Dịch mã thực hiện chức năng chuyển đổi thông tin di truyền và sản xuất protein cần thiết cho hoạt động sống của tất cả tế bào trong cơ thể
Dịch mã là quá trình chuyển biến thông tin di truyền trong ARN thành trình tự sắp xếp axit amin trong chuỗi polipeptit của protein. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong xây dựng, duy trì cấu trúc và chức năng của tế bào. Sự hiểu biết về dịch mã mang lại cái nhìn đa chiều về sự đa dạng và hoạt động của các hệ thống sinh học cơ bản. Xem ngay bài viết dưới đây để nắm bắt toàn bộ thông tin liên quan đến dịch mã.
Nội dung
- 1. Khái niệm dịch mã là gì?
- 2. Cơ chế cơ bản
- 3. Nơi diễn ra và thành phần tham gia quá trình dịch mã
- 4. Diễn biến của quá trình dịch mã
- 5. Kết quả của quá trình dịch mã
- 6. Ý nghĩa của quá trình dịch mã
- 7. Công thức liên quan đến quá trình dịch mã
- 8. Mối quan hệ của ADN – ARN – Protein – tính trạng
- 9. Tạm kết
1. Khái niệm dịch mã là gì?
Dịch mã (giải mã) là quá trình tổng hợp protein. Cụ thể là chuyển mã di truyền có trong mARN thành trình tự axit amin trong chuỗi polipeptit của protein. Polypeptide gấp, co xoắn tạo protein hoạt động và thực hiện chức năng. Ribosome hỗ trợ dịch mã bằng cách tạo trình tự bộ 3 bổ sung với tRNA với các mRNA mang mã di truyền. tARN mang axit amin tương ứng được đặt tại vị trí đúng trên mARN trong riboxom để tạo chuỗi amino acid hoặc polipeptit.
Dịch mã diễn ra trong tế bào chất gồm 2 giai đoạn: tổng hợp chuỗi polipeptit và hoạt hóa axit amin. Nó xảy ra ngay lập tức khi quá trình phiên mã từ DNA đến RNA trong nhân hoàn thành. Quá trình được gọi là biểu hiện gen. Một số kháng sinh hoạt động nhờ ức chế dịch mã bao gồm anisomycin, tetracycline, streptomycin, erythromycin,… Ribosome nhân sơ và nhân thực có cấu trúc khác nhau. Do đó, kháng sinh đặc hiệu nhắm đến tình trạng bệnh nhiễm trùng, nhiễm khuẩn mà không gây hại cho tế bào nhân thực của vật chủ.
2. Cơ chế cơ bản
Bản chất của dịch mã là bổ sung amino acid tại một thời điểm đến khi polypeptide hình thành. Ribosome là nơi diễn ra dịch mã. Một ribosome do hai tiểu đơn vị tạo ra. Chúng đến trước khi mRNA tạo protein nhằm cung cấp vị trí dịch mã thực hiện và tạo polypeptide (Biology, McGraw hill education, tr. 249). Ngoài ra, loại amino acid cũng được xác định bởi mã di truyền trên mỗi phân tử mRNA. Mỗi amino acid được bổ sung sẽ khớp với bộ 3 đối mã của mRNA. Còn axit amin kế bên thêm vào tương ứng với chuỗi mã hóa mRNA. Bởi vậy, trình tự nucleotide trong khuôn mẫu mRNA xác định trình tự chuỗi amino acid (Neill C (1996), Biology, The Benjamin/Cummings Publishing Company, tr. 309–310). Bổ sung một amino acid xảy ra ở đầu cuối C của peptide. Bởi vậy, quá trình dịch mã còn được gọi là định hướng amino-đến-carboxyl (Stryer L (2002), Biochemistry, W. H. Freeman and Company, tr. 826).
Thông tin di truyền được mã hóa trong mRNA dưới dạng một chuỗi ribonucleotide, di chuyển từ nhiễm sắc thể đến ribosome. Các ribonucleotides được “dịch” các bộ 3 nucleotide gọi là codon. Mỗi bộ 3 này ứng với một amino acid cụ thể. Trên mỗi ribosome có 3 vị trí gắn riêng biệt với tRNA. Quá trình khởi đầu, amino acid biến thành amino acid hoạt hóa nhờ ATP. Enzym Aminoacyl tRNA synthetase xúc tác cho liên kết giữa một amino acid hoạt hóa và một tRNA mà chúng cần. Cuối cùng là hình thành phức hợp amino acid – tRNA (Aminoacyl-tRNA).
3. Nơi diễn ra và thành phần tham gia quá trình dịch mã
3.1 Nơi diễn ra
Ở sinh vật nhân thực, kết thúc phiên mã tạo ra mARN xảy ra trong nhân tế bào. mARN mới phải cắt intron và nối exon để hình thành mARN trưởng thành. Sau đó, chúng sẽ chui qua lỗ nhân trên màng nhân ra ngoài tế bào chất. Cuối cùng là hình thành dịch mã. Đồng nghĩa rằng tế bào chất là nơi diễn ra quá trình dịch mã.
Ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn), dịch mã cũng xảy ra trong tế bào chất. Nơi các tiểu đơn vị ribosome liên kết với mRNA. Còn ở sinh vật nhân chuẩn, dịch mã có thể diễn ra trong cytosol hoặc màng nội chất trong quá trình chuyển dịch đồng dịch. Tại đây, toàn bộ ribosome/DNA liên kết với lớp màng ngoài của lưới nội chất hạt (ER) và protein mới tổng hợp. Đồng thời, phóng thích vào cytosol. Polypeptide mới tạo được lưu trữ trong ER cho túi để vận chuyển và tiết ra ngoài tế bào.
3.2 Các thành phần tham gia
- Mạch khuôn là mARN mang thông tin mã hóa axit amin.
- 20 loại axit amin tham gia tổng hợp chuỗi polipeptit.
- tARN và riboxom hoàn chỉnh (tiểu phần bé, tiểu phần lớn liên kết với nhau).
- Các loại enzim hình thành liên kết gắn axit amin với nhau và với tARN.
Xem thêm:
- Phiên mã là gì? Quá trình tổng hợp quan trọng cho sự sống
- Quá trình nhân đôi ADN là gì? Chi tiết các bước và ý nghĩa
4. Diễn biến của quá trình dịch mã
- Vị trí: Diễn ra trong tế bào chất
- Diễn biến: Quá trình dịch mã trải qua 2 giai đoạn: Hoạt hóa axit amin và Tổng hợp chuỗi polipeptit. Cùng BCC khám phá ngay.
4.1 Giai đoạn 1: Hoạt hóa axit amin
Trong tế bào chất, với sự hỗ trợ của enzyme đặc hiệu và năng lượng ATP, mỗi axit amin được hoạt hóa và gắn với tARN tương ứng. Sự kết hợp này tạo nên axit amin – tARN (aa – tARN). Các axit amin tự do trong nội bào được hoạt hoá do gắn với ATP: a.a + ATP → a.a hoạt hóa do xúc tác của enzyme.
4.2 Giai đoạn 2: Tổng hợp chuỗi polipeptit
Mở đầu
Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn mARN tại vị trí nhận biết đặc hiệu. Thường gần với codon mở đầu. Sau đó, di chuyển đến gần bộ ba mở đầu (AUG) theo nguyên tắc bổ sung. Bộ ba đối mã của phức hợp mở đầu Met – tARN (UAX) bổ sung chính xác với AUG trên mARN. Tiểu đơn vị lớn gắn vào tạo riboxom hoàn chỉnh tham gia tổng hợp polipeptit. Bộ ba AUG mã hóa cho a.a Methionin ở sinh vật nhân thực và axit amin foocmin Methionin ở sinh vật nhân sơ.
Kéo dài chuỗi pôlipeptit
Codon thứ hai trên mARN (GAA) gắn anticôđon của phức hợp Glu-tARN (XUU) theo khớp bổ sung. Ribôxôm trở thành khung đỡ mARN và phức hợp aa-tARN. Đến khi, axit amin Met và Glu hình thành liên kết peptit giữa chúng. Riboxom dịch đi một codon trên mARN để đỡ phức hợp codon-anticodon tiếp theo. Quá trình này tiếp tục tái diễn cho đến khi axit amin thứ ba (Arg) gắn với axit amin thứ hai (Glu) bằng peptit. Ribôxôm lại chuyển một codon trên mARN. Cứ thế tiếp diễn đến cuối mARN.
Phức hợp aa1 – tARN vào ribôxôm khớp bổ sung đối mã với codon tiếp theo sau mã mở đầu trên mARN. Liên kết peptit được hình thành giữa aa mở đầu và aa1. Ngoài ra, một phân tử nước cũng được tạo.
Quá trình dịch chuyển codon được tiếp tục. tARN mở đầu rời khỏi riboxom. Và phức hợp aa2 – tARN gắn vào ribôxôm khớp bổ sung đối mã với codon đó. Tại đây hình thành liên kết peptit giữa aa1 và aa2. Đồng thời, hình thành phân tử nước tiếp theo. Các hoạt động này liên tục tái diễn cho đến khi ribôxôm trượt tiếp xúc với một trong ba mã kết thúc. Cụ thể là UGA, UAG hay UAA.
Kết thúc
Dịch mã dừng lại khi riboxom tiếp xúc với bộ ba mã kết thúc. Hai tiểu phần tách nhau ra. Và một loại enzyme đặc hiệu loại bỏ axit amin mở đầu và giải phóng khỏi chuỗi pôlipeptit. Chuỗi này tiếp tục hình thành các cấu trúc bậc cao hơn. Đồng thời, hình thành các protein mang hoạt tính sinh học.
Trong quá trình dịch mã, mARN không gắn với các riboxom riêng rẽ. Thay vào đó, chúng gắn với một nhóm ribôxôm gọi là poliriboxom (polixom) giúp tăng hiệu suất tổng hợp protein. Một mRNA có thể được dịch bởi nhiều ribosome tạo nên nhiều protein giống nhau.
Tóm lại, cơ chế phân tử của hiện tượng di truyền được thể hiện theo sơ đồ sau:
- Vật liệu di truyền là ADN được di truyền thông qua cơ chế nhân đôi của ADN.
- Thông tin di truyền được biểu hiện thành tính trạng thông qua cơ chế phiên mã từ ADN sang mARN rồi dịch mã từ mARN sang protein biểu hiện tính trạng.
- Khi riboxom dịch chuyển đến một codon kết thúc thì dịch mã kết thúc. Hai tiểu đơn vị riboxom tách nhau ra. Enzyme đặc hiệu loại bỏ amino acid mở đầu. Quá trình dịch mã hoàn tất.
5. Kết quả của quá trình dịch mã
Mỗi lần một riboxom trượt qua phân tử mARN trưởng thành sẽ hình thành chuỗi polipeptit. Chuỗi này sau khi được cắt bỏ axit amin mở đầu sẽ mang cấu trúc bậc 1 hoàn chỉnh. Sau khi được tổng hợp và hoàn thiện, chúng tiếp tục biến đổi cấu trúc để hình thành cấu trúc bậc 2, 3, 4 nhằm thực hiện chức năng sinh học của protein.
6. Ý nghĩa của quá trình dịch mã
- Trình tự sắp xếp các nucleotit trên mARN chuyển đổi thành trình tự sắp xếp các aa trong chuỗi polipeptit.
- Thông tin di truyền trong axit nucleotit được biểu hiện thành tính trạng bên ngoài kiểu hình nhờ protein tương tác với môi trường ngoài.
7. Công thức liên quan đến quá trình dịch mã
Xét trong một chuỗi polipeptit thì ta có:
- Số axit amin của protein là: (rN/3 – 2)
- Số axit amin môi trường cung cấp (số axit amin cần) = (số bộ ba – 1)
- Số liên kết peptit được hình thành sau khi dịch mã kết thúc = Số phân tử nước = (số bộ ba – 2)
- Số lượng riboxom trượt qua tương đương với số lần dịch mã cũng như số chuỗi polipeptit.
8. Mối quan hệ của ADN – ARN – Protein – tính trạng
- Trình tự sắp xếp các nuclêôtit trên ADN quy định trình tự ribonucleotit trên mARN. Bởi vậy, phân tử mARN chính là bản mã sao của gen cấu trúc. Enzim ARN – polimeraza tách 2 mạch đơn của gen. Đồng thời, liên kết ribonucleotit tự do trong môi trường nội bào với nucleotit trên mạch mã gốc của gen. Quá trình này được tiến hành theo nguyên tắc bổ sung (A-U, G-X) tạo mARN.
- Trình tự ribonucleotit trên mARN quy định trình tự axit amin trong protein. Tại tế bào chất, riboxom tiếp xúc với mARN. Và tại mỗi bộ ba mã triplet, ribosome di chuyển dọc theo mRNA. Trong quá trình này, các phức hợp amino acid – tRNA gắn vào ribosome. Sau đó, hình thành các cặp cơ sở theo NTBS để gắn kết axit amin, hình thành chuỗi polypeptide. Chuỗi polypeptide này tự tổ chức thành cấu trúc phức tạp hơn, Sau đó, tạo nên phân tử protein với hoạt tính sinh học.
- Protein thực hiện chức năng theo loại và biểu hiện tính trạng.
- Đột biến ADN có thể thay đổi cấu trúc mARN và protein, ảnh hưởng đến tính trạng hệ thống.
Xem thêm:
- Axit nucleic là gì? Cơ chế hoạt động và chức năng cần biết
- Mã di truyền là gì? Giải mã chi tiết bản chất và các đặc điểm
9. Tạm kết
Trên đây là toàn bộ thông tin liên quan nhằm giải mã “Dịch mã là gì?”. Dịch mã là quá trình chuyển đổi thông tin gen từ ngôn ngữ mã gen sang ngôn ngữ protein, đóng vai trò quan trọng trong quá trình xây dựng và duy trì cấu trúc của cơ thể. Khám phá về cơ chế này đã mở ra những cánh cửa mới trong hiểu biết về sinh học và cung cấp cơ sở cho nhiều ứng dụng trong y học và công nghiệp sinh học. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Tế bào trong mọi lĩnh vực.
