Tiểu luận quá trình sao chép vật chất di truyền ở sinh vật

Các thành phần tham gia sao chép a, ADN khuôn: là trình tự các nu thuộc phân tử ADN gốc để tiến ành tổng hợp nên các phân tử ADN con dựa trên nguyên tắc bổ sung.. c, Điểm khởi đầu sao ch

Tiểu luận : quá trình sao chép vật chất di truyền ở sinh vật

1 Các thành phần tham gia sao chép

a, ADN khuôn: là trình tự các nu thuộc phân tử ADN gốc để tiến ành tổng hợp nên các phân tử ADN con dựa trên nguyên tắc bổ sung

b, Protein : AdnA: nhận biết và bám vào đoạn khởi đầu tái bản

Phức hợp AdnB và AdnC điều khiển bởi AdnA

SSB có vai trò giữ cho 2 sợi đơn tách nhau

c, Điểm khởi đầu sao chép (oriC): là trình tự nu đặc hiệu trên mạch ADN khuôn được phức hệ khởi ddaauf sao chép nhận ra và bắt đầu sao chép

Khởi đầu tái bản trải qua 3 bước:

Nhận biết điểm khởi đầu sao chép → biến tính phân tử ADN → enzyme helicase tháo xoắn

d, Nucleotid : 4 loại nucleotide: dATP, dGTP, dCTP và dTTP: hợp chất cao năng

Chức năng của nu: là nguyên liệu cho quá trình tổng hợp ADN và ARN mồi Cung cấp năng lượng cho quá trình sao chép

e, Enzyme

Lygase: thuộc nhóm enzyme topoisomerase có vai trò tháo xoắn và gỡ rối ADN sợi kép Làm giảm sức căng trong phân tử ADN bằng cách bẻ gãy liên kết phosphodieste trên 2 mạch ADN trong 1 thời gian ngắn

Helicase: làm giãn xoắn phân tử ADN sợi kép

ADN polymerase: 5 loại (I,II,III,IV,V ) Trong đó ADN pol I,III tham gia trực tiếp vào quá trình tổng hợp ADN ADN pol II,IV,V tham gia vào quá trình sửa sai

Enzyme ligase: nối các đoạn ADN trong quá trình sao chép, quá trình sửa sai Enzyme primase: là enzyme cần thiết cho quá trình tổng hợp ARN mồi

2.Vật chất di truyền của hầu hết eukaryote và prokaryote là axit nucleic chính

là ADN sợi kép

Sự giống và khác nhau giữa sao chép AND ở eukaryote và prokaryote là:

a Giống nhau:

- Sao chép ADN diễn ra theo kiểu bán bảo tồn và đều dựa trên khuôn mẫu

của DNA mẹ.

- Qúa trình sao chép xảy ra đòi hỏi phải có mồi ( primer)

Quá trình sao chép bắt đầu tại điểm khởi đầu sao chép (origin), từ điểm này DNA sợi kép tháo xoắn tạo ra cấu trúc hình vòng theo hai hướng ngược nhau gọi là chạc ba sao chép.Tại chạc ba sao chép, đầu tiên xảy ra sự tổng hợp

“đoạn mồi” (primer) theo hướng 5’-3’ RNA polymerase và DNA polymerase xúc tác tổng hợp sợi mới chỉ theo chiều 5’-3’ nên trên mạch khuôn có chiều 3’-5’ mạch mới được tổng hợp liên tục, mạch khuôn có chiều 5’-3’ được tổng hợp gián đoạn, hình thành nên những đoạn Okazaki Về sau, các đoạn mồi được cắt bỏ và chỗ trống được thay thế bằng DNA, các đoạn Okazaki được nối lại nhờ enzyme nối

Nguyên liệu cho tổng hợp có 4 loại ribonucleotide: A, T, G, C

Đều dựa vào nguyên tắc bổ sung khi lắp ráp các nucleotide trên khuôn mẫu của từng mạch đơn trên DNA mẹ

Kết qủa đều tạo ra 2phân tử DNA con giống DNA mẹ theo nguyên tắc bán bảo tồn

Luôn có quá trình sửa sai nhờ hệ thống enzyme sửa sai luôn rà soát trên phân

tử AND

b. Khác nhau

 Ở Prokaryote

+ Chỉ có một đơn vị sao chép (replicon), nên chỉ có một điểm khởi đầu sao chép

+ Qúa trình sao chép diễn ra trong 3 giai đoạn:

Giai đoạn khởi đầu

Để khởi đầu sao chép enzyme AND gyrase ( thuộc nhóm enzyme topoisomerase )sử dụng năng lượng ATP xúc tác phản ứng làm gãy một số liên kết photphodieste trên mạch polynucleotide của phân tử ADN tại vị trí khởi đầu sao chép (OriC ), giúp phân tử ADN được tháo xoắn một phần Sau

đó một phức hệ enzyme khởi đầu sao chép gồm enzyme helicase và protein SSB xuất hiện và liên kết với các mạch ADN khuôn và tiến hành hoạt động khởi đầu sao chép và kéo dài chuỗi AND

Sự khởi đầu sao chép:

Prôtêin DnA gắn vào vị trí khởi dầu sao chép, làm giãn xoắn đồng thời làm gãy các liên kết hiđro giữa các cặp bazơnitơ, có sử dụng năng lượng ATP

- DnB và DnC vào vị trí khởi đầu sao chép hình thành phức hệ khởi đầu sao chép gồm : DnA, DnB, DnC

- Phức hệ các enzim helicase, gyrase và protein SSB : làm giãn xoắn và phân tách hai mạch đơn của phân tử ADN sợi kép làm khuôn

- Giai đoạn kéo dài

+ Sự hình thành phức hệ tạo ARN mồi ( primosome):

Một khi enzyme helicase và SSB đã gắn vào và hoạt động ở vị trí khởi đầu sao chép trên AND, thì enzyme AND primase có thể gắn vào và hình thành nên phức hệ tạo ARN mồi, gọi là primosome Phức hệ này thực chất gồm các protein và emzym xúc tác cho sự hình thành các đoạn ARN mồi ở vị trí đầu 5’ của mỗi đoạn okazaki trong sợi AND theo sau

Sự hình thành primosome Tổng hợp mạch ADN dẫn đầu ( mạch được tổng hợp liên tục ):

- Chiều mạch mới đang được tổng hợp ( 5’→3’ ) thuận chiều với hoạt động của ADN polymerase nên chỉ cần 1 đoạn ARN mồi duy nhất

- ADN pol III sẽ gắn vào vị trí đoạn mồi này và xúc tác phản ứng kéo dài chuỗi ( bằng việc lắp ráp các nu vào đầu 3’ theo NTBS ) cho đến khi kết thúc mạch ADN làm khuôn

+ Tổng hợp mạch ADN theo sau( mạch được tổng hợp gián đoạn )

- Đoạn ARN mồi được tổng hợp nhờ phức hệ primosome

- Mạch ADN khuôn quay ngược 180° và gắn vào phức hệ ADN pol III và phức hệ enzim này xúc tác phản ứng kéo dài chuỗi

- Quá trình kéo dài chuỗi tiếp diễn đến khi ADN pol III hoàn thành việc kết nối khoảng 1000 – 2000 nu và tiếp cận được đầu 5’ của đoạn Okazaki phía trước

- ADN pol III rời khỏi mạch kkhuôn và protein SSB cũng được giải phóng ra khỏi mạch khuôn

- Khi quá trình tổng hợp ADN xảy ra ở đoạn Okazaki tiếp theo, ngày càng có nhiều protein SSB gắn vào phía sau enzim ADN polymerase trên mạch khuôn được dùng tổng hợp sợi theo sau

- Sau khi protein SSB gắn vào mạch ADN khuôn , phức hệ primosome sẽ xúc tác việc tổng hợp một đoạn ARN mồi mới , và theo sau là đoạn ADN được tổng hợp nhờ ADN pol III Cứ như vậy chu kỳ tổng hợp các đoạn Okazaki tiếp diễn

- Khi tích luỹ được nhiều đoạn Okazaki (có ít nhất 2 doạn Okazaki ) E ADN pol I hoạt động : loại bỏ ARN mồi và bổ sung nu vào đầu 3’ của một đoạn Okazaki

- E ADN ligaze sử dụng NAD+ để xúc tác phản ứng hình thành liên kết photphodieste giữa hai đoạn Okazaki liền kề

Giai đoạn kết thúc

ARN mồi bị phân hủy bởi ARNse H Các lỗ hổng sẽ được lấp lại nhờ AND polymerase I Enzyme ligase nối tất cả các chỗ gián đoạn

Kết quả tạo ra 2 phân tử AND con giống nhau và giống phân tử mẹ

 Ở eukaryote

Sự sao chép ở eukaryote phức tạp hơn so với ở prokaryote nhưng cơ chế của

sự sao chép ở eukaryote cũng tương tự như ở prokaryote

Tuy nhiên, có một số điểm khác như sau:

- Trong khi ở prokaryote chỉ có một điểm khởi đầu, thì sự sao chép ở eukaryote bắt đầu cùng một lúc ở nhiều điểm khởi đầu Điều này là cần thiết

do eukaryote có hệ gen lớn

- Tốc độ sao chép ở eukaryote khoảng 60-90 nucleotide/s

- Ở, eukaryote hệ enzyme tham gia phức tạp hơn so với prokaryote Hệ enzyme ADN polymerase có nhiều loại alpha, beta, gama… và cơ chế hoạt động phức tạp hơn

- Các đoạn ARN mồi và các đoạn okazaki được tổng hợp ngắn hơn ở prokaryote

- Sao chép ở prokaryote diễn ra liên tục và đồng thời với quá trình phiên mã

và dịch mã.Còn ở eukaryote chỉ xảy ra vào giai đoạn S của chu trình tế bào

- Ở eukaryote, ADN được đóng gói bởi các protein histon thành các đơn vị gọi là nucleos

- ADN mạch dài hở 2 đầu

* Chu trình tế bào và sự sao chép ADN :sao chép ADN chỉ giới hạn trong pha

S của chu trình tế bào.Chu trình tế bào ở eukaryote là khoảng thời gian tính từ lần than bào này đến lần phân bào tiếp theo được chia làm 4 giai đoạn:giai đoạn G1, G2, giai đoạn S, giai đoạn M.Giai đoạn G1 và G2 diễn ra rất ngắn

* Hệ gen eukaryote có nhiều điểm khởi đầu sao chép vì phân tử ADN có kích thước rất lớn nên quá trình sao chép ở nhiều điểm khởi đầu sao chép

Phân tử ADN trong nhiễm sắc thể ruồi giấm chứa khoảng 6,5x 107 cặp bazo nito Tốc độ sao chép ADN ở loài động vật này là 2600nu/phút ở nhiệt 250°C

Vì vậy, nếu chỉ có 1 điểm khởi đầu sao chép duy nhất, việc sao chép hoàn toàn phân tử trên nhiễm sắc thể này cần thời gian 17,5 ngày.Nếu có 2 điểm khởi đầu thì thời gian sao chép 8,5 ngày.Để sao chép toàn bộ hệ gen trong vòng 3,5 phút, các NST ruồi giấm cần 7000 điểm khởi đầu sao chép.Hệ gen ở người và động vật có vú có thể chứa đến hang chục nghìn replicon dao động

từ 30000 đến 300000 bp

*Có nhiều loại ADN polymerase :

•Polymerase α/primase: Có chức năng tổng hợp mồi cho mạch tới và cho cả những đoạn Okazaki của mạch chậm Polymerase này tiếp tục kéo dài DNA nhưng nhanh chóng bị thay bởi polymerase δ trên mạch tới và polymerase ε trên mạch chậm Polymerase α không có hoạt tính exenuclease

•Polymerase β: Có chức năng giống DNA polymerase I ở prokaryote, nghĩa là tổng hợp đi kèm với sửa sai và hoàn chỉnh mạch mới sau khi mồi RNA được loại bỏ

•Polymerase δ và polymerase ε : Có chức năng kéo dài DNA Trong đó khả năng tổng hợp đoạn DNA dài nhất thuộc về polymerase δ với sự trợ giúp của PCNA Cả hai enzyme này đều có khả năng đọc và sửa sai

•Polymerase : Được tìm thấy trong ti thể, chức năng chưa rõ

Ngoài các polymerase kể trên, hệ thống tái bản ở eukaryote còn có sự tham gia của nhiều protein chuyên biệt như PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen - kháng nguyên trong tế bào đang phân chia) có chức năng hoạt hóa các polymerase δ và ε, các nhân tố tái bản A và C (Replication Factor, RF -A,

RF - C) cần cho hoạt động của các polymerase α và δ

Tái bản ở đoạn cuối nhiễm sắc thể (telomere replication):

Hai đoạn cuối của nhiễm sắc thể dạng thẳng không thể được tái bản đầy

đủ bởi vì không thể kéo dài DNA từ đầu 5’ của mạch mới tổng hợp sau khi đã loại bỏ mồi RNA Do đó thông tin di truyền sẽ mất dần khỏi DNA sau mỗi đợt tái bản

Để giải quyết vấn đề này, đoạn cuối mỗi nhiễm sắc thể eukaryote bao gồm hàng trăm bản sao một trình tự đơn giản, không mã hóa (ví dụ như TTAGGG

ở người) với đầu 3’ nhô ra so với đầu 5’

Telomerase là một enzyme duy trì độ dài của telomere Enzyme này có chứa một phân tử RNA ngắn Một phần trình tự của RNA này bổ sung với trình tự lặp của telomere, do đó nó có thể hoạt động như một mạch khuôn để kéo dài các trình tự lặp từ đầu 3’ tự do của telomere bằng cách tổng hợp rồi dịch chuyển liên tiếp nhiều lần

Tóm lại quá trình sao chép ở prokaryote và erkaryote có sự khác nhau cơ bản:

Đơn vị sao chép

Toàn bộ DNA chỉ có một đơn vị sao chép

Có nhiều đơn vị sao chép

Các đoạn RNA mồi

và các đoạn okazaki

được tổng hợp

Thời gian sao chép Ngắn hơn (ở E.coli là 40

phút)

Dài hơn (thường khoảng 6 –

8 giờ), Tốc độ sao chép Khoảng 850 nuclêôtit/giây Khoảng 60 – 90

nuclêôtit/giây

Nơi diễn ra sao chép

Quá trình sao chép ADN ở nhân sơ có thể diễn ra liên tục và đồng thời với quá trình phiên mã và dịch mã

ở trong nhân

Quá trình sao chép chỉ xảy ra vào giai đoạn S của chu trình

tế bào

Cơ chế kiểm soát

Tế bào không có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép

Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua 1 lần rồi thì không lặp lại trước khi toàn bộ DNA được sao chép hoàn toàn

DNA polymerase

Có một ít loại enzyme DNA polymerase (pol I,II.III,IV,V)

Có sự tham gia của nhiều loại DNA polymerase.(ở người ít nhất có 15 loại)

3 Sao chép ở virut

Virut chưa có cấu tạo tế bào Gồm 2 phần chính là vỏ protein và lõi axit nucleic Có nhiều hình dạng và kích tước khác nhau: hình que, hình cầu, hình

đa diện nhiều mặt…

Có 4 loại axit nucleic sử `dụng làm vật liệu di truyền ở các dạng virut mà không có bản chất là AND sơi kép, gồm:AND mạch đơn(phage ɸx174…), AND sợi kép ( virut viêm gan B…), ARN mạch đơn ( virut sởi…), ARN sợi kép (Reovirus gây bệnh sốt lưỡi xanh ở cừu) Bộ gen có nhiều dạng mạch thẳng hoặc mạch vòng, số lượng gen ít, các gen có khả năng biến đổi mạnh giúp virut có khả năng thích ứng nhanh mới môi trường

Tất cả các virut đều phải sống kí sinh bắt buộc trên tế bào vật chủ

Các bước của quá trình sinh sản ở virut :

Bước 1: Virut dính kết vào thành tế bào vật chủ

Bước 2: toàn bộ virut xâm nhập vào cơ thể chủ bằng cách tiêm vật liệu di truyền của chúng vào tế bào vật chủ

Bước 3: virut làm thay đổi các hoạt động sinh hóa của tế bào vật chủ làm cho phù hợp với hoạt động sao chép vật chất dị phức kép truyền của virut

Bước 4: quá trình sao chép axit nucleic diễn ra trong tế bào chủ, virut lấy nguyên liệu trong tế bào chủ để tổng hợp vật cất di truyền của virut

Bước 5: diễn ra trong quá trình sinh tổng hợp các protein thiết yếu của virut của virut (ví dụ protein vỏ) diễn ra trong tế bào chủ

Bước 6: quá trình đóng gói các thành phần virut (vật chất di truyền và protein vỏ) để hình thành các hạt virut hoàn chỉnh

Bước 7: virut thế hệ con được giải phóng khỏi tế bào chủ và tiếp tục xâm nhiễm sang tế bào khác

Reotrovirut( virut phiên mã ngược): HIV

Reotrovirut còn gọi là virut phiên mã ngược, là 1 nhóm các virut có khả năng phiên mã ngược vật chất di truyền của chúng.Sở dĩ gọi là phiên mã ngược vì

hệ gen của virut này là ARN Trong quá trình sao chép vật chất di truyền, thong tin di truyền từ dạng ARN trước tiên phải được phiên mã từ ARN

→ADN, như vậy ngược với chiều phổ biến mà chúng ta đã biết là ADN

→ARN

Qúa trình sinh sản của virut HIV :

Bước 1: Virut gắn vào vị trí thụ thể đặc hiệu trên tế bào lympho CD4⁺

Bước 2: Enzyme reverse transcriptase sử dụng 1 trong 2 bản sao của phân tử ARN virut làm mạch khuôn để tổng hợp nên mạch ADN có trình tự bổ sung

Sau đó enzym AND được tổng hợp làm mạch khuôn để tổng hợp nên một phân tử ADN sợi kép có trình tự bổ sung tương ứng với ARN của virut

Bước 3 : Enzym integrase được mã hóa bởi hệ gen virut Lúc này có khả năng xúc tác việc gắn kết phân tử ADN sợi kép của virut vừa được tổng hợp vào hệ nhân của tế bào chủ Vào giai đoạn này trạng thái tế bào được gọi là trạng thái tiềm tan

Bước 4 : Nhờ hệ thống phiên mã của tế bào chủ, ARN của virut được phiên

mã từ trình tự gen trên đoạn ADN của virut đã được gắn vào hệ gen của tế bào

hệ chủ Các phân tử ARN này vừa được sử dụng làm vật chất di truyền của virut thế hệ sau, vừa được sử dụng làm khuôn để tổng hợp nên các protein cấu trúc, protein lõi và vỏ của virut trong tế bào chủ

Bước 5 : Các protein của virut được tạo ra có khả năng đóng gói phân tử ARN của virut một cách đặc hiệu để tạo thành hạt virut hoàn chỉnh

Bước 6 : Các hạt virut giải phóng khỏi tế bào chủ đồng thời làm chết tế bào chủ và tiếp tục lây nhiễm các tế bào chủ tiếp theo

-Trong quá trình sinh sản của HIV, việc tổng hợp phân tử ADN sợi kép

( cADN) của virut diễn ra ở tế bào chất Sau đó phân tử cADN này được chuyển vào trong nhân và liên kết vào NST của tế bào chủ Sự tổng hợp phân

tử ARN hệ gen của thế hệ virut con cũng diễn ra trong nhân Sau đó chngs được chuyển ra tế bào chất, đồng thời để tổng hợp các loại virut và đóng gói thành các hạt virut mới