Bài giảng môn sinh học phân tử (Tải: https://link1s.com/yHqvN)

ARN thông tin mARN  Phân tử có cấu trúc mạch đơn, là bản sao trình tự cấu trúc của gen, chiếm 2-5% tổng lợng ARN.. ARN riboxom rARN  Phân tử có cấu trúc mạch đơn, chiếm khoảng 80% tổ

PhÇn 2

Sinh häc ph©n tö - Molecular biology

Th S Ph¹m Quang Chung

Bé m«n Sinh häc - Khoa L©m häc - §¹i häc L©m nghiÖp

Sinh học phân tử

Luận thuyết (lý thuyết) trung tâm của Sinh học phân tử

The Central Dogma of Molecular Biology

Virus RNA

DNA

Protein

RNA

 Qua hơn 4 thập kỷ phát triển của Sinh học phân tử, luận thuyết (lý thuyết) trung tâm này đợc sửa đổi nhiều lần

Sinh học phân tử - Axit Nucleic

1 Axit nucleic

 Là đại phân tử sinh học đợc cấu tạo từ nhiều

đơn phân là các nucleotit

1.1 Axit deoxyribonucleic (ADN)

 Mỗi nucleotit đợc cấu tạo gồm 3 thành phần:

Bazơ nitơ (Adenin-A, Guanin-G, Thymin-T và

Xytozin-C), đuờng 5 cacbon và axit photphoric

 Phân tử ADN cấu trúc xoắn kép có số lợng

bazơ A = T, G = C Tỷ lệ A+T/G+C đặc trng

riêng cho mỗi loại sinh vật, biểu hiện mức độ

tiến hóa của loài Ví dụ, ở ngời là 1,52; cừu là

1,36; vi khuẩn E.coli là 0,93; lúa mì là 1,19; …

Sinh học phân tử - Axit Nucleic

 Tỷ lệ % G+C khác nhau ở các loài sinh vật, khác nhau giữa các giống, các thứ trong cùng một loài Phân tử ADN có tỷ

lệ G, C càng cao, số lợng G, C sắp xếp liền kề nhau tạo chuỗi các nucleotit liên tục càng dài thì độ bền vững với nhiệt độ càng cao và ngợc lại

 ở tế bào prokaryota, ADN tồn tại ở trong vùng nhân, plasmid, và các bào quan nh ty thể, lạp thể Các ADN này ở dạng sợi xoắn kép, mạch vòng kín và toàn bộ trình tự ADN mang thông tin mã hoá protein (gen)

 ở tế bào eukaryota, ADN tồn tại ở trong nhân và các bào quan nh ty thể, lạp thể Các ADN này ở dạng sợi xoắn kép, mạch thẳng và chỉ một phần ADN mã hoá protein (chiểm khoảng 7-30% khác nhau tuỳ từng loại) gọi là các exon, trình tự còn lại không mang thông tin di truyền để mã hoá cho protein gọi là intron

5’ - Promoter Exon1 Exon Terminator – 3’

UTR Intron1 UTR

1 hay nhiều đoạn chèn ( introns ):

mRNA

Sinh học phân tử - Axit Nucleic

 ADN ở eukaryota không đồng nhất, chứa nhiều trình tự khác nhau nh: Trình tự lặp, trình tự CEN (trình tự lặp lại cao ở tâm động), trình tự TEL (trình tự lặp lại cao ở đầu mút nhiễm sắc thể) Các trình tự này có ý nghĩa khác nhau đối với bộ gen

 ADN trong mỗi tế bào của mỗi loại sinh vật đợc đặc trng bởi dạng cấu trúc, mức độ lặp,

thành phần và trình tự các loại bazơ nitơ,

 Hàm lợng ADN ít liên quan đến sự tiến hóa của sinh vật nhng số gen lại tăng lên theo

sự phức tạp về chủng loại phát sinh

 Tính chất biến tính và hồi tính của ADN

 Phân tử ADN bị biến tính khi nhiệt độ tăng, hoặc tác động của các tác nhân hoá học

(dung dịch kiềm, ure, )

 Nhiệt độ làm cho hai mạch đơn của ADN tách nhau ra, gọi là nhiệt độ biến tính Tm

(melting temperature) Tm của các sinh vật bậc cao thờng vào khoảng 850 - 950C

 Phân tử ADN có khả năng hồi tính Khi nhiệt độ giảm dần đến một mức độ nhất định,

hai mạch đã tách rời nhau lại liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung để hình thành

chuỗi soắn kép ban đầu

Sinh học phân tử - Axit Nucleic

Trạng thái tự nhiên Trạng thái biến tính sợi đơn Trạng thái lại tính

Sinh học phân tử - Axit Nucleic

1.2 Axit ribonucleic (ARN)

1.2.1 ARN thông tin (mARN)

 Phân tử có cấu trúc mạch đơn, là bản sao trình tự cấu trúc của gen, chiếm 2-5% tổng lợng

ARN Nó đợc tổng hợp từ các gen trong nhân tế bào, một số ít đợc tổng hợp từ các gen trong

ty thể và lạp thể

1.2.2 ARN vận chuyển (tARN)

 Phân tử có cấu trúc mạch đơn Đóng vai trò vận

tải các axit amin để lắp ráp vào mạch polypeptit

khi tổng hợp protein, chiếm khoảng 10-15% tổng

l-ợng ARN Có khoảng trên 20 loại tARN khác nhau

đặc trng cho 20 loại axit amin khác nhau

 tARN đợc tổng hợp trong nhân tế bào và trong

cấu trúc có những phần gấp cuộn đặc thù, cho

phép chúng nhận biết các a.a cần vận chuyển đồng

thời chúng có chứa bộ ba đối mã anticodon bổ

sung với các bộ ba codon của mARN

Sinh học phân tử - Axit Nucleic

1.2.3 ARN riboxom (rARN)

 Phân tử có cấu trúc mạch đơn, chiếm khoảng 80% tổng lợng ARN, cũng đợc phiên mã từ ADN và liên kết với protein để tạo nên riboxom, là nơi tổng hợp protein Có cấu tạo gồm tiểu phần nhỏ và tiểu phần lớn

 ở tế bào prokaryota: Tiểu phần nhỏ 30S có rARN 16S

các gen mã hóa rARN thờng

nằm ở vùng ADN lặp lại Đây là

những vùng có mức độ bảo thủ

cao hoặc có mức độ tiến hoá khá

nhanh

tr-1.3.1 Cấu trúc của protein

 Đơn vị cấu trúc nên protein là các axit amin, gồm 20 loại

 Các axit amin này liên kết với nhau bằng liên kết peptit (-CO-NH-

là liên kết đồng hoá trị, đợc thành lập giữa nhóm amin của axit amin

này với nhóm cacboxin của axit amin bên cạnh) tạo thành mạch

polypeptit (40-500 axit amin)

 Về phơng diện dinh dỡng học, ngời ta thờng phân

biệt loại axit amin thay thế và axit amin không thay

thế

Sinh học phân tử - protein

a, Cấu trúc bậc 1

 Số lợng, thành phần và trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi polypeptit

thể hiện cấu trúc bậc 1 của protein

 Cấu trúc này quy định tính đặc thù của phân tử protein đồng thời quy định nên

cấu trúc không gian của protein có nghĩa là quy định chức năng của protein

Trong chuỗi polypeptit có chứa các a.a đặc thù của protein nh trung tâm hoạt

tính của enzym (liên kết với cơ chất), trung tâm nhận biết các phân tử khác nhau

(vùng nhận biết hoocmon của thụ quan), vùng liên kết với ADN, vùng chứa địa chỉ

nơi mà protein cần đợc vận chuyển đến (ty thể, lizomxom, màng sinh chất, nhân,

xuất ra ngoài tế bào, …)

b, Cấu trúc bậc 2

 Dạng xoắn  và gấp khúc , đó là cấu trúc bậc 2

của protein

 Sự biến động trong cấu trúc bậc 2 gây ảnh hởng

đến hoạt tính chức năng của protein

Sinh học phân tử - protein

c, Cấu trúc bậc 3

 Chuỗi polypeptit ở dạng xoắn hoặc gấp khúc có thể cuộn lại theo

nhiều cách tạo nên hình thù không gian (dạng sợi, cuộn hay khối

cấu) đợc gọi là cấu trúc bậc 3 (cấu trúc 3D)

 Cấu trúc này quy định nên hoạt tính chức năng của protein

 Khi tác động của nhiệt độ, pH hoặc hoá chất độc hại sẽ dẫn tới làm thay đổi hình thù 3D của protein (đợc gọi là sự biến tính của protein) sẽ dẫn đến tới việc huỷ hoại chức năng của chúng và từ đó dẫn tới trạng thái sinh lý bệnh

d, Cấu trúc bậc 4

 Cấu trúc bậc 4 là

kết qủa của sự liện kết

nhiều chuỗi polypeptit

có cấu trúc bậc 3 với

nhau để hình thành

một phức hợp protein

có hoạt tính sinh học

Sinh học phân tử - protein

1.3.2 Chức năng của protein

 Cấu trúc: là những protein tham gia cấu tạo nên tế bào: nh protein cấu tạo

nên MSC, CNS, các bào quan trong tế bào

 Xúc tác: protein đóng vai trò là các enzym xúc tác cho các phản ứng sinh

hoá trong cơ thể sống

 Bảo vệ: protein đóng vai trò nh các kháng thể

 Điều hoà sinh trởng - phát triển của sinh vật: hoocmon có bản chất

là protein

 Vận động: Các protein nh myonin, actin cấu tạo nên cơ, gây nên

những chuyển động nội bào cũng nh sự co cơ,…

 Vận chuyển: nh protein hemoglobin tham gia vận chuyển O2 và CO2…

 Dự trữ: Dự trữ nguồn axit amin Ví dụ Ovalbumin lòng trắng trứng là nguồn cung cấp a.a

cho phôi phát triển Casein trong sữa mẹ là nguồn cung cấp a.a cho con hoặc ở trong các

hạt giống, …

 Thụ quan: Cảm nhận, đáp ứng các kích thích của môi trờng Ví dụ Thụ quan màng tế bào thần kinh nhận biết các tín hiệu hóa học do các tế bào thần kinh khác tiết ra và dẫn truyền tín hiệu

Sinh học phân tử - sự tái bản adn

I Sự tái bản ADN

2.1 Đặc tính của sự tái bản ADN

 Sự tái bản của ADN dựa trên nguyên tắc khuôn và bổ sung

 Sự tải bản ADN mang tính nửa bảo tồn

 Sự tái bản ADN mang tính định hớng và diễn ra theo hai hớng ngợc nhau, vừa liên tục vừa gián đoạn, nghĩa là sự tổng hợp mạch mới chỉ diễn ra theo hớng 5’ - 3’ (tức là từ đầu 3’ đến 5’ của sợi khuôn) Trong hai mạch khuôn thì một mạch khuôn có hớng 3’ - 5’ đợc dùng tổng hợp mạch mới một cách liên tục (hay mạch nhanh), còn mạch khuôn thứ hai có hớng 5’ - 3’, sự lắp ghép các nucleotit diễn ra giãn đoạn (còn gọi là mạch chậm), nghĩa là tổng hợp từng đoạn ADN ngắn (đoạn Okazaki) và sau đó mới đợc gắn lại thành mạch ADN hoàn chỉnh

2.2 Sự tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ (procaryota)

 Phân tử ADN ở vi khuẩn là sợi xoắn kép có dạng vòng nên tại điểm khởi đầu sao chép xuất hiện “con mắt tái bản” ở dạng vòng tròn gồm 2 mạch đơn nối liền với sợi xoắn ở 2 điểm, từ đây sợi kép sẽ tiếp tục mở xoắn và tách ra ở cả 2 đầu

 Tại điểm tách nhau ra ở 2 mạch tạo nên cái chẽ ba đợc gọi là chẽ ba tái bản

Sinh học phân tử - sự tái bản adn

 Thành phần tham gia tái bản ADN

 Có nhiều loại protein và enzym tham gia vào quá

trình tái bản ADN:

- Enzym helicaza có tác động mở xoắn và tách đôi

sợi ADN kép thành 2 sợi đơn

- Protein SSB (Single Strand Binding Protein) ngăn

không cho 2 sợi đơn dính lại với nhau

- ARN polymeraza có vai trò tổng hợp đoạn mồi

- ADN polymeraza I và III có vai trò lắp ráp các

deoxyribonucleotit thành mạch ADN mới

- Enzym ATPaza có vai trò thuỷ phân ATP

- Enzym ADN polymeraza II có vai trò cắt bỏ và

sửa chữa các sai sót trên sợi tái bản ADN

- Enzym ligaza dùng để nối các đoạn ADN (đoạn

Okazaki) lại với nhau

Sinh học phân tử - sự tái bản adn

 Cơ chế và mô hình tái bản ADN

 Sự sao chép bắt đầu tại một điểm (điểm khởi đầu sao chép)

 Tại đây enzym mở xoắn gắn vào phân tử ADN mạch kép, tách đôi

sợi kép thành 2 sợi đơn tạo nên chạc 3 hình chữ Y

 Các protein SSB bám vào sợi đơn của ADN, ngăn không cho 2 mạch

đơn xoắn trở lại

 Mạch khuôn thứ nhất có hớng 3’ - 5’ sẽ đợc tổng hợp trớc và liên

tục Đoạn ARN mồi đợc tổng hợp nhờ enzym ARN polymeraza,

Enzym ADN polymeraza III nhận biết đầu 3’-OH của đoạn mồi, bắt

đầu xúc tác lắp ráp các deoxyribonucleotit và tạo nên mạch ADN mới

có hớng 5’ - 3’ bổ sung với mạch khuôn Đoạn mồi bị cắt bỏ

 Mạch khuôn thứ 2 có hớng 5’ - 3’ đợc tổng hợp chậm hơn và gián đoạn Đoạn mồi thứ nhất đợc tổng hợp, enzym ADN polymeraza III nhận biết và tổng hợp nên đoạn ADN(đoạn Okazaki) thứ nhất Đoạn mồi 1 bị phân huỷ Tiếp theo đoạn mồi thứ 2 đợc tổng hợp và ADN polymeraza III nhận biết và tổng hợp đoạn Okazaki 2, đoạn mồi thứ 2 bị cắt bỏ Đoạn Okazaki thứ nhất đợc nối với đoạn Okazaki thứ 2 nhờ enzym ligaza Các đoạn mồi bị phân huỷ tạo nên “lỗ hổng” sẽ đợc enzym ADN polymeraza I xúc tác tổng hợp các nucleotit lấp đầy lỗ hổng Tiến trình cứ thế tiếp diễn cho đến khi kết thúc sự tái bản, các đoạn đợc nối lại với nhau tạo nên mạch ADN hoàn chỉnh

2.3 Sự tái bản ADN ở sinh vật nhân chuẩn (eucaryota)

 Sự tái bản ADN ở Eucaryota có sự tham gia của

nhiều loại enzym polymeraza (, , , ) protein

RPA, PCNA, nhân tố tái bản A, và các nhân tố hoạt

hóa, diễn ra rất phức tạp Về cơ bản giống với

Prokaryote, tuy nhiên có một vài điểm khác:

- Tái bản ADN của các gen khác nhau, các loại tế

bào khác nhau, … khác biệt nhau về tốc độ tái bản,

thời gian khởi đầu tái bản, tuỳ thuộc vào giai đoạn

phát triển tế bào, vai trò và đặc điểm của các gen,

điều kiện sinh lý, sinh hóa của tế bào

- Đối với tế bào prokaryota chỉ tồn tại một điểm khởi đầu tái bản và quá trình tái bản diễn ra theo hai chiều ngợc nhau xuất phát từ điểm đó Nh vậy, ở prokaryot chỉ là một đơn vị tái bản

- Đối với tế bào eukaryota, phân tử ADN rất dài nên tồn tại nhiều đơn vị tái bản Mỗi đơn vị tái bản này có điểm khởi đầu tái bản riêng của mình Tiến trình tái bản trong từng đơn vị cũng giống nh ở prokaryota Khi tất cả các đơn vị tái bản đã

đuợc tái bản chúng liên thông với nhau và khi đó hai sợi ADN đuợc hình thành

- Enzym ADN polymeraza  xúc tac tổng hợp đoạn ARN mồi

Sinh học phân tử – cơ chế sửa chữa adn

2.4 Các cơ chế sửa chữa ADN

2.4.1 Cơ chế phòng ngừa

 Tế bào có những hệ thống ngăn chặn tác hại có thể có của nhiều chất chuyển hóa trong tế bào hay từ ngoài xâm nhập vào nhờ các enzym, hệ thống khử, và các cơ quan nh gan, thận

2.4.2 Cơ chế sửa sai trong sao chép

 Sự tổng hợp ADN trên nguyên tắc khuôn và bổ sung xảy ra rất chính xác với tần số sai sót chỉ khoảng 10-9

 Sự phát hiện và sửa chữa sai là dựa vào các đoạn mồi Chúng vừa có vai trò ghép cặp theo nguyên tắc bổ sung vừa phát hiện những sai lệch trong ghép cặp và chúng sẽ thực hiện cắt bỏ và loại trừ

2.4.2 Cơ chế sửa sai ngoài sao chép

 Quá trình sửa chữa ADN còn xảy ra khi ADN bị đột biến do tác động của nhiều tác nhân gây đột biến Quá trình sửa chữa này khác với quá trình sửa chữa khi ADN tái bản ở chỗ: Cần một hệ enzym sửa chữa đặc biệt và theo cơ chế khác nhau Tuy nhiên cũng theo những nguyên tắc chung: Sử dụng mạch đơn làm khuôn để sửa sai theo nguyên tắc bổ sung gồm

3 bớc:

 Bớc 1: Phần ADN bị đột biến đợc nhận biết và cắt bỏ nhờ enzym

nucleaza làm nhiệm vụ sửa chữa Khi đó liên kết photphodieste giữa

nucleotit đột biến và nucleotit thờng bị cắt đứt, tạo ra khoảng trống trên

sợi ADN

Vị trí ADN bị hỏng

Sinh học phân tử - sự phiên mã

 Bớc 2: Enzym ADN polymeraza nhận biết gốc 3’- OH ở khoảng trống và

tổng hợp một đoạn nucleotit thay thế vị trí đó theo nguyên tắc bổ sung với sợi

khuôn

ADN polymeraza

ADN ligaza

 Bớc 3: Enzym ligaza nối đoạn ADN vừa đợc tổng hợp tạo sợi ADN hoàn

chỉnh, giống hệt sợi trớc khi đột biến

II sự phiên mã

 Sự phiên mã là sự tổng hợp các phân tử mARN cũng nh rARN và tARN từ ADN theo nguyên tắc bổ sung (A-U, G-C) theo chiều 5’ - 3’, diễn ra trong nhân

 Chỉ một trong hai mạch đơn của phân tử ADN đợc dùng làm khuôn Việc này do enzym ARN polymeraza quyết định

 Quá trình phiên mã có sự tham gia xúc tác và hoạt hoá của enzym

ARN polymeraza, các nhân tố phiên mã và năng lợng từ sự thuỷ phân

ATP, GTP,…

 Không có cơ chế sửa sai Tỷ lệ sai sót từ 10-4 - 10-5, sai sót trong

phiên mã dẫn đến sai khác trong biểu hiện gen

 Qui ớc vị trí nucleotit đầu tiên đợc phiên mã sang mARN là +1, các

nucleotit vùng mang thông tin di truyền mang dấu d (+), các nucleotit

vùng điều khiển mang dấu (-)

Sinh học phân tử - cấu trúc của gen

 Cấu trúc của gen

 Gen là một đoạn ADN, ARN, mang thông tin di truyền xác định cấu trúc của một chuỗi polypeptit hoặc một phân tử ARN nhất định Ngời ta phân biệt gen cấu trúc, gen điều chỉnh, gen vận hành,…

 Một gen cấu trúc điển hình gồm 3 vùng chính: Vùng điều khiển; Vùng mang mã di truyền và Vùng kết thúc

 Promotor (P): gồm các trình tự đặc hiệu để các enzym ARN polymeraza nhận biết, cho phép khởi đầu

sự phiên mã ở procaryota, có 2 trình tự gồm 6 nucleotit nằm ở khoảng nucleotit - 35 đến -10 ở eukaryota, có

3 trình tự đặc hiệu cho 3 loại ARN polymeraza nhận biết

 Operator (O): Trình tự chỉ huy, xúc tác hoạt động phiên mã hoặc không phiên mã của gen cấu trúc

 Induction (I): Trình tự điều hòa, hoạt hóa hoặc ức chế hoạt động của gen

Sinh học phân tử - cấu trúc của gen

b Vùng mang mã di truyền

 Chứa các cặp nucleotit mã hóa cho polypeptit, khi phiên mã sẽ cho ra mARN và khi dịch mã cho ra protein

 ở procaryota, toàn bộ vùng mang mã đều mang thông tin di truyền (coding sequence) gồm nhiều cistron, mỗi cistron mã hóa cho một chuỗi polypeptit Các cistron này sắp xếp thành từng nhóm, chung một vùng điều khiển tạo thành một operon