NHÂN TẾ BÀO GIAN KỲI. ĐẠI CƯƠNG: Nhân, với chức năng chủ yếu là một docx

Cấu trúc nhân hoàn chỉnh, tách biệt phần còn lại của tế bào chất bào tương cho phép tế bào Eucaryot đạt được các lợi thế so với Procaryot: 1 Lượng ADN chứa được lớn hơn nhiều.. Chức năng

NHÂN TẾ BÀO GIAN KỲ

I ĐẠI CƯƠNG:

 Nhân, với chức năng chủ yếu là một bào quan đặc biệt chứa các thông tin di truyền quyết định các cấu trúc và chức năng của tế bào, là đặc điểm tiến hóa quan trọng nhất của Eucaryot so với Procaryot Nhân có 2 lớp màng bao bọc đồng tâm, phân cách khỏi bào tương, có dạng gần cầu, chiếm chừng 1/10 thể tích tế bào Nói chung, mỗi tế bào Eucaryot chứa một nhân, nhưng cũng có nhiều ngoại lệ Trùng đơn bào paramecium (trùng đế giày) thường xuyên có 2 nhân, một để di truyền cho tế bào con, một để “điều hành” các hoạt động thường xuyên cần đến thông tin di truyền chứa trong bộ gen Một

số loại nấm thường có nhiều gen trong một tế bào vì khi phân chia nhân, tế bào không kịp hình thành vách ngăn phân chia tế bào chất Ở tế bào gan của người cũng thấy có hiện tượng này Bạch cầu đa nhân thật ra là một tên gọi không chính xác nhưng vẫn phổ biến trong các nhà huyết học, các tế bào này chỉ có một nhân, nhưng nhìn dưới kính hiển vi quang học thấy nhân gồm nhiều “thùy”

 Đối với tế bào Procaryot, không có nhân điển hình, mà chỉ có một vùng tập trung ADN, nhưng không có màng bao bọc, gọi là thể nhân (nucleoid) Cấu trúc nhân hoàn chỉnh, tách biệt phần còn lại của tế bào chất (bào tương) cho phép tế bào Eucaryot đạt được các lợi thế so với Procaryot:

1) Lượng ADN chứa được lớn hơn nhiều Mỗi tế bào Eucaryot chứa nhiều phân

tử ADN, mỗi phân tử đều có kích thước rất dài so với phân tử ADN duy nhất của Procaryot Số lượng ADN này dư thừa nhiều lần so với nhu cầu mã hóa tất

cả các ARN và protein của cơ thể Tế bào Eucaryot cũng có hệ thống các cấu trúc tơ sợi rất phát triển trong bào tương, tạo thành bộ xương tế bào, thực hiện các vận động của nguyên sinh chất Giả sử ADN không được “đóng gói” trong nhân, chức năng vận động nói trên chắc khó mà thực hiện được

2) Quá trình phiên dịch mã di truyền (tổng hợp protein) được thực hiện trong bào tương, tách biệt với nhân là nơi xảy ra phiên mã (tổng hợp ARN) Sự tách rời hai quá trình về không gian và thời gian cho phép tế bào thực hiện thêm một

số phản ứng hóa học để “cải biến” phân tử m-ARN trên đường vận chuyển từ nhân ra bào tương, trước khi nó được sử dụng làm khuôn để phiên dịch mã Nhờ vậy tế bào Eucaryot thực hiện được sự điều hòa thể hiện gen một cách tinh

vi hơn, thông qua hai giai đoạn phiên mã và phiên dịch mã

 Trong bài này, chúng ta sẽ đi sâu mô tả cấu tạo và chức năng của từng thành phần của nhân Các thành phần đó bao gồm:

 Vỏ nhân, với hai lớp màng và khoang gian màng quanh nhân (khoang

quanh nhân), có nhiều chỗ tạo thành các lỗ hổng (lỗ nhân) Chức năng chủ yếu của vỏ nhân là tạo thành hàng rào ngăn cách không cho các bào quan trong bào tương lọt vào trong nhân, nhưng vẫn đảm bảo dòng vận chuyển và trao đổi vật chất giữa nhân và bào tương một cách trật tự

 Dịch nhân, bao gồm các chất tan và các đại phân tử (acid nucleic và

protein) ở các trạng thái ngưng tụ với nhau, có độ bắt màu kiềm cao, gọi là chất nhiễm sắc Chức năng chủ yếu của dịch nhân, hay đúng hơn là của các nhiễm sắc thể chứa trong đó, là chứa đựng các thông tin di truyền và tạo ra các phiên bản thông tin để gởi ra bào tương, quyết định thành phần protein đặc trưng sẽ xây dựng nhiều cấu trúc và thực thi nhiều chức năng khác nhau của tế bào Một chức năng quan trọng khác của nhiễm sắc thể là truyền thông tin di truyền cho các tế bào con trong quá trình phân chia tế bào, chức năng này sẽ được đề cập trong một bài riêng (giảm phân)

 Hạch nhân hay nhân con, là khối hình cầu không có màng bao quanh

nhưng bắt màu đậm đặc hơn so với dịch nhân, có chức năng chủ yếu là tổng hợp ARN của ribosom (r-ARN) và cũng là nơi hình thành các tiểu đơn vị ribosom

I VỎ NHÂN VÀ SỰ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT GIỮA NHÂN VÀ BÀO TƯƠNG:

 Vỏ nhân (nuclear envelope) bao gồm hai lớp màng, gọi là màng trong và màng ngoài, như 2 mặt cầu đồng tâm bao bọc lấy nhân Giữa hai lớp màng là khoang quanh nhân (perinuclear space)

 Màng ngoài nối với màng của lưới nội bào hạt và cũng có nhiều ribosom bám lên, giống như lưới nội bào hạt Do đó, màng ngoài nhân (và khoang quanh nhân)

cũng có chức năng thực hiện tổng hợp các protein đóng gói trong màng nội bào hoặc chế tiết ra khoang gian bào (như lưới nội bào hạt) Khoang quanh nhân liên thông với khoang chứa của lưới nội bào hạt Trong quá trình phân chia tế bào, vỏ nhân dường như tan biến nhưng thật ra được chuyển thành lưới nội bào hạt Sau đó, vỏ nhân lại được hình thành trở lại cũng từ các đoạn của lưới nội bào hạt

 Về quan điểm tiến hóa, vỏ nhân cũng như lưới nội bào hạt có thể có nguồn gốc chung từ các đoạn lõm vào của màng sinh chất Ở tế bào Procaryot, có thể thấy màng sinh chất lõm vào thành những cấu trúc gọi là mesosom Nhiễm sắc thể của tế bào Procaryot tập trung vào vùng thể nhân và cũng gắn với màng nhưng trong trường hợp này là màng tế bào chứ không phải màng nhân

 Vỏ nhân bị “dệt” vào giữa hai hệ thống mạng sợi Từ phía ngoài bào tương, các siêu sợi trung gian của bộ xương tế bào đan khắp bề mặt vỏ nhân Còn từ phía trong, màng trong của vỏ nhân được lớp một lớp mạng gọi là lamina, cấu tạo từ 3 loại protein sợi (lamin) Qua các sợi này, màng trong liên kết với dị nhiễm sắc của nhiễm sắc thể

Dị nhiễm sắc bao phủ gần như hết mặt trong vỏ nhân, nhưng lại chừa ra các khoảng trống xung quanh lỗ nhân là nơi vận chuyển các chất qua lại giữa nhân và bào tương

 Màng ngoài và màng trong có cấu trúc hóa học khác nhau Nhưng ở nhiều chỗ, chúng nối với nhau và chừa lại lỗ hổng không có màng, gọi là lỗ nhân (nuclear pore)

 Những lỗ hổng này được lấp đầy bởi “phức hợp

lỗ nhân”, gồm nhiều phân

tử protein khác nhau, có tổng khối lượng khoảng 50-

100 MD Các protein này tạo thành các hạt có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi điện tử Trên sơ đồ, ta thấy phức hợp lỗ nhân như bông cúc 8 cánh, với 8 cánh xung quanh và một hạt ở giữa Mỗi cánh này thực ra gồm 3 hạt, phân bố thành 3 tầng Chúng lấp gần kín lỗ nhân, chỉ chừa lại một kênh dài khoảng 15 nm, rộng khoảng 9nm Kênh này lại thường thấy bị nút kín bởi hạt trung tâm Có lẽ hạt này là những phức hợp đang được vận chuyển qua lỗ nhân

 Lỗ nhân kiểm soát sự trao đổi chất giữa nhân và bào tương Các phân tử nhỏ có thể qua lại lỗ nhân khá dễ dàng Chẳng hạn một protein có trọng lượng phân tử 17.000 Daltons sẽ cân bằng nồng độ giữa nhân và bào tương chỉ sau hai phút Ngược lại những hạt lớn như ribosom hoàn chỉnh thì không lọt qua lỗ nhân và bị giữ lại (ở bên ngoài bào tương, chứ không lọt vào trong nhân) Tuy vậy, cũng không thể nói rằng lỗ nhân có tác dụng như cái rây, tức là cấu trúc sàng lọc các hạt đi qua tùy theo kích thước của hạt Các tiểu đơn vị ribosom mặc dù kích thước vượt xa đường kính kênh qua lỗ nhân, nhưng vẫn được nhân “xuất khẩu” ra bào tương một cách dễ dàng Những enzym có trọng lượng phân tử lớn như ADN- và ARN-polymeraz (riêng mỗi tiểu đơn

vị đã có trọng lượng phân tử 100.000 – 200.000 Daltons) cũng được nhân lấy từ bào

tương Như vậy, sự vận chuyển các hạt lớn qua lỗ nhân phải kèm theo sự mở rộng đường kính kênh Cơ chế mở rộng đường kính kênh lỗ nhân ngày nay chưa thật rõ

 Có các bằng chứng cho thấy rằng phức hợp lỗ nhân

có chứa thụ thể nhận biết các đại phân tử và hạt khác nhau Với các protein đã được tổng hợp trong bào tương và cần được nhập khẩu vào nhân, người ta đã xác định được rằng thụ thể nói trên tương tác với một đoạn oligopeptid tín hiệu, chứa từ 4 đến 8 acid amin bao gồm prolin và các gốc tích điện dương (lysin, arginin) được mã hóa trong thành phần cấu trúc bậc nhất của các protein đó Protein đoạn oligopeptid nói trên (ví dụ histon, protein ribosom, tiểu đơn vị của ADN-polymeraz ) thì được thụ thể tiếp nhận và vận chuyển vào nhân, còn các protein bào tương thì không chứa đoạn oligopeptid này, do đó chỉ nằm lại bên ngoài bào tương Quá trình mở rộng kênh cũng đòi hỏi tiêu thụ năng lượng ATP, nhưng cơ chế chưa được biết rõ

 Sự vận chuyển qua lại lỗ nhân

xảy ra khá mạnh mẽ, đặc biệt khi tế

bào có tổng hợp nhiều đại phân tử

Ta hãy xem một con số ví dụ Vỏ

nhân tế bào động vật chứa trung bình

3000 - 4000 lỗ nhân (khoảng 11 lỗ trên mỗi micromet vuông) Khi tổng hợp ADN, nhân cần lấy từ bào tương khoảng 106 phân tử histon trong mỗi 3 phút, tính ra thì cứ mỗi phút có 100 phân tử histon đi qua 1 lỗ nhân

 Còn để tổng hợp protein, mỗi phút nhân phải xuất qua mỗi lỗ nhân trung bình là 3 tiểu đơn vị ribosom (mỗi tiểu đơn vị cũng chứa hàng chục phân tử protein và ARN)

II CÁC TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ CỦA ADN TRONG NHÂN

 Bộ gen của tế bào Eucaryot chứa nhiều nhiễm sắc thể, mỗi nhiễm sắc thể chứa một phân tử ADN Số lượng phân tử ADN trong mỗi bộ gen (mỗi nhân) bình thường là 2n (n là số nguyên khác nhau phụ thuộc vào mỗi loài) Mỗi phân tử này ngưng tụ với nhiều phân tử protein khác nhau trong đó protein kiềm (histon) chiếm tỷ lệ đa số Khi

tế bào phân chia, trạng thái ngưng tụ giữa ADN với protein sẽ đậm đặc nhất, khiến cho nhiễm sắc thể có thể nhìn thấy được dễ dàng dưới kính hiển vi quang học Ở người, có 2n = 46 nhiễm sắc thể, tức là mỗi nhân tế bào bình thường chứa 46 phân tử ADN Mỗi phân tử này chứa từ 50Mb đến 250Mb (Megabaz = 1 triệu cặp baz nitơ) Nếu các phân

tử này duỗi ra hoàn toàn dưới dạng chuỗi xoắn kép Watson-Crick, thì sẽ có chiều dài

lý thuyết từ 1,7 đến 8,5 cm Rõ ràng là chuỗi xoắn kép dài như vậy không thể chứa vừa trong nhân và rất dễ dàng bị đứt gãy Trong thực tế thì ngay cả ở nhân gian kỳ, khi nhiễm sắc thể ở trạng thái phân tán, phân tử ADN vẫn không bị duỗi ra hoàn toàn, mà được đóng gói (ngưng tụ) vào các cấu trúc xoắn khác nhau Sự ngưng tụ này thực hiện được nhờ có sự liên kết của ADN với nhiều loại protein khác nhau, trong đó chủ yếu là

các protein kiềm (histon) Chất nhiễm sắc (chromatin) tồn tại dưới dạng chất dịch bắt màu kiềm trong nhân

tế bào gian kỳ chính là hỗn hợp giữa ADN với các protein nói trên (gọi chung là protein nhiễm sắc thể) Nhiễm sắc thể Eucaryot ở trạng thái phân tán chất vẫn duy trì mức độ ngưng tụ nhất định thành các cấu trúc hạt và sợi mảnh

1 Nucleosom và sợi 10 nm:

 Ở trạng thái ngưng tụ ít nhất, nhiễm sắc thể có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi điện tử dưới dạng sợi mảnh có kích thước (bề dày) 10 nm

 Dưới KHVĐT, sợi này trông như một chuỗi cườm, gồm các hạt nhỏ đường kính khoảng 10nm nối với nhau bằng sợi ADN Hạt nhỏ nói trên gọi là nucleosom Nucleosom là đơn vị cấu trúc cơ bản của phức hợp ADN-histon

 Trong mỗi nucleosom, có 8 phân tử histon gồm 4 loại, ký hiệu H2A, H2B, H3 và H4, mỗi loại 2 phân tử Mỗi phân tử histon chứa từ 107 đến 135 gốc acid amin, tức là thuộc loại protein phân tử lượng tương đối nhỏ Histon có tính kiềm cao, vì có nhiều các gốc acid amin như Lysin, Arginin tích điện dương Tám phân tử histon được xếp

thành phức hợp lõi (octamer), có thể phân ly thành hai nửa (tetramer) Phức hợp lõi có đoạn ADN dài 146b cuốn khoảng hai vòng bên ngoài, được gọi là nucleosom Đó là một hạt khá dẹt có đường kính 11nm Sợi ADN nối giữa 2 nucleosom kế tiếp dài chừng vài chục bazơ nitơ được gọi là ADN nối (linker ADN) Tổng cộng hai vòng ADN cuốn quanh lõi histon và đoạn ADN nối tạo thành một chu kỳ lập lại của các nucleosom trên ADN, dài vào khoảng 200b Như vậy, một gen cỡ trung bình dài chừng 10kb sẽ chứa khoảng 50 nucleosom Bên ngoài mỗi nucleosom có thể có thêm một phân tử histon (H1) được gắn một cách lỏng lẻo (dễ phân ly) Sự liên kết đồng thời các phân tử histon H1 vào các nucleosom làm cho sợi 10nm ngưng tụ chặt hơn

 Các histon lõi gắn rất chặt với ADN, ngay cả trong quá trình sao chép mã, cấu trúc nucleosom của nhiễm sắc thể vẫn không bị phân ly hoàn toàn

 Người ta cho rằng khi tổng hợp ARN trên khuôn ADN, enzyn ARN-polymeraza chạy đến nucleosom nào thì lõi histon của nucleosom đó có thể phân ly tạm thời thành

2 mảnh để cho enzym “làm việc” Cơ chế “mở để làm việc tạm thời” đối các nucleosom có tính chất rất bảo tồn, không thay đổi trong suốt lịch sử tiến hóa của Eucaryot, do đó cấu trúc bậc nhất của các histon hầu như không có thay đổi nhiều giữa các loài

2 Sợi nhiễm sắc 30nm:

 Histon H1 liên kết vào mỗi nucleosom khiến cho sợi 10nm bị ngưng tụ chặt chẽ hơn và có thể hình thành một sợi lớn hơn, gọi là sợi nhiễm sắc 30nm Mô hình cấu tạo trình bày trên hình, trong đó ta thấy sợi 10nm tạo thành một chuỗi xoắn (solenoid) có

bề ngang chừng 30nm

 Trong nhiễm sắc thể có những đoạn ADN tương đối dài không liên kết với histon

và không ngưng tụ thành nucleosom Các đoạn này rất nhạy cảm với ADN-aza Phần lớn chúng nằm trong những vùng điều hòa gen Tế bào càng có bộ gen hoạt động (nhiều gen mở) thì càng chứa nhiều đoạn như vậy Tại đây, histon bị thay thế bằng các protein khác như protein acid, các protein HMG (High Mobility Group - nhóm protein

có độ linh động cao) Trên sợi 30nm, ta thấy có những đoạn ngắt quãng, đó chính là các đoạn ADN liên kết với các protein nói trên Liên kết giữa ADN với các loại protein khác lỏng lẽo hơn nhiều so với liên kết ADN-histon, do đó ADN tại vùng điều

hòa gen ở trạng thái “mở” hơn đối với sự tiếp cận của enzym ARN-polymeraz cũng như ADN-aza

3 Ngưng tụ cấp cao hơn:

 Sau khi ngưng kết thành sợi 30nm, phân tử ADN có thể xếp

gọn lại với độ dài còn chừng 0,1cm Tuy nhiên, chiều dài này vẫn còn lớn gấp khoảng

100 lần đường kính của nhân Trong thực tế, trên các nhiễm sắc thể của nhân gian kỳ, phần lớn các sợi nhiễm sắc 30 nm còn ngưng tụ tiếp tục thành các sợi nhiễm sắc có kích thước chừng 100nm (bề dày) Tuy nhiên, mô hình của cấu trúc này còn chưa rõ

 Đối với nhân của tế bào đang phân chia, nhiễm sắc có thể được ngưng tụ một cách đậm đặc nhất Sợi 30nm uốn lượn thành các vòng, mỗi vòng chứa chừng 20-100kb Một dãy các vòng đó được nối với nhau bởi một trục protein Dãy vòng này có bề dày chừng 300nm, chúng có thể gấp lại ở những đoạn nhất định và xếp thành cấu trúc cao hơn nữa (700nm) Cấu trúc 700nm ngưng tụ vào nhiễm sắc thể của nhân gián phân, ở trung kỳ nhiễm sắc thể này có bề rộng cỡ 1400nm và chỉ dài vài micromet (10-6m) So với chiều dài lý thuyết của ADN ở trạng thái duỗi hoàn toàn (1cm = 10-2m), kích thước nói trên được thu gọn cỡ 10000 lần với một trật tự hoàn hảo

4 Sự thể hiện gen:

 Sự thể hiện gen chính là một trong hai chức năng chính yếu nhất của nhiễm sắc thể Chức năng thứ hai - tự sao chép và di truyền cho các tế bào con, sẽ đề cập trong các bài riêng biệt Trong bài này, sẽ xem xét chức năng thể hiện gen, hay đúng hơn là giai đoạn đầu của nó được thực hiện trong nhân

 Gen là một đoạn trong phân tử ADN của nhiễm sắc thể, mã hóa cho một polypeptid hay một phân tử ARN Sự thể hiện của một gen là sự tạo ra các phân tử do

nó mã hóa cấu trúc Trong quá trình đó, thông tin di truyền chứa trong ADN được

truyền sang phân tử ARN hay protein Quá trình này thực hiện tuân theo Định đề

trung tâm của sinh học phân tử

 Dòng thông tin di truyền đi từ ADN đến protein qua hai giai đoạn:

 Phiên mã (sao chép mã, transcription): tổng hợp ARN trên ADN Thứ tự nucleotid của ARN mới được tổng hợp là do thứ tự nucleotid trên ADN qui định

 Phiên dịch mã (dịch mã, translation): tổng hợp protein trên ARN Với tế bào Eucaryot, giai đoạn này xảy ra ngoài bào tương Thứ tự của acid amin của polypeptid mới tổng hợp là do thứ tự các nucleotid trên mARN quy định

 Trong tế bào Eucaryot, sự thể hiện gen được kiểm soát trên cả hai cấp phiên mã và phiên dịch mã Sự phiên dịch mã sẽ được đề cập trong một bài riêng biệt Trong bài này, chúng ta hãy xem xét sự thể hiện gen qua phiên mã