Sinh học di truyền chương 03 sinh học phân tử và ứng dụng

Quá trình tái bản của DNA• Xảy ra trước khi tế bào phân chia.• DNA kép mở xoắn→ 2 sợi đơn →mỗi sợi đơn làkhuôn để tổng hợp DNA mới: nucleotide môitrường gắn với nucleotide khn theo ngun

TS Nguyễn Thị Trung Thu

CHƯƠNG 3 SINH HỌC PHÂN TỬ VÀ

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

NỘI DUNG

2

1 Những điểm chung về acid nucleic

2 Acid deoxyribonucleic (DNA)

3 Acid ribonucleic (RNA)

4 Protein

5 Sự điều hòa biểu hiện gen

6 Một số ứng dụng sinh học phân tử trong y học

TS Nguyễn Thị Trung Thu

1 Những điểm chung về acid nucleic

• 1869: Friedich Miescher: nhân tế bào có nuclein (về sau nucleic acid)

• 1914, R.Feulgene nhuộm màu đặc hiệu với DNA

• 1944: DNA là vật chất mang thông tin di truyền

1.1 Các chứng minh gián tiếp

• DNA có trong tất cả tế bào, giới

hạn trong nhân, thành phần NST

• DNA trong tế bào sinh dưỡng

ổn định, còn RNA biến đổi tùy

trạng thái

• Số lượng DNA tăng theo số bội

thể của tế bào: tế bào sinh dục

(n), tế bào sinh dưỡng lưỡng bội

(2n)

• Tia tử ngoại có hiệu quả đột biến

cao nhất ở bước song 260nm

Đây là bước song DNA hấp thu

nhiều nhất

TS Nguyễn Thị Trung Thu 4

1.2 Biến nạp (truyền thông tin di truyền nhờ DNA)

tính gây bệnh cho tế bào

R: hiện tượng biến nạp

Griffith phát hiện ở vi khuẩn (Streptococcus pneumoniae – phế

cầu gây sưng phổi ở động vật có vú), 1928

1.2 Biến nạp (truyền thông tin di truyền nhờ DNA)

• Hiện tượng biến nạp

chứng minh DNA mang

1.3 Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn

• Phage: virus của vi khuẩn

+ Ngoài tế bào nhiều S: protein

+ Trong tế bào nhiều P: DNA

TS Nguyễn Thị Trung Thu 8

Video sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn

https://www.youtube.com/watch?v=vmFi0i3mmI4

1.3 Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn

TS Nguyễn Thị Trung Thu 10

1.4 Thí nghiệm với virus gây bệnh khảm thuốc lá

• TN1: tách riêng RNA và protein tiêm vào cây thuốc là thì chỉtiêm RNA là gây bệnh cho cây thuốc lá

• TN2 Tách RNA chủng A + protein chủng B → virus → câythuốc lá → chủng A

1.5 Các thí nghiệm trên tế bào Eukaryota

1.5.1 Tách chiết và định lượng DNA

- Hàm lượng DNA trong tất cả tế bào sinh dưỡng bằng nhau, trong giao tử giảm đi một nửa

1.5.2 Các thí nghiệm về hiện tượng chuột chuyển gen

12

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Thí nghiệm chuột chuyển gen

1.6 Acid nucleic – Vật liệu di truyền

• Chứa thông tin di truyền bền vững cần thiết cho cấu tạo, hoạt động và sinh sản của tế bào.

• Sao chép chính xác để truyền cho thế hệ sau

• Sử dụng để tạo ra các phân tử cấu trúc và hoạt động của tế bào

• Có khả năng biến đổi

14

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Cấu trúc chung của acid nucleic

• Mang thông tin di

truyền mã hóa hoạt

động sinh trưởng và

phát triển tế bào

2 Acid deoxyribonucleic (DNA)

2.1 Cấu trúc của DNA

2.2 Chức năng của DNA

16

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Video cấu trúc DNA

2.1 Thành phần cấu tạo và cấu trúc của DNA

• Cấu trúc polyme gồm nhiều monomer (nucleotide)

• Cấu trúc nucleotide:

- Đường deoxyribose (C5H10O4)

- Acid phosphoric (H3PO4)

- Một trong 4 loại base:

+ Loại purin: adenin (A), guanin (G)

+ Loại pyrimidin: cytosin (C), thymin (T)

TS Nguyễn Thị Trung Thu 18

Cấu trúc bậc 1 của DNA

• Các mononucleotide liên kết với

nhau bởi liên kết 3’-5’

phosphodiester: nối 3’ OH của

deoxyribose của 1 nucleotide với

nhóm 5’ OH của deoxyribose của 1

nucleotide khác qua một phân tử

acid phosphoric → polymer sợi

đơn

• Mạch đơn: đầu 5’ phosphate tự do,

đầu 3’ OH tự do (5’ → 3’)

• Quy ước: trình tự nucleotide bằng

tên các base (theo chữ cái), bắt đầu

từ đầu 5’ → 3’

VD: 5’ – AGTTCATTAACG – 3’

Cấu trúc bậc 2 của DNA

TS Nguyễn Thị Trung Thu 20

• 2 sợi đơn xoắn lại

• Hướng 2 mạch đơn xoắn kép, chiều

ngược nhau: hai mạch đối song song

Cấu trúc khác của DNA

• Dạng B: điển hình

• Dạng A: tương tự dạng B

• Dạng Z: đoạn DNA ngắn 2-24 nu, nằm ở vùng gene điều hòa

• Dạng H: chứa đoạn dài polypurin liên kết polypirimidin,

ở vùng điều hòa sự biểu hiện của một số gen

• DNA của vi khuẩn, virus, ti thể, lạp thể có dạng xoắn kép vòng, gấp khúc

Video cấu trúc và cơ chế hoạt động của DNA

22

https://www.youtube.com/watch?v=xT3n-BrBC4Q

TS Nguyễn Thị Trung Thu

2.2 Đặc điểm DNA

• Là nơi bảo quản và truyền đạt những thông tin di truyền

của cơ thể

• Có khả năng biến tính và hồi tính

• Có khả năng tái bản: quá trình tự nhân đôi DNA

• Có khả năng phiên mã tổng hợp RNA.

• Có thể bị đột biến

• Kích thước DNA không liên quan đến kích thước và tiến hóacủa sinh vật

• Bộ gen: trình tự DNA trong một cơ thể chứa đầy đủ thông tin

di truyền của cơ thể đó

Phân biệt vật chất di truyền của virus, tế bào vi

khuẩn, tế bào nhân thực

24

TS Nguyễn Thị Trung Thu

2.3 Đặc điểm của bộ gen

• Prokaryota: DNA xoắn kép, tất cả các đoạn của DNA đều

chứa gen

• Eukaryota: gene cấu trúc, vùng điều hòa biểu hiện gen, vùng

không mang chức năng, junk DNA Bộ gene gồm gene trongnhiễm sắc thể và gene trong ty thể, lạp thể

Cấu trúc exon và intron của gen

• Intron: các đoạn gene không mã hóa acid amin

• Exon: các đoạn gene mã hóa acid amin

Cả exon và intron đều được phiên mã để tạo nên tiền mRNA →cắt đi intron → gắn các exon lại → tổng hợp mRNA tham giadịch mã ở Ribosome

Vi khuẩn: exon; Tế bào nhân chuẩn: exon + intron

26

TS Nguyễn Thị Trung Thu

2.3 Đặc điểm của bộ gen

• Các trình tự ở tế bào Eukaryota:

- Trình tự duy nhất: đặc trưng cho từng gen, chiếm 10% bộ gen.

- Trình tự lặp lại nhiều lần: 10 → 15%, không mã hóa, chuỗi 5-10

đôi base hoặc 100-200 đôi base.

+ Thường vùng chuyên biệt ở vùng tâm động → quá trình di chuyển DNA trên thoi vô sắc.

+ Đầu mút NST → quá trình sao chép toàn vẹn DNA.

- Trình tự lặp lại trung bình: 25 → 40%, chuỗi nucleotide dài từ

100-1000 đôi base, không mã hóa, phiên mã rRNA, tRNA.

- gene nhảy (transposon): gene tích hợp vào gene hoặc rời khỏi gene

→ biến đổi hoạt động di truyền

- gene gối (overlapping genes): DNA virus và tế bào sinh vật bậc cao,

2 hay nhiều hơn 2 gene chung một chuỗi DNA Do cách ghép nối các exon khác nhau.

Ứng dụng DNA trong thực tiễn

• Kĩ thuật vân tay DNA

• Kĩ thuật nhận diện DNA

• Xác định huyết thống

TS Nguyễn Thị Trung Thu 28

Áp dụng làm bài tập tính số nucleotide, tính chiều

dài, số chu kỳ xoắn, số liên kết trên phân tử DNA

Câu 1 Một gene có chiều dài 5100 Ao, tổng số liên kết hidro củagene là 3900 Tính số lượng nucleotide mỗi loại của gen

Câu 2 Một gene có chiều dài 5100 Ao Trên mạch 2 của gene có

số nuleotide loại A = 4T, G=A-T, X = 2T Tính số nucleotide mỗiloại của gen

Câu 3 Một gene có chiều dài 5100 Ao Tỉ lệ (A+T)/(G+X)=2.Tính số liên kết hidro của gen

Câu 4 Một đoạn DNA có tổng số 192 chu kì xoắn Trên một

mạch của đoạn DNA có số nucleotide loại A= 2T, G=3T, X = G-T.Tính tổng số liên kết hidro của gen

2.4 Quá trình tái bản DNA

2.4.1 Quá trình tái bản DNA

2.4.1 Quá trình tái bản của DNA

• Xảy ra trước khi tế bào phân chia.

• DNA kép mở xoắn→ 2 sợi đơn →mỗi sợi đơn là khuôn để tổng hợp DNA mới: nucleotide môi trường gắn với nucleotide khuôn theo nguyên tắc bổ sung →2 phân tử DNA con.

• Sự tái bản trên cả 2 sợi đơn theo hướng 5’ →3’ vì DNA polymerase chỉ xúc tác gắn nucleotide vào nhóm 3’-OH tự do.

• Sự tái bản DNA cần có sự tham gia: DNA khuôn, nucleotizit triphosphate (dATP, dGTP, dTTP, dCTP), protein đặc hiệu, enzyme

Các giai đoạn của quá trình tái bản DNA

- Sinh tổng hợp purin và pyrimidin

+ chất tạo purin: aspartate, CO2, format, glutamin, glycin

+ chất tạo purimidin: aspartate, CO2, glutamin

- Sao chép theo khuôn: mỗi mạch làm khuôn tổng hợp phân tử

Video Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

https://www.youtube.com/watch?v=Rc0K65ggsuw

2.4.2 Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

• Cơ chế chung:

- Xảy ra trước khi tế bào phân chia.

- DNA kép mở xoắn (đứt gẫy liên kết hidro)→ 2 sợi đơn tách rời→mỗi sợi đơn là khuôn để tổng hợp DNA mới:

- Đoạn RNA mồi (primer) bắt cặp với đoạn khuôn

- Đủ 4 loại nucleotizit triphosphate (dATP, dGTP, dTTP, dCTP)

- Mạch mới tổng hợp theo chiều 5’P → 3’OH

- Các nucleotide mới gắn với nhau bằng liên kết cộng hóa trị

- Enzyme xúc tác đặc hiệu, nucleotide môi trường gắn với nucleotide.

- Một sợi tổng hợp liên tục, một sợi tổng hợp gián đoạn

34

TS Nguyễn Thị Trung Thu

2.4.2 Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

3 giai đoạn:

- Giai đoạn khởi đầu

- Giai đoạn kéo dài

- Giai đoạn kết thúc

Video: Quá trình tái bản của DNA

• https://www.youtube.com/watch?v=a86wwQftCKY

TS Nguyễn Thị Trung Thu 36

Giai đoạn khởi đầu

- Enzyme gyrase di chuyển dọc theo sợi DNA, nhận biết chuẩn

bị tái bản

- Enzyme helicase tách mạch tạo chạc ba sao chép

- Protein SSB: xác định vị trí khởi đầu tái bản, ngăn cản 2 mạch

đơn kết hợp lại với nhau trong quá trình tái bản

- Enzyme DNA helicase gắn DNA primase tạo phức hợp khởi

đầu DNA primase giúp tổng hợp RNA mồi trên sợi tổng hợpkhông liên tục (sợi chậm)

- 2 phân tử DNA polymerase III giống hệt nhau gắn vào sợi

tổng hợp liên tục (sợi nhanh) và sợi tổng hợp không liên tục(sợi chậm)

Giai đoạn kéo dài

- 2 sợi đơn khuôn bổ sung nhau.

- Sợi đơn khuôn tổng hợp liên tục (sợi nhanh): DNA

polymerase III cùng với 2 phân tử protein: tổng hợp

sợi DNA mới theo chiều 5’-3’ bằng cách trùng hợp các nucleotide

- Sợi khuôn tổng hợp gián đoạn (Sợi chậm):

+ DNA polymerase III xúc tác gắn nucleotide vào

RNA mồi để tổng hợp các đoạn Okazaki (1000-2000 nucleotide),

38

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Giai đoạn kết thúc

• DNA polymerase I nhận ra và cắt bỏ đoạn mồi

trong phân tử lai RNA/DNA → tạo khoảng trống

• DNA polymerase I và enzyme nối DNA ligase: gắn

Phân biệt tái bản DNA ở Prokaryota và Eukaryota

Điểm tái bản trên Prokaryota và Eukaryota

2.4.3 Quá trình tái bản DNA ở Eukaryota

42

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Phân biệt tái bản DNA ở Prokaryota và Eukaryota

• Khác nhau

Đặc điểm khác Prokaryota Eukaryota

Điểm khởi đầu tái bản 1 Nhiều (do DNA kích thước lớn) Tổng hợp mồi DNA primase DNA polymerase α: không có

hoạt tính sửa sai

Tổng hợp kèm sửa sai,

hoàn chỉnh mạch mới sau

khi RNA mồi loại bỏ

DNA polymerase I DNA polymerase β

Không có DNA polymerase γ trong ty thể,

DNA polymerase ε (chưa rõ chức năng)

Trùng hợp nucleotide,

kéo dài mạch

DNA polymerase III

DNA polymerase δ

Protein khác Không có Nhiều protein chuyên biệt

Áp dụng tính số DNA con được tạo ra

• Số lượng nucleotide môi trường cung cấp:

Nucleotideban đầu x (2k-1)

Câu 1 Một phân tử DNA vi khuẩn có chiều dài 2040 Ao

có G=2A Phân tử này nhân đôi liên tiếp 5 lần.

a Tính số phân tử DNA tạo ra.

b Số nucleotide các loại môi trường cần cung cấp.

c Tính số liên kết cộng hóa trị và số liên kết hidro được hình thành giữa các nucleotide.

44

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Video các loại RNA

https://www.youtube.com/watch?v=aizKUoD-kYk

3 Acid ribonucleic (RNA)

3.1 Cấu trúc của RNA

3.2 Phân loại RNA

33 Quá trình Phiên mã tổng hợp RNA

TS Nguyễn Thị Trung Thu 46

3.1 Cấu trúc của RNA

• Cấu trúc bậc 1:

- Polyme gồm các monome là các

diester

- Ribonucleotide: acid phosphoric

+ đường ribo (C5H10O5) và base

nitric

- 4 loại base: Adenin (A), Guanin

(G), Cytosin (C), Uracyl (U)

3.2 Chức năng RNA

• RNA di truyền: dạng sợi đơn hoặc kép (virus, thể thực khuẩn).

• RNA không di truyền:

- RNA ribosome (rRNA): 80%, thành phần cấu tạo Ribosome

- RNA vận tải (tRNA): 10-5%, vận chuyển amino acid đếnRibosome

- RNA thông tin (mRNA): 5-10%, phụ trách tổng hợp Protein

- RNA nhỏ trong nhân (snRNA)

48

TS Nguyễn Thị Trung Thu

RNA ribosome (rRNA)

• Thành phần chủ yếu của ribosome

• Vai trò: cấu trúc (thành phần cấu tạo

ribosome), xúc tác như protein

RNA vận tải (tRNA)

• Có 2 vị trí:

- Vị trí gắn acid amin: dãy CCA ở một đầu (3’) của phân tử

- Vị trí nhận biết mã (vị trí đối mã): đặc biệt cho mỗi phân tửtRNA, nhận biết chính xác đơn vị mã trên phân tử mRNA theoquy tắc bổ sung

• Chức năng: vận tải amino acid đến ribosome, cùng với mRNA

đặt amino acid vào vị trí thích hợp trên chuỗi polypeptide

• gene mã hóa: Prokaryte: 40-80 gen, Eukaryota có 520-1400 gen50

• 15% tổng lượng RNA, độ dài 75

nucleotide, hơn 60 loại rRNA.

• Cấu trúc bậc 2: hình lá ba chẽ,

mang các chuỗi kép.

TS Nguyễn Thị Trung Thu

RNA thông tin (mRNA)

Tiền mRNA → mRNA trưởng thành

RNA thông tin (mRNA)

• Chức năng: mang thông tin di truyền từ DNA để

tổng hợp protein

• 5% RNA, độ dài thay đổi từ 500-6000 nucleotide

52

Đặc điểm Prokaryota Eukaryota

Mã hóa chứa thông tin mã

hóa vài chuỗipolypeptide

chứa thông tin mã hóa 1 chuỗipolypeptide

Tổng hợp

protein

Dịch mã ngaythành protein

RNA tiền thân → mRNA: gắnthêm mũ tại đầu 5’ và loại bỏintron, nối các exon với nhau, gắnđuôi polyA vào đầu 3’

TS Nguyễn Thị Trung Thu

RNA nhỏ trong nhân (snRNA)

• 90-300 nucleotide và một vài loại protein tạo phức hợp

ribonucleoprotein

• Vai trò: tham gia vào loại bỏ intron và nối các exon với nhautạo thành RNA thành thục

RNA nhỏ trong nhân (snRNA)

• 90-300 nucleotide và một vài loại protein tạo phức hợp

3.3 Quá trình tổng hợp RNA (sự phiên mã, sự sao mã)

https://www.youtube.com/watch?v=Rc0K65ggsuw

TS Nguyễn Thị Trung Thu 56

3.3 Quá trình tổng hợp RNA (sự phiên mã, sao mã)

• Quá trình truyền thông tin di truyền từ DNA mạch

kép sang RNA mạch đơn

- Giai đoạn khởi đầu

- Giai đoạn kéo dài

- Giai đoạn kết thúc

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Giai đoạn khởi đầu

• RNA polymerase gắn với đoạn DNA đặc hiệu trong

vùng khởi đầu (promotor).

• DNA tháo xoắn, một sợi đơn bộc lộ dưới dạng tự

do làm khuôn tổng hợp cho RNA.

• Nucleozid triphosphate đầu tiên gắn vào (thường

ATP hoặc GTP) phức hợp RNA polymerase, các nucleozid triphosphate tiếp theo gắn vào.

• Đoạn RNA khoảng 10 nucleotide thì cấu trúc RNA

polymerase thay đổi cấu trúc, σ tách ra.

Giai đoạn kéo dài

• Phân tử lai DNA-RNA ở đoạn mở đầu,

• Phần lõi RNA polymerase gắn thêm một vài protein

là nhân tố kéo dài và biến đổi thành phức hợp phiên

mã hoạt động.

• Trùng hợp các ribonucleotide theo chiều 5’-3’

• Kết quả: RNA mới được hình thành.

60

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Giai đoạn kết thúc

• Khi có mặt của yếu tố Rho (protein) gắn vào RNA

hoặc trên phân tử DNA khuôn chứa tín hiệu kết thúc thì báo hiệu ngừng tổng hợp RNA.

• Kết quả:

+ sợi RNA mới tổng hợp tách khỏi DNA khuôn

+ 2 sợi đơn DNA xoắn lại

+ phức hợp RNA polymerase và yếu tố Rho được giải phóng

• RNA mới được tổng hợp ngay lập tức tổng hợp

protein

3.3.2 Sự tổng hợp mRNA ở Eukaryota

• 3 loại polymerase

- RNA polymerase I: trong hạch nhân, xúc tác tổng hợp

rRNA

- RNA polymerase II: xúc tác tổng hợp tiền than mRNA và

các RNA nhỏ trong nhân

- RNA polymerase III: xúc tác tổng hợp RNA tiền than của

tRNA, rRNA và snRNA khác

62

TS Nguyễn Thị Trung Thu

Quá trình tạo mRNA thuần thục

Quá trình tạo

mRNA thuần thục

• mRNA tiền thân hình thành sau phiên mã gồm cả intron và exon

• Đầu 5’: gắn thêm mũ 7 methy guanozin triphosphate → vai tròtổng hợp protein, bảo vệ RNA chống sự phân hủy

• Đầu 3’: (được tổng hợp từ RNA polymerase II) gắn thêm poly A(100-200 nu) → vai trò giúp mRNA di chuyển từ nhân ra bàotương, bảo vệ mRNA trong quá trình dịch mã ở bào tương

• Loại bỏ intron, nối các exon lại nhờ enzyme nối spliceosome

64

TS Nguyễn Thị Trung Thu

3 loại polymerase

- RNA polymerase I: trong hạch nhân, xúc tác tổng hợp rRNA

- RNA polymerase II xúc tác tổng hợp tiền than mRNA

và các RNA nhỏ trong nhân

- RNA polymerase III: xúc tác tổng hợp RNA tiền than của tRNA, rRNA và snRNA khác

Cấu trúc α, β, β’, σ, ω Mỗi phân tử gồm 2 tiểu đơn vị

Vùng khởi

đầu

- Phức tạp và đa dạng hơn nhiều

- Yếu tố kích thích phiên mã làm tang hiệu quả phiên

mã gen

3.3.3 Sự phiên mã ngược ở virus

66

TS Nguyễn Thị Trung Thu

https://www.youtube.com/watch?v=4LqqOBLBVDQ

3.3.3 Sự phiên mã ngược ở Virus

Áp dụng làm bài tập tính số ribonucleotide trên

phân tử RNA

Câu 1 Một phân tử mRNA có chiều dài 4080 Ao Tỉ

lệ A:U:G:X=1:2:3:4 Tính số ribonucleotide mỗi loại của phân tử mRNA.

Câu 2 Một phân tử mRNA có tỉ lệ A:U:G:X=1:2:3:4,

trong đó số nucleotide loại G=660 Tính số ribonucleotide mỗi loại của phân tử mRNA.

68

TS Nguyễn Thị Trung Thu