CƠ CHẾ DI TRUYỀN VÀ BIẾN DỊ PHÂN TỬ

CHUYÊN ĐỀ IV: CƠ SỞ VẬT CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG DI TRUYỀN VÀ BIẾN DỊ

A - CƠ SỞ VẬT CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG DI TRUYỀN VÀ BIẾN DỊ Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ

I.  CẤU TRÚC CỦA AXIT NUCLEIC        

a) Cấu tao hóa học của ADN

- ADN cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các nucleotit .

- Mỗi nucleotit có ba thành phần: Đường, H3PO4 và 1 trong 4 loại bazơnitric → Có 4 loại nuleotit mang tên gọi của các bazơnitric, trong đó A và G có kích thước lớn, T và X có kích thước bé.

- Trên mạch đơn của phân tử ADN các đơn phân liên kết với nhau bằng liên kết hoá trị

- Từ 4 loại nucleotit có thể tạo nên tính đa dạng và đặc thù của ADN ở các loài sinh vật bởi số lượng, thành phần, trình tự phân bố của nucleotit.

b) Cấu trúc không gian của ADN (Mô hình Oatxơn và Crick)

- ADN là một chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch đơn (mạch polinucleotit), hai mạch này gắn với nhau nhờ liên kết hidro giữa các bazơnitric đứng đối diện theo nguyên tắc bổ sung (NTBS). Đó là nguyên tắc A = T, G ≡ X và ngược lại.

- Trong phân tử ADN, do các cặp nucleotit liên kết với nhau theo NTBS đã đảm bảo cho chiều rộng của chuỗi xoắn kép bằng 20 Ǻ, khoảng cách giữa các bậc thang trên các chuỗi xoắn bằng 3,4 Ǻ, phân tử ADN xoắn theo chu kì xoắn, mỗi chu kì xoắn có 10 cặp nucleotit, có chiều cao 34 Ǻ.

- ADN của một số virut chỉ gồm một mạch polinucleotit. ADN của vi khuẩn và ADN của lạp thể, ti thể lại có dạng vòng khép kín.

c) Tính đặc trưng của phân tử ADN

+ ADN đặc trưng bởi số lượng, thành phần trình tự phân bố các nucleotit, vì vậy từ 4 loại nucleotit đã tạo nên nhiều loại phân tử ADN đặc trưng cho mỗi loài.

+ ADN đặc trưng bởi tỉ lệ

+ ADN đặc trưng bởi số lượng, thành phần trình tự phân bố các gen trong từng nhóm gen liên kết.

2. Cấu trúc ARN

a. Cấu tạo hóa học của ARN 

Tương tự như phân tử AND thì ARN là đại phân tử cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, đơn phân là các ribonucleotit.

Mỗi đơn phân (ribonucleotit) gồm 3 thành phần: 

+ 1 gốc bazơ nitơ (A, U, G, X)  khác ở phân tử ADN  là không có T   

+ 1 gốc đường  ribolozo, ở ADN có gốc đường  đêoxiribôz

+ 1 gốc axit photphoric.

ARN có cấu trúc gồm một  chuỗi  poliribonucleotit. Số ribonucleotit trong ARN bằng một nửa nucleotit trong phân tử ADN tổng hợp ra nó.

Các ribonucleotit liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị giữa gốc (P) của ribonucleotit này với gốc đường ribolozo của ribonucleotit kia tạo thành  chuỗi poliribonucleotit. 

b. Các loại ARN và chức năng 

Có 3 loại ARN là mARN, tARN và rARN  thực hiện các chức năng khác nhau.

- ARN thông tin( mARN) : mạch thẳng, ở đầu 5’ có một vị trí đặc hiệu  để ribôxôm gắn vào thực hiện sự phiên mã. Chức năng làm khuôn để tổng hợp prôtêin

- ARN vận chuyển ( tARN) có một bộ ba đối mã đặc hiệu để nhận ra và bắt đôi bổ sung với bộ ba tương ứng trên ARN. Chức năng dịch mã trên mARN thành trình tự các axit amin trên chuỗi Polipeptit

- ARN ribôxôm (rARN). Chức năng cùng với Prôtêin tạo nên ribôxôm gồm hai tiểu đơn vị lớn và bé

II. CẤU TRÚC PROTEIN

1. Cấu trúc hoá học

- Có 20 loại axit amin tạo nên các protein, mỗi axit amin có 3 thành phần: gốc cacbon (R), nhóm amin (-NH2), nhóm cacboxyl (-COOH), chúng khác nhau bởi gốc R. Mỗi axit amin có kích thước trung bình 3Ǻ.

- Trên phân tử protein, các axit amin liên kết với nhau bằng liên kết peptit. Nhiều liên kết peptit tạo thành một chuỗi polipeptit. Mỗi phân tử protein có thể gồm một hay một số chuỗi polipeptit cùng loại hay khác loại.

- Từ 20 loại axit amin đã tạo nên khoảng 1014 – 1015 loại protein đặc trưng cho mỗi loài. Các phân tử protein phân biệt với nhau bởi số lượng thành phần, trình tự phân bố các axit amin.

2. Cấu trúc không gian

Có 4 bậc cấu trúc không gian

- Cấu trúc bậc I: do các axit amin liên kết với nhau bằng liên kết peptit, đứng ở đầu mạch polipeptit là nhóm amin, cuối mạch là nhóm cacboxyl.

- Cấu trức bậc II: có dạng xoắn trái, kiểu xoắn anpha, chiều cao một vòng xoắn 5,4 A0, với 3,7 axit amin/1 vòng xoắn còn ở chuỗi bêta mỗi vòng xoắn lại có 5,1 axit amin. Có những protein không có cấu trúc xoắn hoặc chỉ cuộn xoắn ở một phần của polipeptit.

- Cấu trúc bậc III: là hình dạng của phân tử protein trong không gian ba chiều, do xoắn cấp II cuộn theo kiểu đặc trưng cho mỗi loại protein, tạo thành những khối hình cầu.

- Cấu trúc bậc IV: là những protein gồm 2 hoặc nhiều chuỗi polipeptit kết hợp với nhau. Ví dụ, phân tử hemoglobin gồm 2 chuỗi anpha và 2 chuỗi bêta, mỗi chuỗi chứa một nhân hem với một nguyên tử Fe.

3. Tính đặc trưng và tính nhiều dạng của protein

- Protein đặc trưng bởi số lượng thành phần, trình tự phân bố các axit amin trong chuỗi polipeptit. Vì vậy, từ 20 loại axit amin đã tạo nên 1014 – 1015 loại protein rất đặc trưng và đa dạng cho mỗi loài sinh vật.

- Protein đặc trưng bởi số lượng thành phần trình tự phân bố các chuỗi polipeptit trong mỗi phân tử protein.

- Protein đặc trưng bởi các kiểu cấu trúc không gian của các loại protein để thực hiện các chức năng sinh học.

III. GEN, MÃ DI TRUYỀN VÀ QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI CỦA ADN

III.1. Khái niệm và cấu trúc của gen.
1. Khái niệm: Gen là 1 đoạn phân tử ADN mang thông tin mã hoá cho một sản phầm xác định (1 chuỗi pôlipeptit hay một phân tử ARN).

Ví dụ: Gen hemôglôbin anpha (Hb α) là gen mã hóa chuỗi pôlipeptit α góp phần tạo nên prôtêin Hb trong tế bào hồng cầu; gen tARN mã hóa phân tử tARN …
2. Cấu trúc của gen.
3. Các loại gen
Có nhiều loại như gen cấu trúc, gen điều hoà ...
- Gen cấu trúc là gen mang thông tin mã hoá cho các sản phẩm tạo nên thành phần cấu trúc hay chức năng tế bào.
- Gen điều hoà  là những gen tạo ra sản phẩm kiểm soát hoạt động của các gen khác
III.2. Mã di truyền
1. Kn: 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.

- 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’ tương ứng mã sao là: 5’-AUG…-3’ và mã đối mã là: UAX tương ứng axit amin được quy định là Met.
Mã di truyền là mã bộ ba vì :

- Nếu mỗi nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được 4 loại axit amin.

- Nếu cứ 2 nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được 42 = 16 bộ ba thì mã hóa 16 loại axit amin.

- Nếu cứ 3 nucleotit mã hóa một axit amin thì 4 nucleotit chỉ mã hóa được 43 = 64 bộ ba mã hóa cho 20 loại axit amin.

* Bằng thức nghiệm các nhà khoa học đã xác định được chính xác cứ ba nucleotit đứng liền nhau thì mã hóa cho một axit amin và có 64 bộ ba. 

2. ĐẶC ĐIỂM CỦA MÃ DI TRUYỀN

Nhìn vào bảng mã di truyền ta có thể suy ra các đặc điểm của mã di truyền:

Hình 2: Đặc điểm của mã di truyền 

Trong 64 bộ ba thì có:

- 61 bộ ba mã hóa cho 20 axit amin. 

- 3 bộ ba không mã hóa cho axit amin được gọi là bộ ba kết thúc . Trong quá trình dịch mã khi riboxom tiếp xúc với các bộ ba kết thúc thì  các phần của riboxom tách nhau ra và quá trình dịch mã kết thúc.

III.3. Quá trình nhân đôi ADN (tái bản ADN)
1. Thời điểm, vị trí
- Vào kì trung gian, giữa 2 lần phân bào (Pha S của chu kì tế bào).
- Diễn ra trong nhân tế bào.
2. Diễn biến
a. Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn E. coli).

Gồm 3 bước:
- Bước 1: Tháo xoắn phân tử ADN.
Nhờ các enzim tháo xoắn, 2 mạch đơn của phân tử ADN tách nhau dần tại khởi điểm tái bản tạo nên 1 vòng tái bản gồm 2 chạc (hình chữ Y) mở xoắn theo 2 hướng ngược nhau và để lộ ra 2 mạch khuôn.
- Bước 2: Tổng hợp các mạch ADN mới
Enzim ADN pôlimêrara xúc tác hình thành mạch đơn mới theo chiều 5’ – 3’ (ngược chiều với mạch làm khuôn). Các nuclêôtit của môi trường nội bào liên kết với nuclêôtit của mạch làm khuôn theo nguyên tắc bổ sung (A – T, G – X).
+ Trên mạch khuôn 3’ – 5’, mạch mới được tổng  liên tục.
+ Trên mạch 5’ – 3’, mạch mới được tổng hợp gián đoạn tạo nên các đoạn ngắn (đoạn Okazaki). Sau đó các đoạn Okazaki được nối lại với nhau nhờ enzim nối Ligaza.
- Bước 3: Tạo hai phân tử ADN con
Các mạch mới tổng hợp đến đâu thì 2 mạch đơn xoắn đến đó tạo thành phân tử ADN con, trong đó có 1 mạch mới được tổng hợp còn mạch kia là của ADN ban đầu.
b. Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân thực.
- Về cơ bản, sự nhân đôi ADN ở sinh vật nhân thực gần giống với sự nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ, chỉ khác biệt ở một số điểm cơ bản sau:
+ Sự nhân đôi ADN diễn ra đồng thời ở nhiều đơn vị nhân đôi trên cùng một phân tử ADN.
+ Hệ enzim tham gia phức tạp hơn.

3. Nguyên tắc nhân đôi
- Nguyên tắc bổ sung: A liên kết với T của môi trường và ngược lại, G liên kết với X môi trường và ngược lại

- Nguyên tắc bán bảo tồn: Phân tử ADN con được tạo ra có một mạch của ADN ban đầu, một mạch mới được tổng hợp.
- Nguyên tắc nửa gián đoạn: Trên 1 chạc chữ Y có 1 mạch mới được tổng hợp liên tục và một mạch mới được tổng hợp gián đoạn.

4. Ý nghĩa
Đảm bảo quá trình truyền đạt thông tin di truyền được nguyên vẹn qua các thế hệ.

BÀI 2 - PHIÊN MÃ, DỊCH MÃ

I. Phiên mã:
1. Khái niệm  
- Là quá trình truyền thông tin di truyền trên mạch mã gốc của gen (ADN) sang mARN theo nguyên tắc bổ sung
- Quá trình xảy ra trong nhân, vào kì trung gian của quá trình phân bào.
2. Cấu trúc và chức năng của các loại ARN:      

3. Cơ chế phiên mã:
a. Thời điểm : xảy ra trước khi tế bào tổng hợp prôtêin.
b. Thành phần tham gia: Các loại enzim, các loại nuclêôtit tự do (A, U, G, X)
   Một phân tử AND khuôn.
c. Diễn biến:

Bước 1. Khởi đầu:
Enzym ARN pôlimeraza bám vào vùng điều hoà làm gen tháo xoắn để lộ ra mạch gốc có chiều 3’→ 5’ và bắt đầu tổng hợp mARN tại vị trí đặc hiệu.
- Bước 2. Kéo dài chuỗi ARN:
Enzym ARN pôlimeraza trượt dọc theo mạch gốc trên gen có chiều 3’ → 5’ và các nuclêôtit trong môi trường nội bào liên kết với các nucluotit trên mạch gốc theo nguyên tắc bổ sung:
Agốc - Umôi trường
Tgốc - Amôi trường
Ggốc – Xmôi trường
Xgốc – Gmôi trường
- Bước 3. Kết thúc:
Khi Enzym di chuyển đến cuối gen, gặp tín hiệu kết thúc thì quá trình phiên mã dừng lại, phân tử ARN: được giải phóng. Vùng nào trên gen vừa phiên mã xong thì 2 mạch đơn đóng xoắn ngay lại.
Ở sinh vật nhân sơ, mARN sau phiên mã được dùng trực tiếp làm khuôn tổng hợp prôtêin.
Ở sinh vật nhân thực, mARN sau phiên mã được cắt bỏ các đoạn intron, nối các đoạn êxôn tạo mARN trưởng thành rồi đi qua màng nhân ra tế bào chất làm khuôn tổng
d. Kết quả : một đoạn pt ADN→ 1 Pt ARN
e. Ý nghĩa : hình thành ARN trực tiếp tham gia vào quá trình sinh tổng hợp prôtêin quy định tính trạng
II. Dịch mã
1. Khái niệm
- Là quá trình chuyển mã di truyền chứa trong mARN thành trình tự các aa trong chuỗi polipeptit của prôtêin.
2. Cơ chế dịch mã
a. Vị trí: diễn ra trong tế bào chất của tế bào
b. Diễn biến: 2 giai đoạn
 Giai đoạn 1: Hoạt hoá axit amin
- Dưới tác động của 1 số enzim, các a.a tự do trong môi trường nội bào được  hoạt hoá nhờ gắn với hợp chất ATP
- aa + ATP  →   aa hoạt hoá  
- Nhờ tác dụng của enzim đặc hiệu, a.a được hoạt hoá liên kết với tARN tương ứng→ phức hợp a.a – tARN.
- aa hoạt hoá +  tARN     →   Phức hợp aa - tARN
Giai đoạn 2: Tổng hợp chuỗi pôlipeptit (3 bước)
Bước 1. Mở đầu
+ Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn với mARN ở vị trí nhận biết đặc hiệu (gần bộ ba mở đầu) và di chuyển đến bộ ba mở đầu (AUG).
+ aamở đầu - tARN tiến vào bộ ba mở đầu (đối mã của nó – UAX- khớp với mã mở đầu – AUG – trên mARN theo nguyên tắc bổ sung), sau đó tiểu phần lớn gắn vào tạo ribôxôm hoàn chỉnh.
Bước 2. Kéo dài chuỗi polipeptit
+ aa1 - tARN tiến vào ribôxôm (đối mã của nó khớp với mã thứ nhất trên mARN theo nguyên tắc bổ sung), một liên kết peptit được hình thành giữa axit amin mở đầu với axit amin thứ nhất.
+ Ribôxôm chuyển dịch sang bộ ba thứ 2, tARN vận chuyển axit amin mở đầu được giải phóng. Tiếp theo, aa2 - tARN tiến vào ribôxôm (đối mã của nó khớp với bộ ba thứ hai trên mARN theo nguyên tắc bổ sung), hình thành liên kết peptit giữa axit amin thứ hai và axit amin thứ nhất.
+ Ribôxôm chuyển dịch đến bộ ba thứ ba, tARN vận chuyển axit amin mở đầu được giải phóng.
Quá trình cứ tiếp tục như vậy đến bộ ba tiếp giáp với bộ ba kết thúc của phân tử mARN. Như vậy, chuỗi pôlipeptit liên tục được kéo dài.
.- Bước 3. Kết thúc
- Khi ribôxôm chuyển dịch sang bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA) thì quá trình dịch mã ngừng lại, 2 tiểu phần của ribôxôm tách nhau ra. Một enzim đặc hiệu loại bỏ axit amin mở đầu và giải phóng chuỗi pôlipeptit,  quá trình dịch mã hoàn tất.
 Trong dịch mã, mARN thường không gắn với từng riboxom riêng rẽ mà đồng thời gắn với một nhóm ribôxôm (pôliribôxôm hay pôlixôm) giúp tăng hiệu suất tổng hợp prôtêin.
c. Cơ chế phân tử của hiện tượng di truyền:
- Vật liệu di truyền (ADN) truyền cho đời sau qua cơ chế tự nhân đôi.
- Thông tin di truyền được biểu hiện thành tính trạng của cơ thể thông qua cơ chế phiên mã (ADN -> ARN) và dịch mã (ARN -> prôtêin)

3.Poliribôxôm.
Trên mỗi phân tử mARN thường có một số ribôxôm hoạt động gọi là poliribôxôm. Như vậy mỗi phân tử mARN đựơc tổng hợp đựơc từ 1 đến nhiều chuỗi polipeptit cùng loại rồi tự huỷ.Ribôxôm có tuổi thọ lâu hơn và đa năng hơn
4. Mối liên hệ ADN –mARN – Tính trạng.
   Thông tin di truyền trong ADN của mỗi tế bào được truyền đạt cho thế hệ tế bào con thông qua cơ chế nhân đôi
   Thông tin di truyền trong ADN được biểu hiện thành đặc điểm bên ngoài của cơ thể (tính trạng) thông qua các cơ chế phiên mã và dịch mã.
   Cơ chế của hiện tượng di truyền ở cấp độ phân tử

CÂU HỎI - BÀI TẬP

Câu 1. Cơ chế tổng hợp mARN và ý nghĩa tổng hợp ARN?

- Diễn ra trong nhân tế bào, tại các đoạn NST vào kỳ trung gian, lúc NST đang ở dạng tháo xoắn cực đại.Đa số các ARN đều được tổng hợp trên khuôn ADN, trừ ARN là bộ gen của một số virut.

- Dưới tác dụng của enzim ARN – pôlimeraza, các liên kết hiđrô trên một đoạn phân tử ADN ứng với 1 hay một số gen lần lượt bị cắt đứt, quá trình lắp ráp các ribônuclêôtit tự do của môi trường nội bào với các nuclêôtit trên mạch mã gốc của gen (mạch 3’ – 5’) theo NTBS A-U, G-X xảy ra. Kết quả tạo ra các mARN có chiều 5’ – 3’. Sau đó 2 mạch gen lại liên kết với nhau theo NTBS. Sự tổng hợp tARN và rARN cũng theo cơ chế trên.

- Ở sinh vật trước nhân, sự phiên mã cùng một lúc nhiều phân tử mARN, các mARN được sử dụng này trở thành bản phiên mã chính thức. Còn ở sinh vật nhân chuẩn, sự phiên mã từng mARN riêng biệt, các mARN này sau đó phải được chế biến lại bằng cách loại bỏ các đoạn vô nghĩa, giữ lại các đoạn có nghĩa tạo ra mARN trưởng thành.

→ Sự tổng hợp ARN đảm bảo cho gen cấu trúc thực hiện chính xác quá trình dịch mã ở tế bào chất. Cung cấp các prôtêin cần thiết cho tế bào.

Câu 2.  Vai trò của các ARN polimeraza ?

- ARN - polimeraza là enzym có vai trò phiên mã, nghĩa là xúc tác sự tổng hợp các ARN (mARN, tARN và rARN) trên khuôn của một mạch ADN. Sự tổng hợp ARN diễn ra theo chiều 3’- 5’ và được xác định bởi promoter. Ở Bacteria người ta chỉ tìm thấy một dạng ARN -polimeraza với trọng lượng phân tử 500.000D chứa nhiều mạch polypeptit (ví dụởE.coli có đến 5 mạch).

 - Ở Eucaryota có đến 3 dạng ARN - polimeraza, mỗi dạng có vai trò riêng, đó là các dạng ARN - polimeraza I, II và III.

+ ARN - polimeraza I có vai trò tổng hợp các rARN (trừ rARN 5S).

+ ARN - polimeraza II có vai trò phiên mã các mARN.

+ ARN - polimeraza III có vai trò tổng hợp các tARN và rARN 5S.

- Trong   tế bào  động   vật   có   vú,   người   ta  đã   tính  được   khoảng   40.000   phân   tử ARN - polimeraza I, 40.000 phân tử ARN - polimeraza II và khoảng 20.000 phân tử ARN - polimeraza III.

Câu 3. Chức năng của các loại ARN?

- mARN: bản phiên thông tin di truyền từ gen cấu trúc trực tiếp tham gia tổng hợp prôtêin dựa trên cấu trúc và trình tự các bộ ba trên mARN.

- tARN: vận chuyển lắp ráp chính xác các axit amin vào chuỗi pôlipeptit dựa trên nguyên tắc đối mã di truyền giữa bộ ba đối mã trên tARN với bộ ba mã phiên trên mARN.

- rARN: liên kết với các phân tử prôtêin tạo nên các ribôxôm tiếp xúc với mARN và chuyển dịch từng bước trên mARN, mỗi bước là một bộ ba nhờ đó mà lắp ráp chính xác các axit amin vào chuỗi polipeptit theo đúng thông tin di truyền được qui định từ gen cấu trúc.

Câu 4: Một phân tử mARN dài 2040Å được tách ra từ vi khuẩn E. coli có tỉ lệ các loại nuclêôtit A, G, U và X lần lượt là 20%, 15%, 40% và 25%. Người ta sử dụng phân tử mARN này làm khuôn để tổng hợp nhân tạo một đoạn ADN có chiều dài bằng chiều dài phân tử mARN. Tính theo lí thuyết, số lượng nuclêôtit mỗi loại cần phải cung cấp cho quá trình tổng hợp một đoạn ADN trên?

Hướng dẫn giải:

Số nu của mARN: 2040 : 3.4 = 600

mA = 120; mG = 90; mU = 240, mX = 150

vậy sử dụng phân tử ARN này để tổng hợp ADN thì mạch ADN được tổng hợp trước là: T1 = 120, X1 = 90, A1 = 240, G1 = 150

vậy mạch ADN bổ sung với mạch được tổng hợp có các loại nu:

A2 = 120, G2 = 90, T2 = 240, X2 = 150

Vậy số nu mỗi loại của ADN được tổng hợp từ ARN trên là:

A = T = 360

G = X = 240

→ G = X = 240, A = T = 360.        

Câu 5: Một gen có chứa 2050 liên kết hydro. ARN do gen tổng hợp được có G – A = 125 ribonucleotit , X – U = 175 ribonucleotit. Biết rằng các nucleotit loại T đều tập trung trên mạch gốc. Tính số ribonucleotit trên gen này

Hướng dẫn giải:

Theo bài ra ta có:

2A + 3G = 2050

ARN do gen đó tổng hợp được có:

G – A = 125 ribonucleotit, X – U = 175 ribonucleotit. Như vậy, ta có ( rG +rU) = 300. Theo nguyên tắc bổ sung ta suy ra được hiệu của các loại nucleotit trên gen là:

G – A = 300 (2):

Từ (1) và (2) ta có số lượng từng loại nucleotit trên gen là:

G = X = 525; A = T = 225

 Biết răng các nucleotit loại T đều tập trung trên mạch gốc. Nên theo nguyên tắc bổ sung thì ribonucleotit loại A = 225. Từ đó kết hợp với giả thiết bài ra ta có số ribonucleotit từng loại là:

rG = 225 + 125 = 350 (rNu)

rU = A – rA = 225 – 225 = 0(rNu)

rX = 175(rNu)

Câu 6. Một gen có 120 chu kì xoắn. Hiệu số % của nucleotit loại A với nucleotit không bổ sung với bó bằng 20%. Trên phân tử ARNm tổng hợp từ gen có X m = 120 ribonucleotit, A m = 240 ribonucleotit. Xác định tỉ lệ % từng loại nucleotit trên mỗi mạch đơn gen.

Hướng dẫn giải:

Số ribonucleotit của phân tử mARN là:

rN =   = 1200 (rNu)

Theo dữ kiện bài ra ta tính được tỉ lệ % từng loại nucleotit của gen là:

A = T = 35% và G = X= 15%

Tỉ lệ % từng loại ribonucleotit của phân tử mARN là:

%rA = (240 : 1200) . 100 = 20%

% rX = (120 : 1200) . 100 = 10%

Từ nguyên tác bổ sung ta suy ra được:

% rU = 2 . %rA - %rA = 2. 35 – 20 = 50%

% rG = 2 . %rG - %rX = 2. 15 – 10 = 20%

Theo nguyên tác bổ sung ta có tỉ lệ từng loại nucleotit trên mỗi mạch đơn gen là:

GG = XBS = 10%

 XG = GBS = 20%

TG = ABS = 20%;

AG = TBS = 50%;

Câu 7: Một gen chứa 3900 liên kết H. Hiệu của G với loại ko bổ sung là 10%. Trên ARN có U=15% và G=32 gen sao mã 3 lần. ARN mỗi ARN có 8 ribôxôm trượt qua. Khoảng cách giữa 2 Ribôxôm kế tiếp là 81,6 A^o, vận tốc giải mã là 10 aa/s
a, Tìm A, T, G, X của gen?
b, Tìm A, U, G, Xmôi trường cung cấp cho 3 lần sao mã
c, Tìm số ribôxôm tham gia tổng hợp prôtêin và số aa môi trường cung cấp

Hướng dẫn giải bài tập

a.Ta có: 3G + 2A = 3900
→ G - A = 1/5(A + G)
Giải hệ pt ta có : G=X= 2340 ; A=T= 1560
b. Ta có rU = 15% = 585 rNu ; rG= 32 rNu
→ rA = 1560- 585 = 975 rNu và rX = 2340 - 32 = 2308 rNu
Gen sao mã 3 lần nên :
            A = 975 . 3 = 2925
            U = 585 .3 =1755
            G = 32 . 3 =96
            X = 2308 .3 =6924
c. Số bộ ba mã hóa: 3900/3=1300 bộ
- Tổng số riboxom tham gia giải mã: 8.3=24
- Một riboxom giải mã cần môi trường cung cấp:1300 - 1 = 1299 a.a → vậy 24 riboxom cần : 24 . 1299=31176 a.a

BÀI 3 - ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN

I. Khái quát về điều hòa hoạt động của gen
1. Khái niệm
- Điều hòa hoạt động của gen chính là điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra, ở đây được hiểu là gen có được phiên mã và dịch mã hay không
- Sự hoạt động khác nhau của các gen trong hệ gen là do quá trình điều hòa
2. Lý do
- Trong mỗi tế bào, số lượng gen  rất lớn nhưng thường chỉ có một số ít gen hoạt động còn phần lớn các gen ở trạng thái không hoạt động hoặc hoạt động rất yếu.
3. Vai trò
- Đảm bảo hoạt động sống của tế bào phù hợp điểu kiện môi trường và sự phát triển bình thường của cơ thể.
- Giúp nhận biết thời điểm gen hoạt động, lượng sản phẩm do gen tạo ra.
4. Đặc điểm
- Phức tạp, nhiều mức độ khác nhau
+ Điều hòa trước phiên mã: là điều hòa số lượng gen qui định tính trạng nào đó trong tế bào
 + Điều hòa phiên mã: là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN (vd: điều hòa hoạt động của cụm gen Z,Y,A trong lactose Operon)
 + Điều hòa dịch mã: là điều hòa lượng prôtêin được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gia dịch mã
 + Điều hòa sau dịch mã: là điều hòa chức năng của prôtêin sau khi đã dịch mã hoặc loại bỏ prôtêin chưa cần thiết (ví dụ: điều hòa hoạt động gen R trong mô hình điều hòa lactose Operon
- Sinh vật nhân sơ: chủ yếu diễn ra điều hòa phiên mã.
- Sinh vật nhân thực: điều hòa ở nhiều mức độ (Từ trước phiên mã đến sau dịch mã)
II. Cơ chế điểu hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ
1. Mô hình cấu trúc của opêron Lac (Vi khuẩn đường ruột E. Coli)
a. Khái niệm opêron
- Trên phân tử ADN của vi khuẩn, các gen có liên quan về chức năng thường phân bố liền nhau thành từng cụm, có chung một cơ chế điều hòa gọi là opêron
b. Cấu trúc opêron Lac
- Vùng khởi động P (promoter): nơi mà ARN pôlimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã.
- Vùng vận hành O (operator): có trình tự Nu đặc biệt để prôtêin ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã.
- Nhóm gen cấu trúc Z, Y, A quy định tổng hợp các enzym tham gia phản ứng phân giải đường lactôzơ trong môi trường để cung cấp năng lượng cho tế bào.
* Trước mỗi opêron (nằm ngoài opêron) có gen điều hoà R. Khi gen điểu hòa R hoạt động sẽ tổng hợp nên prôtêin ức chế. Prôtêin này có khả năng liên kết với vùng vận hành (O) dẫn đến ngăn cản quá trình phiên mã. (R không phải là thành phần của Opêron

2. Cơ chế hoạt động của Lactose Operon ở E.coli

- Vi khuẩn E.coli mẫn cảm với đường lactose do đó khi sống trong môi trường có đường lactose E.coli sẽ tiết ra enzyme lactaza để phân giải đường lactose

a. Khi môi trường không có lactose

- Bình thường, gen điều hòa (R) tổng hợp một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy (O), do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Z,Y,A sẽ không thực hiện được phiên mã và dịch mã. Vì vậy, sản phẩm của cụm gen là lactaza không được tạo thành.
b. Khi môi trường có lactose

- Lactose đóng vai trò là chất cảm ứng. Chất cảm ứng sẽ liên kết với prôtêin ức chế làm prôtêin ức chế thay đổi cấu hình không gian và trở nên bất hoạt (không hoạt động). Prôtêin ức chế không thể bám vào gen chỉ huy O, gen chỉ huy hoạt động bình thường điều khiển Z,Y,A thực hiện phiên mã và dịch mã tổng hợp nên sản phẩm của cụm gen là lactaza.

- Lactaza được tiết ra sẽ làm nhiệm vụ phân giải lactose trong môi trường.
III. Cơ chế điểu hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực
- Khác với  nhân sơ, NSTcủa  nhân thực  có  cấu  trúc  phức tạp. Ngay trên cấu trúc NST có sự tham gia của các protein, histone  có  vai  trò  điều  hòa  biểu  hiện  của gen. Sự điều hòa biểu hiện gen ở nhân thực phải qua nhiều mức điều hòa phức  tạp hơn so với nhân sơ và qua nhiều giai đoạn như: nhiễm sắc  thể  tháo xoắn, phiên mã, biến đổi hậu phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến đổi sau dịch mã.
- Ngoài ra, đa số nhân thực có cơ thể đa bào và mỗi tế bào có biểu hiện sống không phải tự do, mà chịu sự biệt hóa theo các chức năng chuyên biệt trong mối quan hệ hài hòa với cơ thể.
- Các vi khuẩn  thường phản ứng  trực  tiếp với môi  trường và biểu hiện gen thuận nghịch, như có đường lactose thì mở operon để phân hủy, khi hết đường thì operon đóng lại. Trong khi đó, các tế bào nhân thực có những con đường biệt hóa khác nhau và sự chuyên hóa là ổn định thường xuyên trong đời sống cá  thể. Ngoài sự biệt hóa  tế bào, các cơ  thể nhân thực đa bào còn trải  qua  quá  trình phát  triển  cá  thể  với  nhiều  giai  đoạn  phức  tạp  nối  tiếp nhau, trong đó có những gen chỉ biểu hiện ở phôi và sau đó thì dừng hẳn.
- Tất cả những điểm nêu  trên cho  thấy  sự điều hòa biểu hiện của gen nhân thực phức tạp hơn nhiều, mà hiện nay lại được biết ít hơn nhân sơ.

BÀI 4 - ĐỘT BIẾN GEN

I. Khái niệm và các dạng ĐB gen.
1. Khái niệm
- ĐB gen là những biến đổi nhỏ xảy ra trong cấu trúc của gen. Những biến đổi này thường liên quan đến 1 cặp nuclêôtit (ĐB điểm) hoặc 1 số cặp nuclêôtit.
- Trong tự nhiên, các gen đều có thể bị ĐB nhưng với tần số thấp (10-6 – 10-4). Nhân tố môi trường gây ra ĐB gọi là tác nhân gây ĐB. Các cá thể mang ĐB đã biểu hiện thành KH là thể ĐB.
- ĐB gen làm thay đổi cấu trúc của gen từ đó tạo ra alen mới so với dạng ban đầu. ví dụ: Ở ruồi giấm gen A qui định mắt đỏ, sau khi bị ĐB tạo thành gen a qui định mắt trắng
2. Các dạng ĐB
a. Thay thế

- 1 cặp nu trên ADN được thay thế bằng 1 cặp nu khác. Do đặc điểm của mã di truyền mà ĐB thay thế có thể đưa đến các hậu quả:
- ĐB nhầm nghĩa (sai nghĩa): Biến đổi bộ 3 qui định axit amin này thành bộ 3 qui định axit amin khác (ví dụ: bộ 3 trước ĐB là UUA qui định a.auxin → sau ĐB thành UUX qui định a.a phenilalanine)
- ĐB vô nghĩa: Biến đổi bộ 3 qui định axit amin thành bộ 3 kết thúc (ví dụ: bộ 3 trước ĐB là UUA qui định a.a leuxin → sau ĐB thành UAA là bộ 3 kết thúc không qui định a.a nào)
- ĐB đồng nghĩa: Biến đổi bộ 3 này thành bộ 3 khác nhưng cùng mã hóa 1 axit amin (ví dụ: bộ 3 trước ĐB là UUA qui định a.a leuxin → sau ĐB thành UUG cùng qui định a.a leuxin)
b. Mất hoặc thêm một cặp Nu:

- ĐB dạng mất hoặc thêm 1 cặp nu làm ảnh hưởng đến toàn bộ các bộ 3 từ vị trí bị ĐB trở về sau do khung đọc các bộ 3 bị dịch chuyển nên gọi là ĐB dịch khung.
II. Nguyên nhân và cơ chế phát sinh ĐB.
1. Nguyên nhân
- Do những sai sót ngẫu nhiên trong phân tử ADN xảy ra trong quá trình tự nhân đôi của ADN.
- Tác động của các tác nhân vật lí, hóa học và sinh học của môi trường.
- ĐB có thể phát sinh trong điều kiện tự nhiên hay do con người tạo ra (ĐB nhân tạo)
2. Cơ chế phát sinh ĐB gen
 a. Sự kết cặp không đúng trong tái bản ADN:
- Các bazơ nitơ thường tồn tại 2 dạng cấu trúc: dạng thường và dạng hiếm. Các dạng hiếm có những vị trí liên kết hidro bị thay đổi làm cho chúng kết cặp không đúng trong tái bản làm phát sinh ĐB gen
TD: Guanin dạng hiếm (G*) kết cặp với timin trong tái bản gây biến đổi thay thế T-A " G –X
- Sai hỏng ngẫu nhiên: TD liên kết giữa carbon số 1 của đường pentozơ và ađenin ngẫu nhiên bị đứt → ĐB mất adenin.
 b. Tác động của các tác nhân gây ĐB:
- Tác nhân vật lí: tia tử ngoại (tạo ra 2 phân tử timin trên cùng 1 mạch ADN →ĐB gen)
- Tác nhân hóa học: chất 5-brom uraxin (5BU) là chất đồng đẳng của timin gây biến đổi thay thế A-T → G-X
- Tác nhân sinh học: Virus viêm gan siêu vi B, virus Herpes …→ ĐB gen.
III. Hậu quả và ý nghĩa của ĐB gen.
1. Hậu quả
- Đa số ĐB gen (Đbđiểm) gây hại, 1 số  có thể trung tính (vô hại) hoặc có lợi cho thể ĐB.
- Mức độ gây hại của ĐB phụ thuộc vào đk môi trường cũng như tổ hợp gen .
Vd: ĐB gen kháng thuốc trừ sâu ở côn trùng. Trong đk môi trường không có thuốc trừ sâu thì có hại vì làm cơ thể phát triển yếu, nhưng trong đk có thuốc trừ sâu thì lại trở thành có lợi do kháng được thuốc  làm cơ thể phát triển tốt hơn.

- Tần số ĐB cao hay thấp là do: cường độ, liệu lượng của tác nhân ĐB và cấu trúc của gen.
2. Vai trò và ý nghĩa của ĐB gen
- Cung cấp nguyên liệu cho quá trình tiến hóa và chọn giống vì tạo ra nhiều alen mới (qui định KH mới)
- ĐB giao tử: phát sinh trong giảm phân tạo giao tử, qua thụ tinh sẽ đi vào hợp tử
 + ĐB gen trội: sẽ được biểu hiện thành KH ngay ở cơ thể ĐB
 + ĐB gen lặn: biểu hiện thành KH ở trạng thái đồng hợp tử lặn (aa) vd: bệnh bạch tạng
 + ĐB tiền phôi: ĐB xảy ra ở những lần phân bào đầu tiên của hợp tử tồn tại trong cơ thể và truyền lại cho thế hệ sau qua sinh sản hữu tính
- ĐB xoma: xảy ra trong nguyên phân ở tế bào sinh dưỡng, sẽ được nhân lên và biểu hiện ở một mô hoặc cơ quan nào đó (ví dụ: cành bị ĐB nằm trên cây bình thường do ĐB xoma ở đỉnh sinh trưởng). ĐB xoma không thể di truyền qua sinh sản hữu tính.

***********************************************************