Giải mã sự sống – quá trình phát
hiện các mã di truyền
Các nhà sinh học phân tử đã giải mã sự sống thành công vào những năm đầu
của thập kỷ 1960, khi một loạt các thí nghiệm hợp lý đã giúp làm sáng tỏ sự
dịch mã các axit amin từ mỗi codon trên mARN. Codon đầu tiên được giải
mã bởi Marshall Nirenberg và cộng sự tại Viện Y học Quốc gia Hoa Kỳ
(NIH) vào năm 1961. Nirenberg đã tổng hợp nhân tạo được một phân tử
mARN gồm toàn các nucleotit ARN thuộc loại uracil (U) liên kết với nhau.
Bất kể khi mạch ARN được bắt đầu và kết thúc dịch mã như thế nào, thì mã
bộ ba lặp lại cũng luôn là UUU. Nirenberg đã bổ sung phân tử “poly U” này
vào ống nghiệm chứa dung dịch hỗn hợp gồm các loại axit amin, ribosome và
các thành phần khác cần cho sự tổng hợp protein.
Hệ thống nhân tạo của Nirenberg và cộng sự đã dẫn đến sự hình thành một
chuỗi polypeptit chỉ gồm toàn các axit amin phenylalanine (Phe) kết thành
chuỗi liên tiếp, còn được gọi là chuỗi polyphenylalanine. Bằng cách đó,
Nirenberg đã xác định được rằng codon UUU trên phân tử mARN xác định
axit amin phenylalanine. Ngay sau đó, các axit amin được xác định bằng các
codon AAA, GGG và CCC cũng đã được xác định.
Mặc dù phải áp dụng một số kỹ thuật phức tạp hơn mới có thể giải mã các
codon khác, như AUA và CGA; nhưng có thể nói đến giữa những năm 1960,
tất cả 64 codon đã được giải mã hết. Trong số 64 codon có 61 codon mã hóa
cho các axit amin. Ba codon không mã hóa cho bất cứ axit amin nào được gọi
là các “tín hiệu kết thúc dịch mã” (stop codon); ở đó, quá trình dịch mã kết
thúc. Điều đáng lưu ý là codon AUG có hai chức năng: nó vừa mã hóa cho
axit amin methinonine (Met), vừa là tín hiệu “bắt đầu dịch mã” (start codon).
Điều này có nghĩa là, các thông điệp di truyền trên phân tử mARN luôn được
bắt đầu từ codon AUG (trừ một số ngoại lệ); nói cách khác, đây cũng chính là
“tín hiệu” thông báo cho bộ máy dịch mã bắt đầu quá trình dịch mã mARN.
(Do AUG đồng thời mã hóa cho methionine, nên tất cả các chuỗi polypeptit
đều bắt đầu bằng axit amin này khi chúng được tổng hợp. Tuy vậy, sau đó
một enzym có thể cắt bỏ axit amin khởi đầu này hoặc không).
Có một đặc điểm cần chú ý là mã di truyền có tính thoái hóa, nhưng luôn đặc
thù. Cụ thể như, mặc dù các mã bộ ba GAA và GAG có thể đồng thời mã hóa
cho axit glutamic (tính thoái hóa), nhưng không có bất kỳ mã bộ ba nào đồng
thời mã hóa cho hai axit amin trở lên (tính đặc thù).
Ngoài ra, tính thoái hóa của mã bộ ba cũng không phải là ngẫu nhiên. Trong
nhiều trường hợp, các codon khác nhau có cùng nghĩa (mã hóa cho cùng một
loại axit amin), mà chỉ khác nhau về bazơ thứ ba trong bộ ba nucleotit của
chúng.
Để có thể hiểu được một thông điệp hay một câu được viết theo một ngôn
ngữ nào đó thì chúng ta phải đọc được các kí hiệu của ngôn ngữ đó khi chúng
được xếp theo những nhóm nhất định; nói cách khác là trong một khung đọc
đúng.
Hãy xem câu nói sau: “con chó bắt con mèo”. Nếu sự xếp nhóm của các chữ
trong câu này bắt đầu từ một vị trí sai, thì câu sẽ trở nên vô nghĩa; chẳng hạn
như “onc hób ắtc onm èo”.