Di truyền thực vật - Chương 1: Cấu trúc và tái bản vật chất di truyền ở mức độ phân tử, tế bào pptx

Chương 1: Cấu trúc tái vật chất di truyền mức độ phân tử, tế bào Mở đầu: ADN vật chất mang thông tin di truyền Thực nghiệm trực tiếp chứng minh vật chất di truyền ADN a Hiện tượng biến nạp Thí nghiệm Griffith (1928): thí nghiệm vi khuẩn diplococcus pneumococcus Gồm: + dạng có vỏ polysacarit độc, gây bệnh (S) + dạng khơng có vỏ bọc, lành (R) Tiêm cho chuột : + dòng R dòng S bị chết nhiệt -> chuột khơng nhiễm bệnh + dịng R + dịng S bị chết nhiệt -> chuột chết -> Kết kuận: tế bào vi khuẩn nòi R nhận đặc tính tạo vỏ nịi S - 1994, Oswald Avery, Colin Malead Maclyn MC Carti tách ADN từ nịi S đưa vào mơi trường ni cấy nịi R -> xuất nòi S-> ADN nòi S biến nạp vào nịi R -> Rb có tính tạo vỏ Kết luận : ADN vật chất di truyền b Các chứng minh thực khuẩn thể - 1952, Alfred Hershey Martha Chase: - mẫu virus: + mẫu ADN đánh dấu 32 + mẫu protein đánh dấu P 35 S Sau chu kỳ sinh sản cho E coli phát triển mơi trường đồng vị phóng xạ 35 S dùng làm chất đánh dấu đặc thù để phân biệt ADN protein dòng E coli lây nhiễm phage đánh dấu Kết quả: 35 32 P dịng 35 S S nằm lại ngồi tế bào vi khuẩn với vỏ bọc virus trống rỗng 32 P nằm bên tế bào -> vi khuẩn sinh sản cho hệ virus Kết luận: vật chất di truyền virus ADN chứa protêin - Virus khảm thuốc chứa ARN Chúng sử dụng ARN vật chất di truyền 1.1 Cấu trúc ADN 1.1.1 Thành phần hố học cấu trúc khơng gian ADN http://www.ebook.edu.vn 32 P * Thành phần hoá học: ADN phân tử trùng hợp lớn (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) gọi nucleotit, nucleotit gồm: + Đường pentose, cacbon (deoxyribose –C5H10O4 + Nhóm photphát + Bazơ nitơ - Nhóm photphat gắn vào C số 5’ deoxyribose, bazơ nitơ gắn vào C số 1’ Có loại nucleotit: + Dẫn xuất purin: • Adenin (A) • Guanin (G) + Dẫn xuất pyrimidin: • Timin (T) • Xytodin (X) Các nucleotit nối với thành chuỗI polypeptit Nhóm photphat liên kết với C số 5’ đường (liên kết photphodieste) -> đầu 5’ (5’ – P) đầu 3’ (3’ – OH) (Hình 2.3 – tr51) - [A] + [G] = [T] + [C] - [A] = [T] ; [G] = [C] - Tỷ lệ A+T - số đặc trưng loài (tỷ số bazơ) G+C *Cấu trúc khơng gian (Hình 2.4 - tr 52) -1953, James Watson Fransis Cric: + Hai mạch đơn polynucleotit xoắn nhau-> chuỗi xoắn kép, bazơ nitơ mạch liên kết với bazơ nitơ mạch cầu nối hiđrô, theo nguyên tắc bổ sung + Mỗi vòng chuỗi xoắn kép gồm 10 cặp bazơ, l= 34A0-> khoảng cách bazơ liền 3,4A0 = 0,34nm + Các vòng xoắn nối tiếp quanh trục dọc chung, bazơ nằm ngang song song vng góc với trục chuỗi xoắn kép http://www.ebook.edu.vn + Hai sợi phân tử ADN có hướng ngược -> tính chất phân cực đối ngược, song song ngược chiều hai sợi (Hình 25- tr53) + Chiều xoắn: * Dang Watson Crick - dạng B - xoắn phải: cặp bazơ nằm thẳng góc với trục chuỗi xoắn * Dạng Z - xoắn trái, vòng xoắn 12 cặp bazơ * Dạng A, C: khác số cặp bazơ chu kỳ xoắn độ nghiêng 1.1.2 Những đòi hỏi tất yếu vật chất di truyền mà ADN đáp ứng - Vật chất di truyền phải tàng trữ tất thông tin cần thiết để điều khiển cấu trúc đặc trưng hoạt động trao đổi chất tế bào - Vật chất di truyền tái cách xác để truyền đạt thơng tin cho hệ tế bào sau - Vật chất di truyền phải có khả xảy ghi nhận biến đổi, thông tin biến đổi phải ổn định di truyền 1.2 Các dạng kiến trúc trật tự nuclêotit ADN nhiễm sắc thể 1.2.1 ADN kiến trúc đơn Là phần ADN genom 1.2.2 Các dạng ADN kiến trúc lặp bản, ý nghĩa chúng - ADN có trật tự lặp lại với bội số trung cao + Trung bình: số 20-50 + Cao: số 250 –6000 105 - ADN có trật tự lặp lại với bội số cao :106 - Ý nghĩa: Tham gia vào trình tiếp hợp đơi NST tương đồng, tham gia vào q trình trao đổi chéo gen, trình tái cấu trúc NST q trình hoạt hố gen Ngồi cịn bảo vệ gen qua trọng, bảo toàn khối liên kết gen 1.3 Tái ADN 1.3.1 Nguyên lý bảo toàn - Trong chế tái bán bảo toàn, chuỗi xoắn kép tách mạch đơn, mạch đơn ADN gốc dùng làm khuôn cho tổng hợp mạch Kết chuỗi kép hình thành, chúng chứa mạch gốc mạch http://www.ebook.edu.vn - Thí nghiệm Meselson – Stahl (1957): Dựa vào hiệu lực đồng vị phóng xạ nặng 15 N kỹ thuật tách đại phân tử sở trọng lượng: (Hình 2.7 – tr55) + Ni E coli qua số hệ với nguồn độc chứa + Đặt mẫu tế bào vi khuẩn chứa 15 N 15 N môi trường 14 N đến ADN tái trở lại -> đưa ADN vào ly tâm siêu tốc + Một hệ thứ lại cho phát triển môi trường 14 N -> ADN lại đưa vào siêu ly tâm (Dung dịch chloride cesium – Cscl-> dùng siêu ly tâm, tạo thành gradien nồng độ liên tục Khi cho ADN vào chúng lắng xuống với hàm lượng tương đương với nồng độ chúng) -> Kết quả: + Các mẫu thí nghiệm chứa nhiều ADN nhẹ + Nồng độ ADN hệ thứ = ½ ADN ban đầu nhẹ bình thường -> ADN chứa sợi cũ (nặng) sợi (nhẹ) + Thế hệ thứ chứa nửa nửa ADN nặng nưả ADN nhẹ Kết luận: ADN tái theo kiểu bán bảo toàn 1.3.2 Cơ chế tái ADN sinh vật nhân sơ – sinh vật nhân chuẩn a Hệ enzim tái ADN Vi khuẩn Tế bào nhân chuẩn * ADN – polymerase I : 400 phân tử tế bào, TLPT- 109.000 dalton * ADN - polymerase α: 120.000 – 300.000 dalton Chức : tái ADN nhân Chức năng: sửa chữa ADN * ADN - polymerase β:30.000-50.000 dalton * ADN - polymerase II: 100 phân tử tế bào TLPT- Chức : sửa đổi ADN 120.000 dalton Chức năng: xác định bắt đầu tổng hợp phân đoạn ADN kết thúc tổng hợp ADN * ADN - polymerase γ: 150.000 –300.000 dalton * ADN - polymerase III: 10 phân tử tế bào TLPT180.000 dalton Chức năng: gia tăng chiều dài sợi tổng hợp http://www.ebook.edu.vn Chức năng: tái hệ gen ty thể b Cơ chế tái ADN theo Okazaki (tái nửa gián đoạn) - Quá trình tái vi khuẩn tế bào nhân chuẩn tương tự Tuy nhiên tế bào nhân chuẩn xảy phức tạp - Q trình tháo xốn chuỗi kép: + Enzim topoizomerase tham gia vào cắt ADN sợi nhanh chóng khơi phục khía đứt + ADN helicase tham gia vào tháo duỗi xoắn chuỗi kép -> tạo mạch đơn + Protêin tham gia vào việc căng, ổn định đoạn ADN có cấu trúc mạch đơn (SSB- single Stand binding) Mỗi SSB bám vào bazơ sợi đơn ADN Chặc tái bản: - Vi khuẩn (Hình 2.8 – tr56) - Tế bào nhân chuẩn : (Hình 2.11 – tr58) - Quá trình lắp ráp nuleotit chạc tái bản: + Khởi đầu tái ADN ARN - mồi: Enzim ARN - polymerase hoạt động tổng hợp nên đoạn ARN mồi ngắn (trình tự bazơ ARN mồi định hướng theo trình tự nucleotit sợi ADN khuôn), tạo đầu 3’OH tự do, để sau enzim polymerase III bắt đầu hoạt động tái + Loại bỏ ARN mồi hình thành phân đoạn okazaki: ADN polymerase I có hoạt động loại bỏ ARN mồi nhờ cắt từ đầu 5’ –3’ thay vào chỗ ARN mồi đoạn ADN khác 1969,R Okazaki chứng minh kiểu tái nửa gián đoạn ADN: Bằng cách đánh dấu nhanh ADN tái với 3H - thimidin Okazaki chứng minh: ADN tái dạng đoạn ngắn từ 1000 - 2000 Nu (đoạn okazaki) Đoạn okazaki bắt đầu đoạn ngắn (10 đơn vị), ARN mồi Đoạn mồi dùng làm chất mồi kéo dài tiếp chuỗi polydeoxyribonucleotit, Nu gắn vào đầu 3’–OH tự kéo dài, theo chiều 5’–3’ Sau loại bỏ ARN lấp đầy khoảng trống tác dụng ADN- polymerase I đoạn okazaki nối lại với enzim nối ADN ligase http://www.ebook.edu.vn Sợi ADN tổng hợp cách nối đoạn okazaki gọi sợi chậm, sợi tổng hợp không liên tục, dùng khuôn cũ, chiều 5’ –3’ Sợi tổng hợp liên tục, dựa khuôn sợi cũ, chiều 3’–5’ (chiều mở chạc ba) gọi sợi dẫn đầu, sợi mang đoạn mồi -> Đó kiểu tái nửa gián đoạn + Nối đoạn okazaki nhờ enzim nối ligase: ADN polymerase III vừa hoàn thành tổng hợp đoạn mới, tách khỏi ADN ADN polymerase I chỗ, tiếp tục tổng hợp phân đoạn mồi theo chiều 5’–3’, đồng thời hoạt tính exonuclease, loại bỏ đoạn mồi đoạn okazaki trước theo chiều 5’ –3’ Khi ADN polymerase I kết thúc, tồn khe hở đoạn okazaki liền hình thành Khe hở lấp kín xúc tác enzim nối (ADN ligase) (Hình 2.10- tr57) -> Ở nhân chuẩn khác vi khuẩn: - Hệ thống yếu tố tham gia vào trình tái tế bào nhân chuẩn phức tạp nhiều - Quá trình tái NST tế bào nhân chuẩn xảy không đồng thời, xảy nhiều điểm, thời gian tái lâu 1.3.3.Tái ADN theo chế vòng lăn: Tái điểm cắt sợi chuỗi xoắn kép.Từ điểm cắt mở đầu 3’-OH đầu 5’–P Sự tổng hợp bắt đầu lắp ráp vào đầu 3’–OH, đồng thời đầu 5’–P dịch khỏi vòng lắp ráp tiến hành theo đoạn nhỏ Khi chuyển động kết thúc vịng, 1vịng ADN hồn tất (Hình 2.13 – tr60) 1.4 Tế bào nhân sơ tế bào nhân chuẩn 1.4.1 Đặc điểm cấu trúc NST sinh vật nhân sơ (vi khuẩn) - Trong tế bào sinh vật nhân sơ nhân chưa hình thành hồn chỉnh, chưa có màng bao bọc - Cấu trúc tế bào vi khuẩn điển hình bao gồm khối nguyên sinh, nhân, thể nhân phân tử ADN cụm lại bao bọc quanh chất nhân http://www.ebook.edu.vn (nucleoplasme), thể nhân khơng có màng riêng Phân tử ADN có cấu trúc dạng vịng, gấp cuộn thành nhiều vịng xoắn (Hình 1.1- tr16) - E.coli: ADN 300μm thắt vòng phân tử ADN -> 25μm -> 1,5μm - Phương thức truyền đạt vất chất di truyền cho hệ sau: - Vi khuẩn sinh sản phân chia đơn giản phân cắt sau q trình tự nhân đơi NST - Ngồi NST chính, vi khuẩn cịn có plasmid mang ADN vịng, kép có khả tự độc lập với NST 1.4.2 Đặc điểm cấu trúc nhân tế bào nhân chuẩn - Tế bào có cấu trúc nhân hồn chỉnh – nhân có màng bao bọc, có từ NST trở lên - ADN mạch thẳng (Hình 1.2-tr16) - Nhân tế bào: + Màng nhân + Dịch nhân + Chất nhiễm sắc - Tiểu hạch: Phương thức truyền đạt vật chất di truyền cho hệ sau: Phương thức hoạt động xác NST nguyên phân giảm phân với chế sinh học chặt chẽ chế tự nhân đôi, phân ly tổ hợp NST Có khối lượng nhiều loại protêin khác kết hợp với ADN NST (80%): + Protêin histon (protêin bazơ) + Protêin khơng có histon (proêin axít) 1.5.Cấu trúc phân tử sợi nhiễm sắc 1.5.1 Thành phần hoá học sợi nhiễm sắc - ADN dài: + protêin histon (chứa ARN - - ARN nhân) + Protêin không histon + Ion kim loại (Mg2+, Ca2+, Na+…) - Histon: protêin có phân tử ngắn, chứa từ 100 – 200aa loại: H1, H2A, H2B,H3, H4 http://www.ebook.edu.vn 10 + H1: giàu lizin, 21 kdalton + H2A, H2B + H3, H4 : giàu acginin , 10-15 kdalton + H1: H2A: H2B: H3: H4 – 1:2:2:2:2 1.5.2 Cấu trúc (bậc 1) sợi nhiễm sắc (Hình 1.8-1.9 –tr25) - Mức đơn giản nuclesome: cấu tạo từ phân tử histon (octamer), cuộn quang ADN: + phân tử H3 phân tử H4 liên kết vùng trung tâm + phân tử H2A phân tử H2B liên kết phía ngồi Trong nucleosome, octamer histon quấn ¾ vịng sợi ADN, vòng dài 80 cặp Nu, làm thành vòng quấn 140 cặp Nu ADN quấn quanh phân tử histon Mỗi nucleosome có điều kiện 100A0 -> sợi ADN cuộn tròn, quấn quanh histon giảm chiều dài theo hệ số Nucleosome nối với nucleosome ADN nối (15 - 100 cặp Nu) -> Sợi NST (100Ao) 1.5.3 Cấu trúc solenoid mức kết tụ, ý nghĩa - Sợi xoắn tiếp mức (xoắn bậc hai) -> sợi NS (đường kính 250A0) – solenoid (Hình 1.10- tr26) - Trong NST trung kỳ, solenoid cuộn xoắn lần -> ống rỗng (đường kính 2000A0) -> ADN với chiều dài co giảm theo hệ số 18 - Ống 2000A0 cuộn xoắn tiếp -> cuộn xoắn lớn (đường kính 2000A0) -> cromatit kỳ -> Sơ đồ mức kết tụ - Ý nghĩa: Giải hai vấn đề bản: - Hoạt hoá gen - thể thông tin di truyền - Vận động – phân phối xác vật chất di truyền cho hệ tế bào -> Kết luận: Cấu trúc phân tử sợi NST trình kết tụ có ý nghĩa lớn hoạt hố gen - thể thông tin di truyền, vận động phân phối http://www.ebook.edu.vn 11 xác vật chất di truyền cho hệ tế bào ADN, với mơ hình cấu trúc cấp độ phân tử, mơ hình cấu trúc phân tử (NST) chứng tỏ tính hồn thiện tối cao vật chất mang thông tin di truyền - vật chất trung tâm sống 1.6 Cấu trúc nhiễm sắc thể trung kỳ 1.6.1 Cấu trúc hình thái NST trung kỳ (Hình 1.4- tr19) - Dạng kép (do có nhân đơi sợi NS) - Kích thước lớn - Hình thái: * Tâm động: + Là khối ADN – protêin bền vững + Là nơi đính vào sợi tơ vơ sắc + Thường NST có tâm động Vị trí tâm động -> định hình dáng NST * Vai NST * Eo thắt * Thể kèm: vai trò tổng hợp ARN riboxom tế bào - Các dạng NST: + Dạng cân + Nhiều tâm + Dạng lệch + Không tâm + Tâm mút - Giải phẫu + Vỏ protêin + Chất đệm + Sợi NS co xoắn nhiều cấp + Hệ khung: làm cho NST chắn xoắn lại (Hình 1.11 – tr27) - Ý nghĩa: + Vân động để phân chia hai cực tế bào 1.6.2 Kiểu nhân - Khái niệm: Bộ NST đầy đủ đặc điểm hình thái số lượng cụ thể gọi kiểu nhân lồi - Ví dụ: Bộ NST (2n) số lồi sinh vật : (Tr20) http://www.ebook.edu.vn 12 1.6.3 Chất nguyên nhiễm sắc, chất dị nhiễm sắc, phân lập NST - Chất nhiễm sắc: ADN với protêin histon protêin không histon Do tính chất kết tụ sợi ADN với protêin vùng NST khác biệt so với bình thường làm cho vùng bắt màu đậm – vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) vùng bình thường vùng nguyên nhiễm sắc (euchromatin) - Vùng dị nhiễm sắc tập trung nhiều dạng ADN có dạng kiến trúc trùng lặp bội số cao + Vị trí: Ổn định không ổn định + Gen vùng dị nguyên nhiễm sắc thường bất hoạt - Dựa vào vùng dị nhiễm sắc ổn định -> phân biệt NST chúng có kích thước, hình dạng giống - Tiêu chuẩn để phân lập NST: + Hình dạng NST + Kích thước NST + Vị trí băng ổn định 1.7 Chu kỳ tế bào phân chia nguyên nhiễm 1.7.1 Chu kỳ tế bào (Hình 1.12- tr28) - Khái niệm: trình hoạt động tế bào từ lần phân chia -> lần phân chia - Tĩnh kỳ: tế bào chưa phân chia gồm: + Giai đoạn trước tổng hợp ADN (G1): tế bào chuẩn bị sở vật chất để bước vào tổng hợp ADN + Giai đoạn tổng hợp ADN (S): tái ADN NST,tổng hợp protêin + Giai đoạn sau tổng hợp ADN (G2): tích lũy lượng, chuẩn bị vất chất để bước vào giao đoạn phân chia - Giai đoạn phân chia (M): + Tiền kỳ + Hậu kỳ + Trung kỳ + Mạt kỳ Kết từ tế bào (2n) -> tế bào (2n) - Vai trò pha: + Gen làm việc http://www.ebook.edu.vn 13 + Tổng hợp ADN -> nhân đôi ADN -> sợi + Một số gen tiếp tục tổng hợp histon + Kết tạo sợi nhiễm sắc, tái + Chuẩn bị sở vật chất để phân chia 1.7.2 Phân chia nguyên nhiễm Cơ chế ý nghĩa (Hình 1.13 – tr29) - Tiền kỳ - Hậu kỳ - Trung kỳ - Mạt kỳ - Ý nghĩa nguyên nhiễm: + Xây dựng lên thể đa bào từ tế bào ban đầu + Các TTDT truyền nguyên vẹn -> tế bào thể đa bào có máy di truyền + Các gen khác hoạt động nhóm tế bào - tế bào phân hóa chức có chế hoạt hóa diễn q trình phát triển cá thể + Qua phân bào gen hoạt hóa 1.7.3 Kiểm tra di truyền chu kỳ phân bào - Những nghiên cứu đột biến theo gen kiểm tra chu kỳ phân bào cho thấy có hai vị trí mà tế bào bắt đầu pha chu kỳ mình: + Vị trí (start) - cuối pha G1 ( bắt đầu pha S) + Vị trí hai - bắt đầu co xoắn NST (khởi đầu pha M) - Hiệu khởi động vị trí hai tương tác hai dạng protêin gây nên: + Dạng protêin kinase đặc trưng (pp-34) + Protêin cyclin - Kết luận: + Trong chu kỳ tế bào sợi NS tái tạo lại hồn tồn cấu trúc + Nó gồm pha khác nhau, tế bào trải qua có hai ngưỡng quan trọng: từ G1 – S: tế bào tiếp thu thông tin nhân đôi từ G2 - M: tế bào tiếp thu thông tin để phân chia http://www.ebook.edu.vn 14 ... xác vật chất di truyền cho hệ tế bào ADN, với mơ hình cấu trúc cấp độ phân tử, mơ hình cấu trúc phân tử (NST) chứng tỏ tính hồn thiện tối cao vật chất mang thơng tin di truyền - vật chất trung... đổi chất tế bào - Vật chất di truyền tái cách xác để truyền đạt thơng tin cho hệ tế bào sau - Vật chất di truyền phải có khả xảy ghi nhận biến đổi, thông tin biến đổi phải ổn định di truyền 1.2... Các TTDT truyền nguyên vẹn -> tế bào thể đa bào có máy di truyền + Các gen khác hoạt động nhóm tế bào - tế bào phân hóa chức có chế hoạt hóa di? ??n trình phát triển cá thể + Qua phân bào gen hoạt