AXIT ĐÊÔXIRIBÔNUCLÊIC (ADN) VÀ HỆ GEN

Tất cả các tế bào của tất cả các sinh vật trên hành tinh chúng ta đều có hệ gen (genome) với cấu trúc chung là ADN và sự biểu hiện thông tin trên ADN cũng giống nhau về căn bản. Phát minh ra cấu trúc của phân tử ADN, đã tạo ra cuộc cách mạng trong Sinh học, mở đầu Sinh học phân tử. Phân tử ADN thoả mãn các yêu cầu đối với vật chất di truyền : chứa và truyền đạt thông tin, tự sao chép chính xác, có khả năng biến dị và sửa sai....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
AXIT ĐÊÔXIRIBÔNUCLÊIC (ADN) VÀ HỆ GEN CHƯƠNG II AXIT ĐÊÔXIRIBÔNUCLÊIC (ADN) VÀ HỆ GEN Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử ADN Chức năng ADN Genomics và các –omics khácTất cả các tế bào của tất cả các sinh vật trên hành tinh chúng ta đều có hệ gen (genome) với cấutrúc chung là ADN và sự biểu hiện thông tin trên ADN cũng gi ống nhau về căn bản. Phát minh racấu trúc của phân tử ADN, đã tạo ra cuộc cách mạng trong Sinh học, m ở đầu Sinh h ọc phân t ử .Phân tử ADN thoả mãn các yêu cầu đối với vật chất di truyền : chứa và truyền đạt thông tin, tựsao chép chính xác, có khả năng biến dị và sửa sai.Sau phát minh ra kĩ thuật di truyền (genetic engineering), Sinh h ọc phân t ử phát tri ển nhanh d ẫnđến biết được chi tiết trình tự từng đơn phân nuclêôtit trên ADN hình thành khoa học về hệ gen(Genomics), mà đỉnh cao là Bộ gen người (Human Genome). I. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC HÓA HỌC CỦA ADN 1. Chứng minh ADN là vật chất di truyền Vào năm 1868, vài năm sau khi Mendel công bố các quy luật di truyền, nhà sinh hóa học Thụy Sĩ Friedrich Miescher (hình 2.1) phát hiện trong nhân tế bào mủ một chất không phải prôtêin, đó là axit nuclêic. Đến những năm 1930, các nhà hóa học biết 4 lo ại nuclêôtit đơn phân của ADN và cho thấy ADN của nhân giới hạn trong các nhiễm sắc thể. Nhiều số liệu cho thấy có sự liên quan chặt chẽ giữa ADN và vật Hình 2.1. Friedrich Miescher chất di truyền :- ADN có trong tế bào của tất cả các sinh vật, là thành phần ch ủ yếu c ủa nhi ễm s ắc th ể (NST),một cấu trúc tế bào mang gen.- Tất cả các tế bào dinh dưỡng (tế bào xôma) đều chứa một lượng ADN rất ổn định.- Số lượng ADN tăng theo số bội thể của tế bào.- ADN hấp thụ tia tử ngoại nhiều nhất ở bước sóng 260nm, chính là bước sóng mà tia tử ngo ạicó hiệu quả gây đột biến cao nhất.Nhưng trong một thời gian dài quan niệm prôtêin là chất di truyền vẫn ngự tr ị. Các NST đ ều cóchứa ADN lẫn prôtêin, hơn nữa lúc đó cho rằng các prôtêin m ới có đủ sự phức tạp hóa h ọc c ầnthiết để chứa thông tin di truyền. Mãi đến năm 1944, vai trò mang thông tin di truy ền c ủa ADNmới được chứng minh trực tiếp lần đầu tiên và đến năm 1952 mới được công nhận sau nhi ềutranh cãi. 2. Thành phần hóa học Deoxyribonucleic axit (ADN) là một chất cao phân tử (pôlime) - m ột pôlinuclêôtit. Nóđược tạo nên do sự nối liền nhiều đơn phân (monomer) là các nuclêôtit, mà thành ph ần g ồm cógốc axit phôtphoric, đường 5-đêôxiribôzơ và các bazơ nitơ. Kết quả phân tích hóa học củaADN ở những sinh vật khác nhau cho thấy sự gi ống nhau đ ặc bi ệt gi ữa các đ ơn phân h ợp thành.Bazơ nitơ gồm hai purin là Adenin (A) và Guanin (G) và hai pirimidin là Xitôzin ( xitôzin theo kíhiệu quốc tế là C (Cytosine)) và Timin (T) (xem hình 2.3). 1 Tất cả sinh vật đều có chung một cấu trúc ADN . Tính đặc trưng của ADN một loài chỉbiểu hiện ở sự sắp xếp các nuclêôtit theo một trình tự dọc theo chiều dài và số lượng của chúng.Tổng ADN của hệ gen đơn bội của tế bào được gọi là giá trị-C (C-value). 2. Mô hình cấu trúc ADN của Watson - Crick Việc xác định cấu trúc không gian của một phân tử phức tạp và quan tr ọng nh ư ADNđã hấp dẫn nhiều nhà khoa học. Vào năm 1950 hầu như chưa bi ết gì v ề sự sắp xếp khônggian của các nguyên tử trong phân tử ADN và dĩ nhiên cũng chưa bi ết b ằng cách nào nóchứa thông tin cho quá trình sao chép và kiểm soát các hoạt động c ủa t ế bào. Th ời gian này,M. Wilkins và R. Franklin sử dụng kĩ thuật phân tích dùng tán xạ tia X (X-ray diffractionanalysis) đối với ADN, đã thu nhận những kết quả rõ nhất. Vào năm 1953, J.Watson và F.Crick đã sử dụng tài tình các số li ệu phân tích hóa h ọc vàtán xạ tia X để xây dựng mô hình cấu trúc của phân tử ADN, còn gọi là mô hình cấu trúc ADNcủa Watson - Crick hay chuỗi xoắn kép. Mô hình gồm hai mạch pôlinuclêôtit bổ sung nhau(complementary) tạo thành lò xo xoắn kép (hình 2.2). Phía ngoài là khung đ ường – phôtphat, cácbazơ nitơ quay vào trong, mặt phẳng vuông góc trục dọc và bắt cặp b ổ sung v ới baz ơ đ ối di ệntrên mạch kia. Hai mạch được gắn với nhau bằng các liên kết hiđrô gi ữa các bazơ đ ối di ện v ớinhau theo từng cặp: đối diện Adenin là Timin bắt cặp nhau nhờ 2 liên kết hiđrô , đối diệnGuanin là Xitôzin bắt cặp nhau nhờ 3 liên kết hiđrô (hình 2.3). Mỗi mạch đơn có một đầu mangnhóm P tự do gắn vào C 5 của đường đêôxiribôzơ nên gọi là đầu 5P, còn đầu kia nhóm OH ở vịtrí C3 nên gọi là đầu 3OH. Hai mạch có đầu ngược nhau thể hiện một đặc điểm của mô hình làsự đối song song (antiparalell).Watson, Crick và Wilkins đã nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1962. Hình 2.2. Mô hình chuỗi xoắn kép ADN của Watson-Crick.Hình 2.3a. Adenin bắt cặp Timin (2 liên kết hidrô) Hình 2.3b. Guanin bắt cặp Xitôzin (3 liên kết hidrô) Hình 2.3. Sự bắt cặp A-T và G-X (dR = đêôxiribônuclêôtit) Một tính chất quan trọng của ADN là khả năng biến tính và hồi tính. Hai mạch DNA gắnvới nhau nhờ các liên kết hidrô, nếu các liên kết này bị đứt 2 mạch sẽ tách r ời nhau như khi đunnóng phân tử ADN vượt quá nhiệt độ sinh li (thường ở khoảng 80 – 95 OC). Đó là hiện tượngbiến tính (denaturation) của ADN. Nó có tính là thuận nghịch. Nếu ADN đã bi ến tính đ ược hạ 2nhiệt độ từ từ trở lại bình thường thì chúng có thể gắn lại với nhau thành mạch kép, gọi là hồitính (renaturation ...