những vấn đề cơ bản trong sinh học phân tử

PGS TS Nguyễn Hoàng Lộc (Chủ biên) TS Trần Thị Lệ - ThS Hà Thị Minh Thi Giáo trình Sinh học phân tử Nhà xuất Đại học Huế Năm 2007 NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ Địa chỉ: 01 Điện Biên Phủ, Huế - Điện thoại: 054.834486 Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc: Nguyễn Xuân Khoát Tổng biên tập: Hồng Hữu Hòa Người phản biện: PGS TS Nơng Văn Hải Biên tập nội dung: TS Nguyễn Thị Mai Dung Biên tập kỹ thuật-mỹ thuật: Hồng Tuệ Trình bày bìa: Nguyễn Hồng Lộc Chế vi tính: Nguyễn Hồng Lộc SINH HỌC PHÂN TỬ In 500 khổ 16×24 cm, Công ty In Thống kê Sản xuất Bao bì Huế, 36 Phạm Hồng Thái, Huế Số đăng ký KHXB 151-2007/CXB/02-03/ĐHH Quyết định xuất số: 08/QĐ-ĐHH-NXB, cấp ngày 12/4/2007 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2007 Lời nói đầu Sinh học phân tử khoa học nghiên cứu tượng sống mức độ phân tử Phạm vi nghiên cứu môn học có phần trùng lặp với số mơn học khác sinh học đặc biệt di truyền học hóa sinh học Sinh học phân tử chủ yếu tập trung nghiên cứu mối tương tác hệ thống cấu trúc khác tế bào, bao gồm mối quan hệ qua lại trình tổng hợp DNA, RNA protein tìm hiểu cách thức điều hòa mối tương tác Hiện nay, sinh học phân tử sinh học tế bào xem tảng quan trọng công nghệ sinh học Nhờ phát triển công cụ sinh học phân tử enzyme cắt hạn chế, DNA ligase, vector tạo dòng, lai phân tử, kỹ thuật PCR sinh học phân tử ngày đạt nhiều thành tựu ứng dụng quan trọng Giáo trình sinh học phân tử cung cấp kiến thức cho sinh viên với nội dung sau: - Cấu trúc chức gen - Cấu trúc genome - Các trình tái bản, phiên mã dịch mã nguyên liệu di truyền - Điều hòa biểu gen - Sửa chữa bảo vệ gen - Tái tổ hợp chuyển gen Do xuất lần đầu nên giáo trình khó tránh khỏi thiếu sót chưa đáp ứng yêu cầu bạn đọc Vì thế, chúng tơi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp để lần xuất sau hồn thiện Chúng tơi chân thành cảm ơn Quỹ Nâng cao chất lượng-Dự án Giáo dục đại học hỗ trợ chúng tơi biên soạn giáo trình này, PGS TS Nông Văn Hải đọc thảo góp nhiều ý kiến quý báu Các tác giả MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Chương CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC I Nucleic acid Deoxyribonucleic acid Ribonucleic acid II Protein 13 Cấu trúc protein 13 Chức protein 19 III Lipid 22 IV Polysaccharide 24 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 25 Chương CẤU TRÖC GENOME 26 I Các thành phần đặc điểm genome 27 Genome quan tử 28 Động học phản ứng lai DNA 32 Kích thước genome 34 Tổng số gen biết số lồi eukaryote 35 II Tính phức tạp genome 37 III Thay đổi trật tự đoạn DNA genomeTransposons 40 Sự thay đổi trật tự đoạn DNA genome 40 Các transposons 41 IV Tương tác T-DNA với genome thực vật 45 Ti-plasmid Ri-plasmid 46 T-DNA 46 260 Vùng vir 46 Quá trình chuyển T-DNA vào tế bào thực vật 47 V Sắp xếp khuếch đại gen genome 49 Sắp xếp lại gen 49 Khuếch đại gen 54 Biến nạp gen 55 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 56 Chương CẤU TRÖC VÀ CHỨC NĂNG CỦA GEN 57 I Định nghĩa gen 57 II Lý thuyết trung tâm 59 Sự xác định di truyền cấu trúc bậc protein 59 Các enzyme hoạt tính đột biến 59 Bản chất biến đổi di truyền protein 59 Sự tương quan đồng tuyến tính gen-polypeptide 61 Lý thuyết trung tâm sinh học phân tử 65 DNA mã di truyền 67 III Cấu trúc chức gen 68 Cấu trúc gen 68 Sự phân chia nhỏ gen 71 Thử nghiệm chức allele 73 Gen đơn vị chức nhỏ 74 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 75 Chương TÁI BẢN DNA 76 I Chứng minh tái DNA theo chế bán bảo thủ 76 Cơ chế tái bán bảo thủ 76 Thí nghiệm Meselson Stahl 77 II Mơ hình tái DNA-chạc ba tái 78 261 Mơ hình tái 78 Chạc ba tái 78 Tái DNA theo vòng tròn quay 81 III Bản chất xoắn DNA-Các giai đoạn tái 82 Mở xoắn 82 Kéo dài-Tổng hợp chuỗi Okazaki 83 Kết thúc 84 IV Khái niệm mồi 84 V Enzyme tái 87 DNA polymerase 87 Các topoisomer DNA topoisomerase 89 Helicase protein SSB 90 DNA ligase 92 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 94 Chương PHIÊN MÃ 95 I Các đặc điểm trình phiên mã 95 Sự phiên mã tạo RNA bổ sung với sợi DNA 95 Sự phiên mã phản ứng enzyme 96 Sự phiên mã chép chọn lọc số phần genome tạo nhiều 96 Chỉ hai sợi đơn phân tử DNA dùng làm khuôn mẫu 96 Sự phiên mã khởi phát không cần mồi 97 II Các giai đoạn trình phiên mã 97 Giai đoạn khởi đầu 97 Giai đoạn kéo dài 98 Giai đoạn kết thúc 98 III Phiên mã prokaryote 98 262 Enzyme RNA polymerase prokaryote 98 Promoter gen prokaryote 99 Vai trò enzyme RNA polymerase promoter trình phiên mã 99 Tín hiệu kết thúc 101 IV Quá trình phiên mã eukaryote 102 Cấu trúc gen eukaryote 102 Enzyme RNA polymerase eukaryote 103 Các yếu tố giúp RNA polymerase khởi đầu phiên mã 104 Các yếu tố kích thích RNA polymerase II hoạt động giai đoạn kéo dài 107 Quá trình biến đổi RNA tổng hợp 108 V Phiên mã ngược 110 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 114 Chương DỊCH MÃ 115 I Mã di truyền 115 Các codon Các quy tắc chi phối mã di truyền II Các ribosome 115 116 116 Thành phần cấu tạo ribosome 116 Khái niệm polyribosome 117 Các vị trí gắn tRNA ribosome 118 Các kênh ribosome 118 III Sự hình thành aminoacyl-tRNA 119 Bản chất gắn amino acid vào tRNA 119 Sự nhận diện gắn amino acid vào tRNA 119 Tính đặc hiệu aminoacyl-tRNA synthetase 119 Phân loại aminoacyl-tRNA synthetase 120 IV Các giai đoạn trình dịch mã 120 263 Giai đoạn khởi đầu 120 Giai đoạn kéo dài 125 Giai đoạn kết thúc 128 V Các nhân tố ức chế dịch mã 130 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 132 Chương SỬA CHỮA VÀ BẢO VỆ DNA 134 I Khái quát chế sửa sai 135 Các biến đổi xảy phân tử DNA 135 Khái quát chế sửa chữa mức phân tử 137 Biến đổi làm tăng tần số đột biến 137 II Các kiểu sửa chữa 138 Quang tái hoạt hóa 138 Sửa chữa ghép đôi lệch 138 Sửa chữa cắt bỏ 141 Đọc sửa base bắt cặp sai 143 Các hệ thống sửa chữa tái tổ hợp 143 Hệ thống SOS 146 III Bảo vệ DNA: Hệ thống cắt hạn chế (R)-biến đổi (M) 150 Các methylase R-M 151 Adenine cytosine methyltransferase E.coli 152 Sự methyl hóa DNA eukaryote 153 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 153 Chương ĐIỀU HÕA BIỂU HIỆN GEN 155 I Các tượng điều hòa 156 Điều hòa thích nghi 156 Hoạt động nối tiếp gen 156 Biệt hóa tế bào 156 264 Khái quát điều hòa prokaryote eukaryote II Các mức độ điều hòa 157 160 Mức độ chất nhiễm sắc 160 Mức độ phiên mã 160 Mức độ hậu phiên mã 161 Mức độ dịch mã 161 Mức độ hậu dịch mã 161 III Điều hòa biểu gen prokaryote 162 Cấu trúc promoter 163 Cấu trúc operon 163 Điều hòa thối dưỡng: Kiểm sốt âm-cảm ứng 164 Điều hòa biến dưỡng: Kiểm sốt âm-ức chế 165 Kiểm sốt dương cảm ứng 170 IV Điều hòa hoạt tính eukaryote 171 Các promoter 172 Các enhancer 172 Các protein nhân tố có tác động trans 172 Hormone 175 Kiểm soát chất thường gặp nhân 175 V Sự biệt hóa tế bào 176 Các tế bào biệt hóa mang thông tin giống 176 Các tế bào biệt hóa tổng hợp nhóm protein khác 177 Sự điều hòa mức phiên mã nguồn gốc sai khác tế bào biệt hóa 179 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 180 Chương CÔNG NGHỆ DNA TÁI TỔ HỢP 181 I Mở đầu 181 Tác động công nghệ DNA tái tổ hợp 181 265 Làm việc mức độ phân tử II Endonuclease hạn chế 182 183 Gắn đầu bị cắt enzyme hạn chế 186 Isochizomer 186 III Phương thức tạo dòng Plasmid vector Bacteriophage 188 188 vector 192 Cosmid vector 193 Thư viện cDNA 195 Thư viện genomic DNA 196 IV Biểu gen ngoại lai vi khuẩn 197 Các protein nguyên thể tái tổ hợp 198 Các protein dung hợp tái tổ hợp 201 Xác định mức độ biểu gen tạo dòng 203 V Phương pháp phát dòng vi khuẩn có DNA tái tổ hợp 204 Lai khuẩn lạc vết tan 204 Sàng lọc thư viện gen PCR 206 Sàng lọc thư viện cDNA probe khác 208 Phân tích genomic DNA phương pháp lai Southern 209 VI Các ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp 211 Ứng dụng dược phẩm 211 Các vi khuẩn đặc biệt 212 Các sản phẩm nông nghiệp 212 Thuốc oligonucleotide 213 Liệu pháp gen 214 Chẩn bệnh để can thiệp sớm 214 DNA fingerprinting 215 Lập đồ gen 216 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 217 266 ... đầu Sinh học phân tử khoa học nghiên cứu tượng sống mức độ phân tử Phạm vi nghiên cứu môn học có phần trùng lặp với số mơn học khác sinh học đặc biệt di truyền học hóa sinh học Sinh học phân tử. .. nay, sinh học phân tử sinh học tế bào xem tảng quan trọng công nghệ sinh học Nhờ phát triển công cụ sinh học phân tử enzyme cắt hạn chế, DNA ligase, vector tạo dòng, lai phân tử, kỹ thuật PCR sinh. .. X-quang Sinh học phân tử (molecular biology) Khoa học nghiên cứu tượng sống mức độ phân tử Lĩnh vực khoa học trẻ tuổi điểm gặp khoa học kinh điển di truyền học, hóa sinh học, tế bào học, vật lý học,