Bạn hãy tưởng tượng một nhà bếp lớn đang chuẩn bị nấu một bữa tiệc. Đầu bếp đứng trước bếp, tay cầm công thức nấu ăn, và cứ mỗi khi cần một nguyên liệu, đầu bếp lại gọi xuống kho: "Cho tôi một quả trứng! Cho tôi một củ hành!" Người chạy kho mang nguyên liệu lên, đầu bếp cho vào nồi, món ăn dần thành hình. Nhưng kho nguyên liệu không phải vô tận: trước khi nấu, người quản lý phải tính trước xem cần lấy ra khỏi kho bao nhiêu nguyên liệu, nếu không giữa chừng sẽ hết hàng, món ăn dở dang.
Tế bào cũng có một "nhà bếp" như vậy. Ribôxôm là đầu bếp, phân tử mARN là công thức nấu ăn, còn các axit amin tự do trong tế bào chất là nguyên liệu trong kho. Mỗi khi ribôxôm đọc một codon trên mARN, một phân tử tARN lại "chạy kho" mang đến đúng một axit amin. Bài viết này sẽ giúp bạn nắm chắc công thức tính số axit amin tự do cần dùng khi dịch mã — tức là tính xem "kho" của tế bào phải xuất ra bao nhiêu axit amin để làm ra một hay nhiều phân tử prôtêin. Công thức này có một điểm rất dễ nhầm: số axit amin lấy ra khỏi kho luôn tính theo chuỗi polipeptit 499 axit amin, chứ không phải theo prôtêin hoàn chỉnh 498 axit amin. Vì sao lại như vậy, chúng ta sẽ làm rõ ở giữa bài.
Axit amin tự do là gì, ai mang chúng đến?
Axit amin tự do là các axit amin đang trôi nổi tự do trong tế bào chất, chưa gắn vào chuỗi polipeptit nào. Tế bào lấy chúng từ hai nguồn: một phần do chính tế bào tổng hợp, một phần lấy từ thức ăn qua quá trình tiêu hoá. Khi ribôxôm dịch mã, nó không tự đi lấy axit amin mà nhờ các phân tử tARN vận chuyển. Mỗi phân tử tARN mang đúng một axit amin, khớp với một codon trên mARN theo nguyên tắc bổ sung: anticodon trên tARN khớp với codon trên mARN, axit amin được gắn vào chuỗi đang dài ra, tARN rời đi để đón axit amin khác.
Bạn hãy nhớ ba vai trò khác nhau trong "nhà bếp" này: mARN là công thức, ribôxôm là đầu bếp, tARN là người chạy kho, còn axit amin tự do là nguyên liệu. Khi đề bài hỏi "số axit amin tự do cần dùng", tức là hỏi "kho phải xuất ra bao nhiêu nguyên liệu". Khi đề bài hỏi "số phân tử tARN tham gia", đáp số cũng bằng đúng con số đó trong một lần dịch mã, vì mỗi axit amin cần một lượt tARN mang đến. Nhưng bạn đừng nhầm số lượt tARN với số loại tARN: có 20 loại axit amin nhưng tARN thì có nhiều loại, và một phân tử tARN sau khi giao hàng xong lại đi lấy axit amin khác để mang đến tiếp.
Một điểm quan trọng nữa: axit amin mở đầu mêtiônin cũng phải lấy từ kho như mọi axit amin khác. Khi dịch mã bắt đầu, tARN mang Met đến ribôxôm đầu tiên, Met được gắn vào đầu chuỗi polipeptit. Sau này Met bị cắt bỏ, nhưng lúc lấy hàng thì tế bào vẫn phải xuất Met ra khỏi kho. Vì vậy, số axit amin tự do cần dùng cho một lần dịch mã luôn bằng số axit amin trong chuỗi polipeptit, tức là 499 với gen mẫu, chứ không phải 498 như prôtêin hoàn chỉnh. Bạn hãy ghi nhớ điều này, vì nó là chìa khóa của cả bài.
Công thức tính số axit amin tự do cần dùng
Gọi rN là tổng số ribônuclêôtit của phân tử mARN. Số axit amin tự do cần dùng cho một lần dịch mã và cho nhiều lần dịch mã được tính như sau:
Số axit amin tự do cần dùng cho 1 lần dịch mã = rN ÷ 3 − 1
Tổng số axit amin tự do cần dùng = K × n × (rN ÷ 3 − 1)
Trong đó, K là số phân tử mARN cùng loại được tạo ra từ một gen, n là số lượt ribôxôm trượt qua mỗi phân tử mARN. Tích K × n chính là tổng số chuỗi polipeptit được tạo thành, cũng là tổng số phân tử prôtêin. Bạn có thể viết gọn công thức thứ hai thành:
Σaa tự do = Số phân tử prôtêin × (rN ÷ 3 − 1)
Với gen mẫu, mỗi lần dịch mã cần 499 axit amin tự do. Nếu có 3 phân tử mARN, mỗi phân tử có 5 lượt ribôxôm trượt qua, thì tổng số prôtêin tạo thành là 3 × 5 = 15, và tổng số axit amin tự do cần dùng là 15 × 499 = 7.485 axit amin. Bạn hãy đối chiếu với số axit amin cấu thành prôtêin hoàn chỉnh: 15 × 498 = 7.470 axit amin. Chênh lệch là 15 axit amin — đúng bằng số phân tử prôtêin, vì mỗi prôtêin đã "lấy thừa" một axit amin Met mở đầu rồi cắt bỏ sau đó.
Bảng tóm tắt các công thức con
| Đại lượng cần tính | Công thức | Gen mẫu |
|---|---|---|
| Số axit amin trong chuỗi polipeptit (1 lần dịch mã) | rN ÷ 3 − 1 | 499 aa |
| Số axit amin tự do cần dùng cho 1 lần dịch mã | rN ÷ 3 − 1 | 499 aa |
| Số phân tử prôtêin tạo thành | K × n | 3 × 5 = 15 |
| Tổng số axit amin tự do cần dùng | K × n × (rN ÷ 3 − 1) | 7.485 aa |
| Tổng số axit amin cấu thành prôtêin hoàn chỉnh | K × n × (rN ÷ 3 − 2) | 7.470 aa |
| Số axit amin mở đầu bị cắt bỏ (tổng cộng) | K × n × 1 | 15 aa |
| Số phân tử tARN tham gia (1 lần dịch mã) | rN ÷ 3 − 1 | 499 lượt |
Ví dụ minh họa có lời giải chi tiết
Ví dụ 1: Tính số axit amin tự do cho một lần dịch mã
Đề bài: Gen mẫu có N = 3.000 nu. Tính số axit amin tự do cần dùng để tổng hợp một chuỗi polipeptit từ gen này.
Lời giải:
Bước 1: Số ribônu của mARN: rN = 3.000 ÷ 2 = 1.500 ribônu.
Bước 2: Số codon trên mARN: 1.500 ÷ 3 = 500 codon, trong đó có 1 codon kết thúc không mã hoá axit amin.
Bước 3: Số axit amin tự do cần dùng = 500 − 1 = 499 axit amin.
Đáp số: 499 axit amin tự do.
Bạn hãy để ý: đáp số này bằng đúng số axit amin trong chuỗi polipeptit, vì mỗi axit amin trong chuỗi đều phải lấy từ môi trường nội bào, kể cả axit amin mở đầu Met. Codon kết thúc không cần axit amin nào, vì khi ribôxôm trượt đến đó, quá trình dịch mã dừng lại và không có tARN nào mang axit amin đến nữa. Đó là lý do ta trừ 1.
Ví dụ 2: Tính tổng số axit amin tự do cho nhiều phân tử prôtêin
Đề bài: Gen mẫu sao mã tạo ra 3 phân tử mARN, mỗi phân tử mARN có 5 lượt ribôxôm trượt qua. Tính tổng số axit amin tự do cần dùng và tổng số axit amin cấu thành các prôtêin hoàn chỉnh. So sánh hai con số này.
Lời giải:
Bước 1: Tổng số phân tử prôtêin tạo thành = K × n = 3 × 5 = 15 phân tử.
Bước 2: Mỗi lần dịch mã cần 499 axit amin tự do.
Bước 3: Tổng số axit amin tự do cần dùng = 15 × 499 = 7.485 axit amin.
Bước 4: Mỗi prôtêin hoàn chỉnh có 498 axit amin, vậy tổng số axit amin cấu thành prôtêin hoàn chỉnh = 15 × 498 = 7.470 axit amin.
Bước 5: Chênh lệch = 7.485 − 7.470 = 15 axit amin.
Đáp số: cần 7.485 axit amin tự do; prôtêin hoàn chỉnh chứa 7.470 axit amin; chênh lệch 15 axit amin.
Bạn hãy kiểm tra phép nhân: 15 × 499 = 15 × 500 − 15 = 7.500 − 15 = 7.485. Còn 15 × 498 = 15 × 500 − 15 × 2 = 7.500 − 30 = 7.470. Chênh lệch 15 đúng bằng số phân tử prôtêin, vì mỗi prôtêin đã lấy thừa một Met mở đầu rồi cắt bỏ. Đây là một cách kiểm tra rất hay: tổng số axit amin tự do trừ tổng số axit amin trong prôtêin hoàn chỉnh phải bằng đúng số phân tử prôtêin.
Ví dụ 3: Ít mARN hơn nhưng mỗi mARN dịch mã nhiều lượt
Đề bài: Gen mẫu sao mã tạo ra 2 phân tử mARN, mỗi phân tử mARN có 4 lượt ribôxôm trượt qua. Tính tổng số axit amin tự do cần dùng.
Lời giải:
Bước 1: Tổng số phân tử prôtêin tạo thành = 2 × 4 = 8 phân tử.
Bước 2: Mỗi lần dịch mã cần 499 axit amin tự do.
Bước 3: Tổng số axit amin tự do cần dùng = 8 × 499 = 3.992 axit amin.
Đáp số: 3.992 axit amin tự do.
So sánh với ví dụ 2, bạn thấy tổng số prôtêin ít hơn (8 thay vì 15) nên tổng số axit amin tự do cũng ít hơn. Bạn hãy để ý một điều thú vị: 2 phân tử mARN với 4 lượt trượt mỗi phân tử cho 8 prôtêin, còn 4 phân tử mARN với 2 lượt trượt mỗi phân tử cũng cho 8 prôtêin. Chỉ cần tích K × n bằng nhau thì tổng số prôtêin và tổng số axit amin tự do đều bằng nhau, dù K và n chia khác nhau. Đề thi rất thích khai thác điểm này để xem bạn có hiểu bản chất của công thức hay chỉ học vẹt.
Ví dụ 4: Dạng đề ngược — tìm số phân tử mARN
Đề bài: Để tổng hợp các phân tử prôtêin từ gen mẫu, tế bào đã dùng hết 5.988 axit amin tự do. Biết mỗi phân tử mARN có 4 lượt ribôxôm trượt qua, hỏi gen đã sao mã tạo ra bao nhiêu phân tử mARN?
Lời giải:
Bước 1: Mỗi lần dịch mã cần 499 axit amin tự do.
Bước 2: Tổng số lượt ribôxôm trượt = 5.988 ÷ 499 = 12 lượt.
Bước 3: Số phân tử mARN = 12 ÷ 4 = 3 phân tử.
Đáp số: 3 phân tử mARN.
Kiểm tra lại: 3 phân tử mARN, mỗi phân tử 4 lượt trượt, tổng cộng 12 lượt dịch mã, mỗi lượt cần 499 axit amin, tổng số là 12 × 499 = 5.988, khớp với đề bài. Dạng đề ngược này có hai bước chia liên tiếp: chia cho 499 để được tổng số lượt trượt, rồi chia cho số lượt trên mỗi mARN để được số phân tử mARN. Bạn hãy làm từng bước một, đừng gộp chung, vì chỉ cần nhầm thứ tự là đáp số sai ngay.
499 hay 498? Vì sao axit amin tự do tính theo chuỗi polipeptit
Đây là câu hỏi mà rất nhiều bạn thắc mắc, và cũng là chỗ đề thi hay "gài bẫy" nhất trong bài này. Bạn hãy nghĩ lại hình ảnh nhà bếp ở đầu bài: đầu bếp cần nấu một món ăn có 498 nguyên liệu trong thành phẩm cuối cùng, nhưng trong lúc nấu, đầu bếp đã dùng 499 nguyên liệu, vì có một nguyên liệu dùng để "mở đầu" rồi sau đó gắp bỏ ra khỏi món ăn. Kho phải xuất ra 499 nguyên liệu, chứ không phải 498, vì nguyên liệu thứ 499 đã được lấy ra khỏi kho và đưa vào nồi, dù cuối cùng nó không còn trong món ăn nữa.
Với tế bào cũng vậy. Axit amin mở đầu Met được tARN mang đến ribôxôm và gắn vào đầu chuỗi polipeptit như mọi axit amin khác. Lúc đó, Met đã là một phần của chuỗi, và tế bào đã "tiêu" một axit amin tự do để có nó. Sau khi chuỗi hoàn thành, enzim cắt bỏ Met, nhưng axit amin đó không quay trở lại kho nguyên liệu mà bị phân giải hoặc tái sử dụng theo cách khác. Vì vậy, khi đề bài hỏi "số axit amin tự do cần dùng" hay "số axit amin môi trường cung cấp", đáp số luôn là 499 cho một lần dịch mã của gen mẫu, tức là tính theo chuỗi polipeptit, không phải theo prôtêin hoàn chỉnh.
Ngược lại, khi đề bài hỏi "số axit amin cấu thành prôtêin hoàn chỉnh" hay "tổng số axit amin trong các phân tử prôtêin", đáp số mới là 498 cho mỗi phân tử, vì lúc này người ta đếm số axit amin còn lại trong thành phẩm, không đếm số axit amin đã lấy ra khỏi kho. Bạn hãy nhớ quy tắc này: hỏi "cần dùng" hay "cung cấp" thì tính theo chuỗi 499; hỏi "cấu thành" hay "trong prôtêin" thì tính theo hoàn chỉnh 498. Chỉ cần phân biệt được hai cách hỏi này, bạn sẽ không bao giờ nhầm nữa.
Lỗi sai thường gặp khi tính axit amin tự do
Lỗi 1: Dùng 498 thay cho 499 khi tính số axit amin tự do.
Bạn lấy số axit amin trong prôtêin hoàn chỉnh ra tính số axit amin cần dùng. Sai rồi: Met mở đầu vẫn phải lấy từ môi trường dù sau đó bị cắt bỏ. Cách phòng tránh: nhớ "cần dùng thì tính theo chuỗi 499".
Lỗi 2: Quên nhân với K hoặc với n.
Đề cho 3 phân tử mARN, mỗi phân tử 5 lượt trượt, mà bạn chỉ tính 499 rồi dừng lại. Cách phòng tránh: sau khi tính xong một lần dịch mã, bạn hãy tự hỏi "đề hỏi một lần hay nhiều lần?" rồi nhân thêm K × n nếu cần.
Lỗi 3: Nhầm K với n.
Bạn lấy số phân tử mARN nhân với số ribônu, hoặc lấy số lượt trượt nhân với số codon. Cách phòng tránh: nhớ K là số phân tử mARN, n là số lượt ribôxôm trượt qua mỗi mARN, và tổng số prôtêin = K × n. Hai con số này nhân với nhau, không nhân với bất cứ con số nào khác.
Lỗi 4: Chia sai khi làm dạng đề ngược.
Đề cho tổng số axit amin tự do mà bạn chia cho 498 thay vì 499, ra đáp số không phải số nguyên. Cách phòng tránh: khi chia mà ra số lẻ, bạn hãy dừng lại kiểm tra ngay — tổng số axit amin tự do bao giờ cũng chia hết cho 499 (với gen mẫu), vì mỗi lượt dịch mã cần đúng 499 axit amin.
Bài tập tự luyện
Câu 1: Gen mẫu có N = 3.000 nu. Tính số axit amin tự do cần dùng để tổng hợp một chuỗi polipeptit từ gen này.
Câu 2: Gen mẫu sao mã tạo ra 4 phân tử mARN, mỗi phân tử mARN có 3 lượt ribôxôm trượt qua. Tính tổng số axit amin tự do cần dùng.
Câu 3: Gen mẫu sao mã tạo ra 5 phân tử mARN, mỗi phân tử mARN có 2 lượt ribôxôm trượt qua. Tính tổng số axit amin tự do cần dùng và tổng số axit amin cấu thành các prôtêin hoàn chỉnh.
Câu 4: Một gen có N = 2.400 nu, sao mã tạo ra 2 phân tử mARN, mỗi phân tử mARN có 3 lượt ribôxôm trượt qua. Tính tổng số axit amin tự do cần dùng.
Câu 5: Để tổng hợp các phân tử prôtêin từ gen mẫu, tế bào đã dùng hết 2.994 axit amin tự do. Biết mỗi phân tử mARN có 6 lượt ribôxôm trượt qua, hỏi gen đã sao mã tạo ra bao nhiêu phân tử mARN?
Đáp án bài tập tự luyện
| Câu | Đáp án | Giải thích |
|---|---|---|
| 1 | 499 aa | rN = 3.000 ÷ 2 = 1.500 ribônu; số codon = 500; số axit amin tự do cần dùng = 500 − 1 = 499 aa. Nếu bạn ra 498 thì bạn đã tính theo prôtêin hoàn chỉnh; Met mở đầu vẫn phải lấy từ môi trường nên phải tính cả nó. |
| 2 | 5.988 aa | Tổng số prôtêin = 4 × 3 = 12 phân tử; tổng số axit amin tự do = 12 × 499 = 5.988 aa. Kiểm tra: 12 × 499 = 12 × 500 − 12 = 6.000 − 12 = 5.988. Nếu bạn quên nhân với K hoặc n thì chỉ ra 499 hoặc 1.996, đều sai. |
| 3 | 4.990 aa tự do; 4.980 aa hoàn chỉnh | Tổng số prôtêin = 5 × 2 = 10 phân tử; tổng số axit amin tự do = 10 × 499 = 4.990 aa; tổng số axit amin trong prôtêin hoàn chỉnh = 10 × 498 = 4.980 aa; chênh lệch 10 aa, đúng bằng số phân tử prôtêin. Nếu bạn tính cả hai đều bằng 4.990 thì bạn đã quên trừ Met mở đầu ở vế thứ hai. |
| 4 | 2.394 aa | Gen N = 2.400 nu nên rN = 1.200 ribônu; số codon = 400; mỗi lần dịch mã cần 400 − 1 = 399 aa tự do; tổng số prôtêin = 2 × 3 = 6 phân tử; tổng số axit amin tự do = 6 × 399 = 2.394 aa. Đừng dùng 499 của gen mẫu, vì gen này ngắn hơn nên mỗi chuỗi chỉ cần 399 aa. |
| 5 | 1 phân tử mARN | Tổng số lượt ribôxôm trượt = 2.994 ÷ 499 = 6 lượt; số phân tử mARN = 6 ÷ 6 = 1 phân tử. Kiểm tra: 1 phân tử mARN với 6 lượt trượt tạo 6 chuỗi, mỗi chuỗi cần 499 aa, tổng số là 6 × 499 = 2.994, khớp đề bài. |
Câu hỏi thường gặp về axit amin tự do khi dịch mã
Hỏi: Số axit amin tự do cần dùng có bằng số phân tử tARN tham gia không?
Đáp: Trong một lần dịch mã thì bằng nhau: mỗi axit amin cần một lượt tARN mang đến, nên số lượt tARN bằng số axit amin tự do, tức là 499 với gen mẫu. Nhưng một phân tử tARN có thể tham gia nhiều lần, vì sau khi giao axit amin xong nó lại đi lấy axit amin khác, nên số phân tử tARN thực tế trong tế bào ít hơn số lượt rất nhiều.
Hỏi: Vì sao codon kết thúc không cần axit amin tự do?
Đáp: Vì không có tARN nào có anticodon khớp với codon kết thúc, nên không có axit amin nào được mang đến khi ribôxôm trượt đến codon này. Thay vào đó, một yếu tố giải phóng sẽ đến, ribôxôm tách ra và chuỗi polipeptit được giải phóng. Đó là lý do ta trừ 1 khi tính số axit amin tự do.
Hỏi: Axit amin mở đầu bị cắt bỏ rồi đi đâu?
Đáp: Sau khi bị cắt khỏi chuỗi polipeptit, Met mở đầu được tế bào tái sử dụng hoặc phân giải thành các sản phẩm khác. Nó không quay trở lại kho axit amin tự do dưới dạng nguyên vẹn để dùng ngay cho lần dịch mã sau, vì vậy mỗi lần dịch mã mới đều phải lấy một Met mới từ môi trường nội bào.
Hỏi: Nhiều ribôxôm cùng trượt trên một mARN thì số axit amin tự do có tăng không?
Đáp: Có, tăng theo số lượt trượt. Mỗi ribôxôm trượt qua tạo ra một chuỗi polipeptit riêng, mỗi chuỗi cần 499 axit amin tự do. Vì vậy, tổng số axit amin tự do bằng số lượt trượt nhân với 499. Đây chính là lý do tế bào có thể tổng hợp nhiều prôtêin cùng lúc từ một phân tử mARN, nhưng cũng phải "trả giá" bằng lượng axit amin tự do lớn hơn.
Hỏi: Học xong công thức này thì nên ôn thêm công thức nào?
Đáp: Bạn nên ôn lại công thức tính số ribônuclêôtit của ARN để tính rN khi đề chỉ cho số nu từng loại, và công thức tính số nuclêôtit tự do khi ADN nhân đôi để thấy "môi trường cung cấp" là ý tưởng chung của cả nhân đôi, sao mã và dịch mã. Cả ba bài dùng chung gen mẫu N = 3.000 nu nên bạn chỉ cần nhớ một bộ số liệu là làm được cả chuỗi bài tập.
Kết luận
Số axit amin tự do cần dùng cho một lần dịch mã được tính bằng công thức rN ÷ 3 − 1, và cho nhiều lần dịch mã được tính bằng công thức K × n × (rN ÷ 3 − 1). Toàn bộ tinh thần của bài nằm ở một điểm: axit amin tự do luôn tính theo chuỗi polipeptit 499 axit amin, vì axit amin mở đầu Met vẫn phải lấy từ môi trường dù sau đó bị cắt bỏ. Với gen mẫu, một lần dịch mã cần 499 axit amin tự do, còn 3 phân tử mARN với 5 lượt ribôxôm trượt mỗi phân tử cần tổng cộng 7.485 axit amin tự do — nhiều hơn 15 axit amin so với số axit amin cấu thành 15 prôtêin hoàn chỉnh, đúng bằng số Met mở đầu đã bị cắt.
Muốn thành thạo, bạn hãy làm lại các bài tập cuối bài mà không nhìn đáp án, đặc biệt chú ý phân biệt "cần dùng" với "cấu thành" trước khi chọn 499 hay 498. Khi làm bài kiểm tra, nếu phép tính có nhiều con số, bạn có thể dùng máy tính Casio online để bấm nhanh và kiểm tra lại kết quả của mình. Chúc bạn học tốt và đạt điểm cao trong bài kiểm tra Sinh học sắp tới!