Phần i dna I CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA DNA 1 Thành phần cấu tạo DNA DNA được cấu tạo từ 5 nguyên tố hoá học là C, H, O, P, N DNA là loại phân tử lớn (đại phân tử), có cấu trúc đa phân, bao gồm nhiều đ.
PHẦN I DNA I CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA DNA Thành phần cấu tạo DNA: DNA cấu tạo từ nguyên tố hoá học C, H, O, P, N DNA loại phân tử lớn (đại phân tử), có cấu trúc đa phân, bao gồm nhiều đơn phân nucleotit Mỗi nucleotit gồm: – Đường đêôxiribôluzơ: C5H10O5 – Axit phơtphoric: H3PO4 • loại bazơ nitơ (A, T, G, X ) Trong A, G có kích thước lớn cịn T, X có kích thước bé Cấu trúc DNA: DNA chuỗi xoắn kép gồm mạch polinucleotit xoắn quanh trục theo chiều từ trái sang phải (xoắn phải): vịng xoắn có: – 10 cặp nucleotit – Dài 34 Ăngstrơn – Đường kính 20 Ăngstrơn – Liên kết mạch đơn: nhờ liên kết hóa trị axít phơtphơric nucleotit với đường C5 nucleotit – Liên kết mạch đơn: nhờ mối liên kết ngang (liên kết hyđrô) cặp bazơ nitríc đứng đơi diện theo ngun tắc bổ sung (A liên kết với T liên kết hyđrô hay ngược lại; G liên kết với X liên kết hyđrô hay ngược lại) – Hệ nguyên tắc bổ sung: + Nếu biết trình tự xếp nucleotit mạch đơn trình tự xếp nucleotit mạch lại + Trong phân tử DNA: tỉ số: A+T/ G+X số định đặc trưng cho lồi Tính chất DNA – DNA có tính đặc thù: lồi, số lượng + thành phần + trình tự xếp nucleotit phân tử DNA nghiêm ngặt đặc trưng cho lồi – DNA có tính đa dạng: cần thay đổi cách xếp loại nucleotit -> tạo DNA khác Tính đa dạng + tính đặc thù DNA sở cho tính đa dạng tính đặc thù loài sinh vật Chức DNA Lưu trữ, bảo quản truyền đạt thông tin di truyền cấu trúc tồn loại prơtêin thể sinh vật, quy định tính trạng thể sinh vật -> Thơng tin di truyền: chứa đựng DNA hình thức mật mã (bằng mã hóa 3) nucleotit mạch đơn quy định axít amin (aa) (= mã 3) hay mã hóa = mã di truyền = đơn vị mã = codon) Vậy trình tự xếp axít amin phân tử prơtêin quy định trình tự xếp nucleotit DNA Mỗi đoạn phân tử DNA mang thông tin di truyền quy định cấu trúc loại prôtêin gọi gene cấu trúc II Q TRÌNH NHÂN ĐƠI DNA Thời điểm vị trí – Thời điểm: Xảy pha S chu kỳ trung gian chu kì tế bào (DNA nhân sinh vật nhân thực) tế bào chất (DNA nhân) để chuẩn bị cho phân chia tế bào – Vị trí: Trong nhân tế bào sinh vật nhân thực vùng nhân tế bào sinh vật nhân sơ Thành phần tham gia DNA khn (DNA mẹ) • Các nu tự A, T, G, X • Năng lượng: ATP • Hệ enzim: Enzim tham # Chức gia • Tháo xoắn – Dãn xoắn tách hai mạch kép AND để lộ hai mạch đơn RNA polimeraza – Tổng hợp đoạn mồi RNA bổ sung với mạch khuôn DNA polimeraza – Gắn nucleotit tự ngồi mơi trường vào liên kết với nucleotit mạch khuôn để tổng hợp mạch hoàn chỉnh theo chiều 5’ – 3’ Ligaza – Nối đoạn Okazaki thành mạch hoàn chỉnh Ngun tắc nhân đơi Q trình nhân đơi DNA q trình tổng hợp hai phân tử DNA có cấu trúc giống với tế bào mẹ ban đầu q trình nhân đơi diễn theo ngun tắc: • • • Ngun tắc bán bảo tồn (giữ lại ½) Nguyên tắc bổ sung: A lk T, G lk X Nguyên tắc nửa gián đoạn => Hệ việc thực q trình nhân đơi theo nguyên tắc giúp cho thông tin di truyền từ hệ sang hệ khác truyền đạt nguyên vẹn Các bước chế tự Bước 1: Tháo xoắn: – Nhờ enzim tháo xoắn, mạch đơn phân tử DNA mẹ tách dần tạo nên chạc chữ Y để lộ mạch khn, mạch có đâu 3’-OH, cịn mạch có đầu 5’-P Bước 2: Tổng hợp sợi mới: – Enzim DNA-polimeraza liên kết nucleotit tự từ môi trường nội bào với nucleotit mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung (Vì enzim DNApolimeraza tổng hợp mạch theo chiều 5’ → 3’) – Trên mạch khn có đầu 3’-OH mạch bổ sung tổng hợp liên tục theo chiều 5’→ 3’cùng chiều với chiều tháo xoắn, – Trên mạch khn có đầu 5’-P mạch bổ sung tổng hợp ngắt quãng tạo nên đoạn ngắn gọi đoạn Okazaki theo chiều 5’→ 3’ ngược chiều với chiều tháo xoắn, sau đoạn nối lại với tạo thành mạch nhờ enzim nối DNA – ligaza – Mạch tổng hợp đến đâu mạch đơn (một mạch tổng hợp mạch cũ phân tử ban đầu) đóng xoắn lại với tạo thành hai phân tử DNA Bước 3: Hình thành DNA Kết – Từ phân tử DNA mẹ ban đầu → tự lần → DNA – DNA giống hệ giống DNA mẹ ban đầu – DNA có mạch đơn với mạch đơn cũ DNA mẹ Lưu ý: – Có khác biệt chế nhân đôi DNA sinh vật nhân thực với sinh vật nhân sơ • • • Hệ gene: Sinh vật nhân thực có hệ gene lớn phức tạp → Có nhiều điểm tái khác (nhiều đơn vị tái bản) Ở sinh vật nhân sơ chỉ xảy điểm (đơn vị tái bản) Tốc độ: Sinh vật nhân sơ có tốc độ nhân đơi lớn Hệ enzym: Sinh vật nhân thực phức tạp PHẦN II RNA RNA từ đoạn DNA (tương ứng với gene), số virus RNA vật chất di truyền Thành phần: Cũng DNA, RNA đại phân tử sinh học cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân nucleotit Mỗi đơn phân (nucleotit) cấu tạo từ thành phần sau: –Đường riboluzơ: C5H10O5 (còn DNA đường deoxygen riboluzơ C5H10O4) –Axit photphoric: H3PO4 –1 loại bazơ nitơ (A, U, G, X) Các nucleotit khác thành phần bazơ nitơ, nên người ta đặt tên nucleotit theo tên bazơ nitơ mà mang Cấu trúc RNA: RNA có cấu trúc mạch đơn: – Các ribonucleotit liên kết với liên kết cộng hóa trị H3PO4 ribônucleotit với đường C5H10O5 ribonucleotit Tạo nên chuỗi pơli nucleotit (kích thước RNA ngắn nhiều so với kích thước DNA – Có loại RNA: – RNA thơng tin (mRNA): chép đoạn mạch DNA theo nguyên tắc bổ sung A thay cho T – RNA riboxome (rRNA): thành phần cấu tạo nên riboxome – RNA vận chuyển (tRNA): mạch polinucleotit cuộn lại đầu + Ở đầu tRNA có ba đối mã, gồm nucleotit đặc hiệu đối diện với aa mà vận chuyển + Đầu đối diện có vị trí gắn aa đặc hiệu Chức RNA: –RNA thông tin: truyền đạt thông tin di truyền từ DNA (gene cấu trúc) tới riboxome –RNA vận chuyển: vận chuyển aa tương ứng tới riboxome (nơi tổng hợp protein) –RNA riboxome: thành phần cấu tạo nên riboxome Gene, đơn vị di truyền, đoạn DNA chứa tất thông tin cần thiết để tổng hợp polypeptide (protein) Điều tạo nên tính đa dạng đặc thù loại protein từ đảm bảo cấu tạo hoạt động phần thể * ĐIỂM GIỐNG VÀ KHÁC NHAU CỦA DNA VÀ RNA Điểm khác cấu trúc RNA DNA RNA RNA chuỗi xoắn đơn DNA DNA chuỗi xoắn kép hai mạch song song RNA có loại nucleotit A, U, G, X DNA có loại nucleotit A, T, G, X Thuộc đại phân tử kích thước khối lượng nhỏ DNA Thuộc đại phân tử có kích thước khối lượng lớn đạt đến hàng triệu, hàng chục triệu đơn vị cacbon Có liên kết Hiđro hai mạch đơn Khơng có liên kết Hiđro Điểm khác chi tiết RNA DNA Tiêu chí DNA • DNA (Deoxyribonucleic Acid) phân tử mang thông tin di truyền quy định hoạt động sống đa số sinh vật nhiều loài virus • Có mạch xoắn quanh trục Có khối lượng kích thước lớn Có loại Nu: A, T, G, X Khái niệm Cấu tạo • • RNA • RNA (Ribonucleic Acid) phân tử polyme có nhiều vai trị sinh học mã hóa, dịch mã, điều hịa, biểu gene • Có mạch đơn Khối lượng kích thước nhỏ Có loại Nu: A, U, G, X • • • • Chức • • Độ dài Lưu trữ thông tin quy định cấu trúc loại protein Có chức tái sinh mã Sợi DNA dài nhiều so với RNA (Ví dụ: sợi nhiễm sắc thể DNA dài tới vài cm tháo xoắn) • • Trực tiếp tổng hợp protein RNA truyền thông tin quy định cấu trúc Protein từ nhân tế bào chất chuyển qua nơi tạo protein Ribosome Khơng có chức tái sinh mã Phân tử RNA có chiều dài dao động mức khác ngắn phân tử DNA • Đường • Base • Cặp base • Vị trí • Loại đường RNA ribo, khơng có biến đổi hydroxyl deoxyribose • Loại base RNA Adenine (A), Loại base có DNA Adenine (A), Thymine (T), Guanine (G) Cytosine (C) Cặp Adenine Thymine (A-T) Cặp Cytosine Guanine (C-G) • DNA có nhân tế bào lượng nhỏ ty thể • Do đường deoxyribose, chứa nhóm hydroxyl oxy hơn, DNA phân tử ổn định RNA, điều thuận lợi cho phân tử có nhiệm vụ giữ an tồn cho thơng tin di truyền • DNA dễ bị ảnh hưởng tác động xấu tia UV Khả phản ứng Nhạy cảm với tia cực tím (UV) Loại đường có DNA deoxyribose, chứa ribo RNA nhóm hydroxyl Uracil (U), Guanine (G) Cytosine (C) • • Cặp Adenine Uracil (A-U) Cặp Cytosine and Guanine (CG) • RNA hình thành nhân tế bào, sau di chuyển đến vùng chuyên biệt tế bào chất tùy thuộc vào loại RNA tạo thành • RNA chứa đường ribo, phản ứng mạnh DNA không bền điều kiện kiềm RNA có rãnh xoắn lớn khiến cho dễ bị enzym cơng • RNA chống lại tia UV tốt DNA Điểm giống RNA DNA Trên điểm khác cấu trúc RNA DNA Vậy RNA DNA có điểm giống Đặc điểm chung DNA RNA: • • Là axit nucleic có cấu trúc đa phân đơn phân Nucleotit, giống loại Nu A, G X Có cấu tạo gồm nguyên tố C, H, O, N P • • Giữa đơn phân DNA RNA có liên kết hóa học nối lại thành mạch Có chức truyền đạt thơng tin di truyền q trình tổng hợp protein PHẦN III GENE I CẤU TRÚC GENE Con người có khoảng 20.000 đến 23.000 gene tùy thuộc vào cách xác định gene Các gene lưu trữ nhiễm sắc thể nhân tế bào ty thể Ở người, nhân tế bào sinh dưỡng (khơng có khả sinh sản hữu tính) thường có 46 nhiễm sắc thể ghép thành 23 cặp nhiễm sắc thể Mỗi cặp gồm nhiễm sắc thể từ mẹ từ cha Trong cặp nhiễm sắc thể có 22 cặp nhiễm sắc thể thường, tương đồng kích thước, hình dạng, vị trí số lượng gene Cặp nhiễm sắc thể thứ 23, gọi cặp nhiễm sắc thể giới tính (X Y), quy định giới tính người, chúng chứa gene mang chức khác Trong nhân tế bào sinh dưỡng giới nữ có nhiễm sắc thể X (XX); nam giới có nhiễm sắc thể X nhiễm sắc thể Y (XY) Nhiễm sắc thể X chứa nhiều gene chịu trách nhiệm nhiều tính trạng di truyền khác nhau; nhiễm sắc thể Y nhỏ hơn, mang gene quy định giới tính nam, gene khác Vì nhiễm sắc thể X có nhiều gene nhiễm sắc thể Y, nên nam giới ̣(XY) nhiều gene có X khơng tương ứng Y từ khơng biểu thành kiểu hình Do để trì cân vật liệu di truyền nam nữ, cặp nhiễm sắc thể XX tế bào phụ nữ bị vơ hiệu hóa cách ngẫu nhiên giai đoạn đầu đời (lyonization) Trong số tế bào, X từ mẹ bị vơ hiệu hóa, tế bào khác, X từ bố Khi bất hoạt diễn tế bào, tất hệ tế bào có X bất hoạt Nhiễm sắc thể đồ đầy đủ nhiễm sắc thể tế bào người Tế bào mầm (trứng tinh trùng) phân chia thơng qua q trình meiosis, làm giảm số lượng nhiễm sắc thể xuống 23 - nửa số lượng tế bào xôma Trong giảm phân, thông tin di truyền từ mẹ cha tổ hợp lại thơng qua q trình trao đổi chéo (trao đổi nhiễm sắc thể tương đồng) Khi trứng thụ tinh tinh trùng, hợp tử chứa 46 nhiễm sắc thể bình thường Các gene xếp theo trình tự xác định dọc theo DNA nhiễm sắc thể Mỗi gene có vị trí cụ thể (locus) nhiễm sắc thể thường vị trí cặp nhiễm sắc thể tương đồng Hai gene nằm locus cặp nhiễm sắc thể (một thừa kế từ mẹ từ cha) gọi allele Mỗi gene bao gồm chuỗi DNA đặc trưng; allele có trình tự DNA khác giống Hai allele giống hệt gene gọi đồng hợp tử; hai allen khác gọi dị hợp tử Trong trình nhân bản, số gene đột biến đến vị trí cạnh vị trí khác nhiễm sắc thể nhiễm sắc thể khác II CHỨC NĂNG GENE Các gene bao gồm DNA Chiều dài gene định chiều dài protein tổng hợp từ mã gene DNA chuỗi xoắn kép, nucleotide (các bazơ) liên kết với nhau: • Adenine (A) liên kết với thymine (T) • Guanine (G) liên kết với cytosine (C) DNA phiên mã trình tổng hợp protein, sợi DNA dùng làm khn mẫu tổng hợp RNA thơng tin (mRNA) RNA có base DNA, ngoại trừ uracil (U) thay thymine (T) Các phần mRNA từ nhân đến tế bào chất sau đến ribosome, nơi tổng hợp protein xảy RNA vận chuyển (tRNA) mang axit amin đến ribosome, gắn axit amin vào chuỗi polypeptide phát triển theo trình tự xác định mRNA Khi chuỗi axit amin lắp ráp, tự gấp nếp cuộn xoắn để tạo cấu trúc protein ba chiều phức tạp ảnh hưởng phân tử kèm lân cận DNA mã hóa mã ba, chứa số nucleotides A, T, G, C Các axit amin cụ thể mã hóa ba cụ thể gọi codon Vì có nucleotide, nên số lượng mã ba có 43 (64) Tuy nhiên có 20 axit amin, nên có số mã ba dư thừa Bởi vậy, số mã ba mã hóa axit amin Các ba khác mã hóa yếu tố mở đầu kết thúc trình tổng hợp protein xếp, lắp ráp axit amin Gene bao gồm exon intron Exons mã hóa cho axit amin cấu thành protein Cịn introns chứa thơng tin chi phối việc kiểm soát tốc độ sản xuất protein Exons intron chép vào mRNA, đoạn chép từ intron loại bỏ sau Nhiều yếu tố điều hịa việc phiên mã, bao gồm RNA antisense, tổng hợp từ chuỗi DNA không mã hố thành mRNA Ngồi DNA, nhiễm sắc thể chứa histone protein khác ảnh hưởng đến biểu gene (protein số lượng protein tổng hợp từ gene định) Kiểu gene cho biết thành phần trình tự di truyền cụ thể; quy định protein mã hóa để sản xuất Ngược lại, gene nói đến tồn thành phần tất nhiễm sắc thể đơn bội, bao gồm gene mà chúng chứa Kiểu hình hướng tới biểu thể, sinh hóa sinh lý người - nghĩa là, làm tế bào (hay thể) thực chức Kiểu hình xác định loại số lượng protein tổng hợp, tức là, biểu gene môi trường Kiểu gene cụ thể có khơng tương quan tốt với kiểu hình Biểu đề cập đến trình điều hịa thơng tin mã hố gene dịch mã từ phân tử (thường protein RNA) Sự biểu gene phụ thuộc vào nhiều yếu tố tính trạng trội hay lặn, mức ngoại biểu gene, mức độ phân hóa mơ (xác định theo loại mơ tuổi), yếu tố mơi trường, giới tính bất hoạt nhiễm sắc thể yếu tố khác chưa biết - Các yếu tố ngoại sinh Các yếu tố ảnh hưởng đến biểu gene mà không thay đổi trình tự gene gọi yếu tố biểu sinh Sự hiểu biết nhiều chế sinh hóa điều chỉnh biểu gene ngày rõ ràng Một chế thay đổi việc nối exon (cịn gọi q trình trưởng thành mRNA) Bởi intron nối ra, exon nối ra, sau exon lắp ráp theo nhiều tổ hợp, dẫn đến nhiều mRNA khác có khả mã hóa cho protein tương tự khác Số lượng protein tổng hợp thể người lên đến > 100.000 hệ gene người có khoảng 20.000 gene Các chế trung gian biểu gene khác bao gồm phản ứng methyl hóa DNA phản ứng histone methyl hóa acetyl hóa DNA methyl hóa có xu hướng làm bất hoạt gene Chuỗi DNA cuộn xoắn quanh cầu histone Sự methyl hóa histone làm tăng giảm số lượng protein tổng hợp từ gene cụ thể Sự acetyl hóa histone liên quan đến việc giảm biểu gene bên Sợi DNA khơng phiên mã để hình thành mRNA sử dụng khn mẫu để tổng hợp RNA, kiểm sốt q trình phiên mã sợi đối diện Một chế quan trọng khác liên quan đến microRNAs (miRNAs) MiRNA ngắn, hình dạng kẹp tóc (các trình tự RNA liên kết với nhau) RNA ức chế biểu gene sau phiên mã MiRNA tham gia vào việc điều chỉnh đến 60% protein phiên mã