Sinh học phân tử
Trang 1Chơng I
LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ
I Định nghĩa
Theo Francois Jacob thỡ sinh vật học hiện đại cú mục đớch là giải thớch cỏc đặc tớnh của cơ thể sống thụng qua nghiờn cứu cấu trỳc và chức năng của cỏc phõn tử vật chất thành phần
Sinh học phõn tử: là một ngành sinh học hiện đại quan tõm đến việc giải thớch những hiện tượng và quy luật sinh học ở mức phõn tử Cỏc nhà sinh học phõn tử thường sử dụng những kỹ thuật sinh húa để nghiờn cứu những vấn đề di truyền Lịch
sử ra đời và phỏt triển của sinh học phõn tử chính là sự hội tụ và phát triển của nhiều ngành khoa học nh Sinh học tế bào, Di truyền học và Sinh hóa học Có thể túm tắt qua cỏc giai đoạn phỏt triển chớnh sau đõy:
II.Thuyết tiến hóa và tế bào
1 Thuyết tiến húa của Darwin và Wallace
- Đề xuất vào năm 1859, trờn cơ sở quan sỏt giới tự nhiờn.
- Sự phõn bố địa lý của cỏc loài sinh vật trờn trỏi đất theo quy luật nhất định tập
trung thành cỏc trung tõm khởi nguyờn
- Cú sự khỏc và giống nhau giữa cỏc nhúm sinh vật cận thõn
- Sinh vật thường xuyờn biến đổi (qua thời gian dài) do chọn lọc tự nhiờn thụng qua những biến động của mụi trường và chọn lọc nhõn tạo bởi con người, giữ lại những đặc điểm thớch ứng, sau đú được di truyền lại cho thế hệ sau, tạo lờn
sự đa dạng muụn hỡnh muụn vẻ như hiện nay
2 Thuyết tế bào (1666)
- Nhờ sự phỏt minh ra kớnh hiển vi quan sỏt tế bào với độ phúng đại lớn, đa ra quan niệm sinh vật đợc cấu tạo từ một hoặc nhiều tế bào, có sinh vật đơn và đa bào
- Quan niệm về vật sống và không sống, trên cơ sở phân lập thành công tác nhân vi sinh vật gây bệnh Pasteur cho rằng sự sống chỉ có thể sinh ra từ sự sống
Trang 2- Thathias Jacob Schleiden (1838), Theodor Schwann (1839) cho rằng tế bào là
đơn vị sống cơ bản ở cả động vật và thực vật, sau đó Rudolph Virchow (1858) kết luận : mỗi động vật đợc cấu tạo từ một tập hợp các đơn vị sống, mỗi đơn vị mang trong nó tất cả các
đặc tính của sự sống
- Tế bào cụ lập cú khả năng tỏi sinh, phõn chia tế bào, phõn hoỏ rồi sinh trưởng
và phỏt triển thành một sinh vật hoàn chỉnh, đõy là cơ sở của cụng nghệ nuụi cấy mụ tế bào
- Mỗi tế bào đều cú hỡnh thự và kớch thước nhất định, cú cấu tạo bao gồm: thành
tế bào, màng nguyờn sinh chất, tế bào chất chứa cỏc cơ quan tử và nhõn
- Tất cả mọi sinh vật từ tiền nhõn, đơn bào và đa bào đều xuất phỏt từ một tế bào ban đầu và mỗi tế bào dinh dưỡng đều mang đầy đủ tất cả cỏc thụng tin di truyền của một cơ thể
3 Quan niệm hiện đại về cấu trúc tế bào
Nhờ phỏt minh ra kớnh hiển vi điện tử cú thể phúng đại vật quan sỏt lờn hàng
1000 lần đó:
- Phỏt hiện ra nhõn, ty thể, lục lạp và cỏc cơ quan tử khỏc của tế bào
- Khả năng phỏ vỡ tế bào và thu được những cơ quan tử riờng biệt, nghiờn cứu quan sỏt chức năng của chỳng
- Sản phẩm protein của một số gen cú thể cú tỏc dụng điều hũa lờn hoạt động của gen khỏc
- Nuụi cấy thành cụng tế bào động vật cú vỳ trong in vitro bởi Harry Eagles và
Theodore Puck
- Ra đời của ngành virut học
III sinh hóa học và di truyền học
- Sinh húa học chuyờn phõn lập và xỏc định tớnh chất của cỏc phõn tử thành phần trong tế bào Hiện ngời ta cú thể cụ lập và tự tổng hợp nhõn tạo được một số thành phần của vật chất sống
- Bệnh di truyền liờn quan đến thiếu hụt hoặc thừa một chất sinh húa
- Thuyết 1 gen sinh ra 1 enzyme sau này 1 polypeptide
- Phỏt hiện ra những đột biến liờn quan đến húa sinh (thiếu, thừa hoặc mất chất sinh húa) và cơ chế cỏc quỏ trỡnh biến đổi vật chất xảy ra trong cơ thể sống
Trang 3- Từ phỏt minh của Mendel (1865-1900) bắt đầu cú khỏi niệm về một số thuật ngữ như: Tớnh trạng, kiểu gen, kiểu hỡnh, đồng hợp tử, alen, trội, lặn, nhiễm sắc thể, nguồn gen, quỏ trỡnh tạo giao tử, phõn chia nguyờn nhiễm, giảm nhiễm, chuỗi gen liờn kết, di truyền quần thể Di truyền học cú thể túm tắt ở 4 khớa cạnh sau:
+ Nghiờn cứu về quỏ trỡnh di truyền cỏc tớnh trạng từ đời này qua đời khỏc + Di truyền phõn tử giải thớch cấu trỳc và chức năng của gen ở mức độ phõn tử
+ Di truyền quần thể nghiờn cứu sự di truyền cỏc tớnh trạng qua cỏc nhúm
cỏ thể, quần thể và loài
+ Di truyền số lượng nghiờn cứu sự di truyền những tớnh trạng được điều khiển bởi nhiều gen
IV Sự ra đời của sinh học phân tử
1 Đầu tiên xuất phỏt từ những phỏt minh sau:
- Phỏt hiện ra cấu trỳc DNA vào năm 1953, bởi James Watson và Francish Crick
đó khởi đầu thời kỳ phỏt triển hiện đại của sinh học phõn tử
- Cấu trỳc chi tiết của phõn tử DNA, và xỏc định trỡnh tự của chỳng trong bộ genome
- Chứng minh DNA là vật chất mang thụng tin di truyền qua thớ nghiệm trờn vi khuẩn gõy viờm phổi ở chuột
- Afred Hershey đó chứng minh khi thực khuẩn thể xõm nhập vào tế bào vi khuẩn thỡ thực khuẩn thể chỉ chuyền DNA của mỡnh vào tế bào vi khuẩn cũn protein
vỏ vẫn nằm ở bờn ngoài Sau đú chớnh DNA này sử dụng bộ mỏy sinh học của
tế bào vi khuẩn để lại tổng hợp lờn protein và thể thực khuẩn mới Ở đõu cú DNA ở đú cú mang thụng tin di truyền tớnh trạng
2 Cú 3 khỏm phỏ quan trọng vào những năm 60
- mRNA truyền thụng tin di truyền từ DNA (gen)
- Mó di truyền
- Protein được tạo ra từ thụng tin di truyền của gen qua mRNA vào tế bào chất tại đõy nhờ RNA vận chuyển và cỏc ribosome, gọi là quỏ trỡnh dịch mó
- Vật chất sống, xem xét ở mức độ phân tử, đợc cấu tạo từ nhiều
đại phân tử sinh học, trong đó quan trọng nhất là axit nucleic và protein
Trang 43 Phát minh vào cuối năm 1970
- Phỏt hiện ra cỏc enzyme cắt giới hạn DNA
- Nhõn dũng những đoạn DNA được cắt nhờ vector trong tế bào vi khuẩn
- Nhờ xỏc định được trỡnh tự DNA, mà cỏc nhà di truyền cú thể hiểu thấu vai trũ của từng nucleotit trong một gen từ đú cú thể tựy ý tạo ra những đột biến nhõn tạo theo ý muốn
- Chuyển gen mong muốn từ sinh vật này sang sinh vật khỏc tạo sinh vật chuyển gen
V Nội dung môn Sinh học phân tử
Đợc trình bầy trong 15 chơng lý thuyết với nội dung từng chơng đợc tóm tắt dới đây:
- Các đại phân tử sinh học, cấu tạo và chức năng
- Liên kết hóa học yếu và vai trò trong hệ thống sống
- Gen và genome, cấu trúc và chức năng ở các thể sinh vật và cơ quan tử tế bào
- Tính ổn định của DNA, quá trình sao mã bán bảo toàn và cơ chế sửa sai ở hai hệ thống sinh vật
- Cơ chế gây biến đổi DNA, cơ chế phân tử của đột biến và nguyên nhân Biến đổi DNA xẩy ra ở 2 hệ thống sinh vật Tái tổ hợp DNA vở vi sinh vật và trao đổi chéo nhiễm sắc thể ở sinh nhân chuẩn
- Phiên mã sinh tổng hợp RNA, cơ chế phân tử của quá trình Quá trình phiên mã ở hai hệ thống sinh vật
- Mã di truyền và dịch mã, cơ chế phân tử và vai trò các loại RNA trong quá trình tổng hợp protein
- Sự điều hòa và biểu hiện của gen ở hai hệ thống sinh vật, tiền và nhân thật Mô hình operon, điều hòa âm dơng tính và theo cơ chế suy giảm Đặc điểm và các cơ chế điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật Eukaryote Bất hoạt gen bằng công nghệ RNAi, hiện t-ợng và cơ chế
- Kính hiển vi quang học và điện tử, cấu tạo, nguyên lý hoạt động
và úng dụng
- Phơng pháp tách chiết axit nhân, protein, định tính, phân tách
và định lợng bằng quang phổ kế, các phơng pháp điện di, quay li tâm và sắc ký
Trang 5- Enzyme dùng trong kỹ thuật di truyền, enzyme cắt giới hạn, DNA, RNA polymerase, ligase, DNase, RNase Nguồn gốc, cấu trúc, tính năng và ứng dụng
- Phơng pháp lai phân tử, DNA, RNA và protein, cơ sở phân tử của các phơng pháp lai và ứng dụng
- Các loại mẫu dò và phơng pháp đánh dấu DNA, RNA
- Vector và quá trình tạo dòng tách gen, DNA, tính chất và yêu cầu của các loại vector Đờng hớng tách gen và đặc điểm quá trình
- Tổng hợp axit nhân và cơ sở phân tử của phơng pháp PCR, nền tảng cho các phơng pháp phân tích DNA khác nh RAPD, AFLP, SSR