Sinh học phân tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM





SV thực hiện:
Đỗ Thị Thúy Hằng
Nguyễn Thị Trà My
Nguyễn Thị Sơn
1
Sinh học Phân Tử
Chương II:
Đặc điểm cấu trúc của vật liệu di truyền
II.1. Thành phần và cấu trúc của DNA, RNA
II.1.1. Nucleotide
II.1.2. Cấu trúc và đặc điểm của mạch nucleic acid
II.1.3. Cấu trúc của DNA
II.2. Cấu trúc và chức năng của gen
II.2.1. Cấu trúc của gen
II.2.2. Chức năng của gen
2
II.1. Thành phần và cấu trúc
của DNA, RNA
I.1.1. Nucleotide
3
H
4

Deoxyribose Ribose




Bazơ nitơ: G, C, T, A, U











Gốc phosphat: tích điện “-”
5
Thành phần cấu tạo Nucleotide
Nucleotide
6
II.1.2. Cấu trúc và đặc điểm
của mạch acid nucleic
Acid nucleic: gồm 2 loại

DNA (Deoxyribonucleic acid)

RNA (Ribonucleic acid)
15
- Ribose (5 carbon)- đánh số C’

- Bazơ nitơ nối với ribose tại C1’ nhờ liên kết cộng hóa trị

- Phosphate nối với ribose tại vị trí C5’ nhờ liên kết cộng hóa trị

Deoxyribose (H tại C2’) – DNA

Ribose (OH tại C2’) – RNA
8
MẠCH KÉP DNA
Hai mạch theo chiều ngược nhau 5’- 3’

Chiều xoắn phải

Các bazơ nitơ hướng vào trong xoắn kép, tạo liên kết hydrogen giữa các bazơ hai mạch

Bazơ Purine tạo liên kết hydrogen với bazơ pyrimidine.
DNA tích điện “-”
5’ TGAC 3’
3’ ACTG 5’
9
10
Cấu trúc RNA
U thay cho T
Ribose thay cho deoxyribose
Các phần màu đỏ khác với DNA
RNA tồn tại dạng mạch đơn
5’
3’
11
II.1.3. Cấu trúc của DNA
Trình tự DNA
Chargaff và Vischer, 1949
DNA: A, T, G, C
Chargaff Rule (không rõ Bản chất)
[A][T ] và [G][C ]
Chuỗi xoắn kép DNA
Watson and Crick, Nature, April 25, 1953
1962: Nobel
Rich, 1973, MIT
Cấu trúc DNA
12
Mô hình Watson- Crick
13
Đặc điểm:
DNA gồm hai chuỗi đối song song (antiparallel) cùng uốn quanh một trục trung tâm theo chiều xoắn phải, với đường kính 20Ao (1Angstrom = 10-10m), gồm nhiều vòng xoắn lặp lại một cách đều đặn và chiều cao mỗi vòng xoắn là 34 Ao, ứng với 10 cặp base (base pair, viết tắt là bp).
Các bộ khung đường-phosphate phân bố ở mặt ngoài chuỗi xoắn và các base nằm ở bên trong; chúng xếp trên những mặt phẳng song song với nhau và thẳng góc với trục phân tử, với khoảng cách trung bình 3,4 Ao.
Hai sợi đơn gắn bó với nhau bằng các mối liên kết hydro (vốn là lực hóa học yếu) được hình thành giữa các cặp base đối diện theo nguyên tắc bổ sung "một purine - một pyrimidine". Cụ thể là, trong DNA chỉ tồn tại hai kiểu kết cặp base đặc thù là A-T (với hai liên kết hydro) và G-C (với ba liên kết hydro).
14
Đặc điểm:
Tính chất bổ sung theo cặp base dẫn đến sự bổ sung về trình tự các base giữa hai sợi đơn của mỗi chuỗi xoắn kép. Vì vậy, trong bất kỳ một phân tử DNA sợi kép nào hoặc một đoạn của nó bao giờ cũng có: A = T và G = C; nghĩa là: [A + G] = [T + C] hay = 1 (đây là tỷ số giữa các base purine và các base pyrimidine), còn tỷ lệ là đặc thù cho từng loài
(thực chất đây là tỷ lệ giữa hai base không bổ sung cho nhau hoặc giữa hai base cùng nhóm, ví dụ A/G hoặc T/C).
Như vậy, mô hình cấu trúc chuỗi xoắn kép của Watson-Crick (1953) hoàn toàn thoả mãn và cho phép lý giải một cách thoả đáng các kết quả nghiên cứu của Chargaff (1949).
A = T, G = C.
15
Các dạng của DNA
16
Biến tính DNA
Mạch kép DNA
Vùng giàu A-T bị biến tính trước
Dãn xoắn DNA
pH hoặc nhiệt độ cao
Mạch đơn
Tái cấu trúc DNA (hồi tính)
Quá trình chậm, hạn chế tốc độ do tìm bazơ tương ứng
k2
Tạo mạch kép, phản ứng nhanh,
Mạch kép DNA
DNA biến tính,
Mạch đơn
Cấu trúc DNA của prokaryote
21
II.2. Cấu trúc chức năng của gen
Gen là những vùng nằm trong DNA mang một chức năng nhất định trong quá trình truyền thông tin di truyền.

Trên NST một gen thường có vị trí xác định, liên kết với các vùng điều hòa, phiên mã và các vùng chức năng khác để điều khiển hoạt động của gen.
II.2.1. Cấu trúc của gen
Gen bao gồm các cấu trúc exon và intron. Là đặc điểm quan trọng để phân biệt DNA của sinh vật eukaryote và procaryote.

Exon là những đoạn DNA mã hóa cho axitamin.
Intron là những đoạn không mã hóa, chiếm tỷ lệ lớn trong DNA của eukaryote. Sẽ bị cắt đi khi tổng hợp mRNA, hiên chưa làm rõ được chức năng.
Promoter region: vùng điều khiển phiên mã đứng ngay trước gen
Untranslated region (UTR) : trình tự vùng - 5` và 3‘ tham gia điều khiển sự biểu hiện gen.
Region binding sequence (RBS): vùng gắn protein điều hòa Open reading frame (ORF): khung đọc mở
ORF
(ATG)
Operator
Promoter
Là vùng điều khiển phiên mã đứng ngay trước gen, vùng bám của RNA polymerase, xác định vị trí khởi động sao chép(+1).
Protomer khác nhau về kích thước:
Thường 20 - 200 bp
Vị trí -40 (so với vị trí khởi động sao chép)
Trong 1 promoter có 2 vùng trình tự “consensus”
Là các base xuất hiện với tần suất cao tại một vùng, chức năng tương đồng.
Vị trí: -10 (TATAAT) và -35 (TTGACA)
Hai trình tự này cách nhau 17bp bởi trình tự không bảo thủ.
Khung đọc mở
Start codon: ATG (metionin)
Stop codon: TAA, TAG, TGA
Triplet codon: Mã hóa axitamin
Phân loại gen
Gen độc bản
Là các đoạn gen chỉ thấy duy nhất một lần(hoặc một vài lần) trong bộ gen, chiếm 45% trong tổng số gen, có chứa các gen mã hóa protein.

Gen lặp
Là các đoạn DNA lặp đi lặp lại hàng nghìn lần trong bộ gen, chiếm 55% tổng số gen.
TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG
Đoạn lặp (e.g., microsatellites)
GCTGAGG
GCTGAGG
GCTGAGG
Gen lặp
Nhân nucleosome (trái)
146 bp DNA; 1+ ¾ vòng xoắn DNA
Chứa các cặp H2A, H2B, H3, H4 (histone octomer)
Nucleosome (phải)
~200 bp DNA; DNA cuộn 2 vòng xoắn
Chứa H1 histone
Nucleosome
II.2.2. Chức năng của gen
Đảm bảo thông tin di truyền được giữ nguyên vẹn để truyền cho thế hệ sau. Nhờ quá trình nhân đôi của ADN.

Là khuôn mẫu để tổng hợp nên protein.

Là chìa khóa quy định đặc điểm riêng của mỗi loài, mỗi cá thể.

Điều hòa sự biểu hiện của các gen khác.
33
Đặc điểm cấu trúc mạch kép DNA
Đặc điểm bắt cặp các cặp bazơ nitơ:
(A) = (T)
(C) = (G).
A chỉ nối với T, C chỉ nối với G thông qua liên kết hydrogen
G –C: 3 liên kết H,
A – T: 2 liên kết H,
Cặp G-C ổn định và bền hơn cặp A-T
Các sợi đơn DNA tạo theo chiều 5` đến 3` (chúng ta đọc theo cùng chiều)
Hai mạch polynucleotit cuốn xoắn, gốc đường và phosphat nằm trên bộ khung DNA, Các bazơ nitơ hướng trục xoắn
Nhóm phosphate ở vị trí C5` của một đường sẽ tạo liên kết với đường khác tại vị trí C3’ của đường mới

34
Lực liên kết ảnh hưởng độ bền
cấu trúc mạch kép DNA

tương tác kỵ nước bên trong mạch kép (bền)
(tương tác háo nước bên ngoài mạch kép)

tương tác hai mạch: liên kết hydro và làm bền bởi lực van der Waals

tương tác tĩnh điện:
- nhờ gốc phosphat (-)
- tạo tương tác nội và ngoại mạch

lực hút giữa và hai mạch có thể bị giảm do tác động ion (+), vd. Na+ hay protein
35
Sơ đồ gắn nucleotit vào chuỗi DNA
36
3 dạng phân tử quy định sự sống của sinh vật
Nucleotide
DNA
Lưu giữ thông tin di truyền cho hoạt động sống của tế bào
RNA
Truyền (phần) thông tin đến các bộ phận khác nhau của tế bào
Tạo khuôn tổng hợp protein
Protein
Tạo enzym truyền tín hiệu đến tế bào khác, điều hòa hoạt động gen, xúc tác mọi phản ứng sống
Cấu trúc cơ thể