NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC - CHƯƠNG 2 doc

• Tế bào thể hiện thực sự là một nhà máy tí hon : trong các thành phần tế bào diễn ra vô số phản ứng enzyme dưới sự kiểm soát chính xác về không gian và thời gian của bộ gen.• Các tế bào

CHƯƠNG II

TẾ BÀO LÀ NHÀ MÁY SẢN XUẤT VÀ CÔNG CỤ THỬ NGHIỆM CỦA CNSH

I CÁC PHÂN TỬ

II CÁC GEN

III CÁC TẾ BÀO

IV CẢI BIẾN VÀ SỬ DỤNG TẾ BÀO

• Tế bào thể hiện thực sự là một nhà máy tí hon : trong các thành phần tế bào diễn ra vô số phản ứng enzyme dưới sự kiểm soát chính xác về không gian và thời gian (của bộ gen).

• Các tế bào cũng thực hiện những công việc tinh vi (và vô cùng phức tạp) mà các kỹ sư tài giỏi nhất vẫn chưa bắt chước được.

I CÁC PHÂN TỬ.

• 1 Các nguyên tố cơ thể sống

Sự hoàn hảo của hóa học tế bào sống thể hiện ngay trong thành

phần các nguyên tố vốn có trong

thiên nhiên Trong 92 nguyên tố

của thiên nhiên chỉ 25 có trong

các sinh vật.

Bảng II.1 Tỉ lệ tương đối và

tầm quan trọng các nguyên tố

trong cơ thể người.

• Tên và tỉ lệ (%) Tầm quan trọng hay

chức năng

• 1 Oxygen (O) 65 Tham gia vào hô hấp; có trong nước và hầu hết các chất hữu cơ.

• 2 Carbon (C) 18 Tạo khung chất hữu cơ;

có thể tạo liên kết với 4 nguyên tử khác

• 3 Hydrogen (H) 10 Có trong hầu hết các

chất hữu cơ và thành phần của nước.

• 4 Nitrogen (N) 3 Thành phần của các

protein, acid nucleic.

• 5 Calcium (Ca) 1,5Thành phần xương và răng; quan trọng trong co cơ, dẫn truyền xung thần

kinh, và đông máu.

• 6 Phosphor (P) 1 Thành phần acid nucleic;

xương; rất quan trọng trong chuyển năng

lượng.

• 7 Kalium (K) 0.4 (Potassium) Cation (ion+ )

chủ yếu tế bào; quan trọng cho hoạt động thần

kinh và co cơ.

• 8 Sulfur (S) 0.3 Thành phần của protein.

• 9 Natrium (Na) 0.2

• (Sodium) Ion + chủ yếu trong dịch của mô;

quan trọng trong cân bằng chất dịch; ong

dẫn truyền xung thần kinh.

• 10.Magnesium(Mg) 0.1 Cần cho máu, các mô;

thành phần nhiều hệ enzyme.

• 11 Chlor (Cl) 0.1 Anion chủ yếu của dịch

cơ thể; quan trọng trong cân bằng nội dịch.

• 12.Ferrum(Sắt)(Fe) vết Thành phần của

hemoglobin, myoglobin và một số enzyme.

• 13 Iod ( I ) vết Thành phần của

hormone tuyến giáp (thyroid).

• Các nguyên tố khác có rất ít (< 0,01%)

thường gọi là vi lượng hay vi tố.

2 Các chất vô cơ, hữu cơ.

a Nước (H2O).

• b Các chất vô cơ khác.

• Bộ xương chứa nhiều chất vô cơ nhất (khoảng 1/10

trọng lượng người, chủ yếu Ca).Các chất thường gặp: NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, CaCO3, MgSO3, NaH2PO4 “Ionomics”: các gen làm thế nào điều

hòa tất cả các ion trong tế bào ? -> tạo thực vật cần ít phân bón hơn, sản phẩm thu hoạch có giá trị dinh dưỡng cao hơn và thực vật có thể hút bỏ các kim loại gây ô nhiễm đất

Các chất hữu cơ phân tử nhỏ gồm

các chất như hydrocarbon, carbohydrate, lipid, các amino acid và

các nucleotide cùng các dẫn xuất

• Carbohydrate là nguồn cung cấp năng lượng chủ

yếu của sinh vật Thực vật tổng hợp nên các chất đường đơn, đôi và tinh bột Động vật ăn carbohydrate của thực vật và dự trữ ở dạng glycogen Glucose có trong dịch sinh vật và được duy trì ở một nồng độ ổn định

• Glucose còn là nguồn nguyên liệu tổng hợp các

chất khác

• Lipid :Các acid béo, Glycerid còn gọi là mỡ trung

tính, Phospholipid Các steroid và polyisoprenoid

Phospholipid-> màng tế bào Glycerid nguồn dự

trữ năng lượng dài hạn

Các amino acid : Các amino acid có hai

nhóm chứa: amin -NH2 mang tính kiềm và

carboxyl-COOH tính acid.

• Các L-amino acid nối nhau bằng liên kết peptid để

tạo thành mạch polypeptid Mạch polypeptid cóhai đầu mút: đầu -N và đầu C

• Có 20 amino acid với các chữ viết tắt gồm 3

chữ

Các nucleotide : Các nucleotide là

những đơn vị cấu trúc của DNA và RNA, mà thành phần gồm các base

nitơ mạch vòng Cytosine (C), Thymine (T) và Uracil (U) là các dẫn xuất của các pirimidine; còn Adenine (A) và Guanine (G) là các purine

4 Nucleic acid.

• – Cơ sở cho sự truyền đạt thông tin từ DNA đến RNA và protein.

• – Cơ sở cho sự sao chép chính xác của vật

chất di truyền.

• – Cơ chế phân tử của đột biến.

• – Biết trình tự nucleotide mạch1, suy ra

trình tự tương ứng mạch 2.

• – Biến tính (Denaturation) và hồi tính

(renaturation) DNA dẫn đến lai nucleic acid và lai phân tử làm cơ sở cho các chẩn đoán mới.

• – Tiềm năng cho sữa sai, khi sai ở mạch 1

dựa vào mạch 2 để sửa sai

– – Thuận tiện cho cắt nối, ghép gen.

Biến tính DNA và lai nucleic acid.

• ARN có các đặc điểm chung : cấu trúc một mạch, polyribonucleotide và uracil (thay thimine ) và

gồm 3 loại chủ yếu :

• 1 ARN thông tin (mARN) :

• 2 ARN ribosome (rARN):

• 3.ARN vận chuyển(tARN):

• + Bộ ba đối mã (anticodon) gồm 3 ribonucleotide đặc hiệu với amino acid mà nó cần vận chuyển Nó có thể nhận ra bộ ba mã hóa tương ứng trên mARN trong tổng hợp protein

• + Đầu đối diện có vị trí gắn axit amin đặc hiệu

5 Protein.

• Các enzyme hay ferment là nhóm protein lớn nhất

và quan trọng nhất Có hàng nghìn enzyme và

mỗi cái xúc tác một kiểu phản ứng sinh hóa nhất định

• Các protein đảm nhận nhiều chức năng quan

trọng của sự sống như xúc tác, cấu trúc, vận

chuyển, vận động, bảo vệ và hoạt tính điều hòa.

• Một số protein đặc biệt :

bacteriorhodopsin, protein một loại tơ

nhện, protein làm đông đá và chống

đông đá

• DNA trở nên dễ nghiên cứu và sự hiểu biết về gen ngày nay phải đạt đến

trình tự sắp xếp các

nucleotide của gen Hơn

thế nữa, nhiều phương

pháp dẫn xuất được xây

dựng nên đã nhân lên

đáng kể quyền lực của kỹ thuật di truyền

• Phải biết cấu trúc không gian 3 chiều của protein

ĐẶC ĐIỂM CÁC PHẢN ỨNG

HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO

• 1 Tuân theo các quy luật vật lý và hóa hocï

nhưng có những đặc điểm riêng.

• 2 Trật tự sinh học

• Biểu hiện đúng trong không gian và thời gian.

• 3 Phản ứng nhờ vào hệ thống cấu trúc và tổ chức của tế bào.

• 4 Sự xúc tác của enzyme.

• 5 Gởi tín hiệu xa với độ chính xác cao.

II CÁC GEN

• Sự xuất hiện khái niệm gen, nhân tố di truyền đã

cung cấp cho sinh học một đơn vị chính xác không những để quan sát, mà còn nghiên cứu thực

nghiệm chi tiết các hiện tượng muôn màu muôn vẽ của sinh giới Ví dụ, trong số hàng ngàn

enzyme của tế bào, các nhà sinh hóa học muốn

tách đúng cái cần tìm thì phải dựa vào các đột

biến sai hỏng ở chức năng tương ứng

• - Quan hệ tiến hóa : chuột làm mô hình

SỰ PHÁT TRIỂN KHÁI NIỆM GEN

• Năm 1865, Gregor Mendel và các quy luật

DI TRUYỀN HỌC MENDEL

Năm 1865, Gregor Mendel nêu ra các quy luật di truyền và khái niệm nhân tố di

truyền , mà sau này gọi là gen

Năm 1900 được coi là năm ra đời của Di

truyền học với phát minh lại các quy luật

Mendel Đầu thế kỷ 20, khái niệm gen được xác lập, nhưng ở dạng trừu tượng : nhân tố di

truyền xác định một tính trạng.

Đột biến chuột béo phì do sai hỏng

protein lectin

MÔ HÌNH CẤU TRÚC DNA

CỦA WATSON-CRICK

• – Năm 1953, mô hình cấu trúc phân tử

DNA của Watson-Crick đặt nền móng cho

sự phát triển của Sinh học phân tử " Học

thuyết trung tâm " của sinh học phân tử :

• DNA -> RNAm -> protein

• sao chép phiên mã dịch mãû

•

2 Học thuyết trung âm.

3 Điều hòa sự biểu hiện của gen.

• Các sinh vật đơn bào là một tế bào Cơ thể sinh

vật đa bào gồm nhiều tế bào có sự biệt hóa chức

năng, nhưng toàn bộ chúng phối hợp với nhau hài

hòa thành một thể thống nhất trong mối quan hệ

bên trong và với môi trường bên ngoài

• Hoạt động của gen trong cơ thể thống nhất được

điều hòa chính xác theo thời gian và trong không gian tuân theo chương trình phát triển cá thể.

• 1 Tế bào là đơn vị cơ sở của Sinh giới

• 2 Tế bào nhân sơ Prokaryotae và nhân chuẩn

Eukaryotae

• 3 Phân bào và sự chết theo chương trình

(apoptosis) của tế bào

• 4 Hoá học của tế bào : Tế bào là một "nhà máy hoá học đặc biệt".

• 5 Tín hiệu tế bào (Cell signalling)

• 6 Khả năng tự sinh sản

III CÁC TẾ BÀO.

Tế bào - một đối tượng cho những khám

phá kì diệu trong thế kỉ 21.

• Các sinh vật có cấu trúc hoá học rất phức tạp

Tuy nhiên, chỉ các chất hoá học phức tạp chưa đủđể có hoạt động sống Chúng phải được tổ chức

lại trong các phức hệ phân tử của nhiều bào quan với những chức năng chuyên biệt khác nhau, để

hình thành tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống

• Việc hiểu rõ cấu trúc của tế bào là cơ sở để nắm vững các cơ nguyên căn bản của sự sống.

Tế bào Prokaryotae : E coli

Tế bào Eukaryotae

3 Phân bào và sự chết theo chương

trình

• Nguyên phân và apoptosis điều hoà số lượng tế

bào trong quá trình phát triển, tăng trưởng và làm

lành vết thương.

• Sự kiểm soát chu trình tế bào : Một nhóm các

protein tương tác lẫn nhau được gọi là các chốt

kiểm soát (checkpoints) Chúng đảm bảo cho sự

sao chép nhiễm sắc thể (NST) và phân đều về các tế bào con

• Các tế bào cũng tuân theo “đồng hồ” báo cho biết

phải phân chia bao nhiêu lần Telomere là cấu trúc

ở đầu mút của NST, nó có hàng trăm đến hàng

nghìn đoạn (6 nucleoide) đặc hiệu lặp lại Trong mỗi lần nguyên phân, telomere mất đi từ 50 đến

200 nucleotide và cứ thế NST thể ngắn dần theo số lần nguyên phần

• Enzyme telomerase đặc hiệu giúp duy trì độ dài

bình thường của NST, nó hiện diện trong các tế

bào phân chia không giới hạn như các tế bào sinh

dục, ung thư, và trong vài kiểu tế bào bình thường

(như tế bào tủy xương) có vai trò cung cấp các tếbào mới

• Các hormone và nhân tố tăng trưởng là những tác nhân ngoại bào có ảnh hưởng đến sự phân bào

Các protein cyclin và kinase có tác động bên trong

tế bào đến nguyên phân

• Apoptosis được phát hiện vào thập niên 1990

cho thấy có những cơ chế phức tạp kiểm soát sự

chết của tế bào trong chu trình phát triển

4 Hoá học của tế bào

• Tế bào như một nhà máy hoá học rất đặc biệt, vì tế bào hoạt động ở điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp , tức các phản ứng hoá học diễn ra trong điều kiện nhiệt độ như nhau, áp suất như nhau Hao tốn năng lượng của các phản ứng hoá học trong tế bào là tối

thiểu Trong các PTN hoá học thông

thường, khó có thể thực hiện các phản ứng với những điều kiện và tiêu tốn năng lượng như vậy.

• Hoá học của tế bào có những đặc tính ưu việt như trên là nhờ :

• – Các chất xúc tác là những enzyme có tính đặc hiệu cao.

• – Hệ thống cấu trúc và sự phân bố không gian hợp lí trên màng.

• – Sự điều hoà hợp lí của các gen.

• – Hệ thống tín hiệu chính xác của các tế

bào.

IV CẢI BIẾN VÀ SỬ DỤNG TẾ

BÀO

• 1 Nuôi tế bào

• Nuôi tế bào động vật có ứng dụng : sản xuất

vaccine virus, các protein và hormone ; kháng thể đơn dòng,…

• Nuôi cấy mô thực vật góp phần cho nhân giống vô

tính và chọn giống in vitro Các tế bào thực vật đuợc

nuôi rời để sản xuất một số hoá chất Đặc biệt, có thể

sử dụng tế bào thực vật cố định (immobilized cell) để

thực hiện nhiều lần lặp lại một số phản ứng chuyển

hoá hoặc sản xuất các chất.

• Cố định tế bào giúp sử dụng hoạt tính enzyme

2 Sử dụng tế bào gốc (stem cell) để trị bệnh

• Việc phát hiện tế bào gốc soma có ý nghĩa quan

trọng, hứa hẹn nhiều ứng dụng to lớn Nhiều bệnh

do sai hỏng trong hoạt động sống của tế bào mà

hiện nay được chữa trị bằng các loại thuốc khác

nhau Một hướng nghiên cứu mới hiện nay là thay

tế bào gốc vào chỗ tế bào bệnh để hồi phục chức

năng trở lại bình thường mà không phải sử dụng

thuốc suốt đời Từ đó mà có lĩnh vực mới đang

phát triển là Y học phục hồi (Regenerative

medecine)

3 Tế bào nhân tạo

• Trên cơ sở biết rõ bộ gen các vi sinh vật và

các thử nghiệm nhằm loại bỏ từng gen xem vai trò của chúng như thế nào, con người đã biết được 300 gen tối thiểu cần cho hoạt động sống

của tế bào Từ đó, con người đã chế tạo tế bào

nhân tạo với 300 gen tối thiểu được bọc trong

màng phospholipid nhân tạo Tế bào nhân tạo

hứa hẹn nhiều ứng dụng ngoạn mục trong

tương lai.

4 Dùng tế bào thử nghiệm chế

phẩm và hoá chất

thường tiến hành trên chuột và các động vật Các thử nghiệm này đắt giá và có quy mô hạn chế Các mô hình tế bào được sử dụng mở ra khả năng to lớn trong tầm soát (screening) các chất thuốc hay xác định nhanh độc tính của các sản phẩm CNSH.

chất ưu việt của tế bào sống trực tiếp vào những quy trình sản xuất công nghiệp bằng những kĩ thuật mới tinh vi, chính xác, chủ động và với quy mô rộng lớn hơn Nhờ đó, CNSH đáp ứng

được những yêu cầu cao của cuộc cách mạng sinh học mới cần những kĩ thuật sản xuất không gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và có hiệu quả kinh tế cao.

IV CÁC SẢN PHẨM CỦA

TẾ BÀO.

• 1 Sự đa dạng sinh học.

• 2 Sản phẩm trao đổi sơ cấp (Primary metabolites).

• 3 Chất trao đổi thứ cấp (Secondary metabolites).

• 4 Các polysaccharide.

• 5 Các nucleic acid và protein.