Phần 1: Di truyền học Chương I: Vật chất và cơ chế di truyền ở cấp độ phân tử Bài 1: Cấu trúc và chức năng của ADN Axit nucleic: ADN(Axit deoxyribo nucleic) ARN (Axit ribo nucleic) I. Cấu trúc ADN 1. Đặc diểm chung ADN tồn tại chủ yếu trong nhân tế bào, cũng có mặt ở ti thể, lạp thể. ADN là một loại axit hữu cơ có chứa các nguyên tố chủ yếu C, H, O, N và P (hàm lượng P có từ 8 đến 10%) ADN là đại phân tử, có khối lượng phân tử lớn, chiều dài có thể đạt tới hàng trăm micromet, khối lượng phân tử có từ 4 đến 8 triệu, một số có thể đạt tới 16 triệu đơn vị cacbon. ADN cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các nucleotit(nu) 2. Nucleotit(nu) Cấu tạo gồm 3 phần Nhóm photphat Đường deoxyribo(C5H10O4) Một trong bốn loại bazơ nitric: A(Adenin), G(Guanin), T(Timin), C(Citozin)= X Trong đó A, G= purin= nhóm lớn
Trang 1Phần 1: Di truyền học Chương I: Vật chất và cơ chế di truyền ở cấp độ phân tử
Bài 1: Cấu trúc và chức năng của ADN
Axit nucleic: ADN(Axit deoxyribo nucleic)
ARN (Axit ribo nucleic)
ADN cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các nucleotit(nu)
Trang 2 Cấu trúc chung một nu
Như vậy giữa các nu chỉ khác nhau bởi nhóm bazơ nitric, vì vậy têngọi của các nu trùng với tên gọi của bazơ nitric trương ứng
3 Liên kết hoá học
a Liên kết photphodieste(liên kết hoá trị)
Trên mạch đơn của phân tử các đơn phân liên kết với nhau bằng liênkết hoá trị là liên kết hình thành giữa đường C5H10O4 của nuclêôtit nàyvới phân tử H3PO4 của nuclêôtit bên cạnh, (liên kết này còn được gọi làliên kết photphodieste) Liên kết photphodieste là liên kết rất bền đảmbảo cho thông tin di truyền trên mỗi mạch đơn ổn định kể cả khi ADN táibản và phiên mã
Các loại nu liên kết với nhau tạo thành chuỗi polinucleotit Một đầuC5’ tự do gọi là đầu 5’, một đầu có C3’OH tự do gọi là đầu 3’
* Lưu ý trong bản thân mỗi nu cũng có một liên kết hoá trị giữanhóm đường và nhóm photphat
Từ 4 loại nuclêôtit có thể tạo nên tính đa dạng và đặc thù của ADN
ở các loài sinh vật bởi số lượng, thành phần, trình tự phân bố củanuclêôtit
Trang 3Liên kết hoá tr ị
b Liên kết hidro
Trang 4Là mối liên kết giữa các bazơ nitric của các nu trên 2 mạch ADN.Trong đó A liên kết với T bằng 2 liên kết, G lk với X bằng 3 lk.
Liên kết hidro là lk kém bền vững, thường bị phá vỡ trong các hoạtđộng di truyền như nhân đôi, sao mã
Ý nghĩa
Nguyên tắc bổ sung: Tổng số bazơ nitric loại lớn (A+ G) bằng tồng
số bazơ ni tric loại nhỏ (T+ C)
Trang 54 Cấu trúc không gian
Vào năm 1953, J.Oatxơn và F.Cric đã xây dựng mô hình cấu trúckhông gian của phân tử ADN
Mô hình ADN theo J.Oatxown và F.Cric có đặc trưng sau:
Là một chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch pôlinuclêôtit xoắn đều quanhmột trục theo chiều từ trái sang phải như một thang dây xoắn, mà 2 taythang là các phân tử đường (C5H10O4) và axit phôtphoric sắp xếp xen kẽnhau, còn mỗi bậc thang là một cặp bazơ nitric đứng đối diện và liên kếtvới nhau bằng các liên kết hiđrô theo nguyên tắc bổ sung, nghĩa là mộtbazơ lớn (A hoặc G) được bù bằng một bazơ bé (T hoặc C) hay ngượclại Do đặc điểm cấu trúc, ađenin chỉ liên kết với timin bằng 2 liên kếthiđrô và guanine chỉ liên kết với xitôzin bằng 3 liên kết hiđrô
Do các cặp nuclêôtit liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung đãđảm bảo cho chiều rộng của chuỗi xoắn kép bằng 20 Å , khoảng cáchgiữa các bậc thang trên chuỗi xoắn bằng 3,4Å, phân tử ADN xoắn theochu kỳ xoắn, mỗi chu kỳ xoắn có 10 cặp nuclêôtit có chiều cao 34Å Ngoài mô hình của J.Oatxơn, F.Cric nói trên đến nay người ta cònphát hiện ra 4 dạng nữa đó là dạng A, C, D, Z các mô hình này khác vớidạng B (theo Oatxơn, Cric) ở một vài chỉ số: số cặp nuclêôtit trong mộtchu kỳ xoắn, đường kính, chiều xoắn
Ở một số loài virut và thể ăn khuẩn ADN chỉ gồm một mạchpôlinuclêôtit ADN của vi khuẩn, ADN của lạp thể, ti thể lại có dạng vòngkhép kín
II Chức năng của ADN
Lưu giữ, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền
III Khái niệm và cấu trúc của gen
1 Khái niệm gen:
Gen là một đoạn phân tử ADN mang thông tin mã hoá cho một sảnphẩm là chuỗi polipeptit hoặc phân tử ARN
Gen được truyền từ bố mẹ sang con cái và được xem là đơn vị cơbản của sự di truyền, ảnh hưởng lên mọi cấu trúc và chức năng của cơthể Ở người có khoảng từ 30.000-40.000 gene
2 Cấu trúc gen cấu trúc(gen mã hoá protein)
Vùng điều hoà nằm ở đầu 3’ của mạch gốc: mang tín hiệu khởi động
và kiểm soát quá trình phiên mã
Trang 6Vùng mã hoá: mang thông tin mã hoá các axitamin Các gen sinh vậtnhân sơ có vùng mã hoá liên tục được gọi là gen không phân mảnh Phầnlớn các gen của sinh vật nhân thực có vung mã hoá không lien tục, xen kẽgiữa các đoạn mã hoá(exon) là các đoạn không mã hoá(intron), được gọi
là gen phân mảnh
Hầu hết các gene của cơ thể eukaryote gồm chủ yếu là các đoạn intron Hiện nay chức năng của các intron vẫn còn đang được nghiên cứu.
Vùng kết thúc nằm ở đầu 5’ của mạch gốc: mang tín hiệu kết thúcphiên mã
Gen tổng hợp tARN, rARN
Gen tăng cường, gen bất hoạt: Các gen tăng cường tác động lên gen
điều hoà, gây nên sự biến đổi cấu trúc nuclêôxôm của chất nhiễm sắc, gen bất hoạt, làm ngừng phiên mã khi gây ra sự biến đổi cấu trúc NST.
Gen nhảy(jumping gene)= yếu tố di truyền vận động, gen nhảy cóthể di chuyển và xen vào các đoạn ADN
Trang 7Đặc điểm của mã di truyền
Mã di truyền là mã bộ ba Mã di truyền được đọc từ điểm xác định
và liên tục từng bộ ba không chồng gối lên nhau
Mã di truyền có tính đặc hiệu, tức là một bộ ba chỉ mã hoá cho mộtloại aa
Mã di truyền có tính thoái hoá nhiều bộ ba cùng mã hoá cho một aa,trừ AUG (methionin), UGG(triptophan)
Mã di truyền có tính phổ biến, tất cả các loài đều dùng chung một bộ
mã di truyền Mã di truyền là chung cho toàn bộ sinh giới trừ một số
ngoại lệ đối với các codon ở ti thể Ở DNA của ti thể có một số codon
mã cho các acid amine khác với nghĩa của các codon này trên DNA trong nhân.
UGA mã cho tryptophan thay vì báo hiệu chấm dứt việc tổng hơp protein.
AGA và AGG không mã cho arginine mà báo hiệu chấm dứt tổng hợp protein.
AUA mã cho methionine thay vì mã cho isoleucine.
Có 3 bộ ba làm nhiệm vụ kết thúc là UAA, UAG, UGA,
Bộ ba AUG là mã mở đầu ở sinh vật nhân chuẩn mã hoá chomethionin, ở sinh vật nhân sơ mã hoá cho foocmin methionin
Trang 8Bài 2: Cấu trúc và chức năng ARN(Axit ribo nucleic)
- Phân tử đường ribo(C5H10O5)
- Một trong 4 loại bazơnitric: A, U(Uraxin), G, C
3 Liên kết
Trên mạch phân tử các ribônuclêôtit liên kết với nhau bằng liên kếthoá trị giữa đường C5H10O5 của ribonuclêôtit này với phân tử H3PO4 củaribônuclêôtit bên cạnh= liên kết hoá trị Riêng tARN có thêm liên kếthidro ở các vị trí đối xứng
4 Cấu trúc không gian
Đa phần các phân tử ARN có cấu trúc không gian một mạch đơn
Ở một số nhóm virut(virut kí sinh ở thực vật), ARN có cấu trúc haimạch
Riêng tARN có cấu trúc không gian đặc biệt
II.Các loại ARN
1 ARN thông tin (mARN,iARN)
Mỗi phân tử mARN có khoảng 600 đến 1500 đơn phân, mARNchiếm 5-10%.tổng số ARN, còn được gọi là ARN trung gian,được tổnghợp trong nhân của tế bào,trên khuôn mẫu của ADN,làm nhiệm vụ trunggian truyền thông tin di truyền từ ADN trong nhân sang protein được tổnghợp tại ribôxôm trong tế bào chất Thời gian sống(tồn tại)trong tế bào rấtngắn., sau khi kết thúc quá trình dịch mã mARN sẽ bị phân huỷ
Trang 92 ARN vận chuyển (tARN,sARN)
tARN gồm 80 đến 100 đơn phân, tARN chiếm 10-20% khối lượngphân tử 260000 dvC
ARN vận chuyển có cấu trúc đặc thù:mạch đơn ribonucleotit quấntrở lại làm thành ba kiểu thuỳ như lá dâu.Trong 3 thuỳ đó thì:
Một thuỳ mang đối mã anticodon,sẽ khớp bổ sung với mãsao(codon) trên m-ARN
Một thuỳ tác dụng với ribôxôm
Một thuỳ có chức năng nhận diện enzym gắn axit amin tương ứng vào ARN-vận chuyển
Một số ARN-vận chuyển có thuỳ thứ tư
60-70% cấu trúc ARN vận chuyển có dạng xoắn kép,tạo nên không gian 3 chiều
Đầu mút có chức năng mang axit amin của tất cả các loại ARN vậnchuyển đều có kết thúc là ACC và đầu mút phía còn lại là G
Chức năng của ARN vận chuyển là kết hợp với axit amin để tổnghợp protein tại ribôxôm.Có đến 50-60 loại ARN vận chuyển khácnhau.Mỗi loại chỉ kết hợp với một trong 20 axit amin,và đưa lần lượt các
Trang 10axit amin vào ribôxôm.ARN-vận chuyển có 2 chức năng trong sự thamgia tổng hợp protein:chức năng tiếp nhận và chức năng liên kết.
Chức năng tiếp nhận của ARN-vận chuyển thể hiện ở sự nhậndiện,tiếp nhận axit amin tương ứng đã được họat hoá.Về chức năng liênkết,axit amin được liên kết với ARN vận chuyển ở đầu mút, sự liên kếtxảy ra nhờ tác động của một enzym hoạt hoá riêng biệt đối với axit amin.Chức năng phiên dịch: tARN tham gia dịch mã chuyển trình tự cácribonu trên mARN thành trình tự các aa trên chuỗi polipeptit
3 ARN-ribôxôm (rARN):
Loại này chiếm phần lớn ARN trong tế bào,80% ARN tổng hợp.rARN kết với với protein để cấu tạo nên Riboxom
Trang 12Bài 3: Cấu trúc và chức năng của protein
I Cấu trúc của protein
Trang 13Với 20 loại aa sắp xếp theo trình tự, thành phần và số lượng khácnhau sẽ tạo ra vô số các phân tử ADN(khoảng 1014- 1015)
3 Liên kết hoá học= liên kết peptit
Liên kết peptit là mối liên kết giữa nhóm Amin và nhóm Cacboxilcủa hai aa bằng các chung nhau mất đi một phân tử nước
Nhiều aa liên kết với nhau tạo thành chuỗi polipeptit
Trang 144 Cấu trúc không gian
a Cấu trúc bậc 1
Các axit amin nối với nhau bởi liên kết peptit hình thành nênchuỗi polypepetide Đầu mạch polypeptide là nhóm amin của axit aminthứ nhất và cuối mạch là nhóm cacboxyl của axit amin cuối cùng Cấutrúc bậc một của protein thực chất là trình tự sắp xếp của các axit amintrên chuỗi polypeptide Cấu trúc bậc một của protein có vai trò tối quantrọng vì trình tự các axit amin trên chuỗi polypeptide sẽ thể hiện tươngtác giữa các phần trong chuỗi polypeptide, từ đó tạo nên hình dạng lập thểcủa protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein Sựsai lệch trong trình tự sắp xếp của các axit amin có thể dẫn đến sự biếnđổi cấu trúc và tính chất của protein
b Cấu trúc bậc hai:
Là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptide trong không gian.Chuỗi polypeptide thường không ở dạng thẳng mà xoắn lại tạo nên cấutrúc xoắn α và cấu trúc nếp gấp β, được cố định bởi các liên kết hyđrogiữa những axit amin ở gần nhau Các protein sợi như keratin, Collagen (có trong lông, tóc, móng, sừng)gồm nhiều xoắn α, trong khi các proteincầu có nhiều nếp gấp β hơn
c Cấu trúc bậc ba:
Các xoắn α và phiến gấp nếp β có thể cuộn lại với nhau thành từngbúi có hình dạng lập thể đặc trưng cho từng loại protein Cấu trúc không
Trang 15gian này có vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng của protein.Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của nhóm -R trong cácmạch polypeptide Chẳng hạn nhóm -R của cystein có khả năng tạo cầuđisulfur (-S-S-), nhóm -R của prolin cản trở việc hình thành xoắn, từ đó
vị trí của chúng sẽ xác định điểm gấp, hay những nhóm -R ưa nước thìnằm phía ngoài phân tử, còn các nhóm kị nước thì chui vào bên trongphân tử Các liên kết yếu hơn như liên kết hyđro hay điện hóa trị có ởgiữa các nhóm -R có điện tích trái dấu
d Cấu trúc bậc bốn:
Khi protein có nhiều chuỗi polypeptide phối hợp với nhau thì tạonên cấu trúc bậc bốn của protein Các chuỗi polypeptide liên kết với nhaunhờ các liên kết yếu như liên kết hyđro
II Chức năng của protien
Collagen và Elastin tạo nên cấutrúc sợi rất bền của mô liên kết, dâychẳng, gân Keratin tạo nên cấu trúcchắc của da, lông, móng Protein tơnhện, tơ tằm tạo nên độ bền vững của
tơ nhện, vỏ kén
Trang 16Enzyme
Xúc tác sinhhọc: tăng nhanh,chọn lọc các phảnứng sinh hóa
Các Enzyme thủy phân trong dạdày phân giải thức ăn, EnzymeAmylase trong nước bọt phân giải tinhbột chín, Enzyme Pepsin phân giảiProtein, Enzyme Lipase phân giảiLipid
Protein
Hormone
Điều hòacác hoạt độngsinh lý
Hormone Insulin và Glucagon do
tế bào đảo tụy thuộc tuyến tụy tiết ra
có tác dụng điều hòa hàm lượng đườngGlucose trong máu động vật có xươngsống
Protein
vận chuyển
Vận chuyểncác chất
Huyết sắc tố Hemoglobin có chứatrong hồng cầu động vật có xươngsống có vai trò vận chuyển Oxy từ phổitheo máu đi nuôi các tế bào
Protein
vận động
Tham giavào chức năngvận động của tếbào và cơ thể
Actinin, Myosin có vai trò vậnđộng cơ Tubulin có vai trò vận độnglông, roi của các sinh vật đơn bào
Protein
thụ quan
Cảm nhận,đáp ứng các kíchthích của môitrường
Thụ quan màng của tế bào thầnkinh khác tiết ra (chất trung gian thầnkinh) và truyền tín hiệu
Protein
dự trữ
Dự trữ chấtdinh dưỡng
Albumin lòng trắng trứng lànguồn cung cấp axit amin cho phôiphát triển Casein trong sữa mẹ lànguồn cung cấp Acid Amin cho con.Trong hạt cây có chứa nguồn protein
dự trữ cần cho hạt nảy mầm
Như vậy protein tham gia vào cấu tạo nên đặc điểm hình thái, sinh lí, sinh hoá của cơ thể protein hình thành nên tính trạng của cơ thể
Trang 17Bài 4: Quá trình nhân đôi ADN= tự sao= replication
I Vị trí- thời điểm
1 Vị trí: quá trình nhân đôi ADN xảy ra trong nhân tế bào đối với
sinh vật nhân chuẩn Đối với sinh vật nhân sơ thì xảy ra trong tế bào chất
2 Thời điểm: Nhân đôi ADN xảy ra vào pha S (thuộc kì trung gian)
trong chu kì tế bào
II Enzim- protein tham gia vào quá trình nhân đôi
Có nhiều protein và enzim tham gia vào quá trình nhân đôi Nhưngenzim quan trong nhất là nhóm ADN polimeraza(ADNpol) Ở sinh vậtnhân chuẩn là ADN polimeraza α(alpha), β(bêta), ɣ(gamma) Ở sinh vậtnhân sơ là ADN polimeraza 1, 2, 3
III Quá trình nhân đôi
1 Nhân đôi ở sinh vật nhân sơ
Trang 18Enzim helicase làm đứt các liên kết hidro làm hai mạch đơn củaADN tách nhau ra tạo thành chạc tái bản hình chữ Y.
Enzim primase tổng hợp đoạn ARN- mồi, Đoạn mồi này có vai tròcung cấp đầu 3'-OH cho ADN pol tổng hợp mạch mới Sau đó, đoạn mồinày, thường, sẽ được thay thế bằng 1 đoạn ADN tương ứng
Enzim ADN pol tổng hợp mạch mới theo nguyên tắc bổ sung(A- T,G- C)
ADN pol chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5’ 3’ (các nu mớiđược gắn vào đầu 3’OH)
Một mạch mới được tổng hợp liên tục (mạch 5’- 3’= mạch ra trước=mạch dẫn đầu), một mạch được tổng hợp gían đoạn, mỗi đoạn khoảng1000- 2000nu(đoạn Okazki) Các đoạn Okazaki được nối lại nhờ enzimligaza tạo thành sợi ra sau có chiều 3’- 5’
Quá trình tiếp tục cho đến hết phân tử ADN, mỗi phân tử ADN mẹtạo thành 2 phân tử ADN con hoàn toàn giống nhau và giống mẹ Trongmỗi phân tử ADN con có một mạch cũ của mẹ và một mạch được tổnghợp hoàn toàn mới, được gọi là nguyên tắc bán bảo toàn hay bán bảo tồn
2 Ở sinh vật nhân thực
Sự nhân đôi ở sinh vật nhân thực nhìn chung là giống sinh vật nhân
sơ Tuy nhiên, có 1 vài điểm khác đáng lưu ý:
- Ở sinh vật nhân sơ chỉ có 1 điểm khởi đầu sao chép nhưng ở sinhvật nhân thực, do hệ gen lớn, nên có rất nhiều điểm khởi đầu tái bản
- Ở sinh vật nhân thực, hệ enzim tham gia phức tạp hơn so với nhân
sơ
Trang 19Nhìn chung, tốc độ nhân đôi ở sinh vật nhân sơ lớn hơn ở sinh vậtnhân thực.
* L ưu ý: Ở cả sinh vật nhân sơ và nhân thực luôn có quá trình sửa sai nhờ hệ thống enzim sửa sai luôn rà soát trên phân tử ADN.
Phân tử ADN sau khi tổng hợp xong sẽ hình thành cấu trúc ổn định (cuộn xoắn, liên kết với protein ) và độc lập với phân tử ADN mẹ Quá trình nhân đôi ADN kết thúc thường dẫn tới quá trình phân chia tế bào.
Có nhiều thí nghiệm chứng minh nguyên tắc nhân đôi ADN (đặc biệt
là nguyên tắc bán bảo toàn) trong đó 1 thí nghiệm nổi tiếng là của Meselson và Stahl Hai ông dùng đồng vị phóng xạ N 15 đánh dấu ADN, sau đó cho vi khuẩn chứa ADN này thực hiện quá trình nhân đôi ADN trong môi trường N 14 Nhờ thực hiện ly tâm và phân tích kết quả thu được, họ đã chứng minh được cơ chế nhân đôi bán bảo toàn của ADN.
Trang 20Bài 5: Quá trình sao mã=phiên mã= tổng hợp ARN=
transcription
I Vị trí và thời điểm
1 Vị trí
Ở sinh vật nhân chuẩn phiên mã xảy ra trong nhân tế bào
Ở sinh vật nhân sơ phiên mã xảy ra trong tế bào chất
2 Thời điểm
Phiên mã xảy ở pha G1 và G2 trong chu kì tế bào
II Hệ enzim
Enzym tham gia làm xúc tác cho quá trình phản ứng có tên là ARN
polymeraza (RNA polymerase).Với sinh vật nhân thực, có 3 loại ARN
polymeraza, mỗi loại sẽ sao mã ra một nhóm ARN khác nhau ARNpolymeraza I thì dùng để tổng hợp ra rARN, ARN polymeraza II (Pol II)thì dùng để tổng hợp ra mọi mARN (là các protein để mã hóa ARN), vàARN polymeraza III thì dùng để tổng hợp ra tARN và một số ARN ổnđịnh nhỏ khác ARN polymeraza II là quan trọng nhất
III Quá trình sao mã
1 Sao mã ở sinh vật nhân sơ
ARN pol nhận biết điểm khởi đầu phiên mã.ADN tháo xoắn, tách mạch tại vị trí khởi đầu phiên mã
Các riboNu tới vị trí ADN tách mạch, liên kết với ADN mạch khuôntheo nguyên tắc bổ sung, cụ thể:
A (ADN) liên kết với U môi trường (mt)
T (ADN) liên kết với A mt
G (ADN) liên kết với C mt
C (ADN) liên kết với G mt
Hình thành liên kết photphođieste giữa các riboNu -> tạo mạch.ARN pol di chuyển trên mạch gốc theo chiều 3'-5', cứ như thế, cácriboNu liên kết tạo thành phân tử ARN
ARN tách dần khỏi mạch ADN, 2 mạch ADN sau khi ARN pol đi qua lại liên kết trở lại
Trang 21Nhờ tín hiệu kết thúc, ARN pol kết thúc việc tổng hợp ARN, rờikhỏi ADN mARN được tạo thành là mARN trưởng thành
Trên thực tế, ở sinh vật nhân sơ, quá trình phiên mã (tổng hợpmARN) và quá trình dịch mã (tổng hợp protein) gần như xảy ra đồngthời
2 Phiên mã ở sinh vật nhân thực
Ở sinh vật nhân thực, vùng mã hoá là phân mảnh (có xen kẽ exon vàintron), nên phân tử ARN được tạo ra có cả đoạn tương ứng intron, exon.Phân tử này được gọi là tiền mARN Tiền mARN sẽ được cắt bỏ cácintron để tạo thành phân tử mARN trưởng thành Phân tử mARN trưởngthành này mới làm khuôn tổng hợp protein
Sau khi cắt intron, việc sắp xếp lại các exon cũng là vấn đề Sự sắp xếp khác nhau có thể dẫn đến các phân tử mARN trưởng thành khác
nhau, và đương nhiên là quy định các protein khác nhau Đây là 1 hiện
tượng được thấy đối với gen quy định tổng hợp kháng thể ở người Vì vậy, chỉ 1 lượng rất nhỏ gen nhưng có thể tổng hợp rất nhiều loại kháng thể khác nhau