Mã di truyền chứa các thông tin di truyền trong DNA, giúp định hình đặc tính và đảm bảo duy trì hoạt động, chức năng cho mọi hoạt động sống
Mã di truyền mang thông tin di truyền từ mạch mã gốc trên phân tử ADN đến trình tự axit amin trong chuỗi polipeptit. Nó quyết định đến tính trạng và đặc tính di truyền của cơ thể sống. Với chức năng này, việc nghiên cứu mã di truyền ở cấp độ phân tử rất quan trọng. Cùng tìm hiểu ngay toàn bộ thông tin thông qua bài viết dưới đây.
Nội dung
1. Khái quát về ADN
ADN (Deoxyribonucleic Acid) là vật liệu di truyền ở đa số cơ thế sống. Tức là, ADN mang lượng lớn thông tin di truyền. Đồng thời, truyền tải đến các thế hệ sau thông qua quá trình phân đôi và quyết định các đặc tính. ADN chủ yếu nằm trong nhân tế bào và lượng nhỏ trong ty thể.
ADN là đại phân tử cấu tạo theo nguyên tắc đa phân. Đơn phân là các nucleotit (Nu). Hai Nu trên một mạch liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Thông tin trong ADN được lưu trữ dưới dạng mã và hình thành từ bốn loại bazơ nitơ. Cụ thể: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và thymine (T). Chúng bắt cặp với nhau theo quy tắc bổ sung: A – T và C – G. Chúng gắn kết với nhau nhờ liên kết hydro bazơ. [1]
ADN có dạng xoắn kép với 2 mạch song song – chuỗi polinucleotit. Chúng xoắn xoay quanh 1 mạch cố định ngược chiều kim đồng hồ. Mỗi người có cấu trúc xoắn kép ADN khác nhau, quy định các đặc điểm riêng biệt. Do đó, việc phân tích ADN có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Điển hình là hỗ trợ điều trị các căn bệnh do đột biến ADN di truyền.
2. Mã di truyền là gì?
Mã di truyền (Genetic code) được định nghĩa là trình tự sắp xếp các Nucleotit trong gen. Từ đó, nó cũng quy định trình tự sắp xếp các axit amin trong protein. Mã di truyền bao gồm: bộ ba mã gốc trên ADN, bộ ba mã sao trên mARN và bộ ba đối mã trên tARN.
Mã di truyền còn là bộ quy tắc hỗ trợ dịch mã thông tin được mã hóa trong vật liệu di truyền thành protein. Dịch mã được ribosome tiến hành, liên kết amino acid tạo protein theo thứ tự mRNA quy định. Đồng thời, sử dụng tRNA để mang amino acid và đọc ba nucleotide của mRNA cùng lúc. Mã di truyền khá giống nhau ở mọi sinh vật.
Trong sinh tổng hợp protein, codon giúp xác định amino acid phù hợp để lắp vào vị trí kế tiếp trên chuỗi. Một bộ ba nucleotide trong acid nucleic hầu như chỉ mã hóa cho một amino acid duy nhất. Đa số gen được mã hóa dựa trên một sơ đồ duy nhất. Nó được gọi là mã di truyền tiêu chuẩn và tồn tại các mã biến thể.
3. Bản chất của mã di truyền
Các nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ về hướng dẫn tổng hợp protein được mã hóa trong ADN. Họ nhận ra rằng chỉ có bốn loại nucleotide (A, T, G, X). Tuy nhiên, lại có đến 20 loại axit amin trong protein. Vậy bản chất là gì? Số lượng nucleotide xác định cho một axit amin là bao nhiêu? Cùng BCC khám phá ngay.
- Mỗi nucleotide xác định một axit amin. Khi đó, sẽ có 41 = 4 tổ hợp. Tức là chỉ có 4 axit amin được quy đinh ứng với mỗi loại nucleotide.
- Hai nucleotide bất kì xác định một axit amin. Khi đó, sẽ có 42 = 16 tổ hợp. Số lượng tổ hợp chưa đủ để mã hóa 20 loại axit amin cơ bản.
- Ba nucleotide bất kì xác định một axit amin. Khi đó, sẽ có 43 = 64 tổ hợp. Số lượng này thừa đủ để mã hóa 20 loại axit amin.
Theo kết quả thí nghiệm, thông tin từ gen đến protein được truyền tải dựa trên mã bộ ba (triplet). Các chỉ dẫn di truyền cho chuỗi polypeptide được mã hóa trong ADN dưới dạng chuỗi bổ sung không trùng lặp, ba nucleotide trong mARN (các codon). Sau đó, chúng được dịch mã thành chuỗi axit amin.
Xem thêm:
- Dịch mã là gì? Chi tiết toàn bộ quá trình và ý nghĩa
- Phiên mã là gì? Quá trình tổng hợp quan trọng cho sự sống
4. Đặc điểm của mã di truyền
- Được đọc từ một điểm xác định theo từng bộ ba nuclêôtit mà không chồng chéo nhau.
- Có tính đặc hiệu. Nghĩa là chỉ mã hóa một loại axit amin.
- Có tính thoái hóa. Nghĩa là nhiều bộ ba khác nhau cùng xác định một loại axit amin (trừ AUG và UGG).
- Có tính phổ biến. Nghĩa là mọi loài đều có chung một bộ mã di truyền. Đồng thời, được mã hóa bởi cùng một codon. Trừ một vài trường hợp ngoại lệ.
- Ở ty thể người, mã của tryptophan mới chính là mã kết thúc. AGA, AGG là điểm cuối chứ không phải là mã của arginine, thêm vào UAA và UAG. Ty thể có 4 nhóm mã cuối. Methionine có 2 codon, AUG và AUA.
5. Giải mã đặc điểm của mã di truyền
5.1 Mã di truyền là mã bộ ba
Mã di truyền là mã bộ ba. Tức là cứ ba nucleotide kế tiếp nhau mã hóa một axit amin. Nó được lấy trên sợi mARN theo chiều 5’-3’. Ví dụ, AUG hay 5’-AUG-3’ mã hóa cho axit amin Mêtiônin. Chúng được phiên mã sang mARN. Vì vậy, giải mã ADN chính là giải mã mARN. Mỗi cơ thể sống có 64 bộ ba trên ADN tương ứng với 64 bộ ba trên mARN.
Do là mã bộ ba nên có tổng 4^3=64 tổ hợp. Nó tương đương với 64 mã bộ ba. Trong đó, 1 mã mở đầu là AUG mã hóa cho Mêtiônin. Còn 61 bộ mã hóa cho 20 axit amin và 3 bộ mã kết thúc UAA, UAG, UGA không mã hóa cho bất kỳ axit amin nào.
5.2 Tính đặc hiệu
Tính đặc hiệu của mã di truyền được thể hiện ở mỗi codon chỉ mã hoá cho một loại amino acid. Dịch mã chính xác thông tin ở mARN thành chuỗi polypeptide phụ thuộc rất nhiều vào tARN. Trong khi, mỗi loại tARN chỉ vận chuyển duy nhất một loại axit amin tương ứng. Chính đặc điểm này đã tạo nên tính đặc hiệu.
5.3 Tính thoái hóa
Mã di truyền có tính thoái hóa – tình trạng dư thừa. Tức một axit amin có thể chứa nhiều bộ ba mã hóa. Chỉ methionine (AUG) và tryptophan (UGG) có một bộ ba quy định. Với tiêu chuẩn trên, có 61 bộ ba mã hóa cho 20 axit amin. Bởi vậy, có một số axit amin được mã hóa bởi nhiều bộ ba. Các codon đồng nghĩa, cùng mã hóa cho một loại axit amin thường có hai base đầu tiên giống nhau. Tuy nhiên, ở chữ cái thứ ba thì có sự khác nhau. Cụ thể, CCU, CCC, CCA, CCG đều mã hóa proline. Hậu quả thực tế của tính thoái hóa là lỗi xảy ra ở vị trí thứ ba của codon bộ ba. Nó có thể chỉ gây ra đột biến thầm lặng. Hoặc không tác động đến protein. Bởi tính ưa nước hoặc kỵ nước được duy trì nhờ amino acid thay thế tương đương.
5.4 Tính phổ biến
Loại bỏ một số trường hợp ngoại lệ, mã di truyền còn có tính phổ biến. Biểu hiện ở việc mọi sinh vật đều dùng chung một bộ mã.
5.5 Tính liên tục
Mã di truyền được đọc từ một điểm đã được xác định. Đồng thời, thực hiện đọc liên tục từng bộ ba nucleotide, không chồng chéo lên nhau. Bùng nổ nghiên cứu và khám phá di truyền học mang đến cái nhìn bao quát và chính xác hơn về thông tin di truyền. Cụ thể là cách truyền thông tin từ gen đến protein.
6. Bảng mã di truyền
6.1 Bảng mã di truyền là gì?
Bảng mã được xác định bởi các nhà khoa học Melvin Calvin, Har Gobind Khorana và Marshall W. Nirenberg những năm 1960. Phát hiện quan trọng trong sinh học phân tử mang đến rất nhiều đột phá trong giải mã mã gen và protein. Nó liệt kê các mã di truyền tương ứng với axit amin. Nó là kết quả của quá trình dịch mã gen từ nucleotide sang protein. Bảng mã di truyền có 64 bộ ba nucleotide. Mỗi bộ ba lại tương ứng với một axit amin hoặc mã dừng.
Các codon được sắp xếp theo thứ tự bảng mã. Ngoài ra, mỗi codon lại do 3 nucleotide liên tiếp mã hóa. Chẳng hạn mã di truyền AUG là mã codon bắt đầu và mã hóa cho axit amin Metionin. Các bộ ba nucleotide trong bảng được chia làm hai nhóm chính. Đó là: các codon mã hóa cho axit amin và cho mã dừng. Codon mã hóa khoảng 20 loại axit amin khác nhau. Trong khi, chỉ có 3 loại mã dừng. Các codon được ký hiệu bằng chữ cái hoặc số. Ví dụ, codon UUA được ghi lại bằng chữ “Leu” (Leucine) hoặc số 6.
6.2 Đặc điểm
Bảng mã di truyền cũng có một số đặc điểm quan trọng sau:
- Sự mã hóa của bảng mã gây nhiều tranh cãi. Các codon mã hóa cho cùng một axit amin. Còn một số axit amin khác nhau lại có thể được mã hóa bởi cùng một codon.
- Các codon được sắp xếp theo thứ tự tăng dần giá trị mã trung bình của ba nucleotide. Các codon với mã trung bình gần nhau thường mã hóa cùng một axit amin.
- Các codon chứa một hoặc hai nucleotide đầu tiên tương đồng. Còn nucleotide thứ ba lại khác nhau. Nó được gọi là “khác nhau nhất” (wobble position). Sự khác biệt tại vị trí này cho phép codon mã hóa nhiều loại axit amin.
- Bảng mã di truyền là chìa khóa quan trọng để hiểu về mã hóa gen và quá trình tổng hợp protein. Nó cũng là cơ sở cho các ứng dụng công nghệ sinh học như kỹ thuật tái tổ hợp gen, phát hiện virus và bệnh di truyền.
Xem thêm:
- Quá trình nhân đôi ADN là gì? Chi tiết các bước và ý nghĩa
- Axit nucleic là gì? Cơ chế hoạt động và chức năng cần biết
7. Tạm kết
Mã di truyền là hệ thống mã hóa thông tin gen di truyền. Nó chịu trách nhiệm định hình đặc tính của mỗi cá thể. Tính độc đáo và linh hoạt của mã di truyền tạo nên sự đa dạng cho hệ sinh vật. Đồng thời, quá trình nghiên cứu bảng mã còn đóng góp quan trọng vào việc hiểu rõ về nguồn gốc và phát triển các đặc tính sinh học. Từ đó, mang đến nhiều cơ hội trong lĩnh vực y học và công nghệ sinh học trong tương lai. 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.
