Sinh học phân tử hình ảnh

Các đại phân tử sinh học và
liên kết hoá học
Các đại phân tử sinh học(biomacromulecules)
Protein và các axit nucleic: Protein là những polyme của các axitamin và các axit nucleic (ADN, ARN) là những polyme của nucleotides. Chúng là thành phần cơ bản của bộ máy truyền thông tin và biểu hiện thông tin di truyền, thực hiện các chức năng cơ bản của cơ thể và tế bào sống.
Polysaccharides: Tinh bột, cellulose là những polyme của glucose được liên kết với nhau bằng các liên kết (1? 4), (1?6), (1? 4) glycosides. Tinh bột dự trữ trong củ và hạt của cây bao gồm hai dạng amylose (chỉ có liên kết (1? 4) và amylopectin (bao gồm cả liên kết (1? 4), (1?6)). Cellulose chỉ có liên kết (1? 4). Glycogen là tinh bột động vật, Chitin là polyme của N-acetylglucosamine được tìm thấy ở thành tế bào nấm mốc và lớp vỏ cứng của côn trùng. Mucopolysaccharides là thành phần quan trọng của mô liên kết.

Biomacromolecules (con.)
Lipids: Triglycerides (dầu, mỡ) là lipids đơn giản chứa glycerol liên kết với các axit béo bão hoà và không bão hoà có mạch dài ngắn khác nhau. Phospholipids và sphingolipids là những lipids phức tạp có các nhóm phân cực cùng với những axit béo tham gia vào thành phần quan trọng của màng sinh chất tế bào.
Phức hệ các đại phân tử: Nucleoprotein chứa axit nucleic và protein liên kết với nhau. Glycoprotein và proteoglycans (mucoproteins) là những protein liên kết cộng hoá trị với carbohydrate luôn luôn được tìm thấy trên bề mặt và khoảng gian bào. Lipoprotein gồm lipids liên kết cộng hoá trị và không cộng hoá trị với các proptein.

Cấu trúc hoá học của các axit nucleic
Bases Nitơ: ở ADN có 4 base dị vòng là Adenine (A), Guanine (G) (thuộc dạng base purines) và Cytosine (C), Thymine (T) (thuộc dạng base pyrimidines). Trong ARN base thymine được thay thế bằng base Uracil (U).
Nucleosides: Một Nucleosides bao gồm 1 base liên kết cộng hoá trị ở vị trí thứ nhất của đường ribose (đối với ARN), đối với ADN đường ribose được thay thế bằng đường deoxyribose.
Nucleotides: Một Nucleotides bao gồm 1 nucleosides liên kết với một nhóm phosphate.
Liên kết Phosphodiester: Trong ADN và ARN liên kết phosphodiester được hình thành giữa các Nucleotides với nhau liên tiếp hình thành một bộ xương của các axit nucleic. Các liên kết này sẽ nối với nhau hình thành dây liên kết 3`, 5` phosphodiester.

Biomacromolecules (con.)
Trình tự ADN và ARN: Trình tự axit nucleic được xem là trình tự của các nucleotides chứa base A, C, G, T hoặc A, C, G, U, và được viết theo trình tự hướng 5` ? 3`.
Chuỗi xoắn kép của ADN: ADN hầu như được tạo thành ở dạng chuỗi xoắn kép bao gồm hai chuỗi polynucleotides xoắn kép với nhau theo chiều đối song song với nhau và uốn theo xoắn phải quanh một trục tưởng tượng. ở chuối xoắn kép của ADN các base nitơ của mỗi chuỗi polynucleotides được quay vào bên trong của lõi phân tử, liên kết với nhau bằng các liên kết hydro bổ sung: A-T, G-C. Giữa A-T hình thành hai liên kết hydro trong khi giữa G-C hình thành ba liên kết hydro. Phía bên ngoài chuỗi xoắn kép phân tử ADN chứa đựng nhiều gốc phosphat mang điện tích âm làm cho toàn bộ phân tử ADN tích điện âm.
Cấu trúc bậc 2 của ARN: Tất cả các phân tử ARN chỉ gồm một chuỗi polynucleotides nhưng có thể gấp lại trong không gian tạo ra những vùng xoắn kép khi có sự liên kết giữa các cặp base nitơ ở những vùng khác nhau của chuỗi theo nguyên lý bổ sung A-U, G-C. Thông thường dạng cấu trúc này có ở các phân tử ARN vận chuyển (t-ARN).

Các đặc tính hoá lý của axit nucleic
Độ bền vững: Các axit ADN và ARN đều có liên kết hydro giữa các cặp base và các liên kết cộng hoá trị phosphodieste. Độ bền của axit nucleic còn do sự tương tác kỵ nước và các tương tác lưỡng cực giữa các base. ADN ở Eucariote còn được liên kết với một loại protein kiềm là Histone được gói gọn trong nhân và trong nhiễm sắc thể ở mức độ siêu xoắn nên càng làm tăng độ bền của ADN.
Sự biến tính hoá học: Một số hoá chất như ure, formamid có thể làm biến tính ADN và ARN ở PH trung tính do làm đứt gẫy lực kỵ nước giữa các base nitơ.
Độ nhớt: Phân tử ADN rất dài và rất mảnh nên dung dịch của chúng có độ nhớt cao.
Sự hấp thụ UV: Tất cả các axit nucleic đều chứa base vòng thơm nên hấp thụ cực đại ở bước sóng 260nm.
Tính giảm sắc (Hypochromicity): Hệ số tắt của các base trong axit nucleic phụ thuộc vào môi trường chứa chúng. Sự hấp thụ ánh sáng UV của các nucleotides tách rời sẽ lớn hơn so với ADN một sợi và ARN, đồng thời ADN một sợi có phổ hấp thụ lớn hơn ADN hai sợi. Do đó ADN hai sợi có đặc tính giảm sắc so với ADN một sợi.

Đặc tính của Axit nucleic
Định lượng các axit nucleic: Dung dịch axit ADN hai sợi tinh sạch ở nồng độ 1mg/1ml sẽ cho độ hấp thụ A260 = 20, ARN và ADN một sợi sẽ cho A260 = 25.
Sự biến tính do nhiệt: ADN hai sợi sẽ bị biến tính ở nhiệt độ tăng dần và sẽ bị tách làm hai sợi khi nhiệt độ lên cao từ 80 - 900C. Người ta nói rằng ADN đã bị "nóng chảy". Sự nóng chảy của ADN sợi đôi phụ thuộc vào hàm lượng G+C của phân tử ADN. Phát hiện sự biến tính này bằng cách theo dõi sự thay đổi độ hấp thụ ở bước sóng 260nm.
Sự hồi tính: Khi để nguội nhiệt độ hạ dần ADN có thể hồi tính bằng cách trở lại trạng thái xoắn kép tự nhiên.

Cấu trúc siêu xoắn của ADN (DNA supercoiling)
Siêu xoắn (Supercoiling): Là một hình thức xoắn lại của hai sợi polycleotides xung quanh một trục tưởng tượng của phân tử ADN gây ra sự thay đổi về số vòng liên kết (Lk), là một giá trị biểu hiện đặc tính thư giãn vòng xoắn. Có hai dạng siêu xoắn là: siêu xoắn âm và siêu xoắn dương. Siêu xoắn âm là mức độ siêu xoắn thấp còn siêu xoắn dương là mức độ siêu xoắn cao. Hầu như các ADN tự nhiên đều tồn tại siêu xoắn âm nghĩa là một dạng siêu xoắn đã bị biến dạng theo khuynh hướng mở xoắn của chuỗi xoắn kép.
Topoisomer: Một phân tử ADN xoắn kép có một giá trị đặc trưng riêng biệt của một số lượng vòng các liên kết được gọi là trạng thái Topoisomer nếu số vòng liên kết bị thay đổi nhưng không gây ra sự đứt gãy của hai chuỗi xoắn kép thì phân tử có thể chuyển sang trạng thái Topoisomer khác.
Năng lượng của siêu xoắn: ADN siêu xoắn âm có mức năng lượng vòng xoắn cao và dễ dàng được tháo xoắn có thể đưa tới một quá trình cần cho ADN được tháo xoắn.
Topoisomerases: Đây là những enzym tạo ra sự thay đổi mức độ siêu xoắn của ADN xoắn kép. Topoisomerase I (Topo I) tạo ra cơ chế giãn xoắn bằng cách cắt một sợi ADN không cần năng lượng ATP trong khi Topo II (ở E.coli được gọi là gyrase) có khả năng cắt hai sợi ADN và cần năng lượng ATP cho hoạt động xúc tác của nó.

Sơ đồ phân loại Gluxit
Sao chép ADN
Hình 2.1: Liên kết bổ sung A-T G-C
Hình 2.2: Cấu trúc loop trên chạc sao ë sîi lïi
Hình 2.3: Sự sao chÐp theo hai hướng
Hình 2.4: Sự sao chÐp ADN bắt đầu từ một điểm.
(¶nh hiÓn vi ®iÖn tö)
Hình 2.5: Nhiễm sắc thể nhân chuẩn có nhiều chạc tái bản
Hình 2.6: Ba giả thuyết về sao chÐp
Hình 2.7: Quá trình thí nghiệm bán bảo toàn
Hình 2.8: Cơ chế sao chÐp vòng lăn
Hình 2.10: Cơ chế tự sao ở E.coli
Hình 2.11: Cơ chế tự sao của HSV
Hình 2.12: Sù biÓu hiÖn ®o¹n telome trong sao chÐp ADN
Hình 2.13: Cơ chế tổng hợp telome
Hình 2.14.: Tự sao ở lục lạp và ti thể
Quá trình phiên mã
Hình 3.1 - Cấu trúc phân tử ARN
Hình 3. 2: Cấu trúc ARNm thông tin: phần đầu 5` có mũ và phần đuôi 3` polyA
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc ARNt
3.2.3.rARN- ARN ribosom
Hình 3.4. Sơ đồ quá trình dịch mã ở Ribosom
Hình 3.5: Sơ đồ phức hệ ARN - polymerase của E.coli
Bảng 3.2 - Trình tự các promotor ở một số sinh vật
Hình 3.6: Sơ đồ các bước khởi đầu và kéo dài của phiên mã nhờ ARN-polymeraza vi khuẩn
Hình 3.7: Sự kết thúc phiên mã phụ thuộc vào một số yếu tố:
trình tự kép tóc ở Arm, trình tự poly A, yếu tố Rho.
Hình 3.8: Sự khởi đầu phiên mã ở nhân chuẩn
Hình 3.9. Sơ đồ quá trình phiên mã
Hình 3.10�: Sự phiên mã gen 5S-ARNr nhỏ ARN-polIII
Hình 3.11. Quá trình gắn mũ đầu 5` và thêm đuôi poly A
ở tận cùng 3`OH của ARNm
Hình 3.12:Kiểu protein điều hoà helix-turn-helix liên kết ADN
Hình 3.14: Kiểu protein lencine zipper kết hợp với ADN
Hình 3.15: Cách liên kết protein "ngón tay kẽm" với ADN
Hình 3.16: Qúa trình chế biến ARN tiến thân
Hình 3.17: Sơ đồ tổng kết vị trí phiên mã, dịch mã ở tế bào nhân chuẩn
Hình 3.18: Sơ đồ quá trình tổng hợp và chế biến các ARN ribosom
Hình 3.19: Sơ đồ quá trình phiên mã ngược ở Retrovirus
Dịch mã: Sinh tổng hợp protein

H×nh 4.1. S¬ ®å häc thuyÕt trung t©m cña sinh häc ph©n tö

H×nh 4.2. M« h×nh miªu t¶ tæng qu¸t vÒ qu¸ tr×nh sao m· vµ dÞch m·.
Hình 4.3. Cấu trúc ribosom của prodaryote và eukaryote
Hình 4.4 - Cấu trúc của tARN
Hình 4.5. Cấu trúc của tARN

H×nh 4.6 – Inosine vµ c¸c nucleotit linh ®éng

H×nh 4.7. S¬ ®å ho¹t ®éng cña enzim aminoacyl-tRNA synthetase
Hình 4.8 - Trình tự Shine - Delgarno

Hình 4.9 - Cơ chế khởi đầu dịch mã
Hình 4. 10 - Cơ chế kéo dài trong quá trình dịch mã
Hình 4.11- Sự thay phiên của EF-Tu và EF-G trong phức hệ kéo dài cùng vị trí tương đối của tARN trong chu kỳ kéo dài
Hình 4.12 - Kết thúc quá trình dịch mã
Hình 4.13. Sơ đồ quá trình tổng hợp protein do nhiều riboxôm (polyribosom) đảm nhiệm (a)
(b) ảnh hiển vi điện tử
Đột biến gen, sửa chữa đột biến, tái tổ hợp và ung thư
Hình 5.1: Các loại đột biến
thường gặp
Hình 5. 2- Dạng tautomer của T và G
Hình 5.3- Dạng tautomer của A và C
Hình 5.6- Deamination
Hình 5.7: Hoạt động của transposon
Hình 5.8- Hiện tượng dimer hóa
Hình 5.9: Tác nhân BrdU
Hình 5.10: Giả bazơ 2-AP

Hình 5.11:Tác nhân gây đột biến proflavin và acridin
Hình 5.12: Sửa chữa quang tổn thương do phản ứng quang hoá
Hình 5.13: Sửa chữa bằng ADN glycosidaza
Hình 5.14: Sửa chữa tái tổ hợp
Hình 5.15: Hệ thống sửa chữa MutHLS
Hình 5.16: Sửa chữa S.O.S
Hình 5.17: Tái tổ hợp tương đồng theo Holliday
Hình 5. 18: Cơ chế hoạt động của protein RecA
Hình 5.19: Cơ chế hoạt động của RecBCD
Hình 5.20: Cơ chế tái tổ hợp tại điểm chuyên biệt và hoạt động của Intergaza
Hình 5. 21- Sơ đồ trình tự cài IS và cơ chế hoạt động của các transposon
Hình 5.22- Retrotransposon
Bảng 5.1: Chức năng của một số nhóm oncogen
Hình 5.23: Quá trình lây nhiễm của Retrovirus vào vật chủ
Hình 5.24: Một hoặc một số gen của virus bị thay thế bởi các oncogen của tế bào
Hình 5.25: Các cơ chế hoạt hóa các oncogen
Hình 5.26: Kỹ thuật lai ADN tương hợp (CGH)
Hình5. 27: Quá trình hình thành khối u trong ung thư biểu mô
Hình 5.28: Các yếu tố điều khiển chu kỳ tế bào
Hình 5.29: Sự bất hoạt chức năng của pRb do virus ADN
Hình5.30: Chức năng của p53 bị bất hoạt bởi một số virus
Hình 5.31: Hoạt động của gen TS cảm ứng apoptosis
Hình 5.32: Một phần của cơ chế điều hòa trong chu kỳ tế bào
Hình 5.33: Quá trình phát triển của ung thư
Điều hoà hoạt động và biểu hiện gen
Hình 5.34: Mối quan hệ giữa các mức độ điều hòa hoạt động của gen
Hình 5.35 : Một phần bản đồ gen không hoàn chỉnh bao gồm các operon ở vi khu?n
Hình 5.36 : Thí nghiệm bảo vệ ADNse


Hình 5.37: Sơ đồ cấu trúc của operon lactose
Hình 5.38 : Sự hoạt động của operon lactose khi môi trường có và không có lactose
Hình 5.39 : Trình tự nucleotide của operator lactose. Hãy chú ý đến những khu vực đối xứng nhau
Nhưng vùng đối xứng

Hình 5.40: Phức hệ AMP vòng - CAP gắn vào operon lactose giúp cho polymerase có thể gắn vào vùng khởi động
Promoter Operator

Hình 5.41 : Cấu trúc của operon arabinose
Hình 5.42: Cơ chế điều hòa của operon arabinose
Sự điều hòa biểu hiện của gen thông qua sự kết hợp giữa phiên mã và dịch mã.
Hình 6.1: Qu¸ trÝnh ®iÒu ho¸ kÕt thóc phiªn m·

Hình 6.2: Cấu trúc dừng phiên mã và tiếp tục phiên mã trong trình tự dẫn đầu
Hình 6.3: Sự dừng lại hay tiếp tục di chuyển ribosom tại codon trp trong vùng dẫn đầu
Hình 6.4: Operon trp trong điều kiện tế bào giàu hay nghèo hàm lượng tryptophan
Hình 6.5 : Cấu trúc của vật chất di truyền ở sinh v?t nhân chuẩn: nhiễm sắc thể cấu tạo từ ADN và protein histon
Hình 6.6: Cơ chế điều hòa tổng hợp flagellin của Samonella
Hình 6.7: Cơ chế điều hòa tổng hợp VSG ở trypanosome
Hình 6.8: Cơ chế điều hòa tổng hợp kháng thể
Hình 6.9 : Vùng điều hòa của các gen họ ?-globin
Hình 6.10 : Sơ đồ cấu trúc có thể thấy ở promoter của Eukaryota










+1

-110 -40 -25
Hộp CAAT Hộp GC Hộp TATA
5`
Hình 6.11 : Vị trí và định hướng có thể có của enhancer.
5` Exon1 Intron Exon 2 3`
.....
Hình 6.12 : Cơ chế hoạt động của enhancer
Hình 6.13: Ba dạng cấu trúc cơ bản của nhân tố sao mã
Hình 6.14 : Hoạt động của các nhân tố sao mã
Hình 6.15 : Sự cắt bỏ intron của tiền mARN
Hình 6.16: Hai cơ chế chính điều hòa quá trình cắt nối
Hình 6.17: Sự điều hòa phát triển giới tính ở ruồi giấm thông qua quá trình cắt nối intron và exon
Hình 6.18: Cơ chế điều hòa tổng hợp một dạng protein xuất bào và protein xuyên màng
Hình 6.19: Cơ chế ARN editing
Hình 6.20 : Cơ chế tác động của hormon tới gen casein
Hình 6.22: Cơ chế điều hòa tổng hợp ferritin
Hình 6.23: Chu trình của eIF-2
eIF-2 hình thành một phức hệ với GTP và điều khiển sự sự liên kết giữa tARN mang metionine khởi đầu với tiểu phần nhỏ của ribosom,mà sau đó gắn với đầu 5` của mARN và bắt đầu scanning dọc theo phân tử mARN. Khi AUG được nhận ra thì, GTP liên kết sẽ thuỷ phân sinh ra GDP bởi protein eIF-2 gây sự thay đổi cấu hình trong protein và giải phóng nó khỏi tiều phần nhỏ ribosom. Tiếp theo tiểu phần lớn sẽ kết hợp với tiểu phần nhỏ để tạo thành ribosom hoàn chỉnh, và bắt đầu sinh tổng hợp protein
Hình 6.24 : Cơ chế hoạt động của chaperon
Hình 6.25 : Hoạt động của glucocorticoid
Hình 6.26 : Sơ đồ cơ chế điều hòa gen beta-globin bằng hormone.
Hình 6.27 : Sơ đồ những sự kiện xảy ra mà có thể dẫn đễn việc thay đổi biểu hiện của gen.
Steroid
Hỡnh 6.28 : Sự ảnh hưởng trực tiếp của môi trư?ng đến điều hòa biểu hiện của gen
Hình 6.29: Khái quát hệ gen Lambda ở dạng thẳng, và dạng vòng
Hình 6.30: Sự biểu hiện gen ở ba giai đoạn khác nhau
Kì delayed-early
Kì immediate-early
Kì late genes
Hình 6.31: Sự điều hòa tổng hợp cI
Hình 6.32: Cơ chế hoạt động của repressor
Hình 6.33: Cuộc chiến giữa Cro và cI
Hình 6.34: Vai trò của recA trong sự phá hủy chất ức chế
Kết luận
Điều hòa gen giúp cho những tế bào riêng biệt trong một cá thể thực hiện chức năng của nó theo một cách dành riêng cho nó. Những cơ chế điều hòa khác giúp ta xác định mức phát triển của tế bào. Tất cả những tế bào đã được biệt hóa trong một cơ thể như da, cơ, xương, gan và não... đều là những bản sao chính xác từ một tế bào trứng đã được thụ tinh. Mỗi tế bào này chứa một bộ ADN giống chính xác với tế bào ban đầu, mặc dù chúng có hình dạng và chức năng khác hẳn nhau. Chính gen quyết định những tế bào này sẽ biệt hóa như thế nào. Trong thời gian phát triển phôi sớm, "cơ thể" đã có những phân biệt về những điều cơ bản. Những tế bào khác nhau sẽ được phân chia vào những lá phôi và những khu vực khác nhau và thường chuyển từ khu vực này sang khu vực khác để thực hiên điều đó.
Khi cơ thể lớn lên, các tế bào trở thành mô hay cơ quan riêng biệt nào đó của cơ thể, ví dụ như là cơ hay xương. Cuối cùng, hầu hết các tế bào trở nên chuyên hóa cao, không phải là chỉ biến thành những tế bào thần kinh hay những tế bào cơ mà còn trở thành nhiều tế bào khác.
Quá trình chuyên hóa này được gọi là sự phân hóa. Quá trình này, bước nào cũng vậy, đều có những gen đặc biệt đóng hoặc mở để phân hóa các tế bào.
Đó chính là sự phân hóa trong điều hòa biểu hiện của gen.
Diều hòa ở Prokaryota và Eukaryota
Hình 7.1 : Sơ đồ so sánh quá trình biểu hiện của gen ở Prokaryota và Eukaryota
tách dòng và các vector nhân dòng
Bước dùng súng bắn gen để đưa plasmid vào tế bào vi khuẩn
cực âm giếng ADN gel agarose cực dương
Sơ đồ của hệ điện di trên gel agarose
Những mảnh gãy ADN do tác động của enzym cắt giới hạn
Sự tạo thành một dòng đơn lẻ ở E.Coli
Sự xâm nhiễm của bacteriophage lambda vào tế bào E.Coli
RS Max

(a) i
ii



(b) i

ii

Những vector xen đoạn và các vector thay thế
là một vectorxen đoạn nêu ở phần (i). Các vector đó có một điểm giới hạn riêng lẻ (RS). Để tạo ra nó, một ADN tái tổ hợp được xen vào điểm này. Vì vậy, kích thước của đoạn tách dòng được xác định bằng độ khác biệt giữa kích thước vector và kích thước cực đại của đoạn bọc gói (Max). Đoạn xen ADN được bôi đậm trong phần (ii)
là một vector thay thế nêu trên phần (i). Các vector này có hai điểm giới hạn chặn hai đầu, là đoạn được bôi đậm trên hình.Như vậy, một phần của hệ gen phage được thay thế trong quá trình tách dòng vào điểm này như nêu lên ở phần (ii). Cách làm này cho phép tách dòng được những đoạn lớn hơn so với các vector xen đoạn

Đoạn DNA lớn, có thể lên đến 500 kb
Tách dòng trong một vector YAC
Các đoạn ADN rất lớn, có thể tới 500kb được tạo ra từ ADN có khối lượng cao. Các đoạn này sau đó được nối vào vector YAC đã được cắt bằng BamHI và Smal. Sản phẩm thiết kế có chứa ADN tách dòng và các yếu tố cần thiết cho một nhiễm sắc thể nâm men, như là các điểm mút, một đoạn trình tự sao chép độc lập, vùng tâm động,.Các gen đặc biệt sẽ đựơc sử dụng để làm cho các dẫu chuẩn chọn lọc kép chỉ ra rằng đó là điều kiện để đảm bảo rằng chỉ các nhiễm sắc thể nhân tạo hoàn chỉnh theo đúng thiết kế là được duy trì.