Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 3: Cấu trúc và chức năng của gen

Đăng ngày 10/17/2019 3:59:44 AM | Thể loại: | Lần tải: 0 | Lần xem: 4 | Page: 19 | FileSize: 0.44 M | File type: PDF
Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 3: Cấu trúc và chức năng của gen. Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 3: Cấu trúc và chức năng của gen. Nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Định nghĩa gen, lý thuyết trung tâm, cấu trúc và chức năng của gen. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.
Chương 3
Cấu trúc chức năng của gen
I. Định nghĩa gen
Chúng ta có thể điểm qua những mốc chính trong lịch sử nghiên cứu
về gen như sau:
Mendel (1865) là người đầu tiên đưa ra khái niệm nhân tố di truyền.
Johansen (1909) đã đề xuất thuật ngữ gen (từ genos, nghĩa là sản sinh,
nguồn gốc) để chỉ nhân tố di truyền xác định một tính trạng nào đó. Sau đó,
Morgan trong những năm 1920 đã cụ thể hóa khái niệm về gen, khẳng định
nó nằm trên nhiễm sắc thể và chiếm một locus nhất định, gen là đơn vị chức
năng xác định một tính trạng.
Vào những năm 1940, Beadle và Tatum đã chứng minh gen kiểm tra
các phản ứng hóa sinh và nêu giả thuyết một gen-một enzyme. Tuy nhiên,
trường hợp hemoglobin là một protein nhưng lại gồm hai chuỗi polypeptide
do hai gen xác định, do đó giả thuyết trên buộc phải điều chỉnh lại là một
gen-một polypeptide.
Vào
những
m
1950,
DNA
(deoxyribonucleic
acid)
được
chứng
minh là vật chất di truyền. Mô hình cấu trúc DNA của Watson và Crick
được đưa ra và thuyết trung tâm (central dogma) ra đời. Gen được xem
là một đoạn DNA trên nhiễm sắc thể mã hóa cho một polypeptide hay RNA.
Cuối những năm 1970, việc phát hiện ra gen gián đoạn ở sinh vật
eukaryote cho thấy có những đoạn DNA không mã hóa cho các amino acid
trên phân tử protein. Vì thế, khái niệm về gen lại được chỉnh lý một lần nữa:
Gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide, nó bao
gồm cả phần phía trước là vùng 5’ không dịch mã (5’ untranslation) hay còn
gọi là vùng ngược hướng (upstream) và phía sau là vùng 3’ không dịch mã
(3’ untranslation) hay còn gọi là vùng cùng hướng (downstream) của vùng
mã hóa cho protein, và bao gồm cả những đoạn không mã hóa (intron) xen
giữa các đoạn mã hóa (exon).
Hiện nay, có thể định nghĩa gen một cách tổng quát như sau: Gen là
đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên
Sinh học phân tử
57
nhiễm sắc thể và xác định một tính trạng nhất định. Các gen là những đoạn
vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ như các mRNA
được sử dụng trực tiếp cho tổng hợp các enzyme, các protein cấu trúc hay
các chuỗi polypeptide để gắn lại tạo ra protein có hoạt tính sinh học. Ngoài
ra, gen còn mã hóa cho các tRNA, rRNA và snRNA...
Bảng 3.1. Tóm tắt lịch sử nghiên cứu về di truyền học
Mốc
Năm
Các sự kiện chính
thời gian
1850
1865
Gen là các nhân tố hạt
1871
Khám phá ra nucleic acid
1900
1903
Nhiễm sắc thể là các đơn vị di truyền
1910
Gen nằm trên nhiễm sắc thể
1913
Nhiễm sắc thể là các dãy sắp xếp mạch thẳng của gen
1927
Đột biến là những thay đổi vật lý của gen
1931
Sự tái tổ hợp xuất hiện bởi hiện tượng vắt chéo
1944
DNA là vật liệu di truyền
1945
Gen mã hóa cho protein
1950
1951
Trình tự protein đầu tiên
1953
DNA có dạng xoắn kép
1958
DNA tái bản theo phương thức bán bảo thủ
1961
Mã di truyền là bộ ba
1977
Các gen của sinh vật eukaryote bị gián đoạn
1977
DNA có thể được phân tích trình tự
1995
Genome của vi khuẩn được phân tích trình tự
2000
2001
Genome người được phân tích trình tự
Sinh học phân tử
58
II. thuyết trung tâm
1. Sự xác định di truyền cấu trúc bậc một của protein
Cấu trúc không gian của chuỗi polypeptide được xác định bởi trình tự
sắp xếp của các amino acid tức cấu trúc bậc một. Như vậy, mặc dù có nhiều
mức độ cấu trúc không gian khác nhau, nhưng cấu trúc bậc một tức trình tự
sắp xếp các amino acid chi phối toàn bộ các mức độ cấu trúc khác. Việc xác
định di truyền phân tử protein ở trạng thái tự nhiên có đầy đủ hoạt tính sinh
học chỉ quy tụ lại chủ yếu ở xác định cấu trúc bậc một là đủ.
2. Các enzyme mất hoạt tính do đột biến
Nhiều nghiên cứu cho thấy, việc mất hoạt tính enzyme nhiều khi
không phải do vắng mặt của enzyme, mà chỉ do các biến đổi trên phân tử
(modification). Có trường hợp đột biến dẫn đến những thay đổi tinh vi,
enzyme vẫn có hoạt tính nhưng sẽ biểu hiện khác nếu thay đổi điều kiện.
Chẳng hạn:
Ở nấm mốc Neurospora crassa, enzyme tyrosinase do gen T xác định,
xúc tác cho phản ứng chuyển hóa tyrosine thành dihydroxyphenylalanine.
Alelle T+ của dòng hoang dại sản xuất tyrosinase có hoạt tính ở nhiệt độ
bình thường và cả ở 60oC. Một đột biến TS sản xuất tyrosine có hoạt tính ở
nhiệt độ bình thường, nhưng lại mất hoạt tính ở 60oC.
Như vậy, trong đa số trường hợp, đột biến của một gen không làm
biến mất enzyme mà chỉ biến đổi cấu trúc dẫn đến thay đổi hoạt tính. Các
đột biến của cùng một gen có thể gây ra những biến đổi khác nhau trên
enzyme. Các hiện tượng đó chứng tỏ rằng cấu trúc của enzyme chịu sự kiểm
soát trực tiếp của gen.
3. Bản chất các biến đổi di truyền của protein
Bản chất đó chính là quan hệ một gen-một polypeptide.
Như đã nêu trên, người ta khám phá ở người có những gen tạo ra
hemoglobin (Hb) khi biến dị sẽ tạo ra những hemoglobin bất thường do sai
hỏng ở các chuỗi polypeptide α hoặc β (Bảng 3.2 và 3.3) và gây ra các bệnh
di truyền.
Sinh học phân tử
59
HƯỚNG DẪN DOWNLOAD TÀI LIỆU

Bước 1:Tại trang tài liệu slideshare.vn bạn muốn tải, click vào nút Download màu xanh lá cây ở phía trên.
Bước 2: Tại liên kết tải về, bạn chọn liên kết để tải File về máy tính. Tại đây sẽ có lựa chọn tải File được lưu trên slideshare.vn
Bước 3: Một thông báo xuất hiện ở phía cuối trình duyệt, hỏi bạn muốn lưu . - Nếu click vào Save, file sẽ được lưu về máy (Quá trình tải file nhanh hay chậm phụ thuộc vào đường truyền internet, dung lượng file bạn muốn tải)
Có nhiều phần mềm hỗ trợ việc download file về máy tính với tốc độ tải file nhanh như: Internet Download Manager (IDM), Free Download Manager, ... Tùy vào sở thích của từng người mà người dùng chọn lựa phần mềm hỗ trợ download cho máy tính của mình  
4 lần xem

Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 3: Cấu trúc và chức năng của gen. Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 3: Cấu trúc và chức năng của gen. Nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Định nghĩa gen, lý thuyết trung tâm, cấu trúc và chức năng của gen. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết..

Nội dung

Chương 3 Cấu trúc và chức năng của gen I. Định nghĩa gen Chúng ta có thể điểm qua những mốc chính trong lịch sử nghiên cứu về gen như sau: Mendel (1865) là người đầu tiên đưa ra khái niệm nhân tố di truyền. Johansen (1909) đã đề xuất thuật ngữ gen (từ genos, nghĩa là sản sinh, nguồn gốc) để chỉ nhân tố di truyền xác định một tính trạng nào đó. Sau đó, Morgan trong những năm 1920 đã cụ thể hóa khái niệm về gen, khẳng định nó nằm trên nhiễm sắc thể và chiếm một locus nhất định, gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng. Vào những năm 1940, Beadle và Tatum đã chứng minh gen kiểm tra các phản ứng hóa sinh và nêu giả thuyết một gen-một enzyme. Tuy nhiên, trường hợp hemoglobin là một protein nhưng lại gồm hai chuỗi polypeptide do hai gen xác định, do đó giả thuyết trên buộc phải điều chỉnh lại là một gen-một polypeptide. Vào những năm 1950, DNA (deoxyribonucleic acid) được chứng minh là vật chất di truyền. Mô hình cấu trúc DNA của Watson và Crick được đưa ra và lý thuyết trung tâm (central dogma) ra đời. Gen được xem là một đoạn DNA trên nhiễm sắc thể mã hóa cho một polypeptide hay RNA. Cuối những năm 1970, việc phát hiện ra gen gián đoạn ở sinh vật eukaryote cho thấy có những đoạn DNA không mã hóa cho các amino acid trên phân tử protein. Vì thế, khái niệm về gen lại được chỉnh lý một lần nữa: Gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide, nó bao gồm cả phần phía trước là vùng 5’ không dịch mã (5’ untranslation) hay còn gọi là vùng ngược hướng (upstream) và phía sau là vùng 3’ không dịch mã (3’ untranslation) hay còn gọi là vùng cùng hướng (downstream) của vùng mã hóa cho protein, và bao gồm cả những đoạn không mã hóa (intron) xen giữa các đoạn mã hóa (exon). Hiện nay, có thể định nghĩa gen một cách tổng quát như sau: Gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên Sinh học phân tử 57 nhiễm sắc thể và xác định một tính trạng nhất định. Các gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ như các mRNA được sử dụng trực tiếp cho tổng hợp các enzyme, các protein cấu trúc hay các chuỗi polypeptide để gắn lại tạo ra protein có hoạt tính sinh học. Ngoài ra, gen còn mã hóa cho các tRNA, rRNA và snRNA... Bảng 3.1. Tóm tắt lịch sử nghiên cứu về di truyền học Mốc thời gian 1850 Năm Các sự kiện chính 1865 Gen là các nhân tố hạt 1871 Khám phá ra nucleic acid 1900 1903 Nhiễm sắc thể là các đơn vị di truyền 1910 Gen nằm trên nhiễm sắc thể 1913 Nhiễm sắc thể là các dãy sắp xếp mạch thẳng của gen 1927 Đột biến là những thay đổi vật lý của gen 1931 Sự tái tổ hợp xuất hiện bởi hiện tượng vắt chéo 1944 DNA là vật liệu di truyền 1945 Gen mã hóa cho protein 1950 1951 Trình tự protein đầu tiên 1953 DNA có dạng xoắn kép 1958 DNA tái bản theo phương thức bán bảo thủ 1961 Mã di truyền là bộ ba 1977 Các gen của sinh vật eukaryote bị gián đoạn 1977 DNA có thể được phân tích trình tự 1995 Genome của vi khuẩn được phân tích trình tự 2000 2001 Genome người được phân tích trình tự Sinh học phân tử 58 II. Lý thuyết trung tâm 1. Sự xác định di truyền cấu trúc bậc một của protein Cấu trúc không gian của chuỗi polypeptide được xác định bởi trình tự sắp xếp của các amino acid tức cấu trúc bậc một. Như vậy, mặc dù có nhiều mức độ cấu trúc không gian khác nhau, nhưng cấu trúc bậc một tức trình tự sắp xếp các amino acid chi phối toàn bộ các mức độ cấu trúc khác. Việc xác định di truyền phân tử protein ở trạng thái tự nhiên có đầy đủ hoạt tính sinh học chỉ quy tụ lại chủ yếu ở xác định cấu trúc bậc một là đủ. 2. Các enzyme mất hoạt tính do đột biến Nhiều nghiên cứu cho thấy, việc mất hoạt tính enzyme nhiều khi không phải do vắng mặt của enzyme, mà chỉ do các biến đổi trên phân tử (modification). Có trường hợp đột biến dẫn đến những thay đổi tinh vi, enzyme vẫn có hoạt tính nhưng sẽ biểu hiện khác nếu thay đổi điều kiện. Chẳng hạn: Ở nấm mốc Neurospora crassa, enzyme tyrosinase do gen T xác định, xúc tác cho phản ứng chuyển hóa tyrosine thành dihydroxyphenylalanine. Alelle T+ của dòng hoang dại sản xuất tyrosinase có hoạt tính ở nhiệt độ bình thường và cả ở 60oC. Một đột biến TS sản xuất tyrosine có hoạt tính ở nhiệt độ bình thường, nhưng lại mất hoạt tính ở 60oC. Như vậy, trong đa số trường hợp, đột biến của một gen không làm biến mất enzyme mà chỉ biến đổi cấu trúc dẫn đến thay đổi hoạt tính. Các đột biến của cùng một gen có thể gây ra những biến đổi khác nhau trên enzyme. Các hiện tượng đó chứng tỏ rằng cấu trúc của enzyme chịu sự kiểm soát trực tiếp của gen. 3. Bản chất các biến đổi di truyền của protein Bản chất đó chính là quan hệ một gen-một polypeptide. Như đã nêu trên, người ta khám phá ở người có những gen tạo ra hemoglobin (Hb) khi biến dị sẽ tạo ra những hemoglobin bất thường do sai hỏng ở các chuỗi polypeptide α hoặc β (Bảng 3.2 và 3.3) và gây ra các bệnh di truyền. Sinh học phân tử 59 Bảng 3.2. Các loại hemoglobin ở chuỗi polypeptide α Thứ tự amino acid Tên amino acid Loại hemoglobin Hb I 1 2 16 57 Val Leu Lys Glu Asp 58 68 116 141 His Asp Glu Arg Hb Nocfolk Asp Hb M Boston Tyr Hb B Philadelphia Lys Hb O Indonesia Lys Ở trường hợp này, thứ tự các amino acid có thể bị sai lệch. Từ những dữ liệu trên ta thấy các dạng đột biến tạo một Hb bất thường đó là thay một amino acid này bằng một amino acid khác. Bảng 3.3. Các loại hemoglobin ở chuỗi polypeptide β Thứ tự amino acid 1 2 Tên amino acid Val His Loại hemoglobin Hb S Hb C Hb E 3 6 26 67 121 146 Leu Glu Glu Val Glu His Val Lys Lys Hb M Minvauki Glu Hb O Ả Rập Lys Qua hai chuỗi polypeptide α và β chúng ta thấy có một số dạng hemoglobin bất thường ở người. Trên mỗi chuỗi, chỉ trình bày những amino acid đã bị thay đổi ở dạng đột biến. Số thứ tự chỉ vị trí của amino acid trong chuỗi polypeptide. Mỗi hemoglobin bất thường có thể được đặt cho một chữ cùng tên (nếu có) của địa phương được tìm thấy. Sinh học phân tử 60 Đột biến được biểu hiện bởi sự thay thế vị trí của một amino acid này bằng một amino acid khác. 4. Sự tương quan đồng tuyến tính gen-polypeptide 4.1. Đột biến tryptophan synthetase-sự đồng tuyến tính giữa gen và chuỗi polypeptide Nghiên cứu trên enzyme tryptophan synthetase xúc tác cho phản ứng tổng hợp tryptophan của E. coli người ta nhận thấy có nhiều đột biến xảy ra trên cùng một gen mã hóa cho tryptophan synthetase. Thực hiện tái tổ hợp trong gen (nguyên tắc là gen ở các vị trí càng xa nhau trên nhiễm sắc thể càng dễ tái tổ hợp), người ta đã nhận được các dạng biến dị có tính chất khác nhau, và tính được khoảng cách tương đối giữa những điểm khác nhau của đột biến đã được xác định. Vị trí biến dị trên thể nhiễm sắc tương ứng với vị trí của amino acid trên chuỗi polypeptide. Như vậy, có thể cho rằng có sự đồng tuyến tính giữa gen và chuỗi polypeptide (Hình 3.1). Các vị trí của đột biến trên DNA +H3N COO- 1 15 22 49 175 177 183 211 213 234 235 243 268 Các gốc amino acid Lys Phe Glu Tyr Leu Thr Gly Gly Gly Ser Gln bị thay đổi STOP Leu Val Gln Met Cys Arg Ile Arg Glu Val Cys Asp Leu STOP Hình 3.1. Tương quan đồng tuyến tính giữa gen và enzyme tryptophan synthetase của E. coli thông qua các vị trí đột biến và các gốc amino acid bị thay đổi Nhiều dạng đột biến của tryptophan synthethase đã được tạo ra. Bằng cơ chế tái tổ hợp, những khoảng cách tương đối giữa những điểm khác nhau Sinh học phân tử 61 của đột biến đã được xác định. Sản phẩm protein của mỗi dạng đột biến đã được phân tích, và những thay đổi các amino acid khác cũng được xác định. Người ta đã tìm thấy mối tương quan hoàn toàn giữa những khoảng cách của các đột biến được tìm thấy trên gen với khoảng cách của amino acid bị thay đổi trong phân tử protein. 4.2. Đột biến 4.2.1. Khái niệm Một gen (DNA) có 4 loại base và một phân tử protein có 20 loại amino acid1, nhưng giữa chúng có mối tương quan như thế nào. Đầu tiên, người ta cho rằng một base qui định một amino acid, nhưng những tính toán cho thấy không hợp lý. Vì chỉ có 4 base trong DNA và 20 amino acid trong protein, cho nên mỗi codon phải chứa ít nhất 3 base. Hai base cũng không thể làm thành một codon bởi vì chỉ có 42 = 16 cặp hợp lý của 4 base. Nhưng 3 base thì có thể bởi vì sẽ có 43 = 64 bộ ba hợp lý. Vì số lượng bộ ba hợp lý lớn hơn 20, cho nên sẽ có trường hợp một vài codon chỉ định cùng một amino acid. Ví dụ: UCU, UCC, UCA, UCG, AGU và AGC đều cùng mã hóa cho serine. Từ đó, người ta đưa ra khái niệm mã di truyền (tín hiệu di truyền). Mã di truyền cho phép đọc thứ tự trên DNA để biết thứ tự trên chuỗi polypeptide. Mã di truyền không mơ hồ, có nghĩa với một trình tự chẳng hạn ATA ta biết nó ghi mã cho một amino acid gì, và cũng thấy rằng có nhiều mã di truyền xác định cho một amino acid (Bảng 3.4). 4.2.2. Đột biến điểm Là đột biến chỉ tác động một vị trí, nói rõ hơn đó là một base. Khi thay đổi một base trên DNA sẽ tạo ra sự thay đổi một amino acid (Hình 3.2). 1 Hai mươi amino acid được tìm thấy trong các phân tử protein là: Alanine (Ala), Arginine (Arg), Asparagine (Asn), Aspartic acid (Asp), Cysteine (Cys), Glutamic acid (Glu), Glutamine (Gln), Glycine (Gly), Histidine (His), Isoleucine (Ile), Leucine (Leu), Lysine (Lys), Methionine (Met), Phenylalanine (Phe), Proline (Pro), Serine (Ser), Threonine (Thr), Tryptophan (Trp), Tyrosine (Tyr) và Valine (Val). Sinh học phân tử 62 Đột biến dĩ nhiên xảy ra trên DNA và được sao lại trên mRNA trong phiên mã, rồi trên protein trong dịch mã. Bảng 3.4. Mã di truyền chung Vị trí Vị trí thứ hai Vị trí thứ nhất U U Phe (F) U Phe (F) U Leu (L) U Leu (L) C Leu (L) C Leu (L) C Leu (L) C Leu (L) A Ile (I) A Ile (I) A Ile (I) A Met (M) G Val (V) G Val (V) G Val (V) G Val (V) C A G thứ ba Ser (S) Tyr (Y) Cys (C) U Ser (S) Tyr (Y) Cys (C) C Ser (S) STOP STOP A Ser (S) STOP Trp (W) G Pro (P) His (H) Arg (R) U Pro (P) His (H) Arg (R) C Pro (P) Gln (Q) Arg (R) A Pro (P) Gln (Q) Arg (R) G Thr (T) Asn (N) Ser (S) U Thr (T) Asn (N) Ser (S) C Thr (T) Lys (K) Arg (R) A Thr (T) Lys (K) Arg (R) G Ala (A) Asp (D) Gly (G) U Ala (A) Asp (D) Gly (G) C Ala (A) Glu (E) Gly (G) A Ala (A) Glu (E) Gly (G) G Chú thích Những đơn vị mã (codon) được đọc theo chiều 5’ 3’. STOP: codon kết thúc (còn gọi là vô nghĩa). Sinh học phân tử 63 Đột biến điểm có các dạng sau: - Đột biến sai nghĩa. Thay đổi một amino acid trong protein, có thể dẫn đến một trong ba kết quả sau: + Không hậu quả nào cả, vì amino acid không nằm trong vị trí hoạt động hoặc không có vai trò trong cấu trúc enzyme. + Có biến đổi nhẹ ở chuỗi polypeptide sẽ tạo ra tính mẫn cảm yếu với nhiệt, làm giảm sự ổn định chuỗi polypeptide. + Mất hẳn hoạt tính enzyme nếu đúng ngay vị trí hoạt động của enzyme đó. - Đột biến vô nghĩa. Thay đổi một base. Nếu đó là một codon vô nghĩa sẽ làm ngừng kéo dài (tổng hợp) chuỗi polypeptide ở vị trí amino acid này. Tức là nếu codon này nằm ở đầu sẽ không có chuỗi polypeptide hoạt động. - Đột biến acridine hoặc đột biến dịch khung. Đột biến này do chất acridine màu da cam tạo ra (hoặc còn gọi là đột biến dịch khung, frameshift, do thêm vào hoặc bớt đi một base) (Hình 3.2 E và D). Như vậy, một đột biến trên khung đọc khi thêm vào (C) hoặc mất đi (A) thường sẽ dẫn đến xuất hiện một codon stop làm ngừng chuỗi polypeptide và enzyme sẽ không có hoạt tính. 4.2.3. Đột biến kìm hãm Đến nay, người ta nhận thấy mọi sai lệch trong việc tổng hợp protein nếu có đều xảy ra từ DNA, còn quá trình diễn ra từ RNA đến polypeptide luôn luôn đúng. Nghiên cứu một vài kiểu protein đột biến ta thấy: - Đột biến sai nghĩa. Làm xuất hiện một bất thường trong trình tự amino acid. Kết quả protein mất hoạt tính. Hoạt tính này có thể được phục hồi, hoặc do một đột biến ngược để cho lại protein cấu trúc ban đầu. - Đột biến vô nghĩa. Làm mất đi một phần chuỗi polypeptide, phần còn lại không có hoạt tính, và hoạt tính này có thể có lại được nhờ đột biến trong một codon đã bị đột biến. Thông thường, những gen kìm hãm đột biến vô nghĩa không nằm ở gần vị trí của đột biến ấy. Đó là những gen làm biến đổi hệ thống dịch mã khi tổng hợp protein. Sinh học phân tử 64 A AUG ACU CGG AAG UCA CUA ACG AUU AGG CUU UAC ... Met Thr Arg Lys Ser Leu Thr Ileu Arg Leu Tyr ...

Tài liệu liên quan