GIÁO TRÌNH SINH HỌC PHÂN TỬ - CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ ppt

TR ƯỜ NG ĐẠ I H Ọ C Y KHOA HU Ế BỘ MÔN DI TRUYỀN Y HỌC GIÁO TRÌNH SINH HỌC PHÂN TỬ 2007 CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ 1. DNA (desoxyribonuclic acid) 1 Nucleic acid 1 DNA (desoxyribonuclic acid) 2 Cấu trúc 2 Các dạng cấu trúc không gian của DNA 3 Sự biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation) của DNA 4 DNA trong tế bào 5 Bộ gene của prokaryote 5 Bộ gene của eukaryote 6 Phân loại DNA 6 Gene nhảy 8 Gene 10 Câu hỏi ôn tập 11 Câu hỏi trắc nghiệm 11 2. CHỨC NĂNG CỦA DNA 13 Bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền 13 Mã di truyền 13 Khả năng nhân đôi chính xác 14 Tiềm năng tự sửa chữa 14 Khả năng đột biến 14 Câu hỏi ôn tập 15 Câu hỏi trắc nghiệm 15 3. CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA DNA 16 Tự nhân đôi ở prokaryote 16 Tách rời hai mạch đơn của phân tử DNA 16 Tổng hợp đoạn mồi (primer) rna 17 Tổng hợp các mạch mới trên khuôn DNA 17 Hoàn chỉnh chuỗi polynucleotide mới tổng hợp 18 4. RNA (ribonuclic acid) 28 Các loại RNA 28 rRNA (RNA ribosome) 28 tRNA (RNA vận chuyển) 28 mRNA (RNA thông tin) 30 Quá trình tự nhân đôi của DNA ở eukaryote 21 Cơ chế sửa sai DNA 23 Cơ chế sửa sai DNA trong quá trình tự nhân đôi 23 Cơ chế sửa sai DNA ngoài quá trình tự nhân đôi 24 Câu hỏi ôn tập 24 Câu hỏi trắc nghiệm 24 Ribozyme và khả năng tự cắt (self- Splicing) 30 Câu hỏi ôn tập 30 Câu hỏi trắc nghiệm 30 5. QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ (TRANSCRIPTION) 33 Quá trình phiên mã ở prokaryote 33 Giai đoạn mở đầu 33 Giai đoạn kéo dài 34 Giai đoạn kết thúc 35 Quá trình phiên mã ở eukaryote 37 Giai đoạn mở đầu 37 Giai đoạn kéo dài 40 Giai đoạn kết thúc 40 Quá trình trưởng thành của các tiền mRNA 40 Gắn mũ chụp (capping) 40 a Gắn đuôi polyA 41 Cắt nối (splicing) 42 Câu hỏi ôn tập 43 Câu hỏi trắc nghiệm 44 6. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 45 Cấu trúc của protein 45 Cấu trúc bậc 1 45 Cấu trúc bậc 2 46 Cấu trúc bậc ba 47 Cấu trúc bậc bốn 47 Chức năng sinh học 47 Câu hỏi ôn tập 49 Câu hỏi trắc nghiệm 49 7. QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ VÀ ĐIỀU HOÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN 51 Quá trình dịch mã 51 Gắn amino acid vào tRNA 51 Ribosome 51 Các giai đoạn của quá trình dịch mã 52 Polysomes 55 Điều hoà sự biểu hiện của gene 56 Điều hoà sự biểu hiện của gene ở prokaryote 56 Điều hoà sự biểu hiện của gene ở eukaryote 58 Kiểm soát quá trình phiên mã 59 Kiểm soát sự biểu hiện của gene thông qua quá trình hoàn thiện mRNA 60 Kiểm soát sự biểu hiện của gene thông qua sự hằng định của RNA 60 Quá trình làm im lặng RNA (RNA silencing) 60 Kiểm soát quá trình dịch mã và sau dịch mã 61 Câu hỏi ôn tập 62 Câu hỏi trắc nghiệm 62   b 1. DNA (desoxyribonuclic acid) Mục tiêu 1. Trình bày được: - Cấu trúc cơ bản của một nucleotide - Cấu trúc của DNA, các loại DNA, gen nhảy - Cấu trúc cơ bản của gene ở prokaryote và eukaryote 2. Phân biệt được bộ gene của prokaryote và eukaryote NUCLEIC ACID Nucleic acid là vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống có cấu trúc đa phân hình thành từ các đơn phân là nucleotide. Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo khá giống nhau là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic acid (RNA). Hình 1: (a) Các cấu phần của nucleotide; (b) Nucleotide; (c) Chuỗi polynucleotide Mỗi nucleotide được cấu tạo gồm ba thành phần (hình 1) 1. Nhóm phosphate 2. Đường Pentose (đường 5 Carbon). Ở DNA đường này là deoxyribose còn ở RNA là ribose 1 3. Mt base nitric, base ny gm cú hai nhúm: - Purine gm adenine (A), guanine (G) - Pyrimidine gm thymine (T), cytosine (C) v uracyl (U) Cỏc nucleotide c ni vi nhau bng liờn kt phosphodiester to thnh chui polynucleotide. DNA (desoxyribonuclic acid) CU TRC H ỗnh 2 : Nguyón t ừ c b ứ ọ sung g ợ iổ a ù ca c base purine va ỡ pyrimidine. xon di 34 . (hỡnh 2 v 3) Phõn t ADN l mt chui xon kộp gm hai mch n, mi mch n l mt chui polynucleotide. Mi nucleotide gm (1) nhúm phosphate, (2) ng deoxyribose (C 5H10O4) v (3) mt trong bn loi base (A, T, G v C)(hỡnh 2). Hai chui polynucleotide kt hp vi nhau nh cỏc liờn kt hydro hỡnh thnh gia cỏc base ca hai mch theo nguyờn tc b sung gia mt bờn l purine (A v G) v mt bờn l pyrimidine (C v T) trong ú A b sung vi T bng hai liờn kt hydro, G b sung vi C bng ba liờn kt hydro to nờn mt cu trỳc gm hai chui polynucleotide xon quanh mt trc thnh hỡnh lũ xo vi ng kớnh khong 2nm v mi bc Hỡnh 3: Cu trỳc ca mt on DNA Nguyờn tc b sung m bo khong cỏch u n gia hai mch n ca DNA (tng chiu di ca mt base purine v mt pyrimidine), cỏc phõn t ng v cỏc nhúm phosphate nm phớa ngoi to nờn trc ng-phosphate hỡnh thnh liờn kt vi cỏc phõn t nc, cỏc base quay vo phớa trong hn ch s tip xỳc gia chỳng vi cỏc phõn t nc gi cho phõn t DNA n nh. Mi mch n l mt trỡnh t nucleotide cú nh hng vi mt u l u 5' phosphate t do (nhúm phosphate t do gn vo C5 ca ng desoxyribose) ký hiu 2 là 5'P, đầu kia có nhóm OH ở vị trí C3 nên gọi là đầu 3' hydroxyl tự do, kí hiệu là 3'OH. Hướng quy ước theo chiều từ 5' đến 3'. Hai mạch đơn trong cấu trúc của phân tử DNA đi ngược chiều nhau gọi là đối song (anti paralell). 5'P 3'OH 3'OH 5"P Như vậy đầu 5' P của mạch này đối diện với đầu 3' OH của mạch bổ sung. Thông qua cấu trúc xoắn kép của DNA có thể nhận thấy: (1) Trình tự các base của mạch này khác với trình tự base của mạch bổ sung với nó. (2) Hai mạch của DNA gắn với nhau bằng các liên kết hydro yếu tạo nên tính linh hoạt cho phân tử DNA khi thực hiện các hoạt động chức năng nhân đôi hoặc tổng hợp RNA. CÁC DẠNG CẤU TRÚC KHÔNG GIAN CỦA DNA Mô hình trên của DNA được mô tả ở trên do Watson và Crick đưa ra năm 1953 và được công nhận như là một cấu trúc duy nhất của DNA trong một thời gian dài. Vào thập niên 70, với sự hỗ trợ của các kỹ thuật phân tích chính xác nhiều dạng DNA đã được phát hiện. Việc phân định các dạng DNA được thực hiện dựa trên 2 chỉ số : - h: chiều cao giữa hai nuceotide kế nhau - n: Số cặp nucleotide trong một vòng xoắn Một số dạng DNA được liệt kê trong bảng dưới đây: Dạng Số cặp base của một vòng xoắn (n) Góc xoắn so với mặt phẳng của base (độ) khoảng cách h giữa 2 base kế nhau (A o ) Đường kính của chuỗi xoắn kép (A o ) A 11 + 32,7 2,56 23 B 19 + 36,0 3,38 19 C 9 1/3 + 38,6 3,32 19 Z 12 - 30,0 3,71 18 Dạng DNA mà Watson và Crick mô tả là dạng B, dạng phổ biến nhất, tồn tại trong điều kiện sinh lý bình thường. Các dạng khác xuất hiện ở những điều kiện độ ẩm và ion khác nhau. Dạng Z có chiều xoắn ngược về phía bên trái theo hình zigzag nên gọi là dạng Z. Các dạng DNA khác nhau cho thấy DNA trong tế bào sống không tồn tại với một dạng duy nhất mà tuỳ trạng thái sinh lý có thể ở dưới dạng này hay dạng khác.(hình 4) 3 Hình 4: Các dạng DNA SỰ BIẾN TÍNH (DENATURATION) VÀ HỒI TÍNH (RENATURATION) CỦA DNA Hai mạch đơn của phân tử DNA gắn với nhau thông qua các liên kết hydro yếu. Các tác nhân làm đứt gãy các liên kết này như khi đun nóng phân tử DNA ở nhiệt độ khoảng 80 - 95 o C sẽ làm cho hai mạch tách rời nhau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng biến tính (denaturation) của DNA. (hình 5) Hình 5: Hiện tượng biến tính của DNA Nhiệt độ làm hai mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm chảy (melting point) của DNA. Điểm này đặc trung cho mỗi loại DNA, phụ thuộc vào số lượng các liên kết hydro trong cấu trúc. Tỷ lệ cặp G-C càng cao thì điểm chảy càng lớn. Một số chất như formanide có khả năng làm hạ thấp điểm chảy nên được dùng trong kỹ thuật lai phân tử để làm giảm nhiệt độ lai. Sự biến tính này có tính thuận nghịch. Sau khi DNA bị biến tính nếu hạ nhiệt độ từ từ trở lại bình thường thì chúng có thể gắn lại với nhau trên cơ sở của nguyên tắc bổ sung để trở thành mạch kép. Hiện tượng này được gọi là hồi tính (renaturation). 4 DNA TRONG TẾ BÀO Tất cả các sinh vật có cấu tại tế bào, ty thể, lạp thể đều chứa DNA mạch kép. Các virus có bộ gene đa dạng gồm RNA hoặc DNA mạch đơn hoặc mạch kép. Bảng dưới đây giới thiệu chiều dài bộ gene đơn bội căn cứ theo số cặp base của các nhóm sinh vật chính như sau: Sinh vật Số cặp base Virus 10 3 đến 10 5 Vi khuẩn E. Coli 4,5 x 10 6 Nấm men 5 x 10 7 Ruồi giấm Drosophila Động vật có xương sống 1,5 x 10 8 10 8 đến 10 10 Thực vật 10 10 đến 10 11 Người 3 x 10 9 Qua bảng trên có thể nhận thấy không có sự tương quan giữa mức độ tiến hoá và số lượng cặp base trong bộ gene. Giữa bộ gene của prokaryote và eukaryote có sự khác biệt đáng kể về thành phần cấu tạo và cách tổ chức của DNA trong tế bào. BỘ GENE CỦA PROKARYOTE Bộ gene của vi khuẩn E. Coli và đa số các sinh vật prokaryote đều là một phân tử DNA có dạng vòng và không gắn với protein để tạo thành nhiễm sắc thể như ở eukaryote. (tuy nhiên khái niệm nhiễm sắc thể hiện nay cũng được dùng cho cả vi khuẩn và được hiểu là sợi DNA). (hình 6) Ở prokaryote, DNA thường ở dạng siêu xoắn với DNA mạch kép xoắn vặn thành hình số 8. Đây là dạng tự nhiên trong tế bào vi khuẩn, sợi DNA được các phân tử RNA nối giúp cuộn xoắn và làm cho chiều dài phân tử được rút ngắn đáng kể. Tình trạng siêu xoắn này có thể thay đổi thuận nghịch dước tác động của các enzyme DNase hoặc RNase. Ngoài ra DNA có thể ở dưới dạng vòng tròn hoặc dạng thẳng. Hình 6: DNA ở prokaryote 5 BỘ GENE CỦA EUKARYOTE Cách tổ chức của DNA trong nhân tế bào DNA của eukaryote có kích thước rất lớn, ví dụ ở người tổng chiều dài của tất cả DNA có trong nhân tế bào có thể dài đến 2m. Để có thể nằm gọn trong nhân tế bào, DNA phải được cuộn xoắn ở nhiều mức độ cấu trúc khác nhau. Nucleosome Các đoạn DNA với chiều dài tương ứng với khoảng từ 140 đến 150 cặp base (base pair: bp) cuộn quanh một lõi gồm 8 phân tử protein histone (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 và 2H4) để tạo thành nucleosome với đường kính khoảng 11nm. Các nucleosome nối với nhau bằng một đoạn DNA khoảng 20 - 60 bp vói một phân tử histone trung gian (H1). Các histone H çnh 7: Nucleosome liên kết với phân tử DNA nhờ các liên kết ion hình thành giữa các nhánh bên mang điện tích âm của các histone với các nhóm phosphate mang diện tích dương của DNA. (hình 7) Sợi và quai chromatin Khoảng 6 nucleosome cuộn lại thành một solenoid đường kính khoảng 30nm, các solenoid cuộn lại thành các quai chromatin (chromatin loop) đường kính khoảng 300nm, mỗi quai chromatin có khoảng 100.000 bp (100 kb). Bằng cách này DNA có thể giảm chiều dài xuống khoảng 1/10.000 lần so với chiều dài của nó trước khi cuộn xoắn. (hình 8) Chất dị nhiễm sắc Các quai chromatin tiếp tục cuộn xoắn với đường kính khoảng 700nm. Nhiếm sắc thể Ở kỳ giữa của quá trình phân bào chromatin cuộn xoắn ở mức độ tối đa tạo nên NST với đường kính khoảng 1.400nm. PHÂN LOẠI DNA Ở eukaryote mặc dù DNA mang thông tin mã hóa cho các protein nhưng trong thực tế chỉ có một tỷ lệ rất thấp DNA thực hiện chức năng này. Ở người có ít hơn 5% trong số 3 tỷ cặp nucleotide trong genome của người thực sự làm chức năng mang thông tin, còn lại phần lớn vật liệu di truyền chưa được biết chức năng. DNA của người được chia thành các loại sau (hình 9): 6 Hình 8 . Mô hình cuộn xoắn của DNA DNA độc bản (single - copy DNA) DNA độc bản chiếm khoảng 45% genome và gồm các gene mã hoá cho các protein. Các đoạn DNA loại này chỉ được thấy một lần duy nhất (hoặc vài lần) trong genome. Tuy nhiên phần mã hóa cho protein chỉ chiếm một phần nhỏ trên loại DNA này mà thôi, phần lớn còn lại là các intron hoặc là các đoạn DNA nằm xen giữa các gene. DNA lặp (repetitive DNA) DNA lặp chiếm 55% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA được lập đi lập lại có thể lên tới hàng ngàn lần trong genome, có 2 loại chính: 7 [...]... một đa phân gồm có: A Hai loại phân tử là desoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA) B Hai loại phân tử là ribonucleic acid thơng tin (mRNA) và ribonucleic acid vận chuyển (tRNA) C Hai loại phân tử là ribonucleic acid thơng tin (mRNA) và ribonucleic acid vận chuyển (tRNA) D Hai loại phân tử là ribonucleic acid thơng tin (mRNA) và ribonucleic acid ribosome (rRNA) E Hai loại phân tử là deoxyribonucleotide... (TRANSCRIPTION) Mục tiêu Trình bày được: - Q trình phiên mã cơ bản của eukaryote và prokaryote - Q trình hình thành mRNA của eukaryote Q trình phiên mã (hinh 1) cho phép tổng hợp RNA trên khn DNA thơng qua sự xúc tác của hệ enzyme RNA polymerase (tên đầy đủ là DNA-dependent-RNA polymerase) Như vậy DNA khơng những có khả năng tổng hợp nên DNA mà còn có khả năng tổng hợp nên RNA, một phân tử khác Khả năng này... polymerase nói trên, q trình tự nhân đơi của DNA còn có sự tham gia của nhiều loại protein đặc hiệu như: - PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen: kháng ngun nhân tế bào đang phân chia) đóng vai trò hoạt hố polymerase ε và δ - Các RF- A và C (Replication Factor: yếu tố nhân đơi; RF-A; RF-C) cần thiết cho hoạt động của polymerase α và δ 21 Hình 7: Q trình tự nhân đơi DNA ở eukaryote Q trình tự nhân đơi... Valine ĐÁP ÁN 1 D 2 C 3 C 4 A 15 3 CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐƠI CỦA DNA Mục tiêu Trình bày được: - Cơ chế tự nhân đơi DNA ở prokaryote và eukaryote ở mức cơ bản - Cơ chế tự sửa sai DNA TỰ NHÂN ĐƠI Ở PROKARYOTE Q trình tự nhân đơi của DNA là một q trình phức tạp Ở prokaryote q trình này gồm những bước sau: TÁCH RỜI HAI MẠCH ĐƠN CỦA PHÂN TỬ DNA Q trình tự nhân đơi bắt đầu từ một điểm xuất phát gọi là điểm ori (origine)... enzyme topoisomerase và RF-A tháo xoắn 2 Trên mạch sau: - Phức hợp polymerase α / primase phối hợp với RF-A để tổng hợp đoạn RNA mồi dài khoảng 10 nucleotide 22 - Phức hợp polymerase α kết hợp với RF-C để kéo dài đoạn mồi thêm khoảng 20 deoxynucleotide - Khi đó phức hợp PCNA - ATP sẽ đình chỉ hoạt động của polymerase α lại và giúp polymerase δ gắn vào để tổng hợp đoạn Okazaki - Polymerase α được giải... tách hai mạch của phân tử DNA 7 Trong q trình tự nhân đơi ở Prokaryotae, enzyme topoisomerase có nhiệm vụ: A Làm ổn định các mạch đơn của DNA sau khi tách nhau ra và làm cho hai mạch khơng tái kết hợp trở lại được B Tháo xoắn phân tử DNA C Tổng hợp đoạn mồi RNA D Tiếp tục nối dài chuỗi polynucleotide E Phá vỡ các liên kết hydro giữa các base để tách hai mạch của phân tử DNA 8 Trong q trình tự nhân đơi... giữa các base để tách hai mạch của phân tử DNA 12 Trong thực tế tỷ lệ sai sót trong q trình tự nhân đơi ở người ước tính có tần số: A 1.1 0-5 tức là 1 sai sót xảy ra trong 100.000 nucleotide B 1.1 0-6 tức là 1 sai sót xảy ra trong 1 triệu nucleotide C 1.1 0-7 tức là 1 sai sót xảy ra trong 10 triệu nuclotide D 1.1 0-8 tức là 1 sai sót xảy ra trong 100 triệu nucleotide E 1.1 0-9 tức là 1 sai sót xảy ra trong... chức năng của các loại RNA Các RNA được tổng hợp từ các gene tương ứng trên DNA , đóng vai trò trung gian trong q trình sinh tổng hợp protein Các phân tử RNA đều có đặc điểm chung như sau về cấu trúc (hình 1): - Cấu trúc đa phân dạng mạch đơn polynucleotide - Trong cấu trúc của các đơn phân nucleotide: đường pentose là ribose C5H10O5, base Uracil (U) thay cho thymin (T) Hình 1: (a) Cấu trúc bậc 1 (mạch... Hiện tượng này được thấy ở cả vi sinh vật, thực vật và động vật với tần số khoảng 10 -5 – 10 -7 tế bào 8 Các trình tự gắn xen (IS: insertion sequences) Các trình tự gắn xen này được thấy ở vi khuẩn E Coli với tính chất di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trên DNA Các IS có kích thước khoảng 1 - 2 kb với trình tự trung tâm đặc trưng cho từng loại IS, ở hai đầu là hai trình tự ngắn với khoảng 50 bp... hợp trở lại được B Tháo xoắn phân tử DNA C Tổng hợp đoạn mồi RNA D Tiếp tục nối dài chuỗi polynucleotide E Phá vỡ các liên kết hydro giữa các base để tách hai mạch của phân tử DNA 6 Trong q trình tự nhân đơi ở Prokaryotae, enzyme DNA gyrase có nhiệm vụ: A Làm ổn định các mạch đơn của DNA sau khi tách nhau ra và làm cho hai mạch khơng tái kết hợp trở lại được B Tháo xoắn phân tử DNA C Tổng hợp đoạn mồi . TRUYỀN Y HỌC GIÁO TRÌNH SINH HỌC PHÂN TỬ 2007 CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ . 47 Chức năng sinh học 47 Câu hỏi ôn tập 49 Câu hỏi trắc nghiệm 49 7. QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ VÀ ĐIỀU HOÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN 51 Quá trình dịch mã