Bg di truyen hoc 2013 phan 1 7806

Các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng đóng vai trò là cầu nối bằng liên kết hoá trị trong sự hình thành các cao phân tử và các tổ hợp đa phân tử, chúng còn giữ vai trò là tác nhân hoạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VÕ TRƯỜNG TOẢN

PHẦN I: DI TRUYỀN TẾ BÀO HỌC

1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC - ÐỜI SỐNG CỦA TẾ BÀO

1.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO

Ngoài ra các nguyên tố khác như: K, Ca, Na, Fe, Mg, Cl, Si, Al cũng thường chiếm 0,05-1% trọng lượng khô của tế bào Lượng chứa của 14 nguyên tố nêu trên (nguyên tố đa lượng) đó tới 99,95% trọng lượng khô của

tế bào Bên cạnh đó, trong tế bào cũng chứa các nguyên tố vi lượng (Cu, Zn,

Co, B, Br…) và siêu vi lượng (I, Ni, Pb, Ag, Au, Ra, ) ≈ 0,1%

Các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng đóng vai trò là cầu nối (bằng liên kết hoá trị) trong sự hình thành các cao phân tử và các tổ hợp đa phân

tử, chúng còn giữ vai trò là tác nhân hoạt hoá các hệ enzym, điện hoá và thúc đẩy các quá trình trao đổi chất

Như vậy: C, H, O, N là 4 nguyên tố có nhiều trong khí quyển và vỏ trái

đất Sự sống thể hiện ở các mối quan hệ phức tạp giữa các nguyên tố thông thường và phổ biến đó

1.1.2 Thành phần hợp chất của chất nguyên sinh

Các hợp chất chứa trong tế bào được phân thành 2 nhóm lớn: Các hợp chất vô cơ và hữu cơ

Nồng độ các loại muối cần thiết cho sự sống luôn luôn ổn định Trong

tế bào muối có tác dụng tạo nên áp suất thẩm thấu liên quan đên sự thẩm thấu trong trao đổi chất của tế bào với môi trường

 Cỏc hợp chất hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ đều là những hợp chất của cacbon Nguyên tử C có thể tạo 4 liên kết cộng hoá trị và dễ dàng gắn với nhau thành mạch thẳng (có lúc phân nhánh) và tận cùng của chúng lại có thể tương tác với nhau tạo thành các mạch vòng

Các nhóm chất hữu cơ quan trọng nhất là protein, axit nucleic là những chất trùng phân cao phân tử Ngoài ra sacarit (gluxit), các polyphotphat, các chất có hoạt tính sinh học cao (vitamin, hormon, steroit ) cũng có vai trò quan trọng Thành phần hóa học của tế bào là cơ sở quan trọng nhất để xác định trạng thái của tế bào Nhờ đó ta có thể phân biệt được tế bào non với tế bào già, TB lành với tế bào bị bệnh

Ví dụ:: Nước chiếm khoảng 61%; các hợp chất hữu cơ 33%; các hợp

chất vô cơ 6% Tính trung bình, chất sống bao gồm 75-85% nước, 1,5% các chất vô cơ, 10-20% protein, 2-3% lipit, 1% xacarit và 1,5% các chất hữu cơ khác Nước là thành phần chiếm nhiều nhất trong tế bào và protein là thành phần chủ yếu trong số các hợp chất hữu cơ (chiếm gần 2/3 chất khô của chất nguyên sinh)

Thành phần hóa học chất sống của tế bào và của toàn bộ cơ thể thường khác biệt nhau nhiều do trong cơ thể thường chứa các tổ chức vô bào (các loại dịch), các thể vùi (hạt tinh bột, hạt alơzon, giọt dầu, hạt glycozen ) và các sản phẩm thứ cấp trong các mô phân hóa của thực vật (lignin, cutin, sáp, lib e, ) và của động vật (kitin, xương, sụn, lông, )

Bởi vậy, để nghiên cứu thành phần hóa học của tế bào, người ta thường dùng các huyền phù tế bào tự nhiên như tế bào hồng cầu, hoặc các tế bào được tách ra khỏi mô và phá vỡ bằng các máy vi thao tác

Thành phần hóa học giữa các loại tế bào trong cơ thể đa bào có sự khác biệt căn bản ở các điểm: hàm lượng các nguyên tố trong tế bào; có những chất đặc trưng cho từng loại tế bào để phù hợp với chức năng mà nó đảm nhiệm

Ví dụ: tế bào cơ, gan, thần kinh và tế bào tiết

nó

Ví dụ: Nước có hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, nhưng căn

cứ vào tính chất hóa học của mình, nước hoàn toàn không giống với hydro

và oxy

1.2 ÐỜI SỐNG CỦA TẾ BÀO

1.2.1 Sự chết của tế bào có chương trình

Sự sống và cái chết đi chung với nhau như hai mặt của cùng một đồng

thấy rằng đã có sự sống ăt hẳng sẽ phải có cái chết và ngược lại Các tế bào

có thể chết vì già, vì khiếm khuyết, vì thừa so với nhu cầu của mô hay vì chúng gây ra vài hư hại Điều chắc chắn là tất cả tế bào thật sự được lập trình để chết Nhưng các tế bào sống được là nhờ một loạt những tín hiệu ngăn cản chúng thực hiện các chương trình chết của mình Kết quả là, các tế bào sống sót, tăng sinh, biệt hoá, và thực hiện những chức năng của chúng Các tín hiệu ngăn cản chương trình chết này có thể là các tín hiệu nội bào hay ngoại bào Khi các tín hiệu này không được phát ra hay có một tín hiệu khác mạnh hơn nó được hoạt hóa, tế bào sẽ đi vào chu trình chết của chúng Trong trường hợp này, sự sống là bất cứ điều gì mà không có cái chết

Điều này dẫn đến việc tế bào sinh ra rồi lại chết đi và có chết đi mới

có tế bào tiếp tục được sinh trưởng và phát triển, cứ tiếp tục như thế cho đến hết cuộc đời hay nói khác hơn chết có chu trình đóng một vai trò chủ chốt trong việc phát triển và tăng trưởng của những sinh vật phức tạp Một lượng lớn các tế bào chết trong quá trình phát triển của phôi, ví dụ trong giai đoạn tạo tác hình thành các cơ quan Trong cuộc đời của các sinh vật trưởng thành, các tế bào chết đi với một số lượng lớn đối trọng với sự phân chia tế bào để: (1) cung cấp cho cơ thể những tế bào cần cho những giai đoạn khác nhau, (2) để diệt những tế bào già, hư hại hoặc gây hại trong tổng số tế bào hằng định nội môi Sự mất cân bằng giữa sự phân chia tế bào và sự chết tế bào dẫn đến những bất thường về phát triển, những bệnh thoái hoá hay những biến đổi tân sinh

1.2.2 Những cách thức tế bào chết đi

 Sự hoại tử

Tác nhân gây bệnh là chấn thương nghiêm trọng như: bỏng, đứt hay

đè nén, có thể gây chết tế bào hoại tử Trong cái chết hoại tử này, tình trạng stress quá mức gây nên tình trạng sinh hóa không tương thích với sự tồn tại bình thường của tế bào

Trong trường hợp này, những khối các tế bào trong mô bị sưng phù

và sau khi nghiên cứu người ta nhận thấy rằng các khối tế bào bào này không còn tồn tại hoạt động chuyển hóa ADN nhân ngưng tụ tập trung nhiều nhất ở rìa nhân và các thành phần tế bào bắt đầu phân hủy nhanh chóng và không kiểm soát được Những chất quan trọng nội bào nhanh chóng rò rỉ ra khỏi tế bào, kích hoạt tình trạng viêm nhờ tế bào của hệ miễn dịch bẩm sinh Những bằng chứng gần đây cho thấy rằng đáp ứng viêm được khởi phát bằng cách phóng thích một phổ đầy đủ của các phân tử được gọi chung là alarmins, mà cụ thể danh tính vẫn còn chưa được xác định chính xác Đặc điểm chung của chúng là khả năng hoạt hóa các thụ thể nhận dạng đại thực bào, tế bào đuôi gai và các tế bào diệt tự nhiên Qua

đo các alarmins này sẽ giúp các tế bào của hệ miễn dịch kích hoạt được tế bào T và bắt đầu đáp ứng miễn dịch, để ngăn chặn nhiễm trùng và loại bỏ tế bào ở các mô đang bị viêm.Tại thời điểm này, các mảnh vỡ tế bào bị nhấn chìm và được loại bỏ bởi các đại thực bào

Nét cơ bản là sự phá hủy màng bào tương phóng thích tất cả thành phần của tế bào ở hoại tử, điều này có thể khởi phát tiến trình viêm lan rộng Trong apoptosis, màng bào tương nguyên vẹn của các thể apoptosis hầu như

sẽ bị thực bào êm đềm không khởi phát tiến trình viêm

 Apoptosis

Quá trình thứ hai của cái chết được đặt ra là apoptosis (trong tiếng

Hy Lạp có nghĩa là sự rụng lá cây cối) Năm 1972, một kiểu chết tế bào mới được định nghĩa đã được xác định bởi Kerr, Wyllie, và Currie.Ban đầu kiểu chết này được xem như không thoái hóa trong tự nhiên nhưng sau đó một bài nghiên cứu ấn tượng sau đó đã chứng minh điều ngược lại Apoptosis là khôngchỉ là một quá trình hoạt động theo thứ tự, mà nó còn là một quá trình yên lặng bằng cách tháo dỡ các tế bào nhưng không lan truyền bừa bãi đến các tế bào xung quanh Ở cấp độ tế bào, quá trình này đặc trưng bởi một sự khởi phát làm thủng các tế bào và sau đó phá vỡ những mối liên hệ tế bào-tế bào Các tế bào co tròn lại và màng nội bào và các bào quan cô đặc lại nhiều hơn trong tế bào chất, sau đó chúng sẽ tối hơn

Hình 2: tiến trình Apoptosis

Đáng chú ý là ở thời kì muộn của quá trình, các bào quan vẫn còn nguyên vẹn và bình thường, cho thấy hoạt động chuyển hóa vẫn còn quan trọng đối với tế bào trong thời gian đầu Các thành phần tế bào chất không

bị rò rỉ khỏi tế bào, vì vậy đáp ứng viêm không được tạo ra Trong nhân, chất nhiễm sắc cô đặc tối đa và thường tạo ra các phần hình lưỡi liềm bao quanh màng nhân hoặc pycnosis Sự kiện rất đặc biệt này không nhìn thấy trong bất kỳ trường hợp nào khác Endonucleases tách một cách chính xác ADN giữa các nucleosome, cho ra những mảnh vỡ của 180 (hay nhiều hơn) đôi base Mặc dù ít được chú ý hơn, những mạng lưới nội bào khác như Golgi, lưới nội chất và ty thể cũng bị phân mảnh đáng kể Trong khi quá trình phân cắt DNA tiếp tục, nhân bắt đầu vỡ thành từng mảnh và tế bào tương tự cũng chia tách thành một số mảnh nhỏ còn nguyên vẹn hoặc các thể apoptosis không bắt màu thuốc nhuộm Sau đó xảy ra sự thực bào, một quá trình trong đó các đại thực bào di cư hay các tế bào biểu mô khoẻ mạnh xung quanh nuốt các mảnh vỡ của tế bào Sự kiện này đặc biệt đáng chú ý là

ở trạng thái bình thường các thực bào này tham gia trong việc nhận và loại

bỏ vật lạ hoặc các thực thể “không phải của bản thân” Kết quả là, các thể apoptosis gắn vào một túi được bao bọc bởi màng trong một tế bào gọi là thể thực bào Cuối cùng, tế bào chủ hay thể thực bào và chất chứa của nó dần dần bị suy thoái, và trong nhiều trường hợp, một tế bào mới thay thế tế bào cũ trong một vài giờ

Trong một số hệ thống tế bào, đặc biệt là trong nuôi cấy tế bào (in vitro), apoptosis không xảy ra với đầy đủ các bước và theo đúng trình tự thời gian như ở trên Lưu ý, sự cô đặc nhiễm sắc chất thành quả bóng đặc hình cầu tại một đầu của nhân không phải là bất thường Trái lại, khi nuôi cấy trong ống nghiệm (in vitro), các tế bào trải qua quá trình apoptosis bị mất một phần màng plasma Trong trường hợp không có đại thực bào, các tín hiệu apoptosis có vai trò thúc đẩy sự tự loại bỏ nhanh chóng bởi sự vắng mặt các đại thực bào nhận diện sự bất thường (ví dụ như sự ngoại bào hoá phosphatidylserine từ lớp trong ra lớp ngoài trên màng bào tương của

chúng) không thể xảy ra In vivo, sự nhận diện này loại bỏ hiện tương viêm

và khởi động phản ứng đông máu

Hình 3: Scramblase hoán vị phosphatidyl serine từ lớp lipid trong ra lớp

lipid ngoài, macrophage có thể nhận diện sự bất thường này, ngoài ra PS còn có thể tương tác với Annexin V (AV) và là vị trí gắn kết với phức hợp prothrombinase factor Xa,Va &II (ngăn chận tiến trình đông máu in vivo)

2 NHIỄM SẮC THỂ VÀ ĐỘT BIẾN NHIỄM SẮC THỂ

2.1 NHIỄM SẮC THỂ

- Hình thái NST: Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành hai vai với

chiều dài khác nhau Theo qui ước chung, vai ngắn hơn gọi là vai p và vai dài hơn gọi là vai q

Dựa vào vị trí tâm động người ta phân biệt:

+ NST tâm giữa: tâm động nằm giữa NST, hai vai dài bằng nhau

+ NST tâm lệch: tâm động nằm lệch về một phía, hai vai không bằng nhau + NST tâm đầu: tâm động nằm gần cuối NST

+ NST tâm mút: tâm động nằm ở đầu mút NST

Hình 4: Hình thái của NST ở tế bào chân hạch

- Số lượng NST: Trong các tế bào dinh dưỡng, các NST thường tồn tại

thành từng cặp, gọi là cặp NST tương đồng, trong đó một chiếc là của

mẹ một chiếc là của cha, mỗi chiếc mang cùng một số gen phân bố theo cùng thứ tự Vì vậy số lượng NST trong mỗi tế bào luôn là bội số của 2

và được gọi là lưỡng bội (2n) Trong tế bào giao tử (tinh trùng hoặc noãn), mỗi cặp NST tương đồng chỉ còn lại một chiếc, do đó số lượng NST trong mỗi giao tử là đơn bội (n)

- Cấu trúc NST:

• Ở tế bào chưa phân chia, khi quan sát dưới kính hiển vi quang học, người ta chỉ thấy các chất nhiễm sắc (chromatin) nằm trong nhân có dạng hạt bắt màu sậm

• Khi nhiễm sắc thể được thành lập, ADN quấn quanh 8 phân tử histone : H2A, H2B, H3 và H4 (mỗi loại gồm 2 phân tử) tạo nên một cấu

trúc gọi là Nucleosome Các nucleosomes nối với nhau nhờ ADN nối

với histone H1 tạo thành sợi cơ bản có đường kính 100Å

• Sợi cơ bản tiếp tục xoắn tạo thành sợi nhiễm sắc (solenoid) có đường kính 300Å Vòng xoắn được ổn định nhờ histone H1

• Sợi NS tiếp tục cuộn lại và được liên kết bởi các protein scaffold tạo thành một ống rỗng có đường kính 2400Å Ống tiếp tục cuộn xoắn tạo thành chromatit

Hình 5: Cấu trúc NST 2.2 ĐỘT BIẾN NHIỄM SẮC THỂ

Đột biến nhiễm sắc thể (NST) là sự biến đổi về cấu trúc hoặc số lượng NST Đột biến có thể xảy ra ở một cặp NST nào đó hoặc ở toàn bộ các cặp NST Loại đột biến này phát sinh có thể là do các tác nhân mạnh trong ngoại cảnh (tia phóng xạ, hóa chất, sự biến đổi đột ngột của nhiệt độ) hoặc những rối loạn trong quá trình trao đổi chất nội bào, dẫn đến sự phân li không bình thường của các cặp NST

Nếu trong quá trình phát sinh giao tử, một cặp NST nào đó không phân li sẽ tạo giao tử có hai NST cùng cặp, qua thụ tinh sẽ hình thành hợp tử

có 3 NST Nếu trong quá trình nguyên phân thoi vô sắc không hình thành, tất cả các cặp NST không phân li sẽ tạo thành tế bào 4n Trường hợp bộ NST trong tế bào sinh dưỡng tăng lên thành một bội số của n (nhiều hơn 2n) được gọi chung là thể đa bội Tế bào đa bội có lượng ADN tăng gấp bội,

quá trình tổng hợp các chất hữu cơ diễn ra mạnh mẽ, do đó kích thước tế bào lớn hơn Cơ thể đa bội thường có cơ quan sinh dưỡng to, phát triển khỏe chống chịu tốt Hiện tượng đa bội khá phổ biến ở thực vật và đã được ứng dụng có hiệu quả trong chọn giống cây trồng Đột biến cấu trúc NST có các dạng: mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn có thể quan sát dưới kính hiển vi quang học

2.2.1 Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể

 Khái niệm

Là những biến đổi về cấu trúc của NST do nhiều nguyên nhân

 Nguyên nhân và cơ chế phát sinh

- Nguyên nhân: Tương tự như đột biến gen

- Cơ chế phát sinh: Do các tác nhân đã làm cho NST bị đứt gãy hoặc ảnh hưởng đến quá trình tự nhân đôi của NST, ảnh hưởng đến sự tiếp hợp và trao đổi chéo giưũa các crômtit

 Các dạng và hậu quả

+ Mất đoạn:

- NST bị mất một đoạn không chứa tâm động, đoạn mất nằm ở đầu mút một cánh hoặc khoảng giữa đầu mút và tâm động

- Thường gây chết hoặc làm giảm sức sống của sinh vật

- Ở người mất đoạn NST số 21 gây bệnh ung thư máu

- Đoạn đảo có thể có hoặc không có tâm động

- Ít ảnh hưởng đến sức sống của cá thể, góp phần làm tăng cường sự sai khác giữa các NST tương ứng thuộc cùng một loài

+ Chuyển đoạn:

- Có thể diễn ra trong cùng một NST hoặc giữa 2 NST không tương đồng (gồm chuyển đoạn tương hỗ và chuyển đoạn không tương hỗ)

- Chuyển đoạn dẫn đến sự phân bố lại gen giữa các NST khác nhau

- Chuyển đoạn lớn có thể gây chết hoặc mất khả năng sinh sản, chuyển đoạn nhỏ khá phổ biến (ở thực vật)

3.2.2 Đột biến số lượng nhiễm sắc thể

 Khái niệm

Là sự biến đổi số lượng ở một hay một số cặp NST (tạo nên thể dị bội) hoặc ở toàn bộ các cặp NST (tạo nên thể đa bội)

 Nguyên nhân và cơ chế phát sinh

- Nguyên nhân: Giống đột biến gen

- Cơ chế phát sinh: Do các tác nhân gây đột biến đã gây ảnh hưởng đến sự phân li của cặp NST ở kì sau của phân bào

 Cơ chế biểu hiện và hậu quả

+ Trong quá trình giảm phân hình thành giao tử, thoi tơ vô sắc không được hình thành hoặc hình thành nhưng bị đứt dẫn đến một hoặc 1 vài NST nhân

đôi nhưng không phân ly ở lần giảm phân I, tạo ra giao tử dị bội

+ Trong quá trình thụ tinh, các giao tử này kết hợp với nhau hoặc kết hợp với giao tử bình thường tạo ra các dạng dị bội

P : 2n x 2n

Giao tử: n +1 ; n - 1 n

Con lai: 2n + 1 ; 2n - 1

Vớ dụ: Sự không phân ly của cặp NST 21 ở người sẽ gây hội chứng

Đao ở cơ thể người mẹ, giảm phân bị rối loạn đã tạo loại giao tử cái mang 2 NST 21, qua thụ tinh sẽ tạo hợp tử 3 NST 21 Người con mang 3 NST 21 có những triệu chứng: cổ ngắn, mắt một mớ, hai mắt cỏch xa nhau, lưỡi dài, ngún tay ngắn, si đần, vụ sinh

* Thể đa bội:

- Là hiện tượng bộ NST tăng lên theo bội số của n

- Thường gặp 2 dạng: thể đa bội chẵn (4n, 6n, 8n…) và đa bội lẻ (3n, 5n,7n…)

- Cơ chế: Trong quá trình giảm phân hình thành giao tử, do tác động của các tác nhân gây đột biến, làm cho thoi vô sắc không được hình thành hoặc hình thành nhưng bị đứt dẫn đến NST nhân đôi nhưng không phân ly, tạo ra giao

tử 2n Trong quá trình thụ tinh, các giao tử này kết hợp với nhau hoặc kết hợp với giao tử bình thường tạo ra cỏc loại đa bội

P : 2n x 2n P : 2n x 2n

Giao tử: 2n n Giao tử: 2n 2n

Con lai: 3n Con lai: 4n

PHẦN II: DI TRUYỀN PHÂN TỬ CHƯƠNG I: AXIT NUCLEIC

Quá trình sống được điều khiển bằng sự truyền thông tin chi tiết và chính xác ADN chứa tất cả thông tin cần thiết để xây dựng và điều hành hoạt động cơ thể, làm cho từ một tế bào chưa chuyên hóa trở thành mô và

cơ quan, trong đó các tế bào được chuyên hóa tùy theo chức năng

Sự truyền đạt thông tin di truyền diễn ra theo hai hướng Một là các thông tin trong ADN được dùng để xây dựng tế bào và điều khiển các phản ứng sinh hóa Hai là bộ thông tin nầy được nhân đôi và được chuyển vào mỗi tế bào con: hoặc tế bào dinh dưỡng hoặc tế bào sinh dục (tinh trùng và trứng) Như vậy chính thông tin nầy làm cho sự sống nối tiếp nhau trong đời sống của sinh vật và từ thế hệ nầy sang thế hệ khác

Ngày nay chúng ta biết rằng gen là các trình tự của ADN mã hóa cho protein Các gen được xếp thành hàng trên một hoặc nhiều nhiễm sắc thể, tập hợp lại gọi là bộ gen (genome) Trong chương nầy, chúng ta sẽ bắt đầu

từ cấu trúc của ADN, sau đó khảo sát quá trình nhân đôi của nhiễm sắc thể, gọi là sự sao chép (replication) Quá trình nầy bao gồm cả sự tự sữa chửa những khuyết điểm sao chép, làm cho mỗi tế bào con được tạo thành trong

sự phân bào nhận được một bản sao của mỗi nhiễm sắc thể (và cũng là nguyên bộ gen) từ tế bào bố mẹ

1 BẢN CHẤT CỦA VẬT LIỆU DI TRUYỀN

1.1 THÀNH PHẦN CỦA NHIỄM SẮC THỂ

Năm 1868 F Miescher (nhà sinh hóa học Thụy Sĩ) nhận thấy khi dùng pepsin để phân hủy các protein trong tế bào thì nhân tế bào bị co lại nhưng vẫn còn nguyên vẹn Tiếp tục thí nghiệm với nhân nầy (đã xử lý men tiêu hóa pepsin) bằng cách dùng nhiều loại thuốc thử khác nhau thì thấy nó phản ứng không giống như protein và phát hiện nó có chứa P ngoài các nguyên tố C, H, O, N cấu tạo protein Như vậy, những kết quả nầy cho thấy

nhân chứa một lượng lớn vừa là protein vừa là hợp chất không phải protein Miescher gọi hợp chất không phải protein nầy là nuclein, về sau được đặt tên là acid nhân (nucleic acid) Các nghiên cứu sau nầy cho thấy, acid nhân không chỉ có trong nhân tế bào mà còn có cả trong tế bào chất Loại acid nhân do Miescher phát hiện là ADN (Deoxyribonucleic Acid)

Năm 1914 R Feulgen (nhà hóa học người Ðức) tìm ra phương pháp nhuộm nuclein bằng phẩm crimson sáng (brilliant crimson) Mười năm sau Feulgen áp dụng phương pháp nầy nhuộm cả tế bào thì thấy rằng ADN của nhân có ở nhiễm sắc thể Từ đó phương pháp Feulgen được dùng để xác định lượng ADN trong nhân của nhiều loại tế bào Nhờ đó các nghiên cứu

đã chứng minh rằng tất cả các tế bào dinh dưỡng của một cá thể có cùng một lượng ADN dù đó là tế bào của những mô khác nhau như gan, thận, tim, cơ trong khi những chất khác hơn ADN có số lượng thay đổi rất lớn Sau đó người ta cũng khám phá ra tế bào trứng và tinh trùng chỉ có 1/2 lượng ADN so với tế bào dinh dưỡng Các khám phá nầy đã đưa đến nhận định rằng ADN là chất liệu chính của gen Thật ra thì nhiễm sắc thể chứa cả protein và ADN và do cơ cấu hóa học của protein rất phức tạp nên nhiều người nghĩ rằng chỉ có protein mới đủ sức mã hóa cho mọi thông tin di truyền ở sinh vật

1 2 ADN LÀ VẬT LIỆU DI TRUYỀN

1.2.1 Thí nghiệm của Griffith

Năm 1928 F Griffith (nhà vi sinh vật y học người Anh) tiến hành các thí nghiệm với vi khuẩn Pneumococci gây bệnh sưng phổi (pneumonia) Ông thí nghiệm trên chuột để tìm hiểu ảnh hưởng của hai chủng gây bệnh và không gây bệnh

- Chủng gây bệnh: có vỏ bao bằng đường đa, tạo khuẩn lạc láng (smooth) nên được ký hiệu là chủng S

- Chủng không gây bệnh: không có vỏ bao, tạo khuẩn lạc sần (rough) nên được ký hiệu là chủng R

Griffith nghiên cứu ảnh hưởng của 2 chủng này khi tiêm chúng vào chuột Kết quả là:

- Chuột được tiêm chủng R sống (chuột còn sống)

- Chuột được tiêm chủng S sống (chuột bị chết)

- Chuột được tiêm chủng S chết (do xử lý nhiệt) (chuột còn sống)

- Chuột được tiêm chủng S chết + chủng R sống (chuột bị chết) Kết quả thật khó hiểu! Làm thế nào một hỗn hợp của một chủng không gây bệnh với một chủng gây bệnh đã chết lại làm chết chuột? Griffith khảo sát các cơ thể chuột chết và phát hiện thấy chúng chứa đầy chủng S còn sống! Chủng nầy đến từ đâu ? Griffith cẩn thận lặp lại nhiều thí nghiệm

và đi đến kết luận là bằng cách nào đó chủng R sống đã biến đổi thành chủng S sống với nguyên liệu của tế bào chủng S chết Ðem cấy chủng S nầy (đã biến đổi) chúng phát triển thành chủng S mới Như vậy, có thể giả định rằng vật liệu di truyền từ chủng S chết đã thâm nhập vào chủng R sống (không gây bệnh) và biến đổi chúng thành chủng S gây bệnh Hiện tượng nầy về sau được gọi là sự biến nạp (transformation)

Năm 1931 một số tác giả khác đã cho thấy rằng sự biến nạp vi khuẩn không chỉ xảy ra trong cơ thể chuột mà còn thực hiện được trong ống nghiệm Hai năm sau J L Alloway (viện Rockefeller) đã chứng minh rằng trong ống nghiệm, tế bào của chủng R sống có thể bị biến nạp thành chủng

S bởi một chất trích từ chủng S Như vậy, rõ ràng các đặc tính di truyền của chủng gây bệnh đã được chuyển sang chủng không gây bệnh bằng một số chất không bị ảnh hưởng bởi xử lý nhiệt và sự ly trích tế bào (hóa học, cơ học )

Ðến năm 1944 O.T Avery, C MacLeod và M McCarty (viện Rockefeller) bằng kỹ thuật tinh khiết hóa ADN đã chứng minh rằng tác nhân gây ra sự biến nạp là ADN

Kết quả nầy là một bằng chứng rạch ròi rằng không phải protein hay một phức hệ nucleo-protein mà chính ADN mới là vật liệu di truyền Tuy nhiên ở thời điểm đó điều nầy vẫn chưa thuyết phục được nhiều nhà sinh học Họ cho rằng ADN của chủng gây bệnh có lẽ hoạt hóa gen tổng hợp protein của chủng không gây bệnh

1.2.2 Thí nghiệm của Hershey và Chase

Trong suốt 10 năm kế tiếp có ít nhất 30 thí nghiệm khác nhau về sự biến nạp vi khuẩn bằng ADN tinh khiết đã được mô tả Nhưng bằng chứng vững vàng lại đến từ phòng thí nghiệm di truyền Carnegie với những nghiên cứu của A.D Hershey và M Chase (1952) trên một loại siêu khuẩn tấn công vi khuẩn Escherichia coli (E.coli) Loại siêu khuẩn nầy được gọi là thực khuẩn (bacteriophage), gọi tắt là phage (có nghĩa là ăn)

Thực khuẩn là những ký sinh cực nhỏ nhưng chúng bắt buộc bộ máy

tế bào của ký chủ sản sinh ra gen của chúng Chúng có cấu tạo đơn giản gồm một lớp vỏ protein và một lõi acid nhân Lớp vỏ protein của chúng được chia thành vùng đầu (chứa vật liệu di truyền) và vùng đuôi dài bao gồm 1 lõi rỗng, 1 bao và 6 sợi tận cùng (Hình 1)

Hình 6: Cơ cấu của một thực khuẩn

Khi 1 phage tấn công một tế bào vi khuẩn, nó bám vào vách tế bào vi khuẩn bằng đầu mút của các sợi và đế Sợi đuôi và đế chứa một protein gắn vào một thành phần đặc biệt của vách Sau 1 giờ các phage mới xuất hiện bên trong vi khuẩn Ở một thời điểm thích hợp, phage hoạt hóa gen mã hóa enzim tiêu hóa gọi là lysozim và các enzim khác Kết quả là tế bào vi khuẩn

vở ra, giải phóng hàng chục đến hàng trăm phage mới vào môi trường chung quanh Các phage mới nầy đều có cấu trúc di truyền giống như phage ban đầu Như vậy vật liệu di truyền phải được tiêm vào tế bào vi khuẩn khi phage bám vào vách tế bào và chính vật liệu nầy điều khiển bộ máy biến dưỡng của vi khuẩn sản xuất các gen cho phage mới cũng như protein cần thiết cho vỏ phage và các enzim ngăn cản sự tổng hợp protein cho vật chủ

và khi đúng lúc tiêu hủy tế bào vi khuẩn

Hershey và Chase bố trí một thí nghiệm để xác định xem phage chỉ tiêm vào vi khuẩn ADN hay protein hoặc cả hai Chúng ta biết rằng ADN

có chứa P mà không có S còn protein thì ngược lại nên có thể phân biệt ADN và protein khi dùng chất đồng vị phóng xạ của P và S

Ðó là P32 và S35 (Dùng chất đồng vị phóng xạ để theo dõi một chất nào đó trong quá trình sinh học, gọi là sự đánh dấu)

Thí nghiệm như sau:

Cho nhiễm phage vào vi khuẩn nuôi trên môi trường có P32 và S35 Phage mới (trong vi khuẩn) có S35 ở protein và P32 ở ADN

- Lắc và sau đó ly tâm để tách rời vỏ của phage và vi khuẩn bị nhiễm

Kết quả cho thấy phần lỏng sau ly tâm chứa một lượng lớn S35 và một

ít P32 Ðó là vỏ protein của siêu khuẩn bỏ lại ngoài vách tế bào vi khuẩn, còn phần cặn có chứa một lượng lớn P32và một ít S35 Ðiều này chứng tỏ chỉ có ADN của phage được đưa vào trong tế bào vi khuẩn Phage mới được sản xuất trong vi khuẩn nên chỉ ADN của phage đã đủ sức truyền mọi thông tin cần thiết để vi khuẩn tạo ra phage mới

Tóm lại thí nghiệm nầy là một bằng chứng mạnh mẽ hổ trợ cho các

kết luận trước đó về sự biến nạp: chính acid nhân (chứ không phải protein)

là vật liệu di truyền

2 CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA ADN

2.1 CẤU TRÚC HÓA HỌC CỦA ADN

Phân tử ADN gồm những đơn vị gọi là nucleotid Mỗi nucleotid gồm

1 phân tử đường 5C, 1 nhóm phosphat và 1 bazơ có N Theo qui ước, 5 carbon của đường được đánh số từ 1 đến 5

Có 4 loại nucleotid khác nhau bởi các bazơ N Hai bazơ Adenin và Guanin là các purin, có cấu trúc vòng đôi, còn Timin và Cytosin là các pyrimidin có cấu trúc vòng đơn

PURIN PYRIMIDIN

Hình 7: Công thức cấu tạo của 4 loại nucleotide

Trong phân tử ADN các nucleotid được sắp xếp theo một trình tự đặc biệt: các phân tử đường nối với nhau bởi các nhóm phosphat liên kết với C3 của đường nầy và với C5 của đường kế tiếp thành chuỗi, các bazo N được sắp xếp phía ngoài chuỗi

Phân tử ADN thường gồm 2 sợi được nối với nhau bằng liên kết hydro giữa các bazo (cơ cấu bậc thang) Những liên kết nầy chỉ xảy ra giữa cytosin và guanin hoặc giữa timin và adenin Do vậy, trình tự của các bazơ trên sợi nầy xác định trình tự bổ sung trên sợi còn lại (Hình 5) Cần lưu ý rằng sự phân cực của hai sợi là ngược chiều nhau: 1 sợi từ 5 đến 3, 1 sợi từ

3 đến 5 Phân tử sợi đôi xoắn lại làm thành cấu trúc xoắn kép nhờ các liên kết hydro

Hình 8: Liên kết hydro 2.2 CẤU TRÚC KHÔNG GIAN CỦA ADN

Mô hình của Watson & Crich

Việc xác định cấu trúc của một phân tử phức tạp và quan trọng như ADN đã trở thành một thách thức lớn đối với nhiều nhà khoa học Trong năm 1950 hầu như người ta chưa biết gì về sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử trong phân tử ADN cũng như là không biết làm thế nào phân tử nầy có thể chứa đựng thông tin cần thiết để tự nhân đôi và điều khiển các chức năng của tế bào Vào khoảng thời gian nầy nhiều nhà khoa

Anh quốc) Họ đã thành công trong việc tạo ra những mẫu nhiễu xạ tia X sắc nét hơn những mẫu đã có từ trước F H C Crick (Ðại học Cambridge) dùng phương pháp toán học để phân tích các ảnh nhiễu xạ ADN (của Franklin và Wilkins) đã cho thấy tinh thể ADN phải là một xoắn với 3 chu

kỳ chính có lặp lại là 0,34 nm; 2,0 nm và 3,4 nm

Từ những gì đã biết về thành phần hóa học của ADN, những thông

tin về nghiên cứu sự nhiễu xạ tia X của ADN, về khoảng cách chính xác

giữa các nguyên tử liên kết nhau trong phân tử, các góc giữa các liên kết và kích thước của các nguyên tử, J D Watson và F H C Crick (Ðại học Cambridge) quyết tâm xây dựng một mô hình cấu trúc của phân tử ADN

Họ xây dựng mô hình theo tỉ lệ của các thành phần cấu tạo ADN rồi tìm cách lắp đặt chúng với nhau sao cho phù hợp với các kết quả thu được từ tất

cả các nghiên cứu trên

Họ xác định được chu kỳ 0,34 nm tương ứng với khoảng cách giữa 2 nucleotid kế tiếp nhau trong sợi ADN, chu kỳ 2,0 nm là chiều rộng của xoắn

và chu kỳ 3,4 nm là khoảng cách giữa các xoắn trong sợi Vì 3,4 nm bằng

10 lần khoảng cách giữa 2 nucleotid kế tiếp nhau nên mỗi xoắn có 10 cặp nucleotid

Trên những dữ liệu về nhiễu xạ tia X, Watson và Crick tính toán thấy rằng một sợi nucleotid quấn xoắn, chiều rộng của xoắn là 2,0 nm và mỗi xoắn dài 3,4 nm thì sợi có tỉ trọng bằng 1/2 tỉ trọng của ADN Do vậy ADN phải gồm 2 sợi nucleotid hơn là một sợi Họ sắp xếp lại mô hình tỉ lệ và sau cùng mô hình phù hợp với tất cả những dữ liệu được tìm ra là: phân tử ADN gồm 2 sợi nucleotid quấn theo 2 hướng ngược nhau quanh một trục giả định

có đường kính chính xác, các bazơ purin và pyrimidin hướng về phía trong của trục Theo cách nầy các liên kết hydro giữa các bazơ trên hai sợi quấn ngược chiều nhau mới đủ sức giữ 2 sợi ở trạng thái xoắn Nói cách khác, khi phân tử ADN mở xoắn thì giống như một cái thang, 2 trụ thang tương

đương với 2 sợi gồm đường và nhóm phosphat xen kẻ nhau còn các thanh ngang là các cặp bazơ liên kết nhau bằng cầu nối hydro (Hình 9)

Hình 9: Một phần của phân tử ADN Hình 10: Mô hình cấu trúc của ADN

3 CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA ARN

Về mặt cấu trúc, ARN cũng được cấu tạo từ các nucleotid, giống như trong sợi đơn của phân tử ADN Mặc dù ARN và ADN là những hợp chất rất giống nhau, nhưng chúng vẫn khác nhau ở 3 điểm quan trọng:

(1) Ðường của ARN là riboz, còn đường của ADN là deoxyriboz (2) ARN có Uracil trong khi ADN có Timin

(3) ARN thường là sợi đơn trong khi ADN thường là sợi đôi

Ngày nay chúng ta biết rằng có 3 loại ARN chính: ARN thông tin (mARN) mang thông tin cần thiết mã hóa cho trình tự các acid amin đến ribô thể là nơi protein được tổng hợp; ARN vận chuyển (tARN) mang các acid amin đến ribô thể trong quá trình tổng hợp protein và ARN ribô thể (rARN) là thành phần cấu tạo nên ribô thể

3.1 ARN THÔNG TIN (mARN)

ARN thông tin được tổng hợp trong nhân tế bào từ khuôn mẫu của ADN, làm nhiệm vụ trung gian truyền thông tin di truyền từ ADN trong nhân sang protein được tổng hợp tại ribô thể trong tế bào chất Thành phần nucleotid trong mARN rất biến đổi, từ 150 đến hàng ngàn nucleotid, thời gian tồn tại trong tế bào rất ngắn

3.2 ARN VẬN CHUYỂN (tARN)

Năm 1957 M Hoagland & CSV (ở Harvard) đã chứng minh rằng mỗi acid amin gắn vào một dạng ARN nào đó trước khi đến ribô thể, từ đó gắn thêm các acid amin khác để tạo chuỗi polypeptid Họ gọi loại ARN có nhiệm vụ chuyển các acid amin đến ribô thể là ARN vận chuyển (tARN) Hoagland & CSV cũng đã kết luận rằng mỗi phân tử tARN chỉ mang một phân tử acid amin, hoạt hóa nó với năng lượng ATP và chuyên chở nó đến ribô thể

Những nghiên cứu tiếp theo của các nhà khoa học khác đã cho biết thêm về cấu trúc và chức năng của tARN Cho đến nay người ta biết được rằng có ít nhất một tARN chuyên biệt cho mỗi acid amin Thí dụ acid amin arginin chỉ kết hợp với tARN chuyên vận chuyển arginin Nhưng tất cả các tARN đều có chung vài đặc điểm cấu trúc: có từ 73-93 nucleotid, có cấu trúc sợi đơn được gấp lại thành nhiều thùy, bên trong có các bazo tự bắt cặp

nhau, trình tự tận cùng là CCA Khi 1 acid amin gắn vào tARN thì nó luôn luôn gắn vào đầu này

rõ, nhưng có lẽ nó có vai trò quyết định đối với hoạt động của ribô thể

4 SỰ SAO CHÉP CỦA ADN (REPLICATION)

4 1 HỌC THUYẾT KHUÔN CỦA WATSON VÀ CRICK

Nếu ADN là vật liệu di truyền, nó phải chứa thông tin cần thiết để sao chép và kiểm soát các cấu trúc và các hoạt động của tế bào Mô hình của Watson và Crick thỏa mãn ngay yêu cầu thứ nhất

Vì ADN của mọi sinh vật đều là chất trùng phân từ 4 loại nucleotid nên sự khác biệt chính giữa các ADN ngoài tổng số nucleotid là trình tự sắp xếp của các nucleotid Vấn đề cơ bản được đặt ra là nếu cung cấp đủ 4 loại nucleotid, cái gì làm cho cơ chế sinh hóa hoạt động nghĩa là kết hợp những nucleotid với nhau theo đúng trình tự và số lượng đặc trưng của ADN đã có trong tế bào?

Watson và Crick cho rằng nếu 2 sợi ADN được tách ra bằng cách làm gãy các liên kết hydro giữa các cặp baz, mỗi sợi sẽ cung cấp tất cảí thông tin cần thiết để tổng hợp một sợi mới giống hệt như sợi được tách ra

Vì adenin luôn luôn nối với timin, guanin luôn luôn nối với cytosin nên trình tự của các nucleotid trên một sợi sẽ qui định trình tự của các nucleotid trên sợi bổ sung Như vậy tách rời 2 sợi của phân tử ADN và dùng mỗi sợi làm khuôn để tổng hợp ra một sợi mới sẽ dẫn đến kết quả là tạo ra 2 phân tử sợi đôi giống hệt phân tử ban đầu

4.2 CÁC THÍ NGHIỆM CHỨNG MINH HỌC THUYẾT KHUÔN

Năm 1957 A Kornberg và CSV (Ðại học Washington, St Louis) đã tìm ra phương pháp tổng hợp ADN trong ống nghiệm Họ ly trích từ tế bào

E coli một phức hệ enzim có thể xúc tác sự tổng hợp ADN Ðó là ADN polymerase (enzym tạo ra sự trùng phân ADN) Nguyên liệu dùng cho thí nghiệm là 4 loại nucleotid đã được hoạt hóa bằng ATP và được đánh dấu bằng carbon phóng xạ (C14) Sau khi cho vào ống nghiệm các nguyên liệu, ADN polymeraz, thêm ADN vào vừa làm chất mồi (primer), vừa làm khuôn (template) và để ở nhiệt độ thích hợp, họ phát hiện các ADN mới có chứa

C14, như vậy các nucleotid đánh dấu đã tham gia tạo ADN mới Sự tổng hợp ADN sẽ không xảy ra nếu ADN không hiện diện ngay từ đầu phản ứng Kornberg cũng chứng minh rằng tỉ lệ của A và T cũng như G và C trong ADN mới hoàn toàn giống như trong ADN thêm vào Các thí nghiệm khác cũng cho thấy ADN mới được tổng hợp hoàn toàn giống với ADN ban đầu chứng tỏ ADN ban đầu đảm nhận chức năng làm khuôn

Tuy nhiên, thí nghiệm của Kornberg chưa thật sự làm sáng tỏ cơ chế sao chép theo cách của Watson và Crick đề ra Bằng chứng trực tiếp đến từ thí nghiệm củaM.S Meselson và F.W Stahl (Viện Công nghệ California) công bố năm 1958

Meselson và Stahl nuôi nhiều thế hệ vi khuẩn E coli trên môi trường chỉ có nitơ chứa đồng vị phóng xạ N15 (Nitơ nặng) vì vậy tất cả các bazo trong ADN của các vi khuẩn nầy có chứa N15 Sau đó thay đổi nguồn Nitơ đột ngột từ N15sang N14 Mẫu vi khuẩn được thu hoạch trong từng giai đoạn rồi ly trích ADN và đem ly tâm trong khuynh độ tỉ trọng muối cesium chloride (CsCl) (ở tốc độ 40.000-50.000 vòng /1 phút từ 48 đến 72 giờ) để tách các ADN có tỉ trọng khác nhau

Khi đem ly tâm ADN được ly trích từ các tế bào vi khuẩn phát triển qua nhiều thế hệ trong môi trường N15, ADN sẽ lắng xuống và tạo thành một vạch ở đáy ống nghiệm Ngược lại, khi ly tâm các ADN được ly trích

từ các tế bào chỉ nuôi cấy trong môi trường N14, ADN sẽ nổi lên và tạo thành một vạch ở phần trên ống nghiệm Một hỗn hợp của ADN nặng (chứa

N15) và ADN nhẹ (chứa N14) khi ly tâm sẽ tách thành hai vạch: vạch phía dưới tương ứng với ADN nặng và vạch phía trên tương ứng với ADN nhẹ

Thí nghiệm cho thấy khi các tế bào chỉ có ADN nặng (cả hai sợi của ADN chỉ có N15trong baz purin và pyrimidin) phân cắt 1 lần trong môi trường N14 thì ADN của tế bào mới sẽ có tỉ trọng trung gian giữa ADN nặng