Phân tích sự tương ứng giữa thứ tự bộ ba trên mARN với thứ tự axit amin trong chuỗi polypeptit, chúng ta có thể biết được bộ ba nào quy định loại axit amin nào, tức là chúng ta đã giải
Trang 1ADN ARNm Protein (Tính trạng)
Người Mỹ truyền đạt thông tin cho nhau bằng tiếng Anh Máy tính truyền đạt thông tin cho nhau bằng mã nhị phân: 1, 10, 11, 100, 101…
Sinh vật truyền đạt thông tin bằng mã di truyền.
Định nghĩa: Mã di truyền là trình tự các nucleotit trên
phân tử DNA
Trong đó một đơn vị mã là một nhóm gồm ba
nucleotit liên tiếp (còn gọi là codon hay bộ ba mã hoá)
Mỗi codon mã hoá tương ứng cho một phân tử axit
amin trên Protein Trình tự sắp xếp các codon tren DNA quy
định trình tự sắp xếp các axit amin trên phân tử Protein
• Có 20 loại axit amin trong cơ thể sinh vật
• Có 4 loại nucleotit, ghép mã bộ ba nên sẽ có 64 bộ ba mã
hoá, đủ để mã hoá cho 20 loại axit amin ở sinh vật
• Do số lượng bộ ba mã hoá nhiều hơn số lượng aamin nên
có nhiều bộ ba cùng mã hoá cho một aamin, điều ngược lại
không đúng
ADN truyền thông tin của nó qua bản sao mARN, người ta tạo ra những mạch mARN có thành phần nucleotit khác nhau làm khuôn để tổng hợp các chuỗi polypeptit (chuỗi axit amin) trong môi trường in vitro
Phân tích sự tương ứng giữa thứ tự bộ ba trên mARN với thứ tự axit amin trong chuỗi polypeptit, chúng ta có thể biết được bộ ba nào quy định loại axit amin nào, tức là chúng ta đã giải mã cho các codon
Leu Ser Stop Stop A
Leu Ser Stop Trp G
Met Thr Lys Arg G
Một số bộ ba đặc biệt trên mARN
- Bộ ba AUG (mã hoá melthianin) là bộ ba duy nhất đóng vai trò là tín hiệu bắt đầu cho quá trình tổng hợp của một chuỗi polypeptit (bộ ba khởi đầu)
- Có ba bộ ba là UAA, UGA, UAG không mã hoá aamin nào mà là tín hiệu cho sự kêt thúc (Stop) quá trình dịch mã - truyền đạt thông tin di truyền
từ mARN đến Protein
Trang 2Tính chất của mã di truyền
1 Sự đọc mã theo các bộ ba luôn là liên tục và không
có tính chồng chéo
Điều đó có nghĩa rằng, khi điểm khởi đầu của sự đọc bị
lệch đi, hoặc khi thêm, mất những nucleotit (số lượng
khác ba), thì khung mã bị lệch đi so với trình tự ban đầu
2 Mã di truyền có tính chất dư thừa: 61 bộ ba/20Aamin
Những bộ ba cùng mã hóa cho một axit amin nào đó gọi là
các bộ ba đồng nghĩa Các axit amin như lơxin, serin,
acginin có tới 6 bộ ba đồng nghĩa
Các bộ ba đồng nghĩa hầu như chỉ khác nhau ở bazơ thứ
ba Ví dụ:GGU, GGC, GGA, GGG đều mã hóa cho glixin
3 Mã di truyền có tính chất vạn năng
Ý nghĩa của mã di truyền là đúng ở mọi sinh vật
THỰC HIỆN THÔNG TIN DI TRUYỀN
• Qúa trình sao mã (transcription)
• Quá trình dịch mã
QÚA TRÌNH SAO MÃ
Định nghĩa: Sao mã là quá trình truyền đạt thông tin
từ chuỗi xoắn kép DNA tới mạch đơn ARN Trong đó,
một trong hai mạch của chuỗi DNA được làm khuôn
để tổng hợp ARN gọi là mạch có nghĩa hay là mạch
mang mã gốc
Thành phần tham gia
1 Đoạn ADN cần sao mã (đoạn gen)
• Vùng khởi đầu, vùng mang mã, đoạn kết thúc
2 Enzym ARN-polymerase
• Enzyme này có cấu trúc từ 4 tiểu phần:
+2 tiểu phần nhỏ giống nhau ký hiệu là α, +2 tiểu phần lớn khác nhau – β, β1
• Nhân tố sigma (σ) nó giúp cho ARN-polymerase nhận biết
được điểm khởi đầu trên ADN
3 Các nucleotit dạng triphophat (ATP, GTP, UTP, CTP)
Cơ chế sao mã ở sinh vật nhân sơ
Vùng khởi đầu gồm 2 thành phần chính:
• Đoạn khởi đầu là một đoạn gồm 6 nucleotit có trật tự TATAAT-3‟ nằm cách điểm bắt đầu phiên mã 10 cặp nucleotit
5’-• Điểm nhận biết (recognition sequence) nằm cách điểm
khởi đầu phiên mã khoảng 35 nucleotit về phía trước có trình tự
Trang 3ARN-polymerase nhận biết và bám và hai đoạn đặc thù nằm
gần các vị trí -35 và -10 trước điểm bắt đầu sao mã
ARN-polymerase trượt dọc theo gen và xúc tác sự biến tính cục bộ của hai sợi DNA làm lộ ra sợi khuôn 3‟ – 5‟
để có thể khởi đầu quá trình tổng hợp mARN
• Dưới tác động của ARN-polymerase, DNA được tháo xoắn, các nucleotit trong môi trường tiến vào ghép bổ sung với các nucleotit trên sợi khuôn 3‟-5‟
• Tại vùng đã được phiên mã ADN xoắn lại như ban đầu
Giai đoạn 2: Giai đoạn kéo dài chuỗi
• Khi ARN polymerase chạy hết đoạn mang mã rồi chạy qua đoạn kết thúc giàu GC và AT, phân
tử enzym này dừng lại
• Do tác động của nhân tố Rho (ρ) (nhân tố giải
phóng), sợi ARN và enzyme ARN-polymerase được giải phóng khỏi ADN khuôn
Giai đoạn 3: Kết thúc
Đặc điểm sao mã ở Prokaryote
Ở vi khuẩn chỉ có một loại ARN-polymerase, tổng hợp
cho cả 3 loại phân tử ARN: ARN thông tin (mARN), ARN ribosome (rARN) và ARN vận chuyển (tARN)
Trên một đoạn khuôn ADN sự sao mã có thể diễn ra liên tục trên một đoạn DNA với sự tham gia của nhiều phân
tử ARN-polymerase
Trang 4THÀNH PHẦN:
+ Đoạn khởi động (Promoter)
+ Đoạn mang mã di truyền
+ Đoạn kết thúc (Termination)
Có 3 loại ARN-polymerase trong nhân tế bào sinh vật nhân
chuẩn (I, II và III)
• ARN-polymerase I Enzyme này chuyên trách việc sao
mã các gen để tổng hợp các phân tử rARN 28S, 5,8S,
3 Các nhân tố sao mã: có ít nhất 6 nhân tố sao mã hoạt
động để hỗ trợ ARN polymerase thực hiện quá trình sao
mã và được ký hiệu là TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF,
TFIIH
1-1 Đoạn khởi đầu 3‟ của đoạn ADN thường có 3 đoạn
trình tự đặc hiệu gồm:
1-1.Hộp TATA : là một đoạn gồm 7 nucleotit cùng có trình
tự 4 nu đầu tiên là TATA, nằm trước điểm bắt đầu sao mã
khoảng 25 – 30 nucleotit, có tác dụng hỗ trợ cho
ARN-polymerase nhận biết đúng vị trí khởi đầu sao mã
(initiator)
1-2.Hộp GC có trình tự kiểu GGGCGG
1-3.Hộp CAAT có trình tự kiểu CCAAT
(2 hộp sau nằm trước điểm khởi động phiên mã khoảng từ
40-100 nucleotit có vai trò trong điều hoà sao mã)
1 Gen cần sao mã
1-2 Đoạn mang mã (bắt đầu
bằng một điểm gọi là điểm
qua vị trí đặc biệt AATAAA
trên DNA (gọi là vị trí polyA)
Trang 5• Nhân tố TFIID gắn với hộp TATA của đoạn gen cần sao
mã thông qua một tiểu phần bổ sung của nó là TBP
(protein gắn trực tiếp vào ADN)
TFIID là một nhân tố vị trí, nó có nhiệm vụ hướng RNA
polymerase tới promoter của gen cần sao mã
• TFIIA gắn với TBP và TFIID và làm ổn định TFIID
• TFIIB gắn với TBP và TFIIF và RNA polymerase
• TFIIF là một nhân tố có vận động tách mạch vì vậy có
thể nó liên quan đén quá trình mở sợi DNA, làm xuất
hiện mạch đơn thẳng tại điểm Promoter
• Các TF còn lại được đính vào để hoàn thiện bộ khởi
động cho ARN polymerase
Giai đoạn Bắt đầu sao mã
• ARN polymerase II mở sợi kép, tổng hợp một mạch đơn mới theo chiều 5‟ 3‟ trong suốt quá trình nó chạy dọc theo mạch đơn được mở và dừng lại sau khi chạy qua đoạn poly A kết thúc
• Ở sinh nhật nhân chuẩn, đoạn ARN được tạo ra từ ARN
poplymerase II chỉ là mARN sơ cấp, mARN sơ cấp này
sau đó được tạo mũ (methyl hoá tại đầu methionyl) và gắn thêm đuôi poly A rồi trải qua quá trình thành thục hoá trước khi tham gia vào quá trình dịch mã
• Video Clip
Giai đoạn Sao mã + Kết thúc
DỊCH MÃ
• Định nghĩa: Dịch mã là quá trình tổng hợp mạch
polypeptit ở riboxome, trên cơ sở khuôn mẫu của
ARNm Trình tự đọc các bộ ba mã hóa trên ARNm quyết
định trật tự các loại axit amin trong mạch polypeptit
• Tham gia vào quá trình dịch mã bao gồm:
• mARN
• Ribosome
• tARN
• Aminoaxyl-ARN-synthetase
• Axit amin được hoạt hoá
• Một loạt các yếu tố protein khác
Ribosome
- Là nơi xảy ra quá trình tổng hợp mạch polypeptit
- Là một phân tử gồm 2 tiêu phần + Tiểu phần nhỏ 30S + Tiểu phần lớn 50S
- Mỗi tiểu phần đều được hình thành
từ rARN và protein
- Độ lớn và thành phần cấu trúc của ribosome biến động lớn ở các đối tượng sinh vật khác nhau Hình 2.6 Mô hình
ribosome
Trang 6tARN
• Là các phân tử ARN được sao mã từ đoạn gen
đặc thù (gen tARN)
• tARN có nhiệm vụ xếp các axit amin vào đúng vị
trí theo trình tự mã di truyền trên mARN
• Sau khi được tạo ra bằng quá trình sao mã, ở
một vị trí xác định của nó xảy ra biến đổi một số
gốc (hydrouraxin (DHU) và pseudouridin) tARN
sau đó uốn lại tạo cấu trúc không gian có dạng
hình cỏ ba lá nhờ các liên kết hydro
- Đầu 3‟ của tARN liên kết với axit amin Luôn có trình tự CCA
Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc của tARN
Sơ đồ cấu trúc ARNt
I – vòng thắt DHU; II – anticodon; III – đoạn thêm
IV – vòng thắt TψC
Hoạt hóa axit amin
• Mỗi loại axit amin có mặt trong tế bào chất được đính vào từng ARNt thích hợp nhờ hoạt động xúc tác của
enzyme aminoaxyl-tARN synthetase đặc thù
• Enzyme này xúc tác cho phản ứng ATP hoạt hóa axit amin tạo nên phức hợp aminoaxyl-AMP liên kết với enzyme
E + ATP + A.amin E[Aamin~AMP]
• Sau đó phức hợp này kết hợp với ARNt bằng liên kết đồng hóa trị tạo nên aminoaxyl-ARNt
E[Aamin~AMP] + ARNt Aamin~ARNt + AMP + E
Toàn bộ quá trình trên gọi là quá trình hoạt hóa axit amin
Giai đoạn 1:
• Tiểu đơn vị ribosome bé bám vào ARNm tại vị trí của
codon khởi đầu AUG
• ARNt axit amin mở đầu, một đầu mang bộ ba đối mã
(AUG), một đầu mang axit amin mở đầu Methionyl tiến
vào ribosome và khớp anticodon của nó với codon khởi
đầu theo nguyên lý bổ sung
• Tiếp đó tiểu đơn vị lớn của ribosome bám vào tiểu đơn
vị bé tạo ra một ribosome hoạt động hoàn chỉnh Lúc này
Met-tRNA ở vị trí P và bên cạnh vị trí A còn để trống
• Một ARNt thứ hai đi vào vị trí A và khớp với codon thứ 2
• Giữa hai axit amin hình thành liên kết peptit, phản ứng
được xúc tác bởi enzyme peptidyltranspherase, kết
quả là tạo ra một peptidyl – ARNt ở vị trí A
Trang 7Giai đoạn 2:
• Ribosome dịch chuyển sang một codon mới dọc ARNm
theo chiều 5‟ 3‟ Dịch chuyển này đẩy ARNt-1 ở vị trí P
ra khỏi ribosome, và đưa ARNt-2 vào vị trí P làm vị trí A
bị bỏ trống
• Aminoacyl - ARNt thứ 3 đi vào và khớp aticodon của nó
với codon vị trí A, liên kết peptit thứ hai được hình
thành
• Ribosome lại dịch chuyển sang codon kế tiếp Cứ như
vậy, lại xảy ra quá trình tương tự dọc theo suốt chiều dài
ARNm cho đến codon đặc hiệu kết thúc trên ARNm
• Hai tiểu đơn vị của ribosome cũng tách ra ở dạng tự do
Chuỗi peptit được giải phóng
Polysome
• Sau khi có khoảng 25 axit amin được liên kết vào chuỗi polypeptide-1, ribosome thứ nhất đã tách xa codon khởi đầu, codon này lại liên kết với ribosome thứ 2 Và sự chuyển dịch xảy ra song song Cứ như vậy đến ribosome thứ 3…thứ n Như vậy, trên 1 ARNm có nhiều
ribosome làm việc tạo nên một đơn vị dịch mã
polyribosome hay polysome
Sơ đồ sao chép ARN diễn ra đồng thời ở nhiều
Trang 8GEN LÀ GÌ? KHÁI NIỆM TỔNG QUÁT VỀ HỆ
THỐNG GEN Ở TẾ BÀO
• Gen là gì?
• Gen có vai trò gì trong cơ thể sinh vật?
• Gen có cấu tạo và hoạt động như thế
nào?
Khái niệm về gen của Morgan
Các gen nằm trên nhiễm sắc thể và là các đơn vị không chia nhỏ được nữa
Theo Morgan,để xác định hai đột biến nghiên cứu
có nằm trong cùng một gen hay không (có alen
với nhau không) có thể căn cứ vào 2 tiêu chuẩn:
• Tiêu chuẩn tái tổ hợp: Nếu các đột biến không
tái tổ hợp với nhau (giữa chúng không xảy ra
trao đổi chéo) thì chúng alen với nhau Nếu
không, chúng thuộc về hai gen khác nhau
• Tiêu chuẩn chức năng: khi lai hai thể đột biến
với nhau nếu cho thế hệ lai có kiểu hình đột
biến, thì hai đột biến đó thuộc về cùng một gen
(chúng alen với nhau), còn nếu cho thế hệ lai có
kiểu hình dại (bình thường) thì các đột biến
thuộc về hai gen khác nhau Chắc nghiệm chức năng cho hiện
Kiểu hình đột biến
Hai đột biến a 1 và a 2 là
2 alen thuộc về cùng 1 locus
Ý kiến của bạn về quan điểm của
Morgan?
Đồng ý?
Không đồng ý?
Ngày nay chúng ta có thể khẳng định:
Gen là một đoạn nằm trên phân tử
DNA, đóng vai trò là một đơn vị cấu
trúc của thông tin di truyền và đảm
Trao đổi chéo giữa các đột biến trong một
gen vẫn diễn ra bình thường
Trang 9Các loại gen trong cơ thể sinh vật
Hiện tại, phân tử DNA của sinh vật (không bao gồm DNA trong ty
thể và lục lạp được chia ra các vùng chức năng gọi là các gen,
bao gồm 6 loại chính:
1.Các gen cấu trúc: tổng hợp các protein cấu trúc và các protein
enzyme, giới hạn bởi bộ ba khởi đầu và bộ ba kết thúc
2.Các gen tARN mang thông tin tổng hợp nên các ARNt
3.Các gen rARN mang thông tin tổng hợp ARNr
4.Các vùng điều hòa đặc hiệu nằm cạnh các gen cấu trúc, đó là
5.Các vùng đệm (spacer) tách biệt giữa các gen
6.Các vùng mã hóa các tín hiệu khởi đầu và kết thúc dịch mã
và một số vùng thực hiện hàng loạt các chức năng khác thì hiện
chưa hoàn toàn sáng tỏ
• Mã hóa nhiều protein cấu tạo lạp thể và các enzym cần cho quá trình quan hợp Ngoài ra còn có cả một số protein của ribosome
2.2 CẤU TRÚC VÀ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG
CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ
2.2.1 Khái niệm chung – gen hoạt động theo cơ chế điều hòa
• Biểu hiện của gen chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hòa,
chúng xảy ra theo chương trình định trước và đáp lại là những
tác động của sự biến đổi ở môi trường và trong tế bào
• Ở sinh vật nhân sơ, mục đích của sự điều hoà biểu hiện gen là
nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các tác nhân dinh
dưỡng và lý hoá của môi trường, đảm bảo 2 yêu cầu chính của
tế bào: tăng trưởng và sinh sản
• Sự điều hoà biểu hiện của gen chủ yếu được tiến hành ở giai
đoạn phiên mã
MÔ HÌNH OPERON
• Ở sinh vật nhân sơ, các gen thường hợp lại thành cụm hướng tới thực hiện một chức năng nhất định gọi là operon Cơ chế điều hòa chủ yếu được thực hiện thông qua các operon
• 1961, F Jacob và J Monod đưa ra mô hình operon:
+ Đoạn ADN mã hoá (các gen cấu trúc) quy định tổng hợp protêin
+ Đoạn ADN tham gia vào quá trình điều hoà hoạt động của các gen cấu trúc
+ O- operator: vùng điều hành :21 đôi bazơ + P- promotor: vùng khỏi động: 85 đôi bazơ
Kết luận: operon là một hệ thống hoạt động bao gồm các gen cấu
trúc nằm dưới sự kiểm soát của bộ phận điều hoà liên kết sát chúng
2.2.2 Lac operon ở vi khuẩn, điều hòa âm tính
• Các enzyme tham gia vào phân giải đường lactose ở E.coli:
β-galactoside tham gia vào sự phân giải lactose thành galactose
• Khi nuôi cấy khuẩn E.coli trong môi trường có lactose thì thấy
hoạt tính của các enzyme trên tăng mạnh Như vậy lactose đã
cảm ứng sự hoạt động của các gen kiểm tra các enzym trên
Trang 10Cấu trúc của mô hình lac operon
Phần 1: Các gen cấu trúc kiểm tra tổng hợp các enzym:
- Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside (ký hiệu là Z), có độ
dài 3.510 đôi bazơ
- Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside permease, ký hiệu là
Y, có độ dài 780 đôi bazơ
- Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside transacetylase, ký
hiệu là A, có độ dài là 825 đôi bazơ
Khi sao mã, các gen cấu trúc được sao cùng nhau trên một
ARNm, tạo thành một khối gọi là ARNm đa cistron
Phần 2: Vùng ADN làm nhiệm vụ điều hòa sự hoạt động của
các gen cấu trúc:
- Vùng O – operator (vùng điều hành hay chỉ huy), có độ dài 21 đôi bazơ
- Vùng P – promoter (vùng khởi động), có độ dài chừng 85 đôi
bazơ Vùng P được chia làm 2 đoạn: đoạn A – là nơi tiếp nhận
sự tác động của protein hoạt hóa trao đổi chất CAP (Catabolite
Activator Protein) và đoạn dành cho enzyme ARN-polymerase liên kết để tiến hành sao mã
Giữa hai phần cách nhau bởi một đoạn có độ dài khoảng 37
đôi bazơ, gọi là đoạn dẫn đầu
Cơ chế điều hòa âm tính
• Sự đóng mở các gen cấu trúc phụ thuộc vào protein điều hòa (protein ức chế), do gen điều hòa I kiểm tra
• Ở hệ lactose gen I nằm ngay sát tổ chức operon và có độ dài 1.045 đôi bazơ với vùng khởi động (P) dài khoảng 80 đôi bazơ Gen
I hoạt động theo cơ chế tự điều khiển
• Khi protein điều hòa có tác động bao vây vùng O ức chế sao
mã các gen cấu trúc
• Khi trong môi trường có mặt chất cảm ứng (inducer) (VD: đường
lactose, isopropylthiogalactoside (IPTG)), nó tác động với protein điều hòa protein điều hòa biến đổi cấu trúc không gian mất
hoạt tính bao vây vùng O vùng O được giải tòa Nhờ đó, sự hoạt
động của ARN- polymerase được diễn ra bắt đầu từ điểm khởi động Kết quả là các gen cấu trúc được sao mã
Lac Repressor molecule
Trang 11Sơ đồ hoạt động của lac operon ở E.coli
theo cơ chế điều hòa cảm ứng âm tính
O- Lac operon hoạt động liên tục bởi chất ức chế không bám
được vào operator
P
-Lac operon ngừng hoạt động vì ARN polymerase không
thể bám được vào ADN
lacZ
-Không có các sản phẩm glucose hay galactose được phân
giải từ lactose
lacY- Lactose không được vận chuyển vào trong tế bào
Điều hòa ức chế âm tính (negative, repressive
control) – operon sinh tổng hợp axit amin
• Điều hoà hoạt động của các operon sinh tổng hợp axit amin
cũng diễn ra theo cơ chế điều hoà âm tính Nhưng có sự khác biệt
so với operon lac đó là: khi có tác động của sản phẩm axit amin
(hình thành nhiều trong tế bào) lên protein điều hoà, làm cho nó trở
nên hoạt tính bao vây vùng O và ức chế sao mã
• Như vậy, axit amin có tác động như yếu tố đồng ức chế.
• Khi tế bào thiếu aa, sự sao mã xảy ra, hoạt tính của các enzim
tham gia vào sinh tổng hợp protêin tăng Khi đủ aa, các gen cấu
trúc ngừng sao mã
• Ví dụ: Operon histiddin, Operon triptophan
MÔ HÌNH OPERON TRYPTOPHAN
