Bài giảng sinh học phân tử

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG - LÂM BẮC GIANG

HOÀ NG THI ̣ THAO - THÂN THỊ HOA

BÀI GIẢNG

SINH HỌC PHÂN TỬ
(Lưu hành nội bộ)

I


HOÀ NG THI ̣ THAO - THÂN THỊ HOA

BÀI GIẢNG

SINH HỌC PHÂN TỬ
(Tài liệu dùng cho hệ đại học)

BẮC GIANG, NĂM 2017
II


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................................... I
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................... IV
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................................ 1
BÀI MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 2
1. Khái quát chung về sinh ho ̣c phân tử ..................................................................................... 2

2. Lịch sử nghiên cứu sinh học phân tử ...................................................................................... 2
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu sinh học phân tử ................................................. 4
4. Mối liên quan giữa sinh học phân tử với các khoa học khác ................................................. 5
5. Các thuật ngữ thường dùng trong sinh học phân tử ............................................................... 5
Chương 1 CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC ................................ 8
1.1.Các đại phân tử sinh học....................................................................................................... 8
1.1.1. Nucleic acid acid .............................................................................................................. 8
1.1.2.Protein.............................................................................................................................. 13
1.1.3. Lipit ................................................................................................................................ 16
1.1.4. Polysaccharide ................................................................................................................ 18
1.2. Liên kết hoá học trong hệ thống sinh học .......................................................................... 18
1.2.1. Khái niệm và đặc điểm chung ........................................................................................ 18
1.2.2. Một số loại liên kết hoá học yếu ..................................................................................... 19
1.2.3.Vai trò của liên kết hóa học yếu cơ bản........................................................................... 21
Chương 2 HỆ GEN - ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA GEN .................... 25
2.1. Hệ gen (genome) ............................................................................................................... 25
2.1.1. Khái niệm hệ gen ........................................................................................................... 25
2.1.2 Hệ gen ở prokaryote ........................................................................................................ 25
2.1.2. Hệ gen ở eukaryote ......................................................................................................... 27
2.1.3. Tính phức tạp của hệ gen ................................................................................................ 28
2.2. Đặc điểm cấu trúc của gen ................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Khái niệm về gen ............................................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của gen ở prokaryote và ở eukaryote................................................ 30
2.2.3. Phương pháp phát hiện các đoạn intron và exon ............................................................ 32
2.3. Hoạt động của gen ............................................................................................................. 32
2.3.1. Cơ chế tái bản và sửa chữa DNA ................................................................................... 33
2.3.2. Quá trình phiên mã ......................................................................................................... 41
2.3.3. Dịch mã và kiểm soát quá trình dịch mã ........................................................................ 44
Câu hỏi ôn tập ........................................................................................................................... 49
Chương 3 ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN ................................................................................ 51

3.1. Các hiện tượng điều hòa .................................................................................................... 51
3.1.1. Điều hòa thích nghi ........................................................................................................ 51
3.1.2. Hoạt động nối tiếp của các gen ....................................................................................... 52
3.1.3. Biệt hóa tế bào ................................................................................................................ 52
I


3.1.4. Khái quát về điều hòa ở prokaryote và eukaryote .......................................................... 52
3.2. Các mức độ điều hòa ......................................................................................................... 53
3.3. Điều hòa biểu hiện gen ở prokaryote ................................................................................. 53
3.3.1. Cấu trúc của operon ........................................................................................................ 53
3.3.2. Điều hòa thoái dưỡng: kiểm soát âm, cảm ứng (negarive,inducible control) ................ 54
3.3.3. Điều hoà biên dưỡng: âm, ức chế (negative, repressivecontrol) .................................... 55
3.4. Điều hoà biểu hiện gen ở eukaryote .................................................................................. 56
3.4.1. Mức độ chất nhiễm sắc ................................................................................................... 56
3.4.2. Mức độ phiên mã ............................................................................................................ 56
3.4.3. Mức độ hậu phiên mã .................................................................................................... 57
3.4.4. Mức độ dịch mã .............................................................................................................. 57
3.4.5. Mức độ hậu dịch mã ....................................................................................................... 58
Chương 4: MỘT SỐ ENZYME VÀ VECTOR TẠO DÒNG TRONG SINH HỌC PHÂN TỬ ...... 59
4.1. Enzyme trong sinh học phân tử ......................................................................................... 59
4.1.1.Enzyme giới hạn(RE - restriction endonuclease) ............................................................ 59
4.1.2. Chức năng của một số loại enzym khác ......................................................................... 62
4.2. Vector trong sinh học phân tử ........................................................................................... 64
4.2.1. Khái niệm về vector ........................................................................................................ 64
4.2.2. Các đặc tính và yêu cầu cần thiết của vector ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 4.4. Vector trong sinh học phân tử .................................................................................. 65
4.2.3. Một số loại vector dùng trong chuyển nạp gen .............................................................. 65
4.2.4. Ứng dụng của vector trong sinh học phân tử.................................................................. 71
Chương 5. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CHIẾT NUCLEIC ACID VÀ PHẢN ỨNG PCR ......... 73

5.1. Các phương pháp tách chiết nucleic acid acid ................................................................... 73
5.1.1. Phương pháp tách chiết DNA ......................................................................................... 73
5.1.2. Phương pháp tách chiết RNA toàn phần và mRNA ....................................................... 75
5.2. Các phương pháp phân tích định tính và định lương thô nucleic acid .............................. 79
5.2.1. Định lượng DNA và RNA bằng quang phổ kế............................................................... 79
5.2.2. Phương pháp điện di ....................................................................................................... 80
5.3.1. Cơ sở và nguyên tắc của PCR ........................................................................................ 91
5.3.2.Mồi của PCR, điều kiện và thành phần phản ứng PCR ................................................... 92
5.3.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến PCR ....................................................................................... 94
5.3.4. Các phiên bản của PCR và ứng dụng trong thực tiễn ..................................................... 95
Câu hỏi ôn tập ........................................................................................................................... 98
Chương 6. MỘT SỐ KỸ THUẬT TRONG SINH HỌC PHÂN TỬ, THÀNH TỰU VÀ
TRIỂN VỌNG .......................................................................................................................... 99
6.1. Phân lập gen, tách dòng phân tử và biểu hiện gen ............................................................ 99
6.1.1. Phân lập gen ................................................................................................................... 99
6.1.2.Tách dòng phân tử ........................................................................................................... 99
6.1.3. Thư viện hệ gen và thư viện cDNA .............................................................................. 100
II


6.1.4. Biểu hiện gen ................................................................................................................ 102
6.2. Những thành tựu và triển vọng của sinh học phân tử ...................................................... 104
6.2.1. Sinh học phân tử và nghiên cứu cơ bản ........................................................................ 104
6.2.2. Sinh học phân tử và tin sinh học (khoa học máy tính) ................................................. 104
6.2.3. Sinh học phân tử và y học ............................................................................................ 104
6.2.4. Sinh học phân tử trong nông lâm ngư nghiệp............................................................... 105
6.2.5: Sinh học phân tử trong đời sống xã hội ........................................................................ 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 108

III

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
ĐH

Nghĩa tiếng Việt
Đại học

NST

Nhiễm sắc thể

PCR

Nghĩa tiếng Anh

Polymerase chain Rection

Phản ứng nhân DNA trong
phòng thí nghiệm
Sinh học phân tử

Restriction Fragment

tính đa hình chiều dài các

Length Polymorphisms

phân đoạn cắt giới hạn

SHPT
RFLP

IV


LỜI NÓI ĐẦU
Bài giảng sinh học phân tử được viết làm tài liệu học tập cho sinh viên hệ đại học
các ngành: công nghệ sinh học, khoa học cây trồng, chăn nuôi, thú y và các ngành có
liên quan tới sinh học. Sinh học phân tử là một môn khoa học nghiên cứu về cấu trúc
và chức năng của đại phân tử sinh học, chủ yếu là protein và nucleic acid, các quá trình
cơ bản liên quan đến protein và nucleic acid trong tế bào sống, một số kỹ thuật nghiên
cứu những quá trình cơ bản trong tế bào và những ứng dụng của sinh học phân tử
trong thực tiễn.
Ngày nay, sinh học phân tử được xem là nền tảng quan trọng của công nghệ sinh
học,là môn cơ sở bắt buộc của ngành công nghệ sinh học. Sinh học phân tử ngày càng
đạt nhiều thành tựu trong các lĩnh vực như: Nông nghiệp, thủy sản, chăn nuôi, thú y,
xử lý môi trường và đặc biệt là trong y học.
Bài giảng “Sinh học phân tử" cung cấp những kiến thức cơ bản cho sinh viên
với các nội dung chính sau:
- Giới thiệu về sinh học phân tử, đối tượng, nhiệm vụ, một số thuật ngữ thường
dùng trong sinh học phân tử (bài mở đầu).
- Giới thiệu cấu trúc, chức năng của các đại phân tử sinh học chủ yếu là nucleic
acid, protein, một số liên kết hóa học yếu trong tế bào (Chương 1).
- Cấu trúc của gen và genome trong tế bào prokaryote và eukaryote, một số quá
trình quan trọng xảy ra trong tế bào như: Tái bản, sao mã và giải mã (Chương 2).
- Các quá trình điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật prokaryote và eukaryote
(Chương 3).
- Một số enzyme và vector sử dụng trong sinh học phân tử (Chương 4).

- Một số kỹ thuật cơ bản được sử dụng để nghiên cứu các quá trình diễn ra trong
tế bào (Chương 5).
- Một số kỹ thuật cơ bản sử dụng trong sinh học phân tử, thành tựu và triển vọng
của sinh học phân tử (Chương 6).
Bài giảng cập nhật những kiến thức mới cũng như những thành tựu mới của sinh
học phân tử trong các lĩnh vực.
Để có thể hoàn thành được bài giảng với những kiến thức chuyên sâu trong lĩnh
vực sinh học phân tử, chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong
Trung tâm công nghệ sinh học, các thầ y cô trong khoa Nông ho ̣c, Trường Đại học
Nông Lâm Bắc Giang.
Lần đầu xuất bản, chắc chắn bài giảng còn có những thiếu sót, chúng tôi rất mong
nhận được sự phê bình, góp ý của bạn đọc và đồng nghiệp.

1


BÀI MỞ ĐẦU
1. Khái quát chung về sinh ho ̣c phân tử
Sự sống: là sự tồn tại của protein, mà cái khuôn đúc ra sự sống đó là phân tử
DNA (Deoxynucleic acid) hay là các gen trong nó.
Ở mọi cơ thể sống, hai hiện tượng di truyền và biến dị là 2 mặt mâu thuẫn nhưng
thống nhất của sự sống, nhờ đó sự tiến hoá có thể thực hiện. Bản chất của 2 hiện tượng
này đã được khoa học chứng minh là có liên quan chặt chẽ với sự hình thành, tồn tại
và thay đổi của một đại phân tử có trong mọi cơ thể sống đó là DNA. Vì vậy, DNA
được gọi là phân tử của sự sống, sợi chỉ của sự sống, chuỗi xoắn kép của sự sống.
Cơ chế tổng hợp DNA, vai trò khuôn mẫu của DNA trong tổng hợp protein
(enzyme) thông qua các phân tử ribonucleic acid (RNA) dần dần đã được khám phá để
lý giải hiện tượng di truyền và biến dị.
Cơ chế tổng hợp DNA theo khuôn mẫu đảm bảo tính bảo thủ của hiện tượng di
truyền qua các thế hệ. Những thay đổi dù rất nhỏ trên đoạn DNA tương ứng với một

gen, ít nhiều cũng làm thay đổi tính trạng, cơ sở của hiện tượng biến dị.
Di truyền và biến dị nằm trong sự thể hiện của gen trong quá trình phát triển của
sinh vật. Ban đầu gen là một giả thuyết trừu tượng nhưng ngày nay đã được đo đạc
chính xác ở mức phân tử, là một hay nhiều đoạn DNA tương ứng với một tính trạng
(trội hoặc lặn) của sinh vật, tính trạng có thể đơn gen hoặc đa gen.
Vậy sinh học phân tử là môn học nghiên cứu cấu trúc, sự hình thành (tái bản),
đặc tính của DNA, tiềm năng tự sửa sai để bảo toàn tính nguyên vẹn của nó, và cả sự
thay đổi của DNA trong mối liên hệ với môi trường sống trong quá trình tiến hoá.
Đồng thời nghiên cứu những sản phẩm và sản phẩm trung gian của gen, tìm ra quy
luật vận động của chúng để cải tạo và khai thác chúng phục vụ lợi ích của con người.
Hay nói cách khác sinh học phân tử nghiên cứu các đại phân tử sinh học chủ yếu là
protein và nucleic acid và các cơ chế phân tử liên quan đến hai đại phân tử này trong tế
bào sống, đồng thời nghiên cứu các kỹ thuật phân tử ứng dụng trong thực tiễn.
*Nhiệm vụ:
- Nghiên cứu về DNA, gen và hệ gen, sản phẩm phiên mã, hệ phiên mã, protein
và hệ protein.
- Công nghệ hoá sinh học phân tử làm nền tảng cho công nghệ sinh học nói
chung và các công nghệ gen, công nghệ enzyme, công nghệ protein... nói riêng.
2. Lịch sử nghiên cứu sinh học phân tử
Bắt đầu từ nguồn gốc các loài của Chalrles Darwin là bước ngoặt nghiên cứu về
sinh học đặt cơ sở cho nghiên cứu sinh học phân tử. Từ quan sát về cấu tạo địa lý hoá
thạch và dạng sinh vật sống khác nhau trên trái đất Darwin nhận thấy: Có một số hoá
thạch rất giống với những sinh vật đang còn tồn tại trên cùng địa điểm. Từ đó Darwin
cho rằng có một mối liên hệ nào đó giữa các loài khác nhau, tất cả các sinh vật có liên
quan đều xuất phát từ một tổ tiên chung.
Năm 1865 được coi là kỷ nguyên của di truyền học, mở đầu là nghiên cứu của
Gregor Mendel nghiên cứu di truyền của đậu Hà Lan, được trình bày trong bài: Các thí
nghiệm lai ở thực vật. Mendel đã đưa ra quy luật cơ bản về di truyền mà đến nay các
quy luật đó vẫn đúng với tất cả các sinh vật.
2

Thomas Morgan (1910) đề xuất học thuyết di truyền nhiễm sắc thể. Morgan cho
rằng các gen được sắp xếp dọc theo chiều dài nhiễm sắc thể tạo thành các nhóm liên
kết gen.
George Beadle và Eward Tatum (1941) đưa ra giả thuyết một gen, một
enzyme.Giả thuyết cho rằng một gen sẽ sinh ra một enzyme hoặc một protein.
Năm 1952 hai nhà sinh học người Mỹ Alfred Hershey và Martha Chase đã trực
tiếp chứng minh được DNA là vật chất truyền thông tin di truyền bằng thí nghiệm về
sự xâm virus Bacteriophager T2 vào vi khuẩn E. Coli.
Năm 1953, James Watson và Francis Crik đã khám phá ra chuỗi xoắn kép phân tử
DNA được coi là một trong các phát minh lớn nhất của thế kỷ 20, tạo bước ngoặt quan
trọng trong sinh học phân tử và di truyền học hiện đại. Hai nhà bác học đã đưa ra suy
luận về cấu trúc gửi tới tạp chí Nature với lời mở đầu: “Chúng tôi xin đưa ra một mô
hình cấu trúc mới của deoxyribose nucleic acid (DNA) ”và kết thúc bài báo viết “ nếu
chúng tôi không nhầm thì những cặp đôi đặc biệt này sẽ cho chúng ta thấy cơ chế nhân
bản của vật chất di truyền”. Dịch mã để chuyển thông tin di truyền từ DNA tổng hợp
nên các protein.Năm 1967 Stanley Cohen đã xác định các gen kháng kháng sinh có
trong tế bào vi khuẩn nằm ở plasmid - một loại DNA dạng vòng nằm ngoài nhiễm sắc
thể. Cohen nghiên cứu phương pháp tinh sạch các plasmid và chuyển vào các tế bào vi
khuẩn khác nhau, từ đó các chủng vi khuẩn đều biểu hiện tính kháng kháng sinh.
Herb (1970) đã phát hiện một số vi khuẩn có khả năng sử dụng enzyme của mình
để cắt DNA của thực khuẩn thể xâm nhiễm vào chính nó thành các đoạn nhỏ. Sau này
các enzyme đó được gọi là enzyme giới hạn hoặc enzyme cắt hạn chế. Boyer đã phân
lập được enzyme giới hạn EcoR1 từ E. coli. Những năm tiếp theo các nhà khoa học đã
phát hiện được nhiều enzyme giới hạn cắt DNA ở các vị trí đặc hiệu khác nhau và nối
các đầu dính bằng enzym DNA ligase. Các nhà khoa học đã đưa ra ý tưởng về việc
chèn đoạn DNA mong muốn vào các plasmid của vi khuẩn để sau đó có thể sản xuất ra
một lượng lớn protein đặc biệt- chất cơ bản của công nghiệp công nghệ sinh học.
Năm 1972 công nghệ DNA tái tổ hợp ra đời, phân tử DNA tái tổ hợp đầu tiên

được Paul Berg tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng cách cắt và nối 2 đoạn DNA có
nguồn gốc từ virus SV40 và vi khuẩn E. coli.
Walter Giberg và Alan Maxam (ĐH Harvard), Fred Stanger (ĐH Cambridge)
(1975) đồng thời đưa ra 2 kỹ thuật xác định chính xác trình tự phân tử DNA... Các kỹ
thuật này cho phép xác định được thành phần cũng như trình tự các nucleotit có trong
gen. Tiếp đó, cũng sản xuất ra kháng thể dơn dòng.
Năm 1982 insulin người và humulin được sản xuất theo công nghệ DNA tái tổ
hợp đầu tiên - hormone sinh trưởng dành cho trẻ em được cơ quan quản lý Thực phẩm
và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA - Food and Drug Administration) cấp phép. Kary
Mullis (1985) đề xuất phương pháp nhân dòng gen trong điều kiện phòng thí nghiệm
bằng phản ứng PCR. Phản ứng PCR sử dụng enzyme DNA polymerase chịu nhiệt để
khuyếch đại một đoạn DNA bất kỳ lên hàng tỷ bản sao trong vài giờ. Phương pháp
PCR đã mở đường cho các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp. Năm
1990, lần đầu tiên liệu pháp gen được sử dụng để chữa bệnh cho người. Ashanti
Disilva, bé gái 4 tuổi mắc bệnh suy giảm chức năng enzyme adenosine deaminase
(ADA), do gen nằm trên NST 20 kiểm soát, là bệnh nhân đầu tiên được chữa bằng liệu
pháp gen. William French DNAerson và cộng sự đã chèn gen ADA bình thường vào
tế bào T của bệnh nhân và chuyển lại vào hệ tuần hoàn. Tiêm các tế bào T bình thường
3


vào hệ tuần hoàn 2 tháng 1 lần đã giúp phục hồi 25% chức năng của hệ miễn dịch,
giúp cho bệnh nhân có được cuộc sống bình thường.
Ngày 18/05/1994, cà chua FlavrSavr chuyển gen đầu tiên trên thế giới được đưa
ra trên thị trường. Năm 1996, trường Đại Học Stanford và Affymetrix đã giới thiệu
công nghệ mới - con chip DNA trong kĩ thuật biểu hiện gen và giải trình tự DNA.
Cũng trong năm 1996, cừu Dolly- động vật có vú đầu tiên được nhân bản từ tế
bào biệt hoá. Cừu Dolly ra đời chứng minh tính toàn năng di truyền của tế bào soma ở
động vật bậc cao, mở ra kỉ nguyên mới trong việc ứng dụng công nghệ tế bào phục vụ
đời sống con người.

Jame Thompson(Đại học Madison) và John Gearhart (John Hopkins) (1998) hai
nhóm nghiên cứu thành công trong nuôi cấy tế bào gốc ở người.Năm 1999 đã phát
hiện về tế bào gốc soma (somatic stem cell), các tế bào giữ nguyên tính chất như tế bào
phôi có khả năng phát triển thành nhiều loại tế bào chuyên biệt của các cơ quan trong
cơ thể.
Năm 2003, hai nhóm nghiên cứu: nhóm “Celera Genomic”(tư nhân) và nhóm “
Human Genome Project” đã nghiên cứu giải trình tự bộ gen ở người. Bộ gen ở người
gồm khoảng 35.000 gen thay vì 100.000 gen như dự đoán và bộ gen ở người gồm 3,5
tỷ cặp base. Việc hoàn thành bản đồ cấu trúc bộ gen ở người sẽ là một đóng góp quan
trong trong y học. Năm 2007, các nhà khoa học Nhật Bản và Mỹ cùng đồng thời công
bố thành công trong việc biến đổi tế bào da người thành tế bào gốc, không cần đến
việc sử dụng phôi thai – loại tế bào có khả năng biệt hoá thành các cơ quan phục vụ
trong y học. Với phương pháp hiện đại này, y học có thể đạt được nhiều thành tựu lớn
hơn trong tương lai.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu sinh học phân tử
* Cách tiếp cận:
- Nghiên cứu các loại tế bào sống
- Tiếp cận cấu trúc - hệ thống
- Các bộ phận của tế bào
- Nghiên cứu nucleic acid
- Nghiên cứu cấu trúc của các đại phân tử protein.
- Quá trình liên quan đến protein và nucleic acid
- Chức năng của các đại phân tử.
- Mối liên quan giữa đại phân tử và đặc tính hay tính trạng (Chỉ thị phân tử)
- Sử dụng các kỹ thuật sinh học phân tử để thao tác trên DNA, RNA và protein
theo mục tiêu nghiên cứu.
- Ứng dụng trong y học (phát hiện sớm, ngăn ngừa, và điều trị), trong chọn
giống, công nghệ môi trường.
* Phương pháp nghiên cứu sinh học phân tử:
- Phân tích DNA

Tách chiết DNA tổng số
Phương pháp sử dụng RE
Nhân bản đoạn DNA bằng PCR
4


Điện di DNA
Phân lập gen, Tách dòng phân tử và xác định trình tự DNA
Biểu hiện gen
- Phân tích protein
Chiết rút protein
Định lượng protein
Điện di protein
Thành phần amino acid
Hoạt độ enzyme
Phân tích phổ isozyme
Phân tích sắc ký
Phân tích khối phổ
4. Mối liên quan giữa sinh học phân tử với các khoa học khác
- Liên quan với các chuyên ngành sinh học
- Khoa học chọn giống
- Y học
- Công nghệ môi trường
- Khoa học máy tính và mạng internet
- Khoa học vật liệu
* Sinh học phân tử với các chuyên ngành sinh học
- Tế bào học
- Sinh lý học: Cơ sở SHPT của các đặc tính chống chịu, các quá trình sinh lý khác.
- Hoá sinh: Gen mã hoá các enzyme của chuỗi phản ứng hoá sinh.
- Di truyền học: Cơ sở phân tử của các hiên tượng, quá trình, quy luật di truyền

- Phân loại học phân tử.
5. Các thuật ngữ thường dùng trong sinh học phân tử
- Bắt cặp bổ sung: Sự kết hợp giữa 2 mạch đơn DNA có trình tự bổ sung tạo
thành một mạch kép.
- Transformation (biến nạp): Sự thu nhận những đặc điểm di truyền mới ở vi
khuẩn nhờ việc chuyển vào vi khuẩn các phân tử DNA.
- Denaturation (biến tính): DNA và RNA chuyển từ dạng mạch kép sang mạch
đơn. Tác nhân có thể là nhiệt hoặc hoá chất. Đối với protein thì sự biến tính là chuyển
từ cấu hình hoạt động sang dạng bất hoạt.
- Bp (base pair - cặp base): Là liên kết A-T hoặc G-C trên một phân tử DNA
mạch kép, là đơn vị đo chiều dài của phân tử DNA.
- Indution (cảm ứng): Liên quan đến khả năng tổng hợp một số enzyme ở vi
khuẩn chỉ khi có mặt cơ chất của enzyme này trong môi trường. Trong quá trình điều
hoà biểu hiện gen thì cảm ứng có nghĩa là khơi mào quá trình phiên mã do tương tác
giữa một chất cảm ứng (inducer) với protein điều hoà.
5


- Cap (mũ chụp): nhóm 7-methyl guanine gắn vào base đầu tiên của mọi mRNA
thông qua một liên kết 5’-5’ triphosphate.
- Codon: Bộ ba nucleotide mã hoá cho một amino acid hay một dấu hiệu bắt đầu
hoặc chấm dứt dịch mã.
- Translation (dịch mã): Sự tổng hợp protein từ khuôn mRNA.
- DNApolymerase: enzyme tổng hợp nên mạch DNA mới từ một mạch khuôn ,
có thể tham gia vào quá trình sao chép hay sửa sai.
- DNase: Enzyme phân huỷ liên kết của phân tử DNA.
- Enhancer: Một trình tự CIS, có khả năng đẩy mạnh việc sử dụng một số
promoter ở eukaryote, có thể hoạt động theo cả hai hướng ở bất kì vị trí nào so với
Promote.
- Restriction enzyme - RE (enzyme hạn chế): enzyme nhận biết một trình tự

nucleotide ngắn, chuyên biệt và cắt mạch kép DNA.
- Exon: một phần của một gen gián đoạn (chỉ có ở sinh vật eukaryote), có mặt
trong phân tử RNA trưởng thành.
- Exonnuclease: enzyme cắt rời từng nucleotide một từ đầu cuối của một mạch
polynucleotide chúng có thể đặc hiệu cho đầu 5’ hay 3’ của phân tử DNA hoặc RNA.
- Splipcing (ghép nối): Quá trình loại bỏ các intron và nối các exon ở RNA trong
quá trình trưởng thành sau phiên mã.
- Histon: Các protein kiềm liên kết chặt chẽ với DNA tạo thành các nucleoxom,
cấu trúc được bảo tồn trong quá trình tiến hoá ở eukaryote
- Renaturation (hồi tính): Sự tái bắt cặp của 2 mạch đơn DNA bổ sung cho một
phân tử DNA mạch kép
- Intron: là một đoạn DNA được phiên mã nhưng bị loại bỏ trong quá trình
trưởng thành của RNA, không có mặt ở phân tử RNA trưởng thành.
- IS (insertion sequence - trình tự chèn): Trình tự gắn xen kẽ có kích thước nhỏ ở
vi khuẩn, tương đương với transposon, chỉ mang gen cần gắn xen cho chính nó.
- Hairpin (kẹp tóc): Một vùng xoắn kẹp được hình thành từ sự bắt cặp bổ sung
giữa 2 trình tự bổ sung nằm kề nhau trên một phân tử DNA hay RNA.
- Ligase enzyme nối liền 2 phân tử nucleic acid trong một quá trình tiêu hao
năng lượng. Ví dụ DNA ligase nối liền 2 phân tử DNA thông qua một liên kết
phosphodiester.
- Gentic code (mã di truyền): Sự tương ứng giữa các bộ ba nucleotit trên DNA
(hay RNA) và các amino acid trên mạch polypeptit.
- Primer (mồi): Một trình tự DNA hay RNA ngắn, bắt cặp với một mạch khuôn DNA
và có mang một đầu 3’OH tự do, giúp DNA polymerase bắt đầu tổng hợp mạch mới.
- Monomer: Phân tử đơn vị nhỏ có thể liên kết với các đơn vị phân tử giống nó
để hình thành những phân tử lớn hơn (polymer)
- Chromosome (nhiễm sắc thể): Đơn vị của một bộ gen, chứa nhiều gen. Mỗi
nhiễm sắc thể là một phân tử DNA mạch kép dài liên kết với các protein histon, chỉ
được nhìn thấy rõ vào giai đoạn phân chia của tế bào

6


- Operator: Một đoạn DNA ngắn trên nhiễm sắc thể của vi khuẩn, nơi gắn các
protein điều hoà có chức năng kiểm soát sự phiên mã của các gen lân cận
- Operon: Một đơn vị biểu hiện và điều hoà gen ở vi khuẩn bao gồm các gen cấu
trúc nằm cạnh nhau và các nhân tố điều hoà, các gen cấu trúc này cùng chịu tác động
điều hoà như nhau
- Phage: Viết tắt của bacterio phage (thực khuẩn thể) là các vi rút xâm nhiễm vi
khuẩn.
- Transcription (Phiên mã): sự tổng hợp RNA từ khuôn DNA
- Rever transcription (phiên mã ngược): sự tổng hợp DNA từ mạch khuôn RNA
nhờ enzyme phiên mã ngược
- Plasmide: Một DNA dạng vòng nằm ngoài nhiễm sắc thể và có khả năng tự sao
chép độc lập
- Prokaryote: Sinh vật không có cấu trúc nhân (vi khuẩn và một số nấm bậc
thấp)
- Promoter: Một trình tự trên phân tử DNA, nơi RNA polymerase gắn vào để
khởi động phiên mã
- Purine: một trong hai nhóm hợp chất dạng vòng (có 2 vòng) được tìm thấy ở
nucleic acid (gồm Adenine và Guanine)
- Pyrimidine: một trong hai nhóm hợp chất dạng vòng(có 1 vòng)được tìm thấy
ở nucleic acid (gồm Cytosine, Thyrnine và Uracine)
- RNApolymerase: enzyme tổng hợp RNA từ khuôn DNA
- RNase (Ribonucleazse): enzyme phân giải RNA
- Replicon: đơn vị sao chép của bộ gen có chứa một điểm khởi đầu sao chép
- Thuỷ giải: phản ứng trong đó một liên kết cộng hoá trị bị phá vàkhi có sự kết
hợp một phân tử nước
- Tm (melting temperature - nhiệt độ nóng chảy): là nhiệt độ ở đó có một nửa số
phân tử của trình tự DNA bị biến tính.

- Transposon: một trình tự DNA có khả năng tự gắn xen vào một vị trí mới trên
bộ gen.
- Crossing over (trao đổi chéo): sự trao đổi vật chất giữa các nhiễm sắc thể xảy
ra trong quá trình phân bào giảm nhiễm là tác nhân của sự tái tổ hợp di truyền.
- Maturation ( trưởng thành): quá trình trong đó các RNA vừa được phiên mã
chịu một số biến đổi hoá học để trở thành RNA hoạt động sẵn sàng làm khuôn cho
việc tổng hợp protein.

7


Chương 1
CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC
Để có thể hiểu được các hiện tượng, các quy luật của sự sống và để áp dụng được
các kiến thức của sinh học phân tử vào các ngành CNSH, trước hết cần tìm hiểu về cấu
trúc, chức năng của các đại phân tử sinh học, về mối tương quan giữa chúng trong hoạt
động sống ở tất cả các cấp độ tổ chức: từ phân tử, tế bào đến cơ thể và quần thể. DNA
và protein là những đại phân tử sinh học quan trọng bậc nhất đối với cơ thể sống. DNA
là vật chất mang thông tin di truyền và thông qua protein quyết định toàn bộ đặc tính
cấu trúc và chức năng của cơ thể sống.
Đặc điểm chung:
- Các đại phân tử sinh học như: DNA, RNA, protein, tinh bột…là các chất không
thể thiếu trong cơ thể sống.
- Đặc điểm chung của các đại phân tử sinh học là chúng thường được hình thành từ
những phân tử nhỏ cùng loại (monomer) liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị.
- Sự tương tác giữa các đại phân tử sinh học với nhau sẽ quy định vai trò của
từng thành phần trong một tổng thể thống nhất, hài hoà của một cơ thể sống.
1.1.Các đại phân tử sinh học
1.1.1. Nucleic acid acid
Nucleic acid, vật chất mang thông tin di truyề n của các hê ̣ thố ng số ng, là mô ̣t

polymer hình thành từ các monomer là nucleotide.
Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường pentose (đường 5
carbon) và mô ̣t base nitơ. Các base nitơ thuộc hai nhóm: các purine gồm adenine (A)
và guanine (G), các pyrimidine gồm thymine (T), cytosine (C) và uracil (U). Các
nucleotide được nối với nhau bằng liên kế t phosphodiester ta ̣o thành chuỗi dài.

Hình 1.1. Cấu trúc các loại base nitơ

Hình 1.2. Cấu tạo của đường ribose và deoxyribose
8


Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấ u ta ̣o rấ t giố ng nhau là deoxynucleic acid
(DNA) và ribonucleic acid (RNA).
1.1.1.1. Deoxyribonucleotic acid (DNA)
a. Định nghĩa
DNA là đại phân tử sinh học có cấu trúc đa phân gồm các đơn phân là các
nucleotide.
b. Cấu trúc
* Cấu trúc bậc 1 của DNA (chuỗi polynucleotide)
Cấu trúc bậc 1 của DNA là một chuỗi polynucleotide được tạo thành do các
nucleotide liên kết với nhau.
Mỗi nucleotide được cấu tạo từ ba thành
phần: Một gốc phosphate(PO 4-3), một phân tử
đường 5 cacbon deoxyribose, một trong bốn
loại base nitơ A, T, G, C. Đường deoxyribose
là loại đường pentose chứa 5 nguyên tử các
bon được đánh số từ C1’ đến C5’. Trong phân
tử DNA bị mất một nguyên tử oxy ở cacbon số
2 nên gọi là deoxyribose. Base nitơ là dẫn xuất

của purine (base to có 2 vòng thơm) gồm 2
dạng đồng phân là Adenine (A) và Guanine
(G), dẫn xuất của pyrimidin (base nhỏ có 1
vòng thơm) là Thymine (T) và Cytosine (C)
hoặc Uracine (U) trong RNA. Tính chất của
một nucleotide do tính chất hoá học của base
nitơ quy định nên tên gọi của các nuclotit
thường được đặt tên theo tên gọi của base nitơ.
Nhóm phosphate có thể gồm 1, 2, 3 gốc
phosphate gắn vào vị trí cacbon số 5 của
đường, theo thứ tự lần lượt là α, β và γ.

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc bậc 1 của DNA
Các nucleotide liên kết với nhau bằng liên kết photphodieste, giữa nhóm OH ở
cacbon thứ 3 của base nitơ trước với gốc phosphate ở vị trí cacbon số 5 của nucleotide
kế tiếp. Như vậy chính các nhóm OH ở C’3 và C5’ của các pentose tham gia vào liên
kết phosphodieste. Hai đầu của chuỗi polynucleotide có cấu tạo xác định đầu 5’ chứa
một hoặc 3 gốc phosphate không hoạt động, còn đầu kia 3’ (cácbon số 3) chứa nhóm
OH. Điều này chứng tỏ DNA có hướng hoá học 5’ → 3’ hoặc 3’ → 5’ nhưng hướng
tổng hợp của tất cả các polymerase đều theo chiều 5’ → 3'. Chuỗi polynucleotide thể
hiện số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp của các nucleotide, là cách thức để mã
hoá thông tin di truyền của cơ thể sinh vật.
* Cấu trúc bậc 2:
9


Sợi xoắn kép DNA được xem là cấu trúc bậc 2 của DNA. Watsơn và Crick đã
phát minh ra cấu trúc của DNA là một đại phân tử gồm 2 chuỗi polynucleotide đơn
xoắn vào nhau (dsDNA) theo hướng ngược chiều nhau, theo chiều từ trái sang phải
(xoắn phải- dạng B), mỗi vòng xoắn gồm 10 cặp base, chiều cao vòng xoắn là 34A 0,

vậy chiều cao của một nucleotide là 3,4 A0, đường kính của vòng xoắn là 20A0 .

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc bậc 2 của DNA theo Watsơn và Crick
Các base của hai mạch nằm quay vào trong và liên kết với nhau bằng liên kết
hydro theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với T bằng 2 liên kết hyđro, G liên kết với C
bằng 3 liên kết hyđro. Nhóm phosphate và gốc đường trong mỗi mạch xoay ra ngoài
đảm bảo tính ổn định cho phân tử. Sợi có đầu 3’-OH đối xứng với đầu 5’-P của sợi còn
lại. Mỗi mạch đơn (ssDNA) mang trình tự các base khác nhau cho nên mỗi mạch mang
thông tin di truyền khác so với mạch kia.
Hai mạch của sợi xoắn kép DNA có hai chiều ngược nhau: Một sợi có chiều 3’5’, một sợi có chiều ngược lại là 5’-3’.
* Cấu trúc bậc 3: Sợi DNA kết hợp với histon tạo nên cấu trúc sợi solanoid, cấu
trúc sợi lại được gấp cuộn phức tạp ở dạng siêu xoắn nhiều cấp, sợi nucleosom là cấu
trúc bậc 3 của DNA.
* Cấu trúc bậc 4: Dạng nhiễm sắc thể là cấu trúc bậc 4 của DNA
DNA là vật chất di truyền ở cấp độ phân tử. DNA có chức năng lưu trữ, bảo quản
và truyền đạt thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Các DNA ở eukaryote có đă ̣c điể m khác với DNA prokaryote. Toàn bô ̣ phân tử
DNA prokaryote đề u mang thông tin mã hóa cho các protein trong khi đó DNA của
eukaryote bao gồ m những triǹ h tự mã hóa (các exon) xen kẽ với những triǹ h tự không
mã hóa (intron). Các trình tự mã hóa ở eukaryote nằm trong một khối lớn DNA mà cho
đến nay vẫn chưa rõ tác du ̣ng được gọi là “DNA rác” (junk DNA). Tùy theo mức đô ̣
hiê ̣n diê ̣n của chúng trong nhân, các trình tự DNA đươ ̣c chia làm ba loa ̣i:
- Các triǹ h tự lă ̣p la ̣i nhiề u lầ n: Là những trin
̀ h tự DNA ngắ n (10-200 kb), không
mã hóa, thường tâ ̣p trung ở những vùng chuyên biê ̣t trên nhiễm sắ c thể như ở vùng tâm
đô ̣ng (trình tự CEN - Centrmere) hay ở đầ u các nhiễm sắ c thể (trình tự TELTelomere). Chức năng của các triǹ h tự này chưa rõ, có thể chúng tham gia vào quá
10


trin

̀ h di chuyể n DNA trên thoi vô sắ c (trình tự CEN) hoă ̣c vào quá trình sao chép toàn
bộ phầ n DNA nằ m ở đầ u mút nhiễm sắ c thể (triǹ h tự TEL). Ví du ̣: ở đô ̣ng vâ ̣t có vú
các trin
̀ h tự này chiế m 10-15% genome (hệ gen).
- Các trình tự có số lầ n lă ̣p la ̣i trung biǹ h: Đa da ̣ng hơn và có kích thước lớn hơn
(100 - 1.000 kb) các trình tự lă ̣p la ̣i nhiề u lầ n. Các triǹ h tự này phân bố trên toàn bô ̣
genome. Chúng có thể là những trình tự không mã hóa mà cũng có thể là những triǹ h
tự mã hóa cho rRNA, tRNA và 5S RNA. Ví dụ: ở genome người các trin
̀ h tự này
chiế m 25 - 40 %.
- Các trình tự duy nhấ t: Là các gen mã hóa cho các protein, có trình tự đă ̣c trưng
cho từng gen.
Đặc tính của DNA: DNA có nhiều đặc tính liên quan đến các hoạt động sống của
tế bào. trong đó 2 tính chất quan trọng liên quan đến công nghệ DNA tái tổ hợp (lai
DNA và PCR) là sự biến tính và hồi tính
+ Sự biến tính: Là khả năng sợi kép DNA trong điều kiện nhiệt độ cao gần điểm
sôi hoặc PH < 3 và pH > 10 có thể tách rời thành 2 sợi đơn
+ Sự hồi tính: Khi điều kiện môi trường quay trở lại trạng thái ban đầu từ từ thì 2
sợi đơn DNA lại có thể ghép bổ sung thành sợi kép ban đầu
Sự tồn tại của dạng DNA mạch kép hay mạch đơn được xác định bằng mật độ
quang học: OD (Opitical density). Phương pháp này dựa vào nguyên tắc các base purin
và pirimidin của DNA hấp thụ tia cực tím tối đa ở bước sóng ở 260nm. Giá trị mật độ
quang giảm đi khi phân tử mạch đôi chuyển thành mạch đơn, do các base nitơ nằm
chồng lên nhau trên những mặt phẳng song song nên che lấp lẫn nhau, khiến chúng
hấp thụ ánh sáng ít hơn so với DNA mạch đơn. Ví dụ: OD260 = 50μg/ml dung dịch
DNA sợi đôi khi OD260 giảm xuống 40μg/ml dung dịch DNA sợi đơn.
c. Các dạng cấu trúc của DNA:
DNA cấu trúc dạng B xoắn phải, mỗi vòng xoắn có 10 cặp base nitơ, đường kính
vòng xoắn là 2,0nm.
Cấu trúc phân tử DNA dạng A xoắn phải, mỗi vòng xoắn có 11 cặp base nitơ,

đường kính vòng xoắn 2,6nm.
Phân tử DNA dạng Z xoắn trái, gọi là dạng zigzag, mỗi vòng xoắn có 12 cặp base
nitơ, đường kính vòng xoắn là 1,8nm...Một số loại virus có DNA mạch đơn.

Hình 1.6. Các dạng cấu trúc của DNA
11


Điểm khác biệt DNA của sinh vật prokaryote và Eukaryote là toàn bộ DNA của
prokaryote mang thông tin mã hóa protein, chỉ một phần DNA của sinh vật eukaryote
mã hóa protein.
Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác
nhau và với các RNA tạo thành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA.
1.1.1.2. Ribonucleic acid (RNA):
Phân tử RNA có cấ u tạo tương tự DNA ngoại trừ ba điể m khác biê ̣t sau:
- Phân tử RNA là chuỗi đơn.
- Đường pentose của phân tử RNA là ribose thay vì deoxyribose.
- Thymine (T), một trong bốn loại base hiǹ h thành nên phân tử DNA, đươ ̣c thay
thế bằng uracil (U) trong phân tử RNA.
Cấu trúc và chức năng của RNA có sự biến đổ i rõ rê ̣t. Về cơ bản RNA chỉ là chấ t
mang thông tin di truyề n ở virus, sau đó người ta chứng minh rằ ng nó không những
đóng vai trò cơ bản ở viê ̣c chuyể n thông tin di truyề n mà còn có vai trò cấ u trúc khi ta ̣o
nên phức hê ̣ RNA-protein.
Theo mô ̣t lý thuyết tiế n hóa mà đa ̣i diê ̣n là Eigen, RNA là chấ t mang thông tin di
truyền, thành viên trung gian của sự biểu hiê ̣n gen, thành phần cấ u ta ̣o và là chấ t xúc tác.
Trong tế bào có ba loại RNA chính, có các chức năng khác nhau:
Các RNA thông tin (mRNA): mRNA là bản sao của những trình tự nhất đinh
̣
trên phân tử DNA, có vai trò trung tâm là chuyể n thông tin mã hóa trên phân tử DNA
đế n bô ̣ máy giải mã thành phân tử protein tương ứng. Các mRNA có cấ u trúc đa da ̣ng,

kić h thước nhỏ hơn so với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa cho mô ̣t hoă ̣c vài protein
và chỉ chiế m khoảng 2-5% tổ ng số RNA trong tế bào.
Quá trình chuyể n thông tin đươ ̣c thể hiê ̣n như sau:

Ở E. coli, kić h thước trung biǹ h của một phân tử mRNA khoảng 1,2 kb.
RNA vận chuyển (tRNA): tRNA làm nhiệm vu ̣ vâ ̣n chuyể n các amino acid hoa ̣t
hóa đế n ribosome để tổ ng hợp protein từ các mRNA tương ứng. Mỗi một amino acid
có ít nhất một loại tRNA tương ứng. Các tRNA có cấ u trúc da ̣ng cỏ ba lá. Cấ u trúc này
đươ ̣c ổ n định nhờ các liên kế t bổ sung có mặt trong phân tử tRNA. Hai vị trí không
có liên kế t bổ sung đóng vai trò đă ̣c biê ̣t quan tro ̣ng đố i với chức năng của tRNA:Trình
tự anti codon gồ m ba nucleotide; Trình tự CCA, có khả năng liên kết cô ̣ng hóa tri ̣ với
mô ̣t amino acid đă ̣c trưng.RNA ribosome (rRNA): rRNA là thành phần cơ bản của
ribosome, đóng vai trò xúc tác trong tổ ng hơ ̣p protein.
Tùy theo hê ̣ số lắng rRNA được chia thành nhiề u loa ̣i: ở eukaryote có 28S; 18S;
5,8S và 5S rRNA; còn các rRNA ở E. coli có ba loa ̣i: 23S, 16S và 5S.
rRNA chiếm nhiều nhấ t trong ba loa ̣i RNA (80% tổ ng số RNA tế bào), tiế p đế n
là tRNA khoảng 16% và mRNA chỉ khoảng 2%.
Ngoài ra, tế bào sinh vâ ̣t eukaryote còn chứa những phân tử RNA kích thước nhỏ
của nhân (small nuclear, snRNA) chiếm khoảng <1% tham gia vào ghép nố i các exon.

12


Ribosome của prokaryote
Tế bào được nghiên cứu về ribosome nhiều nhất là E. coli. Ribosome (70S) của
E. coli gồm hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ (30S) và tiểu đơn vị lớn (50S). Căn cứ vào
hệ số lắng, người ta phân biệt ba loại rRNA: 23S rRNA, 16S rRNA và 5S rRNA.
- Tiểu đơn vị 30S chứa: 1 phân tử 16S rRNA (có 1540 rNu) và 21 ribosomal
protein khác nhau.
- Tiểu đơn vị 50S chứa: 1 phân tử 5S rRNA (có 120 rNu), 1 phân tử 23S rRNA

(có 2900 nu) và 34 ribosomal protein.
Hai tiểu đơn vị nhỏ và lớn khi kết hợp với nhau sẽ tạo ra một rãnh ở chỗ tiếp giáp
của chúng để cho mRNA đi qua.
Ribosome của eukaryote
Ribosome của eukaryote (80S) lớn hơn ribosome của prokaryote cũng bao gồm
hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ (40S) và tiểu đơn vị lớn (60S).
- Tiểu đơn vị 40S chứa: 1 phân tử 18S rRNA (có 1900 rNu) và 33 ribosomal
protein.
- Tiểu đơn vị 60S chứa: 3 phân tử rRNA (5S; 5,8S và 28S) và 49 ribosomal
protein.
Tóm lại, tất cả RNA trong tế bào đề u đươ ̣c tổ ng hơ ̣p nhờ enzyme RNA
polymerase. Enzyme này đòi hỏi những thành phầ n sau đây:
- Một khuôn mẫu, thường là DNA sợi đôi.
- Tiề n chấ t hoa ̣t hóa: Bốn loại ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP và
CTP.
Sinh tổng hơ ̣p RNA giống DNA ở mô ̣t số điể m, thứ nhấ t hướng tổ ng hợp là 5’
đến 3’, thứ hai là cơ chế kéo dài giố ng nhau: nhóm 3’-OH ở đầ u cuố i của chuỗi tổ ng
hợp là vi ̣ trí gắ n kế t của nucleoside triphosphate tiế p theo. Thứ ba, sự tổ ng hơ ̣p xảy ra
do thủy phân pyrophosphate.
Tuy nhiên, khác với DNA là RNA không đòi hỏi mồ i (primer). Ngoài ra, RNA
polymerase không có hoa ̣t tính nuclease để sửa chữa khi các nucleotide bị gắ n nhầ m.
Cả ba loa ̣i RNA trong tế bào đươ ̣c tổng hơ ̣p trong E. coli nhờ một loa ̣i RNA
polymerase. Ở đô ̣ng vâ ̣t có vú, các RNA khác nhau đươ ̣c tổng hơ ̣p bằ ng các loa ̣i RNA
polymerase khác nhau.
1.1.2.Protein
1.1.2.1. Khái niệm
Protein là đại phân tử sinh học có cấu trúc đa phân được cấu tạo từ nhiều đơn
phân, các đơn phân để cấu trúc nên protein là các amino acid.
Protein là những chất trùng hợp sinh học có khối lượng phân tử rất lớn đạt tới
hàng 1000 hoặc vài chục ngàn daton (Da), chiếm 80% khối lượng khô của tế bào.

Chúng có cấu tạo phức tạp và có vai trò quyết định trong cơ thể sống.
1.1.2.2. Cấu trúc
- Cấu trúc bậc 1- Chuỗi polypeptid: là trình tự sắp xếp của các amino acid (aa)
trong chuỗi polypeptid. Amino acid là đơn vị cơ sở cấu thành protein. Tất cả 20 amino
13


acid có mặt trong protein đều được xây dựng theo một kiểu mẫu chung, có công thức
tổng quát là:

Trong đó gốc R cũng là phần khác duy nhất giữa 20 loại amino acid. Các aa liên
kết với nhau bằng liên kết peptid tạo thành chuỗi polypeptide- cấu trúc bậc 1 của
protein
Có 4 nhóm aminoacid. Đặc tính của các nhóm này khác nhau bởi gốc R của
chúng, điều này không những có ý nghĩa đối với tính chất hoá học mà cả cấu trúc của
protein.
- Nhóm protein kiềm: Là những protein chủ yếu hình thành từ những amino acid
có tính kiềm
- Nhóm protein acid: Là những protein chứa nhiều amino acid có tính acid, trong
phần gốc có một gốc carboxyl
- Nhóm protein kỵ nước : Khi chiều dài gốc R tăng lên sẽ hình thành các đặc tính
kỵ nước.Có các amino acid trong phần gốc có một gốc amin và một gốc carboxyl.
- Nhóm protein trung tính phân cực: Có nhánh bên thường mang gốc OH. Khi
mới được tổng hợp protein có cấu trúc bậc 1.
- Cấu trúc bậc 2: Là sự uốn các phần của từng chuỗi thành cấu trúc đều đặn trong
không gian theo kiểu dạng xoắn α hay phiến gấp nếp β. Ngoài liên kết peptid, dạng
xoắn α hoặc gấp khúc β còn có liên kết hydro giữa các aa nằm gần nhau. Là dạng trung
gian chuyển tiếp để phân tử protein hình thành nên cấu trúc bậc ba phức tạp hơn.
- Cấu trúc bậc 3:
Chuỗi polypeptit ở dạng xoắn hoặc gấp khúc có thể cuộn lại theo nhiều cách tạo

nên hình thù không gian được gọi là cấu trúc bậc 3 của protein (cấu trúc 3D). Cấu trúc
bậc 3 được tạo nên bởi các liên kết yếu như liên kết ion, liên kết kỵ nước, liên kết
disunphit (giữa 2amino acid có chứa sunfua). Khi có tác động của hoá chất độc hoặc
pH làm thay đổi hình thù 3D (gọi là sự biến tính của protein) làm huỷ hoại chức năng
của protein từ đó dẫn tới trạng thái sinh lý bệnh. Ví dụ như bệnh bò điên, do protein bị
biến đổi từ 3 chuỗi α, 2 chuỗi β thành 2 chuỗi α và 4 chuỗi β nên chúng bị biến đổi cấu
hình là nguyên nhân gây nên bệnh bò điên xốp não. Phân tử protêin bị biến đổi là do
sự đột biến trong gen mã hoá cho prion gây ra.
- Cấu trúc bậc 4: Được hình thành do 2 hoặc nhiều chuỗi polypeptid thành
phần tương tác với nhau tạo nên.
Tuỳ theo cấu trúc bậc 3 và bậc 4 mà người ta phân biệt 2 loại : Protein cầu
(thực hiện nhiều chức năng sinh lý quan trọng như anbumin, enzyme, histon…) và
protein sợi (thường tạo nên các mô nâng đỡ như collagen, keratin…).
Các protein khi kết hợp với các phân tử hữu cơ khác sẽ tạo nên các phân tử phức
tạp hơn như: nucleoprotein, glycoprotein, lypoprotein, chromoprotein…
14


Trong tế bào protein luôn được tổng hợp, phân giải và thay thế. Nhiều dạng
protein có cấu trúc bậc 1 tương tự nhau nhưng có hình thù khác nhau, cùng thực hiện
một chức năng sinh lý được gọi là các protein đồng dạng (izoenzym). Các protein đồng
dạng thường được tập hợp lại thành từng họ protein. Tập hợp tất cả protein trong cơ
thể gọi là hệ protein. Mỗi protein có thể là một hoặc nhiều chuỗi polypeptid. Mỗi
chuỗi polypeptid thường được mã hoá bởi 1 gen (chính xác hơn là 1 mRNA). Các họ
protein được mã hoá bởi 1 họ gen. Cũng vì sự tương đồng và đa hình về protein qua
các quá trình tiến hoá mà các nhà phân loại học phân tử có thể sử dụng phương pháp
so sánh tính đa hình của protein để xác lập cây phát sinh chủng loại của các loài.
Trên cơ sở hiểu biết cấu trúc bậc 1 và cấu trúc không gian của protein trong tế
bào cùng cơ chế hoạt động của protein mà có thể thiết kế protein (bằng công nghệ tin
sinh học) và chế xuất các sản phẩm protein khác nhau để sử dụng trong nhiều ngành:

công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm, công nghệ tẩy giặt …

Cấu trúc bậc 1

Cấu trúc bậc 2
Cấu trúc bậc 3

Cấu trúc bậc 4
Hình 1.7. Các mức độ tổ chức của phân tử Protein

1.1.2.3. Một số chức năng quan trọng của protein
Protein là vật liệu xây dựng nên tế bào và mô. Protein là cơ sở phân tử cho tất cả
các hoạt động sống trong cơ thể, protein có chức năng đa dạng trong cơ thể sống
(Bảng1.1)

15


Bảng 1.1 Chức năng của protein trong cơ thể
STT

Loại protein

1

Protein enzyme

2

Điều hoà các hoạt động

sinh lý. Điều khiển các
Protein
điều protein khác thực hiện Insulin điều khiển nồng độ đường
khiển Protein chức năng sinh học; glucoza trong máu
điều khiển biểu hiện Repressor đình chỉ sự phiên mã mRNA
hoocmon
gen: Như đình chỉ sự
phiên mã...

3

- Hemoglobin chứa trong hồng cầu động
Vận chuyển các chất vật có xương sống có vai trò vận chuyển
vận
sinh học từ vị trí này oxy từ phổi qua dòng máu đến các tế bào
sang vị trí khác
- Các protein đặc hiệu vận chuyển
glucose, amino acid qua màng tế bào

Protein
chuyển

Chức năng

Ví dụ

Xúc tác sinh học làm Các enzyme thuỷ phân trong dạ dày phân
tăng nhanh và chọn lọc giải thức ăn, các enzyme trong phôi hạt
các phản ứng sinh hoá phân giải nội nhũ...

- Ovalbumin lòng trắng trứng là nguồn
Dự trữ nguồn amino cung cấp axitamin cho phôi phát triển
acido acid
- Trong hạt của cây có chứa nguồn
protein dự trữ cần thiết cho hạt nảy mầm.

4

Protein dự trữ

5

Làm cho tế bào có khả Actin, miozin có vai trò vận động cơ
Protein
vận
năng vận động, phân Tubulin có vai trò vận động lông roi, là
động và co rút
chia và co cơ
thành phần cơ bản của thoi vô sắc...

6

Protein cấu trúc

Keratin là protein không tan cấu tạo nên
tóc, sừng và móng; Keratin là thành phần
Tạo độ chắc và bảo vệ cơ bản của kén tằm
tế bào và mô
Collagen là protein hình sợi có trong
xương. Một số protein cấu tạo nên màng

sinh học

7

Protein bảo vệ

Phytochelain giải độc do kim loại nặng
Bảo vệ cơ thể, chống
Interferon chống virut, kháng thể chống
bệnh tật, tạo phản ứng
vi sinh vật gây bệnh
miễn dịch
Thrombin làm đông máu…

8

Protein
lai

ngoại

Glue protein là loại protein có ở họ keo
cho phép nó gắn chặt lên bề mặt (Ngọc
trai)

1.1.3. Lipit
Mặc dù không mang hoạt tính sinh học cao như protein nhưng lipid cũng đóng
một vai trò đặc biệt trong hệ thống sống. Chúng là nhân tố chính tạo nên các màng
sinh học mà nếu thiếu thì mọi hoạt động của protein sẽ không thể phối hợp nhịp nhàng.
16

Đơn vị cấu trúc của lipid là các acid béo. Mỗi acid béo được cấu tạo từ một mạch
carbohydrate (gồm các nguyên tử C và H) gắn với một nhóm carboxyl có tính acid.
Các acid béo khác nhau bởi độ dài của chúng, bởi số lượng và vị trí các liên kết đôi.
Các acid béo không có liên kết đôi được gọi là các acid béo bão hòa, các acid béo
không bão hòa có ít nhất một liên kết đôi.

Hình 1.8. Sơ đồ biểu diễn của kháng thể và kháng nguyên.
a: kháng thể gồm 4 chuỗi polypeptide.
b: kháng thể kết hợp với kháng nguyên.
c: kết hợp giữa kháng nguyên và kháng thể.

Màng sinh học có chức năng là giới hạn những vùng trao đổi chất và tham gia
vào việc vận chuyển các chất. Màng sinh học cũng có khả năng chuyển đi những tín
hiệu. Protein màng cũng có thể là các enzyme. Chức năng này được thể hiện ở màng
trong của ty thể và lạp thể. Màng sinh học bao gồm lớp kép lipid với những protein
phân bố ở trong đó (hình 1.6).
Các lipid màng được hình thành từ một chuỗi dài acid béo nối với những nhóm
có đặc tính ưa nước cao và được gọi là những phân tử lưỡng cực vì một đầu tương tác
với nước, còn đầu kia thì kỵ nước.

Hình 1.9. Sơ đồ biểu diễn một đoạn cắt của màng sinh học
17


1.1.4. Polysaccharide
Polysaccharide là đại phân tử được cấu tạo từ các đơn phân là monosaccharide
liên kết với nhau bằng liên kết glucoside tạo thành chuỗi polysaccharide.
Các polysaccharide có nhiều chức năng quan trọng trong tế bào, chúng tham gia

vào cấu tạo tế bào và là nguồn dự trữ năng lượng chủ yếu.
Các polysaccharide được hìnhthành từ nhiều monomer, là các đường đơn giản
(monosaccharide) nối với nhau bằng liên kết glycoside. Liên kết này được hình thành
từ sự kết hợp giữa C1 của một phân tử đường với nhóm hydroxyl của phân tử kế tiếp.
Polysaccharide gồm nhiều loại, trong đó điển hình và chiếm khối lượng lớn là
tinh bột, celullo (ở thực vật) và glycogen(ở động vật).
Nguồn dự trữ tinh bột ở các tế bào động vật là glycogen, trong khi đó ở thực vật
là tinh bột. Một polymer khác của glucose là cellulose thì tạo nên thành tế bào thực vật
và là hợp chất hữu cơ hiện diện nhiều nhất trong sinh quyển.
Chúng ta vừa điểm qua riêng rẽ từng thành phần cấu tạo tế bào chính. Trong thực
tế, hoạt động của chúng phối hợp mật thiết với nhau. Các nucleic acid trong tế bào
thường kết hợp chặt chẽ với các protein tạo thành nucleoprotein. DNA của tế bào
eukaryote thì được bọc bởi những protein đặc hiệu là các histone. Màng tế bào cũng
không phải chỉ có phospholipid, chính các protein gắn trong màng đã tạo ra những đặc
trưng riêng của màng sinh học. Một điểm cần lưu ý là nếu như cấu trúc và các tính
chất hóa lý của nucleic acid, lipid và polysaccharide tương đối đồng nhất thì các
protein lại hết sức đa dạng cả về cấu trúc và chức năng. Một phân tử protein thường
bao gồm nhiều vùng mang những đặc tính khác nhau: vùng ưa nước hay kỵ nước,
vùng gắn một đường, vùng có hoạt tính xúc tác, vùng liên kết với nucleic acid hay với
một protein khác. Từ mỗi chức năng của tế bào,từ sự hình thành vật chất mang thông
tin di truyền, truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hóa năng lượng, sự liên lạc giữa
các tế bào...đều có sự tham gia của các protein. Điều kỳ diệu của sự sống là toàn bộ
các hoạt động vô cùng đa dạng ấy được thực hiện bởi một phân tử duy nhất.
1.2. Liên kết hoá học trong hệ thống sinh học
1.2.1. Khái niệm và đặc điểm chung
Liên kết hoá học là lực hút giữa hai nguyên tử lại với nhau. Tổ hợp giữa nguyên
tử có kích thước xác định sẽ hình thành lên một phân tử. Các nguyên tử trong một
phân tử liên lạc được với nhau là do lực liên kết cộng hoá trị quyết định. Lực liên kết
là năng lượng cần thiết để phá vỡ nó.
Có 2 loại liên kết là liên kết cộng hóa trị (có lực liên kết mạnh) và liên kết hóa

học yếu (có lực liên kết yếu). Liên kết giữa các đơn vị thành phần của một phân tử chủ
yếu là do liên kết cộng hóa trị, còn liên kết hóa học yếu lại đóng vai trò quan trọng
trong việc tạo lên các cấu trúc với những phân tử khác, tạo thành một thể thống nhất
hài hòa, có trật tự nhất định.
* Xếp loại các liên kết hoá học: Dựa trên 3 đặc trưng chính sau đây:
- Lực liên kết mạnh hay yếu, ví dụ nếu là liên kết cộng hóa trị thì có lực liên kết
mạnh, bền vững và khó phá vỡ.
- Liên kết yếu, dễ bị phá vỡ, tồn tại thời gian ngắn. Chỉ khi kết thành khối nhóm
mới có thể tồn tại được lâu dài.
18


- Năng lượng dùng để phá vỡ hoặc hình thành một liên kết cộng hoá trị cần phải
lớn, ví dụ muốn phá vỡ liên kết C-C thường cần 58,6 Kcal/mol, trường hợp muốn
phávỡ liên kết C - C trong phân tử ethane thì phải cần tới 83 Kcal/mol. Trong khi đó
phá vỡ liên kết yếu chỉ cần từ 1 - 5 Kcal/mol, ở nhiệt độ sinh lý 37oC của người cũng có
thể phá vỡ được nhiều liên kết hóa học yếu.
Số lượng liên kết: Trong liên kết cộng hóa trị, số lượng liên kết hóa học tối đa của
một nguyên tử có thể tham gia được gọi là hóa trị, thí dụ oxy hóa trị 2, trong khi đó liên
kết hóa học yếu có số liên kết ngoài tùy thuộc vào số lượng nguyên tử ra còn phụ thuộc
vào mức độ tiếp xúc với nhau về không gian ví dụ như liên kết Vander waals.
Góc liên kết: Góc liên kết cộng hóa trị thường có góc cố định, còn liên kết yếu,
thì góc liên kết thường hay thay đổi.
1.2.2. Một số loại liên kết hoá học yếu
1.2.2.1. Liên kết hydro
- Là tương tác giữa một nguyên tử mang điện tích âm (gọi là nguyên tử nhận A)
với một nguyên tử hydro nằm trong một nối cộng hóa trị với nguyên tử khác (gọi là
nguyên tử cho D).
Ví dụ N trong liên kết N-H và O trong liên kết O-H là những nguyên tử cho
chính:

D – H+ ↔ D-H…A
- Liên kết cộng hóa trị giữa D và H phải là liên kết phân cực và đám mây điện tử
của A phải mang những điện tử không liên kết và có khả năng thu lực điện tích δ+ của
H.
- Năng lượng để phá vỡ liên kết này là khoảng 5Kcal/mol.
- Các nguyên tử H, nguyên tử cho D và nhận A đều xếp thành một đường thẳng.
- Trong hệ thống sống có 4 loại liên kết H là:
+ Giữa O với H của 2 nhóm peptide.
+ Giữa O với H của 2 nhóm hydroxyl.
+ Giữa O với H của gốc Carboxyl và OH của tyrosine.
+ Giữa O với H của nhóm Carboxyl mang điện tích với amin
Nhờ liên kết hydro mà các phân tử mang chúng dễ hoà tan được ở trong nước
do liên kết hydro giữa chúng với phân tử nước.
- Phân tử nước chiếm chủ yếu của vật chất sống luôn hình thành một mạng lưới
tứ diện đều đặn dù ở trạng thái rắn hay lỏng (Hình 1.7).

Hình 1.10: Mạng lưới tạo ra từ các phân tử nước
19