Codon (Codon)

Đặc điểm của Codon:

• Bộ ba nucleotide: Mỗi codon gồm ba nucleotide liên kề nhau, được đọc theo chiều 5′ đến 3′ trên mRNA. Bốn loại nucleotide trên mRNA là adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và uracil (U). Sự kết hợp của ba nucleotide này tạo ra 4³ = 64 codon khác nhau.
• Tính đặc hiệu: Mỗi codon quy định cho một amino acid cụ thể. Ví dụ, codon AUG quy định cho methionine, codon UUU quy định cho phenylalanine.
• Tính thoái hóa: Nhiều codon có thể mã hóa cho cùng một amino acid. Ví dụ, cả codon UUU và UUC đều mã hóa cho phenylalanine. Tính thoái hóa này giúp giảm thiểu tác động của đột biến. Điều này là do đột biến ở vị trí thứ ba của codon thường không làm thay đổi amino acid được mã hóa.
• Codon khởi đầu: Codon AUG đóng vai trò là codon khởi đầu cho hầu hết các protein, đồng thời cũng mã hóa cho methionine. Ở một số trường hợp hiếm, các codon khác như GUG hoặc UUG cũng có thể đóng vai trò là codon khởi đầu.
• Codon kết thúc: Có ba codon kết thúc (UAA, UAG, UGA), không mã hóa cho bất kỳ amino acid nào. Chúng báo hiệu sự kết thúc của quá trình dịch mã. Các codon này còn được gọi là codon vô nghĩa (nonsense codon).
• Tính phổ biến (Universal): Mã di truyền gần như phổ biến cho tất cả các sinh vật, từ vi khuẩn đến con người. Có một vài ngoại lệ nhỏ ở một số sinh vật nhất định, chủ yếu ở ty thể và một số loài vi khuẩn cổ.
• Không chồng chéo: Các codon được đọc theo từng bộ ba riêng biệt, không chồng chéo lên nhau. Ví dụ, trình tự AUGUUU được đọc thành hai codon là AUG và UUU, chứ không phải là AUG, UGU và GUU. Cách đọc này được gọi là khung đọc mở (open reading frame – ORF).

Bảng Mã Di Truyền

Bảng mã di truyền cho thấy mối quan hệ giữa codon và amino acid tương ứng. Nó thường được trình bày dưới dạng một bảng 64 ô (4³), với mỗi ô tương ứng với một codon. Bảng này thể hiện tất cả các tổ hợp có thể có của ba nucleotide (A, U, G, C) và amino acid hoặc tín hiệu dừng mà chúng mã hóa.

(Ví dụ minh họa một phần của bảng, không thể hiện đầy đủ 64 codon trong giới hạn của Latex cơ bản):

Vai trò của Codon trong tổng hợp protein:

Trong quá trình dịch mã, ribosome di chuyển dọc theo phân tử mRNA và đọc từng codon. tRNA (transfer RNA) mang amino acid tương ứng với codon trên mRNA đến ribosome. Mỗi tRNA có một anticodon, là một trình tự ba nucleotide bổ sung với codon trên mRNA. Ribosome liên kết các amino acid lại với nhau để tạo thành chuỗi polypeptide, cuối cùng hình thành protein hoàn chỉnh. Quá trình này tiếp tục cho đến khi ribosome gặp một codon kết thúc, lúc đó quá trình dịch mã dừng lại và chuỗi polypeptide được giải phóng.

Đột biến và codon

Đột biến gen có thể ảnh hưởng đến trình tự codon, dẫn đến thay đổi amino acid trong protein. Một số đột biến có thể gây ra bệnh tật, trong khi những đột biến khác có thể không có tác động đáng kể hoặc thậm chí có lợi. Các đột biến liên quan đến codon có thể được phân loại thành ba loại chính: đột biến điểm (thay thế một nucleotide), đột biến thêm nucleotide và đột biến mất nucleotide.

Các Khung Đọc Mở (Open Reading Frames – ORFs)

Một khung đọc mở (ORF) là một phần của trình tự DNA hoặc RNA có thể được dịch mã thành protein. Nó bắt đầu bằng một codon khởi đầu (thường là AUG) và kết thúc bằng một codon kết thúc (UAA, UAG hoặc UGA). Việc xác định ORFs là quan trọng trong việc phân tích trình tự gen và dự đoán các gen mã hóa protein. Độ dài của ORF thường được sử dụng để dự đoán sự tồn tại của một gen mã hóa protein.

Sự dịch chuyển khung đọc (Frameshift mutations)

Đột biến dịch chuyển khung đọc xảy ra khi có sự chèn hoặc mất nucleotide trong trình tự DNA, làm thay đổi cách đọc các codon. Điều này có thể dẫn đến sự thay đổi hoàn toàn trình tự amino acid của protein, thường gây ra protein không chức năng. Ví dụ:

Trình tự mRNA ban đầu: AUG UUU GGC UAA (Met – Phe – Gly – Stop)

Chèn một nucleotide A: AUG AUU UGG CUA A… (Met – Ile – Trp – Leu – …)

Như ví dụ trên cho thấy, việc chèn một nucleotide đã làm thay đổi khung đọc từ vị trí đột biến trở đi, dẫn đến một chuỗi amino acid hoàn toàn khác và có thể là một protein không hoạt động.

Codon đồng nghĩa (Synonymous codons)

Các codon đồng nghĩa là các codon khác nhau mã hóa cho cùng một amino acid. Sự tồn tại của các codon đồng nghĩa góp phần vào tính thoái hóa của mã di truyền. Ví dụ, cả UUU và UUC đều mã hóa cho phenylalanine.

Codon biến đổi (Wobble hypothesis)

Giả thuyết wobble giải thích tại sao một số tRNA có thể nhận ra nhiều hơn một codon. Nó cho rằng base thứ ba của codon (ở vị trí 3′) và base thứ nhất của anticodon (ở vị trí 5′) có thể có cặp base không theo nguyên tắc Watson-Crick thông thường. Cụ thể, sự bắt cặp giữa G và U, hoặc I (inosine) với A, U hoặc C, được cho phép ở vị trí này. Điều này cho phép một tRNA duy nhất nhận diện nhiều codon đồng nghĩa.

Ứng dụng của nghiên cứu codon

Nghiên cứu về codon có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Kỹ thuật di truyền: Thay đổi codon có thể được sử dụng để tạo ra các protein biến đổi với các đặc tính mong muốn.
• Phát triển thuốc: Hiểu biết về mã di truyền giúp thiết kế các loại thuốc nhằm mục tiêu vào các protein cụ thể.
• Sinh học tiến hóa: So sánh mã di truyền giữa các loài khác nhau cung cấp thông tin về mối quan hệ tiến hóa của chúng.
• Chẩn đoán bệnh: Phân tích đột biến codon có thể giúp chẩn đoán các bệnh di truyền.

Tóm lại:

Codon là đơn vị cơ bản của mã di truyền, đóng vai trò quan trọng trong việc dịch thông tin di truyền từ gen thành protein. Hiểu về codon giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình tổng hợp protein và các cơ chế bệnh tật liên quan đến đột biến gen.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
• Lewin B. Genes VIII. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall; 2004.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao tính thoái hóa của mã di truyền lại quan trọng đối với sự sống?

Trả lời: Tính thoái hóa, tức là nhiều codon mã hóa cho cùng một amino acid, giúp giảm thiểu tác động của đột biến. Nếu một đột biến xảy ra ở vị trí thứ ba của codon, nó có thể không làm thay đổi amino acid được mã hóa, do đó protein vẫn có thể hoạt động bình thường. Điều này làm tăng khả năng chống chịu của sinh vật đối với các thay đổi di truyền.

Làm thế nào để ribosome biết codon nào là codon khởi đầu?

Trả lời: Ribosome nhận diện codon khởi đầu AUG nhờ các yếu tố khởi đầu dịch mã. Ở sinh vật nhân thực, phức hợp khởi đầu quét mRNA từ đầu 5′ cho đến khi gặp codon AUG đầu tiên nằm trong trình tự Kozak (một trình tự consensus xung quanh codon khởi đầu). Ở sinh vật nhân sơ, ribosome liên kết trực tiếp với trình tự Shine-Dalgarno nằm gần codon khởi đầu AUG.

Nếu một đoạn mRNA có trình tự 5′-AUGUUUGGCUAG-3′, protein được tổng hợp sẽ có trình tự amino acid như thế nào?

Trả lời: Trình tự mRNA được dịch mã thành protein theo từng codon một, bắt đầu từ codon khởi đầu AUG:

• AUG: Methionine (Met)
• UUU: Phenylalanine (Phe)
• GGC: Glycine (Gly)
• UAG: Stop

Vậy protein được tổng hợp sẽ có trình tự amino acid là Met-Phe-Gly. Codon UAG là codon kết thúc, báo hiệu kết thúc quá trình dịch mã.

Đột biến dịch chuyển khung đọc ảnh hưởng đến protein như thế nào?

Trả lời: Đột biến dịch chuyển khung đọc, do chèn hoặc mất một hoặc hai nucleotide, làm thay đổi khung đọc của ribosome. Điều này dẫn đến việc tất cả các codon sau vị trí đột biến bị đọc sai, tạo ra một trình tự amino acid hoàn toàn khác và thường dẫn đến protein không chức năng.

Ngoài ba codon kết thúc chuẩn (UAA, UAG, UGA), còn có codon nào khác có thể đóng vai trò là codon kết thúc không?

Trả lời: Trong một số trường hợp hiếm hoi, một số codon khác cũng có thể hoạt động như codon kết thúc. Ví dụ, ở một số vi khuẩn và eukaryote, codon UGA có thể mã hóa cho selenocysteine, một amino acid không chuẩn. Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào sự hiện diện của các yếu tố đặc biệt trong mRNA. Nhìn chung, UAA, UAG và UGA vẫn được coi là ba codon kết thúc chuẩn.