ADN, GEN và cơ CHẾ DI TRUYỀN

Trên một mạch các nuclêôtit liên kết với nhau bằng liên kết photphođieste giữa nhóm OH ở vị trí 3´ trong phân tử đường của nuclêôtit đứng phía trước với nhóm phôtphat của nuclêôtit đứng

ADN, GEN VÀ CƠ CHẾ DI TRUYỀN

I CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA AXIT NUCLÊIC:

Axit nuclêic là hợp chất hữu cơ cao phân tử được cấu tạo từ 5 nguyên tố chính là

C, H, O, N và P và cấu trúc theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các nulêôit bao gồm nhóm photphat, đường và bazơ nitơ Có hai loại axit nuclêic: axit

đêôiribônuclêic (ADN) và ribônuclêic (ARN)

1)Axit đêôxiribônuclêic (ADN):

1.Cấu tạo:

ADN được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân có tính đa dạng và đặc thù, đơn phân là các nuclêôtit Một nuclêôtit được cấu tạo từ 3 phần: Bazơ nitơ có 4 loại Ađênin(A), Guanin(G) (nhóm purine) và Timin(T), Citosin(X) (nhóm pyrimidin)

;đường đêoxiribôzơ (C5H10O4) và nhóm phôtphat

Phân tử ADN là một chuỗi xoắn kép được cấu tạo theo nguyên tắc bổ sung

A liên kết với T bằng 2 liên kết hiđro, G liên kết với X bằng 3 liên kết hiđro Các nuclêôtit hướng theo một chiều trên một mạch và theo chiều ngược lại trên mạch kia, gọi là: hai mạch hướng ngược chiều nhau hay đối song song (antiparallel) Các đầu không đối xứng kết thúc của chuỗi ADN là đầu 5´(năm phẩy) và đầu 3′ (ba phẩy), với đầu 5´kết thúc bởi nhóm phosphat và đầu 3´ kết thúc bởi nhóm hydroxyl (OH) Các phân tử ADN liên kết với protein histone đóng gói lại tạo thành các cấu trúc lớn gọi là cromatic

Mô hình phân tử ADN loại B

Mỗi vòng xoắn có 10 cặp nuclêôtit dài 34 Å, đường kính vòng xoắn là 2nm, chiều dài phân tử ADN có thể tới hàng trục, hàng trăm micromet

Ở ADN mạch đơn, vì A không liên kết với T , G không liên kết với X nên A≠T, G≠X Trên một mạch các nuclêôtit liên kết với nhau bằng liên kết

photphođieste ( giữa nhóm OH ở vị trí 3´ trong phân tử đường của nuclêôtit đứng phía trước với nhóm phôtphat của nuclêôtit đứng phía sau) tạo nên chuỗi

polinuclêôtit

Quan hệ:

A = T, G= X

 2A+2G = 2T + 2X = N (N là số nuclêôtit)

 2A + 3G = H (H là số lên kết hiđro của gen)

T + G = A + X = N/2

Khối lượng trung bình của 1 nu là 300 đvC

 MADN = N.300

Chiều dài 1 chu kỳ vòng xoắn gồm 2x10 nuclêôtit của ADN là 34 Å

 Chiều dài ADN: L = 1,7N (Å)

Theo J.Watson và F.Crick công bố năm 1953, ADN cấu trúc không gian là một chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch polinuclêôtit xoắn đều theo một trục tưởng tượng theo chiều từ trái sang phải

Ngoài mô hình của Watson và Crick thì cho đến nay người ta còn phát hiện

ra 4 dạng nữa đó là dạng A, C, D, Z các mô hình này khác với dạng B (theo

Watson và Crick) ở một vài chỉ số: số cặp nuclêôtit trong một chu kì xoắn, đường kính, chiều xoắn

ADN của sinh vật nhân thực và sinh vật nhân sơ đều có cấu tạo mạch kép Nhưng ADN của sinh bật nhân thực cáo cấu tạo mạch thẳng lớn còn ADN của sinh vật nhân sơ có dạng mạch vòng và không liên kết với protein histon ADN của ti thể và lạp thể có cấu trúc mạch vòng khép kín (plasmid) tương tự ADN của

vi khuẩn

Ở trong cùng một loài, hàm lượng ADN trong nhân tế bào là đại lượng ổn định và đặc trưng cho loài ADN trong tế bào chất không ổn định vì số lượng bào quan ti thể, lục lạp không ổn định, thay đổi tùy từng loại tế bào nên hàm lượng ADN trong tế bào chất không đặc trưng cho loài

2 Chức năng:

Chức năng của ADN là lưu giữ, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền ở các loài sinh vật Trình tự các nuclêôtit trên chuỗi polinuclêôtit chính là thông tin

di truyền, nó quy định trình tự các nuclêôtit trên ARN từ đó quy định loại và trình

tự các acid amine trên phân tử protein và hình thành nên tính trạng (hình thái, chức năng sinh lí,…)

3 Gen:

Gen là một đoạn trên phân tử ADN mang thông tin mã hóa cho một sản phẩm xác định

Gen alen là những gen cùng nằm trên một cặp NST tương đồng, cùng chiếm một vị trí nhất định trên NST gọi là locut

Lưu ý: Cơ thể lưỡng bội (2n) mỗi gen có 2 alen (trừ cặp NST giới tính XY có những đoạn chứa gen alen và những đoạn không chứa gen alen), cơ thể đa bội (3n, 4n,…) có số gen alen tương ứng

Thể đồng hợp, dị hợp:

+ Thể đồng hợp là những cơ thể mang các gen alen giống hệt nhau Vd

AA, bb, AAbb,…

+ Thể dị hợp là những cơ thể mang các gen alen khác nhau Vd Aa, Bb, AB/ab…

Dựa vào chức năng của sản phẩm người ta chia gen thành gen điều hòa và gen cấu trúc:

+ Gen điều hòa là những gen mà sản phẩm của nó làm nhiệm vụ điều hòa hoạt động của các gen khác

+ Gen cấu trúc là những gen mang thông tin mã hóa cho các sản phẩm tạo nên thành phần cấu trúc hay chức năng tế bào

Dựa vào cấu trúc vùng mã hóa của gen người ta phân loại gồm gen phân mảnh và gen không phân mảnh:

+ Gen không phân mảnh là vùng mã hóa của nó liên tục, toàn bộ thông tin di truyền trên gen được dịch mã thành acid amine, gen này thường gặp ở sinh vật nhân sơ

+ Gen phân mảnh là gen nằm ở vùng mã hóa không liên tục có các đoạn intron (đoạn không mã hóa) xen kẽ các đoạn exon (đoạn mã hóa)

Dựa vào khả năng phát sinh hình thái người ta chia thành gen trội và gen lặn: + Gen trội là những gen luôn biểu hiện ra kiểu hình ở cả trạng thái đồng hợp và dị hợp Vd Aa hay AA có kiểu hình giống nhau

+ Gen lặn là những gen chỉ biểu hiện ra kiểu hình khi cơ thể có kiểu gen đồng hợp Vd aa, bb… mới tạo ra kiểu hình do gen này quy định

CẤU TRÚC CỦA GEN: Gen gồm 3 vùng trình tự nuclêôtit

- Vùng điều hòa: Nằm ở đầu 3´ của mạch mã gốc gen, chứa trình tự các

nuclêôtit đặc biệt giúp ARN polimeraza có thể nhận biết và liên kết khởi động quá trình phiên mã, đồng thời chứa trình tự nuclêôtit điều hòa quá trình phiên mã

- Vùng mã hóa: Mang thông tin mã hóa các loại acid amine dưới dạng các bộ ba

- Vùng kết thúc nằm ở đầu 5´ của mạch mã gốc của gen, mang tín hiệu kết thúc phên mã

4 Quá trình nhân đôi ADN:

- Nguyên tắc: ADN có khả năng nhân đôi (sao chép, tái bản) để tạo nên 2 phân tử

ADN mới giống nhau và giống ADN mẹ nhờ Nguyên tắc bổ sung (A liên kết T, G liên kết X) và Bán bảo toàn (giữ lại một mạch gốc, xây dựng một mạch mới).

- Các thành phần tham gia:

+ Các loại enzim: enzim mở xoắn (helicaza), ADN polimeraza (tổng hợp đoạn mồi), Ligaza (kết nối các đoạn Okazaki),…

+ ADN mẹ đóng vai trò làm khuôn mẫu để tổng hợp các ADN con

+ Các loại nuclêôtit tự do trong môi trường nội bào làm nguyên liệu

+ Năng lượng ATP

Quá trình nhân đôi ADN diễn ra ngay trước khi tế bào bước vào giai đoạn phân chia tế bào (kì trung gian giữa hai lần nguyên phân và đầu kì đầu của phân bào giảm phân I) Quá trình này tạo ra 2 crômatit trong nhiễm sắc thể

 Quá trình nhân đôi ADN của sinh vật nhân sơ ở kì trung gian (pha S):

 Khi bắt đầu nhân đôi, Các enzim topoisomeraza trượt trên ADN mẹ đầu tiên tiến hành mở xoắn (trường hợp chuỗi ADN bị xoắn dồn ở phía trước), enzim gyraza xúc tác sự giao thoa của chuỗi ADN (trường hợp các chuỗi ADN bị xoắn bắt chéo) cho phép ADN polimeraza tiếp tục làm việc Nhờ

enzim helicase tháo các liên kết hiđro giữa các bazơ nitơ bổ sung, phân tử ADN được tách tạo thành chạc chữ Y để lộ 2 mạch đơn trong đó một mạch

có đầu 3´- OH và đầu 5´- P

 Ở đầu 5´-P enzim ARN polimeraza (primaza ở nhân sơ) tổng hợp đoạn ARN mồi rất ngắn có nhóm 3´-OH Các đoạn này sau đó được ADN polimeraza α

mở rộng bằng cách ghép các nuclêôtit bổ sung vào các đoạn okazaki (nỗi đoạn có từ 1000 đến 2000 nuclêôtit) các đoạn mồi sau đó được loại bỏ và cuối cùng được nối lại bởi enzim nối ligaza

 Ở mạch khuôn 3´ do enzim ADN polimeraza δ chỉ có thể bổ sung nuclêôtit vào nhóm 3´- OH nên mạch khuôn này được tổng hợp liên tục

Sự nhân đôi ADN của sinh vật nhân thực giống với nhân sơ nhưng số lượng enzim tham gia nhiều hơn, có nhiều đơn vị tái bản hơn giúp sự nhân đôi diễn ra nhanh chóng

Quá trình nhân đôi ADN diễn ra theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo toàn

 Số phân tử ADN tổng hợp được sau k lần nguyên phân là

NADN = 2k

Số phân tử ADN có mạch hoàn toàn mới là (2k – 2)

Tổng số liên kết Hiđro bị phá vỡ = H( 2k – 1)

Số lượng từng loại nuclêôtit do môi trường cung cấp là

A = T = A gen (2 k – 2)

G = X = G gen(2 k – 2)

2)Axit ribonuclêtic (ARN)

1.Cấu tạo:

- Đơn phân cấu trúc ARN khác với ADN ở đường ribôzơ (C5H10O5) có một nhóm

hyđroxyl gắn vào vòng pentozơ ở vị trí 2´ và T thay bằng U (uraxin), một dạng timin không được metyl hóa

- Phần lớn ARN có cấu trúc mạch đơn là một chuỗi polinuclêôtit ngắn hơn nhiều

so với ADN

Dựa vào chức năng của ARN người ta chia thành: ARN thông tin (mARN); ARN vận chuyển (tARN), ARN ribôxôm (rARN) và các ARN nhân nhỏ khác (snARN) + mARN thường có cấu trúc mạch thẳng, đầu 5´ có trình tự nuclêôtit đặc biệt giúp riboxôm nhận biết để gắn vào trong quá trình dịch mã và có một bộ ba mở đầu là AUG, bộ ba này quy định tổng hợp acid amine là methionine (ở sinh vật nhân chuẩn) hoặc foocmin methionine (ở sinh vật nhân sơ) Đầu 3´ có một bộ ba kết thúc một trong ba loại UAA, UAG, UGA Chức năng của mARN là truyền đạt thông tin di truyền trong dịch mã; sau khi tổng hợp protein xong, mARN thường

được các enzim phân hủy

+ tARN có từ 80 đến 100 đơn phân quấn trở lại một đầu, có một số đoạn các bazơ nitơ liên kết theo nguyên tắc bổ sung tARN có cấu trúc không gian gồm ba thùy Trong đó có một thùy chứa bộ ba đối mã trực tiếp với mARN gọi là

anticodon, một vòng DHU (trái), một vòng TuC (phải) và một đầu hở còn lại mang

acid amine tương ứng với bộ ba đối mã tại 3´ Chức năng chính của tARN là liên kết với acid amine trong môi trường nội bào và mang đến riboxom trong dịch mã + rARN chứa hàng trăm đến hàng nghìn đơn phân, trong đó có khoảng 70% số nuclêôtit có cấu trúc bổ sung và liên kết với protein tạo thành riboxom

+ Các snARN tham gia vào các chức năng tương tác phức tạp trong phiên mã ở sinh vật nhân thực

Trong các loại ARN thì mARN có nhiều loại nhất (có tính đa dạng cao nhất) nhưng hàm lượng ít nhất (chiếm khoảng 5%), rARN có ít loại nhất nhưng hàm lượng cao nhất Trong tế bào, rARN, tARN tương đối bền vững, mARN thì kém bền hơn

Ở một số loại virut, thông tin di truyền được lưu trữ trên ARN

2.Quá trình phiên mã:

Phiên mã là sự truyền thông tin di truyền từ ADN mạch kép sang phân tử ARN mạch đơn Tất cả virut có ADN dạng sợi kép, vi khuẩn và các sinh vật nhân thực đều có quá trình phiên mã

Các thành phần tham gia phiên mã: Gen (đóng vai trò làm khuôn mẫu), các ARN polimeraza, bốn loại nuclêôtit tự do A, U, G, X, năng lượng dạng ATP

Chiều phiên mã tính trên ARN từ 5´ đến 3´ và theo nguyên tắc bổ sung với mạch mã gốc của gen

Ở sinh vật nhân thực, quá trình tổng hợp các loại ARN đều diễn ra trong nhân tế bào, ở kì trung gian giữa hai lần phân bao, lúc NST ở dạng dãn xoắn Quá trình phiên mã gồm ba giai đoạn:

- Bước 1: Khởi đầu: Enzim ARN polimeraza bám vào vùng khởi động

(promoter) làm gen tháo xoắn để lộ ra mạch gốc có chiều 3´ đến 5´ và bắt đầu tổng hợp mARN tại vị trí đặc hiệu

- Bước 2: Kéo dài chuỗi mARN: Enzim polimeraza trượt dọc theo mạch mã gốc gen, các nuclêôtit trong môi trường nội bào liên kết với các nuclêôtit trên mạch mã gốc theo nguyên tắc bổ sung:

A gốc – U mt

T gốc – A mt

G gốc – X mt

X gốc – G mt

- Bước 3: Kết thúc: Khi enzim di chuyển đến cuối gen, gặp tín hiệu kết thúc (terminator) thì quá trình phiên mã dừng lại, phân tử mARN được giải phóng Vùng nào phiên mã trên gen vừa phiên xong thì hai mạch đơn đóng xoắn lại

Ở sinh vật nhân sơ, mARN sau phiên mã được dùng trực tiếp làm khuôn tổng hợp protein Ở sinh vật nhân thực, pre-mARN sau phiên mã bao gồm các đoạn intron xen kẽ với các đoạn exon, spliceosome (gồm khoảng 80 protein được lắp gáp bởi 5 snARN) tiến hành cắt bỏ đoạn intron, các enzim nối các đoạn exon lại theo nhiều cách khác nhau tạp thành nhiều loại mARN hoàn chỉnh khác nhau Nhờ quá trình phiên mã mà thông tin di truyền trên ADN trong nhân tế bào được sao chép một cách chính xác để tham gia vào quá trịnh tổng hợp protein

Lưu ý: Ở một số loài virut ARN quá trình phiên mã khác được gọi là phiên mã

ngược Trong đó, ARN (bộ phận mang thông tin di truyền của virut ARN) làm

khuôn được enzim sao chép ngược revertaza (RT) tổng hợp nên ADN bổ sung (cADN) sau đó biến đổi thành ADN hai mạch xoắn kép, nhờ bộ máy, nguyên vật liệu của tế bào vật chủ mà tiến hành nhân đôi hay phiên mã tạo ra bộ ARN cho virut mới

3 Quá trình dịch mã:

Dịch mã là quá trình chuyển mã từ các bộ ba trên mARN thành trình tự các acid amine trên chuỗi polipeptit trong tế bào chất

Trong quá trình dịch mã cần có bốn thành phần tham gia là mARN, tARN , riboxom và acid amine Trong đó, tARN đóng vai trò là nhân tố tiến hành dịch mã (dịch bộ ba trên mARN thành acid amine)

Dịch mã có hai giai đoạn: Hoạt hóa enzim và tổng hợp chuỗi polipeptit

- Hoạt hóa enzim:Dưới tác dụng của một loại enzim, các acid amine tự do trong tế bào liên kết với hợp chất giàu năng lượng ATP trở thành dạng acid amine hoạt hóa Nhờ một loại enzim aminoacyl-tARN synthetase, acid amine đã được hoạt hóa lại liên kết với tARN tương ứng tạo phức hợp aa-tARN

- Quá trình tổng hợp protein: Đầu tiên, tiểu phần nhỏ 40S của riboxom liên kết với mARN tại vị trí đặc hiệu gần bộ ba mở đầu và di chuyển đến bộ ba

mở đầu (AUG) (trên mỗi phân tử mARN có thể có nhiều bộ ba AUG nhưng chỉ có một bộ ba làm nhiệm vụ mã mở đầu), bộ ba đối mã của phức hợp

mở đầu met-tARN bổ sung chính xác với codon mở đầu thì tiểu phần lớn riboxom 60S còn lại liên kết với tiểu phần nhỏ tạo thành riboxom hoàn chỉnh Tiếp theo tARN mang acid amine thứ nhất tới vị trí bên cạnh,

anticodon của nó khớp với codon theo nguyên tắc bổ sung Enzim xúc tác tạo liên kết peptit giữa acid amine thứ nhất với acid amine mở đầu

Riboxom dịch chuyển đi một bộ ba trên mARN theo chiều từ 5´ đến 3´ và tARN mang acid amine mở đầu rời khỏi riboxom Quá trình dịch mã cứ như vậy tiếp diễn cho đến khi gặp codon kết thúc trên mARN thì quá trình dịch

mã dừng lại (lưu ý bộ ba kết thúc không tổng hợp acid amine) Riboxom tách hai tiểu phần khỏi mARN, đồng thời một loại enzim đặc hiệu loại bỏ acid amine mở đầu, chuỗi polipeptit được giải phóng và biến đổi cấu trúc rồi hình thành các cấu trúc protein bậc cao hơn

Trong dịch mã, mARN thường không gắn với từng riboxom riêng rẽ mà đồng thời gắn với một nhóm riboxom (poliriboxom hay polixom) giúp tăng hiệu suất tổng hợp protein có cấu trúc giống nhau

Ở sinh vật nhân thực nơi diễn ra quá trình dịch mã là tế bào chất (mạng lưới nội chất), còn phiên mã diễn ra trong màng nhân và được ngăn cách bởi màng nhân vì vậy hai quá trình diễn ra không đồng thời

Ở sinh vật nhân sơ, do không có màng nhân nên hai quá trình này diễn ra đồng thời

 Cơ chế phân tử của hiện tượng di truyền:

- Vật liệu di truyền (ADN) truyền cho đời sau qua cơ chế tự nhân đôi

- Thông tin di truyền được biểu hiện thành tính trạng của cơ thể thông qua

cơ chế phiên mã (ADN => ARN) và dịch mã (ARN => Protein)

3)Mã di truyền:

1.Khái niệm về mã di truyền:

Mã di truyền còn được gọi là mã bộ ba, và tổ hợp ba nucleotit kế tiếp nhau trên mARN được gọi là một bộ ba mã hóa đóng vai trò mã hóa cho một loại acid amine hoặc là mã kết thúc quá trình dịch mã

Đặc điểm của mã di truyền:

- Mã di truyền được đọc liên tục từ mã khởi đầu (AUG) theo từng bộ ba nucleotit mà không gối lên nhau

- Mã di truyền có tính phổ biến: các sinh vật khác đều dùng chung một bộ

mã di truyền, trừ một vài loài ngoại lệ.

- Mã di truyền có tính đặc hiệu: Một bộ ba chỉ mã hóa cho 1 acid amine

- Mã di truyền có tính thoái hóa: một acid amine được mã hoá bởi nhiều bộ

ba khác nhau trừ AUG và UGG Tính suy thoái của mã di truyền có ý nghĩa tích cực với sự sống còn của tế bào

I ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN

- Điều hòa hoạt động gen là điều hòa lượng sản phẩm do gen tạo ra

- Trong mỗi tế bào số lượng gen rất lớn nhưng chỉ có một số ít gen hoạt động phần lớn các gen còn lại hoạt động rất yếu hoặc không hoạt động, các gen hoạt động rất khác nhau theo các giai đoạn phát triển khác nhau của cơ thể và theo nhu cầu hoạt động sống của tế bào Sự hoạt động của các gen là do quá trình điều hòa Quá trình điều hòa này thường liên quan đến chất cảm ứng hay còn gọi

là chất tín hiệu

- Điều hòa hoạt động gen đảm bảo hoạt động sống của tế bào phù hợp với điều kiện môi trường và sự phát triển bình thường của cơ thể Ngoài ra, điều hòa hoạt động gen còn giúp nhận biết thời điểm gen hoạt động, lượng sản phẩm do gen tạo ra

- Đặc điểm:

+ Phức tạp, nhiều mức độ khác nhau

+ Điều hòa trước phiên mã: Là điều hòa số lượng gen quy định tính trạng nào

đó trong tế bào

+ Điều hòa phiên mã: Là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN

+ Điều hòa dịch mã: Là điều hòa lượng protein được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gai dịch mã

+ Điều hòa sau dịch mã: Làm biến đổi protein sau tổng hợp để có thể thực hiện chức năng nhất định

- Sinh vật nhân sơ: Chủ yếu diễn ra điều hòa phiên mã

- Sinh vật nhân thực: Điều hòa ở nhiều mức độ (từ trước phiên mã đến sau dịch mã)

1) Cơ chế điều hòa hoạt động gen của sinh vật nhân sơ

- Trên phân tử ADN của vi khuân, các gen có liên quan về chứ năng thường phân

bố liền nhau thành từng cụm, có chung một cơ chế điều hòa gọi là Opêron

a Cấu trúc Operon Lac:

- Vùng khởi động P (Promoter):cung cấp vị trí nơi mà ARN bám vào và khởi đầu phiên mã

- Vùng vận hành O (Operator) Có trình tự nuclêôtit đặc biệt để protein ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã

- Nhóm gen cấu trúc A, B, C quy định tổng hợp các enzim tham gia phản ứng phân giải đường Lactôzơ trong môi trường để cung cấp năng lượng cho tế bào

 Trước mỗi Operon (nằm ngoài operon) có gen điều hòa R Khi gen điều hòa

R hoạt động sẽ tổng hợp nên protein ức chế Protein này có khả năng liên kết với vùng vận hành O dẫn đến ngăn cản quá trình phiên mã R không phải là thành phần của operon

b Cơ chế điều hòa hoạt động gen của sinh vật nhân sơ

- Khi môi trường không có lactôzơ: Bình thường, gen điều hòa R tổng hợp một loại protein ức chế gắn vào gen chỉ huy O, do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị