TÁI BẢN ADN (NHÂN ĐÔI ADN)

KHÁI NIỆM: ADN là 1 chất di truyền ở cấp độ phân tử , việc truyền đạt thông tin di truyền trên AND từ thế hệ của tế bào mẹ sang tế bào con thông qua cơ chế nhân đôi ADN . còn truyền đạt thông tin di truyền từ nhân ra thế bào chất thông qua cơ chế phiên mã và dịch mã. Quá trình tái bản ADN (nhân đôi ADN , sao chép ADN): thời điểm và vị trí, Thành phần tham gia, nguyên tắc, Cơ chế, phương trình tổng quát Các nucleotic liên kết với nhau nhờ liên kết phosphodieste giữa nhóm của nucleotide này với nhóm của nucleotide bên cạnh () N1 ATP AMP N2 GTP GMP + (PP)n1,n2,n3,n4 (pirophotphat) N3 CTP CMP N4 TTP TMP(n1+n2+n3+n4) Các giai đoạn: Giai đoạn khởi đầu: Tháo xoắn phân tử DNA, Giai đoạn kéo dài: Tổng hợp mồi RNA, Giai đoạn kết thúc tái bản và phân chia tế bào

BÀI TẬP MÔN: SINH HỌC PHÂN TỬ

1, Nguyễn Xuân Lực

2, Hồ Văn Khước

3, Nguyễn Văn Long

4, Ung Như Huy

5, Ngô Sỹ Nam

6, Nguyễn Hoài Nam

7, Trịnh Vĩnh Hiếu

8, Phạm Thị Mỹ Kiều

9, Nguyễn Đức Huy

10, Lê Đức Linh

ADN (NHÂN ĐÔI ADN , SAO CHÉP ADN)

MỞ ĐẦU

• từ khi sự sống xuất hiện trên trái đất, sinh vật đã trải qua rất nhiều giai đoạn tiến hóa để có được như ngày hôm nay nhưng nhờ đâu

mà sinh vật có thể tiến hóa từ thấp đến cao, từ đơn sơ đến phức tạp được như vậy ADN chính là câu trả lời sự biến đổi ADN đã làm cho sinh vật ngày càng phong phú và đa dạng tuy nhiên, dù chúng tiến hóa cao tới đâu, phức tạp tới đâu thì chúng vẫn mang đặc điểm giống với những sinh vật trước, đó là do duy truyền và một trong quá trình quan trọng, đảm bảo quá trình truyền đạt thông tin di

truyền được nguyên vẹn qua các thế hệ Đó là tái bản ADN

 KHÁI NIỆM

 ADN là 1 chất di truyền ở

cấp độ phân tử , việc truyền

đạt thông tin di truyền trên

AND từ thế hệ của tế bào mẹ

sang tế bào con thông qua cơ

chế nhân đôi ADN còn truyền

đạt thông tin di truyền từ nhân

ra thế bào chất thông qua cơ

chế phiên mã và dịch mã.

 Quá trình tái bản ADN (nhân đôi ADN , sao chép

ADN)

1 , thời điểm và vị trí

- pha S của kì trung gian giữa 2 lần phân bào

- diển ra trong nhân tế bào

2 ,Thành pần tham gia:

- DNA mẹ: Khuôn mẫu cho quá trình nhân đôi.

- Nuclêôtit tự do môi trường nội bào cung cấp (dưới dạng ATP, TTP, GTP, XTP): là nguyên liệu cho quá trình lắp ráp tạo thành chuỗi pôlinuclêôtit bổ sung Ngoài ra còn cần thêm các loại ribônuclêôtit loại A, U, G, X cho quá trình tổng hợp đoạn

RNA mồi.

- Enzim: Gyraza (tháo xoắn phân tử DNA mẹ), Helicaza (cắt các liên kết hiđrô giữa hai mạch đơn của phân tư DNA mẹ để giải lộ các mạch khuôn, tạo chạc ba tái

bản), RNA pôlimeraza hay Primaza (tổng hợp các đoạn RNA mồi có đầu 3’ - OH

tự do), DNA pôlimeraza (lắp ráp các nuclêôtit tự do thành chuỗi pôlinuclêôtit bổ sung dựa trên mạch khuôn gốc của DNA), Ligaza (nối các đoạn Okazaki thành chuỗi pôlinuclêôtit hoàn chỉnh) - Năng lượng: Từ ATP - Thành phần khác: Prôtêin B (đánh dấu điểm khởi đầu nhân đôi), Prôtêin SSB (căng mạch đơn, ngăn cản sự đóng xoắn trở lại của các mạch khuôn)

3 , nguyên tắc

- Nguyên tắc bổ sung: giữa các nuclêôtit tự do môi trường nội bào cung cấp với các nuclêôtit tương ứng trên mạch khuôn của DNA, trong đó: A liên kết với T bằng 2 liên kết hiđrô, G liên kết với X bằng 3 liên kết hiđrô và ngược lại Quá trình lắp ráp nuclêôtit được thực hiện theo chiều 5’ 3’ -

Nguyên tắc bán bảo toàn: trong mỗi phân tử DNA con có một mạch cũ (của DNA mẹ) và một mạch mới (được lắp ráp từ nuclêôtit tự do)

4, Cơ chế

- Diễn biến quá trình nhân đôi gồm các giai đoạn sau (Đánh dấu > tháo > cắt > căng > mồi > lắp ráp ->nối ->hoàn chỉnh) - Giai đoạn khởi đầu nhân đôi: Gồm các thao tác: Đánh dấu điểm khởi đầu nhân đôi Tháo xoắn phân tử DNA mẹ Cắt các liên kết hiđrô giữa hai mạch đơn để tạo ra chạc ba tái bản (chạc chữ Y) Căng các mạch đơn, ngăn cản sự đóng xoắn trở lại, chuẩn bị khuôn sẵn sàng cho quá trình tổng hợp mạch bổ sung

- Giai đoạn tổng hợp mạch bổ sung: Để tiến hành tổng hợp mạch bổ sung, trước hết enzim RNA pôlimeraza có nhiệm vụ tổng hợp các đoạn mồi (gồm khoảng 10 ribônuclêôtit) để tạo ra đầu 3’ - OH trên hai mạch khuôn của DNA mẹ theo nguyên tắc bổ sung (A U, T A, G X, X G) Trong đó, trên mạch khuôn 3’ - 5’ có một đoạn mồi ở đầu 3’; trên mạch khuôn 5’ - 3’ có nhiều đoạn mồi được tổng hợp với khoảng cách giữa hai đoạn liên tiếp

khoảng từ 1000 - 2000 nuclêôtit

Sau đó, enzim DNA pôlimeraza có nhiệm vụ nối tiếp đoạn mồi và tiến hành tổng hợp kéo dài mạch bổ sung, bằng cách sử dụng các nuclêôtit tự do môi trường nội bào cung cấp và năng lượng để liên kết bổ sung các nuclêôtit này tương ứng với các nuclêôtit trên mạch khuôn của DNA mẹ theo chiều 5’ - 3’ (A T, G X và ngược lại) Đặc biệt, trên mạch khuôn 3’ - 5’, quá trình lắp ráp kéo dài mạch bổ sung xảy ra liên tục; còn trên mạch khuôn 5’ - 3’, quá trình tổng hợp mạch

bổ sung xảy ra ngắt quãng, tương ứng với một đoạn mồi là một

đoạn mạch khoảng 1000 - 2000 nuclêôtit (gọi là đoạn Okazaki) Khi việc lắp ráp nucleotit hoàn tất, các đoạn mồi sẽ được enzim loại bỏ

và thay thế vào đó la các trình tự nucleotit và nhờ enzim ligaza, các đoạn Okazaki sẽ được nối lại với nhau để tạo ra mạch bổ sung

hoàn chỉnh

5 , phương trình tổng quát

Các nucleotic liên kết với nhau nhờ liên kết phosphodieste giữa nhóm - của

nucleotide này với nhóm của nucleotide bên cạnh ()

N1 ATP AMP

N2 GTP GMP + (P-P)n1,n2,n3,n4 (pirophotphat)

N3 CTP CMP

N4 TTP TMP(n1+n2+n3+n4)

6 , Các giai đoạn

a, Giai đoạn khởi đầu: Tháo xoắn phân tử DNA

-Mô hình phân tử của DNA vòng ở vi khuẩn hay virus cho ta một khái niệm

chung về các cấu hình có thể có của một phân tử DNA Dạng thứ nhất là siêu xoắn Dạng thứ hai có cấu trúc lơi hơn, thường là do bị đứt một chỗ trên một trong hai mạch của phân tử DNA Dạng thứ ba tương ứng với cấu trúc thẳng

do sự cắt đứt trên cả hai mạch trong phân tử DNA Trong đó, dạng siêu xoắn là dạng cơ bản về cấu trúc và chức năng

ADN-polimerase

Như vậy, để bắt đầu tái bản, phân

tử DNA phải được tháo xoắn nhờ vào hoạt động của các enzyme có tên là topoisomerase Có hai loại topoisomerase Loại I tháo dạng siêu xoắn, chúng gắn vào phân tử DNA và cắt một trong hai mạch Sau khi giải phóng một phân tử DNA đã được tháo xoắn, các enzyme này sẽ nối lại chỗ đứt Enzyme loại I được biết rõ nhất là protein ω của E coli Các topoisomerase loại II có khả năng tháo các nút nảy sinh do các biến đổi cấu trúc của chuỗi xoắn kép bằng cách cắt đứt cả hai mạch DNA Enzyme được biết rõ nhất là gyrase của E coli Gyrase sử dụng năng lượng từ sự thủy phân ATP để tháo xoắn DNA

• Tách rời hai mạch đơn tại điểm khởi đầu tái bản

• Ở E.coli, OriC chứa bốn vị trí gắn với protein khởi đầu có tên là Dna A Mỗi

vị trí có kích thước 9bp Sự tổng hợp các protein này gắn liền với tốc độ tăng trưởng tế bào vì thế việc khởi đầu tái bản DNA cũng gắn liền với tốc

độ tăng trưởng Ở tốc độ tăng trưởng cao, các nhiễm sắc thể của vi khuẩn

có thể bắt đầu lần tái bản thứ hai trước khi lần tái bản thứ nhất kết thúc tại hai điểm khởi đầu mới Vì vậy, mỗi tế bào con sẽ nhận được một nhiễm sắc thể đang được tái bản một phần

• -Quá trình tái bản bắt đầu khi DNA OriC quấn quanh một phức hợp protein Dna A gồm 30-40 phân tử, mỗi phân tử gắn với một ATP Điều này

đã thúc đẩy sự tách rời hai mạch tại ba trình tự lặp 13bp giàu A – T, cho phép protein Dna B gắn vào Dna B là một DNA hehicase, nằm trong phức hợp primosome Các helicase phá vỡ liên kết hydro giữa các base nhờ

năng lượng thủy phân ATP Có nhiều loại helicase cùng hoạt động đồng thời: Một số gắn trên mạch 3’ – 5’ như các Rep, số khác gắn trên mạch 5’ – 3’ như helicase II và III

• -Các mạch đã tách rời sẽ được ổn định dưới dạng mạch đơn nhờ các protein SSB (Single Strand Binding – liên kết với mạch đơn) Các protein này gắn lên khắp phần mạch đơn làm cho hai mạch không kết hợp trở lại được Mạch khuôn được sử dụng đến đâu thì các protein SSB được giải phóng khỏi khuôn đến đó

• b, Giai đoạn kéo dài: Tổng hợp mồi RNA

• Các DNA polymerase chỉ có thể tổng hợp DNA bằng cách kéo dài một mồi RNA đã bắt cặp sẵn trên khuôn Như

đã biết, mồi này được tổng hợp nhờ hoạt tính của enzyme primase có trong phức hợp primosome

• Sự tổng hợp mạch mới diễn ra theo kiểu bán gián đoạn, kéo dài mồi RNA

• +DNA polymerase III là một phức hợp dimer Mỗi phần gồm nhiều đơn vị gắn với nhau, chịu trách nhiệm tổng hợp một mạch đơn DNA nhằm đảm bảo cho tốc độ tổng hợp của cả hai mạch bằng nhau Đơn vị α có hoạt tính polymerase thật sự Đơn vị ε có chức năng đọc sửa nhờ hoạt tính

exonuclease 3’- 5’, từ đó làm tăng tính chính xác trong tái bản Đơn vị β giúp gắn polymerase vào DNA Đây là nhân tố duy trì, khác nhau ở hai

mạch khuôn, quy định độ dài của đoạn DNA được tổng hợp ở mạch tới (dài) khác với ở mạch chậm (ngắn)

• +DNA polymerase III bắt đầu tái bản trên mỗi mạch khuôn bằng cách gắn vào mạch (nhờ đơn vị β) và lắp các nucleotide bổ sung vào vị trí tương ứng, kéo dài đoạn mồi RNA đã bắt cặp sẵn trên khuôn từ đầu 3’OH tự do của mồi (nhờ đơn vị α) Các DNA polymerase có tính đặc hiệu cao, chỉ

thêm nucleotide vào đầu 3’OH của mạch đang tổng hợp

• +Ngoài chức năng polymer hóa theo hướng 5’ - 3’, DNA polymerase III còn có khả năng sửa sai nhờ hoạt tính exonuclease theo hướng 3’- 5’ Exonuclease là hoạt tính enzyme cắt DNA từ đầu mút một mạch Trên

đường di chuyển để tổng hợp mạch mới, nếu gặp chỗ nucleotide vừa lắp sai vị trí, DNA polymerase III sử dụng hoạt tính exonuclease 3’- 5’ cắt lùi lại

để bỏ nucleotide sai và lắp cái đúng vào rồi tiếp tục tái bản (đơn vị ε)

• +Quá trình tái bản DNA ở E.coli diễn ra với tốc độ nhanh, có thể đến 50.000 nucleotide/phút

-Hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp

Trên mạch chậm, sau khi mỗi đoạn DNA được kéo dài, mồi

RNA bị dời đi nhờ hoạt tính

exonuclease 5’–3’ của DNA

polymerase I và sẽ bị enzyme RNase H phân hủy Các chỗ

trống mà mồi để lại sẽ được thay bằng trình tự DNA một cách

chính xác nhờ kết hợp hoạt tính polymerase 5’ – 3’ (kéo dài đầu 3’ của đoạn Okazaki trước) với hoạt tính exonuclease 3’ – 5’ (đọc và sửa sai) của DNA polymerase I Cuối cùng, ligase sẽ nối tất cả các đoạn DNA trên mạch mới tổng hợp lại với nhau

• c, Giai đoạn kết thúc tái bản và phân chia tế bào

• -Hai chạc ba tái bản sẽ gặp nhau ở khoảng 180o đối diện với OricC Quanh vùng kết thúc này có vài điểm làm dừng lại sự tái bản bằng cách gắn với một sản phẩm của gen tus,

đó là một nhân tố kỳm hãm hoạt động helicase của Dna B.

• -Khi sự tái bản hoàn tất, hai phân tử DNA vòng vẫn còn dính với nhau Một

topoisomerase loại II có tên là topoisomerase IV sẽ tách rời chúng để sau đó hai nhiễm sắc thể con sẽ được phân phối vào hai tế bào con.

• -Tái bản DNA eukaryote

• Sự tái bản ở eukaryote vẫn còn những điều chưa tường tận nhưng các dữ liệu thu

được cho thấy hệ thống này khá gần với hệ thống tái bản ở prokaryote Khác biệt chủ yếu là

ở các loại DNA polymerase tham gia vào quá trình.

• -Điểm khởi đầu tái bản và giai đoạn khởi đầu:

• +Vì sự phức tạp trong cấu trúc của chất nhiễm sắc, tốc độ di chuyển của các chạc ba tái bản ở eukaryote chỉ đạt khoảng 50 bp/giây Với tốc độ này, nếu chỉ sử dụng hai chạc ba tái bản, phải mất 30 ngày mới tái bản xong một phân tử DNA nhiễm sắc thể điển hình của động vật hữu nhũ với kích thước 105 kb Do đó cần phải có nhiều đơn vị tái bản trong một tế bào, điển hình như ở động vật hữu nhũ là 50.000 – 100.000 đơn vị tái bản.

• +Ở eukaryote, có khoảng 20 – 50 đơn vị tái bản khởi đầu cùng lúc tại mỗi thời điểm, xuyên suốt phase S Phần tái bản sớm nhất chủ yếu bao gồm nguyên nhiễm sắc chất

(euchromatin), tức là phần DNA có hoạt động phiên mã Trong khi đó, dị nhiễm sắc chất

(heterochromatin) được hoạt hóa muộn hơn và phần DNA của tâm động (centromere) và

đoạn cuối nhiễm sắc thể (telomere) được tái bản sau cùng Điều này phản ánh khả năng đáp ứng khác nhau của những cấu trúc nhiễm sắc chất với nhân tố khởi đầu.

• +Các trình tự khởi đầu ở động vật hữu nhũ chưa được phân lập nhưng người ta tin rằng sự khởi đầu của mỗi đơn vị tái bản có lẽ diễn ra tùy ý bên trong một vùng khởi đầu có thể dài đến vài kb và là một phần của trình tự DNA lặp lại trung bình.

• +Khác với prokaryote, các đơn vị tái bản của eukaryote chỉ khởi đầu một lần trong mỗi chu trình tế bào Một protein gọi là nhân tố cho phép (licensing factor) cần thiết cho sự khởi đầu và tái hoạt hóa chỉ có khả năng tiếp cận vào nhân khi màng nhân tan đi, vì thế ngăn chặn được việc tái khởi đầu trước hạn định.

• Polymerase β: Có chức năng giống DNA polymerase I ở prokaryote, nghĩa là tổng hợp đi kèm với sửa sai và hoàn chỉnh mạch mới sau khi mồi RNA được loại bỏ

• Polymerase δ và polymerase ε : Có chức năng kéo dài DNA Trong đó khả năng tổng hợp đoạn DNA dài nhất thuộc về polymerase δ với sự trợ giúp của PCNA Cả hai enzyme này đều có khả năng đọc và sửa sai

• Polymerase : Được tìm thấy trong ti thể, chức năng chưa rõ.

• +Ngoài các polymerase kể trên, hệ thống tái bản ở eukaryote còn có sự tham gia của nhiều protein chuyên biệt như PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen - kháng nguyên trong tế bào đang phân chia) có chức năng hoạt hóa các polymerase δ và ε, các nhân tố tái bản A và C (Replication Factor, RF -A,

RF - C) cần cho hoạt động của các polymerase α và δ

• -Tái bản ở đoạn cuối nhiễm sắc thể (telomere replication):

• +Hai đoạn cuối của nhiễm sắc thể dạng thẳng không thể được tái bản đầy đủ bởi vì không thể kéo dài DNA từ đầu 5’ của mạch mới tổng hợp sau khi đã loại bỏ mồi RNA Do đó thông tin di truyền sẽ mất dần khỏi DNA sau mỗi đợt tái bản

• +Để giải quyết vấn đề này, đoạn cuối mỗi nhiễm sắc thể eukaryote bao gồm hàng trăm bản sao một trình tự đơn giản, không mã hóa (ví dụ như

TTAGGG ở người) với đầu 3’ nhô ra so với đầu 5’

• +Telomerase là một enzyme duy trì độ dài của telomere Enzyme này

có chứa một phân tử RNA ngắn Một phần trình tự của RNA này bổ sung với trình tự lặp của telomere, do đó nó có thể hoạt động như một mạch khuôn để kéo dài các trình tự lặp từ đầu 3’ tự do của telomere bằng cách tổng hợp rồi dịch chuyển liên tiếp nhiều lần

• +Các eukaryote đơn bào, chẳng hạn như nấm men, nhờ vào hoạt động của telomerase mà duy trì telomere, từ đó bảo vệ tế bào khỏi

sự mất thông tin di truyền Thế nhưng ở các sinh vật eukaryote

đa bào, ở các tế bào sinh dưỡng, gen mã hóa telomerase bị kỳm hãm Vì thế, qua mỗi đợt phân bào, các nhiễm sắc thể ngắn dần

đi cho đến khi chạm tới các trình

tự mã hóa của DNA, tế bào sẽ già

đi và chết Trong nuôi cấy tế bào sinh dưỡng, hầu hết các tế bào chỉ phân chia 30-40 hoặc 50 lần rồi chết

• +Ở các tế bào ung thư, sự tái hoạt hóa hoạt động của

telomerase khiến cho các tế bào này có khả năng bất tử

CẢM ƠN CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG

NGHE