tiểu luận về nhân đôi ADN và phiên mã

bài cáo cáo chỉ rõ và giải thích cơ sở phân tử của hoạt đônnjg nhân đỗi ADN của cả hai nhóm sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn. Các giai đoạn của quá trình nhân đôi, sự khác nhau cảu nhân đôi của sinh vạt nhân sơ và nhân chuẩn. Giải thích tạo sao sinh vật nhân sơ lại nhân đôi nhanh hơn sinh vật nhân chuẩn. Sự khác nhau trong phiên mã cảu sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn

Phần I

MỞ ĐẦU

Bước vào thế kỉ 21 do sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã giúp con người có điều kiện tìm hiểu rõ hơn bản chất và các cơ chế trong tế bào sống Trong đó vấn

đề được con người quan tâm chú ý và dành nhiều thời gian, công sức nhất là các

cơ chế ở cấp độ phân tử Từ việc nghuên cứu đó đã giúp co con người có được nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong y học và trong chọn giống Các ứng dụng đó thường dựa trên những hiểu biết về cơ chế di

truyền ở cấp độ phân tử ( tái bản, sao mã và giải mã) Tuy nhiên quá trình tái bản DNA và sao mã còn ẩn dấu nhiếu vấn đề phức tạp Bài viết này tôi muốn làm sáng tỏ hơn về bản chất phân tử của quá trình tái bản DNA và sự sao mã ở sinh vật

Phần II.

NỘI DUNG

I Cơ sở phân tử của sự tái bản ADN

1 Vị trí thời điểm

Xảy ra ở nhân tế bào ( vùng nhân đối với prokaryot) tại các NST ( hoặc ở tế bào chất tạo ty thể và lạp thể) vào pha S kì trung gian

2 Đặc điểm

- Xảy ra theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo tồn: Theo đó vào đầu quá trình sao chép, phân tử DNA tháo xoắn, mỗi mạch đơn dùng làm khuôn để tổng hợp nên mạch mới, trên mỗi mạch đơn các nucleotit trong môi trường nội bào đến và liên kết với các nucleotit trên mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung

- Là cơ chế giúp duy trì tính ổn định vật chất di truyền qua các thế hệ

3 Các nhân tố tham gia vào sao chép DNA

Ở procaryote

- Rep, Helicase III: Tách mạch

- Protein SSB; Ổn định mạch đơn ở dạng mạch thẳng

- Protein B : nhận biết điểm khởi đầu

- Các proteini,n, n',n", dna B, dna C : tham gia vào cấu trúc của primosome

- Primase: Tổng hợp mồi RNA

- DNA polymerase III (ở eucaryote là DNA polimerase δ) Nối dài mạch DNA ) Nối dài mạch DNA đang tổng hợp và kiểm soát sự chính xác

- DNA polime II: chức năng chưa xác định

- DNA polymerase I.( Ở eucaryote là DNA polimerase β) cắt mồi và tổng hợp ) cắt mồi và tổng hợp DNA gắn ở chỗ hở

- Ligase: hàn kín mạch

- DNA topoisomerase I: Cắt hở 1 mạch

- DNA topoisomerase II: cắt hở 2 mạch

Ở eucaryote : Ngoài các enzym trên thì nó còn có:

- ADN polimerase γ có trong ty thể,

- DNA polimerase α: có chức năng tổng hợp mồi RNA cho mạch chậm, nhưng

nó không có chức năng sửa sai

- DNA pilomerase β) cắt mồi và tổng hợp : sửa đổi DNA nhân

- Protein chuyên biệt PCNA có chức năng hoạt hóa các polymerase ε, δ) Nối dài mạch DNA và các nhân tố sao chép A, C

4 Các giai đoạn của quá trình tái bản

Helicase

Topoisomerase RNA primase DNA polymeraseI + Ligase

DNA polymeraseIII

SSB-protein DNA polymeraseIII Chẻ ba sao chép

Hình 1: sơ đồ khái quát quá trình tái bản ADN

4.1 Hiện tượng biến tính DNA

- Quá trình sao chép khởi sự bằng việc tháo xoắn phân tử DNA ( sự biến tính

DNA) Vì DNA có 3 dạng: dạng 1 DNA dạng vòng cấu trúc siêu xoắn, dạng 2 cấu trúc siêu xoắn bị đứt 1 chỗ trên một trong 2 mạch đơn phân tử DNA, dạng 3 tương ứng với cấu trúc mạch thẳng Việc tháo xoắn được bắt đầu khi Protein B nhận biết điểm khởi đầu sao chép và gắn bào đó Tiếp đến 2 enzim gyrase

chuyển động ngược chiều từ điểm khở đầu DNA tháo xoắn thành mạch thẳng

- Cùng với sự dịch chuyển cảu enzim gyrase thì 2 phân tử enzim helicase bám

vào mạch và dịch chuyển phá vỡ các liên kết hidro giải phóng hai mạch đơn tạo nên chạc tái bản Các enzim helicase phá vỡ các liên kết hidro giữa các base trên

2 mạch đơn nhờ năng lượng giải phóng từ sự thủy phân các NTP để lộ ra 2 mạch đơn ( các bazo nitơ sẵn sàng liên kết với các bazo ni tơ khác theo nguyên tắc bổ sung), có nhiều loại helicase hoạt động đồng thời : một số gắn trên mạch 3'-5' ( protein Rep), số khác gắn trên mạch 5' - 3' ( helicase II và III)

Các mạch đơn đã tách được giữ ổn định dạng mạch đơn nhờ protein SSB, các protein này gắn trên khắp phần mạch đơn làm cho các bazo nitơ trên 2 mạch đơn không liên kết trở lại Mỗi SSB bám vào 8 nucleotit của sợi đơn và mỗi chạc tái bản có khoảng 250SSB

- Sự tháo xoắn và giải phóng các mạch đơn đã hình thành các đơn vị sao chép hay vùng DNA được sao chép từ 1 điểm khởi đầu Ở prokaryote mỗi DNA có 1 đơn vị sao chép, sự sao chép bắt đầu từ 1 điểm khởi đầu trên NST và lan theo 2 hướng cho đến khi đụng nhau ở một điểm đối diện với điểm khởi đầu sao chép lúc đó hình thành nên NST mới Ở Eukaryote do kích thước lớn của bộ gen nên

sự sao chép xảy ra đồng thời ở nhiều điểm ( trên mỗi NST hình thành nhiều đơn

vị sao chép đồng thời)

4.2 Giai đoạn mở đầu

Tái bản DNA chỉ xảy ra khi có yếu tố mồi:

- Các DNA polimerase chỉ có thể tổng hợp DNA bằng cách nối dài một mồi đã bắt cặp sẵn trên khuôn và có đầu 3'OH tự do mà không thể liên kết các nucleotit

tự do trong môi trường tạo thành machjdo đó quá trình tái bản cần có sự tham gia của yếu tố mồi

- Sự lắp ráp các nucleotit tự do theo nguyên tắc bổ sung với mạch khuôn bao giừ cũng bắt đầu từ 3'OH của đường deoxiribose Nhóm OH tự do ở cacbon số 3 của phân tử đường là cơ sở để hình thành liên kết phophodieste Ngay tại điểm khởi đầu tái bản chưa có đầu 3'OH tự do vì thế khởi đầu tái bản cần có yếu tố mồi

- Mồi là một đoạn RNA ngắn khoảng 10 nucleotit được tổng hợp bở enzim RNA pholimerase, đoạn RNA mồi có trình tự bổ sung với trình tự các nucleotit ở đầu 3'OH của sợi khuôn Trong một chạc tái bản, cả hai mạch đều cần đến yếu tố mồi, tuy nhiên trên mạch DNA chiều 3' -5' chỉ cần tham gia của một yếu tố mồi, trên mạch DNA chiều 5' -3' cần có sư tham gia của nhiều yếu tố mồi để hình thành các phân đoạn DNA

4.3 Giai đoạn kéo dài.

- Sau khi tổng hợp mồi enzym DNA polimerase III tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3'OH tự do của mồi RNA Sự lắp ráp các nucleotit của mạch mới theo

nguyên tắc bổ sung với mạch khuôn ( A-T, G- C) Mạch khuôn được sử dụng đến đâu thì các SSB giải phóng khỏi khuôn đến đó Tuy nhiên sự tổng hợp bao giờ cũng diễn ra theo chiều 3' -5' trên mạch gôc và chiều 5' - 3' của mạch đạng hình thành nên trên hai mạch khuôn ngược nhau quá trình tổng hợp không giống nhau + Trên mạch khuôn 3' -5' sự sinh tổng hợp mạch mới diễn ra theo chiều 5'-3' cùng hướng với hướng tháo xoắn, mạch mới được tổng hợp liên tục và được gọi

là mạch tới ( hay mạch dẫn đầu)

+ Trên mạch khuôn 5'-3' sự tổng hợp mạch mới theo chiều 3'-5', ngược chiều với hướng tháo xoắn, mạch mới được tổng hợp không liên tục mà tổng hợp

những đoạn nhỏ gọi là đoạn Okazaki Mạch tổng hợp được gọi là mạch chậm ( hay mạch theo sau) Mỗi đoạn Okazaki gồm một đoạn mồi RNA và khoảng 1000-2000 nucleotit

4.4 Giai đoạn kết thúc

Sau khi quá trình sao chép kết thúc, các đoạn mồi RNA bị enzim RNase H phân hủy Các lỗ hổng giữa 2 phân đoạn Okazaki liền nhau do tác động của enzim này trên mạch mới tổng hợp sẽ được lấp đầy nhờ hoạt động của enzim DNA

polimerase I ( với eukaryote là DNA polimerase β) cắt mồi và tổng hợp ) cuối cùng thì enzim ligase nối tất cả các đoạn Okazaki với nhau tạo thành mạch mới hoàn chỉnh

5 Sửa chữa tức thời những sai sót

DNA trong tế bào cảu sinh vật khi tái bản lại ít có sự sai sót là nhờ các cơ chế

sửa sai:

- Hướng sao chép bao giờ cũng từ đầu 5' -> 3' để việc sửa sai chính xác

- Các polimerase I và III vừa polymer hóa vừa có hoạt tính exonnuclease 5' -> 3' và 3'-> 5' Nếu trên đường di chuyển để polymer hóa nếu gặp nucleotit lắp sai DNA polimerase sẽ lùi lại để cắt bỏ theo hướng 3' ->5'

6 Sự khác biệt trong sao chép DNA trong tế bào procaryote và Eucaryote.

- Ở procaryote quá trình sao chép bắt đầu từ 1 điểm nên phân tử DNA tạo nên

một đơn vị sao chép Ở tế bào nhân thực kích thức phân tử DNA lớn hơn và tạo nên nhiều NST, mỗi NST gồm một phân tử DNA do đó sao chép DNA ở tế bào nhân thực có nhiều điểm sao chép

- Sự sao chép ở Procaryote có sự tham gia của enzym DNA polimerase I,II,III, ở eucaryote có sự tham gia của DNA polimerase

+ DNA polimerase γ có trong ty thể,

+ DNA polimerase α: có chức năng tái bản DNA nhân

+ DNA pilomerase β) cắt mồi và tổng hợp : sửa đổi DNA nhân

II Quá trình phiên mã

1 Đặc điểm chung của quá trình phiên mã

- Sản phẩm của sự phiên mã là ARN sợi đơn

- Vùng ADN chứa gen được phiên mã phải có sự mở xoắn cục bộ làm lộ sợi khuôn (sợi có ý nghĩa – strand sense)

- Nguyên liệu là các ribonucleotit triphotphat: ATP, GTP, CTP, UTP gọi chung là NTP Enzim ARN- polymerase sẽ quyết định việc chọn sợi làm khuôn và xúc tác quá trỉnh tổng hợp ARN

- Sự khởi đầu, kết thúc phiên mã phụ thuộc vào tín hiệu khởi đầu và kết thúc, đó

là những trình tự nucleotit đặc thù nằm trước và sau gen

- ARN được tổng hợp theo chiều 5’P- 3’OH, enzim ARN polymerase di chuyển theo chiều 3’-5’ trên gốc

- Không có cơ chế sửa sai đi kèm với quá trình phiễn mã, do vậy, những sai sót sẽ dẫn đến sai khác trong biểu hiện gen Tuy nhiên sự sai khác trong quá trình phiên

mã không ảnh hưởng đến việc truyền đạt thông tin di truyền cho thế hệ sau

2 Phiên mã ở sinh vật nhân sơ (prokaryot)

2.1 Đặc điểm enzym ARN -polymerase của sinh vật nhân sơ

Ở E Coli, ARN -polymerase có hệ số lắng 11S-13S, khối lượng phân tử 500

000 dalton ARNase ở E.coli gồm 2 thành phần: Nhân tố sigma và lõi enzim

Từ enzim ARN polymerase nhân tố sigma (σ) có thể kết hợp với enzim lõi khác ) có thể kết hợp với enzim lõi khác

Cấu trúc phân tử ARN- polimerase cảu sinh vật nhân sơ

Enzym lõi có cấu trúc bậc 4 rất phức tạp, bao gồm năm chuỗi polipeptit

β) cắt mồi và tổng hợp ',β) cắt mồi và tổng hợp ,α,δ) Nối dài mạch DNA ,w nối với nhau bởi các liên kết hóa học yếu

Nhân tố σ) có thể kết hợp với enzim lõi khác giúp enzim lõi có thể khởi đầu tổng hợp ARN tại những điểm đặc thù gọi là điểm khởi đầu (promotor), nếu thiếu nhân tố σ) có thể kết hợp với enzim lõi khác thì quá trình sẽ xảy ra ở điểm ngẫu nhiên trên phân tử ADN

Đoạn nhận biết gồm 35 cặp base nằm trước điểm khởi đầu promotor Đoạn để ARN- polymerase nhận biết là đoạn gồm 7 nucleotit gọi là prinow, nằm cách điểm phiên mã 5-6 base Hộp prinow trên sợi đối khuôn có công thức: 5’TAT purin AT purin 3’

Tín hiệu kết thúc là trình tự nucleotiti đặc thù nằm sau gen, gồm 2 vùng giàu cặp

AT và GC

2.2 Các giai đoạn của quá trình phiên mã

Ở Prokaryot gồm 3 bước: khởi đầu, kéo dài, kết thúc

- Khởi đầu: Quá trình phiên mã bắt đầu khi nhân tố sigma kết hợp với lõi enzym

ARNase, giúp lõi enzym nhận ra và bám vào vùng khởi động (promotor)

- Kéo dài: Khi phân tử RNA đạt chiều dài khoảng 8 nucleotit thì nhân tố σ) có thể kết hợp với enzim lõi khác tách ra

và lõi enzym thực hiện tổng hợp ARN Lõi enzym ARN- polymerase trượt dọc gen (3’-5’) vừa xúc tác biến tính cục bộ 2 sợi ADN được phiên mã xoắn trở lại như ban đầu Sợi ARN được sinh ra theo chiều 5’-3’

- Kết thúc: Khi lõi enzym đến điểm kết thúc của gen, do tác dụng của 1 loại

protein đặc hiệu, sợi ARN mới tổng hợp và lõi enzym được phóng thích khỏi sợi khuôn Tín hiệu kết thúc được nhận ra bởi phức hợp lõi enzym và protein nusA

3 Phiên mã ở sinh vật nhân thực (Eukaryot )

3.1 ARN polymerase và các vùng kiểm soát phiên mã

- ARN-polymerase I: enzym không bị ức chế bởi α – amanitin (chất ức chế tổng

hợp ARN), chuyên trách việc phiên mã các gen để tổng hơp rARN loại 28S, 18S, 5S

- ARN-polymerase II: enzim bị ức chế bởi α – amanitin, tổng hợp mARN

- ARN- polymerase III: enzim bị ức chế bởi α – amanitin ở nồng độ cao, phiên

mã tổng hợp các tARN và rARN loại 5,8S

- Hộp TATA nằm các điểm khởi đầu phiên mã từ 25-30bp được coi là đoạn khởi đầu

- Đoạn kết thúc nằm ở đầu 3’ của gen còn nghiên cứu ít Đoạn kết thúc không dài hơn 21 bp, ở nấm men có trình tự TTTTATA

3.2 Các giai đoạn của quá trình phiên mã ở Eukaryot

- Giai đoạn khởi động: Chịu sự kiểm tra của một trình tự đặc biệt đó là “hộp

TATA” nằm trước vị trí bắt đầu phiên mã khoảng 25-30bp ARN- polymerase II hoạt động phiên mã nhờ nhiều nhân tố TF cho phép khởi động phiên mã

- Giai đoạn kéo dài: Phân tử RNA được tổng hợp từ mạch khuôn DNA Quá

trình này nhờ nhân tố TF IIS

- Giai đoạn kết thúc: Phiên mã kết thúc trước điểm gắn đuôi poly A rất xa Kết

thúc phiên mã có liên quan đến cấu trúc kẹp tóc tiếp ngay sau trình tự giàu GC

Hình thành cấu trúc kẹp tóc

3.3 Quá trình hoàn thiện các bản sao mARN trong nhân

Sản phẩm ở các gen cấu trúc của nhóm nhân thực là tiền mARN Để có được mARN trưởng thành cần có quá trình chế biến trong nhân Gồm các bước:

- Gắn chóp: Khi tiền mARN được tổng hợp dài 20-30 base thì đầu 5’P của nó được bổ sung chóp 7-methyl guanozin triphotphat, chóp cần thiết cho quá trình giải mã sau này

- Thêm đuôi poly A ở đầu 3’: Một đoạn ngăn của mARN bị cắt ra và các base adenin nối vào thành đuôi poly A, đuồi poli A dài khoảng 100- 200 adenin Đối với các gen mã hóa liên tục (chỉ có exon) VD: gen mã hóa histon, thì quá trình chế biến trong nhân để tạo ra mARN trưởng thành chỉ gồm 2 bước trên

Sơ đồ hình thành đuôi poly-A

- Quá trình ghép nối (Splicing): Đối với gen phân đoạn, bản phiên mã đầu tiên là tiền mARN gồm cả exon và intron Do vậy tiền mARN được sao mã từ các gen này còn trải qua giai đoạn cắt bỏ intron và nối exon lại với nhau

Quá trình cắt intron nối exon

Trong phiên mã của cả hai nhóm sinh vật đều không có sự tham gia của yếu tố mồi bởi vì enzym tổng hợp RNA pol có khả năng liên kết các ribonucleotit tự do trong môi trường nội bào tạo thành mạch

4 Sự khác nhau trong phiên mã ở Pocaryote và Eucaryote

- Ở Procaryotae chỉ có 1 loại enzym RNA polimerase chịu trách nhiệm tổng hợp

cả 3 loại RNA, còn ở Eucaryotae mỗi RNA polimerase tổng hợp 1 loại RNA khác nhau

- Ở procaryotae sự sao chép tạo ra mRNA mang thông tin nhiều gen nối tiếp nhau, còn ở Eucaryotae tạo ra mRNA chứa thông tin của 1 gen

- Sau phiên mã, ở Eucaryot còn có giai đoạn chế biến tiền mARN rất phức tạp để tạo mARN trưởng thành thực hiện chức năng còn ở procaryotae không trải qua quá trình chế biến mà sử dụng trực tiếp cho quá trình gải mã

- Ở Eucaryotae sau khi phiên mã mRNA cần được chế biến phức tạp sau đó mới

đi ra ngoài tế bào chất để giải mã, còn ở Procaryotae không cần chế biến nên quá trình giải mã có thể diễn ra đồng thời với quá trình sao mã ( sao mã đến đâu, ribixom gắn vào và tiến hành giải mã đến đó)

Phần III KẾT LUẬN

Quá trình tái bản DNA và phiên mã là những cơ chế di truyền phức tạp của sinh vật, nó gồm nhiều giai đoạn với nhiều hoạt động khác nhau Bài viết này mới chỉ

ra đặc điểm phân tử của quá trình tái bản và phiên mã ở :

- Sự biến tính DNA ( tháo xoắn DNA)

- Bản chất của mồi và tại sao trong tái bản phải dùng mồi

- Bản chất phân tử của đoạn Okazaki

- Cơ chế sửa sai sau tái bản

- Các gai đoạn phiên mã của sinh vật procaryotae và eucaryotae

- Tại sao trong phiên mã lại không dùng mồi

- Sự khác nhau trong quá trình phiên mã cảu procaryotae và eucaryotae