187
chroococcum và A. beijerinck khoảng 5,5; đối với A. marocytoges là
khoảng 4,6.
Phần lớn Azotobacter chỉ phát triển ở pH lớn hơn 6, vì vậy ít gặp
chúng ở đất chua. Cũng có thể phân lập được một số chủng từ đất chua
nhưng các chủng này thường đã mất khả năng cố định N phân tử.
e. Phân đạm
Trong đất Azotobacter có khả năng đồng hoá các chất dinh dưỡng
từ môi trường. Nguồn N đối với Azotobacter không phải chỉ là N phân tử
mà còn là muối amon, nitrat, amino acid. Tuỳ thuộc vào nồng độ của các
hợp chất chứa N có trong môi trường mà quá trình cố định N sẽ bị ức chế
nhiều hay ít .
g. Phân lân.
Phốt pho rất cần cho quá trình cố định N của Azotobacter chỉ bắt
đầu xảy ra khi nồng độ PO
4
3-
đạt đến 4 mg trong 100 ml môi trường.
Ngược lại khi nồng độ PO
4
3-
đạt tới 800 mg trong 100 ml quá trình cố định
N sẽ bắt đầu ngừng lại. Sự mẩn cảm mạnh mẽ của Azotobacter với phốt
pho cho phép người ta sử dụng chúng như loại vi khuẩn chỉ thị để xác định
nhu cầu về phospho của đất.
h. Phân kali.
Sự phát triển của Azotobacter rất cần đến kali, nhưng với lượng
nhỏ. Nếu đưa vào môi trường một lượng muối kali quá dư thừa chúng sẽ
làm ức chế sự phát triển của Azotobacter, có thể tác hại này là do gốc
anion của muối này gây ra.

Một số chủng A.chroococum có khả năng sinh ra một số chất
chống nấm có tác dụng khá rộng (ức chế Aspergillus, Penicillium,
Fusarium, Alternaria …)
1.6. Tình hình nghiên cứu ứng dụng Azotobacter.
Trong nhiều năm, ở nhiều nước khác nhau ,người ta đã sản xuất ở
quy mô công nghiệp hoặc thủ công nghiệp những chế phẩm Azotobacter
và gọi là azotobacterin. Đó là những dịch nuôi cấy Azotobacter được hấp
thụ vào than bùn hoặc các loại đất giàu chất hữu cơ đã trung hoà và bổ
sung thêm một ít phân phospho, kali…
Khác với nitragin, azotobacterin khi dùng để bón cho cây trồng
thường đưa đến những hiệu quả không lớn và không ổn định (nếu có làm
tăng sản lượng thường cũng không tăng quá 10% so với đối chứng ).
Đa số các tác giả cho rằng hiệu quả của việc sử dụng azotobacterin
chỉ tương đối với các đất giàu chất hữu cơ hoặc trong trường hợp được
bón thêm nhiều phân khoáng. Có lẽ tác dụng chủ yếu của chúng không
phải ở khía cạnh cố định N mà là ở khía cạnh tổng hợp các chất hoạt động
sinh học có tác dụng kích thích sinh trưởng của cây trồng .
Ở Việt Nam, việc sản xuất và sử dụng chế phẩm azotobacterin chỉ
đặt ra trong những điều kiện thâm canh có khả năng dồi dào về phân bón,
cần bón vôi và bón phân lân để làm tăng số lượng Azotobacter trong đất.
Azotobacterin chỉ có tác dụng tương đối rõ đối với các loại đất
giàu chất hữu cơ hoặc trong trường hợp được bón thêm nhiều chất
khóang.Có lẽ tác dụng chủ yếu của chúng không phải ở khía cạnh cố định
N mà là ở khía cạnh tổng hợp các chất hoạt động sinh học có tác dụng
kích thích sự sinh trưởng của cây trồng .
a. Các phương pháp tạo chế phẩm Azotobacter

189
* Dạng môi trường thạch nghiêng
Chuẩn bị môi trường thạch nghiêng

* Dạng dịch thể
Chuẩn bị môi trường dịch thể
Thành phần môi trường (g/l):
Glucose 20
K
2
HPO
4.
3H
2
O 0,2
MgSO
4.
7H
2
O 0,2
NaCl 0,2
K
2
SO
4
0,1
CaCO
3
5,0
H
2

ở giữa làm tế bào phình lên như hình thoi.
C. pasteurianum là một loại vi khuẩn butyric, chúng có thể sử dụng
các hydratcarbon thông thường và làm lên men suinh ra acid butyric,
acetic, CO
2
và H
2
. Chúng có thể sử dụng hợp chất N vô cơ và hữu cơ làm
nguồn thức ăn N, khi những hợp chất này đầy đủ thì tác dụng cố định N
của chúng hạ thấp hoặc hoàn toàn không có.
Tác dụng cố định N của C. pasteurianum thấp hơn Azotobacter. Cứ
mỗi khi tiêu thụ 1g hydratcarbon thì chúng cố định được 2-3 mg N. Tuy
nhiên C.Pasteurianum rất nhiều và phân bố rộng rãi hơn Azotobacter nên
nguồn N

mà chúng cố định cho đất là rất quan trọng. Chúng lại phát triển
được ở ruộng ngập nước, yêu cầu pH không gắt gao nên thích hợp cho các
loại ruộng của ta.
Ngoài hai loài trên, trong các VSV cố định N còn có một số vi
khuẩn thuộc chi Clostridium, Bacillus và Azotomonas. Tuy nhiên, vì
những loài này phân bố không nhiều và hiệu lực cố định N

cũng thấp nên
tác dụng thực tế không lớn lắm.
2. Vi khuẩn cố định N cộng sinh.
Phần lớn các cây thuộc họ đậu không cần thức ăn hợp chất, chúng có
thể sử dụng được N không khí. Nhưng khả năng này không phải bản thân
cây họ đậu có mà do những vi khuẩn nốt rễ cộng sinh với cây họ đậu
mang lại.
2.1. Vi khuẩn nốt rễ

bào rễ, kích thích rễ tạo thành những nốt rễ. Nốt rễ thường thường bằng
hạt gạo, nốt rễ to bằng hạt đậu nhỏ, trong nốt rễ chứa đầy vi khuẩn. Sau
khi hình thành nốt rễ giữa vi khuẩn và cây họ đậu làm thành một thể cộng
sinh có lợi cho cả hai bên.
Ngoài các cây họ đậu, một số rễ cây khác cũng có thể cộng sinh với
vi khuẩn cố định N. Gần đây người ta còn thấy nốt sần ở lá một vài loài
cây nhiệt đới. Trong nốt sần đó cũng chứa vi khuẩn cố định N gần giống ở
rễ.
2.2.Phân bón nốt rễ (nitragin)
Phân bón vi sinh do Noble Hiltner sản xuất đầu tiên tại Đức năm
1896 và được đặt tên là nitragin: Sau đó phát triển sản xuất tại một số
nước khác như ở Mỹ (1896), Canada (1905), Nga (1907), Anh (1910) và
Thụy Điển (1914).
Nitragin là loại phân được chế tạo bởi vi khuẩn Rhizobium do
Beijerink phân lập năm 1888 và được Fred đặt tên vào năm 1889 dùng để
bón cho các loại cây thích hợp của họ đậu. Từ đó cho đến nay đã có nhiều
công trình nghiên cứu nhằm ứng dụng và mở rộng việc sản xuất các loại
phân bón vi sinh cố định nitơ mà thành phần còn được phối hợp thêm một
số vi sinh vật có ích khác như một số xạ khuẩn cố định nitơ sống tự do
Frankia spp, Azotobacter spp, các vi khuẩn cố định N sống tự do
Clostridium pasteurianum, Beijerinkia indica, các xạ khuẩn có khả năng
giải cellulose, hoặc một số chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các

192
nguồn dự trữ phospho và kali ở dạng khó hoà tan với số lượng lớn có
trong đất mùn, than bùn, trong các quặng apatit, phosphorid v.v chuyển
chúng thành dạng dễ hoà tan, cây trồng có thể hấp thụ được.
Trong các loại vi sinh vật kể trên, vi khuẩn nốt rễ có ý nghĩa hết sức
to lớn trong nông nghiệp. Cường độ cố định N cộng sinh lớn hơn nhiều so
với cường độ cố định N không cộng sinh. Sau khi trồng các cây họ đậu đất

không ? Tại sao ?

193
Chương 10
Di truyền học vi sinh vật
Di truyền là đặc tính chung của mọi sinh vật giữ lại những và
truyền cho con cháu những đặc điểm về cấu tạo và phát triển của tổ tiên,
hay nói cách khác, là hiện tượng các cá thể trong một gia đình có những
thuộc tính cấu tạo và phát triển giống tổ tiên, với cha mẹ hoặc giữa con
cái với nhau.
Biến dị là đặc tính chung của mọi sinh vật có thể mang những sự
khác biệt về nhiều chi tiết tính trạng so với bố mẹ của chúng và với các cá
thể khác cùng loài.
Đối tượng nghiên cứu của di truyền học không chỉ là hiện tượng di
truyền mà cả hiện tượng biến dị. Tính biến dị có vẻ như độc lập với tính
di truyền nhưng thực ra sự khác biệt giữa các cá thể trong một loài trong
nhiều trường hợp liên quan đến sự biến đổi hoặc trong trường hợp khác
đến sự phản ứng của vật chất di truyền của sinh vật.
Ở vi sinh vật biến dị thể hiện ở mức độ lớn hơn ở vi sinh vật bậc
cao nhờ số cá thể trong một quần thể lớn, đơn allele, sinh sản đồng loạt,
giai đoạn sinh dưỡng ngắn, tần số đột biến và tái tổ hợp cao và có khả
năng trao đổi di truyền ngoài loài. Dù cơ chế xuất hiện khác nhau nhưng ở
phần lớn các trường hợp biến dị đều tạo ra những dòng hay tập đoàn có sự
thích ứng tốt nhất với điều kiện ngoại cảnh vốn luôn biến động.
I. Cơ sở vật chất di truyền ở vi sinh vật
1. Vật chất di truyền ở vi khuẩn
Acid nucleic là cơ sở vật chất di truyền của tất cả các dạng sinh
vật. Ở tất cả các sinh vật nhân sơ (prokaryote, còn gọi là sinh vật nhân sơ
sơ, bao gồm các vi khuẩn) hay nhân chuẩn (eukaryote, còn gọi là sinh vật
nhân chuẩn, bao gồm nấm, tức chân khuẩn, nguyên sinh động vật, tảo,

trong nước
. 195
Hai mạch xoắn của phân tử DNA thực chất là hai chuỗi polymer
và có mối quan hệ chặt chẽ với nhau về thành phần hóa học cũng như
trình tự sắp xếp của các monomer được gọi là một nucleotide. Mỗi chuỗi
polymer được cấu tạo từ bốn loại monomer có cấu trúc tổng quát gồm ba
thành phần: bazơ nitơ dị vòng (dẫn xuất purine hoặc pyrimidine), đường
deoxyribose (C
5
) và Acid phosphoric. Ở DNA, có bốn loại nucleotide:
adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C) (hay xitôzin). Các
nucleotide khác nhau bởi gốc bazơ khác nhau. Chuỗi polymer của mỗi
mạch (sợi) DNA được hình thành nhờ liên kết phosphoester giữa Acid
phosphoric và đường deoxyribose tạo nên bộ "sườn" của phân tử ((-P-C
5
-
)
n
). Còn các gốc bazơ nitơ gắn vào nguyên tử C 1' của phân tử đường
deoxyribose. Phân tử Acid phosphoric trong một nucleotide gắn vào vị trí
C 5' của phân tử đường deoxyribose, trong khi đó nguyên tử C 3' gắn với
Acid phosphoric của nucleotide kế tiếp. Do trình tự hoạt động của các
enzyme tổng hợp DNA từ đầu C 5' đến đầu C 3' của mỗi mạch DNA nên
người ta quy ước mô tả mạch theo hướng C 5'→C 3'. Ví dụ, nếu không có
chú giải khác thì mạch ATT CGC GCA TCA GCT cũng có nghĩa là 5'-
ATT CGC GCA TCA GCT-3' hay 5'-ATT CGC GCA TCA GCT. Hai
chuỗi của một phân tử DNA gắn kết với nhau nhờ các mối liên kết hyđrô

nhân chuẩn) gen chỉ có một mạch "hiệu lực", tức chỉ một mạch làm khuôn
tổng hợp nên RNA thông tin. Hiệp hội sinh hóa quốc tế quy ước chuỗi
làm khuôn để tổng hợp nên RNA thông tin (hay tổng hợp RNA hoạt
động, như RNA ribosome, ) là chuỗi âm. Như vậy, chuỗi dương của một
gen là chuỗi có trình tự nucleotide tương đương với trình tự nucleotide
của RNA thông tin. Ngoài ra, do một polypeptide được khởi đầu tổng hợp
với Acid amin methionine (mã AUG trên RNA thông tin), kết thúc bởi
một trong những "mã dừng" (UAA, UAG và UGA) và chỉ có thể có thuộc
tính protein nếu đủ lớn (dài hơn 50 Acid amin), đồng thời, thông tin di
truyền được giải đọc từng "khung" bộ ba nucleotide (tức ba nucleotide
liền kề nhau mã hóa cho một Acid amin trong sản phẩm protein) nên chỉ
có những đoạn DNA bắt đầu từ bộ ba ATG (theo cả ba cách đọc của mỗi
chuỗi DNA) đến một mã dừng (TAA, TAG, TGA) đủ dài (hơn 150
nucleotide) mới có thể là (nhưng không nhất thiết phải là) một gen cấu
trúc. Đoạn DNA này được gọi là một "khung khả phiên" (hay một "khung
đọc mở" - open reading frame).
Ngoài ra, không phải tất cả các đoạn DNA đều mang gen cấu trúc,
chức năng của nhiều đoạn còn chưa biết, đồng thời còn có các đoạn DNA
đặc biệt tham gia vào điều hòa hoạt động của các gen cấu trúc. Nhờ vậy,
các tính trạng quy định trong genome chỉ biểu hiện trong điều kiện môi
trường nhất định, đồng thời quá trình tổng hợp các cơ chất nguyên liệu
cho quá trình tổng hợp các thành phần tế bào cũng diễn ra và đình chỉ một
cách hiệu quả và tiết kiệm. Ở sinh vật nhân sơ các gen cấu trúc (các
cistron) được gắn liền nhau thành tập hợp và cùng chịu sự kiểm soát của
các gen điều hòa gồm gen (hay vùng) khởi động (promotor - P), gen (hay
vùng) điều hành (operator - O, còn gọi là gen chỉ huy) và gen điều hòa
(regulator - R). Gen điều hòa (R) nằm ở vị trí nào đó trong nhiễm sắc thể
xa với các gen cấu trúc và điều khiển việc tổng hợp một protein đặc biệt
có tác động (phong tỏa hoặc giải tỏa) trực tiếp hoặc gián tiếp lên các vùng
P hoặc O. Cả tập hợp bao gồm các vùng khởi động, vùng điều hành và

CUU Leu CCU Pro CAU His CGU Arg U
CUC Leu CCC Pro CAC His CGC Arg C
CUA Leu CCA Pro CAA Gln CGA Arg A
C
CUG Leu CCG Pro CAG Gln CGG Arg G
AUU Ile ACU Thr AAU Asn AGU Ser U
AUC Ile ACC Thr AAC Asn AGC Ser C
AUA Ile ACA Thr AAA Lys AGA Arg A
A
AUG Met ACG Thr AAG Lys AGG Arg G
GUU Val GCU Ala GAU Asp GGU Gly U
GUC Val GCC Ala GAC Asp GGC Gly C
GUA Val GCA Ala GAA Glu GGA Gly A
Chữ thứ nhất của mã (đầu 5')
G
GUG Val GCG Ala GAG Glu GGG Gly G
Chữ thứ ba của mã (đầu 3')
Khác với DNA, các RNA đều cấu tạo chỉ từ một chuỗi nucleotide.
Ngoài ra, trong thành phần của các RNA còn có những điểm khác biệt
khác: uracine thay thế thymine, đường deoxyribose được thay thế bởi
ribose trong sườn của mạch polymer cũng như sự có mặt một số bazơ dẫn
xuất khác của purine và pyrimidine. Chính vì có thêm một gốc -OH ở vị
trí C 2' (của đường ribose) mà cầu nối phosphoester giữa nguyên tử C 3'
và Acid phosphoric của nucleotide tiếp theo thường yếu hơn so với cầu
nối C 3' với Acid phosphoric trong DNA. RNA, vì vậy, cũng kém bền
vững hơn DNA.
Tuy cấu tạo từ chỉ một chuỗi nucleotide nhưng cấu trúc không
gian của các loại RNA lại ổn định nên chức năng của chúng cũng ổn định.
Tính ổn định của cấu trúc có được nhờ các mối liên kết hyđrô xuất hiện
giữa hai đoạn trình tự tương bù ngược hướng của cùng chuỗi nucleotide.

R
đề kháng tetracycline và amp
R
đề kháng
ampicillin) và một loạt vị trí cắt của enzyme hạn chế trong đó mỗi enzyme này
chỉ có một vị trí phân cắt, nhờ vậy plasmid vector này áp dụng được với nhiều
DNA khác nhau.

199
Thêm hoặc mất một plasmid thường dẫn đến mất hoặc bớt một hoặc
một số tính trạng, mặc dù nhiều plasmid không thể hiện tính trạng
(plasmid "câm"). Tính trạng mà các plasmid điều khiển đa dạng nhưng
nhìn chung plasmid không phải là yếu tố thiết yếu đối với sự sống còn của
vi khuẩn. Dựa vào sự tương hợp của các sản phẩm của plasmid mà người
ta chia các plasmid thành một số nhóm: plasmid giới tính, plasmid đề
kháng, plasmid điều khiển sinh tổng hợp (nhóm chất nào đó), và thường
liên quan đến tính gây bệnh của các vi khuẩn. Ví dụ, đã xác định được
rằng một số loài (hoặc còn được coi là dạng huyết thanh học) vi khuẩn
Salmonella có được độc tính nhờ mang plasmid.

Bảng10.2 : Plasmid độc tính đặc hiệu một số loài (dạng huyết thanh)
Salmonella
Salmonella
Độ lớn (kb) Biểu hiện tính gây bệnh chủ yếu
S. typhimurium
90 Độc tính gây chết, giảm thiểu tính thẩm thấu
của các chất kỵ thủy
S. dublin
75
Độc tính gây chết, tính đề kháng huyết thanh,

hủy thuốc kháng sinh thành các sản phẩm vô hoạt hoặc ức chế sự xâm
nhập của thuốc kháng sinh vào tế bào (như chặn các lỗ khổng trên màng
tế bào chất đối với tetracycline hoặc thuốc kháng sinh họ macrolide, ).
Yếu tố R lan truyền được (transmissible R factor) là yếu tố F kháng thuốc,
gồm hai miền gen. Một miền gen điều khiển sự đề kháng. Số lượng yếu tố
bị đề kháng có thể là 1 đến 10 hoặc nhiều hơn nữa, trường hợp sau
thường gọi là plasmid đề kháng đồng loạt. Miền gen thứ hai (miền RTF)
là gen điều khiển sự vận chuyển các plasmid vào tế bào khác. Thông
thường sự vận chuyển các plasmid này có tốc độ cao, nhưng yếu tố vận
chuyển cũng có thể tự ức chế hoặc bị ức chế bởi yếu tố khác. Yếu tố R
không lan truyền được (non-transmissible R factor) chỉ mang miền gen
điều khiển tính đề kháng. Các plasmid này không tự vận chuyển sang tế
bào khác mà chỉ làm cho tế bào mang chúng có tính đề kháng thuốc
kháng sinh. Chúng có thể tồn tại và phổ biến trong quần thể vi khuẩn nhờ
quá trình sinh sản của vi khuẩn hoặc nhờ các quá trình vận chuyển vật
chất di truyền qua dịch thể tức quá trình biến nạp (transformation) hoặc
sự vận chuyển của virus của vi khuẩn (phage, hay thực khuẩn thể) tức nhờ
quá trình tải nạp (transduction).
2. Vật chất di truyền ở virus
Khác với các sinh vật khác, virus chỉ mang một trong hai loại
Acid nucleic (hoặc DNA hoặc RNA), có loại virus mang genome dưới
dạng DNA (tương tự genome của vi khuẩn, động vật và thực vật) nhưng
có loại lại mang genome dưới dạng RNA. Hầu hết các virus thực vật có
genome RNA, còn hầu hết virus của vi khuẩn có genome DNA, trong khi
các virus động vật có genome hoặc loại này hay loại khác. Cũng như bản
chất hóa học, cấu trúc genome của virus rất đa dạng, có loại virus mang
DNA một sợi (chuỗi) âm hoặc dương, có loại DNA hai sợi, có loại mang
RNA một sợi âm hoặc dương hoặc lưỡng nghĩa (ambisense RNA: có
đoạn âm có đoạn dương, hay đồng thời với khung khả phiên một gen cấu
trúc còn mang khuôn của một khung khả phiên một gen khác ngược

Riêng RNA S của chi Phlebovirus có một đoạn có cơ năng của sợi dương,
nên thường gọi "RNA lưỡng nghĩa (ambisense RNA").
Genome các arenavirus (họ Arenaviridae) có 2 phân tử RNA một
sợi. Ngoài ra, bên trong virion còn có các RNA 28 S, 18 S, 4 - 6 S có
nguồn gốc từ tế bào ký chủ. Các RNA 4 - 6 S chứa RNA thông tin dưới
genome (subgenomic mRNA) mã hóa protein Z có thể là nhân tố điều tiết
sao chép. RNA genome cũng lưỡng nghĩa (ambisense).
Genome picornavirus (họ Picornaviridae) cấu tạo từ 1 phân tử
RNA một sợi dương chuỗi thẳng, phân tử lượng 2,4 - 2,7 x 10
6
(khoảng
7,5 - 8,5 kb), có chuỗi poly-A ở đầu 3', còn đầu 5' kết hợp cộng hóa trị với
phân tử protein VPg có phân tử lượng khoảng 2.400 Da.
Genome của các birnavirus (họ Birnaviridae) là phân tử RNA hai
sợi, gồm hai đoạn (đoạn A có kích thước 3,1 kbp và đoạn B 2,9 kbp).
3. Vật chất di truyền ở vi sinh vật nhân chuẩn
Ở vi sinh vật nhân chuẩn (eukaryote) vật chất di truyền cũng có
bản chất hóa học là acid nucleic DNA, RNA. Chức năng hai loại acid
này tương tự ở tế bào nhân sơ. DNA mang mật mã thông tin di truyền
trong khi RNA tham gia chuyển hóa mật mã này thành protein mà thể

202
hiện tính trạng. Quá trình tự sao chép DNA cũng là cơ sở di truyền từ
thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác hay thế hệ này sang thế hệ
khác. Điểm khác biệt lớn giữa sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ
là nhân chuẩn có màng nhân và genome thường gồm hai bộ (lưỡng bội)
hoặc đôi khi nhiều hơn nhiễm sắc thể (ở thực vật: tam bội, tứ bội, đa
bội) cũng cấu tạo từ DNA xoắn kép nhưng không khép kín (có đầu tự
do). Tuy nhiên ở nhiều nấm và thực vật còn tồn tại chu trình đơn bội,
khi đó trong tế bào nhân chỉ chứa một bộ nhiễm sắc thể. Thể đơn bội

thể. Bộ gen này điều khiển sự tổng hợp một số protein của các cơ quan
này và có bản chất tương tự bộ gen ở sinh vật nhân sơ (DNA cũng có cấu
tạo mạch xoắn kép, khép kín) nhưng được cắt bớt đi nhiều. Ở sinh vật

203
sinh sản hữu tính (hợp tử hình thành từ giao tử đực và giao tử cái) bộ gen
này ở mọi cá thể đều có nguồn gốc từ mẹ do trong quá trình thụ tinh giao
tử đực không truyền được các ty thể (và lạp thể ở thực vật) vào giao tử
cái. Genome của các tiểu cơ quan (ty thể và lạp thể) được phiên mã thành
RNA thông tin tương ứng với quá trình diễn ra tương tự ở tế bào nhân sơ.
Gen nhảy (transposon) là đoạn DNA đặc biệt gặp cả ở sinh vật
nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, không có vị trí ổn định trong nhiễm sắc
thể. Đoạn này có thể tách rời khỏi vị trí vốn có của nó và di chuyển đến
một vị trí khác của cùng nhiễm sắc thể hoặc sang nhiễm sắc thể khác. Tuy
không phải là gen cấu trúc nhưng transposon ảnh hưởng rất lớn đến quá
trình biểu hiện tính trạng. Nó có thể khống chế hoặc giải phóng một gen
cấu trúc nào đó dẫn đến việc mất tính trạng hoặc xuất hiện tính trạng quy
định bởi gen đó. Quá trình khống chế có thể diễn ra khi một gen nhảy
chèn vào khoảng giữa gen khởi động (promoter) và gen cấu trúc cũng như
chèn vào giữa gen cấu trúc làm cho quá trình phiên mã không thể khởi
động hoặc bị gián đoạn.
II. Di truyền và biểu hiện tính trạng
1. Tự sao hay tái tạo DNA (replication)
Quá trình tổng hợp DNA trong nhân tế bào gắn chặt chẽ với quá
trình bão toàn và truyền đạt thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ
khác. Nguyên lý bổ sung các bazơ trong chuỗi xoắn kép DNA đáp ứng
quá trình nhân đôi và tái bản chính xác trình tự các bazơ trong phân tử
gốc hay DNA khuôn. Trong quá trình tái tạo DNA, phân tử này được tách
đôi thành hai mạch đơn. Mỗi mạch đơn của DNA gốc được dùng để làm
khuôn tổng hợp một mạch mới có các nucleotide liên kết hyđrô tương bù

polymerase I. Quá trình tổng hợp DNA từ chạc tái bản, như vậy, tiếp diễn
nhờ nối dài đầu 3'-OH của mỗi mạch mới theo hướng 3'→5'của sợi
khuôn. Chính vì vậy, quá trình tổng hợp DNA trên một sợi khuôn là liên
tục, còn trên sợi kia (sợi đối nghịch song song với sợi trước) quá trình
tổng hợp lại diễn ra gián đoạn, trong khi chạc tái bản chuyển động liên tục
về một hướng. Mạch có sự lắp ráp liên tục gọi là mạch tiến còn trên mạch
kia sự tổng hợp lại diễn ra theo hướng ngược với chiều chuyển động của
chạc tái bản gọi là mạch lùi hay mạch gián đoạn. Một khi đoạn khuôn mới
được mở ra thì trên mạch lùi này lại diễn ra sự tổng hợp một mồi mới nhờ
enzyme primase, rồi từ mồi này quá trình lắp ráp các nucleotide tương bù
với trình tự của mạch khuôn lại diễn ra. Sau đó nhờ tác dụng
endonuclease của enzyme DNA-polymerase I mà mồi bị loại bỏ, và cũng
dưới sự xúc tác của enzyme này chỗ trống được lấp bởi sự lắp ráp các
deoxyribonucleotide. Những đoạn mạch này được gọi là đoạn Okazaki
(gọi theo tên người phát hiện). Mối liên kết giữa các đoạn Okazaki được
kết nối sau đó nhờ enzyme ligase. Các protein trong tập hợp các protein
tham gia quá trình tái bản DNA gọi là replisome. Nhờ hệ thống này mà
quá trình tái bản DNA diễn ra với tốc độ cao (ở E. coli khoảng 30000 -
50000 đôi nucleotide trong một giây).
Ở sinh vật nhân chuẩn quá trình tự sao DNA diễn ra theo quá trình
tương tự nhưng cơ chế có thể phức tạp hơn và còn nhiều điểm chưa rõ.
DNA nhiễm sắc thể tế bào nhân chuẩn rất dài và sự khởi đầu tái bản có
thể đồng thời từ nhiều điểm khởi đầu tái bản và thường diễn ra theo cả hai
chiều. Đoạn DNA giữa hai điểm khởi đầu tái bản được gọi là đơn vị tái
bản. Trung bình độ dài một đơn vị tái bản đến 40000 bp. Khi bắt đầu tái
bản từ điểm khởi đầu tái bản, enzyme topoisomerase cắt DNA ở một sợi
và nhanh chóng khôi phục khía đứt để chuỗi siêu xoắn kép được tháo
xoắn và duỗi thẳng. Enzyme DNA-helicase tham gia vào tháo duỗi xoắn

205

mồi RNA. Ở sinh vật nhân chuẩn tái bản kiểu vòng lăn diễn ra trong
trường hợp khuyếch đại gen. Khi đó một mạch đơn của đoạn gen này bị
cắt tại một điểm, tách ra rồi vòng lại, đầu 3'-OH hoạt động như một mồi
cho DNA-polymerase tổng hợp liên tục nhiều vòng đoạn nhiễm sắc thể
này. Kết quả là sau lần tái bản DNA tiếp theo số phiên bản của gen tăng
cao trong thành phần của nhiễm sắc thể.
Ở các virus RNA, quá trình tự sao genome có cơ chế đa dạng tùy
thuộc loại virus DNA một sợi hay hai sợi, virus RNA một sợi hay hai sợi,
hay virus có quá trình phiên ngược (hepadnavirus và retrovirus). Còn các
virus DNA hai sợi, nhìn chung, có quá trình sao chép tương tự ở
prokaryote và eukaryote. Ở virus DNA có genome chuỗi thẳng có cấu

206
trúc kẹp tóc (hair pin) ở đầu quá trình tái bản DNA có thể theo cơ chế tái
bản theo vòng lăn. Các virus RNA hai sợi cũng có quá trình tương tự ở
DNA hai sợi nhưng diễn ra trong tế bào chất tế bào ký chủ với sự xúc tác
của enzyme RNA-polymerase phụ thuộc RNA và sự sao chép RNA
không cần đến đoạn mồi oligonucleotide. Ở các virus một sợi (DNA hoặc
RNA), quá trình tái bản genome đều thông qua dạng tái tạo (replicative
form) là dạng Acid nucleic (NA) hai sợi gồm một sợi NA virus và một sợi
NA tương bù được tổng hợp trong tế bào ký chủ (nhưng không có trong
thành phần virion). Sợi tương bù tiếp tục làm khuôn để tổng hợp đồng
loạt các sợi NA virus. Trường hợp cá biệt xảy ra với các virus thuộc họ
Hepadnaviridae và họ Retroviridae. Genome hepadnavirus gồm DNA hai
sợi mạch vòng, sợi âm có cấu trúc khá đầy đủ nhưng có một điểm khuyết
thiếu (khấc) đặc hiệu chi, còn sợi dương có độ dài không hoàn toàn và
không ổn định. Nhờ DNA-polymerase sẵn có trong virion, sợi dương
không hoàn toàn được tổng hợp thành sợi dương hoàn toàn (để tổng hợp
RNA thông tin). Còn sợi âm làm khuôn tổng hợp sợi RNA dương. Sau
đó, nhờ sự xúc tác của enzyme RT (enzyme phiên ngược - reverse

bù với adenine trên khuôn DNA. Quá trình phiên mã được xúc tác bởi
enzyme RNA-polymerase và không cần có sự tham gia của mồi.
Quá trình phiên mã diễn ra trong bốn giai đoạn: sự nhận biết đoạn
khởi đầu, mở đầu sự hình thành chuỗi, kéo dài chuỗi và kết thúc. RNA-
polymerase ở vi khuẩn gồm bốn tiểu phần: hai tiểu phần giống nhau α và
hai tiểu phần khác β và β
1
. Enzyme nhận biết được điểm khởi đầu khi có
yếu tố σ. Đoạn khởi đầu có trật tự nucleotide giàu A và T nên thường gọi
là trình tự ATAT (hay miền ATAT) là một vùng của miền khởi động
(promoter) trong cấu trúc operon (gồm các đoạn gen cấu trúc với các gen
điều hòa (R) và gen điều hành (O) phân bố trước chúng). Gắn vào điểm
khởi đầu phiên mã, RNA-polymerase định hướng tới đúng chỗ bắt đầu
tổng hợp RNA. Ở điểm bắt đầu quá trình lắp ráp một ribonucleoside
triphosphate tương bù được lắp vào. Sau đó RNA-polymerase tiếp tục
trượt dọc theo khuôn (chuỗi đơn) DNA, nhờ đó các ribonucleoside
triphosphate tương bù tiếp theo cũng được lắp vào chuỗi RNA. Hướng
kéo dài của mạch luôn là 5'→3'. Khi chạy đến vùng kết thúc, RNA-
polymerase được tác động với yếu tố ρ, và xảy ra quá trình kết thúc phiên
mã: cả RNA-polymerase lẫn chuỗi RNA được tách khỏi chuỗi DNA
khuôn. Trong nhiều trường hợp vùng kết thúc phiên mã có cấu trúc đặc
biệt và thường là vùng có cấu trúc lặp ngược hướng (palindrome) tạo nên
cấu trúc thòng lọng hay cấu trúc uốn palindrome.
Ở vi khuẩn có một loại RNA-polymerase. Enzyme này xúc tác tổng
hợp cả ba loại RNA: RNA thông tin, RNA ribosome và RNA vận chuyển.
Thông tin di truyền thường kết chuỗi thành một đơn vị phiên mã
(operon): một số gen cấu trúc (cistron) được phân bố liên tiếp sau một
đoạn gen khởi đầu phiên mã (tổ hợp R và O) và phiên mã cùng nhau
thành một RNA thông tin đa cistron gồm một số RNA thông tin phân
cách nhau bởi một đoạn trật tự nêm không mã hóa Acid amin gồm

cường quá trình phiên mã. Bên cạnh hai cơ chế cảm ứng đã nêu còn có cơ
chế điều hòa khác: cơ chế kìm hãm. Cơ chất nguyên liệu được tổng hợp ra
một cách dư thừa (ví dụ các Acid amin) tham gia vào tổ hợp kìm hãm
vùng operator làm dừng quá trình phiên mã.
3. Dịch mã (translation)
Dịch mã là quá trình tổng hợp mạch polypeptide ở ribosome trên cơ
sở khuôn RNA thông tin. Trình tự đọc bộ ba nucleotide (hay khung đọc
bộ ba - triplet reading frame) quyết định trình tự các Acid amin trong
mạch polypeptide. Tham gia vào quá trình dịch mã là một hệ thống phức
tạp: RNA thông tin (mRNA), ribosome và các Acid amin đã được hoạt
hóa bởi RNA vận chuyển (tRNA) thành dạng aminoacyl-tRNA dưới sự
xúc tác của enzyme aminoacyl-tRNA-synthetase, một loạt các protein
khác và đặc biệt là còn có sự tham gia của cấu trúc màng. Ở vi khuẩn cấu
trúc màng tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein là màng tế bào
chất mà có thể là vùng mesosome. Trong khi đó cấu trúc màng có chức
năng tương ứng ở sinh vật nhân chuẩn là mạng lưới nội chất (endoplasmic
reticulum). Mạng lưới nội chất không có ribosome bám lên gọi là mạng
lưới nội chất nhẵn còn mạng lưới nội chất có ribosome bám lên gọi là
mạng lưới nội chất có hạt. Ribosome chỉ hoạt động khi bám lên cấu trúc
màng. Nhờ vậy (và còn nhờ các chất tạo khuôn gọi là chaperon) các

209
protein được tổng hợp ra có được cấu trúc không gian xác định, phân bố
trong cấu trúc màng theo hướng xác định (đầu NH
3
+
hướng ra ngoài màng
tế bào chất và hướng vào phía trong của màng mạng lưới nội chất) và,
nhờ đó, có chức năng xác định.
Ribosome cấu tạo từ hai tiểu thể có hằng số lắng khác nhau: 30S và

met
-IF-2-GTP) được chuyển vào vị trí P
trên hạt 30S ứng với codon mở đầu UAG của methionine. Tín hiệu UAG
của methionine trên mRNA là của methionine mở đầu chỉ khi nó nằm gần
trình tự Shine-Dalgarno (3 - 9 nucleotide chứa trình tự trung tâm GAG) ở
trước đó. Nhờ tín hiệu này codon AUG mở đầu được chuyển chính xác
vào vị trí mở đầu trên ribosome thay thế vị trí của IF-3 trên hạt 30S của
ribosome. Sau đó hạt này liên kết tiếp với hạt 50S thành thể ribosome
70S. Đồng thời, IF-2 (trong tổ hợp hoạt hóa với IF-1) bị đẩy ra ngoài nhờ
năng lượng thủy phân GTP. Kết quả là phức hợp mở đầu (70S-mRNA-
fMet-RNA
f
met
) được hình thành.
Quá trình kéo dài cần các yếu tố kéo dài: EF-T và EF-G. Yếu tố EF-
T gồm hai protein: Tu và Ts. Tu và GTP hoạt hóa tất cả các Acid amin
tham gia kéo dài chuỗi polypeptide. Tổ hợp Acid amin hoạt hóa có dạng
chung là aa
n
-tRNA-Tu-GTP. Trước hết tổ hợp này gắn vào vị trí A với
codon tương ứng, rồi ở đó GTP bị thủy phân bởi Tu và cùng bị đẩy ra
ngoài. Tổ hợp Tu-GTP năng lượng cao được phục hồi nhờ yếu tố Ts. Liên
kết peptide thứ nhất được tạo thành nhờ hoạt tính peptidyl-transferase của
ribozyme 23S trong thành phần hạt ribosome 50S. Nhóm -COOH của
fMet và -NH
2
của Acid amin tiếp theo (aa
2
) tham gia phản ứng trùng
ngưng giải phóng một phân tử nước, nhận điện tử (năng lượng) từ tổ hợp

chúng. Cơ cấu màng sinh học từ trạng thái mạng lưới nội chất chuyển dần
ra ngoài rồi dung hợp với màng tế bào chất làm diện tích màng tế bào
chất càng rộng. Mặt khác, các protein tiết xuất cũng được tổng hợp trên
cơ cấu màng và nhờ quá trình dung hợp màng tiểu bào (thể Golgi phình
rộng) với màng tế bào chất mà được tiết xuất ra ngoài tế bào. Chính nhờ
những cơ cấu này mà cơ thể có những tính trạng đặc trưng. Ở vi khuẩn,
quá trình hình thành màng bắt đầu từ mesosome và quá trình tổng hợp
protein cũng diễn ra đồng thời. Các phân tử protein được tổng hợp trôi dạt
dần trong cấu trúc linh động của màng. Ở các tế bào động vật hay thực
vật bị cảm nhiễm virus, các quá trình tổng hợp protein virus và hình thành
màng của tế bào cũng diễn ra đồng thời theo phương thức tương tự. Vì
vậy, nếu phát triển virus luôn lộ xuất các kháng nguyên của mình trên bề
mặt tế bào ký chủ trước khi giải phóng ra khỏi tế bào.
III. Sửa chữa DNA
Tế bào có cơ cấu sao chép thông tin di truyền hoàn thiện nhờ cơ chế
sao chép bán bảo toàn và lắp ráp nucleotide tương bù vào khuôn mạch
đơn. Tuy vậy, cơ chế này còn được bổ sung thêm cơ cấu sửa chữa DNA.

211
Có thể gặp ba cơ chế sửa chữa DNA là sửa chữa trực tiếp, sửa chữa cắt
bazơ và sửa chữa ghép đôi sai.
Sửa chữa trực tiếp thường gặp khi trên DNA hình thành dimer
thymine, là kết quả của sự chiếu xạ tử ngoại vào lứa cấy tế bào. Trong cơ
thể có một loại enzyme gọi là photolyase đảm trách việc sửa sai này.
Trong thành phần có FADH
2
và 5,10-dimethyl tetrahydrofolate,
photolyase được hoạt hóa bởi ánh sáng nhìn thấy. Khi đó nó có thể nhận
biết cấu trúc dimer thymine, phân giải dimer rồi tách khỏi DNA.
Ví dụ khác về sửa chữa trực tiếp là sửa chữa phục hồi guanine đã bị

Sự phân biệt sợi dựa vào tác dụng của enzyme dam-methylase methyl hóa
DNA ở các vị trí N
6
của tất cả các adenine (*A) gặp trong trình tự 5'-
GATC hay enzyme dcm-methylase methyl hóa cytosine (*C) nằm kề
adenine hoặc kề thymine trong trình tự CCATGG hay CCTAGG, hay ở
động vật bậc cao một số cytosine trong trình tự CG. Sau thời điểm sao
chép chỉ sợi khuôn được methyl hóa còn sợi mới còn chưa methyl hóa.
Nhờ đó tế bào phân biệt được sợi cũ và sợi mới. Trong sửa chữa DNA,
các protein MutS, MutH và MutL đóng vai trò quan trọng. MutS liên kết
các cặp bazơ ghép đôi sai, MutH liên kết với trình tự GATC, còn MutL
kết hợp với cả hai protein đã kết hợp DNA nói trên thành một phức hợp
làm cho phân tử DNA uốn cong trong khoảng độ dài 1000 bp phía đầu 5'