Phiên mã chuyển thông tin từ ADN sang ARN, tạo mARN phục vụ tổng hợp protein hoặc những ARN trực tiếp thực hiện chức năng. Học sinh cần xác định đúng mạch khuôn, chiều của RNA polymerase, nguyên tắc bổ sung và sự khác nhau giữa ARN sơ khai với ARN trưởng thành.

Phiên mã là gì?

Phiên mã là quá trình tổng hợp phân tử ARN dựa trên một mạch của ADN làm khuôn. Enzyme chính tham gia là RNA polymerase.

Tế bào chỉ phiên mã những gen cần thiết. Với mỗi gen, thường chỉ một mạch ADN làm khuôn; mạch khuôn của các gen khác nhau không nhất thiết nằm trên cùng một mạch của phân tử ADN.

Phiên mã là mắt xích quan trọng trong dòng thông tin di truyền:

ADN → ARN → protein

Quá trình này thuộc chuyên đề cơ chế di truyền và biến dị, liên hệ trực tiếp với nhân đôi ADN, dịch mã và điều hòa hoạt động của gen.

Các loại ARN được tạo ra

Phiên mã tạo mARN mang thông tin mã hóa, tARN vận chuyển amino acid, rARN cấu tạo ribosome và nhiều ARN điều hòa. Vì vậy, không phải mọi ARN đều được dịch mã; chỉ mARN mang vùng mã hóa được ribosome đọc để tổng hợp polypeptide.

Học sinh có thể đặt nội dung này trong hệ thống lý thuyết Sinh học 12 để thấy mối liên hệ giữa phiên mã và dịch mã.

Mạch khuôn và mạch mã hóa

Trong vùng được phiên mã, hai mạch ADN có vai trò khác nhau.

Mạch khuôn

RNA polymerase đọc mạch khuôn theo chiều 3’ → 5’ và tổng hợp ARN theo chiều 5’ → 3’. Trình tự ARN bổ sung với mạch khuôn:

• A trên ADN khuôn liên kết với U trên ARN.
• T trên ADN khuôn liên kết với A trên ARN.
• G trên ADN khuôn liên kết với C trên ARN.
• C trên ADN khuôn liên kết với G trên ARN.

Mạch mã hóa

Mạch không làm khuôn gọi là mạch mã hóa. Trình tự mạch này giống ARN về chiều và thứ tự base, nhưng ADN có T còn ARN có U.

Ví dụ:

Mạch mã hóa:

5’–ATGCCAT–3’

Mạch khuôn:

3’–TACGGTA–5’

ARN:

5’–AUGCCAU–3’

Khi đề cho một mạch ADN, phải xác định đó là mạch khuôn hay mã hóa để tránh đảo chiều.

Nguyên tắc của quá trình phiên mã

Phiên mã tuân theo hai nguyên tắc trọng tâm.

Nguyên tắc khuôn mẫu

Một mạch ADN của gen làm khuôn. Trình tự nucleotide trên mạch này quyết định trình tự ribonucleotide của ARN.

Nếu mạch khuôn có trình tự:

3’–ATGC–5’

ARN được tổng hợp sẽ có trình tự:

5’–UACG–3’

Nguyên tắc bổ sung

Ribonucleotide tự do bắt cặp với mạch khuôn theo quy tắc:

• A trên ADN khuôn liên kết với U trên ARN.
• T trên ADN khuôn liên kết với A trên ARN.
• G trên ADN khuôn liên kết với C trên ARN.
• C trên ADN khuôn liên kết với G trên ARN.

Phiên mã không có nguyên tắc bán bảo tồn; sản phẩm là ARN mạch đơn.

Enzyme và thành phần tham gia phiên mã

RNA polymerase bắt đầu tổng hợp không cần đoạn mồi, tạo liên kết phosphodiester và kéo dài ARN ở đầu 3’.

Đây là điểm khác biệt quan trọng so với DNA polymerase trong quá trình nhân đôi ADN:

• DNA polymerase cần đoạn mồi.
• RNA polymerase không cần đoạn mồi.
• Cả hai đều tổng hợp mạch mới theo chiều 5’ → 3’.

Xem thêm: Tổng hợp công thức Sinh học 12

Diễn biến quá trình phiên mã

Phiên mã được chia thành ba giai đoạn: khởi đầu, kéo dài và kết thúc.

Giai đoạn khởi đầu

RNA polymerase cùng các yếu tố hỗ trợ nhận diện promoter, bám vào ADN và tách hai mạch cục bộ. Promoter xác định vị trí, hướng bắt đầu và giúp enzyme lựa chọn đúng mạch khuôn.

Vùng ADN được mở xoắn tạo thành bong bóng phiên mã. Không phải toàn bộ gen cùng tách thành hai mạch; chỉ một đoạn ngắn quanh RNA polymerase được mở tại mỗi thời điểm.

Giai đoạn kéo dài

RNA polymerase di chuyển dọc mạch khuôn theo chiều 3’ → 5’. Các ribonucleotide được lắp theo nguyên tắc bổ sung, làm chuỗi ARN dài ra theo chiều 5’ → 3’.

Phía trước enzyme, ADN tách xoắn; phía sau, hai mạch bắt cặp trở lại và ARN tách khỏi khuôn.

Phiên mã thường chỉ sao chép một gen hoặc đơn vị phiên mã, không sao chép toàn bộ ADN. Một gen có thể được phiên mã nhiều lần để tạo nhiều phân tử ARN giống nhau, tùy nhu cầu của tế bào.

Sơ đồ ba giai đoạn phiên mã

Giai đoạn kết thúc

Khi gặp tín hiệu kết thúc, ARN được giải phóng, enzyme rời ADN và hai mạch liên kết trở lại.

Ở sinh vật nhân sơ, ribosome có thể dịch mã khi phiên mã chưa hoàn tất. Ở sinh vật nhân thực, ARN sơ khai phải được xử lý trong nhân.

Xử lý ARN ở sinh vật nhân thực

Sản phẩm ban đầu của gen mã hóa protein thường là tiền mARN. Phân tử này được biến đổi qua ba bước chính.

Gắn mũ 5’

Một guanine biến đổi được gắn vào đầu 5’, giúp bảo vệ mARN và hỗ trợ ribosome nhận biết.

Mũ 5’ còn tham gia quá trình vận chuyển mARN ra khỏi nhân và làm giảm nguy cơ mARN bị enzyme phân hủy.

Gắn đuôi poly(A)

Chuỗi adenine gắn vào đầu 3’ giúp tăng độ bền và hỗ trợ vận chuyển mARN.

Đuôi poly(A) không được tạo trực tiếp từ một chuỗi thymine tương ứng trên ADN mà được enzyme bổ sung sau phiên mã.

Cắt nối ARN

Intron bị loại bỏ, exon được nối lại. Cắt nối thay thế có thể tạo nhiều mARN trưởng thành từ một tiền mARN.

Vì vậy, mARN trưởng thành có thể khác ARN sơ khai. Bài tính toán phải xác định sản phẩm trước hay sau cắt nối.

So sánh phiên mã ở sinh vật nhân sơ và nhân thực

Ở sinh vật nhân sơ, một mARN có thể chứa thông tin của nhiều gen trong cùng operon. Ở sinh vật nhân thực, mỗi mARN trưởng thành thường chứa vùng mã hóa cho một chuỗi polypeptide chính.

Xem thêm: Các dạng bài tập Sinh học 12 và cách giải

Công thức bài tập phiên mã

Giả sử gen có tổng N nucleotide trên cả hai mạch và toàn bộ một mạch của vùng gen được phiên mã.

Số ribonucleotide của một ARN

rN = N/2

Nếu biết chiều dài vùng phiên mã L tính bằng angstrom:

rN = L/3,4

Ví dụ, một gen có 3.000 nucleotide trên cả hai mạch. Nếu toàn bộ một mạch được phiên mã:

rN = 3.000/2 = 1.500 ribonucleotide

Số ribonucleotide môi trường cung cấp

Nếu gen phiên mã k lần:

Ribonucleotide môi trường cung cấp = k × rN

Ví dụ, một gen tạo năm ARN, mỗi ARN dài 1.500 nucleotide:

Ribonucleotide môi trường cung cấp = 5 × 1.500 = 7.500

Thành phần nucleotide của ARN

Dựa vào mạch khuôn:

rA = T khuôn

rU = A khuôn

rG = C khuôn

rC = G khuôn

Nếu gen phiên mã k lần, số lượng từng loại ribonucleotide môi trường cung cấp bằng số lượng loại đó trong một ARN nhân với k.

Ví dụ, mạch khuôn có:

A = 300; T = 400; G = 350; C = 450

ARN được tạo ra có:

• rU = 300.
• rA = 400.
• rC = 350.
• rG = 450.

Số liên kết phosphodiester

Một ARN mạch thẳng gồm rN nucleotide có:

rN − 1 liên kết phosphodiester giữa các nucleotide

Nếu tạo k ARN giống nhau:

k(rN − 1)

Các công thức áp dụng cho ARN sơ khai nếu chưa xét cắt nối. Nếu đề cho intron hoặc exon, phải tính theo dữ kiện riêng.

Ví dụ xác định trình tự ARN

Cho mạch khuôn của gen:

3’–TAC GGA TTT CCA–5’

RNA polymerase đọc từ trái sang phải và tổng hợp:

5’–AUG CCU AAA GGU–3’

Nếu đề cho mạch mã hóa:

5’–ATG GCT–3’

ARN tương ứng là:

5’–AUG GCU–3’

Có thể giữ nguyên trình tự của mạch mã hóa rồi thay T bằng U. Tuy nhiên, chỉ được dùng cách này khi chắc chắn mạch được cho là mạch mã hóa và đã viết đúng chiều 5’ → 3’.

Xem thêm: 900 câu hỏi trắc nghiệm Sinh học 12 có đáp án

Những lỗi thường gặp

• Cho rằng cả hai mạch của một gen cùng được dùng làm khuôn cho một ARN.
• Viết ARN theo chiều 3’ → 5’ thay vì 5’ → 3’.
• Dùng T trong ARN hoặc ghép A trên ADN khuôn với T trên ARN.
• Nhầm mạch mã hóa với mạch khuôn.
• Cho rằng RNA polymerase cần đoạn mồi như DNA polymerase.
• Nhầm phiên mã với nhân đôi toàn bộ ADN.
• Cho rằng mọi sản phẩm phiên mã đều được dịch mã thành protein.
• Áp dụng rN = N/2 cho mARN trưởng thành dù đề có intron bị cắt bỏ.
• Quên nhân số lần phiên mã khi tính nguyên liệu môi trường cung cấp.

Cách học phiên mã dễ nhớ

Hãy nhớ:

• RNA polymerase đọc mạch khuôn 3’ → 5’.
• ARN được tổng hợp 5’ → 3’.
• U thay cho T trên phân tử ARN.
• Mạch mã hóa giống ARN, chỉ khác T và U.
• Phiên mã không cần đoạn mồi.
• Một gen có thể được phiên mã nhiều lần.

Khi làm bài, viết hai đầu 5’ và 3’ trước rồi mới ghép base. Thói quen này giúp tránh trường hợp xác định đúng nucleotide nhưng viết ngược chiều.

Kết luận

Phiên mã là quá trình tổng hợp ARN trên khuôn ADN theo nguyên tắc khuôn mẫu và bổ sung. RNA polymerase nhận diện promoter, mở xoắn cục bộ, đọc mạch khuôn 3’ → 5’ và kéo dài ARN theo chiều 5’ → 3’ mà không cần đoạn mồi.

Ở sinh vật nhân thực, tiền mARN còn được gắn mũ, gắn đuôi poly(A) và cắt nối trước khi trở thành mARN trưởng thành. Hiểu rõ mạch khuôn, mạch mã hóa và chiều tổng hợp là chìa khóa giải đúng cả câu hỏi lý thuyết lẫn bài tập phiên mã.

Câu hỏi thường gặp

Phiên mã diễn ra theo chiều nào?

RNA polymerase đọc mạch ADN khuôn theo chiều 3’ → 5’ và tổng hợp ARN theo chiều 5’ → 3’.

Phiên mã có cần đoạn mồi không?

Không. RNA polymerase có khả năng bắt đầu tổng hợp ARN tại vị trí khởi đầu thích hợp mà không cần đoạn mồi như DNA polymerase.

ARN giống mạch nào của ADN?

ARN bổ sung và ngược chiều với mạch khuôn. Trình tự ARN giống mạch mã hóa về chiều và thứ tự base, nhưng U thay cho T.