Vận tốc trượt và tốc độ giải mã của ribôxôm: v = L ÷ t

Bạn muốn biết một vận động viên chạy nhanh đến mức nào. Bạn không thể chỉ nhìn dáng chạy của họ mà đoán được — bạn phải đo: đường chạy dài bao nhiêu mét, họ chạy hết trong bao nhiêu giây, rồi lấy quãng đường chia cho thời gian. Con số bạn tính ra, ví dụ 10 mét/giây, chính là vận tốc của họ. Ribôxôm trong tế bào của bạn cũng "chạy" như vậy, chỉ khác là đường chạy của nó là một phân tử mARN, và "bước chạy" của nó không đo bằng mét mà đo bằng bộ ba mã sao.

Bài viết này sẽ giúp bạn nắm chắc công thức tính vận tốc trượt và tốc độ giải mã của ribôxôm — một cặp công thức chỉ có một phép chia, nhưng lại là nơi rất nhiều bạn mất điểm vì nhầm lẫn hai đại lượng với nhau: vận tốc trượt tính bằng nanômét trên giây, còn tốc độ giải mã tính bằng bộ ba trên giây. Hai con số này liên quan mật thiết với nhau, nhưng chúng không phải là một, và đề thi rất thích hỏi cả hai trong cùng một bài. Chúng ta sẽ bắt đầu từ cách ribôxôm trượt trên mARN, qua sự khác nhau giữa hai đại lượng, rồi đến công thức, bốn ví dụ tính từng bước với đủ dạng đề, cách đổi đơn vị, phần lỗi sai thường gặp, bài tập tự luyện có đáp án giải thích cặn kẽ và mục hỏi đáp cuối bài.

Ribôxôm trượt trên mARN như thế nào?

Quá trình dịch mã bắt đầu khi ribôxôm gắn vào đầu 5' của phân tử mARN, tại bộ ba mở đầu AUG. Từ đó, ribôxôm di chuyển dọc theo mARN theo chiều 5' đến 3', mỗi lần "bước" đúng một bộ ba mã sao, tức là đúng ba ribônu. Mỗi bước như vậy, một phân tử tARN mang axit amin tương ứng tiến vào, axit amin được gắn thêm vào chuỗi pôlipeptit, rồi ribôxôm lại bước tiếp sang bộ ba sau. Quá trình này lặp lại cho đến khi ribôxôm gặp bộ ba kết thúc thì dừng lại và rời khỏi mARN.

Bạn hãy tưởng tượng ribôxôm là một vận động viên chạy trên một đường đua mà mặt đường được vạch sẵn thành từng ô, mỗi ô dài đúng ba ribônu. Vận động viên này không chạy tự do mà nhảy từng ô một, mỗi lần nhảy đúng một ô, không bao giờ nhảy nửa ô hay nhảy hai ô cùng lúc. Vì vậy, quãng đường ribôxôm đi được luôn là bội số của ba ribônu, và số bước nó đã đi bằng đúng số bộ ba nó đã giải mã. Đây chính là chìa khóa để bạn hiểu vì sao vận tốc trượt và tốc độ giải mã có thể đổi qua lại cho nhau.

Gen mẫu mà chúng ta dùng xuyên suốt bài này có tổng số nuclêôtit N = 3.000 nu, trong đó A = T = 900 nu và G = X = 600 nu. Phân tử mARN do gen này tổng hợp có rN = 1.500 ribônu, tức là 500 bộ ba mã sao, và dài L = 1.500 × 3,4 = 5.100 Å, tức là 510 nm. Bạn hãy giữ hai con số 5.100 Å và 500 bộ ba này trong đầu, vì mọi ví dụ trong bài đều xuất phát từ chúng: 5.100 Å là quãng đường ribôxôm phải đi, 500 bộ ba là số bước nó phải bước.

Vận tốc trượt khác tốc độ giải mã ở chỗ nào?

Đây là phần quan trọng nhất của bài, và cũng là chỗ đề thi phân loại học sinh giỏi với học sinh trung bình. Vận tốc trượt của ribôxôm, ký hiệu là v, là độ dài mARN mà ribôxôm đi được trong một giây, đơn vị thường dùng là Å/giây hoặc nm/giây. Tốc độ giải mã của ribôxôm, ký hiệu là v giải mã, là số bộ ba mà ribôxôm giải mã được trong một giây, đơn vị là bộ ba/giây. Một đại lượng đo bằng độ dài, một đại lượng đo bằng số bước — giống như một vận động viên thì bạn có thể đo bằng mét/giây, nhưng cũng có thể đo bằng số bước chân/giây.

Hai đại lượng này đổi qua lại cho nhau được, vì mỗi bộ ba dài đúng 3 ribônu, mỗi ribônu dài 3,4 Å, nên một bộ ba dài 3 × 3,4 = 10,2 Å, tức là 1,02 nm. Nếu ribôxôm giải mã được 10 bộ ba trong một giây thì nó đã đi được 10 × 10,2 = 102 Å trong một giây, tức là vận tốc trượt của nó là 102 Å/giây. Ngược lại, nếu vận tốc trượt là 170 Å/giây thì tốc độ giải mã là 170 ÷ 10,2 ≈ 16,7 bộ ba/giây. Bạn hãy nhớ con số 10,2 Å này, vì nó là "cầu nối" giữa hai đại lượng, và đề thi rất hay hỏi bạn đổi từ đại lượng này sang đại lượng kia.

Một lưu ý nhỏ: trong tế bào thật, ribôxôm không trượt đều tăm tắp như trong bài tập — có lúc nó phải chờ tARN đến, có lúc nó tạm dừng. Nhưng trong chương trình phổ thông và trong các đề thi, chúng ta xét trường hợp đơn giản là ribôxôm trượt với vận tốc không đổi từ đầu đến cuối mARN. Mọi bài tập trong bài này đều theo giả thiết đó.

Công thức tính vận tốc trượt và tốc độ giải mã của ribôxôm

Gọi L là chiều dài của phân tử mARN, t là thời gian ribôxôm trượt hết chiều dài mARN, số bộ ba là tổng số bộ ba mã sao trên mARN. Hai công thức chính được viết như sau:

v = L ÷ t

v giải mã = số bộ ba ÷ t

Trong đó:

• v là vận tốc trượt của ribôxôm, tức là độ dài mARN ribôxôm đi được trong một giây (đơn vị: Å/giây hoặc nm/giây).
• L là chiều dài của phân tử mARN (đơn vị: Å hoặc nm).
• t là thời gian ribôxôm trượt hết chiều dài mARN, cũng là thời gian tổng hợp xong một phân tử prôtêin (đơn vị: giây).
• v giải mã là tốc độ giải mã, tức là số bộ ba ribôxôm giải mã được trong một giây (đơn vị: bộ ba/giây).
• Số bộ ba là tổng số bộ ba mã sao trên mARN, bằng rN ÷ 3.

Hai công thức này liên hệ với nhau qua độ dài một bộ ba: v = v giải mã × 10,2 Å, hay viết theo nanômét là v = v giải mã × 1,02 nm. Bạn chỉ cần nhớ một trong hai công thức chính là suy ra được công thức còn lại, vì số bộ ba bằng L ÷ 10,2 Å. Trước khi thay số, bạn hãy kiểm tra đơn vị: nếu L tính bằng Å thì v ra Å/giây, nếu L tính bằng nm thì v ra nm/giây. Đừng bao giờ lấy L tính bằng Å chia cho t rồi ghi đơn vị là nm/giây — sai đơn vị là sai cả bài.

Bảng tóm tắt các công thức con

Đổi đơn vị Å, nm và µm — đừng để mất điểm oan

Đơn vị độ dài trong Sinh học phân tử có ba "ngôn ngữ" mà bạn phải chuyển đổi thành thạo: angstron (Å), nanômét (nm) và micrômét (µm). Quan hệ giữa chúng là: 1 nm = 10 Å, 1 µm = 1.000 nm = 10.000 Å. Phân tử mARN của gen mẫu dài 5.100 Å, đổi sang nm là 5.100 ÷ 10 = 510 nm, đổi sang µm là 510 ÷ 1.000 = 0,51 µm. Bạn hãy nhớ: đổi từ đơn vị nhỏ sang đơn vị lớn thì chia, từ đơn vị lớn sang đơn vị nhỏ thì nhân.

Trong bài tập, đề bài có thể cho L bằng Å nhưng hỏi v bằng nm/giây, hoặc cho v bằng nm/giây nhưng hỏi t theo L bằng Å. Cách làm an toàn nhất là đổi tất cả về cùng một đơn vị ngay từ bước đầu tiên, trước khi thay số vào công thức. Ví dụ, đề cho L = 5.100 Å và hỏi v theo nm/giây thì bạn đổi L = 510 nm trước đã, rồi mới tính v = 510 ÷ t. Nếu bạn quên đổi mà lấy 5.100 chia cho t rồi ghi đơn vị nm/giây thì đáp số sẽ lớn gấp 10 lần đáp án đúng — một lỗi sai rất đáng tiếc vì bạn làm đúng công thức mà chỉ sai đơn vị.

Ví dụ minh họa có lời giải chi tiết

Ví dụ 1: Tính vận tốc trượt và tốc độ giải mã của gen mẫu

Đề bài: Phân tử mARN của gen mẫu dài 5.100 Å. Một ribôxôm trượt hết phân tử mARN này trong 30 giây. Tính vận tốc trượt của ribôxôm theo nm/giây và theo Å/giây, rồi tính tốc độ giải mã của ribôxôm.

Lời giải:
Bước 1: Ghi lại dữ kiện: L = 5.100 Å = 510 nm, t = 30 giây, số bộ ba trên mARN là 500.
Bước 2: Tính vận tốc trượt theo nm/giây: v = L ÷ t = 510 ÷ 30 = 17 nm/giây.
Bước 3: Tính vận tốc trượt theo Å/giây: v = 5.100 ÷ 30 = 170 Å/giây. Bạn kiểm tra: 17 nm/giây × 10 = 170 Å/giây, khớp nhau.
Bước 4: Tính tốc độ giải mã: v giải mã = số bộ ba ÷ t = 500 ÷ 30 ≈ 16,7 bộ ba/giây.
Đáp số: v = 17 nm/giây = 170 Å/giây; tốc độ giải mã ≈ 16,7 bộ ba/giây.
Kiểm tra chéo bằng cầu nối 10,2 Å: tốc độ giải mã 16,7 bộ ba/giây × 10,2 Å = 170,3 Å/giây, gần đúng bằng 170 Å/giây (chênh lệch nhỏ do làm tròn 16,7). Kết quả hợp lý. Bạn lưu ý: tốc độ giải mã 16,7 bộ ba/giây có nghĩa là trung bình mỗi giây ribôxôm giải mã được gần 17 bộ ba, tức là gần 17 axit amin được gắn thêm vào chuỗi pôlipeptit trong mỗi giây.

Ví dụ 2: Ribôxôm trượt nhanh hơn thì hai đại lượng thay đổi ra sao?

Đề bài: Vẫn phân tử mARN của gen mẫu dài 5.100 Å. Lần này ribôxôm trượt hết mARN chỉ trong 25 giây. Tính vận tốc trượt theo nm/giây và tốc độ giải mã của ribôxôm, rồi so sánh với ví dụ 1.

Lời giải:
Bước 1: Ghi lại dữ kiện: L = 510 nm, t = 25 giây, số bộ ba là 500.
Bước 2: Vận tốc trượt: v = 510 ÷ 25 = 20,4 nm/giây.
Bước 3: Tốc độ giải mã: v giải mã = 500 ÷ 25 = 20 bộ ba/giây.
Đáp số: v = 20,4 nm/giây; tốc độ giải mã = 20 bộ ba/giây.
So sánh với ví dụ 1, bạn thấy thời gian giảm từ 30 giây xuống 25 giây thì cả hai đại lượng đều tăng: vận tốc trượt tăng từ 17 lên 20,4 nm/giây, tốc độ giải mã tăng từ 16,7 lên 20 bộ ba/giây. Đây là quan hệ tỉ lệ nghịch giữa thời gian và vận tốc: thời gian càng ngắn thì ribôxôm trượt càng nhanh. Bạn kiểm tra cầu nối: 20 bộ ba/giây × 1,02 nm = 20,4 nm/giây, khớp đúng với vận tốc trượt vừa tính.

Ví dụ 3: Gen ngắn hơn với tốc độ trượt khác

Đề bài: Một gen khác có N = 1.800 nu. Ribôxôm trượt hết phân tử mARN do gen này tổng hợp trong 18 giây. Tính vận tốc trượt của ribôxôm theo nm/giây và tốc độ giải mã của ribôxôm.

Lời giải:
Bước 1: Tính chiều dài mARN. Gen có N = 1.800 nu nên mARN có rN = 900 ribônu, dài L = 900 × 3,4 = 3.060 Å = 306 nm. Số bộ ba trên mARN là 900 ÷ 3 = 300 bộ ba.
Bước 2: Vận tốc trượt: v = 306 ÷ 18 = 17 nm/giây.
Bước 3: Tốc độ giải mã: v giải mã = 300 ÷ 18 ≈ 16,7 bộ ba/giây.
Đáp số: v = 17 nm/giây; tốc độ giải mã ≈ 16,7 bộ ba/giây.
Bạn thấy đáp số trùng với ví dụ 1, và đó không phải là trùng hợp ngẫu nhiên: gen này ngắn hơn (306 nm so với 510 nm) nhưng thời gian trượt cũng ngắn hơn đúng tỉ lệ (18 giây so với 30 giây), nên vận tốc trượt bằng nhau. Bài học rút ra: vận tốc không phụ thuộc vào gen dài hay ngắn, mà phụ thuộc vào tỉ lệ giữa chiều dài và thời gian. Khi đề bài thay cả hai dữ kiện cùng lúc, bạn phải tính lại từ đầu, đừng lấy đáp số của ví dụ cũ ra so sánh mò.

Ví dụ 4: Tính ngược thời gian từ vận tốc trượt

Đề bài: Phân tử mARN của gen mẫu dài 5.100 Å. Một ribôxôm trượt với vận tốc 25,5 nm/giây. Tính thời gian ribôxôm trượt hết mARN và tốc độ giải mã của ribôxôm.

Lời giải:
Bước 1: Ghi lại dữ kiện: L = 510 nm, v = 25,5 nm/giây, số bộ ba là 500.
Bước 2: Tính thời gian: t = L ÷ v = 510 ÷ 25,5 = 20 giây.
Bước 3: Tính tốc độ giải mã: v giải mã = 500 ÷ 20 = 25 bộ ba/giây.
Đáp số: t = 20 giây; tốc độ giải mã = 25 bộ ba/giây.
Kiểm tra chéo: tốc độ giải mã 25 bộ ba/giây × 1,02 nm = 25,5 nm/giây, đúng bằng vận tốc trượt đề cho. Ví dụ này là dạng đề ngược: đề cho vận tốc, hỏi thời gian. Bạn chỉ cần biến đổi công thức v = L ÷ t thành t = L ÷ v là làm được. Dạng đề này kiểm tra xem bạn có hiểu công thức đủ sâu để biến đổi ngược lại hay không, chứ không chỉ biết thay số xuôi.

Lỗi sai thường gặp khi tính vận tốc trượt của ribôxôm

Lỗi 1: Nhầm vận tốc trượt với tốc độ giải mã.
Đề hỏi vận tốc trượt theo nm/giây mà bạn trả lời 16,7 bộ ba/giây, hoặc đề hỏi tốc độ giải mã mà bạn trả lời 17 nm/giây. Hai đại lượng này khác nhau cả về bản chất lẫn đơn vị: một cái đo độ dài trên giây, một cái đo số bộ ba trên giây. Bạn hãy đọc kỹ đơn vị mà đề yêu cầu trước khi kết luận đáp số.

Lỗi 2: Quên đổi Å sang nm.
Đề cho L = 5.100 Å, hỏi v theo nm/giây, mà bạn lấy 5.100 ÷ 30 = 170 rồi ghi "170 nm/giây" thì đáp số lớn gấp 10 lần đáp án đúng (17 nm/giây). Bạn phải đổi L về 510 nm trước khi chia, hoặc chia xong rồi đổi 170 Å/giây thành 17 nm/giây. Cách nào cũng được, miễn là bạn nhớ đổi.

Lỗi 3: Tính số bộ ba từ N mà quên chia 2.
Số bộ ba trên mARN bằng rN ÷ 3, mà rN = N ÷ 2, nên số bộ ba bằng N ÷ 6. Với gen mẫu, N ÷ 6 = 500 bộ ba. Có bạn lấy N ÷ 3 = 1.000 bộ ba rồi chia cho thời gian, ra tốc độ giải mã gấp đôi đáp án đúng. Bạn hãy tính rN trước rồi mới chia 3, đừng đốt cháy giai đoạn.

Lỗi 4: Dùng số axit amin thay cho số bộ ba.
Tốc độ giải mã bằng số bộ ba chia cho thời gian, mà số bộ ba là 500, không phải 499. Bộ ba kết thúc tuy không mã hóa axit amin nhưng ribôxôm vẫn phải trượt qua nó, nên nó vẫn được tính vào số bước. Nếu bạn lấy 499 ÷ 30 ≈ 16,6 thì đáp số lệch một chút so với 16,7 — lệch nhỏ nhưng vẫn là sai, và trong bài thi trắc nghiệm thì lệch nhỏ cũng mất điểm như lệch lớn.

Lỗi 5: Nhầm chiều dài mARN với chiều dài gen.
Với gen mẫu thì chiều dài mARN bằng chiều dài gen (5.100 Å) vì gen không phân mảnh, nhưng với gen ở sinh vật nhân thực có đoạn intron thì mARN trưởng thành ngắn hơn gen. Trong bài này chúng ta xét gen không phân mảnh nên hai chiều dài bằng nhau, nhưng bạn hãy nhớ công thức dùng L của mARN, không phải L của gen nói chung.

Bài tập tự luyện

Câu 1: Phân tử mARN của gen mẫu dài 5.100 Å. Một ribôxôm trượt hết mARN trong 60 giây. Tính vận tốc trượt theo nm/giây và tốc độ giải mã của ribôxôm.
Câu 2: Phân tử mARN của gen mẫu dài 5.100 Å. Một ribôxôm trượt hết mARN trong 15 giây. Tính vận tốc trượt theo nm/giây và tốc độ giải mã của ribôxôm.
Câu 3: Một gen có N = 2.400 nu. Ribôxôm trượt hết phân tử mARN do gen này tổng hợp trong 24 giây. Tính vận tốc trượt theo nm/giây và tốc độ giải mã của ribôxôm.
Câu 4: Phân tử mARN của gen mẫu dài 5.100 Å. Một ribôxôm trượt với vận tốc 10,2 nm/giây. Tính thời gian ribôxôm trượt hết mARN và tốc độ giải mã của ribôxôm.
Câu 5: Một ribôxôm có tốc độ giải mã là 25 bộ ba/giây. Tính vận tốc trượt của ribôxôm theo nm/giây và thời gian nó trượt hết phân tử mARN của gen mẫu.

Đáp án bài tập tự luyện

Câu hỏi thường gặp về vận tốc trượt của ribôxôm

Hỏi: Vận tốc trượt có giống nhau ở mọi ribôxôm không?
Đáp: Không. Vận tốc trượt phụ thuộc vào loại tế bào, điều kiện môi trường và từng thời điểm trong quá trình dịch mã. Trong bài tập phổ thông, vận tốc thường được tính từ dữ kiện đề cho, bạn chỉ cần thay số chứ không cần nhớ con số thực tế của từng loài.

Hỏi: Vì sao một bộ ba lại dài đúng 10,2 Å?
Đáp: Vì một bộ ba gồm 3 ribônu, mỗi ribônu dài 3,4 Å, nên 3 × 3,4 = 10,2 Å. Con số này là cầu nối để đổi vận tốc trượt sang tốc độ giải mã và ngược lại. Bạn hãy nhớ 10,2 Å theo nm là 1,02 nm.

Hỏi: Thời gian ribôxôm trượt hết mARN có bằng thời gian tổng hợp xong prôtêin không?
Đáp: Có, với một ribôxôm. Khi ribôxôm trượt qua bộ ba kết thúc và rời khỏi mARN thì chuỗi pôlipeptit cũng vừa hoàn thành, nên hai khoảng thời gian này bằng nhau. Bạn sẽ gặp lại ý này trong bài về thời gian tổng hợp prôtêin.

Hỏi: Đề cho vận tốc theo Å/giây mà hỏi theo nm/giây thì làm thế nào?
Đáp: Bạn chỉ cần chia cho 10, vì 1 nm = 10 Å. Ví dụ vận tốc 170 Å/giây bằng 17 nm/giây. Ngược lại, đổi từ nm/giây sang Å/giây thì nhân với 10. Bạn hãy đổi đơn vị ngay từ đầu để khỏi nhầm.

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 và số bộ ba, và công thức tính chiều dài gen để tính L từ N. Bạn cũng nên đọc tiếp bài về thời gian tổng hợp prôtêin, vì thời gian trượt hết mARN của một ribôxôm chính là điểm xuất phát của bài đó.

Kết luận

Vận tốc trượt của ribôxôm được tính bằng công thức v = L ÷ t, còn tốc độ giải mã được tính bằng số bộ ba ÷ t, và hai đại lượng nối với nhau qua độ dài một bộ ba là 10,2 Å. Toàn bộ tinh thần của bài nằm ở việc phân biệt hai đại lượng này: một cái đo độ dài trên giây, một cái đo số bước trên giây, và bạn phải đọc kỹ đơn vị mà đề yêu cầu trước khi kết luận đáp số. Nhớ được cầu nối 10,2 Å, bạn sẽ đổi qua lại giữa hai đại lượng một cách dễ dàng, và mọi dạng đề cho L, cho t hay cho vận tốc đều chỉ là biến tấu nhỏ của cùng một phép chia.

Muốn thành thạo, bạn hãy làm lại các bài tập cuối bài mà không nhìn đáp án, đặc biệt chú ý đổi đơn vị Å sang nm ngay từ bước đầu tiên. 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!