GIÁO TRÌNH SINH HỌC PHÂN TỬ - CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ

Chia sẻ: Tran Van Tan Tan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

178
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trình bày được: - Cấu trúc cơ bản của một nucleotide - Cấu trúc của DNA, các loại DNA, gen nhảy - Cấu trúc cơ bản của gene ở prokaryote và eukaryote 2. Phân biệt được bộ gene của prokaryote và eukaryote NUCLEIC ACID Nucleic acid là vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống có cấu trúc đa phân hình thành từ các đơn phân là nucleotide. Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo khá giống nhau là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic acid (RNA). Hình 1: (a) Các cấu phần của nucleotide; (b) Nucleotide; (c) Chuỗi polynucleotide Mỗi nucleotide được cấu tạo...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: GIÁO TRÌNH SINH HỌC PHÂN TỬ - CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y KHOA HUẾ BỘ MÔN DI TRUYỀN Y HỌC GIÁO TRÌNH SINH HỌC PHÂN TỬ 2007
CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ 1. DNA (desoxyribonuclic acid) 1 Nucleic acid 1 Bộ gene của prokaryote 5 DNA (desoxyribonuclic acid) 2 Bộ gene của eukaryote 6 Cấu trúc 2 Phân loại DNA 6 Các dạng cấu trúc không gian của DNA 3 Gene nhảy 8 Sự biến tính (denaturation) và hồi tính Gene 10 (renaturation) của DNA 4 Câu hỏi ôn tập 11 DNA trong tế bào 5 Câu hỏi trắc nghiệm 11 2. CHỨC NĂNG CỦA DNA 13 Bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền Tiềm năng tự sửa chữa 14 13 Khả năng đột biến 14 Mã di truyền 13 Câu hỏi ôn tập 15 Khả năng nhân đôi chính xác 14 Câu hỏi trắc nghiệm 15 3. CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA DNA 16 Tự nhân đôi ở prokaryote 16 Quá trình tự nhân đôi của DNA ở Tách rời hai mạch đơn của phân tử DNA eukaryote 21 16 Cơ chế sửa sai DNA 23 Tổng hợp đoạn mồi (primer) rna 17 Cơ chế sửa sai DNA trong quá trình tự Tổng hợp các mạch mới trên khuôn DNA nhân đôi 23 17 Cơ chế sửa sai DNA ngoài quá trình tự Hoàn chỉnh chuỗi polynucleotide mới tổng nhân đôi 24 hợp 18 Câu hỏi ôn tập 24 Câu hỏi trắc nghiệm 24 4. RNA (ribonuclic acid) 28 Các loại RNA 28 Ribozyme và khả năng tự cắt (self- rRNA (RNA ribosome) 28 Splicing) 30 tRNA (RNA vận chuyển) 28 Câu hỏi ôn tập 30 mRNA (RNA thông tin) 30 Câu hỏi trắc nghiệm 30 5. QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ (TRANSCRIPTION) 33 Quá trình phiên mã ở prokaryote 33 Giai đoạn mở đầu 37 Giai đoạn mở đầu 33 Giai đoạn kéo dài 40 Giai đoạn kéo dài 34 Giai đoạn kết thúc 40 Giai đoạn kết thúc 35 Quá trình trưởng thành của các tiền mRNA Quá trình phiên mã ở eukaryote 37 40 Gắn mũ chụp (capping) 40 a
Gắn đuôi polyA 41 Câu hỏi ôn tập 43 Cắt nối (splicing) 42 Câu hỏi trắc nghiệm 44 6. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 45 Cấu trúc của protein 45 Cấu trúc bậc bốn 47 Cấu trúc bậc 1 45 Chức năng sinh học 47 Cấu trúc bậc 2 46 Câu hỏi ôn tập 49 Cấu trúc bậc ba 47 Câu hỏi trắc nghiệm 49 7. QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ VÀ ĐIỀU HOÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN 51 Quá trình dịch mã 51 Kiểm soát sự biểu hiện của gene thông qua Gắn amino acid vào tRNA 51 quá trình hoàn thiện mRNA 60 Ribosome 51 Kiểm soát sự biểu hiện của gene thông qua sự hằng định của RNA 60 Các giai đoạn của quá trình dịch mã 52 Polysomes 55 Quá trình làm im lặng RNA (RNA silencing) 60 Điều hoà sự biểu hiện của gene 56 Kiểm soát quá trình dịch mã và sau dịch Điều hoà sự biểu hiện của gene ở mã 61 prokaryote 56 Câu hỏi ôn tập 62 Điều hoà sự biểu hiện của gene ở eukaryote 58 Câu hỏi trắc nghiệm 62 Kiểm soát quá trình phiên mã 59 b
1. DNA (desoxyribonuclic acid) Mục tiêu 1. Trình bày được: - Cấu trúc cơ bản của một nucleotide - Cấu trúc của DNA, các loại DNA, gen nhảy - Cấu trúc cơ bản của gene ở prokaryote và eukaryote 2. Phân biệt được bộ gene của prokaryote và eukaryote NUCLEIC ACID Nucleic acid là vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống có cấu trúc đa phân hình thành từ các đơn phân là nucleotide. Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo khá giống nhau là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic acid (RNA). Hình 1: (a) Các cấu phần của nucleotide; (b) Nucleotide; (c) Chuỗi polynucleotide Mỗi nucleotide được cấu tạo gồm ba thành phần (hình 1) 1. Nhóm phosphate 2. Đường Pentose (đường 5 Carbon). Ở DNA đường này là deoxyribose còn ở RNA là ribose 1
3. Một base nitric, base này gồm có hai nhóm: - Purine gồm adenine (A), guanine (G) - Pyrimidine gồm thymine (T), cytosine (C) và uracyl (U) Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester tạo thành chuỗi polynucleotide. DNA (desoxyribonuclic acid) CẤU TRÚC Phân tử ADN là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn, mỗi mạch đơn là một chuỗi polynucleotide. Mỗi nucleotide gồm (1) nhóm phosphate, (2) đường deoxyribose (C5H10O4) và (3) một trong bốn loại base (A, T, G và C)(hình 2). Hai chuỗi polynucleotide kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydro hình thành giữa các base của hai mạch theo nguyên tắc bổ sung giữa một bên là purine (A và G) và một bên là pyrimidine (C và T) trong đó A bổ sung với T bằng hai liên kết hydro, G bổ sung với C bằng Hçnh 2 : Nguyãn tàõc bøä sung gîiæa ïcac base ba liên kết hydro tạo nên một cấu trúc gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn purine vaì pyrimidine. quanh một trục thành hình lò xo với đường kính khoảng 2nm và mỗi bước xoắn dài 34 Å. (hình 2 và 3) Hình 3: Cấu trúc của một đoạn DNA Nguyên tắc bổ sung đảm bảo khoảng cách đều đặn giữa hai mạch đơn của DNA (tổng chiều dài của một base purine và một pyrimidine), các phân tử đường và các nhóm phosphate nằm ở phía ngoài tạo nên trục đường-phosphate hình thành liên kết với các phân tử nước, các base quay vào phía trong hạn chế sự tiếp xúc giữa chúng với các phân tử nước giữ cho phân tử DNA ổn định. Mỗi mạch đơn là một trình tự nucleotide có định hướng với một đầu là đầu 5' phosphate tự do (nhóm phosphate tự do gắn vào C5 của đường desoxyribose) ký hiệu 2
là 5'P, đầu kia có nhóm OH ở vị trí C3 nên gọi là đầu 3' hydroxyl tự do, kí hiệu là 3'OH. Hướng quy ước theo chiều từ 5' đến 3'. Hai mạch đơn trong cấu trúc của phân tử DNA đi ngược chiều nhau gọi là đối song (anti paralell). 5'P 3'OH 3'OH 5"P Như vậy đầu 5' P của mạch này đối diện với đầu 3' OH của mạch bổ sung. Thông qua cấu trúc xoắn kép của DNA có thể nhận thấy: (1) Trình tự các base của mạch này khác với trình tự base của mạch bổ sung với nó. (2) Hai mạch của DNA gắn với nhau bằng các liên kết hydro yếu tạo nên tính linh hoạt cho phân tử DNA khi thực hiện các hoạt động chức năng nhân đôi hoặc tổng hợp RNA. CÁC DẠNG CẤU TRÚC KHÔNG GIAN CỦA DNA Mô hình trên của DNA được mô tả ở trên do Watson và Crick đưa ra năm 1953 và được công nhận như là một cấu trúc duy nhất của DNA trong một thời gian dài. Vào thập niên 70, với sự hỗ trợ của các kỹ thuật phân tích chính xác nhiều dạng DNA đã được phát hiện. Việc phân định các dạng DNA được thực hiện dựa trên 2 chỉ số : - h: chiều cao giữa hai nuceotide kế nhau - n: Số cặp nucleotide trong một vòng xoắn Một số dạng DNA được liệt kê trong bảng dưới đây: Số cặp base của Góc xoắn so khoảng cách Đường kính Dạng một vòng xoắn với mặt phẳng h giữa 2 base của chuỗi (n) của base (độ) kế nhau (Ao) xoắn kép (Ao) A 11 + 32,7 2,56 23 B 19 + 36,0 3,38 19 C 9 1/3 + 38,6 3,32 19 Z 12 - 30,0 3,71 18 Dạng DNA mà Watson và Crick mô tả là dạng B, dạng phổ biến nhất, tồn tại trong điều kiện sinh lý bình thường. Các dạng khác xuất hiện ở những điều kiện độ ẩm và ion khác nhau. Dạng Z có chiều xoắn ngược về phía bên trái theo hình zigzag nên gọi là dạng Z. Các dạng DNA khác nhau cho thấy DNA trong tế bào sống không tồn tại với một dạng duy nhất mà tuỳ trạng thái sinh lý có thể ở dưới dạng này hay dạng khác.(hình 4) 3
Hình 4: Các dạng DNA SỰ BIẾN TÍNH (DENATURATION) VÀ HỒI TÍNH (RENATURATION) CỦA DNA Hai mạch đơn của phân tử DNA gắn với nhau thông qua các liên kết hydro yếu. Các tác nhân làm đứt gãy các liên kết này như khi đun nóng phân tử DNA ở nhiệt độ khoảng 80 - 95o C sẽ làm cho hai mạch tách rời nhau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng biến tính (denaturation) của DNA. (hình 5) Hình 5: Hiện tượng biến tính của DNA Nhiệt độ làm hai mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm chảy (melting point) của DNA. Điểm này đặc trung cho mỗi loại DNA, phụ thuộc vào số lượng các liên kết hydro trong cấu trúc. Tỷ lệ cặp G-C càng cao thì điểm chảy càng lớn. Một số chất như formanide có khả năng làm hạ thấp điểm chảy nên được dùng trong kỹ thuật lai phân tử để làm giảm nhiệt độ lai. Sự biến tính này có tính thuận nghịch. Sau khi DNA bị biến tính nếu hạ nhiệt độ từ từ trở lại bình thường thì chúng có thể gắn lại với nhau trên cơ sở của nguyên tắc bổ sung để trở thành mạch kép. Hiện tượng này được gọi là hồi tính (renaturation). 4
DNA TRONG TẾ BÀO Tất cả các sinh vật có cấu tại tế bào, ty thể, lạp thể đều chứa DNA mạch kép. Các virus có bộ gene đa dạng gồm RNA hoặc DNA mạch đơn hoặc mạch kép. Bảng dưới đây giới thiệu chiều dài bộ gene đơn bội căn cứ theo số cặp base của các nhóm sinh vật chính như sau: Sinh vật Số cặp base Virus 103 đến 105 Vi khuẩn E. Coli 4,5 x 106 Nấm men 5 x 107 Ruồi giấm Drosophila 1,5 x 108 Động vật có xương sống 108 đến 1010 Thực vật 1010 đến 1011 Người 3 x 109 Qua bảng trên có thể nhận thấy không có sự tương quan giữa mức độ tiến hoá và số lượng cặp base trong bộ gene. Giữa bộ gene của prokaryote và eukaryote có sự khác biệt đáng kể về thành phần cấu tạo và cách tổ chức của DNA trong tế bào. BỘ GENE CỦA PROKARYOTE Bộ gene của vi khuẩn E. Coli và đa số các sinh vật prokaryote đều là một phân tử DNA có dạng vòng và không gắn với protein để tạo thành nhiễm sắc thể như ở eukaryote. (tuy nhiên khái niệm nhiễm sắc thể hiện nay cũng được dùng cho cả vi khuẩn và được hiểu là sợi DNA). (hình 6) Ở prokaryote, DNA thường ở dạng siêu xoắn với DNA mạch kép xoắn vặn thành hình số 8. Đây là dạng tự nhiên trong tế bào vi khuẩn, sợi DNA được các phân tử RNA nối giúp cuộn xoắn và làm cho chiều dài phân tử được rút ngắn đáng kể. Tình trạng siêu xoắn này có thể thay đổi thuận nghịch dước tác động của các enzyme DNase hoặc RNase. Ngoài ra DNA có thể ở dưới dạng vòng tròn hoặc dạng thẳng. Hình 6: DNA ở prokaryote 5
BỘ GENE CỦA EUKARYOTE Cách tổ chức của DNA trong nhân tế bào DNA của eukaryote có kích thước rất lớn, ví dụ ở người tổng chiều dài của tất cả DNA có trong nhân tế bào có thể dài đến 2m. Để có thể nằm gọn trong nhân tế bào, DNA phải được cuộn xoắn ở nhiều mức độ cấu trúc khác nhau. Nucleosome Các đoạn DNA với chiều dài tương ứng với khoảng từ 140 đến 150 cặp base (base pair: bp) cuộn quanh một lõi gồm 8 phân tử protein histone (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 và 2H4) để tạo thành nucleosome với đường kính khoảng 11nm. Các nucleosome nối với nhau bằng một đoạn DNA khoảng 20 - 60 bp vói một phân tử histone Hçnh 7: Nucleosome trung gian (H1). Các histone liên kết với phân tử DNA nhờ các liên kết ion hình thành giữa các nhánh bên mang điện tích âm của các histone với các nhóm phosphate mang diện tích dương của DNA. (hình 7) Sợi và quai chromatin Khoảng 6 nucleosome cuộn lại thành một solenoid đường kính khoảng 30nm, các solenoid cuộn lại thành các quai chromatin (chromatin loop) đường kính khoảng 300nm, mỗi quai chromatin có khoảng 100.000 bp (100 kb). Bằng cách này DNA có thể giảm chiều dài xuống khoảng 1/10.000 lần so với chiều dài của nó trước khi cuộn xoắn. (hình 8) Chất dị nhiễm sắc Các quai chromatin tiếp tục cuộn xoắn với đường kính khoảng 700nm. Nhiếm sắc thể Ở kỳ giữa của quá trình phân bào chromatin cuộn xoắn ở mức độ tối đa tạo nên NST với đường kính khoảng 1.400nm. PHÂN LOẠI DNA Ở eukaryote mặc dù DNA mang thông tin mã hóa cho các protein nhưng trong thực tế chỉ có một tỷ lệ rất thấp DNA thực hiện chức năng này. Ở người có ít hơn 5% trong số 3 tỷ cặp nucleotide trong genome của người thực sự làm chức năng mang thông tin, còn lại phần lớn vật liệu di truyền chưa được biết chức năng. DNA của người được chia thành các loại sau (hình 9): 6
Hình 8 . Mô hình cuộn xoắn của DNA DNA độc bản (single - copy DNA) DNA độc bản chiếm khoảng 45% genome và gồm các gene mã hoá cho các protein. Các đoạn DNA loại này chỉ được thấy một lần duy nhất (hoặc vài lần) trong genome. Tuy nhiên phần mã hóa cho protein chỉ chiếm một phần nhỏ trên loại DNA này mà thôi, phần lớn còn lại là các intron hoặc là các đoạn DNA nằm xen giữa các gene. DNA lặp (repetitive DNA) DNA lặp chiếm 55% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA được lập đi lập lại có thể lên tới hàng ngàn lần trong genome, có 2 loại chính: 7
DNA vệ tinh (satellite DNA) Loại DNA này chiếm khoảng 10% genome và tập trung ở một số vùng nhất định trên NST, ở đó chúng sắp xếp nối đuôi nhau, cái này tiếp theo cái kia. DNA vệ tinh được chia thành 3 loại nhỏ: - DNA vệ tinh alpha: có kích thước 171 bp, lập đi lập lại nhiều lần với chiều dài hàng triệu bp hoặc hơn. Loại này được thấy cạnh tâm động của NST. - DNA tiểu vệ tinh (minisatellite DNA): có kích thước từ 14 - 500 bp, lập đi lập lại với chiều dài khoảng vài ngàn bp. - DNA vi vệ tinh (microsatellite DNA): có kích thước từ 1 - 13 bp, lập đi lập lại với tổng chiều dài không quá vài trăm bp. Hai loại DNA tiểu và vi vệ tinh có sự khác nhau rất lớn trong chiều dài giữa người này với người khác và điều này làm chúng trở nên rất hữu ích trong việc lập bản đồ gene. DNA tiểu vệ tinh và vi vệ tinh được gặp với tần số trung bình là 1 trên mỗi 2 kb trong genome và chúng chiếm khoảng 3% genome. DNA lập lại rải rác Loại DNA này chiếm khoảng 45% genome, gồm 2 loại: - Các yếu tố rải rác có kích thước ngắn (SINEs: short interspersed elements): kích thước từ 90 - 500bp. - Các yếu tố rải rác có kích thước dài (LINEs: long interspersed elements): kích thước 7.000 bp Hình 9 . Các loại DNA GENE NHẢY Được Barbara McClintock phát hiện ở trên bắp cách đây hơn 50 năm. Gene nhảy là một đoạn DNA có khả năng di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trên DNA, nó có thể rời bỏ hoặc xen vào cấu trúc của 1 gene. Hiện tượng này được thấy ở cả vi sinh vật, thực vật và động vật với tần số khoảng 10 -5 – 10 -7 tế bào. 8
Các trình tự gắn xen (IS: insertion sequences) Các trình tự gắn xen này được thấy ở vi khuẩn E. Coli với tính chất di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trên DNA. Các IS có kích thước khoảng 1 - 2 kb với trình tự trung tâm đặc trưng cho từng loại IS, ở hai đầu là hai trình tự ngắn với khoảng 50 bp giống nhau nhưng có chiều ngược nhau gọi là đoặn lặp nghịch hướng (inverted repeat) ở phía trong và hai trình tự ngắn giống nhau với khoảng 5 - 11 bp nhưng cùng chiều với nhau nên được gọi là đoạn lặp đồng hướng (direct repeat). Các IS không mã hoá cho protein và chỉ được phát hiện thông qua hậu quả của nó trên vi sinh vật. (hình 10) Hình 10: Sơ đồ của một trình tự gắn xen (IS: insertion sequence) Transposon Hình 11: (a)Transposon có nguồn gốc từ DNA; (b) Transposon có nguồn gốc từ retrovirus 9
Gene nhảy ở động vật và thực vật chúng được gọi là transposon, có kích thước lớn hơn IS. Transposon cũng có hai đầu là hai trình tự giống nhau nhưng ngược chiều nhau. Phần trình tự trung tâm ngoài các gene sẽ được gắn xen còn có các gene mã hoá cho các enzyme cần thiết cho quá trình này. Phần lớn các transposon của eukaryote có nguồn gốc từ RNA. Các RNA được gắn xen vào bộ gene theo cách của các retrovirus vì vậy chúng còn được gọi là retroposon. Các retroposon gồm hai loại chính căn cứ vào nguồn gốc: (1) Nhóm có nguồn gốc từ các DNA của tế bào; (2) Nhóm có nguồn gốc từ retrovirus. (hình 11) GENE Có thể nói gene là một đoạn của phân tử DNA có chức năng di truyền. Tuy nhiên giữa prokaryote và eukaryote có một sự khác biệt lớn Ở prokaryote Trinh tự của các nucleotide trên gene sẽ mã hoá cho trình tự của các amino acid Ở eukaryote Trong cấu trúc của gene tồn tại những vùng không mang mã gọi là intron và những vùng mang mã gọi là exon. Đây là một đặc điểm quan trọng để phân biệt giữa DNA của sinh vật eukaryote và prokaryote. Các intron chiếm phần lớn trong cấu trúc hầu hết các gene. Các đoạn intron này sẽ được các enzyme cắt một cách chính xác ra khỏi các phân tử mRNA trước khi chúng đi ra khỏi nhân tế bào. Vị trí cắt của các enzyme được xác định bởi các đoạn DNA được gọi là các đoạn đồng nhất (consensus sequences) (đoạn này có tên như vậy vì được thấy phổ biến ở tất cả các cơ thể eukaryote) nằm cạnh mỗi đoạn exon. Hình 12 : Cấu trúc chi tiết của một gene ở Eularyotae Vì hầu hết các gene của cơ thể eukaryote gồm chủ yếu là các đoạn intron nên cho phép người ta nghĩ đến việc các đoạn này có thể có một chức năng nào đó. Hiện nay chức năng của các intron vẫn còn đang được nghiên cứu. Người ta cho rằng những đoạn intron do làm tăng thêm chiều dài của gene sẽ tạo thuận lợi cho sự tái sắp xếp của các gene trên cặp NST tương đồng qua quá trình trao đổi chéo trong giảm phân hoặc ảnh hưởng đến thời gian nhân đôi và phiên mã của DNA. (hình 12) Cấu trúc phổ biến của một gene ở eukaryote gồm có ba vùng: 1. Vùng 5' không phiên mã, mang các trình tự có nhiệm vụ điều hoà biêíu hiện của gene và các trình tự hoạt hoá hoạt động phiên mã. 2. Vùng sẽ phiên mã gồm các đoạn intron và exon. 3. Vùng 3' không phiên mã có chức năng chưa rõ. 10
CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Mô tả cấu trúc của một đơn phân của nucleic acid ? 2. Mô tả cấu trúc hoá học và không gian của DNA ? 3. Thế nào là sự biến tính, hồi tính của DNA ? 4. Mô tả các đặc điểm cơ bản của DNA ở prokaryote ? 5. Mô tả các đặc điểm cơ bản của DNA ở eukaryote ? 6. Ở eukaryote, làm thế nào để các phân tử DNA có thể nằm gọn trong nhân tế bào ở kì trung gian ? 7. Ở người DNA được phân loại như thế nào ? 8. Mô tả các loại DNA vệ tinh trong cấu trúc DNA của người ? 9. Gen nhảy là gì ? 10. Nêu các đặc điểm cơ bản của gene ở eukaryote ? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 1. Nucleic acid là một đa phân gồm có: A. Hai loại phân tử là desoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA) B. Hai loại phân tử là ribonucleic acid thông tin (mRNA) và ribonucleic acid vận chuyển (tRNA) C. Hai loại phân tử là ribonucleic acid thông tin (mRNA) và ribonucleic acid vận chuyển (tRNA) D. Hai loại phân tử là ribonucleic acid thông tin (mRNA) và ribonucleic acid ribosome (rRNA) E. Hai loại phân tử là deoxyribonucleotide và ribonucleiotide 2. Base nitric Purine gồm có: A. Thymine (T), cytosine (C) và uracyl (U) B. Adenine (A) và uracyl (U) C. Guanine (G) và cytosine (C) D. Adenine (A) và guanine (G) E. Adenine (A)và thymine (T) 3. Hai chuỗi polynucleotide kết hợp với nhau nhờì các liên kết ...... (C: cộng hóa trị, H: hydro; P: phosphodiester) hình thành giữa các base của hai mạch theo nguyên tắc bổ sung trong đó A bổ sung với T bằng ....... (2: hai liên kết hydro; 3: ba liên kết hydro), G bổ sung với C bằng ....... (2: hai liên kết hydro; 3: ba liên kết hydro) tạo nên một cấu trúc gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn quanh một trục. A. H, 3,2 B. P, 2, 3 C. C, 2, 3 D. H, 2, 3 E. P, 3, 2 4. Tổng chiều dài của toàn bộ phân tử DNA có trong một tế bào lưỡng bội của người là bao nhiêu ? A. 1 mét B. 2 mét C. 3 mét D.4 mét E. 5 mét 11
5. Mỗi mạch đơn là một trình tự nucleotide có định hướng với một đầu là đầu ........ ( 5'; 3') phosphate tự do, đầu kia có nhóm OH ở vị trí ........ (C5 ; C3) gọi là đầu ........ (5', 3') hydroxyl tự do. A. 3'; C3,5' B. 5'; C5,3' C. 3'; C5,5' D. 5'; C3,3' E. 5'; C3,5' 6. Hai mạch đơn của phân tử DNA gắn với nhau thông qua các liên kết ......... (P: phosphodiester; H: hydro). Các tác nhân làm đứt gãy các liên kết này như khi đun nóng phân tử DNA ở nhiệt độ khoảng 80 - 95o C sẽ làm cho hai mạch tách rời nhau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng ..........(B: biến tính; T: thoái hoá) của DNA. Sự biến tính này.........(C: có tính thuận nghịch; K: không có tính thuận nghịch) A. P, B, C B. H, T, K C. H, B, C D. H, T, C E. P, B, K 7. Bộ gene của vi khuẩn E. Coli và đa số các sinh vật .........( E: Eukaryotae; P: Prokaryotae) đều là một phân tử DNA xoắn kép có dạng ...........(V:vòng; K: không tạo vòng) và .........(G: gắn, KG: không gắn) với protein để tạo thành nhiễm sắc thể. A. P, V, G B. P, V, KG C. E, K, G D. E, K, KG E. P, K, G 8. Mô tả nào dưới đây về nucleosome là không đúng: A. Đoạn DNA trong cấu trúc có chiều dài tương ứng với khoảng từ 140 đến 150 cặp base B. Một lõi gồm 8 phân tử protein histone (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 và 2H4) C. Các nucleosome nối với nhau bằng một đoạn DNA khoảng 20 - 60 bp vói một phân tử histone trung gian. D. Khoảng 6 solenoid cuộn lại thành một nucleosome đường kính khoảng 30nm E. Các histone liên kết với phân tử DNA nhờ các liên kết ion hình thành giữa các nhánh bên mang điện tích âm của các histone với các nhóm phosphate mang diện tích dương của DNA. 9. Mô tả nào dưới đây về DNA độc bản là đúng: A. Chiếm khoảng 45% genome B. Gồm các gene mã hoá cho các protein. Phần mã hóa cho protein chỉ chiếm một phần nhỏ trên loại DNA này phần lớn còn lại là các intron hoặc là các đoạn DNA nằm xen giữa các gene. C. Các đoạn DNA này chỉ được thấy một lần duy nhất (hoặc vài lần) trong genome D. A và C đúng E. A, B và C đều đúng ĐÁP ÁN 1. A 2. D 3. D 4. B 5. D 6. C 7. B 8. D 9. E 12
2. CHỨC NĂNG CỦA DNA Mục tiêu Trình bày được: - Các chức năng cơ bản của DNA - Cách thức DNA mã hoá thông tin di truyền BẢO QUẢN VÀ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN DI TRUYỀN Tuỳ thuộc vào số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp của 4 loại nucleotide mà sẽ có vô số loại DNA khác nhau tạo nên tính đa dạng và đặc thù cho mỗi DNA. Giả sử có một chuỗi polynucleotide gồm 10 nucleotide thì sẽ có tới 410 = 1.048.576 loại khác nhau. Với đặc tính này cho phép phân tử DNA trở thành vật chất mang thông tin di truyền cho gần như toàn bộ sinh giói. Thông tin di truyền cho việc tổng hợp một phân tử protein được mã hoá trên gene, một đoạn của DNA, dưới dạng mã bộ ba. MÃ DI TRUYỀN Mỗi protein được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide. Mỗi chuỗi polypeptid được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc cơ bản là các acid amine. Cơ thể có 20 loại acid amine khác nhau, trình tự của các acid amine này trong chuỗi polypeptide được DNA quy định. Mỗi acid amine được mã hóa bởi ba nucleotide kế nhau trên DNA, ba nucleotide này được gọi là một codon. Với 4 loại nucleotide khác nhau sẽ có 64 codon khác nhau bởi thành phần và trật tự của các nucleotide (do protein được tổng hợp trực tiếp trên RNA thông tin, do đó các nucleotide A, U, G và C được sử dụng để minh hoạ các mã bộ ba) , trong số này có 3 codon kết thúc (stop codon) UAA, UAG và UGA có nhiệm vụ báo hiệu chấm dứt việc tổng hợp chuỗi polypeptide. Trong số 61 mã còn lại có nhiều codon cùng mã hóa cho 1 acid amine, hiện tượng này được goi là hiện tượng thoái hóa mã (degeneration) (bảng 1). Mã di truyền có tính đồng nhất cho toàn bộ sinh giới trừ một số ngoại lệ đối với các codon ở ti thể. Ở DNA của bào quan này có một số codon mã cho các acid amine khác với nghĩa của các codon này trên DNA trong nhân. Ở ty thể: - UGA mã cho tryptophan thay vì báo hiệu chấm dứt việc tổng hơp protein. - AGA và AGG không mã cho arginine mà báo hiệu chấm dứt tổng hợp protein. - AUA mã cho methionine thay vì mã cho isoleucine. 13
KHẢ NĂNG NHÂN ĐÔI CHÍNH XÁC Mô hình DNA cho phép phân tử DNA nhân đôi một cách chính xác dựa trên nguyên tắc bổ sung theo kiểu bán bảo tồn. VË TRÊ 1 VË TRÊ 2 VË TRÊ 3 (âáöu 5’) U C A G (âáöu 3’) U P he Ser Tyr Cys U U P Ser Tyr Cys C U L Ser STOP STOP A U L Ser STOP Trp G C L Pro His Arg U C L Pro His Arg C C L Pro Gln Arg A C L Pro Gln Arg G A Il Thr Asn Ser U A Il Thr Asn Ser C A Il Thr Lys Arg A A M Thr Lys Arg G G V Ala Asp Gly U G V Ala Asp Gly C G V Ala Glu Gly A Bảng 1. Bảng mã di truyền Ala: Alanine; Arg: arginine; Asn: asparagine; Asp: aspartic acid; Cys: cysteine; Gln: glutamine; Gla: glutamic acid; Gly: glycine; His: histidine; Ile: isoleucine; Leu: leucine; Lys: lysine; Met: methionine; Phe: phenylalanine; Pro: proline; Ser: serine; Thr: threonine; Trp: tryptophan; Tyr: tyrosine; Val: valine TIỀM NĂNG TỰ SỬA CHỮA Cấu trúc của DNA tạo cho DNA có tiềm năng sửa chữa các sai sót trong cấu trúc. Những sai sót xảy ra trên DNA trong quá trình tự nhân đôi hoặc khi không nhân đôi đều được cắt bỏ và thay thế để đảm bảo tính ổn định và đặc trưng của phân tử DNA. KHẢ NĂNG ĐỘT BIẾN Bên cạnh tính ổn định, phân tử DNA vẫn có thể xảy ra biến đổi gây ra các biến dị di truyền, những biến đổi này sẽ làm thay đổi tính chất của gene và góp phần thúc đẩy sự tiến hoá. 14
CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Thông tin di truyền được mã hoá như thế nào trên gene ? 2. Hãy nêu các đặc điểm của mã di truyền ? 3. Thế nào là hiện tượng thoái hoá mã ? 4. Nêu những điểm khác nhau cơ bản trong mã di truyền trên DNA ở trong nhân và trong ti thể. 5. Nêu các chức năng cơ bản của DNA ? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 1. Hiện tượng thoái hóa mã là hiện tượng: A. Một codon cùng mã hóa cho nhiều acid amine B. 3 codon UAA, UAG và UGA không mang mã mà có nhiệm vụ báo hiệu chấm dứt việc tổng hợp chuỗi polypeptide. C. Mỗi codon chỉ mã hóa cho 1 acid amine D. Nhiều codon cùng mã hóa cho một acid amine E. Toàn bộ sinh giới có cùng một loại mã di truyền 2. Tổng hợp một chuỗi polynucleotide nhân tạo từ ba loại nucleotide A, G, và T. trên chuỗi polynucleotide này sẽ có tối đa bao nhiêu loại codon khác nhau ? A. 64 B. 8 C. 27 D. 9 E. 32 3. Một chuỗi polynucleotide gồm có 10 nucleotide, sẽ có tối đa bao nhiêu kiểu sắp xếp khác nhau trong trình tự của các nucleotide đó ? A. 104 B. 1010 C. 410 D. 40 E. 4. 102 4. Acid amine nào dưới đây chỉ được mã hoá bởi mộüt codon duy nhất: A. Methionine B. Tryptophan C. Lysine D. Arginine E. Valine ĐÁP ÁN 1. D 2. C 3. C 4. A 15
3. CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA DNA Mục tiêu Trình bày được: - Cơ chế tự nhân đôi DNA ở prokaryote và eukaryote ở mức cơ bản - Cơ chế tự sửa sai DNA TỰ NHÂN ĐÔI Ở PROKARYOTE Quá trình tự nhân đôi của DNA là một quá trình phức tạp. Ở prokaryote quá trình này gồm những bước sau: TÁCH RỜI HAI MẠCH ĐƠN CỦA PHÂN TỬ DNA Quá trình tự nhân đôi bắt đầu từ một điểm xuất phát gọi là điểm ori (origine) và triển khai về cả hai phía. Toàn bộ DNA dạng vòng của prokaryote là một đơn vị sao chép duy nhất. Mỗi đơn vị sao chép được gọi là replicon và dođó bộ gene của prokaryote chỉ gồm có một replicon duy nhất. Đầu tiên các phân tử protein được gọi là các protein mở đầu (iniator protein) sẽ gắn vào điểm Ori. Quá trình gắn kết này sẽ làm cho 1 đoạn DNA tháo xoắn tạo thuận lợi cho sự tác động của enzyme helicase và các protein SSB (Single Strand Binding protein: protein liên kết với mạch đơn của DNA). Hình 1: Bắt đầu quá trình tự nhân đôi của DNA 16
Hai mạch của phân tử DNA sẽ được tách rời nhờ enzyme helicase qua việc phá vỡ các liên kết hydro giữa các base với năng lượng giải phóng từ NTP (nucleosid 5' triphosphate). Các mạch đơn sau khi tách rời nhau ra sẽ được duy trì ổn định dưới dạng mạch đơn nhờ các protein SSB. Các protein SSB gắn lên trên mạch đơn làm cho hai mạch không tái kết hợp trở lại được. (hình 1) Dưới tác dụng của enzyme helicase trên DNA mẹ sẽ hình thành một chẻ nhân đôi (replication fork) để tiến hành quá trình sao chép trên hai mạch khuôn của DNA. Một loại enzyme protein khác cần thiết cho việc tháo xoắn của DNA là DNA gyrase một loại enzyme topoisomerase. Enzyme này sẽ chạy trước chẻ ba sao mã để giúp tháo cấu trúc xoắn của DNA. (hình 2) Hình 2: Tách rời hai mạch của chuỗi xoắn kép DNA TỔNG HỢP ĐOẠN MỒI (PRIMER) RNA Để enzyme DNA polymerase có thể tổng hợp DNA, trước tiên phải có một đoạn mồi RNA ngắn được tổng hợp nhờ một phức hợp protein gọi là primosome. Primosome bao gồm nhiều protein và một enzyme tổng hợp RNA dựa trên khuôn DNA gọi là primase. Nhờ sự có mặt của đoạn mồi RNA này mà enzyme DNA polymerase mới có thể tiếp tục nối dài chuỗi polynucleotide để phục vụ cho quá trình nhân đôi của DNA. (hình 3) TỔNG HỢP CÁC MẠCH MỚI TRÊN KHUÔN DNA Trong quá trình tổng hợp DNA, enzyme DNA polymerase luôn luôn di chuyển từ đầu 3' đến đầu 5' và mạch mới luôn luôn được tổng hợp theo chiều từ 5' đến 3'. Enzyme DNA polymerase xúc tác đến đâu thì các protein SSB sẽ được giải phóng khỏi mạch khuôn DNA đến đó. Có hai loại DNA polymerase tham gia: (1) DNA polymerase III tổng hợp DNA mới dựa trên nguyên tắc bổ sung; (2) DNA polymerase I cắt bỏ đoạn mồi RNA. Do hai mạch khuôn của DNA ngược chiều nhau nên việc tổng hợp mạch mới trên hai mạch khuôn diễn ra không giống nhau. 17