BÀI GIẢNG HAY VỀ KIẾN THỨC DI TRUYỀN PHÂN TỬ

ĐỂ CÓ KẾT QUẢ CAO TRONG KÌ THI THPT QUỐC GIA SAU ĐÂY TÔI XIN GIỚI THIỆU CÁC TÀI LIỆU ÔN TẬP SINH HỌC HAY ĐẾN CÁC BẠN. MONG RẰNG NÓ SẼ HỮU ÍCH CHO CÁC BẠN

GÓI KIẾN THỨC 1: DI TRUYỀN HỌC PHÂN TỬ

(4 tiết - Bài 1,2,3,4)

 Tại sao em sinh ra vừa giống bố mẹ, vừa khác bố mẹ?

 Tại sao thiên tài Einstain lại là cha ruột của 2 người con … bình thường?

1 Vật chất di truyền Acid nucleic (Chủ yếu là ADN, một số chủng virus là ARN)

2 Cơ chế di truyền ADN nhân đôi

3 Cơ chế biến dị Đột biến gene

4 Cơ chế biểu hiện tính trạng Phiên mã và dịch mã

5 Cơ chế điều hòa biểu hiện Cơ chế điều hòa hoạt động của gene

BÀI 1: VẬT CHẤT DI TRUYỀN CẤP ĐỘ PHÂN TỬ - ACID NUCLEIC

Vật chất di truyền: Là vật chất mang thông tin di truyền quy

định tính trạng của cơ thể Ở cấp độ phân tử, hầu hết ở các loài

VCDT là ADN, trừ một số chủng virus có VCDT là ARN

I ACID NUCLEIC: Gồm 2 loại ADN và ARN

1 Vị trí phân bố

- Nhân sơ: Tế bào chất

- Nhân thực: Chủ yếu ở trong nhân, một lượng nhỏ có

trong các bào quan ty thể, lục lạp ở tế bào chất

2 Cấu trúc

a Cấu trúc hoá học

Hình 1.1 Cấu tạo một nucleotid (A)

Acid nucleic là acid hữu cơ trong tế bào, chứa các nguyên tố C, H, O, N và P

1 Đơn

phân

(300

đvC)

Hình

1.2

Nucleotide: Gồm 3 thành phần:

- Đường pentose (5C): Deoxyribose (C5H10O4)

- Base nitrogen (A, T, G, X)

- Nhóm phosphate - H3PO4

→ Trên cơ sở 4 loại nucleotide khác nhau ở

thành phần base, người ta chia nucleotide thành

4 loại: A, T, G, X

Ribonucleotide: Gồm 3 thành phần:

- Đường pentose (5C): Ribose (C5H10O5)

- Base nitrogen (A, U, G , X)

- Nhóm phosphate - H3PO4

→ Trên cơ sở 4 loại ribonucleotide khác

nhau ở thành phần base, người ta chia

ribonucleotide thành 4 loại: rA, rU, rG, rX

2 Một

mạch

- Các nucleotide trên mỗi mạch liên kết với

nhau bằng mối liên kết hóa trị (phosphodieste)

theo một chiều xác định (5’-3’) giữa đường của

- Các ribonucleotide trên mỗi mạch liên

kết với nhau bằng mối liên kết hóa trị

(phosphodieste) theo một chiều xác định

3 Hai

mạch

- 2 chuỗi polynucleotide liên kết với nhau bằng

các liên kết hydrogen theo NTBS:

+ A = T bằng 2 liên kết hydrogen

+ G  X bằng 3 liên kết hydrogen

- 1 chuỗi polyribonucleotide có thể tự

cuộn xoắn liên kết với nhau bằng các liên kết hydrogen: (VD: tARN, rARN)

+ rA = rU bằng 2 liên kết hydrogen + rG  rX bằng 3 liên kết hydrogen

Hình 1.2 Phân biệt các loại nucleotide

Hình 1.3 Liên kết giữa các cặp base

b Cấu trúc không gian: Được hai nhà bác học J.Watson và F.Crick công bố vào năm 1953

- Gồm 2 mạch polynucleotide xoắn kép,

đều song song quanh một quanh trục tưởng

tượng, giống 1 cái cầu thang xoắn

+ Bậc thang: Là sự liên kết giữa các cặp

base nitrogen theo NTBS

+ Tay thang: Là sự liên kết kế tiếp giữa 2

thành phần đường và nhóm phosphate

- Gồm 1 mạch polyribonu Có 3 loại polyribonu:

+ mARN: Mạch thẳng, có trình tự ribonucleotide

đặc hiệu (không được dịch mã) nằm gần mã mở đầu

để ribosome có thể nhận biết vị trí, chiều thông tin di truyền và tiến hành dịch mã

+ tARN: Chuỗi polyribonucleotide cuộn xoắn, có

đoạn các cặp base liên kết theo nguyên tắc bổ sung (A = U, G  X)

- Độ dài của một nucleotide là 3,4 A 0

- Mỗi chu kì xoắn gồm 10 cặp nucleotide

- Đường kính vòng xoắn là 20 A 0

→ 3 thuỳ Có 2 đầu quan trọng: Một đầu mang acid

amine, một đầu mang bộ ba đối mã (anticodon)

(Xem hình 1.6)

+ rARN: Chuỗi polyribonucleotide, ở nhiều vùng có

liên kết bổ sung tạo nên vùng xoắn kép cục bộ

Chú ý: Nhân sơ: ADN, vòng, kép

Nhân thực: Trong nhân là ADN, thẳng, kép; trong tế bào chất, ở các bào quan

là ADN, vòng, kép

Virus: ADN hoặc ARN; vòng hoặc thẳng; đơn hay kép  Nhóm virus có 8

dạng vật chất di truyền

3 Chức năng

a Chức năng của ADN

- Lưu trữ thông tin di truyền dưới dạng trình tự sắp xếp các nucleotide trên gene

- Bảo quản thông tin di truyền bằng mối liên kết hóa trị, liên kết hydrogen được hình thành giữa các

nucleotide

- Truyền đạt thông tin di truyền: Trình tự nucleotide trên mạch polynucleotide của ADN quy định

trình tự các ribonucleotide trên ARN từ đó quy định trình tự các acid amine trên phân tử protein:

 ADN → ARN → Polypeptide(protein) → Tính trạng

- Quy định tính đa dạng và đặc thù của các loài sinh vật: Do mỗi loài có nhiều gen, mỗi gene đặc

trưng ở số lượng, thành phần, trình tự sắp xếp của các nucleotide

b Chức năng của ARN

- mARN: Truyền đạt thông tin di truyền từ gene

- tARN: Vận chuyển acid amine Mỗi loại tARN chỉ vận

chuyển một loại acid amine

- rARN: Cùng với protein cấu tạo nên ribosome

- Ở một số virus, thông tin di truyền không lưu giữ trên

ADN mà được lưu giữ trên ARN (HIV, dại, …)

Hình 1.6 Cấu trúc tARN

Hình 1.5 Cấu trúc HIV

A Glicoprotein; B Vỏ ; C Capside; D

2 phân tử ARN; E Enzyme phiên mã ngược

II GENE: Đơn vị chức năng của ADN

1 Khái niệm

a Ví dụ

- Gene mang thông tin mã hoá chuỗi polypeptide α của

phân tử hemoglobin

- Gene mang thông tin mã hoá tARN, rARN

Hình 1.7 Cấu trúc hemoglobin

b Định nghĩa: Là một đoạn phân tử ADN (hoặc ARN) mang thông tin mã hoá cho một chuỗi

polypeptide hay một phân tử ARN  1 ADN = n gene

c Cấu trúc:

Vùng điều hoà Đầu 3’ mạch gốc Có trình tự nucleotide đặc biệt giúp enzyme

ARN-polymerase có thể nhận biết liên kết để khởi động quá trình phiên mã Đồng thời chứa các trình tự nucleotide điều hòa phiên mã

Vùng mã hoá Giữa Mã hóa acid amine

Vùng kết thúc Đầu 5’ mạch gốc Mang tín hiệu kết thúc quá trình phiên mã

d Phân loại

*Trên cơ sở chức năng của gene: Gồm gene điều hòa và gene cấu trúc

*Trên cơ sở cấu trúc của gene:

- Gene phân mảnh: Được cấu tạo bởi 2 loại đoạn Exon (đoạn mã hóa acid amine) và đoạn Intron

(đoạn không mã hóa acid amine), có ở tế bào nhân thực

- Gene không phân mảnh: Được cấu tạo bởi 1 loại đoạn Exon, có ở tế bào nhân sơ

2 Mã di truyền: Đơn vị chức năng của gene

a Định nghĩa: Là bộ gồm 3 nucleotide kế tiếp nhau trên gene cùng quy định một acid amine hoặc

có chức năng kết thúc

b Đặc điểm

+ Tính có hướng và liên tục: Đọc từ một điểm xác định theo từng bộ ba (ribo)nucleotide, không

gối lên nhau

+ Tính phổ biến: Tất cả các loài sinh vật đều sử dụng chung 64 bộ mã di truyền (trừ một vài

ngoại lệ)

+ Tính đặc hiệu: Mỗi một bộ ba chỉ quy định một acid amine

+ Tính thoái hoá: Hai hay nhiều bộ ba cùng quy định một acid amine

+ Các bộ ba cùng mã hóa cho một acid amine có thường có 2 nu đầu giống nhau

VD: XGU, XGX, XGA, XGG, AGA, AGG đều mã hóa acid amine arginine

c Phân loại

+ Mã không mã hoá acid amine: UAA, UAG, UGA

+ Mã mã hoá acid amine: Các bộ ba còn lại (AUG là mã mở đầu, mã hoá acid amine methionine

ở sinh vật nhân thực, mã hóa acid amine formyl methionine ở sinh vật nhân sơ)

Chú ý: Bộ ba trên ADN: Bộ ba mã hóa

Bộ ba trên mARN: Bộ ba sao mã (codon)

Bộ ba trên tARN: Bộ ba đối mã (anticodon)

III PROTEIN – CẤU TRÖC KHÔNG PHẢI VẬT CHẤT DI TRUYỀN

1 Đơn phân: Acid amine

Trong tự nhiên có khoảng 20 loại acid amine khác

nhau Mỗi acid amine gồm 3 thành phần:

- Nhóm amine (-NH2)

- Nhóm carboxyl (-COOH)

- Nhóm R (-R)

Hình 1.8 Cấu trúc một acid amine

Cả 3 nhóm cùng liên kết với một nguyên tử carbon () trung tâm

2 Chuỗi polypeptide: Là trình tự sắp xếp các acid amine, trong đó các acid amine liên kết với nhau

bằng mối liên kết peptide

Liên kết peptide là mối liên kết được hình thành giữa nhóm carboxyl của acid amine trước với nhóm

amine của acid amine tiếp theo, đồng thời giải phóng một phân tử nước

BÀI 2: CƠ CHẾ DI TRUYỀN CẤP ĐỘ PHÂN TỬ - QUÁ TRÌNH ADN NHÂN ĐÔI

1 Bản chất: Là cơ chế mà thông tin di truyền được mã hóa dưới dạng trình tự các nucleotide trên

phân tử ADN được truyền đạt chính xác qua các thế hệ tế bào, cơ thể Kết quả từ một phân tử ADN mẹ tạo ra 2 phân tử ADN con giống hệt nhau và giống hệt mẹ

2 Vị trí: - Sinh vật nhân sơ: Xảy ra trong tế bào chất

- Sinh vật nhân thực: Xảy ra trong nhân, trong các bào quan ty thể, lục lạp

3 Thời điểm: Pha S thuộc giai đoạn chuẩn bị của quá trình phân bào (Xem bài 7)

4 Nguyên tắc

- Nguyên tắc bổ sung: Là nguyên tắc A liên kết với T bằng 2 liên kết hydrogen, G liên kết với

X bằng 3 liên kết hydrogen

- Nguyên tắc bán bảo toàn: Là nguyên tắc giữ lại một nửa trong quá trình nhân đôi

5 Thành phần tham gia: Trong môi trường nội bào:

- Một phân tử ADN

- 4 loại nucleotide A, T, G, X

- Enzyme ADN – polymerase, là enzyme chỉ có hoạt tính 5’-3’ tức là chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5’-3’; enzyme primase có vai trò tổng hợp đoạn mồi

- ATP, …

6 Cơ chế

*Bước 1: Tháo xoắn phân tử ADN

Dưới tác dụng của các enzyme tháo xoắn → 2

mạch đơn của phân tử ADN tách nhau dần, tạo nên

chạc sao chép hình chữ Y và để lộ ra 2 mạch khuôn

*Bước 2: Tổng hợp 2 mạch mới

- Dưới tác dụng của enzyme primase đã tổng hợp nên

các đoạn mồi có bản chất là ARN trên 2 mạch, là

cơ sở để ADN-polymerase tổng hợp mạch ADN

mới trên 2 mạch gốc

- Enzyme ADN-polymerase sử dụng 2 mạch của gene

làm khuôn để tổng hợp 2 mạch mới bằng cách gắn

các nucleotide từ môi trường nội bào với các

nucleotide trên mạch gốc theo NTBS

Vì ADN-polymerase chỉ tổng hợp mạch mới theo

chiều 5’→3’ nên theo chiều 2 mạch tách nhau ra:

+ Trên mạch khuôn có chiều 3’→5’: Mạch mới bổ sung được tổng hợp liên tục do chiều tổng

hợp cùng chiều với chiều 2 mạch ADN tách nhau ra

+ Trên mạch khuôn có chiều 5’→3’: Mạch mới bổ sung được tổng hợp gián đoạn do chiều tổng

hợp ngược chiều với chiều 2 mạch ADN tách nhau ra nên sau khi mở xoắn được một đoạn,

enzyme primase và ADN polymerase tranh thủ tổng hợp đoạn Okazaki Quá trình cứ diễn

ra như vậy, sau đó các đoạn mồi được enzyme loại bỏ và enzyme ligase nối các đoạn

Okazaki lại với nhau thành mạch hoàn chỉnh

*Bước 3: Tạo thành hai phân tử

Quá trình nhân đôi cứ như vậy cho đến hết phân tử ADN Kết quả tạo ra 2 phân tử ADN mới, trong

đó mỗi phân tử gồm một mạch cũ của phân tử ADN mẹ và một mạch được tổng hợp mới hoàn toàn

7 Ý nghĩa

Đảm bảo quá trình truyền đạt thông tin di truyền ở cấp độ phân tử nhanh chóng, chính xác, ổn định

qua các thế hệ tế bào và cơ thể

“The best way of learning about anything is by doing.” - Richard Branson

(Cách tốt nhất để học một cái gì đó là làm)

BÀI 3: CƠ CHẾ BIẾN DỊ Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ - ĐỘT BIẾN GENE

1 Ví dụ

Bệnh máu hồng cầu hình liềm: Là dạng ĐB thay thế cặp A = T bằng cặp T = A , làm aa thứ 6 trong chuỗi polypeptide β là glutamine bị thay thế bằng valine

HbA

3’ … AXT XXT G A G GAG … 5’ Mạch gốc

HbS



3’ … AXT XXT G T G GAG … 5’ Mạch gốc

2 Định nghĩa: Đột biến gene là những biến đổi đột ngột trong cấu trúc của gene, liên quan đến một

hoặc một vài cặp nucleotide trên gene

3 Phân loại: Có 2 dạng:

- Đột biến thay thế cặp nucleotide: Như thay thế cặp A = T bằng cặp T = A hoặc cặp X  G hoặc cặp

T = A và ngược lại Ví dụ bệnh máu hồng cầu hình liềm đã nêu ở trên

- Đột biến thêm hoặc mất cặp nucleotide:

+ Thêm một cặp nu: A = T

ADN



ADN

3’ TAX GXT AAT AT T GXX X 5’ Mạch gốc

+ Mất một cặp nu: XG

ADN

5’ ATG XGA TTA TA X GGG AAA 3’

3’ TAX GXT AAT AT G XXX TTT 5’ Mạch gốc



ADN

5’ ATG XGA TTA TA G G GA AA 3’

3’ TAX GXT AAT AT X X XT TT 5’ Mạch gốc

4 Nguyên nhân

- Trong tế bào, cơ thể: Do sự rối loạn của các nhân tố sinh lý, hóa sinh trong tế bào, cơ thể

- Ngoại cảnh: Do các tác nhân vật lý, hóa học và sinh học tác động

Như vậy, ĐB gene phụ thuộc vào tác nhân, liều lượng và đặc điểm cấu trúc của gene

5 Cơ chế

a Sự kết cặp không đúng trong nhân đôi ADN: Do base nitrogen tồn tại ở 2 trạng thái:

+ Base dạng thường: gồm A, T, G, X và chiếm chủ yếu Trong đó A, T có khả năng tạo 2 liên kết

hydrogen và liên kết với nhau; G, X có khả năng tạo 3 liên kết hydrogen với nhau

+ Base dạng hiếm (dạng hỗ biến): gồm A*, T*, G*, X* và chiếm tỉ lệ rất ít trong cơ thể

Dạng base bị biến đổi về cấu trúc dẫn tới thay đổi khả năng tạo liên kết hydrogen

Hình 2.2 Cơ chế A chuyển sang trạng thái hỗ biến (A*)

Dẫn tới A* có khả năng tạo liên kết hydrogen với X; T* có khả năng tạo liên kết hydrogen với

G, G* có khả năng tạo liên kết hydrogen với T; X* có khả năng tạo liên kết hydrogen với A

→ Kết quả: Sự kết cặp không đúng qua các lần nhân đôi của ADN làm phát sinh ĐB gene

Hình 2.3 Cơ chế phát sinh đột biến gene do kết cặp không đúng

b Tác động của các nhân tố gây đột biến

+ Vật lý: Tia tử ngoại (uv) có thể làm cho 2 base Timine

thuộc 2 nucleotide cạnh nhau trên cùng một mạch ADN

liên kết với nhau Qua các lần nhân đôi của ADN dẫn đến

phát sinh ĐB gene

Hình 2.4 Hai Timine liên kết với nhau

+ Hoá học: 5BU (5-Brom uracil) là đồng đẳng của T, đồng thời có khả năng liên kết với G Do đó

qua những lần nhân đôi đã gây thay thế A = T bằng G  X

Hình 2.5 5BU tạo liên kết hydro với A và G

Hình 2.6 Cơ chế gây đột biến của 5BU

+ Sinh học: Virus chèn vật chất di truyền của nó vào hệ gene tế bào vật chủ có thể làm cho một gene

nào đó bị biến đổi về cấu trúc làm thay đổi thông tin di truyền hoặc mất chức năng

6 Hậu quả, ý nghĩa

a Hậu quả: Có lợi, có hại hoặc trung tính tuỳ thuộc vào từng loại môi trường, tùy từng tổ hợp kiểu

gene

b Ý nghĩa:

+ Trong tiến hoá: là nguồn nguyên liệu sơ cấp.cho quá trình tiến ho

+ Trong chọn giống: là nguồn nguyên liệu trong chọn, tạo giống. cấp nguồn nguyên

Hình 2.7 Base X và T dạng hiếm

BÀI 4: CƠ CHẾ BIỂU HIỆN TÍNH TRẠNG Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ

Cơ chế biểu hiện tính trạng gồm 2 giai đoạn kế tiếp nhau: Phiên mã và Dịch mã

I PHIÊN MÃ

1 Bản chất: Là quá trình thông tin di truyền từ gene (một đoạn phân tử ADN) được phiên sang ARN

theo NTBS

2 Vị trí: - Tế bào nhân sơ: Xảy ra ở tế bào chất

- Tế bào nhân thực: Xảy ra trong nhân, trong các bào quan ty thể, lục lạp tế bào

3 Thời điểm: Giai đoạn chuẩn bị (kì trung gian) của quá trình phân bào

4 Nguyên tắc: NTBS: A = rU; T=rA; G  rX; X  rG

5 Các thành phần tham gia

- Một gene chức năng

- 4 loại ribonucleotide: rA, rU, rG, rX

- Enzyme ARN-polymerase, ATP, …

Hình 4.1 Cơ chế quá trình Phiên mã

6 Cơ chế

- Mở đầu: Enzyme ARN-polymerase nhận biết, bám vào vùng điều hoà, làm gene tháo xoắn, 2 mạch

tách nhau ra để lộ mạch gốc có chiều 3’-5’

- Kéo dài: + ARN-polymerase trượt dọc theo mạch mã gốc của gene có chiều 3’-5’

+ ARN-polymerase trượt đến đâu, các nucleotide từ môi trường nội bào liên kết với mạch

gốc theo NTBS A = rU; T=rA; G  rX; X  rG tới đó và giữa chúng hình thành mối liên kết hoá trị giữa đường của nucleotide trước với nhóm phosphate của nucleotide

sau Kết quả chuỗi polyribonucleotide được tổng hợp kéo dài theo chiều 5’-3’

+ Tổng hợp ARN tới đâu, 2 mạch của gene lại liên kết ngay với nhau NTBS

- Kết thúc:

+ Khi ARN-polymerase gặp bộ mã kết thúc, quá trình phiên mã kết thúc, giải phóng ARN

- Hoàn chỉnh: Ở tế bào nhân chuẩn, mARN sau khi được tổng hợp được enzyme cắt đi các đoạn