CHUYÊN ĐỀ BỒI DƯỠNG HSG: SINH HỌC PHÂN TỬ

LƯU Ý QUAN TRỌNG: Với chuyên đề này quý thầy cô có thể sử dụng để bồi dưỡng HSG hoặc chuyên sâu. Đặc biệt có thể sử dụng để viết sáng kiến kinh nghiệm của riêng mình mà không sợ bị trùng lặp. Sinh học là bộ môn khoa học thực nghiệm với nhiều nội dung kiến thức trừu tượng, trong đó Sinh học phân tử nghiên cứu những vật chất siêu nhỏ nằm trong tế bào, đây là những kiến thức khó nhưng rất quan trọng, thường xuyên được đề cập trong các kỳ thi Quốc gia và Quốc tế. Tuy siêu nhỏ như vậy nhưng chúng lại quyết định toàn bộ các hoạt động sống của thế giới sinh vật, nó cũng giống như những con chíp máy tính tuy rất nhỏ nhưng nó lại là linh hồn của cái máy tính. Việc nghiên cứu về cấu trúc và cơ chế hoạt động của các loại vật chất này đã và đang mở ra cho chúng ta những khám phá thú vị về sự bí ẩn của thế giới sinh vật, góp phần phục vụ cho cuộc sống con người và cũng đồng thời đem lại những hy vọng rất khả quan trong vấn đề bảo vệ sức khỏe cho chính bản thân chúng ta. Cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa hiểu tường tận về cơ chế hoạt động của những vật chất bé nhỏ nhưng vô cùng quan trọng này.

THAM LUẬN TRAO ĐỔI MỘT SỐ NỘI DUNG CHUYÊN SÂU TRONG CHUYÊN ĐỀ

SINH HỌC PHÂN TỬ

GV: HOÀNG NGUYÊN VĂN TRƯỜNG THPT PHAN CHU TRINH

LÝ DO CHỌN CHUYÊN ĐỀ

Sinh học là bộ môn khoa học thực nghiệm với nhiều nội dung kiến thức trừu tượng, trong đó Sinh học phân tử nghiên cứu những vật chất siêu nhỏ nằm trong tế bào, đây là những kiến thức khó nhưng rất quan trọng, thường xuyên được đề cập trong các kỳ thi Quốc gia và Quốc tế Tuy siêu nhỏ như vậy nhưng chúng lại quyết định toàn bộ các hoạt động sống của thế giới sinh vật, nó cũng giống như những con chíp máy tính tuy rất nhỏ nhưng nó lại là linh hồn của cái máy tính Việc nghiên cứu về cấu trúc và cơ chế hoạt động của các loại vật chất này đã và đang mở ra cho chúng ta những khám phá thú vị về sự bí ẩn của thế giới sinh vật, góp phần phục vụ cho cuộc sống con người và cũng đồng thời đem lại những hy vọng rất khả quan trong vấn đề bảo vệ sức khỏe cho chính bản thân chúng ta Cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa hiểu tường tận về cơ chế hoạt động của những vật chất bé nhỏ nhưng vô cùng quan trọng này

Thế kỷ 21 là thế kỷ của Sinh học, các nhà khoa học đang rất nỗ lực trong việc giải mã các bí ẩn của thế giới sinh vật và đã có nhiều bí ẩn đã được giải mã, trong đó có các kiến thức về sinh học phân tử Việc tiếp cận các kiến thức chuyên sâu về Sinh học nói chung và sinh học phân tử nói riêng đối với giáo viên cũng như các em học sinh có năng khiếu về khoa học Sinh học là công việc thường xuyên và rất quan trọng!

NỘI DUNG

I NƯỚC VÀ VAI TRÒ CỦA NƯỚC ĐỐI VỚI SỰ SỐNG

1 1 Thành phần, cấu tạo của nước

Nước là một hợp chất hoá học rất đặc biệt, trong đó mỗi nguyên tử hiđro góp một điện tử vào đôi điện tử dùng chung với nguyên tử oxy để tạo thành liên kết cộng hóa trị Trong mỗi phân tử nước có hai nguyên tử hiđro và một nguyên tử oxy

Trong nguyên tử oxy, hạt nhân của nó thường có điện tích rất mạnh Chính vì thế nó có xu hướng kéo điện tử bật khỏi nguyên tử hiđro nhỏ hơn Kết quả là chúng có ưu thế trong mối liên kết cộng hóa trị Do đó, trong phân tử nước có điện tích dương gần với nguyên tử hiđro

và có điện tích âm gần với nguyên tử oxy => liên kết giữa oxy với hydro trong phân tử nước

là liên kết cộng hóa trị phân cực Những tính chất bất thường của nước bắt nguồn từ sự tương tác giữa các phân tử phân cực của nó: Hydro tích điện dương yếu của phân tử nàybị hấp dẫn bơioxy tích điện âm yếu của phân tử bên cạnh => hai phân tử nước gắn với nhau bằng liên kết hydro

Khi nước ở dạng lỏng, các liên kết hydro của chúng rất dễ gãy vì mỗi liên kết chỉ mạnh bằng 1/20 liên kết cộng hóa trị Các liên kết hydro hình thành, bị phá hủy và lại hình thành với tần suất rất cao Mỗi liên kết chỉ tồn tạivài phần tỷ giây nhưng các phân tử liên tục hình thành các liên kết hydro mới với các phân tử khac Vì thế, vào bất kỳ lúc nào, tỷ lệ các phân

tử nước tạo liên kết hydro với các phân tử bên cạnh vẫn là chủ yếu Những tính chất phi thường của nước chính là những đặc tính nổi trội nhờ các liên kết hydro sắp xếp các phân tử nước thành cấu trúc có mức độ tổ chức cao

Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử nước ở trung tâm và bốn phân tử xung quanh, tập hợp thành hình tứ diện Sự bền hóa cấu trúc của nước đá không những do có mặt các ion lỗ trống của nó, mà còn do đưa thêm vào những phân tử tạo được liên kết hiđro với các phân tử nước Mặt khác, cấu trúc của nước được làm bền, khi nước còn nằm ở trạng thái lỏng và khi trộn lẫn nó với chất khác

Cấu trúc nước đá

1.2 Một số tính chất của nước

- Ở áp suất khí quyển là 1 atm, nước đông đặc ở OoC, sôi ở 100oC, rất cao so với điểm sôi của các hợp chất tương tự cùng nhóm

- Nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất bên ngoài giảm

- Nước là một loại dung môi rất tốt, có khả năng hòa tan một số chất rắn, khi nồng độ chất tan trong nước càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao và nhiệt độ đông đặc của dung dịch càng thấp

- Độ hoà tan của các khí trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

- Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của các chất lỏng khác.

- Nước là chất lỏng không có màu, trong suốt, cho ánh sáng có bước sóng dài đi qua (hấp thụ ánh sáng sóng ngắn mạnh hơn) giúp cho quá trình quang hợp có thể thực hiện ở độ sâu trong nước

- Nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cực đại ở 3,98oC (≈ 4oC) không phải là điểm đóng băng, do vậy mà nước đã nở ra khi đóng băng Tỷ trọng của nước thay đổi theo nhiệt độ

- Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt

- Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác và tạo điều kiện giữ nhiệt ở điểm kết tinh của nước

nhiệt độ ở các vùng địa lý khác nhau

- Tất cả các quá trình trao đổi chất của tế bào phải thông qua nước, bao gồm: Các quá trình đồng hoá; các quá trình dị hoá và lên men

- Nước là trung tâm cuộc sống của vi khuẩn

1.3 Bốn tính chất nổi trội của nước làm cho nước có vai trò quan trọng đối với sự sống 1.3.1 Sự kết dính

Các phân tử nước nằm rất gần nhau nhờ các liên kết hydro Những liên kết đó làm cho nước

có tính cấu trúc hơn hầu hết các chất lỏng khác, hay nói cách khác, liên kết hydro giữ cho vật chất có tính kết khối với nhau Hiện tượng đó gọi là sự kết dính

- Vai trò:

+ Sự kết dính nhờ liên kết hydro góp phần vận chuyển nước và các chất dinh dưỡng hòa tan khác chống lại trọng lực ở thực vật Khi nước thoát hơi từ lá, sự kết dính làm cho các phân

tử nước rời gân lá kéo các phân tử nước ở xa hơn và lực kéo lên được truyền qua các tế bào dẫn nước tới tận rễ

+ Sự bám dính (sự bám của chất này vào chất khác) cũng đóng vai trò quan trọng Sự bám dính của nước với thành tế bào mạch gỗ bằng liên kết hydro giúp chống lại sự kéo xuống của trọng lực

Như vậy, nhờ sự kết dính và tính bám dính của nước giúp cây có thể đưa dòng nước lên cao cả trăm mét

+ ngoài ra, ở khoảng tiếp xúc giữa nước và không khí là sự sắp xếp theo trật tự của các phân

tử nước được liên kết lại bằng các liên kết hydro với nhau và với các phân tử phía dưới làm cho nước có sức căng bề mặt lớn hơn các chất lỏng khác Sức căng bề mặt của nước giúp một số laòi sinh vật có thể di chuyển trên mặt nước

1.3.2 Điều tiết nhiệt độ

- Nước có tỷ nhiệt cao hơn so với phần lớn các chất khác (tỷ nhiệt là lượng nhiệt mà 1g chất

đó cần hấp thụ vào hoặc mất đi để thay đổi nhiệt độ của nó đi 1oC) Ví dụ: tỷ nhiệt của nước 1cal/1g/ oC, trong khi ethyl alcohol là 0,6cal/g/ oC tỷ nhiệt của nước cao gấp 10 lần tỷ nhiệt của sắt… Vậy nguyên nhân tại sao tỷ nhiệt của nước lại cao như vậy? tất cả đều liên quan đến liên kết hydro, nhiệt phải được hấp thụ để phá vỡ các liên kết hydro và giải phóng ra khi các liên kết hydro hình thành 1cal nhiệt gây nên sự biến đổi tương đối nhỏ về nhiệt của nước vì phần lớn nhiệt đó được dùng để phá vỡ các liên kết hydro trước khi các phân tử nước bắt đầu chuyển động nhanh hơn, và khi nhiệt độ của nước giảm chút ít thì nhiều liên kết hydro được hình thành, giải phóng một lượng lớn năng lượng ở dạng nhiệt

Sự tương quan giữa tỷ nhiệt cao của nước với sự sống trên trái đất là gì? Nhờ tỷ nhiệt cao nên những khối nước lớn có thể hấp thụ và dự trữ một lượng lớn nhiệt từ mặt trời vào ban ngày và vào mùa hè khi bản thân chúng chỉ tăng thêm vài độ Vào ban đêm và vào mùa đông, nước tỏa nhiệt làm ấm không khí Đó là lý do tại sao các vùng ven bờ biển có khí hậu

ôn hòa hơn so với trong lục địa Tỷ nhiệt cao của nước còn làm cho môi trường nước có nhiệt độ ổn định, tạo môi trường thuận lợi cho sự sống trong nước Với đặc tính quan trọng này của nước, nên phải chăng quá trình tiến hóa, chọn lọc tự nhiên đã “chọn” nước là chất chủ yếu cấu tạo nên cơ thể các sinh vật chứ không phải chất lỏng khác

- Nhiệt bay hơi (là lượng nhiệt mà một chất lỏng phải hấp thụ để 1g của nó chuyển hóa từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí) của nước cũng cao hơn các chất lỏng khác Đây là một đặc tính nổi trội của nước xuất hiện do các liên kết hydro tạo ra, chúng phải bị bẻ gãy trước khi thực hiện cuộc di cư khỏi chất lỏng Khi bay hơi, “những phân tử nóng nhất” đã rời đi dưới dạng khí, bề mạt chất lỏng còn lại ở phía dưới sẽ lạnh đi Hiện tượng đó được gọi là

làm lạnh do bay hơi Hiện tượng làm lạnh do bay hơi giúp điều hòa khí hậu trên trái đất,

làm ổn định nhiệt cơ thể của sinh vật

1.3.3 Sự cách nhiệt của các khối nước do lớp băng nổi

Nước là một trong số ít chất ở trạng thái ít đậm đặc hơn dưới dạng rắn so với trạng thái lỏng, trong khi các vật chất khác co lại khi chúng trở nên rắn thì nước lại nở ra Nguyên nhân của

sự kỳ lạ này, một lần nữa lại do liên kết hydro Các liên kết hydro giữ cho các phân yử nước

phân tử ít hơn 10% so với cùng thể tích nước)

Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử nước ở trung tâm và bốn phân tử xung quanh, tập hợp thành hình tứ diện Mặc dù các phân tử được giữ vững chắc tại chỗ, nhưng

nó vẫn không nhồi nhét một cách chặt chẽ như ở trạng thái lỏng Nói cách khác, nước đá không nặng bằng nước ở thể lỏng, vì thế đá có thể nổi trên nước

Khả năng băng nổi được vì nước nở ra khi nó trở nên rắn là yếu tố quan trọng đối với tính thích hợp cho sự sống của môi trường Nếu băng chìm xuống thì cuối cùng, tất cả ao, hồ, thậm chí cả đại dương sẽ cũng đóng băng, làm cho sự sống không thể có được trên trái đất Tuy nhiên, bởi vì đá thì nổi trên nước nên hình dạng của nó có một lớp bảo vệ trên bề mặt biển, giảm nhiệt độ nước chảy vào không khí lạnh ở phía trên Vì vậy, các loài cá, thực vật

và các cơ thể sống khác trong biển không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đóng băng của nước

1.3.4 Dung môi của sự sống

Nước là một dung môi đặc biệt: ở nhiệt độ thường trên bề mặt trái đất, nước là chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ nhất lại phân cực mạnh, vì vậy có khả năng xâm nhập hòa tan rất nhiều các chất vô cơ, hữu cơ thành dung dịch Với phân tử nhỏ và phân cực mạnh, nước cũng có khả năng thấm ướt và phân rã các chất khó tan tạo thành các hệ phân tán như keo,

huyền phù

Ví dụ: cho một thìa muối (NaCl) vào nước trên bề mặt hạt muối, các ion Na+ và Cl- tiếp xúc với dung môi Các ion đó và các phân tử nước có ái lực tương hỗ do sự hấp dẫn giữa các điện tích trái dấu, những vùng của nguyên tử oxy ở phân tử nước được tích điện âm bám vào các Na+ Những vùng hydro tích điện dương bị hấp dẫn bởi các Cl- Kết quả là, các phân tử nước bao lấy các ion Na+ và Cl-, tách và che chắn ion này với ion kia tạo thành dung dịch

gồm hai chất tan, gồm anion chloride và cation natri được trộn đều trong nước – dung môi

II SAO CHÉP ĐẦU MÚT CỦA ADN CỦA SINH VẬT NHÂN THỰC

Trong quá trình sao chép AND, Enzim AND polymeraza chỉ có thể bổ sung các

thực có dạng thẳng, vậy bộ máy sao chép phải có cơ chế nào để sao chép hoàn chỉnh phần

nào đó thì kết quả là sau mỗi lần sao chép, phân tử AND sợi kép sẽ ngày càng ngắn lại và có các đầu không bằng nhau (gọi là đầu sole)

Hiện tượng phân tử AND có xu hướng ngắn lại sau mỗi lần sao chép thường không xảy ra ở các sinh vật nhân sơ, bởi vì các phân tử AND của chúng có dạng vòng (tức là không

có các đầu mút)

Như chúng ta đã biết, các phân tử AND nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thực có các trình tự nucleotide đặc biệt tại các đầu tận cùng của chúng và được gọi là đầu mút nhiễm sắc thể Vùng này không chứa các gen, mà thay vào đó là các trình tự nucleotide ngắn lặp lại nhiều lần Tại các đầu mút NST của người, một trình tự nu ngắn gồm 6 nu là TTAGGG thường lặp

lại từ 100 đến 1000 lần đầu mút NST như vậy gọi là telome Cấu trúc đầu mút NST không

thể giúp AND mạch thẳng tránh được sự ngắn lại sau mỗi lần sao chép, mà chúng chỉ làm chậm sự “ăn mòn” các gen đầu tận cùng của phân tử AND Kết quả là AND ngày càng ngắn hơn trong tế bào xoma đang phân chia ở người già hoặc trong các tế bào nuôi cấy invitro đã qua nhiều lần phân bào Và nếu như sự ngắn lại này tiếp cận gần với một gen quan trọng thì

tế bào có thể bị chết Trong điều kiện nuôi cấy invitron, các tế bào xoma của người thường chỉ có khả năng phân chia từ 20 đến 70 lần trước khi già hóa và chết Người ta cho rằng sự ngắn dần của đầu mút NST có liên quan đến quá trình già hóa ở những mô nhất định, thậm chí với sự già hóa của toàn bộ cơ thể Một dẫn chứng khác chứng minh mối quan hệ giữa đoạn đầu mút NST và quá trình già hóa là các nghiên cứu trên hội chứng Hutchison –

Gilford (bệnh già sớm ở trẻ sơ sinh) và hội chứng Werner (già sớm ở tuổi vị thành niên), hay như trường hợp cừu Dolly đã bị mắc chứng viêm khớp và trở nên đi lại khó khăn khi được 5

tuổi Người ta tin rằng tác nhân gây ra cái chết của Dolly là việc nó được sinh ra với

bộ gene của một con cừu 6 tuổi, tương đương với tuổi của con cừu Finn Dorset khi được dùng để nhân bản Cơ sở của ý kiến này là việc phát hiện ra rằng telomere của Dolly rất ngắn, mà điều này được coi như kết quả của quá trình lão hóa

Nhưng điều gì xảy ra với tế bào mà hệ gen của chúng vốn cần được duy trì nguyên vẹn qua các thế hệ? Ví dụ như NST ở tế bào mầm sinh dục, nếu NST ở những tế bào này mà cứ ngắn

đi theo cách trên thì những gen thiết yếu cuối cùng sẽ mất đi trong các giao tử mà chúng sinh

ra Tuy vậy, trong thực tế điều này không xảy ra Có một loại enzim được gọi là telomeraza

đã xúc tác việc kéo dài đầu mút NST trong các tế bào mầm sinh dục ở sinh vật nhân thực,

qua đó duy trì được chiều dài vốn có của AND Enzim telomeraza không hoạt động ở hầu hết

các tế bào xoma của người, nhưng hoạt tính của nó lại rất mạnh ở trong các tế bào mầm sinh dục

III CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC UNG THƯ

3.1 Ung thư là hậu quả của sai hỏng trong điều hòa chu trình tế bào

Một chu trình tế bào bình thường gồm hai pha sinh trưởng (G1 và G2) xen kẽ bởi một pha sao chép AND (pha S) và một pha phân bào (pha M) thời gian kéo dài của mỗi chu trình

tế bào cũng như từng pha được điều khiển chặt chẽ bởi các tín hiệu nội bào và ngoại bào

Sự chuyển đổi từ pha này sang pha kia trong chu trình tế bào do sự điều chỉnh phối hợp của nhiều tín hiệu nhất định và biểu hiện bằng những đáp ứng chính xác và đặc trưng của tế bào với từng loại tín hiệu tương ứng nếu có sai sót trong quá trình truyền tín hiệu, hoặc đáp ứng của tế bào thiếu chính xác, các tế bào có thể phân chia vô hạn và chuyển sang

trạng thái ung thư Nhìn chung, có thể nói sự chuyển tiếp từ pha này sang pha khác trong chu trình tế bào được kiểm soát bởi các điểm kiểm tra chu trình tế bào Tại mỗi điểm kiểm tra, dường như tế bào thực hiện bước “tạm dừng” đẻ kiểm tra xem tế bào đã sẵn sàng cho pha tiếp theo hay chưa (ví dụ: sự sao chép AND đã hoàn thành hay những sai hỏng AND đã được sữa chữa hay chưa) Có hai loại protein đã biết có vai trò chủ yếu trong quá trình này là cyclin và các kinase phụ thuộc cyclin (CDK) CDK điều hòa hoạt tính của các protein khác bằng việc phosphoryl hóa phân tử protein đích Tuy vậy, hoạt tính phosphoryl hóa của CDK lại phụ thuộc vào sự có mặt của các cyclin Các protein cyclin giúp các CDK có thể thực hiện được chức năng của chúng qua sự hình thành phức hệ cyclin/CDK Sự chuyển tiếp từ pha này sang pha khác của chu trình tế bào phụ thuộc vào chu kỳ hình thành và biến tính của các phức hệ cyclin/CDK khác nhau Một tronh những điểm kiểm tra quan trọng nhất trong chu trình tế bào là điểm bắt đầu (ta tạm gọi là điểm START) ở gần cuối pha G1 Điểm

START được điều khiển bởi phức hệ cyclinD/CDK4, khi phức hệ cyclinD/CDK4 hình thành đến điểm nhất định, tế bào vượt điểm START và chuyển sang pha S Trong trường hợp tế bào chưa sẵn sàng cho một chu trình mới, một số protein ức chế được hoạt hóa để phá hủy phức hệ cyclinD/CDK4 Kết quả là tế bào không được chuyển qua pha S

ở nhiều tế bào ung thư, người ta thấy sự điều khiển các điểm kiểm tra như vậy không diễn ra hoặc diễn ra không chính xác Sự mất khả năng điều hòa chu trình tế bào có thể do các sai hỏng di truyền làm tăng hoặc giảm bất thường phức hệ cyclinD/CDK4, dẫn đến những biến đổi làm mất khả năng điều khiển tại điểm START, và hậu quả là có thể chuyển tế bào sang trạng thái ung thư

So với các điểm kiểm tra chu trình tế bào khác, sự sai hỏng tại điểm kiểm tra START

có xu hướng chuyển tế bào sang trạng thái ung thư với nguy cơ cao đặc biệt do điểm kiểm tra START quyết định việc tế bào chuyển vào pha S hay không, nên nếu điểm kiểm tra này hoạt động không chính xác, thì khả năng AND sai hỏng được sao chép và truyền cho các tế bào con là rất cao Như vậy, qua nhiều chu trình tế bào khác nhau, các đột biến sai hỏng AND được tích lũy và dẫn đến làm mất khả năng điều hòa quá trình phân bào bình thường

vì vậy, một dòng tế bào hỏng chức năng tại điểm kiểm tra START có nguy cơ trở thành các

tế bào ung thư phát triển mạnh

3.2 Các loại gen liên quan đến ung thư