Bài giảng sinh học phân tử (Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội)

Nội dung bài giảng bao gồm: •  Chương I. Lược sử phát triển của sinh học phân tử •  Chương II. Các đại phân tử sinh học: Acid nucleic và Protein –  Cấu trúc và chức năng của acid nucleic –  Cấu trúc và chức năng của protein •  Chương III. Cấu trúc gen và hệ gen của sinh vật –  Cấu trúc của gen –  Hệ gen –  Các DNA lặp lại trong hệ gen •  Chương IV. Sự tái bản DNA •  Chương V. Cơ chế gây biến đổi DNA •  Chương VI. Sự phiên mã của gen và cơ chế điều hòa phiên mã –  I.Sự phiên mã ở sinh vật tiền nhân –  Sự phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn –  Điều hòa phiên mã của gen •  Chương VII. Mã di truyền và quá trình dịch mã. –  Mã di truyền –  Nguồn gốc, cấu trúc và chức năng các loại RNA –  Sinh tổng hợp protein

Chương 1:

LƯỢC SỬ RA ĐỜI SINH HỌC PHÂN TỬ

Các tính điểm môn học

Chuyên cần: 10%

Kiểm tra giữa kỳ: 30% Thi cuối kỳ: 60%

•  Chương I Lược sử phát triển của sinh học phân tử

•  Chương II Các đại phân tử sinh học: Acid nucleic và Protein

–  Cấu trúc và chức năng của acid nucleic

–  Cấu trúc và chức năng của protein

•  Chương III Cấu trúc gen và hệ gen của sinh vật

–  Cấu trúc của gen

–  Hệ gen

–  Các DNA lặp lại trong hệ gen

•  Chương IV Sự tái bản DNA

•  Chương V Cơ chế gây biến đổi DNA

•  Chương VI Sự phiên mã của gen và cơ chế điều hòa phiên mã

–  I.Sự phiên mã ở sinh vật tiền nhân

–  Sự phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn

–  Điều hòa phiên mã của gen

•  Chương VII Mã di truyền và quá trình dịch mã

–  Mã di truyền

–  Nguồn gốc, cấu trúc và chức năng các loại RNA

–  Sinh tổng hợp protein

Tài liệu tham khảo chính

•  1 PGS TS Phan Hữu Tôn, Giáo trình Sinh

học phân tử đại cương, 2009

•  2 Hồ Huỳnh Thùy Dương, 2008, Sinh học

phân tử, NXB giáo dục

•  3 PGS.TS Khuất Hữu Thanh, Cơ sở di

truyền phân tử và Kỹ thuật gen, 2004, NXB

Goods and Services

using

Biological organisms,

systems,

or processes

Recombinant

DNA Technology

Useful products

or

Commercial processes

For producing

Based on

Những cuộc cách mạng trong CNSH gần đây

Năm 1989, vi khuẩn được

sử dụng để dọn sạch 11 triệu gallons dầu trong sự

cố tràn dầu trên bờ biển Alaska

Nhiên liệu sinh học

tử dầu thực vật

Nuôi cấy tế bào gốc

I ĐỊNH NGHĨA

•  Theo Francois Jacob: Sinh học hiện đại có mục đích giải thích các đặc tính của cơ thể sống thông qua nghiên cứu cấu trúc, chức năng các phân tử vật chất thành phần

•  Sinh học phân tử: Là một ngành sinh học hiện

đại quan tâm đến việc giải thích các hiện tượng

và quy luật ở mức phân tử

ĐỊNH NGHĨA

•  SHPT ra đời trên cơ sở hội tụ của các ngành học khác: sinh học tế bào, di truyền học, hóa sinh học

Tế bào học

Hóa sinh học

Di truyền học

II THUYẾT TIẾN HÓA VÀ THUYẾT TẾ BÀO

•  Xuất hiện từ nửa sau thế kỷ 19

•  Đặt nền móng cho sự

ra đời của ngành Sinh học với tư cách là

ngành khoa học thực nghiệm

1859, Học thuyết tiến hóa Darwin và Wallace

•  Dựa trên việc quan

sát sự phân bố của

các loài

•  Chọn lọc tự nhiên:

Sự biến đổi trong của

các loài sinh vật trải

qua một thời gian đủ

dài, hoặc dưới áp lực

của môi trường xung

quanh

•  Sự biến đổi này

được di truyền cho

các thế hệ sau

Charles Darwin (02/1908 – 04/1882)

Alfred Russel Wallace

(1823 –1913)

–  Làm cơ sở cho kỹ thuật nuôi cấy tế bào in vitro

“Mỗi động vật (sinh vật) được cấu tạo từ một tập

hợp các đơn vị sống, mỗi đơn vị sống mang trong nó tất cả các đặc tính của sự sống”

Rudolph Virchow,1858

III SINH HÓA HỌC & DI TRUYỀN HỌC CỔ ĐIỂN

•  Sinh hóa học cổ điển: các định luật hóa

học có áp dụng được vào tế bào không?

–  Nửa sau thế kỉ 19, người ta xác định tất cả các thành phần cấu tạo của tế bào: lipid, glucid, protein

–  Cuối thế kỷ 19, xác định hầu hết các amino acid

•  Di truyền học cổ điển nghiên cứu các

định luật di truyền của Mendel

Gregor Johann Mendel

1822-1884

IV SỰ PHỐI HỢP GIỮA DI TRUYỀN HỌC

VÀ SINH HÓA HỌC

•  1909, A Garrod nghiên cứu bệnh

Alkaptonurie (bệnh alkapton niệu) ở

người

–  Do đột biến một gen lặn hiếm di truyền theo quy luật Mendel

–  Biểu hiện nước tiểu có màu đen do hàm

lượng homogentisic acid cao

–  Nguyên nhân: thiếu enzyme oxydase phân hủy các hợp chất vòng phenol

–  Kết luận: Một bất thường sinh hóa là do thiếu sót di truyền

Thí nghiệm xác định DNA là vật chất di truyền

•  1928 Griffith – Thí nghiệm biến nạp

•  1944 Avery – Tác nhân biến nạp là DNA

•  1952 Hershey & Chase – Thí nghiệm trên thực khuẩn thể

1928, Thí nghiệm Griffith

•  Phế cầu khuẩn Streptococcus Pneumoniae

•  Chủng S: Độc, tế bào có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc trơn (smooth)

•  Chủng R: chủng lành, tế bào không có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc nhăn (Rough)

Tiến hành thí nghiệm

1944, Avery, Macleod & McCarty

•  Bằng kỹ thuật tinh sạch DNA thu từ chủng S, Avery và cộng sự đã chứng minh tác nhân biến nạp là DNA

Avery

1952, thí nghiệm Harshey & Chase

Martha Chase Alfred Harshey

Đối tượng – thực khuẩn thể

Nguồn: http://www.whfreeman.com/life/update/

Phage xâm nhiễm tế bào E.coli

Kết quả

•  Phần cặn tế bào vi khuẩn thu được chứa đồng vị phóng xạ 32P

•  Như vậy, thực khuẩn thể chỉ chuyển DNA

vào tế bào E.coli trong quá trình xâm

nhiễm

V SỰ RA ĐỜI CỦA SHPT

•  Các mốc chính của SHPT

1953, Cấu trúc DNA – Watson, Crick

–  Dựa trên các thông tin:

•  Thành phần hóa học của DNA

•  Quy tắc Chargaff

•  Ảnh nhiễu xạ tia X (Maurice Wilkins)

Hai nhà khoa học tìm ra cấu trúc DNA

J Watson

1928-nay F.Crick 1916-2004

1962 James Watson, Francis Crick, và Maurice Wilkins

Dành giải thưởng Nobel trong sinh lý và dược

Công bố mô hình cấu trúc DNA

(tạp chí NATURE)

2003, DNA Double Helix, 50th Anniversary

Nguồn: Molecular biology, David Clark

Cấu tạo hóa học của DNA

•  DNA cấu tạo từ các đơn phân gọi là các Nucleotides

•  Mỗi đơn phân gồm 3 thành phần:

Thành phần cấu tạo của DNA

Cấu trúc một Nucleotide

Nguồn: https://www.msu.edu/course/isb/202

Nucleoside TriPhosphate

Cấu trúc xoắn kép

Quy tắc Chargaff

•  1 Tổng số nucleotide của Purine (A và G) bằng

tổng số nucleotide của Pyrimidine (C và T)

A + G = C + T

•  Số lượng A luôn bằng số lượng T; số lượng C luôn bằng số lượng G

A = T

C = G

Erwin Chargaff

Rosalind Frankin

Ảnh nhiễu xạ tia X của DNA Nguồn: http://sciencecomm.wikispaces.com

1956,Học thuyết trung tâm F Crick

•  Thông tin di truyền

được chuyển từ DNA

1970, Enzyme cắt giới hạn (RE)

•  Do Howard

Termin và David Baltimore độc lập phân lập

•  Đánh dấu cột mốc

lịch sử trong kỹ thuật gen hiện đại

Các mốc chính

•  1984 – Kỹ thuật PCR, Kary Mullis

Là kỹ thuật nền của SHPT

•  1986 – Máy giải trình tự tự động, Leory Hood

•  1990 – Dự án gen người (HGP)

Các mốc chính (tiếp)

•  1998, hoàn thành giải trình tự bộ gen giun tròn

Caenorhabditis elegans (19000 genes)

•  2000, hoàn thành giải trình tự bộ gen Drosophila

medanogster (13600 genes)

•  2000, bộ gen thực vật đầu tiên được giải trình tự

Arabidopsis thalina

Dự án HGP

•  14/4/2003 hoàn tất giải trình tự bộ gen

người

•  Tốn 2,7 tỷ USD

•  Tổng số gen khoảng 30,000 ít hơn rất

nhiều so với dự kiến là 50,000 đến

Ngoài dự kiến

•  – Ít hơn 2% (1,1 - 1,4%) bộ gen mã hoá cho protein

•  – 5% đến 28% phiên mã tạo ra RNA

•  – Các trình tự lặp lại (repeated sequences) không mã hoá cho protein (DNA rác) chiếm ít nhất 50% bộ gen người

Ứng dụng của SHPT

•  Công nghệ tạo các vi sinh vật mới có ích

•  Công nghệ sản xuất giống cây trồng, vật nuôi vượt giới hạn của tiến hóa để chống chịu bệnh, thích nghi với

điều kiện sinh thái cho năng suất cao

•  Công nghệ sản xuất các loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, có giá trị về dược phẩm, bổ sung vitamin, vacxin thực vật…

Một số gen mục tiêu quan trọng

•  Gen sinh trưởng (fGH, hGH, bGH)

Tăng chất lượng và sản lượng thịt, sữa

•  Lợn: các loại gen hóc môn sinh trưởng và yếu tố sinh trưởng

–  mMT, hGH, bGH, PRL-bGH,

mMT-hGRF, alb-mMT-hGRF, mMT-hGF và mMT-bGH

•  Bò: b-GH

–  Gen tạo máu

–  Gen tạo sữa

–  Gen tạo kháng thể

•  Liệu pháp gen và liệu pháp thay thế tế bào

mô ở người

CHƯƠNG 2:

CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC

Acid nucleic và Protein

Acid nucleic mang thông tin di truyền

•  Thông tin di truyền được mã hóa bởi các phân tử

DNA và RNA

•  DNA là vật chất di truyền của vi khuẩn

•  DNA là vật chất di truyền của virus, một số loại virus

có bản chất RNA thì thông tin di truyền được mã hóa bởi các phân tử RNA

Acid nucleic mang thông tin di truyền

•  Thí nghiệm chứng minh acid nucleic mang thông tin di truyền

–  1928, Griffith – thí nghiệm biến nạp

–  1944, Avery et al – tác nhân biến nạp là DNA

–  1952, Hershey –Chase – thí nghiệm thực

khuẩn thể xâm nhiễm E.coli

•  Từ 3 thí nghiệm trên chứng minh acid

nucleic là vật chất mang thông tin di

truyền

Phế cầu khuẩn Streptococcus Pneumoniae

Chủng S: Độc, tế bào có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc trơn (smooth)

Chủng R: chủng lành, tế bào không có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc nhăn (Rough

1928, Thí nghiệm Griffith

Hai loại nucleic acid DNA và RNA

Acid deoxyribonucleic - DNA

DNA là phân tử trùng phân, mạch thẳng được hình thành từ các đơn phân là nucleotide

I THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA DNA

•  Nhóm phosphat và phân tử đường hình thành nên “bộ

khung” (backbone) của phân tử DNA, base ni tơ liên kết với phân tử đường tạo nhánh phía ngoài của chuỗi DNA

Cấu trúc phân tử DNA

Thành phần đường của RNA và DNA

•  Thành phần đường của RNA là ribose

•  Thành phần đường của DNA là

deoxyribose

Bazo Nito – Purine

•  Purine gồm

–  Adenin (A)

–  Guanine (G)

Pyrimidine

Pyrimidine

–  Uracil (U) –  Thymine (T) –  Cytosine (C)

Dạng biểu diễn của nucleotide (RNA & DNA)

Molecular Biology Understanding the Genetic Revolution

CẤU TẠO HÓA HỌC CỦA DNA

Nucleoside: Là liên kết giữa một base nito và một phân tử đường

Nucleotide : Là liên kết giữa một nucleoside và một nhóm phosphat

Các nucleotid thường được gọi theo tên của các base nito và viết tắt là A, G, C, T, U, đôi khi viết tắt bằng ade, gua…

Chữ N được sử dụng làm đại diện cho tất cả các base nito nucleotide

•  Nucleoside = base + sugar

•  Nucleotide = base + sugar + phosphate

H

O

CH2 H

O

P O

O

O-17

O

Base

H H

H

H

O

CH2 H

Mô hình xoắn kép của Watson-Crick

-  2 mạch đơn xoắn quanh 1 trục

-  Chiều xoắn: phải

-  Cấu trúc 2 mạch xoắn kép song

song tạo nên do liên kết hidro

giữa các nucleotide bổ xung

Tại sao 1 purine lại liên kết với 1 pyrimidine?

CÁC LOẠI LIÊN KẾT CỦA DNA

•  Loại liên kết nào nối các nucleotid với nhau?

Liên kết giữa các

nucleotide

Molecular Biology Understanding the Genetic Revolution

•  Liên kết giữa P ở đầu

5’ và O ở đầu 3

•  Đọc trình tự của base

từ 5’ đến 3’’

•  Liên kết giữa các nucleotid trong sợi DNA là liên kết giữa 5’-P và O-3’ làm cho sợi DNA có một gốc Phosphat tự do ở đầu 5’ và một gốc hydroxyl ở đầu 3’ là nguyên nhân dẫn đến việc phân cực của DNA

Điện tích của DNA? Nguyên nhân dẫn

đến việc tích điện của DNA?

A liên kết T bằng 2H

G liên kết C

bằng

Liên kết Hydro giữa các base

Quy tắc Chargaff

•  Chargaff’s rule: Tổng số A+G = Tổng sốC+T

•  Cặp base chứa một purine và một pyrimidine

DNA kép

không xoắn

DNA xoắn kép mạch vòng DNA mạch

đơn, thẳng

DNA mạch đơn, vòng

II CẤU TRÚC CỦA DNA

Liên kết bổ sung giữa 2 mạch đơn

Cấu trúc hóa học của DNA

•  DNA là một chuỗi xoắn kép gồm 2 sợi polynucleotid kết hợp với nhau theo nguyên tắc bổ sung

hydro Hai mạch DNA gọi là hai mạch đối song song

•  Mỗi cặp liên kết gồm 1 base nito lớn là purin liên kết với base nhỏ hơn là pyrimydine nên tất cả các cặp

base ghép đôi có cùng chiều rộng

CÁC DẠNG CẤU TRÚC CHUỖI XOẮN KÉP DNA

•  Chuỗi DNA được tồn

tại dưới 3 dạng chủ yếu

tương đối khác nhau A,

B, Z

•  Dạng B là dạng phổ

biến nhất trong tế bào –

được mô tả bởi Watson

•  Chuỗi xoắn kép được làm bền bởi các liên kết hydro

và các vòng thơm của bazo nito chồng lên nhau ở

tâm của chuỗi double helix

•  Các dạng xoắn được chia làm xoắn phải hoặc xoắn trái

•  Chuỗi xoắn phải là các sợi xoắn cùng chiều kim đồng

hồ so với trục xoắn

•  Dạng B là dạng xoắn phải

DNA dạng A và Z

•  DNA dạng A và Z khác so với dạng B ở hình dạng và kích thước Dạng A thường xuất hiện trong các DNA mất nước (dùng trong các thí nghiệm tinh thể hóa) hay ở dạng lai

DNA – RNA

•  Dạng Z thường là DNA được mythyl hóa

Mô hình các dạng DNA

Dạng A Dạng B Dạng Z

MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CÁC DẠNG DNA

Dạng hình học Dạng A Dạng B Dạng Z

Chiều xoắn phải phải trái

Đơn vị lặp lại 1 bp 1 bp 2 bp Góc quay/bp 33,6° 35,9° 60°/2

xoay 2,46 nm 3,32 nm 4,56 nm Mean propeller

Đường kính 2,6 nm 2,0 nm 1,8 nm

DNA là vật chất mang thông tin di truyền chủ yếu dưới dạng mã bộ 3

Axit amin trong chuỗi polypeptit của protein

- DNA nằm chủ yếu trong nhân tế bào (98 - 99%), ngoài ra còn nằm ở ty thể, lạp thể, virut, viroid gây bệnh

- DNA của SV nhân thật có cấu tạo dạng thẳng,

SV tiền nhân có cấu tạo dạng vòng (vi khuẩn, virus) cuộn chặt thành cấu trúc NST

- DNA thường có kích thước rất lớn (người: sợi DNA có thể dài 1mm) cuộn chặt với Histon nucleosome (100A o ) solenoid (300A o ) nhiễm sắc thể

Đặc điểm DNA

III TÍNH CHẤT CỦA DNA

1 Biến tính và hồi tính bởi nhiệt độ

–  Hai mạch đơn của phân tử AND gắn với nhau nhờ các liên kết hydro.Khi đun nóng DNA từ từ,

khoảng 80- 95 0 C, các liên kết hydro giữa 2 mạch

bị đứt và chúng tách rời nhau Trước tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -

C bị đứt

–  Nhiệt độ mà ở đó 2 sợi DNA tách rời nhau (50%

số liên kết hydro bị phá hủy) gọi là nhiệt độ nóng chảy (Tm) Tm đặc trưng cho từng loại DNA của các sinh vật khác nhau

–  Đoạn DNA có nhiều liên kết GC có Tm cao hơn

III TÍNH CHẤT CỦA DNA

–  Khi hạ nhiệt độ từ từ, ở 60 o -70 0 C các

nucleotide sẽ gắn lại với nhau để tạo nên DNA mạch kép, hiện tượng này gọi là hồi tính

•  Có thể biến tính DNA bằng các tác nhân kiềm hoặc formamide ở 400C

•  Có thể nhận biết DNA biến tính dựa vào

sự gia tăng độ hấp thụ đối với tia cực

tím

DNA biến tính và hồi tính

39

High heat (melting)

Cooling to 20–25 ˚C

below Tm(renaturation)

Rapid cooling to temperature

much lower than Tm(improper base pairing)

Rewarming to 20–25 ˚C below Tm(renaturation)

Essential Biochemistry 3 rd Ed John Wiley & Sons, Inc.

- Đặc tính biến tính: sợi kép DNA trong điều kiện nhiệt độ cao gần điểm sôi có thể sẽ tách rời thành 2 sợi đơn, nếu nhiệt độ giảm xuống thì lại liên kết thành sợi kép ban đầu

- DNA mang điện tích âm + protein histon mang điện tích dương à NST trung hòa về điện

III TÍNH CHẤT CỦA DNA

TÍNH CHẤT CỦA DNA

2 Lai acid nucleic

–  Sử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính có thể

tiến hành lai DNA với DNA, DNA với RNA, RNA với RNA

–  Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành

mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tính

thành mạch đơn Dung dịch được hạ nhiệt độ từ

từ để xảy ra hồi tính Đây là kiểu lai lỏng hay lai trong dung dịch

o  Hiện nay còn sử dụng phương pháp lai trên pha rắn, được sử dụng rộng nhất

o  Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA

o  Phương pháp Northern blot dùng cho RNA

o  Các dạng microarray

Acid ribonucleic – RNA

RNA là phân tử trùng phân, mạch thẳng được hình thành từ các đơn phân là ribonucleotide

RiboNucleotide bao gồm 3 thành phần:

•  Gốc phosphate: PO43-

•  Đường (ribose): C5H10O5

•  Bazơ nitơ (nitrogenous bases):

A (Adenine) U(Uracine) thay vì T ở DNA

G (Guamine) C (Cytosine)

Có 3 loại RNA chính là: mRNA (RNA thông tin)

tRNA (RNA vận chuyển) rRNA (RNA Ribosome)

RNA (Ribonucleic Acid)

•  Phân tử RNA có cấu trúc tương tự DNA với 3 điểm khác biệt

–  Phân tử RNA thường là chuỗi mạch đơn

–  Pentose của RNA là ribose

–  Thymin được thay thế bằng Uracil

Cấu trúc hóa học RiboNucleotide Cấu trúc không gian của RNA

Liên kết photphodieste

•  siRNA (small interfering RNA)

•  piRNA (Piwi-interacting RNA)

mRNA

•  Là bản sao của những trình tự nhất định trên phân tử DNA

•  Đóng vai trò trung gian chuyển thông tin

mã hóa trên DNA đến ribosom để dịch

mã thành protein

•  Có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ so với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa

cho một hoặc vài protein

•  Chiếm 2-5% tổng số RNA của tế bào