ìINHàHỌCàPHÂNàTỬ
PGS.TS Trươ g Xuâ Liê
Nội dung :
1/ Quá trình Sao chép của DNA (4T)
Sao chép DNA
Quá trình sửa chữa DNA
2/ Quá trình phiên mã (4T)
Các loại RNA
Quá trình phiên mã
Mã di truyền
3/ Sinh tổng hợp protein (2T)
Quá trình dịch mã
Các yếu tố ức chế quá trình dịch mã
SAO CHÉP DNA
Mục tiêu :
-Trình bày được cấu trúc phân tử của DNA và vai trò của
DNA là chất liệu di truyền của tế bào
-Hiểu và trình bày được quá trình sao chép DNA
procaryote và eucaryote
-Mô tả được quá trình sửa chữa DNA
tế bào
DNáà:ààChấtàliệuàdiàt u ề à ủaàsựàsố gà
G
C
A
T
T
A
1 nm
C
G
C
A
C
3.4 nm
G
T
G
T
A
T
A
A
T
T
A
C
G
A
Figure 16.7a, c
0.34 nm
T
(a) Key features of DNA structure
(c) Space-filling model
Protein hay DNA là chất liệu di
truyền của tế bào sống ?
• Trước đây, các nhà khoa học đã từng
nghĩ rằng proteine là chất liệu di truyền
của tế bào sống vì proteine có cấu trúc
phức tạp hơn DNA : proteine có cấu tạo từ
20 loại amino axit khác nhau tạo thành
những chuỗi polypeptide dài
copyright cmassengale
6
Thí nghiệm của Federick Griffith 1928
hiện tượng biến nạp ( transformation)
St.Pneumoniae : Dạng S có vỏ bao , chủng độc lực ,
Dạng R không có vỏ bao, không độc lực
Vi trùng S
sống
Living
S cells
Vi trùng R
sống
Living
R cells
Vi trùng S
đun chết
Heat-killed
(control)
(control)
S cells (control)
Vi trùng S chết &
Mixture
of heat-killed
vi trùng
R sống
S cells and living R cells
RESULTS
Mouse dies
Chuột chết
Mouse healthy
Mouse healthy
Chuột sống
Mouse dies
Living S cells
Chuột
are found
in chết
blood sample
tính gây bệnh từ
tế bào S bị đun
chết đã truyền
sang tế bào R
DNA có thể mang tín hiệu di truyền của tế bào
Thí nghiệm của Oswald T. Avery’s - 1944
Cho DNA hoặc RNA của vi trùng thể S vào dung dịch nuôi
cấy vi trùng R
DNA là hâ tố iế
ạp a g tí hiệu di truyề
hứ khô g phải RNA hay protei e
8
Thí nghiệm của Hershey-Chase Bacteriophage - 1953
1.
T2 bacteriophage có cấu trúc từ
DNA và protein
2.
Gắn các chất phòng xạ:
•
•
với DNA
35S với Protein
32P
3.
Gây nhiễm E. coli bacteria với 2
loại phage T2 đã được đánh dấu
4.
32P
được phát hiện trong vi khuẩn
và các phage mới , trong khi đó
35S is không được tìm thấy trong
vi khuẩn.
DNA
ới hí h là vật hất di truyề
ủa ủa phage9 T2
Erwin Chargaff phát hiện cấu tạo của phân tử DNA
1947
DNA có cấu tạo từ 4 nucleotide
Adenine, Thymine, Guanine,Cytosine
A = 30.3%
T = 30.3%
G = 19.5%
C = 19.9%
Đị h luật Chargaff
Adenin kết hợp với Thymine
Guanine kết hợp với Cytosine
T
A
G
copyright cmassengale
C
10
Rosalind Franklin : sử dụng kỹ thuật phân
tích dùng tán xạ tia X chụp tinh thể DNA
copyright cmassengale
11
James D. Watson & Francis H. Crick 1953
• Xây dựng thành công mô hình
cấu trúc phân tử DNA dựa trên 2
phát kiến :
1. Nguyên lý Chargaff : A=T & G=C
2. Các nghiên cứu bằng tia của Rosalind
Franklin & Maurice H. F. Wilkins
Cấuàt
DNáà à ấuàt
.ààKhoả gà
à ủaàDNá
à oắ àk pàvớià àv gà oa àđềuà à hiềuàd ià . à
hàgiữaà à u leotideààl à0. à .àĐườ gàk hà
1962: Giải Nobel Sinh lý học và Y khoa :
James D.
Watson
Francis H. Maurice H. F.
Crick
Wilkins
“Khám phá liên quan đến cấu trúc phân tử của axit
nucleic và ý nghĩa của nó trong việc chuyển tải
thông tin chất liệu sống ".
Cấu trúc oắ kép ủa DNA (double helix structure)
gồ 2 ạ h polynucleotide ắt ặp ổ xung
Hydrogen bond
Ribbon model
Partial chemical structure
Computer model
C à u leotideà ủaàhaiàsợiààli àkếtàvớià hauà ằ gà à ầuà
h d oge àtheoà gu
àtắ à ổà u gàáàvớiàT,àGàvớiàC
Phosphate
group
Cấu trúc chuỗi polynucleotide
Nitrogenous
base
Sugar
Phosphate
group
Nitrogenous base
(A, G, C, or T)
Nucleotide
Thymine (T)
Sugar
(deoxyribose)
DNA nucleotide
Polynucleotide
Sugar-phosphate backbone
Thymine (T)
Cytosine (C)
Pyrimidines
Adenine (A)
Guanine (G)
Purines
Chuỗi polypeptide có cấu trúc từ 4 loại
nucleotide :
Adenin
A
Guanine
G
Thymine
T
Cytosine
C
Các nucleotide được nối với nhau bằng
liên kết phosphodister tạo thành chuỗi
dài có định hướng :
Đầu có nhóm phosphat tự do 5’
Đầu có nhóm hydroxyl tự do 3’
DNA là một chuỗi xoắn kép gồm 2 sợi đơn kết hợp với nhau nh liên
kết hydrogen của các bases theo nguyên tắc bổ sung A-T & G-C
Hướng của hai sơi đơn ngược nhau nên gọi là hai sợi đối song song
5 end
Hydrogen bond
3 end
5 end
1 nm
3.4 nm
3 end
0.34 nm
3 end
5 end
Quá trình sao chép của DNA
Sao chép DNA
Trong quá trình sao chép, hai mạch đơn của phân tử DNA mẹ được
tách ra và mỗi mạch sẽ làm khuôn để tổng hợp mạch mới theo nguyên
tắc bổ xung với các base trên mạch khuôn (A-T , G-C)
T
A
T
A
T
A
C
G
C
G
C
T
A
T
A
T
A
A
T
A
T
A
T
G
C
G
C
G
C
G
A
T
A
T
A
T
C
G
C
G
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
T
A
T
C
G
C
G
C
A
G
(a) The parent molecule has two
complementary strands of DNA.
Each base is paired by hydrogen
bonding with its specific partner,
A with T and G with C.
(b) The first step in replication is
separation of the two DNA
strands.
(c) Each parental strand now
serves as a template that
determines the order of
nucleotides along a new,
complementary strand.
(d) The nucleotides are connected
to form the sugar-phosphate
backbones of the new strands.
Each “daughter” DNA
molecule consists of one parental
strand and one new strand.
C àgiảàthu ếtàvềà u àluậtàsaoà h pà ủaàDNá
• DNáààsaoà h pàt o gà u àt hàph à hiaà ủaàtếà
• C à aàgiảàthu ếtàvềà u àluậtàsaoà h pà ủaàDNáà
Bán bảo tồn
Bảo tồn
Phân tán
Conservative
Dispersive
Tế bào mẹ
Sao chép lần
đầu
Sao chép lần
thứ hai
Semi-conservative
o
Th à ghiệ à ủaàMeselso -Stahl
Bacteria
cultured in
medium
containing
Bacteria
transferred to
medium
containing
15N
14N
DNA sample
centrifuged
after 20 min
(after first
replication)
DNA sample
centrifuged
after 40 min
(after second
replication)
First replication
Conservative
model
Semiconservative
model
Dispersive
model
Less
dense
More
dense
Second replication
E.coli đượ nuôi trong môi t ườ g có
15N DNA
ẹ đượ đ h dấu ởi
isotope ặ g ( 15N ).
Chu ể sang môi t ườ g nuôi ấ hỉ
hứa (14N) , nucleotide ới đượ xác
đị h với các isotope hẹ
DNA đượ hiết tách và ly tâm sau 20
phút (sau lầ sao chép đầu) và sau 40
phút (sau lầ sao chép thứ 2) cho thấ :
=> Sao chép lầ đầu : chi tạo ra ột ă g
DNA lai (15N-14N), loại t ừ giả thu ết
ảo tồ .
Lầ sao chép thứ 2 tạo ra ả hai ă g
DNA hẹ và DNA lai loại t ừ giả thu ết
sao chép phân tán và ủ g hộ giả thu ết
bán ảo tồ .
DNA sao chép theo quy luật bán bảo tồn
DNA
sao
chép
theo
quy
luật
bán
bảo
tồn
ìaoà h pàDNáàtheoà u àluậtà
à ảoàtồ
Sợi khuôn gốc
• Mỗiàph àtửà o à hỉà
a gà ộtàsợià ới
Sợi
hợp
Sợimới
mớitổng
tổng
hợp
Chĩa ba sao chép
Vùng đang
sao chép
• ìợiàDNáàgố àđượ à
d gàl àkhu àđểà
tổ gàhợpàsợià ới
Chĩa ba sao chép
• Tế bào Eucaryote có
hiều điể khởi đầu
sao chép
Sợi khuôn gốc
Sợi mới tổng hợp
Vùng đang
sao chép
DNA Replication
• Sao chép DNA thực hiện nhanh và chính xác
• DNA xoắn kép được tách ra làm khuôn tổng hợp hai mạch
mới
• Nhiều enzyme tham gia vào quá trình sao chép
• Quá trình được bắt đầu từ một điểm khởi sự sao chép
(origins of replication) nơi hai mạch của DNA tách ra
Tế bào procaryote chỉ có một
điểm khởi đầu sao chép
Điể
khởi đầu sao hép
• Tế ào Eu aryote ó hà g tră
Origin of replication
đế hà g ghì điể
Parental (template) strand
khởi đầu
0.25 µm
Daughter (new) strand
Quá trình sao chép bắt đầu từ
1 Replication
begins
sites
một vị trí được
gọiatlàspecific
điểm khởi
where
thechép
two nơi
parental
strands
đầu sao
hai mạch
của
separate
and
form
replication
DNA mẹ tách ra hình thành vòng
bubbles.
sao chép
Bubble
Replication fork
2 The bubbles expand laterally, as
Vòng sao chép sẽ lan dần theo
DNA replication proceeds in both
hai hướng do quá trình sao chép
directions.
được thực hiện trên cả hai mạch
3 Eventually,
replication
Vòng saothe
chép
lan tỏa cho
bubbles
fuse,
and
synthesis
of
đến khi các chĩa ba sao
the daughter
is xúc với
chép kế strands
cận tiếp
complete.
nhau
Two daughter DNA molecules
(a) In eukaryotes, DNA replication begins at many sites along the giant
DNA molecule of each chromosome.
(b) In this micrograph, three replication
bubbles are visible along the DNA of
a cultured Chinese hamster cell (TEM).
Cơ chế nhân đôi của DNA (DNA Replication)
•
•
•
•
DNA polymerase III không tự bắt
đầu tổng hợp chuỗi polypetide
mà cần có một đoạn mồi ngắn .
đầu 3’ của mạch khuôn, RNA
primase nối các ribonucleotide
bắt cặp bổ xung tạo nên đoạn mồi
ngắn)
DNA polymerase III gắn tiếp các
desoxinucleotides vào đầu 3’ của
đoạn mồi và tiếp tục ,kéo dài
mạch mới theo hướng 5’-3’
DNA polymerase 1 sẽ cắt đoạn
RNA mồi và thay vào đó các
desoxinucleotide tương ứng
Mạch DNA mới được tổng hợp
DNA
pol III gắnIIIcác
DNA polymerase
adds
nucleotide
đoạn mồi
nucleotides tovào
primer
DNA polymerase
I degrades
DNA
pol I phá hủy
đoạn
the
RNA
primer
and
RNA mồi & thay thế bằng
replaces it with DNA
DNA
Sơi DNA con mới
được tổng hợp
Cơ chế sao chép của DNA
•
•
•
•
Nucleotides gắn vào theo nguyên tắc bổ xung với các base trên mạch khuôn
Mạch DNA mới được kéo dài theo chiều 5’ 3’
Nusleotide được hoạt hóa nhờ ATP để thành nucleoside triposphat trước khi
gắn vào nhóm OH tự do ở đầu 3’ của sợi polynucleotide đang được tổng hợp
DNA polymerase có tính đặc hiệu cao chỉ thêm nucleotide vào đầu 3’OH của
mạch đang được tổng hợp
Mạch mới
Mạch khuôn
5 end
3 end
5 end
3 end
Sugar
Base
Phosphate
DNA polymerase
3 end
Pyrophosphate 3 end
Nucleoside
triphosphate
5 end
5 end
Quá trình sao chép DNA
Giai đoạn kh i sự :
1. Proteine B đặc hiệu nhận biết và gắn vào điểm kh i sự sao chép
(ori)
2. Enzyme gyrase ( topoisomerase) cắt DNA làm tháo xoắn
2 phía
của proteine B
3. Enzyme helicase làm đứt các mối liên kết hydro giữa 2 base bắt cặp
tạo thành chẻ ba sao chép
4. Các proteine SSB ( Single Strand Binding) gắn vào các mạch đơn
DNA giữ cho chúng tách nhau, thẳng ra và ngăn không cho lai
ngẫu nhiên hoặc xoắn lại để việc sao chép được dễ dàng
Giai đoạn nối dài :
Để bắt đầu tổng hợp mạch mới, DNA polymerase III cần có một
đoạn mồi. RNA primese tổng hợp một đoạn RNA mồi ngắn bắt cặp
bổ xung với các nucleotide
đầu 3’ của mạch khuôn .
DNA polymerase di chuyển dọc theo mạch khuôn từ đầu 3’ đền 5’
để tạo nên mạch mới bổ sung theo hướng 5’3’
Phân tử DNA gồm hai mạch đối song song, khi tách ra để sao chép
tạo một chẻ ba sao chép ( replication fork ).
Mạch mới được tổng hợp theo hướng 5’3’ nên trên một mạch
khuôn quá trình tổng hợp sẽ hướng từ ngoài vào chẻ ba được gọi
là mạch trước (leading strand), còn
mạch khuôn kia sẽ tổng hợp
mạch sau ( lagging strand) theo chiều từ chẻ ba sao chép hướng ra
ngoài bằng cách tạo ra các đoạn DNA ngắn (Okazaki ) rồi nối lại với
nhau
Các Enzymes trong sao chép DNA
Helicase tách sợi DNA
xoắn kép
DNA polymerase III
nối các nucleotide tạo
thành mạch mới
Proteine giữ cho hai
mạch tách rời nhau
DNA polymerase I
(Exonuclease) cắt bỏ đoạn
mồi và thay vào đó các
base thích hợp
Primase tổng hợp đoạn
mồi bắt cặp với mạch
khuôn
Ligase nối các đoạn
Okazaki và hàn kín
mạch
Các men & proteine tham gia vào quá trình sao chép
DNA helicases ắtà ầuà ốiàh d oà t hàhaià ạ hà ủaààsợiàDNáà
Single-stranded DNA binding proteins giữà hoàhaiàsơiàkhu
RNA primase tổ gàhợpàđoạ à ồiàRNáà gắ àđểà
DNA polymerase III gắ à
àt hà ời
à u leotidesàsẽàgắ àtiếp.
à u leotideàk oàd iàđoạ à ồiàtheoà hiềuàà ’-- ’à
DNA polymerase I ắtààđoạ à ồiàRNáàv àtha àv oàđấ àDNá
DNA ligase ốiàliề à
àđoạ àDNáàth
hà ạ hàli
Overall direction of replication
Leading
strand
DNA pol III
Replication fork
Primase
DNA pol III
Primer
5
3
Parental DNA
Lagging
strand
àtụ .
Leading
Origin of replication
strand
Lagging
strand
Lagging
strand
Leading
strand
OVERVIEW
DNA ligase
DNA pol I
3
5
•
Trên một mạch khuôn từ đầu 3’,
Cơ chế sao chép của DNA
3
DNA mới được tổng hợp liên tục
tạo nên mạch trước (leading) và chỉ
cần một đoạn mồi
5
Parental DNA
Leading strand
5
3
Okazaki
fragments
Lagging strand
•
3
Trên mạch khuôn kia , mạch DNA
5
mới được gọi là mạch sau hay
DNA pol III
mạch chậm (Lagging) cũng được
Template
strand
tổng hợp theo chiều 5’-3’ nên sự
tổng hợp sẽ gián đoạn đi từ chẻ ba
hướng ra ngoài và cần nhiều đoạn
Leading strand
Lagging strand
mồi để tạo thành các phân đoạn
DNA (Okazaki) . Các đoạn Okazaki
được gắn lại với nhau nh men
ligase
Template
strand
DNA ligase
Overall direction of replication
Replication
3’
3’
5’
5’
3’
ori
5’
3’
5’
Helicase gắn vào mạch DNA ở vị trí và tách hai mạch của phân tử DNA
Binding proteins giữ cho hai mạch khuôn tách rời
Primase protein tổng hợp đoạn RNA ngắn (mồi) bổ sung với DNA
Replication
Overall
direction
Hướng
sao
chép
of replication
3’
3’
5’
5’
3’
5’
DNA polymerase III nối các DNA nucleotides
vào đoạn mồi RNA.
3’
5’
Replication
Hướng
sao
chép
Overall
direction
of replication
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
DNA polymerase kiểm soạt và sửa chữa những nucleotide gắn sai.
Replication
Overall direction
Hướng
sao chép
of replication
3’
3’
5’
5’
3’
5’
Mạch trước (Leading strand) tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’.
3’
5’
Replication
3’
Hướng sao chép
3’
5’
5’
Okazaki fragment
3’
5’
3’
5’
Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’
Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn Okazaki theo chiều 5’-3’
3’
5’
Replication
3’
Hướng sao chép
3’
5’
5’
Okazaki fragment
3’
5’
3’
5’
3’
5’
Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’
Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn DNA 5’ - 3’ (Okazaki fragments).
Replication
Overall direction
of replication
3’
3’
5’
5’
Okazaki fragment
3’
5’
3’ 5’
3’
5’
Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’
Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn DNA 5’ - 3’ (Okazaki fragments
Replication
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’ 5’
3’ 5’
3’
5’
Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’
Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn DNA 5’ - 3’ (Okazaki fragments
Replication
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’5’
3’5’
3’
5’
Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’
Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn DNA 5’ - 3’ (Okazaki fragments)
Replication
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’5’
3’5’
3’
5’
DNA polymerase I nhờ có hoạt tính Exonuclease loại bỏ đoạn mồi
RNA
Replication
3’
3’
5’
3’
5’
3’5’
3’
5’
DNA polymerase I nhờ hoạt tính Polymerase lắp các dexoribonucleotide phù
hợp thay thế
Ligase sẽ xúc tác tạo các cầu nối giữa các phân tử đường-phosphat trên mỗi
mạch cơ bản hay còn gọi là mạch xương sống ( backbone ).
Replication Fork Overview
Overall direction of replication
Leading
strand
Lagging
strand
DNA pol III
Replication fork
5
3
Parental DNA
Primase
Primer
Lagging
strand
Lagging
Leading
Origin of replication
strand
strand
OVERVIEW
Leading
strand
DNA ligase
DNA pol I
DNA pol III
3
5
Qu àt
hàsửaàsaià
• Sửa sai trong sao chép
– DNA polymerase (DNA pol III) có thể gắn sai nucleotide
base với tần xuất 10-4 bases.
– DNA pol có khả năng nhận biết các sai lầm và tức th i
sửa chữa những sai sót nh hoạt tính polymerase &
3’exonuclease những nucleotide bị gắn nhầm sẽ được
loại bỏ và thay bằng các nucleotide phù hợ[ tỷ lệ nhầm
trên các mạch mới tổng hợp chỉ khoảng 10-8
– Sửa chữa gắn không phù hợp : những base gắn không
đúng vị trí có thể được thay thế cho đúng .
Sửa sai khi không sao chép
Phân tử DNA có thể bị biến đổi ngay cả khi không sao
chép
b i các yếu tố hóa học, phóng xạ…Các biến đổi này xảy
ra v i tần xuất khá cao. Nh các cơ chế sửa sai nên tần số
đột biến được duy trì
mức độ thấp
Các enzyme nhận biết gắn vào trình tự sai và cắt r i đoạn
sai và mạch đơn đúng được dùng làm khuôn để tổng hợp
lại chỗ bị cắt cho đúng
R àso tàv àsửaà hữaààDNá
• DNA polymerases rà soát
ạ hàDNáà ớiàsaoà h pàv à
tha àthếà hữ gà u leotideà
sai
• ìửaà hữaàsaiàdoàkh gàph à
hợp,à à e àsẽàtha àthếà à
aseàđ gàt o gà à ặpà ase
• Cắtààđểàsửaà,à e àsửaà hữaà
u leasesà ắtàđoạ àhưàhỏ gààà
v àtổ gàhợpàđoạ àDNáàtha à
thếà ới
1 A thymine dimer
distorts the DNA molecule.
2 A nuclease enzyme cuts
the damaged DNA strand
at two points and the
damaged section is
removed.
Nuclease
DNA
polymerase
3 Repair synthesis by
a DNA polymerase
fills in the missing
nucleotides.
DNA
ligase
4 DNA ligase seals the
Free end of the new DNA
To the old DNA, making the
strand complete.
ìửaàlỗiàDNá
Sai sót trên
mạch DNA
bên trái
DNA
nucleoses
cắt vùng
sai sót
DNA
polymerase
tổng hợp một
đoạn mới
bên mạch trái
dùng mạch
phải làm
khuôn
DNA ligase
nối liền chỗ
đứt mạch
trái
Có rất nhiều enzyme đặc hiệu làm nhiệm vụ dò tìm và sửa chữa sai sót trên
phân tử DNA