Sinh học phân tử của tế bào

Trong những năm gần đây, chúng ta đã trải qua một cuộc cách mạng kiếnthức về những vấn đề liên quan đến các quá trình lưu trữ và truyền đạt thông tin di ruyền ở mức độ phân tử. Các kiến thức về sinh học phân tử giúp chúng ta giải thích được các mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học với sự vận hành của nó với các quá trình sinh lí diễn ra trong tế bào và cơ thể sống. Trọng tâm của sinh học phân tử là việc nghiên cứu các đại phân tử, hệ đại phân tử của ADN, ARN, Protein cùng các quá trình tái bản, phiên mã, dịch mã. Cơ sở vật chất, cơ chế di truyền và cơ chế điều hòa cấp độ phân tử tiếp cận các vấn đề Sinh học phân tử theo một cấu trúc mới, hệ thống lại kiến thức một cách khái quát nhằm đưa chúng ta đến những vấn đề sâu hơn.

Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử ĐAI HOC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HOC SƯ PHẠM TIỂU LUẬN HỌC PHẦN SINH HỌC TẾ BÀO ĐỀ TÀI : CƠ SỞ VẬT CHẤT, CƠ CHẾ DI TRUYỀN VÀ CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA CẤP ĐỘ PHÂN TỬ Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Bá Lộc Huế, 01/ 2018 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử phân tử SINH HỌC PHÂN TỬ Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, trải qua cách mạng kiếnthức vấn đề liên quan đến trình lưu trữ truyền đạt thông tin di ruyền mức độ phân tử Các kiến thức sinh học phân tử giúp giải thích mối quan hệ cấu trúc chức phân tử sinh học với vận hành với trình sinh lí diễn tế bào thể sống Trọng tâm sinh học phân tử việc nghiên cứu đại phân tử, hệ đại phân tử ADN, ARN, Protein trình tái bản, phiên mã, dịch mã Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử" tiếp cận vấn đề Sinh học phân tử theo cấu trúc mới, hệ thống lại kiến thức cách khái quát nhằm đưa đến vấn đề sâu Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử PHẦN II: NỘI DUNG I VẬT CHẤT DI TRUYỀN Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ Thế vật chất di truyền Thế vật chất di truyền nhà khoa học lại tìm vật chất di truyền cấp độ phân tử? Trong phân tử hóa học có tự nhiên axit nucleic "độc nhất, vô nhị" khả tự chép (tái bản) từ đơn phân thành phần Trong thực tế, đặcđiểm giống bố, mẹ kết trình chép xác Năm 1928, Frederik Griffith tiến hành nghiên cứu vi khuẩn Streptococus pneumoniae tác nhân gây bệnh viêm phổi loài động vật có vú chủng vi khuẩn có khả tổng hợp vỏ polisaccarit vỏ bảo vệ vi khuẩn chống lại chế kháng lại vi khuẩn làm cho vi khuẩn gây bệnh Khi vi khuẩn phát triển môi trường nuôi cấy đặc phát triển thành khuẩn lạc Vi khuẩn có vỏ bọc cho khuẩn lạc bóng nhẵn (gọi S: smooth) Chủng đột biến Pneumonniae bị enzim cần cho tổng hợp vỏ pơlisaccarit tạo khuẩn lạc nhăn nheo (kí hiệu R: rough) Các chủng R không gây bệnh viêm phổi Tác giả tiến hành thí nghiệm với chủng vi khuẩn trên: Thí nghiệm 1: Tiêm tế bào chủng S sống vào chuột chuột chết Thí nghiệm 2: Tiêm tế bào chủng S (đã chết xử lí nhiệt) chuột sống Thí nghiệm 3: Tiêm tế bào chủng R sống vào chuột chuột sống Thí nghiệm 4: Tiêm hỗn hợp tế bào S (chết) với tế bào R (sống) cho chuột chuột chết Vi khuẩn phân lập từ máu mẫu chuột chết vi khuẩn S Như vậy, chủng vi khuẩn R sống biến đổi thành chủng S gây bệnh vật chất di truyền khơng biết bắt nguồn từ tế bào S chết, điều dẫn đến tế bào R trở nên có vỏ Đó chất hóa học chủng S gây biến đổi vật chất di truyền Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử chủng R biến chủng R thành chủng gây độc Vi khuẩn S truyền tác nhân gây bệnh cho vi khuẩn R Hiện tượng gọi tượng biến nạp Năm 1944, Avery, Maclyn McCarty Colin MacLeod làm nhiều thí nghiệm chứng minh ADN khơng bị bất hoạt tượng biến nạp diễn ra, ADN chất biến nạp Nếu vi khuẩn S bị xử lí proteinotease (enzim phân huỷ prơêin) ARN-ase tác nhân gây biến nạp cị n→ prơtêin ARN khơng phải tác nhân biến nạp Nếu vi khuẩn S bị xử lí ADN-ase tượng biến nạp khơng cịn chứng tỏ tác nhân biến nạp ADN Chứng tỏ, biến nạp chứng minh sinh hóa xác nhận ADN mang tín hiệu di truyền Năm 1953, Alfred Hershey Martha Chase dùng phagơ T nuôi cấy cho protein ADN phagơ T đánh dấu phóng xạ đồng vị phóng xạ 35S (do methionine cystein protein chứa S) 32P (nguyên tố đặc trưng cấu tạo ADN) để xác định phân tử vào tế bào tái lập trình hoạt động vi khuẩn giúp sản sinh nhiều virut hệ Điều quan trọng protein phagơ T2 không chứa P ADN không chứa S Sử dụng đồng vị nguyên tố phóng xạ để đo di chuyển thành phần dịch li tâm Trên sở phagơ xâm nhập vào tế bào chủ để lại lớp vỏ bơm lõi axit nucleic vào tế bào chất li tâm phân tử vật chất có khối lượng lớn có tốc độ lắng nhanh (nằm phần đáy) Tiến hành thí nghiệm ni phagơ hai lơ thí nghiệm: Lơ 1: phagơ ni mơi trường 35S để đánh dấu protein phagơ Lô 2: phagơ nuôi môi trường 32P để đánh dấu ADN phagơ Cả hai lơ thí nghiệm phagơ đánh dấu phóng xạ trộn để lây nhiễm vào tế bào vi khuẩn sau thời gian khuấy mạnh hỗn hợp máy xay Dùng máy đo hoạt độ phóng xạ phần cặn li tâm dịch li tâm thu kết quả: - Lô 1: Hoạt độ phóng xạ 35S (protein phagơ) có dịch li tâm - Lơ 2: Hoạt độ phóng xạ 32P (ADN phagơ ) có cặn li tâm Như vậy, protein đánh dấu (lơ thí nghiệm 1) hoạt tính phóng xạ giữ bên ngồi tế bào Nhưng ADN đánh dấu phóng xạ (lơ thí nghiệm 2) hoạt tính phóng xạ tìm thấy bên tế bào Chứng tỏ tế bào vi khuẩn mang ADN phagơ đánh dấu phóng xạ giải phóng virut hệ mang đồng vị phóng xạ 32P Như vậy, thí nghiệm chứng minh trực tiếp ADN phage Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử T2 xâm nhập vào tế bào vi khuẩn sinh sản tạo hệ phage mang tính di truyền có khả tiếp tục nhiễm vi khuẩn khác * Vật chất di truyền vật chất mang thơng tin di truyền quy định tính trạng thể Ở cấp độ phân tử, hầu hết loài sinh vật vật chất di truyền là ADN, trừ số chủng virus có vật chất di truyền ARN * Phân loại VCDT cấp độ phân tử dựa nguyên tắc bổ sung: Nếu %A = %T / %A = %U %G = %X mạch kép dựa vào base đặc trưng, có base T ADN cịn có base U ARN * Vật chất di truyền cấp độ phân tử chia thành nhóm chính: ADN mạch đơn, ARN mạch đơn, ADN mạch kép, ARN mạch kép Ở virut chia thành nhóm Cấu trúc chức ADN 2.1 Cấu trúc phù hợp với chức ADN ADN cấu tạo chủ yếu nguyên tố hóa học điển hình C, H, O N P nguyên tắc ADN cấu tạo theo nguyên tắc đơn phân gồm loại đơn phân, so với 20 loại đơn phân aa nên ADN có tính đồng cao hơnso với protein Mỗi đơn phân bao gồm có thành phần là: Đường C5H10O4 ; Gốc H3PO4; Base nitơ (A, T, G, X) Bốn đơn phân ADN chia thành nhóm dựa vào kích thước - Nhóm bazơ pirimidin kích thước bé gồm loại bazơnitơ T, X, U - Nhóm bazơ purin có kích thước lớn gồm A G Trong nucleotit có: liên kết cộng hoá trị (phostphodieste) đường H3PO4 Liên kết β – gicozit Bazơ nitơ đường 5C Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử Ngồi đơn phân cịn tồn dạng (bazo nito dạng hỗ biến): gồm A*, T*, G*, X* chiếm tỉ lệ thể Dạng bazơ bị biến đổi cấu trúc dẫn tới thay đổi khả tạo liên kết hydrogen Dẫn tới A* có khả tạo liên kết hydrogen với X; T* có khả tạo liên kết hydrogen với G, G* có khả tạo liên kết hydrogen với T; X* có khả tạo liên kết hydrogen với A → Kết quả: Sự kết cặp không qua lần nhân đôi ADN làm phát sinh đột biến gene Trên mạch đơn phân tử ADN nucleotit liên kết với liên kết cộng hoá trị photphodieste theo chiều 5’P → 3’OH tạo nên chuỗipolinucleotit Cấu trúc không gian ADN tồn kiểu mơ hình A, B, C, D, T Z Trong điển hình mơ hình cấu trúc không gian ADN dạng B theo mô Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hịa cấp độ phân tử hình J.Oatxơn F Crick năm 1953 Phân tử ADN gồm hai mạch đơn xoắn quanh trục tạo chuỗi xoắn kép, theo chiều xoắn từ trái sang phải Trên hai mạch đơn nucleotit liên kết với liên kết hidro theo nguyên tắc bổ sung (nguyên tắc Chargaff) Bất mạch phân tử ADN sợi kép có A liên kết với T mạch đối diện qua hai liên kết hidro; có G mạch liên kết với X (C) mạch đối diện qua ba liên kết hidro tạo đường kính phân tử ổn định 20A0 Liên kết hidro liên kết yếu nhiên số lượng liên kết hidro lại lớn Điều tạo cho phân tử ADN vừa ổn định vừa linh động để thực chức di truyền Trong cấu trúc không gian ADN tồn dạng khe khechính khe phụ Do cuộn xoắn chuỗi ADN sợi kép nên khe rộng so với khe phụ Khe thường nơi liên kết protein điều hịa nhờ trình tự aa đặc hiệu có khả hình thành liên kết hidro với base ADN khe Khe phụ vị trí gắn protein cấu trúc thường tham gia vào q trình đóng gói phân tử ADN sinh vật nhân thực (ví dụ aa tích điện dương thường liên kết vào khe phụ với gốc PO 43- để tham gia đóng gói ) tham gia vào điều hịa hoạt động gen 2.2 Nhiệt độ nóng chảy khả biến tính - hồi tính ADN Nhiệt nóng chảy nhiệt độ tách mạch đơn phân tử ADN (Nhiệt độ cắt đứt liên kết hidro mạch đơn phân tử ADN không làm cắt đứt liên kết cộng hóa trị mạch đơn) Mỗi phân tử Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử ADN có nhiệt độ nóng chảy đặc trưng xác định Xét số đơn phân phân tử ADN có số lượng nu loại GX nhiều có nhiệt độ nóng chảy cao so với phân tử ADN có số nu loại AT nhiều Biến tính ADN: Đun nóng phân tử ADN vượt q nhiệt độ sinh lí =>liên kết hidro bị đứt hai mạch đơn tách rời làm cho ADN bị biến tính Nhiệt độ làm hai mạch tách rời gọi điểm nóng chảy Điểm nóng chảy phân tử cao chứng tỏ cấu trúc phân tử bền vững Hồi tính ADN: Hạ nhiệt độ từ từ với phân tử biến tính hai mạch lại hình thành liên kết hidro trở lại Dựa vào khả biến tính hồi tính ADN để xác định mức độ quan hệ nguồn gốc loài cách gây biến tính hai phân tử ADN hai lồi, cho hồi tính mơi trường Từ số đoạn hình thành liên kết hidro hai mạch hai phân tử ADN người ta xác định mức độ gần nguồn gốc chúng Ví dụ: Khi gây biến tính hồi tính ADN người chuột mơi trương ADN người chuột tạo khoảng 25% số liên kết hidro nucleotit Chứng tỏ người chuột nguồn gốc động vật có vú quan hệ họ hàng xa 2.3 Chức ADN ADN vật chất mang thông tin di truyền lưu giữ mã ba nucleotit gene Trình tự nucleotit chuỗi ADN quy định trình tự axit amin chuỗi polipeptit từ quy định tính trạng thể sinh vật ADN bảo quản thông tin di truyền mối liên kết hóa trị, liên kết hydrogen hình thành nucleotide ADN truyền thơng tin di truyền qua hệ thông qua nhân đôi (sao chép) phân tử ADN mẹ thành hai phân tử ADN giống (theo nguyên tắc bổ sung bán bảo tồn) phân li hai ADN hai tế bào phân bào Quy định tính đa dạng đặc thù lồi sinh vật: Do lồi có nhiều gen, gene đặc trưng số lượng, thành phần, trình tự xếp nucleotide ADN có chức phiên mã cho ARN dịch mã tạo Pr đặc thù, qua Pr tạo nên tính đa dạng sinh vật: NADN→ARN→Polypeptide → Tính trạng GENE - Đơn vị chức ADN 3.1 Khái quát gene: Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử Cuối kỉ XIX, Menden làm thí nghiệm với đậu Hà Lan kết luận: Có nhân tố di truyền riêng biệt quy định tính trạng thể sinh vật Moocgan làm thí nghiệm ruồi giấm chứng minh nhân tố di truyền theo Menden có thực tồn NST, nhiều nhân tố di truyền (gene) phân bố chiều dài NST Đầu kỷ XX, gen coi yếu tố (đơn vị) di truyền mã hóa cho enzym khái niệm “một gen – enzym” sử dụng rộng rãi Hiện nay, gene coi vùng trình tự nucleotit ADN mang thơng tin mã hóa cho sản phẩm định Sản phẩm chuỗi polypeptide hay phân tử ARN Phân tử prôtêin, cho phân tử ARN mà thân chúng cách độc lập hay kết hợp với phân tử khác có chức sinh học riêng Ngồi vùng mã hóa, gen cịn cần vùng trình tự điều hồ giúp vùng mãhóa biểu (ví dụ: trình tự khởi động - promoter, trình tự tăng cường – enhancer, trình tự điều hành - operator,…) Một số gen đồng thời cho nhiều prơtêin khác 3.2 Cấu trúc chung gene Gene cần có đủ thơng tin dẫn cần thiết cho q trình phiên mã dịch mã nhằm tạo sản phẩm định đoạn ADN trực tiếp mã hóa cho sản phẩm chưa đủ mà cần phải có thêm trình tự nucleotit khác Như vậy, gene điển hình gồm ba vùng trình tự nucleotit: (1) Vùng điều hịa; (2) vùng mã hóa (3) vùng kết thúc: (1) Vùng điều hịa: trình tự nucleotit đặc biệt nằm đầu 3’ sợi khn gen, mang tín hiệu để ARN - polimezaza bám vào khởi động trình phiên mã , có chức điều hồ q trình phiên mã bao gồm trình tự nucleotit khác tạo nên vùng:Vùng liên kết với Pr hoạt hoá (CAP); Vùng liên kết với ARN polimerase (promoto-khởi động);Vùng liên kết với pr ức chế (vận hành - operator) Ở sinh vật nhân sơ có loại ARN polimezase nên tất gen có promotor thường có đoạn lặp gồm - cặp TA gọi hộp Pribnow sau hộp Pribnow điểm khởi đầu phiên mã Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử Ở sinh vật nhân thực, cấu trúc chung gen giống nhân sơ có ba loại ARN - polimerase I, II, III tương ứng vị trí bám cho Promotor I, II, III Sự biểu gen điều khiển chặt chẽ điều khiển trình tự khởi đầu phiên mã (promotor) Mức độ biểu gen tế bào xác định mức độ gắn kết (ái lực) ARN polimerase yếu tố phiên mã với promoter (2) Vùng mã hố: Mang thơng tin quy định sản phẩm gen (chuỗi polipeptit ARN) Ở sinh vât nhân sơ (trừ vi khuẩn cổ Archaebacteria) vùng mã hóa liên tục (gen khơng phân mảnh) gồm nhiều cistron (đa cistron), cistron mã hóa cho chuỗi polipeptit, cistron đứng cạnh tạo nên nhóm có chung vùng promotor gọi đơn vị operon Ở sinh vật nhân thực, đơn vị phiên mã đơn cistron ARN thông tin mang thơng tin cho chuỗi polypeptit Vùng mã hóa có xen kẽ đoạn Exon (đoạn mang tín hiệu mã hóa sản phẩm) đoạn Intron (đoạn khơng mang tín hiệu mã hóa sản phẩm) gọi gen phân mảnh 3.3 Phân loại gen *Trên sở cấu trúc gene (Cấu trúc vùng mã hoá): Gene không phân mảnh cấu tạo loại đoạn Exon (mã hóa axit amine), có tế bào nhân sơ Gen phân mảnh cấu tạo loại đoạn exon (đoạn mã hóa acid amine) đoạn intron (đoạn khơng mã hóa acid amine), có tế bào nhân thực Vai trị intron: Khơng mã hóa aa taọ thuận lợi cho trình tách nối; Tạo nhiều mARN trưởng thành (do xắp xếp lại exon); Một số intron tham gia điều hòa hoạt động gen; Tham gia tái tổ hợp gen; Khi đột biến xảy vùng khơng ảnh hưởng đến thông tin di truyền gen * Dựa theo chức sản phẩm gen gồm: Gen điều hồ gen có sản phẩm sử dụng để đóng, mở gen khác (Pr hoạt hóa, ức chế ) Gen cấu trúc gen quy định sản phẩm protein cấu tạo nên phận tế bào thể sinh vật 3.4 Một số khái niệm mở rộng gene * “Gen giả”: Gen có cấu trúc tương tự gen thật không phiên mã thực chất sản phẩm “không thành công” q trình tiến hố ("gen 10 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hịa cấp độ phân tử giả" hình thành q trình đột biến khơng hình thành Promotor; gene bị đột biến mã mở đầu; phiên mã ngược trao đổi chéo không cân dẫn đến lặp đoạn dẫn tới lặp gen) * Yếu tố di truyền di động-“Gen nhảy”: Một số trình tự nuclêơtit đặc biệt có khả di chuyển từ vị trí sang vị trí khác, tạo chèn vào vị trí khác hệ gen Có thể gây đột biến tái cấu trúc di truyền NST Gen nhảy chia thành dạng dạng chép dạng cắt dán Dạng chép - dán: Gen nhảy tạo nhiều sao gắn vào vị trí khác giúp tăng số lượng đơn vị gen nhảy Dạng cắt - dán: Gen nhảy tách từ vị trí ban đầu cài xen vào vị trí khác phân tử ADN làm thay đổi vị trí xếp gen số lượng đơn vị gen nhảy không thay đổi * Trình tự tăng cường (Enhancer): Phát virut SV40, yếu tố điều hóa nằm gần điểm khởi đầu tái virut Ngày tìm thấy enhancer tế bào nhân thực ADN virut Chức enhancer làm tăng số lượng phân tử ARN polymerase để phiên mã gen cấu trúc Enhancer hoạt hóa protein đặc hiệu làm cho intron phình thành vịng khép kép làm cho enhancer gần với promotor hơn, cách enhancer kích thích kết bám polymerase vào promotor Như vậy, chức enhancer làm tăng lực liên kết promotor ARN - polymerase * Operon họ gen Hầu hết gen phân bố ngẫu nhiên NST , nhiên có số gen tổ chức thành nhóm, cụm Có hai kiểu cụm gen, operon họ gen Operon cụm gen vi khuẩn Chúng chứa gen điều hòa hoạt động đồng thời mã hóa cho protein thường có chức liên quan với Ví dụ: Operon lac E.Coli chứa ba gen mã hóa cho enzym mà vi khuẩn cần để thủy phân lactose Khi có lactose làm nguồn lượng (ko có glucose) vi khuẩn cần ba enzym operon lac mã hóa Sự dùng chung trình tự khởi đầu phiên mã(promotor) gen operon cho phép gen điều khiển biểu đồng thời sinh vật sử dụng nguồn lượng hiệu Họ gen: Ở sinh vật bậc cao khơng có operon, cụm gen gọi họ gen Các gen họ gen giống (khác với operon) không biểu đồng thời Sự cụm lại gen họ phản ánh nhu cầu cần có nhiều gen định xu 11 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử hướng lặp đoạn nhiều gen q trình tiến hóa Các họ gen có cấu trúc đơn giản phức tạp Ở họ gen đơn giản gen giống hệt Ví dụ họ gen mã hóa ARN ribosom 5S (rARN 5S) có khoảng 2000 cụm tế bào người cho thấy tế bào cần số lượng lớn sản phẩm gen Trong đó, họ gen phức tạp chứa gen tương tự không giống hệt Ví dụ họ gen globin người mã hóa cho chuỗi polipeptit tương ứng với loại globin , , , , vµ chỉ khác vài axit amin Các chuỗi polypeptit globin tương tác với thành phức hệ, kết hợp với phân tử hem để tạo hemoglobin (một loại protein vận chuyển oxy máu) Mã di truyền - Đơn vị chức gene Mã di truyền gồm nucleotide gene quy định acid amine có chức kết thúc Mã di truyền mã ba: Đọc từ điểm xác định theo ba nucleotide mARN khơng gối lên Tính phổ biến tất loài sinh vật sử dụng chung 64 mã di truyền (trừ vài ngoại lệ); Tính đặc hiệu ba quy định acid amine; Tính thối hố hai hay nhiều ba quy định acid amine Các ba mã hóa cho acid amine có t hường có nucleotit đầu giống Ví dụ XGU, XGX, XGA, XGG, AGA, AGG mã hóa acid amine arginine * Mã di truyền mã ba: Theo lý thuyết: Trong ADN có loại nucleotit Pr có khoảng 20 aa Nếu nucleotit xác định 1aa có = tổ hợp→chưa đủ để mã hoá 20 loại aa Nếu nucleotit xác định aa có = 16 → chưa đủ mã hoá 20 loại aa Nếu nucleotit xác định aa có 43 = 64 → thừa đủ để mã hoá 20 loại aa Như vậy, Mã di truyền mã ba Bằng thực nghiệm: Năm 1961 Nirenbec tiến hành giải mã di truyền hệ thống khơng có cấu trúc tế bào, chứa nguyên liệu cần thiết cho tổng hợp prôtêin Khi đưa mARN chứa loại ribơnucleotit prơtêin tổng hợp chứa loại axit amin Ví dụ mARN chứa tồn U prơtêin tổng hợp chứa tồn phênilalanin Nếu mARN có thành phần khác chứa loại ribơnucleotit phân 12 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử tử prơtein có thành phần axit amin khác Mã khơng mã hố acid amine: UAA, UAG, UGA; Các ba cịn lại (61 ba) mã hóa axit amin (AUG mã mở đầu, mã hoá acid amine methionine sinh vật nhân thực, mã hóa acid amine formyl methionine sinh vật nhân sơ) Ngoài số động vật nguyên sinh ba UAA UAG bình thường ba mang tín hiệu kết thúc nhóm lại mã hóa cho axit glutamic Khung đọc mã di truyền: Ngoài việc qui định điểm bắt đầu trình tổng hợp protein, ba mã khởi đầu AUG cịn qui định trình tự khung đọc ARN Điều phụ thuộc vào nu số nu chọn khởi đầu định đến khung đọc loại sản phẩm tạo Tuy nhiên trình tổng hợp protein thường có khung đọc sử dụng, hai khung thường chưa ba kết thúc ngăn cản chúng sử dụng Ví dụ: Cấu trúc chức ARN 5.1 Cấu trúc ARN cấu tạo nguyên tố hóa học C, H, O, N P theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân nucleotit ARN có trọng lượng nhỏ ADN Mỗi nucleotit có khối lượng phân tử ≈ 300đvC gồm thành phần: H3PO4; C5H10O5 Bazơ nitơ: loại bazơ nitric có tính chất kiềm yếu adenin (A), guanin (G), xitonin (X), uraxin (U) Các nucleotit khác thành phần bazơ nên dùng tên bazơ gọi tên nucleotit ARN cấu tạo loại nucleotit: A, U, G X Các nucleotit liên kết với tạo thành chuỗi polinucleotit (mạch đơn) liên kết cộng hóa trị đường axit photphoric theo nguyên tắc C5 C3 đường nucleotit bên cạnh liên kết với O gốc phốt phát axit tạo thành phân tử ARN có cấu tạo mạch đơn theo chiều 5'→ 3' Một số đoạn tARN 70% rARN hình thành liên kết Hidro theo nguyên tắc bổ sung: A-U; G-X 13 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử 5.2 Chức ARN: mARN truyền đạt thông tin di truyền từ gene đến riboxom tham gia tổng hợp protein tARN vận chuyển acid amine, loại tARN vận chuyển loại acid amine, thùy tròn phân tử tARN đảm nhiệm chức xác định thùy mang ba đối mã (khớp bổ sung với ba mã mARN), thùy liên kết với enzym thùy liên kết với riboxom rARN có nhiều vùng nu liên kết bổ sung tạo nên vùng xoắn cục Cùng với protein cấu tạo nên ribosome tham gia tổng hợp protein * Thời gian tồn loại tế bào phụ thuộc vào độ bền vững phân tử liên kết hyđrô tạo Phân tử mARN khơng có liên kết hyđrơ nên dễ bị enzym tế bào phân hủy, có thời gian tồn ngắn Phân tử r ARN có tới 70% liên kết hyđrơ nên có thời gian tồn lâu * Ở số virus, ARN vật chất di truyền cấp độ phân tử như: virut HIV, virut dại II CÁC CƠ CHẾ DI TRUYỀN CẤP PHÂN TỬ Cơ chế tái ADN 1.1 Khái quát Bản chất chế tái chế mà thông tin di truyền mã hóa dạng trình tự nucleotide phân tử ADN truyền đạt 14 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hịa cấp độ phân tử xác qua hệ tế bào, thể Kết từ phân tử ADN mẹ tạo phân tử ADN giống hệt giống hệt mẹ Sinh vật nhân sơ, trình tái xảy tế bào chất Sinh vật nhân thực trình xảy nhân, bào quan ty thể, lục lạp Vào pha S thuộc giai đoạn chuẩn bị trình phân bào Quá trình tái theo nguyên tắc bổ sung (nguyên tắc A liên kết với T liên kết hydrogen, G liên kết với X liên kết hydrogen) nguyên tắc bán bảo toàn nguyên tắc giữ lại nửa trình nhân đơi Tham gia vào q trình tái ADN gồm có thành phần: mạch phân tử ADN làm khn đảm bảo di chuyền xác thông tin di truyền từ ADN mẹ sang Về nguyên liệu cần loại đơn phân (4 loại nucleotide A, T, G, X; loại ribonucleotit A, U, G, X để tổng hợp đoạn mồi) có vai trị đơn vị cấu trúc ADN; giúp kiến tạo thông tin di truyền qua xếp lại trình tự nu; cung cấp lượng Đoạn mồi (dài 10 nucleotit) cung cấp vị trí 3' - OH để làm điểm tựa cho ADNpol I kéo dài mạch bảo lưu thông tin di truyền Protein Phức hệ DnaA; DnaB; DnaC nhận biết điểm chép cách phá vỡ tạm thời liên kết hidro; Helicaza tháo xoắn, phá vỡ liên kết hidro tách hai mạch; Gryaza giải tỏa lực căng đầu đoạn trạm tạo thuận lợi cho ADN tháo xoắn; SSB bám vào mạch tách để chúng khỏi đóng xoắn trở lại tạo thuận lợi cho E hoạt động; Primaza (1 đoạn phân tử Pr), ARN polimezaza (nhiều phân tử Pr) tạo đoạn mồi AND polimezaza III tạo liên kết photphodieste; ADN polimezaza I cắt bỏ đọan mồi, kéo dài mạch theo chiều 3' - 5' 5' - 3' (có vai trị sửa sai) Ligaza nối đoạn mạch với thông qua lực hình thành liên kết photphodieste Enzyme ADN – polymerase, enzyme có hoạt tính 5’-3’ tức tổng hợp mạch theo chiều 5’-3’; enzyme ARN polimezaza (primase có vai trị tổng hợp đoạn mồi) 1.2 Cơ chế tái ADN *Bước - Tháo xoắn phân tử ADN: Dưới tác dụng enzyme tháo xoắn, mạch đơn phân tử ADN tách dần, tạo nên chạc chép hình chữ Y để lộ mạch khuôn *Bước - Tổng hợp mạch mới: Dưới tác dụng enzyme primase tổng hợp nên đoạn mồi có chất ARN mạch, sở để ADN-polymerase tổng hợp mạch ADN mạch gốc Enzyme ADN-polymerase sử dụng mạch gene làm khuôn để tổng 15 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử hợp mạch cách gắn nucleotide từ môi trường nội bào với nucleotide mạch gốc theo nguyên tắc bổ sung Vì ADNpolymerase tổng hợp mạch theo chiều 5’→3’ nên theo chiều mạch tách ra: Mạch khn có chiều 3’→5’ mạch bổ sung tổng hợp liên tục chiều tổng hợp chiều với chiều mạch ADN tách (sợi dẫn đầu - sợi trước) Trên mạch khn có chiều 5’→3’ mạch bổ sung tổng hợp gián đoạn chiều tổng hợp ngược chiều với chiều mạch ADN tách nên sau mở xoắn đoạn, enzyme primase ADN polymerase tranh thủ tổng hợp đoạn Okazaki Quá trình diễn vậy, sau đoạn mồi enzyme loại bỏ enzyme ligase nối đoạn okazaki lại với thành mạch hoàn chỉnh *Bước 3-Tạo thành hai phân tử: Q trình nhân đơi hết phân tử ADN Kết tạo phân tử ADN Mỗi ADN gồm mạch ADN mẹ mạch tổng hợp hồn tồn * Ý nghĩa q trình tái ADN Đảm bảo q trình truyền đạt thơng tin di truyền cấp độ phân tử nhanh chóng, xác, ổn định qua hệ tế bào thể Phiên mã - Tổng hợp ARN 2.1 Khái qt Bản chất q trình thơng tin di truyền từ gene (một đoạn phân tử ADN) phiên sang ARN theo nguyên tắc bổ sung Tế bào nhân sơ trình phiên mã xảy tế bào chất Tế bào nhân thực trình diễn nhân bào quan ty thể, lục lạp tế bào 16 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử Quá trình phiên mã thường giai đoạn chuẩn bị kì trung gian trình phân bào, theo nguyên tắc bổ sung A bổ sung với rU; T bổ sung với rA; G bổ sung với rX; X bổ sung với rG Nhiều thành phần tham gia trình phiên mã: gene chức năng; loại ribonucleotide: rA, rU, rG, rX; Enzyme ARN-polymerase, ATP, … 2.2 Cơ chế phiên mã * Khởi đầu phiên mã: Enzim ARN - polimezaza nhận biết liên kết với gen cần phiên mã (trên mạch khn đầu 3’ có trình tự nucleotit đặc biệt gọi promoter (trình tự khởi động), SV nhân sơ nhóm gen cấu trúc phiên mã có promoto, SV nhân thực gen có promoto Promotor gen khác có số trình tự nucleotit giống (VD: hộp TATA mạch bổ sung với mạch khn Một số gen có promotor khỏe có lực cao với ARN polimezaza dễ dàng liên kết với ARN polimezaza thường xuyên có trình tự nucleotit enhancer tăng cường làm tăng lực với ARN polymerase) Hệ enzim tham gia trình phiên mã khác nên khởi đầu phiên mã tế bào nhân sơ nhân thực không giống nhau: * Ở sinh vật nhân sơ có loại enzim ARN – polimezaza phiên mã cho tất loại gen tế bào (trường hợp mARN, tARN,rARN) Khởi đầu phiên mã sinh vật nhân sơ ARN - polimezaza tương tác với pr đặc biệt (yếu tố δ) để nhận promotor * Ở sinh vật nhân thực có loại ARN –polimezaza: ARN-pol I tổng hợp rARN ; ARN-pol II tổng hợp mARN; ARN- pol III tổng hợp tARN số loại ARN nhỏ khác Khởi đầu phiên mã sinh vật nhân thực ARN-pol II liên kết với loại pr đặc hiệu (yếu tố phiên mã-TF) tạo phức hợp TFARN polymerase kết hợp với số yếu tố khác tạo nên phức hợp khởi đầu phiên mã * Kéo dài tổng hợp ARN: Trước tiên Enzim ARN-polimezaza bám vào 17 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử vùng điều hồ -gen tháo xoắn lộ rõ mạch gốc 3'→5'thì ADN bắt đầu tổng hợp mARN vị trí đặc hiệu (điểm khởi đầu phiên mã) ARN- polimezaza di chuyển mạch khuôn theo chiều 3’ – 5’ tổng hợp phân tử ARN từ đầu 5’→3’ ARN-pol tách dần hai mạch gen (10-20nu) tốc độ tổng hợp sinh vật nhân thực 60nu/s ARN-polymerase trượt đến đâu, nucleotide từ môi trường nội bào liên kết với mạch gốc theo NTBS A = rU; T=rA; G ≡rX; X ≡rG tới chúng hình thành mối liên kết hoá trị đường nucleotide trước với nhóm phosphate nucleotide (liên kết phosphodieste) Kết chuỗi polyribonucleotide tổng hợp kéo dài theo chiều 5’-3’ Tổng hợp ARN tới đâu, mạch gene lại liên kết với NTBS Kết thúc: ARN – p olimezaza gặp tín hiệu kết thúc (trình tự nu đặc biệt đầu 5’ gen) dừng trình tổng hợp ARN Ví dụ E.coli trình tự kết thúc mARN tự bắt đôi bổ sung tạo nên cấu trúc "cặp tóc " * Sinh vật nhân sơ, sản phẩm trình phiên mã trực tiếp sử dụng làm khuôn để tổng hợp protein * Sinh vật nhân thực, phần lớn gen, sau tồn gen phiên mã mARN sơ khai hoàn thiện gồm ba bước sau: Lắp mũ 7- mG: Đầu 5' phân tử mARN gắn thêm nucleotit cải biến 7-methylguanosin (7- mG ), giúp bảo vệ đầu 5' mARN không bị phân hủy exonucleaza tế bào chất, đồng thời làm tín hiệu cho ribơxơm nhận biết điểm bắt đầu phân tử mARN Gắn đuôi polyA: Đầu 3' phân tử mARN gắn thêm đoạn trình tự poly A dài tới 250 bazơ Ađênin, giúp bảo vệ đầu 3' mARN không bị phân hủy exonucleaza tế bào chất Cắt bỏ intron: Việc cắt bỏ trình tự intron khơng mã hóa khỏi phân tử tiền mARN để hình thành nên phân tử mARN hồn chỉnh chứa trình tự mã hóa liên tục tương ứng với exon 18 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử * Kết quả: Tuỳ vào chức năng, nhu cầu tế bàocủa ARN mà ARN tiếp tục biến đổi hình thành nên mARN, rARN tARN Dịch mã - Tổng hợp chuỗi polipeptit 3.1 Khái quát Bản chất trình tổng hợp protein trình truyền đạt thông tin di truyền từ mARN t hành chuỗi polypeptide hình thành tính trạng Ở sinh vật nhân sơ sinh vật nhân thực, trình dịch mã xảy tế bào chất vào giai đoạn chuẩn bị (kì trung gian) trình phân bào Dựa nguyên tắc bổ sung rA = rU; rG = rX Các thành phần tham gia gồm: loại ARN mARN, tARN, rARN; 19 Tiểu luận: Cơ sở vật chất, chế di truyền chế điều hòa cấp độ phân tử Ribosome gồm tiểu phần tồn riêng rẽ, tiểu phần lớn chứa phức hợp aa-tARN giúp acid amin gắn vào nhau, tiểu phần bé nhận biết trình tự khởi đầu trình dịch mã; 20 loại acid amine; ATP; enzyme 3.2 Cơ chế dịch mã * Hoạt hoá acid amine: aai + tARNi → aai - tARNi ( i 20 loại acid amine ) Bản chất giai đoạn cung cấp lượng gắn acid amin vào tARN * Tổng hợp chuỗi polypeptide Mở đầu: Trước tiên tiểu phần bé Ribơxơm gắn với mARN vị trí nhận biết đặc hiệu gần mã mở đầu di chuyển đến mã mở đầu AUG Phức hợp Met – tARN(UAX) (aamởđầu– tARN) tiến vào bổ sung xác với mã mở đầu mARN (NTBS) Tiểu phần lớn gắn vào tạo thành Riboxom hồn chỉnh Kéo dài chuỗi pơlipeptit: Phức hợp aa1- tARN tiến vào riboxom (đối mã khớp với mã thứ mARN theo NTBS) – liên kết péptit hình thành aamd –aa1 tARN giải phóng Riboxom dịch chuyển sang ba thứ : aa2- tARN tiến vào riboxom (đối mã khớp với mã thứ hai mARN theo NTBS) Liên kết peptit hình thành aa1-aa2.tARN giải phóng Riboxom dịch chuyển đến codon trình giải mã lại tiếp tục, hình thành liên kết peptit aa2-aa3 đến ba giáp với ba kết thúc mARN Kết thúc: Khi riboxom tiếp xúc với mã kết thúc mARN q trình dịch mã hồn tất, mARN bị phân hủy; tiểu phần riboxom tách sử dụng dịch mã tiếp theo; Enzim đặc hiệu loại bỏ aa mở đầu giải phóng chuỗi polipeptit; Các chuỗi polypeptide loại giải phóng tiếp tục xoắn hồn thiện cấu trúc bậc cao (B2, B3, B4) tùy theo nhu cầu tế bào III CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ Khái quát điều hòa biểu gene Số lượng gene loài lớn (VD: Ở người có khoảng 20488 gene), để phù hợp với phát triển, thích ứng thể với môi trường xuất chế điều hịa – chế mà thời điểm có số gene hoạt động cịn phần lớn gene khơng hoạt động Q trình điều hịa hoạt động gene q trình điều hồ lượng sản phẩm gene giúp tế bào tổng hợp protein cần vào lúc cần thiết Trên sở thông tin di truyền từ Gene (ADN)"ARN"Protein"Tính trạng mà lượng sản phẩm gen điều hòa cấp độ: Điều hòa phiên mã (Chủ yếu sinh vật nhân sơ ); Điều hòa dịch mã điều hòa sau dịch mã 20