PGS. TS. Nguyễn Hoàng Lộc (Chủ biên)
TS. Trần Thị Lệ - ThS. Hà Thị Minh Thi Giáo trình Sinh học phân tử
Nhà xuất bản Đại học Huế Năm 2007
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ
Địa chỉ: 01 Điện Biên Phủ, Huế - Điện thoại: 054.834486
Chịu trách nhiệm xuất bản:
Giám đốc: Nguyễn Xuân Khoát
Tổng biên tập: Hoàng Hữu Hòa
Người phản biện: PGS. TS. Nông Văn Hải
Biên tập nội dung: TS. Nguyễn Thị Mai Dung
Biên tập kỹ thuật-mỹ thuật: Hoàng Tuệ Trình bày bìa: Nguyễn Hoàng Lộc Chế bản vi tính: Nguyễn Hoàng Lộc SINH HỌC PHÂN TỬ
In 500 bản khổ 16×24 cm, tại Công ty In Thống kê và Sản xuất Bao bì Huế,
36 Phạm Hồng Thái, Huế. Số đăng ký KHXB 151-2007/CXB/02-03/ĐHH.
Quyết định xuất bản số: 08/QĐ-ĐHH-NXB, cấp ngày 12/4/2007. In xong và
nộp lưu chiểu tháng 4 năm 2007. Lời nói đầu
Sinh học phân tử là khoa học nghiên cứu các hiện tượng sống ở mức
độ phân tử. Phạm vi nghiên cứu của môn học này có phần trùng lặp với một
số môn học khác trong sinh học đặc biệt là di truyền học và hóa sinh học.
Sinh học phân tử chủ yếu tập trung nghiên cứu mối tương tác giữa các hệ
thống cấu trúc khác nhau trong tế bào, bao gồm mối quan hệ qua lại giữa
quá trình tổng hợp của DNA, RNA và protein và tìm hiểu cách thức điều
hòa các mối tương tác này.
Hiện nay, sinh học phân tử và sinh học tế bào được xem là nền tảng
quan trọng của công nghệ sinh học. Nhờ phát triển các công cụ cơ bản của
sinh học phân tử như các enzyme cắt hạn chế, DNA ligase, các vector tạo
dòng, lai phân tử, kỹ thuật PCR... sinh học phân tử ngày càng đạt nhiều
thành tựu ứng dụng quan trọng.
Giáo trình sinh học phân tử này cung cấp những kiến thức cơ bản cho
sinh viên với các nội dung chính sau:
- Cấu trúc và chức năng của gen - Cấu trúc genome
- Các quá trình tái bản, phiên mã và dịch mã của nguyên liệu di truyền
- Điều hòa biểu hiện gen
- Sửa chữa và bảo vệ gen
- Tái tổ hợp và chuyển gen
Do mới được xuất bản lần đầu nên giáo trình này khó tránh khỏi thiếu
sót hoặc chưa đáp ứng được yêu cầu bạn đọc. Vì thế, chúng tôi mong nhận
được nhiều ý kiến đóng góp để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn.
Chúng tôi chân thành cảm ơn Quỹ Nâng cao chất lượng-Dự án Giáo
dục đại học đã hỗ trợ chúng tôi biên soạn giáo trình này, PGS. TS. Nông
Văn Hải đã đọc bản thảo và góp nhiều ý kiến quý báu. Các tác giả Chương 1 I. Nucleic acid , . (RNA).
1. Deoxyribonucleic acid 5’ . 5 m. Sinh học phân tử 5 Liên kết hydrogen ( a) Cấu trúc của DNA
Hình 1.1. Chuỗi xoắn kép của DNA mạch . o 20 A o 100 A o 300 A 1.3). Sinh học phân tử 6 o 100 A o o đường kính 100 A 300 A .
Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein
khác nhau và cả với các RNA tạo thành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA. đầu 5 NH2 N N O H Adenine N N H O P O CH2 O O Phosphate H H Deoxyribose O H H O H N N H H Guanine O N N NH2 O P O CH2 O O H H H NH2 H O H H N Cytosine O H N O HOCH2 OH O P O CH2 O O O H H H O H H HO OH CH H 3 O H N Thymine Ribose (DNA) (RNA) O H N O O P O CH2 O O H H N O H H N O H H H O H Uracil (RNA) đầu 3’
Hình 1.2. Cấu trúc các nucleotide điển hình Sinh học phân tử 7 DNA xoắn kép Nhân của 8 phân tử histone DNA xoắn kép Nhân của 8 phân tử histone 2 nm DNA 11 nm Histone H1 30 nm 300 nm 700 nm 1400 nm
Hình 1.3. Cấu trúc nucleosome và nhiễm sắc thể. Phân tử DNA được cuộn lại
trên nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại hơn 50.000 lần. : - . 10-15% genome (hệ gen) - Sinh học phân tử 8 ). - . - - 5S RNA. - . . , đ . 2. Ribonucleic acid sau: - . - . - . , s -protein. Sinh học phân tử 9 . : (mRNA) 2- . : Phiên mã Dịch mã DNA RNA Protein E. coli 1,2 kb. (tRNA) : - . - . 2.3. RNA ribosome (rRNA) n. Sinh học phân tử 10 E. coli 5S.
exon. Ribosome là những phân tử cần thiết cho sự tổ . Người ta
cũng thấy ribosome trong ty thể, ở đó có sự tổng hợp một số protein ty thể. E. coli (%) (S)1 (kDa) nucleotide 3 23 1 2 , 10 3700 rRNA 80 3 16 0 55 , 10 1700 5 1 3 6 , 10 120 tRNA 15 4 2,5 × 101 75 mRNA 5
2.3.1. Ribosome của prokaryote
Tế bào được nghiên cứu về ribosome nhiều nhất là E. coli. Ribosome
(70S) của E. coli gồm hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ (30S) và tiểu đơn vị
1 S (Svedberg): đơn vị đo vận tốc lắng. Hệ số lắng của một tiểu đơn vị phụ thuộc
không những vào khối lượng của tiểu đơn vị đó mà còn phụ thuộc vào hình dạng
và độ rắn của nó, điều này giải thích tại sao sự kết hợp của hai tiểu đơn vị 50S và
30S lại tạo ra một ribosome 70S. Sinh học phân tử 11
lớn (50S). Căn cứ vào hệ số lắng, người ta phân biệt ba loại rRNA: 23S rRNA, 16S rRNA và 5S rRNA.
- Tiểu đơn vị 30S chứa: 1 phân tử 16S rRNA (có 1540 nu) và 21 ribosomal protein khác nhau.
- Tiểu đơn vị 50S chứa: 1 phân tử 5S rRNA (có 120 nu), 1 phân tử
23S rRNA (có 2900 nu) và 34 ribosomal protein.
Hai tiểu đơn vị nhỏ và lớn khi kết hợp với nhau sẽ tạo ra một rãnh ở
chỗ tiếp giáp của chúng để cho mRNA đi qua.
2.3.2. Ribosome của eukaryote
Ribosome của eukaryote (80S) lớn hơn ribosome của prokaryote cũng
bao gồm hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ (40S) và tiểu đơn vị lớn (60S).
- Tiểu đơn vị 40S chứa: 1 phân tử 18S rRNA (có 1900 nu) và 33 ribosomal protein.
- Tiểu đơn vị 60S chứa: 3 phân tử rRNA (5S; 5,8S và 28S) và 49 ribosomal protein. Tó RNA polymerase. : - . - : ATP, CTP. 5’ - . Th . . E. coli . Sinh học phân tử 12 II. Protein (monome chung: COOH H2N CH R L- -amino acid amino acid, qu . (NH2 2 - L D- .
của chúng. Những amino acid trung tính có một nhóm amine và một nhóm carboxyl. protein. L- - 20 L- - : Sinh học phân tử 13 - Amino acid t . Bao . - . Bao threonine. - . Bao - (-S-S-). - . Bao - . - . Bao .
- Iminoacid. Proline. - . Bao . 2O. . . như sau (Hình 1.4): Sinh học phân tử 14 - 1. L ). . Lá phiến β (a) Cấu trúc sơ cấp (bậc 1) Xoắn α (b) Cấu trúc thứ cấp (bậc 2) (c) Cấu trúc bậc 3 (d) Cấu trúc bậc 4
Hình 1.4. Các mức độ tổ chức của phân tử protein - 2. L . Sinh học phân tử 15 ( - - , cuộn xun . . - 3. L , l chuỗi polypeptide. . - 4. Là . Sinh học phân tử 16 . .
Bảng 1.2. Các chức năng sinh học của protein và một số ví dụ Các nhóm chức năng Ví dụ Enzyme Ribonuclease Trypsin Phosphofructokinase Alcohol dehydrogenase Catalase Malic enzyme Protein điều khiển Insulin Somatotropin Thyrotropin lac repressor NF1 (nuclear factor 1)
Catabolite activator protein (CAP) AP1 Sinh học phân tử 17 Protein vận chuyển Hemoglobin Serum albumin Glucose transporter Protein dự trữ Ovalbumin Casein Zein Phaseolin Ferritin
Protein vận động và co rút Actin Myosin Tubulin Dynelin Kinesin Protein cấu trúc -Keratin Collagen Elastin Fibroin Proteoglycans
Protein cấu trúc tạm thời Grb 2 (scaffold protein) crk shc stat IRS-1 Protein bảo vệ Immunoglobulins Thrombin Fibrinogen Antifreeze proteins Snake and bee venom proteins Diphtheria toxin Ricin Protein lạ/ngoại lai Monellin (exotic protein) Resilin Glue proteins Sinh học phân tử 18 1016 . , tu disulfite ). . 2 albumin. 1.5). Sinh học phân tử 19 . (a) (b) Bên ngoài Bên trong Hemoglobin Hb( O2)4 (Hb) 4O2 Glucose Phổi Vận chuyển glucose (một protein màng) Tuần hoàn tĩnh mạch Màng tế bào Tuần hoàn động mạch Tim Mô 4O2 Hemoglobin Hb(O2)4 (Hb)
Hình 1.5. Hai kiểu vận chuyển cơ bản. (a): vận chuyển bên trong hoặc giữa các
tế bào hoặc mô. (b): vận chuyển vào hoặc ra khỏi tế bào. Sinh học phân tử 20 . ). . Chẳng hạn: - . Fibroin ( - . . :
( -glutamyl-cysteinyl)n-glycine đ . Sinh học phân tử 21