MỤC TIÊU
1. Trình bày được các bằng chứng chứng minh acid nucleic là cơ sở phân tử của hiện tượng di truyền.
2. Trình bày được cấu trúc và các đặc điểm của ADN
3. Giải thích được cấu trúc và các đặc điểm của ARN để phù hợp với chức năng của chúng, phân loại được các loại ARN trong tế bào.
NỘI DUNG
1. Những bằng chứng chứng minh acid nucleic là cơ sở phân tử của hiện tượng di truyền. truyền.
Vào năm 1968, vài năm sau khi Mendel công bố các quy luật di truyền, Friedich Miescher, nhà sinh hoá học người Thuỵ Điển, phát hiện trong nhân tế bào bạch cầu một chất không phải protein và gọi là nuclein (từ chữ nucleus – nhân). Về sau thấy chất này có tính acid nên được gọi là nucleic acid. Nucleic acid có hai loại là desoxyribonucleic acid gọi tắt là ADN và ribonucleic acid (ARN). Chất mà ơng Miescher tìm ra là ADN.
Năm 1914, nhà hố học Đức R.Feulgen tìm ra phương pháp nhuộm màu đặc hiệu đối với ADN và mười năm sau cho thấy ADN của nhân giới hạn trong các nhiễm sắc thể. Nhiều sự kiện gián tiếp cho thấy ADN là chất di truyền, nhưng trong một thời gian dài quan niệm protein là chất di truyền vẫn ngự trị. Các nhiễm sắc thể đều có chứa ADN lẫn protein, hơn nữa lúc đó vẫn cho rằng các protein mới có đủ sự phức tạp hố học cần thiết để chứa thơng tin di truyền. Mãi đến năm 1944, vai trị mang thơng tin di truyền của ADN mới được chứng minh lần đầu tiên và đến năm 1952 mới được công nhận sau nhiều tranh cãi.
1.1. Các chứng minh gián tiếp
Nhiều số liệu cho thấy sự liên quan chặt chẽ giữa ADN và chất di truyền.
- Thứ nhất, ADN có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật; chỉ giới hạn trong nhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể - một cấu trúc tế bào mang nhiều gen xếp theo đường thẳng.
- Thứ hai, tất cả các tế bào dinh dưỡng (tế bào soma) của bất kì một loại sinh vật nào đều chứa một lượng ADN rất ổn định khơng phụ thuộc vào sự phân hố chức năng hay trạng thái trao đổi chất. Ngược lại số lượng ARN biến đổi tuỳ theo trạng thái sinh lí của tế bào.
- Thứ ba, số lượng ADN tăng theo số bội thể của tế bào: ở tế bào sinh dục đơn bội (n) số lượng ADN là 1 thì tế bào dinh dưỡng lưỡng bội (2n nhiễm sắc thể) có số lượng ADN gấp đơi.
- Thứ tư, tia tử ngoại (uv) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước sóng 260nm (nanomét); đây chính là bước song mà ADN hấp thụ tia tử ngoại nhiều nhất.
Tuy nhiên trong các số liệu trên, thành phần cấu tạo của nhiễm sắc thể ngoài ADN, cịn có các protein. Do đó cần có các chứng minh trực tiếp mới khẳng định được vai trò vật chất di truyền của ADN. Các thí nghiệm này được tiến hành với các vi sinh vật Procaryotae có bộ gen là ADN trần khơng có protein.
1.2. Biến nạp: Truyền thông tin di truyền nhờ ADN
Hiện tượng biến nạp (transformation) được Griffith phát hiện ở vi khuẩn Diplococcus pneumoniae (nay gọi là Streptococcus pneumoniae - phế cầu khuẩn gây sưng phổi ở động vật có vú) vào năm 1928. Vi khuẩn này có hai dạng khác nhau:
- Dạng SIII , gây bệnh có vỏ bao tế bào (capsule) bằng polysaccharide cản trở bạch cầu phá vỡ tế bào. Dạng này tạo khuẩn lạc láng (Smooth-láng) trên môi trường agar.
- Dạng SII , không gây bệnh, khơng có vỏ bao, tạo khuẩn lạc nhăn (Rough – nhăn).
Hình 5.1. Sơ đồ thí nghiệm của Griffith
Hiện tượng trên cho thấy vi khuẩn S không thể sống lại được sau khi bị đun chết, nhưng các tế bào chết này đã truyền tính gây bệnh cho tế bào R. Hiện tượng này được gọi là biến nạp (transformation có nghĩa biến đổi).
Năm 1944, T.Avery, Mc Leod và Mc Carty đã tiến hành thí nghiệm xác định rõ tác nhân gây biến tạp. Nếu các tế bào S bị xử lí bằng protease (enzyme phân huỷ protein) hoặc ARN-ase (enzyme chỉ phân huỷ đặc hiệu ADN) thì hoạt tính biến nạp khơng cịn nữa, chứng tỏ ADN là nhân tố biến nạp. Kết quả thí nghiệm có thể tóm tắt như sau:
ADN của S + các tế bào R sống …….chuột ……chuột chết (có R + S)
Thời đó vai trị của ADN vẫn chưa được cơng nhận, vì cho rằng các thí nghiệm vẫn cịn một ít protein.
Các thí nghiệm về sau cho thấy có thể thực hiện biến nạp khơng chỉ với tính trạng gây bệnh, mà cịn nhiều tính trạng khác như tính đề kháng thuốc hay tổng hợp các tính chất khác nhau. Ngày nay có thể thực hiện được biến nạp ở sinh vật Eucaryotae như nấm men, tế bào thực vật, tế bào chuột và cả tế bào người, thậm chí có thể thực hiện cả biến nạp giữa các loài khác nhau rất xa trong hệ thống phân loại. Do đó biến nạp được coi như phương tiện chung (universel) để chuyển gen giữa các sinh vật khác nhau.
1.3. Sự xâm nhập của ADN virus vào vi khuẩn
Năm 1952, A.Hershey và M.Chase đã tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 (virut của vi khuẩn được gọi là bacteriophage - 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 bên ngoài và ruột ADN bên trong. Khi cho Phage T2 vào vi khuẩn, chúng gắn lên bề mặt bên ngồi, một phần chất nào đó xâm nhập vào vi khuẩn và sau 20 phút tết bào vi khuẩn bị tan ra phóng thích nhiều phage mới.
Thí nghiệm của A.Hershey và M.chase nhằm xác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ ADN, chỉ protein hay cả hai. Vì ADN chứa nhiều phosphor nhưng khơng có sulfur (lưu huỳnh) cịn protein chứa sulfur nhưng khơng chứa phosphor, nên có thể phân biệt giữa ADN và protein nhờ các đồng vị phóng xạ P và S. Phage được ni trên vi khuẩn đã mọc trên mơi trường chứa các đồng vị phóng xạ S35 . S35
xâm nhập vào protein và P32 vào ADN của phage. Phage nhiễm phóng xạ này được tách ra, đem nhiễm vào các vi khuẩn khơng phóng xạ. Cho phage nhiễm trong một khoảng thời gian đủ để bám vào vách tế bào vi khuẩn và bơm chất nào đó vào trong tế bào, rồi dung dịch được lắc mạnh và li tâm để tách rời tế bào vi khuẩn khỏi phần phage bám bên ngồi vách tế bào. Phân tích phần nằm ngồi vi khuẩn cho thấy nó chứa nhiều S35 (80%) nhưng rất ít P32 , chứng tỏ phần lớn protein vỏ của phage nằm ngồi tế bào vi khuẩn. Phân tích phần trong tế bào vi khuẩn cho thấy chúng chứa nhiều P32 (70%) nhưng rất ít S35, chứng tỏ ADN được bơm vào trong tế bào. Thí nghiệm này chứng minh trực tiếp bằng ADN của
phageT2 đã xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và sinh sản tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng tiếp tục nhiễm các vi khuẩn khác
Kết luận: Vật chất di truyền của phage T2 là ADN.
Sau thí nghiệm này vào năm 1952 nhiều cuộc tranh cãi sơi nổi đã diễn ra về vai trị của ADN là vật chất di truyền. Các số liệu thu được tiếp theo đã khẳng định được điều đó.