Bài 1. Gen, mã di truyền và quá trình nhân đôi ADN

qc

Bài 1. Gen, mã di truyền và quá trình nhân đôi ADN

I.      GEN:

1. Khái niệm:

Gen là một đoạn ADN mang thông tin mã hóa cho một sản phẩm xác định - có thể là ARN hay chuỗi polipeptit

2. Cấu trúc chung của gen:

a.      Cấu trúc chung của gen cấu trúc:

Vì gen là một đoạn phân tử ADN nên cấu trúc phân tử của gen tương tự cấu trúc phân tử ADN

-        Mỗi gen có 2 mạch xoắn kép liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung A liên kết T bằng 2 liên kết hiđrô, G liên kết với X bằng 3 liên kết hiđrô.

-        Các nu trên cùng một mạch cũng liên kết với nhau bằng các liên kết hóa trị

-        Mỗi nu trên gen gồm 3 thành phần: đường C₅H₁₀O₄, H₃PO₄, 1 trong 4 loại bazơ nitơ A, T, G, X

-        Mỗi loại bazơ nitơ là đặc trưng cho từng loại nu, nên tên của nu được gọi theo tên của loại bazơ nitơ nó mang

-        Ở tế bào nhân thực ngoài các gen nằm trên NST trong nhân tế bào còn có các gen nằm trong các bào quan ngoài tế bào chất.

Mỗi gen mã hóa prôtêin gồm 3 vùng:

-        Vùng điều hoà: nằm ở đầu 3’ của gen mang tín hiệu khởi động và kiểm soát quá trình phiên mã

-        Vùng mã hóa: mang thông tin mã hóa các axit amin

-        Vùng kết thúc: nằm ở đầu 5’ của gen mang tín hiệu kết thúc phiên mã

b.      Cấu trúc không phân mảnh và phân mảnh của gen:

-        Ở sinh vật nhân sơ có vùng mã hóa liên tục (gen không phân mảnh)

-        Ở sinh vật nhân thực có vùng mã hóa không liên tục: xen kẽ các đoạn mã hóa axit amin (exôn) là các đoạn không mã hóa axit amin (intrôn). Vì vậy, các gen này được gọi là gen phân mảnh

II.    MÃ DI TRUYỀN:

1. Khái niệm:

-        Mã di truyền là trình tự sắp xếp các nucleotit trong gen (trong mạch khuôn) quy định trình tự sắp xếp các axit amin trong prôtêin

-        Trong ADN chỉ có 4 loại nu (A, T, G, X) nhưng trong prôtêin có khoảng 20 loại axit amin. Do đó mã di truyền phải là mã bộ ba (còn gọi là codon).

-        Mã di truyền gồm: bộ 3 mã gốc trên ADN, bộ 3 mã sao trên mARN và bộ 3 đối mã trên tARN. Ví dụ: mã gốc là 3’-TAX…-5’ --> mã sao là: 5’-AUG…-3’ --> mã đối mã là: UAX -->axit amin được qui định là Met

2. Đặc điểm chung:

-        Mã di truyền là mã bộ ba có tính đặc hiệu: cứ 3 Nu đứng kế tiếp nhau quy định 1 axit amin. Từ 4 loại nu A, T, G, X (trên gen - ADN) hoặc A, U, G, X (trên ARN) ta có thể tạo ra 4³ = 64 bộ 3 khác nhau.

-        Mã di truyền có tính liên tục: được đọc theo 1 chiều từ 1 điểm xác định trên mARN và liên tục từng bộ 3 Nu (không chồng lên nhau)

-        Mã di truyền có tính thoái hóa (dư thừa): có nhiều bộ ba khác nhau cùng mã hóa cho 1 axit amin

-        Mã di truyền có tính phổ biến: tất cả các loài đều dùng chung bộ mã di truyền như nhau

-        Bộ ba mở đầu AUG: quy định axit amin Metionin ở sinh vật nhân thực và formin metionin ở sinh vật nhân sơ

-        Bộ ba UAA, UAG,UGA: 3 mã kết thúc (không quy định axit amin nào)

-        Vậy trong 64 bộ 3 chỉ có 61 bộ 3 qui định axit amin

III.  QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI CỦA ADN (tự sao chép, tái bản)

1.      Nguyên tắc

-        ADN có khả năng nhân đôi để tạo thành 2 ADN con giống hệt nhau và giống ADN mẹ. Sự tự nhân đôi ADN là cơ sở cho sự nhân đôi của NST làm tiền đề cho quá trình phân chia nhân và phân chia tế bào.

-        Quá trình nhân đôi ADN ở tế bào nhân sơ, nhân thực và ADN virut đều theo NTBS và bán bảo toàn

-        Nguyên tắc bán bảo toàn (giữ lại một nữa) có nghĩa là mỗi ADN con được tạo ra có 1 mạch có nguồn gốc từ mẹ, mạch còn lại được tổng hợp từ môi trường nội bào

2.      Quá trình nhân đôi

-        Dưới tác dụng của enzim tháo xoắn làm đứt các liên kết hiđrô giữa 2 mạch, ADN tháo xoắn, 2 mạch đơn tách dần nhau ra.

-        Dưới tác dụng của enzim ADN – polimeraza, mỗi Nu trong mạch đơn liên kết với 1 Nu tự do của môi trường nội bào theo nguyên tắc bổ sung (A = T, G = X) để tạo nên 2 mạch đơn mới.

-        Vì enzim ADN – polimeraza chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5’à3’ nên trên mạch khuôn 3’à 5’ mạch bổ sung được tổng hợp liên tục

-        Còn trên mạch khuôn 5’à3’ mạch bổ sung được tổng hợp theo chiều ngược lại tạo thành những đoạn ngắn gọi là đoạnOkazaki. Sau đó các đoạn Okazaki được nối lại với nhau nhờ enzim nối ADN – ligaza

-        Quá trình kết thúc 2 phân tử ADN con xoắn lại. (nhờ đó từ mỗi NST đơn cũng tạo thành cặp NST kép gồm 2 crômatit dính với nhau ở tâm động)

* Kết quả: từ 1 ADN mẹ qua quá trình tự nhân đôi tạo thành 2 ADN con giống hệt nhau và giống mẹ. Trong mỗi ADN con có 1 mạch có nguồn gốc từ mẹ, mạch còn lại được tổng hợp từ môi trường nội bào

* Vd: từ 2 ADN sau 3 lần tự sao số ADN con được tạo thành là: 2*2³ = 16 ADN con.

CÂU HỎI THAM KHẢO:

Câu 1.    Mô tả thành phần cấu tạo của một nuclêôtit và liên kết giữa các nuclêôtit. Điểm khác nhau giữa các nuclêôtit là gì?

-        ADN có cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, mỗi đơn phân là một nuclêôtit.

-        Mỗi nuclêôtit có cấu tạo gồm 3 thành phần là đường đêôxiribôzơ, nhóm phôtphat và bazơ nitơ. Có 4 loại nuclêôtit là A, T, G, X, chúng phân biệt nhau về bazơ nitơ nên người ta gọi tên của các nuclêôtit theo tên của các bazơ nitơ ( A = Ađênin, T = Timin, G = Guanin và X = Xitôzin).

-        Các nuclêôtit trên một mạch liên kết với nhau bằng liên kết phôtphođieste tạo thành chuỗi pôli-nuclêôtit. Các nuclêôtit giữa 2 mạch liên kết với nhau bằng liên kết hiđrô theo nguyên tắc bổ sung (A của mạch này liên kết với T của mạch kia bằng 2 liên kết hiđrô và ngược lại; G của mạch này liên kết với X của mạch kia bằng 3 liên kết hiđrô và ngược lại). Các liên kết phôtphodieste giữa các nuclêôtit trong chuỗi pôli- nuclêôtit là các liên kết bền vững, chỉ những tác nhân đột biến có cường độ mạnh mới có thể làm ảnh hưởng tới liên kết này do đó liên kết phôtphodieste giữ cho phân tử ADN sự bền vững nhất định. Ngược lại, liên kết hiđrô là liên kết yếu nhưng ADN có rất nhiều liên kết hiđrô nên ADN vừa bền vững vừa linh hoạt, chính nhờ tính linh hoạt này mà các enzim có thể sửa chữa các sai sót về trình tự sắp xếp các nuclêôtit.

Câu 2.    Phân tử ADN ở vi khuẩn E.coli chỉ chứa N¹⁵ phóng xạ. Nếu chuyển E.coli này sang môi trường chỉ có N¹⁴ thì sau 4 lần nhân đôi sẽ có bao nhiêu phân tử ADN còn chứa N¹⁵?

Chỉ có 2 phân tử, vì theo nguyên tắc bán bảo toàn chỉ có 2 mạch cũ nằm ở 2 phân tử, còn tất cả các mạch mới đều chứa N¹⁴

Câu 3.    Đầu 3’ – 5’ trên phân tử axit nuclêic nói lên điều gì?

-        Để trả lời câu hỏi này chúng ta cần tìm hiểu về cấu trúc hóa học của phân tử axit nuclêic

Cấu tạo của 2 loại đường trong axit nuclêic 5 loại bazơ có mặt trong các axit nuclêic

-        Quan sát chuỗi pôlinuclêôtít cấu tạo nên phân tử ADN ta thấy đầu 3’ có nghĩa là đầu có vị trí cacbon thứ 3 của phân tử đường gắn với nhóm OH tự do; tương tự, đầu 5’ là đầu có vị trí cacbon thứ 5 của đường gắn với nhóm phosphát tự do. Nên người ta vẫn thường gọi là 3’OH và 5’P

-        Nguyên nhân của việc phải thêm dấu phẩy (3’OH – 5’P)  là vì trong mỗi nuclêôtit ngoài các phân tử đường thì các bazơ nitơ cũng có mạch cacbon nên để phân biệt mạch cacbon của 2 phân tử này nên người ta phải dùng dấu phẩy.

Câu 4.    Nêu những điểm giống và khác nhau giữa nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ (E.coli) với nhân đôi ADN ở sinh vật nhân thực?

-        Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực có cơ chế giống nhau

-        Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ xảy ra ở một đơn vị nhân đôi còn ở sinh vật nhân thực xảy ra ở nhiều đơn vị nhân đôi. Mỗi đơn vị nhân đôi có 2 chạc hình chữ Y, mỗi chạc có 2 mạch được tổng hợp đồng thời. Như vậy nhân đôi ADN ở sinh vật nhân thực xảy ra ở nhiều đơn vị trong mỗi phân tử ADN, trên nhiều phân tử ADN, do đó rút ngắn thời gian nhân đôi của tất cả ADN.

Câu 5.    Giả sử có một dạng sống mà axit nuclêic của nó chỉ có một mạch đơn và gồm ba loại nuclêôtit A, G, U. Hãy cho biết: dạng sống đó là gì? Axit nuclêic của nó gọi là gì? Số bộ ba có thể có là bao nhiêu? Số bộ ba không chứa A là bao nhiêu? Có bao nhiêu bộ ba chứa ít nhất một A?

- Dạng sống đó là virut vì: axit nuclêic của nó chứa U.

- Axit nuclêic này là axit Ribonucleic.

- Số bộ ba có thể có là: 3x3x3 = 3³ = 27

- Số bộ ba không chứa A: 2x2x2 = 2³=8

- Số bộ ba chứa ít nhất 1 A: 19

Câu 6.    Theo dõi quá trình tự nhân đôi của một ADN, người ta thấy có 80 đoạn Okazaki, 90 đoạn mồi. Bằng kiến thức di truyền đã học hãy biện luận để xác định ADN trên có ở loại tế bào nào?

Mỗi đơn vị tái bản có số ARN mồi = số đoạn Okazaki +2

Vậy quá trình tái bản ở trên phải có nhiều đơn vị tái bản.

=> Số đơn vị tái bản =  đơn vị

Vậy, ADN trên có ở tế bào nhân thực vì có nhiều đơn vị tái bản cùng lúc.

Câu 7.    - Người ta tổng hợp một gen nhân tạo rồi chuyển gen đó vào vi khuẩn E. Coli. Hoạt động giải mã của gen có diễn ra trong E. coli không? Giải thích tại sao?

Hoạt động giải mã vẫn diễn ra được vì mã di truyền có tính phổ biến chung cho sinh giới.

Câu 8.    So sánh đặc điểm cấu tạo và tính chất di truyền của gen trong nhân và gen trong tế bào chất.

1/ Giống nhau:

- Đều có khả năng nhân đôi, sao mã và điều khiển giải mã tổng hợp Prôtêin.

- Đều có thể bị đột biến và di truyền cho thế hệ sau.

2/ Khác nhau:

Gen trong nhân	Gen trong tế bào chất
- Nằm trên ADN của NST	- Nằm trên ADN trong ti thể, lạp thể, plasmit của vi khuẩn..
- ADN có dạng thẳng và có các cặp alen	- ADN có dạng vòng, không chứa gen alen.
- Di truyền theo quy luật chặt chẽ do NST bố mẹ phân bố đều trong hợp tử.	- Di truyền không theo quy luật chặt chẽ vì khi phân bào tế bào chất không chia đều cho 2 tế bào con chính xác.
- Lượng ADN trong nhân nhiều hơn	- Lượng ADN trong tế bào chất ít hơn
- Bố mẹ có vai trò ngang nhau trong sự di truyền tính trạng của con	- Bố mẹ có vai trò không ngang nhau. Con phát triển tính trạng theo dòng mẹ.