Bài giảng lý thuyết sinh học phân tử DNA replication

SINH HỌC PHÂN TỬ

PGS.TS Trương Xuân Liên


Nội dung :
1/ Quá trình Sao chép của DNA (4T)
Sao chép DNA
Quá trình sửa chữa DNA
2/ Quá trình phiên mã (4T)
Các loại RNA
Quá trình phiên mã
Mã di truyền
3/ Sinh tổng hợp protein (2T)
Quá trình dịch mã
Các yếu tố ức chế quá trình dịch mã


SAO CHÉP DNA


Mục tiêu :
-Trình bày được cấu trúc phân tử của DNA và vai trò của
DNA là chất liệu di truyền của tế bào
-Hiểu và trình bày được quá trình sao chép DNA ở tế bào
procaryote và eucaryote
-Mô tả được quá trình sửa chữa DNA


DNA : Chất liệu di truyền của sự sống

G

C
A

T
T

A

1 nm
C

G
C
A
C

3.4 nm

G

T

G

T

A
T

A
A

T
T

A

G
A

Figure 16.7a, c

C

0.34 nm

T

(a) Key features of DNA structure

(c) Space-filling model


Protein hay DNA là chất liệu di
truyền của tế bào sống ?
• Trước đây, các nhà khoa học đã từng
nghĩ rằng proteine là chất liệu di truyền
của tế bào sống vì proteine có cấu trúc

phức tạp hơn DNA : proteine có cấu tạo từ
20 loại amino axit khác nhau tạo thành

những chuỗi polypeptide dài
copyright cmassengale

6


Thí nghiệm của Federick Griffith 1928
hiện tượng biến nạp ( transformation)
St.Pneumoniae : Dạng S có vỏ bao , chủng độc lực ,
Dạng R không có vỏ bao, không độc lực
Vi trùng S
sống
Living
S cells

Vi trùng R
sống
Living
R cells

Vi trùng S
đun chết
Heat-killed

Vi trùng S chết &
Mixture
of heat-killed

vi trùng
R sống

(control)

(control)

S cells (control)

S cells and living R cells

RESULTS
Mouse dies

Chuột chết

Mouse healthy

Mouse healthy

Chuột sống

Mouse dies

Living S cells
Chuột
are found
in chết
blood sample

tính gây bệnh từ
tế bào S bị đun
chết đã truyền
sang tế bào R

 DNA có thể mang tín hiệu di truyền của tế bào


Thí nghiệm của Oswald T. Avery’s - 1944
Cho DNA hoặc RNA của vi trùng thể S vào dung dịch nuôi
cấy vi trùng R

 DNA là nhân tố biến nạp mang tín hiệu di truyền
( chứ không phải RNA hay proteine )

8


Thí nghiệm của Hershey-Chase Bacteriophage - 1953
1.

T2 bacteriophage có cấu trúc từ
DNA và protein

2.

Gắn các chất phòng xạ:
•
•

với DNA
35S với Protein

32P

3.

Gây nhiễm E. coli bacteria với 2
loại phage T2 đã được đánh dấu

4.

32P

được phát hiện trong vi khuẩn
và các phage mới , trong khi đó
35S is không được tìm thấy trong
vi khuẩn.

DNA mới chính là vật chất di truyền của của phage9 T2


Erwin Chargaff phát hiện cấu tạo của phân tử DNA
1947
DNA có cấu tạo từ 4 nucleotide
Adenine, Thymine, Guanine,Cytosine
A = 30.3%
T = 30.3%

G = 19.5%

C = 19.9%

Định luật Chargaff
Adenin kết hợp với Thymine
Guanine kết hợp với Cytosine

T

A

G
copyright cmassengale

C
10


Rosalind Franklin : sử dụng kỹ thuật phân
tích dùng tán xạ tia X chụp tinh thể DNA

copyright cmassengale

11


James D. Watson & Francis H. Crick 1953
• Xây dựng thành công mô hình
cấu trúc phân tử DNA dựa trên 2
phát kiến :
1. Nguyên lý Chargaff : A=T & G=C

2. Các nghiên cứu bằng tia của Rosalind
Franklin & Maurice H. F. Wilkins


Cấu trúc của DNA
DNA có cấu trúc xoắn kép với các vòng xoay đều có chiều dài 3.4
nm. Khoảng cách giữa các nucleotide là 0.34 nm. Đường kính 2nm


1962: Giải Nobel Sinh lý học và Y khoa :

James D.
Watson

Francis H. Maurice H. F.
Crick
Wilkins

“Khám phá liên quan đến cấu trúc phân tử của axit
nucleic và ý nghĩa của nó trong việc chuyển tải

thông tin chất liệu sống ".


Cấu trúc xoắn kép của DNA (double helix structure)
gồm 2 mạch polynucleotide bắt cặp bổ xung
Hydrogen bond

Ribbon model

Partial chemical structure

Computer model

Các nucleotide của hai sợi liên kết với nhau bằng các cầu
hydrogen theo nguyên tắc bổ xung A với T, G với C


Phosphate
group

Cấu trúc chuỗi polynucleotide

Nitrogenous
base
Sugar
Phosphate
group

Nitrogenous base
(A, G, C, or T)

Nucleotide
Thymine (T)

Sugar
(deoxyribose)
DNA nucleotide
Polynucleotide

Sugar-phosphate backbone

Thymine (T)

Cytosine (C)
Pyrimidines

Adenine (A)

Guanine (G)
Purines


Chuỗi polypeptide có cấu trúc từ 4 loại

nucleotide :

Adenin

A

Guanine

G

Thymine

T

Cytosine

C

Các nucleotide được nối với nhau bằng
liên kết phosphodister tạo thành chuỗi
dài có định hướng :

Đầu có nhóm phosphat tự do  5’
Đầu có nhóm hydroxyl tự do 3’


DNA là một chuỗi xoắn kép gồm 2 sợi đơn kết hợp với nhau nhờ liên
kết hydrogen của các bases theo nguyên tắc bổ sung A-T & G-C
Hướng của hai sơi đơn ngược nhau nên gọi là hai sợi đối song song
5 end
Hydrogen bond

3 end

5 end

1 nm
3.4 nm

3 end

3 end
0.34 nm

5 end

Quá trình sao chép của DNA


Sao chép DNA
Trong quá trình sao chép, hai mạch đơn của phân tử DNA mẹ được

tách ra và mỗi mạch sẽ làm khuôn để tổng hợp mạch mới theo nguyên
tắc bổ xung với các base trên mạch khuôn (A-T , G-C)

T

A

T

A

T

A

C

G

C

G

C

T

A

T

A

T

A

A

T

A

T

A

T

G

C

G

C

G

C

G

A

T

A

T

A

T

C

G

C

G

C

G

T

A

T

A

T

A

T

A

T

A

T

C

G

C

G

C

A
G

(a) The parent molecule has two
complementary strands of DNA.
Each base is paired by hydrogen
bonding with its specific partner,
A with T and G with C.

(b) The first step in replication is
separation of the two DNA
strands.

(c) Each parental strand now
serves as a template that
determines the order of
nucleotides along a new,
complementary strand.

(d) The nucleotides are connected
to form the sugar-phosphate
backbones of the new strands.
Each “daughter” DNA

molecule consists of one parental
strand and one new strand.


Các giả thuyết về quy luật sao chép của DNA
• DNA sao chép trong quá trình phân chia của tế bào
• Có ba giả thuyết về quy luật sao chép của DNA
Bán bảo tồn

Bảo tồn

Phân tán

Conservative

Dispersive

Tế bào mẹ

Sao chép lần
đầu

Sao chép lần
thứ hai
Semi-conservative


Thí nghiệm của Meselson-Stahl
Bacteria
cultured in

medium
containing

Bacteria
transferred to
medium
containing

15N

14N

DNA sample
centrifuged
after 20 min
(after first
replication)

DNA sample
centrifuged
after 40 min
(after second
replication)
First replication

Conservative
model

Semiconservative
model

Dispersive
model

Less
dense

More
dense

Second replication

 E.coli được nuôi trong môi trường có
15N  DNA mẹ được đánh dấu bởi
isotope nặng ( 15N ).
 Chuyển sang môi trường nuôi cấy chỉ
chứa (14N) , nucleotide mới được xác
định với các isotope nhẹ
 DNA được chiết tách và ly tâm sau 20
phút (sau lần sao chép đầu) và sau 40
phút (sau lần sao chép thứ 2) cho thấy :
=> Sao chép lần đầu : chi tạo ra một băng
DNA lai (15N-14N), loại trừ giả thuyết
bảo tồn.
 Lần sao chép thứ 2 tạo ra cả hai băng
DNA nhẹ và DNA lai loại trừ giả thuyết
sao chép phân tán và ủng hộ giả thuyết
bán bảo tồn .
DNA sao chép theo quy luật bán bảo tồn

DNA
sao
chép
theo
quy

luật
bán
bảo
tồn


Sao chép DNA theo quy luật bán bảo tồn
Sợi khuôn gốc

• Mỗi phân tử con chỉ
mang một sợi mới

Chĩa ba sao chép
Sợi
hợp
Sợimới
mớitổng
tổng
hợp

Vùng đang
sao chép

• Sợi DNA gốc được
dùng làm khuôn để
tổng hợp sợi mới
Chĩa ba sao chép

• Tế bào Eucaryote có
nhiều điểm khởi đầu
sao chép

Sợi khuôn gốc
Sợi mới tổng hợp

Vùng đang
sao chép


DNA Replication
• Sao chép DNA thực hiện nhanh và chính xác
• DNA xoắn kép được tách ra làm khuôn tổng hợp hai mạch
mới
• Nhiều enzyme tham gia vào quá trình sao chép
• Quá trình được bắt đầu từ một điểm khởi sự sao chép
(origins of replication) nơi hai mạch của DNA tách ra

Tế bào procaryote chỉ có một
điểm khởi đầu sao chép