Tiểu luận môn Sinh Học Phân Tử HỌC THUYẾT TRUNG TÂM

PHẦN I: MỞ ĐẦU Tổng hợp protein có các đặc điểm sau: - Các phân tử thông tin như nucleid acidvà protein được tổng hợp theo khuôn.. Tuy nhiên căn cứ vào hang loạt tính chất hóa học các pr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ

KHOA SINH HỌC

-∗∗∗

-ĐINH THỊ NHƯ THỦY

MÃ SỐ: C13003254

HỌC THUYẾT TRUNG TÂM

(Tiểu luận môn Sinh Học Phân Tử)

Người hướng dẫn:

PGS TS Nguyễn Bá Lộc

Huế, 01.2014

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHẦN I: MỞ ĐẦU 2

PHẦN II: NỘI DUNG 4

1 Khái niệm: 6

2 Các vấn đề liên quan: 6

2.1 Tái bản ADN: 6

2.1.1 Các hình thức tổng hợp ADN: 6

2.1.1.1 Tổng hợp bảo thủ: 6

2.1.1.2 Tổng hợp bán bảo thủ: 6

2.1.1.3 Tổng hợp gián đoạn: 6

2.1.2 Các yếu tố tham gia tái bản: 7

2.1.2.1 ADN khuôn: 7

2.1.2.2 Nguyên liệu: các nu thường 7

2.1.2.3 Hệ enzim tái bản: 8

2.1.2.3.1 DNA polymerase : 8

2.1.2.3.2 Các topoisomer và DNA topoisomerase : 8

2.1.2.3.3 Helicase và protein SSB: 9

2.1.2.3.4 DNA ligase: 10

2.1.3 Cơ chế tái bản: 11

2.1.3.1 Giai đoạn mở đầu: 12

2.1.3.2 Giai đoạn kéo dài: 12

2.1.3.3 Giai đoạn kết thúc: `

13

2.2 Phiên mã (sao mã): 14

2.2.1 Các yếu tố tham gia: 14

2.2.1.1 Khuôn: 14

2.2.1.2 Nguyên liệu: 14

2.2.1.3 Enzim: 14

2.2.1.4 Các yếu tố khác: 15

2.2.2 Cơ chế: 15

2.2.2.1 Phiên mã ở Prokaryote: 15

2.2.2.1.1 Giai đoạn mở đầu: 15

2.2.2.1.2 Giai đoạn kéo dài: 15

2.2.2.1.3 Giai đoạn kết thúc: 16

2.2.2.2 Phiên mã ở Eukaryote: 17

2.2.2.2.1 ARN polymerase: 17

2.2.2.2.2 Các vùng điều hòa phiên mã: 17

2.2.2.2.3 Sự phiên mã của gen cấu trúc và hoàn thiện các bản sao ARNm: 17

2.3 Dịch mã (giải mã): 18

2.3.1 Hoạt hóa amino acid: 18

2.3.2 Cơ chế dịch mã: 18

2.3.2.1 Giai đoạn mở đầu: 18

2.3.2.2 Giai đoạn kéo dài: 19

2.3.2.3 Giai đoạn kết thúc: 19

2.2.3 Hoàn thiện phân tử protein: 20

3 Các ngoại lệ của thuyết trung tâm: 21

3.1 Phiên mã ngược: 21

3.2 Nhân đôi ARN: 21

3.3 Dịch mã trực tiếp từ ADN sang protein: 22

3.4 Sự nhân lên của protein: 22

PHẦN III: KẾT LUẬN 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

PHẦN I: MỞ ĐẦU

Tổng hợp protein có các đặc điểm sau:

- Các phân tử thông tin như nucleid acidvà protein được tổng hợp theo khuôn Tổng hợp theo khuôn vừa chính xác vừa ít tốn enzim Tuy nhiên căn cứ vào hang loạt tính chất hóa học các protein không thể làm khuôn mẫu cho sự tổng hợp của chính chúng

Vì vây khuôn mẫu để tổng hợp nên protein không phải là protein

- Sinh tổng hợp protein tách rời về không gian với chỗ chứa AND Nhiều nghiên cứu cho tổng hợp protein có thể xảy ra khi không có mặt DNA Sự kiện này thể hiện rõ ràng nhất ở những tế bào eukaryote Trong những tế bào này, hầu như toàn bộ DNA tập trung ở nhiễm sắc thể trong nhân, còn tổng hợp protein chủ yếu diễn ra ở tế bào chất Tảo xanh đơn bào Acetabularia khi bị cắt mất phần chứa nhân vẫn tổng hợp được protein

và sống vài tháng nhưng mất khả năng sinh sản Rõ ràng, nơi chứa DNA mang thông tin

di truyền và chỗ sinh tổng hợp protein tách rời nhau về không gian

- DNA không phải là khuôn mẫu trực tiếp để tổng hợp protein, do đó phải có chất trung gian chuyển thông tin từ DNA ra tế bào chất và làm khuôn để tổng hợp protein Chất đó phải có cả trong nhân và tế bào chất với số lượng phụ thuộc vào mức độ tổng hợp protein

- Chất trung gian đó được xem chính là RNA nhờ các đặc điểm sau:

+ RNA được tổng hợp ngay ở trong nhân có chứa DNA, sau đó nó đi vào tế bào chất cho tổng hợp protein

+ Những tế bào giàu RNA tổng hợp protein nhiều hơn

+ Về phương diện hóa học RNA gần giống DNA: chuỗi polyribo-nucleotide thẳng cũng chứa 4 loại ribonucleotide A, G, C và uracil (U) Nó có thể nhận được thông tin

từ DNA qua bắt cặp bổ sung

Nói chung, trong tế bào không thể tìm thấy chất nào khác ngoài RNA có thể đóng vai trò trung gian cho tổng hợp protein Mối quan hệ này chính là thông tin di truyền đi từ DNA qua RNA rồi đến protein và được biểu diễn ở hình 1 Mối quan hệ này còn được gọi

là lý thuyết trung tâm (central dogma), được Crick đưa ra từ 1956 đến nay về căn bản vẫn đúng.

Vào những năm 1970, người ta đã phát hiện quá trình phiên mã ngược từ RNA tổng hợp nên DNA nhờ enzyme reverse transcriptase Đến nay, việc sao chép (tổng hợp) RNA trên khuôn mẫu RNA cũng đã được chứng minh ở nhiều loại virus Ngoài ra, thông tin từ protein cũng có thể được truyền sang protein (prion của bệnh bò điên) Riêng dòng thông tin từ protein ngược về mRNA/DNA thì chưa được tìm thấy (Hình 2)

Tóm lại, thông tin từ AND được truyền tải sang ARN và từ ARN sang protein là chính xác bởi cơ chế của các quá trình tái bản, phiên mã và dịch mã Học thuyết trung tâm

đã trình bày như thế nào về điều này? Để làm rõ vấn đề này tôi đã chọn HỌC THUYẾT

TRUNG TÂM để làm đề tài cho bài tiểu luận của mình.

7

PHẦN II: NỘI DUNG

1 Khái niệm:

Luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử quan tâm đến việc vận chuyển từng phần một cách chi tiết của thông tin trình tự Nó khẳng định rằng những thông tin đó không thể được vận chuyển từ protein đến protein hay nucleic acid khác

2 Các vấn đề liên quan:

Đường đi của dòng thông tin chuẩn có thể được tóm tắt một cách vắn tắt và đơn giản

hóa là "DNA tạo ra RNA tạo ra proteins, để rồi nó lại tiếp tục hỗ trợ cho cho hai bước

trước cũng như cho quá trình nhân đôi của DNA", hay đơn giản là "DNA → RNA →

protein" Quá trình này vì thế được tách làm 3 giai đoạn: phiên mã, dịch mã, và tái tạo

Nhờ có các tri thức mới về quá trình xử lí RNA, một bước thứ tư (nằm ở giữa bước 1

và 2 cũ, nhằm chuyển từ pre-mRNA trở thành mRNA hoàn chỉnh bằng cách loại bỏ

các intron không có giá trị về di truyền, được phát hiện: cắt xén(splicing).

2.1 Tái bản ADN:

2.1.1 Các hình thức tổng hợp ADN:

Ở tế bào Eukaryote có 3 kiểu tổng hợp điển hình

2.1.1.1 Tổng hợp bảo thủ:

Là hình thức tái sinh mà từ ADN mẹ tạo ra 2 phân tử ADN con, trong đó 1 phân tử

được tổng hợp mới hoàn toàn, còn 1 phân tử được bảo toàn từ ADN mẹ

2.1.1.2 Tổng hợp bán bảo thủ:

Là hình thức tái sinh mà từ 1 ADN mẹ tạo ra 2 phân tử ADN con, trong đó mỗi phân tử

ADN con có 1 chuỗi mới được tổng hợp, còn 1 chuỗi là của ADN mẹ truyền cho

2.1.1.3 Tổng hợp gián đoạn:

Là hình thức tái sinh mà phân tử ADN đứt ra từng đoạn, trên mỗi đoạn tái sinh theo

kiểu bảo thủ hay kiểu bán bảo thủ, sau đó các đoạn mới được tổng hợp nối lại với nhau

cho ra 2 phân tử ADN con

và vai trò của các enzyme DNA polymerase cũng rất khác nhau.

2.1.2.3.2 Các topoisomer và DNA topoisomerase :

* Topoisomer

Giả sử có hai phân tử DNA mạch vòng có cùng trình tự nucleotide Nhưng hai phân

tử này có thể có số vòng (linking number-Lk) khác nhau trong phân tử Số vòng ở đây dược định nghĩa là số lần của một chuỗi DNA quấn xung quanh một chuỗi khác Những trường hợp này được gọi là topoisomer

a Dạng lỏng lẽo (relaxed DNA):

Ở dạng này sức căng của xoắn kép là tối thiểu Đó là dạng cấu trúc ổn định nhất của phân tử

b Dạng siêu xoắn (supercoiled DNA):

Trục của xoắn kép có thể cuộn xung quanh mình tạo thành một siêu xoắn Có hai dạng siêu xoắn sau:

- Siêu xoắn dương (+): Số vòng tăng, xoắn kép xoắn cùng chiều và dẫn đến sự tạo thành siêu xoắn dương (positive supercoil)

- Siêu xoắn âm (-): Số vòng giảm, trục của xoắn kép xoắn thành dạng siêu xoắn âm (negative supercoil), xoắn theo chiều ngược lại (chiều trái) với chiều của xoắn kép phải

* DNA topoisomerase

Enzyme DNA topoisomerase (là một enzyme nuclease thuận nghịch) có tác dụng thay đổi số Lk của DNA Các DNA topoisomerase có tác dụng thêm vào hoặc loại đi những siêu xoắn trong phân tử DNA xoắn kép Có hai loại DNA topoisomerase là DNA topoisomerase I và DNA topoisomerase II

2.1.2.3.3 Helicase và protein SSB:

* Helicase:

Enzim helicase (còn có tên là

deroulase) có nhiệm vụ giúp chuỗi DNA

từ dạng siêu xoắn sang dạng dãn thành

hai sợi đơn bằng cách cắt những liên kết

hydrogen giữa những base bổ sung

Dạng cấu trúc này cần thiết cho các đoạn

trên chuỗi DNA mà ở đó có nhu cầu sinh

tổng hợp Phản ứng này cần sự có mặt

của ATP

* Protein SSB

Các protein SSB liên kết phối hợp với DNA sợi đơn nhưng không liên kết với DNA sợi đôi Chúng được xem như là các chất phản ứng trong tạo dòng phân tử xuất phát từ chỗ chúng có khả năng phá vỡ sự ổn định của các cấu trúc thứ cấp bên trong sợi nucleotide

+ Trên mạch 3’ – 5’ tháo xoắn đến đâu tổng hợp mạch bổ sung đến đó

+ Trên mạch 5’ – 3’ nhờ ADN polimerase làm nền => sợi khuôn 5’ – 3’ quấn quanh ADN polimerase II dẫn đến đổi chiều xoắn thành 3’ – 5’ => tổng hợp mạch bổ sung theo chiều tháo xoắn

- Tổng hợp riêng rẻ 2 chuỗi:

* Trên mạch 3’ – 5’

+ Nhờ ARN polymerase tổng hợp ARN mồi bổ sung vào mạch 3’ -5’

+ Có trường hợp không tổng hợp ARN mồi (tự tạo mồi)

• Điều kiện:

+ Đoạn đầu 5’ – 3’ k mã hóa

+ Có cấu trúc ngược chiều

• Chuỗi khuôn xoay đầu 3’ một góc 180o tạo đoạn liên kết kép -> hình thành đầu 3’ – OH làm mồi cho ADN polymerase

+ Nhờ ADN polymerase III tổng hợp mạch bổ sung với mạch khuôn 3’ – 5’ + Tháo xoắn đến đâu tổng hợp đến đó

* Trên mạch 5’ – 3’ : do chiều tổng hợp ngược chiều tháo xoắn nên cơ chế tổng hợp phức tạp hơn

- Nhờ helicase tháo xoắn 1 đoạn (prokaryote: 1000 N, eukaryote: 300 – 400 N)

- ARN-polimerase tổng hợp ARN mồi, ADN polimerase III th mạch bổ sung

- Tháo xoắn đến đâu tổng hợp đến đó theo chu kì

2.1.3.1 Giai đoạn mở đầu:

- ADN tháo xoắn sơ cấp nhờ enzim tháo xoắn DNA topoisomerase

- Chuỗi xoắn kép được tách rời nhờ enzim helicase Các enzim phá vỡ liên kết H2

giữa các bazo nito (tháo xoắn thứ cấp)

- Các mạch đơn được tách rời và được ổn định nhờ enzim bám sợi đơn SSB Các enzim gắn trên khắp phần mạch đơn làm cho 2 mạch không kết hợp trở lại được

- Enzim primase tổng hợp nên các đoạn mồi primer (enzim ADN-polymerase chỉ có thể tổng hợp ADN bằng cách nối dài các đoạn mồi đã bắt cặp sẵn).

2.1.3.2 Giai đoạn kéo dài:

- Enzim ADN polymerase III tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3’ – OH của đoạn mồi Mạch khuôn được sử dụng đến đâu thì SSB giải phóng khỏi khuôn đến đó

- Do chuỗi polynucleotid mới luôn được tổng hợp theo chiều 5’ – 3’ nên trên 2 mạch khuôn ngược chiều có sự tổng hợp mạch mới không giống nhau

+ Trên mạch khuôn 3’ – 5’: mạch mới được tổng hợp cùng chiều tháo xoắn (5’ – 3’) nên mạch mới được tổng hợp liên tục

+ Trên mạch khuôn 5’ – 3’: mạch mới được tổng hợp ngược chiều tháo xoắn nên mạch mới không được tổng hợp liên tục mà dưới dạng các đoạn ngắn gọi là Okazaki

- Các Nu tự do trong môi trường nội bào liên kết ở 2 mạch đơn theo nguyên tắc bổ sung

A=Tmt ; G ≡ Xmt ; T=Amt ; X ≡ Gmt

2.1.3.3 Giai đoạn kết thúc:

- Enzim ADN polymerase I có nhiệm vụ cắt, hàn hoặc sữa chữa ADN

- Trên mạch khuôn 3’ – 5’: ADN polymerase I cắt các đoạn ARN mồi và thay thế vào đó đoạn ADN tương ứng Mạch mới được tổng hợp liên tục được gọi là mạch tới

- Trên mạch khuôn 5’ – 3’: enzim ligase nối các đoạn okazaki để tạo thành 1 chuỗi polynu liên tục Mạch mới được tổng hợp gọi là mạch chậm hay sợi ra chậm

- Kết quả: từ 1 ADN mẹ qua quá trình tự sao cho ra 2 ADN con giống hệt ADN mẹ

2.2 Phiên mã (sao mã):

2.2.1 Các yếu tố tham gia:

2.2.1.1 Khuôn:

- ADN: sử dụng 1 đoạn (gen) hoặc 1 mạch (3’ – 5’)

- ARN: (virut ARN)

2.2.1.2 Nguyên liệu:

- NTP: ATP, GTP, CTP, TTP

- Chức năng: cung cấp năng lượng và nguyên liệu

2.2.1.3 Enzim:

- Topoisomerase: tháo xoắn sơ cấp ADN

- Helicase: tách mạch tạo bóng sao mã (chiều dài bóng sao mã luôn ổn định, l = 30 – 31N)

- Nhân tố σ kết hợp với enzim lõi giúp nó nhận biết và bám đúng ở vùng khởi động

để chuẩn bị phiên mã

- Lõi enzim đưa Nu bổ sung với Nu mở đầu để liên kết bổ sung với Nu mở đầu

- Sau khi ARN polymerase đã bắt đầu phiên mã được vài nu thì nhân tố σ tách ra

2.2.2.1.2 Giai đoạn kéo dài:

- Enzim lõi tiến hành trùng hợp hóa để kéo dài sợi ARN dọc theo sợi khuôn 3’ – 5’

a Đặc điểm cấu tạo bóng sao mã:

- Tiếp tục cho đến khi phân tử lai có 12 cặp Nu

c Tiếp tục kéo dài chuỗi theo chu kỳ sau:

- Helicase tháo xoắn thêm 1 cặp Nu

- ARN polymerase thực hiện chức năng kéo dài ARN thêm 1 cặp Nu

- Tháo xoắn cặp Nu đầu cùng của phân tử lai

- Đóng xoắn AND khuôn đầu 3’

- ARN polymerase I: phiên mã gen mã hóa các loại ARNr (28s, 18s, 5.8s).

- ARN polymerase II: phiên mã các ARNm và một số ARNr khác

- ARN polymerase III: phiên mã các ARNt và ARNr (5s)

2.2.2.2.2 Các vùng điều hòa phiên mã:

Phần lớn các gen của Eukaryote đều có chuỗi trình tự đặc hiệu nằm ở đầu 5’ và 3’ như sau:

- Ở đầu 5’: có 2 trình tự đặc hiệu gọi là hộp TATA và hộp CAT

+ Hộp TATA: hỗ trợ cho các ARN polymerase II nhận biết đúng vị trí khởi đầu phiên mã

+ Hộp CAT: điều hòa tốc độ phiên mã

- Ở đầu 3’: có trình tự AATAAA tín hiệu cho việc kết hợp đuôi poly (A) vào đầu 3’ của ARNm (Lưu ý: trình tự trên không phải là tín hiệu kết thúc phiên mã Thông thường, phiên mã vẫn tiếp tục sau khi đi qua vị trí polyadenin hóa đó.)

2.2.2.2.3 Sự phiên mã của gen cấu trúc và hoàn thiện các bản sao ARNm:

- Các sản phẩm của phiên mã chỉ mới là các bản sao sơ cấp (pro - ARN) chưa hoàn chỉnh

- Chúng phải trải qua quá trình sửa đổi và gia công để trở thành ARN trưởng thành.2.2.3 Hoàn thiện phân tử ARNm:

- Ở Prokaryote: hầu hết các Nu của AND đều tham gia mã hóa

- Ở Eukaryote: trên ADN có sự xen kẽ giữa các đoạn mã hóa (exon) và không mã hóa (intron) acid amin => cắt bỏ các đoạn I, nối các đoạn E

- Trong gen không mã hóa cấu trúc mũ và đuôi của ARN => nối mũ và đuôi cho pro-ARN

2.3 Dịch mã (giải mã):

2.3.1 Hoạt hóa amino acid:

- Diễn ra trong bào tương và tạo nguồn phân tử ARNt mang các amino acid sẵn sàng tham gia dịch mã

- Mỗi amino acid được đính vào ARNt thích hợp nhờ enzim aminoaxyl – tARN synthetase đặc thù => tạo phức hợp ARNt mang amino acid

2.3.2 Cơ chế dịch mã:

2.3.2.1 Giai đoạn mở đầu:

- 1 tiểu đơn vị riboxom bé bám vào ARNm tại vị trí của codon mở đầu (AUG)

- 1 phân tử ARNt khởi đầu đặc thù mang methionin đi vào và kết cặp anticodon của

nó với codon AUG

- 1 tiểu đơn vị riboxom lớn bám vào tiểu đơn vị riboxom bé tạo ra 1 riboxom hoạt động hoàn chỉnh

2.3.2.2 Giai

đoạn kéo dài:

Sự kéo dài đòi hỏi sự có mặt của các

protein được gọi là các nhân tố nối dài

EF (elongation factor)

RNA khác mang anticodon tương

ứng bắt cặp với codon ở vùng A (A-site)

còn trống Tiếp theo amino acid đã được

gắn tRNA nằm ở vùng P được tách ra và

gắn với amino acid trên tRNA ở vùng A

tRNA ở vùng P sẽ được giải phóng Phản

ứng nối các amino acid kề nhau được

xúc tác bởi enzyme peptidyl transferase Ribosome di chuyển từ đầu 5’ của mRNA đến đầu 3’ sao cho tRNA còn lại chiếm vùng P, và codon tiếp theo choán vùng A chuẩn bị nhận anticodon bổ sung.

Quá trình dịch mã tiếp tục với chu kì trên dọc theo mARN

2.2.3 Hoàn thiện phân tử protein:

- Cắt amino acid mở đầu nhờ peptidase => protein bậc I

- Hình thành các liên kết => tạo cấu trúc không gian của protein

3 Các ngoại lệ của thuyết trung tâm:

3.2 Nhân đôi ARN:

Nhân đôi từ một RNA thành một RNA mới Rất nhiều viruses làm theo cách này khi

mà cơ sở di truyền là RNA chứ không phải DNA

3.3 Dịch mã trực tiếp từ ADN sang protein:

Điều này đã có thể thực hiện được trong môi trường ống nghiệm, dùng các chiết xuất từ E.Coli có chứa ribosomes, nhưng không phải trong môi trường tế bào Các phân mảnh của tế bào này có thể biểu hiện ra thành một protein từ một ADN template ngoại lai, và neomycin là chất kháng sinh được xem là hỗ trợ quá trình này

3.4 Sự nhân lên của protein:

Prion là loại protein có khả năng làm thay đổi cấu trúc 3D của các phân tử protein cùng loại Điều này làm thay đổi chức năng của protein Trong nấm, nó có thể truyền

từ thế hệ này sang thế hệ khác, tức là có sự truyền tải di truyền từ protein → protein Mặc dù đây cũng là một biểu hiện của sự truyền tải thông tin, nhưng nó không được xem là một ngoại lệ của luận thuyết trung tâm vì cấu trúc chuỗi trong protein vẫn được giữ nguyên Nhưng nếu xem DNA là trung tâm của luận thuyết thì đây lại được xem là

1 ngoại lệ vì trong luận thuyết trung tâm, protein chỉ có thể được tổng hợp, không thể được nhân từ một protein khác