala

Câu b: Trình tự mARN là: UUA-GXU-GUU-AAA và trình tự của ADN là:

3‘ AAT XGA XAA TTT 5‘ (mạch mã gốc)

5‘ TTA GXT GTT AAA 3‘

Câu 3: Hãy trình bày diễn biến quá trình phiên mã và kết quả của nó.

Đáp án:

Quá trình phiên mã được xảy ra qua 3 bước:

Bước 1: Tháo xoắn ADN: Enzim Pôlimeraza làm gen tháo xoắn để lộ ra mạch gốc có chiều 3’->5’.

Bước 2: Tổng hợp và kéo dài chuỗi ARN: Theo nguyên tắc : A-U, T-A,G-X,X-G theo chiều từ 5’->3’ dựa trên mạch gốc 3’->5’.

Bước 3: Kết thúc: Enzim Pôlimeraza gặp tín hiệu kết thúc khi di chuyển đến cuối gen thì ARN được giải phóng.

Kết quả: Tạo ra 1 phân tử ARN có trình tự giống với mARN bổ sung nhưng thay T bằng U.

Câu 4: Nêu vai trò của poliriboxom trong quá trình tổng hợp prôtêin?

Đáp án: Poliriboxom có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein vì chúng giúp đảm bảo tăng năng suất tổng hợp các protein cùng loại. Cụ thể quá trình này là trên mỗi mARN có một số riboxom cùng hoạt động và chúng được gọi là các pôliribôxôm. Poliriboxom được hình thành sau khi riboxom thứ nhất dịch chuyển được 1 đoạn thì riboxom thứ hai liên kết vào mARN. Và quá trình này cứ tiếp tục đến riboxom thứ 3,4,…Nên mARN có thể tổng hợp được nhiều chuỗi polipeptit cùng loại rồi tự hủy trong thời gian ngắn.

Câu 5: Các protein được tổng hợp trong tế bào nhân thực đều

A. Bắt đầu bằng axit amin Met.

B. Bắt đầu bằng axit amin foocmin mêtiônin.

C. Có Met ở vị trí đầu tiên bị cắt bởi enzim.

D. Cả A và C.

Đáp án: D. Bởi vì các protein được tổng hợp trong tế bào nhân thực đều bắt đầu bằng các axit amin methionine (Met). Và chúng sẽ được cắt bỏ khi quá trình dịch mã được hoàn thành để thực hiện các chức năng sinh học tiếp theo.

Câu 6:Trình tự các cặp nuclêôtit trong một gen cấu trúc được bắt đầu như sau:

3’ TAX GTA XGT ATG XAT … 5’

5’ ATG XAT GXA TAX GTA … 3’

Hãy viết trình tự bắt đầu của các ribônuclêôtit trong phân tử ARN được tổng hợp từ gen trên.

Đáp án:

Trình tự các ribônuclêôtit trong ARN:

– Trong hai mạch của gen, mạch có chiều 3’ – 5’ là mạch khuôn.

– Các ribônuclêôtit tự do kết hợp với mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung sau:

Mạch khuôn ribônuclêôtit A Bổ sung U T Bổ sung A G Bổ sung X X Bổ sung G

– Do vậy, trình tự bắt đầu các ribônuclêôtit của ARN được tổng hợp từ gen ưên như sau:

Mạch khuôn: 3’ TAX GTA XGT ATG XAT … 5’

mARN: 5’ AUG XAU GXA UAX GUA … 3’

Câu 7: Cho biết trình tự bắt đầu các ribônuclêôtit trong một phân tử ARN là:

5’ AUG XUA AGX GXA XG … 3’

Hãy đánh dấu chiều và viết trình tự bắt đầu của các cặp nuclêôtit trong gen đã tổng hợp phân tử ARN nổi trên.

Đáp án:

Đánh dấu chiều và trình tự các cặp nuclêôtit:

Ngược lại, khi biết trình tự các ribônuclêôtit ta suy ra trình tự các cặp nuclêôtit trong gen và chiều của các mạch như sau:

mARN: 5’AUG XUA AGX GXA XG … 3’

Mạch khuôn: 3’ TAX GAT TXG XGT GX … 5’

Mạch bổ sung: 5’ ATG XTA AGX GXA XG … 3’

Câu 8: Gen phải dài bao nhiêu micrômet mới chứa đủ thông tin di truyền để tổng hợp một phân tử mARN có 270 ribônuclêôtit loại Ađênin, chiếm 20% tổng số ribônuclêôtit của toàn mạch?

Đáp án:

Chiều dài gen:

Số ribônuclêôtit của phân tử mARN: (270 : 20) . 100 = 1350 ribônuclêôtit.

Chiều dài mARN cũng là chiều dài gen tổng hợp nó

3,4.10-4= 0,459μm

Câu 9: Gen trên có khối lượng bao nhiêu đvC?

Đáp án: Khối lượng gen: 1350 . 2 . 300 = 81.104đvC.

Câu 10:Biết gen có X chiếm 15% tổng số nuclêôtit, quá trình sao mã cần môi trường cung cấp số ribônuclêôtit tự do gấp 3 lần số nuclêôtit của gen. Xác định:

a) Tổng số liên kết hiđrô bị hủy qua quá trình.

b) Tổng số liên kết hóa trị được hình thành.

Đáp án;

Số liên kết hiđrô bị hủy và liên kết hóa trị được hình thành:

– Số nuclêôtit của gen: 1350 . 2 = 2700 nuclêôtit.

– Số nuclêôtit mỗi loại của gen:

A = T = 2700 . 15% = 405 nuclêôtit

G = X = (2700 : 2) – 405 = 945 nuclêôtit

– Số liên kết hiđrô của gen: 405 . 2 + 945 . 3 = 3645 liên kết.

– Số liên kết hóa trị trong 1 phân tử mARN: 1350 – 2 = 1348 liên kết.

– Số lần sao mã của gen: 3 . 2 = 6.

– Số liên kết hiđrô bị hủy qua 6 lần sao mã: 3645 . 6 = 21870 liên kết.