giáo trình Sinh Học Phân Tử

1

CHƯƠNG 1. CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC
VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC

I. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN

1. Cấu trúc hoá học

Các protein ñều là những ñại phân tử bao gồm các ñơn vị thành phần là các L-ỏ-axit
amin. Trong phân tử axit amin này, nguyên tử Carbon ở vị trí alpha so với nhóm carboxyl kết
hợp với nhóm amin, nguyên tử H, và gốc R, gốc R ñược gọi là mạch bên. Công thức cấu tạo
chung của các axit amin như sau:



Hình 1.1: Cấu trúc chung của một amino acid và sự hình thành chuỗi polypeptide, cấu trúc
sơ cấp của tất cả các protein

Mặc dù Protein rất ña dạng nhưng hầu hết chúng ñều ñược cấu tạo từ 20 L-α-axit amin
khác nhau và 2 amit tương ứng.
Dựa vào ñiện tích của chúng, các axit amin ñược phân thành 4 nhóm chính:
+ Nhóm 1: Các axit amin tính kiềm như Lysine, Arginine, Histidine; ở pH tế bào nhóm
amin ở nhánh bên bị ion hoá thành NH
3
nên chúng mang ñiện tích dương.
+ Nhóm 2: Gồm Aspartic và Glutamic mang tính acid, với nhóm carboxyl ở nhánh bên
bị ion hoá thành COO
-
.

+ Nhóm 3: Các axit amin trung tính kị nước (không mang ñiện tích) như glicine,
alanine, valine, leucine, izoleucine, có nhánh bên mang các nhóm kị nước.
+ Nhóm 4: Các axit amin trung tính phân cực có nhánh bên mang nhóm OH dễ tạo các
nối hydro với nước.
Trong số 20 axit amin thường gặp trong phân tử protein có 8 axit amin mà cơ thể người
và ñộng vật không thể tự tổng hợp ñược, phải ñưa từ ngoài vào qua thức ăn, gọi là axit amin
không thay thế hoặc axit amin cần thiết. Đó là valine, leucine, lycine, izoleucine,
phenylalanine, tryptophan, metionine, threonine.
Trong phân tử protein, các axit ỏ-amin liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hoá trị
(covalent bond) gọi là các liên kết peptide hình thành chuỗi polypeptide có số lượng nhác nhau
và thành phần khác nhau về các loại axit amin Liên kết này ñược hình thành do sự kết hợp
nhóm amin của một axit amin với nhóm carboxyl của axit amin kế tiếp, phản ứng kết hợp giải
phóng 1 phân tử nước.
Các protein thường dễ tan trong nước tạo thành các dung dịch keo hấp thụ cực ñại ở
bước sóng 280nm trong vùng ánh sáng cực tím nhờ có axit amin là tirozine, phenylamine và
tryptophan trong phân tử.


2





Hình 1.2: Hai mươi loại axit amin phát hiện ñược trong tự nhiên

Protein bao gồm bốn dạng biểu hiện của cấu trúc phân tử:
+ Cấu trúc bậc 1 là trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi polypeptide, ñược tạo ra
bởi liên kết peptide (liên kết cộng hoá trị) .
+ Cấu trúc bậc 2 bao gồm 3 dạng:

* Xoắn
α
là những liên kết hydro liên kết không cộng hoá trị giữa nhóm
cacbonyl (C=O) của một liên kết peptide thứ nhất (axit amin RN) và nhóm amin (NH) của một
liên kết peptide thứ tư (axit thứ RN+4) với 3,6 gốc trên một vòng xoắn ỏ.
* Lá gấp
β
ñược tạo thành nhờ các liên kết hydro của hai chuỗi poppeptide cùng
chiều song song (từng thấy trong protein sợi tơ tằm và nhiều loại khác) hoặc ñổi chiều với
nhau do một polypeptiñe bẻ ngoặt và liên kết hydro ñược hình thành ở khúc bẻ ngoặt.
* Siêu xoắn Collagen: Bao gồm 3 chuỗi polypeptide bện vào nhau giống như ba
sợi dây thừng bện xoắn nhờ các liên kết hydro giữa các chuỗi polypeptiñe.
Cấu trúc bậc 2 ñược bền vững chủ yếu nhờ liên kết hydro ñược tạo thành gữa các liên
kết peptide ở gần kề nhau, cách nhau những khoảng xác ñịnh.
+ Cấu trúc bậc 3: Là sự tương tác không gian ba chiều giữa các gốc axit amin ở xa nhau
trong mạch polypeptide, là dạng cuộn lại trong không gian của toàn mạch polypeptide. Cấu
trúc này ñược tạo ra chủ yếu bằng các liên kết không cộng hoá trị (liên kết ion, liên kết kỵ
nước, liên kết vandervan) và liên kết cộng hoá trị (liên kết peptide và liên kết disulfide).

3

+ Cấu trúc bậc 4: Là sự tương tác không gian (sự sắp xếp) của hai ñến nhiều chuỗi
polypeptide (tiểu ñơn vị - Subunit - thường là một chuỗi polypeptide) trong phân tử protein có
cấu trúc khác nhau hoặc giống nhau. Các tiểu ñơn vị liên kết với nhau nhờ các liên kết không
cộng hoá trị (liên kết hydrô, liên kết ion, liên kết kỵ nước, lực vandervan).

Hỡnh 1.3: Bốn bậc cấu trúc của protein

2. Các chức năng sinh học của protein

- Kiến tạo nên tế bào và cơ thể (collagen, elastin mô liên kết, ).
- Xúc tác sinh học: Hầu hết các enzym xúc tác sinh học ñều có bản chất là protein.
- Vận chuyển các nguyên tử và phân tử cần cho sự sống, ví dụ hemoglobin vận chuyển
phân tử Oxy cần cho hô hấp tế bào, nhiều loại protein màng tế bào tham gia vận chuyển các
ion (Na
+
, K
+
, H
+
, ).
- Bảo vệ tế bào và cơ thể: Các kháng thể là những protein làm nhiệm vụ bảo vệ miễn
dịch, chống lại tác nhân gây bệnh.
- Truyền xung thần kinh: Rodopxin tạo phản ứng cảm giác ánh sáng và hình ảnh,
- Truyền tin: Nhiều protein là các thụ thể hoặc enzyme có vai trò truyền tín hiệu hoá học
trong trao ñổi chất, trong nhận diện và ñáp ứng trao ñổi chất, ñáp ứng miễn dịch.
- Điều hoà: Một số protein có chức năng ñiều hòa quá trình truyền thông tin di truyền,
ñiều hoà quá trình trao ñổi chất, ví dụ như các protein có hoạt tính hormone, protein ức chế
ñặc hiệu enzyme, các AMP vòng
- Dự trữ dinh dưỡng: Protein là chất dinh dưỡng quan trọng cung cấp các axit amin cho
phôi phát triển (các albumine, globunine ở lòng trắng trứng, gliadine trong hạt lúa mì, ).
Ngoài ra, còn có các protein dự trữ khác như cazein trong sữa, feritin (protein dự trữ sắt) trong
lá lách,
Việc phân chia thành các chức năng khác nhau của protein nói trên không phải thật
cứng nhắc, thực tế một protein có thể hoàn thành một số chức năng khác nhau.


4

3. Một số tính chất quan trọng của Protein

- Liên kết cộng hoá trị trong phân tử protein là liên kết peptide, đợc hình thành do sự
kết hợp nhóm amin của một axit amin với nhóm carboxyl của axit amin kế tiếp, phản ứng kết
hợp giải phóng 1 phân tử nớc, theo nguyên tắc này sẽ tạo thành các polypeptide và protein.
Ngoài ra, liên kết disulfide qua cầu nối S-S giữa các axit amin Cysteine cũng là liên kết cộng
hoá trị.
- Liên kết không cộng hoá trị trong phân tử protein là liên kết hydrô, liên kết ion, liên
kết kỵ nớc, liên kết vandervan có trong cấu trúc bậc 3 và bậc 4 của phân tử protein.
-Trong phân tử protein thờng có 3 axit vòng thơm (Tyrocine, phenylalanine,
tryptophan) hấp thụ cao ở bớc sóng 280nm. Đặc tính này đợc ứng dụng để định lợng các
protein tinh sạch bằng phơng pháp quang phổ ở bớc sóng 280nm.
- Protein có khả năng đợc kết tủa thuận nghịch bằng muối trung tính ((NH
4
)
2
SO
4
,
Na
2
SO
4
) không bị biến chất, hoặc kết tủa ở điểm đẳng điện. Đặc tính này đợc ứng dụng để
phân lập và tinh sạch protein.
- Dựa vào thành phần protein và phi protein trong cấu trúc mà phân loại thành 2 loại
protein:
+ Protein 1 thành phần: là protein không chứa các thành phần khác phi protein (không
phải protein). Ví dụ: albumine lòng trắng trứng, lyzozyme,
+ Protein 2 thành phần: là protein phức tạp có cấu tạo gồm phần protein (apoprotein) và
phần phi protein. Phần không phải là protein thờng là các gốc đờng, axit nucleic, lipid, Ví

dụ nucleoprotein của nhân tế bào có phần protein có tính kiềm và phần phiprotein là axit
nucleic; hemoglobulin là một protein phức tạp có phần apoprotein gồm 4 chuỗi polypeptide,
mỗi chuỗi đều kết hợp với một nhóm phi protein là nhân Hem - là vòng porfirin liên kết với
một nguyên tử sắt; photphoprotein là một protein phức tạp có nhóm ngoại là axit photphoric
(casein của sữa, vitelin của lòng đỏ trứng, ).
- Các phản ứng màu đặc trng của protein :
+ Phản ứng bi-ure do liên kết peptide kết hợp với ion đồng Cu
2+
trong môi trờng kiềm
và dùng để định lợng protein hoặc peptide bằng đo màu ở bớc sóng 540nm.
+ Phản ứng giữa các axit amin vòng với thuốc thử Folin-Ciocalteu (chứa ion đồng, axit
molipdic và volframat) cho màu xanh, xanh tím. Các phản ứng này đợc sử dụng để định lợng
các loại protein ở bớc sóng 660nm hoặc 750nm.
+ Các axit amin tự do có phản ứng màu đặc trng với thuốc thử ninhydryl, đợc dùng để
phát hiện và định lợng axit amin.

II. AXIT NUCLEIC (ADN và ARN)

Axit nucleic là vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống, có cấu tạo đa
phân (là một polyme) hình thành từ các đơn phân (monome) là nucleotid. Mỗi nucleotid gồm
ba thành phần: Nhóm phosphate, đờng pentose (đờng 5C) và một bazơ hữu cơ (vì các
nucleotid chỉ khác nhau ở bazơ nên ngời ta thờng dùng từ bazơ thay cho nucleotid). Các bazơ
hữu cơ thuộc hai nhóm: Các purine gồm adenine (A) và guanine (G), các pyrimidine gồm
thymine (T), cytosine (C) và uracil (U). Một bazơ nitơ liên kết cộng hóa trị với gốc đờng ở vị
trí thứ nhất tạo nên nucleoside. Nucleoside liên kết với một nhóm phosphate tạo nên nucleotid.
Các nucleotid đợc nối với nhau qua các nhóm phosphate và đờng pentose - mỗi gốc axit
phosphoric liên kết với nguyên tử cacbon số 5 của một gốc đờng khác, qua các liên kết
phosphodiester tạo thành chuỗi polynucleotid.
Axit nucleic gm hai loi phõn t cú cu to rt ging nhau l: Axit Deoxyribonucleic
(ADN) v Axit ribonucleic (ARN).

5

Pyrimidine
(6-member ring of C & N)
Purine
(that + 5 member ring of C & N)
Cytosine guanine
Thymine in DNA
uracil in RNA
adenine




nucleoside


nucleotide



deoxy nucleotide

Hình 1.4: Mô hình cấu trúc hoá học không gian của các nucleotid


1./ ADN (Axit deoxyribonucleic)

a. Đặc tính hoá học của ADN

Axit deoxyribonucleic là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch ñơn, mỗi mạch ñơn là một
chuỗi polynucleotid xoắn nhau thành một chuỗi xoắn kép, trong ñó bazơ nitơ của mạch này
liên kết với bazơ nitơ của mạch kia bằng cầu nối hyñro, theo nguyên tắc bổ sung:
+ A của mạch này liên kết với T của mạch kia bằng 2 liên kết Hydro.

6

+ G của mạch này liên kết với X của mạch kia bằng 3 liên kết Hydro.
Mỗi mạch ñơn là một trình tự có ñịnh hướng với một ñầu là 5’phosphate tự do, ñầu kia
là 3’hydroxyl tự do (hướng qui ước là 5’3’). Hướng của hai mạch ñơn trong chuỗi xoắn kép
ngược nhau nên gọi là hai mạch ñối song song.


Hình 1.5: Liên kết bổ sung giữa các nucleotid trên hai mạch ñơn

ADN có cấu tạo ña phân, do nhiều ñơn phân hợp lại, có cấu tạo nhiều bậc, dẫn tới tính
ña dạng và ñặc trưng của sinh giới. Ở mỗi loài, ADN có trình tự nucleotid riêng ñặc thù và số
lượng nucleotid khác nhau, có thể từ 5000 ở một loại virus ñơn giản nhất lên ñến 5000 tỷ trong
46 NST ở người.
Trong hai chuỗi polynucleotide, ñường cacbon và nhóm phosphate ñều giống nhau ở
mọi phân tử ADN. Tính ñặc thù của từng loại ADN là do các kiểu liên kết khác nhau của 4
bazơ nitơ A,T,G,C.
Phân tử ADN trong NST của sinh vật nhân chuẩn (eucaryote) có dạng thẳng, còn ở
phần lớn tế bào nhân sơ (procaryote) ADN có dạng vòng. Nhưng ở dạng vòng hay dạng thẳng
thì ADN ñều tồn tại dưới dạng cuộn chặt. Kích thước ADN ở Eucaryote hoàn toàn không có
mối liên quan gì ñến kích thước và mức ñộ tiến hóa của sinh vật. Các ADN ở Eucaryote có
nhiều ñặc ñiểm khác với ADN của prokaryote, toàn bộ phân tử ADN procaryote ñều mang
thông tin mã hóa cho các protein trong khi ADN eucaryote bao gồm những trình tự mã hóa
(các exon) xen kẽ với những trình tự không mã hóa (các intron).

Các ADN ở tế bào nhân chuẩn liên kết với nhiều loại protein khác nhau, chủ yếu là các
histon (có bản chất bazơ) và các protein phi histon (có bản chất axit), ñể tạo ra phức hợp
nucleoprotein gọi là chất nhiễm sắc (chromatin). Trong nhiễm sắc chất, ADN ñược cuộn xoắn,
co ngắn lại ít nhất trên hàng 100 lần, có nhiều mức ñộ cuộn vòng, co xoắn khác nhau. Mức ñơn
giản nhất là thể nhân, tức nucleosome ñược xem là ñơn vị cấu tạo cơ sở theo chiều dọc của
nhiễm sắc thể, có phần protein là 8 phân tử histon (octamer- gồm 2 phân tử H
3
và 2 phân tử H
4

liên kết ở vùng trung tâm; 2 phân tử H
2A
và 2 phân tử H
2B
liên kết ở phía ngoài), ñược cuộn
quanh bởi ADN. Trong mỗi nucleosme, octamer histon ñược quấn bởi 1
3
/4 vòng sợi ADN, ứng

7

vi khong 140-160 bp. Mi nucleosome cú ủng kớnh 100A
0
. Nucleosome ny ni vi
nucleosome kia bng mt ủon ADN ni di 15-100bp, cú gn cỏc phõn t histon H
1
to thnh
mt dóy nhiu nucleosome to nờn si c bn ca NST cú ủng kớnh khong 100A
0
.

ADN xon kộp trong NST cũn cú cu trỳc siờu xon (super coiling) l mc ủ xon ca
phõn t ADN ging nh hai si dõy thng xon cht vi nhau quanh mt trc ca nú. Cỏc
phõn t ADN ủu biu hin hai dng siờu xon l siờu xon õm (negative supercoiling-mc ủ
xon thp) v siờu xon dng (positive supercoiling-mc ủ xon cao).
Cỏc trỡnh t ADN trong nhõn t bo Eucaryote ủc chia lm 3 loi:
+ Cỏc trỡnh t lp li nhiu ln: Chim 10%-15% b gen ủng vt cú vỳ. ú l nhng
trỡnh t ADN ngn (10-200kb), khụng mó húa, thng tp trung nhng vựng chuyờn bit
trờn NST nh vựng tõm ủng (trỡnh t CEN) hay ủu cỏc NST (trỡnh t TEL). Chc nng
ca chỳng cha rừ, dng nh chỳng tham gia vo quỏ trỡnh di chuyn ca ADN trờn thoi vụ
sc (trỡnh t CEN) hay tham gia vo quỏ trỡnh sao chộp ton vn ca phn ADN nm ủu
mỳt NST (trỡnh t TEL).
+ Cỏc trỡnh t cú s ln lp li trung bỡnh: Chim khong 25-40% b gen ngi. Chỳng
cú kớch thc ln hn (100-1000kb) v ủa dng hn cỏc trỡnh t lp li nhiu ln. Cỏc trỡnh t
ny khụng tp trung m phõn tỏn trờn ton b gen. Chỳng cú th l nhng trỡnh t khụng mó
húa vi chc nng cha rừ m cng cú th l trỡnh t mó húa. Vớ d nh cỏc gen mó húa cho
rARN, tARN, ARN 5S.
+ Cỏc trỡnh t duy nht: L cỏc gen mó húa cho cỏc protein, cú trỡnh t ủc trng cho
tng gen
Mt ủc tớnh khỏc ca ADN, cú ý ngha quan trng trong nghiờn cu, ủú l kh nng
bin tớnh (denaturation-l hin tng hai si ủn ca phõn t ADN tỏch ri nhau) v hi tớnh
(renaturation-cỏc si ủn li cú th bt cp tr li theo nguyờn tc b sung ủ hỡnh thnh tr li
phõn t ADN ban ủu).

b. Chức năng sinh học của ADN

- Lu giữ thông tin di truyền của cơ thể sống dới dạng các gen di truyền. Gen di truyền
là một đoạn trình tự các nucleotid mã hoá cho một polypeptide có chức năng sinh học.
- ADN thực hiện chức năng truyền thông tin di truyền qua cơ chế sao chép hay tái bản,
có chế phiên mã (tổng hợp ARN thông tin) và có chế dịch mã (tổng hợp protein biểu hiện tính
trạng cơ thể). Cơ chế này cũng đảm bảo cho tính ổn định tơng đối của thông tin di truyền.

c. Mi quan h gene - cistron cỏc prokaryote v eukaryote

Mt cỏch tng ủi, theo ngha rng, cú th ủnh ngha gene l mt ủan xỏc ủnh ca
b gene mó húa thụng tin ca mt polypeptide hoc mt phõn t RNA chc nng (nh tRNA,
rRNA ). V Cistron l mt ủon xỏc ủnh ca DNA (hay b gene núi chung) mang thụng tin
cu trỳc ca mt polypeptide c th m gii hn ca nú ủc xỏc ủnh bng trc nghim cis-
trans. Kớch thc trung bỡnh ca mt cistron l 1.200 cp base. Nh vy, cistron chớnh l gene
cu trỳc theo ngha hp hay gene mó húa protein.
Tuy vy, ủnh ngha ny khụng th bao gm ủy ủ chc nng v cu trỳc ca gene
trong ton b sinh gii, bi vỡ cỏc chin lc cho s biu hn gene v t chc b gene cỏc vi
khun v eukaryote l rt khỏc nhau.
cỏc prokaryote v eukaryote bc thp, thng cú mt mi quan h ủn gin gia gene v
sn phm ca nú.Trong hu ht trng hp, cú mt s tng ng mt gene - mt sn phm, v
s ủng tuyn tớnh gia gene v chui polypeptide ca nú ủó ủc Ch.Yanofsky xỏc nhn nm

8

1961. Vì vậy ở các sinh vật này, gene và cistron là tương ñương: gene là ñơn vị chức năng di
truyền, mang thông tin di truyền ñược biểu hiện trọn vẹn.

Hình 1. 6: (a) Ở vi khuẩn, các gene thường ñược sắp xếp trong một operon và ñược
phiên mã thành một phân tử mRNA ña cistron. (b) Ở eukaryote, các gene tồn tại riêng
biệt dưới dạng ñơn cistron.
Ở vi khuẩn, các gene ñồng nghĩa với vùng mã hóa hay khung ñọc mở (open reading frame
= ORF), trong khi ñó ở các eukaryote nó ñồng nghĩa với ñơn vị phiên mã (transcription unit).
Đó là do các gene vi khuẩn thường ñược sắp xếp trong một operon, vì thế có nhiều sản phẩm
ñược dịch mã từ một mRNA ña cistron. Trái lại, ở các eukaryote, hầu hết các gene ñược phiên
mã dưới dạng mRNA ñơn cistron.
Ở các bộ gene eukaryote bậc cao, thường thường có một mối quan hệ phức tạp giữa gene

và sản phẩm của nó. Hầu hết các gene của eukaryote bậc cao ñều có chứa các intron
(intervening sequences), tức các ñoạn không mã hóa protein, nằm xen giữa các exon
(expressed sequences), các ñoạn mã hóa protein. Các gene như vậy ñược gọi là gene phân
ñoạn (split gene) hay gene ñứt quãng (interrupted gene); nó ñược phát hiện lần ñầu tiên bởi
Phillip Sharp vào năm 1977. Thông tin trong gene ñược sử dụng một cách chọn lọc ñể sinh ra
nhiều sản phẩm khác nhau, gọi là cắt-nối có chọn lọc (alternative splicing) Các sản phẩm có
quan hệ về cấu trúc thường có các chức năng khác nhau. Vì lẽ ñó, cistron ñôi khi ñược xem là
tương ñương với exon của gene eukaryote, và gene phân ñoạn ñược xem như là một chuỗi các
cistron gối nhau (Twyman 1998). Ngoài ra, có vài trường hợp trong ñó cần tới hai gene ñể sinh
ra một sản phẩm mRNA ñơn thông qua kiểu cắt-nối chéo (trans-splicing) hoặc biên tập RNA
(RNA editing).

(a) (b) (c)
Hình 1.7 Ảnh hiển vi ñiện tử và hình mô phỏng việc sử dụng vật dò mRNA tế bào chất có
ñánh dấu ñể phát hiện gene phân ñoạn (a và b); mô tả vắn tắt sự tổng hợp pre-mRNA và cắt
bỏ các intron ñể tạo ra mRNA trưởng thành từ một gene phân ñoạn có chứa hai intron (c).

Khám phá mới nhất cho thấy glucose 6-phosphate dehydrogenase là một enzyme có mặt
trong các tế bào hồng cầu người; nó bao gồm hai dạng nhỏ/thứ yếu và lớn/chính yếu (minor
(a
)

(b)


9

and major form); dạng ñầu có trình tự các amino acid thuộc gene trên NST X; và dạng sau
gồm hai peptide ñược mã hóa từ thông tin của hai NST, các amino acid trong ñoạn 1-53 ñược
mã hóa trên NST số 6 và các amino acid ở ñoạn tiếp theo 54-479 ñược mã hóa trên NST X

(theo McClean 1998). Tất cả những trường hợp này nói lên một ñiều rằng, ñể ñưa ra một ñịnh
nghĩa chính xác về gene không hề ñơn giản. Tuy nhiên, nhìn toàn cục thì một khái niệm thống
nhất nổi bật là, tất cả các sinh vật từ vi khuẩn E. coli cho ñến con người ñều có chung hệ thống
mật mã di truyền và có chung phương thức 'chuyển tải' thông tin trong gene thành ra protein.
Tổ chức của một gene có thể bao gồm các vùng riêng biệt với các chức năng ñặc thù (Bảng
6.1; theo Twyman 1998, có sửa ñổi).
Bảng 1.1 Các thuật ngữ ñược dùng ñể chỉ các phần chức năng của các gene
Thuật ngữ Định nghĩa
Allele Một biến thể về trình tự của một gene (hoặc marker
di truyền khác, ví dụ: trình tự RFLP, VNTR).
Cistron Một ñơn vị chức năng di truyền, một vùng của DNA
mã hóa một sản phẩm ñặc thù.
Vùng mã hóa,
khung ñọc mở
(ORF)
Một vùng của DNA ñược dịch mã thành protein. Ở vi khuẩn, ñó là mộ
gene. Ở eukaryote, vùng mã hóa có
thể bị gián ñọan bởi các intron.
Gene phân ñoạn

Một gene mã hóa protein gồm các ñoạn không mã hóa (intron) nằm
xen kẻ giữa các ñoạm mã hóa (exon).
Gene Ở vi khuẩn, một ñơn vị chức năng di truyền mã hóa

hoặc là một polypeptide riêng biệt hoặc phân tử RNA. Ở các
eukaryote, một ñơn vị phiênmã có thể mã hóa 1 hoặc nhiều sản phẩm
hoặc ñóng góp vào 1 sản phẩm.
Locus gene Vị trí của một gene trên một nhiễm sắc thể, kể cả các

yếu tố ñiều hòa kề bên. Thuật ngữ locus ñược dùng theo cách riêng ñể

chỉ vị trí của gene-marker bất kỳ, yếu tố ñiều hòa, khởi ñiểm tái bản,
v.v
Operon Một locus của vi khuẩn có chứa nhiều gene (mà ñược

phiên mã như là một bản sao polycistron ñơn) và các yếu tố ñiều hòa
chung của chúng.
Pseudogene

Một trình tự không hoạt ñộng chức năng vốn có cấu trúc tương tự một
gene hoạt ñộng chức năng.
Đoạn ñệm ñược
phiên mã
Bất kỳ phần nào của ñơn vị phiên mã của 1 gene RNA hay operon
gene RNA sẽ bị loại bỏ trong khi tạo ra
các phân tử RNA trưởng thành.
Đơn vị phiên mã,
vùng ñược phiên
mã
Một vùng của DNA ñược phiên mã thành RNA. Ở các eukaryote, ñó
là một gene. Ở vi khuẩn, nó có thể bao
quát nhiều gene.
Vùng không ñược
dịch mã (UTR)

Bất kỳ phần nào của ñơn vị phiên mã mà không ñược dịch thành
protein. Các UTR kề bên một vùng mã hóa hay operon ñược gọi là các
UTR 5' và 3'.
Gene bị phân chia
(divided gene)
Một gene phân ñọan với các exon ở các locus riêng biệt ñược phiên

mã riêng rẽ và khâu nối lại bởi sự cắt-
nối chéo (trans-splicing). Thực ra ñó là cách gọi sai vì mỗi locus ñúng

10

ra phi ủc coi nh l 1 gene riờng.
bt k locus no, mt vựng DNA ủc phiờn mó cú th gi l mt ủn v phiờn mó
(transcription unit). prokaryote, mt ủn v phiờn mó cú th gm nhiu gene; trong khi ủú
eukaryote, cỏc ủn v phiờn mó hu nh bao gi cng tng ủng vi mt gene ủn.

Hỡnh 1.8 Cu trỳc ủin hỡnh ca mt gene eukaryote.

i vi cỏc gene mó húa protein cú mt s tỏch bit gia vựng ủc dch mó thnh
chui polypeptide v vựng khụng ủc dch mó. vi khun, vựng ủc dch mó l khung ủc
m (ORF), trong ủú cỏc gene phõn cỏch nhau bng cỏc ủon ủm (spacer) ủc gi l cỏc vựng
khụng mó húa bờn trong (internal noncoding region). Cỏc gene nm hai ủu ca mt operon
cng ủc kốm bi mt vựng khụng mó húa cú tờn l vựng khụng dch mó 5' (5' untranslated
region = 5' UTR) hay ủon dn ủu (leader sequence) v vựng khụng ủc dch mó 3' (3'
UTR) hay ủon kộo sau (trailer sequence). V bn cht, chỳng l cỏc ủon ủiu hũa; chng
hn, vựng 5'UTR kim soỏt s bỏm vo ca ribosome, cũn vựng 3'UTR thng ủúng vai trũ
quan trng trong s n ủnh mRNA. cỏc gene eukaryote, vựng mó húa cng ủc kốm bi
cỏc vựng UTR ủiu hũa, v c hai vựng UTR 5' v 3' cng nh khung ủc m cú th b giỏn
ủon bi cỏc ủon khụng mó húa (tc cỏc intron) m chỳng s ủc ct b trc khi xut
mRNA trng thnh ra khi nhõn. Nh th, bt k ủon no m rt cuc b loi b khi pre-
RNA thỡ ủc gi l cỏc ủon ủm ủc phiờn mó (transcribed spacer).

2./ ARN (axit ribonucleic)

Phõn t ARN cú cu trỳc tng t ADN vi ba ủim khỏc bit sau:
+ Phõn t ARN l chui ủn.

+ ng pentose ca phõn t ARN l ribose.
+ Thymine ca phõn t ADN ủc thay th bng uracine trong phõn t ARN.
ARN gồm có các loại:
- mARN (messenger ARN) hay ARN thông tin: mã hóa cho Protein.
- rARN (ribosomal ARN) hay ARN ribosom thành phần cơ bản xúc tác phản ứng tổng
hợp protein.
- tARN (tranfer ARN) hay ARN vận chuyển: có chức năng trong tổn hợp protein nh
một thành phần kết nối giữa mARN và axit amin.
- snARN hay small nuclear ARNs nhân có phân tử nhỏ có một số chức năng nh lắp
ghép tiền mARN.
- snoARN hay small nucleolar ARN là các ARN của hạch nhân đợc sử dụng trong các
quá trình thay đổi hóa học rARN.
- Bên cạnh đó có một số loại ARN khác nh hnARN, scARN.
Nhìn chung các ARN có vai trò nhất định trong bộ máy tổng hợp protein, nhng các
ARN chủ yếu là mARN, tARN, rARN.


11


Hỡnh 1.9: Mụ hỡnh cu trỳc phõn t ARN


a./ ARN thụng tin (messenger RNA, mARN)


Đây là dạng ARN đợc tạo ra và sử dụng để truyền đạt thông tin của gen sang protein.
Trong mARN, ngoài các nucleotid làm nhiệm vụ mã hóa, còn có một số nucleotid không làm
nhiệm vụ mã hoá nhng có vai trò sắp xếp tiểu phần nhỏ của ribosom, làm mồi cho dịch mã,
tơng ứng cho acid amin đầu N. Nó đợc tổng hợp trong nhân, nhng đợc đa ra khỏi nhân

vào trong tế bào chất để tham gia vào quá trình tổng hợp protein. Thông thờng, các mARN có
tuổi thọ rất ngắn, phân tử không bền trong tế bào. Về cấu trúc, mARN cú cu trỳc mch thng,
rt ngn v ủc dựng lm khuụn mu ủ tng hp chui polypeptide. Mi mARN núi chung
cú 3 phn chớnh:
- on dn ủu (leader): Nm ủu 5, khụng ủc dch mó nhng cn thit ủ cho tiu
ủn v bộ riboxom bỏm vo.
- on mó hoỏ (coding): Nm k cnh ủon dn ủu, cha thụng tin cu trỳc ca chui
polypeptide ủc tng hp. on ny cỏc mARN khỏc nhau thỡ khỏc nhau v s lng,
thnh phn, trt t cỏc ribonucleotid.
- on theo sau (trailer): Nm phớa 3, ngay sau ủon dch mó, khụng ủc mó hoỏ.


12



Hỡnh 1.10: S ủ cu trỳc ca mARN prokaryote v eukaryote

* Chức năng của đuôi poly (A):
+ Bảo vệ mARN: mARN có đuôi poly (A) có đời sống dài hơn. các mARN sau khi đợc
gắn thêm đuôi đợc chuyển ra tế bào chất, ở đó đuôi này bị ngắn dần đi và thờng chỉ còn lại
khoảng 30-150 nu. Các mARN không có đuôi hoặc đuôi ngắn thờng nhanh chóng bị phân
huỷ. Tuy nhiên đuôi này không phải là yêu cầu tuyệt đối đối với mọi mARN của Eukaryote.
Trên thực tế có một số gen không có đuôi poly (A), ví dụ gen mã hoá protein Histon
+ Tăng cờng khả năng dịch mã của mARN. Trong quá trình dịch mã có protein bám
poly (A) là PAB I (poly (A) binding protein I), nếu thiếu poly (A) thì mARN không thể gắn vào
PAB I nên không thể dịch mã hiệu quả.
* Cấu trúc mũ và chức năng:
Khi ARN đợc tổng hợp, đầu 5 sẽ rời khỏi ADN với một đầu triphotphat, đó là một dãy
ba nhóm photphat liên kết với nhau. Trớc tiên một nucleotid chứa G đợc thêm vào

triphotphat này, gắn với đầu carbon 5 của đờng ribose, sau đó bazơ G đợc methyl hoá. Cấu
trúc mũ có thể là m7GpppNpN, trong đó m chỉ nhóm methyl, 7 là vị trí nhóm methyl trên bazơ
G, ppp chỉ nhóm triphotphat, NpN là các nucleotid ở đầu của ARN. Một số mARN đợc
methyl hoá ở các nucleotid ở đầu 5, lí do cha đợc hiểu rõ.
Cấu trúc mũ đảm nhiệm rất nhiều chức năng quan trọng trong tế bào:
+ Bảo vệ mARN khỏi bị phân huỷ. Do ARNse tấn công bắt đầu ở đầu 5 của mARN
nhng chúng không thể cắt đợc liên kết triphotphat.
+ Tăng cờng khả năng dịch mã của mARN. Trong dịch mã có protein bám mũ (cap-
binding protein) nhận biết mũ. Nếu không có mũ protein này không thể gắn vào và mARN khó
có thể đợc phiên mã.
+ Tăng cờng sự vận chuyển mARN từ nhân ra tế bào.
+ Tăng cờng hiệu quả ghép nối của các mARN.
Mt phõn t mARN ủc mó hoỏ bi 1 gen. Trong NST cú th cú hng ngn gen khỏc
nhau, do ủú mt s lng ln cỏc phõn t mARN khỏc nhau ủc hỡnh thnh trong t bo v
ch tn ti trong mt thi gian rt ngn. Phõn t mARN eukaryote ch mang thụng tin cu trỳc
ca mt polypeptid (monocistron) vỡ vy trỡnh t mó hoỏ ca mARN trng thnh l liờn tc.

13

Tuy nhiờn, cú mt s bú gen cựng l ngun gc cho 1 mARN, tc l cựng tng hp cho 1
protein. Phõn t mARN prokaryote núi chung thng mang thụng tin cho nhiu polypeptide
(polycistron). Vỡ vy trong ủon mó hoỏ cú nhiu ủon ủm tỏch bit gia chỳng.

b./ ARN vn chuyn (transfer RNA, tARN)

Cỏc tARN cú chc nng chớnh l vn chuyn cỏc axit amin ủn v trớ tng hp protein
trờn phc h mARN-ribosom trong quỏ trỡnh dch mó.
Cấu trúc bậc 1 của tARN là một trình tự thẳng khoảng 60-95 Nu, nhng thờng là 75Nu
chứa nhiều base đợcbiến đổi (đôi khi chiếm đến 20% tổng số nu của mỗi phân tử tARN). Có
hơn 50 loại biến đổi khác nhau của các base đợc tạo thành sau phiên mã, sự biến đổi này đã

tạo ra các base hiếm, 4 trong số những loại thông thờng nhất là ribothymine (T),
pseudouridine (), dihydrouridine (D), inosine (I). trong cấu trúc bậc 1 có 15 Nu luôn bất biến
và 8 Nu khác có thể là purin hoặc pirimidine (nửa bất biến) đóng vai rò quan trọng trong cấu
trúc bậc 2 của tARN.
Cấu trúc bậc 2 của tARN có hình cỏ 3 lá gồm có nhóm 5-phosphate, vòng aminoacid
acceptor stem, tay D gọi là D-loop hay DHU - loop thờng mang base biến đổi là D, vòng
anticodon có chứa Inosine và vòng T chứa 7 base bất biến. Những phần bất biến này góp phần
hình thành nên cấu trúc bậc 3 của tARN

5-
8,11,14,15,18,19,21,
24,32,33,37, 48,53,54,55,56,57,58,60,6
1,
74,75,76 - 3
D-loop (vòng D) Vòng
anticodon
T-loop (vòng T) Gốc nhận aa


Dihydrouridine Pseudouridine 1-methylguanosine 7-methylguanosine
1-methyladenosine 2-thiocytidine 5-methylcytidine Ribothymine

Hỡnh 1. 11 : Mt s base sa ủi cú th cú trong thnh phn ca cỏc RNA

Cu hỡnh khụng gian ba chiu ca tARN cú dng lỏ ch ba vng chc l nh
s kt cp ca cỏc baz mt s ủon sau khi phiờn mó. Núi chung, cỏc tARN thng rt
ging nhau nhiu ủon v sai khỏc ch yu l anticodon. Mi tARN thng cú 3 4 vũng
chc nng nh sau:
+ Vũng 1 cha 8-12 baz, cũn gi l vũng DHU, cú chc nng nhn bit enzym
aminoaxyl-tARN synthetase ( kt hp a.amin vo ủu 3 ca tARN).

+ Vũng 2 cha 7 baz, gi l vũng ủi mó, cú chc nng ủc mó trờn tARN bng cỏch
kt cp cỏc baz ca anticodon vi codon.
+ Vũng 3 cũn gi l tay ph, cú th khụng cú mt s tARN.

14

+ Vũng 4 cha 7 baz, gi l vũng TYC cú chc nng nhn bit ribosom ủ ủi vo ủỳng
v trớ tip nhn aminoaxyl-tARN.
on mch thng CCA-OH (3) l ni gn a.amin vo.



Hỡnh 1.12 : Cu trỳc tng quỏt ca mt phõn t tARN

Cấu trúc bậc 3 là cấu trúc không gian 3 chiều của tARN đợc tạo bởi 9 liên kết hydro,
chúng chủ yếu liên quan đến sự bắt cặp của các base bất biến. Sự bắt cặp base giữa các phần
của tay T và D làm cuộn phân tử tARN vào, tạo thành cấu trúc hình chữ L với anticodon ở 1
đầu và một đầu là gốc mang aa. Cấu trúc bậc 3 đợc bền vững là do sự tơng tác tập trung của
các base.
Cấu trúc đặc biệt của tARN đợc tạo thành không chỉ đơn giản do sự phiên mã từ gen
mà phải trải qua sự chế biến rât phức tạp từ bản sao sơ cấp dới sự xúc tác của các enzyme
ARNse D, E, F và P theo một trình tự các bớc liên tiếp. Quá trình chế biến tạo pre-tARN là
tơng tự nhau nhng sự biến đổi các base là duy nhất đặc trng cho từng loại tARN.

c./ ARN ribosom (Ribosom RNA, rARN) v ribosom

* ARN ribosome

Là loại ARN tham gia vào cấu tạo nên ribosome và phức hệ riboprotein. rARN đợc
tổng hợp trong nhân thông qua quá trình phiên mã từ ADN và đợc chế biến sau phiên mã để

hình thành các loại rARN khác nhau.
Trong prokaryote, bản sao sơ cấp 6000Nu cuộn lại thành những cấu trúc stem-loop do
sự bắt cặp base của các trình tự bổ sung cho phép 1 số protein bám vào và hình thành phức hệ
riboprotein (RNP), nhiều protein sau này sẽ là thành phần của ribosome. Sau đó, tiến hành
methyl hoá 24 base đặc hiệu và hiện tợng cắt sơ cấp chủ yếu đợc thực hiện bởi ARNse III và
giải phóng ra các phân tử rARN 5S, 16S, 23S. sự cắt bỏ thứ cấp bởi enzyme ARNse M5, M16,
M23 ở đầu 3 và 5 của mỗi phân tử tiền thân sẽ cho ra phân tử rARN trởng thành.
ở Eukaryote, rARN tiền thân đợc tổng hợp từ ADN dới sự tác động của enzyme ARN
pol I hình thành nên phân tử đơn, dài. Các phân tử ban đầu đợc chế biến nhờ những sự thay
đổi đặc hiệu cùng với các bớc cắt. Quá trình này hiện nay vẫn cha đợc hiểu rõ. Phân tử
rARN tiền thân có đặc điểm riêng về kích thớc ở mỗi sinh vật, vào khoảng 7000-13500Nu ở
động vật có vú, chứa 1 bản sao của vùng mã hoá 18S và 1 bản sao của vùng mã hoá 5.8S và
28S. Đối với rARN tiền thân 13500Nu (47S) ở động vật có vú, để tạo ra các rARN hoàn chỉnh
phải trải qua nhiều lần cắt, sau khi cắt ở vùng ngoài phiên mã (ETSs) 1 và 2, tiến hành cắt ở



15

vùng trong (ITSs), sau đó giải phóng ra pre-rARN 20S từ phân tử 32S. Vùng 5.8S bắt cặp với
vùng 28S trớc khi phân tử trởng thành đợc hình thành. Các phân tử này đợc cuộn lại và sự
methyl hoá diễn ra tại hơn 100 vị trí. Quá trình cắt thứ cấp tiếp theo sẽ giải phóng ra các phân
tử rARN hoàn chỉnh, chúng liên kết với các protein để tạo nên các phức hệ RNP. rARN 5S ở
Eukaryote đợc phiên mã bởi ARN pol III từ một gen không liên kết cho ra phiên bản 121 Nu
và không trải qua hay trải qua rất ít sự chế biến.

* Ribosome
Ribosme có cấu tạo rất phức tạp và đợc hình thành do phân tử rARN tạo phức hệ với
protein đặc hiệu trong quá trình chế biến, trực tiếp tham gia vào quá trình dịch mã. Về cấu trúc,
ribosome ở Prokaryote và Eukaryote có sự khác nhau cơ bản, song chức năng và cách thức hoạt

động thì tơng tự nhau.
Ribosome ở Prokaryote là loại 70S, cấu tạo từ 2 tiểu phần 50S và 30S. Tiểu phần 30S
đợc cấu thành từ phân tử rARN 16S và 21 protein khác nhau đặt tên là S1 đến S21. Tiểu phần
50S chứa 1 phân tử 23S và 1 phân tử 5S kết hợp với 31 protein đợc đặt tên là L1 dến L31,
trong đó L26 chính là S20; L2 là dạng acetyl hoá của L12; L8 là phức hệ của L10 va L7. Kích
cỡ của các protein này dao động từ L31 với 46 axit amin đến S1 với 577 axit amin. Hầu hết
protein tơng đối nhỏ vì chúng bám vào rARN.

















Hình 1. 13: Cấu trúc ribosome của prokaryote và eukaryote

ở Eukaryote, Ribosome là loại 80S cấu thành từ 2 tiểu phần 60S và 40S. trong tiểu phần
lớn 60S có chứa 50 phân tử protein và 1 phân tử rARN 5S, 28S và 5.8S. Tiểu phần nhỏ chứa
rARN 18S và khoảng 30 protein khác nhau. Chính sự phức tạp trong cấu trúc mà Ribosome ở
Eukaryote cha đợc hiểu biết nhiều. Tuy nhiên, ribosome của tế bào Eukaryote điển hình có

thể hình thành 1000 liên kết peptid trong 1 giây.

* Các dạng ARN này đều thực hiện chức năng chung là truyền thông tin di truyền từ
ADN đến protein (thể hiện tính trạng di truyền). Đặc biệt chỉ có mARN là bản phiên mã di
truyền chứa các mã bộ ba (codon) tơng ứng với một axit amin của phân tử protein. Thực hiện
chức năng trực tiếp chuyển tải thông tin di truyền từ phân tử ADN đến bản dịch mã biểu hiện ở
phân tử protein.

iii. saccharide

16


1. Cấu tạo hoá học

Saccharide là nhóm chất hữu cơ phổ biến khá rộng rãi trong cơ thể sinh vật, ở thực vật
chúng chiếm tỉ lệ lớn từ 80%-90% trọng lợng khô. Saccharide đợc cấu tạo từ các nguyên tố
C, H, O với công thức chung là (CH
2
O)n, trong đó n 3.
Dựa vào cấu tạo, tính chất của saccharide, có một số cách phân loại khác nhau, nhng
nói chung đều chia thành 2 nhóm lớn:
+ Monosaccharide (đờng đơn) là dẫn xuất aldehyt hoặc xeton của polycol. Công thức
chung là (CH2O)n. n là số tự nhiên dao động từ 3-7. các loại monose có n = 3 nh
glixeraldehyt và dihydroxylaxeton, ribose có n = 5, glutose và fructose có n = 6 giữ vai trò
quan trọng trong hoạt động sống của tế bào. Các nhóm aldehyt hay xeton có thể phản ứng với
nhóm hydroxyl nội phân tử monose có n>4 để tạo nên cấu trúc vòng. Dạng cấu trúc vòng tồn
tại ở 2 dạng đồng phân lập thể là và .
+ Polysaccharide: Là phân tử đờng đợc tạo thành do một số hoặc nhiều đờng đơn kết
hợp với nhau.

. Disaccharide-còn gọi là đờng đôi tồn tại gồm 2 dạng: disaccharide khử và không khử.
Một số loại disaccharide nh mantose và lactose (dạng khử), saccharose và trehalose (dạng
không khử) khá phổ biến ở có thể sinh vật.
. Polysaccharide đợc cấu tạo từ các monosaccharide giống nhau và khác nhau. Các
monosaccharide liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozit tạo thành mạch thẳng và 1-6 tạo
thành mạch nhánh. Do có khối lợng phân tử lớn nên polysaccharide đợc gọi là các đại phân
tử sinh học. Cellulose là thành phần cấu trúc nên vách tế bào thực vật.
Một số dạng glucide thờng liên kết với protein tạo thành glycoprotein, liên kết với lipid
tạo thành glycolipid. Glycoprotein có nhiều trong cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật. ở
nhiều cơ thể động vật nó có trong thành phần của mô liên kết (sụn, gân ), có nhiều trong
hormone của thuỳ trớc tuyến yên: FSH, LH. Glycoprotein còn có trong thành phần của màng
tế bào tham gia vào các hiện tợng miễn dịch. Glycoprotein tham gia là thành phần của các
kháng nguyên đặc hiệu cho các nhóm máu A, B và O. Các dịch thể sinh học nh nớc bọt,
nớc mắt, sữa, máu đều chứa nhiều glycoprotein.

2. Các liên kết hoá học trong polysaccharide

Liên kết hoá học quan trọng tạo nên cấu trúc polyme của saccharide là liên kết glycozit.
Trong các homopolyme là chất đồng trùng hợp của các saccharide (chỉ có một loại
monome trong phân tử.

17

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I


1. Mô tả cấu trúc hóa học của phân tử protein và những tính chất của nó.
2. Phân tích chức năng sinh học của protein.
3. Hãy mô tả cấu trúc của AND và phân tích chức năng sinh học của nó.
4. Hãy mô tả cấu trúc của ARN và phân tích chức năng sinh học của các loại ARN.
5. Phân tích mối quan hệ gen – cistron ở các sinh vật prokaryote và eukaryote.
6. Hãy trình bày cấu tạo hóa học của các phân tử saccharide.

18

Chơng 2: quá trình tái bản adn

Sự tái bản của ADN, còn gọi là tự sao, tự nhân đôi của ADN, dựa trên cơ sở sự tái sinh
của nhiễm sắc thể (NST), bảo đảm cho sự tái tạo trong nhân tế bào con mới đợc hình thành
qua phân bào toàn bộ thông tin di truyền đặc trng của tế bào ban đầu.
Quá trình tái bản ADN trong tế bào sống đã đợc chứng minh qua thực nghiệm là không
mang tính chất tự động. Để thực hiện quá trình này thì trong tế bào chất của tế bào đã phải có
những quá trình sinh tổng hợp mới, các nucleotit đợc tạo ra trong tế bào do sự kết hợp các
chất đờng ribose, axit amin, CO
2
và NH
3
, hoặc bằng cách hình thành từ các axit nucleic trong
tế bào bị phân huỷ, chuyển hoá trở lại thành các nucleotit cần thiết cho tổng hợp axit nucleic.

I. các thành phần tham gia vào quá trình tái bản adn

1. Hệ enzyme tham gia vào quá trình tái bản ADN

a. ADN polymerase

Trong toàn bộ hệ thống enzym sửa đổi điều chỉnh axit nucleic đã đợc phát hiện trong tế
bào thì hệ enzym tham gia tái bản ADN chiếm vị trí quan trọng nhất, trong đó chủ yếu phải kể
đến ADN polymerase.

* ADN polymerase ở E.Coli (xem bảng 2. 1)

ADN polymerase ở E.Coli gọi là ADN polymerase I, ADN polymerase II, ADN
polymerase III đợc ký hiệu là Pol I, Pol II, Pol III luôn luôn cần sợi khuôn ADN để hoạt động
nên đợc gọi là ADN - polymerase phụ thuộc ADN (DNA dependent - DNA - polymerase)
+ Pol III đóng vai trò chủ yếu trong tổng hợp ADN sợi khuôn ở chạc sao chép
(replicative fork). Ngoài ra Pol III còn có vai trò đọc sửa (reading proof) nghĩa là có khả năng

exonuclease theo hớng 3-5 ở đầu tận cùng phía sau giúp tự sửa sai trong quá trình tái bản.
+ Pol II có hoạt tính thấp nhất và vai trò trong tái bản không rõ ràng, những nghiên cứu
gần đây cho thấy vai trò chủ yếu của Pol II là sửa chữa sai sót trong quá trình tái bản.
+ Pol I có hai vai trò chính là tổng hợp ADN thay thế và cắt bỏ đoạn mồi nhờ hoạt tính
polymerase và exonuclease 5-3.
Bảng 2.1: Đặc tính của các ADN polymerase ở E.Coli

Trong sự tổng hợp chuỗi mới, theo cùng một hớng mở chạc sao chép, pol III có thể
hình thành dimer để tổng hợp hai sợi polynucleotide mới. Để làm đợc việc đó, sợi lùi cần phải
tạo ra một dạng uốn vòng để tạo khả năng dimer ADN pol III di chuyển theo một hớng cùng
lúc tổng hợp ra hai sợi ADN đó.

* ADN polymerase ở sinh vật nhân chuẩn

Đặc điểm Pol I Pol II Pol III
Số polypeptit
Trọng lợng phân tử (dalton)
Hoạt tính polymerase
Hoạt tính exonuclease 3-5
Hoạt tính exonuclease 5-3
Gen
1
109.000
trung bình
có
có
pol A
1
120.000
rất thấp

có
không
pol B
3
175.000
rất cao
có
có
pol C (hoặc DNA E)


19

ở sinh vật nhân chuẩn, sự tái bản ADN cũng cần có sự xúc tác của enzym polymerase,
cụ thể đã xác định đợc trong nhân tế bào ở các sinh vật bậc cao có hai loại là ADN
polymerase và ADN polymerase , loại thứ ba là ADN polymerase đợc phát hiện trong ti
thể.
Ba loại này khác nhau về nhiều đặc tính, nh đặc tính sắc kí, tính mẫn cảm với muối;
trọng lợng phân tử cũng khác nhau.
Nói chung, các enzym này rất biến đổi, sai khác giữa các loài sinh vật, đồng thời cũng
có chức năng khác nhau.
ADN polymerase có chức năng tái bản ADN của nhân.
ADN polymerase đợc sử dụng vào việc sửa đổi ADN.
ADN polymerase chỉ làm nhiệm vụ tái bản hệ gen ADN ti thể.
Cả 3 loại ADN polymerase trên đều không có hoạt tính đọc sửa.

b. Helicase và protein liên kết sợi đơn-SSB

Một enzyme có tác dụng tháo xoắn ở tại điểm khởi đầu tháo xoắn gọi là Helicase. Tiếp
theo một dạng protein liên kết với sợi đơn đã đợc tháo xoắn để làm ổn định sợi đơn, bảo vệ

khỏi tác động của nuclease.

c. Primase

Sau khi sợi khuôn đợc tháo rời, enzyme primase sẽ tổng hợp nên mồi (primer) ARN
(khoảng 5 nucleotid) tạo đầu 3-OH tự do ở mồi để cho ADN polymerase hoạt động tổng hợp
liên tục.

d. Topoisomerase

Các topoisomerase có vai trò làm biến đổi cấu hình không gian của siêu xoắn kép ADN,
bao gồm 2 kiểu topoisomerase I và II đều đợc tìm thấy ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân
chuẩn, đợc viết tắt là Topo I và Topo II.

Bảng 2.2: Tổng kết các kiểu topoisomerase ở E .coli và sinh vật nhân chuẩn

Kiểu Tác động lên ADN Hiệu quả dãn xoắn
Topoisomerase I
E. coli
Eukaryote

Topoisomerase II
E. coli (gọi là Gyrase)


Eukaryote
Không cần ATP
- Cắt một sợi ADN
- Cắt một sợi ADN

Cần năng lợng ATP
- Cắt 2 sợi ADN


- Cắt 2 sợi ADN

- Làm giãn siêu xoắn âm
- Làm giãn cả siêu xoắn dơng và siêu xoắn
âm

- Cài siêu xoắn âm và siêu xoắn dơng.
Tách đợc các vòng sợi ADN lồng vào nhau
trong quá trình sao chép.
- Làm giãn siêu xoắn dơng nhng không
có khả năng cài siêu xoắn âm.

Hai enzyme này có cơ chế làm giãn xoắn khác nhau. Topo I không thuỷ phân liên kết
photphodieste mà chỉ cắt đứt một sợi ADN bằng cách chuyển một liên kết từ 1 nhóm 3-OH
của deoxyribose đến nhóm -OH của gốc tyrozin chuỗi bên của enzym Topo I. Kết quả là không
cần đến năng lợng để cắt một sợi chuỗi xoắn kép và quá trình có tính thuận nghịch, nghĩa là

20

sợi ADN bị cắt sẽ tự động nối lại. Do đó Topo I không cần năng lợng ATP và topo I đã làm
cho một sợi polynucleotide tự quay quanh sợi thứ hai và làm giảm mức độ siêu xoắn. Trong khi
đó topo II làm đứt cả hai sợi polynucleotide của xoắn kép ADN, làm biến đổi cấu hình không
gian ADN xoắn kép và cần năng lợng ATP.
Kết quả hoạt động của topo là mức độ siêu xoắn của ADN đợc hạ thấp mức độ chuyển
siêu xoắn dơng thành siêu xoắn âm. Topo II ở E. coli còn đợc gọi là Gyrase. Hiện nay, ngời
ta đã có thể tìm thấy ít nhất có 11 biến dạng topo thuộc về 2 kiểu topo I và topo II ở các loài

sinh vật khác nhau.

e. Ligase

Enzyme ligase có vai trò hàn gắn khe hở giữa đầu 5-OH của một mảnh okazaki này với
đầu 3-OH ở mảnh okazaki khác phía sau nó.

2. Các thành phần khác

a. Mồi ARN

Mồi ARN do enzyme primase (có bản chất là ARN - polymerase nằm trong phức hệ
primosome) tổng hợp nên, dựa vào sợi khuôn ADN.
Hoạt động của ADN - polymerase luôn luôn cần mồi trong quá trình sao chép.

b. Các loại nucleotid

Nguyên liệu dùng cho quá trình tổng hợp sợi mới là các dNTP (dATP, dGTP, dTTP,
dCTP) sẵn có trong môi trờng nội bào (trong môi trờng nội bào, các dNTP đợc tạo ra do sự
kết hợp các chất đờng ribose, axit amin, CO2 và NH
3
, hoặc bằng cách hình thành từ các axit
nucleic trong tế bào bị phân huỷ, chuyển hoá trở lại thành các dNTP cần thiết cho tổng hợp
ADN).

II. Các nguyên tắc cơ bản trong sao chép adn

1. Nguyên tắc bổ sung

D.riboza
d.riboza
d.riboza
d.riboza

Hình 2.1: Liên kết bổ sung giữa các cặp nucleotid

21

Đây là nguyên tắc kết cặp bổ sung thể hiện trong cấu trúc ADN: A kết cặp với T, G kết
cặp với C ( một purin và một pirimidin). Dẫn đến nguyên tắc tổng hợp ADN cũng theo nguyên
tắc này.

2. Nguyên tắc phân cực trong quá trình tự sao




Hình 2.2: Cấu trúc loop trên chạc sao chép ở sợi lùi

Phân tử ADN có tính chất phân cực một sợi chạy theo chiều 5-3 còn sợi kia chạy theo
chiều ngợc lại 3-5 gọi là sự đối song song ngợc chiều của 2 sợi xoắn kép (antiparallel).
Điều này cùng với đặc tính chỉ kéo dài chuỗi polynucleotid theo chiều 5-3 của ADN
polymerase dẫn đến trong quá trình tổng hợp ADN một sợi sẽ tổng hợp liên tục trên sợi khuôn
cùng chiều với chiều mở chuỗi xoắn kép, trong khi sợi kia sẽ tổng hợp gián đoạn trên sợi gốc.
Có vẻ nh là hệ enzyme trên 2 sợi sẽ di chuyển ngợc chiều nhau nhng trong thực tế thì hai
enzyme ADN polymerase trong quá trình kéo dài chuỗi tồn tại ở dạng dimer. đó chính là nhờ
cấu trúc tạo vòng nơ (loop) hình thành ở sợi lùi cho phép bộ máy tái bản trên cả hai sợi di
chuyển cùng với chiều mở xoắn kép.

3. Nguyên tắc hai hớng của quá trình sao chép

Hớng chạc sao chép mở
ADN mới đợc tổng
hợp theo hai hớng

Hình 2.3: Sự sao chép theo hai hớng

22


Nh chúng ta đã biết, những nghiên cứu trớc đây về ADN đợc thực hiện trên các đối
tợng sinh vật đơn giản nh vi khuẩn hay phage. Vi khuẩn là tế bào nhân sơ cha có màng
nhân, phân chia nhanh (chu kỳ tế bào khoảng 30 phút) cho ra số lợng lớn tế bào và là đối
tợng lý tởng cho phân tích các cơ chế ở mức độ phân tử nh quá trình tự sao ADN. Ngời ta
cho rằng những phát hiện trên vi khuẩn cũng sẽ hé mở những điều tơng tự ở các đối tợng
phức tạp hơn. Vì thế trong những năm sau khi thu đợc những bằng chứng về cơ chế tự sao bán
bảo toàn ở đối tợng sinh vật này, cơ chế này càng đợc nghiên cứu sâu hơn nữa quá trình tự
sao ở các đối tợng khác.
Trong khía cạnh này, E. coli là vi khuẩn đầu tiên đợc sử dụng để xác định cách
thức ADN khởi đầu quá trình tự sao. Vấn đề đặt ra là nếu ADN tự sao ở một vị trí đặc hiệu thì
sự tự sao sẽ chỉ theo một hớng hay sẽ theo cả hai hớng. Trớc vấn đề này, năm 1963, John
Cairns sử dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tự ghi quá trình tự sao ở E. coli để giải đáp sự nghi
vấn này. Đầu tiên ông gắn hydro phóng xạ (tritium
3
H) vào ADN trong quá trình tự sao, sau đó
chuyển ADN có đánh dấu phóng xạ này vào nhũ tơng ảnh (photographic emulsion). Sự phát
xạ nhờ đồng vị phóng xạ chuyển bạc trong nhũ tạo thành dạng nhìn thấy giống nh các chấm
ánh sáng tạo ra hình ảnh trên phim.

Chạc tái bản
Chạc
tái
bản


Hình 2.4: Sự sao chép ADN bắt đầu từ một điểm

Vào thời điểm đó, ngời ta biết rằng NST vi khuẩn và hệ gen của một số virus là dạng
vòng kép. Ông thu đợc hình ảnh và sử dụng nó để giải thích cơ chế mà NST E. Coli trãi qua
quá trình tự sao. Phân tích cẩn thận hình ảnh nói trên cho thấy, hai mức độ khác nhau của việc
đánh dấu các loop khác nhau của ADN, ADN đã hoàn thành chu kỳ tái bản đầu tiên và bớc
vào một phần chu kỳ tái bản tiếp theo. Trong chu kỳ tự sao đầu tiên, chỉ 1 sợi ADN đợc đánh
dấu, nhng ở lần tái bản thứ hai thì hai sợi cùng đợc đánh dấu. Phần ADN kép đợc đánh dấu
chiếu trên phim ở một phạm vi rộng hơn, sinh ra nhiều hạt bạc hơn. Những bằng chứng thực
nghiệm này chứng tỏ NST vi khuẩn có một điểm khởi đầu tự sao. Lúc bắt đầu thí nghiệm, toàn
bộ phân tử đợc đánh dấu phóng xạ, và chỉ khi lần tự sao thứ nhất kết thúc, thì lần tự sao thứ
hai mới bắt đầu.
Cairns chỉ ra có một điểm origin tái bản trong hệ gen E. Coli (cũng giống nh tất cả các
ADN vòng kép từ các vi khuẩn khác), nhng không xác định tự sao là một hay hai hớng.
Trong quá trình tự sao theo một hớng, vị trí tự sao mở rộng chỉ theo một hớng, ngợc lại tự
sao theo hai hớng thì vị trí tự sao mở rộng đồng thời theo cả hai hớng. Một nỗ lực khác để
giải đáp thắc mắc này là phơng pháp đánh dấu ADN trong khoảng thời gian ngắn bằng mẫu
3
H, tiếp theo đó là phản ứng loại các chất phóng xạ không liên kết với ADN. Phơng pháp này
đợc biết nh là xung đánh dấu (Pulse labeling). Năm 1972, David Presscott và Peter

23

Kuempel tại trờng đại học Colorado đã nuôi cấy E. Coli trong môi trờng chứa Thymine đánh

dấu
3
H kết hợp trong ADN. Chất phóng xạ xuất hiện mức độ thấp trong ADN chỉ đủ để quan
sát đờng đi của ADN từ điểm Origin sau khi đợc chiếu trên phim X - quang. Sau đó họ cho
tế bào vào môi trờng có nồng độ
3
H Thymine cao (Pulse label) là dấu hiệu đen trên hình 2.4.
Sau khi thuỷ phân, tế bào đợc bộc lộ với kỹ thuật nhũ ảnh, hai tác giả quan sát thấy hai đờng
tập trung các hạt bạc ngắn, nỗi lên ở hai đầu của NST đang nhân đôi. Cách giải thích thoả đáng
cho trờng hợp này là ADN tự sao theo cả hai hớng từ một vị trí origin.
Đến nay, chúng ta biết rằng Origin tái bản của E. coli đợc kiểm soát bởi một trình tự
base gọi là oriC. Là một đoạn ADN dài khoảng 250 bp, thờng chứa một trình tự 9 bp (5-
TTAT(C/A)CA(C/A)A-3), đợc lặp lại 4 lần. Vị trí này cũng tìm thấy ở nhiều vi khuẩn Gram
âm và là vị trí liên kết của các phân tử protein tham gia quá trình khởi đầu quá trình tự sao.


Hình 2.5: Nhiễm sắc thể nhân chuẩn có nhiều chạc tái bản

Sau thực nghiệm thành công trên đối tợng vi khuẩn, nhiều nhà khoa học cũng muốn đi
tìm câu trả lời tơng tự ở sinh vật nhân chuẩn. Những nghiên cứu quá trình tự sao ở Xenopus
laevis cho thấy rằng, cũng giống nh ở vi khuẩn quá trình tự sao ở nhân chuẩn cũng theo 2
hớng. Tuy nhiên, cũng không giống nh ở nhân sơ, mỗi NST nhân chuẩn có nhiều điểm khởi
đầu tái bản (multiple origin). Trong thí nghiệm điển hình, trớc tiên tế bào đợc đánh dấu với
3
H Thymine, sau đó vật chất phóng xạ này đợc loại đi, và tế bào đợc chuyển sang môi trờng
có nồng độ
3
H Thymine loãng hơn, cho phép sự tự sao tiếp tục. Tế bào sau đó đợc phá vỡ và
đợc bộc lộ trên phim để phân tích hình ảnh phóng xạ tự ghi. Vùng đánh dấu đậm đợc quan
sát trong pha khởi đầu tái bản, và con đờng nhạt hơn đợc quan sát thấy trong pha đánh dấu

thứ hai. Kết quả này đợc toả ra từ một điểm cố định, khẳng định tính hai hớng của tái bản.
Những quan sát thấy nhiều con đờng nh thế trên cùng một phân tử chứng tỏ có nhiều điểm
khởi đầu tái bản trên cùng một NST.
Đặc điểm đa origin rõ ràng là rất cần thiết cho các phân tử ADN có kích thớc lớn,
đợc tự sao trong một phần của chu kỳ tế bào. Một NST lớn của Drosophila melanogaster chứa
7.10
7
bp. Tốc độ tự sao trung bình của sinh vật này là 2600 bp/1 phút. Nếu với tốc độ này cộng
với việc chỉ có một điểm khởi đầu tái bản thì cần ít nhất 2 tuần để hoàn tất quá trình tự sao của
NST này. Nhng thực tế nó chỉ cần 4 phút để tái bản thành công, dựa trên những số liệu này
ớc tính có khoảng 6000 - 7000 điểm khởi đầu tái bản. Do đó, số lợng điểm khởi đầu tự sao
quyết định chủ yếu thời gian tái bản của một tế bào.

4. Nguyên tắc sao chép bán bảo thủ

Meselson và Stahl đã chứng minh ADN tự sao bán bảo thủ.

24

Ngay sau khi mô hình cấu trúc ADN của Watson và Crick ra đời trên cơ sở đó xuất hiện
các giả thuyết khác nhau về cơ chế nhân lên của vật chất di truyền này. Do hai sợi bổ sung cho
nhau nên một sợi sẽ làm khuôn xác định trình tự của sợi kia. Có 3 giả thuyết khác nhau về các
kiểu tái bản của ADN.
+ Kiểu bảo toàn: Theo giả thuyết này, chuỗi xoắn kép ADN ban đầu đợc giữ nguyên,
chuỗi xoắn kép ADN mới đợc hình thành hoàn toàn từ nguyên liệu mới.
+ Kiểu bán bảo toàn: Mô hình này giả thuyết rằng một trong hai sợi đơn của ADN mẹ
đợc giữ lại trong 2 phân tử ADN con, tức là mỗi sợi ADN đơn của ADN ban đầu đợc giữ lại
cùng nhau và làm khuôn để tổng hợp nên cả sợi ADN xoắn kép mới.
+ Kiểu phân tán: Theo kiểu này, các sợi ADN ban đầu đứt ra thành đoạn nhỏ, mỗi đoạn
này làm khuôn để tổng hợp ra các đoạn nhỏ khác, sau đó các đoạn nhỏ nói trên sẽ đợc nối lại

với nhau. Sợi ADN mới là hỗn hợp của cả sợi mới và sợi cũ.


Hình 2.6: Ba giả thuyết về sao chép


Năm 1958, Mathew Meselson và Franklin Stahl tại trờng đại học kỹ thuật California đã
thiết kế một thí nghiệm thành công phân biệt mô hình sao chép bán bảo toàn và bảo toàn. Họ
cho E.coli sinh trởng vào thế hệ trong môi trờng chứa đồng vị phóng xạ nặng của Nitơ (
15
N).
Những con vi khuẩn này và ADN của nó có trọng lợng lớn hơn vì Nitơ nặng đã liên kết chặt
chẽ vào trong tế bào của chúng Sau đó chúng đợc chuyển sang môi trờng có đồng vị nitơ
bình thờng
14
N và thu ADN vi khuẩn trong mỗi bớc. Để phân biệt ADN nặng với ADN nhẹ,
họ dùng kỹ thuật li tâm gradient mật độ cân bằng. Kỹ thuật này sử dụng dung dịch cesium
chloride do phân tử cesium rất nặng (khối lợng phân tử là 132 và trọng lợng riêng là
1873g/ml) và cesium chloride rất tan trong nớc, do đó ngời ta có thể pha chế đợc nồng độ
CsCl 6M và có trọng lợng cao. Tuy nhiên, dới tác động của li tâm tốc độ cao phân tử cesium
đủ nặng sẽ di chuyển đáp ứng với gia tốc trọng trờng và hình thành nên một gradient trọng
lợng trong ống li tâm (từ 1.6g/cm
3
trên đỉnh ống đến 1.8g/cm
3
dới đáy ống li tâm). Phân tử
ADN có trọng lợng cân bằng với trọng lợng của CsCl xung quanh sẽ hình thành nên một
vạch đậm giữa ống nghiệm. Do đó, phân tử ADN có nồng độ nitơ nặng cao sẽ hình thành một
vạch phân biệt trong ống dung dịch CsCl với vạch đợc hình thành từ phân tử ADN nhẹ. Trọng

25

lợng trung bình của ADN gồm cả mạch chứa nitơ nặng và nitơ nhẹ sẽ hình thành nên một
vạch nằm giữa hai vạch trên.
Trong thí nghiệm cụ thể này, E. coli đợc nuôi thời gian đủ trong môi trờng nitơ nặng
để đảm bào tất cả các phân tử ADN đợc đánh dấu phóng xạ. Các đồng phân phóng xạ không
đợc liên kết trong ADN sẽ bị loại bỏ. Và vi khuẩn đợc chuyển sang môi trờng chứa nitơ nhẹ
và cho phép tế bào sinh trởng. Tế bào sẽ đợc lấy ra ngay lập tức sau 1 đến 2 thế hệ để phân
tích trọng lợng ADN khác nhau các tế bào đợc phá vỡ, chiết rút ADN và cho li tâm trong
dung dịch CsCl. Meselson và Stahl thu đợc kết quả sau một thế hệ nuôi trong môi trờng nitơ
nhẹ chỉ có vạch ADN trung bình xuất hiện, tuy nhiên ADN thế hệ thứ hai có cả vạch trung bình
và vạch nhẹ. Kết quả thực nghiệm rõ ràng là không phù hợp với mô hình tự sao bảo toàn. Hai
ông đã phát hiện ra vạch trung bình mà theo mô hình bảo toàn thì không thể có đợc. Ngợc lại
với mô hình sao chép bán bảo toàn với giả thuyết một mạch đơn gốc dùng làm khuôn tổng hợp
mạch mới rất phù hợp với kết quả thực nghiệm xuất hiện vạch trung bình ở lần sao chép đầu
tiên trong môi trờng nitơ nhẹ. Kết quả lần sao chép thứ hai khẳng định hơn nữa sự phù hợp
này.


Hình 2.7: Quá trình thí nghiệm bán bảo toàn


5. Các giai đoạn của quá trình tái bản ADN nửa gián đoạn (semidiscontinous
replication)

a./ Hiện tợng duỗi xoắn

Dới tác dụng của enzym duỗi xoắn hoặc mở xoắn (enzym derulase hoặc pivotase), xảy
ra hiện tợng biến tính và dãn xoắn của chuỗi xoắn kép ADN, có sự đứt liên kết hydro giữa các
bazơ nitơ, dẫn đến giải phóng các chuỗi đơn polynucleotid của ADN, tạo nên chạc tái bản

(replication fork) hình chữ Y. ở sinh vật nhân nguyên thuỷ thì có vòng tái bản (replycation
bubble).
ở bớc này có sự tham gia của một loại protein gọi là protein SSB (single-strand
binding), tức là một protein bám sợi đơn, gắn trên ADN một sợi để sợi luôn luôn ở tình trạng
mở xoắn và đợc bền vững. Mỗi SSB bám vào 8 bazơ nitơ của sợi đơn ADN. Mỗi chạc tái bản
có khoảng 250 SSB.