Bài giảng Gen, ADN, ARN và protein (cấu trúc, đặc tính, chức năng)

SINH HỌC PHÂN TỬ &
DI TRUYỀN HỌC

Gen, ADN, ARN và protein
(cấu trúc, đặc tính, chức năng)


Lược sư di trun häc
13.000 - 15.000 năm trước: Phát triển trồng trọt

1869: Miescher lần đầu tiên tách chiết được ADN
1929: Mô tả được thành phần cấu tạo ADN
1953: Watson và Crick mô tả cấu trúc chuỗi
xoắn kép ADN, chủ yếu dựa trên hình ảnh
nhiễu xạ tia X (của Franklin và Wilkins)
1961 - 1966: Giải mã các mã bộ ba (codon)
1967: Gellert phát hiện ra ADN ligase, enzym
nối các phân đoạn ADN với nhau
1975: Southern phát triển kỹ thuật thẩm tách
Southern cho phép xác định trình tự ADN đặc thù
1980: Thiết lập được bản đồ sơ bộ đầu tiên các
dấu chuẩn ADN hệ gen người
1985: Mullis và cs. phát minh ra kỹ thuật PCR
1987: Phát hiện gen gây bệnh teo cơ Duchene

1990: Khởi động Dự án Hệ gen người (HGP)
1995: Phát minh ra chip ADN
1999: Nhiễm sắc thể người đầu tiên được giải mã
2006: Chính thức hồn thành giải trình tự NST
cuối cùng của hệ gen người (NST số 1)
Đinh Đồn Long

Thí nghiệm của Mendel (1867)
Mơ tả nhiễm sắc thể (1902 - 1904)
Avery cung cấp bằng chứng cho thấy ADN mang
thông tin di truyền trong biến nạp ở vi khuẩn (1944)
Mơ tả đột biến tế bào hồng cầu hình liềm (1956)
Kornberg phát hiện ADN polymerase (1957)
Chứng minh cơ chế sao chép ADN (1958)
Phát hiện thấy sự tồn tại của enzym giới hạn (1962)
Khởi đầu các nghiên cứu công nghệ ADN tái tổ hợp của
Boyer và cs. tại ĐH Standford và Califonia (1972)
Sanger & Barrell, Maxam & Gilbert phát triển các kỹ thuật
giải mã trình tự ADN (1975 - 1977)
Palmiter & Brinser tạo được Chuột chuyển gen, Sprading &
Rubin tạo được Ruồi dấm chuyển gen (1981 - 1982)
Đề xuất ý tưởng “Dự án hệ gen người” (1986)
Phát hiện gen gây bệnh xơ nang (1989)

Phát hiện gen gây bệnh Huntington (1993)
Hệ gen đầu tiên được giải mã - H. influenza (1995)
Hoàn thành giải mã hai bản sao sơ bộ hệ gen người (2003)


Néi dung
KHÁI NIỆM VỀ GEN

CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, CHỨC NĂNG CỦA ADN

CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, CHỨC NĂNG CỦA ARN
CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

Q&A


Khái niệm Về GEN
Gen l gỡ?
Theo sách giáo khoa
Gen là một đoạn ADN mang thông tin mÃ
hóa cho một sản phẩm xác định (sản phẩm đó
có thể là chuỗi polypeptide hay ARN).

Theo nghĩa hẹp
Gen là một đoạn trinh tự axit nucleic (ADN ở
hầu hết các loài và ARN ở một số virut) bản
thân nó hoặc kết hợp với các trinh tự khác
trong hệ gen mà hoá cho một chuỗi
polypeptit, hoặc mét ph©n tư ARN (rARN,
tARN, snARN, …) cã mét chøc nng sinh học
nhất định; gen bao gồm cả các trinh tự giúp
nó đuợc điều hòa biểu hiện (ví dụ: promoter,
operator, enhancer, terminator …).
4


Một số đặc điểm cấu trúc gen
- Hầu hết các gen nằm phân tán và phân bố ngẫu nhiên trên nhiễm
sắc thể, nhng một số gen đợc tổ chức tập trung thµnh tõng
nhãm, như operon (ë prokaryote) hoặc hä gen (ở eukaryote).
- Các gen trong operon thờng đợc biểu hiện đồng thời (đa
cistron) đột biến phân cực.

- Các gen trong hä gen thưêng cã cÊu tróc gièng nhau, nhưng
thưêng không đợc biểu hiện đồng thời (trừ một số gen mà hóa
rARN và tARN).
lac Z

ADN

lac Y

lac A

Trình tự điều hòa

a)

Các gen mà hóa ARN ribosom (rARN)

ADN

Các trình tự liên gen (ADN ®Ưm)
b)
ADN



G

A

1




Nhãm gen m· hãa
β globin ë ng-êi

5


Néi dung
KHÁI NIỆM VỀ GEN

CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, CHỨC NĂNG CỦA ADN

CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, CHỨC NĂNG CỦA ARN
CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

Q&A


Thành phần cấu tạo của các axit nucleic
’

’

’

’ ’
’

’

’
’

a) Ribose

’

b) Deoxyribose



 
Cytosine (C)

Thymine (T)
Baz¬ nit¬ cđa ADN




’
’

’
’

’

c) Deoxyribose monophosphate

Đêng ribose của các nucleotide.
a) ờng ribose có nhóm OH ở vị trÝ
C-2’, b) Đêng deoxyribose cã gèc –
H ë vÞ trÝ C-2, c) đờng deoxyribose
mang nhóm phosphate
inh on Long







Uracil (U)

Bazơ nitơ của ARN





Adenine (A)

Guanine (G)

Bazơ nitơ của ADN và ARN

Cấu trúc bazơ nitơ của các nucleotide. Dẫn xuất của
pyrimidine gồm thymine (T), cytosine (C) vµ uracil (U);
dÉn xt cđa purine gåm adenine (A) và guanine (G).
ADN đợc cấu tạo từ dA, dT, dG và dC, trong khi ARN đợc cấu tạo tõ A, U, G vµ C.


Thành phần cấu tạo của các axit nucleic
Tên gọi các nucleotide là thành phần của ADN và ARN
Bazơ nitơ

Nucleoside

Adenine (A)

Adenosine

Guanine (G)

Guanosine

Thymine (T)

Thymidine

Cytosine (C)

Cytidine

Uracil (U)

Uridine

a

Có ở ADN, nhưng khơng có ở ARN
b Có ở ARN, nhưng khơng có ở ADN

Đinh Đồn Long

Nucleotide
Deoxyadenosine 5’- monophosphate
Deoxyguanosine 5’- monophosphate
Deoxythymidine 5’- monophosphatea
Deoxycytidine 5’- monophosphate
Uridine 5’- monophosphateb


Thành phần cấu tạo của ADN
Mỗi bazơ nitơ đều có 2 dạng hỗ biến

Đinh Đoàn Long


Cấu trúc hóa học của ADN
Các bazơ nitơ

Đầu 5’

Các liên kết
phosphodieste

Đầu 3’
Đinh Đoàn Long


Cấu trúc hóa học của ADN
Nguyên tắc Chargaff
THÀNH PHẦN CÁC NUCLEOTIDE THEO TỈ LỆ PHẦN TRĂM (%) Ở MỘT SỐ LOI
Loài
Virút
Thực khuẩn thể T2
Herpes simplex
Phagơ
Pseudorables
Vi khuẩn
Escherichia coli
Diplococcus pneumoniae
Micrococcus hysodeikticus
Ramibacterium ramosum
Nấm men
Neurospora crassa
Aspergillus niger
Saccharomyces cerevisiae
Sinh vật nhân chuẩn
Arachis hypogaea (đậu)
Bombyx mori (tằm)
Drosophila melanogaster
Homo sapiens (ngời)
Tế bào gan
Tinh trùng

Tuyến giáp
Nicotinana tabacum
Rana pipiens (Õch)
Zea mays (ng«)
Đinh Đồn Long

Adenine

Guanine

Cytosine

Tymine

32,6
18,8
26,0
13,2

18,1
37,7
23,8
37,0

16,6
35,6
24,3
36,3

32,6

12,8
25,8
13,5

26,0
29,8
14,4
35,1

24,9
20,5
37,3
14,9

25,2
18,0
34,6
15,2

23,9
31,6
13,7
34,8

23,0
25,0
31,7

27,1
25,1

18,3

26,6
25,0
17,4

23,3
24,9
32,6

32,1
30,7
30,7

17,6
18,9
19,6

18,0
19,4
20,2

32,2
31,1
29,4

30,3
29,8
30,5
29,3

26,3
25,6

19,5
20,2
19,9
23,5
23,5
24,5

19,9
18,2
20,6
16,5
23,8
24,6

30,3
31,8
28,9
30,7
26,4
25,3


Cấu trúc hóa học của ADN
Mơ hình Watson - Crick

Đinh Đoàn Long

Cấu trúc hóa học của ADN

Đường
Đường

Liên kết hydro khơng hình thành (hoặc
chỉ hình thành yếu) giữa các cặp bazơ
nitơ kết cặp không đúng; hoặc khi các
nucletide trên hai mạch mặc dù kết cặp
đúng, nhưng không quay ngược chiều.

Các liên kết hydro
Đinh Đoàn Long


Cấu trúc hóa học của ADN
1 vịng xoắn = 34Å = 10,5 nucleotide

Liên kết hydro
Bazơ nitơ
Rãnh
phụ

Khung đường phosphate

Rãnh
chính

H

Đinh Đồn Long

O

C trong C và N trong P
chuỗi este
các bazơ


Cấu trúc hóa học của ADN

Đinh Đồn Long


Cấu trúc hóa học của ADN
ADN có nhiều dạng cấu hình, trong đó phổ biến là dạng B

A - ADN

B - ADN

C - ADN

D - ADN

Z - ADN

MỘT SỐ DẠNG CU HèNH KHễNG GIAN CA ADN

Đặc tính
Chiều quay của chuỗi xoắn
Điều kiện hình thành
Đ-ờng kính ()
Số cặp bazơ nitơ trên một vòng xoắn
Góc nghiêng giữa hai cặp bazơ nitơ kế tiếp
Độ cao theo trục chuỗi xoắn của một cặp bazơ nitơ ()
Độ cao theo trục chuỗi xoắn của một vòng xoắn ()
Đặc điểm khe chính
Đặc điểm khe phụ
inh on Long

Dạng ADN
A
B
Z
Về phía phải Về phía phải Về phía trái
Nồng độ muối cao,
Độ ẩm ~ 75% Độ ẩm ~ 92%
hoặc methyl hãa ADN
26 Å
20 Å
18 Å
11
10
12
O
O
33
36

60O
2,6 Å
3,4 Å
3,7 Å
28 Å
34 Å
45
Hẹp và sâu
Rộng và sâu Phẳng
Rộng và nông Hẹp và sâu
Hẹp và sâu


Tính chất biến tính và hồi tính của ADN
Sợi ADN xoắn kép

Độ hấp thụ UV

NHIỆT ĐỘTĂNG
Tm = Nhiệt
độ biến tính

Biến tính
hồn tồn

Vùng giàu A:T
biến tính trước

Biến tính
một phần

NHIỆT ĐỘTĂNG THÊM

Nhiệt độ tăng

Các mạch ADN biến tính hồn tồn

Đinh Đồn Long


Tính chất biến tính và hồi tính của ADN
Cơng thức ước tính Tm

Cơng thức của Wallace (1989) với các phân đoạn ADN
ngắn hơn 25 bp
Tm = 2oC x (A + T) + 4oC x (G + C)

Công thức của Meinkoth - Wahl (1989) với các phân
đoạn ADN dài hơn 25 bp

Tm = 81,5oC + 16,6(log10[Na+]) + 0,41(%[G+C]) – (500/n) – 0,61(%FA)
Đinh Đoàn Long


Một số tính chất của ADN
ADN có thể tồn tại ở dạng mạch thẳng …
Sợi ADN
xoắn kép

Các điểm
khởi đầu sao chép

Các mạch
ADN mới
Các đơn vị
sao chép

Đơn vị
sao chép
mở rộng

Các mạch
ADN mới
SAO CHÉP (TÁI BẢN) ADN Ở HỆ GEN NHÂN EUKARYOTE

… hoặc …
Đinh Đoàn Long


Một số tính chất của ADN
… mạch vịng

Sợi ADN
xoắn kép

Mạch
ADN mới

Điểm khởi đầu sao chép
(chỉ có 1 đơn vị tái bản)
SAO CHÉP (TÁI BẢN) ADN Ở HỆ GEN PROKARYOTE

Đinh Đoàn Long