giáo trình sinh học phân tử

T R ƯỜ N G ĐẠ I H Ọ C Y K H O A H U Ế

BỘ MÔN DI TRUYỀN Y HỌC

GIÁO TRÌNH

SINH HỌC PHÂN TỬ

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

Bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền 13 Mã di truyền 13 Khả năng nhân đôi chính xác 14

Tiềm năng tự sửa chữa 14 Khả năng đột biến 14 Câu hỏi ôn tập 15 Câu hỏi trắc nghiệm 15

3. CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA DNA 16

Tự nhân đôi ở prokaryote 16 Tách rời hai mạch đơn của phân tử DNA 16 Tổng hợp đoạn mồi (primer) rna 17 Tổng hợp các mạch mới trên khuôn DNA 17 Hoàn chỉnh chuỗi polynucleotide mới tổng hợp 18

4. RNA (ribonuclic acid) 28

Các loại RNA 28 rRNA (RNA ribosome) 28 tRNA (RNA vận chuyển) 28 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 Giai đoạn kéo dài 40 Giai đoạn kết thúc 40 Quá trình trưởng thành của các tiền mRNA 40 Gắn mũ chụp (capping) 40

a

Gắn đuôi polyA 41 Cắt nối (splicing) 42

Câu hỏi ôn tập 43 Câu hỏi trắc nghiệm 44

6. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 45

Cấu trúc của protein 45 Cấu trúc bậc 1 45 Cấu trúc bậc 2 46 Cấu trúc bậc ba 47

Cấu trúc bậc bốn 47 Chức năng sinh học 47 Câu hỏi ôn tập 49 Câu hỏi trắc nghiệm 49

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 59

Kiểm 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

Nucleic acid là vật chất mang thông tin di truyền của các hệ thống sống có cấu trúc đa phân hình thành từ các đơn phân là nucleotide. Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo khá giống nhau là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic acid (RNA).

Hình 1: (a) Các cấu phần của nucleotide; (b) Nucleotide; (c) Chuỗi polynucleotide

Mỗi nucleotide được cấu tạo gồm ba thành phần (hình 1)

1. Nhóm phosphate

2. Đường Pentose (đường 5 Carbon). Ở DNA đường này là deoxyribose còn ở RNA là ribose

1

3. Một base nitric, base này gồm có hai nhóm:

- Purine gồm adenine (A), guanine (G)

- Pyrimidine gồm thymine (T), cytosine (C) và uracyl (U)

Các nucleotide được nối với nhau bằng liên kết phosphodiester tạo thành chuỗi polynucleotide.

DNA (desoxyribonuclic acid)

CẤU TRÚC

Hçnh 2 : Nguyãn tàõc bøä sung gîiæa ïcac base purine vaì pyrimidine.

xoắn dài 34 Å. (hình 2 và 3)

Phân tử ADN là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn, mỗi mạch đơn là một chuỗi polynucleotide. Mỗi nucleotide gồm (1) nhóm phosphate, (2) đường deoxyribose (C5H10O4) và (3) một trong bốn loại base (A, T, G và C)(hình 2).

Hai chuỗi polynucleotide kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydro hình thành giữa các base của hai mạch theo nguyên tắc bổ sung giữa một bên là purine (A và G) và một bên là pyrimidine (C và T) trong đó A bổ sung với T bằng hai liên kết hydro, G bổ sung với C bằng ba liên kết hydro tạo nên một cấu trúc gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn quanh một trục thành hình lò xo với đường kính khoảng 2nm và mỗi bước

Hình 3: Cấu trúc của một đoạn DNA

Nguyên tắc bổ sung đảm bảo khoảng cách đều đặn giữa hai mạch đơn của DNA (tổng chiều dài của một base purine và một pyrimidine), các phân tử đường và các nhóm phosphate nằm ở phía ngoài tạo nên trục đường-phosphate hình thành liên kết với các phân tử nước, các base quay vào phía trong hạn chế sự tiếp xúc giữa chúng với các phân tử nước giữ cho phân tử DNA ổn định.

Mỗi mạch đơn là một trình tự nucleotide có định hướng với một đầu là đầu 5' phosphate tự do (nhóm phosphate tự do gắn vào C5 của đường desoxyribose) ký hiệu

2

là 5'P, đầu kia có nhóm OH ở vị trí C3 nên gọi là đầu 3' hydroxyl tự do, kí hiệu là 3'OH. Hướng quy ước theo chiều từ 5' đến 3'. Hai mạch đơn trong cấu trúc của phân tử DNA đi ngược chiều nhau gọi là đối song (anti paralell).

5'P 3'OH

3'OH 5"P

Như vậy đầu 5' P của mạch này đối diện với đầu 3' OH của mạch bổ sung. Thông qua cấu trúc xoắn kép của DNA có thể nhận thấy:

(1) Trình tự các base của mạch này khác với trình tự base của mạch bổ sung với nó.

(2) Hai mạch của DNA gắn với nhau bằng các liên kết hydro yếu tạo nên tính

linh hoạt cho phân tử DNA khi thực hiện các hoạt động chức năng nhân đôi hoặc tổng hợp RNA.

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 (Ao)

Đường kính của chuỗi xoắn kép (Ao)

A

11

+ 32,7 2,56

23

B

19

+ 36,0 3,38

19

C

9 1/3

+ 38,6 3,32

19

Z

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 - 95o C sẽ làm cho hai mạch tách rời nhau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng biến tính (denaturation) của DNA. (hình 5)

Hình 5: Hiện tượng biến tính của DNA

Nhiệt độ làm hai mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm chảy (melting point) của DNA. Điểm này đặc trung cho mỗi loại DNA, phụ thuộc vào số lượng các liên kết hydro trong cấu trúc. Tỷ lệ cặp G-C càng cao thì điểm chảy càng lớn. Một số chất như formanide có khả năng làm hạ thấp điểm chảy nên được dùng trong kỹ thuật lai phân tử để làm giảm nhiệt độ lai.

Sự biến tính này có tính thuận nghịch. Sau khi DNA bị biến tính nếu hạ nhiệt độ từ từ trở lại bình thường thì chúng có thể gắn lại với nhau trên cơ sở của nguyên tắc bổ sung để trở thành mạch kép. Hiện tượng này được gọi là hồi tính (renaturation).

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 103 đến 105

Vi khuẩn E. Coli 4,5 x 106

Nấm men 5 x 107

Ruồi giấm Drosophila

Động vật có xương sống 1,5 x 108

108 đến 1010

Thực vật 1010 đến 1011

Người 3 x 109

Qua bảng trên có thể nhận thấy không có sự tương quan giữa mức độ tiến hoá và số lượng cặp base trong bộ gene. Giữa bộ gene của prokaryote và eukaryote có sự khác biệt đáng kể về thành phần cấu tạo và cách tổ chức của DNA trong tế bào.

BỘ GENE CỦA PROKARYOTE

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.

Hình 6: DNA ở prokaryote

5

BỘ GENE CỦA EUKARYOTE

Cách tổ chức của DNA trong nhân tế bào

DNA của eukaryote có kích thước rất lớn, ví dụ ở người tổng chiều dài của tất cả DNA có trong nhân tế bào có thể dài đến 2m. Để có thể nằm gọn trong nhân tế bào, DNA phải được cuộn xoắn ở nhiều mức độ cấu trúc khác nhau.

Nucleosome Các đoạn DNA với chiều

dài tương ứng với khoảng từ 140 đến 150 cặp base (base pair: bp) cuộn quanh một lõi gồm 8 phân tử protein histone (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 và 2H4) để tạo thành nucleosome với đường kính khoảng 11nm. Các nucleosome nối với nhau bằng một đoạn DNA khoảng 20 - 60 bp vói một phân tử histone trung gian (H1). Các histone

Hçnh 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 thực tế chỉ có một tỷ lệ rất thấp DNA thực hiện chức năng này. Ở người có ít hơn 5% trong số 3 tỷ cặp nucleotide trong genome của người thực sự làm chức năng mang thông tin, còn lại phần lớn vật liệu di truyền chưa được biết chức năng. DNA của người được chia thành các loại sau (hình 9):

6

Hình 8 . Mô hình cuộn xoắn của DNA

DNA độc bản (single - copy DNA)

DNA độc bản chiếm khoảng 45% genome và gồm các gene mã hoá cho các protein. Các đoạn DNA loại này chỉ được thấy một lần duy nhất (hoặc vài lần) trong genome. Tuy nhiên phần mã hóa cho protein chỉ chiếm một phần nhỏ trên loại DNA này mà thôi, phần lớn còn lại là các intron hoặc là các đoạn DNA nằm xen giữa các gene.

DNA lặp (repetitive DNA)

DNA lặp chiếm 55% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA được lập đi lập lại có thể lên tới hàng ngàn lần trong genome, có 2 loại chính:

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): kích thước 7.000 bp

GENE NHẢY

Hình 9 . Các loại DNA

Được Barbara McClintock phát hiện ở trên bắp cách đây hơn 50 năm. Gene nhảy là một đoạn DNA có khả năng di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trên DNA, nó có thể rời bỏ hoặc xen vào cấu trúc của 1 gene. Hiện tượng này được thấy ở cả vi sinh vật, thực vật và động vật với tần số khoảng 10 -5 – 10 -7 tế bào.

8

Các trình tự gắn xen (IS: insertion sequences)

Các trình tự gắn xen này được thấy ở vi khuẩn E. Coli với tính chất di chuyển từ 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 gọi 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)

GENE

Có thể nói gene là một đoạn của phân tử DNA có chức năng di truyền. Tuy nhiên giữa prokaryote và eukaryote có một sự khác biệt lớn

Ở prokaryote

Trinh tự của các nucleotide trên gene sẽ mã hoá cho trình tự của các amino acid

Ở eukaryote

Trong cấu trúc của gene tồn tại những vùng không mang mã gọi là intron và những vùng mang mã gọi là exon. Đây là một đặc điểm quan trọng để phân biệt giữa DNA của sinh vật eukaryote và prokaryote.

Các intron chiếm phần lớn trong cấu trúc hầu hết các gene. Các đoạn intron này sẽ được các enzyme cắt một cách chính xác ra khỏi các phân tử mRNA trước khi chúng đi ra khỏi nhân tế bào. Vị trí cắt của các enzyme được xác định bởi các đoạn DNA được gọi là các đoạn đồng nhất (consensus sequences) (đoạn này có tên như vậy vì được thấy phổ biến ở tất cả các cơ thể eukaryote) nằm cạnh mỗi đoạn exon.

Hình 12 : Cấu trúc chi tiết của một gene ở Eularyotae

Vì hầu hết các gene của cơ thể eukaryote gồm chủ yếu là các đoạn intron nên cho phép người ta nghĩ đến việc các đoạn này có thể có một chức năng nào đó. Hiện nay chức năng của các intron vẫn còn đang được nghiên cứu. Người ta cho rằng những 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 đổi 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 ?

7. Ở người DNA được phân loại như thế nào ?

8. Mô tả các loại DNA vệ tinh trong cấu trúc DNA của người ?

9. Gen nhảy là gì ?

10. Nêu các đặc điểm cơ bản của gene ở eukaryote ? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

1. Nucleic acid là một đa phân gồm có:

A. Hai loại phân tử là desoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA)

B. Hai loại phân tử là ribonucleic acid thông tin (mRNA) và ribonucleic acid vận chuyển (tRNA)

C. Hai loại phân tử là ribonucleic acid thông tin (mRNA) và ribonucleic acid vận chuyển (tRNA)

D. Hai loại phân tử là ribonucleic acid thông tin (mRNA) và ribonucleic acid ribosome (rRNA)

E. Hai loại phân tử là deoxyribonucleotide và ribonucleiotide

2. Base nitric Purine gồm có:

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 DNA. Sự biến tính này.........(C: có tính thuận nghịch; K: không có tính thuận nghịch)

A. P, B, C B. H, T, K C. H, B, C D. H, T, C E. P, B, K

7. Bộ gene của vi khuẩn E. Coli và đa số các sinh vật .........( E: Eukaryotae; P: Prokaryotae) đều là một phân tử DNA xoắn kép có dạng ...........(V:vòng; K: không tạo vòng) và .........(G: gắn, KG: không gắn) với protein để tạo thành nhiễm sắc thể.

A. P, V, G B. P, V, KG C. E, K, G D. E, K, KG E. P, K, G

8. Mô tả nào dưới đây về nucleosome là không đúng:

A. Đoạn DNA trong cấu trúc có chiều dài tương ứng với khoảng từ 140 đến 150 cặp base

B. Một lõi gồm 8 phân tử protein histone (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 và 2H4)

C. Các nucleosome nối với nhau bằng một đoạn DNA khoảng 20 - 60 bp vói một phân tử histone trung gian.

D. Khoảng 6 solenoid cuộn lại thành một nucleosome đường kính khoảng 30nm

E. Các histone 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.

9. Mô tả nào dưới đây về DNA độc bản là đúng:

A. Chiếm khoảng 45% genome

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 DNA Mục tiêu

Trình bày được:

- Các chức năng cơ bản của DNA

- Cách thức DNA mã hoá thông tin di truyền BẢO QUẢN VÀ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN DI TRUYỀN

Tuỳ thuộc vào số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp của 4 loại nucleotide mà sẽ có vô số loại DNA khác nhau tạo nên tính đa dạng và đặc thù cho mỗi DNA. Giả sử có một chuỗi polynucleotide gồm 10 nucleotide thì sẽ có tới 410 = 1.048.576 loại khác nhau. Với đặc tính này cho phép phân tử DNA trở thành vật chất mang thông tin di truyền cho gần như toàn bộ sinh giói.

Thông tin di truyền cho việc tổng hợp một phân tử protein được mã hoá trên gene, một đoạn của DNA, dưới dạng mã bộ ba.

MÃ DI TRUYỀN

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.

13

U Phe Ser Tyr Cys U P Ser Tyr Cys

U L Ser STOP STOP

U L Ser STOP Trp C L Pro His Arg

C L Pro His Arg C L

Pro

Gln

Arg

C L Pro Gln Arg

A Il Thr Asn Ser A Il Thr Asn Ser A Il Thr Lys Arg

A M Thr Lys Arg G V Ala Asp Gly G V Ala Asp 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 3

(âáöu 5’) U C A G (âáöu 3’)

U

C

A

G

U

C

A

G

U

C

A

G

U

C

A

Bảng 1. Bảng mã di truyền

Ala: Alanine; Arg: arginine; Asn: asparagine; Asp: aspartic acid; Cys: cysteine; Gln: glutamine; Gla: glutamic acid; Gly: glycine; His: histidine; Ile: isoleucine; Leu: leucine; Lys: lysine; Met: methionine; Phe: phenylalanine; Pro: proline; Ser: serine; Thr: threonine; Trp: tryptophan; Tyr: tyrosine; Val: valine

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


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.

5. Nêu các chức năng cơ bản của DNA ? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

1. Hiện tượng thoái hóa mã là hiện tượng:

A. Một codon cùng mã hóa cho nhiều acid amine

B. 3 codon UAA, UAG và UGA không mang mã mà có nhiệm vụ báo hiệu chấm dứt việc tổng hợp chuỗi polypeptide.

C. Mỗi codon chỉ mã hóa cho 1 acid amine

D. Nhiều codon cùng mã hóa cho một acid amine

E. Toàn bộ sinh giới có cùng một loại mã di truyền

2. Tổng hợp một chuỗi polynucleotide nhân tạo từ ba loại nucleotide A, G, và T. trên chuỗi polynucleotide này sẽ có tối đa bao nhiêu loại codon khác nhau ?

A. 64 B. 8 C. 27 D. 9 E. 32

3. Một chuỗi polynucleotide gồm có 10 nucleotide, sẽ có tối đa bao nhiêu kiểu sắp xếp khác nhau trong trình tự của các nucleotide đó ?

A. 104 B. 1010 C. 410 D. 40 E. 4. 102

4. Acid amine nào dưới đây chỉ được mã hoá bởi mộüt codon duy nhất: A. Methionine B. Tryptophan C. LysineD. Arginine E. Valine

ĐÁP ÁN

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

15

3. CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐÔI CỦA DNA Mục tiêu


- 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 mở đầu (iniator protein) sẽ gắn vào điểm Ori. Quá trình gắn kết này sẽ làm cho 1 đoạn DNA tháo xoắn tạo thuận lợi cho sự tác động của enzyme helicase và các protein SSB (Single Strand Binding protein: protein liên kết với mạch đơn của DNA).

Hình 1: Bắt đầu quá trình tự nhân đôi của DNA

16

Hai mạch của phân tử DNA sẽ được tách rời nhờ enzyme helicase qua việc phá vỡ các liên kết hydro giữa các base với năng lượng giải phóng từ NTP (nucleosid 5' triphosphate). Các mạch đơn sau khi tách rời nhau ra sẽ được duy trì ổn định dưới dạng mạch đơn nhờ các protein SSB. Các protein SSB gắn lên trên mạch đơn làm cho hai mạch không tái kết hợp trở lại được. (hình 1)

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 polymerase I cắt bỏ đoạn mồi RNA. Do hai mạch khuôn của DNA ngược chiều nhau nên việc tổng hợp mạch mới trên hai mạch khuôn diễn ra không giống nhau.

17

Trên mạch khuôn 3' → 5'

Do DNA polymerase III xúc tác theo hướng từ 3' → 5' nên mạch mới sẽ được tổng hợp theo hướng 5' →3', cùng hướng với hướng tháo xoắn và được tổng hợp một cách liên tục, mạch này được tổng hợp sớm hơn mạch kia nên tạm gọi là mạch trước (leading strand). (hình 4)

Hình 3: Tổng hợp đoạn mồi RNA vào kéo dài chuỗi polynucleotide

Trên mạch khuôn 5' → 3'

Do DNA polymerase đi ngược với hướng tháo xoắn nên mạch mới không được tổng hợp một cách liên tục mà dưới dạng những đoạn ngắn theo chiều từ 5' → 3' gọi là đoạn Okasaki với kích thước khoảng từ 1.000 đến 2.000 base, các đoạn Okasaki sau đó mới được nối lại với nhau nhờ enzyme ligase. Do mạch này được tổng hợp muộn hơn nên được gọi là mạch sau (lagging strand).

HOÀN CHỈNH CHUỖI POLYNUCLEOTIDE MỚI TỔNG HỢP

Khi mạch kép tách ra, enzyme primase sẽ tổng hợp đoạn mồi RNA khoảng 10 nucleotide có trình tự các base bổ sung với các base trên mạch khuôn theo nguyên tắc 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 mạch sau nó bằng

18

enzyme ligase. (hình 5)

. Hçnh 4:

Quaï trçnhûtæ nhán âäi trãn hai maûch khuän cuía DNA ïvåi mäüt maûch âæåüøc ntgä ühåp liãn tuûc (mûach trïæåc) vaì müät mûach âæåüc täøng håüp thaììnnhg tæ âoaûn (maûch sau).

19

Hçnh 5:

Quaï trçnh

õcàt âûoan

mäöi RNA ìva gàõïn cachuùäi DNA polynucleotide laûi ïvåi nhau nhåì enzyme DNA ligase.

Trong hai phân tử DNA mới được tổng hợp từ DNA mẹ, mỗi DNA chỉ có một mạch mới được tổng hợp còn mạch kia là của DNA mẹ đóng vai trò khuôn tổng hợp. Do đó sự tự nhân đôi của DNA được thực hiện theo kiểu bán bảo tồn (semi conservation).

20

Ở vi khuẩn E. Coli quá trình tự nhân đôi diễn ra rất nhanh, có thể đạt đến tốc độ 50.000 nucleotide/phút. (hình 6)

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.

- Polymerase β có chức năng giống DNA polymerase I, có nhiệm vụ tổng hợp chuỗi polynucleotide, sửa sai và hoàn chỉnh mạch mới sau khi loại bỏ đoạn mồi RNA.

- Polymerase δ có chức năng giống DNA polymerase III

Ngoài ra còn có các polymerase γ, polymerase ε với chức năng chưa rõ.

Ngoài các polymerase nói trên, quá trình tự nhân đôi của DNA còn có sự tham gia của nhiều loại protein đặc hiệu như:

- PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen: kháng nguyên nhân tế bào đang phân chia) đóng vai trò hoạt hoá polymerase ε và δ.

- Các RF- A và C (Replication Factor: yếu tố nhân đôi; RF-A; RF-C) cần thiết cho hoạt động của polymerase α và δ.

21

Hình 7: Quá trình tự nhân đôi DNA ở eukaryote

Quá trình tự nhân đôi ở eukaryote có thể tóm tắt như sau:

1. DNA đầu tiên được enzyme topoisomerase và RF-A tháo xoắn

2. Trên mạch sau:

- Phức hợp polymerase α / primase phối hợp với RF-A để tổng hợp đoạn RNA mồi dài khoảng 10 nucleotide.

22

- Phức hợp polymerase α kết hợp với RF-C để kéo dài đoạn mồi thêm khoảng 20 deoxynucleotide.

- Khi đó phức hợp PCNA - ATP sẽ đình chỉ hoạt động của polymerase α lại và giúp polymerase δ gắn vào để tổng hợp đoạn Okazaki.

- Polymerase α được giải phóng sẽ chuyẻn lên mạch đối diện (mạch trước) và tổng hợp liên tục mạch mới.

3. Các phân tử DNA sau khi được tổng hợp sẽ tổ chức lại thành nucleosome trong vòng vài phút.

Nhìn chung cơ chế tự nhân đôi DNA của eukaryote vẫn chưa được hiểu biết một cách đầy đủ.

CƠ CHẾ SỬA SAI DNA

Dưới tác động của các nhân tố trong môi trường, DNA có thể bị biến đổi trong cấu trúc, những biến đổi này sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho cơ thể sinh vật, vì vậy trong tế bào có nhiều cơ chế khác nhau đảm bảo phân tử DNA không bị thay đổi dưới tác động của các tác nhân đôi (hình 8)

Hình 8: Cơ chế sửa sai DNA trong quá trình tự nhân đôi và ngoài quá trình tự nhân đôi.

CƠ CHẾ SỬA SAI DNA TRONG QUÁ TRÌNH TỰ NHÂN ĐÔI

Sự chính xác trong quá trình tự nhân đôi có một ý nghĩa rất quan trọng đối với hoạt động bình thường của tế bào và của cơ thể, tuy nhiên trong quá trình tự nhân đôi của DNA nguy cơ xảy ra nhầm lẫn là rất lớn. Thử nhiệm in vitro cho thấy khả năng sao chép sai là 1.10-5 tức là trong 100.000 nucleotide sẽ có 1 nucleotide bị lắp sai. Trong thực tế tỷ lệ sai sót thấp hơn rất nhiều, ở người ước tính tần số sai sót là 1.10-9

tức là 1 sai sót xảy ra trong 1 tỷ nucleotide. Sự chính xác này được đảm bảo thông qua vai trò của một số enzyme DNA polymerase.

23

Ở prokaryote, enzyme DNA polymerase I và III vừa có khả năng polymer hoá, vừa có hoạt tính exonuclease 5' → 3' và 3' → 5', do đó trong quá trình xúc tác cho hoạüt động tự nhân đôi của DNA nếu gặp nucleotide lắp sai, enzyme này sẽ lùi lại, cắt bỏ nucleotide sai theo hướng 3' → 5'.

CƠ CHẾ SỬA SAI DNA NGOÀI QUÁ TRÌNH TỰ NHÂN ĐÔI

Ngoài quá trình tự nhân đôi phân tử DNA cũng có thể bị biến đổi, những biến đổi này xảy ra với tần số không nhỏ nhưng nhờ cơ chế sửa sai nên những biến đổi này được duy trì ở mức thấp.

Nguyên tắc sửa sai được tóm tắt như sau: Các enzyme đặc hiệu có nhiệm vụ phát hiện trình tự sai, gắn vào đó và cắt đoạn này ra khỏi DNA rồi sử dụng mạch đúng để làm khuôn để tổng hợp lại đoạn vừa bị cắt cho đúng. Có khoảng 50 enzyme thuộc loại này.


1. Hãy nêu những điểm cơ bản trong quá trình nhân đôi của prokaryote ?

2. Hãy nêu những điểm cơ bản trong quá trình nhân đôi của eukaryote ?

3. Những điểm khác nhau cơ bản trong quá trình tự nhân đôi trên hai mạch của DNA ở prokaryote ?

4. DNA được sửa sai như thế nào trong quá trình tự nhân đôi và trong giai đoạn không nhân đôi?

CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

1. Quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae bắt đầu từ một vị trí xuất phát gọi là: A. Điểm ori B. Replicon C. CodonD. Chẻ nhân đôi E. Okazaki

2. Mỗi đơn vị sao chép trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae được gọi là:

A. Điểm ori B. Replicon C. CodonD. Chẻ nhân đôi E. Okazaki

3. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, các phân tử protein được gọi là các

protein mở đầu (iniator protein) sẽ gắn vào một vị trí trên DNA đểî làm cho 1 đoạn DNA tháo xoắn tạo thuận lợi cho sự tác động của enzyme helicase và các protein SSB, vị trí đó là:

A. Điểm ori B. Replicon C. CodonD. Chẻ nhân đôi E. Okazaki

4. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, enzyme helicase có nhiệm vụ:

A. Làm ổn định các mạch đơn của DNA sau khi tách nhau ra và làm cho hai mạch không tái kết hợp trở lại được

24

B. Tháo xoắn phân tử DNA C. Tổng hợp đoạn mồi RNA D. Tiếp tục nối dài chuỗi polynucleotide

E. Phá vỡ các liên kết hydro giữa các base để tách hai mạch của phân tử DNA

5. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, các protein SSB có nhiệm vụ:




6. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, enzyme DNA gyrase có nhiệm vụ:




7. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, enzyme topoisomerase có nhiệm vụ:




8. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, enzyme primase có nhiệm vụ:




9. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, enzyme DNA polymerase có nhiệm vụ:


25



10. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, enzyme nào dưới đây có nhiệm vụ hình thành chẻ nhân đôi

A. Helicase B. Topoisomerase C. DNA gyraseD. DNA polymerase E. Primase

11. Trong quá trình tự nhân đôi ở Prokaryotae, phức hợp protein primosome có nhiệm

vụ:




12. Trong thực tế tỷ lệ sai sót trong quá trình tự nhân đôi ở người ước tính có tần số: A. 1.10-5 tức là 1 sai sót xảy ra trong 100.000 nucleotide. B. 1.10-6 tức là 1 sai sót xảy ra trong 1 triệu nucleotide. C. 1.10-7 tức là 1 sai sót xảy ra trong 10 triệu nuclotide. D. 1.10-8 tức là 1 sai sót xảy ra trong 100 triệu nucleotide. E. 1.10-9 tức là 1 sai sót xảy ra trong 1 tỷ nucleotide.

13. Cơ chế sửa sai DNA trong quá trình tự nhân đôi được đảm bảo thông qua vai trò của enzyme

A. Helicase B. Topoisomerase C. DNA gyraseD. DNA polymerase E. Primase

ĐÁP ÁN

1. A 2. B 3. A 4. E 5. A 6. B 7. B 8.C 9. D 10. A 11. C

12. E 13. D

26

4. RNA (ribonuclic acid) Mục tiêu


- Cấu trúc chung của phân tử RNA

- Cấu trúc và chức năng của các loại RNA

Các RNA được tổng hợp từ các gene tương ứng trên DNA , đóng vai trò trung gian trong quá trình sinh tổng hợp protein. Các phân tử RNA đều có đặc điểm chung như sau về cấu trúc (hình 1):

- Cấu trúc đa phân dạng mạch đơn polynucleotide.

- Trong cấu trúc của các đơn phân nucleotide: đường pentose là ribose C5H10O5, base Uracil (U) thay cho thymin (T).

Hình 1: (a) Cấu trúc bậc 1 (mạch thẳng) của RNA; (b) Cấu trúc bậc 2 của RNA (tạo xoắn không hoàn toàn)

27

Căn cứ trên chức năng có thể chia ra làm 3 loại RNA cơ bản sau:

- RNA thông tin (mRNA: messenger RNA)

- RNA vận chuyển (tRNA: transfer RNA)

- RNA ribosome (rRNA: ribosomal RNA)

CÁC LOẠI RNA

rRNA (RNA ribosome)

Hình 2: Các rRNA được hoàn thiện sau khi phiên mã. Lưu ý là ở eukaryote không xảy ra quá trình cắt tỉa những đoạn nucleotide và phân tử 5S rRNA được phiên mã

riêng từ gene rRNA nhỏ (small rRNA)

Trong tế bào rRNA gắn với các protein thành một phức hợp ribonucleoprotein gọi là ribosome tham gia vào quá trình giải mã. rRNA chiếm từ 75% đến 80% tổng số RNA của tế bào. Dựa trên hệ số lắng S (S: sedimentation) trong quá trình ly tâm phân tích mà người ta chia thành các loại sau (hình 22):

Ở prokaryote các ribosome có hệ số lắng 70S, gồm 2 đơn vị:

- Đơn vị lớn 50S có 1 rRNA 23S và 1 rRNA 5S

- Đơn vị nhỏ 30S chỉ có 1 rRNA 16S

Ở Eukaryota các ribosome có hệ số lắng 80S, gồm 2 đơn vị:

- Đơn vị lớn 60S có 1 rRNA 28S và 1 rRNA 5,8S và 1 rRNA 5S.

- Đơn vị nhỏ 40S chỉ có 1 rRNA 18S

rRNA có cấu trúc không gian phức tạp do có nhiều đoạn bắt cặp với nhau theo nguyên tắc bổ sung.

tRNA (RNA vận chuyển)

tRNA có nhiệm vụ gắn với amio acid đặc hiệu để đưa đến ribosome trong quá trình giải mã. Mỗi amino acid có ít nhất một tRNA đặc hiệu. Các tRNA có cấu trúc

28

chung như sau (hình 3):

Có khoảng từ 73 - 93 nucleotide

Cuộn xoắn một đầu dựa trên nguyên tắc bổ sung giữa các cặp nucleotide AU và GC nhưng không hoàn toàn tạo nên hình lá chẻ ba với các quai (loop) không tạo xoắn.

Đầu 3' của nhánh tiếp nhận (acceptor arm) có trình tự kết thúc là CCA, đây là đầu gắn amino acid trong quá trình vận chuyển thông qua liên kết cộng hoá trị. (hình 4)

Nhánh TψC có mang 3 base T, pseudouracyl (ψ) và C trong quai

Một đầu không tạo xoắn mang bộ ba đối mã (anticodon) bổ sung với bộ ba mã sao (codon) trên phân tử mRNA. Một đặc điểm đáng chú ý của tRNA là một tRNA có thể kết hợp với hai codon khác nhau cùng mã hoá cho một amino acid.

Hçnh 3: Cáúu tcrucuía müät tRNA

Việc gắn amino acid vào tRNA đặc hiệu được thực hiện qua trung gian của enzyme amino acyl-tRNA synthetase. Có 20 loại enzyme này tương ứng với 20 loại amino acid khác nhau. Quá trình gắn amino acid vào tRNA gồm hai giai đoạn như sau:

Hçnh 4: Vë trê gàõn amino acid trãn tRNA

Giai đoạn 1: enzyme nhận biết và gắn với một amino acyl đặc hiệu

Enzyme + amino acid + ATP → Enzyme-aminoacyl- AMP +P-P

Giai đoạn 2: Amino acid chuyển từ phức hợp enzyme- aminoacyl sang tRNA tương ứng

Enzyme-aminoacyl-AMP + tRNA → tRNA-aminoacyl +AMP + Enzyme

29

mRNA (RNA thông tin)

Được sao ra từ trình tự ncleotide trên DNA, có vai trò chuyển thông tin mã hoá trên DNA đến ribosome để tổng hợp phân tử protein tương ứng. mRNA có cấu trúc mạch đơn. mRNA của prokaryote có cấu trúc đơn giản, thời gian bán huỷ ngắn, trung bình khoảng 2 phút, mRNA của eukaryote có thời gian bán huỷ lâu hơn, khoảng từ 30 phút đến 24 giờ.

mRNA có đoạn đầu mang các tín hiệu cho ribosome nhận biết để gắn vào và bắt đầu thực hiện quá trình dịch mã và phần đuôi mang mã kết thúc để báo hiệu chấm dứt quá trình dịch mã.

RIBOZYME VÀ KHẢ NĂNG TỰ CẮT (SELF-SPLICING)

Một số RNA có khả năng xúc tác như vai trò của các protein enzyme được gọi là ribozyme. Ở những RNA này quá trình tự cắt có thể xảy ra trên RNA mà không cần đến vai trò của các enzyme protein. Hoạt động này liên quan đến sự biến đổi cấu trúc của đoạn intron trên RNA làm cho đoạn intron có hoạt tính xúc tác tương tự enzyme, tự xúc tác cho quá trình tự cắt ra khỏi RNA.


1. RNA có cấu trúc hoá học như thế nào ?

2. Mô tả cấu trúc không gian và chức năng của rRNA, mRNA và tRNA ?

3. Phức hệ tRNA – aminoacyl được hình thành như thế nào ? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

1. Trên mRNA, bộ ba mã ........ (A: AUG; B: UAA; C: UAG) mã hoá cho methionine (Met) sẽ bắt đầu cho quá trình dịch mã. Mặc dù chỉ có 1 codon mã hoá cho Met nhưng có....... ( 1. một; 2. hai; 3. ba) loại tRNA mang Met đến ribosome.

A. A, 2 B. A, 1 C. B,2 D.C, 3 E. B, 1

2. Sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc giữa đơn phân của DNA và RNA ở vị trí:

A. H3PO4 B. Đường C. Base nitric

D. B và C đúng E. A, B và C đều đúng

3. Các loại base nitric có thể xuất hiện ở trong cấu trúc của 1 phân tử ribonuclotide:

A. A, T, G, X và một số biến dạng khác B. U, T, G, X

C. A, U, G, X và một số biến dạng khác D. A, T, U, G, X

E. A, G, X

4. Phân tử đường có mặt trong cấu trúc của phân tử RNA là:

A. Glucose B. Fructose C. Deoxyribose

D. Galactose E. Ribose

30

5. Sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc giữa các loại RNA do các yếu tố sau quyết định:

A. Số lượng, thành phần các loại ribonuclotide trong cấu trúc

B. Số lượng, thành phần, trật tự của các loại ribonuclotide và cấu trúc không gian của ARN

C. Thành phần và trật tự của các loại ribonuclotide

D. Cấu trúc không gian của các loại RNA E. Số lượng các loại ribonuclotide

6. Mô tả nào sau đây về tRNA là đúng:

A. tRNA là một mạch polyribonuclotide có số ribonuclotide tương ứng với số nuclêôtít trên một mạch của gen cấu trúc

B. tRNA là một mạch polyribonuclotide gồm từ 80 đến 100 ribonuclotide không tạo xoắn, một đầu tự do còn một đầu mang axít amin

C. tRNA là một mạch polyribonuclotide gồm từ 80 đến 100 ribonuclotide cuốn xoắn ở một đầu trên cơ sở nguyên tắc bổ sung thực hiện giữa tất cả các ribonuclotide của tARN, một đầu mang axít amin và một đầu mang bộ ba đối mã.

D. tRNA là một mạch polyribonuclotide gồm từ 80 đến 100 ribonuclotide cuốn xoắn ở một đầu, có đoạn các cặp base liên kết theo nguyên tắc bổ sung và có những đoạn không liên kết bổ sung, tạo nên những thùy tròn, một đầu tự do mang amino acid đặc hiệu và một thùy tròn mang bộ ba đối mã

E. tRNA có dạng mạch đơn hay cuộn xoắn một đầu với số ribonuclotide từ 160 đến 13000, những tRNA này sẽ kết hợp với những protein đặc hiệu để tạo nên các tiểu phần ribosome

7. Trong phân tử ARN nguyên tắc bổ sung được thực hiện giữa:

A. A và U bằng 3 liên kết hydro; G và X bằng 2 liên kết hydro

B. A và T bằng 2 liên kết hydro; G và X bằng 3 liên kết hydro

C. A và T bằng 3 liên kết hydro; G và X bằng 2 liên kết hydro

D. A và U bằng 2 liên kết hydro; G và X bằng 3 liên kết hydro

E. A và G bằng 2 liên kết hydro; T và X bằng 3 liên kết hydro ĐÁP ÁN

1. A 2. D 3. C 4. E 5. B 6. D 7. D

31

5. QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ (TRANSCRIPTION) Mục tiêu


- Quá trình phiên mã cơ bản của eukaryote và prokaryote

- Quá trình hình thành mRNA của eukaryote

Quá trình phiên mã (hinh 1) cho phép tổng hợp RNA trên khuôn DNA thông qua sự xúc tác của hệ enzyme RNA polymerase (tên đầy đủ là DNA-dependent-RNA polymerase). Như vậy DNA không những có khả năng tổng hợp nên DNA mà còn có khả năng tổng hợp nên RNA, một phân tử khác. Khả năng này của DNA được gọi là khả năng dị xúc tác (heterocatalysis).

Quá trình phiên mã dù ở prokaryote hoặc ở eukaryote đều tuân theo các nguyên tắc cơ bản sau:

Hçnh 1: Quaï trçnh phiãn mîa trãDnNA

- Chỉ một trong hai mạch của DNA được dùng làm khuôn để tổng hợp RNA.

- Không cần sự tham gia của đoạn mồi (primer)

- RNA polymerase bám vào DNA làm tách rời hai mạch của DNA và di chuyển trên khuôn DNA theo hướng từ 3' đến 5' và do đó mRNA được tổng hợp theo hướng từ 5' đến 3'.

Hình 2: Quá trình phiên mã ở prokaryote

Do enzyme RNA polymerase không có khả năng sửa sai nên độ chính xác kém hơn nhiều so với quá trình tự nhân đôi, tuy nhiên do RNA không được sao chép nên không ảnh hưởng đến việc truyền đạt thông tin quá các thế hệ.

32

QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ Ở PROKARYOTE

Ở prokaryote chỉ có một loại RNA polymerase chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các loại RNA. RNA polymerase có cấu trúc bậc 4 với năm chuỗi polypeptid β'; β; α; ω và σ. Các chuỗi này nối với nhau bằng các liên kết yếu. Enzyme này sẽ bám vào vị trí khởi động (promotor) trên mạch DNA dùng làm khuôn để bắt đầu tổng hợp mRNA (hình 2, 3).

Hình 3: Tóm tắt quá trình phiên mã

Phân tử mRNA được tổng hợp có thể chứa thông tin cho nhiều gene nối tiếp nhau (polycistronic mRNA), các protein do các gene này mã hoá thường liên quan với nhau trong một quá trình chuyển hoá nào đó.

Quá trình phiên mã có thể tóm tắt thành 3 giai đoạn như sau:

GIAI ĐOẠN MỞ ĐẦU

Hình 4: Vị trí khởi động (promotor)

Vị trí khởi động trên DNA thường là một trình tự gồm 6 nuclotide, một nằm ở cách điểm bắt đầu tổng hợp RNA 10 bp (trình tự - 10) và một cách điểm bắt đầu tổng hợp 35bp (trình tự -35).

33

Tiểu đơn vị σ giúp RNA polymerase nhận biết vị trí khởi động trên một mạch của DNA. Đầu tiên nó sẽ gắn vào vị trí trình tự -35, sự gắn kết này sau đó sẽ làm cho trình tự -10 tháo xoắn và một sợi đơn DNA sẽ được sử dụng làm khuôn để tổng hợp RNA. (hình 3, 4)

Hình 5: Giai đoạn khởi đầu và kéo dài trong quá trình phiên mã

GIAI ĐOẠN KÉO DÀI

Khi phân tử RNA đang tổng hợp có khoảng 8 nucleotide thì tiểu đơn vị σ sẽ tách khỏi phức hơp enzyme RNA polymerase và sẽ gắn vào một promotor khác để bắt đầu một quá trình phiên mã mới đồng thời RNA polymerase sẽ gắn thêm các nhân tố kéo dài (elongation factors) sự tách rời của đơn vị này sẽ giúp RNA polymerase tiếp tục trượt trên mạch khuôn để để tổng hợp RNA. (hình 5)

Trong quá trình tổng hợp RNA, sợi RNA đang tổng hợp sẽ tách dần khỏi mạch khuôn của DNA và đoạn DNA sau khi phiên mã sẽ được RNA polymerase đóng xoắn trở lại. (hình 3)

34

GIAI ĐOẠN KẾT THÚC

Trên DNA của vi khuẩn có các dấu hiệu kết thúc, khi RNA polymerase gặp dấu hiệu này thì sẽ ngừng phiên mã, giải phóng RNA và xúc tác cho một quá trình phiên mã mới. Phân tử tRNA và rRNA sau khi giải phóng sẽ tiếp tục hoàn thiện cấu trúc bậc 2. (hình 8)

Ở vi khuẩn có 2 kiểu kết thúc:

(1) Các dấu hiệu kết thúc phụ thuộc vào yếu tố Rho (Rho-dependent terminators), dấu hiệu này sẽ đình chỉ quá trình phiên mã khi có mặt yếu tố Rho (ρ).

(2) Các dấu hiện kết thúc không phụ thuộc vào yếu tố Rho (Rho-independent terminators) có thể chấm dứt quá trình phiên mã khi không có yếu tố Rho.

Cơ chế hoạt động của các dấu hiện kết thúc không phụ thuộc vào yếu tố Rho (hình 6)

Trên DNA mang các đọan lặp đảo ngược (inverted repeats), đây là một đoạn có trình tự nucleotide đảo ngược trên DNA và có thể bổ sung cho nhau.. Khi đoạn này được phiên mã chúng sẽ tạo thành cấu trúc dạng kẹp tóc (hairpin)

Phía sau đoạn lặp đảo ngược thứ hai có một trình tự khoảng 6 nucleotide adenine, được phiên mã thành chuỗi polyuracyl phía sau cấu trúc kẹp tóc trên RNA

Sự có mặt của cấu trúc kẹp tóc sẽ làm cho RNA polymera di chuyển chậm và dừng lại dẫn đến việc chấm dứt việc phiên mã. Sự bổ sung giữa A và U phía sau cấu trúc kẹp tóc

Hình 6: Kết thúc phiên mã bằng các dấu hiện kết thúc

không phụ thuộc vào yếu tố Rho

35

tương đối không hằng định tạo thuận lợi cho việc tách RNA ra khỏi mạch khuôn.

Cơ chế hoạt động của các dấu hiện kết thúc phụ thuộc vào yếu tố Rho (hình 7,8)

Hình 7: Kết thúc phiên mã bằòng các dấu hiện kết thúc phụ thuộc vào yếu tố Rho

Trên DNA mang các trình tự báo hiệu chấm dứt hoạt động phiên mã, gọi là dấu hiệu kết thúc.

Phía trước dấu hiệu kết thúc là một trình tự DNA mã cho một đoạn RNA không có khả năng tạo nên cấu trúc bậc 2 gọi là đoạn RNA không được cấu trúc (unstructed RNA). Protein Rho sẽ gắn vào vị trí này trên RNA và di chuyển về phía đầu 3' theo hướng của enzyme RNA polymerase.

RNA polymerase sẽ dừng lại khi gặp dấu hiệu kết thúc tạo điều kiện cho yếu tố Rho bắt kịp. Yếu tố này có hoạt tính như enzyme helicase sẽ tách cấu trúc kép RNA- DNA , giải phóng RNA và chấm dứt quá trình phiên mã.

36

Hình 8: Phân tử RNA hoàn thiện cấu trúc bậc 2

QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ Ở EUKARYOTE

Việc xúc tác cho quá trình phiên mã ở eukaryote do 3 loại RNA polymerase I. II. III chịu trách nhiệm trong đó RNA polymerase III phiên mã cho các RNA nhỏ như tRNA và loại RNA 5S, snRNA (small nuclear RNA: RNA nhỏ ở nhân).

Phân tử mRNA được tổng hợp chỉ chứa thông tin của 1 gene mà thôi (monocistronic mRNA). Nhưng khác với prokaryote, mRNA sau khi phiên mã sẽ không tham gia ngay vào quá trình dịch mã mà phải qua một quá trình chế biến mới trở thành mộüt mRNA trưởng thành (hình 30) tham gia dịch mã, quá trình này được gọi là quá trình trưởng thành (maturation). mRNA trước khi qua quá trình trưởng thành được gọi là tiền mRNA (premessenger RNA). (hình 9)

Hình 9: Cấu trúc chung của một mRNA trưởng thành ở eukaryote

Quá trình phiên mã ở eukaryote trãi qua các giai đoạn sau:

GIAI ĐOẠN MỞ ĐẦU

Chịu sự kiểm soát của một trình tự đặc biệt trên DNA gọi là lõi khởi động (core promoter) trong đó có trình tự lặp gọi là hộp TATA (TATA box) nằm cách vị trí phiên mã khoảng 25 - 35 nucleotide có vai trò quan trọng trong quá trình phiên mã ở eukaryote.

37

Vai trò của RNA polymerase II (hình 11)

RNA polymerase II bắt đầu phiên mã với sự phối hợp với các nhân tố phiên mã (TF: transcription factors) có bản chất là protein gồm có TFIID, TFIIB, TFIIA, TFIIE và TFIIH. Chữ TFII ký hiện cho loại TF phối hợp với RNA polymerse II, các kỹ tự phía sau đại diện cho các loại TF khác nhau.

Hçnh 10: TBP gàõn ïvåi ühäp TATA trãn DNA, íbe

cong DNA thaình hçnh yãn ngæûa

Hình 11: Giai đoạn khởi đầu quá trình phiên mã ở eukaryote với RNA polymerase II

38

TFIID gắn với hộp TATA và vị trí hoạt động của RNA polymerase II để đảm bảo cho quá trình phiên mã bắt đầu một cách chính xác. TFIID có ít nhất chín chuỗi polypeptide, một trong chúng được gọi là TBP (TATA-binding protein: protein gắn với TATA) có khả năng ghi nhận và gắn vào hộp TATA trên DNA khuôn, bẻ cong đoạn DNA thành hình yên ngựa tạo thuận lợi cho hoạt động phiên mã. (hình 10)

Một phức hợp gồm DNA polymerase, các yếu tố phiên mã, các yếu tố trung gian khác đến gắn với TFIID. TFIIA có vai trò duy trì mối quan hệ giữa TFIID và DNA, TFIIB giúp chọn lựa vị trí bắt đầu, TFIIH giúp tháo xoắn DNA, các chất trung gian đóng vai trò trung gian giữa hệ thống phiên mã và các protein hoạt hóa cho quá trình phiên mã.

Ngay phía trước lõi khởi động là một trình tự lặp gọi là vùng điều hòa khởi động (regulatory promoter). Vùng này sẽ kết hợp với các protein hoạt hóa cho quá trình phiên mã và qua đó ảnh hưởng tới tốc độ phiên mã.

Trên DNA có các trình tự với tác dụng tăng cường hoạt động phiên mã của các gene gọi là vùng tăng cường (enhancer), vùng này có thể nằm ở phía trước hoặc phía sau gene và cách xa gene mà nó điều khiển, đôi khi vùng này nằm trong các intron của gene. Mặc dù nằm cách xa vùng khởi động nhưng thông qua các protein hoạt hóa cho quá trình phiên mã, DNA sẽ tạo thành một quai DNA làm cho vùng tăng cường và vùng khởi động nằm sát nhau để điều khiển quá trình phiên mã.

Vai trò của RNA polymerse I (hình 12)

Hình 12: Giai đoạn khởi đầu quá trình phiên mã ở eukaryote với RNA polymerase I

RNA polymerase I cần có 2 protein là SL1 và UBF để bắt đầu cho quá trình phiên mã. 2 protein này sẽ gắn vào 2 vùng chức năng trên DNA, một vùng nằm quanh vị trí bắt đầu phiên mã kéo dài từ vị trí -40 đến +20 gọi là yếu tố lõi (core element) cần thiết cho việc bắt đầu phiên mã và một vùng ở phía trước vùng yếu tố lõi ở vị trí -180

39

đến -107 gọi là yếu tố kiểm soát (control element) có vai trò tăng cường hiệu quả hoạt động của vùng quanh vị trí phiên mã. 2 vùng này giàu GC và có trình tự giống nhau

Như vậy cả hai enzyme RNA polymerase I và II đều vó vai trò quan trọng như nhau trong việc bắt đầu quá trình phiên mã.

Vai trò của RNA polymersase III (hình 13)

Chỉ xúc tác cho quá trình phiên mã các RNA nhỏ như tRNA và loại RNA 5S, snRNA. Vùng tác động của enzyme này có thể nằm phía trước vị trí phiên mã (snRNA) hoặc nằm trong vùng phiên mã (t và rRNA).

GIAI ĐOẠN KÉO DÀI

mRNA được tổng hợp trên mạch khuôn của DNA nhờ nhân tố TFIIS

GIAI ĐOẠN KẾT THÚC

Hçnh 13: Caïc vë trê kíhåi âüäng khaïc nhau trãïn ca

loaûi gene ícua RNA polymerase III

Giai đoạn này ở eukaryote chưa được biết một cách tường tận. 3 loại RNA polymerase sử dụng các cơ chế khác nhau để chấm dứt việc phiên mã.

RNA polymerase I cần một yếu tố kết thúc giống như yếu tố Rho ở vi khuẩn, yếu tố này gắn với một trình tự DNA ở phía sau vị trí kết thúc.

RNA polymerase III kết thúc phiên mã sau khi phiên mã một trình tự kết thúc tạo ra một chuỗi gồm các uracyl trên phân tử RNA, quá trình này không cần sự hình thành cấu trúc "kẹp tóc" phía trước chuỗi uracyl như ở vi khuẩn.

Đối với các gene phiên mã dưới tác động của RNA polymerase II, quá trình phiên mã có thể chấm dứt tại nhiều vị trí nằm trong khoảng từ vài trăm đến vài ngàn cặp base ở phía cuối gene.

QUÁ TRÌNH TRƯỞNG THÀNH CỦA CÁC TIỀN mRNA

Quá trình trưởng thành của các tiền mRNA xảy ra ở trong nhân tế bào từ trước khi quá trình phiên mã kết thúc. Quá trinh này gồm các bước sau:

GẮN MŨ CHỤP (CAPPING)

Ngay sau khi bắt đầu phiên mã, một nhóm phosphate của nucleotide đầu 5' sẽ bị tách đi tạo điều kiện cho một guanine với 1 phosphate gắn vào đầu 5', sau đó base guanine sẽ gắn thêm nhóm methyl vào vị trí số 7 (7-methyl guanin), sự mehtyl hóa này có thể xảy ra ở vị trí 2' trên phân tử đường của một hoặc một số nucleotide tiếp theo.

40

Mũ chụp có vai trò hết sức quan trọng trong quá trình dịch mã vì các protein ghi nhận mũ chụp sẽ bám vào đây và ribosome sẽ bám vào các protein này để bắt đầu cho quá trình dịch mã. Ngoài ra mũ chụp còn giúp giữ cho cấu trúc của mRNA được hằng định và ảnh hưởng đến quá trình cắt bỏ các intron. (hình 14)

GẮN ĐUÔI POLYA

Ngay sau khi phiên mã xong, các tiền mRNA (pre mRNA) sẽ bị cắt ở vị trí nằm phía sau một trình tự đồng nhất (consensus sequence) AAUAAA khoảng 11 - 30 nucleotide. Sau đó enzyme polyA polymerase và một số yếu tố khắc sẽ giúp gắn một lượng adenin và đầu 3' của mRNA, sau khi gắn khoảng 10 adenine, một protein gọi là PABP (PolyA Binding Proein: pretein liên kết với polyA) sẽ gắn vào đuôi poly A và giúp phát triển tiếp tục chuỗi polynucleotide adenin, càng nhiều PABP gắn vào sẽ có càng nhiều adenine trong đuôi poly A.Số lượng adenin trong đuôi poly A khoảng từ 50 - 250.

Đuôi poly A giúp duy trì sự ổn định của mRNA và kéo dài thời gian hoạt động dịch mã của RNA này. Sự ổn định của mRNA phụ thuộc vào các protein gắn vào đuôi polyA. (hình 15)

Hình 14: Quá trình hình thành mũ chụp (cap) ở đầu 5' bằng cách gắn thêm guanine và methyl hóa.

41

Hình 15: Gắn đuôi poly A vào đầu 3' của tiền mRNA

CẮT NỐI (SPLICING)

Trong bước này tiền mRNA sẽ cắt bỏ các đoạn intron không mang mã và nối các đoạn exon mang mã lại với nhau. Có 3 trình tự đóng vai trò quan trọng trong quá trình này là (hình 16):

Hình 16: Các vị trí quan trọng trong việc cắt nối tiền mRNA

- Trình tự cho GU ở đầu 5' của intron (một số ít là AU)

- Điểm nhánh (branch point) là một trình tự nucleotide với một adenine nằm ở phía trước vị trí cắt ở đầu 3' khỏang từ 18 đến 40 nucleotide. Trình tự này không có độ đồng nhất cao nhưng thường có dạng YNYYRAY (Y: nucleotide pyrimidine, N: bất cứ loại nucleotide nào, R: nucleotide purine, và A : adenine). Đột biến xảy ra ở vùng này sẽ làm cho quá trình căt nối không xảy ra được.

- Trình tự nhận AG ở đầu 3' (một số ít là AC)

Quá trình cắt nối được thực hiện với sự tham gia của một phức hợp lớn có tên là splicesome (thể cắt nối), được cấu tạo từ nhiều phân tử RNA và protein. Các phân tử RNA tham gia vào cấu trúc của splicesome là các RNA nhân nhỏ (snRNAs), những snRNA này sẽ kết hợp với các protein để tạo thành các snRNP (small ribonucleoprotein particles: tiểu phần ribonucleoprotein nhỏ), mỗi snRNP chứa một snRNA và nhiều protein. Splicesome gồm 5 snRNP được gọi tên theo loại snRNA mà nó mang trong cấu trúc (U1, U2, U4, U5 và U6).

42

Trước khi quá trình cắt nối xảy ra exon trước (exon 1) và exon sau (exon 2) được tách ra bởi 1 intron. Tiền mRNA được cắt nối theo hai bước sau (hình 17):

Hình 17: Quá trình cắt bỏ các đoạn intron trong tiền mRNA để tạo thành mRNA trưởng thành

Bước 1

Tiền mRNA bị cắt ở vị trí cắt 5' làm giải phóng exon 1 ra khỏi intron và đầu 5' của intron sẽ gắn vào điểm nhánh bằng cách uốn cong lại tạo thành một cấu trúc hình "nút thòng lọng" (lariat). Nucleotide guanine ở đầu cắt 5' của intron sẽ liên kết với nucleotid adenine của điểm nhánh. Nhóm OH trên carbon 2' của adenine tại điểm nhánh sẽ phá vỡ liên kết 5' phosphodiester của guanine ở vị trí cắt 5', và tạo thành một liên kết 5' - 2' phosphodiester mới giữa guanine và adenine. Quá trình này được gọi là quá trình chuyển ester hóa (transesterification).

Bước 2

Vị trí cắt 3' sẽ bị cắt và đồng thời đầu 3' của exon 1 sẽ gắn với đầu 5' của exon 2 bằng liên kết hóa trị, phản ứng này cũng được thực hiện qua quá trình chuyển ester hóa, trong đó nhóm 3'-OH của exon 1 sẽ phá vỡ liên kết phosphodiester ở vị trí cắt 3' và tạo thành liên kết phosphodiester mới giữa đầu 3' của exon 1 và đầu 5' của exon 2. Khi đó đoạn intron được cắt bỏ dưới dạng nút thòng lọng. nút thòng lọng intron này sẽ trở thành mạch thẳng và nhanh chóng bị thoái hóa dưới tác dụng của các enzzyme của nhân. Giữa các exon và intron khác cũng diễn ra quá trình tương tự để tạo thành mRNA trưởng thành (mature mRNA) chỉ gồm các đoạn exxon. mRNA trưởng thành sau đó sẽ vào bào tương tham gia quá trình dịch mã.


1. Nêu các nguyên tắc cơ bản của quá trình phiên mã ?

2. Trình bày các giai đoạn cơ bản trong quá trình phiên mã ở prokaryote ?

3. Trình bày các giai đoạn cơ bản trong quá trình phiên mã ở eukaryote ?

43

4. Ở eukaryote, sau khi mRNA được tổng hợp, sẽ trãi qua những biến đổi như thế nào để trở thành một mRNA trưởng thành có thể tham gia quá trình dịch mã ?


1. Mũ chụp G trên mRNA cho phép các ...... (P: protein; A: amino acid; N:nucleotide) ghi nhận mũ chụp bám vào đây và .......(R: ribosome; T: tRNA; E:enzyme) sẽ bám vào các protein này để bắt đầu cho quá trình dịch mã và giúp giữ cho cấu trúc của mRNA được ........(H: hằng định; L: linh hoạt)

A. P, T, L B. A, R, H C. N, E, HD. A, R, L E. P, R, H

2. Trong quá trình phiên mã của Eukaryote, đuôi poly A có nhiệm vụ:

A. Giúp duy trì sự ổn định của mRNA

B. Kéo dài thời gian hoạt động dịch mã của RNA C. Nối các đoạn exon lại với nhau D. A, B đúng

E. A, B, C đều đúng

3. Trên mRNA, bộ ba mã ........ (A: AUG; B: UAA; C: UAG) mã hoá cho methionine (Met) sẽ bắt đầu cho quá trình dịch mã. Mặc dù chỉ có 1 codon mã hoá cho Met nhưng có...... ( 1. một; 2. hai; 3. ba) loại tRNA mang Met đến ribosome.

A. A, 2 B. A, 1 C. B,2 D. C, 3 E. B, 1

4. Sau khi quá trình tổng hợp mRNA bắt đầu, đầu 5' của mRNA đang được tổng hợp sẽ được gắn thêm:

A. Enzyme RNA polymerase II B. Một chuỗi poly A C. Một đoạn base gồm 100 đến 200 Uracyl

D. Một nucleotide Adenine được methyl hóa

E. Một nucleotide Guanine được methyl hóa

5. Để tạo thành đầu "5' cap" thì đầu 5' của phân tử mRNA đang được tổng hợp sẽ được "bít" lại bằng cách gắn thêm một nucleotide được methyl hóa loại:

A. Adenine B. Cytosine C.UracylD. Thymine E. Guanine

ĐÁP ÁN

1. E 2. D 3. A 4. E 5. E

44

6. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN Mục tiêu


- Cấu trúc chung của các amino acid

- Cấu trúc chung của protein

- Các chức năng cơ bản của protein CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

Protein có cấu trúc đa phân tử với đơn phân là amino acid. Có tất cả 20 loại amino acid khác nhau, tất cả đều có cấu trúc chung như sau. (hình 1)

- Một nhóm amine (-NH2)

- Một nhóm carboxyl (- COOH)

- Một gốc R đặc trưng cho từng loại aminoacid, quy định tính chất của từng loại amino acid. Dựa vào điện tích của gốc này mà người ta chia các amino acid thành 5 nhóm: (1) Nhóm mang điện tích dương; (2) Nhóm mang điện tích âm; (3) Nhóm gốc R có nhân thơm; (4) Nhóm phân cực và (5) Nhóm không phân cực (hình 2, 3, 4).

Các phân tử amino acid nối với nhau bởi các liên kết peptide được hình thành giữa

Hçnh 1: Cáúu tïruc chung ícua mät amino acid

nhóm carboxyl của amino acid trước với nhóm amine của amino acid kế tiếp. Phản ứng sẽ giải phóng một phân tử nước. (hình 5)

Nếu một chuỗi có số amino acid dưới 30 sẽ được gọi là chuỗi peptid, nếu số amino acid lớn hơn sẽ được gọi là polypeptide. Mỗi polypeptide có hai đầu tận cùng, một đầu mang nhóm amin tự do (N - teminus), đầu kia mang nhóm carboxyl tự do (C-terminus). Từ protein dùng để chỉ một đơn vị chức năng có cấu trúc không gian phức tạp. Một protein có thể được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều chuỗi polypeptide.

Protein có bốn bậc cấu trúc:

CẤU TRÚC BẬC 1

Là số lượng các chuỗi polypeptide tham gia vào cấu trúc, số lượng và trình tự của các amino acid trong mỗi chuỗi polypeptide. Tùy thuộc vào số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp của các amino acid mà sẽ có vô số loại protein khác nhau.

Cấu trúc bậc một có một vai trò quyết định trong việc xác định cấu trúc không gian ở các bậc tiếp theo của phân tử protein.

45

Hình 2: Amino acid mang điện tích dương và điện tích âm

Hình 3: Amino acid phân cực và không phân cực

Hình 4: Amino acid chứa nhân thơm Hình 5: Hình thành liên kết peptide

CẤU TRÚC BẬC 2 (HÌNH 6, 8)

Sự tương tác giữa các peptide trong protein sẽ tạo nên cấu trúc bậc 2 của protein. Có 2 loại cấu trúc bậc 2 là xoắn alpha và xoắn beta.

46

Xoắn alpha

Hình thành thông quá các liên kết hydro giữa các nhóm amin của amino acid với oxygen của amino acid thứ ba tính từ amino acid đó tạo nên cấu trúc xoắn đều quanh một trục hình trụ tưởng tượng. Cấu trúc này được thấy ở một số protein dạng sợi.

Xoắn beta

Các chuỗi polypeptide nằm cạnh nhau nối với nhau bằng các liên kết hydro tạo nên các tấm xếp (plated sheet). Với cách sắp xếp này

Hçnh 6: Cáúturuïc bûác 1 ìva báûcí2 acuphánítæ protein

phân tử protein dẻo và chắc hơn như các protein của mạng nhện, lông vũ, tơ lụa v.v...

CẤU TRÚC BẬC BA (hình 7)

Hçnh 7: Cáúu tïruc bûác 3 ìva báûcí4 acuphánítæ protein

Chuỗi polypeptide cuộn xoắn tạo thành khối cầu thông qua liên kết giữa các gốc R. Các protein này gồm các enzyme, các hormone protein, các kháng thể v.v.... Trong cấu trúc bậc ba thường có sự đan xen giữa đoạn xoắn alpha và đoạn xoắn beta.

CẤU TRÚC BẬC BỐN (HÌNH 7)

Khi có hai hoặc nhiều chuỗi polypeptide độc lập, giống nhau hoặc khác nhau gắn lại với nhau thông qua các liên kết yếu sẽ tạo thành cấu trúc bậc bốn như trường hợp cấu trúc của phân tử hemoblobine của người.

CHỨC NĂNG SINH HỌC

Protein thực hiện hầu hết các chức năng cơ bản của chất sống, dưới đây liệt kê một số chức năng cơ bản của protein:

47

Hình 8: (a) (b)

(a) Xoắn alpha: Các liên kết hydro giữa các nhóm amin của amino acid với oxygen của amino acid thứ ba tính từ amino acid đó tạo thành cấu trúc alpha

(b) Xoắn beta: Các chuỗi polypepotide nằm cạnh nhau nối với nhau bằng các liên kết hydro tạo nên các tấm xếp (pleated sheet)

Enzyme

Đóng vai trò xúc tác cho các phản ứng sinh học. Các enzyme tham gia quá trình tự nhân đôi của DNA, quá trình sao mã ... cho thấy tầm quan trọng của loại protein này.

Protein cấu trúc

Có mặt trong hầu hết các cấu trúc của tế bào từ màng tế bào, màng nhân và các bào quan, bào tương v.v... cho đến cấu trúc của nhiễm sắc thể.

Protein vận chuyển

Các protein này nằm trong cấu trúc của các hệ thống màng của tế bào hoặc có mặt trong tế bào như hemoglobine trong hồng cầu người làm nhiệm vụ vận chuyển oxygen hoặc trong huyết tương v.v...

Protein vận động

Một số protein có khả năng co duỗi, tạo nên khả năng vận động ở mức độ tế bào và mức độ cơ thể. Các protein myosine và actine của tổ chức cơ với khả năng co duỗi tạo nên khả năng vận động là một ví dụ minh họa.

48

Protein bảo vệ

Kháng thể là những protein do hệ thống miễn dịch của cơ thể sản xuất, có chức năng bảo về cơ thể chống lại các tác nhân có hại. Ngoài ra cũng có thể kể đến các protein có tính chất bảo vệ như như fibrinogen, thrombin tham gia vào quá trình cầm máu ....

Hormone

Nhiều hormone có bản chất là protein đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình điều hòa, tăng trưởng, trao đổi chất.


1. Mô tả cấu trúc chung của một amino acid, chuỗi polypeptide ?

2. Giới thiệu cấu trúc không gian các bậc của phân tử protein ?

3. Nêu các chức năng cơ bản của protein ? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

1. Protein có cấu trúc đa phân tử với đơn phân là amino acid. Các amin acid có cấu trúc chung:

A. Một nhóm amine, một nhóm phosphate, một gốc R đặc trưng cho từng loại aminoacid

B. Một nhóm amine, một nhóm carboxyl, một gốc R đặc trưng cho từng loại aminoacid

C. Một base nitric, một nhóm carboxyl, một gốc R đặc trưng cho từng loại aminoacid

D. Một base nitrid, một đường pentose, một gốc R đặc trưng cho từng loại aminoacid

E. Một nhóm amine, một base nitric, một gốc R đặc trưng cho từng loại aminoacid

2. Trong chuỗi polypeptide, các phân tử amino acid nối với nhau bởi các liên kết: A. Liên kết hydro B. Liên kết peptide C. Liên kết phosphodiesterD. Liên kết ion E. Tất cả đều sai

3. Chức năng nào dưới đây không phải là chức năng của protein:

A. Các enzyme và hormone

B. Protein cấu trúc hoặc vận chuyển

C. Tự nhân đôi

D. Protein vận động

E. Protein bảo vệ

49

4. Trong chuỗi polypeptide các phân tử amino acid nối với nhau bởi các liên kết ......... (P: peptide, E: phosphodiester; H: hydro) được hình thành giữa nhóm ...........(A: amine; C: carboxyl) của amino acid này với nhóm .......(A: amine; C: carboxyl) của amino acid kế tiếp, phản ứng sẽ giải phóng một phân tử nước.

A. P, A, C B. P, C, A C. H, A, CD. H, C, C E. E, A, C

ĐÁP ÁN

1. B 2. B 3. C 4. A

50

7. QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ VÀ ĐIỀU HOÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN

Mục tiêu


- Quá trình gắn amino acid và tRNA

- Các giai đoạn cơ bản trong quá trình dịch mã

- Quá trình điều hoà sinh tổng hợp protein ở prokaryote và eukaryote QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ

GẮN AMINO ACID VÀO tRNA

Trong bào tương enzyme amino acyl-tRNA synthetase đặc hiệu cho từng loại amino acid sẽ gắn amino acid vào tRNA qua liên kết ester giàu năng lượng tại vị trí nucleotide adenine ở đầu 3' của tRNA. Trong quá trình dịch mã, bộ ba đối mã (anticodon) của tRNA sẽ bổ sung với bộ ba mã sao (codon) trên mRNA trên cơ sở nguyên tắc bổ sung để đảm bảo các amino acid được lắp đặt chính xác vào chuỗi polypeptide. (hình 1)

Hình 1: Quá trình gắn amino acid đặc hiệu (Phenylalanine) vào tRNA qua tác động của enzyme amino acyl-tRNA synthetase và hiện tượng bổ sung giữa bộ ba mã sao (codon)

trên mRNA với bộ ba đối mã (anticodon) trên tRNA.

RIBOSOME

Trong tất cả tế bào, ribosome tồn tại dưới dạng 2 tiểu phần: tiểu phần lớn và tiểu phần bé. Mỗi tiểu phần chứa các rRNA với chiều dài khác nhau và các phân tử protein khác nhau. Hình 2 giới thiệu thành phần rRNA và protein tham gia vào cấu trúc của các tiểu phần lớn và của ribosome ở prokaryote và eukaryote. Lưu ý là ở eukaryote, rRNA 5,8S bắt cặp với rRNA 28S.

51

Hình 2: Các thành phần tham gia vào cấu trúc của ribosome ở prokaryote và eukaryote.

CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ

Quá trình dịch mã xảy ra tại ribosome qua ba giai đoạn: giai đoạn mở đầu (initiation), giai đoạn kéo dài (elongation) và giai đoạn kết thúc (termination). Không có sự khác biệt lớn trong quá trình dịch mã giữa prokaryote và eukaryote.

Giai đoạn mở đầu

Giai đoạn này được thực hiện với sự tham gia của mRNA, các ribosome và các yếu tố khởi động (IF: Initiation Factor), ở eukaryote các yếu tố tố này được ký hiệu là eIF.

Trên mRNA, bộ ba mã AUG, mã hoá cho methionine (Met) sẽ bắt đầu cho quá trình dịch mã. Tuy nhiên cần lưu ý là mặc dù chỉ có 1 codon mã hoá cho Met nhưng có tới hai loại tRNA mang Met đến ribosome. tRNAMet kết hợp với codon nằm giữa phân tử mRNA và tRNAiMet kết hợp với codon ở vị trí khởi động để bắt đầu cho việc dịch mã, gắn Met đầu tiên vào chuỗi polypeptide.

Việc dịch mã bắt đầu khi tiểu đơn vị nhỏ của ribosome gắn với Met-tRNAiMet bám vào mRNA ở một vị trí gần với vị trí của codon AUG khởi động ở đầu 5' của mRNA với sự tham gia của các IF và năng lượng do GTP cung cấp. Hình 3 giới thiệu các bước trong giai đoạn khởi đầu ở eukaryote.

Giai đoạn kéo dài

Giai đoạn này không phức tạp như giai đoạn mở đầu. Sau khi amino acid đầu tiên (Met) đã được đặt vào đúng vị trí trên cơ sở sự bắt cặp theo nguyên tắc bổ sung giữa anticodon trên tRNA với codon tương ứng trên mRNA, quá trình kéo dài chuỗi polypeptide bắt đầu.

52

Phức hợp aminoacyl-tRNA kế tiếp sẽ đến xếp vào đúng vị trí trên ribosome nhờ các EF (elongation factor: yếu tố kéo dài). Sự tiếp xúc giữa peptidyl-tRNA và aminoacyl-tRNA sẽ làm hình thành liên kết peptide để gắn amino acid mới vào chuỗi polypeptide đang tổng hợp dưới sự xúc tác của enzyme peptidyl transferase. Quá trình này cứ lập đi lập lại theo chiều từ 5' đến 3' trên mRNA cho đến khi tiếp xúc với dấu hiện kết thúc dịch mã. Hình 4 giới thiệu các bước trong giai đoạn kéo dài chuỗi polypeotide.

Hình 3: Giai đoạn mở đầu. Các tiểu đơn vị lớn và bé của ribosome lần lượt gắn với eIF6 và eIF3 tạo thành phức hợp để bắt đầu dịch mã. (1) Phức hợp 40S, eIF3 gắn với eIF1 và phức hợp eIF2, GTP và tRNAiMet tạo thành phức hệ tiền khởi đầu (preinitiation complex). (2) mRNA gắn với eIF4 ở vị trí mũ (cap) và cho phép mRNA kết hợp với phức hợp khởi đầu để tạo thành phức hợp khởi đầu (initiation complex). (3) Phức hệ tiền khởi đầu cùng với eIF4 trượt trên mRNA để đến vị trí codon khởi đầu, quá trình đòi hỏi năng lượng do ATP cung cấp, sau đó các eIF được giải phóng. (4) Phức hệ tiểu phần 60S và eIF6 của ribosome đến gắn vào tiểu phần bé với sự hỗ trợ của eIF5 và GTP

53

Hình 4: Giai đoạn kéo dài: (1) Khi ribosome 80S và Met-tRNAiMet đã nằm ở vị trí P (ví trí kéo dài chuỗi polypeptide) của ribosome, thì phức hợp aa-tRNA mang amino acid thứ 2(aa2) đến codon tương ứng trên mRNA đang nằm ở vị trí A (vị trí tiếp nhận amino acid) của ribosome. (2) Sự thuỷ phân của GTP trong phức hợp EF1α-GTP thành EF1α-GTP, quá trình này làm thay đổi cấu trúc của ribosome. (3) Phân tử rRNA lớn xúc tác cho quá trình tạo thành liên kết peptide giữa aa2 và Met. (4) Sự thuỷ phân của GTP trong phức hợp EF2-GTP sẽ gây ra tiếp sự thay đổi cấu trúc của ribosome làm cho ribosome đi tiếp đến codon tiếp theo trên mRNA và tRNAMet đã tách Met tiến vào vị trí E (vị trí chuẩn bị giải phóng tRNA) và tRNA với các amino acid gắn với nhau qua liên kết peptide sẽ nằm ở vị trí P của ribosome. Quá trình lắp các phức hợp tRNA mang aa3, aa4 ... tiếp tục diễn ra theo cách trên.

Giai đoạn kết thúc

Khi bộ ba mã kết thúc (UAA, UAG hoặc UGA) được nhận biết bởi các RF (Release Factor: yếu tố phóng thích), phức hợp peptidyl-tRNA lập tức tách thành phân tử tRNA tự do và chuỗi polypeptide hoàn chỉnh có đầu là -NH2 và đuôi là

54

-COOH. Ribosome sẽ tách trở lại thành hai tiểu đơn vị để bắt đầu cho chu kỳ dịch mã mới. (hình 5)

Hình 5: Giai đoạn kết thúc: khi robosome di chuyển đến bộ ba mã kết thúc (UAA, UAG hoặc UGA), eRF1 sẽ đi vào phức hợp ribosome ở vị trí A hoặc gần đó cùng với eRF3-GTP. Sự thuỷ phân guanine ở eRF3-GTP sẽ cắt chuỗi peptide khỏi tRNA ở vị trí P, giải phóng các tRNA và các tiểu phần ribosome.

POLYSOMES

Hình 6: Cơ chế gia tăng tốc độ dịch mã trên mRNA qua polysomes và tạo nên cấu trúc dạng vòng của mRNA.

55

Để tăng cường tốc độ tổng hợp protein (trung bình ở eukaryote, mỗi protein được tổng hợp trong vòng 30 - 60 giây), nhiều ribosome sẽ cùng tham gia dịch mã trên 1mRNA gọi là polyribosomes hay polysomes và tăng cường tốc độ quay vòng của các tiểu đơn vị ribosome sau khi chúng hoàn tất quá trình dịch mã. Nhiều nghiên cứu cho thấy các protein gắn vào đuôi poly A (PABPI) vừa có thể tác động trên đuôi polyA ở đầu 3' vừa có thể tác động lên tiểu đơn vị 4G và 4E của eIF4 ở đầu 5' làm cho mRNA trở nên có dạng vòng tạo điều kiện dễ dàng cho các tiểu đơn vị của ribosome sau khi kết thúc dịch mã ở đầu 3' có thể bắt đầu ngay quá trình dịch mã mới ở đầu 5' (hình 6).

ĐIỀU HOÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE

ĐIỀU HOÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE Ở PROKARYOTE

Ở prokaryote mục đích của việc điều hoà sự biểu hiện của gene nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp để phục vụ cho quá trình tăng trưởng và sinh sản của tế bào. Tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường mà các gene mã hoá cho các enzyme có thể được biểu hiện hoặc ngưng biểu hiện ở bât cứ một thời điểm nào trong chu kỳ tế bào.

Quá trình điều hoà chủ yếu xảy ra ở quá trình phiên mã thông qua operon. Mỗi operon bao gồm:

- Một số gen cấu trúc mã hoá cho các polypeoptide nằm gần nhau gọi là cistron.

- Các trình tự DNA khác tham gia vào hoạt động điều hoà với những vai trò khác nhau.

Căn cứ vào cách thức điều hoà người ta chia làm hai loại operon chính: operon cảm ứng và operon kìm hãm.

Operon cảm ứng (inducible operon)

Một ví dụ điển hình cho kiểu operon cảm ứng này là operon lactose.

Đường lactose đóng vai trò của chất cảm ứng. Khi không có lactose các gene mã hoá cho enzyme chuyển hoá lactose sẽ không hoạt động phiên mã. Khi lactose là nguồn carbohydrat duy nhất có mặt trong môi trường thi vi khuẩn sẽ sản xuất các enzyme cần thiết cho quá trình chuyển hoá lactose qua hoạt động phiên mã các gene mã hoá cho các enzyme này. Hình 7 mô tả quá trình điều hoà hoạt động phiên mã của operon lac ở E.coli.

(a) Khi môi trường không có lactose, mRNA được tổng hợp rất ít do một protein gọi là lac repressor (yếu tố kìm hãm) gắn vào operator, ngăn cản hoạt động phiên mã của RNA polymerase-σ70 (hình 7a).

(b) Khi môi trường có cảì glucose và lactose, một phần lac repressor sẽ gắn với lactose và giải phóng operator cho phép RNA polymerase-σ70 thực hiện phiên mã ở cường độ thấp (hình 7b).

(c) Khi môi trường chỉ có lactose và không có glucose, quá trình phiên mã sẽ diễn ra ở mức tối đa do ở tình trạng không có glucose, cAMP sẽ tạo thành phức hợp CAP-cAMP, gắn vào vị trí CAP và qua đó tác động lên RNA polymerase thúc đẩy quá trình phiên mã (hình 7c).

56

Hình 7: Điều hoà quá trình phiên mã kiểu cảm ứng của operon lac ở E. coli: Vùng kiểm soát phiên mã dài khoảng 100 căp base gồm 3 vùng gắn protein: (1) Vị trí CAP gắn protein hoạt hoá quá trình chuyển hoá (catabolite activator protein); (2) lac promotor (vùng khởi động lac) gắn với phức hệ RNA polymerase-(70; (3) lac operator (vùng vận hành lac ). Gene lacZ là một trong 3 gene của operon.

(a) Khi môi trường không có lactose.

(b) Khi môi trường có cảì glucose và lactose.

(c) Khi môi trường chỉ có lactose và không có glucose

Operon kìm hãm (repressible operon) Một ví dụ điển hình cho kiểu operon cảm ứng này là operon tryptophan ở E. coli. Amino acid tryptophan đóng vai trò của chất cảm ứng (inducer) gắn với

repressor. Triptophan sẽ gắn với trp repressor làm thay đổi cấu trúc của trp repressor làm cho nó có khả năng gắn với trp operon ức chế không cho operon này phiên mã. Khi nồng độ tryptophan trong môi trường và trong bào tương cao, tế bào sẽ không tổng hợp các enzyme được mã hoá trên trp operon xúc tác cho quá trình tổng hợp tryptophan.

57

Khi nồng độ tryptophan trong môi trường và bào tương thấp, trp repressor sẽ không có khả năng ức chế trp operon và cho phép thực hiện phiên mã để tổng hợp cac enzyme cần thiết cho việc tổng hợp triptophan. (hình 8)

Hình 8: Điều hoà quá trình phiên mã kiểu kìm hãm của trp operon ở E. coli. Khi nồng độ tryptophan trong môi trường và bào tương thấp, trp repressor sẽ không có khả năng ức chế trp operon và cho phép thực hiện phiên mã để tổng hợp cac enzyme cần thiết cho việc tổng hợp tryptophan. Khi nồng độ tryptophan trong môi trường và trong bào tương cao, tế bào sẽ không tổng hợp các enzyme được mã hoá trên trp operon xúc tác cho quá trình tổng hợp tryptophan.

ĐIỀU HOÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE Ở EUKARYOTE

Mô hình điều hoà biểu hiện của gene ở eukaryote và prokaryote có một số điểm giống nhau như vai trò của các protein gắn với DNA ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme RNA polymerase trong việc bắt đầu quá trình phiên mã. Tuy nhiên trong việc điều hoà sự biểu hiện của gene của eukaryote vẫn có những điểm khác biệt: (1) Các gene của eukaryote không tạo thành các operon và hiếm khi các gene được phiên mã với nhau vào cùng một mRNA thay vào đó mỗi gene có một promotor riêng và được phiên mã một cách riêng rẽ. (2) Cấu trúc của chromatin ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gene ở eukaryote, để có thể phiên mã DNA phải tháo xoắn khỏi các protein histone. (3) Mặc dù các chất hoạt hoá và ức chế đều có mặt trong quá trình điều hoà biểu hiện của gene ở eukaryote và prokaryote, nhưng ở eukaryote các chất hoạt hoá có vai trò phổ biến hơn. (4) Cơ chế điều hoà biểu hiện của gene ở eukaryote liên quan đến nhiều cơ chế khác nhau tác động đến nhiều khâu khác nhau trong quá trình truyền thông tin từ DNA đến protein. Dưới đây giới thiệu vắn tắt một số yếu tố liên quan đến việc điều hoà sự biểu hiện của các gene ở eukaryote.

Mối liên quan giữa cấu trúc của chromatin và sự biểu hiện của gene

Cấu trúc chromatin ức chế sự biểu hiện của gene, để gene có thể phiên mã, các yếu tố phiên mã, các chất hoạt hoá, RNA polymerase phải gắn vào DNA do đó trước khi phiên mã, cấu trúc chromatin phải thay đổi. Sự thay đổi này liên quan đến một số hiện tượng sau:

58

Vị trí nhạy cảm với enzyme DNase I Trên DNA có những vị trí nhạy cảm với enzyme DNase I, một enzyme giáng hoá

DNA chỉ tác động lên DNA khi có sự lõng lẻo trong cấu trúc của cromatin. Vị trí này nằm trước vị trí bắt đầu phiên mã khoảng 1000 bp. Sự có mặt của những vị trí này gợi ý chromatin ở vùng này trở nên lõng lẻo hơn khi DNA ở vùng này thực hiện phiên mã. Vị trí này là nơi gắn của các protein điều hoà để điểu khiển hoạt động phiên mã.

Acetyl hoá protein histone Việc acetyl hoá histone sẽ làm thay đổi cấu

trúc của nucleosome và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phiên mã. (hình 9)

Quá trình demethyl hóa DNA Sự methyl hoá sẽ thúc đẩy các enzyme

deacetylase tách các nhóm acetyl ra khỏi các protein histone do đó sẽ làm cho cấu trúc của chromatin trở nên hằng định và qua đó ức chế quá trình phiên mã. Hiện tượng demethyl hoá (demethylation) ngược lại sẽ làm cản trở quá trình trên do đó tạo thuận lợi cho quá trình phiên mã.

KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH PHIÊN MÃ

Các protein điều hoà quá trình phiên mã có thể ảnh hưởng tới việc bắt đầu phiên mã thông qua việc làm hằng định hoặc tập trung các thành phần

Hçnh 9: Acetyl hoïa histone ìlam thay âäøi úcáu truïíc acuchromatin cho pheïp ïcac úyãuútä phiãn mîa gàõn vaìo DNA.

trong hệ thống phiên mã. Một số các protein này là các chất hoạt hoá (activator) kích thích hoạt động phiên mã và một số protein khác đóng vai trò của chất ức chế (repressor).

Vùng tăng cường và vùng cô lập

Một số chất hoạt hoá gắn vào vùng tăng cường (enhancer) nằm cách xa gene để qua đó kích thích quá trình phiên mã. Bên cạnh đó các vùng cô lập (insulator) có tác dụng cô lập hoặc cách ly vùng tăng cường làm ức chế quá trình phiên mã.(hình 10)

Hình 10: Insulator (vùng cô lập) đình chỉ tác động của enhancer (vùng tăng cường) lên promotor (vùng khởi động) khi nằm giữa enhancer và promoter.

59

Các yếu tố đa đáp ứng (multiple response elements)

Một gene có thể được hoạt hoá bởi nhiều yếu tố đáp ứng khác nhau, những yếu tố này có mặt ở cả vùng tăng cường và vùng khởi động (promotor). Các yếu tố đa đáp ứng cho phép cùng một gene có thể đáp ứng với nhiều tác nhân kích thích khác nhau. Trong cùng một thời điểm, sự có mặt của cùng một yếu tố đáp ứng ở những gene khác nhau cho phép một kích thích có thể tác động cùng một lúc lên nhiều gene khác nhau. Bằng cách này những yếu tố đáp ứng sẽ cho phép các gene có liên quan với nhau trong các hoạt động chuyển hoá phức tạp có thể phối hơp với nhau (hình 11).

Hình 11: Các yếu tố đa đáp ứng (MRE) nằm ở phía trước gene mã hóa cho metallothionein.

Các protein hoạt hóa gắn với MRE để kích thích hoạt động phiên mã.

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE THÔNG QUA QUÁ TRÌNH HOÀN THIỆN mRNA

Quá trình hoàn thiện một mRNA sau khi phiên mã có thể diễn ra theo các cách kiểu khác nhau. Sự thay đổi vị trí cắt trên tiền mRNA sẽ làm xuất hiện các mRNA trưởng thành khác nhau và tổng hợp nên các loại protein khác nhau.(hình 12).

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE THÔNG QUA SỰ HẰNG ĐỊNH CỦA RNA

Sự hằng định của mRNA sẽ ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gene thông qua thời gian tồn tại của mRNA và qua đó ảnh hưởng đến hoạt động dịch mã.

Sự hằng định của mRNA phụ thuộc và đầu 5' (5' cap), đuôi poly A, vùng không dịch mã (UTR: untranslated region) 5' và 3' và cả vùng mang mã.

QUÁ TRÌNH LÀM IM LẶNG RNA (RNA silencing)

Quá trình làm im lặng RNA được bắt đầu khi một phân tử RNA chuỗi kép (double stranded RNA) được cắt và hoàn thiện bởi enzyme Dicer tạo thành những đoạn RNA xen nhỏ (siRNA: small interfering RNA). (hình 13)

siRNA sẽ đến bổ sung với một trình tự trên mRNA trên cơ sở đó thu hút một phức hợp RNA - protein đến cắt mRNA ở đoạn giữa siRNA, sau khi bị cắt mRNA sẽ tiếp tục thoái hoá.

siRNA cũng có thể vào trong nhân, bổ sung với một đoạn DNA và kích thích quá trình methyl hoá đoạn DNA này và qua đó ảnh hưởng đến hoạt động phiên mã.

60

Hình 12: Việc cắt ở những vị trí cắt khác nhau trên tiền mRNA sẽ dẫn đến sự tạo thành các mRNA mã hóa cho các protein khác nhau

KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ VÀ SAU DỊCH MÃ

Việc khởi động quá trình dịch mã có thể bị đình chỉ do các protein đặc hiệu gắn vào đầu 5' của mRNA ngăn cản sự tiếp xúc của các ribosome. Các ribosome, tRNA, các yếu tố khởi đầu và kéo dài chuỗi polypeptide cũng ảnh hưởng đến quá trình dịch mã.

61

Rất nhiều protein của Eukaryota tiếp tục biến đổi sau khi phiên mã bằng cách cắt một cách chọn lọc, tỉa bỏ các amino acid ở các đầu tận cùng, acetyl hoá, bổ sung các nhóm phosphate, carbohydrate, nhóm methyl vào phân tử protein. Những thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến việc vận chuyển, chức năng và hoạt động của các protein này.

Hçnh 13: Quaï trçnh RNA silencing dáùn úâãnựsûthoaïïi aho

cuía mRNA hûoàc methyl DNA


1. Mô tả quá trình gắn amino acid vào tRNA ?

2. Hãy nêu một số đặc điểm trong các bước của quá trình giải mã ?

3. Polysomes là gì ?

4. Quá trình điều hoà sự biểu hiện của prokaryote diễn ra như thế nào ?

5. Quá trình điều hoà sự biểu hiện của eukaryote diễn ra như thế nào ?

ïhoa


1. Để tăng cường tốc độ tổng hợp protein, nhiều ribosome sẽ cùng tham gia dịch mã trên 1mRNA gọi là:

A. Lysosome B. Polysomes C. ChromosomeD. Replicon E. Nucleosome

2. Ở tế bào nhân ribosome được hình thành từ 2 tiểu phần:

A. Tiểu phần lớn gồm 50 phân tử protein và 3 phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein và 2 phân tử rRNA

B. Tiểu phần lớn gồm 45 phân tử protein và 1 phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein và 3 phân tử rRNA

62

C. Tiểu phần lớn gồm 50 phân tử protein và 3 phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein và 1 phân tử rRNA

D. Tiểu phần lớn gồm 34 phân tử protein và 2 phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 21 phân tử protein và 1 phân tử rRNA

E. Tiểu phần lớn gồm 45 phân tử protein và 2 phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein và 1 phân tử rRNA

3. Hai tiểu phần lớn và bé kết hợp lại với nhau để hình thành nên ribosome khi:

A. Các tiểu phần ra khỏi nhân vào bào tương

B. Các rRNA được tổng hợp xong tại hạch nhân

C. Hoàn tất việc tổng hợp protein

D. Ở giai đoạn mở đầu của quá trình tổng hợp protein

E. ARN mang amino acid đến mRNA

4. Trong quá trình giải mã, amino acid tự do:

A. trực tiếp đến ribosome để phục vụ cho quá trình giải mã

B. đến ribosome dưới dạng được ATP hoạt hóa

C. được hoạt hóa thành dạng hoạt động nhờ ATP, sau đó liên kết với tRNA đặc hiệu tạo nên phức hệ amino acid - tRNA, quá trình này diễn ra dưới tác dụng của các enzyme đặc hiệu

D. được gắn với tRNA nhờ enzyme đặc hiệu tạo thành phức hợp amino acid tRNA để phục vụ cho quá trình giải mã ở ribosome

E. kết hợp với tiểu phần bé của ribosome để tham gia vào quá trình giải mã

5. Trong quá trình giải mã di truyền, ribosome sẽ:

A. Trở lại dạng rRNA sau khi hoàn thành việc tổng hợp protein

B. Bắt đầu tiêp xúc với mRNA từ bộ ba mã UAG C. Trượt từ đầu 5' đến 3' trên mRNA D. Giữ nguyên cấu trúc sau khi hoàn thành giải mã

E. Chỉ tham gia giải mã cho 1 loại mRNA

6. Trong quá trình giải mã, amino acid đến sau sẽ được gắn vào chuỗi polypeptide đang được hình thành:

A. Khi tiểu phần lớn và bé của ribosome tách nhau

B. Trước khi tRNA của amino acid trước tách khỏi ribosome dưới dạng tự do

C. Khi ribosome đi khỏi bộ ba mã khởi đầu

D. Khi ribosome di chuyển đến bộ 3 mã tiếp theo

E. Giữa nhóm carboxyl của amino acid mới kết hợp với nhóm amin của amino acid trước để hình thành một liên kết peptide

7. Quá trình giải mã kết thúc khi:

63

A. Ribosome rời khỏi mRNA và trở lại dạng tự do với 2 tiểu phần lớn và bé

B. Ribosome di chuyển đến mã bộ 3 AUG

C. Ribosome gần amino acid mêtiônin vào vị trí cuối cùng của chuỗi polypeptide

D. Ribosome tiếp xúc với 1 trong các mã bộ 3 UAU, UAX, UXG

E. Ribosome tiếp xúc với 1 trong các mã bộ 3 UAA, UAG. UGA

8. Chuỗi polypeptide sau khi được tổng hợp xong bởi quá trình giải mã sẽ:

A. hoàn thiện cấu trúc không gian bậc 2, 3 hoặc bậc 4 để trở thành những protein có hoạt tính sinh học

B. được hoàn thiện cấu trúc không gian trong lưới nội sinh chất hoặc bào tương

C. Có thể kết hợp với các protein khác để tạo nên những phân tử protein có cấu trúc bậc 4

D. A và C đúng

E. A, B và C đều đúng

9. Trong quá trình giải mã, khi ribosome tiến tới mã bộ 3 tiếp theo thì hiện tượng nào sau đây sẽ xảy ra:

A. Liên kết peptide giữa 2 amino acid cũ và mới sẽ được hình thành

B. tRNA mang amino acid đến ribosome tiếp xúc với bộ 3 mã sao qua bộ 3 đối mã

C. Chuỗi polypeptide hoàn thiện cấu trúc không gian bậc 2, 3

D. Chuỗi polypeptide mới được tổng hợp sẽ tách khỏi ribosome

E. Phân tử amino acid tương ứng với bộ 3 mã sao mà ribosome mới trượt đến sẽ đến ribosome và gắn vào chuỗi polypeptide đang được tổng hợp

10. Sự hoàn thiện cấu trúc không gian của chuỗi polypeptide ở tế bào có nhân xảy ra ở:

A. Ty thể và lưới nội sinh chất

B. Tế bào chất và lưới nội sinh chất

C. Bộ Golgi và lưới nội sinh chất

D. Lysosome và thể vùi

E. Trung thể và thoi vô sắc

11. Ở vi khuẩn, trong cơ chế điều hòa sinh tổng hợp protein bằng operon cảm ứng, chất cảm ứng có vai trò:

A. Hoạt hóa enzyme RNA polymerase

B. Ức chế vùng vận hành (operator), ngăn cản quá trình tổng hợp các yếu tố kìm hãm

C. Hoạt hóa vùng promotor (vùng khởi động)

D. Giải ức chế và kích thích hoạt động phiên mã của các gen cấu trúc

64

E. Vô hiệu hóa yếu tố kìm hãm (repressor)

12. Ở vi khuẩn E. Coli, chất ức chế trong cơ chế điều hòa sinh tổng hợp qua operon kìm hãm, chất cảm ứng hoạt động theo cách:

A. Gắn vào vùng khởi động (promotor)và làm mất tác dụng của vùng này

B. Gắn vào vùng vận hành (operator) để cản trở sự hoạt động của enzyme ARN polymerase

C. Kết hợp với enzyme polymerase làm mất khả năng xúc tác cho quá trình phiên mã của gen này

D. Gắn với chất ức chế (repressor), làm chất này có khả năng ức chế vùng vận hành (operator) không cho operon thực hiện phiên mã

E. A và C đúng ĐÁP ÁN

1. B 2. C 3. D 4. C 5. C 6. E 7. E 8. E 9. B 10. B

11. E 12. D

65

giáo trình sinh học phân tử

Science