Như ta đã biết, phân tử ADN là vật chất mang thông tin di truyền và thông tin di truyền được di truyền từ thế hệ bố mẹ sang thế hệ con cái. Ở mỗi cơ thể nhất định, thông tin di truyền được thể hiện ở các tính trạng hình thái và sinh lý. Các tính trạng đó đều do protein quy định. Mà cấu tạo đặc thù của protein được quy định bởi cấu tạo đặc thù của ADN, hay nói cách khác mã di truyền trên phân tử protein được quy định bởi mã di truyền trên phân tử ADN. Như vậy, thông tin di truyền được chuyển hóa phân tử ADN đến protein nhờ những quá trình nào? Có những ngoại lệ nào lien quan đến học thuyết trung tâm? Và hiện nay có những hiểu biết sai lệch về luận thuyết trung tâm. Để làm rõ những vấn đề trên, tôi chọn vấn đề: “Luận thuyết trung tâm”
Trang 1ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
TIỂU LUẬN SINH HỌC PHÂN TỬ
Đề tài:
LUẬN THUYẾT TRUNG TÂM
Giáo viên hướng dẫn: PGS –TS Nguyễn Bá Lộc Học viên thực hiện: Trần Thị Hoàng Anh Lớp: Lý luận và Phương pháp K19
Huế, 01 năm 2011
Trang 2MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU
I Lý do chọn đề tài:
II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
III Phương pháp nghiên cứu:
PHẦN II: NỘI DUNG
CHƯƠNG I: LUẬN THUYẾT TRUNG TÂM
I Khái niệm
II Nội dung của luận thuyết trung tâm
2.1 Quá trình tái bản AND
2.1.1 Các hình thức tái bản AND:
2.1.2 Tái bản bán bảo thủ ở Prokaryote:
2.1.3 Tái bản bảo thủ ở Eukariote:
2.1.4 Sữa chữa sai sót trong tái bản:
2.1.5 Vai trò tái bản:
2.1.6 Các vấn đề chú ý:
2.2 Quá trình phiên mã:
2.2.1 Thành phần tham gia:
2.2.2 Cơ chế phiên mã ở Prokaryote:
2.2.3 Cơ chế phiên mã ở Eukaryote:
2.2.4 Vai trò của phiên mã:
2.4 Sự điều hòa biểu hiện của gen:
2.5 Mối quan hệ giữa AND, ARN và Protein.
Trang 3III Các ngoại lệ lien quan đến luận thuyết trung tâm.
Trang 4PHẦN I: MỞ ĐẦU I.Lý do chọn đề tài:
Như ta đã biết, phân tử ADN là vật chất mang thông tin di truyền và thông tin
di truyền được di truyền từ thế hệ bố mẹ sang thế hệ con cái Ở mỗi cơ thể nhất định, thông tin di truyền được thể hiện ở các tính trạng hình thái và sinh lý Các tính trạng đó đều do protein quy định Mà cấu tạo đặc thù của protein được quy định bởi cấu tạo đặc thù của ADN, hay nói cách khác mã di truyền trên phân tử protein được quy định bởi mã di truyền trên phân tử ADN
Như vậy, thông tin di truyền được chuyển hóa phân tử ADN đến protein nhờ những quá trình nào? Có những ngoại lệ nào lien quan đến học thuyết trung tâm?
Và hiện nay có những hiểu biết sai lệch về luận thuyết trung tâm Để làm rõ
những vấn đề trên, tôi chọn vấn đề: “Luận thuyết trung tâm”
II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu: Luận thuyết trung tâm
Phạm vi nghiên cứu: chỉ tập trung nghiên cứu quá trình:
- Tái bản, sao mã và dịch mã
- Quá trình điều hoà gen
- Quá trình phiên mã ngược
- Và các ngoại lệ lien quan đến luận thuyết trung tâm
III Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu đề tài là phương pháp tổng hợp các tài liệu được lấy từ các nguồn thông tin như thư viện, báo đài, internet Dựa vào sự phân tích, tổng hợp, so sánh, đối chiếu các tài liệu để thực hiện đề tài.
Trang 5PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: LUẬN THUYẾT TRUNG TÂM
I Khái niệm
Luận thuyết trung tâm (Central dogma) của sinh học phân tử được đề xướng
bởi Francis Crick vào năm 1958 và định nghĩa chính xác là:
Luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử quan tâm đến việc vận chuyển từng phần một cách chi tiết của thông tin trình tự Nó khẳng định rằng những thông tin đó không thể được vận chuyển từ protein đến protein hay nucleic acid khác
Đường đi của dòng thông tin chuẩn có thể được tóm tắt một cách vắn tắt và đơn giản hóa là DNA hay vật chất di truyền nói chung đều có khả năng tự sao
chép một cách chính xác bản thân nó trong một quá trình gọi là tái bản
(replication) - cơ sở của sự tự nhân đôi nhiễm sắc thể và, do đó, là cơ sở của sự phân chia tế bào (mà thực chất là sự phân chia hay truyền đạt vật chất di truyền;
Đó còn là các quá trình hoạt động và điều hoà sự biểu hiện của các gene trong bộ
gene - phiên mã (transcription) và dịch mã (translation) - tạo ra các phân tử (RNA
và protein) tham gia vào các cấu trúc và hoạt động sống cơ sở của tế bào Nhờ đó
mà con cái sinh ra thường giống với cha mẹ, mỗi loài duy trì sự ổn định tương đối
bộ gene của mình và, nói rộng ra là, nhờ đó mà sự sống được duy trì một cách liên
Học thuyết trung tâm
Trang 6tục kể từ khi sự sống bắt đầu hình thành trên trái đất cách đây chừng ba tỷ rưỡi năm
II Nội dung của luận thuyết trung tâm
2.1 Quá trình tái bản AND
• Tái bản gián đoạn:
Từ AND khuôn cắt ra tạo đoạn ngắn 1 đoạn tổng hợp theo kiểu bảo thủ, 1 đoạn tổng hợp theo kiểu bán bảo thủ
2.1.2 Tái bản bán bảo thủ ở Prokaryote:
a.Vai trò các yếu tố tham gia tái bản AND
- AND khuôn: vai trò trong toàn bộ phân tử
- Nguyên liệu: dNTP( dATP, d GTP, dCTP, dTTP)
+ Cung cấp năng lượng cho quá trình
+ Cung cấp nguyên liệu cho quá trình (dAMP, dGMP, dCMP, dTMP)
Trang 7+ ARNpolymerase: tổng hợp đoạn ARN mồi
+ Ligase: nối các đoạn Okazaki với nhau
- Protein:
+ SSB: làm nhiêm vụ bám sợi đơn của ADN sau khi đã được tháo xoắn để
ổn định trạng thái tháo xoắn Nhờ protein SSB mà hai sợi đơn sau khi tháo xoắn không tái liên kết với nhau và cũng không gấp khúc lại tạo nên các cấu trúc vòng
do hình thành sự bổ sung.
+ Protein gắn với AND: kích hoạt 2 enzym AND polymeraseII, III.
- Helicaza: mở xoắn kép ADN thành hai chuỗi đơn bằng cách cắt các liên kết hydro.
b.Cơ chế:
- Giai đoạn mở đầu:
+ Enzim helicaza mở xoắn ADN, phân hủy các liên kết hydro giữa hai sợi đơn để tách rời hai sợi đơn ở vùng tái sinh tạo nên chạc tái sinh.
+ Các protein SSB đến gắn vào chạc tái sinh, ngăn không cho hai mạch tái xoắn lại với nhau, gyraza mở xoắn theo chiều xoắn trái.
+ Primaza xúc tác sự tạo ARN mồi bổ sung với mạch khuôn 3’-5’.
- Giai đoạn kéo dài:
+ Tổng hợp chuỗi sớm:
Trên mạch khuôn 3’-5’, sau khi primaza tổng hợp đoạn mồi, các nucleotid tiếp tục đến gắn vào đầu 3’-OH của chuỗi theo nguyên tắc bổ sung với chuỗi làm khuôn (chuỗi 3’-5’) nhờ ADN-polymeraza III.
Chuỗi sớm được tổng hợp liên tục, tháo xoắn đến đâu thì các nucleotid tự do trong môi trường nội bào tương ứng bổ sung với các nucleotid trên mạch khuôn lần lượt đến gắn vào đầu 3’-OH bằng cách tạo liên kết photphodiester với nucleotid liền trước đó.
Có trường hợp không cần tổng hợp đoạn ARN mồi mà chuỗi khuôn của ADN tự xoắn lại tạo đoạn mồi do đầu 3’-OH quay ngược lại.
+ Tổng hợp chuỗi muộn:
Trang 8Trên mạch khuôn 5’-3’ của ADN chiều tháo xoắn và chiều tổng hợp ngược nhau nên quá trình tổng hợp không diễn ra liên tục mà tạo ra các đoạn okazaki ngược chiều với chiều phát triển của chạc tái sinh.
Mỗi đoạn okazaki có ARN mồi riêng được tổng hợp nhờ primaza Mồi được tổng hợp bổ sung với chuỗi khuôn 5’-3’ và ngược chiều tháo xoắn, tức là tháo xoắn một đoạn mới tổng hợp theo chiều ngược lại Xúc tác cho sự tổng hợp chuỗi muộn là phức hợp protein có tên là primosom Primosom di chuyển trên chuỗi khuôn 5’- 3’.
Trong quá trình di chuyển, primosom tiến hành tổng hợp các đoạn ARN mồi nhờ pimaza, sau đó chuỗi bổ sung của ADN được kéo dài nhờ ADN-polymeraza tạo ra đoạn okazaki
Khi đoạn okazaki mới được hoàn chỉnh, ARN mồi tách ra nhờ ADN – polymeraza I, sau đó đoạn ARN mồi được thay thể bằng đoạn ADN tương ứng nhờ ADN-polymeraza I Tiếp theo ligaza hàn khe hở giữa hai đoạn okazaki lại Cũng có trường hợp hai chuỗi được tổng hợp đồng thời và cùng chiều Trong trường hợp này ADN-polymeraza III gồm hai tiểu thể: Một tiểu thể xúc tác tổng hợp chuỗi sớm, một tiểu thể xúc tác tổng hợp chuỗi muộn Trên chuỗi ADN mẹ làm khuôn chuỗi muộn xảy ra sự quấn một vòng quanh tiểu đơn vị phụ trách chuỗi muộn làm đảo ngược chiều của chuỗi khuôn này Do vậy, chiều chuỗi khuôn đoạn quấn quanh ADN-polymeraza III là chiều 3’-5’, sự tổng hợp chuỗi bổ sung cho nó đúng theo chiều thóa xoắn, cùng chiều với sự tổng hợp chuỗi sớm ADN-polymeraza di chuyển đến đâu thì đảo ngược chiều chuỗi khuôn đến đó và quá trình tổng hợp sẽ xảy ra Quá trình tổng hợp này vẫn tạo ra các đoạn okazaki
vì sau khi tổng hợp từng đoạn bổ sung, các đoạn này cũng được quay ngược chiều trở lại theo sự quay của chuỗi khuôn.
- Giai đoạn kết thúc:
Quá trình kéo dài cứ tiếp diễn cho hết vòng ADN, hai chạc tái bản gặp nhau
ở phía đối diện của nhiếm sắc thể vòng của E.coli.
2.1.3 Tái bản bảo thủ ở Eukariote:
Tuy phức tạp hơn ở Prokariote nhưng về cơ bản giống ở Prokariote:
- Tái bản theo hai hướng ngược chiều.
- Tổng hợp bổ sung đối song chỉ xảy ra theo chiều 5’ – 3’.
Trang 9- Xảy ra trên hai chuỗi với cơ chế khác nhau:
+ Chuỗi sớm tổng hợp liên tục.
+ Chuỗi muộn tổng hợp thành từng đoạn okazaki.
- Cần có ARN mồi hay ADN mồi.
Tuy nhiên tái bản ADN ở Eukariote cũng có những đặc điểm riêng:
- Trên một phân tử ADN khuôn quá trình tổng hợp ADN xảy ra đồng thời ở nhiều điểm, trên ADN khuôn có nhiều điểm khởi đầu và điểm kết thúc.
- Vận tốc tổng ADN ở Eukariote chậm hơn ở Prokariote.
- Ở Eukariote có bốn loại enzim tham gia: ADN-polymeraza α, β, γ, δ (ở Prokariote chỉ có ba loại: I, II, III)
Trên ADN của Eukariote quá trình tổng hợp được tái sinh trên từng đơn vị sao chép Mỗi đơn vị sao chép có điểm khởi đầu, điểm kết thúc Tại mỗi điểm khởi đầu quá trình tái bản phát triển theo hai hướng, tạo ra hai chạc tái bản đối diện nhau Các đơn vị tái bản phát triển theo hai hướng cho đến khi gặp nhau tạo thành hai phân tử ADN con.
2.1.4 Sữa chữa sai sót trong tái bản:
Sữa chữa ADN là đặc tính thiết yếu của tế bào sống, nhằm phục hồi cấu trúc ADN bị tổn thương do các tác nhân lý – hóa hoặc tự phát trong quá trình tái bản ADN Có nhiều hệ thống sữa sai trong tế bào: đọc sữa trong lúc tái bản nhờ một
số ADN-polymeraza, quang phục hoạt, cắt bỏ bazơ hoặc nucleotid Nhờ có sữa chữa mà tỷ lệ đột biến đã thấp hơn rất nhiều (từ 10-5 chỉ còn 10-9).
Nhờ ADN-polymeraza I, III vừa có khả năng tổng hợp vừa có khả năng phân hủy (cắt liên kết photphodiester), khi tiến hành tái bản nếu có sai sót trước đó thì ADN-polymeraza III quay ngược lại để sữa chữa Sau khi tổng hợp hoàn thiện, ARN mồi được thay bằng ADN tương ứng thì ADN-polmeraza I đồng thời sữa chữa sai sót.
Sữa chữa bằng quang phục hoạt được xúc tác bởi ADN photolyase Hình thức sữa chữa này được tiến hành đối với dimmer thymine, cơ chế sữa chữa như sau: enzim phát hiện và bám vào vị trí ADN bị tổn thương; enzim hấp thụ ánh sáng có bước sóng 320 – 370nm và được kích hoạt để có thể cắt đứt các liên kết
Trang 10vốn tạo ra dimmer, làm phục hồi trạng thái bổ sung giữa các bazơ của hai sợi; sau
đó enzim rời khỏi ADN, sai sót được sữa chữa.
Sữa chữa bằng cắt bỏ được thực hiện bởi các enzim đặc thù và không cần ánh sang Sự tách bỏ vùng ADN hư hại và thay bằng ADN mới xảy ra bằng cách cắt bỏ bazơ hoặc cắt bỏ nucleotid.
2.1.5 Vai trò tái bản:
Nhờ có quá trình tái bản làm cho ADN nhân đôi, tạo điều kiện cho nhiễm sắc thể nhân đôi, đảm bảo cho sự ổn định bộ nhiễm sắc thể của các thế hệ tế bào và các thế hệ của loài.
Tái bản ADN đảm bảo truyền đạt thông tin chính xác.
2.1.6 Các vấn đề chú ý:
* Vì sao mạch mới AND luôn
được tổng hợp theo chiều 5’ - 3’?
- Mỗi một nu đã bị photphoril hóa
ở đầu 5’ và chỉ có đầu 3’-OH tự do nên
chiều của nó là 5’-3’ Khi liên hệ với
các nu tiếp theo cũng theo chiều 5’ –
3’, do đó chiều của mạch đơn AND là
chiều 5’-3’.
- AND pol chỉ có thể tổng hợp
mạch mới khi nó tiếp cận với vị trí
3’-OH rNu cuối cùng của đoạn mồi và
kéo dài mạch theo chiều 5’-3’.
- Các mạch mới luôn được tổng
hợp theo chiều 5’-3’, trong đó mạch liên tục cùng chiều với chiều tháo xoắn của AND mẹ, còn mạch gián đoạn được tổng hợp ngược chiều.
Trang 11- Sự hoàn tất quá trình sao chép diễn ra
nhanh(E.coli 40’)
- Tốc độ sao chép nhanh: 850 – 1500
cặp nu/s
-Số enzime tham gia ít hơn
- Quá trình sao chép diễn ra trong suốt pha S(68 giờ)
- Tốc độ sao chép chậm: 10 – 100 cặp nu/s
- Số enzime tham gia nhiều hơn vì ti thể
có enzime.
* Vì sao AND có khả năng tái bản chính xác?
- Quá trình sao chép chính xác của AND mẹ được thực hiện theo NTBS, khuôn mẫu và bán bảo toàn.
- Quá trình tái bản chính xác của AND mẹ nhờ sự hoạt động của enzime AND polimerasa
*
Lai phân tử là gì? Lai phân tử dựa trên đặc tính nào của AND? Vai trò?
- Lai phân tử là phép lai giữa các phân tử AND của các loài hoặc phép lai giữa AND – ARN, ARN – ARN.
- Đặc tính: biến tính và hồi tính.
- Vai trò:
+ Cho phép xác định vị trí của gen trên NST hay trên AND
+ Xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài với nhau căn cứ vào tỉ lệ bắt cặp theo NTBS giữa AND của các loài Nếu tỉ lệ bắt cặp càng lớn thì mqh họ hàng càng gần và ngược lại.
+ Xác định được cấu trúc gen phân mãnh ở SV nhân thực
+ Ứng dụng trong kỹ thuật AND tái tổ hợp: Nhận biết hay phân lập AND tái
Trang 12Phân tử ADN khuôn chỉ sử dụng một mạch có chiều 3’- 5’ theo chiều tháo xoắn để làm khuôn tổng hợp ARN.
Ở một số virus, thông tin di truyền chứa đựng trong ARN, nên toàn bộ phân
+ Các enzim cắt nối: tham gia vào quá trình hoàn thiện ARNm
(Enzim có bản chất là protein, do gen – một đoạn ADN quy định).
- Các yếu tố tham gia hỗ trợ: yếu tố ρ và phức hợp spepolixom (SnARN +Pr)
2.2.2 Cơ chế phiên mã ở Prokaryote:
- Giai đoạn mở đầu:
+ Phân tử ADN được tháo xoắn nhờ Topoiizomeraza (tháo xoắn sơ cấp) và Helicaza (thóa xoắn thứ cấp).
+ ARN-polymeraza tách làm hai tiểu đơn vị: lõi enzim và yếu tố δ Lõi enzim tiến hành mở xoắn chuỗi ADN Yếu tố δ nhận biết chuỗi làm khuôn và điểm mở đầu nhờ các tín hiệu trên promoter.
+ Helicase tháo xoắn một đoạn khoảng 30 nucleotid tạo nên bóng sao mã Tại một điểm mở đầu A trên bóng sao mã liên kết với UTP để bắt đầu tổng hợp.
Trang 13- Giai đoạn kéo dài:
+ Tổng hợp đoạn phân tử dài 12 cặp nucleotid: Nhờ lõi enzim các nucleotid trong môi trường đến tạo liên kết photphodiester với nucleotid cuối chuỗi đang kéo dài về phía 3’ và tạo liên kết bổ sung với nucleotid trên chuỗi ADN khuôn tạo phân tử lai ARN-ADN với chiều dài 12 cặp nucleotid.
+ Kéo dài chuỗi theo chu kì:
Tháo xoắn ADN khuôn, thêm một nucleotid về phía đầu 5’ làm cho bóng sao
mã dài ra thành 31 nucleotid.
Nhờ ARN kéo dài thêm một nucleotid nên phân tử lai có 13 cặp nucleotid Tháo xoắn phân tử lai về phía đầu 3’, phân tử lai trở lại 12 cặp nucleotide Tạo liên kết đóng xoắn về phía đầu 3’ của ADN thêm một nucleotid, bóng sao mã trở lại 30 nucleotid.
- Giai đoạn kết thúc: có hai kiểu kết thúc
+ Kết thúc nhờ yếu tố ρ:
Yếu tố ρ di chuyển trên ARN mới tổng hợp và trượt vào bóng sao mã, ở đó ρ làm nhiêm vụ tách xoắn lai ARN-ADN ra và giải phóng ARN, kết thúc quá trình sao mã.
+ Kết thúc không nhờ yếu tố ρ:
Chỉ xảy ra ở một số ARN có cấu trúc đặc thù: cấu trúc ngược chiều Sau đó tạo cấu trúc “trâm cài tóc”, cấu trúc này ức chế enzim làm cho enzim không xúc tác quá trình kéo dài.
2.2.3 Cơ chế phiên mã ở Eukaryote:
- Giai đoạn mở đầu :
Tháo xoắn cục bộ ngay tại vùng mở đầu của gen Sau đó, yếu tố δ làm nhiệm
vụ nhận biết, lõi enzim gắn nucleotid đầu tiên ở vị trí mở đầu.
- Giai đoạn kéo dài: tương tự Prokariote
- Giai đoạn kết thúc: cơ bản giống Prokariote nhưng hình thức kết thúc nhờ
yếu tố ρ là chủ yếu.
Trang 14* Sau khi tổng hợp xong, các tiền ARNm được nối mũ và đuôi, sau đó cắt bỏ các đoạn itron, nối các đoạn exon lại với nhau tạo thành các ARNm hoàn thiện tham gia vào quá trình giải mã.
2.2.4 Vai trò của phiên mã:
Sản phẩm của quá trình sao mã là các loại ARN, trong đó ARNm là loại ARN quan trọng nhất, nó là yếu tố truyền đạt thông tin về cấu trúc protein theo
mã di truyền quy định từ một đoạn sợi ADN để đến riboxom tổng hợp protein.
2.2.5 Các vấn đề cần chú ý:
*Sự khác nhau giữa cơ chế nhân đôi với phiên mã ở sinh vật nhân sơ?
- Nguyên liệu: Cần 8 loại(4 loại Nu cho
AND con và 4 loại rNu cho ARN mồi)
- Mạch khuôn: Sử dụng cả hai mạch
đơn của ADN
- Hoạt động của enzime: Sử dụng cả
phức hệ enzime để nhận biết điểm sao
chép, tách mạch, bám mạch, tháo xoắn,
tổng hợp đoạn mồi, tổng hợp mạch mới,
tổng hợp ADN thay thế, nối kín các
Trang 15- Nguyên tắc: NTBS, khuôn mẫu, bán
bảo toàn
- Kết quả: 1 AND mẹ cho ra 2 AND
con giống hệt nhau
- Nguyên tắc: NTBS, khuôn mẫu
- Kết quả: Tạo ra một đến nhiều mARN tùy theo nhu cầu tế bào.
* Sự khác nhau giữa tiền mARN và ARN trưởng thành trong quá trình phiên
mã ở sinh vật nhân thực?
- Nằm ở trong nhân
- Kích thước dài vì gồm các Intron và
Exon xen kẽ nhau
- Không có phần đầu 5’, 3’ được cải
biến
- Thường ít khi có kích thước hoàn
chỉnh bởi vì sự cắt đoạn Intron có thể
xảy ra ngay trong khi phiên mã chưa