Cơ chế di truyền cấp độ phân tử

- Các nucleotit chỉ khác nhau ở thành phần bazơ nitơ nên có 4 loại nucleotit và có tên như tên của 4 loại bazơ nitơ: A, T, G, X.* Trong một nuclêôtit: + Nhóm photphat liên kết đường C5

Cơ sở vật chất của hiện tượng di truyền và biến dị:

- Cấp phân tử: Axit Nucleic và Protein

- Cấp tế bào: Nhiễm sắc thể

Luận thuyết trung tâm của Di truyền học hiện đại (Francis Crick – 1958)

Axit Nucleic (AN) còn gọi là axit nhân (nucleus - nuclei: nhân) vì ADN được tách chiết chủ yếu từ nhân tế bào.

Axit Nucleic có 2 loại: Axit DeoxiriboNucleic (ADN) và Axit RiboNucleic (ARN)

I Axit DeoxiriboNucleic (ADN)

1 Cấu trúc của ADN

- ADN là hợp chất đại phân tử và có cấu trúc đa phân, gồm nhiều đơn phân là nucleotit.

- Các nucleotit chỉ khác nhau ở thành phần bazơ nitơ nên có 4 loại nucleotit và có tên như tên của 4 loại bazơ nitơ: A, T, G, X.

* Trong một nuclêôtit:

+ Nhóm photphat liên kết đường C5 bằng liên kết hóa trị, este-photphat (ở vị trí C thứ 5).

+ Đường C5 liên kết với bazơ nitơ bằng liên kết glycozit.

+ Các liên kết này rất bền vững, giúp cấu trúc của 1 nucleotit bền vững, tạo độ bền vững cho phân tử ADN.

* Cấu trúc bậc 1 của ADN:

- Trong phân tử ADN, các nucleotit liên kết với nhau nhờ liên kết hóa trị giữa nhóm

photphat của nucleotit này với phân tử đường của nucleotit tiếp theo (gọi là liên kết photphodieste) tạo nên chuỗi polynucleotit theo chiều xác định (5’→ 3’).

- Thành phần, số lượng, trình tự sắp xếp các nucleotit trong chuỗi polynucleotit thể hiện cấu trúc bậc 1 của ADN, quy định tính đặc thù và đa dạng của ADN, là cơ sở tạo nên các gen khác nhau chứa các mã di truyền khác nhau.

* Cấu trúc bậc 2 của ADN:

Trong tế bào, phân tử ADN thường tồn tại ở dạng chuỗi xoắn kép Đó là cấu trúc bậc 2 của phân tử ADN Năm 1953, hai nhà khoa học là J Watson (Mỹ) và F Crick (ANH) đã đề xuất mô hình không gian của phân tử ADN Mô hình đó có các đặc điểm:

- Chuỗi xoắn kép ADN gồm hai chuỗi đơn polynuclêôtit xoắn quanh một trục (giả định) theo chiều từ trái sang phải giống như một chiếc thang, trong đó hai tay thang là các phân tử đường và phôtphat liên kết xen kẽ, còn mỗi bậc thang là 1 cặp bazơ nitơ liên kết ngang tạo thành.

- Các bazơ nitơ liên kết ngang với nhau nhờ liên kết hidro và thao nguyên tắc bổ sung: A liên kết với T bởi 2 liên kết hidro (A=T), G liên kết với X bởi 3 liên kết hidro (G≡X).

- Hai chuỗi đơn polynucleotit của phân tử ADN xoắn theo hai hướng ngược chiều nhau.

- Đường kính chuỗi xoắn kép là 2nm (20Ao), mỗi vòng xoắn gồm 10 cặp nuclêôtit, dài 3,4nm (34Ao) 1 nuclêôtit có khối lượng trung bình = 300 đ.v.C

- Ý nghĩa của cấu trúc mạch xoắn kép:

+ Đảm bảo tính ổn định của cấu trúc không gian.

+ Đảm bảo ADN có kích thước lớn bền vững hơn cấu trúc mạch đơn.

+ Đảm bảo ADN nhân đôi theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo toàn.

+ Thuận lợi cho việc phục hồi các tiền đột biến về trạng thái bình thường.

* Các dạng ADN: ADN mạch thẳng và ADN mạch vòng (plasmit)

2 Chức năng của ADN

- ADN là vật chất lưu giữ, bảo quản thông tin di truyền dưới dạng các mã bộ ba nuclêôtit.

- ADN có chức năng truyền đạt thông tin di truyền qua các thế hệ thông qua sự sao chép ADN theo nguyên tắc khuôn mẫu và nguyên tắc bổ sung, và thông qua sự phân li của ADN

về các tế bào con khi phân bào.

- ADN có chức năng phiên mã cho ra các ARN, từ đây sẽ dịch mã để tạo nên protein đặc thù và tạo nên tính đa dạng của sinh vật.

II Axit RiboNucleic (ARN)

1 Cấu trúc của ARN

- ARN là một đại phân tử (nhỏ hơn ADN), có cấu trúc theo nguyên tắc đa phân Mỗi đơn phân là 1 ribonuclêôtit.

+ tARN: có cấu trúc 3 thùy giúp liên kết với mARN và riboxom để dịch mã tARN vận

chuyển axit amin tới riboxom, làm nhiệm vụ phiên dịch, dịch thông tin dưới dạng trình tự nucleotit trên phân tử ADN thành trình tự các axit amin trong phân tử protein Trên phân

tử tARN có liên kết H nhưng số lượng ít, thời gian tồn tại lâu hơn mARN.

rARN: là 1 chuỗi polyribonucleotit, nhiều vùng tự kết đôi bổ sung với nhau tạo nên các vùng xoắn kép cục bộ Cùng với protein, cấu tạo nên riboxom Số liên kết H chiếm 70%, lại kết hợp với protein tạo thành riboxom nên thời gian tồn tại lâu (vài thế hệ tế bào).

- Các phân tử ARN thực chất là những phiên bản được đúc trên 1 mạch khuôn của gen trên phân tử ADN nhờ quá trình sao mã Sau khi thực hiện xong chức năng của mình, các phân tử ARN thường bị các enzim của tế bào phân hủy thành các đơn phân ribonucleotit.

2 Chức năng của ARN

- ARN là vật chất mang thông tin di truyền (ở một số loại virut).

- ARN có chức năng trong quá trình dịch mã để tạo nên các protein đặc thù.

+ mARN là khuôn chứa mã di truyền của gen.

+ rARN tạo nên riboxom, là nơi tổng hợp protein.

+ tARN có chức năng vận chuyển các axit amin để lắp ráp thành chuỗi polypeptit đúng với

mã trong khuôn mARN.

- có 1 loại ARN có chức năng xúc tác sinh học như 1 enzym, đó là ribozim.

*So sánh ADN và ARN :

Giống nhau:

- Cấu tạo theo nguyên tắc đa phân Mỗi đơn phân đều gồm 3 thành phần mà quan trọng nhất là bazơ nitơ Có 3 loại bazơ nitơ giống nhau là A, G, X.

- Các đơn phân đều được liên kết với nhau bằng liên kết hóa trị (liên kết phosphodieste)

- Đều có cấu trúc xoắn, những đoạn xoắn do các bazơ nitơ ở mạch đơn bắt cặp bổ sung với nhau nhờ liên kết hidro.

- Được đặc trưng bới số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp của các đơn phân.

- Đơn phân được cấu tạo từ 4 loại

nucleotid Có đường deoxiribozơ.

- Có bazơ Timin

- Cấu trúc mạch kép nên có liên kết

Hydro giữa các đơn phân theo từng

cặp hai chuỗi xoắn theo chiều từ trái

sang phải.

- Chuỗi polinucleotit được hình thành

nhờ liên kết hóa trị giữa đường

deoxyribose của nucleotid này với

phân tử axit phosphoric của nucleotid

- Chuỗi poliribonuleotid được hình thành nhờ liên kết hóa trị giữa đường ribose của ribonucleotid này với phân tử axit

phosphoric của ribonucleotid kế tiếp

Chức

năng

- DNA: lưu trữ và truyền đạt thông tin

di truyền

- RNA thực hiện chức năng dịch mã.

* mRNA làm khuôn cho sự tổng hợp protein

* rRNA liên kết với protein tạo thành các tiểu phần ribosome tham gia vào quá trình dịch mã.

* tRNA vận chuyển axit amin tới nơi tổng hợp protein

Lý thuyết Prôtêin

Protein là gì?

Protein là nhóm chất hữu cơ có trong cơ thể với hàm lượng nhiều nhất và có vai trò đặc biệt quan trọng (Tiếng Hy Lạp Proteios: vị trí số một; Từ thế kỷ 19 người ta đã phát biểu: "Sống là phương thức tồn tại của protein") Protein chiếm tới 50% khối lượng khô của hầu hết các loại tế bào Cơ thể người có tới hàng chục nghìn loại protein.

I Cấu trúc hóa học của Protein

- Protein là hợp chất hữu cơ gồm 4 nguyên tố cơ bản C, H, O, N và có thể có thêm S.

- Protein thuộc loại đại phân tử, phân tử lớn nhất dài 0,1 micromet, khối lượng phân tử có thể đạt tới 1,5 triệu đ.v.C.

- Protein được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, các đơn phân là các axit amin

Mỗi axit amin có 3 thành phần:

+ nhóm amin (-NH2), + nhóm carboxyl (-COOH) + và cuối cùng là nguyên tử C trung tâm đính với 1 nguyên tử H và 1 gốc R

Người ta đã phát hiện ra được tất cả 20 axit amin trong thành phần của tất cả các

loại protein khác nhau trong cơ thể sống Như vậy có khoảng 20 gốc R khác nhau Gốc R quyết định tính chất của axit amin Mỗi axit amin có kích thước trung bình 3Å

- Trên phân tử các axit amin liên kết với nhau bằng các liên kết peptit tạo

nên chuỗi polypeptit Liên kết peptit được tạo thành do nhóm COOH của axit amin này

liên kết với nhóm NH2 của axit amin tiếp theo và giải phóng 1 phân tử H2O (phản ứng trùng ngưng).

- Từ 20 loại axit amin kết hợp với nhau theo những cách khác nhau tạo nên vô số loại prôtêin khác nhau (trong các cơ thể động vật, thực vật ước tính có khoảng 1014 –

1015 loại prôtêin) Mỗi loại prôtêin đặc trưng bởi số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp các axit amin trong phân tử Vì vậy, trong thiên nhiên các prôtêin vừa rất đa dạng, lại vừa mang tính chất đặc thù.

1 Cấu trúc bậc một

- Thành phần, số lượng, trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi polypeptit thể hiện cấu trúc bậc 1 của protein.Các axit amin liên kết với nhau bằng các liên kết peptit tạo nên chuỗi polypeptit Đầu mạch polypeptit là nhóm amin của axit

amin thứ nhất và cuối mạch là nhóm cacboxyl của axit amin cuối cùng.

- Cấu trúc bậc 1 của protein có vai trò tối quan trọng vì trình tự các axit amin trên chuỗi polypeptit sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptit, là cơ sở cho việc hình thành cấu trúc không gian của protein và từ đó quy định đặc tính của protein Phân tử protein ở bậc 1 chưa có hoạt tính sinh học vì chưa hình thành nên các trung tâm

hoạt động Phân tử protein ở cấu trúc bậc 1 chỉ mang tính đặc thù về thành phần acid amin, trật tự các acid amin trong chuỗi Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các axit amin có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein.

- Trong tế bào protein thường tồn tại ở các bậc cấu trúc không gian Sau khi chuỗi

polypeptit - protein bậc 1 được tổng hợp tại ribosome, nó rời khỏi ribosome và hình thành cấu trúc không gian (bậc 2, 3, 4) rồi mới di chuyển đến nơi sử dụng thực hiện chức năng của nó.

- Ví dụ : Các protein sợi như keratin, Collagen (có trong lông, tóc, móng, sừng) gồm nhiều xoắn α, trong khi các protein cầu (hemoglobin và mioglobin) có nhiều nếp gấp β hơn.

3 Cấu trúc bậc ba

- Các xoắn  hoặc gấp nếp  lại có thể cuộn lại với nhau thành búi có cấu hình không gian ba chiều đặc trưng cho từng loại protein Đó là cấu trúc bậc 3 của protein Cấu trúc không gian này quyết định hoạt tính chức năng của protein Cấu trúc này lại

đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của nhóm -R trong các mạch polypeptit.

- Cấu trúc bậc 3 là dạng không gian của cấu trúc bậc 2, làm cho phân tử protein có hình dạng gọn hơn trong không gian, giúp cho phân tử protein ổn định trong môi trường sống Cấu trúc bậc 3 đã tạo nên trung tâm hoạt động của phần lớn các loại enzym.

- Cấu trúc bậc 3 được giữ vững nhờ các liên kết cầu disunfit (-S-S-), tương tác VanderWaals, liên kết hydro, liên kết ion Liên kết -S-S- được hình thành từ hai phân tử

cystein nằm xa nhau trên mạch peptit nhưng gần nhau trong cấu trúc không gian do sự cuộn lại của mạch polypeptit Đây là liên kết đồng hoá trị nên rất bền vững Vì vậy khi phá

vỡ các liên kết này phân tử duỗi ra đồng thời làm thay đổi một số tính chất của nó, đặc biệt là tính tan và hoạt tính xúc tác của nó.

4 Cấu trúc bậc bốn

- Là một trạng thái tổ hợp hình thành từ nhiều tiểu phần protein đã có cấu trúc bậc

ba hoàn chỉnh Khi protein có chứa từ 2 chuỗi polypeptit trở lên, chúng có cấu trúc bậc

4 Các chuỗi polypeptide liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hyđro.

- Phân tử protein có cấu trúc bậc 4 có thể phân li thuận nghịch thành các tiểu phần đơn vị Khi phân li, hoạt tính sinh học của nó bị thay đổi hoặc có thể mất hoàn toàn Do tồn tại tương tác giữa các tiểu phần đơn vị nên khi kết hợp với một chất nào đó dù là phân tử bé cũng kéo theo những biến đổi nhất định trong cấu trúc không gian của chúng.

- Rất nhiều trường hợp protein phải tổ hợp lại mới có hoạt tính sinh học Trong những trường hợp này, cấu trúc bậc bốn là điều kiện để hình thành nên tính năng mới của protein.

Ví dụ về cấu trúc bậc bốn:

- Hemoglobin (Huyết sắc tố) gồm 4 tiểu phần protein: hai tiểu phần α và hai tiểu phần β Nếu 4 tiểu phần tách rời nhau thì mỗi tiểu phần không thể vận chuyển được một phân tử O2 Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành một khối không gian đặc thù gần như hình tứ diện thì mới có khả năng kết hợp và vận chuyển khí oxy Một phân tử

hemoglobin (Hít) vận chuyển được 4 phân tử oxy.

Tuỳ theo protein mà số lượng monomer có thể thay đổi từ 2,4,6,8 là phổ biến, cá biệt có thể lên tới trên 50 monomer.

Sự hình thành cấu trúc bậc bốn tạo điều kiện cho quá trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, chính xác.

Chức năng của protein

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

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

Thụ quan màng của tế bào thần kinh khác tiết ra (chất trung gian thần kinh) và truyền tín hiệu

Protein dự

trữ

Dự trữ chất dinh dưỡng

Albumin lòng trắng trứng là nguồn cung cấp axit amin cho phôi phát triển Casein trong sữa mẹ là nguồn cung cấp Acid Amin cho con Trong hạt cây có chứa nguồn protein dự trữ cần cho hạt nảy mầm.

Lý thuyết Gen - Mã di truyềnGEN, MÃ DI TRUYỀN

2 Cấu trúc chung của gen cấu trúc

- Gen cấu trúc gồm 3 vùng:

II MÃ DI TRUYỀN

1 Khái niệm

- Mã di truyền là : trình tự sắp xếp các nucleotit trong gen quy định trình tự sắp

xếp các axit amin trong phân tử protein.

- Mã di truyền là mã bộ ba: cứ 3 nucleotit đứng liền nhau mã hóa cho 1 axit amin

- Có 4 loại nucleotit tổ hợp lại thành 4 3 = 64 bộ ba Chỉ có 20 loại axit amin Trong 64

bộ ba:

+ 3 bộ ba không mã hóa cho axit amin nào là 5’UAA (3’ATT), 5’UAG (3’ATX),

5’UGA (3’AXT), đó là các bộ ba kết thúc, quy định tín hiệu kết thúc quá trình dịch mã.

+ 1 bộ ba 5’ AUG (3’TAX) là bộ ba mở đầu, quy định tín hiệu khở đầu quá trình dịch

mã, cũng là bộ ba mã hóa axit amin methionin (ở sinh vật nhân sơ là formyl methionine)

+ 60 bộ ba còn lại mã hóa cho 19 axit amin, nên có nhiều bộ ba cùng mã hóa 1 axit amin.

- Đặc điểm của mã di truyền:

+ mã di truyền là mã một chiều, thông tin được đọc từ một điểm xác định theo từng

bộ ba nucleotit mà không gối lên nhau.

+ mã di truyền có tính phổ biến, tất cả các loài đều có chung một bộ mã di truyền, trừ một vài ngoại lệ.

+ mã di truyền có tính đặc hiệu, một bộ ba chỉ mã hóa cho 1 axit amin.

+ mã di truyền có tính thoái hóa, nhiều bộ ba khác nhau cùng mã hóa cho một axit amin, trừ AUG=Methionin và UGG=Tryptophan.

Lý thuyết Đột biến gen

ĐỘT BIẾN GEN

I KHÁI NIỆM VÀ CÁC DẠNG ĐỘT BIẾN GEN

1 Khái niệm

Đột biến là những biến đổi bất thường trong vật chất di truyền ở cấp độ phân tử

(ADN, gen ) hoặc cấp độ tế bào (nhiễm sắc thể), dẫn đến sự biến đổi đột ngột của một hoặc một số tính trạng, những biến đổi này có tính chất bền vững và có thể di truyềncho các đời sau.

Đột biến gen: là những biến đổi liên quan đến cấu trúc của gen, xảy ra tại một điểm nào đó trên phân tử ADN, liên quan đến sự thay đổi về số lượng, thành phần, trật tự các cặp nucleotit gen.

- Đột biến mà liên quan đến 1 cặp nucleotit: gọi là đột biến điểm.

- Thể đột biến: là những cá thể mang đột biến gen đã biểu hiện ra kiểu hình của

2 của nó, chứa hàm lượng tiền vitamin A (beta-carotene) cao gấp 20 lần so với gạo vàng thông thường.

2 Các dạng đột biến gen

a Đột biến thay thế một cặp nucleotit

- Một cặp nucleotit trên gen được thay thế bằng một cặp nucleotit khác, có thể thay đổi trình tự axit amin trong protein và làm thay đổi cấu trúc và chức năng của protein.

b Đột biến thêm hoặc mất một cặp nucleotit

- Một cặp nuceotit có thể bị mất đi hoặc thêm vào trên gen, sẽ làm mã di truyền bị đọc sai kể từ vị trí xảy ra đột biến, làm thay đổi trình tự axit amin trong chuỗi polypeptit và làm thay đổi cấu trúc và chức năng của protein.

* Phân loại theo đặc tính của mã di truyền:

+ Đột biến nhầm nghĩa (sai nghĩa): biến đổi codon mã hóa axit amin này thành axit amin khác.