Bài giảng di truyền học phần 1 GV trương thị bích phượng

Bài giảng điện tử
Môn: Di truyền học (45 tiết)
Trương Thị Bích Phượng
Khoa Sinh học, Trường đại học Khoa học, Đại học Huế

Chương 1.
Bản chất của vật chất di truyền
Mục tiêu của chương
Giới thiệu bản chất của vật chất di truyền là DNA, thành phần, cấu trúc của phân tử DNA,
dạng DNA khác nhau trong tế bào.

Số tiết: 6

Nội dung
I. DNA là vật chất di truyền
Năm 1968, Frederich Miescher (Thụy Điển) phát hiện ra trong nhân tế bào bạch cầu một
chất không phải là protein và gọi là nuclein. Về sau thấy chất này có tính acid nên gọi là acid
nucleic. Acid nucleic có 2 loại là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic (RNA).
Năm 1914, R. Feulgen (nhà hóa học người Đức) tìm ra phương pháp nhuộm màu đặc hiệu
đối với DNA. Sau đó các nghiên cứu cho thấy DNA của nhân giới hạn trong NST. Nhiều sự kiện
cho gián tiếp cho thấy DNA là chất di truyền. Mãi đến năm 1944 vai trò mang thông tin di truyền
của DNA mới được chứng minh và đến năm 1952 mới được công nhận.

1. Các chứng minh gián tiếp
Nhiều số liệu cho thấy có mối quan hệ giữa DNA và chất di truyền
- DNA có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật chỉ giới hạn ở trong
nhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể. Đó là một cấu trúc mang nhiều gen xếp theo
đường thẳng.
- Tất cả các tế bào dinh dưỡng của bất kỳ một loại sinh vật nào đều chứa một lượng DNA
rất ổn định, không phụ thuộc vào sự phân hóa chức năng hoặc trạng thái trao đổi chất. Ngược lại,
số lượng RNA lại biến đổi tùy theo trạng thái sinh lý của tế bào.

- Số lượng DNA tăng theo số lượng bội thể của tế bào. Ở tế bào sinh dục đơn bội (n) số
lượng DNA là 1, thì tế bào dinh dưỡng lưỡng bội (2n) có số lượng DNA gấp đôi.
- Tia tử ngoại (UV) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước sóng 260nm. Đây chính là
bước sóng DNA hấp thu tia tử ngoại nhiều nhất.


Tuy nhiên trong các số liệu trên, thành phần cấu tạo của NST ngoài DNA còn có các
protein. Do đó cần có các chứng minh trực tiếp mới khẳng định vai trò vật chất di truyền của
DNA.

2. Thí nghiệm biến nạp DNA (Transformation)
Hiện tượng biến nạp do Griffith phát hiện vào năm 1928 ở vi khuẩn Diplococcus
pneumoniae (gây sưng phổi ở động vật có vú). Vi khuẩn này có hai dạng:
- Dạng S (gây bệnh): có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, ngăn cản bạch cầu phá vỡ tế
bào. Dạng này tạo khuẩn lạc láng trên môi trường agar.
- Dạng R (không gây bệnh) không có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, tạo khuẩn lạc
nhăn.
Thí nghiệm được tiến hành như sau:
a. Tiêm vi khuẩn dạng S sống gây bệnh cho chuột, sau một thời gian nhiễm bệnh, chuột
chết
b. Tiêm vi khuẩn dạng R sống không gây bệnh cho chuột, chuột sống
c. Tiêm vi khuẩn dạng S bị đun chết cho chuột, chuột chết
d. Tiêm hỗn hợp vi khuẩn dạng S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống cho chuột, chuột
chết. Trong xác chuột chết có vi khuẩn S và R.

Hình 1.1 Thí nghiệm biến nạp ở chuột

Hiện tượng trên cho thấy vi khuẩn S không thể tự sống lại được sau khi bị đun chết, nhưng
các tế bào chết này đã truyền tính gây bệnh cho tế bào R. Hiện tượng này gọi là biến nạp.
Đến 1944, ba nhà khoa học T. Avery, Mc Leod, Mc Carty đã tiến hành thí nghiệm xác

định rõ tác nhân gây biến nạp. Nếu tế bào S bị xử lý bởi protease hoặc RNAase. thì hoạt tính biến
nạp vẫn còn, cứng tỏ RNA và protein không phải là tác nhân gây bệnh. Nhưng nếu tế bào chết S
bị xử lý bằng DNAase thì hoạt tính biến nạp không còn nữa, chứng tỏ DNA là nhân tố biến nạp.
Kết quả thí nghiệm được tóm tắc như sau:
DNA của S + tế bào R sống  chuột chết (có S, R )
Kết luận: hiện tượng biến nạp là một chứng minh sinh hóa xác nhận rằng DNA mang tín
hiệu di truyền. Nhưng vai trò của DNA vẫn chưa được công nhận vì cho rằng trong các thí nghiệm
vẫn còn một ít protein.


Hình 1.2 Vật chất di truyền của phage là DNA

3. Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn
Năm 1952, A. Hershey và M. Chase đã tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 xâm
nhập vi khuẩn E.coli.
Phage T2 cấu tạo gồm vỏ protein bên ngoài và ruột DNA bên trong. Thí nghiệm này nhằm
xác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ DNA, chỉ protein
hay cả hai.
Vì DNA chứa nhiều phosphor, không có lưu huỳnh; còn protein chứa lưu huỳnh nhưng
không chứa phosphor nên có thể phân biệt giữa DNA và protein nhờ đồng vị phóng xạ. Phage
được nuôi trên vi khuẩn mọc trên môi trường chứa các đồng vị phóng xạ P32 và S35. S35 xâm nhập
vào protein và P32 xâm nhập vào DNA của phage
Thí nghiệm: phage T2 nhiễm phóng xạ được tách ra và đem nhiễm vào các vi khuẩn không
nhiễm phóng xạ, chúng sẽ gắn lên mặt ngoài của tế bào vi khuẩn. Cho phage nhiễm trong một
khoảng thời gian đủ để bám vào vách tế bào vi khuẩn và bơm chất nào đó vào tế bào vi khuẩn.
Dung dịch được lắc mạnh và ly tâm để tách rời tế bào vi khuẩn khỏi phần phage bám bên ngoài
vách tế bào. Phân tích phần trong tế bào vi khuẩn thấy chứa nhiều P32 (70%) và rất ít S35, phần
bên ngoài tế bào vi khuẩn chứa nhiều S35 và rất ít P32. Thế hệ mới của phage chứa khoảng 30%
P32 ban đầu
Thí nghiệm này đã được chứng minh trực tiếp rằng DNA của phage T2 đã xâm nhập vào tế

bào vi khuẩn và sinh sản để tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng đến nhiễm
vào các vi khuẩn khác.

Hình 1.3 Sự xâm nhập DNA của virus vào vi khuẩn

II. Thành phần và cấu tạo hóa học của acid nucleic
DNA và RNA là những hợp chất cao phân tử. Các đơn phân là các nucleotide.
Mỗi nucleotide gồm ba thành phần
- H3PO4
- Đường desoxyribose (DNA ), ribose ( RNA)
- Nitrogenous base
+ Purin
+ Pyrimidin

DNA

RNA

Adenin (A)

Adenin (A)

Guanin (G)

Guanin (G)

Cytosin (C)

Cytosin (C)

Timin (T)

Uracin (U)


(a)

(b)

(c)

Hình 1.4 Thành phần đường và base của nucleotide
(a) Base purin và pyrimidin
(b) Đường ribose và deoxyribose
(c) Sự khác nhau giữa Thymine và Uracil

Trong nucleotide, base purin sẽ gắn với C1 của đường ỏ N9. Nếu là pyrimidin thì sẽ gắn
với C1 của đường ở N3. C5 của đường gắn với nhóm phosphate.
Trong mạch, 2 nucleotide nối với nhau nhờ mối liên kết giữa nhóm 3 -OH của đường với
nhóm -OH của H3PO4, cùng nhau mất đi một phân tử nước.
Nếu phân tử chỉ gồm đường và nitrogenous base gọi là nucleoside.

1. DNA
1.1. Cấu tạo hóa học của DNA

Hình 1.5 Sự bắt cặp bổ sung của các base của hai mạch đơn

Trên cơ sở các nghiên cứu của mình, Chargaff (1951) đã đưa ra kết luận:
+ Số lượng A = T, G = C

+ Tỉ số

đặc trưng cho mỗi loài sinh vật.
Các base căn bản của acid nucleic bắt cặp bổ sung


Cũng trong thời gian này, Wilkins và Franklin (người Anh) nghiên cứu, phân tích tán xạ
bằng tia rơnghen, kết luận:
+ Các purin và pyrimidin có cấu trúc phẳng, mặt phẳng của chúng được xếp vuông góc với
trục dài của mạch polynucleotide cái này xếp chồng lên cái kia, khoảng cách trung tâm giữa hai
mặt phẳng kề nhau là 3,4Ao
+ Mạch polynucleotide xoắn thành lò xo quanh trục giữa, mỗi bước xoắn là 34Ao (ứng với
10 nu)
+ Việc so sánh nồng độ DNA đo được với các số liệu tính toán trên cơ sở sắp không gian
của các nguyên tử cho thấy DNA có nhiều hơn một mạch polynucleotide.
Năm 1951, J. Watson và F. Crick: tổng hợp các số liệu phân tích hóa học và tán xạ của tia
X, để xây dựng nên mô hình cấu trúc phân tử DNA. Theo mô hình này, phân tử DNA có những
đặc trưng chủ yếu trong cấu trúc không gian như sau:

Hình 1.6. Mối liên kết hydro giữa A-T và G-C

1. Phân tử DNA gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn song song ngược chiều quanh một
trục chung.
2. Các gốc base quay vào phía trong của vòng xoắn, còn các gốc H3PO4, pentose quay ra
ngoài tạo phần mặt của hình trụ. Các mặt phẳng của phân tử đường nằm về phía phải của các
base. Còn các base thì xếp trên những mặt phẳng song song với nhau và thẳng góc với trục phân
tử. Khoảng cách giữa các cặp base là 3,4 Ao. Chúng lệch nhau một góc 360 nên cứ 10 gốc (10
nucleotide) tạo nên một vòng quay.

Hình 1.7 Chuỗi xoắn kép DNA

3. Chiều cao của mỗi vòng xoắn là 34 Ao, gồm 10 bậc thang do 10 cặp base tạo nên.
Đường kính của vòng xoắn là 20 Ao.
4. Hai chuỗi polynucleotide gắn với nhau qua liên kết hydro được hình thành giữa các cặp
base đứng đối diện nhau theo nguyên tắc bổ sung cặp đôi nghiêm ngặt: A luôn luôn liên kết với T
bằng 2 mối liên kết hydro, G liên kết với X bằng 3 mối liên kết hydro. Do đó trong phân tử DNA
tổng số base loại pirimidin luôn bằng tổng số các base loại purin (quy luật Chargaff).
+ Khoảng cách giữa hai mạch polynucleotide luôn xác định, không thay đổi. Khoảng cách
này bằng kích thước của một base loại purin cộng với kích thước của một base loại pirimidin.
+ A luôn luôn đi với T là vì giữa 2 base này chỉ có khả năng hình thành nên hai liên kết
hydrro ở các vị trí N6 - O6 và N1 - N1.


G luôn luôn đi với X vì giữa 2 base này có thể tạo ra 3 liên kết hydro ở các vị trí N6 - O6, N1 -N1
và N2 - O2.
Vì vậy mà A chỉ liên kết với T và G chỉ liên kết với C.
5. Tính chất bổ sung giữa các cặp base dẫn đến tính chất bổ sung giữa hai chuỗi
polynucleotide của DNA. Do đó biết thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi này
sẽ suy ra thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi kia. Đặc điểm quan trọng nhất
của mô hình là đối song song (antiparallel). Để các bazơ tương ứng đối diện nhau, hai mạch cần
phải bố trí: đầu của sợi này đối diện với đuôi của sợi kia. Mô hình Watson-Crick ra đời từ năm
1953 và trong vòng 25 năm tiếp theo nó được công nhận và sử dụng rộng rãi.
Mãi đến những năm 70, nhờ dùng các phân tích chính xác nhiều dạng DNA đã được phát
hiện, dạng thường gặp là dạng B theo mô hình của Watson-Crick, đây là cấu trúc phổ biến cho
hầu hết sinh vật. Mỗi dạng DNA là một dòng họ các phân tử có kích thước dao động quanh các trị
số trung bình
Hai chỉ số được dùng để đánh giá DNA
- Chỉ số h: là chiều cao giữa hai nu kề nhau.
- Chỉ số n: số nucleotide của một vòng xoắn
Ngoài DNA dạng B, còn nhiều dạng xoắn phải khác (A, C, D ...) chúng phân biệt với

DNA dạng B về khoảng cách giữa các base cũng như độ nghiêng của chúng so với trục và sự
phân bố trên chuỗi kép.
Gần đây, người ta còn phát hiện ra một dạng DNA có bộ khung zigzag và đóng xoắn theo
chiều trái, gọi là DNA xoắn trái hay DNA Z, trên mỗi vòng xoắn có tới 12 cặp base. Giải thích sự
tồn tại của DNA Z có nhiều quan niệm khác nhau: Theo Watson, chỉ trong những điều kiện đặc
biệt, như nồng độ muối cao thì các vùng chứa trình tự ...GCGCGC... chuyển sang cấu hình Z,
ngược lại ở nồng độ muối thấp chúng quay trở lại dạng B. Điều đó chứng tỏ DNA Z có thể đóng
vai trò giảm sức căng cục bộ trong phân tử DNA siêu xoắn hoặc có thể tương tác đặc thù với các
protein điều hòa. Tuy nhiên A. Rich cho rằng DNA Z xảy ra trong tự nhiên mà bằng chứng là có
mặt trong ruồi giấm bình thường. Có thể là vùng DNA Z nằm xen kẻ với vùng DNA B và chúng
có thể xoay hình dáng thành dạng B khi xảy ra các biến đổi hóa học nào đó làm cho DNA Z trở
nên không ổn định. Rich còn gợi ý rằng những gen nằm ở các vùng bị xoay như thế thì có thể tháo
xoắn sau đó và bắt đầu phiên mã. Nhờ vậy mà protein có thể được tổng hợp. Mặc dù đây mới chỉ
là giả thiết song khám phá này đã cung cấp một công cụ tiềm năng cho nghiên cứu về hoạt động
của các gen và DNA.Việc phát hiện các dạng DNA cho thấy DNA trong tế bào không đơn điệu.
tùy trạng thái sinh lý mà DNA ở dạng này hoặc dạng khác.

Hình 1.8 DNA dạng xoắn kép Z
a. Mô hình dạng B của Watson-Crick, là dạng xoắn phải với trục đều
b. Mô hình dạng Z, là dạng xoắn trái với trục không đều

1.2. DNA cuộn lại trong tế bào
Hầu hết trong cơ thể sinh vật, DNA có chiều dài dài hơn rất nhiều lần so với chiều dài của
tế bào.


Ví dụ: phage T2 có chiều dài tế bào khoảng 0,16 m, trong khi chiêu dài ADN của chúng khoảng
50 m.

Hình 1.9 Các dạng thẳng, vòng tròn và xiêu xoắn của DNA

Do đó DNA ở trong tế bào phải cuộn xoắn. Sự cuộn xoắn này rất tinh vi vì trong quá trình
tồn tại, các gen phải hoạt động, như vậy nó phải là một chất có hoạt tính thường xuyên
Người ta thấy DNA có thể ở 3 dạng cấu trúc:
- Dạng siêu xoắn: mạch kép vặn xoắn lại thành hình số 8. Đây là dang tự nhiên ở vi khuẩn.
- Dạng vòng tròn: sợi DNA căng tròn có được do DNA siêu xoắn bị cắt đứt 1 trong hai
mạch kép.
- Dạng thẳng: khi DNA bị cắt đứt cả hai mạch.
Mô hình về bộ gen của E .coli
Ở E. coli, chiều dài DNA được rút ngắn đáng kể, sự cuộn lại được thực hiện nhờ vào các
RNA nối. Khi các RNA nối bị cắt thì các DNA bung dài ra, thuận lợi cho sự sao chép DNA. Nếu
mạch DNA bị cắt, DNA được tháo xoắn, căng ra thuận lợi cho sự tổng hợp protein.

Hình 1.10 Mô hình cấu trúc nhiễm sắc thể (bộ gen) của E. coli
(Theo Pettijohn và Hecht, 1974)

Hình 1.11 Sự tháo xoắn DNA trong tế bào vi khuẩn

2. RNA
Ở các sinh vật như: thực khuẩn thể, virus của động vật, virus của thực vật... thì vật liệu di
truyền là RNA. Ở các sinh vật bậc cao có RNA là bản sao mã của DNA.


RNA có cấu tạo từ các đơn phân là các ribonucleotide. Giống với nucleotide, mỗi
ribonucleotide gồm ba thành phần: đường ribose, H3PO4, bazơnitric (T được thay bằng U). Trong
tế bào có ba loại RNA:

2.1. RNA riboxom (ribosomal RNA-rRNA)
rRNA cùng với protein cấu tạo nên ribosome. rRNA chiếm tỷ lệ cao trong tế bào có thể
đến 75% của tổng RNA. Ở các ribosome khác nhau có các rRNA khác nhau, chúng được đặc

trưng bởi hằng số lắng S:
- Eukaryote : ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm hai đơn vị:
+ Đơn vị lớn ( 60S) có rRNA 28S; 5,8S; 5S
+ Đơn vị nhỏ (40S) có rRNA 18S
- Prokaryote và lục lạp, ty thể có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị:
+ Đơn vị lớn (50S): có loại rRNA 23S; 5S
+ Đơn vị nhỏ (30S): có rRNA 16S
RNA ribosom có cấu trúc bậc I (mạch thẳng) và cấu trúc bậc hai. Trong ribosome, các
rRNA tồn tại ở dạng cấu trúc bậc hai. RNA ribosom có cấu tạo là một sợi xoắn có nhiều vùng liên
kết đôi theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với U, G liên kết với X và có khi G liên kết với U.
Trong tế bào rRNA chiếm tỷ lệ cao có thể lên đến 75-80% tổng số RNA

Hình 1.12 rRNA cấu tạo nên ribosom

2.2. RNA vận chuyển (Transfer RNA - tRNA)
Mỗi tRNA gắn với một phân tử amino acid, mang đến ribosome để tham gia tổng hợp
protein. Mỗi tRNA đặc hiệu cho một loại amino acid. Có hơn 20 loại tRNA khác nhau tương ứng
với hơn 20 loại amino acid. Trong thực tế, người ta thấy số lượng tRNA lớn hơn rất nhiều so với
số lượng amino acid vì một amino acid có nhiều bộ ba mã hóa. Đồng thời cùng một bộ ba mã hóa,
vẫn có thể có nhiều tRNA do hiện tượng biến đổi của các nucleotide trong tRNA tạo nên các loại
tRNA mới và trong quá trình tổng hợp tRNA, sau khi hình thành chuỗi polynucleotide còn chịu sự
tác động của các yếu tố của môi trường nội và ngoại bào làm các nucleotide bị biến đổi, tạo ra các
tRNA mới.
Các tRNA cùng tham gia vận chuyển một acid amin là các izoaceptor. Số lượng izoaceptor
thay đổi tùy acid amin.
Cấu trúc bậc I của tRNA: tRNA vận chuyển có phân tử lượng nhỏ: 25.000-30.000, gồm
75-90 nucleotide, có hằng số lắng 4S. Trong thành phần cấu trúc của tRNA có khoảng 10% các
nucleotide hiếm với khoảng 30 loại khác nhau. Mọi cấu trúc của tRNA đều có 2 đầu 5' và 3' giống
nhau: đầu 5' luôn chứa G với gốc P tự do, còn đầu 3' luôn có 3 nucleotide là CCA 3'-OH. Nhóm
3'-OH của A có thể liên kết với acid amin để tạo phức hợp tRNA-aminoacyl.

Chuỗi polynucleotide cuộn lại có những đoạn tạo mạch xoắn kép, hình thành cấu trúc bậc
hai của tRNA.


Hình 1.13 Cấu trúc của tRNA

Enzyme aminoacyl tRNA synthetase gắn amino acid với tRNA tương ứng. Mỗi enzyme
đặc hiệu cho một loại amino acid riêng biệt và xúc tác phản ứng gắn với tRNA của nó nhờ năng
lượng ATP tạo ra aminoacyl tRNA. Phức hợp aminoacyl tRNA đến ribosome gắn với mRNA
bằng nhờ các bộ ba đối mã (anticodon) trên tRNA bắt cặp bổ sung với các bộ ba mã hóa (codon)
trên mRNA.
Các tRNA có một số đặc tính cấu trúc chung: chiều dài khoảng 73-93 nucleotide, cấu trúc
gồm một mach cuộn lại như hình lá chẻ ba nhờ bắt cặp bên trong phân tử. Đầu mút 3 có trình tự
kết thúc là CCA, amino acid luôn gắn vào đầu này. Đầu 5 chứa gốc phosphate của G.
Mỗi tRNA có có 4-5 vùng với chức năng khác nhau:
- Vòng DHU: có chứa nucleotide dihydrouridin, vùng này có chức năng nhận biết
aminoacyl tRNA synthetase
- Vòng anticodon: đọc mã trên mRNA theo nguyên t ắc kết cặp anticodon

codon.

- Vòng phụ: có thể không có ở một số RNA.
- Vòng TφC: có chứa nucleotide pseudouridin, vùng này có chức năng nhận biết ribosom
để vào đúng vị trí tiếp nhận aminoacyl tRNA (vị trí A)
- Đấu 3

CCA: vị trí gắn với acid amin.

tRNA chiểm khoảng 15% tổng số RNA của tế bào

2.3. RNA thông tin (messenger RNA

mRNA)

RNA thông tin làm nhiệm vụ truyền đạt thông tin di truyền từ DNA đến protein. mRNA
chiểm khoảng 5% tổng số RNA tế bào.
Cấu trúc của mRNA:

DNA polymerase khởi sự phiên mã ở đoạn nằm ngay trước vùng mã hóa được gọi là đoạn
5 không mã hóa (5 -non coding). Do đó mRNA có đoạn đầu mang các tín hiệu cho ribosome
nhận biết để gắn vào dịch mã. Ở đuôi 3 sau dấu kết thúc có đoạn 3 không mã hóa là nới gắn
poly-A.
Các mRNA của prokaryote có nữa thời gian (half life) tồn tại ngắn trung bình 2 phút. Các
mRNA của Eukaryote có nữa thời gian tồn tại khoảng 30 phút - 24 giờ.

Hình 1.14 mRNA ở Prokaryote


Hình 1.15 mRNA ở eukaryote

2.4. Ribozym và self- splicing
Vào 1981, phát minh về vai trò xúc tác của một số phân tử RNA đã làm đảo lộn quan điểm
về chất này.
Các phân tử rRNA của các loài nguyên sinh động vật, lúc đầu được tổng hợp với một số
lượng lớn tiền chất, từ số các rRNA này sẽ có một được tạo ra bằng cách tự cắt nối (self splicing). Quá trình cắt nối này có thể xảy ra ở in vitro trong sự vắng mặt của protein. Điều đó cho
thấy rằng các trình tự intron tự nó có hoạt tính xúc tác tương tự enzyme. Phản ứng self-splicing
trong đó trình tự intron tự xúc tác quá trình tự cắt rời khỏi phân tử rRNA ở loài Tetrahymena qua
2 bước:
+ phản ứng được bắt đầu khi nucleotide G gắn vào trình tự intron, đồng thời cắt mạch
RNA.

+ Đầu 3 của RNA mới vừa được tạo ra gắn vào đầu bên kia của intron hoàn thành phản
ứng nối liền

Hình 1.16 Hoạt động cắt intron và nối exon trên mRNA

Trình tự intron dài 400 nucleotide đã được tổng hợp trong ống nghiệm và nó cuộn lại tạo
phức hợp bề mặt có hoạt tính tương tự enzyme trong các phản ứng với các RNA khác. Mặc dù
splicing phần lớn không được thực hiện tự động như ở Tetrahymena nhưng hiện tượng này cũng
được phát hiện ở những sinh vật khác, cả ở nấm và vi khuẩn.
Các RNA có khả năng tự xúc tác được gọi là ribozyme. Phát hiện này có ý nghĩa quan
trọng trong việc tìm hiểu cơ chế và nguồn gốc sự sống.

Hình 1.17 Phản ứng self-splicing của RNA

III Các tính chất của DNA
1. Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation)
Hai mạch đơn của phân tử AND gắn với nhau nhờ các liên kết hydro.Khi đun nóng DNA
từ từ, vượt quá nhiệt độ sinh lý (khoảng 80-95oC), các liên kết hydro giữa 2 mạch bị đứt và chúng


tách rời nhau. Trước tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -C bị đứt. Đó là
hiện tượng biến tính của DNA.
Nhiệt độ mà ở đó 2 mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm chảy melting poin) của
DNA: Tm. Nhiệt độ này đặc trưng cho mỗi loại DNA, phụ thuộc vào số lượng các liên kết hydro.
DNA có tỷ lệ G-C cao sẽ có điểm chảy cao. DNA có 60% G-C thì điểm chảy là 95oC.

Hình 1.18 Sự biến tính và hồi tính của DNA

Ngoài nhiệt độ, người ta còn dùng chất formanide (NH2 -CH = 0) làm biến chất DNA ở
o

40 C
Các DNA bị biến chất được hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các nucleotide sẽ gắn lại với
nhau để tạo nên DNA mạch kép. Hiện tượng này gọi là hồi tính.
Có thể biết được DNA bị biến tính hoặc chưa nhờ vào sự gia tăng hấp thụ tia cực tím khi
bị biến tính và sự giảm hấp thu tia cực tím khi hồi tính. Giá trị mật độ quang tăng lên khi phân tử
mạch đôi chuyển thành mạch đơn, điều này xảy ra do hiệu ứng siêu sắc (hyperchromic
effect), hoặc dựa vào sự thay đổi độ lắng tụ trong ống nghiệm khi ly tâm.

2. Lai acid nucleic
Sử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính có thể tiến hành lai DNA với DNA, DNA với RNA,
RNA với RNA.
Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tính
thành mạch đơn. Dung dịch được hạ nhiệt độ từ từ để xảy ra hồi tính. Đây là kiểu lai lỏng hay lai
trong dung dịch. Quá trình hồi tính xảy ra, sợi A kết với A, B kết với B, đồng thời có sợi A kết với
B tạo thành phân tử lai. Muốn lai được với nhau, giữa 2 loại DNA phải có những đoạn có trình tự
bổ sung nhau. Có thể dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu để phát hiện đoạn lai.
Hiện nay còn sử dụng phương pháp lai trên pha rắn, được sử dụng rộng nhất:
+ Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA
+ Phương pháp Northern blot dùng cho RNA
+ Phương pháp dot (điểm) và slot (khe) blot dùng cho RNA và DNA
- Lai tại chỗ (in situ hybridization) là kiểu lai phân tử trong đó trình tự acid nucleic cần tìm
(trình tự đích) nằm ngay trong tế bào hay trong mô. Lai tai chỗ cho phép nghiên cứu NST, khuẩn
lạc hay mô tế bào mà không cần tách chiết chúng.
Dùng phương pháp lai DNA:
+ Có thể xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài. DNA người và DNA chuột chỉ lai
được 25%.
+ Có thể tiến hành lai mRNA với DNA để xác định vị trí gen trên DNA tạo ra mRNA
tương ứng.

Phương pháp lai acid nucleic giúp hiểu chi tiết hơn về bộ gen, nó là cơ sở của phương
pháp chẩn đoán mới dùng acid nucleic đang đuợc sử dụng rộng rãi.

Hình 1.19 Phát hiện các DNA lai với mẫu dò

IV. Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào
1. Những đoạn DNA chứa thông tin di truyền
Đại phân tử DNA là do polynucleotide tạo thành, được chia làm nhiều đoạn. Mỗi đoạn là
một đơn vị chức năng, gọi là gen
Gen được định nghĩa trong di truyền học:
+ Mendel là người đầu tiên nêu lên khái niệm

nhân tố di truyền

+ J. Morgan cụ thể hóa khái niệm về gen: gen nằm trên nhiễm sắc thể chiếm một locus
nhất định. Gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng.
+ Sau khi học thuyết trung tâm ra đời: gen là đoạn DNA trên nhiễm sắc thể không những
mã hóa cho các loại protein mà cả các loại RNA.
+ Cuối những năm 70, sau khi phát hiện ra gen gián đoạn: gen là một đoạn DNA đảm bảo
cho việc tạo ra một polypeptid nó bao gồm cả vùng trước và sau vùng mã hóa cho protein và cả
những đoạn không mã hóa xen giữa các đoạn mã hóa.
Hiện nay có thể định nghiã tổng quát như sau: gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy
di truyền chiếm một locus nhất định trên NST và xác định một tính trạng nhất định. Các gen là
những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ như các RNA được sử dụng
trực tiếp cho tổng hợp các enzym, các protein cấu trúc hay các mạch polypeptid để gắn lại tạo ra
các protein có hoạt tính sinh học.
Toàn bộ những gen khác nhau của cơ thể, gọi là Idiotype. Ở Eukaryote nó bao gồm các
gen trên nhiễm sắc thể (chromotype) và các gen ngoài nhân (plasmotype). Ở prokaryote, nó bao
gồm bộ gen và plasmid.

2. Virus chứa DNA và virus chứa RNA
Virus gây bệnh đốm thuốc lá (mosaic tobacco virus - MTV) là virus chứa RNA sợi đơn.
Nó là một hạt hình que dài 300 nm, có đường kính 18 nm. Bên ngoài có một vỏ chứa 2130 phân
tử và một vòng xoắn RNA ở bên trong. Chiều cao vòng xoắn: 23Ao, khối lượng phân tử = 2.106
đvC.

Hình 1.20 Virus khảm thuốc lá
a. Ảnh virus khảm thuốc lá chụp bằng
kính hiển vi điện tử ở
độ phóng đại 37.428X


b. RNA điều khiển sự hình thành
tính trạng vỏ của virus

Một số virus chứa DNA sợi đôi như các thực khuẩn thể T2, T4, T6 chứa DNA mạch đôi
thẳng, dài. Có chứa 2.105 đôi nucleotide, khối lượng phân tử: 130.10 đvC. Khi lực thẩm thấu của
môi trường thay đổi đột ngột, phân tử DNA này thoát ra khỏi vỏ protein, người ta chụp ảnh được
ảnh DNA của tjực khuẩn thể T2 với chiều dài 0,05 mm (50m), phân tử này xếp gọn ở phần đầu
của thực khuẩn thể. Tất cả thực khuẩn thể T số chẵn chứa DNA với mạch polynucleotide giống
nhau, nên khi trộn lẫn các DNA mạch đơn đã bị biến tính của chúng với nhau thì các mạch đơn
này có thể tạo thành phân tử lai. Phân tử DNA của T3, T7 không thể hình thành phân tử DNA lai
với DNA của T số chẵn. Còn virus X174 có chứa DNA sợi đơn gồm 5400 nucleotide với
khoảng 9 gen.

3. Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩn
DNA của vi khuẩn làm thành thể nhân, tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất, không có màng
nhân làm giới hạn. DNA của thể nhân là DNA mạch vòng, xoắn kép
Ví dụ: DNA E.coli có đường kính 350 µm, gồm 4.106 đôi nucleotide và chứa khoảng 500 gen xếp

nối tiếp nhau thành chuỗi dài chi phối tất cả các hoạt động chức năng của sự sống.
Plasmid cũng là phân tử DNA mạch kép, dạng vòng ở bên cạnh thể nhân. Khối lượng phân
tử trung bình khoảng 1% DNA của thể nhân.
Các plasmid có thể gắn tạm thời hoặc vĩnh viễn ở trên NST chính của vi khuẩn. Có thể
tham gia sự tự nhân đôi và tham gia tiếp hợp khác như là một phần của NST chính.

4. Nhiễm sắc thể Eukaryota.
4.1 Các trình tự lặp lại và đơn độc
DNA được cắt thành từng đoạn nhỏ, cho biến tính, sau đó hồi tinh thì các đoạn có trình tự
bổ sung dễ tái tổ hợp với nhau hơn các đoạn khác. Nhờ vậy có thể nhận biết được các trình tự lặp
lại. Dựa vào đó phân DNA thành ba loại:
+ DNA đơn độc (tái hợp rất chậm)
+ DNA lặp lại trung bình (tái hợp nhanh vừa)
+ DNA lặp lại cao (tái hợp rất nhanh)
Mặc dù DNA mang thông tin mã hóa cho các protein nhưng trong thực tế chỉ có khoảng
10% trong số 3 tỷ cặp nucleotide trong genome của người thực sự làm chức năng này. Căn cứ vào
đặc điểm cấu trúc và phân, chia DNA thành các loại sau:
- DNA đơn độc (Single copy DNA)
Đây là loại phổ biến nhất, chiếm khoảng 75% genome. Các đoạn DNA này chỉ thấy 1 lần
(hoặc vài lần) trong genome. Một phần nhỏ của DNA loại này là các gen mã hóa cho protein. Hẫu
hết các DNA đơn độc là các intron hoặc là các đoạn nằm xen giữa các gen.
- DNA lặp lại (repetitive DNA)


Chiểm 25% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA được lặp đi lặp lại hàng ngàn lần
trong genome. DNA lặp lại gồm 2 loại:
+ DNA vệ tinh (satellite DNA): loại DNA tập trung ở 1 số vùng nhất định trên NST, ở đó
chúng xếp đuôi nhau, cái này tiếp cái kia. Loại này chiếm 10% bộ gen.
+ DNA lặp lại rãi rác: loại DNA này chiếm khoảng 15% genome, gồm 2 loại:
Các yếu tố rãi rác có kích thước ngắn SINEs (short interspersed repetitive elements): kích

thước từ 90-500 bp. Trong nhóm này có loại DNA lặp lại tên Alu với kích thước khoảng 300 bp,
mang đoạn DNA có thể bị enzyme hạn chế Alu I cắt (đây là enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn
Arthrobacter luteus). Đoạn lặp Alu là 1 họ bao gồm các đoạn DNA có độ giống nhau cao, phân
bố rãi rác khắp hệ gen với khoảng 300.000 bản sao, chiếm khoảng 2-3% toàn bộ DNA của người,
chúng được xem như là các yếu tố vận động. Ở 2 đầu mỗi đoạn Alu có các đoạn lặp cùng chiều
ngắn khoảng 7-10 bp. Bên trong đoạn Alu có các đoạn lặp dài khoảng 40 bp. Điểm đặc biệt của
các đoạn lặp DNA này là có thể tạo ra bản sao của mình và có thể cài vào các phần khác của bộ
gen. Hiện tượng này đôi khi có thể làm gián đoạn một gen mã hóa cho protein nào đó và gây ra
tình trạng bệnh lý di truyền.
Vai trò của các trình tự Alu đến nay chưa rõ. Một điều đáng kinh ngạc là có sự tương đồng
(homologus) từ 80-100% giữa phần 3' của Alu với đầu mút 5' và 3' của RNA 7SL, là phần tương
tác với các tín hiệu peptid trước khi vận chuyển ra tế bào chất. Việc xác định trình tự nucleotide
của Alu cho thấy có ít nhất 6 nhóm phụ và tất cả đều bắt nguồn từ DNA mã hóa cho RNA 7SL.
Các yếu tố rãi rác có kích thước dài LINEs (long interspersed repetitive elements): bao
gồm các họ LINE 1 (hay Kpn 1) và THE 1. Các trình tự LINE có chiều dài khoảng 6000-7000 bp
với gần 5.000 bản sao nguyên vẹn và 100.000 bản sao từng phần rãi rác khắp bộ gen người.
Chúng là những trình tự lặp lại không mã hóa dài nhất và thường ở vùng giàu AT. Các bản phiên
mã trình tự LINE gắn với protein tạo thành phức hợp ribonucleoprotein. Ở một dòng tế bào người
bị ung thư (teratocarcinome), người ta quan sát thấy có các ribonucleoprotein này. Sự xen đoạn
LINE vào các vị trí khác nhau có thể gây hậu quả nhất định, như trong một trường hợp bệnh máu
không đông A (hemophilia).

4.2. Nhiễm sắc thể của Eukaryota
Nhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA thẳng, mạch kép. NST Eukaryote gồm DNA và
protein, trong số đó histon là protein cốt lõi trong việc cuộn lại và điều hòa hoạt tính của DNA.
Sự hình thành NST kỳ giữa từ chuỗi xoắn kép DNA qua hệ thống các bậc cấu trúc sau:
+ Nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST được tạo nên do sợi DNA dài quấn quanh các
protein histon thành sợi 11nm. Đơn vị này là phức hợp gồm 146 cặp nucleotide của DNA quấn
quanh 8 phân tử histon: 2H2A, 2H2B, 2H3 ,2H4. Các nucleosome kề nhau được nối qua một phân
tử histon trung gian H1.

+ Sợi chromatin dày 30nm: các nucleosome xếp sít nhau tạo thành phức hợp
nucleoprotein.
+ Vùng xếp cuộn dày 300 nm do sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc tạo nên.
+ Chất dị nhiễm sắc 700 nm
+ Kỳ giữa 1400nm.


Hình 1.21 DNA quấn quanh bởi protein histon

Hình 1.22 Phức hợp nucleoprotein cuộn lại thành NST

4.3. Trình tự CEN: trình tự lặp lại cao CEN là của các tâm động.

4.4. Trình tự TEL: thuộc các telomer (đầu mút của NST) với nhiều vai trò khác nhau: bảo vệ đầu
mút NST khỏi bị cắt bởi nuclease, giữ chiều dài của NST khi sao chép, gắn với màng nhân và kìm
hãm sự biểu hiện của các gen ở đầu mút. Các trình tự TEL có tính bảo tồn cao trong tiến hóa.
Chúng có số lần lặp lại cao, giàu A và C.

Câu hỏi ôn tập
1. Nêu chứng minh gián tiếp cho thấy DNA là vật chất di truyền.
2. Trình bày thí nghiệm biến nạp qua đó chứng minh DNA là vật chất di truyền.
3, Các đặc điểm của mô hình cấu trúc của Watson và Crick (1953).
4. Mô tả các dạng tồn tại của DNA trong tế bào.
5. Mô hình vầ cấu trúc bộ gene của E. coli.
6. Cấu trúc và chức năng các loại RNA trong tế bào Eukaryote.
7. DNA và RNA khác nhau ở những cấu phần nào
8. Hãy nêu các tính chất của phân tử DNA.
9. Các trình tự lặp lại ở DNA Eukaryote
10. Trình bày các mức độ kết cuộn của DNA để hình thành nhiễm sắc thể.

Tài liệu tham khảo
Trịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị liên, Trần Đức Phấn,
Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang. 2002. Các nguyên lý sinh học. NXB Y
học Hà Nội.
Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục.
Nguyễn Bá Lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại
học Huế.
Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục.
Hoàng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế.


Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David
T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman
Publishers.
Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers.
Toronto, Canada.
Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill,
Inc., New York.


Chương 2
Sao chép DNA
Mục tiêu của chương
Giới thiệu về sao chép DNA, nguyên tắc của sao chép và các nhân tố tham gia vào quá
trình sao chép DNA, các hệ thống sửa sai DNA nhằm duy trì tính chính xác của thông tin di
truyền qua các thế hệ.

Số tiết: 3
Nội dung
I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ

1. DNA bị biến đổi ngay cả không sao chép

Hình 2.1 Sự mất amin của các base (desamination)

DNA là những phân tử rất dài, nhưng mảnh (đường kính: 20 Ao), lại thường xuyên chịu
tác động môi trường bên trong và bên ngoài tế bào nên dễ có những đứt gãy, biến đổi ngay cả khi
không có sao chép.
Người ta tính ra rằng DNA của tế bào người mỗi ngày mất 5000 purin do quá trình mất
purin (depurination): dưới tác dụng của nhiệt liên kết N-glycosil bị thủy phân.
Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin. Mỗi ngày tế
bào người có khoảng 100 biến đổi như vậy.
Con người cũng thường xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimer
thymine.


Hình 2.2 Sự hình thành dimer thymine dưới tác dụng của tia tử ngoại

2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ
Dùng các nucleotid và các enzyme DNA polymerse để tổng hợp DNA in vitro. Sai sót
trong trường hợp này là 10-5. Như vậy sao chép trong ống nghiệm có mức chính xác cao, nhưng
đối chiếu lên các sinh vật thì mức sai sót này hãy còn quá lớn.
Bằng cách đánh giá tần số các đột biến mới xuất hiện trong quần thể lớn và theo dõi biến
đổi enzyme nào đó trong nuôi cấy mô tế bào, người ta tính được rằng trong cơ thể sinh vật sai sót
trong khi sao chép in vivo là 1.10-9.
Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hóa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao
chép in vitro.
3. Các hệ thống bảo vệ DNA
Trong tế bào có một loạt hệ thống để bảo vệ DNA:
- Các sinh vật tiền nhân và nhân thực đều chứa các enzyme có nhiệm vụ methyl hóa ở
những điểm nhất định. Các enzyme cắt hạn chế của mỗi dòng vi khuẩn không cắt DNA của chúng

vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết, còn DNA ngoại lai vì không được methyl hóa ở
những điểm nhất định nên bị cắt.
Tế bào còn có các hệ thống sửa sai (repair system):
+ Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới
Các enzyme DNA polymerase I, II, III đều có hoạt tính polymerase hóa, còn có hoạt tính
exonuclease theo hướng 5-3.


Hình 2.3 Sửa sai bằng cắt bỏ và tổng hợp lại đoạn bị hỏng

+ Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp
Ngay cả khi không có sao chép vẫn có hệ thống bảo vệ: do DNA có hai mạch, khi sai hỏng
trên một mạch, có thể dựa vào mạch còn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng.
Một số enzyme đặc hiệu phát hiện sự bắt cặp sai, như trong trường hợp mất purin. Có
khoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA.

Hình 2.4. Sửa sai nhờ enzyme


4. Sửa sai do phục quang hồi
Dưới tác dụng của tia tử ngoại, làm các timin đứng gần nhau sẽ gắn lại tạo thành
dimertimin.
Khi trở lại ánh sáng, ánh sáng sẽ kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin tạo timin bình
thường. Hiện tượng ánh sáng kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi.
5. Hệ thống SOS
Ở tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia UV, tia X hoặc do
tác dụng của các hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi động, tăng cường sửa
sai. Ở E.coli, hệ thống này có liên quan với 2 protein được mã hóa bởi gene LexA và RecA.
Protein LexA là một chất ức chế, nó gắn vào hộp SOS, chồng lấp các promotor của các gene SOS,
ngăn cản sự mã nhóm các gen của hệ thống SOS. Một vài sản phẩm của DNA bị tổn thương sẽ

làm hoạt hóa protease recA. Protein recA bị hoạt hóa sẽ cắt bỏ protein lexA, cho phép các gen của
hệ thống SOS phiên mã. Phẩn ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp.
Nó bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép, ức chế
nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-prone
replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép nhanh hơn bình thường.
+ Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trưởng trở lại
+ Nếu không sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị đột biến

Hình 2.5 Sửa chữa do quang phục hồi

II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA
1. Nguyên tắc chung
- DNA sao chép theo khuôn.
Ưu điểm: + Với phân tử lớn như vậy thì việc tổng hợp theo khuôn sẽ chính xác hơn
+ Tiết kiệm được ezyme


+ Đạt hiệu quả nhanh
- Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn (semi-conservative) phân tử DNA mới được tổng
hợp gồm một mạch cũ làm khuôn và một mạch mới tổng hợp
- Quá trình tổng hợp DNA xảy ra đòi hỏi phải có “ mỗi “ (primer)
- Quá trình tổng hợp xảy ra theo chiều 5 - 3.

Hình 2.6 Sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn

2. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA
Kornberg (1956) thực hiện phản ứng tổng hợp DNA in vitro. Trong quá trình tổng hợp ông
sử dụng DNA polymerase I, 4 loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP), Mg2+
làm xúc tác. Ngoài ra còn có ít DNA làm khuôn mẫu.
3. Thí nghiệm chứng minh có sự tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn

Meselson, Stahl (1958) đã chứng minh kiểu sao chép bán bảo tồn. Nuôi E.coli nhiều thế hệ
trên môi trường có nguồn nitơ đồng vị nặng N15. Như vậy tất cả DNA của vi khuẩn đều mang
đồng vị nặng N15 thay cho N14 bình thường. Sau đó tế bào được chuyển sang môi trường chỉ chứa
N14 nhẹ, mẫu các tế bào được lấy ra theo những khoảng thời gian đều đặn và chiết tách DNA.
Bằng phương pháp ly tâm trên thang nồng độ CsCl, các loại DNA nặng, nhẹ và lai được tách ra.


Hình 2.7 Thí nghiệm của Meselson và Stahl

Kết quả cho thấy DNA nặng ban đầu (thế hệ 0) chứa N15, sau một lần phân chia cho thế hệ
I với DNA lai có tỷ trọng nằm giữa DNA nặng N15 và DNA nhẹ N14. Nói cách khác sau một lần
sao chép phân tử DNA mới chứa một nữa mang N15 và một nữa N14. Ở thế hệ II một nữa số phân
tử DNA là lai, nữa còn lại là DNA nhẹ N14. Thí nghiệm này khẳng định giả thuyết của Watson và
Crick là đúng tức 2 mạch DNA mẹ tách ra, mỗi cái làm khuôn để tổng hợp nên mạch mới bổ
sung.
4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli
Quá trình sao chép DNA ở E.Coli diễn ra qua hai giai đoạn:
4.1. Giai đoạn khởi sự (initiation)


Hình 2.8 Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli

+ Mở xoắn:
Ở E.coli quá trình bắt đầu khi một protein B đặc hiệu nhận biết điểm khởi sự sao chép
(replication orgine) ori và gắn vào trình tự base đặc biệt đó. Tiếp theo enzyme gyrase (một loại
topoisomerase) cắt DNA làm tháo xoắn ở 2 phía của protein B. Trong khi 2 phân tử enzyme
gyrase chuyển động ngược chiều nhau so với điểm ori thì 2 phân tử của enzyme helicase tham gia
tách mạch tạo chẻ ba sao chép. Helicase sử dụng năng lượng ATP làm đứt các liên kết hydro giữa
2 base bắt cặp với nhau.
+ Các protein làm căng mạch SSB (single-strand binding protein) gắn vào các mạch đơn

DNA làm chúng tách nhau, thẳng ra và ngăn không cho chập lại hoặc xoắn để việc sao chép được
dễ dàng.
+ Tổng hợp mồi (primer) dặc trưng cho quá trình kéo dài chuỗi là DNA polymerase chỉ
hoạt động khi đã có mồi, nên trước khi tổng hợp chuỗi thì phải có qua trình tổng hợp mồi. Mồi là
một đoạn khoảng 9 -10 nu, có thể là DNA hoặc ARN.
4.2. Giai đoạn nối dài (elongation)
Do tính chất đối song song nên khi tách ra thành 2 mạch đơn khuôn thì một mạch có đầu
3 , mạch kia có đầu 5’ nên để đảm bảo hướng sao chép của DNA theo chiều 5’ -3’ thì sự polymer
hóa dựa vào 2 mạch khuôn DNA diễn ra khác nhau.
’

Mạch khuôn có đầu 3’ được DNA polymerase III gắn vào và tổng hợp ngay mạch bổ sung
5’-3’ hướng vào chẻ ba sao chép. Mạch khuôn này được gọi là mạch khuôn trước, còn mạch mới
được tổng hợp gọi là mạch trước (leading strand).


Ở mạch có đầu 5’ (mạch khuôn sau) việc tổng hợp phức tạp hơn và thực hiện từ chẻ ba sao
chép hướng ra ngoài để đảm bảo đúng hướng 5’-3’. Khi mạch kép tách ra ở gần chẻ ba sao chép ,
enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotid có trình tự bổ sung với mạch khuôn.
DNA-polymerase III nối theo mồi ARN, theo hướng ngược với chẻ ba sao chép, tổng hợp các
đoạn ngắn 1000-2000 nucleotid, gọi là các đoạn Okazaki (người phát hiện là Reiji Okazaki). DNA
polymerase nối dài đoạn Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại, rồi lùi ra sau tiếp
tục tổng hợp từ ARN mồi mới được tạo nên gần chẻ ba sao chép. Tiếp theo DNA-polymerase I
nhờ hoạt tính exonuclease 5’-3’ cắt bỏ mồi ARN, lắp các nucleotid của DNA vào chỗ trống và
thực hiện polymer hóa hướng 5’-3’. Đoạn DNA ngắn 10 nucleotid này còn hở 2 đầu, chỗ hở được
nối nhờ enzyme ligase của DNA mạch được tổng hợp từ chẻ ba sao chép hướng ra ngoài được
tổng hợp chậm hơn nên gọi là mạch sau (lagging strand).
Quá trình sao chép DNA ở E.coli diễn ra với tốc độ rất nhanh, có thể đạt đến 50.000
nucleotid/phút.

III. Sao chép DNA trong tế bào
1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote
Để theo dõi sao chép DNA đồng vị phóng xạ Thymidin (tiền chất đặc hiệu cho DNA)
được sử dụng. Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (điểm xuất phát sao chép) và triển
khai ra cả 2 phía. Khi DNA vòng tròn đang sao chép, quan sát thấy dạng DNA hình con mắt. Chẻ
ba sao chép lan dần cuối cùng tạo ra 2 phân tử DNA lai: một mạch có mang dấu phóng xạ
(thymidin-H3). Có trường hợp sao chép chỉ xảy ra về một phía.
E.coli chỉ có một điểm xuất phát sao chép ori nên cả phân tử DNA thành một đơn vị sao
chép thống nhất được gọi là replicon. Bộ gen của sinh vật tiền nhân thường chỉ có một replicon.

Hình 2.9 Sao chép DNA từ một điểm về 2 phía và về một phía

2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào eukaryote


Tế bào nhân thực có số lượng DNA lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân, tạo nên nhiều
nhiễm sắc thể mà mỗi cái gồm một sợi DNA thẳng kết hợp với protein. Do đó sao chép DNA của
tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 50 nucleotid/giây).

Hình 2.10 Sao chép của nhiều replicon

Điểm khác căn bản là DNA của tế bào nhân thực có nhiều replicon
Ví dụ: Saccharomyces cerevisiae có tới 500 replicon, tức có 500 điểm xuất phát sao chép. Quá
trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía. Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá
trình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua một lần rồi thì không lặp lại trước khi toàn bộ DNA
được sao chép hoàn toàn.
Ở các eukaryote có 5 loại DNA polymerase được ký hiệu là pol , pol , pol , pol , pol
. Các loại DNA polymerase này không đồng nhất về phân tử lượng và một số đặc tính hóa học.
Pol  phân bố trong ty thể và tham gia tái bản DNA ở ty thể, các DNA polymerase còn lại ở trong