TR

ƯỜ

NG

ĐẠ

I

H

Ọ

C

Y

KHOA

HU

ẾBỘ MÔN DI TRUYỀN Y HỌC

2007
CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ

1. DNA (desoxyribonuclic acid) 1

Nucleic acid 1
DNA (desoxyribonuclic acid) 2
Cấu trúc 2
Các dạng cấu trúc không gian của DNA 3
Sự biến tính (denaturation) và hồi tính
(renaturation) của DNA 4
DNA trong tế bào 5 Bộ gene của prokaryote 5
Bộ gene của eukaryote 6
Phân loại DNA 6
Gene nhảy 8
Gene 10
Câu hỏi ôn tập 11
Câu hỏi trắc nghiệm 11
2. CHỨC NĂNG CỦA DNA 13


mRNA (RNA thông tin) 30 Quá trình tự nhân đôi của DNA ở
eukaryote 21
Cơ chế sửa sai DNA 23
Cơ chế sửa sai DNA trong quá trình tự
nhân đôi 23
Cơ chế sửa sai DNA ngoài quá trình tự
nhân đôi 24
Câu hỏi ôn tập 24
Câu hỏi trắc nghiệm 24
Ribozyme và khả năng tự cắt (self-
Splicing) 30
Câu hỏi ôn tập 30
Câu hỏi trắc nghiệm 30 5. QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ (TRANSCRIPTION) 33

Quá trình phiên mã ở prokaryote 33
Giai đoạn mở đầu 33
Giai đoạn kéo dài 34
Giai đoạn kết thúc 35
Quá trình phiên mã ở eukaryote 37

Giai đoạn mở đầu 37
7. QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ VÀ ĐIỀU HOÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN 51

Quá trình dịch mã 51
Gắn amino acid vào tRNA 51
Ribosome 51
Các giai đoạn của quá trình dịch mã 52
Polysomes 55
Điều hoà sự biểu hiện của gene 56
Điều hoà sự biểu hiện của gene ở
prokaryote 56
Điều hoà sự biểu hiện của gene ở
eukaryote 58
Kiểm soát quá trình phiên mã 59Kiểm soát sự biểu hiện của gene thông qua
quá trình hoàn thiện mRNA 60
Kiểm soát sự biểu hiện của gene thông qua
sự hằng định của RNA 60
Quá trình làm im lặng RNA (RNA
silencing) 60
Kiểm soát quá trình dịch mã và sau dịch
mã 61
Câu hỏi ôn tập 62
Câu hỏi trắc nghiệm 62
b
1.

DNA
(desoxyribonuclic
acid)

Mục tiêu

1. Trình bày được:

- Cấu trúc cơ bản của một nucleotide

- Cấu trúc của DNA, các loại DNA, gen nhảy

- Cấu trúc cơ bản của gene ở prokaryote và eukaryote

2. Phân biệt được bộ gene của prokaryote và eukaryote
NUCLEIC ACID


CU TRC
H
ỗnh

2
xon di 34 . (hỡnh 2 v 3)Phõn t ADN l mt chui xon
kộp gm hai mch n, mi mch n l
mt chui polynucleotide. Mi
nucleotide gm (1) nhúm phosphate, (2)
ng deoxyribose (C
5H10O4) v (3)
mt trong bn loi base (A, T, G v
C)(hỡnh 2).

Hai chui polynucleotide kt hp
vi nhau nh cỏc liờn kt hydro hỡnh
thnh gia cỏc base ca hai mch theo
nguyờn tc b sung gia mt bờn l
purine (A v G) v mt bờn l pyrimidine
(C v T) trong ú A b sung vi T bng
hai liờn kt hydro, G b sung vi C bng
ba liờn kt hydro to nờn mt cu trỳc
gm hai chui polynucleotide xon
quanh mt trc thnh hỡnh lũ xo vi
ng kớnh khong 2nm v mi bc
Hỡnh 3: Cu trỳc ca mt on DNA



CÁC DẠNG CẤU TRÚC KHÔNG GIAN CỦA DNA

Mô hình trên của DNA được mô tả ở trên do Watson và Crick đưa ra năm 1953
và được công nhận như là một cấu trúc duy nhất của DNA trong một thời gian dài.
Vào thập niên 70, với sự hỗ trợ của các kỹ thuật phân tích chính xác nhiều dạng DNA
đã được phát hiện. Việc phân định các dạng DNA được thực hiện dựa trên 2 chỉ số :

- h: chiều cao giữa hai nuceotide kế nhau

- n: Số cặp nucleotide trong một vòng xoắn

Một số dạng DNA được liệt kê trong bảng dưới đây:

Dạng
Số cặp base của
một vòng xoắn
(n)
Góc xoắn so
với mặt phẳng
của base (độ)
khoảng cách
h giữa 2 base
kế nhau (A
o
)
Đường kính


12

- 30,0 3,71

18

Dạng DNA mà Watson và Crick mô tả là dạng B, dạng phổ biến nhất, tồn tại
trong điều kiện sinh lý bình thường. Các dạng khác xuất hiện ở những điều kiện độ ẩm
và ion khác nhau. Dạng Z có chiều xoắn ngược về phía bên trái theo hình zigzag nên
gọi là dạng Z. Các dạng DNA khác nhau cho thấy DNA trong tế bào sống không tồn
tại với một dạng duy nhất mà tuỳ trạng thái sinh lý có thể ở dưới dạng này hay dạng
khác.(hình 4) 3 Hình 4: Các dạng DNA

SỰ BIẾN TÍNH (DENATURATION) VÀ HỒI TÍNH (RENATURATION) CỦA
DNA

Hai mạch đơn của phân tử DNA gắn với nhau thông qua các liên kết hydro yếu.
Các tác nhân làm đứt gãy các liên kết này như khi đun nóng phân tử DNA ở nhiệt độ
khoảng 80 - 95
o
4
DNA TRONG TẾ BÀO

Tất cả các sinh vật có cấu tại tế bào, ty thể, lạp thể đều chứa DNA mạch kép. Các
virus có bộ gene đa dạng gồm RNA hoặc DNA mạch đơn hoặc mạch kép. Bảng dưới
đây giới thiệu chiều dài bộ gene đơn bội căn cứ theo số cặp base của các nhóm sinh
vật chính như sau:

Sinh vật Số cặp base
Virus 10
3

đến 10
5Vi khuẩn E. Coli

4,5 x 10
6

Nấm men 5 x 10
7
Bộ gene của vi khuẩn E. Coli và đa số các sinh vật prokaryote đều là một phân tử

DNA

có dạng vòng và không gắn với protein để tạo thành nhiễm sắc thể như ở

eukaryote. (tuy nhiên khái niệm nhiễm sắc thể hiện nay cũng được dùng cho cả vi
khuẩn và được hiểu là sợi DNA). (hình 6)

Ở prokaryote, DNA thường ở dạng siêu xoắn với DNA mạch kép xoắn vặn thành
hình số 8. Đây là dạng tự nhiên trong tế bào vi khuẩn, sợi DNA được các phân tử RNA
nối giúp cuộn xoắn và làm cho chiều dài phân tử được rút ngắn đáng kể. Tình trạng
siêu xoắn này có thể thay đổi thuận nghịch dước tác động của các enzyme DNase hoặc
RNase. Ngoài ra DNA có thể ở dưới dạng vòng tròn hoặc dạng thẳng.


bp vói một phân tử histone
trung gian (H1). Các histone
H
çnh

7:

Nucleosome

liên kết với phân tử DNA nhờ các liên kết ion hình thành giữa các nhánh bên mang
điện tích âm của các histone với các nhóm phosphate mang diện tích dương của DNA.
(hình 7)

Sợi và quai chromatin
Khoảng 6 nucleosome cuộn lại thành một solenoid đường kính khoảng 30nm, các
solenoid cuộn lại thành các quai chromatin (chromatin loop) đường kính khoảng
300nm, mỗi quai chromatin có khoảng 100.000 bp (100 kb). Bằng cách này DNA có
thể giảm chiều dài xuống khoảng 1/10.000 lần so với chiều dài của nó trước khi cuộn
xoắn. (hình 8)

Chất dị nhiễm sắc
Các quai chromatin tiếp tục cuộn xoắn với đường kính khoảng 700nm.

Nhiếm sắc thể
Ở kỳ giữa của quá trình phân bào chromatin cuộn xoắn ở mức độ tối đa tạo nên
NST với đường kính khoảng 1.400nm.

PHÂN LOẠI DNA

Ở eukaryote mặc dù DNA mang thông tin mã hóa cho các protein nhưng trong
7
DNA vệ tinh (satellite DNA)
Loại DNA này chiếm khoảng 10% genome và tập trung ở một số vùng nhất
định trên NST, ở đó chúng sắp xếp nối đuôi nhau, cái này tiếp theo cái kia. DNA vệ
tinh được chia thành 3 loại nhỏ:

- DNA vệ tinh alpha: có kích thước 171 bp, lập đi lập lại nhiều lần với
chiều dài hàng triệu bp hoặc hơn. Loại này được thấy cạnh tâm động của
NST.

- DNA tiểu vệ tinh (minisatellite DNA): có kích thước từ 14 - 500 bp, lập
đi lập lại với chiều dài khoảng vài ngàn bp.

- DNA vi vệ tinh (microsatellite DNA): có kích thước từ 1 - 13 bp, lập đi
lập lại với tổng chiều dài không quá vài trăm bp.

Hai loại DNA tiểu và vi vệ tinh có sự khác nhau rất lớn trong chiều dài giữa
người này với người khác và điều này làm chúng trở nên rất hữu ích trong việc lập bản
đồ gene. DNA tiểu vệ tinh và vi vệ tinh được gặp với tần số trung bình là 1 trên mỗi
2 kb trong genome và chúng chiếm khoảng 3% genome.

DNA lập lại rải rác
Loại DNA này chiếm khoảng 45% genome, gồm 2 loại:

- Các yếu tố rải rác có kích thước ngắn (SINEs: short interspersed elements):
kích thước từ 90 - 500bp.

- Các yếu tố rải rác có kích thước dài (LINEs: long interspersed elements):

vị trí này sang vị trí khác trên DNA. Các IS có kích thước khoảng 1 - 2 kb với trình tự
trung tâm đặc trưng cho từng loại IS, ở hai đầu là hai trình tự ngắn với khoảng 50 bp
giống nhau nhưng có chiều ngược nhau gọi là đoặn lặp nghịch hướng (inverted
repeat) ở phía trong và hai trình tự ngắn giống nhau với khoảng 5 - 11 bp nhưng
cùng chiều với nhau nên được g
ọi là đoạn lặp đồng hướng (direct repeat). Các IS
không mã hoá cho protein và chỉ được phát hiện thông qua hậu quả của nó trên vi
sinh vật. (hình 10) Hình 10: Sơ đồ của một trình tự gắn xen (IS: insertion sequence)
Transposon
Hình 11: (a)Transposon có nguồn gốc từ DNA; (b) Transposon có nguồn gốc từ retrovirus

9
Gene nhảy ở động vật và thực vật chúng được gọi là transposon, có kích thước
lớn hơn IS. Transposon cũng có hai đầu là hai trình tự giống nhau nhưng ngược chiều
nhau. Phần trình tự trung tâm ngoài các gene sẽ được gắn xen còn có các gene mã hoá
cho các enzyme cần thiết cho quá trình này.

Phần lớn các transposon của eukaryote có nguồn gốc từ RNA. Các RNA được
gắn xen vào bộ gene theo cách của các retrovirus vì vậy chúng còn được gọi là
retroposon. Các retroposon gồm hai loại chính căn cứ vào nguồn gốc: (1) Nhóm có
nguồn gốc từ các DNA của tế bào; (2) Nhóm có nguồn gốc từ retrovirus. (hình 11)

đoạn intron do làm tăng thêm chiều dài của gene sẽ tạo thuận lợi cho sự tái sắp xếp của
các gene trên cặp NST tương đồng qua quá trình trao đổ
i chéo trong giảm phân hoặc
ảnh hưởng đến thời gian nhân đôi và phiên mã của DNA. (hình 12)

Cấu trúc phổ biến của một gene ở eukaryote gồm có ba vùng:

1. Vùng 5' không phiên mã, mang các trình tự có nhiệm vụ điều hoà biêíu hiện
của gene và các trình tự hoạt hoá hoạt động phiên mã.

2. Vùng sẽ phiên mã gồm các đoạn intron và exon.

3. Vùng 3' không phiên mã có chức năng chưa rõ. 10
CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Mô tả cấu trúc của một đơn phân của nucleic acid ?

2. Mô tả cấu trúc hoá học và không gian của DNA ?

3. Thế nào là sự biến tính, hồi tính của DNA ?

4. Mô tả các đặc điểm cơ bản của DNA ở prokaryote ?

5. Mô tả các đặc điểm cơ bản của DNA ở eukaryote ?

6. Ở eukaryote, làm thế nào để các phân tử DNA có thể nằm gọn trong nhân tế bào
ở kì trung gian ?

A. Thymine (T), cytosine (C) và uracyl (U) B. Adenine (A) và uracyl (U)

C. Guanine (G) và cytosine (C) D. Adenine (A) và guanine (G)

E. Adenine (A)và thymine (T)

3. Hai chuỗi polynucleotide kết hợp với nhau nhờì các liên kết (C: cộng hóa trị,
H: hydro; P: phosphodiester) hình thành giữa các base của hai mạch theo nguyên
tắc bổ sung trong đó A bổ sung với T bằng (2: hai liên kết hydro; 3: ba liên kết
hydro), G bổ sung với C bằng (2: hai liên kết hydro; 3: ba liên kết hydro) tạo
nên một cấu trúc gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn quanh một trục.

A. H, 3,2 B. P, 2, 3 C. C, 2, 3 D. H, 2, 3 E. P, 3, 2

4. Tổng chiều dài của toàn bộ phân tử DNA có trong một tế bào lưỡng bội của người
là bao nhiêu ?

A. 1 mét B. 2 mét C. 3 mét D.4 mét E. 5 mét

11
5. Mỗi mạch đơn là một trình tự nucleotide có định hướng với một đầu là đầu
( 5'; 3') phosphate tự do, đầu kia có nhóm OH ở vị trí (C5 ; C3) gọi là đầu
(5', 3') hydroxyl tự do.

A. 3'; C3,5' B. 5'; C5,3' C. 3'; C5,5' D. 5'; C3,3' E. 5'; C3,5'

6. Hai mạch đơn của phân tử DNA gắn với nhau thông qua các liên kết (P:
phosphodiester; H: hydro). Các tác nhân làm đứt gãy các liên kết này như khi đun
nóng phân tử DNA ở nhiệt độ khoảng 80 - 95o C sẽ làm cho hai mạch tách rời
nhau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng (B: biến tính; T: thoái hoá) của


B. Gồm các gene mã hoá cho các protein. Phần mã hóa cho protein chỉ chiếm
một phần nhỏ trên loại DNA này phần lớn còn lại là các intron hoặc là các
đoạn DNA nằm xen giữa các gene.

C. Các đoạn DNA này chỉ được thấy một lần duy nhất (hoặc vài lần) trong
genome

D. A và C đúng E. A, B và C đều đúng
ĐÁP ÁN

1. A 2. D 3. D 4. B 5. D 6. C 7. B 8. D 9. E 12
2.
CHỨC

NĂNG

CỦA


Mỗi protein được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide. Mỗi chuỗi
polypeptid được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc cơ bản là các acid amine. Cơ thể có 20
loại acid amine khác nhau, trình tự của các acid amine này trong chuỗi polypeptide
được DNA quy định.

Mỗi acid amine được mã hóa bởi ba nucleotide kế nhau trên DNA, ba nucleotide
này được gọi là một codon. Với 4 loại nucleotide khác nhau sẽ có 64 codon khác nhau
bởi thành phần và trật tự của các nucleotide (do protein được tổng hợp trực tiếp trên
RNA thông tin, do đó các nucleotide A, U, G và C được sử dụng để minh hoạ các mã
bộ ba) , trong số này có 3 codon kết thúc (stop codon) UAA, UAG và UGA có nhiệm
vụ báo hiệu chấm dứt việc tổng hợp chuỗi polypeptide. Trong số 61 mã còn lại có
nhiều codon cùng mã hóa cho 1 acid amine, hiện tượng này được goi là hiện tượng
thoái hóa mã (degeneration) (bảng 1).

Mã di truyền có tính đồng nhất cho toàn bộ sinh giới trừ một số ngoại lệ đối với
các codon ở ti thể. Ở DNA của bào quan này có một số codon mã cho các acid amine
khác với nghĩa của các codon này trên DNA trong nhân.

Ở ty thể:

- UGA mã cho tryptophan thay vì báo hiệu chấm dứt việc tổng hơp protein.

- AGA và AGG không mã cho arginine mà báo hiệu chấm dứt tổng hợp
protein.

- AUA mã cho methionine thay vì mã cho isoleucine.

Ser

STOP

STOP
U

L

Ser

STOP

Trp

C

L

Pro

His

Arg

C

L

Pro


IlThr

Asn

Ser

A

IlThr

Asn

Ser

A

IlThr

Lys


Gly

G

V

Ala Glu Gly
KHẢ NĂNG NHÂN ĐÔI CHÍNH XÁC

Mô hình DNA cho phép phân tử DNA nhân đôi một cách chính xác dựa trên
nguyên tắc bổ sung theo kiểu bán bảo tồn.
VË

TRÊ

1

VË

TRÊ

2

VË

TRÊ

UC
AGUCAGU
eine;

Gln:

glutamine;
Gla:

glutami
c
acid;

Gly:

glycine;

His:

histidine;

Ile:

isoleucine;

Leu:
leuci
ne;

Lys:
ly
sine;
TIỀM NĂNG TỰ SỬA CHỮA

Cấu trúc của DNA tạo cho DNA có tiềm năng sửa chữa các sai sót trong cấu trúc.
Những sai sót xảy ra trên DNA trong quá trình tự nhân đôi hoặc khi không nhân đôi
đều được cắt bỏ và thay thế để đảm bảo tính ổn định và đặc trưng của phân tử DNA.

KHẢ NĂNG ĐỘT BIẾN

Bên cạnh tính ổn định, phân tử DNA vẫn có thể xảy ra biến đổi gây ra các biến dị
di truyền, những biến đổi này sẽ làm thay đổi tính chất của gene và góp phần thúc đẩy
sự tiến hoá.
14
CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Thông tin di truyền được mã hoá như thế nào trên gene ?

2. Hãy nêu các đặc điểm của mã di truyền ?

3. Thế nào là hiện tượng thoái hoá mã ?

4. Nêu những điểm khác nhau cơ bản trong mã di truyền trên DNA ở trong nhân và
trong ti thể.

10
C. 4
10
D. 40 E. 4. 10
24. Acid amine nào dưới đây chỉ được mã hoá bởi mộüt codon duy nhất:

A. Methionine
B. Tryptophan C. Lysine
D. Arginine
E. Valine

ĐÁP ÁN

1. D 2. C 3. C 4. A


- Cơ chế tự nhân đôi DNA ở prokaryote và eukaryote ở mức cơ bản

- Cơ chế tự sửa sai DNA
TỰ NHÂN ĐÔI Ở PROKARYOTE

Quá trình tự nhân đôi của DNA là một quá trình phức tạp. Ở prokaryote quá trình
này gồm những bước sau:

TÁCH RỜI HAI MẠCH ĐƠN CỦA PHÂN TỬ DNA

Quá trình tự nhân đôi bắt
đầu từ một điểm xuất phát gọi
là điểm ori (origine) và triển
khai về cả hai phía. Toàn bộ
DNA dạng vòng
của prokaryote là một
đơn vị sao chép duy nhất.
Mỗi đơn vị sao chép được gọi
là replicon và do đó
bộ

gene của
prokaryote chỉ gồm có một
replicon duy nhất.

Đầu tiên các phân tử
protein được gọi là các protein


Dưới tác dụng của enzyme helicase trên DNA mẹ sẽ hình thành một chẻ nhân đôi
(replication fork) để tiến hành quá trình sao chép trên hai mạch khuôn của DNA.

Một loại enzyme protein khác cần thiết cho việc tháo xoắn của DNA là DNA
gyrase một loại enzyme topoisomerase. Enzyme này sẽ chạy trước chẻ ba sao mã
để giúp tháo cấu trúc xoắn của DNA. (hình 2) Hình 2: Tách rời hai mạch của chuỗi xoắn kép DNA

TỔNG HỢP ĐOẠN MỒI (PRIMER) RNA

Để enzyme DNA polymerase có thể tổng hợp DNA, trước tiên phải có một đoạn
mồi RNA ngắn được tổng hợp nhờ một phức hợp protein gọi là primosome.
Primosome bao gồm nhiều protein và một enzyme tổng hợp RNA dựa trên khuôn
DNA gọi là primase. Nhờ sự có mặt của đoạn mồi RNA này mà enzyme DNA
polymerase mới có thể tiếp tục nối dài chuỗi polynucleotide để phục vụ cho quá trình
nhân đôi của DNA. (hình 3)

TỔNG HỢP CÁC MẠCH MỚI TRÊN KHUÔN DNA

Trong quá trình tổng hợp DNA, enzyme DNA polymerase luôn luôn di chuyển
từ đầu 3' đến đầu 5' và mạch mới luôn luôn được tổng hợp theo chiều từ 5' đến
3'. Enzyme DNA polymerase xúc tác đến đâu thì các protein SSB sẽ được giải
phóng khỏi mạch khuôn DNA đến đó. Có hai loại DNA polymerase tham gia: (1)
DNA polymerase III tổng hợp DNA mới dựa trên nguyên tắc bổ sung; (2) DNA

bổ sung. (hình 5)

Trong quá trình tồng hợp các loại nucleosid triphosphat ATP, GTP, TTP, CTP
giàu năng lượng sẽ đến bắt cặp với các nucleotide trên mạch khuôn DNA theo nguyên
tắc bổ sung dưới tác dụng của DNA polymerase III. Các nucleotide mới sẽ được
enzyme này gắn với đầu 3' OH của mạch đang được tổng hợp.

DNA polymerase sẽ tổng hợp mạch mới bằng cách trượt trên mạch khuôn cho
đến khi gặp đoạn mồi RNA phía trước thì dừng lại. DNA polymerase I nhờ hoạt tính
exonuclease 5' → 3' sẽ cắt bỏ đoạn mồi RNA và lắp các nucleotide của DNA vào chỗ
trống và polymer hoá theo hướng 5' → 3' để tạo nên một đoạn DNA ngắn với 10
nucleotide, đoạn này hở hai đầu và sẽ được nối với mạch trước và mạ
ch sau nó bằng 18
enzyme ligase. (hỡnh 5)



H
ỗnh

4:Qua
ù
trỗnh
ỷ
tổ

nhỏn

õọi
trón

hai

ma
ỷ
ch


ỷ
c
(
m
ỷ
ach
t
r
ù
ổồ
c)
va
ỡ
m
ỹ
ọ
t
m
ỷ
ach

õổồ
ỹ
c
tọ
ứ
ng

hồ
ỹ



g
ừù
n

c
achu
ự
ọ
i
DNA

polynucleotide
laỷ
i
ù
vồ
i
nhau

nhồ
ỡ
enzyme

DNA
ligase.


Hình 6: Quá trình tự nhân đôi của DNA ở prokaryote

QUÁ TRÌNH TỰ NHÂN ĐÔI CỦA DNA Ở EUKARYOTE

Do tế bào eukaryote có bộ gene lớn hơn nhiều và DNA kết hợp với protein để tạo
thành nhiễm sắc thể nên quá trình tự nhân đôi của DNA ở eukaryote diễn ra phức tạp
hơn và chậm hơn (khoảng 50 nucleotide/giây). (hình 7)

Quá trình nhân đôi được thực hiện tại nhiều replicon nghĩa là có nhiều điểm ori
cùng lúc tham gia vào quá trình này và sự nhân đôi cũng lan ra cả 2 phía như ở
prokaryote. Tế bào kiểm soát cơ chế này một cách chặt chẻ, mỗi điểm ori chỉ được
phép thực hiện một lần tự nhân đôi.

Các DNA polymerase ở eukaryote gồm có:

- Polymerase α/primase có nhiệm vụ tổng hợp mồi RNA cho mạch sau. Do
nó không có hoạt tính exonuclease nên không có khả năng sửa sai.



22