bản chất và chất di truyền

Bản chất vật chất di truyền Bản chất vật chất di truyền Bởi: Bùi Chí Bửu Thành phần cấu tạo hóa học axit nucleic Axit nucleic F Miescher phát năm 1869 Có hai loại axit nucleic axit deoxyribonucleic (DNA) axit ribonucleic (RNA) Axit deoxyribonucleic (DNA) polyme có phân tử lượng lớn, có mặt tất tế bào sống DNA tập trung chủ yếu nhiễm sắc thể nhân tế bào, ngồi có số lượng nhỏ nằm ty thể lục lạp - DNA ngồi nhân Số lượng DNA khơng thay đổi nhân tế bào lồi Axit ribonucleic có mặt nhân tế bào nguyên sinh chất Thành phần nguyên tố Trong cấu tạo axit nucleic có nguyên tố hóa học carbon (C), hydro (H), oxy (O), nitơ (N) phospho (P) Trong đó, thành phần nitơ thường chiếm khoảng từ 8-10% phospho 15-16% Thành phần cấu tạo hóa học Phân tử axit nucleic cấu tạo từ thành phần bazơnitơ, đường pentose axit phosphoric Khi thuỷ phân hoàn toàn axit nucleic enzyme axit thu ba thành phần bazơ nitơ, đường pentose axit phosphoric Nếu thuỷ phân bước enzyme đầu tiên, enzym ribonuclease cắt liên kết phosphoester, giải phóng nucleotide - đơn vị cấu tạo phân tử axit nucleic Các nucleotide tiếp tục bị thuỷ phân tác dụng enzyme nucleotidase nucleosidase để giải phóng axit phosphoric, đường pentose bazơ nitơ 1/16 Bản chất vật chất di truyền - Bazơ pyrimidine vòng cạnh có chứa hai ngun tử nitơ Các bazơ có nhân pyrimidine cytosine (C) thymine (T) Trong điều kiện sinh lý, guanine thymine thường tồn dạng ceton Đơi khi, bazơ cytosine gặp dạng 5-methyl cytosine, adenine cytosine thường tồn dạng amin Sơ đồ thuỷ phân bước axit nucleic Các bazơ nitơ Có nhóm bazơ nitơ purine pyrimidine - Bazơ purine hợp chất nitơ dị vòng Vòng purine nhà hố học Đức E Fischer gọi lần đầu tiên, đó, bao gồm vòng pyrimidine vòng imidazol ghép lại Các bazơ có nhân purine adenine (A) guanine (G) Mỗi bazơ có dạng đồng phân Một dẫn xuất quan trọng bazơ adenine hypoxanthine Hypoxanthine tạo thành nhóm −NH2 adenine thay nhóm −OH Hypoxanthine có ý nghĩa quan trọng trình trao đổi chất tế bào sống - Bazơ pyrimidine vòng cạnh có chứa hai nguyên tử nitơ Các bazơ có nhân pyrimidine cytosine (C) thymine (T) Trong điều kiện sinh lý, guanine thymine thường tồn dạng ceton Đôi khi, bazơ cytosine gặp dạng 5-methyl cytosine, adenine cytosine thường tồn dạng amin 2/16 Bản chất vật chất di truyền Công thức cấu tạo bazơ nitơ Đường pentose Trong DNA có chứa gốc đường deoxyribose, RNA chứa gốc đường ribose nằm dạng vòng, có cơng thức cấu tạo 3/16 Bản chất vật chất di truyền Công thức cấu tạo đường pentose Nucleoside nucleotide Nucleoside Liên kết glycoside bazơ nitơ đường pentose Khi bazơ nitơ liên kết ới phân tử đường pentose liên kết β,N-glycoside tạo thành nucleoside Liên kết β,N-glycoside hình thành nguyên tử carbon thứ (C1) đường pentose với nguyên tử thứ (N9) bazơ purine với nguyên tử thứ (N1) bazơ pyrimidine - Nucleoside bazơ pyrimidine với đường ribose mang tên bazơ có “-idine” (thymidine, uridine, cytidine) - Nucleoside bazơ purin với đường ribose mang tên bazơ có “-osine” (adenosine, guanosine) - Khi bazơ nitơ liên kết với đường deoxyribose có thêm tiếp đầu ngữ “deoxy“ (deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxycytisine) Riêng bazơ thymine có mặt DNA nên gốc đường nucleoside deoxyribose, trường hợp này, 4/16 Bản chất vật chất di truyền nhiều người ta không cần gọi thêm tiếp đầu ngữ “deoxy-“, mà gọi cách đơn giản thymidine Nucleotide Sơ đồ AMP UMP Nucleotide ester phosphat nucleoside Axit phosphoric tạo liên kết ester với nguyên tử carbon đường (thường C5), tạo thành nucleotide Các nucleotide đơn vị cấu tạo axit nucleic, phân tử DNA cấu tạo nên từ loại nucleotide: dAMP, dGMP, dCMP dTMP Nucleotide đóng vai trò sinh học quan trọng Ngồi chức cấu tạo nên vật chất di truyền, chúng có mặt coenzyme, xúc tác nhiều phản ứng hóa học tế bào coenzyme NAD, FAD, FMN coenzyme A Tên gọi chữ viết tắt số nucleotide Tên gọi bảng viết tắt số nucleotide Tên gọ i Ký hiệu Adenozine 5’-monophosphat (axit adenylic) AMP Guanosine 5’-monophosphat (axit guanylic) GMP 5/16 Bản chất vật chất di truyền Cytidine 5’-monophosphat (axit cytidytic) CMP Uridine 5’-monophosphat (axit thymidylic) UMP Deoxyadenosine 5’-monophosphat (axit deoxyadenylic) dAMP Deoxyguanosine 5’-monophosphat (axit deoxyadenylic) dGMP Deoxycytidine 5’-monophosphat (axit deoxycytidylic) dCMP Deoxythymidine 5’-monophosphat (axit deoxythymidylic) dTMP Cấu trúc phân tử DNA Đặc điểm cấu tạo Axit deoxyribonucleic (DNA) phân tử mang thông tin di truyền tế bào sống mà đó, gen đơn vị di truyền DNA xây dựng từ loại nucleotide: dAMP, dGMP, dCMP dTMP Gốc đường nucleotide deoxyribose DNA polynucleotide, nucleotide nối với liên kết 3',5' phosphodiester Hai liên kết ester hình thành gốc phosphat với carbon thứ nucleotide carbon thứ nucleotide nằm kề Phân tử DNA bao gồm hai sợi polynucleotide ngược chiều nhau, bazơ purine sợi polynucleotide nằm đối diện với bazơ pyrimidine sợi polynucleotide theo quy luật bổ sung nghiêm ngặt: adenine đứng đối diện với thymine (A−T) guanine đứng đối diện với cytosine (G-C) Hai sợi polynucleotide giữ vững ổn định nhờ liên kết hydro bazơ nitơ hai mạch 6/16 Bản chất vật chất di truyền Vị trí hình thành liên kết hydro dạng bazơ nitơ Hướng chuyển dịch điện tử liên kết hydro Quy luật liên kết bổ sung hai loại bazơ nitơ E Chargaft phát Khi nghiên cứu thành phần bazơ nitơ phân tử axit nucleic, ông thấy rằng: Số bazơ adenine 7/16 Bản chất vật chất di truyền thymine số bazơ guanine cytosine Quy tắc gọi quy tắc Chargaft A = T G = C hay A+G T+C =1 Về sau, nhà nghiên cứu thấy rằng: số lượng cặp bazơ A−T G−C khác loài nên quy tắc bổ sung nội dung sau Tỷ lệ (A+T)/(G+C) tuỳ theo loài Một đặc điểm quan trọng bazơ nitơ nêu phần chúng có dạng đồng phân Nếu xét góc độ hố học t, dựa vào khả cho nhận điện tử nguyên tử loại bazơ nitơ (Hình 1-5), thay đổi dạng đồng phân, bazơ adenine tạo liên kết hydro với bazơ thymine (A−T) cytosine (A−C), tương tự vậy, bazơ guanine tạo liên kết với cytosine (G−C) thymine (G−T) Trong điều kiện sinh lý tế bào, người ta thấy, bazơ adenine cytosine thường nằm dạng amino, nghĩa là, ngun tử nitơ gắn với vòng purine pyrimidine ln có hai ngun tử nitơ (−NH2), gặp dạngimin (−NH) Tương tự vậy, bazơ guanine thymine, nguyên tử oxy gắn carbon thứ vòng purine pyrimidine ln nằm dạng ceton (C=O) gặp dạng enol (C−OH) (Hình 1-5) Như vậy, vị trí ngun tử hydro nhóm quan trọng Nếu ngun tử hydro khơng cố định vị trí dẫn đến bắt cặp nhầm A−C G−T, làm thay đổi trình tự xếp thành phần bazơ nitơ sợi polynucleotide Nếu trường hợp xảy máy di truyền bị biến động, phân tử DNA hệ khác hệ trước Tuy nhiên, tế bào thể sống ln có cách kiểm sốt thích hợp để đảm bảo máy di truyền ổn định từ hệ qua hệ khác, vấn đề này, xem xét phần sau Cấu trúc bậc II - Mơ hình Watson Crick Năm 1953, Watson Crick khám phá mơ hình cấu trúc phân tử DNA - phát minh quan trọng kỷ XX, đánh dấu bước ngoặt cho phát triển di truyền học Watson Crick trao giải thưởng Nobel năm 1962 Theo Watson Crick, mơ hình cấu tạo khơng gian DNA có đặc điểm sau - Phân DNA gồm hai sợi polynucleotide xếp theo hai hướng ngược chiều (đối song song): sợi bên có đầu 3'−OH sợi bên 5'−P - Hai sợi xoắn (xoắn đôi) xung quanh trục chung 8/16 Bản chất vật chất di truyền - Các bazơ nitơ hai sợi nằm quay vào Bazơ sợi đứng đối diện với bazơ sợi theo quy luật bổ sung A đối diện T G đối diện C A nối với T hai liên kết hydro, G nối với C liên kết hydro - Nhóm phosphat gốc đường chuỗi polynucleotide xoay ngồi, hình thành liên kết với nước, đảm bảo tính ổn định cho phân tử - Mỗi vòng xoắn ốc tương ứng với 10 cặp bazơ, chiều cao vòng xoắn ốc 34Å (1Å = 10-10 m) Như vậy, chiều cao nucleotide 3,4Å, đường kính 20Å Các dạng cấu trúc DNA Phân tử DNA sinh vật eucaryote có dạng thẳng, phần lớn tế bào procaryote có dạng vòng Tuy nhiên, dù vòng hay thẳng, DNA có cấu tạo cuộn xoắn + Dạng thẳng: Phân tử gồm hai sợi xoắn kép, đối song song, sợi có đầu 3'−OH 5'−Phosphat tự 9/16 Bản chất vật chất di truyền Cấu tạo sợi polynucleotide bắt cặp bổ sung bazơ nitơ 10/16 Bản chất vật chất di truyền Mơ hình cấu trúc phân tử DNA 11/16 Bản chất vật chất di truyền Ngày nay, người ta phát mô tả loại cấu trúc xoắn đôi DNA A, B, C, D, E Z Sự khác loại thể chủ yếu đặc điểm sau - Chiều xoắn (xoắn phải xoắn trái), - Số lượng đơi bazơ vòng xoắn, - Khoảng cách đôi bazơ, - Khoảng cách lớn sợi Loại B loại hay gặp điều kiện sinh lý loại theo mô hình Watson Crick, có chiều xoắn phải Loại Z tìm thấy nhiễm sắc thể ruồi dấm, có chiều xoắn trái 12 đơi bazơ vòng xoắn Loại A tìm thấy mơi trường chứa nhiều ion natri hay canxi, có chiều xoắn phải có 11 đơi bazơ vòng xoắn Loại C, D E khơng có mặt thể sống + Dạng vòng : Phân tử hình tròn, xoắn Có thể gặp dạng xoắn đơn vòng DNA số virus hay dạng xoắn đôi DNA vi khuẩn Tính chất DNA Dung dịch DNA có tính keo phân tử lớn có tính axit có chứa gốc axit phosphoric Dưới tác dụng tác nhân nhiệt hay chất hóa học (formamide, urê), hai sợi đơn phân tử DNA bị tách rời liên kết hydro bazơ bổ sung bị phá vỡ tượng gọi biến tính DNA Giá trị trung bình khoảng nhiệt độ q trình biến tính gọi nhiệt độ nóng chảy DNA (Tm - melting Temperature) Sau hai mạch đơn phân tử DNA tách rời ra, ta giảm nhiệt độ từ từ, cộng với điều kiện thích hợp hai mạch bắt cặp trở lại - tượng gọi hồi tính Nếu ta giảm nhiệt độ cách đột ngột bắt cặp trở lại khơng diễn Các nucleotide DNA hấp thụ tia cực tím với độ dài bước sóng tối đa 260nm Do vậy, khả hấp thụ tia cực tím hai sợi đơn lớn sợi kép DNA bị thủy phân tác dụng enzyme nuclease 12/16 Bản chất vật chất di truyền Các thí nghiệm chứng minh DNA vật chất di truyền Các chứng minh gián tiếp Trước đây, người ta cho rằng, protein vật chất di truyền, quan niệm tồn năm đầu kỷ XX Sau phát axit nucleic (1869) nhà hóa học Đức R Feulgen tìm phương pháp nhuộm màu đặc hiệu với axit nucleic (1914), nhiều kết nghiên cứu axit nucleic làm sáng tỏ rằng, DNA vật chất di truyền protein Những phát sau gián tiếp cho thấy DNA vật chất di truyền - DNA có mặt tất tế bào sống, từ vi sinh vật, thực vật động vật bậc cao - DNA thành phần chủ yếu nhiễm sắc thể nhân tế bào - Hàm lượng DNA tất tế bào dinh dưỡng (tế bào soma) loại sinh vật giống nhau, không phụ thuộc vào trạng thái hay chức chúng Ngược lại, hàm lượng RNA protein lại thay đổi tùy theo trạng thái sinh lý - Khi gây đột biến tia tử ngoại, người ta thấy hiệu gây đột biến cao bước sóng 260nm, bước sóng mà DNA hấp thụ cao - Số lượng DNA tế bào sinh dục (trứng, tinh trùng, noãn, phấn hoa, ) nửa số lượng DNA tế bào dinh dưỡng thể Thí nghiệm Griffith Oswald Avery Năm 1928, Griffith phát tượng biến nạp (transformation) vi khuẩn Streptococcus pneumoniae gây bệnh sưng phổi động vật có vú Vi khuẩn có hai dạng khác - Dạng S (Smooth) có khuẩn lạc láng mơi trường thạch Tế bào vi khuẩn dạng có vỏ bao (capsule) nên hệ thống miễn dịch thể động vật khơng thể cơng tiêu diệt được, vậy, xâm nhập vào thể, chúng gây nên bệnh sưng phổi - Dạng R (Rough) có khuẩn lạc nhăn, tế bào chúng khơng có vỏ bao, nên xâm nhập vào thể động vật, chúng bị hệ thống miễn dịch động vật tiêu diệt, không gây nên bệnh 13/16 Bản chất vật chất di truyền Griffith phát rằng, tiêm dịch vi khuẩn dạng S đun sôi đến chết vào chuột chuột khơng bị bệnh Nhưng tiêm vào chuột hỗn hợp bao gồm lượng nhỏ vi khuẩn sống dạng R với lượng lớn tế bào vi khuẩn dạng S đun chết, chuột phát bệnh chết Lấy máu chuột chết bệnh đưa vào mơi trường ni cấy, ơng thấy có mặt vi khuẩn dạng S Như vậy, vi khuẩn dạng S tự sống trở lại sau bị đun đến chết được, tế bào chết truyền tính gây bệnh cho tế bào sống dạng R Hiện tượng gọi biến nạp Năm 1914, Oswald Avery, Colin Mc Leod Maclyn Mc Carty xác định tác nhân gây biến nạp thí nghiệm theo sơ đồ Sơ đồ thí nghiệm Oswald Avery, Colin Mc Leod Maclyn Mc Carty DNA tế bào vi khuẩn gây bệnh dạng S tách làm Mặc dù tách làm sản phẩm thu nhận protein Giả thiết, protein tác nhân gây biến nạp sau xử lý loại bỏ protein enzyme protease phối trộn với tế bào sống dạng R, tượng biến nạp khơng xảy Ngược lại, tác nhân biến nạp DNA sau loại bỏ DNA enzyme deoxyribonuclease phối trộn với tế bào sống dạng R khơng xuất hiện tượng biến nạp Kết thí nghiệm cho thấy, tượng biến nạp tìm thấy có mặt DNA, trường hợp DNA bị enzyme phá hủy khơng xuất hiện tượng biến nạp Điều 14/16 Bản chất vật chất di truyền khẳng định rằng, DNA tác nhân gây biến nạp, truyền tính gây bệnh từ tế bào dạng S sang tế bào dạng R vi khuẩn Thí ngiệm A Hershey M Chase Năm 1952, thí nghiệm xâm nhập virus bacteriophage T2 (gọi tắt phage) vào vi khuẩn E Coli, Alfred Hershey Martha Chase chứng minh trực tiếp rằng, DNA vật chất di truyền Sơ đồ xâm nhập virus phage T2 Phage T2 có cấu tạo gồm thành phần chính, vỏ protein bên DNA bên phần đầu, tỷ lệ thành phần tương đương Khi xâm nhập vào vi khuẩn, người ta xác định rằng: đầu tiên, phần đuôi phage bám vào màng tế bào vi khuẩn, sau đó, phần chất bơm vào tế bào vi khuẩn sau thời gian, nhiều tế bào virus tạo thành bên tế bào vi khuẩn chui ngồi Thí nghiệm A Hershey M Chase tiến hành với mục đích xác định xem, chất phage bơm vào tế bào vi khuẩn để tạo hệ phage Dựa vào thành phần cấu tạo DNA protein, người ta thấy rằng: DNA chứa nhiều phospho không chứa lưu huỳnh, protein chứa lưu huỳnh Vì họ sử dụng đồng vị phóng xạ S35 P32 để gắn vào protein DNA phage T2 nhằm dễ dàng theo dõi Tiến trình thí nghiệm gồm bước sau 15/16 Bản chất vật chất di truyền Tạo hệ phage T có protein chứa S35 có DNA chưa P32 cách ni vi khuẩn E Coli mơi trường có S35 P32 Thế hệ phage35 T tạo thành mang đồng vị phóng xạ - Tách virus mang đồng vị phóng xạ - Cho virus mang đồng vị phóng xạ xâm nhập vào tế bào vi khuẩn E Coli khơng mang đồng vị phóng xạ Bước thực cách cho phage T2 tiếp xúc với tế bào vi khuẩn khoảng thời gian đủ để virus bám vào màng tế bào vi khuẩn bơm vật chất di truyền chúng vào tế bào, dung dịch lắc mạnh li tâm để tách rời tế bào vi khuẩn khỏi phần lại phage bên ngồi tế bào - Phân tích thành phần phóng xạ phần nằm ngồi tế bào vi khuẩn phage phần nằm bên tế bào vi khuẩn Kết cho thấy: Phần nằm ngồi tế bào vi khuẩn phage có chứa nhiều S35 (80%) P32 Điều cho thấy rằng, phần lớn protein vỏ phage nằm tế bào vi khuẩn Ngược lại, phần bên tế bào vi khuẩn có chứa nhiều P32 (70%), S35, chứng tỏ rằng, DNA bơm vào tế bào vi khuẩn để sinh sản hệ phage Từ kết thí nghiệm đến kết luận: Vật chất di truyền phage T2 DNA 16/16