PhÇn 2. Sinh häc ph©n tö - Molecular biology Th. S. Ph¹m Quang Chung Bé m«n Sinh häc - Khoa L©m häc - §¹i häc L©m nghiÖp Sinh học phân tử Luận thuyết (lý thuyết) trung tâm của Sinh học phân tử The Central Dogma of Molecular Biology Do Francis Crick đề xuất năm 1958 để mô tả dòng thông tin di truyền trong tế bào Thông tin di truyền chứa đựng trong DNA đợc chuyển tải đến RNA và từ RNA đến protein DNA ? RNA Protein Prion bò điên (BSE) Virus RNA DNA Protein RNA Qua hơn 4 thập kỷ phát triển của Sinh học phân tử, luận thuyết (lý thuyết) trung tâm này đợc sửa đổi nhiều lần Sinh học phân tử - Axit Nucleic 1. Axit nucleic Là đại phân tử sinh học đợc cấu tạo từ nhiều đơn phân là các nucleotit . 1.1. Axit deoxyribonucleic (ADN) Mỗi nucleotit đợc cấu tạo gồm 3 thành phần: Bazơ nitơ (Adenin-A, Guanin-G, Thymin-T và Xytozin-C), đuờng 5 cacbon và axit photphoric. Phân tử ADN cấu trúc xoắn kép có số lợng bazơ A = T, G = C. Tỷ lệ A+T/G+C đặc trng riêng cho mỗi loại sinh vật, biểu hiện mức độ tiến hóa của loài. Ví dụ, ở ngời là 1,52; cừu là 1,36; vi khuẩn E.coli là 0,93; lúa mì là 1,19; Sinh học phân tử - Axit Nucleic Tỷ lệ % G+C khác nhau ở các loài sinh vật, khác nhau giữa các giống, các thứ trong cùng một loài. Phân tử ADN có tỷ lệ G, C càng cao, số lợng G, C sắp xếp liền kề nhau tạo chuỗi các nucleotit liên tục càng dài thì độ bền vững với nhiệt độ càng cao và ngợc lại. ở tế bào prokaryota, ADN tồn tại ở trong vùng nhân, plasmid, và các bào quan nh ty thể, lạp thể. Các ADN này ở dạng sợi xoắn kép, mạch vòng kín và toàn bộ trình tự ADN mang thông tin mã hoá protein (gen). ở tế bào eukaryota, ADN tồn tại ở trong nhân và các bào quan nh ty thể, lạp thể. Các ADN này ở dạng sợi xoắn kép, mạch thẳng và chỉ một phần ADN mã hoá protein (chiểm khoảng 7-30% khác nhau tuỳ từng loại) gọi là các exon, trình tự còn lại không mang thông tin di truyền để mã hoá cho protein gọi là intron. Promoter CDS Terminator transcription Genomic DNA mRNA protein UTR UTR translation 5 - Promoter Exon1 Exon Terminator 3 UTR Intron1 UTR transcription translation protein Gen thờng bị ngắt quãng bởi 1 hay nhiều đoạn chèn (introns): mRNA Sinh học phân tử - Axit Nucleic ADN ở eukaryota không đồng nhất, chứa nhiều trình tự khác nhau nh: Trình tự lặp, trình tự CEN (trình tự lặp lại cao ở tâm động), trình tự TEL (trình tự lặp lại cao ở đầu mút nhiễm sắc thể). Các trình tự này có ý nghĩa khác nhau đối với bộ gen. ADN trong mỗi tế bào của mỗi loại sinh vật đợc đặc trng bởi dạng cấu trúc, mức độ lặp, thành phần và trình tự các loại bazơ nitơ, Hàm lợng ADN ít liên quan đến sự tiến hóa của sinh vật nhng số gen lại tăng lên theo sự phức tạp về chủng loại phát sinh. Tính chất biến tính và hồi tính của ADN Phân tử ADN bị biến tính khi nhiệt độ tăng, hoặc tác động của các tác nhân hoá học (dung dịch kiềm, ure, ). Nhiệt độ làm cho hai mạch đơn của ADN tách nhau ra, gọi là nhiệt độ biến tính Tm (melting temperature). Tm của các sinh vật bậc cao thờng vào khoảng 85 0 - 95 0 C. Phân tử ADN có khả năng hồi tính. Khi nhiệt độ giảm dần đến một mức độ nhất định, hai mạch đã tách rời nhau lại liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung để hình thành chuỗi soắn kép ban đầu. Sinh häc ph©n tö - Axit Nucleic Tr¹ng th¸i tù nhiªn Tr¹ng th¸i biÕn tÝnh sîi ®¬n Tr¹ng th¸i l¹i tÝnh Sinh học phân tử - Axit Nucleic 1.2. Axit ribonucleic (ARN) 1.2.1. ARN thông tin (mARN) Phân tử có cấu trúc mạch đơn, là bản sao trình tự cấu trúc của gen, chiếm 2-5% tổng lợng ARN. Nó đợc tổng hợp từ các gen trong nhân tế bào, một số ít đợc tổng hợp từ các gen trong ty thể và lạp thể. 1.2.2. ARN vận chuyển (tARN) Phân tử có cấu trúc mạch đơn. Đóng vai trò vận tải các axit amin để lắp ráp vào mạch polypeptit khi tổng hợp protein, chiếm khoảng 10-15% tổng l- ợng ARN. Có khoảng trên 20 loại tARN khác nhau đặc trng cho 20 loại axit amin khác nhau. tARN đợc tổng hợp trong nhân tế bào và trong cấu trúc có những phần gấp cuộn đặc thù, cho phép chúng nhận biết các a.a cần vận chuyển đồng thời chúng có chứa bộ ba đối mã anticodon bổ sung với các bộ ba codon của mARN. Sinh học phân tử - Axit Nucleic 1.2.3. ARN riboxom (rARN) Phân tử có cấu trúc mạch đơn, chiếm khoảng 80% tổng lợng ARN, cũng đợc phiên mã từ ADN và liên kết với protein để tạo nên riboxom, là nơi tổng hợp protein. Có cấu tạo gồm tiểu phần nhỏ và tiểu phần lớn. ở tế bào prokaryota: Tiểu phần nhỏ 30S có rARN 16S Tiểu phần lớn 50S gồm có rARN 23S và 5S ở tế bào eukaryota: Tiểu phần nhỏ 40S có rARN 18S Tiểu phần lớn 60S gồm có: rARN 28S; 5,8S và 5S Các phân tử rARN đợc tổng hợp từ các gen đặc trng riêng, các gen mã hóa rARN thờng nằm ở vùng ADN lặp lại. Đây là những vùng có mức độ bảo thủ cao hoặc có mức độ tiến hoá khá nhanh. Sinh học phân tử - protein 1.3. Protein Protein là những chất trùng hợp sinh học thuộc loại các đại phân tử, có cấu tạo rất phức tạp và có vai trò quyết định trong cơ thể sống. Là vật liệu phân tử xây dựng nên tất cả cấu trúc tế bào. Tất cả hoạt động sống bình thờng và bệnh tật đều có cơ sở protein của nó. Tất cả hoạt động sống nh: Trao đổi chất, sinh tr- ởng phát triển, sinh sản, cảm ứng thích nghi với môi trờng đều có cở sở protein. Tóm lại protein là cơ sở của sự đa dạng về cấu trúc và chức năng của tất cả các sinh vật. 1.3.1. Cấu trúc của protein Đơn vị cấu trúc nên protein là các axit amin, gồm 20 loại. Các axit amin này liên kết với nhau bằng liên kết peptit (-CO-NH- là liên kết đồng hoá trị, đợc thành lập giữa nhóm amin của axit amin này với nhóm cacboxin của axit amin bên cạnh) tạo thành mạch polypeptit (40-500 axit amin). Về phơng diện dinh dỡng học, ngời ta thờng phân biệt loại axit amin thay thế và axit amin không thay thế. Sinh học phân tử - protein a, Cấu trúc bậc 1 Số lợng, thành phần và trình tự sắp xếp của các axit amin trong chuỗi polypeptit thể hiện cấu trúc bậc 1 của protein. Cấu trúc này quy định tính đặc thù của phân tử protein đồng thời quy định nên cấu trúc không gian của protein có nghĩa là quy định chức năng của protein. Trong chuỗi polypeptit có chứa các a.a đặc thù của protein nh trung tâm hoạt tính của enzym (liên kết với cơ chất), trung tâm nhận biết các phân tử khác nhau (vùng nhận biết hoocmon của thụ quan), vùng liên kết với ADN, vùng chứa địa chỉ nơi mà protein cần đợc vận chuyển đến (ty thể, lizomxom, màng sinh chất, nhân, xuất ra ngoài tế bào, ). b, Cấu trúc bậc 2 Dạng xoắn và gấp khúc , đó là cấu trúc bậc 2 của protein. Sự biến động trong cấu trúc bậc 2 gây ảnh hởng đến hoạt tính chức năng của protein. [...]... nhân bằng cơ học hoặc hóa học Bớc 2: Loại bỏ các thành phân không mong muốn, chủ yếu là protein bằng các dung dịch chuyên biệt Bớc 3: Thu nhận ADN Sinh học phân tử - phơng pháp sinh học phân tử Sinh học phân tử - phơng pháp sinh học phân tử 4.2 Phơng pháp điện di trên gel Là phơng pháp làm cho axit nucleic hiển thị trực tiếp Nguyên lý: Khi đặt trong một dung dịch đệm có điện áp phân tử axit nucleic... đợc kéo dài Giai đoạn kết thúc Khi ribosom dịch chuyển đến bộ ba kết thúc (UAG, UAA, UGA) Mạch polypeptit đợc giải phòng và ribosom phân giải thành 2 tiểu đơn vị nhỏ và lớn Sinh học phân tử - phơng pháp sinh học phân tử IV một số phơng pháp cơ bản trong sinh học phân tử 4.1 Phơng pháp tách chiết ADN genom Hiện nay có rất nhiều phơng pháp tách chiết thu đợc kết quả tốt Tuỳ vào đối tợng tách (vi rút,... đoạn kết thúc: ARN polymeraza gặp tín hiệu kết thúc phiên mã thì dừng lại Phân tử ARN đợc tổng hợp tách khỏi mạch khuôn ARN polymeraza cũng đợc tách khỏi ADN Sinh học phân tử - sự phiên mã 2.1 Sự phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn (eucaryota) Tế bào sinh vật eucaryota thực hiện phiên mã trên từng gen riêng biệt, tạo nên các phân tử mARN đặc trng cho mỗi gen Có 3 loại ARN polymeraza tham gia phiên mã:... dừng lại Sinh học phân tử - sự phiên mã Giai đoạn biến đổi tiền mARN thành mARN hoàn chỉnh Gắn mũ: ở đầu 5 của tiền mARN liên kết với một phân tử 7-methyl gunin, gọi là gắn mũ Mũ là yếu tố cần thiết cho các riboxom nhận biết trong sự khởi đầu dịch mã và tránh cho mARN không bị phân hủy Hình thành đuôi polyA: Enzym polyA polymeraza xúc tác gắn thêm một số nucleotit loại A vào đầu 3 của phân tử tiền... Vùng kết thúc Trình tự điều hòa intron Sinh học phân tử - sự phiên mã c Vùng kết thúc Vùng kết thúc có trình tự đặc trng riêng, cho phép ARN polymeraza nhận biết dấu hiệu ngừng phiên mã và các trình tự kết thúc một gen để phân biệt gen này với gen khác 2.1 Sự phiên mã ở sinh vật nhân sơ (procaryota) Prokaryota thực hiện phiên mã cùng một lúc trên toàn bộ phân tử ADN, tất cả các gen cấu trúc (cistron)... chỉnh 2.2 Sự tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ (procaryota) Phân tử ADN ở vi khuẩn là sợi xoắn kép có dạng vòng nên tại điểm khởi đầu sao chép xuất hiện con mắt tái bản ở dạng vòng tròn gồm 2 mạch đơn nối liền với sợi xoắn ở 2 điểm, từ đây sợi kép sẽ tiếp tục mở xoắn và tách ra ở cả 2 đầu Tại điểm tách nhau ra ở 2 mạch tạo nên cái chẽ ba đợc gọi là chẽ ba tái bản Sinh học phân tử - sự tái bản adn Thành... ADN mới - Enzym ATPaza có vai trò thuỷ phân ATP - Enzym ADN polymeraza II có vai trò cắt bỏ và sửa chữa các sai sót trên sợi tái bản ADN - Enzym ligaza dùng để nối các đoạn ADN (đoạn Okazaki) lại với nhau Sinh học phân tử - sự tái bản adn Cơ chế và mô hình tái bản ADN Sự sao chép bắt đầu tại một điểm (điểm khởi đầu sao chép) Tại đây enzym mở xoắn gắn vào phân tử ADN mạch kép, tách đôi sợi kép thành... +1, các nucleotit vùng mang thông tin di truyền mang dấu d (+), các nucleotit vùng điều khiển mang dấu (-) Sinh học phân tử - cấu trúc của gen Cấu trúc của gen Gen là một đoạn ADN, ARN, mang thông tin di truyền xác định cấu trúc của một chuỗi polypeptit hoặc một phân tử ARN nhất định Ngời ta phân biệt gen cấu trúc, gen điều chỉnh, gen vận hành, Một gen cấu trúc điển hình gồm 3 vùng chính: Vùng điều... sự biến tính của protein) sẽ dẫn đến tới việc huỷ hoại chức năng của chúng và từ đó dẫn tới trạng thái sinh lý bệnh d, Cấu trúc bậc 4 Cấu trúc bậc 4 là kết qủa của sự liện kết nhiều chuỗi polypeptit có cấu trúc bậc 3 với nhau để hình thành một phức hợp protein có hoạt tính sinh học Sinh học phân tử - protein 1.3.2 Chức năng của protein Cấu trúc: là những protein tham gia cấu tạo nên tế bào: nh protein... (30S, 40S) gắn vào vị trí bộ ba AUG nhờ các nhân tố khởi động dịch mã Một phân tử tARN mang aa methyonin dịch chuyển đến ribosom ở bộ ba AUG và gắn Met vào vị trí đó Tiểu phần lớn (50S, 60S) kết hợp với tiểu phần nhỏ tạo thành ribosom Đồng thời gắn phức hợp Met-tARN ở vị trí P trên tiểu phần lớn để khởi động phiên mã Sinh học phân tử - sự dịch mã Giai đoạn kéo dài Phức hợp aa-tARN kế tiếp sẽ đến gắn . PhÇn 2. Sinh häc ph©n tö - Molecular biology Th. S. Ph¹m Quang Chung Bé m«n Sinh häc - Khoa L©m häc - §¹i häc L©m nghiÖp Sinh học phân tử. của Sinh học phân tử, luận thuyết (lý thuyết) trung tâm này đợc sửa đổi nhiều lần Sinh học phân tử - Axit Nucleic 1. Axit nucleic Là đại phân tử sinh