BẢN CHẤT CỦA VẬT CHẤT DI TRUYỀN

3.1. Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền ♦ Lưu giữ thông tin di truyền ở dạng bền vững cần thiết cho việc cấu tạo, hoạt động và sinh sản của tế bào + Thông tin di truyền được lưu giữ ở trong nhân → NST → ADN → protein + Thông tin di truyền được mã hóa bởi trình tự các Nu (nucleotit), từ 4 loại Nu xây dựng nên toàn bộ thông tin di truyền của các loài đa dạng và đặc trưng. Từ 64 bộ ba mã di truyền đã kết cấu nên các gen khác nhau của các loài sinh vật + Các đặc điểm di truyền của mỗi loài sinh vật như sự phát triển của phôi, phân hóa của cơ quan nhanh, chậm đều được chương trình hóa trong thông tin di truyền đảm bảo sự phát triển bình thường của các sinh vật chi tiết tới từng giai đoạn ST và phát triển. ♦ Truyền đạt được thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào,cơ thể và từ nhân đến tế bào chất . Sự truyền đạt thông tin qua sơ đồ: ADN → mARN → Protein → tính trạng

3.1 Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền

♦ Lưu giữ thông tin di truyền ở dạng bền vững cần thiết cho

việc cấu tạo, hoạt động và sinh sản của tế bào

+ Thông tin di truyền được lưu giữ ở trong nhân → NST →

ADN → protein

+ Thông tin di truyền được mã hóa bởi trình tự các Nu

(nucleotit), từ 4 loại Nu xây dựng nên toàn bộ thông tin di truyền của các loài đa dạng và đặc trưng Từ 64 bộ ba mã di truyền đã kết cấu nên các gen khác nhau của các loài sinh vật

Chương 3 BẢN CHẤT CỦA VẬT CHẤT DI TRUYỀN

+ Các đặc điểm di truyền của mỗi loài sinh vật như sự phát

triển của phôi, phân hóa của cơ quan nhanh, chậm đều được chương trình hóa trong thông tin di truyền đảm bảo sự phát triển bình thường của các sinh vật chi tiết tới từng giai đoạn ST và phát triển

♦ Truyền đạt được thông tin di truyền qua các thế hệ tế

bào,cơ thể và từ nhân đến tế bào chất

Sự truyền đạt thông tin qua sơ đồ: ADN → mARN → Protein → tính trạng

♦ Có khả năng biến đổi và tích lũy thông tin di truyền

Vật chất di truyền ổn định tương đối có thể bị biến đổi về số

lượng và cấu trúc do tác nhân đột biến Đột biến có thể là NST, gen → Di truyền cho thế hệ sau, tạo ra nguồn nguyên liệu biến dị di truyền sơ cấp rất cần cho quá trình tiến hóa

♦ Có khả năng sửa sai thông tin di truyền

Vật chất di truyền (ADN, gen) có khả năng sửa sai do sao chép nhầm hoặc sửa chữa ADN bị thương tổn hoặc khuyết tật do tác dụng của tác nhân lí-hóa gây đột biến Cơ chế sửa sai và sửa chữa là sự thích nghi hình thành qua quá trình tiến hóa giúp cho sinh vật bảo vệ được hệ gen- bộ máy di truyền của tế bào

3.2 Axitnucleic

a) Bằng chứng về vai trò di truyền của axitnucleic

- Các dẫn chứng gián tiếp

Các dẫn liệu sau đây chứng minh ADN là vật chất di truyền:

- ADN là thành phần chủ yếu cấu tạo nên NST- một cấu trúc mang nhiều gen phân bố theo chiều dài của nó (cả tế bào nhân sơ và virut); có một số lượng hay hàm lượng ổn định

và tăng theo số bội thể của tế bào: ở người, tế bào lưỡng bội có 6,6.10-12 gam còn tế bào sinh dục (n) chứa 3,3.10-

12 gam ADN

- Tia tử ngoại UV có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước sóng 260 nm ứng với bước sóng mà ADN hấp thụ tia tử ngoại nhiều nhất

- Bằng chứng trực tiếp

- Nhân tố biến nạp là ADN

Griffith tiến hành thí nghiệm trên phế cầu khuẩn Diplococcus pneumoniae (gây bệnh sưng phổi ở động vật có vú) vào năm

Thí nghiệm được tiến hành như sau:

† Tiêm ( chích) VK S sống gây bệnh cho chuột →

chuột chết

† Tiêm VK R sống không gây bệnh →chuột sống

† Tiêm VK S bị đun chết cho chuột → chuột sống

† Hỗn hợp VK S bị đun chết trộn với VK R sống đem

tiêm cho chuột → chuột chết.Trong xác chuột chết có vi

khuẩn S và R

Griffith đã giải thích:

Có một “nhân tố biến nạp’’ đã biến R thành S, nghĩa là đã biến VK không độc thành loại độc Như vậy sau khi đã bị đun chết, dạng S đã truyền tính gây bệnh cho dạng R Hiện tượng này được gọi là biến nạp

♣ Năm 1944, T Avery, Mc Leod và Mc Carti đã tiến hành thí nghiệm xác định rõ tác nhân hay nhân tố gây biến nạp Qua xử lí tế bào S bị chết bằng các loại enzim khác nhau thì chỉ có ADN-aza làm mất hoạt tính biến nạp Kết quả này cho thấy ADN là nhân tố biến nạp

Đây là một bằng chứng sinh hóa xác nhận ADN mang thông tin di truyền hay ADN là cơ sở hóa học của những tính trạng di truyền

♣ Các thí nghiệm tiếp theo đã xác định biến nạp còn diễn ra

ở hàng loạt tính trạng khác trên các đối tượng khác nhau,

kể cả sinh vật Eucaryote Do đó biến nạp được coi như phương thức chung để chuyển gen giữa các sinh vật khác nhau

♣ Năm 1952, A.Hershey và M Chase đã tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 (thực khuẩn thể hay gọi tắt là phage) xâm nhập vi khuẩn Escherichia coli (E Coli)

Phage T2 có cấu tạo đơn giản gồm vỏ protein và ruột là ADN Thí nghiệm nhằm chứng minh phage chỉ tiêm ADN vào tế bào

vi khuẩn và ADN có khả năng tái tạo ADN mới Vì ADN có chứa photpho và không có lưu huỳnh, còn protein thì ngược lại, nên có thể phân biệt giữa ADN và protein nhờ các đồng vị phóng xạ P và S E.Coli được phát triển trên môi trường chứa các đồng vị phóng xạ P32 và S35. S35 xâm nhập vào protein và P32 vào ADN của phage pha được nhiễm phóng xạ được tách ra và đem nhiễm vào các vi khuẩn không phóng xạ Kết quả thí nghiệm cho thấy P32 chui vào vi khuẩn, vi rut tái tạo có

P32 và không có S35

Sự kiện này chứng tỏ chỉ có ADN của vi rút có P32 vào tế bào

vi khuẩn, còn S35 của vỏ viruts( protein )ở lại bên ngoài

b) Cấu trúc, thành hóa học của ADN, ARN.

b 1 ) ADN

- Thành phần hóa học của ADN

+ ADN là chất trùng hợp từ nhiều đơn phân là Nu Mỗi Nu gồm 3 thành phần: Đường 5 các bon ( C5H10O4 ), H3PO4, Bazơnitơric Bazơnitơric thuộc 2 nhóm: purin (A, G) có kích thước lớn hơn và pirimidin (T, X) có kích thước nhỏ hơn

- Hợp chất chỉ gồm có đường pentozo và bazonitoric → Nucleozit

- Hợp chất hình thành từ ribozo và Adenin → Adenozin

- Tùy thuộc vào số lượng các gốc photphat có trong thành phần cấu tạo của Nu mà có nucleotit mono, di hay triphotphat

- ADN thuộc loại đại phân tử, có kích thước lớn, có thể dài tới hàng trăm ngàn micromet, có khối lượng lớn đạt tới hàng chục triệu đơn vị các bon và được cấu tạo theo nguyên tắc

đa phân với hàng triệu Nucleotit

- Trên chuỗi đơn của phân tử ADN nhóm phot phat gắn vào các bon số 5 của đường deoxyribo, còn bazo gắn với các bon số 1

- Các Nu liên kết với nhau bằng liên kết photphodieste được hình thành giữa nhóm OH ở vị trí C3 của Nucleotit này với nhóm photphat ở C5 của Nu kế cận, chuỗi polinucleotit phân cực, đầu 5’ có nhóm photphat còn đầu 3’ có nhóm

* Cấu trúc không gian của ADN

Năm 1953 J.Watson và F Crick đưa ra mô hình cấu trúc không gian của ADN gồm những điểm chính sau:

- Phân tử ADN là một chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch polinucleotit xoắn đều đặn xung quanh một trục chung và theo chiều ngược kim đồng hồ từ trái sang phải (xoắn phải)

- Các bazonitoric purin và pirimidin xếp chồng lên nhau vuông góc với trục vòng xoắn, mặt phẳng của đường kính

ở gần phía phải của bazonitoric

- Mỗi vòng xoắn có đường kính 20A0, chiều cao 34A0, gồm

10 cặp nucleotit nghiêng với trục của vòng xoắn một góc

360

- Hai chuỗi polinucleotit liên kết với nhau bằng liên kết hidro giữa các cặp bazonitoric theo NTBS, đảm bảo khoảng cách đều đặn giữa 2 mạch đơn, A liên kết với T bằng 2 liên kết hidro và G liên kết với X bằng 3 liên kết hidro.

Kết quả nghiên cứu của F Chargaff cho thấy trong phân tử ADN số lượng các purin= các pirimidin, đặc biệt là A=T, G=X Như vậy A +G =T + X, nghĩa là:

A + G / T + X =1, Trong phân tử ADN tỉ số A +T / G + X ở các loài sinh vật khác nhau Đây là tỉ số đặc trưng cho mỗi loài, dựa vào tỉ số này có thể phân biệt các loài với nhau

- Mô hình của J Watson và F Crick nêu ra được gọi là dạng

B, đến nay người ta còn phát hiện ra 21 dạng cấu trúc khác nhau, ví dụ như : A, C, Z nhưng dạng B vẫn là dạng phổ biến trong điều kiện sinh lí tế bào

- Kích thước và khối lượng phân tử ARN bé hơn ADN.

- Đơn phân xây dựng nên ARN là các ribonucleotit

- ARN là một chuỗi xoắn đơn gồm một mạch polinucleotit, trừ một số virut có cấu tạo 2 chuỗi

- Mỗi rNu có cấu tạo gồm 3 thành phần: đường 5C (C5H10 O5), Axitphotphoric (H3PO4), Bazonitoric (A, U, X, G) Căn cứ vào chức năng mà người ta chia 3 loại ARN: mARN tARN, rARN

- ARN thông tin (mARN: messenger ARN)

mARN là một chuỗi polinucleotit chứa thông tin di truyền, được sao chép từ ADN và được dùng làm khuôn mẫu tổng hợp protein, mARN có một số đặc điểm sau:

+ mARN chiếm khoảng 2-5% tổng số lượng ARN trong tế bào, được tổng hợp trong nhân và hoạt động ở tế bào chất (TB nhân chuẩn)

+ Khối lượng phân tử mARN dao động trong phạm vi rộng từ 25.103 đến 1.106 đ.v.c, hằng số lắng 6-25S, vì vậy nó quyết định tính đa dạng của phân tử protein

+ mARN có đời sống ngắn, một vài phút đối với tế bào Procaryote, một vài giờ đến một vài ngày với tế bào Eucaryote.+ Mỗi tế bào có hàng trăm mARN khác nhau, mỗi mARN mã hóa cho một hoặc một số chuỗi polipeptit

+ mARN có 3 đoạn: đoạn mở đầu, đoạn mã hóa, đoạn kết thúc

- ARN vận chuyển (tARN: transter ARN)

tARN có chức năng vận chuyển axitamin hoạt hóa đến mARN

ở riboxom để trực tiếp tham gia quá trình tổng hợp polipeptit tARN là một mạch đơn ribonucleotit được cuốn trở lại thành kiểu 3 thùy Trong 3 thùy có:

+ Một thùy mang đối mã (anticodon) sẽ liên kết bổ sung với

mã sao (codon) trên mARN

+ Một thùy có chức năng nhận diện enzim gắn axitamin tương

ứng với tARN Đầu 3’OH mang XXA của tARN tiếp nhận axitamin và đầu nút còn lại là 5’P tARN chiếm 10- 20% ARN của tế bào

+ Một thùy tác dụng với riboxôm.

.

* ARN riboxom (rARN)

rARN là thành phần cấu tạo chủ yếu của riboxom, và chiếm 70-80% ARN của tế bào

- Các riboxom ở tế bào sinh vật nhân sơ có hệ số lắng khi li tâm là 70S, gồm 2 đơn vị:

+ Tiểu phần lớn 50S có 1 rARN 22S và 1 rARN 5S.

+ Tiểu phần nhỏ 30S chỉ có 1 rARN 16S.

30S + 50S = 70S

30S

50S

- Các riboxom ở tế bào nhân thực có hệ số lắng là 80S, gồm 2 tiểu phần:

+ Tiểu phần lớn 60S có 1 rARN 28S, 1 rARN 5,8S và 1

c Tái bản AND

Năm1957, J.Stent và M Delbruck đưa ra 3 kiểu tái bản:

-Kiểu bán bảo toàn: Chuỗi xoắn kép ban đầu nhả xoắn thành 2 mạch đơn ADN mẹ, từ 2 mạch đơn này tổng hợp thành 2 mạch con theo NTBS Chuỗi xoắn kép mới được hình thành gồm 1 mạch đơn cũ và 1 mạch đơn mới

- Kiểu bảo toàn: Hai mạch đơn của AND mẹ được dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp 2 mạch mới, sau đó 2 mạch mới liên kết tạo thành AND con, còn AND mẹ được giữ nguyên và lại kết hợp với nhau như trước

- Kiểu phân tán: AND mẹ đứt ra thành nhiều đoạn, mỗi đoạn lại tổng hợp ra 1 đoạn AND con mới

Meselson và Staht đã kiểm tra bằng thí nghiệm đối với E.coli được nuôi trong nhiều thế hệ chỉ có nguồn N môi trường duy nhất là N15 Vì vậy phân tử AND của nó chứa N15 Sau đó ông đem vào môi trường N14 đủ 1 lần phân bào và nuôi trong môi trường N14 một lần nữa rồi kiểm tra Qua kiểm tra ông kết luận trong 3 kiểu trên thì kiểu bán bảo toàn là đúng.

N14

N14 F1

P

F2

* Cơ chế tái bản theo kiểu Okazaki

Protein SSB (Single Strand Binding – liên kết với mạch đơn)

• Tái bản AND vòng:

Sao chép theo kiểu lăn đai thùng, khi nối có enzim lipaza Tại điểm đứt dính màng của tế bào, các Nu tự do đi vào môi trường để tổng hợp khi đó tách mạch, tách mạch đến đâu thì tổng hợp đến đó

• Tái bản kiểu teta

• Tái bản ADN một mạch

⇒Trong quá trình tái bản ADN:

- SV tiền nhân: có ADN polymeraza I, II, III ở E.coli

+ ADN polymeraza I có chức năng sửa chữa AND

+ ADN polymeraza II có chức năng xác định đoạn đầu và đoạn cuối của phân tử AND

- SV hậu nhân: có AND polymeraza α, β, γ

+ AND polymeraza α tái bản AND ở nhân

+ AND polymeraza β sửa đổi AND trong quá trình tái bản+ AND polymeraza γ tái bản AND ở ty thể

c) Tái bản axitnucleic

c1) Tái bản ADN ở Procaryote

Khởi đầu QT sao chép Tái bản Procaryote có 2 GĐ: Tổng hợp mạch mới

- Khởi đầu quá trình sao chép

Các bước cần thiết khởi đầu quá trình sao chép tại vị trí Ori diễn ra như sau:

+ Protein dnaA nhận biết và liên kết với vị trí OriC, gây ra tương tác bẻ gãy liên kết hidro giữa các cặp bazo Khoảng 40 liên kết bị bẻ gãy

Quá trình này cần cung cấp năng lượng và năng lượng đó được lấy từ ATP Sự liên kết của DnaA làm cho protein DnaB và DnaC dễ dàng gắn vào vị trí Ori hình thành nên phức hệ tiền khởi đầu (prepriming).

+ Tiếp đến enzim gyraza sẽ sử dụng ATP làm nguồn năng lượng để giải phóng các sợi ADN giúp cho quá trình dãn xoắn của phân tử ADN ở 2 phía của protein dnaB En zim này cũng cần thiết cho việc tách riêng hai phân tử ADN mạch kép mới và giúp chúng cuộn xoắn và định khu lại trong các tế bào con

+ Sau đó các enzim helicaza tách 2 mạch của ADN bằng cách phá vở các liên kết hidro giữa các bazo nhờ năng lượng giải phóng từ sự thủy giải các nucleosid 5 triphotphat ( NTP) Nhiều loại helicaza cùng hoạt đồng thời: protein rep gắn trên mạch 3/ → 5/, còn helicaza II và III gắn trên mạch 5/

→3/

+ Tiếp theo các protein SSB gắn lên khắp mạch đơn làm cho hai mạch không kết hợp trở lại để việc sao chép được

dễ dàng

-Tổng hợp mạch mới

+Tổng hợp đoạn mồi (primer) ARN

Các enzim ADN polimeraza chỉ có thể tổng hợp mạch đơn mới bằng cách nối dài một đoạn mồi đã bắt cặp sẵn trên khuôn Mồi này là một ARN nhỏ khoảng 10 nucleotit được tổng hợp bởi một phức hợp protein gọi là primosome, trong

đó có enzim tổng hợp ARN từ mạch khuôn ADN gọi là primaza

+Tổng hợp mạch liên tục (chuỗi dẫn đầu hay mạch ra

nhanh)

Vì sợi ra nhanh đối song song với sợi khuôn của nó và hướng tổng hợp của nó trùng khớp với hướng của toàn bộ của quá trình sao chép nên chỉ cần 1 ARN mồi được tổng hợp Sau đó ADN polimeraza III xúc tác sự tạo thành liên kết phophodies giữa nhóm 3/ -OH tự do của đoạn mồi và nguyên tử photpho của Nu triphotphat đang được gắn vào đoạn mồi và tiếp tục polimer hóa mạch ADN bằng cách thêm các deoxyribonucleotit vào đầu 3/ OH của chuỗi đang kéo dài Khi kết thúc, ADN

polimeraza I vào thay thế ADN polimeraza III để phân hủy đoạn mồi và tổng hợp đoạn mạch thay thế bằng các nguyên liệu là các nucleotit Sau đó đoạn mạch này được enzim ligaza nối kết với mạch đơn dài phía sau tạo thành mạch hoàn chỉnh.

Mạch mới 5/ →3/ được tổng hợp trên mạch khuôn 3/ → 5/ hoàn toàn sớm hơn mạch còn lại nên gọi là mạch dẫn đầu

+ Tổng hợp mạch gián đoạn (chuỗi ra chậm)

Trình tự các bước tổng hợp diễn tiến ở chuỗi ra chậm như sau:

1) ARN mồi mới được tổng hợp nhờ primosome

2) Chuỗi ra chậm được phức hệ ADN polimeraza III tổng hợp ngược lại 1800 từ vùng liên kết ARN- ADN

3) Sự tổng hợp ADN vẫn tiếp tục cho đến khi ADN polimeraza III nối được từ 1000- 2000 deoxyribonucleotit

và tiếp giáp với đầu 5/ của đoạn okazaki được tạo ra trước

đó Cụ thể là tiếp giáp với đoạn ARN mồi phía trước

4) Lúc này ADN polimeraza III sẽ rời khỏi sợi khuôn của sợi ra chậm En zim tạo ra SSB cũng tách ra

5) Khi ADN được tiếp tục tổng hợp thì các SSB gắn vào sợi khuôn của sợi ra chậm chỉ sau ADN polimeraza.

6) Tiếp theo sau khi gắn các protein SSB, các primosome khác sẽ liên kết với mạch khuôn của sợi ra chậm để bắt đầu một vòng tổng hợp các đoạn ARN mồi khác và để lặp lại chu kì

7) Khi các đoạn okazaki bắt đầu được tích lũy (ít nhất có

2 đoạn) thì ADN polimerazaI sẽ hoạt động Enzim này có chức năng polimer và có hoạt tính exonucleaza từ đầu 5/ -3/ bắt đầu nối thêm các deoxyribonucleotit

vào đầu 3/ của đoạn trong khi vẫn đang loại các ribonucleotit của đoạn ARN mồi ở đầu 5/ của đoạn okazaki Hai hoạt tính của enzim này tiếp tục hoạt động cho đến khi ARN mồi được loại hoàn toàn và đầu 3/ của đoạn này sát ngay đầu 5/ đoạn kế cận Lúc này cả 2 đoạn okazaki chỉ cần một liên kết photphodiester để nối chúng với nhau.

8) Enzim ADN ligaza sử dụng ATP làm nguồn năng lượng

để tạo liên kết photphodiester liên kết đầu 3/ của đoạn okazaki này với đầu 5/ của đoạn kế tiếp qua nhóm photphoryl,