Giáo trình sinh học phân tử

Lời nói đầu Sinh học phân tử khoa học nghiên cứu tượng sống mức độ phân tử Phạm vi nghiên cứu môn học có phần trùng lặp với số mơn học khác sinh học đặc biệt di truyền học hóa sinh học Sinh học phân tử chủ yếu tập trung nghiên cứu mối tương tác hệ thống cấu trúc khác tế bào, bao gồm mối quan hệ qua lại trình tổng hợp DNA, RNA protein tìm hiểu cách thức điều hòa mối tương tác Hiện nay, sinh học phân tử sinh học tế bào xem tảng quan trọng công nghệ sinh học Nhờ phát triển công cụ sinh học phân tử enzyme cắt hạn chế, DNA ligase, vector tạo dòng, lai phân tử, kỹ thuật PCR sinh học phân tử ngày đạt nhiều thành tựu ứng dụng quan trọng Giáo trình sinh học phân tử cung cấp kiến thức cho sinh viên với nội dung sau: - Cấu trúc chức gen - Cấu trúc genome - Các trình tái bản, phiên mã dịch mã nguyên liệu di truyền - Điều hòa biểu gen - Sửa chữa bảo vệ gen - Tái tổ hợp chuyển gen Do xuất lần đầu nên giáo trình khó tránh khỏi thiếu sót chưa đáp ứng yêu cầu bạn đọc Vì thế, chúng tơi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp để lần xuất sau hồn thiện Chúng chân thành cảm ơn Quỹ Nâng cao chất lượng-Dự án Giáo dục đại học hỗ trợ chúng tơi biên soạn giáo trình này, PGS TS Nơng Văn Hải đọc thảo góp nhiều ý kiến quý báu Các tác giả Chương Các đại phân tử sinh học I Nucleic acid Nucleic acid, vật chất mang thông tin di truyền hệ thống sống, polymer hình thành từ monomer nucleotide Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường pentose (đường carbon) nitrogen base Các nitrogen base thuộc hai nhóm: purine gồm adenine (A) guanine (G), pyrimidine gồm thymine (T), cytosine (C) uracil (U) Các nucleotide nối với liên kết phosphodiester tạo thành chuỗi dài Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo giống deoxyribonucleic acid (DNA) ribonucleic acid (RNA) Deoxyribonucleic acid Phân tử DNA chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn Mỗi sợi đơn chuỗi nucleotide (Hình 1.1) Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường deoxyribose bốn base (A, C, G T) (Hình 1.2) Hai sợi đơn kết hợp với nhờ liên kết hydrogen hình thành base bổ sung nằm hai sợi: A bổ sung cho T C bổ sung cho G Mỗi sợi đơn có trình tự định hướng với đầu 5’phosphate tự do, đầu 3’ hydroxyl tự (quy ước 5’3’) Hướng hai sợi đơn chuỗi xoắn kép ngược nhau, nên gọi hai sợi đối song Những phân tích cấu trúc đại cho thấy cấu trúc DNA luôn tương ứng với dạng gọi B mà Watson Crick đưa Do tác động hợp chất có khối lượng nhỏ protein, dạng B chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) dạng Z (xoắn trái) Chúng tự gấp lại xoắn mạnh, ví dụ sợi đơi DNA có độ dài 20 cm nén chromosome có kích thước m Hình 1.1 Chuỗi xoắn kép DNA Phân tử DNA nhiễm sắc thể sinh vật eukaryote dạng mạch thẳng, phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA lại có dạng mạch vịng Tuy nhiên, dù dạng phân tử DNA tồn theo kiểu cuộn chặt Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với protein histone DNA eukaryote có kích thước lớn (Ví dụ: DNA người dài đến m) nên vấn đề đặt phân tử phải nén thể tích hạn chế nhân Việc nén thực nhiều mức độ, mức độ thấp nucleosome mức độ cao cấu trúc nhiễm sắc chất Thật vậy, đường kính chuỗi xoắn DNA 20 , sợi nhiễm sắc chất quan sát kính hiển vi điện tử có đường kính 100 , đạt 300 Điều chứng tỏ phân tử DNA tham gia hình thành cấu trúc phức tạp (Hình 1.3) Sợi nhiễm sắc chất có đường kính 100 chuỗi chứa nhiều nucleosome Đó cấu trúc hình thành từ sợi DNA quấn quanh lõi gồm phân tử histone (mức độ tổ chức cao DNA) Sợi có đường kính 100 có cấu trúc phức tạp sợi có đường kính 300 Trong nhân tế bào, sợi vừa kể kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác với RNA tạo thành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao DNA Hình 1.2 Cấu trúc nucleotide điển hình Hình 1.3 Cấu trúc nucleosome nhiễm sắc thể Phân tử DNA cuộn lại nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại 50.000 lần Các DNA eukaryote có đặc điểm khác với DNA prokaryote Tồn phân tử DNA prokaryote mang thông tin mã hóa cho protein DNA eukaryote bao gồm trình tự mã hóa (các exon) xen kẽ với trình tự khơng mã hóa (intron) Các trình tự mã hóa eukaryote chìm ngập khối lớn DNA mà chưa rõ tác dụng gọi “DNA rác” (junk DNA) Tùy theo mức độ diện chúng nhân, trình tự DNA chia làm ba loại: - Các trình tự lặp lại nhiều lần Ví dụ: động vật có vú trình tự chiếm 10-15% genome (hệ gen) Đó trình tự DNA ngắn (10-200 kb), khơng mã hóa, thường tập trung vùng chuyên biệt nhiễm sắc thể vùng tâm động (trình tự CEN) hay đầu nhiễm sắc thể (trình tự TEL) Chức trình tự chưa rõ, chúng tham gia vào trình di chuyển DNA thoi vơ sắc (trình tự CEN) vào q trình chép tồn phần DNA nằm đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL) - Các trình tự có số lần lặp lại trung bình Ví dụ: genome người trình tự chiếm 25-40 % Chúng đa dạng có kích thước lớn (100-1.000 kb) trình tự lặp lại nhiều lần Các trình tự phân bố tồn genome Chúng trình tự khơng mã hóa mà trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA 5S RNA - Các trình tự Là gen mã hóa cho protein, có trình tự đặc trưng cho gen Một đặc điểm phân tử DNA có ý nghĩa quan trọng sử dụng vào phương pháp lai phân tử, khả biến tính hồi tính Biến tính tượng hai sợi đơn phân tử DNA tách rời liên kết hydrogen base bổ sung nằm hai sợi bị đứt tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay tác nhân vật lý (nhiệt) Sau đó, điều chỉnh nhiệt độ nồng độ muối thích hợp, sợi đơn bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, hồi tính Ribonucleic acid Phân tử RNA có cấu tạo tương tự DNA ngoại trừ ba điểm khác biệt sau: - Phân tử RNA chuỗi đơn - Đường pentose phân tử RNA ribose thay deoxyribose - Thymine (T), bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, thay uracil (U) phân tử RNA Cấu trúc chức RNA có biến đổi rõ rệt Về RNA chất mang thông tin di truyền virus, sau người ta chứng minh khơng đóng vai trị việc chuyển thơng tin di truyền mà cịn có vai trị cấu trúc tạo nên phức hệ RNA-protein Theo lý thuyết tiến hóa mà đại diện Eigen, RNA chất mang thông tin di truyền, thành viên trung gian biểu gen, thành phần cấu tạo chất xúc tác Nhóm OH vị trí thứ hai ribose cần thiết cho đa chức làm nhiễu loạn tạo thành sợi đơi, qua làm tăng độ không bền vững liên kết phosphodieste Trong tế bào có ba loại RNA chính, có chức khác nhau: 2.1 Các RNA thông tin (mRNA) mRNA trình tự định phân tử DNA, có vai trị trung tâm chuyển thơng tin mã hóa phân tử DNA đến máy giải mã thành phân tử protein tương ứng Các RNA có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ so với DNA chứa thơng tin mã hóa cho vài protein chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA tế bào Q trình chuyển thơng tin thể sau: Ở E coli, kích thước trung bình phân tử mRNA khoảng 1,2 kb 2.2 RNA vận chuyển (tRNA) tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp protein từ mRNA tương ứng Có loại tRNA cho loại amino acid tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (có khối lượng khoảng 25 kDa), phân tử RNA nhỏ Các tRNA có cấu trúc dạng cỏ ba Cấu trúc ổn định nhờ liên kết bổ sung diện nhiều vùng phân tử tRNA Hai vị trí khơng có liên kết bổ sung đóng vai trị đặc biệt quan trọng chức tRNA: - Trình tự anticodon gồm ba nucleotide - Trình tự CCA, có khả liên kết cộng hóa trị với amino acid đặc trưng 2.3 RNA ribosome (rRNA) rRNA thành phần ribosome, đóng vai trị xúc tác cấu trúc tổng hợp protein Tùy theo hệ số lắng rRNA chia thành nhiều loại: eukaryote có 28S; 18S; 5,8S 5S rRNA; cịn rRNA E coli có ba loại: 23S, 16S 5S rRNA chiếm nhiều ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến tRNA khoảng 16% mRNA khoảng 2% Ngoài ra, tế bào sinh vật eukaryote cịn chứa phân tử RNA kích thước nhỏ nhân (small nuclear, snRNA) chiếm khoảng