Lý thuyết trọng tâm

I. Gene

1. Khái niệm

• Gene là một đoạn của phân tử DNA mang thông tin quy định sản phẩm là chuỗi polypeptide hoặc RNA.
• Mỗi gene có 2 mạch, nhưng chỉ một mạch (mạch khuôn) được dùng làm khuôn tổng hợp mRNA; mạch còn lại gọi là mạch mã hóa.

2. Cấu trúc (gồm 3 vùng – theo chiều trên mạch khuôn)

Khác biệt giữa nhân sơ và nhân thực:

• Nhân sơ: các gene liên quan chức năng thường nằm thành nhóm, vùng mã hóa nằm liền kề, chung một vùng điều hòa và một vùng kết thúc; vùng mã hóa liên tục (không phân mảnh).
• Nhân thực: mỗi gene có riêng 1 vùng điều hòa, 1 vùng mã hóa, 1 vùng kết thúc; phần lớn gene có vùng mã hóa phân mảnh, gồm đoạn exon (được dịch mã) xen kẽ intron (không được dịch mã).

3. Phân loại

• Theo chức năng: gene cấu trúc (tạo sản phẩm cấu tạo nên tế bào) và gene điều hòa (tạo sản phẩm điều hòa biểu hiện gene khác).
• Theo cấu trúc vùng mã hóa: gene không phân mảnh (không có intron) và gene phân mảnh (có intron).

II. Hệ gene

• Hệ gene là tập hợp toàn bộ vật chất di truyền (DNA) trong tế bào của một sinh vật.
• Thành tựu giải trình tự hệ gene người (2004): hệ gene người gồm hơn 3,2 tỉ cặp nucleotide trên 23 cặp NST, độ chính xác đến 99,999%; ước tính khoảng gần 21 300 gene mã hóa protein.
• Tỉ lệ trong hệ gene người: exon của gene mã hóa protein + vùng mã hóa rRNA, tRNA chiếm ~1,5%; vùng điều hòa ~5%; intron ~20%. Trung bình mỗi gene dài ~27 000 cặp nucleotide, có ~10 exon.
• Ứng dụng:
  • Y học: phát hiện gene bệnh, dùng thuốc hướng đích trong điều trị ung thư; pháp y (truy tìm thủ phạm, xác định danh tính, quan hệ họ hàng).
  • Nghiên cứu tiến hóa: so sánh trình tự hệ gene để xác định quan hệ họ hàng giữa các loài (ví dụ: tinh tinh gần gũi nhất với người).

III. Phiên mã

Khái niệm: Phiên mã là quá trình tổng hợp RNA dựa trên mạch khuôn của gene.

Diễn biến (3 bước):

• Khởi đầu: protein liên kết vùng điều hòa, thu hút RNA polymerase đến liên kết promoter trên mạch khuôn.
• Tổng hợp: RNA polymerase tổng hợp mRNA theo chiều $5′ \to 3’$ dựa trên NTBS giữa mạch khuôn và nucleotide tự do: A – U, T – A, G – C, C – G.
• Kết thúc: RNA polymerase gặp tín hiệu kết thúc ở đầu 5′ của mạch khuôn thì dừng.

Khác biệt nhân sơ và nhân thực:

IV. Một số loại RNA

Lưu ý: Có 20 loại amino acid nên tế bào cần tối thiểu 20 loại tRNA (thực tế thường 30 – 40 loại).

V. Phiên mã ngược

• Khái niệm: là quá trình tổng hợp DNA dựa trên mạch khuôn là RNA, do enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase) xúc tác.
• Ở virus: một số virus có vật chất di truyền là RNA (HIV, SARS-CoV-2…) dùng enzyme phiên mã ngược tạo DNA, rồi tích hợp vào hệ gene tế bào chủ.
• Ở tế bào nhân thực: enzyme telomerase dùng khuôn RNA để kéo dài đầu mút NST, phục hồi đoạn bị ngắn đi sau nhân đôi.
• Ứng dụng: tổng hợp cDNA (DNA bổ sung, không chứa intron) từ mRNA trưởng thành để chuyển gene nhân thực vào vi khuẩn; xét nghiệm virus có hệ gene RNA.

VI. Mã di truyền

• Khái niệm: mã di truyền là bộ các bộ ba nucleotide trên mRNA quy định amino acid; mỗi bộ ba là một codon.
• Có 61 bộ ba mã hóa amino acid và 3 bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA). Bộ ba AUG vừa mã hóa methionine (formylmethionine ở nhân sơ) vừa là tín hiệu mở đầu dịch mã.

Các đặc điểm của mã di truyền:

• Mã bộ ba: ba nucleotide liền kề quy định 1 amino acid.
• Đọc liên tục, không gối lên nhau: đọc theo từng bộ ba từ bộ ba mở đầu (ví dụ: 5’AUGGUUGCC3′ → AUG – GUU – GCC).
• Tính thoái hóa: nhiều bộ ba cùng quy định một amino acid (ví dụ: Ala có 4 bộ ba).
• Tính đặc hiệu: mỗi bộ ba chỉ mã hóa một amino acid (ví dụ: UAU chỉ mã hóa Tyr).
• Tính phổ biến (vạn năng): dùng chung cho hầu hết sinh vật; có một số ngoại lệ (ví dụ DNA ti thể người: UGA mã hóa Trp, AUA mã hóa Met, AGA và AGG là mã kết thúc).

VII. Dịch mã

Khái niệm: Dịch mã là quá trình tổng hợp protein dựa trên trình tự nucleotide của mRNA, diễn ra ở ribosome (trong tế bào chất).

Diễn biến (3 giai đoạn):

• Khởi đầu: tiểu phần nhỏ ribosome liên kết bộ ba mở đầu AUG; tRNA mang amino acid mở đầu (formylmethionine) khớp với AUG; tiểu phần lớn kết hợp tạo ribosome hoàn chỉnh.
• Kéo dài: tRNA mang amino acid tới vị trí A, hình thành liên kết peptide với amino acid ở vị trí P; ribosome di chuyển trên mRNA theo chiều $5′ \to 3’$; tRNA cũ chuyển sang vị trí E rồi rời ribosome. Thường có nhiều ribosome cùng dịch mã trên một mRNA (polyribosome).
• Kết thúc: ribosome gặp bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA), không có tRNA tương ứng → yếu tố giải phóng tách chuỗi polypeptide; ribosome tách thành 2 tiểu phần. Chuỗi polypeptide được cắt amino acid mở đầu và biến đổi thêm để có chức năng.

VIII. Mối quan hệ DNA – RNA – protein

• Thông tin di truyền truyền qua các thế hệ tế bào nhờ tái bản DNA; truyền từ gene tới tính trạng theo sơ đồ: DNA $\to$ RNA $\to$ protein (phiên mã rồi dịch mã).
• Trường hợp đặc biệt: thông tin truyền ngược từ RNA $\to$ DNA nhờ phiên mã ngược (ví dụ HIV).
• Toàn bộ quá trình đều dựa trên NTBS đặc hiệu kiểu A – T/U; G – C.

Ba câu hỏi vận dụng trong sách:

• Định nghĩa gene chỉ gắn với “tạo ra RNA” là chưa đủ: gene quy định sản phẩm là chuỗi polypeptide hoặc RNA.
• Không thể tính trực tiếp số amino acid từ tổng số nucleotide vùng mã hóa của gene nhân thực, vì vùng mã hóa còn chứa intron (không được dịch mã).
• Gene phân mảnh giúp một gene tạo ra nhiều loại mRNA/protein khác nhau (nhờ cắt – nối exon theo nhiều cách), tăng tính đa dạng sản phẩm.

Công thức cốt lõi

Quan hệ số lượng DNA – mRNA – protein (gene không phân mảnh / sinh vật nhân sơ):

$$N_{\text{gene}} = \dfrac{L}{3{,}4}\times 2 \qquad ; \qquad rN_{\text{mRNA}} = \dfrac{N}{2}$$ $$\text{Số codon trên mRNA} = \dfrac{rN}{3} = \dfrac{N}{6}$$ $$\text{Số amino acid trong chuỗi polypeptide hoàn chỉnh} = \dfrac{N}{6} – 2$$

(Trừ 1 bộ ba kết thúc và 1 amino acid mở đầu bị cắt bỏ.)

Số loại codon tạo ra từ $n$ loại ribonucleotide: $n^3$.

Quan hệ codon – anticodon – mạch gốc:

• mRNA bổ sung, ngược chiều với mạch gốc (mạch khuôn).
• Codon (mRNA, đọc 5’→3′) bổ sung ngược chiều với anticodon (tRNA).
• Mẹo nhanh: bộ ba trên mạch gốc giống anticodon, chỉ thay U thành T.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Tính số nucleotide, số codon, số amino acid (mối quan hệ DNA – mRNA – protein)

Cách làm: từ chiều dài → $N$ → $rN$ → số codon → số amino acid; nhớ trừ bộ ba kết thúc và amino acid mở đầu. Khi xuất hiện bộ ba kết thúc sớm thì dịch mã dừng tại đó.

Ví dụ 1. Một gene ở sinh vật nhân sơ dài 5100 Å. Chuỗi polypeptide tổng hợp từ gene có bao nhiêu amino acid?

$$N = \dfrac{5100}{3{,}4}\times 2 = 3000 \Rightarrow rN = \dfrac{3000}{2} = 1500$$ $$\text{Số codon} = \dfrac{1500}{3} = 500 \Rightarrow \text{Số amino acid} = 500 – 1 – 1 = \mathbf{498}$$

Ví dụ 2. Trên mRNA, vị trí 1-2-3 là bộ ba mở đầu. Nếu một nucleotide đột biến làm codon thứ 5 trở thành UGA (bộ ba kết thúc) thì chuỗi polypeptide có bao nhiêu amino acid (không kể amino acid mở đầu)?

Dịch mã dừng tại codon thứ 5, nên chỉ có 5 codon được dịch (kể cả AUG mở đầu). Số amino acid (không kể amino acid mở đầu): $$5 – 1 = \mathbf{4 \text{ amino acid}}$$

Dạng 2: Xác định trình tự codon – anticodon – mạch gốc và suy ra amino acid

Cách làm: viết mRNA bổ sung ngược chiều mạch gốc; đọc codon 5’→3′ rồi tra bảng mã di truyền. Anticodon bổ sung ngược chiều với codon.

Ví dụ 1. Methionine được tRNA-Met vận chuyển. Methionine được mã hóa bởi codon nào trên mRNA?

Bộ ba mở đầu (mã hóa Met) là $\mathbf{5’AUG3′}$.

Ví dụ 2. Một tRNA có anticodon $3’CUG5’$ sẽ vận chuyển amino acid được mã hóa bởi bộ ba nào trên mạch gốc của gene?

• Codon trên mRNA (bổ sung ngược chiều anticodon): $5’GAC3’$.
• Bộ ba trên mạch gốc (bổ sung ngược chiều codon, thay U bằng T): $\mathbf{3’CTG5′}$.

Ví dụ 3. Cho bảng: 5’ACG3′ = Thr, 5’GCA3′ = Ala, 5’CUG3′ = Leu, 5’GUC3′ = Val. Mạch gốc của một gene không phân mảnh là $5’CAG-CGT-GAC-CAG3’$. Xác định trình tự amino acid của đoạn polypeptide.

• mRNA (bổ sung ngược chiều mạch gốc), đọc theo chiều 5’→3′: $5’CUG-GUC-ACG-CUG3’$.
• Tra bảng: CUG = Leu, GUC = Val, ACG = Thr, CUG = Leu.
• Trình tự: Leu – Val – Thr – Leu.

Dạng 3: Tính số loại codon và xác suất xuất hiện codon trên RNA tổng hợp nhân tạo

Cách làm: số loại codon từ $n$ loại nucleotide là $n^3$; xác suất một codon = tích các tần số nucleotide ở 3 vị trí; với bộ ba kết thúc thì cộng xác suất của cả 3 bộ UAA, UAG, UGA.

Ví dụ 1. Với 3 loại ribonucleotide A, U, G, có thể tạo ra bao nhiêu codon mã hóa amino acid?

$$\text{Tổng codon} = 3^3 = 27$$ Trừ 3 bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA – đều tạo từ A, U, G): $$27 – 3 = \mathbf{24 \text{ codon mã hóa}}$$

Ví dụ 2. Trong ống nghiệm có A : U : G = 1 : 1 : 2, tổng hợp một phân tử RNA nhân tạo. Tính xác suất xuất hiện bộ ba kết thúc (làm tròn 2 chữ số thập phân).

Tần số: $A = \dfrac{1}{4},\ U = \dfrac{1}{4},\ G = \dfrac{1}{2}$. Ba bộ ba kết thúc: UAA, UAG, UGA. $$P = \dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{4}\cdot\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{1}{4} = \dfrac{5}{64} \approx \mathbf{0{,}08}$$

Sai lầm thường gặp

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú