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 và tái bản vật chất di truyền ở mức độ phân tử, tế bào Mở đầu: ADN là vật chất mang thông tin di truyền.. 32P nằm bên trong tế bào -> vi khuẩn sinh sản cho thế hệ vir

Chương 1: Cấu trúc và tái bản vật chất di truyền

ở mức độ phân tử, tế bào

Mở đầu: ADN là vật chất mang thông tin di truyền

Thực nghiệm trực tiếp chứng minh vật chất di truyền là ADN

a Hiện tượng biến nạp

Thí nghiệm của Griffith (1928): thí nghiệm trên vi khuẩn diplococcus pneumococcus Gồm: + dạng có vỏ polysacarit độc, gây bệnh (S)

+ dạng không có vỏ bọc, lành (R)

Tiêm cho chuột : + dòng R hoặc dòng S bị chết do nhiệt -> chuột không nhiễm bệnh + dòng R + dòng S bị chết do nhiệt -> chuột chết

-> Kết kuận: tế bào vi khuẩn nòi R đã nhận được đặc tính tạo vỏ ở nòi S

- 1994, Oswald Avery, Colin Malead và Maclyn MC Carti đã tách ADN từ nòi S đưa vào môi trường nuôi cấy nòi R -> xuất hiện nòi S-> ADN nòi S đã biến nạp vào nòi R -> Rb

có tính tạo vỏ

Kết luận : ADN là vật chất di truyền

b Các chứng minh trên thực khuẩn thể

- 1952, Alfred Hershey và Martha Chase:

- 2 mẫu virus: + một mẫu trên ADN được đánh dấu bằng 32P

+ mẫu kia trên protein được đánh dấu bằng 35S

Sau 1 chu kỳ sinh sản khi cho E coli phát triển trên môi trường đồng vị phóng xạ 32P và

35S được dùng làm chất đánh dấu đặc thù để phân biệt ADN và protein

1 dòng E coli được lây nhiễm phage đánh dấu 32P và dòng kia 35S

Kết quả: 35S nằm lại ngoài tế bào vi khuẩn với vỏ bọc virus trống rỗng

32P nằm bên trong tế bào -> vi khuẩn sinh sản cho thế hệ virus mới

Kết luận: vật chất di truyền của virus là ADN chứa không phải protêin

- Virus khảm thuốc lá chứa ARN Chúng sử dụng ARN như vật chất di truyền

1.1 Cấu trúc ADN

1.1.1 Thành phần hoá học và cấu trúc không gian của ADN

* Thành phần hoá học:

ADN là phân tử trùng hợp lớn (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) gọi là nucleotit, mỗi nucleotit gồm:

+ Đường pentose, 5 cacbon (deoxyribose –C5H10O4

+ Nhóm photphát

+ Bazơ nitơ

- Nhóm photphat gắn vào C số 5’ của deoxyribose, bazơ nitơ gắn vào C số 1’ Có 4 loại nucleotit:

+ Dẫn xuất của purin:

• Adenin (A)

• Guanin (G)

+ Dẫn xuất của pyrimidin:

• Timin (T)

• Xytodin (X)

Các nucleotit được nối với nhau thành chuỗI polypeptit Nhóm photphat liên kết với C

số 5’ ở 1 đường tiếp theo (liên kết photphodieste) -> đầu 5’ (5’ – P) và đầu 3’ (3’ – OH)

(Hình 2.3 – tr51)

- [A] + [G] = [T] + [C]

- [A] = [T] ; [G] = [C]

- Tỷ lệ A+T - 1 chỉ số đặc trưng của loài (tỷ số bazơ)

G+C

*Cấu trúc không gian

(Hình 2.4 - tr 52)

-1953, James Watson và Fransis Cric:

+ Hai mạch đơn polynucleotit xoắn nhau-> chuỗi xoắn kép, trong đó bazơ nitơ mạch này liên kết với bazơ nitơ mạch kia bằng cầu nối hiđrô, theo nguyên tắc bổ sung

+ Mỗi vòng của chuỗi xoắn kép gồm 10 cặp bazơ, l= 34A0-> khoảng cách giữa 2 bazơ liền nhau là 3,4A0 = 0,34nm

+ Các vòng xoắn nối tiếp nhau và cuốn quanh 1 trục dọc chung, các bazơ nằm ngang song song và vuông góc với trục của chuỗi xoắn kép

+ Hai sợi trong phân tử ADN có hướng ngược nhau -> tính chất phân cực đối ngược, song song ngược chiều nhau của hai sợi

(Hình 25- tr53)

+ Chiều xoắn:

* Dang Watson Crick - dạng B - xoắn phải: các cặp bazơ nằm thẳng góc với trục chuỗi xoắn

* Dạng Z - xoắn trái, mỗi vòng xoắn 12 cặp bazơ

* Dạng A, C: khác nhau về số cặp bazơ ở chu kỳ xoắn và độ nghiêng

1.1.2 Những đòi hỏi tất yếu của vật chất di truyền mà ADN đáp ứng được

- Vật chất di truyền phải tàng trữ tất cả thông tin cần thiết để điều khiển những cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của tế bào

- Vật chất di truyền được tái bản một cách chính xác để truyền đạt thông tin cho các thế hệ tế bào sau

- Vật chất di truyền phải có khả năng xảy ra và ghi nhận những biến đổi, thông tin khi

đã biến đổi phải được ổn định và di truyền được

1.2 Các dạng kiến trúc các trật tự nuclêotit trong ADN nhiễm sắc thể

1.2.1 ADN kiến trúc đơn bản

Là phần ADN chính của genom

1.2.2 Các dạng ADN kiến trúc lặp bản, các ý nghĩa của chúng

- ADN có các trật tự lặp lại với bội số trung và cao

+ Trung bình: số bản sao 20-50

+ Cao: số bản sao 250 –6000 hoặc 105

- ADN có các trật tự lặp lại với bội số rất cao :106 bản

- Ý nghĩa: Tham gia vào quá trình tiếp hợp của đôi NST tương đồng, tham gia vào quá trình trao đổi chéo gen, quá trình tái cấu trúc của NST và quá trình hoạt hoá gen Ngoài

ra còn bảo vệ các gen qua trọng, bảo toàn khối liên kết gen

1.3 Tái bản ADN

1.3.1 Nguyên lý bản bảo toàn

- Trong cơ chế tái bản bán bảo toàn, chuỗi xoắn kép được tách ra 2 mạch đơn, mỗi mạch đơn của ADN gốc được dùng làm khuôn cho tổng hợp 1 mạch mới Kết quả 2 chuỗi kép được hình thành, mỗi một trong chúng chứa một mạch gốc và một mạch mới

- Thí nghiệm của Meselson – Stahl (1957):

Dựa vào hiệu lực của đồng vị phóng xạ nặng 15N và kỹ thuật tách các đại phân tử trên

cơ sở trọng lượng:

(Hình 2.7 – tr55)

+ Nuôi E coli qua một số thế hệ với nguồn độc nhất chứa 15N

+ Đặt một mẫu các tế bào vi khuẩn chứa 15N trong môi trường 14N đến khi ADN tái bản trở lại -> đưa ADN này vào ly tâm siêu tốc

+ Một thế hệ thứ 2 lại được cho phát triển trong môi trường 14N -> ADN lại được đưa vào siêu ly tâm

(Dung dịch chloride cesium – Cscl-> được dùng trong siêu ly tâm, nó tạo thành 1 gradien nồng độ liên tục Khi cho ADN vào chúng sẽ lắng xuống với 1 hàm lượng tương đương với nồng độ chúng)

-> Kết quả:

+ Các mẫu thí nghiệm chứa nhiều ADN nhẹ hơn

+ Nồng độ của ADN thế hệ thứ nhất = ½ ADN ban đầu và nhẹ bình thường -> ADN chứa 1 sợi cũ (nặng) và 1 sợi mới (nhẹ)

+ Thế hệ thứ 2 chứa một nửa của một nửa ADN nặng và 1 nưả ADN nhẹ

Kết luận: ADN được tái bản theo kiểu bán bảo toàn

1.3.2 Cơ chế tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ – sinh vật nhân chuẩn

a Hệ enzim tái bản ADN

Vi khuẩn

* ADN – polymerase I : 400 phân tử trong 1 tế bào,

TLPT- 109.000 dalton

Chức năng: sửa chữa ADN

* ADN - polymerase II: 100 phân tử trong 1 tế bào TLPT-

120.000 dalton

Chức năng: xác định sự bắt đầu tổng hợp 1 phân

đoạn mới ADN và kết thúc sự tổng hợp ADN

* ADN - polymerase III: 10 phân tử trong 1 tế bào TLPT-

180.000 dalton

Chức năng: gia tăng chiều dài của sợi mới được tổng

hợp

Tế bào nhân chuẩn

* ADN - polymerase α: 120.000 – 300.000 dalton Chức năng : tái bản ADN của nhân

* ADN - polymerase β:30.000-50.000 dalton Chức năng : sửa đổi ADN

* ADN - polymerase γ: 150.000 –300.000 dalton

Chức năng: tái bản hệ gen ty thể

b Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn)

- Quá trình tái bản ở vi khuẩn và tế bào nhân chuẩn là tương tự nhau Tuy nhiên ở tế bào nhân chuẩn xảy ra phức tạp hơn

- Quá trình tháo xoán chuỗi kép:

+ Enzim topoizomerase tham gia vào sự cắt ADN ở 1 sợi và nhanh chóng khôi phục khía đứt

+ ADN helicase tham gia vào tháo duỗi xoắn của 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 8 bazơ của sợi đơn ADN

Chặc tái bản:

- Vi khuẩn

(Hình 2.8 – tr56)

- Tế bào nhân chuẩn :

(Hình 2.11 – tr58)

- Quá trình lắp ráp các nuleotit ở chạc tái bản:

+ Khởi đầu tái bản ADN bằng ARN - mồi:

Enzim ARN - polymerase hoạt động tổng hợp nên đoạn ARN mồi ngắn (trình tự bazơ trong ARN mồi được định hướng theo trình tự nucleotit của sợi ADN khuôn), tạo ra đầu

3’OH tự do, để sau đó enzim polymerase III bắt đầu hoạt động tái bản

+ Loại bỏ ARN mồi và hình thành những phân đoạn okazaki:

ADN polymerase I có hoạt động loại bỏ ARN mồi nhờ cắt từ đầu 5’ –3’ và thay vào chỗ của ARN mồi 1 đoạn ADN khác

1969,R Okazaki chứng minh kiểu tái bản nửa gián đoạn của ADN:

Bằng cách đánh dấu nhanh ADN đang tái bản với 3H - thimidin Okazaki đã chứng minh: ADN mới tái bản đều ở dạng những đoạn ngắn từ 1000 - 2000 Nu (đoạn okazaki) Đoạn okazaki được bắt đầu bằng một 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 do và kéo dài, theo chiều 5’–3’ Sau khi loại bỏ ARN và lấp đầy khoảng trống dưới tác dụng của ADN- polymerase I các đoạn okazaki được nối lại với nhau bằng enzim nối ADN ligase

Sợi ADN được tổng hợp bằng cách nối các đoạn okazaki gọi là sợi ra chậm, là sợi được tổng hợp không liên tục, dùng khuôn cũ, chiều 5’ –3’

Sợi kia được tổng hợp liên tục, dựa trên khuôn sợi cũ, chiều 3’–5’ (chiều mở của chạc ba) gọi là sợi dẫn đầu, đây là sợi mang đoạn mồi

-> Đó là kiểu tái bản nửa gián đoạn

+ Nối các đoạn okazaki nhờ enzim nối ligase:

ADN polymerase III vừa hoàn thành tổng hợp đoạn mới, sẽ tách khỏi ADN và ADN - polymerase I sẽ thế chỗ, tiếp tục tổng hợp phân đoạn mồi theo chiều 5’–3’, đồng thời do hoạt tính exonuclease, nó loại bỏ đoạn mồi của đoạn okazaki trước đó theo chiều 5’ –3’ Khi ADN polymerase I kết thúc, tồn tại khe hở giữa 2 đoạn okazaki liền nhau mới hình thành Khe hở được lấp kín bởi xúc tác của enzim nối (ADN ligase)

(Hình 2.10- tr57)

-> Ở nhân chuẩn khác vi khuẩn:

- Hệ thống các yếu tố tham gia vào quá trình tái bản ở tế bào nhân chuẩn phức tạp hơn nhiều

- Quá trình tái bản ở các NST ở tế bào nhân chuẩn xảy ra không đồng thời, xảy ra tại nhiều điểm, thời gian tái bản lâu hơn

1.3.3.Tái bản ADN theo cơ chế vòng lăn:

Tái bản bắt đầu từ một điểm cắt trên 1 sợi của chuỗi xoắn kép.Từ điểm cắt mở ra đầu

3’-OH và đầu 5’–P Sự tổng hợp mới bắt đầu bằng sự lắp ráp vào đầu 3’–OH, đồng thời đầu 5’–P dịch khỏi vòng và sự lắp ráp được tiến hành theo những đoạn nhỏ Khi sự chuyển động kết thúc 1 vòng, thì 1vòng ADN mới được hoàn tất

(Hình 2.13 – tr60) 1.4 Tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn

1.4.1 Đặc điểm cấu trúc NST ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn)

- Trong tế bào sinh vật nhân sơ nhân chưa được hình thành hoàn chỉnh, chưa có màng bao bọc

- Cấu trúc của tế bào vi khuẩn điển hình bao gồm một khối nguyên sinh, trong đó có thể nhân, trong thể nhân phân tử ADN cụm lại được bao bọc quanh bởi chất nhân

(nucleoplasme), thể nhân không có màng riêng Phân tử ADN có cấu trúc dạng vòng, được gấp và cuộn thành nhiều vòng xoắn

(Hình 1.1- tr16)

- E.coli: ADN 300μm được thắt vòng bởi phân tử ADN -> 25μm -> 1,5μm

- Phương thức truyền đạt vất chất di truyền cho thế hệ sau:

- Vi khuẩn sinh sản bằng phân chia đơn giản hoặc phân cắt sau quá trình tự nhân đôi của NST

- Ngoài NST chính, vi khuẩn còn có các plasmid mang ADN vòng, kép có khả năng tự sao độc lập với NST

1.4.2 Đặc điểm cấu trúc nhân của tế bào nhân chuẩn

- Tế bào có cấu trúc nhân hoàn chỉnh – nhân có màng bao bọc, có từ 2 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 thế hệ sau:

Phương thức hoạt động chính xác của các NST trong nguyên phân và giảm phân với các

cơ chế sinh học chặt chẽ như cơ chế tự nhân đôi, phân ly và tổ hợp của các NST

Có khối lượng nhiều loại protêin khác nhau kết hợp với ADN trong NST (80%):

+ Protêin histon (protêin bazơ)

+ Protêin không có histon (proêin axít)

1.5.Cấu trúc trên phân tử của sợi nhiễm sắc

1.5.1 Thành phần hoá học của sợi nhiễm sắc

- ADN dài: + protêin histon (chứa các ARN - - ARN nhân)

+ Protêin không histon

+ Ion kim loại (Mg2+, Ca2+, Na+…)

- Histon: là các protêin có phân tử ngắn, chứa từ 100 – 200aa

5 loại: H1, H2A, H2B,H3, H4

+ 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 cơ bản (bậc 1) của sợi nhiễm sắc

(Hình 1.8-1.9 –tr25)

- Mức đơn giản nhất là nuclesome: cấu tạo từ 8 phân tử histon (octamer), được cuộn quang bởi ADN:

+ 2 phân tử H3 và 2 phân tử H4 liên kết ở vùng trung tâm

+ 2 phân tử H2A và 2 phân tử H2B liên kết phía ngoài

Trong mỗi nucleosome, octamer histon được quấn bởi 1 ¾ vòng sợi ADN, mỗi vòng dài

80 cặp Nu, làm thành vòng quấn 140 cặp Nu của ADN quấn quanh 8 phân tử histon Mỗi nucleosome có điều kiện 100A0 -> sợi ADN cuộn tròn, quấn quanh histon được giảm chiều dài theo hệ số 7

Nucleosome này nối với nucleosome kia bằng ADN nối (15 - 100 cặp Nu)

-> Sợi cơ bản của NST (100Ao)

1.5.3 Cấu trúc solenoid và các mức kết tụ, ý nghĩa

- Sợi cơ bản xoắn tiếp 1 mức nữa (xoắn bậc hai) -> sợi NS (đường kính 250A0) – solenoid

(Hình 1.10- tr26)

- Trong NST trung kỳ, solenoid cuộn xoắn một lần nữa -> một ống rỗng (đường kính 2000A0) -> ADN với chiều dài đã co giảm theo hệ số 18

- Ống 2000A0 cuộn xoắn tiếp -> cuộn xoắn lớn hơn (đường kính 2000A0) -> cromatit ở kỳ giữa

-> Sơ đồ các mức kết tụ

- Ý nghĩa:

Giải quyết hai vấn đề cơ bản:

- Hoạt hoá gen - thể hiện thông tin di truyền

- Vận động – phân phối đều và chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào -> Kết luận:

Cấu trúc trên phân tử của sợi NST và quá trình kết tụ của nó có ý nghĩa lớn trong sự hoạt hoá gen - thể hiện thông tin di truyền, và trong sự vận động phân phối đều và

chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào ADN, với mô hình cấu trúc ở cấp độ phân tử, và mô hình về cấu trúc trên phân tử (NST) của nó đã chứng tỏ tính hoàn thiện tối cao của vật chất mang thông tin di truyền - vật chất trung tâm của sự sống

1.6 Cấu trúc nhiễm sắc thể ở trung kỳ

1.6.1 Cấu trúc hình thái NST trung kỳ

(Hình 1.4- tr19)

- Dạng kép (do có sự nhân đôi sợi NS)

- Kích thước lớn nhất

- Hình thái:

* Tâm động:

+ Là khối ADN – protêin bền vững

+ Là nơi đính vào của các sợi tơ vô sắc

+ Thường mỗi NST có 1 tâm động Vị trí của tâm động -> quyết định hình dáng NST

* Vai NST

* Eo thắt

* Thể kèm: vai trò trong tổng hợp ARN riboxom của 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 chắc chắn khi xoắn lại

(Hình 1.11 – tr27)

- Ý nghĩa:

+ Vân động để phân chia về hai cực của tế bào

1.6.2 Kiểu nhân

- Khái niệm: Bộ NST đầy đủ các đặc điểm về hình thái và số lượng cụ thể gọi là kiểu nhân của loài đó

- Ví dụ: Bộ NST (2n) ở một số loài sinh vật : (Tr20)

1.6.3 Chất nguyên nhiễm sắc, chất dị nhiễm sắc, phân lập các NST

- Chất nhiễm sắc: ADN với protêin histon và protêin không histon

Do tính chất kết tụ của sợi ADN với các protêin ở các vùng nào đó trên NST là khác biệt

so với bình thường làm cho vùng bắt màu đậm hơn – vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) và 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 và không ổn định

+ Gen ở vùng dị nguyên nhiễm sắc thường bất hoạt

- Dựa vào vùng dị nhiễm sắc ổn định -> phân biệt NST khi chúng có kích thước, hình dạng giống nhau

- Tiêu chuẩn để phân lập các NST:

+ Hình dạng NST

+ Kích thước NST

+ Vị trí các băng ổn định

1.7 Chu kỳ tế bào và phân chia nguyên nhiễm

1.7.1 Chu kỳ tế bào

(Hình 1.12- tr28)

- Khái niệm: là quá trình hoạt động của tế bào từ lần phân chia này -> lần phân chia tiếp theo

- Tĩnh kỳ: tế bào chưa phân chia gồm:

+ Giai đoạn trước tổng hợp ADN (G1): tế bào chuẩn bị cơ sở vật chất để bước vào tổng hợp ADN

+ Giai đoạn tổng hợp ADN (S): tái bản ADN NST,tổng hợp protêin

+ Giai đoạn sau tổng hợp ADN (G2): tích lũy năng 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 quả từ một tế bào (2n) -> 2 tế bào (2n)

- Vai trò của các pha:

+ Gen làm việc cơ bản