sinh học phân tử

Bài giảng học phần Sinh học phân tử (TS. Nguyễn Văn Duy, tổng hợp và biên soạn) Mục lục Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Cấu trúc phân tử Chương 3: Tách nucleic acid Chương 4: Nhân gen PCR Chương 5: Lai phân tử Chương 6: Giải trình tự Chương 7: Công nghệ DNA tái tổ hợp Chương 8: Biểu hiện gen Phụ lục: Thuật ngữ Tài liệu tham khảo Chương 1: Giới thiệu Sinh học phân tử ra đời từ sự kết hợp của các nhà vật lý học, hóa học cấu trúc, vi sinh vật học và di truyền học. Năm 1953, Watson và Crick khám phá ra cấu trúc xoắn kép của DNA, đánh dấu sự ra đời chính thức của sinh học phân tử, mở ra cánh cửa mới cho công nghệ sinh học hiện đại. 1. Sinh học phân tử là gì? Sinh học phân tử là một nhánh của sinh học nghiên cứu sự sống ở mức độ phân tử. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu là nucleic acid và protein. Phạm vi nghiên cứu của Sinh học phân tử có phần giao thoa với các ngành khác trong sinh học đặc biệt là Di truyền học và Hóa sinh. Trong khi Di truyền học tập trung vào chức nănsg của các gen, Hóa sinh quan tâm nhiều đến vai trò của protein trong tế bào, Sinh học phân tử chủ yếu nghiên cứu mối quan hệ gen và protein. Làm thế nào đế gen biểu hiện thành protein? Có những mối tương tác gì giữa các hệ thống cấu trúc khác nhau trong tế bào, bao gồm mối quan hệ qua lại giữa quá trình tổng hợp của DNA, RNA và protein? Cơ chế nào điều hòa các mối tương tác này? 2. Lịch sử sinh học phân tử Nguồn gốc ra đời sinh học phân tử bắt đầu từ những năm 1930 khi đồng thời các nhà vật lý học, hóa sinh cấu trúc và di truyền học cùng quan tâm đến một vấn đề: chức năng của các gen. Năm 1953, Watson và Crick khám phá ra cấu trúc xoắn kép của DNA, đưa sinh học phân tử bước vào giai đoạn cổ điển với nhiệm vụ giải thích các nguyên lý cơ bản: đơn vị di truyền, thông tin di truyền và cơ chế phân tử của biểu hiện gen. Cho đến những năm 1970, những vấn đề ấy đã cơ bản được giải quyết. Nhiệm vụ của các nhà sinh học phân tử lúc ấy là ứng dụng những kỹ thuật sinh học phân tử để giải quyết những vấn đề còn lại trong các lĩnh vực khác nhau của sinh học. Giai đoạn này gọi là thời kỳ "Đi vào phân tử", đánh dấu sự ra đời của hàng loạt các ngành mới tiếp cận ở mức độ phân tử như miễn dịch phân tử, di truyền phân tử, tiến hóa phân tử, Từ những năm 1980, sinh học phân tử đi vào "Giai đoan genomics" khi các nhà khoa học quan tâm mạnh mẽ đến mối tương tác giữa các gen trong hệ gen. Các phương pháp mới như giải trình tự trên quy mô lớn, proteomics, microarrays, tin sinh học được thử nghiệm và ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu hệ gen học (genomics), hệ protein học (proteomics) và mong muốn ứng dụng trong liệu pháp gen và chuẩn đoán các bệnh lây nhiễm và di truyền cũng như tìm cách chữa trị những căn bệnh thế kỷ: ung thư! 3. Đề cương học phần 3.1. Thông tin về học phần Tên học phần: Sinh học phân tử Số tín chỉ: Đào tạo trình độ: Đại học Cho sinh viên năm thứ: 3 Học phần tiên quyết: Hóa sinh học, Tế bào học, Di truyền học, Vi sinh đại cương Phân bổ tiết giảng của học phần: - Nghe giảng lý thuyết: 23 tiết - Làm bài tập trên lớp: 5 tiết - Thảo luận: 8 tiết - Thực hành, thực tập (phòng thí nghiệm): 15 tiết - Tự nghiên cứu: 9 tiết Khoa/Viện, Bộ môn quản lý học phần: Bộ môn Công nghệ Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường 3.2. Tóm tắt nội dung và mục tiêu học phần Học phần sinh học phân tử đòi hỏi sinh viên nắm vững những nguyên lý cơ bản trong sinh học phân tử (thông tin di truyền, đơn vị di truyền, cơ chế phân tử), có kiến thức và kỹ năng thành thạo về các phương pháp sinh học phân tử cơ bản (tách chiết nucleic acid, PCR, thao tác gen cho nhân dòng và biểu hiện gen, phân tích trình tự DNA), tiếp cận các phương pháp hiện đại trên thế giới (công nghệ DNA tái tổ hợp, phân tích cấu trúc và biểu hiện của hệ gen), và có hiểu biết thực tế về ứng dụng của sinh học phân tử trong y dược và thủy sản ở Nam Trung Bộ và Việt Nam 3.3. Danh mục vấn đề của học phần 1. Giới thiệu về học phần 2. Cấu trúc phân tử 3. Tách nucleic acid 4. Nhân gen PCR 5. Lai phân tử 6. Giải trình tự 7. Công nghệ DNA tái tổ hợp 8. Phân tích biểu hiện gen Chương 2: Cấu trúc phân tử Các đại phân tử sinh học bao gồm protein, nucleic acid, lipid và carbohydrate. Cho đến những năm 1950, cấu trúc của các thành phần cơ bản trong tế bào đã được hiểu rõ. Trong vòng nửa thế kỷ sau đó, những cấu trúc phân tử mới lần lượt được khám phá như protein, DNA, virus, kênh ion, ribosome. 1. Cấu trúc protein Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là amino acid. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptide, tạo ra chuỗi polypeptide, có thể xoắn cuộn hoặc gấp trong không gian. Amino acid - Đơn phân của protein Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các amino acid. Amino acid được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amino (- NH 2 ), hai là nhóm carboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử carbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của amino acid. Có tất cả 20 amino acid đã biết trong thành phần của các loại protein khác nhau trong cơ thể sống. Các amino acid trùng hợp thành chuỗi polypeptide như sau: Cấu trúc không gian Có 4 bậc cấu trúc của protein:  Cấu trúc bậc một: Các amino acid nối với nhau bởi liên kết peptide hình thành nên chuỗi polypepetide. Đầu mạch polypeptide là nhóm amino của amino acid thứ nhất và cuối mạch là nhóm carboxyl của amino acid cuối cùng. Cấu trúc bậc một của protein có vai trò tối quan trọng vì trình tự các amino acid trên chuỗi polypeptide sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptide, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và quyết định tính chất và chức năng của protein.  Cấu trúc bậc hai: Là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptide trong không gian. Chuỗi polypeptide thường không ở dạng thẳng mà xoắn lại tạo nên cấu trúc xoắn α và cấu trúc nếp gấp β, được cố định bởi các liên kết hydro giữa những amino acid ở gần nhau. Các protein sợi thường gồm nhiều xoắn α, trong khi các protein cầu có nhiều nếp gấp β hơn.  Cấu trúc bậc ba: Các xoắn α và phiến gấp nếp β có thể cuộn lại với nhau thành từng búi có hình dạng lập thể đặc trưng cho từng loại protein. Cấu trúc không gian này có vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng của protein. Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của nhóm -R trong các mạch polypeptide. Ví dụ, nhóm -R của cystein có khả năng tạo cầu nối disulfur (-S-S-), nhóm -R của prolin cản trở việc hình thành xoắn, từ đó vị trí của chúng sẽ xác định điểm gấp, hay những nhóm -R ưa nước thì nằm phía ngoài phân tử, còn các nhóm kị nước thì chui vào bên trong phân tử.  Cấu trúc bậc bốn: Khi protein có nhiều chuỗi polypeptide phối hợp với nhau thì tạo nên cấu trúc bậc bốn của protein. Các chuỗi polypeptide liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hydro. Cấu trúc không gian 3D của protein triose phosphate isomerase Chức năng của protein Loại protein Chức năng Ví dụ Protein cấu trúc Cấu trúc, nâng đỡ Collagen và Elastin tạo nên cấu trúc sợi rất bền của mô liên kết, dây chẳng, gân. Keratin có trong, lông, móng. Protein tơ nhện, tơ tằm tạo nên độ bền vững của tơ nhện, vỏ kén Enzyme Xúc tác phản ứng sinh học Các enzyme thủy phân trong dạ dày phân giải thức ăn, enzyme Amylase trong nước bọt phân giải tinh bột chín, enzyme Pepsin phân giải protein, enzyme Lipase phân giải lipid Hormone Điều hòa hoạt động sinh lý Hormone Insulin và Glucagon do tế bào đảo tụy thuộc tuyến tụy tiết ra có tác dụng điều hòa hàm lượng glucose trong máu động vật có xương sống Protein vận chuyển Vận chuyển các chất Huyết sắc tố Hemoglobin có chứa trong hồng cầu động vật có xương sống có vai trò vận chuyển oxy từ phổi theo máu đi nuôi các tế bào Protein vận động Vận động tế bào và cơ thể Actinin, Myosin có vai trò vận động cơ. Tubulin có vai trò vận động long, roi của các sinh vật đơn bào Protein thụ quan Cảm nhận, đáp ứng kích thích Thụ quan màng của các tế bào thần kinh Protein dự trữ Dự trữ chất dinh dưỡng Albumin lòng trắng trứng giúp cho phôi phát triển. Casein trong sữa mẹ cung cấp amino acid cho con. Trong hạt cây có chứa nguồn protein dự trữ cần cho nảy mầm 2. Cấu trúc DNA Deoxyribonucleic acid (DNA) là một phân tử nucleic acid mang thông tin di truyền mã hóa cho các protein hoặc các chức năng khác ở tất cả các sinh vật, bao gồm virus. Trong những tế bào sinh vật nhân thật (eukaryote), DNA nằm trong nhân tế bào trong khi ở các tế bào prokaryote, DNA không được màng nhân bao bọc, vẫn nằm trong tế bào chất. Ở những bào quan sản sinh năng lượng như lục lạp và ty thể, cũng như ở nhiều loại virus cũng mang những phân tử DNA đặc thù. Mỗi phân tử DNA được tạo thành từ hai chuỗi polynucleotide, chúng liên kết với nhau và uốn quanh 1 trục tương tự 1 chiếc thang dây xoắn. Cấu trúc này được gọi là cấu trúc xoắn kép (double helix) do Watson & Crick khám phá năm 1953. Mỗi chuỗi polynucleotide chính là do các phân tử nucleotide liên kết với nhau thông qua liên kết phosphodieste giữa gốc đường của nucleotide này với gốc phosphate của nucleotide tiếp theo. Mỗi nucleotide được tạo thành từ một phân tử đường ribose, một gốc phosphate và một base (nucleobase). Trong DNA chỉ có 4 loại nucleotide và những loại này khác nhau ở thành phần nucleobase. Do đó tên gọi của các loại nucleotide xuất phát từ gốc nucleobase mà nó mang: Adenine (A), Thymine (T), Cytosine (C), và Guanine (G). Trong đó, A và G là các purine (có kích thước lớn) còn T và C là pyrimidine, (có kích thước nhỏ hơn). Trong môi trường dịch thể, 2 chuỗi polynucleotide của 1 phân tử DNA liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Do cấu tạo hoá học của các nucleobase mà liên kết hydro chỉ hình thành giữa 2 loại nucleobase nhất định là A với T (qua 2 liên kết hydro) và C với G (bằng 3 liên kết hydro). Đó thực chất là liên kết giữa một purine và một pyrimidine nên khỏang cách tương đối giữa 2 chuỗi polynucleotide được giữ vững. Nguyên tắc hình thành liên kết trên được gọi là nguyên tắc bổ sung và nó phổ biến trên mọi loài sinh vật. 3. Cấu trúc RNA Ribonucleic acid (RNA) là một loại nucleic acid nhưng khác DNA ở chỗ có dạng mạch đơn hoặc mạch vòng, chứa đường ribose thay vì deoxyribose và Uracil thay cho Thymine. Ở một số loài mà không có DNA (như virus), thì RNA đóng vai trò là vật chất di truyền. RNA chủ yếu nằm trong tế bào chất, có cấu tạo đa phân do nhiều đơn phân là ribonucleotide kết hợp lại. Mỗi ribonucleotit bao gồm : đường pentose(C 5 H 10 O 5 ), photphoric acid H 3 PO 4 , một trong bốn loại nitơ base (hợp chất base có chứa nguyên tử nitơ): Adenine (A), Guanine (G), Uracil (U), Cytosine (C). Các ribonuleotide được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị giữa đường của ribonucleotide này với H 3 PO 4 của ribonucleotide kế tiếp, tạo thành chuỗi polyribonucleotide RNA có vai trò trong các quá trình phiên mã và dịch mã thông tin di truyền và được chia làm ba loại chính:  RNA thông tin (kí hiệu: mRNA, viết tắt từ messenger RNA): gồm một sợi polynucleotide dạng thẳng, có chức năng sao chép thông tin di truyền từ gen cấu trúc đem đến ribosome là nơi tổng hợp protein.  RNA vận chuyển (kí hiệu: tRNA, viết tắt từ transport RNA): là một mạch polynucleotide có từ 80 đến 100 ribonucleotit tự xoắn như hình chạc ba nên một số đoạn có nguyên tắc bổ sung A-U; G-C. Có những đoạn không có nguyên tắc bổ sung, những đoạn này tạo thành các thùy tròn. Một trong các thùy tròn mang bộ ba đối mã . Một sợi mút của sợi RNA 3' gắn với một acid amin và đầu mút tự do 5' . Mỗi tRNA chỉ vận chuyển một loại amino acid ứng với bộ ba đối mã mà nó mang. Các amino acid sẽ được vận chuyển đến ribosome để tổng hợp protein .  RNA ribosome (kí hiệu: rRNA, ribosome RNA): gồm một mạch dạng xoắn tương tự tRNA. Nó cùng với các phân tử protein cấu trúc nên ribosome. Bên cạnh ba loại RNA trên đã được nghiên cứu khá kỹ, vai trò của một số loại RNA khác mới được phát hiện vào những năm cuối thế kỷ 20 hay đầu thế kỷ 21. Chúng điều khiển hoạt động gen hoặc tham gia vào các quá trình phát triển, biệt hoá tế bào như RNAi (RNA interference) hay microRNA, tham gia phản ứng đọc sửa thông tin di truyền trên phân tử mRNA (hiện tượng RNA editing) hay quyết định tính bền vững của mRNA (các ribonuclease). 4. Cấu trúc hệ gen Hệ gen (hệ gen) là toàn bộ các gen trong một cá thể sinh vật. Nó chứa mọi thông tin di truyền đặc trưng cho từng loài, thậm chí cho từng cá thể trong loài. Hệ gen có thể bao gồm các phân tử DNA hoặc RNA. Ở các sinh vật nhân thật (eukaryote), 99% hệ gen nằm trong nhân tế bào và phần còn lại nằm trong một số bào quan như ty thể và lạp thể. Đa số hệ gen vi khuẩn và phần hệ gen chứa trong các bào quan thường có kích thước nhỏ và ở dạng vòng khép kín. Ngược lại, phần hệ gen trong nhân thường rất lớn và phân bố trên các nhiễm sắc thể dạng thẳng. Hệ gen ty thể của người: gồm 22 gen tRNA, 2 gen rRNA, và 13 vùng mã hóa protein. Hệ gen của bào quan mã hóa cho một số, không phải tất cả, các protein được tìm thấy trong bào quan. Do có nhiều bào quan trong một tế bào, cho nên có nhiều hệ gen [...]... và phân tích tiếp theo 1 Lịch sử nghiên cứu nucleic acid Năm 1953, Watson và Crick khám phá ra cấu trúc xoắn kép của DNA, đánh dấu sự ra đời chính thức của sinh học phân tử, mở ra cánh cửa mới cho công nghệ sinh học hiện đại Nucleic acid là những hợp chất cao phân tử đóng vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sống của mọi cơ thể sinh vật Chúng tham gia vào các quá trình cơ bản của sự sống như sinh. .. khuẩn, ký sinh trùng ) cho kết quả rất chính xác, di truyền học để sản xuất các marker phân tử, nghiên cứu sự phát sinh các đột biến , đấu tranh chống tội phạm, nghiên cứu phát hiện mối quan hệ giữa người chết với người sống hoặc giữa các nhóm dân tộc Mặt khác, việc phân tích trình tự và thành phần nucleotid của DNA có giá trị rất lớn trong việc định loại các loài sinh vật Chương 5: Lai phân tử Chúng... thuật điện di Nhiều phương pháp trong hóa sinh và sinh học phân tử có sử dụng kỹ thuật điện di Điện di trên gel thường được dùng để phân tách DNA, RNA, oligonucleotide, protein Nguyên lý của việc điện di, chẳng hạn DNA, là khi ở trong điện trường, do tích điện âm nên các phân tử DNA dịch chuyển về phía anode với tốc độ dịch chuyển khác nhau Về nguyên tắc, việc phân tách các chất trong điện di dựa trên... mức độ cá thể trong chọn giống vật nuôi và cây trồng Lai phân tử là lai các nucleic acid hoặc các phân tử protein với nhau 1 Nguyên lý chung Lai các nucleic acid dựa trên nguyên tắc bổ sung, hoặc lai các phân tử protein theo nguyên tắc kháng nguyên - kháng thể Lai nucleic acid là quá trình kết hợp hai sợi nucleic acid đơn, đồng dạng thành một phân tử duy nhất Trong điều kiện bình thường, các nucleotide... tính DNA, các phân tử hầu như đồng nhất về cấu hình, vì vậy tốc độ chạy phụ thuộc chủ yếu vào trọng lượng phân tử Các đoạn DNA càng lớn thì dịch chuyển càng chậm Kết quả là từ một điểm chung (gọi là giếng), các đoạn DNA khác nhau dịch chuyển về một hướng tạo thành một làn (lane), và trên làn đó có các băng (band) DNA khác nhau tương ứng với trọng lượng phân tử của chúng Đối với các phân tử protein, do... các gel để phân ly các phân tử DNA có độ dài khác nhau, các kỹ thuật mới liên quan đến phát hiện huỳnh quang của các nucleotide được đánh dấu, phân tích trình tự DNA bằng khối phổ, điện di mao quản hoặc lai với các đoạn oligonucleotide được tổng hợp nhân tạo Những tiến bộ nhanh chóng trong lĩnh vực kính hiển vi điện tử cho phép quan sát chi tiết cấu trúc bề mặt của phân tử nucleic acid và phân biệt... quả nghiên cứu trước đó của Chargaff và Wilkins, hai nhà khoa học ở trường Đại học Tổng hợp Cambridge là Francis Harry Compton Crick (England; 1916-2004) và James Dewey Watson (USA; 1928-2003) đã xây dựng thành công mô hình chuỗi xoắn kép của phân tử DNA Với công trình này, Watson và Crick đã được trao giải thưởng Nobel về y học và sinh lý học năm 1962 Từ đó Crick đã xây dựng một chuỗi xoắn kép DNA bằng... trình của Miescher là nhà hóa sinh học (hóa học hữu cơ) người Đức Albrecht Kossel (1853 - 1927) Năm 1882, ông đã phân tích nucleic acid ra những phần nhỏ chứa acid phosphoric, đường và base chứa nitơ (Kossel đã tách được hai pyrimidine và đặt tên là cytosine và thymine, cũng như hai purine với tên adenine và guanine) Do công trình này ông đã đạt giải Nobel về y và sinh lý học vào năm 1910 Một pyrimidine... các nhà khoa học đã chú trọng vào việc tổng hợp DNA Năm 1956 Severo Ochoa (1905 - 1993) và Arthur Kornberg (1918 - ) - hai nhà khoa học người Mỹ đã tổng hợp DNA in vitro bằng cách trộn enzyme DNA polymerase I được chiết xuất từ E coli với các dNTP, DNA khuôn (DNA tự nhiên) và Mg++, DNA thu được không khác DNA tự nhiên Hai nhà khoa học này đã được nhận giải thưởng Nobel về y học và sinh lý học vào năm... trên kích thước của chúng Sau đó, người ta tìm cách chuyển các đoạn DNA phân tách từ gel lên màng lai nitrocellulose Phương pháp này được E M Southern mô tả tại đại học Edingburgh vào năm 1975 Nó đơn giản và hiệu quả Mặc dù cho đến nay đã được cải tiến nhưng phương pháp này vẫn đang được sử dụng ở nhiều phòng thí nghiệm sinh học phân tử trên thế giới với thay đổi không đáng kể Phương pháp Southern blot . mở ra cánh cửa mới cho công nghệ sinh học hiện đại. 1. Sinh học phân tử là gì? Sinh học phân tử là một nhánh của sinh học nghiên cứu sự sống ở mức độ phân tử. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu. vào phân tử& quot;, đánh dấu sự ra đời của hàng loạt các ngành mới tiếp cận ở mức độ phân tử như miễn dịch phân tử, di truyền phân tử, tiến hóa phân tử, Từ những năm 1980, sinh học phân tử đi. cương học phần 3.1. Thông tin về học phần Tên học phần: Sinh học phân tử Số tín chỉ: Đào tạo trình độ: Đại học Cho sinh viên năm thứ: 3 Học phần tiên quyết: Hóa sinh học, Tế bào học, Di