Thực đơn
Gen
Trong mọi sinh vật, có hai bước cần thiết để đọc thông tin mã hóa trong DNA của gene và tổng hợp lên sản phẩm protein mà gene mã hóa cho. Đầu tiên, các đoạn DNA của gene được phiên mã thành RNA thông tin (mRNA).[37]:6.1 Thứ hai, mRNA được dịch mã thành protein.[37]:6.2 Các gene mã hóa trong RNA vẫn phải trải qua bước đầu tiên, nhưng không nhất thiết dịch mã thành protein.[57] Quá trình tổng hợp ra một phân tử chức năng sinh học hoặc là RNA hay protein được gọi là biểu hiện gen, và phân tử tạo thành được gọi là sản phẩm gene.
Trình tự nucleotide của DNA trong một gen xác định lên trình tự axit amin tương ứng của protein thông qua mã di truyền. Tập hợp các bộ ba nucleotide, gọi là bộ ba mã hóa hay codon, mà mỗi codon mã hóa cho một axit amin.[37]:6 Nguyên lý phát biểu rằng cứ ba base trong trình tự DNA mã hóa cho mỗi axit amin được minh chứng bằng thí nghiệm năm 1961 khi tạo đột biến dịch chuyển khung trong gene rIIB của thể thực khuẩn T4[58] (xem thí nghiệm Crick, Brenner và cộng sự).
Ngoài ra, một "codon khởi động", và ba "codon kết thúc" đánh dấu sự bắt đầu và kết thúc của vùng mã hóa protein. Có tất cả 64 codon khả dĩ (vì có bốn nucleotide ở mỗi một trong ba vị trí, do vậy tổ hợp có tất cả 43 codon) và trong tự nhiên chỉ có 20 axit amin cơ bản; do vậy số bộ ba là thừa và có nhiều codon cùng mã hóa cho một axit amin. Sự tương ứng giữa các codon và axit amino gần như là phổ biến rộng rãi ở mọi sinh vật sống đã biết trên Trái Đất.[59]
Phiên mã tạo ra phân tử RNA sợi đơn được biết đến là mRNA, mà các trình tự nucleotide trong nó tuân theo nguyên tắc bổ sung với của DNA làm gốc để phiên mã nó.[37]:6.1 mRNA có vai trò làm khuôn mẫu trung gian giữa DNA của gene và sản phẩm protein cuối cùng. DNA của gene được sử dụng làm khuôn để tổng hợp lên mRNA theo nguyên tắc ghép cặp bổ sung. mRNA khớp với trình tự của dải mã hóa (coding strand) trong DNA của gene bởi vì nó được tổng hợp như là sợi bổ sung của dải khuôn mẫu (template strand). Phiên mã được thực hiện bằng enzyme gọi là RNA polymerase, khi nó đọc và thực hiện trượt theo dải khuôn mẫu theo hướng đầu 3' đến đầu 5'; và tổng hợp lên RNA theo hướng ngược lại từ đầu 5' đến đầu 3'. Để khởi phát phiên mã, phân tử polymerase đầu tiên nhận ra và bám vào vùng khởi động của gen. Do vậy, cơ chế chính của điều hòa biểu hiện gen là ngăn chặn hoặc cô lập vùng khởi động, hoặc thông qua các phân tử ức chế (repressor) có chức năng ngăn chặn polymerase, hoặc bằng cách tổ chức DNA sao cho không thể tiếp cận được vùng khởi động.[37]:7
Ở sinh vật nhân sơ, quá trình phiên mã xảy ra trong tế bào chất; đối với phân tử phiên mã rất dài, sự dịch mã có thể bắt đầu tại đầu 5' của RNA trong khi ở đầu 3' của nó vẫn đang trong quá trình phiên mã. Ở sinh vật nhân thực, phiên mã xảy ra trong nhân tế bào, nơi lưu giữ DNA và nhiễm sắc thể. Phân tử RNA được tổng hợp bằng polymerase được gọi là bản sao sơ cấp (primary transcript) và trải qua một quá trình sửa đổi hậu phiên mã (post-transcriptional modification) trước khi trở thành mRNA thành thục và được chuyển ra khỏi nhân vào tế bào chất để chuẩn bị cho dịch mã. Một trong những sửa đổi được thực hiện đó là cắt-nối các đoạn intron là những trình tự trong vùng phiên mã nhưng không mã hóa cho protein. Cơ chế cắt-nối có chọn lọc (alternative splicing) có thể cho các bản sao thành thục từ cùng một gen nhưng mRNA có trình tự khác vào do vậy nó mã hóa cho những protein khác. Đây là cơ chế điều hòa chính ở tế bào nhân thực và cũng xuất hiện ở một vài tế bào nhân sơ.[37]:7.5[60]
Dịch mã là quá trình trong đó một phân tử mRNA thành thục được sử dụng là khuôn mẫu để tổng hợp lên protein mới.[37]:6.2 Dịch mã được thực hện bằng các ribosome, những phức hợp lớn chứa RNA và protein chịu trách nhiệm thực hiện các phản ứng hóa sinh để ghép nối thêm những axit amin mới do tRNA mang đến tạo thành một chuỗi polypeptide đang dài dần ra dựa trên liên kết peptide. Mã di truyền được đọc ba nucleotide trong một lần, theo các đơn vị gọi là codon mã hóa, thông qua tương tác với các phân tử RNA biệt hóa gọi là RNA vận chuyển (tRNA). Mỗi tRNA có ba base không được ghép cặp gọi là các codon đối mã (anticodon) mà bắt cặp bổ sung với codon nó đọc được từ mRNA. tRNA thông qua liên kết cộng hóa trị gắn với axit amin mà chỉ khớp riêng với codon của tRNA đó. Khi tRNA bắt khớp với codon bổ sung trên dải mRNA, ribosome lập tức gắn axit amin nó mang tới vào chuỗi polypeptide đang được tổng hợp, mà có chiều từ đầu amin đến đầu cacboxyl. Trong lúc và sau tổng hợp, hầu hết protein mới hình thành phải trải qua bước uốn gập về cấu trúc ba chiều hoạt động trước khi chúng thực hiện tham gia các chức năng trong tế bào hoặc được đẩy ra khỏi tế bào.[37]:3
Các gene được điều hòa sao cho chúng chỉ biểu hiện khi các sản phẩm gene ở mức cần thiết, vì quá trình biểu hiện tiêu tốn những nguồn dự trữ hạn chế.[37]:7 Một tế bào điều hòa biểu hiện các gen của nó phụ thuộc vào môi sinh (ví dụ chất dinh dưỡng nhiều hay ít, nhiệt độ và các sức ép-stress), môi trường bên trong tế bào (ví dụ chu kỳ phân bào, trao đổi chất, trạng thái lây nhiễm), và vai trò cụ thể của nó trong một sinh vật đa bào. Biểu hiện gene có thể được điều hòa ở bất kỳ một bước nào: từ lúc khởi phát phiên mã, đến xử lý RNA, đến sửa đổi sau dịch mã đối với protein. Sự điều hòa các gen kiểm soát trao đổi chất của đường lactose ở E. coli (lac operon) là một trong những cơ chế điều hòa đầu tiên được François Jacob và Jacques Monod miêu tả vào năm 1961.[51]
Một gene mã hóa protein điển hình thường đầu tiên sao chép sang RNA như là một phân tử trung gian trong quá trình tổng hợp ra protein cuối cùng.[37]:6.1 Trong trường hợp khác, các phân tử RNA là những sản phẩm có chức năng chuyên biệt, như vai trò trong tổng hợp RNA ribosome và RNA vận chuyển. Một số RNA được biết đến là các ribozyme có khả năng hoạt động như enzyme, và microRNA có vai trò điều hòa. Trình tự DNA từ đó mà RNA được phiên mã thành các RNA có chức năng chuyên biệt được gọi là các gene sinh RNA không mã hóa.[57]
Ở một số virus chúng lưu trữ toàn bộ bộ gene của chúng trong dạng của RNA, và không hề chứa một trình tự DNA nào.[61][62] Bởi vì chúng sử dụng RNA để lưu giữ các gene, các tế bào vật chủ có thể tổng hợp lên các protein cần thiết cho virus ngay khi chúng lây nhiễm vào vật chủ và không cần phải đợi xảy ra giai đoạn phiên mã.[63] Mặt khác, ở các RNA retrovirus, như HIV, chúng đòi hỏi phải có quá trình phiên mã ngược từ bộ gene của chúng là RNA sang DNA trước khi protein của virus được tổng hợp ra. Di truyền học ngoài gene (epigenetics) do RNA trung gian cũng đã được quan sát thấy ở một số thực vật nhưng rất hiếm có ở động vật.[64]
Thực đơn
GenLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Gen