Bài giảng Sinh học đại cương A1 - Chương 8: Cơ sở phân tử của sự di truyền

3/29/2010
1
Cơ sở phân tử
của sự di truyền
Chương 8
Bản chất của vật liệu di truyền
Về lý thuyết, vật chất di truyền có các đặc điểm:
1. Phải có cấu tạo hóa học cho phép nó mã hóa 
thông tin cho các tính trạng.
2. Phải có khả năng tự sao chép chính nó.
3. Lượng chất di truyền trong giao tử phải 
bằng một nửa lượng chất di truyền trong tế bào 
soma
4. Phải có khả năng bị đột biến
Các sự kiện chính cần nhớ
• 1869 Miescher – mô tả nuclein.
• 1914 Feulgen – phương pháp nhuộm nuclein
• 1928 Griffith – Thí nghiệm biến nạp
• 1944 Avery – Tác nhân biến nạp là ADN
• 1952 Hershey & Chase – Thí nghiệm trên thực 
khuẩn thể
• 1953 Watson & Crick – mô hình xoắn kép của 
ADN
Thí nghiệm của Griffith
• Phế cầu khuẩn Streptococcus pneumoniae. 
– Chủng S: chủng độc, tế bào có bao polysaccharide, 
tạo khuẩn lạc trơn (smooth).
– Chủng R: chủng lành, tế bào không có vỏ 
polysaccharide, tạo khuẩn lạc nhăn (rough)
Phương pháp nuôi cấy vi khuẩn trong phòng thí nghiệm
Dung dịch 
có tế bào vi 
khuẩn
Cấy vi khuẩn lên môi 
trường trong đĩa petri
ủ từ 1 – 2 
ngày
Từng tế bào (không thấy 
được bằng mắt thường)
Các khuẩn lạc (có thể 
thấy được bằng mắt 
thường)
Môi trường lỏng
Môi trường đặc
Môi trường nuôi cấy
3/29/2010
2
Khuẩn lạc Streptococcus pneumoniae
Chủng S 
sống
Chủng R 
sống
Chủng S 
chết
Chủng S 
chết + 
chủng R 
sống
Chuột chếtChuột chết Chuột sống Chuột sống
Chủng S sống
KẾT QUẢ
THÍ NGHIỆM Kết luận
• Một chất nào đó từ chủng S chết đã chuyển 
vào chủng R làm biến đổi chủng R thành 
chủng S:
Schết Rsống S sống
• Griffith gọi quá trình này là sự biến nạp
(transformation).
• Chất chưa biết rõ được gọi là tác nhân biến nạp
Nạp Biến
Avery, Mac Leod & McCarty
• Bằng kỹ thuật tinh khiết hóa đã chứng minh 
tác nhân biến nạp là ADN 
Avery
Thí nghiệm của Hershey & Chase
Martha Chase Alfred Hershey
3/29/2010
3
Đối tượng – Thực khuẩn thể
Đĩa gốc
Sợi đuôi
Bao đuôi
Vỏ protein
ADN
Phage xâm nhiễm tế bào E. coli
Đầu
Bao 
đuôi
Sợi đuôi
ADN
1
0
0
 n
m
Tế bào 
vi khuẩn
• Dùng phương pháp đánh dấu bằng đồng vị 
phóng xạ để phân biệt ADN với protein
– 32P đánh dấu ADN
– 35S đánh dấu protein
Tiến trình
• Nuôi vi khuẩn trong môi trường có 32P và 35S 
→ vi khuẩn được đánh dấu.
• Cho thực khuẩn nhiễm vào vi khuẩn đã được 
đánh dấu → thực khuẩn được đánh dấu.
• Cho thực khuẩn đã được đánh dấu vào môi 
trường nuôi vi khuẩn không có đồng vị phóng 
xạ.
• Làm lạnh → Lắc → Ly tâm
Tiến trình
THÍ NGHIỆM
Phage
ADN
TB Vi khuẩn
Protein 
đánh dấu
ADN 
đánh dấu
S đánh dấu 
(35S)
P đánh dấu 
(32P)
Vỏ 
protein 
ADN 
Phage 
Ly tâm
Ly tâm
Phần cặn
Phần cặn
Protein phage 
trong phần lỏng
ADN phage 
trong cặn
3/29/2010
4
Cấu trúc của ADN
Cấu trúc hóa học
• ADN cấu tạo từ các đơn phân gọi là nucleotides
• Mỗi đơn phân gồm 3 thành phần:
- Một nhóm phosphate
- Một đường deoxyribose
- Một trong bốn loại base có nitơ: 
• adenine (A)
• guanine (G)
• cytosine (C)
• thymine (T)
Cấu trúc một nucleotide Nucleoside TriPhosphate (NTP)
Vị trí gắn 
base
Vị trí gắn nhóm 
phosphates 
Liên kết phosphoester
Nhóm phosphate
Dẫn xuất của base nitric
3/29/2010
5
Khung 
Đường–phosphate 
đầu 5
Base
Có Nitơ
Thymine (T)
Adenine (A)
Cytosine (C)
Guanine (G)
Nucleotide
Đường (deoxyribose) 
đầu 3
Phosphate
MÔ HÌNH CHUỖI XOẮN KÉP
• Được đề xuất bởi Watson và Crick (1953).
• Dựa trên các thông tin:
– Cấu trúc hóa học của DNA
– Qui tắc Chargaff
– Ảnh nhiễu xạ tia X
Qui tắc Chargaff
Erwin 
Chargaff
1. Tổng của các nucloetide 
pyrimidine (T và C) 
luôn luôn bằng tổng các 
nucleotide purine (A và 
G): T + C = A + G
2. Số lượng A luôn luôn 
bằng số lượng T, số 
lượng G luôn luôn bằng 
số lượng C:
A = T
G = C (a) Rosalind Franklin (b) Ảnh nhiễu xạ tia X của ADN
3/29/2010
6
Mô hình chuỗi xoắn kép – Các đặc điểm
1. ADN là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch 
polynucleotide xoắn theo chiều kim đồng hồ 
(xoắn phải).
2. Hai mạch có tính đối song song (anti-
parallel): 
5’  3’
3’  5’
Mô hình chuỗi xoắn kép – Các đặc điểm
3. Khung đường – phosphate nằm phía ngoài 
chuỗi, các base hướng vào trong.
4. Các base của hai mạch đối diện bắt cặp theo 
nguyên tắc bổ sung:
A nối với T bằng 2 liên kết Hydro
G nối với C băng 3 liên kết Hydro
TD 5’-TATTCCGA-3’
3’-ATAAGGCT-3’
4. Khoảng cách giữa 2 base là 0.34 nm. Mỗi 
vòng xoắn có đường kính 2nnm, dài 3.4 nm 
(gồm 10 cặp bases).
6. Khung đường – phosphate chiếm vị trí khác 
nhau trong không gian, tạo thành các rãnh 
lớn (major groove) và rãnh nhỏ (minor 
groove).
Mô hình cấu trúc xoắn kép của DNA
Hai cách biểu diễn chuỗi xoắn kép
Rãnh nhỏ
Rãnh lớn
Liên kết Hydro Đầu 3
Đầu 5
3.4 nm
0.34 nm
Đầu 3
Đầu 5
(b) Cấu trúc hóa học(a) Mô hình cấu trúc ADN
1 nm
3/29/2010
7
SỰ SAO CHÉP CỦA ADN
• Học thuyết khuôn của Watson – Crick
• Thí nghiệm của Meselson – Stahl 
• Cơ chế sao chép
A T
GC
T A
TA
G C
(a) ADN mẹ
Học thuyết khuôn
A T
GC
T A
TA
G C
A T
GC
T A
TA
G C
(a) ADN mẹ (b) Hai mạch đơn 
tách ra
A T
GC
T A
TA
G C
(a) ADN mẹ
A T
GC
T A
TA
G C
(c) Hai ADN “con”, mỗi ADN có 
một mạch nhận từ ADN mẹ 
và một mạch mới
(b) Hai mạch đơn 
tách ra
A T
GC
T A
TA
G C
A T
GC
T A
TA
G C
• Mô hình bán bảo tồn của Watson và Crick 
tiên đoán rằng khi ADN sao chép, mỗi ADN 
con sẽ có một mạch nhận từ ADN mẹ và một 
mạch mói được tổng hợp.
• Tuy nhiên các nhà khoa học cũng đề xuất hai 
mô hình khác là mô hình bảo tồn và mô hình 
phân tán.
TB mẹ
Sao chép 
lần 1
Sao chép 
lần 2
(a) Bảo tồn
(b) Bán bảo tồn
(c) Phân tán
3/29/2010
8
Thí nghiệm của Meselson - Stahl (1958)
Matthew Meselson Franklin Stahl 
THÍ NGHIỆM
KẾT QUẢ
1
3
2
4
Nuôi vi 
khuẩn trong 
môi trường 
có 15N
Chuyển vi 
khuẩn sang 
môi trường 
có 14N
Sau 1 lần 
sao chép, 
mẫu ADN 
được ly tâm 
Nhẹ
Nặng
Sau 2 lần 
sao chép, 
mẫu ADN 
được ly tâm 
KẾT LUẬN
Lần sao chép 1 Lần sao chép 2
Mô hình 
bảo tồn
Mô hình 
bán bảo tồn
Mô hình 
phân tán
Cơ chế sao chép
• Sự sao chép bắt đầu tại một vị trí đặc biệt gọi 
là điểm khởi đầu sao chép (origins of 
replication). Đây là nơi hai mạch đơn của 
ADN tách ra, tạo thành “bóng” sao chép.
• Một NST của tế bào chân hạch có thể có 
hàng trăm, thậm chí hàng ngàn điểm khởi 
đầu sao chép.
• Từ điểm này, sự sao chép diễn ra theo 2 
chiều đến khi toàn bộ phân tử được sao chép 
xong.
Điểm khởi đầu 
sao chép Sợi khuôn
Sợi mới tổng hợp
Chạc sao chép
Bóng 
sao chép
ADN 
mạch kép
Hai 
ADN 
con
(a) Điểm khởi đầu sao chép ở E. coli
0.5 µm
0.25 µm
Điểm khởi đầu 
sao chép ADN mạch kép
Sợi khuôn
Sợi mới
Bóng Chạc sao chép
Hai ADN con
(b) Điểm khởi đầu sao chéo ở TB chân hạch
3/29/2010
9
Các thành phần cần cho sự sao chép
Ba nhóm chính:
• Một ADN khuôn.
• Nguyên liệu để tổng hợp: dNTPs
• Các enzyme và các protein.
Các giai đoạn
Ba giai đoạn chính:
• Mở đầu
• Kéo dài
• Kết thúc
Mở đầu
• Một protein mở đầu (ADN B) nhận ra và gắn 
vào điểm khởi đầu sao chép.
• Topoisomerase gắn vào và tháo xoắn một đoạn 
ngắn của ADN. 
• Helicase phá vỡ các liên kết hydro tại chạc sao 
chép, làm tách hai mạch.
• Protein căng mạch (SSB = Single-strand-
binding proteins) giữ cho hai mạch đã tách ra 
không bị xoắn lại.
• Primase tổng hợp một đoạn mồi (primer) là 
RNA có từ 10 - 12 nucleotides, cung cấp nhóm 
3-OH để các nucleotide có thể gắn vào.
Topoisomerase
Helicase
PrimaseSingle-strand binding 
proteins
RNA 
primer
5
5
5 3
3
3
• Enzyme ADN polymerase xúc tác sự kéo dài sợi 
ADN mới tại chạc sao chép.
• ADN polymerase III xúc tác sự gắn nucleotide 
theo chiều 5’ đến 3’ trên cả hai mạch, bắt đầu từ 
ARN primer.
• Tốc độ tổng hợp khoảng 500 nucleotides/giây ở 
vi khuẩn và 50 nu/giây ở tế bào người.
Giai đoạn kéo dài
3/29/2010
10
• Mỗi nucleotide được thêm vào sợi ADN đang tổng 
hợp là một nucleoside triphosphate (dNTP).
• ADN polymerase I xúc tác sự thành lập liên kết 
phosphodiester giữa 3’-OH của đường và 5’-
phosphate của dNTP.
– Năng lượng được cung cấp từ sự phóng thích 2 nhóm 
P của dNTPs
Giai đoạn kéo dài
A
C
T
G
G
G
GC
C C
C
C
A
A
A
T
T
Sợi mới 
Đầu 5
Sợi khuôn
Đầu 3 Đầu 5 Đầu 3
Đầu 3
Đầu 5Đầu 5
Đầu 3
Base
Đường
Phosphate
Nucleoside 
triphosphate
Pyrophosphate
ADN polymerase
• Vì ADN polymerase chỉ có thể gắn thêm 
nucleotide vào đầu 3’ tự do nên mạch mới tổng 
hợp luôn dài ra theo chiều 5’ – 3’. 
• Tại mỗi chạc sao chép:
– một mạch mới được tổng hợp liên tục từ ngoài vào 
trong chạc gọi là mạch tổng hợp sớm
– mạch còn lại được tổng hợp dưới dạng từng đoạn 
Okazaki gọi là mạch tổng hợp muộn.
• Sau đó các primer bị cắt bỏ và bổ sung bởi các 
nucleotide nhờ enzyme ADN polymerase I, các 
đoạn Okazaki nối với nhau nhờ ADN ligase.
Điểm khởi đầu sao chép
Sợi tổng hợp sớm
Sợi tổng hợp sớm
Sợi tổng hợp muộn
Sợi tổng hợp muộn
Chiều sao chép
Sợi tổng hợp sớm
Sợi tổng hợp muộn
Helicase
ADN mẹ
DNA pol III
Primer Primase
DNA ligase
DNA pol III
DNA pol I
Single-strand 
binding protein
5
3
5
5
5
5
3
3
3
31
3
2
4
Giai đoạn kết thúc
• Ở một số ADN, sự sao chép kết thúc khi hai 
chạc sao chép gặp nhau. 
• Ở một số ADN khác, một trình tự kết thúc đặc 
hiệu làm dừng quá trình sao chép. 
– Ở E. coli một protein kết thúc gọi là Tus gắn vào 
các trình tự này.
– Tus ngăn cản sự dịch chuyển của helicase, làm 
nghẽn chạc sao chép.