Di truyền phân tử

Di truyền phân tử là nền móng của cả phần di truyền học lớp 12. Đề thi thường có 3–5 câu ở phần I (cấu trúc DNA, mã di truyền, operon lac, dạng đột biến gene), có thể có một câu đúng/sai phân tích thí nghiệm đột biến operon và một câu trả lời ngắn tính số nucleotide, số liên kết hydrogen hoặc số amino acid.

Kiến thức trọng tâm

Gene và mã di truyền

• Gene là một đoạn DNA mang thông tin mã hóa cho một sản phẩm xác định: một chuỗi polypeptide hoặc một phân tử RNA (tRNA, rRNA…).
• Gene mã hóa protein gồm ba vùng: vùng điều hòa (đầu 3' của mạch mã gốc, chứa trình tự để RNA polymerase nhận biết và bám vào), vùng mã hóa, vùng kết thúc (đầu 5' của mạch mã gốc).
• Sinh vật nhân sơ: gene không phân mảnh (vùng mã hóa liên tục). Phần lớn gene của sinh vật nhân thực phân mảnh: xen kẽ đoạn mã hóa amino acid (exon) và đoạn không mã hóa (intron).
• Mã di truyền là mã bộ ba: cứ 3 nucleotide liên tiếp trên mRNA (một codon) quy định một amino acid. Có $4^3 = 64$ codon: 61 codon mã hóa amino acid, 3 codon kết thúc UAA, UAG, UGA (không mã hóa amino acid). AUG là codon mở đầu, mã hóa methionine (ở sinh vật nhân sơ là formylmethionine).

Cấu trúc DNA và các công thức cơ bản

DNA là chuỗi xoắn kép gồm hai mạch polynucleotide đối song song (một mạch 5' → 3', mạch kia 3' → 5'). Các nucleotide trên một mạch nối nhau bằng liên kết phosphodiester; hai mạch liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung: A – T bằng 2 liên kết, G – C bằng 3 liên kết. Mỗi chu kì xoắn có 10 cặp nucleotide, dài 34 Å.

Với gene có $N$ nucleotide (hai mạch), số nucleotide mỗi loại $A = T$, $G = C$:

Số chu kì xoắn $C = \dfrac{N}{20}$; khối lượng $M = 300N$ (đvC).

So sánh tái bản, phiên mã, dịch mã

Tái bản DNA. Helicase tháo xoắn tạo chạc tái bản; primase tổng hợp đoạn mồi RNA; DNA polymerase chỉ gắn nucleotide vào đầu 3'-OH, nên mạch mới luôn kéo dài theo chiều 5' → 3'. Trên mạch khuôn 3' → 5', mạch mới tổng hợp liên tục; trên mạch khuôn 5' → 3', mạch mới tổng hợp gián đoạn thành các đoạn Okazaki rồi được ligase nối lại. Mỗi DNA con có một mạch cũ và một mạch mới (bán bảo toàn). DNA của sinh vật nhân thực có nhiều điểm khởi đầu tái bản, DNA vòng của vi khuẩn thường chỉ có một.

Phiên mã. RNA polymerase bám vào vùng điều hòa, tháo xoắn đoạn gene, trượt trên mạch mã gốc theo chiều 3' → 5' và tổng hợp RNA theo chiều 5' → 3' (A – U, T – A, G – C, C – G). Ở sinh vật nhân thực, mRNA sơ khai được cắt bỏ intron, nối các exon thành mRNA trưởng thành rồi mới ra tế bào chất.

Dịch mã. Gồm hoạt hóa amino acid (amino acid gắn với tRNA nhờ ATP), rồi tổng hợp chuỗi polypeptide: mở đầu tại codon AUG, kéo dài (ribosome dịch chuyển từng codon theo chiều 5' → 3' của mRNA, anticodon của tRNA khớp bổ sung với codon, các amino acid nối nhau bằng liên kết peptide) và kết thúc khi gặp codon kết thúc. Nhiều ribosome cùng trượt trên một mRNA (polysome) giúp tăng hiệu suất tổng hợp protein.

Điều hòa biểu hiện gene: operon lac ở E. coli

Operon lac gồm vùng khởi động P (nơi RNA polymerase bám), vùng vận hành O (nơi protein ức chế bám) và nhóm gene cấu trúc Z, Y, A. Gene điều hòa (lacI) nằm ngoài operon, luôn tổng hợp protein ức chế.

Ở sinh vật nhân thực, biểu hiện gene được điều hòa ở nhiều mức: cấu trúc chất nhiễm sắc, phiên mã, chế biến mRNA, dịch mã và sau dịch mã.

Đột biến gene

Đột biến gene là biến đổi trong cấu trúc của gene, thường liên quan tới một cặp nucleotide (đột biến điểm): thay thế, mất hoặc thêm một cặp nucleotide. Nguyên nhân: kết cặp sai khi tái bản, tác nhân vật lí (tia UV, tia phóng xạ), hóa học (ví dụ 5-bromouracil gây thay thế A – T bằng G – C qua ít nhất ba lần tái bản), sinh học (một số virus).

Công nghệ gene

Công nghệ gene là quy trình tạo tế bào hoặc sinh vật có gene bị biến đổi hoặc có thêm gene mới. Các bước:

1. Tạo DNA tái tổ hợp: dùng cùng một loại enzyme cắt giới hạn cắt gene cần chuyển và thể truyền (vector, thường là plasmid), rồi nối bằng ligase.
2. Đưa DNA tái tổ hợp vào tế bào nhận (vi khuẩn, nấm men, tế bào thực vật, động vật).
3. Chọn lọc dòng tế bào mang DNA tái tổ hợp nhờ gene đánh dấu (ví dụ gene kháng kháng sinh), rồi nhân dòng.

Ứng dụng: vi khuẩn mang gene insulin người sản xuất insulin chữa bệnh đái tháo đường; cây trồng mang gene kháng sâu, chịu hạn; động vật biến đổi gene tạo protein dùng làm thuốc. Cần đánh giá an toàn sinh học trước khi đưa sinh vật biến đổi gene ra sản xuất.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Tính các thông số của gene

Xem lời giải

1. Tổng số nucleotide: $N = \dfrac{2L}{3{,}4} = \dfrac{2 \times 4080}{3{,}4} = 2400$.
2. $A = T = 20\% \times 2400 = 480$; $G = C = \dfrac{2400}{2} - 480 = 720$.
3. $H = 2A + 3G = 2 \times 480 + 3 \times 720 = 3120$ liên kết.
4. Số chu kì xoắn: $\dfrac{2400}{20} = 120$.

Dạng 2: Tái bản nhiều lần

Một DNA tái bản $k$ lần tạo $2^k$ DNA con; môi trường cung cấp $N(2^k - 1)$ nucleotide, trong đó mỗi loại bằng số nucleotide loại đó nhân $(2^k - 1)$; số DNA con được tạo hoàn toàn từ nguyên liệu mới là $2^k - 2$.

Xem lời giải

• Số DNA con: $2^3 = 8$.
• $A_{mt} = 480 \times (2^3 - 1) = 480 \times 7 = 3360$.
• Hai mạch của DNA ban đầu nằm ở 2 DNA con khác nhau (bán bảo toàn), nên số DNA con hoàn toàn mới là $8 - 2 = 6$.

Dạng 3: Từ gene suy ra mRNA và chuỗi polypeptide

Cho bảng codon (một phần):

Xem lời giải

1. mRNA bổ sung với mạch mã gốc (A – U, T – A, G – C, C – G) và có chiều ngược lại: $5'$-AUG GCU AAA UGG UUC UAA-$3'$.
2. Dịch theo từng bộ ba từ AUG: Met – Ala – Lys – Trp – Phe, rồi gặp UAA thì dừng.
3. Chuỗi gồm 5 amino acid (kể cả Met mở đầu). Anticodon của tRNA mang Met là $3'$-UAC-$5'$.

Đoạn gene này chính là mô hình DNA ở trên: mạch 1 là mạch bổ sung (giống mRNA, chỉ thay U bằng T).

Dạng 4: Xác định hậu quả của đột biến điểm

Xem lời giải

Viết lại codon bị ảnh hưởng trên mRNA rồi tra bảng:

1. GCU → GCC: vẫn Ala, đồng nghĩa; số liên kết hydrogen tăng 1.
2. AAA → AGA: Lys → Arg, sai nghĩa một amino acid.
3. UGG → UAG: codon kết thúc, chuỗi chỉ còn Met – Ala – Lys, vô nghĩa.
4. mRNA thành AUG GCU AAU GGU UCU A…: từ codon thứ 3 mọi codon đều đổi, dịch khung.

Dạng 5: Phân tích thí nghiệm operon lac

Xem lời giải

Gene cấu trúc luôn được phiên mã nghĩa là protein ức chế không còn chặn được vùng O. Có thể do: đột biến ở vùng vận hành O (protein ức chế không bám được) hoặc đột biến ở gene điều hòa làm protein ức chế mất chức năng (không bám được vào O). Đột biến ở vùng P thì ngược lại: không phiên mã trong mọi điều kiện.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Một gene có $3000$ nucleotide và $3900$ liên kết hydrogen. Tính số nucleotide loại G của gene.

Xem đáp án

$2A + 2G = 3000$ và $2A + 3G = 3900$ nên $G = 3900 - 3000 = 900$ (và $A = 600$).

2. Đoạn mô hình DNA ở trên (18 cặp nucleotide) có bao nhiêu liên kết hydrogen?

Xem đáp án

Mạch 1 ATGGCTAAATGGTTCTAA có 12 nucleotide A hoặc T và 6 nucleotide G hoặc C, nên có 12 cặp A – T và 6 cặp G – C: $H = 2 \times 12 + 3 \times 6 = 42$.

3. Vì sao mất một cặp nucleotide ở codon gần cuối gene thường gây hậu quả nhẹ hơn mất một cặp ở codon thứ hai?

Xem đáp án

Mất một cặp gây dịch khung từ vị trí đột biến về sau. Đột biến ở gần cuối gene chỉ làm đổi vài amino acid cuối; ở codon thứ hai thì gần như toàn bộ chuỗi polypeptide bị thay đổi.

4. Đúng hay sai: khi môi trường có lactose, protein ức chế không còn được tổng hợp.

Xem đáp án

Sai. Gene điều hòa vẫn tổng hợp protein ức chế; lactose chỉ gắn vào protein ức chế làm nó đổi cấu hình, không bám được vào vùng O.

5. Một gene tái bản 4 lần, môi trường cung cấp $9000$ nucleotide loại G. Gene có bao nhiêu nucleotide loại G?

Xem đáp án

$G \times (2^4 - 1) = 9000$ nên $G = 9000 : 15 = 600$.