Xây dựng chủ đề cơ chế di truyền cấp độ phân tử phục vụ bồi dưỡng học sinh giỏi

Chương trình môn Sinh học vừa hệ thống hoá, củng cố kiến thức, phát triển kĩ năng và giá trị cốt lõi của sinh học đã được học ở giai đoạn giáo dục cơ bản; vừa giúp học sinh tìm hiểu sâu

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH YÊN BÁI

TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN TẤT THÀNH

BÁO CÁO SÁNG KIẾN CẤP CƠ SỞ

Lĩnh vực: Giáo dục và Đào tạo

XÂY DỰNG CHỦ ĐỀ CƠ CHẾ DI TRUYỀN CẤP ĐỘ PHÂN TỬ

PHỤC VỤ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

Tác giả : NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Trình độ chuyên môn: Thạc sĩ

Chức vụ : Giáo viên

Đơn vị công tác : Trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành

Yên Bái, tháng 01 năm 2022

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN YÊU CẦU CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN

Kính gửi: Hội đồng sáng kiến Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh Yên Bái

Tên tôi là: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Ngày, tháng, năm sinh: 30/01/1985

Đơn vị công tác: Trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành - Tỉnh Yên Bái

Chức danh: Giáo viên

Trình độ chuyên môn: Thạc sĩ

Là tác giả đề nghị xét công nhận sáng kiến: “Xây dựng chủ đề cơ chế di truyền cấp độ phân tử phục

vụ bồi dưỡng học sinh giỏi”

- Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Giáo dục và Đào tạo

- Mô tả nội dung sáng kiến: Sinh học là môn học được lựa chọn trong nhóm môn khoa học tự nhiên ở giai đoạn giáo dục định hướng nghề nghiệp Môn Sinh học hình thành, phát triển ở học sinh năng lực sinh học, đồng thời góp phần cùng các môn học, hoạt động giáo dục khác hình thành, phát triển ở học sinh các phẩm chất và năng lực chung

Chương trình môn Sinh học vừa hệ thống hoá, củng cố kiến thức, phát triển kĩ năng và giá trị cốt lõi của sinh học đã được học ở giai đoạn giáo dục cơ bản; vừa giúp học sinh tìm hiểu sâu hơn các tri thức sinh học cốt lõi, các phương pháp nghiên cứu và ứng dụng sinh học, các nguyên lí và quy trình công nghệ sinh học thông qua các chủ đề: sinh học tế bào; sinh học phân tử; sinh học vi sinh vật; sinh lí thực vật; sinh lí động vật; di truyền học; tiến hoá và sinh thái học

Đối tượng nghiên cứu của sinh học là thế giới sinh vật gần gũi với đời sống hằng ngày của học sinh Bản thân sinh học là khoa học thực nghiệm Sự phát triển của sinh học đang ngày càng rút ngắn khoảng cách giữa kiến thức lí thuyết cơ bản với công nghệ ứng dụng Kiến thức sách giáo khoa rất cơ bản chưa

đủ để đáp ứng với việc luyện thi học sinh giỏi các cấp nhất là cách tiếp cận kiến thức hiện đại cập nhật hiện nay Qua thực tiễn tìm hiểu đối tượng, kinh nghiệm 15 năm dạy học để đáp ứng yêu cầu bồi dưỡng

học sinh giỏi cấp tỉnh và cấp quốc gia tôi đề xuất sáng kiến: “Xây dựng chủ đề cơ chế di truyền cấp độ phân tử phục vụ bồi dưỡng học sinh giỏi” nhằm hệ thống kiến thức chuyên sâu đồng thời cung cấp hệ

thống câu hỏi luyện tập chủ đề phong phú giúp việc học tập và ôn luyện chủ đề cơ chế di truyền cấp độ

phân tử hiệu quả

- Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến: Học sinh học tập, ôn luyện nghiêm túc phục vụ thi học sinh giỏi

- Đánh giá lợi ích thu được hoặc dự kiến có thể thu được do áp dụng sáng kiến theo ý kiến của tác

để giúp học sinh so sánh những kiến thức liên quan xung quanh phần nghiên cứu từ đó học sinh tự đánh giá được tính chính xác, tính khoa học của những kiến thức đã học

- Đánh giá lợi ích thu được: Sáng kiến đã đem lại hiệu quả trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh và cấp quốc gia Học sinh hiểu rõ, sâu bản chất lý thuyết và các kiến thức liên quan từ đó có nền tảng vững chắc để giải quyết các tình huống đa dạng của đề thi học sinh giỏi đề ra

Tôi xin cam đoan mọi thông tin nêu trong đơn là trung thực, đúng sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Yên Bái, ngày 10 tháng 01 năm 2021

Người nộp đơn

Nguyễn Văn Phương

I THÔNG TIN CHUNG VỀ SÁNG KIẾN

1 Tên sáng kiến: Xây dựng chủ đề cơ chế di truyền cấp độ phân tử phục vụ bồi dưỡng học sinh giỏi

2 Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Giáo dục đào tạo

3 Phạm vi áp dụng sáng kiến: Bồi dưỡng học sinh giỏi môn sinh học cấp tỉnh và cấp Quốc gia tại

các trường THPT

4 Thời gian áp dụng sáng kiến:

Từ ngày 05 tháng 9 năm 2019 đến ngày 05 tháng 10 năm 2021

5 Tác giả:

Họ và tên: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Năm sinh: 30/01/1985

Trình độ chuyên môn: Thạc sĩ sinh học

Chức vụ công tác: Tổ phó chuyên môn

Nơi làm việc: Trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành

Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Văn Phương – Giáo viên Sinh học, Trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành,

Tổ 44 Phường Yên Thịnh, Thành Phố Yên Bái tỉnh Yên Bái

Đối tượng nghiên cứu của sinh học là thế giới sinh vật gần gũi với đời sống hằng ngày của học sinh Bản thân sinh học là khoa học thực nghiệm Sự phát triển của sinh học đang ngày càng rút ngắn khoảng cách giữa kiến thức lí thuyết cơ bản với công nghệ ứng dụng Kiến thức sách giáo khoa rất cơ bản chưa

đủ để đáp ứng với việc luyện thi học sinh giỏi các cấp nhất là cách tiếp cận kiến thức hiện đại cập nhật hiện nay Qua thực tiễn tìm hiểu đối tượng, kinh nghiệm gần 15 năm dạy học để đáp ứng yêu cầu bồi

dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh và cấp quốc gia tôi đề xuất sáng kiến: “Xây dựng chủ đề cơ chế di truyền cấp độ phân tử phục vụ bồi dưỡng học sinh giỏi” nhằm hệ thống kiến thức chuyên sâu đồng thời cung

cấp hệ thống câu hỏi luyện tập chủ đề phong phú giúp việc học tập và ôn luyện chủ đề cơ chế di truyền

cấp độ phân tử hiệu quả

2 Nội dung (các) giải pháp đề nghị công nhận là sáng kiến:

2.1 Mục đích của giải pháp: Xây dựng có tính hệ thống nội dung lý thuyết và các câu hỏi

chuyên sâu đa dạng các tình huống nhằm giúp học sinh ôn thi học sinh giỏi các cấp bậc THPT

2.2 Tính mới của giải pháp:

- Xây dựng hệ thống lý thuyết chủ đề cơ chế di truyền cấp độ phân tử đầy đủ, hình minh họa cơ chế rõ ràng, dễ hiểu phù hợp mục tiêu bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh và cấp quốc gia

- Xây dựng, sưu tầm hệ thống câu hỏi ôn luyện phong phú giúp dạy học và ôn luyện hiệu quả

2.3 Nội dung giải pháp

PHẦN A LÝ THUYẾT PHẦN CƠ SỞ VẬT CHẤT, CƠ CHẾ DI TRUYỀN CẤP ĐỘ PHÂN TỬ

I Bằng chứng chứng minh Axit nucleic là vật chất di truyền ở cấp độ phân tử

* Tiêu chuẩn của vật liệu di truyền

- Chứa đựng thông tin di truyền

- Truyền đạt thông tin di truyền

- Biến đổi thông tin di truyền

=> Vật liệu di truyền là nucleic acid

- ADN là vật liệu di truyền của vi khuẩn, virus

- ARN là vật liệu di truyền của virus

- ADN là vật liệu di truyền của sinh vật nhân thực

Chứng minh bằng các thí nghiệm:

1 Thí nghiệm chứng minh hiện tượng biến nạp của vi khuẩn (Griffith, 1928)

* Streptococcuspneumnae: Phế cầu khuẩn gây viêm phổi

+ Chủng độc (S, smooth): khuẩn lạc trơn, gây chết chuột

+ Chủng lành (R, rough): khuẩn lạc thô, không gây chết chuột

+ Đun diệt chủng độc, tiêm vào chuột: chuột sống

+ Đun diệt chủng độc, trộn với chủng lành, tiêm vào chuột: chuột chết

 Kết luận: tế bào chủng độc chết đã truyền tính gây bệnh cho chủng lành

* Biến nạp (transformation):

+ Griffith: Hiện tượng truyền tính gây bệnh từ vi khuẩn độc sang vi khuẩn lành

+ Sự tiếp nhận DNA trần bởi tế bào nhận

2 Thí nghiệm chứng minh nhân tố biến nạp là ADN (Avery, Loeod, Carty, 1944)

- Chủng độc chết được xử lý bằng

các enzyme khác nhau trước khi trộn

với chủng lành và tiêm vào chuột:

+ Xử lý bằng Protease (thủy phân

 Kết luận: DNA là vật liệu

truyền di truyền ở hiện tượng

biến nạp

* Sự xâm nhập và nhân bản của bacteriophage ở vi khuẩn

- Phage (Bacteriophage, thực khuẩn thể, virút

của vi khuẩn)

- Phage T2:

+ Vỏ protein bên ngoài

+ DNA bên trong

- Phage T2 xâm nhiễm vi khuẩn E coli

3 Thí nghiệm chứng minh vật liệu do phage bơm vào vi khuẩn là ADN (Hershey, Chase, 1952)

- Đánh dấu protein của phage bằng S35 và DNA của phage bằng P32 bằng cách nhiễm phage lên E coli

nuôi trong môi trường có chứa chất dinh dưỡng mang P32 và S35

- Phage được sinh ra có protein mang S35 và DNA mang P32

- Nhiễm phage đã đánh dấu S35 và P32 lên E coli nuôi trong môi trường không chứ đồng vị phóng xạ

- Tách phần gắn của phage lên bề mặt E coli bằng cách lắc mạnh

- Ly tâm để làm lắng E coli ở đáy ống ly tâm

- Thu E coli ở cặn lắng (cặn ly tâm, precipitant) đáy ống ly tâm và thu dịch không lắng tủa (dịch nỗi,

supernatant) chứa phage

- Xác định hàm lượng đồng vị phóng xạ S35 và P32 lên ở trong E coli và trong dịch nỗi:

+ Tế bào E coli chứa 70% tổng P32, rất ít S35

Câu hỏi:

1 Ở thí nghiệm biến nạp của Avery, MacLeod, and McCarty, bằng chứng quan trọng nào chứng

tỏ ADN là yếu tố chính cho sự biến đổi chứ không phải là protein?

2 Đặc tính nào của các thành phần cấu trúc ở virus T2 phù hợp để sử dụng trong các thí nghiệm của Hershey và Chase?

3 Giống DNA, RNA chứa một lượng lớn phosphor Khi Hershey và Chase nuôi cấy phage T2 trong

tế bào vi khuẩn trong môi trường chứa phóng xạ P 32 , ARN cũng sẽ liên kết với P 32 Tại sao không thấy xuất hiện phóng xạ màu xanh trong cặn?

4 Thí nghiệm của Hershey và Chase đã có kết luận ADN là vật liệu di truyền của thực khuẩn thể Tuy nhiên, từ kết quả thí nghiệm không thể kết luận chắc chắn đó là ADN Tại sao?

KẾT LUẬN: vật chất di truyền ở cấp độ phân tử là AXIT NUCLEIC

II Cấu trúc của ADN

* Cấu trúc hóa học của ADN

=> Nên U cần 1 biến đổi (thêm –CH3 để trở thành U hoặc –NH2 để thành X) nhưng X cần 2 biến đổi (loại –NH2 và thêm –CH3) để thành T hoặc T cần 2 biến đồi (loại –CH3 và thêm –NH2) để thành X =>

lưu giữ thông tin di truyền bền vững hơn

* Cấu trúc không gian

- Hai mạch song song, ngược chiều xoắn từ trái sang phải

- Liên kết các Nu trên 1 mạch: Liên kết hóa trị bền

- Liên kết các Nu giữa hai mạch: Liên kết hidro linh động theo NTBS

=> Chu kỳ xoắn, đường kính, chiều cao

* Vị trí ADN trong TB: TBNS – vùng nhân , platmit/TBNT – trong nhân, ty thể và lục lạp

* Sự hình thành mạch polinucleotit bằng liên kết phosphodiester

* Sự sắp xếp base, ribose và phosphate trong mạch nucleic acid

- Khung: mạch ribose và liên kết phosphodiester

- Đầu chứa gốc phosphate tự do: đầu 5’ phosphate (đầu 5’)

- Đầu chứa gốc 3’-hydroxyl tự do: đầu 3’-OH (đầu 3’)

- Các base gắn vuông gốc với mặt phẳng đường ribose

- Mạch nucleotic acid có tính định hướng

* Liên kết hydrogen giữa các cặp base purine-pyrimidine trong nucleic acid mạch kép

* Sự hình thành liên kết hidro theo nguyên tắc bổ sung trên hai mạch đơn của ADN

* Nguyên tắc bổ sung: 1 bazơ lớn liên kết với 1 bazơ yếu

- Liên kết H được hình thành khi có sự chênh lệch về mặt điện tích và khoảng cách đủ gần sẽ hình thành liên kết)

- Giữa T – A chỉ có 2 vị trí tương thích để hình thành liên kết hidro

- Giữa G – X có 3 vị trí tương thích để hình thành liên kết hidro

- Giữa G – T có 1 vị trí hình thành liên kết => không bền

- Giữa A – X không có vị trí hình thành liên kết hidro

=> CLTN giữ lại mối liên kết bền vững hơn

Như vậy: bazơ nitơ bình thường ở dạng : + Ceto (C=0)

+ amin (-NH2) Khi trở thành dạng bazo hiếm : + enol (-OH)

+ imin (=NH)

=> gây bắt cặp sai vì có vị trí hình thành liên kết hidro bị biến đổi

* Sự tồn tại AND ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

- Ở sinh vật nhân sơ: Dạng trần, vòng nhỏ

- Ở sinh vật nhân thực: ADN tồn tại trong cấu trúc NST nằm trong nhân là chủ yếu, số ít nằm trong tế

bào chất ở bào quan ty thể, lục lạp

III Gen

1 Khái niệm: Là đoạn phân tử AND mang thông tin mã hóa cho một sản phẩm xác định (ARN hoặc

chuỗi polipeptit) – Theo SGK cơ bản NXB Giáo dục tuy nhiên khái niệm này có nhiều điểm hạn chế

2 Phân loại:

a Gen cấu trúc: Gen mã hóa cho Pr đóng vai trò cấu trúc tế bào, cơ thể

- Cấu trúc của một gen cấu trúc gồm 3 vùng:

+ Vùng điều hòa: Mang thông tin điều hòa, khởi đầu phiên mã, nằm ở đầu 3’ của mạch gốc + Vùng mã hòa: Mang thông tin mã hóa aa, nằm giữa vùng điều hòa và vùng kết thúc

+ Vùng kết thúc: Mang tín hiệu kết thúc phiên mã, nằm ở đầu 5’ của mạch mã gốc

* Cấu trúc của vùng điều hòa:

+ UTR ở đầu 5’ trên mARN: Được tính từ nuclêôtit phiên mã đầu tiên đến bộ ba mở đầu dịch mã, giúp ARN của Riboxom nhận biết ra AUG mở đầu trong dịch mã;

+ UTR ở đầu 3’ trên mARN: Được tính từ bộ ba dừng dịch mã đến trình tự kết thúc phiên mã

Gen cấu trúc ở SVNT là gen phân mảnh (vùng mã hóa xen kẽ các đoạn Exon và đoạn Intron), gen cấu trúc ở SVNS vùng mã hóa chỉ gồm các đoạn exon (Gen không phân mảnh tích kiệm vật chất, năng lượng, tích kiệm VCDT => Kích thước thường nhỏ)

* Lưu ý: Vai trò của đoạn Exon, intron:

- Vai trò của Exon: Mang thông tin mã hóa aa, mỗi miền E quy định 1 miền cấu trúc của Protein

- Vai trò của Intron:

+ Intron làm hạn chế được tác động có hại của đột biến vì nếu đột biến thường là nguyên

khung xảy ra trong các vùng intron thì không ảnh hưởng đến thông tin di truyền => Đột biến dịch

khung trở thành trình tự mã hóa aa…

+ Nhờ intron mà một gen có thể mã hoá cho nhiều hơn một loại chuỗi polipeptit thông qua cơ chế cắt bỏ intron và nối exon trong quá trình tạo mARN trưởng thành, nhờ đó tiết kiệm thông tin di truyền => Thường là giữ nguyên như trật tự vốn có trên gen (đặc biệt là vị trí của Exon đầu và Exon cuối); ko nhất thiết khi nối phải đủ số lượng Exon

+ Các intron trong gen có thể thúc đẩy nhanh sự tiến hoá của các prôtêin nhờ quá trình xáo trộn exon

+ Các intron Intron tham gia cấu tạo các vùng đặc biệt như tâm động, đầu mút giúp tham gia

và các cơ chế hoạt động của NST => làm tăng xác suất trao đổi chéo giữa các exon thuộc các gen alen với nhau, nhờ đó có thể xuất hiện các tổ hợp có lợi

+ Tham gia tạo các vùng đặc biệt của NST: Tâm động, đầu mút…

+ Tham gia tạo vùng biên giữa các gen => Đột biến …

+ Một số intron chứa các trình tự tham gia điều hoạt động của gen => Đột biến …

* Cấu trúc của vùng kết thúc: Mang trình tự kết thúc phiên mã

- Mang trình tự đặc biệt (lặp lại đảo ngược), theo sau là 1 đoạn trình tự cặp A=T liên tục Khi ARN polimeraza phiên mã qua trình tự kết thúc đó, thì chính trình tự này ở phần đầu 3’ của ARN tự bắt đôi

bổ sung với trình tự khác liền kề tạo nên cấu trúc “cặp tóc”, theo sau là 1 đoạn poly U, sự hình thành cấu trúc cặp tóc làm ARN polimeraza dừng lại, đồng thời tại vị trí poly U các liên kết A = U rất yếu =>

dễ dàng bị cắt đứt, giải phóng ARN khỏi ADN

b Gen điều hòa: Gen mã hóa cho các loại protein là các yếu tố điều hoà biểu hiện của các gen khác

trong hệ gen

c Yếu tố di truyền vận động

- Có thể tạo ra các trình tự nuclêôtit giống nhau nằm rải rác trong hệ gen cung cấp các vị trí dễ xảy ra trao đổi chéo dẫn đến các đột biến tái cấu trúc nhiễm sắc thể, tái tổ hợp các exon có thể dẫn đến hình thành gen mới

- Có thể tạo ra trình tự nuclêôtit giống nhau nằm trên cùng một cặp nhiễm sắc thể tương đồng, cung cấp các vị trí dễ xảy ra trao đổi chéo không cân dẫn đến hiện tượng lặp gen sau đó nhờ các đột biến điểm phân hóa các bản sao để tạo ra gen mới

- Khi di chuyển có thể mang theo một hoặc một vài exon của gen nằm ở vùng lân cận đến cài vào 1 intron của một gen khác, tạo ra một tổ hợp exon mới có thể dẫn đến hình thành gen mới

- Khi di chuyển có thể gây ra các đột biến gen dẫn đến tạo ra các sản phẩm bất thường của gen hoặc gây sai sót trong biểu hiện của những gen nhất định (gen biểu hiện nhầm thời điểm, nhầm vị trí, hoặc biểu hiện quá mức khi chèn vào vùng điều hòa của gen)

- Có thể chuyển các gen bình thường từ vị trí này sang vị trí khác trong hệ gen ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen

d Gen giả: Là những gen cấu trúc giống như gen thực nhưng không được phiên mã (mất đặc tính biểu

hiện) hay trình tự bazơ của chúng có những sai sót làm cho chúng không có khả năng chứa những thông

tin sinh học hữu ích

- Cơ chế hình thành gen giả:

+ ĐB làm sai hỏng promoter

+ ĐB làm mất Promoter: do chuyển đoạn, do trao đổi chéo ko cân (lặp đoạn thiếu P)

+ Đột biến làm sai hỏng các trình tự điều hòa -> mất khả năng phiên dịch mã

+ Do quá trình phiên mã ngược từ mARN trong tế bào chất thành gen sau đó gen này xen cài vào nhiễm sắc thể → gen giả gia công

+ Hình thành do quá trình tái tổ hợp

+ Hình thành do vi rút đưa vào

+ Do quá trình dịch khung trong tái bản ADN dẫn đến lặp gen, sau đó phát sinh đột biến đặc biệt là đột biến ở promoter → gen giả

- Các trường hợp gen giả được biểu hiện:

+ Đột biến chuyển đoạn làm gắn promoter vào trình tự gen giả

+ Đột biến hồi biến promoter

- Vai trò của gen giả trong tiến hoá hệ gen: Gen giả không chịu áp lực chọn lọc nên dễ dàng tích luỹ đột biến và khi có cơ hội sẽ trở lại hoạt động và cung cấp nguyên liệu cho tiến hoá

e Gen nhảy:

* Các khái niệm gen khác:

- Gen giữ nhà: biểu hiện trong tất cả các tế bào của cơ thể, luôn biểu hiện ở mức ổn định (nếu ko có thì

TB sẽ ko tồn tại), là 1 chuẩn để so sánh mức độ biểu hiện của các gen khác (bản chất chính là gen cơ định mở)

- Gen tùy ý: biểu hiện khi cần thiết

- Gen cảm ứng: nó chỉ biểu hiện khi nhận sự cảm ứng của MT (VD gen beta galactosidaza ở ecoli…)

- Gen giả: Có cấu trúc của 1 gen hoàn chỉnh, mất đặc tính biểu hiện (ví dụ: mất promoter)

- Luxury gen: gen ít biểu hiện, chỉ biểu hiện ở 1 số TB thực hiện chức năng riêng biệt (chỉ biểu hiện trong các đk khắc nghiệt, giúp cơ thể vượt qua các trở ngại, vd gen chịu lưu huỳnh…)

IV QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI CỦA ADN

1 Nguyên tắc:

- Nguyên tắc bổ sung: Các Nu tự do nối với các Nu trên mạch khuôn theo cách A-T, G-X và ngược lại

=> Tạo mạch AND mới

- Nguyên tắc bán bảo toàn: ADN mới được tổng hợp có 1 mạch của AND mẹ và một mạch được tổng

hợp từ nguyên liệu môi trường Thí nghiệm minh họa sau đã chứng minh

2 Điều kiện của phản ứng tổng hợp DNA (sao chép)

- Cần khuôn mạch đơn

- Xúc tác bởi DNA polymerase

- Cần đoạn mồi (primer): đoạn RNA ngắn bổ sung với khuôn

- Cơ chất: dATP, dCTP, dTTP, dGTP (dNTP)

+ Mạch mới được tổng hợp bằng cách kéo dài mồi theo chiều 5’ – 3’: đầu 5’-phosphate của nuleotide mới được gắn vào đầu 3’OH của ribose trong oligonucleotide

+ Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester giữa 5’-phosphate và 3’OH

3 Hệ thống các enzim (Protein)

+ Các DnaA, DnaB, DnaC: Nhận ra điểm khởi đầu sao chép, phá vỡ tạm thời liên kết hidro

+ Gyraza: tháo xoắn và gỡ rối phân tử ADN

+ Helicaza: giãn xoắn, tách 2 mạch đơn ra khỏi nhau

+ SSB: bám mạch đơn, ngăn cản 2 mạch liên kết trở lại

+ ARN primaza: tổng hợp đoạn ARN mồi khoảng 5 – 10 nu

+ AND polymeraza I: cởi bỏ đoạn mồi, tổng hợp bù các đoạn AND tương ứng

+ AND polimeraza III: Xúc tác việc tổng hợp AND bắt đầu từ đầu 3’ của ARN mồi, đọc sửa mỗi nucleotit bổ sung để đảm bảo sự kết cặp giữa các base

+ enzim nối: ligaza – nối các đoạn Okazaki

+ Các ADN polimeraza khác đóng vai trò sửa chữa AND

* Lưu ý:

- ADN polimeraza I và pol III đều có hoạt tính cắt bỏ Nu theo chiều 3’-5’ => có vai trò trong sửa chữa

- ADN polimeraza I còn có hoạt tính cắt bỏ nu chiều 5’-3’=> cắt đoạn mồi

- Ngoài ra còn các pol khác (II, IV, V…) làm nhiệm vụ chính là sửa chữa

4 Đơn vị sao chép và điểm khởi đầu sao chép:

- Đơn vị sao chép: Đoạn ADN được tổng hợp kể từ điểm khởi đầu sao chép đến khi kết thúc (gặp đoạn

được tổng hợp từ các điểm khởi đầu sao chép liền kề) => đơn vị sao chép

- Điểm khởi đầu sao chép: Là vị trí nằm trong một đơn vị sao chép có bản chất là đoạn trình tự lặp giàu

A – T, dễ biến tính (đứt gãy liên kết Hidro)

5 Cơ chế sao chép ADN

5.1.1 Sao chép vật chất di truyền ở sinh vật nhân sơ

Ở sinh vật (SV) nhân sơ, vật chất di truyền có dạng phân tử ADN mạch kép, dạng vòng Quá trình sao chép diễn ra qua 3 giai đoạn:

a Giai đoạn khởi đầu sao chép:

- Sự sao chép được bắt đầu tại một trình tự đặc biệt trên ADN là điểm khời đầu sao chép – Ori, đây là trình tự nucleotit đặc hiệu cho các protein khởi đầu nhận biết và bám vào

- Giai đoạn này diễn ra sự tháo xoắn và tách mạch ADN để tạo thành 2 chạc sao chép chữ Y nhờ các

enzim và protein: Helicase phá vỡ liên kết hidro giữa 2 mạch, protein SSB căng mạch đơn và

Topoisomerase (như Gyrase) làm đứt gãy tạm thời các liên kết cộng hóa trị trên mạch đơn để tránh

hiện tượng các chạc sao chép bị vặn xoắn quá căng Kết quả làm 2 mạch ADN tách nhau và bộc lộ ra để làm khuôn cho việc tổng hợp mạch mới

- Trong giai đoạn này còn có một sự kiện quan trọng là việc tạo mồi (primer) là những đoạn ARN ngắn

nhờ enzim Primase Mồi sẽ tạo đầu 3’-OH tự do sẵn sàng cho ADN polymerase có thể sử dụng cho việc

trùng hợp chuỗi polinucleotit ở giai đoạn tiếp theo

Các Protein tham gia vào quá trình sao chép

b Giai đoạn tổng hợp mạch ADN mới:

- 2 mạch ADN sau khi tách nhau ra sẽ tạo thành bóng sao chép (hình 2, 3)

Enzim ADN polymerase III (viết tắt là ADN pol III) thực hiện việc tổng hợp mạch bằng cách

sử dụng các nucleotit dạng triphosphat (NTP) giàu năng lượng làm nguyên liệu, ADN polimeraza III xúc tác cho phản ứng tạo liên kết cộng hóa trị giữa các nucleotit Mạch mới được tổng hợp theo nguyên tắc bổ sung với mạch gốc và chỉ thực hiện theo chiều 5’-3’

Do ADN polimeraza III chỉ xúc tác cho phản ứng trùng hợp theo chiều 5’-3’ nên ở mỗi chạc sao chép có 1 mạch mới được tổng hợp liên tục, mạch còn lại được tổng hợp gián đoạn (mạch ra chậm) (hình 2) Ở mạch ra chậm, Primerase tổng hợp mồi rồi ADN polimeraza III tổng hợp từng đoạn ADN

ngắn (đoạn Okazaki), sau đó ADN pol I tiến hành loại bỏ mồi đồng thời tổng hợp ADN thay thế đoạn mồi Cuối cùng enzim Ligase sẽ xúc tác cho phản ứng gắn các đoạn Okazaki với nhau

Minh họa cơ chế kết hợp Nu tự do vào mạch khuôn để tổng hợp mạch AND mới

Minh họa cơ chế tổng hợp mạch AND mới trên hai mạch khuôn

(Tóm tắt quá trình tổng hợp ADN)

c Giai đoạn kết thúc

Do NST của vi khuẩn chỉ có 1 điểm

khởi đầu sao chép nên cả phân tử ADN tạo

thành một đơn vị sao chép thống nhất được

gọi là replicon, (hình 3), trong quá trình sao

chép, quan sát thấy ADN có dạng hình con

mắt (còn gọi là mắt sao chép) hay giống ký

hiệu θ nên kiểu sao chép này được gọi là kiểu

sao chép θ Khi 2 chạc tái bản gặp nhau sẽ

tạo thành 2 phân tử ADN con có trình tự

giống hệt ADN ban đầu, kết thúc quá trình tái

bản

(Sao chép dạng θ ở vi khuẩn)

* Lưu ý: Phức hệ sao chép AND không di chuyển dọc AND mà chuỗi AND chui qua phức hệ trong quá

trình sao chép: Các phức hệ sao chép kết nhóm với nhau thành các “nhà máy” và được cố định vào mạng lưới nhân, trong đó hai phân tử AND polymerase liên kết với hai mạch AND làm khuôn và mạch AND làm khuôn được kéo qua enzim giống như “guồng chỉ”, kết quả là hai phân tử AND con được hình thành

và đẩy ra ngoài

5.1.2 Sao chép vật chất di truyền ở sinh vật nhân thực

- Vật chất di truyền ở SV nhân thực là phân tử ADN mạch kép, dạng thẳng Cơ chế sao chép tương tự ở SVNS tuy nhiên có các điểm khác biệt cơ bản sau:

* Những điểm khác biệt cơ bản sau giữa nhân đôi AND ở SVNT với SVNS:

1 Các đoạn mồi và các đoạn okazaki ở nhân thực thường ngắn hơn ở nhân sơ

2 Hệ gen của nhân thực lớn hơn => Thời gian sao chép dài hơn

3 SVNT có nhiểu điểm khởi đầu sao chép còn SVNS chỉ có 1 điểm khởi đầu sao chép

4 Tốc độ sao chép ở nhân sơ nhanh hơn (850 nu/s; nhân thực: 60 – 90 nu/s)

5 SVNT có nhiều loại ADN polimeraza tham gia quá trình sao chép (ở người: khoảng 15 loại), SVNS ít loại ADN polimeraza hơn

6 Sao chép ADN chỉ xảy ra vào pha S của chu kỳ tế bào, trong nhân, dịch mã diễn ra ở TBC; Ở SVNS sao chép ADN diễn ra liên tục và đồng thời với phiên mã và dịch mã

7 Ở SVNS có sự cố đầu mút nghĩa là sau mỗi lần nhân đôi ADN bị ngắn đi => Tế bào lập trình

để chết

* Sao chép đầu mút của AND ở

SVNT

1 Nguyên nhân hiện tượng đầu

mút: Do cấu trúc mạch thẳng nên

mồi của đoạn Okazaki cuối cùng bị

loại bỏ nhưng không được thay thế

bằng ADN do ADN pol thiếu đầu

3’-OH tự do, vì vậy phân tử ADN có đầu

mút bị ngắn dần đi sau mỗi chu kỳ sao

chép (hình 5) Hiện tượng này chỉ có

ở SVNT mà không có ở SVNS vì

AND ở SVNS dạng vòng không có

đầu mút

2 Hậu quả:

- Kết quả là sau mỗi lần sao chép,

phân tử ADN sợi kép ngày càng ngắn

lại và có các đầu không bằng nhau

(còn gọi là đầu “so le”) => Mất gen,

mất VCDT

3 Cơ chế bảo đảm không mất gen do hiện tượng đầu mút

- Cơ chế đã bảo vệ các gen của các sinh vật nhân thực không mất đi sau các chu kì sao chép ADN nối tiếp nhau? Đó là do các phân tử ADN nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thực có các trình tự nuclêôtit đặc biệt tại các đầu tận cùng của chúng và được gọi là đầu mút nhiễm sắc thể Vùng đầu mút nhiễm sắc thể không chứa các gen; thay vào đó, nó thường chứa các trình tự nuclêôtit ngắn lặp lại nhiều lần Tại các đầu mút nhiễm sắc thể ở người, một trình tự ngắn gồm 6 nuclêôtit là TTAGGG thường lặp lại từ 100 đến 1.000 lần

- Các prôtêin đặc hiệu liên kết với ADN tại đầu mút có vai trò ngăn cản các đầu “so le” của phân tử ADN con không hoạt hóa các hệ thống theo dõi các sai hỏng ADN của tế bào (Các đầu “so le” của phân

tử ADN, nếu hình thành do sự đứt gãy sợi xoắn kép, thường là tín hiệu thúc đẩy sự dừng lại của chu kì

tế bào hoặc thúc đẩy dẫn đến con đường chết theo chương trình của tế bào)

- Enzim tổng hợp đầu mút được gọi là telomerase, đã xúc tác việc kéo dài đầu mút trong các tế bào

mầm sinh dục ở sinh vật nhân thực qua đó, bù đắp các nuclêôtit bị mất sau mỗi chu kì sao chép và phục hồi lại chiều dài ban đầu của các phân tử ADN Enzyme telomerase không hoạt động ở hầu hết các tế bào soma ở người, nhưng hoạt tính của nó trong các tế bào mầm sinh dục giúp đầu mút các nhiễm sắc thể ở hợp tử thường đạt được độ dài tối đa

4 Ý nghĩa của hiện tượng đầu mút

- Việc đầu mút của các nhiễm sắc thể ở tế bào soma thường ngắn đi sau mỗi lần phân bào cũng có thể giúp bảo vệ cơ thể khỏi sự phát sinh ung thư, bởi vì qua cơ chế này số lần phân bào của các tế bào soma

hạn chế, chẳng hạn như các dòng tế bào “bất tử” khi được đưa vào nuôi cấy invitro

5 Hoạt động của Enzim Telomeraza tổng hợp đầu mút

* Là phức hệ Protein – ARN (ở người, chứa 1 trình tự lặp lại liên tiếp AAUXXX) có khả năng nhận ra vùng giàu G ở đầu 3’

* Hoạt động:

- Gắn vào đầu mút của mạch ADN

- Sử dụng trình tự ARN của chính nó để tiến hành tổng hợp và kéo dài mạch khuôn về phía đầu 3’, nhiều đoạn TTAGGG lặp lại liên tiếp được tổng hợp

- Dựa trên mạch ADN làm khuôn đc kéo dài, ADN polimeraza lấp đầy các Nu còn thiếu ở phần đầu mút của mạch ADN mới chưa được sao chép trọn vẹn

(Cơ chế tổng hợp đoạn đầu mút AND nhờ enzim ADN telomeraza) 5.1.3 Sao chép vật chất di truyền ở Virus

a Vật chất di truyền là ADN mạch đơn, dạng vòng ở phage ϕX174

* Mạch ADN ban đầu là mạch ADN (+)

- Bước 1: Phiên mã thông tin di truyền trên mạch ADN (+) của virut thành dạng phân tử ADN sợi kép

(kí hiệu RF) mang 1 mạch ADN (+) và 1 mạch bổ sung là ADN (-)

- Bước 2: Sao chép phân tử ADN sợi kép RF nhiều lần để tăng lên về số lượng theo nguyên tắc sao chép

vòng lăn Như vậy từ 1 RF thu được nhiều RF con

- Bước 3: Tổng hợp mạch ADN (+) bằng việc sử dụng mạch ADN (-) trong phân tử RF làm khuôn thông

qua cơ chế vòng lăn

b Vật chất di truyền là ADN mạch kép, dạng thẳng ở phage Lamda (λ)

- VCDT dạng tự nhiên của virus là ADN mạch kép, dạng thẳng nhưng ở đầu 5’ của 2 mạch đơn có 12

nucleotit bổ sung với nhau (đầu dính hay đầu Cos) Khi lây nhiễm vào TB chủ, nhờ enzim Ligase gắn

2 đầu Cos lại với nhau tạo thành cấu trúc ADN mạch kép, dạng vòng

- Sử dụng cả 2 kiểu sao chép θ và vòng tròn lăn (hình 8):

+ Kiểu θ: tăng số lượng bản sao trong TB chủ và dùng làm khuôn tổng hợp protein vỏ

+ Kiểu vòng tròn lăn: tổng hợp ADN sau đó sẽ được dùng làm VCDT trong các hạt virus con

c Vật chất di truyền là ADN mạch kép, dạng thẳng ở Adeno virus

- Đây là loại virus ký sinh ở tế bào nhân thực

nên VCDT không tạo cấu trúc vòng Mặc dù

có cấu trúc ADN mạch kép, dạng thẳng

tương tự như ở TB nhân thực nhưng ADN

của virus không bị ngắn đi sau mỗi lần sao

chép, do chúng có cơ chế sao chép tương đối

đặc biệt như hình

- Ở đầu 5’ của mỗi mạch đơn ADN của virus

được gắn với phức TP-dC gồm protein TP

kết hợp với 1 nucleotit loại C (dC) ADN

polimeraza của virus nhận biết đúng genome

của virus nhờ cấu trúc này, đồng thời ADN

pol cũng bám vào phức tiền TP-dC

(pTP-dC), sử dụng phức này làm mồi cho quá

trình tổng hợp ADN liên tục từ đầu này đến

đầu kia trên phân tử ADN, kết quả tạo ra 2

phân tử ADN có gắn TP-dC ở 2 đầu 5’ của

2 mạch đơn và nhờ đó phân tử không bị ngắn

đi sau sao chép Sao chép ADN ở Adenovirus

c Vật chất di truyền là ARN mạch đơn, dạng thẳng ở virus khảm thuốc lá (TMV)

- Virus khảm thuốc lá (TMV) có VCDT là ARN mạch đơn, dạng thẳng, ký hiệu là sợi (+) Trên sợi này

mã hóa cho 4 gen, có trình tự mã hóa cho enzim replicase (một loại ARN pol), sau khi xâm nhập vào

TB chủ sẽ tổng hợp luôn enzim replicase

- Quá trình tổng hợp VCDT diễn ra tương đối đơn giản và nhanh gọn:

+ Enzim replicase sử dụng sợi ARN (+) trực tiếp làm khuôn tổng hợp ARN (-) theo nguyên tắc

bổ sung, không có cơ chế sửa chữa (hoặc hiệu quả thấp), theo theo kiểu liên tục 5’-3’, nhưng không tạo cấu trúc sợi kép mà 2 sợi tách rời nhau ra ngay

+ Sợi (-) sau đó được sử dụng làm khuôn tổng hợp sợi (+), tiếp tục như vậy

+ Protein vỏ của virus nhận biết một số trình tự đặc hiệu trên sợi (+) để đóng gói thành hạt virus hoàn chỉnh

Điều đáng chú ý là virus Ebola hiện nay có dạng vật chất di truyền và cách sao chép tương tự như TMV, chính vì vậy tốc độ gia tăng số lượng và biến đổi của virus này là rất nhanh

Sao chép trực tiếp ARN ở TMV

d Vật chất di truyền là ARN mạch đơn, dạng thẳng ở HIV

Giống nhiều retrovirus khác, vật chất di truyền của HIV là ARN mạch đơn, dạng thẳng, trong tế

bào chủ được nhân lên theo cơ chế phiên mã ngược nhờ enzim reverse transcriptase

Hệ gen của HIV

Hệ gen của HIV gồm 2 phân tử ARN liên kết đầu 5’ với nhau thông qua 1 phân tử tARN Chính tARN này sẽ đóng vai trò làm mồi cho quá trình sao chép

+ Gen gag mã hóa cho các protein cấu trúc nội bào của virut

+ Gen env mã hóa cho các protein vỏ

+ Gen pol mã hóa cho hai enzyme thiết yếu khác cần cho quá trình sao chép ARN của virut là

reverse transcriptase và integrase Ngoài ra còn một số gen khác

Quá trình phiên mã ngược có thể tóm tắt theo sơ đồ:

ARN mạch đơn → Phân tử lai cADN-ARN → cADN mạch kép

* Cơ chế sao chép ARN sợi đơn theo cơ chế phiên mã ngược (ở HIV)

- Bước 1: Enzim RT sử dụng 1 trong 2 bản sao của ARN làm mạch khuôn để tổng hợp nên mạch ADN

Diễn biến quá trình tương đối phức tạp và nhiều giai đoạn được chú thích đầy đủ trong hình

Như vậy, enzim reverse transcriptase của HIV thực chất là một enzim ADN pol nhưng có nhiều

tính chất độc đáo hơn các loại ADN pol thông thường

Phiên mã ngược tạo cADN trên khuôn ARN nhờ enzim reverse transcriptase

V QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ

1 ARN polimeraza:

- Nhận biết gen nào cần phiên mã, mạch nào là mạch gốc

- Có thể tách 2 mạch ADN của chuỗi xoắn kép và lắp ráp các nuclêôtit ARN dọc theo ADN làm khuôn dựa

trên nguyên tắc bắt cặp giữa các bazơ nuclêôtit

- ARN polymerase chỉ lắp ráp được các nuclêôtit vào chuỗi pôlinuclêôtit đang kéo dài theo chiều 5’ → 3’

- ARN polymerase có thể khởi đầu sự tổng hợp chuỗi pôlinuclêôtit ARN mà không cần đoạn mồi sẵn có

+ σ 32: Phiên mã trong điều kiện sốc nhiệt

+ σ 54: Phiên mã trong điều kiện thiếu nito

+ σ 23: Phiên mã trong điều kiện bị nhiễm phage

* Ở SV nhân thực: Có 3 loại I, II, III: ARN pol I làm nhiệm vụ tổng hợp rARN, ARN pol II: mARN;

ARN pol III: tARN

2 Yếu tố phiên mã: Bản chất là các protein giúp các ARN polimeraza nhân biết gen cần phiên mã, hòa

việc liên kết của ARN polymerase vào promoter và khởi đầu phiên mã của các gen

+ Ở SV nhân sơ : ARN pololimeraza phải tương tác với yếu tố , với các yếu tố  khác nhau, ARN polimeraza có thể nhận ra các promoter của các gen khác nhau cần được phiên mã

Tuy nhiên: Bản thân ARN polimeraza của sinh vật nhân sơ chứa một tiểu phần protein được gọi là yếu

tố sigma có khả năng nhận biết và tách ADN thành 2 mạch đơn để ARN khởi đầu phiên mã nên dường như coi ARN polymerase có thể trực tiếp nhận ra promoter và khởi đầu phiên mã mà không cần có sự trợ giúp của các protein riêng biệt là các yếu tố khởi đầu phiên mã như ở sinh vật nhân thực

+ Ở SV nhân thực: Các gen “muốn” được phiên mã thì Promoter của nó phải được liên kết với yếu tố

phiên mã TF nhất định => ARN polimeraza mới nhận ra và liên kết vào Promotor Sau đó phức hợp

TF – ARN pol phải được liên kết với các protein đặc hiệu nữa tạo nên phức hợp khởi đầu phiên mã thì quá trình phiên mã mới diễn ra

* So sánh vai trò của các yếu tố phiên mã chung và các yếu tố phiên mã đặc thù trong điều hòa biểu hiện của gen

- Các yếu tố phiên mã chung là thành phần tổ hợp nên các phức hệ khởi đầu phiên mã tại promoter của tất cả các gene

- Các yếu tố phiên mã đặc thù liên kết vào các trình tự điều khiển liên quan đến những gene đặc thù, và một khi ở trạng thái liên kết, chúng hoặc làm tăng (các yếu tố hoạt hóa ) hoặc làm giảm (các chất ức

chế) sự phiên mã của gene đó

d Trình tự cách ly

- Những protein liên kết vào trình tự cách ly sẽ kiểm soát hoạt động của các yếu tố tăng cường

- Khi nằm giữa 1 trình tự tăng cường và Promotor, các yếu tố cách ly sẽ ức chế sự hoạt hóa gen bởi các yếu tố tăng cường bằng cách ngăn cản sự tương tác của yếu tố tăng cường với Promotor

3 Cơ chế phiên mã

3.1 Ở sinh vật nhân sơ:

a Mở đầu:

- Yếu tố  giúp ARN polimeraza liên kết với vùng Promotor khởi đầu quá trình phiên mã

- ARN polymeraza: nhận biết và gắn lỏng lẻo vào trình tự hộp -35

- Hộp -10 tháo xoắn → sợi đơn ADN “mở" dưới dạng tự do, làm khuôn để sinh tổng hợp ARN

- 2 NTP đầu tiên liên kết bổ sung với mạch khuôn → liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester nhờ ARN polymerase và đầu 5’ của mARN được giải phóng

Vùng Promotor ở SVNS (Procaryota) và SVNT (Eucaryota)

* Ở E.coli, yếu tố σ70 được xem là dạng phổ biến,

bám vào vị trí liên ứng -35 (TTGACA) và -10

(TATAAT), thường cách nhau 1 khoảng từ 17-19

nucleotit Tác dụng kết dính qua 2 bước:

+ Bước 1: Liên kết lỏng lẻo ở vị trí -35,

promoter ở dạng phức hệ đóng

+ Bước 2: Liên kết chặt ở vị trí -10,

promoter ở dạng phức hệ mở

- Ở E.coli còn có yếu tố σ khác , đó là yếu tố σ thay

thế Ở trong điều kiện khắc nghiệt hoặc sốc nhiệt,

yếu tố σ32 sẽ nhận biết promoter ở vị trí -39

(CCCCCC) và vị trí -15 (TATAAAATA) Trong

điều kiện thiếu nitơ, yếu tố σ54 sẽ nhận biết

promoter ở vị trí -26 (GTGGC) và vị trí -14

(TTGGCA) Trong điều kiện bị phage xâm nhiễm,

yếu tố σ23 sẽ thay thế liên kết với promoter tại vị trí

-15

- Mức độ phiên mã của gen phụ thuộc nhiều vào sự

tương quan quan giữa ARN pol với promoter (Ví

dụ yếu tố UP liên kết với đầu N của tiểu đơn vị α

nhưng ở gen Gal chẳng hạn, sự tương thích lại phụ

thuộc vào vị trí -10 mở rộng)

* Như vậy: Trình tự giàu TATA là nơi được

sử dụng để khởi đầu hai quá trình nhân đôi và

phiên mã => Giả sử chiếu tia X gây nên sự thay

đổi trình tự ở hộp TATA trong vùng promoter của

một gen Hậu quả xảy ra với sự phiên mã của gen

đó sẽ có xu hướng như thế nào?

Trả lời: Yếu tố phiên mã sẽ không nhận ra hộp

TATA và mất khả năng đính kết, vì vậy ARN

polymeraza không dính kết được vào promoter và

sự phiên mã gen có thể không xảy ra