Vật chất di truyền bài giảng

VẬT CHẤT DI TRUYỀN
1


VẬT CHẤT DI TRUYỀN
I.

Nucleic acid
1.
2.

II.

Gen và mã di truyền
1.
2.
3.
4.

III.

Deoxyribonucleic acid (DNA)
Ribonucleic acid (RNA)
Sự phát triển khái niệm gen
Gen là đơn vị chức năng nhỏ nhất
Cấu trúc gen
Mã di truyền

Nhiễm sắc thể
1.
2.

3.
4.

Khái niệm
Cấu trúc và chức năng
Đặc điểm
Cấu trúc siêu hiển vi của nhiễm sắc thể

2


VẬT CHẤT DI TRUYỀN


Đặc tính thiết yếu

Nhiễm
sắc thể
Nhân

Thông tin sinh học
 Tái bản
 Hoạt động của các gen
 Biến đổi




Vật chất di truyền:
Nucleic acid (DNA và RNA)

 Gen và mã di truyền
 Nhiễm sắc thể


Tế bào
DNA

Gen

3


I. NUCLEIC ACID
Là chất được tìm thấy đầu tiên trong nhân tế bào và
có tính acid
 Là đại phân tử sinh học có phân tử lượng lớn
 Cấu tạo từ chuỗi nucleotide nhằm truyền tải thông
tin di truyền
 2 loại: deoxyribonucleic acid (DNA)
ribonucleic acid (RNA)
 Có mặt ở hầu hết tế bào sống và virus
 Tính đặc hiệu của nucleotide do base nên thường
gọi là cặp base, kí hiệu bp (base pair) hay kb
(kilobase – 1000 cặp base).


4


I. NUCLEIC ACID

DNA


Thành phần cấu tạo
hóa học:
Gốc phosphoric acid
 Đường pentose – 2deoxy-D-ribose
 Bazơ nitơ: adenine (A),
Guanine (G), Cytosine
(C), Thymine (T)


RNA


Thành phần cấu tạo
hóa học:
Gốc phosphoric acid
 Đường pentose – Dribose
 Bazơ nitơ: adenine (A),
Guanine (G), Cytosine
(C), Uracil (U)


5


I. NUCLEIC ACID

6

7


I. NUCLEIC ACID
DNA


Cấu trúc






Thường là mạch kép
(liên kết hai mạch đơn
bằng liên kết hidro)

Chức năng




RNA

Lưu trữ và truyền đạt
thông tin di truyền

Cấu trúc




Thường là mạch đơn

Chức năng


Lưu trữ và truyền đạt
thông tin di truyền; hoạt
động như một enzyme

Tính chất
Không tan trong ethanol, nước lạnh, nước nóng và dung
dịch HCL loãng
 Tan trong dung dịch NaOH loãng, rượu và HCL


8


I. NUCLEIC ACID
DNA

1.
•

Năm 1951, E. Chargaff kết luận:

•

•

•

Số lượng A=T, G=C
Tỷ số (A+T)/(G+C) đặc trưng cho mỗi loài sinh vật

Năm 1953, J. Watson và F. Crick xây dựng mô hình cấu
trúc phân tử DNA
•

•

•

•

•

Phân tử DNA gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn song song
ngược chiều quanh một trục chung
Các gốc base quay vào trong của vòng xoắn, còn các gốc
phosphat và pentose quay ra ngoài tạo phần mặt của hình trụ.
Khoảng cách giữa các cặp base là 3,4Ao
Chiều cao mỗi vòng xoắn là 34Ao, 10 cặp base. Đường kính
20Ao.
Hai chuỗi polynucleotide gắn với nhau qua liên kết hydro theo
nguyên tắc bổ sung: A-T (2 liên kết), G-C (3 liên kết)

Đặc điểm quan trọng nhất là đối song song (antiparallel)

9


I. NUCLEIC ACID
1.

DNA

10


I. NUCLEIC ACID
DNA

1.

Cấu trúc DNA thường gặp là dạng B (mô hình Watson-Crick)
• Trong môi trường nồng độ muối cao hay môi trường có
thêm cồn, DNA chuyển sang dạng A (chiều xoắn phải) với 11
bp một vòng
• Trong môi trường nồng độ muối rất cao hay môi trường cồn,
DNA chuyển sang dạng Z (chiều xoắn trái) với 12 bp một
vòng
•

11

I. NUCLEIC ACID
DNA

1.
•

Hai chỉ số 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


•

Các loại DNA khác

Xoắn 3 (triple helix)

Dạng G-Quadruplex
N – xanh, O – đỏ, H – vàng

 DNA trong tế bào không đơn điệu, tùy trạng thái
sinh lý mà DNA ở dạng này hoặc dạng khác

12


I. NUCLEIC ACID
DNA

1.

•

Tính chất biến tính:
•

•

•

•

•

Phân tử DNA bị đứt liên kết hydro và tách rời nhau gọi là biến
tính (denaturation)
Tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay tác
nhân vật lý (nhiệt độ)
Nhiệt độ làm hai mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm
chảy
Chất formamide có khả năng hạ thấp điểm chảy rất nhiều,
được dùng trong lai phân tử

Tính chất hồi tính:
•

DNA mạch đơn gắn lại với nhau thành mạch kép gọi là hồi
tính (renaturation)

13

I. NUCLEIC ACID
DNA

1.
•

Những chứng minh gián tiếp cho thấy DNA là vật chất
di truyền:
i.

ii.
iii.

iv.

DNA có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật,
động vật; giới hạn trong nhân và là thành phần chủ yếu của
nhiễm sắc thể
Lượng DNA rất ổn định trong tất cả các tế bào dinh dưỡng
Số lượng DNA tăng theo số bội thể của tế bào
Tia tử ngoại (uv) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước
sóng 260nm, đây chính là bước sóng mà DNA hấp thụ tia tử
ngoại nhiều nhất

 Thành phần của nhiễm sắc thể ngoài DNA còn có
protein. Do đó cần có chứng minh trực tiếp để khẳng định
DNA là vật chất di truyền.
14

I. NUCLEIC ACID
DNA

1.
•

Chứng minh trực tiếp bằng thí nghiệm biến nạp của Griffith
•

•
•

Hiện tượng biến nạp do Griffith phá hiện ở vi khuẩn
Dạng S – gây bệnh
Dạng R – không gây bệnh

15


I. NUCLEIC ACID
DNA

1.
•

Chứng minh trực tiếp bằng thí nghiệm biến nạp của Griffith
•

•

Kết luận: Vi khuẩn S không tự sống lại mà truyền tính gây bệnh
cho tế bào R  hiện tượng biến nạp (transformation).
Năm 1944, T. Avery, Mc Leod và Mc Carty xác định tác nhân gây
biến nạp

Dạng R sống
Dạng S chết do
nhiệt trong môi
trường

Tinh sạch
thể biến nạp

Protease

Phân hủy
protein

Chuyển vào
tế bào R

Tế bào R
(biến nạp)

RNase

Phân hủy
RNA

Chuyển vào
tế bào R

Tế bào R
(biến nạp)

DNase

Phân hủy
DNA

Chuyển vào
tế bào R

Tế bào R
(không biến nạp)

Siêu ly tâm

Loại
chất béo

Chuyển vào
tế bào R

Tế bào R
(biến nạp)

 Hiện tượng biến nạp là một chứng minh sinh hóa xác nhận
rằng DNA mang tín hiệu di truyền.

16


I. NUCLEIC ACID
DNA

1.
•

Chứng minh trực tiếp bằng thí nghiệm Hershey-Chase
•

•

•

•

•

Thể thực khuẩn phage T2 ký sinh ở vi khuẩn E.coli
Phage chứa lõi DNA (chỉ có nguyên tử phosphor – P) và vỏ
protein (chỉ có nguyên tử lưu huỳnh – S)
Đánh dấu bằng chất đồng vị phóng xạ: DNA – P32 và protein –
S35.
Kết quả: phage thế hệ con có hầu như DNA ban đầu, không
hề có protein
Như vậy, vật chất di truyền của phage T2 là DNA, không phải
là protein

17


I. NUCLEIC ACID
Đánh dấu lưu
huỳnh trên protein
(màu đỏ)

Bacteriophages
(Thể thực khuẩn)

Đánh dấu
phốtpho trên DNA
(màu xanh)

1. Truyền nhiễm

2. Pha trộn

3. Ly tâm
Không có lưu huỳnh
trong tế bào

Xuất hiện phốtpho
trong tế bào

18

I. NUCLEIC ACID
RNA

2.
•

Chức năng:
•

•

•

Mang thông tin di truyền ở virus
Vai trò cấu trúc khi tạo nên phức hệ RNA-protein

Phân loại: 3 loại
•

•

•

RNA thông tin (mRNA)
• Bản sao của những trình tự nhất định của DNA
• Chuyển thông tin mã hóa trên phân từ DNA đến bộ máy giải
mã thành phân tử protein tương ứng
RNA vận chuyển (tRNA)
• Vận chuyển amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp
protein từ mRNA tương ứng.

• Phân tử RNA nhỏ nhất
RNA ribosome (rRNA)
• Thành phần cơ bản của ribosome, đóng vai trò xúc tác và
cấu trúc trong tổng hợp protein

19


I. NUCLEIC ACID

Virus
HRV

Virus
TMV

RNA

2.
•

Thí nghiệm chứng minh RNA
là vật chất di truyền của một
số virus
•

•

•

Năm 1956, Gieger chứng minh
RNA được tinh sạch từ virus
đốm thuốc lá (tobacco mosaic
virus – TMV) có khả năng lây
nhiễm khi không có protein.
Kết quả, virus thế hệ con giống
hoàn toàn với virus ban đầu
Năm 1957, Fraenkel Conrat và
B. Singer tái xác nhận trong thí
nghiệm “lắp ráp chéo” giữa lõi
RNA của Holmes rib-grass virus
(HRV) và vỏ protein của tobacco
mosaic virus (TMV)

TMV RNA

HRV RNA

TMV
protein

Virus lai do
lắp ráp chéo
giữa lõi RNA
của HRV và
vỏ protein
của TMV
Virus lai thể
hiện trên lá

Lốm đốm
HRV trên lá
cây thuốc lá

Virus HRV
con được
tách chiết từ
vết thương

20

Thí nghiệm “lắp ráp chéo”
của Fraenkel Conrat virus


I. NUCLEIC ACID

 Nucleic acid nói chung (bao gồm cả RNA và DNA)
mang thông tin di truyền. DNA luôn luôn là vật chất di
truyền. Trong khi đó, RNA thường không phải là vật
chất di truyền, chỉ trong những hệ thống đặc biệt không
có DNA, RNA sẽ là vật chất di truyền.

21


II. GEN VÀ MÃ DI TRUYỀN
1.

Sự phát triển của khái niệm gen:

Các quan niệm của Mendel và Morgan về gen:

a.
•

•

Năm 1865, theo Mendel gen là đơn vị di truyền tồn tại ở dạng
hạt riêng biệt, xác định một tính trạng cụ thể trong cặp tính
trạng tương phản.
Trường phái Morgan sau khi xác định các gene nằm trên
nhiễm sắc thể đã khẳng định rằng các gen là những đơn vị cơ
sở và không chia nhỏ của vật chất di truyền về cả cấu trúc lẫn
chức năng.

Giả thuyết một gen – một enzyme của Beadle và Tatum:

b.
•

•

•

Năm 1902, Archibald Garrod gợi ý rằng rối lạn chuyển hóa
alkapton niệu (alcaptonuria) bắt nguồn từ một sai hỏng của
một enzyme đặc thù và được di truyền theo kiểu lặn nhiễm sắc
thể thường.
Năm 1941, Beadle và Tatum mới làm sáng tỏ ý tưởng trên
bằng các thí nghiệm gây đột biến bằng tia X ở Neurosporora.

 Giả thuyết một gen – một enzyme mở đường cho sự ra đời
di truyền sinh hóa

22


II. GEN VÀ MÃ DI TRUYỀN
Nấm Neurospora
trong tự nhiên phát
triển trong môi
trường tối thiểu

Túi bào tử
Bào tử bị gây
đột biến bằng
tia X

Phối hợp với bào tử
của nấm trong tự nhiên

Sự phát triển
xảy ra trong
môi trường đủ
dinh dưỡng

Nấm không mọc trong
môi trường tối thiểu

Thí
nghiệm

Beadle
và Tatum

Nucleic
acid

Vitamins
Amino
acids

23
Môi trường tối thiểu có bổ sung với chỉ một amino acid


II. GEN VÀ MÃ DI TRUYỀN
Giả thuyết một gen – một enzyme của Beadle và Tatum:

b.
•

•
•
•

Về sau mở rộng thành “một gen – một protein” và “một gen –
một polypeptide”
Quan niệm về gen ngày càng phát triển và chính xác hóa.
Về cấu trúc, gen là một đoạn xác định của bộ gen
Về chức năng, gen mã hóa các enzyme, các polypeptide, và
các phân tử RNA chức năng (rRNA và tRNA).

Quan niệm của Benzer về đơn vị cấu trúc và chức năng
di truyền

c.
•

•

•

•

Theo Benzer, gen theo quan niệm của Morgan có thể chia
thành đơn vị nhỏ hơn
Benzer đưa ra muton, recon và cistron để định nghĩa đơn vị
không chia nhỏ tương ứng là đột biến, tái tổ hợp và chức năng
Tuy nhiên, muton và recon có kích thước như một nucleotide
nên không còn sử dụng nữa
Cistron của Benzer có ý nghĩa là đơn vị chức năng di truyền
không chia nhỏ

24


II. GEN VÀ MÃ DI TRUYỀN
•

•

Thí nghiệm phân tích bổ sung (complementary test) để xác
định đột biến có allele với nhau không.
Nếu đột biến xuất hiện trên cùng một gen thì gọi là allele. Nếu
đột biến xuất hiện trên hai gen khác nhau thì chúng không
allele với nhau.

Cis
Kiểu hình tự nhiên

Trans
Kiểu hình tự nhiên

Kiểu hình từ hai gen không allele

Cis
Kiểu hình tự nhiên

Trans
Kiểu hình đột biến

Kiểu hình từ hai gen allele
Protein tự nhiên
Protein đột biến

25