bài giảng công nghệ tế bào chương 2 cơ sở di truyền học

Trong các tế bào đang phân chianguyên nhiễm, bắt màu thuốc nhuộm rất mạnh.• Năm 1883, Roux đã quan sát được sự chẻ dọc của NSTtrong quá trình phân bào và cho rằng:  Trong NST có chứa cá

Bài giảng: Công Nghệ Tế Bào Khoa: Công nghệ sinh học – môi trường

Th.s Vưu Ngọc Dung

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC

1 Nhiễm sắc thể - tổ chức chứa DNA

2 Chu kỳ sống của tế bào

3 Phân chia tế bào

TLTK: Công nghệ sinh học (tập 2), Nguyễn Như Hiền

Chương 11, công nghệ tế bào

Nhiễm sắc thể - tổ chức chứa DNA

• Cấu trúc nhiễm sắc thể

• DNA cơ sở phân tử di truyền

• Nhiễm sắc thể (NST) được Flemming phát hiện từ cuốithế kỷ XIX (1882) Trong các tế bào đang phân chianguyên nhiễm, bắt màu thuốc nhuộm rất mạnh.

• Năm 1883, Roux đã quan sát được sự chẻ dọc của NSTtrong quá trình phân bào và cho rằng:

 Trong NST có chứa các yếu tố đóng vai trò sinh họcquan trọng đối với tế bào

 Các yếu tố đó sắp xếp theo dãy dọc trong NST

 Các yếu tố đó được gọi là gen (Johansen, 1909)

Ngày nay, NST được hiểu:

• NST được cấu trúc và hoạt động như một thể toàn vẹnthống nhất, trong đó, các đơn vị di truyền (các gen -ADN) được tập hợp lại theo một quy luật tổ chức xácđịnh và phối hợp hoạt động một cách nhịp nhàng (theokiểu “đóng”, “mở” gen) để đảm bảo đặc tính di truyền

và biến dị cho cơ thể

Nhiễm sắc thể virus

• Đa số là những phân tử DNA (một số ít là RNA)

• Phân tử DNA khác nhau về kích thước và đặc tính

• Về thành phần hoá học thì nó chỉ chứa polynucleotide

• DNA dạng vòng hoặc dạng duỗi thẳng

• Ví dụ : NST của virus khảm thuốc lá

- Chỉ có RNA, không có DNA

- Xoắn RNA xếp trong lớp protide virus có dạng hìnhtrụ tròn, dạng 1 mạch polynucleotide hoặc dạng xoắnkép

- Có thể tách rời RNA khỏi vỏ protide và tập hợp RNAvới protide có thể tái tạo thành virus italic

Nhiễm sắc thể vi khuẩn và vi khuẩn lam

• Tế bào vi khuẩn và thanh tảo có nhiều sợi chất nhiễmsắc mảnh có kích thước gần bằng kích thước của DNA

• Trong nhân chỉ có 1 NST và một số vi khuẩn đa nhân

• NST vi khuẩn là những phân tử DNA trần, chuỗi kép,mạch vòng

• NST dạng xoắn có chứa các chuỗi RNA mới tổnghợp, polymerase RNA, nhưng không có ribosome

• Ngoài NST chính, còn có một loại ADN khác ở dạngvòng kép nhỏ gọi là các plasmid DNA plasmid có thểchiếm tới 1 - 2% tổng số DNA có trong tế bào

Tiết mút Các băng nst

Cấu trúc siêu vi

Sợi nucleoxom Các cấp độ cấu trúc của sợi nhiễm sắc Chất nhiễm sắc thực

Chất dị nhiễm sắc

Nhiễm sắc thể ở cơ thể bậc cao (eucaryote)

• Tâm động hay là eo thắt sơ cấp: Tuỳ theo vị trí và độdài của vai mà thể nhiễm sắc có các kiểu sau:

+ Tâm giữa: tâm động ở chính giữa, 2 vai bằng nhau

+ Tâm lệch: tâm động ở gần một đầu mút, có dạng móc,các vai có độ dài khác nhau

+ Tâm mút: tâm động ở cuối, hình gậy

• Eo thắt thứ cấp - thể kèm (vệ tinh): trên NST còn thấy

có các eo thắt thứ cấp Nếu eo thắt thứ cấp đủ sâu và dàithì bộ phận do eo thắt đó tách biệt ra được gọi là thểkèm hay vệ tinh

• Các NST của eucaryote có tổ chức phức tạp gồm DNA

và nhiều loại protein

Histone là những protein nhỏ chứa nhiều acid amin giữvai trò cốt lõi trong việc cuộn xoắn của DNA

Sợi DNA dài quấn quanh các protein histone tạo nênnucleosome là đơn vị cấu trúc của NST

1 phân tử nucleosome gồm 140 cặp base của DNA quấnquanh phân tử histone (4 loại x 2 phân tử)

Các nucleosome kề nhau được nối qua một phân tửhistone trung gian

Cấu trúc một nucleosome (theo Phạm Thành Hổ)

1 Nucleosome; 2 Histon

1

2

Số lượng nhiễm sắc thể

• Cố định ở mỗi loài

• Không phụ thuộc kích thước và độ phức tạp cơ thể

• Trong mỗi tế bào, các NST giống nhau từng đôi một

Hai NST giống nhau gọi là cặp NST tương đồng, mộtcủa cha và một của mẹ

Hai bộ NST giống nhau gọi là 2n (hay lưỡng bội)

• Ví dụ: Ruồi dấm có 8 NST 4 cặp  2 bộ

Người có 23 cặp họp thành 2 bộ: 2n = 46 NST

• NST ổn định về hình thái và cố định về số lượng nên bộNST được gọi là kiểu nhân (carystipe) đặc trưng chomỗi loài

CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA DI TRUYỀN

DNA và mã di truyền

• Thông tin di truyền được thực

hiện trên cơ sở vận động của

vật chất di truyền thông qua

quá trình phân bào và thụ tinh

• Vật chất di truyền là acid

nucleic

• Cơ chế truyền đạt thông tin di

truyền ở mức phân tử thực hiện

qua 3 quá trình: tái sinh DNA,

phiên mã, dịch mã

Vật chất di truyền DNA

• Phân tử DNA gồm nhiều đoạn ngắn là các gen, mỗi gen

mã hoá một phân tử protein

• Phân tử protein gồm nhiều phân tử acid amin liên kếtlại Có 20 loại acid amin tạo nên protein

• Chuỗi làm khuôn để phiên mã ra RNAm chỉ nằm trên 1chuỗi của DNA

• Mỗi gen được bắt đầu bằng một đoạn ngắn gọi là đoạnkhởi động-promotor, đó là tín hiệu bắt đầu quá trìnhphiên mã

• Cuối mỗi gen lại có đoạn mang tín hiệu kết thúc

Mã di truyền

thuyết về mã di truyền

• Mã di truyền thể hiện qua trình tự các nucleotide trong

DNA qui định trình tự các acid amin tương ứng

• Trong phân tử protein có 20 acid amin, còn trong ADN

có 4 loại nucleotide để mã hoá 20 acid amin đó

• Mã di truyền là mã bộ ba, cứ 3 nucleotide trên DNA

mã hoá 1 acid amin trên protein

• Đặc điểm của mã di truyền

Mã di truyền là mã bộ ba

Mã được đọc trên RNAm theo chiều 5' → 3'

Mã di truyền có tính toàn năng, tức là mã di truyền đúngcho mọi sinh vật

Ví dụ: bộ ba UAU dù ở cơ thể sinh vật nào cũng mã hoá chotyrozin

Mã di truyền không gối lên nhau, mã được đọc liên tục

hết bộ ba này đến bộ ba khác

Quá trình tái sinh DNA

• Một trong những chức năng quan trọng của DNA là lưutrữ và truyền đạt thông tin di truyền từ tế bào này sang tếbào khác, từ thế hệ này sang thế hệ khác

• Tái sinh DNA tổng hợp ra 2 phân tử DNA con từ 1 phân

tử DNA mẹ Hai phân tử DNA được tạo ra giống nhau vàgiống phân tử DNA mẹ Có 3 hình thức tái sinh:

- Bảo thủ: 1 phân tử chính là DNA mẹ và một phân tử đượctổng hợp mới, hình thức này ít phổ biến

- Bán bảo thủ: mỗi DNA con có một mạch lấy từ DNA mẹ

và một mạch mới tổng hợp, hình thức phổ biến

- Gián đoạn: mỗi phân tử DNA con xen kẽ đoạn lấy từDNA mẹ và đoạn mới được tổng hợp, ít phổ biến

Các thành phần tham gia tái sinh DNA

- DNA mẹ dùng làm khuôn

- Nguyên liệu:

+ DNA – polymerase: kéo dài chuỗi poly nucleotide theochiều 5' → 3'

+ Topoizomerase: mở xoắn phân tử DNA  duỗi thẳng

+ Helicase: phân huỷ các liên kết hydro  tách 2 chuỗipolynucleotide rời nhau ra

+ DNA – ligase: nối các đoạn DNA - okazaki lại

+ RNA - polymerase (primase): xúc tác tổng hợp đoạnRNA mồi

- Các loại protein: tham gia tái sinh DNA có nhiều loạiprotein đặc hiệu như protein SSB, protein DNA

Cơ chế tái sinh DNA

• Quá trình tái sinh DNA ở procaryote qua ba giai đoạn:

* Giai đoạn mở đầu: tháo xoắn  duỗi thẳng DNA.

Primase xúc tác tạo đoạn RNA mới bổ sung vào mạchkhuôn 3' - 5' của DNA

* Giai đoạn kéo dài: diễn ra trên 2 chuỗi có khác nhau:

- Tổng hợp chuỗi sớm: khuôn 3' - 5' của DNA

- Tổng hợp chuỗi muộn: trên mạch khuôn 5' - 3' của DNA

*Giai đoạn kết thúc: quá trình kéo dài cứ tiếp diễn cho đến

- Prokaryote: chỉ có một loại RNA polymerase chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các loại RNA, mRNA thường chứa thông tin nhiều gen nối tiếp nhau.

- Eukaryote: RNA polymerase II chịu trách nhiệm tổng hợp mRNA còn hai RNA polymerase khác tổng hợp rRNA của ribosome và các loại RNA khác, mRNA chứa thông tin của một gen.

Dịch mã – Tổng hợp protein

• Tổng hợp protein là chặngcuối của quá trình truyềnđạt thông tin di truyền

biểu hiện ra tính trạng

• Quá trình tổng hợp proteindiễn ra tại ribosome với sựtham gia của nhiều thànhphần khác nhau

*DNA: chứa thông tin cấu trúc của phân tử protein ở

dạng mã hoá bởi mã bộ ba

* RNAm: 1 phân tử DNA phiên mã sẽ cho nhiều ARNm.

* RNAt: vận chuyển acid amin từ tế bào chất đến

ribosome, RNAt là cầu nối trung gian giữa RNAmvới polypeptid, là chìa khoá để giải mã

* RNAr Tham gia cấu trúc ribosome.

Cơ chế dịch mã

Hoạt hóa acid amin

• Tự acid amin không di chuyển đến ribosome mà phải nhờRNAt Để gắn vào RNAt, acid amin phải được hoạt hoá

• Sự hoạt hoá acid amin nhờ có ATP cung cấp năng lượng, enzyme amino.acyl - RNAt - sintetase xúc tác

Quá trình diễn ra qua 2 giai đoạn:

- Hoạt hoá acid amin, tạo aminoacyl - adenilat:

Aa ∼ AMP là phức linh động nhờ có liên kết cao nănggiữa Aa với AMP làm cho Aa có hoạt tính cao để thựchiện tiếp phản ứng sau:

- Tạo aminocyl - RNAt (RNAtAa):

Phức hệ RNAtAa di chuyển đến ribosome tham gia vàoquá trình tổng hợp chuỗi polypeptid tại đó

Giai đoạn kéo dài chuỗi polypeptid

Theo chu kỳ, mỗi chu kỳ nối dài thêm một acid aminvào chuỗi polypeptid Một chu kỳ xảy ra qua 3 bước:

- Bước 1:

RNAtAa mang acid amin mới vào vị trí A đang trốngcủa ribosome

bộ ba đối mã của ARNtAa liên kết bổ sung với bộ ba

mã hoá acid amin đang được nối vào và đặt phức hệARNtAa vào vị trí A của ribosome

Tùy theo bộ ba mã hoá của RNAm nằm ở vị trí A mãhoá cho acid amin nào mà phức hệ RNAtAa tươngứng tham gia vào quá trình này

chuyển vào) với acid amin cuối cùng của chuỗi

polypeptid đang được tổng hợp

Sau khi dịch chuyển, RNAt nằm vùng P không mangacid amin sẽ được giải phóng ra tế bào chất để tiếp tụcthực hiện vận chuyển acid amin tiếp theo.

Phức hợp RNAt mang chuỗi polypeptid chuyển sang vịtrí P, vị trí A bỏ trống

Kết thúc một chu kỳ kéo dài thêm một acid amin vàochuỗi polypeptid đang tổng hợp

Giai đoạn kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptid

• Quá trình kéo dài chuỗi cứ tiếp diễn đến khi có mộttrong ba bộ ba kết thúc (UAG, UGA hoặc UAA) nằm ở

vị trí A của ribosome thì kết thúc quá trình tổng hợpchuỗi polypeptid ở ribosome

• Quá trình kết thúc xảy ra nhờ yếu tố kết thúc RF và diễn

ra các hoạt động:

- Thuỷ phân liên kết giữa chuỗi polypeptid với RNAt

để giải phóng chuỗi polypeptid ra tế bào chất

- RNAm rời khỏi ribosome

Quá trình hoàn thiện phân tử protein

Procariote: do a.a mở đầu là formin - metionin (f.Met) loại bỏ khỏi chuỗi polypeptid nhờ peptidase

• Eucariote: nếu a.a mở đầu là metionin  phản ứng này

có thể không xảy ra

• Sau khi loại bỏ a.a mở đầu  chuỗi polypeptid trở nênphân tử protein bậc I  liên kết hydro  cấu trúc bậc II,

liên kết disunfit, liên kết ion, liên kết kỵ nước cấutrúc bậc III theo nhu cầu của tế bào

• Phân tử protein hoàn thiện được vận chuyển đến nơi sửdụng  đoạn tình tự tín hiệu vận chuyển protein đếnđích sẽ bị cắt bỏ  protein trưởng thành để thực hiệnchức năng của nó do tế bào phân công

Điều hoà tổng hợp protein

• Sự điều hoà tổng hợp protein đảm bảo cho sự cung cấpprotein đúng theo yêu cầu của tế bào

• Sự điều hoà tổng hợp protein ở procaryote và eucaryote

có những nét khác nhau nhưng đều diễn ra ở cả ba giaiđoạn:

- Điều hoà phiên mã

- Điều hoà dịch mã

- Điều hoà bài tiết protein

Trong đó quan trọng nhất là điều hoà phiên mã

• Các tế bào của sinh vật eukaryote trải qua nhiều giaiđoạn nối tiếp nhau và kết thúc bằng sự phân chia tạo

Pha G1 Pha S Pha G2

Kỳ phân cắt nhân và tế bào chất

Pha M

- M (mitosis) là giai đoạn nguyên phân.

- Giai đoạn G1 (Gap) kéo dài từ sau khi tế bào phânchia đến bắt đầu sao chép vật chất di truyền Sự tíchluỹ vật chất nội bào đến một lúc nào đó đạt điểm tớihạn (restriction) thì tế bào bắt đầu tổng hợp DNA

- Giai đoạn S (synthesis) là giai đoạn tổng hợp DNA.Cuối giai đoạn này, số lượng DNA tăng gấp đôi vàchuyển sang giai đoạn G2

- Giai đoạn G2 là giai đoạn được nối tiếp sau S đến bắtđầu phân chia tế bào Trong suốt giai đoạn này, sốlượng DNA gấp đôi cho đến khi tế bào phân chia

Phân chia tế bào

• Phân bào nguyên nhiễm

• Phân bào giảm nhiễm

Các kỳ của phân bào

Phân bào nguyên nhiễm

Tiền kỳ

Tiền trung kỳ

Trung kỳ

Hậu kỳ Mạt kỳ

NST chuyển ra phía ngoài màng nhân

NST xoắn lại và co ngắn lại, dầy lên

Bộ máy phân bào xuất hiện:

2 sao và thoi phân bào.

NST tập trung vào giữa tế bào các tâm động cùng nằm trên một mặt phẳng xích đạo.

Thoi vô sắc được hình thành Các nhiễm sắc tử phân tách nhau ra ở vùng giữa của nó

Các NST phân tách và di chuyển về 2 cực

Tâm động phân đôi mang theo các nhiễm sắc tử

Bắt đầu hình thành nhân con, màng nhân xuất

hiện ngăn cách các tế bào

Các NST con đã chuyển đến 2 cực

Mở xoắn và ẩn vào dịch tế bào

Màng nhân được tái tạo, hạch nhân

xuất hiện và xảy ra quá trình phân

chia tế bào chất

Sự phân bào nguyên nhiễm

• Quá trình nguyên nhiễm là quá trình phức tạp

• Nhiều thời kỳ nối tiếp nhau: tiền kỳ, trung kỳ, hậu kỳ,

và mạt kỳ

• Mỗi kỳ có đặc trưng về cấu trúc và tập tính về NST,

bộ máy phân bào

• Trong chu kỳ sống của tế bào thì thời kỳ phân bào làthời kỳ có nhiều biến đổi sâu sắc trong cấu trúc và tậptính của NST

• Các NST đã được phân đôi trong gian kỳ sẽ phân bốđồng đều cho 2 tế bào con

Tiền kỳ (prophase)

• Sự tăng sức ép của bào chất mà tế bào có đường néttròn hơn, tế bào chất nhớt hơn, tăng thêm sức căng bềmặt và chiết quang mạnh hơn

• NST xuất hiện ở dạng các sợi xoắn dọc, mảnh, sắp xếptrong nhân Về sau, NST thấy rõ hơn, nó gồm 2 sợixoắn kép có tên là nhiễm sắc tử (chromatide)

• 2 nhiễm sắc tử trong 1 NST đính lại ở tâm động Sốnhiễm sắc tử trong một NST gấp đôi số 2n (2n x 2) làkết quả của sự nhân đôi NST qua giai đoạn S Dần dầncác NST xoắn lại và co ngắn lại, dầy lên

• Ở đầu tiền kỳ, NST chuyển ra phía ngoài màng nhân và

hiện gồm có 2 sao và thoi phân bào

Dạng sợi thứ 2 dính một đầu mút vào cực của tế bào

và đầu mút kia vào tâm động của thể nhiễm sắc

• Ở cuối trung kỳ, các nhiễm sắc tử phân tách nhau ra ởvùng giữa của nó

Hậu kỳ (anaphase)

• Các NST phân tách và di chuyển về các cực khác nhau

• Tâm động phân đôi mang theo các nhiễm sắc tử

• 2 nhiễm sắc tử trong 1 NST tách nhau ra và nhờ tâmđộng sẽ di chuyển về hai cực của tế bào theo sợi của thoiphân bào

• Ở thời kỳ này bắt đầu hình thành nhân con, các màngnhân xuất hiện màng ngăn cách các tế bào, các bào quan

tử phân phối đều giữa các tế bào mới

Mạt kỳ (telophase)

• Các NST con đã chuyển đến 2 cực, chúng dần mở xoắn

và ẩn vào dịch tế bào giống như lúc bắt đầu tiền kỳ

• Màng nhân được tái tạo hoàn toàn, hạch nhân xuất hiện

và xảy ra quá trình phân chia tế bào chất (động vật vàthực vật khác nhau)

+ Động vật: ở phần xích đạo tế bào hình thành eo thắt ngàycàng phát triển và cuối cùng phân thành 2 tế bào con

+ Thực vật: khác với động vật là ở xích đạo hình thành mộtvách ngăn và phân tế bào thành 2 tế bào con

Vai trò phân bào nguyên nhiễm

• Phân bào và sinh trưởng:

 Là phương thức sinh trưởng của các mô, cơ quan

 Các mô, cơ quan tăng khối lượng do sự gia tăng tổnghợp các chất nội bào mà chủ yếu tăng số lượng tế bào dophân bào

 Khi sự phân bào bị ức chế thì mô và cơ quan (khối lươngđạt mức tới hạn) ngừng sinh trưởng

• Phân bào và sinh sản:

 Là phương thức sinh sản của tế bào và cơ thể đơn bào

 Thông tin di truyền từ mẹ sang con  bảo tồn và giữnguyên số lượng NST qua các thế hệ

 Là cơ sở tế bào của phương thức sinh sản sinh dưỡng(vô tính) của thực vật và động vật bật thấp

• Là phương thức sinh sản đơn giản, đặc tính di truyềnkhông thay đổi qua nhiều thế hệ, nên không tạo ra đadạng di truyền cho chọn lọc tự nhiên

Phân bào giảm nhiễm

Meiosis

Meoisis I

Tiền kỳ I

Leptonem (sợi mảnh)

Zigonem (sợi liên kết)

Pachinem (sợi to)

Diplonem (sợi đôi)

Diakinese (chuyển đi xa)

Trung kỳ I (metophase)

Hậu kỳ I (anaphase)

Mạt kỳ I (telophase)

Kỳ chuyển tiếp (interkinese)

 Giai đoạn zigonem: Các NST tương đồng liên kết vớinhau từng đôi một, một chiếc có nguồn gốc từ bố và một

có nguồn gốc từ mẹ (từ giao tử đực và giao tử cái)

• Sự tiếp hợp của các NST tương đồng xảy ra một cáchchính xác Có thể đính với nhau từ đầu mút, sau đó, kéodài dọc NST, cũng có thể đính với nhau ở nhiều đoạncùng một lúc.

• Nhờ sự tiếp hợp mà các hạt nhiễm sắc, các điểm của sợinhiễm sắc tương đồng này có thể tiếp cận với các hạt,các điểm của sợi tương đồng kia Trong suốt quá trìnhtiếp hợp, NST vẫn giữ nguyên là một thể toàn vẹn

• Điểm đặc trưng để nhận biết giai đoạn zigonem là sựtiếp hợp của các cặp NST tương đồng