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 Sinh học phân tử 5 Chương 1 I. Nucleic acid , . (RNA). 1. Deoxyribonucleic acid 5’ . 5 m. Sinh học phân tử 6 Hình 1.1. Chuỗi xoắn kép của DNA mạch . 20 o A 100 o A 300 o A 1.3). (a) Cấu trúc của DNA RNA Liên kết hydrogen Sinh học phân tử 7 100 o A đường kính 100 o A 300 o 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. Hình 1.2. Cấu trúc các nucleotide điển hình H N CH 3 H O H N N O Thymine (DNA) H H H H H CH 2 đầu 3’ O O H H H H H CH 2 O O NH 2 N N O H H Cytosine P O O O O P O O O O H H H H H CH 2 O O N N N N H O H NH 2 Guanine đầu 5 P O O O O P O O O O H H H H H CH 2 O O H H NH 2 N N N N Adenine Deoxyribose Phosphate H O H N O Uracil (RNA) O OH HO OH H HOCH 2 Ribose (RNA) Sinh học phân tử 8 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) - DNA xoắn kép 2 nm 11 nm DNA Nhân của 8 phân tử histone Histon H1 30 nm 300 nm 700 nm 1400 nm Nucleosome DNA xoắn kép 2 nm Nhân của 8 phân tử histone DNA Histone H1 30 nm 300 nm 700 nm 1400 nm 11 nm Sinh học phân tử 9 ). - . - - 5S RNA. - . . , đ . 2. Ribonucleic acid sau: - . - . - . , s -protein. Sinh học phân tử 10 . : (mRNA) 2- . : E. coli 1,2 kb. (tRNA) : - . - . 2.3. RNA ribosome (rRNA) n. DNA RNA Protein Phiên mã Dịch mã Sinh học phân tử 11 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 rRNA 80 5 16 23 1 1063 3 10550 3 1021 , , , 120 1700 3700 tRNA 15 4 2,5 × 10 1 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. [...]... protein L- - 20 L: Sinh học phân tử 13 - Amino acid t Bao threonine Bao - 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... 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 21 109 nguyên Trong cơ 0oC 2.8 Protein lạ/ngoại lai III Lipid Sinh học phân tử 22 đôi a NH2 H2N HOOC HOOC NH2 NH2 Vị trí kết hợp với kháng nguyên COOH Vị trí kết hợp với cytophage COOH... 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 D- L của chúng Những amino acid trung tính có... của thực vật và sinh vật nguyên sinh, nhưng chỉ có một ít hoặc không có trong genome của nấm và động vật Bảng 2.1 Các genome ty thể có các gen mã hóa cho các protein, rRNA và tRNA Ty thể mã hóa cho các RNA và protein Loài Kích thước (kb) Các gen mã hóa protein Các gen mã hóa RNA Nấm 1 9-1 00 8-1 4 1 0-2 8 Sinh vật nguyên sinh 6-1 00 3-6 2 2-2 9 Thực vật 18 6-3 66 2 7-3 4 2 1-3 0 Động vật 1 6-1 7 13 4-2 4 1.2 Genome... DNA lạp thể (chloroplast DNA-ctDNA) cũng là một DNA genome độc lập, thường là mạch vòng, được tìm thấy trong lạp thể của thực vật - Genome của lạp thể rất khác nhau về kích thước, nhưng đủ lớn để mã hóa cho khoảng 5 0-1 00 protein cũng như rRNA và tRNA Sinh học phân tử 30 - DNA lạp thể dài từ 12 0-1 90 kb Các genome của lạp thể đã được phân tích trình tự cho thấy có khoảng 8 7-1 83 gen Bảng 2.2 mô tả các... 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... thông minh phải chủ yếu trên cơ sở xã hội và sự rèn luyện của từng người để phát triển tiềm năng sinh học của bản thân Trình tự genome của những sinh vật mô hình rất có ý nghĩa trong những nghiên cứu của một chuyên ngành khoa học mới đó là genome học (genomics) Dựa vào đây, các nhà sinh học phân tử có thể phân tích cấu trúc, hoạt động và chức năng của các gen, làm sáng tỏ được vai trò của DNA lặp lại,... cấu trúc -Keratin Collagen Elastin Fibroin Proteoglycans Protein cấu trúc tạm thời (scaffold protein) Grb 2 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 (exotic protein) Monellin Resilin Glue proteins Sinh học phân tử 18 1016 , tu disulfite ) 2 albumin 1.5) Sinh học phân tử 19 (a)... genome 1 Genome của cơ quan tử Hầu hết genome của cơ quan tử, nhưng không phải luôn luôn, có dạng phân tử DNA mạch vòng đơn của một chuỗi duy nhất Genome của cơ quan tử mã hóa cho một số, không phải tất cả, các protein được tìm thấy trong cơ quan tử Do có nhiều cơ quan tử trong một tế bào, cho nên có nhiều genome của cơ quan tử trên một tế bào Mặc dù bản thân genome của cơ quan tử là duy nhất Nhưng nó... thể 1.7) Sinh học phân tử 23 1.3 CH3(CH2)10 COOH Lauric CH3(CH2)14 COOH Palmitic CH3(CH2)7CH=CH (CH2)7 COOH Oleic CH3(CH2)4 CH= CH- CH2 CH= CH (CH2)7 COOH Linoleic Oligosaccharide Glycoprotein Glycolipid Protein ngoại biên Lõi kỵ nước Lớp tách rời Protein xuyên màng Gốc acid béo kỵ nước Protein ngoại biên Đầu ưa nước Phân tử lưỡ Glycoprotein Hình 1.7 Sơ đồ biểu diễn một đoạn cắt của màng sinh học tính . protein. L- - 20 L- - : H 2 N COOH CH R Sinh học phân tử 14 - Amino acid t . Bao . - . Bao threonine. - . Bao - (-S-S-). - . Bao - . - . Bao . - Iminoacid. Proline. - . Bao. 11 nm Sinh học phân tử 9 ). - . - - 5S RNA. - . . , đ . 2. Ribonucleic acid sau: - . - . - . , s -protein. Sinh học phân tử 10 . : (mRNA) 2- . : E 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