Di truyền thực vật

Chia sẻ: 124357689 124357689 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

379
lượt xem 97
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Di truyền học nghiên cứu hai tính chất cơ bản, gắn liền của cơ thể sống: tính di truyền và tính biến dị. - Sự thống nhất biện chứng của hai tính chất này thể hiện ở tất cả các mức độ tổ chức của sự sống: phân tử, tế bào, cá thể và quần thể. - Mọi cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống đều được kiểm tra bởi các gen. -Di truyền học đề cập đến những vấn đề cơ bản và bao trùm nhất của sự sống. - Di...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Di truyền thực vật

M ở đầ u Mục tiêu: - Khái quát môn học - Vị trí của các môn học trong các môn cơ sở - Ý nghĩa đối với chọn giống, nông nghiệp hiện đại. I. Đối tượng và nhiệm vụ của di truyền học, thế nào là di truyền học hiện đại - Di truyền học nghiên cứu hai tính chất cơ bản, gắn liền của cơ thể sống: tính di truyền và tính biến dị. - Sự thống nhất biện chứng của hai tính chất này thể hiện ở tất cả các mức độ tổ chức của sự sống: phân tử, tế bào, cá thể và quần thể. - Mọi cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống đều được kiểm tra bởi các gen. ->Di truyền học đề cập đến những vấn đề cơ bản và bao trùm nhất của sự sống. - Di truyền học hiện đại là một khoa học nghiên cứu về gen ở những cấu độ khác nhau. 1.Về phương diện lý luận, di truyền học tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau: - Vấn đề tàng trữ TTDT: Nghiên cứu về cơ sở vật chất, cấu trúc, tổ chức của bộ máy di truyền: gen - NST- genom - cấu trúc di truyền của quần thể. - Vấn đề thực hiện TTDT: Cơ sở biểu hiện của gen, điều hoà hoạt động của gen, vấn đề thể hiện kiểu hình của tính trạng trong mối tương tác kiểu gen - môi trường. - Vấn đề về cơ chế truyền đạt TTDT qua các thế hệ: Cơ chế phát sinh các dạng đột biến, cơ chế biến đổi định hướng, chuyển nạp gen... 2. Về phương diện ứng dụng, di truyền học tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau: - Ứng dụng những cơ sở lý luận về di truyền để tuyển chọn ra những phương thức lai tối ưu nhất, phù hợp với từng đối tượng cụ thể. -Tuyển lựa ra những phương thức chọn lọc hiệu quả nhất để thu sản phẩm: tế bào, dòng, quần thể... http://www.ebook.edu.vn 1
- Điều khiển sự phát triển của tính trạng di truyền - Gây các đột biến thực nghiệm, chuyển nạp gen, bảo vệ và sửa chữa những hỏng hóc di truyền. II. Các giai đoạn phát triển của di truyền học. 1. Giai đoạn trước Menđen và sự ra đời công trình của Menđen: - Thế kỷ thứ V trước CN: + Hippocrate (thuyết di truyền trực tiếp) Vật liệu sinh sản được thu nhận từ tất cả các phần của cơ thể -> tất cả các cơ quan đều trực tiếp ảnh hưởng tới các tính trạng của hậu thế. - Thế kỷ thứ IV trước CN: Vật liệu sinh sản không thu nhận từ các bộ phận của cơ thể mà được tạo ra từ chất dinh dưỡng, mà về bản chất chúng ấn định cho sự cấu tạo các phần khác nhau của cơ thể. - Darwin (1809-1882) - Thuyết pangen: Mỗi phần của cơ thể đều sinh sản ra những phần tử nhỏ gọi là chất mầm(genmule), từ các phần của cơ thể chúng theo máu tập trung vềcơ quan sinh dục, qua đó các tính trạng được truyền đạt cho hậu thế. Mỗi cá thể sinh ra do sự hoà hợp đặc tính di truyền của cả bố và mẹ. -1865 Menđen - các thí nghiệm lai ở thực vật: Međen đã chứng minh: sự di truyền có tính giai đoạn, được kiểm tra bởi các nhân tố di truyền mà sau này gọi là gen -> đạt nền móng cho sự phát triển của di truyền học. 2. Giai đoạn phát triển của di truyền học kinh điển: - 1900, Hugo de Vries (Hà Lan), Erich Karl Correns (Đức) và E. von Tschermark (Áo) độc lập phát hiện ra các quy luật Menđen -> 1900 - năm khai sinh của di truyền học. -1902, W. Bateson và L. Cuenot: chứng minh quy luật Menđen ở động vật. - 1909 W. Bateson dẫn tới 100 tính trạng ở thực vật và động vật di truyền theo các quy luật Menđen. - 1901, Hugo de Vries đưa ra thuyết đột biến. - Đầu thế kỷ 20 hình thành các quan điểm đầu tiên về vai trò cảu NST đối với sự di truyền. - 1911, T.H. Morgan + cs xây dựng thuyết di truyền NST http://www.ebook.edu.vn 2
- 1920, N.I.Vavilov (Nga) thiết lập quy luật “dãy biến dị tương đồng”. - 1925, G.A.Nadson và G.S. Philipov phát hiện ảnh hưởng gây đột biến phóng xạ... - 1933, T. Painter phát hiện ra NST khổng lồ -> cơ sở cho nghiên cứu đột biến cấu trúc NST và thiết lập bản đồ tế bào học của NST. 3. Sự phát triển của di truyền học phân tử và kỹ thuật di truyền: -1944, O. Avery, MC Leod và Mc Carty chứng minh ADN là vật chất di truyền -> sự ra đời của di truyền học phân tử. -1953, J. Oatson và F. Cric phát minh ra mô hình cấu trúc phân tử của ADN. - Những năm 60 xác định toàn bộ 60 codon - 1961, F. Jacod, J. Monod đưa ra mô hình operon giải thích cơ chế điều hoà sao mã ở vi khuẩn -> nghiên cứu về cơ chế điều hoà hoạt động của gen. - Từ những năm 70 nhiều tri thức mới trong di truyền ra đời. III. Các phương pháp nghiên cứu di truyền: - Phương pháp lai - Phương pháp toán học - Phương pháp tế bào học - Phương hpáp vật lý, hoá học và sinh học khác IV. Ý nghĩa của di truyền học đối với chọn giống và phát triển một nền nông nghiệp bền vững. - Ý nghĩa lớn đối với thực tiễn và các môn khoa học khác (y học, sinh thái...) - Di truyền học là phương thức luận cơ bản của tiến hoá, đặc biệt là cơ sở của chọn giống. http://www.ebook.edu.vn 3
Chương 1: Cấu trúc và tái bản vật chất di truyền ở mức độ phân tử, tế bào Mở đầu: ADN là vật chất mang thông tin di truyền. Thực nghiệm trực tiếp chứng minh vật chất di truyền là ADN. a. Hiện tượng biến nạp Thí nghiệm của Griffith (1928): thí nghiệm trên vi khuẩn diplococcus pneumococcus. Gồm: + dạng có vỏ polysacarit độc, gây bệnh (S) + dạng không có vỏ bọc, lành (R) Tiêm cho chuột : + dòng R hoặc dòng S bị chết do nhiệt -> chuột không nhiễm bệnh. + dòng R + dòng S bị chết do nhiệt -> chuột chết. -> Kết kuận: tế bào vi khuẩn nòi R đã nhận được đặc tính tạo vỏ ở nòi S. - 1994, Oswald Avery, Colin Malead và Maclyn MC Carti đã tách ADN từ nòi S đưa vào môi trường nuôi cấy nòi R -> xuất hiện nòi S-> ADN nòi S đã biến nạp vào nòi R -> Rb có tính tạo vỏ. Kết luận : ADN là vật chất di truyền b. Các chứng minh trên thực khuẩn thể - 1952, Alfred Hershey và Martha Chase: 32 - 2 mẫu virus: + một mẫu trên ADN được đánh dấu bằng P 35 + mẫu kia trên protein được đánh dấu bằng S 32 Sau 1 chu kỳ sinh sản khi cho E. coli phát triển trên môi trường đồng vị phóng xạ P và 35 S được dùng làm chất đánh dấu đặc thù để phân biệt ADN và protein. 32 35 1 dòng E. coli được lây nhiễm phage đánh dấu P và dòng kia S. 35 Kết quả: S nằm lại ngoài tế bào vi khuẩn với vỏ bọc virus trống rỗng. 32 P nằm bên trong tế bào -> vi khuẩn sinh sản cho thế hệ virus mới Kết luận: vật chất di truyền của virus là ADN chứa không phải protêin - Virus khảm thuốc lá chứa ARN. Chúng sử dụng ARN như vật chất di truyền 1.1. Cấu trúc ADN 1.1.1. Thành phần hoá học và cấu trúc không gian của ADN http://www.ebook.edu.vn 4
* Thành phần hoá học: ADN là phân tử trùng hợp lớn (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) gọi là nucleotit, mỗi nucleotit gồm: + Đường pentose, 5 cacbon (deoxyribose –C5H10O4 + Nhóm photphát + Bazơ nitơ - Nhóm photphat gắn vào C số 5’ của deoxyribose, bazơ nitơ gắn vào C số 1’. Có 4 loại nucleotit: + Dẫn xuất của purin: Adenin (A) • Guanin (G) • + Dẫn xuất của pyrimidin: Timin (T) • Xytodin (X) • Các nucleotit được nối với nhau thành chuỗI polypeptit. Nhóm photphat liên kết với C số 5’ ở 1 đường tiếp theo (liên kết photphodieste) -> đầu 5’ (5’ – P) và đầu 3’ (3’ – OH). (Hình 2.3 – tr51) - [A] + [G] = [T] + [C] - [A] = [T] ; [G] = [C] - Tỷ lệ A+T - 1 chỉ số đặc trưng của loài (tỷ số bazơ) G+C *Cấu trúc không gian (Hình 2.4 - tr 52) -1953, James Watson và Fransis Cric: + Hai mạch đơn polynucleotit xoắn nhau-> chuỗi xoắn kép, trong đó bazơ nitơ mạch này liên kết với bazơ nitơ mạch kia bằng cầu nối hiđrô, theo nguyên tắc bổ sung. + Mỗi vòng của chuỗi xoắn kép gồm 10 cặp bazơ, l= 34A0-> khoảng cách giữa 2 bazơ liền nhau là 3,4A0 = 0,34nm. + Các vòng xoắn nối tiếp nhau và cuốn quanh 1 trục dọc chung, các bazơ nằm ngang song song và vuông góc với trục của chuỗi xoắn kép. http://www.ebook.edu.vn 5
+ Hai sợi trong phân tử ADN có hướng ngược nhau -> tính chất phân cực đối ngược, song song ngược chiều nhau của hai sợi. (Hình 25- tr53) + Chiều xoắn: * Dang Watson Crick - dạng B - xoắn phải: các cặp bazơ nằm thẳng góc với trục chuỗi xoắn. * Dạng Z - xoắn trái, mỗi vòng xoắn 12 cặp bazơ * Dạng A, C: khác nhau về số cặp bazơ ở chu kỳ xoắn và độ nghiêng. 1.1.2. Những đòi hỏi tất yếu của vật chất di truyền mà ADN đáp ứng được. - Vật chất di truyền phải tàng trữ tất cả thông tin cần thiết để điều khiển những cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của tế bào. - Vật chất di truyền được tái bản một cách chính xác để truyền đạt thông tin cho các thế hệ tế bào sau. - Vật chất di truyền phải có khả năng xảy ra và ghi nhận những biến đổi, thông tin khi đã biến đổi phải được ổn định và di truyền được. 1.2. Các dạng kiến trúc các trật tự nuclêotit trong ADN nhiễm sắc thể 1.2.1. ADN kiến trúc đơn bản Là phần ADN chính của genom. 1.2.2. Các dạng ADN kiến trúc lặp bản, các ý nghĩa của chúng - ADN có các trật tự lặp lại với bội số trung và cao. + Trung bình: số bản sao 20-50 + Cao: số bản sao 250 –6000 hoặc 105 - ADN có các trật tự lặp lại với bội số rất cao :106 bản - Ý nghĩa: Tham gia vào quá trình tiếp hợp của đôi NST tương đồng, tham gia vào quá trình trao đổi chéo gen, quá trình tái cấu trúc của NST và quá trình hoạt hoá gen. Ngoài ra còn bảo vệ các gen qua trọng, bảo toàn khối liên kết gen... 1.3. Tái bản ADN 1.3.1. Nguyên lý bản bảo toàn - Trong cơ chế tái bản bán bảo toàn, chuỗi xoắn kép được tách ra 2 mạch đơn, mỗi mạch đơn của ADN gốc được dùng làm khuôn cho tổng hợp 1 mạch mới. Kết quả 2 chuỗi kép được hình thành, mỗi một trong chúng chứa một mạch gốc và một mạch mới. http://www.ebook.edu.vn 6
- Thí nghiệm của Meselson – Stahl (1957): 15 Dựa vào hiệu lực của đồng vị phóng xạ nặng N và kỹ thuật tách các đại phân tử trên cơ sở trọng lượng: (Hình 2.7 – tr55) 15 + Nuôi E. coli qua một số thế hệ với nguồn độc nhất chứa N. 15 14 + Đặt một mẫu các tế bào vi khuẩn chứa N trong môi trường N đến khi ADN tái bản trở lại -> đưa ADN này vào ly tâm siêu tốc. 14 + Một thế hệ thứ 2 lại được cho phát triển trong môi trường N -> ADN lại được đưa vào siêu ly tâm. (Dung dịch chloride cesium – Cscl-> được dùng trong siêu ly tâm, nó tạo thành 1 gradien nồng độ liên tục. Khi cho ADN vào chúng sẽ lắng xuống với 1 hàm lượng tương đương với nồng độ chúng). -> Kết quả: + Các mẫu thí nghiệm chứa nhiều ADN nhẹ hơn. + Nồng độ của ADN thế hệ thứ nhất = ½ ADN ban đầu và nhẹ bình thường -> ADN chứa 1 sợi cũ (nặng) và 1 sợi mới (nhẹ). + Thế hệ thứ 2 chứa một nửa của một nửa ADN nặng và 1 nưả ADN nhẹ. Kết luận: ADN được tái bản theo kiểu bán bảo toàn 1.3.2. Cơ chế tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ – sinh vật nhân chuẩn a. Hệ enzim tái bản ADN Vi khuẩn Tế bào nhân chuẩn * ADN – polymerase I : 400 phân tử trong 1 tế bào, * ADN - polymerase α: 120.000 – 300.000 dalton TLPT- 109.000 dalton Chức năng : tái bản ADN của nhân Chức năng: sửa chữa ADN * ADN - polymerase β:30.000-50.000 dalton * ADN - polymerase II: 100 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- Chức năng : sửa đổi ADN 120.000 dalton Chức năng: xác định sự bắt đầu tổng hợp 1 phân đoạn mới ADN và kết thúc sự tổng hợp ADN. * ADN - polymerase γ: 150.000 –300.000 dalton. * ADN - polymerase III: 10 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- Chức năng: tái bản hệ gen ty thể. 180.000 dalton. Chức năng: gia tăng chiều dài của sợi mới được tổng hợp. http://www.ebook.edu.vn 7
b. Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn) - Quá trình tái bản ở vi khuẩn và tế bào nhân chuẩn là tương tự nhau. Tuy nhiên ở tế bào nhân chuẩn xảy ra phức tạp hơn. - Quá trình tháo xoán chuỗi kép: + Enzim topoizomerase tham gia vào sự cắt ADN ở 1 sợi và nhanh chóng khôi phục khía đứt. + ADN helicase tham gia vào tháo duỗi xoắn của chuỗi kép -> tạo mạch đơn. + Protêin tham gia vào việc căng, ổn định đoạn ADN có cấu trúc mạch đơn (SSB- single Stand binding). Mỗi SSB bám vào 8 bazơ của sợi đơn ADN. Chặc tái bản: - Vi khuẩn (Hình 2.8 – tr56) - Tế bào nhân chuẩn : (Hình 2.11 – tr58) - Quá trình lắp ráp các nuleotit ở chạc tái bản: + Khởi đầu tái bản ADN bằng ARN - mồi: Enzim ARN - polymerase hoạt động tổng hợp nên đoạn ARN mồi ngắn (trình tự bazơ trong ARN mồi được định hướng theo trình tự nucleotit của sợi ADN khuôn), tạo ra đầu 3’OH tự do, để sau đó enzim polymerase III bắt đầu hoạt động tái bản. + Loại bỏ ARN mồi và hình thành những phân đoạn okazaki: ADN polymerase I có hoạt động loại bỏ ARN mồi nhờ cắt từ đầu 5’ –3’ và thay vào chỗ của ARN mồi 1 đoạn ADN khác. 1969,R. Okazaki chứng minh kiểu tái bản nửa gián đoạn của ADN: Bằng cách đánh dấu nhanh ADN đang tái bản với 3H - thimidin Okazaki đã chứng minh: ADN mới tái bản đều ở dạng những đoạn ngắn từ 1000 - 2000 Nu (đoạn okazaki). Đoạn okazaki được bắt đầu bằng một đoạn ngắn (10 đơn vị), ARN mồi. Đoạn mồi dùng làm chất mồi kéo dài tiếp chuỗi polydeoxyribonucleotit, Nu gắn vào đầu 3’–OH tự do và kéo dài, theo chiều 5’–3’ .Sau khi loại bỏ ARN và lấp đầy khoảng trống dưới tác dụng của ADN- polymerase I các đoạn okazaki được nối lại với nhau bằng enzim nối ADN ligase. http://www.ebook.edu.vn 8
Sợi ADN được tổng hợp bằng cách nối các đoạn okazaki gọi là sợi ra chậm, là sợi được tổng hợp không liên tục, dùng khuôn cũ, chiều 5’ –3’ . Sợi kia được tổng hợp liên tục, dựa trên khuôn sợi cũ, chiều 3’–5’ (chiều mở của chạc ba) gọi là sợi dẫn đầu, đây là sợi mang đoạn mồi. -> Đó là kiểu tái bản nửa gián đoạn. + Nối các đoạn okazaki nhờ enzim nối ligase: ADN polymerase III vừa hoàn thành tổng hợp đoạn mới, sẽ tách khỏi ADN và ADN - polymerase I sẽ thế chỗ, tiếp tục tổng hợp phân đoạn mồi theo chiều 5’–3’, đồng thời do hoạt tính exonuclease, nó loại bỏ đoạn mồi của đoạn okazaki trước đó theo chiều 5’ –3’. Khi ADN polymerase I kết thúc, tồn tại khe hở giữa 2 đoạn okazaki liền nhau mới hình thành. Khe hở được lấp kín bởi xúc tác của enzim nối (ADN ligase). (Hình 2.10- tr57) -> Ở nhân chuẩn khác vi khuẩn: - Hệ thống các yếu tố tham gia vào quá trình tái bản ở tế bào nhân chuẩn phức tạp hơn nhiều. - Quá trình tái bản ở các NST ở tế bào nhân chuẩn xảy ra không đồng thời, xảy ra tại nhiều điểm, thời gian tái bản lâu hơn. 1.3.3.Tái bản ADN theo cơ chế vòng lăn: Tái bản bắt đầu từ một điểm cắt trên 1 sợi của chuỗi xoắn kép.Từ điểm cắt mở ra đầu 3’-OH và đầu 5’–P. Sự tổng hợp mới bắt đầu bằng sự lắp ráp vào đầu 3’–OH, đồng thời đầu 5’–P dịch khỏi vòng và sự lắp ráp được tiến hành theo những đoạn nhỏ. Khi sự chuyển động kết thúc 1 vòng, thì 1vòng ADN mới được hoàn tất. (Hình 2.13 – tr60) 1.4. Tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn 1.4.1. Đặc điểm cấu trúc NST ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn) - Trong tế bào sinh vật nhân sơ nhân chưa được hình thành hoàn chỉnh, chưa có màng bao bọc. - Cấu trúc của tế bào vi khuẩn điển hình bao gồm một khối nguyên sinh, trong đó có thể nhân, trong thể nhân phân tử ADN cụm lại được bao bọc quanh bởi chất nhân http://www.ebook.edu.vn 9
(nucleoplasme), thể nhân không có màng riêng. Phân tử ADN có cấu trúc dạng vòng, được gấp và cuộn thành nhiều vòng xoắn. (Hình 1.1- tr16) - E.coli: ADN 300μm được thắt vòng bởi phân tử ADN -> 25μm -> 1,5μm - Phương thức truyền đạt vất chất di truyền cho thế hệ sau: - Vi khuẩn sinh sản bằng phân chia đơn giản hoặc phân cắt sau quá trình tự nhân đôi của NST. - Ngoài NST chính, vi khuẩn còn có các plasmid mang ADN vòng, kép có khả năng tự sao độc lập với NST. 1.4.2. Đặc điểm cấu trúc nhân của tế bào nhân chuẩn - Tế bào có cấu trúc nhân hoàn chỉnh – nhân có màng bao bọc, có từ 2 NST trở lên. - ADN mạch thẳng. (Hình 1.2-tr16) - Nhân tế bào: + Màng nhân + Dịch nhân + Chất nhiễm sắc - Tiểu hạch: Phương thức truyền đạt vật chất di truyền cho thế hệ sau: Phương thức hoạt động chính xác của các NST trong nguyên phân và giảm phân với các cơ chế sinh học chặt chẽ như cơ chế tự nhân đôi, phân ly và tổ hợp của các NST. Có khối lượng nhiều loại protêin khác nhau kết hợp với ADN trong NST (80%): + Protêin histon (protêin bazơ). + Protêin không có histon (proêin axít). 1.5.Cấu trúc trên phân tử của sợi nhiễm sắc 1.5.1. Thành phần hoá học của sợi nhiễm sắc - ADN dài: + protêin histon (chứa các ARN - - ARN nhân) + Protêin không histon + Ion kim loại (Mg2+, Ca2+, Na+…) - Histon: là các protêin có phân tử ngắn, chứa từ 100 – 200aa. 5 loại: H1, H2A, H2B,H3, H4 http://www.ebook.edu.vn 10
+ H1: giàu lizin, 21 kdalton + H2A, H2B + H3, H4 : giàu acginin , 10-15 kdalton + H1: H2A: H2B: H3: H4 – 1:2:2:2:2 1.5.2. Cấu trúc cơ bản (bậc 1) của sợi nhiễm sắc (Hình 1.8-1.9 –tr25) - Mức đơn giản nhất là nuclesome: cấu tạo từ 8 phân tử histon (octamer), được cuộn quang bởi ADN: + 2 phân tử H3 và 2 phân tử H4 liên kết ở vùng trung tâm. + 2 phân tử H2A và 2 phân tử H2B liên kết phía ngoài Trong mỗi nucleosome, octamer histon được quấn bởi 1 ¾ vòng sợi ADN, mỗi vòng dài 80 cặp Nu, làm thành vòng quấn 140 cặp Nu của ADN quấn quanh 8 phân tử histon. Mỗi nucleosome có điều kiện 100A0 -> sợi ADN cuộn tròn, quấn quanh histon được giảm chiều dài theo hệ số 7. Nucleosome này nối với nucleosome kia bằng ADN nối (15 - 100 cặp Nu) -> Sợi cơ bản của NST (100Ao) 1.5.3. Cấu trúc solenoid và các mức kết tụ, ý nghĩa - Sợi cơ bản xoắn tiếp 1 mức nữa (xoắn bậc hai) -> sợi NS (đường kính 250A0) – solenoid. (Hình 1.10- tr26) - Trong NST trung kỳ, solenoid cuộn xoắn một lần nữa -> một ống rỗng (đường kính 2000A0) -> ADN với chiều dài đã co giảm theo hệ số 18. - Ống 2000A0 cuộn xoắn tiếp -> cuộn xoắn lớn hơn (đường kính 2000A0) -> cromatit ở kỳ giữa. -> Sơ đồ các mức kết tụ. - Ý nghĩa: Giải quyết hai vấn đề cơ bản: - Hoạt hoá gen - thể hiện thông tin di truyền. - Vận động – phân phối đều và chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào. -> Kết luận: Cấu trúc trên phân tử của sợi NST và quá trình kết tụ của nó có ý nghĩa lớn trong sự hoạt hoá gen - thể hiện thông tin di truyền, và trong sự vận động phân phối đều và http://www.ebook.edu.vn 11
chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào. ADN, với mô hình cấu trúc ở cấp độ phân tử, và mô hình về cấu trúc trên phân tử (NST) của nó đã chứng tỏ tính hoàn thiện tối cao của vật chất mang thông tin di truyền - vật chất trung tâm của sự sống. 1.6. Cấu trúc nhiễm sắc thể ở trung kỳ 1.6.1. Cấu trúc hình thái NST trung kỳ (Hình 1.4- tr19) - Dạng kép (do có sự nhân đôi sợi NS). - Kích thước lớn nhất. - Hình thái: * Tâm động: + Là khối ADN – protêin bền vững. + Là nơi đính vào của các sợi tơ vô sắc. + Thường mỗi NST có 1 tâm động. Vị trí của tâm động -> quyết định hình dáng NST. * Vai NST * Eo thắt * Thể kèm: vai trò trong tổng hợp ARN riboxom của tế bào. - Các dạng NST: + Dạng cân + Nhiều tâm + Dạng lệch + Không tâm + Tâm mút - Giải phẫu + Vỏ protêin + Chất đệm + Sợi NS co xoắn nhiều cấp. + Hệ khung: làm cho NST chắc chắn khi xoắn lại. (Hình 1.11 – tr27) - Ý nghĩa: + Vân động để phân chia về hai cực của tế bào. 1.6.2. Kiểu nhân - Khái niệm: Bộ NST đầy đủ các đặc điểm về hình thái và số lượng cụ thể gọi là kiểu nhân của loài đó. - Ví dụ: Bộ NST (2n) ở một số loài sinh vật : (Tr20) http://www.ebook.edu.vn 12
1.6.3. Chất nguyên nhiễm sắc, chất dị nhiễm sắc, phân lập các NST - Chất nhiễm sắc: ADN với protêin histon và protêin không histon. Do tính chất kết tụ của sợi ADN với các protêin ở các vùng nào đó trên NST là khác biệt so với bình thường làm cho vùng bắt màu đậm hơn – vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) và vùng bình thường vùng nguyên nhiễm sắc (euchromatin). - Vùng dị nhiễm sắc tập trung nhiều dạng ADN có dạng kiến trúc trùng lặp bội số cao. + Vị trí: Ổn định và không ổn định. + Gen ở vùng dị nguyên nhiễm sắc thường bất hoạt - Dựa vào vùng dị nhiễm sắc ổn định -> phân biệt NST khi chúng có kích thước, hình dạng giống nhau. - Tiêu chuẩn để phân lập các NST: + Hình dạng NST + Kích thước NST + Vị trí các băng ổn định 1.7. Chu kỳ tế bào và phân chia nguyên nhiễm 1.7.1. Chu kỳ tế bào (Hình 1.12- tr28) - Khái niệm: là quá trình hoạt động của tế bào từ lần phân chia này -> lần phân chia tiếp theo. - Tĩnh kỳ: tế bào chưa phân chia gồm: + Giai đoạn trước tổng hợp ADN (G1): tế bào chuẩn bị cơ sở vật chất để bước vào tổng hợp ADN. + Giai đoạn tổng hợp ADN (S): tái bản ADN NST,tổng hợp protêin. + Giai đoạn sau tổng hợp ADN (G2): tích lũy năng lượng, chuẩn bị vất chất để bước vào giao đoạn phân chia. - Giai đoạn phân chia (M): + Tiền kỳ + Hậu kỳ + Trung kỳ + Mạt kỳ Kết quả từ một tế bào (2n) -> 2 tế bào (2n) - Vai trò của các pha: + Gen làm việc cơ bản. http://www.ebook.edu.vn 13
+ Tổng hợp ADN -> nhân đôi ADN -> 2 sợi. + Một số gen tiếp tục tổng hợp histon. + Kết tạo sợi nhiễm sắc, tái bản. + Chuẩn bị các cơ sở vật chất để phân chia. 1.7.2. Phân chia nguyên nhiễm. Cơ chế và ý nghĩa (Hình 1.13 – tr29) - Tiền kỳ - Hậu kỳ - Trung kỳ - Mạt kỳ - Ý nghĩa của nguyên nhiễm: + Xây dựng lên cơ thể đa bào từ tế bào ban đầu. + Các TTDT được truyền nguyên vẹn -> mọi tế bào của cơ thể đa bào có bộ máy di truyền như nhau. + Các gen khác nhau hoạt động ở các nhóm tế bào - tế bào phân hóa chức năng do có cơ chế hoạt hóa diễn ra trong quá trình phát triển cá thể + Qua phân bào gen mới hoạt hóa. 1.7.3. Kiểm tra di truyền của chu kỳ phân bào - Những nghiên cứu ở các đột biến theo các gen kiểm tra chu kỳ phân bào cho thấy có hai vị trí mà ở đó tế bào bắt đầu một pha tiếp theo trong chu kỳ của mình: + Vị trí một (start) - cuối pha G1 ( bắt đầu pha S). + Vị trí hai - bắt đầu sự co xoắn NST (khởi đầu pha M). - Hiệu quả khởi động vị trí một và hai là do tương tác của hai dạng protêin gây nên: + Dạng protêin kinase đặc trưng (pp-34). + Protêin cyclin. - Kết luận: + Trong chu kỳ tế bào sợi NS được tái tạo lại hoàn toàn cấu trúc. + Nó gồm các pha khác nhau, tế bào trải qua tuần tự trong đó có hai ngưỡng quan trọng: từ G1 – S: tế bào tiếp thu thông tin nhân đôi và từ G2 - M: tế bào tiếp thu thông tin để phân chia. http://www.ebook.edu.vn 14
Chương 2: Cấu trúc của gen, tổ chức các gen ở genom và điều hoà sự biểu hiện của gen 2.1. Gen và quá trình truyền đạt thông tin ADN -> ARN -> protêin Sao mã Dịch mã 2.1.1. Mã di truyền - 4 loại bazơ có thể sắp xếp theo trật tự bất kỳ tạo nên nhiều đơn vị khác nhau. Nếu mỗi đơn vị có 2 gốc bazơ: 42 =16 đơn vị. 3 gốc bazơ: 43 = 64 đơn vị. có 20 aa -> đơn vị mã gồm 3 gốc bazơ. - Giải mã di truyền là xem bộ ba bazơ nào xác định 1 aa cụ thể. 1961, M. Nirenberg và Matthaei đã sử dụng hệ thống tổng hợp vô bào để giải mã di truyền: + 61 bộ ba mã hoá các aa + 1 số bộ ba vô nghĩa như: mã khởi đầu : AUG mã kết thúc: UAA, UAG, UGA - Tính chất của mã di truyền: + Mã di truyền là mã bộ ba. Mã di truyền không có dấu phẩy, thông tin được đọc theo từng cụm Nu một cách liên tục, không ngắt quãng. + Mã di truyền có tính chất dư thừa. + Những bộ ba cùng mã hoá cho 1 aa - gọi là bộ ba đồng nghĩa. + Mã di truyền có tính chất vạn năng: ý nghĩa của mã đúng với mọi sinh vật. + Mã di truyền có tính biến động, linh hoạt. - Đột biến và mã di truyền: + Đột biến nhầm nghĩa: một cặp bazơ riêng lẻ trên ADN bị biến đổi-> thay đổi cụm mã tương ứng trên mARN -> xuất hiện 1 aa khác. + Đột biến vô nghĩa: sự biến đổi 1 cặp bazơ riêng lẻ trên ADN -> xuất hiện 1 cụm mã vô nghĩa (tín hiệu kết thúc chuỗi) -> mạch polipeptit hình thành ngắn hơn mạch bình thường và không hoạt động chức năng. http://www.ebook.edu.vn 15
+ Đột biến dịch khung: mất hoặc thêm 1 cặp bazơ trên ADN -> mARN mà ở đó khung dọc chuyển dịch đi 1 Nu. (Bảng 2.2- tr64) 2.1.2. Quá trình sao mã (Hình 2.14 – tr66) ADN -> ARN - Quá trình sao mã gồm 4 giai đoạn: + Sự nhận biết đoạn khởi đầu + Mở đầu sự hình thành chuỗi + Sự kéo dài chuỗi + Sự kết thúc - Quá trình sao mã được kiểm tra bởi enzim ARN - polimerase, nó có khả năng bắt đầu sự tổng hợp 1 chuỗi polinuclêotit mà không cần một đoạn mồi. + Nhờ có yếu tố δ mà ARN - polimerase nhận biết được đoạn khởi đầu (có trật tự giàu AT). ARN - polimerase gắn vào đoạn khởi đầu -> định hướng tới đúng chỗ bắt đầu tổng hợp ARN. + Trong quá trình sao mã, sự duỗi xoắn và tách thành hai mạch đơn của ADN cũng xảy ra ở từng đoạn ADN đang hoạt động và bước vào sao mã. ARN được sao chép đúng mẫu cấu trúc của ADN (theo đúng nguyên tắc bổ sung), chiều tổng hợp ARN là 5’ –3’. + Khi ARN - polimerase chạy tới vùng kết thúc, nhờ yếu tố rô (ρ) -> sự kết thúc sao mã xảy ra: cả ARN vừa mới tổng hợp và ARN - polimerase đều được tách ra. - Sự tổng hợp các loại ARN (mARN, tARN, rARN) đều được tiến hành trong nhân tế bào tại NST, ở thời điểm kỳ trung gian của nguyên phân. - Chỉ 1 trong 2 sợi ADN dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp ARN (sợi vô nghĩa). - Mỗi phân tử mARN bao gồm 3 phần: + Đoạn dẫn đầu, đầu 5’ + Đoạn mã hoá + Đoạn theo sau, ở đầu 3’ - Ở sinh vật nhân sơ, sau khi sao mã mARN được sử dụng trực tiếp để tổng hợp mạch polipeptit. - Ở sinh vật nhân chuẩn: http://www.ebook.edu.vn 16
mARN qua quá trình thành thục hoá mARN thành thục mới tham gia dịch mã. ->điểm khác của quá trình sao mã với quá trình tái bản: - Được sao mã trên một sợi khuôn của ADN. - Quá trình sao mã không cần đoạn mồi. - Thành phần tham gia vào quá trình sao mã: ARN - polimerase, yếu tố δ - nhận biết đoạn khởi đầu, yếu tố ρ - kết thúc sao mã. 2.1.3. Quá trình dịch mã mARN -> prôtein - Hệ thống tham gia vào quá trình dịch mã: + Riboxom: 2 tiểu phần: tiểu phần nhỏ: có chức năng kết giữ và vận động tiểu phần lớn: tạo liên kết peptit giữa các aa. Riboxom là nơi xảy ra tổng hợp mạch polypeptit + tARN: (Hình 2.15- tr68) tARN được sao mã từ gen tARN, là những phần tử ARN ngắn khoảng 80 Nu, tARN có cấu trúc đặc thù, mạch đơn ribonu quấn trở lại làm thành hình có 3 lá với 3 thuỳ: * 1 thuỳ mang đối mã, sẽ khớp bổ sung với mã sao trên mARN. * 1 thuỳ tác dụng với riboxom. * 1 thuỳ có chức năng nhận biết enzim gắn aa tương ứng vào tARN. Đầu mút mang aa của tất cả các tARN đều kết thúc bằng ACC và đầu mút kia kết thúc bằng GGG. Chức năng: + Chức năng tiếp nhận: nhận biết và tiếp nhận aa tương ứng đã được hoạt hoá. + Chức năng liên kết: aa được liên kết với tARN và tARN sẽ kéo vào riboxom. + rARN: Dịch mã ở riboxom - tổng hợp mạch polipeptit 3 giai đoạn: (1) mở đầu tổng hợp – hình thành liên kết peptit đầu tiên (2) Kéo dài chuỗi polipeptit (3) Kết thúc tổng hợp http://www.ebook.edu.vn 17
* Giai đoạn (1): gắn mARN vào riboxom, xác định codon khởi đầu, gắn tARN mang aa1, aa2 -> hình thành liên kết peptit đầu tiên: + Hạt nhỏ 30S liên kết với mã khởi động nhờ yếu tố F3 + tARN mang aa1 vào hạt 30S và bổ sung anticodon với codon khởi động nhờ yếu tố F2 và 1GTP. + Aa1 ở tARN1 gắn vào bề mặt hạt lớn nhờ 1 GTP, mARN được chuyển dịch 1 bộ ba, yếu tố F2 bị đẩy ra. Ở codon 2 được bổ sung ngay tARN2 mang aa2. + Aa2 nằm ở bề mặt hạt lớn cạnh aa1-> liên kết peptit đầu tiên có sự tham gia của enzim petidyltranspherase. + Nhờ yếu tố G, 1GTP xảy ra sự chuyển dịch 1 bộ ba nữa trên mARN, tARN1 bị đảy ra khỏi roboxom. ->Ở riboxom có tARN2 gắn với 2aa, 1 codon hở trên mARN, tARN mang aa tiếp theo để bổ sung vào. * Giai đoạn (2): Mỗi bước chuyển dịch, ở riboxom luôn hở ra codon mới và anticodon của tARN mang aa bổ sung vào. ->Trình tự các loại aa của mạch polipeptit ứng với trình tự các codon trên mARN. * Giai đoạn (3): Xảy ra khi xuất hiện codon kết thúc trên mARN, tARN không được gắn vào, hệ thống ngừng làm việc, mạch polipeptit tách ra khỏi riboxom, mARN và 2 tiểu phần của riboxom cũng được tách ra. (Hình 2.17- tr70) - Trên 1 mARN có nhiều riboxom làm việc tạo nên 1 đơn vị dịch mã poliriboxom -> thu được nhiều mạch polipeptit trong 1 đơn vị thời gian. - Ở sinh vật nhân sơ: hệ thống sao mã - dịch mã xảy ra đồng thời. (Hình 2.17 – tr70) 2.1.4. Gen là gì ? Khái niệm tổng quát về hệ thống gen ở tế bào - Gen: thể hiện như 1 đơn vị cơ sở của bộ máy di truyền, chiếm 1 locus nhất định trên NST và thông qua quá trình sao chép nó xác định một đon vị chức năng sinh học. Gen http://www.ebook.edu.vn 18
là 1 đoạn ADN mã hoá cho 1 sản phẩm riêng biệt như ARN sử dụng trực tiếp hay ARN dùng để tổng hợp nên mạch polipeptit hoặc protêin phức tạp hơn. - Các hệ thống gen trong tế bào: + Nhóm gen tạo các sản phẩm tham gia vào các hoạt động của chính bộ máy di truyền: * Tái bản * Sao mã * Dịch mã * Tái tổ hợp …….. ->Cho protêin , ARN… - Nhóm gen cho các sản phẩm tham gia vào hoạt động khác của tế bào: trao đổi chất. (Hình 2.18- tr71) 2.2. Cấu trúc và điều hoà hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ 2.2.1. Khái niệm chung - gen hoạt động theo cơ chế điều hoà - Ở nhân sơ, mục đích của sự điều hoà biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzim cho phù hợp với các tác nhân dinh dưỡng và lý hoá của môi trường, đảm bảo 2 yêu cầu chính của tế bào: tăng trưởng và sinh sản. - Do không có màng nhân, mARN vừa được phiên mã từ ADN có thể tiếp xúc ngay với bộ máy dịch mã để làm khuôn tổng hợp protêin, sự phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời. Sự điều hoà biểu hiện của gen chủ yếu được tiến hành ở giai đoạn phiên mã. - Ở nhân sơ, các gen thường hợp lại thành cụm hướng tới thực hiện một chức năng nhất định gọi là operon. Cơ chế điều hoà chủ yếu được thực hiện thông qua các operon. - 1961, F. Jacob và J. Monod đưa ra mô hình operon: Operon là đơn vị làm việc của gen bao gồm 2 thành phần ADN : + ADN mã hoá (các gen cấu trúc) quy định tổng hợp protêin. + ADN tham gia vào quá trình điều hoà hoạt động của các gen cấu trúc. O- operator: vùng điều hành :21 đôi bazơ P- promotor: vùng khỏi động: 85 đôi bazơ Nói cách khác, operon là một hệ thống hoạt động bao gồm các gen cấu trúc nằm dưới sự kiểm soát của bộ phận điều hoà liên kết sát chúng. http://www.ebook.edu.vn 19
2.2.2. Lac operon ở vi khuẩn, điều hoà âm tính a. Điều hoà cảm ứng âm tính - Hệ gen kiểm tra tổng hợp các enzim tham gia vào phân giải đường lactose ở vi khuẩn E.coli: + β- galactosidase: phân giải lactose -> galactose + glucose + Galactoside permease cần cho sự xâm nhập của galactose vào tế bào + Transacetylase: không tham gia vào chuyển hoá lactose - Cơ chế hoạt động của hệ gen lactose: * Các gen cấu trúc: + Gen kiểm tra tổng hợp β - galactosidase (Z) :3510 đôi bazơ + Gen kiểm tra tổng hợp galactosidase permerase(Y): 780 đôi bazơ + Gen kiểm tra enzim transacetylase (A): 825 đôi bazơ * P: 85 đôi bazơ: + Đoạn A: nơi tiếp nhận sự tác động của protêin hoạt hoá trao đổi chất. + Vùng để ARN - polymerase liên kết để sao mã. * O: 21đôi bazơ + Nơi tác động của protêin điều hoà do gen điều hoà (I) kiểm tra theo cơ chế tự khiển. * Protêin điều hoà: + Bám vào ADN + Tiếp thu thông tin điều hoà. Khi protêin điều hoà có tác dụng bao vây vùng O, gây nên ức chế sao mã các gen cấu trúc. (Hình 3.1 a- tr75) Khi trong môi trường có mặt lactose, nó tác động với protêin điều hoà làm biến đổi protêin điều hoà, làm mất hoạt tính bao vây vùng O -> hoạt động của ARN - polymerase được diễn ra từ điểm khởi động -> các gen cấu trúc được sao mã. (Hình 3.1r- tr75) Như vậy, lactose đóng vai trò chất cảm ứng, biến chất ức chế hoạt động -> bất hoạt, làm mất hoạt tính liên kết vào vùng O của protêin điều hoà. ->Cơ chế điều hoà cảm ứng âm tính. http://www.ebook.edu.vn 20