SINH HỌC PHÂN TỬ

- SINH HỌC PHÂN TỬ PGS.TS Trương Xuân Liên 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 ở tế bào procaryote và eucaryote -Mô tả được quá trình sửa chữa DNA DNA : Chất liệu di truyền của sự sống G C A T T A 1 nm G C 3.4 nm C G A T C G T A T A A T A T G C 0.34 nm A T Figure 16.7a, c (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 Vi trùng R Vi trùng S Vi trùng S chết & sống Living S cells sống Living R cells đun chết Heat-killed vi trùng Mixture R sống of heat-killed (control) (control) S cells (control) S cells and living R cells RESULTS Mouse dies Mouse healthy Mouse healthy Mouse dies tính gây bệnh từ tế bào S bị đun chết đã truyền Chuột sống Living S cells sang tế bào R Chuột chết Chuột are found in chết blood sample  DNA có thể mang tín hiệu di truyền của tế bào Thí nghiệm của Oswald T.
- T2 bacteriophage có cấu trúc từ DNA và protein 2.
- 32P với DNA • 35S với Protein 3.
- DNA mới chính là vật chất di truyền của của 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% G = 19.5% T = 30.3% C = 19.9% Định luật Chargaff Adenin kết hợp với Thymine Guanine kết hợp với Cytosine T A G C copyright cmassengale 10 Rosalind Franklin : sử dụng kỹ thuật phân tích dùng tán xạ tia X chụp tinh thể DNA copyright cmassengale 11 James D.
- Crick 1953 • Xây dựng thành công mô hình cấu trúc phân tử DNA dựa trên 2 phát kiến : 1.
- Wilkins Cấu trúc của DNA DNA có cấu trúc xoắn kép với các vòng xoay đều có chiều dài 3.4 nm.
- Watson 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 xoắn kép của DNA (double helix structure) gồm 2 mạch polynucleotide bắt cặp bổ xung Hydrogen bond Ribbon model Partial chemical structure Computer model Các nucleotide của hai sợi liên kết với nhau bằng các cầu hydrogen theo nguyên tắc bổ xung A với T, G với C Phosphate Cấu trúc chuỗi polynucleotide group Nitrogenous base Sugar Nitrogenous base (A, G, C, or T) Phosphate group Nucleotide Thymine (T) Sugar (deoxyribose) DNA nucleotide Polynucleotide Sugar-phosphate backbone Thymine (T) Cytosine (C) Adenine (A) Guanine (G) Pyrimidines 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 nhờ 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 3 end 0.34 nm 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 A T A T A T C G C G C G C G C G C G T A T A T A T A T A T A A T A T A T A T A T A T G C G C G C C G C G C G (a) The parent molecule has two (b) The first step in replication is (c) Each parental strand now (d) The nucleotides are connected complementary strands of DNA.
- bonding with its specific partner, nucleotides along a new, Each “daughter” DNA A with T and G with C.
- Các giả thuyết về quy luật sao chép của DNA • DNA sao chép trong quá trình phân chia của tế bào • Có ba giả thuyết về quy luật sao chép của DNA Bán bảo tồn Bảo tồn Phân tán Tế bào mẹ Sao chép lần đầu Sao chép lần thứ hai Semi-conservative Conservative Dispersive Thí nghiệm của Meselson-Stahl Bacteria Bacteria  E.coli được nuôi trong môi trường có cultured in transferred to 15N  DNA mẹ được đánh dấu bởi medium medium containing containing 15N 14N isotope nặng ( 15N.
- Sao chép lần đầu : chi tạo ra một băng DNA lai (15N-14N), loại trừ giả thuyết bảo tồn.
- Lần sao chép thứ 2 tạo ra cả hai băng Semiconservative model DNA nhẹ và DNA lai loại trừ giả thuyết sao chép phân tán và ủng hộ giả thuyết Dispersive bán bảo tồn .
- model DNA sao chép theo quy luật bán bảo tồn DNA sao chép theo quy luật bán bảo tồn Sao chép DNA theo quy luật bán bảo tồn Sợi khuôn gốc • Mỗi phân tử con chỉ Sợi Sợimới mớitổng hợp tổng hợp Chĩa ba sao chép mang một sợi mới Vùng đang • Sợi DNA gốc được sao chép dùng làm khuôn để tổng hợp sợi mới Chĩa ba sao chép • Tế bào Eucaryote có Sợi khuôn gốc Sợi mới tổng hợp nhiều điểm khởi đầu Vùng đang sao chép 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 Điểm khởi đầu sao chép • Tế bào Eucaryote có hàng trăm đến hàng nghìn điểm khởi đầu Origin of replication Parental (template) strand 0.25 µm Daughter (new) strand Quá trình sao chép bắt đầu từ 1 Replication begins một vị trí được gọiatlàspecific sites điểm khởi where thechép đầu sao two nơi parental strands 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 Vòng saothe 3 Eventually, chép lan tỏa cho replication đến khi các chĩa ba sao bubbles fuse, and synthesis of the daughter chép kế strands cận tiếpis xúc với complete.
- 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 .
- Ở đầu 3’ của mạch khuôn, RNA primase nối các ribonucleotide DNA pol III gắnIIIcác DNA polymerase adds nucleotide nucleotides tovào đoạn mồi bắt cặp bổ xung tạo nên đoạn mồi primer 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 the pol I phá hủy DNA polymerase RNA primer đoạn I degrades and RNA mồi & thay thế bằng replaces it with DNA DNA • DNA polymerase 1 sẽ cắt đoạn RNA mồi và thay vào đó các Sơi DNA con mới desoxinucleotide tương ứng được tổng hợp • Mạch DNA 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.
- 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 Phosphate Base DNA polymerase 3 end Pyrophosphate 3 end Nucleoside triphosphate 5 end 5 end Quá trình sao chép DNA Giai đoạn khởi sự : 1.
- Proteine B đặc hiệu nhận biết và gắn vào điểm khởi sự sao chép (ori) 2.
- 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 ở 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 ở 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 Proteine giữ cho hai Primase tổng hợp đoạn xoắn kép mạch tách rời nhau mồi bắt cặp với mạch khuôn DNA polymerase III DNA polymerase I Ligase nối các đoạn nối các nucleotide tạo (Exonuclease) cắt bỏ đoạn Okazaki và hàn kín thành mạch mới mồi và thay vào đó các mạch base thích hợp Các men & proteine tham gia vào quá trình sao chép  DNA helicases cắt cầu nối hydro  tách hai mạch của sợi DNA  Single-stranded DNA binding proteins giữ cho hai sơi khuôn tách rời  RNA primase tổng hợp đoạn mồi RNA ngắn để các nucleotides sẽ gắn tiếp.
- DNA polymerase III gắn các nucleotide kéo dài đoạn mồi theo chiều 5’--3.
- DNA polymerase I cắt đoạn mồi RNA và thay vào đấy DNA  DNA ligase nối liền các đoạn DNA thành mạch liên tục.
- Overall direction of replication Leading Lagging Origin of replication strand strand Leading Lagging Leading strand strand OVERVIEW strand DNA pol III Replication fork DNA ligase 5 3 DNA pol I Primase Parental DNA DNA pol III Primer 3 Lagging 5 strand Cơ chế sao chép của DNA • Trên một mạch khuôn từ đầu 3’, 3 DNA mới được tổng hợp liên tục Parental DNA 5 Leading strand tạo nên mạch trước (leading) và chỉ 5 3 cần một đoạn mồi 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 tổng hợp theo chiều 5’-3’ nên sự strand 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 nhờ men Template strand DNA ligase ligase Overall direction of replication Replication 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 Hướng Overallsao chép direction 3’ of replication DNA polymerase III nối các DNA nucleotides vào đoạn mồi RNA.
- Replication Hướng sao Overall chép direction 3’ of replication DNA polymerase kiểm soạt và sửa chữa những nucleotide gắn sai.
- Replication Hướng sao chép Overall direction 3’ of replication Mạch trước (Leading strand) tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’.
- Replication Hướng sao chép Okazaki fragment Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’ Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn Okazaki theo chiều 5’-3’ Replication Hướng sao chép Okazaki fragment Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’ Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn DNA 5.
- Replication Overall direction 3’ of replication 3’ 5’ 5’ Okazaki fragment Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’ Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn DNA 5.
- 3’ (Okazaki fragments Replication Mạch trước tổng hợp liên tục theo chiều 5’-3’ Mạch sau tổng hợp gián đoạn các đoạn DNA 5.
- 3’ (Okazaki fragments) Replication DNA polymerase I nhờ có hoạt tính Exonuclease loại bỏ đoạn mồi RNA Replication 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 Lagging Origin of replication strand strand Leading Lagging Leading strand strand OVERVIEW strand DNA pol III DNA ligase 5 Replication fork 3 DNA pol I Primase Parental DNA DNA pol III Primer 3 Lagging 5 strand Quá trình sửa sai • 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 thời sửa chữa những sai sót nhờ 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 bởi các yếu tố hóa học, phóng xạ…Các biến đổi này xảy ra vời tần xuất khá cao.
- Nhờ các cơ chế sửa sai nên tần số đột biến được duy trì ở mức độ thấp Các enzyme nhận biết gắn vào trình tự sai và cắt rời đoạn sai và mạch đơn đúng được dùng làm khuôn để tổng hợp lại chỗ bị cắt cho đúng Rà soát và sửa chữa DNA • DNA polymerases rà soát 1 A thymine dimer mạch DNA mới sao chép và distorts the DNA molecule.
- Nuclease • Sửa chữa sai do không phù DNA 3 Repair synthesis by hợp, các men sẽ thay thế các polymerase a DNA polymerase fills in the missing base đúng trong các cặp base nucleotides.
- nucleases cắt đoạn hư hỏng và tổng hợp đoạn DNA thay thế mới Sửa lỗi DNA DNA polymerase tổng hợp một DNA đoạn mới nucleoses bên mạch trái DNA ligase cắt vùng dùng mạch nối liền chỗ sai sót phải làm đứt ở mạch Sai sót trên khuôn trái mạch DNA bên trái Có rất nhiều enzyme đặc hiệu làm nhiệm vụ dò tìm và sửa chữa sai sót trên phân tử DNA