Lí thuyết và vận dụng 7 chuyên đề Cơ chế di truyền và biến dị ở cấp độ phân tử - Thầy Nguyễn Duy Khánh - SINH HỌC 4.0

BỔ TRỢ KIẾN THỨC MỨC 7+ – Thầy Nguyễn Duy Khánh Nội dung: Cơ chế di truyền và biến dị ở cấp độ phân tử A. CỦNG CỐ LÍ THUYẾT Phần I: Gen, mã di truyền và quá trình nhân đôi ADN I. ADN và Gen 1. Cấu trúc và chức năng của ADN - ADN là đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân gồm 4 loại nucleotit: A, T, G, X (1 nuclêôtit dài 3,4Ao). - Phân tử ADN mạch kép:  Là một chuỗi xoắn kép được cấu tạo theo nguyên tắc bổ sung: A ở mạch 1 luôn liên kết với T ở mạch 2 bằng 2 liên kết hiđrô và ngược lại, G ở mạch 1 luôn liên kết với X ở mạch 2 bằng 3 liên kết hiđrô và ngược lại.  %A + %G = 50% A=T A+G G=X T+X =1 Mạch 1 3' A1 T1 G1 X1 5' Mạch 2 5' T2 A2 X2 G2 3' A = A1 + A2 = T1 + T2 = A1 + T1 = A2 + T2 = T T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 1 | 21 SĐT: 0988222106 G = G1 + G2 = X1 + X2 = G1 + X1 = G2 + X2 = X  Mỗi vòng xoắn có 10 cặp nuclêôtit dài 34Ao, đường kính vòng xoắn là 2nm. Đổi đơn vị: 1mm = 103µm = 106nm = 107Ao - ADN là vật chất di truyền ở cấp độ phân tử ở tất cả các loài sinh vật.  Ở sinh vật nhân sơ (tế bào không có màng nhân bao quanh vật chất di truyền, ví dụ như vi khuẩn): Vùng nhân chỉ có 1 phân tử ADN kép, mạch vòng, kích thước nhỏ. Một số vi khuẩn chứa thêm các plasmit là các phân tử ADN mạch kép, vòng, kích thước rất nhỏ.  Ở sinh vật nhân thực (tế bào có màng nhân bao quanh vật chất di truyền): Trong nhân tế bào có nhiều phân tử ADN kép, mạch thẳng, kích thước lớn. Trong tế bào chất có các bào quan ti thể, lục lạp có 1 phân tử ADN kép, mạch vòng, kích thước nhỏ như ở vi khuẩn.  Hàm lượng ADN trong nhân tế bào sinh vật nhân chuẩn và ADN trong vùng nhân của sinh vật nhân sơ là đại lượng ổn định và đặc trưng cho loài, sẽ phân chia đồng đều cho 2 tế bào con trong quá trình phân bào. ADN trong tế bào chất của sinh vật nhân chuẩn và plasmit ở vi khuẩn có hàm lượng không ổn định, có sự thay đổi và phân chia không đều cho các tế bào con khi thực hiện quá trình phân bào. 2. Gen - Khái niệm: Gen là một đoạn của phân tử ADN mang thông tin mã hoá một sản phẩm nhất định (ARN, chuỗi pôlipeptit của phân tử prôtêin). - Phân loại: Dựa vào chức năng có 2 loại gen là gen cấu trúc và gen điều hòa. Gen I Gen II Gen III Gen IV Cứ 3 nuclêôtit trên mạch gốc của gen ứng với 3 nuclêôtit trên phân tử mARN, ứng với 1 axit amin trong phân tử prôtêin. II. Mã di truyền - Mã di truyền là trình tự sắp xếp các nucleotit trong gen quy định trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi polipeptit. ARN: 4 loại nucleotit: A, U, G, X. 4 x 4 x 4 = 64 loại bộ 3 - 20 loại axit amin chính T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 2 | 21 SĐT: 0988222106 - Các tính chất của mã di truyền  Mã di truyền là mã bộ ba, cứ 3 nucleotit quy định một axit amin. Có 64 bộ ba trong đó 3 bộ 3 không mã hóa axit amin mà làm nhiệm vụ kết thúc dịch mã (5'UAA3', 5'UAG3', 5'UGA3'), 1 bộ ba - 5'AUG3' vừa làm nhiệm vụ mở đầu, vừa làm nhiệm vụ mã hóa cho axit amin Mêtiônin ở sinh vật nhân thực, axit amin Foocmin Mêtiônin ở sinh vật nhân sơ. Bộ 3 (codon) mở đầu trên mARN: 5’AUG3’ Bộ 3 (triplet) mở đầu trên mạch gốc của gen: 3’TAX5’ 5’AUG/AAA/UUU/XXX/GGG/...../AAA/UGA3’  Mã di truyền được đọc liên tục từ một điểm xác định theo từng bộ ba nucleotit mà không gối lên nhau (đọc từ đầu 5' đến hết đầu 3' trên phân tử mARN.  Mã di truyền có tính phổ biến, tất cả các loài đều có bộ mã di truyền giống nhau trừ một vài ngoại lệ → phản ánh nguồn gốc chung của sinh giới.  Mã di truyền có tính đặc hiệu: Một loại bộ ba chỉ mã hóa cho một axit amin.  Mã di truyền có tính thoái hóa: Một axit amin do nhiều bộ ba quy định, trừ bộ ba AUG (Metionin) và UGG (trypophan). III. Quá trình nhân đôi ADN - Vị trí diễn ra: Nơi nào ADN tồn tại nơi đó có quá trình nhân đôi ADN. - Thời gian: Quá trình nhân đôi ADN trong nhân tế bào diễn ra ở kì trung gian (pha S) của nguyên phân, giảm phân. ADN vùng nhân của vi khuẩn nhân đôi khi tế bào chuẩn bị phân bào. ADN ti thể, lục lạp và plasmit nhân lên độc lập với ADN nhân/vùng nhân. - Diễn biến: 3 bước:  Bước 1: Tháo xoắn phân tử ADN: Nhờ các enzim tháo xoắn, 2 mạch đơn của phân tử ADN tách nhau dần nhau tạo nên chạc hình chữ Y và để lộ ra hai mạch khuôn. T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 3 | 21 SĐT: 0988222106  Bước 2: Tổng hợp các mạch ADN mới: Enzim ADN pôlimêraza xúc tác hình thành mạch đơn mới theo chiều 5' - 3' (ngược chiều với mạch làm khuôn). Các nuclêôtit của môi trường nội bào liên kết với nuclêôtit của mạch làm khuôn theo nguyên tắc bổ sung (A=T; G≡X). Trong 1 chạc tái bản: + Trên mạch khuôn 3' - 5', mạch mới được tổng hợp liên tục. + Trên mạch khuôn 5' - 3', mạch mới được tổng hợp gián đoạn tạo nên các đoạn ngắn (đoạn Okazaki). Trong đó: + Mạch mới được tổng hợp liên tục theo chiều 5' đến 3' cùng chiều trượt enzim tháo xoắn. + Mạch mới được tổng hợp không liên tục theo chiều 5' đến 3' ngược chiều trượt enzim tháo xoắn. Sau đó các đoạn Okazaki được nối lại với nhau nhờ enzim nối ligaza.  Bước 3: Tạo hai phân tử ADN con: Các mạch mới tổng hợp đến đâu thì 2 mạch đơn xoắn đến đó tạo thành phân tử ADN con, trong đó có 1 mạch mới được tổng hợp còn mạch kia là của ADN mẹ ban đầu. - Nguyên tắc:  Nguyên tắc bổ sung: Các nuclêôtit tự do của môi trường nội bào trong quá trình lắp ráp tạo mạch ADN mới bắt cặp với các nuclêôtit trên mạch khuôn của ADN mẹ theo nguyên tắc bổ sung (A=T; G≡X). Nguyên tắc bổ sung được thể hiện trên toàn bộ các vị trí nuclêôtit của phân tử ADN. Các gen trên phân tử ADN có số lần nhân đôi bằng nhau.  Nguyên tắc khuôn mẫu: Trình tự sắp xếp của các nuclêôtit trên mạch khuôn ADN mẹ làm khuôn để các nuclêôtit tự do của môi trường nội bào lắp ráp theo trật tự đã được định hướng sẵn.  Nguyên tắc bán bảo toàn: Mỗi phân tử ADN con được tạo ra có 1 mạch mới được tổng hợp, 1 mạch lấy từ ADN mẹ. Từ 1 phân tử ADN, qua k lần nhân đôi sẽ tạo ra 2k phân tử ADN con. Phần II: Phiên mã và dịch mã I. ARN - Có 3 loại ARN: mARN, tARN, rARN. Cả 3 loại đều có cấu trúc mạch đơn được cấu tạo từ 4 loại nucleotit là A, U, G, X. Phân tử mARN không có cấu trúc theo nguyên tắc bổ sung. Phân tử tARN và rARN có nguyên tắc bổ sung (trong cấu trúc có liên hết hiđrô A=U; G≡X. - Đặc điểm và chức năng của từng loại ARN: Loại ARN mARN Chức năng Cấu trúc - Mạch thẳng có chiều từ 5' đến 3'. - Làm khuôn cho quá trình dịch mã ở - Đầu 5' có trình tự nucleotit đặc hiệu để riboxom. T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 4 | 21 SĐT: 0988222106 - Sau khi tổng hợp protein, mARN thường riboxom nhận biết và gắn vào. được các enzim phân hủy. - Có nhiều loại tARN, mỗi phân tử - Vận chuyển axit amin tới riboxom để tARN đều có một bộ ba đối mã tổng hợp chuỗi polipeptit. tARN (anticodon) và 1 đầu để liên kết với axit - Nhận biết bộ ba trên mARN theo nguyên amin tương ứng. tắc bổ sung. - Một đầu mang bộ ba đối mã, một đầu gắn với axit amin. rARN Kết hợp với prôtêin để tạo thành Là nơi diễn ra quá trình dịch mã tổng hợp ribôxôm. chuỗi polipeptit. - Virut có thể có vật chất di truyền là 1 trong 4 loại: ADN mạch kép, ADN mạch đơn, ARN mạch kép, ARN mạch đơn. II. Phiên mã - Khái niệm: là quá trình tổng hợp ra các phân tử ARN dựa trên mạch khuôn của gen. T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 5 | 21 SĐT: 0988222106 - Enzim tham gia: ARN pôlimeraza. - Nguyên tắc: Nguyên tắc bổ sung, nguyên tắc khuôn mẫu. - Kết quả: mỗi lần phiên mã tạo ra 1 phân tử ARN. III. Dịch mã - Khái niệm: là quá trình tổng hợp ra các phân tử prôtêin dựa trên mạch khuôn của mARN. - Thành phần tham gia: mARN, tARN, rARN (ribôxôm) và axit amin, ATP và enzim. - Diễn biến: 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Hoạt hoá axit amin - Dưới tác động của 1 số enzim, các axit amin tự do trong môi trường nội bào được hoạt hoá nhờ gắn với hợp chất ATP aa  ATP  aa hoạt hoá - Nhờ tác dụng của enzim đặc hiệu, a.a được hoạt hóa liên kết với tARN tương ứng  phức hợp a.a – tARN aa hoạt hoá  tARN  Phức hợp aa – tARN Giai đoạn 2: Tổng hợp chuỗi pôlipeptit (3 bước) - Bước 1: Mở đầu + Bộ ba mở đầu là AUG. Ở vi khuẩn, aa mở đầu là foocmin Metionin. Ở sinh vật nhân thực aa mở đầu là Methionin Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn với mARN ở vị trí nhận biết đặc hiệu (gần bộ ba mở đầu) và di chuyển đến bộ ba mở đầu (AUG). T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 6 | 21 SĐT: 0988222106 + aa mở đầu - tARN tiến vào bộ ba mở đầu (đối mã của nó - UAX- khớp với mã mở đầu AUG - trên mARN theo nguyên tắc bổ sung), sau đó tiểu phần lớn gắn vào tạo ribôxôm hoàn chỉnh sẵn sàng tổng hợp chuỗi polipeptit - Bước 2: Tổng hợp prôtêin + aa1 - tARN tiến vào ribôxôm (đối mã của nó khớp với mã thứ nhất trên mARN theo nguyên tẳc bổ sung), một liên kết peptit được hình thành giữa axit amin mở đầu với axit amin thứ nhất. + Ribôxôm chuyển dịch sang bộ ba thứ 2, tARN vận chuyển axit amin mở đầu được giải phóng. Tiếp theo, aa2 - tARN tiến vào ribôxôm (đối mã của nó khớp với bộ ba thứ hai trên mARN theo nguyên tắc bổ sung), hình thành liên kết peptit giữa axit amin thứ hai và axit amin thứ nhất. + Ribôxôm chuyển dịch đến bộ ba thứ ba, tARN vận chuyến axit amin mở đầu được giải phóng. Quá trình cứ tiếp tục như vậy đến bộ ba tiếp giáp với bộ ba kết thúc của phân tử mARN. Như vậy, chuỗi pôlipeptit liên tục được kéo dài. - Bước 3: Kết thúc + Khi ribôxôm chuyển dịch sang bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA) thì quá trình dịch mã ngừng lại, 2 tiểu phần của ribôxôm tách nhau ra. Một enzim đặc hiệu loại bỏ axit amin mở đầu và giải phóng chuỗi pôlipeptit, quá trình dịch mã hoàn tất. + Chuỗi polipeptit tiếp tục hình thành các cấu trúc bậc cao hơn, trở thành protein có hoạt tính sinh học. - Nhiều ribôxôm cùng trượt trên 1 phân tử mARN thì có thể tạo ra nhiều chuỗi pôlipeptit cùng loại để nâng cao hiệu suất quá trình dịch mã. T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 7 | 21 SĐT: 0988222106 Phần III: Điều hoà hoạt động của gen I. Khái niệm Điều hòa hoạt động của gen là điều hòa lượng sản phẩm do gen tạo ra. II. Cơ chế điều hòa hoạt động gen của sinh vật nhân sơ Trên phân tử ADN của vi khuẩn, các gen có liên quan về chức năng thường phân bố liền nhau thành từng cụm, có chung một cơ chế điều hòa gọi là Opêron. - Vùng khởi động P (promoter): Nơi mà ARN pôlimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã. - Vùng vận hành O (operator): Có trình tự nuclêôtit đặc biệt để prôtêin ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã. - Nhóm gen cấu trúc Z, Y, A quy định tổng hợp các enzim tham gia phản ứng phân giải đường lactôzơ trong môi trường để cung cấp năng lượng cho tế bào. * Trước mỗi opêron (nằm ngoài opêron) có gen điều hoà R. Khi gen điều hòa R hoạt động sẽ tổng hợp nên prôtêin ức chế. Prôtêin này có khả năng liên kết với vùng vận hành (O) dẫn đến ngăn cản quá trình phiên mã. R không phải là thành phần của Opêron. Khi môi trường có đường glucôzơ (operon Lac đóng): T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 8 | 21 SĐT: 0988222106 Khi môi trường hết đường glucôzơ, vi khuẩn sử dụng đường lăctôzơ (operon Lac mở): Phần IV: Đột biến gen 1. Khái niệm: - Đột biến gen là những biến đổi trong cấu của gen liên quan đến 1 hoặc một số cặp nuclêôtit. - Đột biến điểm là dạng đột biến gen chỉ liên quan đến 1 cặp nuclêôtit, gồm 3 dạng là mất cặp nuclêôtit, thêm cặp nuclêôtit, thay thể một cặp nuclêôtit này bằng một cặp nuclêôtit khác. - Thể đột biến là cơ thể mang đột biến đã được biểu hiện thành kiểu hình. Alen A (hoa đỏ) → alen a (hoa trắng) AA (hoa đỏ) : kiểu hình dại; Aa (hoa đỏ) : thể mang; aa (hoa trắng): thể đột biến. 2. Phân loại Đột biến điểm: - Đột biến mất 1 cặp: cặp A=T hoặc G≡X. - Đột biến thêm 1 cặp: cặp A=T hoặc G≡X.  Mất hoặc thêm 1 cặp nuclêôtit: Đột biến gen làm mất hoặc thêm 1 cặp nuclêôtit thì khung dịch mã bị thay đổi từ vị trí xảy ra đột biến → trình tự axit amin trong phân tử prôtêin thay đổi → chức năng của prôtêin thay đổi. - Đột biến thay thế 1 cặp: Thay thế 1 cặp nuclêôtit: 1 cặp nuclêôtit trong gen được thay thế bằng 1 cặp nuclêôtit khác. Thay thế 1 cặp A=T bằng 1 cặp G≡X và ngược lại. Thay thế 1 cặp A=T bằng 1 cặp T=A và ngược lại hoặc thay thế 1 cặp G≡X bằng 1 cặp X≡G và ngược lại. Đột biến thay thế 1 cặp nuclêôtit biến 1 bộ 3 này thành 1 bộ 3 khác nhưng không làm thay đổi khung dịch mã. 3. Nguyên nhân và cơ chế phát sinh đột biến gen T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 9 | 21 SĐT: 0988222106 a. Nguyên nhân: Do tác nhân vật lí, hóa học, sinh học của môi trường ngoài hoặc do rối loạn sinh lí nội bào, do bazơ nitơ dạng hiếm. b. Cơ chế phát sinh: Do sự kết cặp không đúng trong nhân đôi ADN dẫn tới gây đột biến thay thế các cặp nucleotit. VD: nếu môi trường có các hóa chất gây đột biến như 5BU, có sự xuất hiện các bazơ nitơ dạng hiếm thì nhân đôi ADN sẽ không theo nguyên tác bổ sung. * Tần số đột biến gen phụ thuộc vào loại tác nhân gây đột biến, cường độ tác nhân và đặc điểm cấu trúc của gen. - Tác nhân đột biến tác động vào giai đoạn ADN đang nhân đôi thì dễ làm phát sinh đột biến gen. - Khi đó tác động của các tác nhân đột biến dễ làm phát sinh đột biến gen. Khi không có tác nhân đột biến thì vẫn có thể xảy ra đột biến. Nguyên nhân là vì trong quá trình nhân đôi, enzim ADN polimerazaza bắt cặp không theo nguyên tắc bổ sung (có sai sót ngẫu nhiên). - Chất 5BU gây đột biến gen bằng cách thay thế cặp A-T thành cặp G-X. Chất 5BU thấm vào tế nào thì phải sau 3 lần nhân đôi mới phát sinh gen đột biến. - Các bazơ nitơ dạng hiếm cũng làm phát sinh đột biến gen theo cơ chế đồng hoán (tức là bazơ nitơ có kích thước lớn được thay thế bằng một bazơ nitơ có kích thước lớn). Ví dụ khi có A dạng hiếm (A*) thì sẽ thay thế cặp A-T thành cặp G-X. Khi có bazơ dạng hiếm thì phải sau ít nhất 2 lần nhân đôi mới phát sinh gen đột biến. 4. Đặc điểm của đột biến gen - Trong tự nhiên, tần số đột biến gen là rất thấp (10-6 – 10-4). Một số gen có tần số đột biến rất cao (10-2). - Tần số đột biến gen phụ thuộc vào loại gen (cấu trúc, vị trí và chức năng trong tế bào) và tác nhân gây đột biến (cường độ, liều lượng, thời gian và cách thức tác động). - Đột biến gen có thể xảy ra ở tế bào sinh dưỡng và tế bào sinh dục. Tế bào nào có tốc độ phân chia càng nhanh xác suất xảy ra đột biến gen càng cao. - Chỉ có đột biến gen mới làm xuất hiện alen mới. Đột biến gen làm tăng số lượng alen của gen trong quần thể. - Đột biến gen là nguồn biến dị di truyền trong quần thể nhưng không phải mọi đột biến gen đều được di truyền cho thế hệ sau.  Đột biến gen là những biến đổi trong vật chất di truyền nên có thể được di truyền cho đời sau. Tuy nhiên không phải lúc nào đột biến cũng được di truyền (nếu đột biến không đi vào giao tử, hoặc đi vào giao tử nhưng không thụ tinh thì không truyền được cho đời sau). - Tần số đột biến gen tùy thuốc vào tác nhân đột biến và đặc diểm cấu trúc của gen. 5. Cơ chế biểu hiện: Đột biến gen khi đã phát sinh sẽ được nhân lên qua cơ chế nhân đôi của ADN. Đột biến có thể phát sinh trong giảm phân (đột biến giao tử), phát sinh trong những lần nguyên phân đầu tiên của hợp tử (đột biến tiền phôi), phát sinh trong quá trình nguyên phân của tế bào sinh dưỡng (đột biến xôma). 6. Hậu quả và vai trò của đột biến gen a. Hậu quả của đột biến gen: - Đột biến gen làm biến đổi trong dãy nuclêôtit của gen cấu trúc → Biến đổi trong dãy nuclêôtit của mARN → biến đổi trong dãy axit amin của chuỗi polipeptit tương ứng → có thể làm thay đổi cấu trúc prôtêin → Có thể làm thay đổi đột ngột về 1 hay 1 số tính trạng. T h ầ y N g u y ễ n D u y K h á n h – S I N H H Ọ C 4 . 0 S Đ T : 0 9 8 8 2 2 2 1 0 6 10 | 21