Làm thế nào để gene chỉ dẫn sản xuất ra protein?

Protein là một thành phần tham gia vào nhiều chức năng quan trọng của cơ thể chúng ta. Việc tạo ra các protein trong cơ thể là cả một quá trình và quá trình đó chịu sự điều khiển của gene liên quan. Vậy làm thế nào để gene chỉ dẫn sản xuất ra protein?

Protein là những phân tử lớn và phức tạp, có nhiều vai trò quan trọng trong cơ thể. Protein thực hiện hầu hết các công việc ở trong tế bào và cần thiết cho cấu trúc, chức năng và sự điều chỉnh của các mô và cơ quan của cơ thể.

Protein được tạo thành từ hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị nhỏ hơn được gọi là axit amin, các axit amin gắn với nhau thành chuỗi dài. Có 20 loại axit amin khác nhau có thể kết hợp theo các trình tự khác nhau để tạo ra protein.

Trình tự các axit amin sẽ giúp xác định cấu trúc 3 chiều độc đáo của mỗi protein và chức năng cụ thể của nó. Các axit amin được mã hóa bởi sự kết hợp của ba khối cấu tạo DNA (nucleotide), được xác định bởi trình tự của các gen.

Protein có thể được mô tả theo một loạt các chức năng của chúng trong cơ thể, ví dụ như:

Protein rất quan trọng trong việc xác định các đặc điểm của cơ thể chúng ta. Ví dụ, hầu hết trong chúng ta có một loại enzyme protein có thể tổng hợp melanin, sắc tố chính tạo ra màu sắc cho da và tóc. Ngược lại, những người bạch tạng tạo ra một phiên bản khiếm khuyết của enzym protein này, vì vậy họ không thể tạo ra sắc tố melanin và họ có làn da và mái tóc rất trắng nhợt nhạt.

Các hướng dẫn để tạo ra một protein được cung cấp bởi một gen, đó là một đoạn cụ thể của phân tử ADN. Mỗi gen chứa một trình tự nucleotit cụ thể. Chuỗi nucleotide quy định trình tự axit amin nào nên được kết hợp với nhau để tạo thành protein. Trình tự các axit amin trong protein quyết định cấu trúc và chức năng của nó. Ví dụ, enzyme bị lỗi dẫn đến bệnh bạch tạng có một axit amin khác trình tự so với enzyme bình thường để tổng hợp melanin.

Hầu hết các gen đều chứa thông tin cần thiết để tạo ra các phân tử chức năng được gọi là protein. Một số gen tạo ra các phân tử điều hòa giúp tế bào tập hợp các protein. Hành trình từ gen đến sản xuất protein rất phức tạp và được kiểm soát chặt chẽ trong mỗi tế bào. Nó bao gồm hai bước chính: Phiên mã và dịch mã. Cùng với nhau, phiên mã và dịch mã được gọi là biểu hiện gen.

Dòng thông tin từ ADN đến ARN đến protein là một trong những nguyên tắc cơ bản của sinh học phân tử. Nó quan trọng đến mức đôi khi được gọi là “tín hiệu trung tâm”.

2. 1. Quá trình phiên mã

Trong quá trình phiên mã, thông tin được lưu trữ trong ADN của gen được chuyển đến một phân tử tương tự gọi là ARN (axit ribonucleic) trong nhân tế bào. Cả ARN và ADN đều được tạo thành từ một chuỗi các khối xây dựng được gọi là nucleotide, nhưng chúng có các đặc tính hóa học hơi khác nhau. Loại ARN chứa thông tin để tạo ra protein được gọi là ARN thông tin (mARN) vì nó mang thông tin, hay thông điệp, từ ADN ra khỏi nhân, đưa vào tế bào chất.

Vì phiên mã là quá trình tạo ra ARN thông tin (mRNA), chúng ta cần hiểu một chút về cấu trúc của mRNA. mRNA là một polyme sợi đơn của nucleotide, mỗi nucleotide chứa một bazơ nitơ, một đường và một nhóm photphat, tương tự như các nucleotide cấu tạo nên ADN.

mRNA là một axit ribonucleic vì mỗi nucleotide trong ARN bao gồm đường ribose, trong khi ADN là một axit deoxyribonucleic vì mỗi nucleotide trong DNA có một loại đường khác nhau, deoxyribose. Làm thế nào để thông tin trong ADN của gen được sao chép thành một thông điệp trong mRNA? Khi mRNA được tổng hợp, các nucleotide ARN được thêm vào từng lần một, và mỗi nuclêôtit của ARN sẽ khớp với mỗi nuclêôtit của ADN tương ứng trong gen. Sự kết hợp của các nucleotide này tuân theo quy tắc bắt cặp bazơ rất giống với quy tắc bắt cặp bazơ trong nhân đôi ADN xoắn.

Quy tắc bắt cặp cơ sở này đảm bảo rằng thông điệp từ trình tự nucleotit trong gen trong DNA được sao chép thành một trình tự nucleotide tương ứng trong phân tử mRNA.

2. 2. Quá trình dịch mã

Quá trình dịch mã, bước thứ hai để chuyển từ gen thành protein, diễn ra trong tế bào chất. mARN tương tác với một phức hợp chuyên biệt gọi là ribosome, phức hợp này sẽ "đọc" trình tự nucleotide trên mRNA. Mỗi trình tự gồm ba nucleotide, được gọi là codon, thường mã hóa cho một axit amin cụ thể.

Một loại ARN được gọi là ARN vận chuyển (tARN) sẽ lắp ráp protein, mỗi lần một axit amin. Quá trình lắp ráp protein tiếp tục cho đến khi ribosome gặp codon “dừng” (một trình tự gồm ba nucleotit không mã hóa axit amin).

Trong quá trình dịch mã, trình tự các nuclêôtit trong ARN thông tin (mARN) xác định trình tự của các axit amin trong một protein. Trong dịch mã, mỗi bộ ba nuclêôtit trong phân tử mARN mã hóa cho một axit amin trong protein. Điều này giải thích tại sao mỗi bộ ba nucleotide trong mRNA được gọi là codon.

Mỗi codon chỉ định một axit amin cụ thể. Ví dụ: codon đầu tiên là CGU sẽ hướng dẫn ribosome đặt axit amin arg (arginine) là axit amin đầu tiên trong protein này. Trình tự các codon trong mARN quyết định trình tự của các axit amin trong protein.

Quá trình dịch mã thực sự diễn ra như thế nào? Bên trong một tế bào, mỗi ribosome nhỏ cung cấp một bàn làm việc với cấu trúc và enzym cần thiết cho quá trình dịch mã diễn ra. Nhưng làm thế nào là các axit amin được bổ sung theo đúng trình tự để khớp với trình tự của các codon trong mARN?

Dịch mã phức tạp hơn phiên mã, hình dạng và cấu trúc hóa học của mỗi axit amin không phù hợp với hình dạng và cấu trúc hóa học của mARN tương ứng mã hóa. Thay vào đó, một loại ARN đặc biệt, ARN chuyển (tARN) , được yêu cầu để đảm bảo rằng axit amin chính xác được đưa vào để khớp với từng codon trong mRNA

Có nhiều loại tARN khác nhau, mỗi loại phân tử tARN có thể liên kết với một

loại axit amin ở một đầu. Ở đầu kia, phân tử tARN có ba nucleotide tạo thành một mã phản mã. Ba nucleotide trong tARN anti-codon bổ sung cho ba nucleotide trong codon mRNA cho loại axit amin cụ thể đó.

Trong tế bào chất có các enzim gắn đúng axit amin cho phù hợp với mã phản mã của mỗi tARN. Để đảm bảo dịch mã chính xác, mỗi loại tARN phải có mã phản mã chính xác để khớp với codon mARN cho axit amin cụ thể được mang bởi loại tARN đó.

Hy vọng những chia sẻ trên đã giúp bạn hiểu rõ hơn về gene chỉ dẫn sản xuất protein.