Bài giảng Sinh học phần tử - Chương 1: Giới thiệu về Sinh học phân tử - Nguyễn Hữu Trí

24/03/2016
1
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí1
Chương 1
Giới thiệu về Sinh học phân tử
Sinh học phân tử
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí2
Sinh học phân tử (molecular biology) là môn khoa học
nghiên cứu về cấu trúc và chức năng của các đại phân tử
sinh học (acid nucleic, protein,) cần thiết cho sự
sống.
24/03/2016
2
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí3
1866 Định luật phân ly độc lập
trong di truyền tính trạng,
Mendel. (Cha đẻ của di truyền
học hiện đại).
1868 Friedrich Miescher khám
phá ra DNA và gọi nó là nuclein.
“ chất này đến từ nhân của
tế bào. Vì vậy, chúng tôi gọi
nó là nuclein (chất nhân).”
Friedrich Miescher
Gregor Mendel
4
1893: Albrecht Kossel
tìm ra nucleic acid gồm
có 4 loại base.
2 purine: 2 pyrimidine:
adenine (A) cytosine (C)guanine (G) thymine (T)
1910
24/03/2016
3
5
1889: Richard Altmann
tìm ra nuclein là acid và
gọi nó là nucleic acid 
(nucleïnsäure).
Ueber Nucleinsäuren. Archiv für Anatomie und Physiologie. 
Physiologische Abteilung. Leipzig, 1889, 524-536.
6
Phoebus Aaron (Theodore) Levene
(1869-1940)
1909: Phoebus Levene khám phá
rằng DNA được tạo bởi 3 thành
phần cơ bản: đường, một acid, và
một base.
1929 Phoebus Aaron Levene xác định và đặt tên các ribonucleic
acid và deoxyribonucleic acid, và một cấu trúc DNA
“tetranucleotide”, trong đó 4 base của DNA được sắp xếp theo thứ
tự trong một bộ bốn.
24/03/2016
4
24/03/2016 2:53 SA
Nguyễn Hữu Trí7
Thí nghiệm về sự biến nạp
Frederick Griffith
1928 – Lần đầu tiên chứng minh sự biến
nạp ở song cầu khuẩn Streptococcus
pneumoniae (Diplococcus pneumoniae).
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí8
Quà tặng từ cái chết
Tế bào S sống
(control)
Tế bào R sống
(control)
Tế bào S chết
(control)
Trộn tế bào S chết
và tế bào R sống
Chuột bị chết
Tế bào S sống được
tìm thấy trong mẫu máu
Chuột vẫn sống Chuột vẫn sống Chuột bị chết
KẾT QUẢ
24/03/2016
5
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí9
DNA mang tín hiệu di truyền
 Năm1944 nhóm Avery, McCarty, McLeod
xác định rõ nguyên nhân gây biến nạp là gì?
Tế bào S + (protease, RNAase)→ Chuột chết
Tế bào S + (DNAase)→ Chuột sống
→ DNA là nhân tố biến nạp
Oswald T. Avery
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí10
1949 Roger và Colette Vendrely, cùng với André Boivin, tìm
ra rằng số lượng DNA trong tất cả các mô của cùng một động
vật là như nhau, và số lương DNA trong nuclei của tinh trùng
chỉ bằng một nữa trong tế bào sinh dưỡng, cho thấy DNA có
thể là vật liệu di truyền.
24/03/2016
6
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí11
1952 – Alfred Hershey và Martha Chase kết
luận vật liệu di truyền của phage T2 là DNA.
12
Cấu trúc
thật sự của
DNA?
24/03/2016
7
13
Linus Carl Pauling
1901-1994
“Chúng tôi đã xây dựng thành công
cấu trúc của DNA Cấu trúc này
gồm 3 chuỗi xoắn polynucleotide
quấn vào nhau. Chuỗi xoắn theo
chiều tay phải. Nhóm phosphate
nằm rất gần trục xoắn với các gốc
pentose purine và pyrimidine
phân bố tỏa tròn...”
Linus Pauling & Robert B. Corey 
(Nature, 1953, 171:346).
14
Pauling, L. and Corey, R. B. 1953. A proposed structure for the 
nucleic acids Proc. Natl. Acad. Sci. USA 39:84-97.
Linus Carl Pauling
1901-1994
24/03/2016
8
15
Erwin Chargaff
1950 Erwin Chargaff tìm ra rằng số
lượng A bằng T và G bằng C ở DNA 
của rất nhiều loài.
(1) A% ≈ T% 
(2) G% ≈ C%
Giá trị Chargaff ở người: 
G = 19.9%, C = 18.8%, A = 30.9%, and T = 29.4% 
1
16
Rosalind Franklin
Nhiễu xạ tia X của DNA
2
1952 Maurice Wilkins và Rosalind
Franklin sử dụng kỹ thuật phân tích tia
X tìm ra sự lặp lại của cấu trúc DNA (sử
dụng DNA được tinh sạch bởi Signer)
24/03/2016
9
17
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí18
James Watson và Francis Crick
1953 James D. Watson và Francis H. C. Crick công
bố cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA.
→ Sinh học phân tử ra đời.
24/03/2016
10
19
20
24/03/2016
11
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí21
Học thuyết trung tâm (F.Crick,1956) 
Một gen được biểu hiện qua hai bước
1) Phiên mã (Transcription): tổng hợp RNA 
2) Dịch mã (Translation): Tổng hợp Protein
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí22
1970 Howard Temin và
David Baltimore độc lập
phân lập được enzyme cắt
giới hạn
→ Cột mốc lịch sử trong kỹ
thuật di truyền
David Baltimore Howard Temin
24/03/2016
12
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí23
1984 Kỹ thuật PCR được Kary
Mullis đề xuất.
→ Nền tảng của kỹ thuật di truyền
1986 Leroy Hood: Phát triển
máy giải trình tự tự động
1990 Chương trình bộ gen
người (HGP) bắt đầu. Leroy Hood
Kary Mullis
Human Genome Project
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí24
1996 Bộ gen của nấm men (Saccharomyces cerevisiae) 
được giải trình tự.
1997 Escherichia coli được giải trình tự
24/03/2016
13
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí25
1998 Hoàn thành việc giải trình tự bộ gen giun tròn
Caenorhabditis elegans
2000 Hoàn thành việc giải trình tự bộ gen ruồi giấm
Drosophila melanogaster
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí26
2000, bộ gen thực vật đầu tiên, Arabidopsis
thaliana được giải trình tự
24/03/2016
14
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí27
 14/4/2003 hoàn tất bản giải kí tự chuỗi bộ gen 
người (Homo sapiens). Tốn 2,7 tỉ USD
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí28
Phân loại sinh giới
24/03/2016
15
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí29
Ba giới sinh vật
Thế giới sinh vật gồm ba giới ( dựa vào trình tự
nucleotide của rRNA):
Vi khuẩn (Bacteria)
Vi khuẩn cổ (Archaea)
 Sinh vật nhân thật (Eukarya)
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí30
24/03/2016
16
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí31
Hai dạng tế bào
Prokaryote Eukaryote 
Prokaryote vs Eukaryote 
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn hữu Trí32
24/03/2016
17
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn hữu Trí33
Cấu trúc NST của Prokaryote
- Xoắn kép: khe nhỏ, khe lớn; DNA-binding protein gắn vào khe
lớn
- Cấu trúc bậc hai: thân–vòng (stem-loop) hay kẹp tóc (hair
spin) nơi nhận diện của protein điều hòa
- Cấu trúc siêu xoắn và cấu trúc vòng mở: topoisomerase II và I
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn hữu Trí34
Tế bào Prokaryote
- Tế bào không nhân, bộ gen DNA mạch vòng
- Tế bào chất đơn giản chứa ribosome 70S, không có các bào quan khác
- Vách tế bào cấu tạo bằng peptidoglycan hoặc pseudopeptidoglycan, quyết
định tính Gram của tế bào.
- Tốc độ sinh tổng hợp DNA, RNA, protein, sinh trưởng và phân chia nhanh
- Có thể nhân năng lượng từ ánh sáng, hợp chất vô cơ, hữu cơ
- Sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi, một số có khả năng tạo bào tử
- Là dạng chiếm đa số trong sinh quyển, nhưngchưa được khám phá nhiều
24/03/2016
18
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí35
Cấu trúc NST của Eukaryote
- Kích thước lớn
- Nucleosome, chromatin, nhiễm sắc thể
- Telomere ở hai đầu và centromere ở giữa
- Ba nhóm DNA:
 DNA một bản sao: mã hóa protein
 DNA lặp lại trung bình: mã hóa histone,
immunoglobin, rRNA, tRNA
 DNA vệ tinh: 20% tổng DNA, chức năng chưa rõ
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn hữu Trí36
Tế bào Eukaryote
- Tế bào to và phức tạp
- Bộ gen mạch thẳng nhiều phân tử (NST) nằm trong nhân
- Tế bào chất phức tạp chứa ribosome 80S, mạng lưới nội chất, ty thể, hệ
Golgi, lysosome, lạp thể
- Vách tế bào chứa lipoprotein, cellulose hoặc chitin
- Tốc độ sinh trưởng, phân chia chậm
- Đa số sinh sản hữu tính có giao tử khác giới
24/03/2016
19
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí37
Các hiện tượng di truyền ở vi khuẩn
- Biến nạp (transformation)
- Tải nạp (transduction)
- Giao nạp, tiếp hợp (conjugation)
- Chuyển vị gen (transposition) 
Biến nạp (transformation)
Biến nạp là quá trình tế bào tiếp nhận DNA trần từ vào tế bào chủ
1. DNA gắn lên DNA-binding protein trên vách tế bào
2. Nuclease thủy phân một mạch DNA, cho phép mạch đơn còn lại đi vào trong tế bào
3. Mạch DNA được mang và bảo vệ bởi một số protein chuyên biệt
4. Mạch DNA tái tổ hợp vào bộ gen bởi RecA protein
5. Tế bào có kiểu gen mới được tạo thành khi tế bào phân chia
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí38
24/03/2016
20
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí39
Taûi naïp (transduction)
- DNA của tế bào cho được chuyển qua tế bào nhận bởi virut
- Tải nạp chuyên biệt (specialized transduction): tải nạp trên một số
gen nhất định của vi khuẩn cho (virut mang theo gen của vi khuẩn
khi bị cắt một cách không chính xác ra khỏi bộ gen tế bào chủ)
- Tải nạp chung (generalized transduction): tải nạp một gen bất kỳ từ
vi khuẩn cho sang tế bo nhận (DNA của tế bo bị phn đoạn và lắp
ngẫu nhiên vào vỏ virut mới)
- Biến đổi bởi phage (phage conversion): sự thay đổi kiểu hình ở vi
khuẩn do sự thể hiện của gen virut tiềm tan
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí40
Taûi naïp (transduction)
24/03/2016
21
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí41
Taûi naïp (transduction)
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn hữu Trí42
Plasmid
- Phân tử DNA vòng, kích thước nhỏ có thể tự sao chép độc lập trong tế
bào chủ
- Cấu trúc của plasmid: 
+ Mang gen ORI (origin of replication, Ori) kiểm soát tần số sao chép và số
lượng bản sao của plasmid trong tế bào
+ Gen điều khiển sự chuyển DNA trong giao nạp (một số)
+ Các gen khác: kháng kháng sinh, tạo ra độc tố, khả năng biến dưỡng những
cơ chất không bình thường như thuốc trừ sâu, dung môi công nghiệp
Plasmid R: plasmid kháng thuốc
+ Mang một số transposon mỗi loại cho tính kháng đối với một loại kháng sinh
nhất định
+ Kháng đồng thời đến 5 loại kháng sinh khác nhau
+ Phát tán tính kháng thuốc nhanh trong quần thể thông qua quá trình giao
nạp
- Tế bào có thể chứa đồng thời một số plasmid khác nhau nếu chúng tương
thích (ORI khác nhau)
24/03/2016
22
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn hữu Trí43
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn Hữu Trí44
Sự giao nạp (conjugation)
- Chuyển DNA thông qua giao nạp ở vi khuẩn
- Plasmid xúc tiến sự giao nạp:
Tổng hợp khuẩn mao pili giúp hai tế bào tiếp xúc
Tạo cầu giao nạp (conjugative bridge) truyền DNA
Plasmid sao chép bằng cơ chế sao chép cuộn vòng (rolling circle replication) và chuyển một
bản sao cho tế bào nhận
Tế bào nhận sao chép để có plasmid vòng mạch kép
24/03/2016
23
24/03/2016 2:53:17 SA Nguyễn hữu Trí45
- Yếu tố F ở E. coli thực hiện việc cho gen trên nhiễm sắc thể tế bào cho sang tế bào
nhận (chủng Hfr):
1. Sự hiện diện đồng thời của trình tự sát nhập (insertion sequence) ở yếu tố F và nhiễm sắc
thể của tế bào
2. F chứa trình tự khởi đầu chuyển (origin of transfer)
3. Trình tự này giúp F mang theo các gen của nhiễm sắc thể nằm ngay dưới hạ lưu của trình
tự chuyển từ tế bào cho sang tế bào nhận
4. Sự cắt không chính xác khi sao chép và chuyển yếu tố F làm tăng tần số giao nạp chuyên
biệt của nhiễm sắc thể sang tế bào nhận
Sự giao nạp (conjugation)
24/03/2016 2:53 SA Nguyễn Hữu Trí46