1

SỰ SAO CHÉPDNA

DNA là vật chất di truyền

Thí nghiệm của Frederick Griffith(1928)

Thí nghiệm về biến nạp của Griffith

DNA mang tín hiệu di truyềnNăm1944 nhóm Avery, McCarty, McLeodxác định rõ nguyên nhân gây biến nạp làgì?Tế bào S + (protease,

RNAase)→ Chuột chết

Tế bào S + (DNAase)→ Chuột sống

→ DNA là nhân tố biến nạpOswald T. Avery

• 1952 – AlfredHershey và MarthaChase kết luận vậtliệu di truyền củaphage T2 là DNA

2

DNA là vật chất di truyềnVật chất di truyền trong cơ thể sinh vật có nhiệm vụtruyền lại tính trạng từ đời trước xong đời sau, trên 3nguyên tắc:

Vật chất này phải có tính bền vững về thông tin đối vớicấu trúc, chức năng, sự phát triển và sự sinh sản của tếbào.

Có khả năng tự tái bản một cách chính xác sao cho tế bàocon có thông tin di truyền giống như tế bào mẹ.

Có khả năng thay đổi, giúp sinh vật biến dị, thích ứng, vàtiến hóa.

1953 James D. Watson và Francis H. C. Crickxây dựng thành công mô hình cấu trúc phân tửDNA

Cấu trúc xoắn kép của DNA(Double helix structure of DNA) Base pairing in DNA

• Purine– adenine (A)– guanine (G)

• Pyrimidine– thymine (T)– cytosine (C)

• Pairing– A : T

• 2 bonds– C : G

• 3 bonds

Đặc điểm của mô hình cấu trúc xoắn kép DNA củaWatson và Crick

• Phân tử DNA có hai chuỗi dây polynucleotide quấn nhau theo chiềutay phải (right-handed fashion)

• Hai dây này đối xứng nhau, cùng song hành theo từng cặp basetương ứng, theo qui ước đầu 5’ là gốc, đầu 3’ là đuôi

• Dây cơ bản còn gọi là dây xương sống (The DNA backbone) đượchình thành bởi đường và photphase với những base đính hai bêntrong dây.

+ Chuỗi xoắn kép cho phép các base purine và pirimidine có cấu trúcphẳng xếp chồng khít lên nhau ở bên trong phân tử DNA, hạn chếsự tiếp xúc của chúng với nước. Chúng đính thẳng góc với dâyxoắn.

+ Các nguyên tử đường và các nhóm phosphate xoay ra ngoài hìnhthành liên kết với nước đảm bảo tính ổn định cho phân tử

Đặc điểm của mô hình cấu trúc xoắn kép DNAcủa Watson và Crick

• Những base này ở trên hai dây đối xứng nhau được nối liền bởicầu nối hydrogen: A-T và G-C. Cầu nối hydrogen rất dễ bị tách ra(ví dụ như nhiệt độ cao) để tạo thành hai dây đơn. Cặp base tươngứng A-T và C-G được gọi bằng thuật ngữ chuyên môn là“complement base pair”. Nối C-G (3 cầu nối) bền hơn nối A-T (2cầu nối)

• Các cặp base cách nhau 0,34 nm trên dây xoắn DNA. Mỗi mộtgóc quay hoàn toàn (360o) của dây xoắn (helix) có độ dài 3,4 nm.Do đó, mỗi đoạn xoắn như vậy có tất cả 10 cặp base. Đường kínhcủa một góc quay là 2nm.

• Kết quả của cấu trúc dây xoắn kép tạo ra những rãnh chính (majorgroove) và những rãnh phụ (minor groove). Cả hai rãnh này cókích thước đủ rộng cho phép những phân tử protein tiếp xúc vớinhững base.

3

OH

O

3

PO4

base

CH2O

base

OPO

C

O–O

CH2

1

2

4

5

1

2

3

3

4

5

5

OH

CH2O

4

5

3 2

1

PO4

N base

Deoxyribose

nucleotide

OH

CH2O

4

5

3 2

1

PO4

N base

Deoxyribose

nucleotide

Anti-parallelstrands

OH

CH2O

4

5

3 2

1

PO4

N base

Deoxyribose

nucleotide

3

5 3

5

covalentphosphodiester

bonds

hydrogenbonds

Tính ổn định và những biếnđộng của DNA

• Tính ổn định của DNA là kết quả của hai quátrình: sao chép và sửa sai

• Các biến đổi của DNA: đột biến, tái tổ hợp,các gen nhảy

Tính ổn định của DNA

• Cơ chế saochép bánbảo tồn

• Các cơ chếsửa saiDNA

4

Các mô hình sao chép DNAMô hình bán bảo tồn (Semiconservative model):vào đầu quátrình sao chép hai mạch của chuỗi xoắn kép tách rời nhau, mỗimạch đơn được dùng làm khuôn để tổng hợp mạch mới. Kết quảlà một phân tử DNA ban đầu sẽ tạo ra hai phân tử con giống hệtnhau, mỗi phân tử con được hình thành từ một mạch cũ và mộtmạch mớiMô hình bảo tồn (Conservative model): hai mạch gốc vẫn duytrì và bắt cặp trở lại sau khi tự sao chép. Một trong hai phân tửDNA mới là phân tử DNA gốc (bao gồm hai mạch cũ), phân tửcòn lại bao gồm vật liệu mới hoàn toàn.Mô hình phân tán (Dispersive model): phân tử DNA gốc bị cắtra thành nhiều đoạn mạch đôi hoạt động như dây nền (template)để tổng hợp ra những đoạn mạch đôi mới. Những đoạn mạch đôinhư vậy hợp lại thành dây xoắn kép DNA hoàn chỉnh, với cácđoạn dây DNA của dây gốc và dây mới xen kẽ.

(a) Hypothesis 1:Semi-conservative

replication

(b) Hypothesis 2:Conservative replication

Intermediate molecule

(c) Hypothesis 3:Dispersive replication

Các mô hình sao chép DNA

Thí nghiệm của Meselson và StahlSự sao chép của DNA có tính chất bán bảo tồn

Isotopes of nitrogen (non-radioactive) were used in this experiment

Sự sao chépcủa DNA cótính chất bánbảo tồn

Sự sao chép DNA ở prokaryote và eukaryote

Replicon: đơn vị sao chép

Sự saochép DNAở vi khuẩn:mỗi nhiễmsắc thể là

mộtreplicon

5

1

2

34

Sự sao chép được tiến hành đồng thời tại nhiềuđiểm trên phân tử DNA của eukaryote

SỰ KHỞI ĐẦU SAO CHÉP Ở E.coli

Nhóm enzyme helicasecó nhiệm vụ tách mạch.Chúng bám lên mộtmạch đơn, cắt đứt liênkết hidro giữa 2 mạchđôi.

Chúng sử dụng nănglượng từ quá trình phângiải ATP

TRÌNH TỰ KHỞI ĐẦUSAO CHÉP Ở E.coli

• Nhóm enzyme helicase: tách mạch đôiDNA thành mạch đơn

• Các protein SSB (single-strandedbinding proteins) : ổn định mạch đơn đãđược tách rời

single-stranded binding proteins replication fork

helicase

DNAPolymerase III

• Tổng hợp mạch DNAmới (daughter DNA)– Gắn các nucleotide tự do

theo nguyên tắc bổ sung– DNA polymerase III

NĂNGLƯỢNG

energy

ATPGTPTTPCTP ADPAMPGMPTMPCMPmodified nucleotide

energy

6

• Tổng hợp mạch mới từmạch khuôn bằng cáchgắn lần lượt cácnucleotide tự do:– Vào nucleotide cuối của

“mồi” (primer) bắt cặp sẵntrên mạch khuôn.

– Theo chiều 53 DNAPolymerase III

DNAPolymerase III

DNAPolymerase III

DNAPolymerase III

energy

energy

energy

ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNGCỦA DNA POLYMERASE energy

3

3

5

5

energy

35

5

5

3

energy

energy

energy

3

no energyto bond

energy

energy

energy

ligase

3 5

Mạch tới và mạch chậm(Leading & Lagging strands)

5

5

5

5

3

3

3

53

53 3

Leading strand

Lagging strand

Okazaki fragments

ligase

Okazaki

DNA polymerase III

3

5

growingreplication fork

DNA polymerase III

Replication fork / Replication bubble

5

3 5

3

leading strand

lagging strand

leading strand

lagging strandleading strand

5

3

3

5

5

35

3

5

3 5

3

growingreplication fork

growingreplication fork

5

5

5

5

53

3

5

5lagging strand

5 3

DNA polymerase III

RNA primer: được tổng hợpbởi primase

Đặc tính của DNA polymerase III– Chỉ có thể tổng hợp mạch mới

khi đã có sẵn “mồi” bắt cặp trênmạch khuôn

Sự sao chép bắt đầu bằng việctổng hợp mồi RNA (RNA

primers)

5

5

5

3

3

3

5

3 53 5 3

growingreplication fork primase

RNA

DNA polymerase I– Loại bỏ mồi RNA và tổng hợp

DNA thay thế

5

5

5

5

3

3

3

3

growingreplication fork

DNA polymerase I

RNA

ligase

7

DNA polymerase III5

5

5

5

3

3

3

3

growingreplication fork

DNA polymerase I

RNA

telomerase

Telomeres

5

5

5

5

3

3

3

3

growingreplication fork

TTAAGGGTTAAGGGTTAAGGG

Telomerase Structure

Reverse transcriptasewith RNA template tobind to DNA strands

Telomerase and its function

CHĨA BA SAO CHÉP

3’

5’3’

5’

5’

3’3’ 5’

helicase

direction of replication

SSB = single-stranded binding proteins

primase

DNApolymerase III

DNApolymerase III

DNApolymerase I

ligase

Okazakifragments

leading strand

lagging strand

SSB

CHĨA BASAO CHÉP

8

NÚT XOẮN TẠICHĨA BASAO CHÉP

DNA topoisomerase I

DNA topoisomerase II

DNA topoisomerase II