Nhóm 8. Cấu trúc nhiễm sắc thể và sự tái bản DNA

PhầnI. MỞ ĐẦU

Khái niệm về nhiễm sắc thể: Nhiễm sắc thể (NST) được Flemming phát hiện từ cuối thế kỷ XIX
(1882).Trong các tế bào đang phân chia nguyên nhiễm, chúng bắt màu
thuốc nhuộm rất mạnh.

NST được cấu trúc và hoạt động như một thể toàn vẹn thống nhất, trong
đó, các đơn vị di truyền (các gen - ADN) được tập hợp lại theo một quy
luật tổ chức xác định và phối hợp hoạt động một cách nhịp nhàng (theo
kiểu “đóng”, “mở” gen) để đảm bảo đặc tính di truyền và biến dị cho cơ thể.

Nhiễm sắc thể (NST) là một cấu trúc có tổ chức của ADN và protein nằm
trong các tế bào.Đó là một phần đơn lẻ của chuỗi ADN có chức nhiều
gen,cấu trúc quy định và các trình tự nucleotit khác

NST khác nhau giữa các sinh vật khác nhau.Các phân tử ADN có thể hình
tròn hoặc hình que và có thể bao gồm từ 100.000 đến 1000.000.000
nucleotit trong một chuỗi dài
Thông thường, các tế bào có nhân điển hình có nhiễm sắc thể hình que
lớn và các tế bào prokaryote (các tế bào không có nhân xác định) có các
nhiễm sắc thể tròn nhỏ hơn.Ngoài ra, các tế bào có thể chứa nhiều hơn
một loại nhiễm sắc thể. . Nhiễm sắc thể có bốn hình dạng đặc trưng là hình
móc, hình que, hình hạt và chữ V.
Nhiễm sắc thể là vật liệu di truyền ở cấp độ tế bào, có vai trò rất quan trọng
trong di truyền.
NST có khả năng tự nhân đôi,phân li,tổ hợp ổn định qua các thế hệ.

toàn bộ virus có dạng hình trụ tròn, dạng 1 mạch polynucleotide hoặc dạng
xoắn kép.Có thể tách rời ARN của virus khảm thuốc lá khỏi vỏ protide và
bằng cách tập hợp ARN và protide có thể tái tạo thành virus italic.

2. Nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân sơ

Tế bào vi khuẩn và vi khuẩn lam có nhân nguyên thuỷ (procaryota)
phân tán không có màng nhân. Trong miền nhân, người ta quan sát thấy
nhiều sợi chất nhiễm sắc mảnh có kích thước gần bằng kích thước của
ADN, nhưng không thể theo dõi được sự liên tục của các sợi đó. Trong
mỗi miền nhân chỉ có 1 NST như thế, mặc dầu có một số vi khuẩn được
xem là đa nhân.

NST vi khuẩn là những phân tử ADN trần, chuỗi kép, mạch vòng,
ADN thường dính với màng tế bào ở một điểm hoặc một số điểm. Dưới
kính hiển vi điện tử, ADN có dạng siêu xoắn.

Tính siêu xoắn chịu sự kiểm soát của enzyme topoisomerase.NST
dạng xoắn có chứa các chuỗi ARN mới tổng hợp, polymerase ARN, nhưng
không có ribosome.

Ngoài NST chính, ở vi khuẩn còn thấy có một loại ADN khác ở dạng
vòng kép nhỏ gọi là các plasmid. Chúng được sao chép độc lập với NST
chính. Trong quần thể vi khuẩn tự nhiên, ADN plasmid có thể chiếm tới 1 -
2% tổng số ADN có trong tế bào.

3. Nhiễm sắc thể ở cơ thể bậc cao (eucaryote)
Ở cơ thể bậc cao có dạng NST chính thức có thể quan sát rõ hình
dạng của chúng ở kỳ giữa.
a. Cấu trúc hiển vi của NST

chiều dài rất biến động. Giữa 2 hạt còn có phân tử histone H1 giữ vai trò
đặc biệt trong việc ổn định cấu trúc của chuỗi hạt.

Các nucleosome xếp khít nhau tạo thành chromatine là phức hợp
nucleoprotein.Sợi chromatine sau nhiều lần xoắn uốn khúc gắn với những
protein không histone tạo ra NST.

● Sợi nhiễm sắc cơ bản( cấu trúc bậc 1) có thể cuộn xếp theo kiểu lò xo
nén tạo cấu trúc bậc 2 gọi là cấu trúc solenoid có đường kính khoảng
30nm.
- Mỗi bước cuộn solenoid trung bình có 6 hạt nucleosome. Cấu trúc này
khi được hình đều đặn sẽ làm giảm chiều dài sợi cơ bản 6 lần, sợi AND
giảm 40 lần.
- Cơ chế hình thành cấu trúc solenoid được giải thích bằng giả thiết là:
phân tử histone H1 tham gia vào sự tạo xoắn của sợi cơ bản.

● Hình thái, cấu trúc NST luôn có sự biến đổi trong suốt chu kỳ tế bào. Ở
pha phân bào, sợi nhiễm sắc cơ bản, cấu trúc solenoid tiếp tục co xoắn,
kết tụ mạnh hơn làm cho NST ngày càng ngắn đi, làm tăng bề rộng của nó.
Các mức kết tụ này có thể diễn ra như sau:

▪ Hình thành mức kết tụ bậc 3 do cấu trúc bậc 2 tiếp tục co xoắn tạo các
dải cuộn gấp dựa theo hệ thống khung xương tựa có bản chất protein.

▪ Cuối cùng, hệ thống này cuộn xếp lần cuối để hình thành cấu trúc NST ở
trung kỳ, đây là mức kết tụ cuối của NST điều này cho ta hình ảnh rõ nét
nhất về NST trong quá trình phân chia của tế bào.

các vai của nhiễm sắc thể có độ dài khác nhau.
+ Kiểu tâm mút: tâm động ở cuối NST. NST có hình gậy.
+ Nhiều tâm
+ không có tâm: kiểu này NST không di chuyển về 2 cực tế bào được

▪ Eo thắt thứ cấp - thể kèm (vệ tinh): trên NST còn thấy có các eo
thắt thứ cấp. Nếu eo thắt thứ cấp đủ sâu và dài thì bộ phận do eo thắt đó
tách biệt ra được gọi là thể kèm hay vệ tinh.
Thể kèm là một cấu trúc nhỏ ở phía đầu mút NST, nối sau eo thắt. Vùng
này không nối với sợi tơ vô sắc, có vai trò quan trọng trong tổng hợp ARN
ribosome của tế bào. Trong nhân chỉ có 1 số NST có thể kèm và eo thứ
cấp.
▪ Hạt nhiễm sắc: ở nhiều loài sinh vật, dọc theo chiều dài của NST
được chia thành từng đĩa màu hay hạt nhiễm sắc (chromomere). Hạt
nhiễm sắc chính là phần xoắncủa sợi nhiễm sắc.Nghĩa là sợi nhiễm sắc và
hạt nhiễm sắc là một sợi nucleoproteid đồng nhất. Cấu trúc hạt là đểtăng
chiều dài của sợi nucleoproteid, tăng khảnăng mangvật liệu di truyền của
NST.

▪ Hạt mút (telomere): ở phần cuối tự do của NST thường có một cấu trúc
đặc biệt gọi là hạt mút (telomere). Cấu tạo gồm 3 loại protein( TRF1, TRF2,
WRN).Chúng liên kết với nhau rồi bọc lại các trình tự lặp lại ở telomere.

Hạt mút có vai trò quan trọng đối với sự bền vững của nhiễm sắc thể và
ngăn không cho các NST trong nhân dính và nhau. Ở hạt mút dễ xảy ra sự
dung hợp đoạn NST khi nó bị mất.


NST giống hệt về kích thước, hình dạng.

- Vùng dị nhiễm sắc thường gặp ở tâm động và NST giới tính.

- Theo quan điểm hiện nay thì miền dị nhiễm sắc của NST là một nhân
tố quan trọng trong hệ thống kiểm tra sự tổng hợp ARN ribosome (Ritossa,
Spilgelman, 1965).

II. Quá trình tái bản DNA

1. Tái bản DNAở sinh vật nhân sơ
a. Nguyên tắc bán bảo toàn:
Sự tái bản DNA được thực hiện theo nguyên lý bán bảo toàn do
Watson và Crick đề xuất (1953) dựa trên cơ sở tính đặc thù liên kết hydro
giữa các bazo bổ sung của 2 mạch đơn. Mỗi một mạch đơn được dùng để
làm khuôn để tổng hợp thêm mạch đơn mới trên cơ sở nguyên lý ghép cặp
bổ sung giữa các bazo, kết quả tạo ra 2 phân tử DNA trong đó mỗi phân tử
có một mạch đơn cũ và một mạch đơn mới.
Chứng minh cho điều này là thí nghiệm của nhà khoa học trẻ
M.Meselson và F.Stahl tiến hành vào năm 1958. Họ đã nuôi vi khuẩn E.coli
trong môi trường chỉ có nguồn N nặng đánh dấu phóng xạ N15.
b. Cơ chế tái bản:
Trong tự nhiên có ba mô hình cấu tạo phân tử DNA tồn tại, dạng 1: siêu
xoắn, dạng 2: xoắn (vòng) và dạng 3: thẳng ở sinh vật nhân chuẩn bậc
cao. DNA vòng, ở sinh vật tiền nhân, chúng có thể ở trạng thái xoắn và
siêu xoắn, khi tái bản thường bắt đầu đứt tại một điểm của một trong hai
mạch đơn DNA.Còn dạng thẳng cũng cắt đứtở 1 điểm nhưng đứt ở cả hai
mạch đơn và có thể đứt ở nhiều vị trí khác nhau trên mộtNST. Vị trí đứt
khởi đầu tái bản thường nằm ở những vùng DNA có chứa nhiều trình tự
AT, dài từ 100 đến 200bp.

từ mạch đơn đầu 3’ nguyên bản (leading strand) sẽ tiến hành tổng hợp liên
tục, còn mạch nguyên bản kia từ đầu 5’ sẽ tổng hợp đứt đoạn theo từng
đoạn okazaki.

- Tái bản bắt đầu từ việc tổng hợp mồi (primer) RNA:
+Sợi đơn DNA mới được tổng hợp bắt đầu từ đoạn RNA mồi, việc tổng
hợp RNA mồi do enzyme có tên là primase tiến hành. Mồi RNA là một
chuỗi RNA ngắn chứa 8-12 nucleotide. Để enzyme này hoạt động được
cần phải hình thành được một phức hợp giữa enzyme primase với ít nhất
là 6 protein khác nhau.
+ Primosome tiến hành phản ứng sinh mồi đầu tiên cho sợi tiến ( leading)
và tổng hợp mồi lặp lại để tổng hợp những đoạn okazaki cho mạch lùi
(lagging).
- Tham gia tổng hợp DNA ở vi khuẩn có 2 enzyme DNA polymerase là
DNA polymerase I và polymerase III. Enzyme tổng hợp kéo dài sợi mới
trong quá trình sao chép nhiễm sắc thể ở E.coli là enzyme DNA
polymerase III.DNA pol I và pol IIIđều có chức năng đọc sửa 3’-5’
exonuclease. Hoạt tính tổng hợp và phân rã theo hướng 5’-3’, cả 2 đặc
tính này đều có ở polypeptide của DNA polymerase III.
- Sự tổng hợp hai mạch đơn mới xảy ra liên tục trên mạch bổ sung với sợi
leading và gián đoạn trên sợi lagging
- Enzyme DNA pol III tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3’-OH tự do của mồi
ARN.
- Mạch khuôn được sử dụng đến đâu các protein SSB được giải phóng ra
đến đó.
- Vì chiều tổng hợp DNA luôn từ hướng 5’-3’, cho nên sự thành chuỗi
polynucleotide mới trên 2 mạch khuôn diễn ra theo 2 hướng ngược chiều
nhau.
+Trên mạch khuôn hướng 3’-5’, sinh tổng hợp mạch đơn mới diễn ra theo
chiều cùng hướng với hướng tháo xoắn, mạch này được tổng hợp liên tục

Sự khởi đầu tái bản diễn ra tại nhiều điểm và diễn ra theo hai chiều dẫn tới
các vòng hợp nhất.
Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép. a. Thành phần tham gia:

− Enzyme topoizomrase (gyrase) tham gia vào sự cắt ADN ở 1 sợi và
nhanh chóng khôi phục khía nứt, đảm bảo cho sự tháo xoắn của ADN.

− ADN-helicase tham gia vào duỗi xoắn chuỗi xoắn kép để tạo mạch
đơn.

− ADN polymerase α/primase có chức năng tổng hợp mồi RNA cho
mạch chậm, enzyme này không có khả năng sửa sai( exonuclease).

− ADN polymerase β có chức năng giống DNA polymerase I ở sinh vật
tiền nhân, nghĩa là vừa có khả năng tổng hợp vừa có thể sửa chữa từ đó
hoàn chỉnh sợi đơn DNA sau khi mồi RNA được loại bỏ.

− ADN polymerase ɣ được tìm thấy ở ty thể, lạp thể có chức năng
chưa rõ.

− ADN polymerase δ dường như có chức năng gần với ADN
polymerase III ở sinh vật tiền nhân.

− Ngoài các enzyme trên còn có sự tham gia của nhiều protein chuyên
biệt như nhân tố kết gắn nhiễm sắc CAF-1. Nhân tố này kết gắn và mang
một số histone mới được tổng hợp đến chạc tái bản. Ở đây, chúng kết hợp
với protein β thành một tổ chức lắp ghép trung gian có tên là PCNA( kháng

Cuối cùng loại bỏ mồi va ligase sẽ nối chỗ trống lại. Kết quả chiều dài của
NST qua mỗi lần tái bản không thau đổi.
2. Tái bản DNA theo kiểu vòng lăn
Nhiều phân tử AND vòng của những virus sống ở tế bào vi khuẩn và ở tế
bào sinhvật nhân chuẩn, nhiều mạch AND vòng ở tế bào vi khuẩn…. được
tái bản theo 1 quá trình khác gọi là tái bản vòng lăn. Tái bản bắt đầu từ một điểm cắt trên một sợi của chuỗi AND kép. Từ điểm
cắt mở ra đầu 3’-OH và đầu 5’-P.
DNA helicase và protein SSB bám vào mạch đôi, tháo xoắn và giữ cho hai
mạch luôn tách nhau.
. Sự tổng hợp mới bắt đầu bằng sự lắp ráp vào đầu 3’-OH (tạo mạch tiến,
liên tục), đồng thời đầu 5’-P dịch khỏi vòng và sự lắp ráp được tiến hành
theo những đoạn nhỏ( mạch lùi, gián đoạn).
Khi sự chuyển động kết thúc một vòng, thì một vòng AND mới được hoàn
tất.

Phần III. Kết luận
Nhiễm sắc thể là vật chất di truyền ở cấp độ tế bào, có vai trò rất quan
trọng trong di truyền.NST có khả năng tự nhân đôi,phân li,tổ hợp ổn định
qua các thế hệ đồng thời NST có khả năng bị đột biến thay đổi số lượng,
cấu trúc tạo ra những đặc trưng di truyền mới.

Tái bản AND ở sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn có sự khác nhau nhưng
đều tuân theo nguyên lý bán bảo toàn (do quy tắc bổ sung giữa các cặp
bazo). Qua đó đảm bảo sự tái bản ổn định và chính xác. Tuy nhiên quá