Cơ-sở-di-truyền-học-phan-tử-va-tế-bao-Đinh-Đoan-Long-pdf

§inh §oµn Long 2.1.3. Thµnh phÇn cÊu t¹o cña c¸c axit nucleic C¶ ADN vµ ARN ®Òu lµ c¸c chÊt trïng ph©n (polymer) m¹ch dµi gåm nhiÒu ®¬n ph©n (monomer) nèi víi nhau. Trong ®ã, mçi ®¬n ph©n cña ADN lµ deoxyribonucleotide, cßn cña ARN lµ ribonucleotide. Mçi mét nucleotide gåm ba thµnh phÇn c¬ b¶n: 1) baz¬ nit¬: lµ c¸c dÉn xuÊt hoÆc cña purine, gåm adenine (A) vµ guanine (G); hoÆc cña pyrimidine, gåm thymine (T), cytosine (C), vµ uracil (U); 2) ®−êng pentose; vµ 3) nhãm phosphate (h×nh 2.1). VÞ trÝ c¸c nguyªn tö cacbon (C) trªn m¹ch vßng cña ®−êng pentose ®−îc ®¸nh sè tõ C-1’ ®Õn C- 5’. C¸c nucleotide mang nhãm phosphate ë vÞ trÝ C-5’ cã vai trß quan träng ®èi víi cÊu tróc vµ chøc n¨ng cña ADN vµ ARN. Sù cã mÆt cña nhãm phosphate ë vÞ trÝ nµy lµm c¸c ph©n tö ADN vµ ARN th−êng mang ®iÖn tÝch ©m vµ cã tÝnh axit. Trong ®iÒu kiÖn in vivo, nÕu c¸c ®iÖn tÝch cña axit nucleic kh«ng ®−îc trung hßa th× nã kh«ng thÓ ®ãng gãi vµo nhiÔm s¾c thÓ vµ nh©n tÕ bµo ®−îc. Sù trung hßa ®iÖn tÝch diÔn ra nhê sù cã mÆt cña c¸c protein cã tÝnh kiÒm (cßn gäi lµ tÝnh kiÒm) xuÊt hiÖn trong tÕ bµo ë c¶ c¸c sinh vËt prokaryote (nh©n s¬) vµ eukaryote (nh©n thËt). ë eukaryote, ®ã lµ c¸c ph©n tö protein histon mang tÝnh kiÒm, cßn ë prokaryote lµ c¸c polyamin. OH OH o nh2 o ’CH2 OH ’CH2 OH c ch3 c c ’C H hn c n ch hn ch O O ’C H HC ’ HC ’ C ’ C’ H HC ’ ’C H c ch c ch c ch H n n n OH OH H o h o h o h OH Uracil (U) a) Ribose b) Deoxyribose Thymine (T) Cytosine (C) O +H-O P O-H+ Baz¬ nit¬ cña ADN Baz¬ nit¬ cña ARN nh2 o O c c nc c ’CH2 OH n hn n hc c ch c ch O n c n n h2n n ’C H HC ’ h C C Adenine (A) Guanine (G) H OH ’ ’H H c) Deoxyribose monophosphate Baz¬ nit¬ cña ADN vµ ARN H×nh 2.1. §−êng ribose cña c¸c H×nh 2.2. CÊu tróc baz¬ nit¬ cña c¸c nucleotide. nucleotide. a) §−êng ribose cã nhãm –OH DÉn xuÊt cña pyrimidine gåm thymine (T), cytosine liªn kÕt ë vÞ trÝ C-2’, b) §−êng deoxyribose (C) vµ uracil (U); dÉn xuÊt cña purine gåm adenine cã gèc –H liªn kÕt ë vÞ trÝ C-2’, c) ®−êng (A) vµ guanine (G). ADN ®−îc cÊu t¹o tõ dA, dT, dG deoxyribose liªn kÕt víi nhãm phosphate. vµ dC, trong khi ARN ®−îc cÊu t¹o tõ A, U, G vµ C. Nh− ®· nãi ë trªn, c¸c ®¬n ph©n h×nh thµnh nªn ADN lµ c¸c deoxyribonucleotide. Cã bèn lo¹i deoxyribonucleotide trong thµnh phÇn cÊu t¹o ADN. Chóng kh¸c nhau vÒ lo¹i baz¬ nit¬, cßn gièng nhau vÒ cÊu tróc ®−êng pentose vµ nhãm phosphate (h×nh 2.2). Bèn lo¹i baz¬ nit¬ ®ã lµ adenine (A), guanine (G), thymine (T) vµ cytosine (C). Trong thùc tÕ, tªn cña c¸c baz¬ nit¬ còng ®−îc dïng ®Ó gäi lo¹i deoxyribonucleotide t−¬ng øng. 34

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein Gièng nh− ADN, B¶ng 2.1. Tªn gäi c¸c nucleotide lµ thµnh phÇn cña ADN vµ ARN ARN còng mang c¸c baz¬ nit¬ lµ adenine, guanine Baz¬ nit¬ Nucleoside Nucleotide vµ cytosine, nh−ng thay Adenine (A) Adenosine Deoxyadenosine 5’- monophosphate thymine b»ng uracil (U) Guanine (G) Guanosine Deoxyguanosine 5’- monophosphate còng lµ mét baz¬ nit¬ cã tÝnh chÊt ho¸ häc t−¬ng tù Thymine (T) Thymidine Deoxythymidine 5’- monophosphatea nh− thymine. Ngoµi c¸c baz¬ nit¬ phæ biÕn trªn, Cytosine (C) Cytidine Deoxycytidine 5’- monophosphate ARN cßn chøa nhiÒu d¹ng Uracil (U) Uridine Uridine 5’- monophosphateb a Cã ë ADN, nh−ng kh«ng cã ë ARN dÉn xuÊt kh¸c cña baz¬ b Cã ë ARN, nh−ng kh«ng cã ë ADN nit¬ nh− thymine, 4-thiouracil, 7-methylguanine, 6,6-dimethyladenine vµ hypoxanthin. C¸c baz¬ nit¬ hiÕm nµy th−êng gÆp ë ARN vËn chuyÓn (tARN) vµ ARN th«ng tin (mARN). ë ADN, trõ mét sè d¹ng methyl hãa cña cytosine (5-methylcytosine, 5-mC) vµ adenine (N6- methyladenine, m6A), kh«ng thÊy cã c¸c baz¬ nit¬ nµo kh¸c ngoµi 4 lo¹i A, T, G vµ C. Mçi lo¹i baz¬ nit¬ ®Òu cã hai d¹ng hç biÕn. Trong dung dÞch, chóng th−êng tån t¹i ë tr¹ng th¸i c©n b»ng. Sù c©n b»ng −u tiªn cho d¹ng bÒn v÷ng h¬n. Cô thÓ lµ, nguyªn tö nit¬ g¾n vµo c¸c vßng purine (cña A) vµ pyrimidine (cña C) ë d¹ng amino lµ bÒn v÷ng h¬n ë d¹ng imino. T−¬ng tù nh− vËy, nguyªn tö oxy g¾n vµo G, T vµ U th−êng ë d¹ng keto, hiÕm khi ë d¹ng enol. ë ch−¬ng 6, chóng ta sÏ thÊy sù hç biÕn cña c¸c nucleotide lµ mét trong nh÷ng c¬ chÕ g©y ®ét biÕn trong sao chÐp (t¸i b¶n) ADN. C¸c baz¬ nit¬ g¾n víi ®−êng pentose b»ng liªn kÕt céng hãa trÞ ë vÞ trÝ C-1’ cña ®−êng víi nit¬ ë vÞ trÝ sè 9 cña purine hoÆc nit¬ ë vÞ trÝ sè 1 cña pyrimidine. CÊu tróc chØ gåm baz¬ nit¬ víi ®−êng pentose ®−îc gäi lµ nucleoside. C¸c nucleoside cña A, G, T vµ C ®−îc gäi t−¬ng øng lµ adenosine, guanosine, thymidine vµ uridine (b¶ng 2.1). Mét kh¸c biÖt n÷a gi÷a ADN vµ ARN lµ thµnh phÇn ®−êng pentose. NÕu nh− ®−êng pentose trong ph©n tö ADN lµ 2-deoxy-D-ribose, th× ®−êng pentose trong ph©n tö ARN lµ ribose. ChÝnh v× sù kh¸c biÖt nµy mµ hai ph©n tö ADN vµ ARN cã c¸c tÝnh chÊt ho¸ häc kh¸c nhau vµ biÓu hiÖn NH2 chøc n¨ng sinh häc kh¸c nhau. O- C Thµnh phÇn ®−êng lµm 4 lo¹i OPO HC N nucleotide triphosphate cÊu t¹o nªn ADN (viÕt t¾t lµ dATP, TTP, Cytosine (C) dGTP vµ dCTP) lµ kh¸c biÖt víi 4 lo¹i nucleotide cÊu t¹o nªn HC C N OO CH2 H3C C O C NH ARN (viÕt t¾t lµ ATP, GTP, UTP O- CH HC vµ CTP). V× tÝnh chÊt ho¸ häc cña hai lo¹i ®¹i ph©n tö sinh häc CC HC C H H O H NO NH2 Thymine (T) nµy kh¸c nhau, ng−êi ta cã thÓ OP O CH2 O NC dïng c¸c enzym ®Æc hiÖu (DNase O- HC CN vµ RNase) ®Ó ph©n t¸ch hai lo¹i CH C nhãm hîp chÊt nµy trong phßng Liªn kÕt C H HC thÝ nghiÖm. phosphodieste H C CH H O O CH2 NN OP Adenine (A) O Trong ph©n tö ADN vµ O- CH HC ARN, c¸c nucleotide n»m liÒn kÒ C C trªn chuçi polynucleotide nèi víi H H O H nhau thµnh mét m¹ch dµi qua O P O- liªn kÕt phosphodieste (h×nh O- H×nh 2.3. Liªn kÕt phosphodieste gi÷a c¸c nucleotide trong chuçi 2.3) gi÷a nhãm hydroxyl ë ®Çu polynucleotide cña ADN. 35

§inh §oµn Long C-5’ cña ®−êng pentose cña nucleotide nµy víi nhãm phosphate t¹i ®Çu C-3’ cña nucleotide n»m ë vÞ trÝ kÕ tiÕp. Cø nh− vËy, c¸c liªn kiÕt phosphodieste h×nh thµnh gi÷a c¸c nucleotide trªn cïng mét chuçi t¹o nªn bé khung “®−êng - phosphate” bao ngoµi ph©n tö ADN. C¸c baz¬ nit¬ cã tÝnh kÞ n−íc liªn kÕt bæ sung víi nhau n»m phÝa trong bé khung nµy. Víi cÊu tróc nh− vËy, mçi m¹ch polynucleotide cña ph©n tö axit nucleic mang tÝnh ph©n cùc: mét ®Çu C-5’ mang nhãm phosphate (hoÆc ®«i khi lµ hydroxyl) cßn ®Çu kia (C-3’) lu«n mang nhãm hydroxyl. 2.1.4. CÊu tróc vµ ®Æc tÝnh hãa lý cña axit nucleic 2.1.4.1. Thµnh phÇn vµ cÊu tróc cña ADN Trong ph©n tö ADN sîi kÐp (gäi nh− vËy v× mçi ph©n tö gåm hai m¹ch ®¬n polynucleotide), hai m¹ch polynucleotide liªn kÕt víi nhau qua liªn kÕt hydro gi÷a c¸c nucleotide ®èi diÖn trªn hai m¹ch. Liªn kÕt hydro trong ADN h×nh thµnh gi÷a hai m¹ch th−êng lµ A = T vµ G ≡ C. Trong ®ã, sè g¹ch nèi gi÷a c¸c nucleotide (A, T, G vµ C) ph¶n ¸nh sè liªn kÕt hydro gi÷a chóng; theo ®ã, gi÷a A vµ T cã hai liªn kÕt hydro, cßn gi÷a G vµ C cã ba liªn kÕt hydro. Nguyªn t¾c liªn kÕt nµy cßn gäi lµ nguyªn t¾c bæ sung, hay nguyªn t¾c Chargaff (do Erwin Chargaff ph¸t hiÖn ®Çu tiªn n¨m 1950). Khi thñy ph©n ADN, Chargaff ®· lu«n nhËn ®−îc hµm l−îng purine b»ng hµm l−îng pyrimidine; nãi c¸ch kh¸c, lu«n tån t¹i c«ng thøc A + G = T + C, trong khi ®ã l−îng A + T th−êng kh¸c l−îng G + C. Quy luËt nµy ®−îc t×m thÊy ë mäi sinh vËt (b¶ng 2.2), chØ trõ c¸c virut cã hÖ gen kh«ng ph¶i ADN sîi kÐp. §Ó cã cÊu tróc hai m¹ch polynucleotide liªn kÕt bæ sung víi nhau suèt däc chiÒu dµi ph©n tö cña ADN, c¸c nucleotide cña mét m¹ch ph¶i quay 180o so víi c¸c nucleotide cña m¹ch ®èi diÖn khi qu¸ tr×nh tæng B¶ng 2.2. Thµnh phÇn nucleotide theo tû lÖ (%) trong ADN ë mét sè loµi hîp ADN diÔn ra. §Æc ®iÓm quay Loµi Adenine Guanine Cytosine Thymine cña c¸c nucleotide nh− vËy lµ cÇn Virót thiÕt ®Ó c¸c liªn kÕt hydro cã thÓ Thùc khuÈn thÓ T2 32,6 18,1 16,6 32,6 h×nh thµnh. NÕu kh«ng, c¸c nguyªn Herpes simplex 18,8 37,7 35,6 12,8 Phag¬ λ 26,0 23,8 24,3 25,8 Pseudorables 13,2 37,0 36,3 13,5 Vi khuÈn Escherichia coli 26,0 24,9 25,2 23,9 Diplococcus pneumoniae 29,8 20,5 18,0 31,6 tö cho vµ nhËn Micrococcus hysodeikticus 14,4 37,3 34,6 13,7 liªn kÕt hydro sÏ Ramibacterium ramosum quay vÒ c¸c gãc NÊm men 35,1 14,9 15,2 34,8 kh¸c nhau vµ liªn Neurospora crassa 23,0 27,1 26,6 23,3 kÕt kh«ng ®−îc Aspergillus niger 25,0 25,1 25,0 24,9 h×nh thµnh (xem Saccharomyces cerevisiae 31,7 18,3 17,4 32,6 thªm ®Æc ®iÓm Sinh vËt nh©n chuÈn liªn kÕt hãa häc ë Arachis hypogaea (®Ëu) 32,1 17,6 18,0 32,2 ch−¬ng 1). V× lý Bombyx mori (t»m) 30,7 18,9 19,4 31,1 do nµy, cÊu tróc Drosophila melanogaster 30,7 19,6 20,2 29,4 ADN sîi kÐp lu«n Homo sapiens (ng−êi) 30,3 19,5 19,9 30,3 gåm mét m¹ch TÕ bµo gan ch¹y theo chiÒu 5’ Tinh trïng 29,8 20,2 18,2 31,8 → 3’, cßn m¹ch TuyÕn gi¸p 30,5 19,9 20,6 28,9 kia ch¹y theo 29,3 23,5 16,5 30,7 chiÒu ng−îc l¹i lµ Nicotinana tabacum 26,3 23,5 23,8 26,4 3’ → 5’. CÊu tróc Rana pipiens (Õch) 25,6 24,5 24,6 25,3 Zea mays (ng«) 36

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein ADN sîi kÐp nh− vËy gäi lµ cÊu tróc song song ng−îc chiÒu (hay ®èi song song). Trong qu¸ tr×nh sao chÐp (t¸i b¶n) ADN, mçi m¹ch cña chuçi xo¾n kÐp ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó tæng hîp nªn mét chuçi ADN xo¾n kÐp míi. C¸c nucleotide cña m¹ch lµm khu«n sÏ “thu hót” c¸c nucleotide tù do trong m«i tr−êng theo nguyªn t¾c Chargaff. B»ng c¸ch nµy, hai m¹ch cña hai ph©n tö ADN míi ®−îc tæng hîp sÏ lu«n cã mét m¹ch xuÊt ph¸t tõ ph©n tö ADN gèc, cßn m¹ch kia ®−îc tæng hîp míi. Qu¸ tr×nh tæng hîp ADN sîi kÐp nh− vËy gäi lµ c¬ chÕ sao chÐp b¸n b¶o toµn. Ngoµi c¸c liªn kÕt phosphodieste vµ liªn kÕt hydro gi÷a c¸c nucleotide, th× viÖc c¸c chuçi polynucleotide cã c¸c møc cÊu tróc cao h¬n, nh− viÖc c¸c baz¬ nit¬ (cã cÊu h×nh ph¼ng) xÕp thµnh nhiÒu líp chång lªn nhau lµm cho ph©n tö ADN cã tÝnh bÒn v÷ng. Trong m« h×nh cña Watson vµ Crick (còng lµ m« h×nh cÊu tróc ADN ë tr¹ng th¸i ho¹t ®éng phæ biÕn h¬n c¶), hai m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp xo¾n xung quanh nhau vÒ phÝa ph¶i. CÊu tróc xo¾n ®Òu ®Æn nh− vËy t¹o ra hai lo¹i khe (h×nh 2.4) trong mçi vßng xo¾n gäi lµ khe chÝnh (major groove) vµ khe phô (minor groove). Do sù cuén xo¾n cña chuçi ADN sîi kÐp, khe chÝnh réng h¬n so víi khe phô. C¸c nghiªn cøu sau nµy trªn c¸c ®èi t−îng sinh vËt kh¸c nhau cho thÊy c¸c protein ®iÒu hoµ ho¹t ®éng cña gen th−êng cã xu h−íng liªn kÕt víi tr×nh tù ADN mµ nã ®iÒu khiÓn t¹i vÞ trÝ c¸c khe chÝnh nhê nh÷ng tr×nh tù axit amin ®Æc biÖt cã kh¶ n¨ng h×nh thµnh c¸c liªn kÕt hydro víi c¸c baz¬ nit¬ trªn ph©n tö ADN t¹i khe chÝnh. Mèi t−¬ng t¸c nµy ®−îc t×m thÊy t−¬ng ®èi phæ biÕn ë c¶ sinh vËt nh©n s¬ vµ nh©n thËt (xem thªm ch−¬ng 5). Trong khi ®ã, c¸c khe phô cã xu h−íng lµ vÞ trÝ g¾n cña c¸c protein cÊu tróc th−êng tham gia vµo qu¸ tr×nh ®ãng gãi c¸c ph©n tö ADN ë sinh vËt nh©n thËt (xem thªm ch−¬ng 7). Nh÷ng protein nµy, ch¼ng h¹n nh− histon, chøa mét l−îng lín c¸c axit amin mang tÝnh kiÒm (tÝch ®iÖn d−¬ng) nh− Arg vµ Lys, chóng cã khuynh h−íng t−¬ng t¸c víi nhãm phosphate mang ®iÖn ©m trªn ph©n tö ADN. VÞ trÝ cña c¸c cÆp baz¬ nit¬ trong ph©n tö ADN kh«ng n»m däc trôc ®−êng – phosphate gióp gi¶i thÝch cho ®Æc tÝnh hÊp thô ¸nh s¸ng cùc ®¹i cña ph©n tö ADN ë b−íc sãng 260 nm (chÝnh x¸c h¬n lµ 257 nm). 20 Å 5’ 3’ Tïy thuéc vµo mét sè yÕu tè m«i tr−êng xung quanh, nh− ®é pH, tr¹ng th¸i methyl hãa cña c¸c nucleotide, ®é Khe chÝnh C¸c cÆp Èm, hµm l−îng muèi, Khe chÝnh baz¬ nit¬ tÝnh −a n−íc, lùc ion xÕp chång ho¸, sù cã mÆt cña lªn nhau c¸c protein liªn kÕt ADN… mµ ph©n tö ADN sîi kÐp cã thÓ 34 Å Khe phô xuÊt hiÖn ë mét sè d¹ng cÊu h×nh kh«ng 3,4 Å gian kh¸c nhau. Trong ®ã, d¹ng cÊu Khe phô h×nh phæ biÕn nhÊt lµ d¹ng B (viÕt t¾t lµ B-ADN), ®©y chÝnh lµ m« h×nh ®−îc Watson vµ Crick m« 5’ 3’ t¶. Trong tÕ bµo sèng, phÇn lín ph©n H×nh 2.4. M« h×nh chuçi xo¾n kÐp ADN d¹ng B cña Watson vµ Crick (1953) 37

§inh §oµn Long tö ADN sîi kÐp ë d¹ng cÊu h×nh nµy, nh−ng khi ®é Èm gi¶m ®i (∼75%) th× cã thÓ cã sù h×nh thµnh cña cÊu h×nh d¹ng A (A-ADN); hoÆc nÕu trong m«i tr−êng cã hµm l−îng muèi cao hoÆc cã hiÖn t−îng methyl hãa cytosine, ph©n tö ADN cã thÓ cã cÊu h×nh hiÕm gÆp h¬n lµ d¹ng Z (Z-ADN cßn gäi lµ zigzag ADN; hay d¹ng S-ADN). §Æc ®iÓm cña mét sè d¹ng cÊu h×nh kh«ng gian cña ADN ®−îc m« t¶ trªn trªn h×nh 2.5 vµ b¶ng 2.3. A - ADN B - ADN C - ADN D - ADN Z - ADN H×nh 2.5. Mét sè d¹ng cÊu h×nh kh«ng gian cña ADN B¶ng 2.3. §Æc tÝnh cÊu h×nh kh«ng gian c¸c d¹ng A, B vµ Z cña ADN §Æc tÝnh D¹ng ADN AB Z ChiÒu quay cña chuçi xo¾n VÒ phÝa ph¶i VÒ phÝa ph¶i VÒ phÝa tr¸i §iÒu kiÖn h×nh thµnh Nång ®é muèi cao, §é Èm ~ 75% §é Èm ~ 92% hoÆc methyl hãa cytosine §−êng kÝnh (Å) 26 Å 20 Å 18 Å Sè cÆp baz¬ nit¬ trªn mét vßng xo¾n 11 10 12 Gãc nghiªng gi÷a hai cÆp baz¬ nit¬ kÕ tiÕp 33O 36O 60O §é cao theo trôc chuçi xo¾n cña mét cÆp baz¬ nit¬ (Å) 2,6 Å 3,4 Å 3,7 Å §é cao theo trôc chuçi xo¾n cña mét vßng xo¾n (Å) 28 Å 34 Å 45 Å §Æc ®iÓm khe chÝnh HÑp vµ s©u Réng vµ s©u Ph¼ng §Æc ®iÓm khe phô Réng vµ n«ng HÑp vµ s©u HÑp vµ s©u M« h×nh ADN cña Watson vµ Crick lµ chuçi xo¾n kÐp quay ph¶i gäi lµ d¹ng B. M« h×nh nµy cã mét sè ®Æc ®iÓm c¬ b¶n nh− sau: mçi vßng xo¾n gåm m−êi baz¬ nit¬ cã chiÒu dµi xÊp xØ 3,4 nm (kho¶ng c¸ch gi÷a hai baz¬ nit¬ kÕ tiÕp lµ xÊp xØ 0,34 nm). Ngoµi c¸c d¹ng cÊu h×nh A, B, Z, ®Õn nay cßn cã 18 d¹ng cÊu h×nh kh¸c cña ADN ®−îc m« t¶ (chØ cßn c¸c ch÷ c¸i F, Q, U, V vµ Y trong b¶ng ch÷ c¸i ch−a ®−îc dïng ®Ó m« t¶ c¸c d¹ng cÊu h×nh ADN). Trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa, d−êng nh− cã mét xu h−íng lµ c¬ thÓ mét loµi cµng cã cÊu t¹o phøc t¹p th× l−îng th«ng tin di truyÒn cµng lín vµ v× vËy l−îng ADN cã trong mçi tÕ bµo cña nã cµng lín (b¶ng 2.4). Theo xu h−íng nµy, l−îng ADN cã trong tÕ bµo ng−êi lín gÊp kho¶ng 800 lÇn so víi l−îng ADN cã trong vi khuÈn E. coli. Tuy vËy, khi xÐt chi tiÕt ®Õn tõng loµi, quy luËt nµy kh«ng hoµn toµn ®óng, ch¼ng h¹n nh− nhãm c¸ phæi cã l−îng ADN lín h¬n ng−êi nhiÒu. NghÞch lý nµy ®−îc gäi lµ nghÞch lý gi¸ trÞ C (xem thªm ch−¬ng 7). ë ng−êi, chiÒu dµi cña tÊt c¶ c¸c ph©n tö ADN trªn 46 nhiÔm s¾c thÓ cña mét tÕ bµo l−ìng béi nÕu duçi dµi ra cã kÝch th−íc kho¶ng 2 m víi trªn 6 tû cÆp baz¬ nit¬ (bp) trong mçi tÕ bµo. Chóng ta cã thÓ −íc tÝnh ®−îc kÝch th−íc vµ sè l−îng c¸c nucleotide cña 38

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein mét hÖ gen ng−êi dùa vµo cÊu h×nh kh«ng gian c¬ b¶n cña ADN sîi kÐp theo m« h×nh cña Watson vµ Crick víi mét sè th«ng sè c¬ b¶n nh− sau: 1g axit nucleic t−¬ng øng víi kho¶ng 2 x 1021 nucleotide. Mét bé nhiÔm s¾c thÓ ®¬n béi cña ng−êi (23 NST) chøa 3,2 x 10-12 g ADN. V× vËy, mçi tÕ bµo ®¬n béi ë ng−êi sÏ cã kho¶ng (2 x 1021) x (3,2 x 10-12) = 6,4 x 109 nucleotide. Nh−ng v× ADN cña chóng ta lµ sîi kÐp nªn sÏ cã 3,2 x 109 cÆp nucleotide. Víi tÕ bµo l−ìng béi (tÕ bµo soma, hay cßn gäi lµ tÕ bµo sinh d−ìng), l−îng ADN sÏ gÊp ®«i vµ do v hÖ gen tÕ bµo sinh d−ìng cña ng−êi cã kho¶ng 6 tû (6,4 x 109) cÆp nucleotide. B¶ng 2.4. Th«ng sè ADN trong tÕ bµo ®¬n béi cña mét sè loµi sinh vËt Loµi sinh vËt Hµm l−îng ADN Sè cÆp baz¬ nit¬ ChiÒu dµi (x 10-12g) (x 103) (µm) Virót 0,0000051 5,1 1,8 SV40 0,00011 110,0 38,0 Herpes simplex 0,000055 19,0 Phag¬ λ (lambda) 0,0002 55,0 69,0 Phag¬ T2, T4, T6 200,0 1620 Vi KHUÈN 0,0047 4700 2414 0,007 7000 Escherichia coli 0,002 2000 690 Staphyloccus aureus Streptococcus pneumoniae 0,245 245.000 84.483 NÊm men 7,5 7.500.000 2.586.000 1,2 1.200.000 413.790 Saccharomyces cerevisiae 0,18 180.000 62.070 Thùc vËt 6,5 6.500.000 2.241.380 1,3 1.300.000 Ng« 2,5 2.500.000 448.275 Thuèc l¸ 3,0 3.000.000 862.070 3,2 3.200.000 1.034.483 §éng vËt 102,0 102.000.000 1.103.448 3.517.241 Ruåi giÊm (D. melanogaster) Õch Gµ Chuét Gia sóc (tr©u, bß, ngùa) Ng−êi C¸ phæi 2.1.4.2. Thµnh phÇn vµ cÊu tróc cña ARN Ph©n tö ARN th−êng cã cÊu tróc mét m¹ch polynucleotide ®¬n duy nhÊt, ®−îc h×nh thµnh tõ bèn lo¹i ribonucleotide c¬ b¶n lµ A, G, C vµ U. Trªn cïng mét m¹ch, c¸c nucleotide còng liªn kÕt víi nhau qua liªn kÕt phosphodieste. §Õn nay, ng−êi ta ®· t×m thÊy nhiÒu lo¹i ARN víi chøc n¨ng kh¸c nhau, trong ®ã cã 3 lo¹i quan träng vµ phæ biÕn nhÊt lµ mARN (ARN th«ng tin, messeger RNA), tARN (ARN vËn chuyÓn, transfer RNA) vµ rARN (ARN ribosome, ribosomal RNA). a) ARN th«ng tin (mARN) Ph©n tö mARN cã cÊu tróc mét m¹ch ®¬n lµ b¶n phiªn m· tr×nh tù cña gen (thùc tÕ cã tr×nh tù gièng víi m¹ch mang nghÜa trªn ph©n tö ADN m· hãa cho chuçi polypeptide t−¬ng øng). Lo¹i ARN nµy chiÕm kho¶ng 2 - 5 % tæng l−îng ARN cña tÕ bµo. 39

§inh §oµn Long ë sinh vËt nh©n s¬, phÇn lín mARN lµ b¶n sao nguyªn vÑn tr×nh tù nucleotide ®−îc h×nh thµnh sau qu¸ tr×nh phiªn m· tõ ph©n tö ADN, ®ång thêi ®−îc sö dông ngay lµm khu«n ®Ó dÞch m· tæng hîp protein. Cßn ë sinh vËt nh©n thËt, hÇu hÕt c¸c ph©n tö mARN ®−îc h×nh thµnh sau phiªn m· cßn ph¶i tr¶i qua mét giai ®o¹n hoµn thiÖn (cßn gäi lµ sù chÕ biÕn ARN) trong nh©n tÕ bµo. Qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN gåm 3 sù kiÖn c¬ b¶n: 1) l¾p “mò” 7mG (7-methylguanidine triphosphate) vµo ®Çu 5’ tËn cïng cña ph©n tö mARN tiÒn th©n (tiÒn-mARN); 2) C¾t bá c¸c ®o¹n tr×nh tù kh«ng m· ho¸ (intron) vµ ghÐp nèi c¸c ®o¹n tr×nh tù m· ho¸ (exon) víi nhau; 3) l¾p ghÐp vµo phÇn ®u«i ph©n tö mARN b»ng tr×nh tù polyA (tr×nh tù chøa tõ vµi chôc ®Õn hµng tr¨m adenine liªn tiÕp). S¶n phÈm h×nh thµnh sau qu¸ tr×nh hoµn thiÖn nµy lµ ph©n tö mARN hoµn chØnh, s½n sµng cho qu¸ tr×nh dÞch m· (tæng hîp protein) diÔn ra ë tÕ bµo chÊt. KÝch th−íc cña sîi mARN th−êng dµi tõ 900 ®Õn 1200 ribonucleotide, khèi l−îng trung b×nh kho¶ng tõ 3x105 ®Õn 4x106 Da víi hÖ sè l¾ng dao ®éng trong kho¶ng tõ 6S ®Õn 25S. ë sinh vËt nh©n thËt, phÇn lín c¸c ph©n tö mARN ®−îc tæng hîp tõ trong nh©n tÕ bµo, chØ trõ mét sè Ýt ®−îc tæng hîp tõ c¸c gen trong ti thÓ vµ l¹p thÓ. b) ARN vËn chuyÓn (tARN) Hµm l−îng ARN vËn chuyÓn (tARN) trong tÕ bµo chiÕm kho¶ng 10 - 15% tæng l−îng ARN. Ph©n tö tARN th−êng lµ mét m¹ch polynucleotide ng¾n, chøa tõ 75 ®Õn 95 ribonucleotide, khèi l−îng ph©n tö kho¶ng 23 - 30 kDa (1 kDa = 1.000 Da), hÖ sè l¾ng lµ 4S. CÊu tróc tARN ®iÓn h×nh gåm 1 m¹ch polynucleotide cuén xo¾n d¹ng l¸ ph©n thïy (h×nh 2.6), trong ®ã cã mét vµi ®o¹n xo¾n kÐp do c¸c ribonuclotide liªn kÕt bæ sung theo nguyªn t¾c Chargaff. Trong cÊu tróc nµy, tARN cã mét thuú tiÕp nhËn axit amin (th«ng qua liªn kÕt céng ho¸ trÞ) cã ®Çu tËn cïng lu«n lµ tr×nh tù CCA. Thuú ®èi m· mang bé ba ®èi m· phï hîp víi m· bé ba trªn ph©n tö mARN lµm m¹ch khu«n trong qu¸ tr×nh dÞch m·. Ngoµi ra cßn cã 1 hoÆc 2 thuú phô tïy vµo tõng lo¹i tARN. Tuy ®Õn nay vai trß cña c¸c thuú phô ch−a râ, nh−ng d−êng nh− chóng cã vai trß lµm t¨ng tÝnh æn ®Þnh cña c¸c ph©n tö tARN. Mçi lo¹i tARN cã vai trß (A) 3’ OH VÞ trÝ g¾n axit amin vËn chuyÓn mét lo¹i ThïyVDßn(gDDHU) A axit amin duy nhÊt. C Nh−ng mét axit amin cã thÓ ®−îc PC vËn chuyÓn bëi 5’ nhiÒu lo¹i tARN Thïy nhËn axit amin VThßïnyg TΨΨCC kh¸c nhau. §Õn nay, VTßhnïgy TTΨΨCC 5’ ®· cã trªn 300 lo¹i 3’ ph©n tö tARN kh¸c T ΨC nhau ®−îc x¸c ®Þnh VßnTghhïayy gi÷ vai trß vËn biÕbnÊt®®æÞinh chuyÓn 20 lo¹i axit amin c¬ b¶n. MÆc dï ®§TèhèiVïimßmyn··g TVhßïnyg D c¸c ph©n tö tARN cã (DHU) thÓ kh¸c nhau ®«i (B) Bé ba ®èi m chót vÒ sè l−îng c¸c (AHH) ××CnnÊhhu21t..r66ó..cCCmÊʹuuchhtr×ónpohclypprhhibææonbbuiiÕÕcnlneocctññidaaettAdA¹RRnNNg..l¸ Bé ba ®èi m ribonucleotide, nh−ng chóng cã mét sè ®Æc ph©(nA)thCïÊyu, (tBró)cCmÊu¹chh×nphoklyhr«ibnognguiacnleoht×nithdt¹hnµgnhl¸do ®iÓm cÊu h×nh phc©hnunçhi ¸pnolhy,ri(bBo)nuCcÊleuotridóec gkÊhp«nngÕpgivaµnxho×n¾hn tl¹hiµ. nh do chuçi polyribonucleotit gÊp nÕp vµ xo¾n l¹i 40

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein chung. Theo ®ã, c¸c ph©n tö tARN ®Òu lµ c¸c chuçi polynucleotide m¹ch ®¬n, tù cuén xo¾n bëi c¸c liªn kÕt hydro h×nh thµnh gi÷a c¸c nuleotide bªn trong sîi kÓ tõ ®Çu 5’, ®ång thêi cã mét sè ®Æc ®iÓm: 1) Cã mét nhãm monophosphate ë ®Çu 5’; 2) Mét cÊu tróc thïy DHU (cßn gäi t¾t lµ thïy DHU) mang baz¬ nit¬ hiÕm gÆp dihydrouridin (DHU); 3) Mét cÊu tróc thïy mang bé ba ®èi m·, gióp “dÞch” m· bé ba trªn mARN ®−îc gäi lµ “thïy ®èi m·”; 4) Mét cÊu tróc thïy bÊt ®Þnh, th−êng cã sè nucleotide rÊt kh¸c nhau (tõ 3 ®Õn 21 nucleotide) ë c¸c lo¹i ph©n tö tARN kh¸c nhau; 5) CÊu tróc thïy TΨC mang baz¬ nit¬ hiÕm gÆp pseudouridin (kÝ hiÖu Ψ, hoÆc ΨU); 6) PhÇn th©n cña thïy nhËn axit amin th−êng gåm 7 cÆp baz¬ nit¬ liªn kÕt bæ sung, trong ®ã cã thÓ cã mét cÆp liªn kÕt bÊt th−êng gi÷a G vµ U; 7) Mét tr×nh tù gåm 3 nucleotide tËn cïng ®Çu 3’ lu«n lµ CCA t×m thÊy ë tÊt c¶ c¸c lo¹i tARN, trong ®ã nhãm –OH cña A t¹i ®Çu 3’ tËn cïng chÝnh lµ vÞ trÝ g¾n axit amin nhê ho¹t ®éng xóc t¸c cña enzym aminoacyl-tARN synthetase. Enzym nµy gióp l¾p ghÐp chÝnh x¸c tõng lo¹i axit amin vµo ph©n tö tARN t−¬ng øng vËn chuyÓn nã. Phøc hîp tARN sau khi l¾p ghÐp víi axit amin ®−îc gäi lµ aminoacyl-tARN (viÕt t¾t lµ AA-tARN). c) ARN ribosome (rARN) ARN ribosome (rARN) chiÕm kho¶ng 80% tæng l−îng ARN trong tÕ bµo. rARN th−êng cã cÊu tróc d¹ng m¹ch ®¬n polyribonuleotide víi nhiÒu khóc cuén, chøa tõ d−íi 100 ®Õn 1500 ribonucleotide. C¸c rARN kÕt hîp víi mét sè ph©n tö protein ®Æc biÖt t¹o thµnh c¸c ribosome. Ribosome cã cÊu t¹o gåm hai tiÓu phÇn, gäi lµ tiÓu phÇn nhá vµ tiÓu phÇn lín. Trong qu¸ tr×nh dÞch m· hai tiÓu phÇn cña rib«x«m kÕt hîp víi nhau t¹o thµnh phøc hÖ ribosome hoµn chØnh cã ho¹t tÝnh dÞch m·. Khi kÕt thóc dÞch m·, hai tiÓu phÇn l¹i t¸ch nhau ra vµ tån t¹i riªng rÏ, lóc nµy chóng kh«ng cã ho¹t tÝnh dÞch m·. B¶ng 4.4 liÖt kª c¸c thµnh phÇn cÊu t¹o cña ribosome ë c¸c sinh vËt kh¸c nhau. ë sinh vËt nh©n thËt, ribosome ë tÕ bµo chÊt cã hÖ sè l¾ng lµ 80S. Trong ®ã, tiÓu phÇn nhá cã hÖ sè l¾ng lµ 40S ®−îc cÊu t¹o tõ mét ph©n tö rARN 18S vµ kho¶ng 35 ph©n tö protein cÊu tróc; cßn tiÓu phÇn lín cã hÖ sè l¾ng lµ 60S ®−îc cÊu t¹o tõ 3 ph©n tö rARN víi hÖ sè l¾ng lµ 5S, 5,8S vµ 28S kÕt hîp víi kho¶ng 50 ph©n tö protein cÊu tróc. Nh− vËy, sinh vËt nh©n thËt cã 4 lo¹i rARN. ë sinh vËt nh©n s¬, ribosome cã hÖ sè l¾ng lµ 70S, còng gåm hai tiÓu phÇn. TiÓu phÇn nhá cã hÖ sè l¾ng lµ 30S ®−îc cÊu t¹o tõ mét ph©n tö rARN 16S vµ 21 ph©n tö protein cÊu tróc; tiÓu phÇn lín cã hÖ sè l¾ng lµ 50S gåm hai ph©n tö rARN cã hÖ sè l¾ng lµ 5S vµ 23S kÕt hîp víi 31 ph©n tö protein cÊu tróc. Nh− vËy, sinh vËt nh©n s¬ cã 3 lo¹i rARN. d) C¸c lo¹i ARN kh¸c Trong tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, cßn cã mét sè ARN cã kÝch th−íc nhá chØ chøa kho¶ng 90 - 300 ribonucleotide ®−îc gäi lµ c¸c snARN (small nuclear RNA). C¸c ph©n tö snARN kh«ng tham gia vµo qu¸ tr×nh phiªn m·, mµ thay vµo ®ã, nã kÕt hîp víi mét sè protein ®Æc thï ®Ó t¹o nªn phøc hîp tham gia vµo viÖc c¾t c¸c intron vµ nèi c¸c exon trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn ph©n tö mARN, phøc hîp nµy ®−îc gäi lµ phøc hÖ c¾t intron (spliceosome). Ngoµi snARN, mét sè lo¹i ARN kÝch th−íc nhá cã ho¹t tÝnh gièng enzym gäi lµ ribozyme. Ribozyme thùc chÊt lµ c¸c ph©n tö ARN kÝch th−íc nhá (th−êng chØ chøa kho¶ng 40 - 50 ribonucleotide), cã tr×nh tù ®Æc hiÖu vµ cã kh¶ n¨ng xóc t¸c viÖc c¾t c¸c ph©n tö ARN ë mét sè vÞ trÝ nhÊt ®Þnh. Ngoµi ra, trong tÕ bµo cßn cã mét sè lo¹i ARN kh¸c nh− SRP ARN (signal recognition particle RNA, cßn gäi lµ ARN nhËn biÕt tÝn hiÖu), snoARN (small nucleolar RNA, cßn gäi lµ ARN h¹ch nh©n), c¸c ARN tham gia 41

§inh §oµn Long ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña gen (siARN vµ miARN). Môc 2.1.5.2 ®Ò cËp ®Õn chøc n¨ng cña c¸c ARN nµy. 2.1.4.3. Mét sè tÝnh chÊt cña axit deoxyribonucleic a) TÝnh chÊt biÕn tÝnh vµ håi tÝnh Ph©n tö ADN sîi kÐp bÞ biÕn tÝnh (t¸ch thµnh hai m¹ch ®¬n) khi nhiÖt ®é m«i tr−êng t¨ng cao, hoÆc khi trong m«i tr−êng cã mét sè yÕu tè g©y biÕn tÝnh nh− kiÒm, urª,... C¸c yÕu tè g©y ra hiÖn t−îng trªn ®©y ®−îc gäi lµ c¸c yÕu tè g©y biÕn tÝnh ADN. Trong tr−êng hîp yÕu tè g©y biÕn tÝnh lµ nhiÖt ®é, th× nhiÖt ®é ë ®ã mét nöa sè ph©n tö ADN sîi kÐp bÞ t¸ch hoµn toµn thµnh hai m¹ch ®¬n ®−îc gäi lµ nhiÖt ®é nãng ch¶y, ký hiÖu lµ Tm (melting temperature). §èi víi mçi ph©n tö ADN, gi¸ trÞ Tm phô thuéc vµo thµnh phÇn, tØ lÖ vµ vÞ trÝ s¾p xÕp cña c¸c cÆp nucleotide trong ph©n tö ADN. Trong ph©n tö ADN cã tû lÖ G ≡ C cµng cao th× gi¸ trÞ Tm cµng lín vµ ng−îc l¹i. Ngoµi ra, nÕu ph©n tö ADN cã sè ®o¹n tr×nh tù lÆp l¹i liªn tôc cµng nhiÒu th× nhiÖt ®é biÕn tÝnh Tm còng cµng cao. Ng−êi ta −íc tÝnh nÕu sè liªn kÕt G ≡ C trong ph©n tö ADN gi¶m ®i 1%, th× nhiÖt ®é biÕn tÝnh Tm gi¶m ®i 0,4oC. Trong ®iÒu kiÖn b×nh th−êng, Tm cña mét phÇn tö ADN th−êng trong kho¶ng 85 - 95oC. §Ó −íc tÝnh nhiÖt ®é biÕn tÝnh (Tm) cña mét ph©n tö ADN cã kÝch th−íc ng¾n h¬n hoÆc b»ng 25bp1 (base pairs = cÆp baz¬ nit¬), ng−êi ta th−êng dïng c«ng thøc cña Wallace (1989): Tm = 2oC x (A + T) + 4oC x (G + C) trong ®ã, (A + T) vµ (G + C) lµ sè cÆp baz¬ nit¬ t−¬ng øng cã trong ph©n tö ADN. Cßn ®èi víi ph©n tö ADN dµi h¬n 25bp, Tm cã thÓ ®−îc −íc tÝnh theo c«ng thøc cña Meinkoth - Wahl (1989): Tm = 81,5oC + 16,6 (log10[Na+]) + 0,41(%[G+C]) - (500/n) - 0,61 (%FA). trong ®ã [Na+] lµ nång ®é Na+. [Na+] cµng cao, gi¸ trÞ Tm −íc l−îng cµng thiÕu chÝnh x¸c; n lµ chiÒu dµi chuçi ADN ®−îc nh©n b¶n; FA = formamide. Sau khi bÞ biÕn tÝnh, nÕu nh− c¸c t¸c nh©n g©y biÕn tÝnh bÞ lo¹i khái m«i tr−êng th× ph©n tö ADN sîi kÐp cã kh¶ n¨ng håi tÝnh. Lóc nµy, hai m¹ch ®¬n ®· t¸ch nhau ra trong qu¸ tr×nh biÕn tÝnh sÏ liªn kÕt trë l¹i theo nguyªn t¾c Chargaff ®Ó h×nh thµnh nªn cÊu tróc chuçi xo¾n kÐp. Tuy vËy, nÕu nhiÖt ®é h¹ qu¸ ®ét ngét, sù håi tÝnh cã thÓ kh«ng diÔn ra. Lóc ®ã, ph©n tö ADN sÏ ë d¹ng v« ®Þnh h×nh hoÆc cã cÊu tróc rèi lo¹n do c¸c m¹ch ®¬n bÞ ®øt ë nhiÒu ®iÓm. Mét sè t¸c nh©n ho¸ häc g©y biÕn tÝnh ADN còng cã thÓ lµm c¸c ph©n tö ADN bÞ biÕn tÝnh vÜnh viÔn, nghÜa lµ chóng kh«ng thÓ trë vÒ tr¹ng th¸i xo¾n kÐp ban ®Çu, kÓ c¶ khi t¸c nh©n g©y biÕn tÝnh ®· ®−îc lo¹i bá. §Æc ®iÓm biÕn tÝnh cña ADN ®−îc øng dông trong viÖc ph¸t minh ra m¸y nh©n gen PCR (polymerase chain reaction). §©y lµ ph−¬ng ph¸p nh©n b¶n c¸c ®o¹n tr×nh tù ADN trong ®iÒu kiÖn invitro vµ nay ®· trë thµnh mét ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu ®Çu tay trong c¸c lÜnh vùc nghiªn cøu di truyÒn, kü thuËt gen vµ c«ng nghÖ ADN t¸i tæ hîp. C¸c ph©n tö ADN kh«ng bÞ biÕn tÝnh (d¹ng sîi kÐp) cã ®Æc tÝnh hÊp thô ¸nh s¸ng UV thÊp h¬n so víi d¹ng ADN bÞ biÕn tÝnh (d¹ng m¹ch ®¬n). Nãi c¸ch kh¸c, khi nhiÖt ®é cµng t¨ng, mËt ®é quang häc hÊp thô ë b−íc sãng 260nm (kÝ hiÖu A260 hoÆc OD260) cña ADN cµng t¨ng. HiÖn t−îng nµy cßn ®−îc gäi lµ sù t¨ng s¾c c¶m. Trªn c¬ së nµy, ng−êi ta cã thÓ sö dông quang phæ kÕ ®Ó theo dâi qu¸ tr×nh biÕn tÝnh vµ håi tÝnh cña ADN. §ång thêi, dùa vµo chØ sè OD260, ng−êi ta −íc tÝnh ®−îc hµm l−îng ADN còng nh− møc ®é lÆp l¹i liªn tiÕp cña c¸c nucleotide trong mét ph©n tö ADN hay hÖ gen nµo ®ã (xem thªm ch−¬ng 11, môc 11.2.2). 1 bp (base pair = cÆp baz¬ nit¬) vµ kb (kilobase pair = 1000 bp) lµ ®¬n vÞ ®o kÝch th−íc c¸c ®o¹n ph©n tö ADN. 42

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein b) C¸c baz¬ nit¬ cã thÓ “v¨ng” ra ngoµi chuçi xo¾n kÐp TÝnh chÊt hãa n¨ng cña chuçi xo¾n kÐp ADN Baz¬ nit¬ “−u tiªn” cho sù kÕt cÆp gi÷a mét baz¬ trªn m¹ch \"v¨ng\" ra polynucleotide nµy víi mét baz¬ bæ sung víi nã trªn m¹ch ®èi diÖn. Tuy nhiªn, ®«i khi mét baz¬ ®¬n lÎ cã thÓ bÞ “v¨ng” ra ngoµi chuçi xo¾n kÐp nh− minh häa trªn h×nh 2.7. ë ch−¬ng 6, chóng ta sÏ gÆp mét sè enzym cã chøc n¨ng methyl hãa hoÆc söa ch÷a ADN. Nh÷ng enzym nµy cã thÓ thùc hiÖn ®−îc c¸c chøc n¨ng cña chóng lµ nhê c¸c baz¬ cã thÓ \"v¨ng\" ra ngoµi khung ®−êng – phosphate cña chuçi xo¾n vµ ¸p s¸t vÞ trÝ xóc t¸c cña c¸c enzym. Ngoµi ra, ng−êi ta cho r»ng c¸c enzym liªn quan ®Õn t¸i tæ hîp t−¬ng ®ång vµ söa ch÷a ADN còng cÇn c¸c baz¬ \"v¨ng\" ra, khi c¸c enzym nµy tr−ît däc ph©n tö ADN ®Ó ph¸t hiÖn c¸c tr×nh tù t−¬ng ®ång vµ c¸c nucleotide sai háng. Qu¸ tr×nh nµy kh«ng tèn nhiÒu n¨ng l−îng v× mçi lÇn chØ cã mét baz¬ “v¨ng” ra. Nh− vËy, cÊu h×nh ADN kh«ng hÒ cøng nh¾c nh− c¸c m« h×nh th−êng ®−îc vÏ trong c¸c s¸ch gi¸o khoa. c) ADN cã thÓ ë d¹ng sîi ®¬n hay sîi kÐp, m¹ch th¼ng hay vßng H×nh 2.7. Baz¬ nit¬ cã thÓ bÞ “v¨ng” ra Cã thêi ng−êi ta tõng cho r»ng ADN chØ cã ë ngoµi trong cÊu tróc xo¾n kÐp ADN. d¹ng m¹ch th¼ng víi hai ®Çu tù do. ë sinh vËt nh©n Ng−êi ta cho r»ng ®iÒu nµy lµ cÇn thiÕt ®Ó c¸c ho¹t ®éng t¸i tæ hîp ADN, methyl hãa thËt, thùc tÕ mçi NST lµ mét ph©n tö ADN duy nhÊt, baz¬ nit¬ (nh− cytosine vµ adenine) vµ söa m¹ch th¼ng vµ dµi. Tuy vËy, trong tù nhiªn, ADN ch÷a ADN cã thÓ diÔn ra. Trªn h×nh, baz¬ còng tån t¹i ë d¹ng m¹ch vßng. Ch¼ng h¹n nh−, hÖ nit¬ v¨ng ra lµ cytosine. gen virut SV40 g©y bÖnh ë khØ lµ mét ph©n tö ADN sîi kÐp, m¹ch th¼ng chøa kho¶ng 5000 bp. T−¬ng tù nh− vËy, phÇn lín (nh−ng kh«ng ph¶i tÊt c¶) nhiÔm s¾c thÓ vi khuÈn th−êng ë d¹ng m¹ch vßng. Ch¼ng h¹n nh−, hÖ gen E. coli lµ mét ph©n tö ADN sîi kÐp, m¹ch vßng chøa kho¶ng 5 triÖu bp. Ngoµi ra, nhiÒu lo¹i vi khuÈn cßn cã vËt chÊt di truyÒn bæ sung lµ c¸c plasmid th−êng ë d¹ng ADN sîi kÐp, m¹ch vßng. Trong tù nhiªn, ®iÒu lý thó lµ cã mét sè ph©n tö ADN cã lóc ë d¹ng m¹ch th¼ng, cã lóc ë d¹ng m¹ch vßng. VÝ dô ®iÓn h×nh vÒ ®iÒu nµy lµ phag¬ λ. Khi ®ãng gãi trong h¹t virut, ADN cña virut nµy ë d¹ng sîi kÐp, m¹ch th¼ng. Nh−ng khi l©y nhiÔm vµo E. coli, nhê ph©n tö ADN cña nã cã hai ®Çu dÝnh (vÞ trÝ cos, xem thªm ch−¬ng 3) vµ sù cã mÆt cña enzym E. coli ADN ligase, ADN cña virut chuyÓn sang d¹ng sîi kÐp, m¹ch vßng. d) CÊu h×nh kh«ng gian cña ADN V× ADN lµ mét ph©n tö cã cÊu tróc linh ho¹t, nªn c¸c th«ng sè h×nh häc cña nã thùc tÕ cßn phô thuéc vµo m«i tr−êng xung quanh, bao gåm møc ®é ion hãa, tr¹ng th¸i liªn kÕt víi c¸c protein cÊu tróc chÊt nhiÔm s¾c (nh− c¸c histon) hoÆc c¸c protein ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen (kÓ c¶ c¸c enzym nh− ARN polymerase) v.v... Do ®Çu tËn cïng cña ph©n tö ADN m¹ch th¼ng tù do, nªn c¸c m¹ch ADN cã thÓ quay tù do vµ sè lÇn c¸c m¹ch cã thÓ vÆn xo¾n quanh nhau d−êng nh− kh«ng h¹n chÕ. Nh−ng nÕu c¶ hai m¹ch cña chuçi xo¾n kÐp ADN cã ®Çu tËn cïng liªn kÕt céng hãa trÞ h×nh thµnh d¹ng m¹ch vßng vµ kh«ng cã sù “®øt qu·ng” cña khung ®−êng – phosphate, th× sè lÇn c¸c m¹ch cã thÓ quÊn quanh nhau bÞ giíi h¹n. Sù giíi h¹n nµy ®−îc gäi lµ “sù cøng nh¾c h×nh häc cña ADN”. Sù cøng nh¾c h×nh häc thùc tÕ còng x¶y ra víi c¸c ph©n tö ADN m¹ch th¼ng, do c¸c ph©n tö nµy th−êng rÊt dµi vµ th−êng xuyªn ë tr¹ng th¸i liªn kÕt víi c¸c protein vµ c¸c thµnh phÇn kh¸c trong tÕ bµo. Dï cã sù cøng nh¾c h×nh häc, nh−ng ADN l¹i liªn tôc tham gia vµo c¸c 43

§inh §oµn Long qu¸ tr×nh cã tÝnh n¨ng ®éng cao, nh− Topoisomerase I sù sao chÐp vµ phiªn m·. ë ch−¬ng 5, chóng ta sÏ thÊy sù thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian cña ADN lµ mét c¬ chÕ quan träng ®iÒu hßa sù biÓu hiÖn gen. §èi víi mét ph©n tö ADN sîi kÐp C¾t mét m¹ch ADN m¹ch vßng, còng nh− ë ®o¹n gi÷a mét ph©n tö ADN dµi m¹ch th¼ng, trong ®iÒu kiÖn sinh lý, ®Ó t¸ch hai m¹ch ®¬n khái nhau, b−íc ®Çu tiªn cña viÖc níi láng ph©n tö ADN lµ cÇn ph¶i c¾t “t¹m thêi” Ýt nhÊt mét liªn kÕt céng hãa trÞ trªn khung ®−êng - phosphate, råi sau ®ã khung nµy ®−îc nèi l¹i víi nhau. Ho¹t ®éng “c¾t - nèi” nh− vËy ®−îc thùc hiÖn bëi nhãm c¸c enzym gäi lµ topoisomerase. Cã hai kiÓu topoisomerase. Topoisomerase kiÓu II (vÝ dô: ADN gyrase ë E. coli) c¾t ADN trªn c¶ hai m¹ch (sè lÇn “c¾t - nèi” lµ sè ch½n), råi Nèi l¹i sau ®ã nèi chóng trë l¹i víi nhau. Ho¹t ®éng xóc t¸c cña Topoisomerase II cÇn n¨ng l−îng tõ ATP. Ng−îc l¹i, H×nh 2.8. C¸c enzym topoisomerase dïng liªn kÕt céng topoisomerase kiÓu I chØ xóc t¸c ph¶n øng c¾t - nèi trªn m¹ch ®¬n ADN, hãa trÞ “Tyrosine – ” ®Ó c¾t vµ nèi l¹i m¹ch ADN. vµ kh«ng cÇn dïng n¨ng l−îng tõ ATP. VËy, b»ng c¸ch nµo topoisomerase cã thÓ níi láng ph©n tö ADN vµ thóc ®Èy ho¹t ®éng sèng cña ADN mét c¸ch chÝnh x¸c vµ hµi hßa? C©u hái nµy phÇn nµo ®−îc gi¶i thÝch d−íi ®©y. e) Topoisomerase dïng liªn kÕt céng hãa trÞ ®Ó \"c¾t\" vµ \"nèi l¹i\" c¸c m¹ch ADN §Ó thùc hiÖn chøc n¨ng cña m×nh, c¸c enzym topoisomerase ph¶i c¾t mét hoÆc c¶ hai m¹ch cña ph©n tö ADN råi nèi chóng l¹i víi nhau. C¸c enzym topoisomerase còng cã thÓ thóc ®Èy c¶ hai ho¹t ®éng “c¾t” vµ “nèi” ADN mµ kh«ng nhÊt thiÕt cÇn n¨ng l−îng tõ ATP hoÆc sù hç trî nµo tõ c¸c lo¹i protein nµo kh¸c. §ã lµ v× chóng cã mét c¬ chÕ “t¹o cÇu liªn kÕt céng hãa trÞ trung gian”. M¹ch ADN sÏ ®−îc “c¾t” khi axit amin tyrosine (Tyr) t¹i vÞ trÝ ho¹t hãa cña enzym tiÕp cËn liªn kÕt phosphodieste trªn khung ®−êng - phosphate cña ®o¹n ADN ®Ých (h×nh 2.8). Lóc nµy, m¹ch ADN bÞ \"c¾t\" sÏ cã mét ®Çu cña nã ®−îc nèi víi nhãm -OH thuéc gèc R trong axit amin Tyr cña enzym qua liªn kÕt céng hãa trÞ -Tyr. §Çu thø hai cña m¹ch ADN võa ®øt sÏ h×nh thµnh gèc -OH tù do; ®Çu nµy ®−îc ®Ýnh \"chÆt\" vµo enzym. Liªn kÕt -Tyr b¶o tån ®−îc n¨ng l−îng gi¶i phãng ra tõ liªn kÕt phosphodieste võa ®øt g·y. Nhê vËy, m¹ch ADN cã thÓ ®−îc nèi l¹i \"tù ph¸t\" b»ng mét ph¶n øng ng−îc víi ph¶n øng \"c¾t\", mµ kh«ng cÇn dïng thªm n¨ng l−îng tõ ph¶n øng thñy ph©n ATP. Nh− ®Ò cËp ë trªn, ho¹t ®éng cña topoisomerase II cÇn n¨ng l−îng tõ ATP, nh−ng cã lÏ n¨ng l−îng nµy cÇn cho sù thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian cña phøc hÖ ADN-topoisomerase, chø kh«ng ph¶i cho chÝnh ph¶n øng \"c¾t\" vµ \"nèi l¹i\". Mét ®iÓm ®¸ng l−u ý lµ gi÷a hai ph¶n øng \"c¾t\" vµ \"nèi l¹i\", mét m¹ch ADN ®−îc topoisomerase ®Èy qua m¹ch cßn l¹i t¹i vÞ trÝ \"c¾t\". Ho¹t ®éng nµy diÔn ra ®−îc lµ nhê cÊu h×nh ®Æc biÖt cña topoisomerase. H×nh 2.9 (trang sau) minh häa c¬ chÕ ho¹t ®éng cña topoisomerase I. 44

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein Topoisomerase I 3' ADN 5' C¾t vµ më §Èy mét m¹ch Nèi l¹i m¹ch ®· \"cæng\" qua \"cæng\" c¾t, råi rêi ADN H×nh 2.9. M« h×nh c¸c b−íc cña ph¶n øng “c¾t” vµ “nèi l¹i” m¹ch ®¬n ADN cña topoisomerase I f) C¸c ®ång ph©n h×nh häc cña ADN cã thÓ ph©n t¸ch b»ng ®iÖn di C¸c ph©n tö ADN sîi kÐp m¹ch vßng cã thÓ cã chiÒu dµi gièng nhau nh−ng sè l−îng vÞ trÝ \"v¾t xo¾n\" qua nhau cña ph©n tö ADN sîi kÐp (vÝ dô do ho¹t ®éng cña topoisomerase) cã thÓ kh¸c nhau. Sù kh¸c biÖt vÒ h×nh häc nh− vËy ®−îc gäi lµ c¸c d¹ng ®ång ph©n h×nh häc cña ADN. Dï kh«ng kh¸c nhau vÒ khèi l−îng ph©n tö, c¸c d¹ng ®ång ph©n h×nh häc cña ADN cã tèc ®é di chuyÓn trªn tr−êng ®iÖn di (agarose) kh¸c nhau. C¸c d¹ng ®ång ph©n h×nh häc cña ADN cã sè vÞ trÝ \"v¾t xo¾n\" cµng nhiÒu, th× møc ®é \"®ãng xo¾n\" cµng chÆt, vµ chóng di chuyÓn cµng nhanh trªn tr−êng ®iÖn di. H×nh 2.10 minh häa tèc ®é di chuyÓn trªn tr−êng ®iÖn di cña c¸c d¹ng ®ång ph©n h×nh häc kh¸c nhau cña mét ph©n tö ADN sîi kÐp, m¹ch vßng. g) Cation ethidium lµm gi·n xo¾n ADN Ethidium lµ mét cation ph¼ng, kÝch H×nh 2.10. Sù ph©n t¸ch trªn tr−êng ®iÖn di cña th−íc lín. Nhê cÊu h×nh ph¼ng, ethidium cã c¸c d¹ng ®ång ph©n h×nh häc ADN. Lµn A minh thÓ cµi vµo kho¶ng kh«ng gi÷a hai líp baz¬ häa ph©n tö ADN d¹ng gi·n xo¾n (kh«ng cã sù \"v¾t nit¬ kÕ tiÕp xÕp chång lªn nhau trong ph©n tö xo¾n\") hoÆc bÞ \"®øt\" mét m¹ch. Lµn B minh häa ADN. Do cã tÝnh chÊt ph¸t quang d−íi ®Ìn ph©n tö ADN ë d¹ng m¹ch th¼ng. Lµn C lµ d¹ng UV víi c−êng ®é ph¸t s¸ng t¨ng lªn sau khi cµi vµo ADN, nªn thuèc nhuém ethidium ADN m¹ch vßng ë tr¹ng th¸i siªu xo¾n (cã nhiÒu ®−îc dïng réng r·i ®Ó nhuém ADN. Khi cÊu tróc \"v¾t xo¾n\"). Lµn D lµ thang ph©n biÖt c¸c d¹ng ®ång ph©n h×nh häc. ethidium cµi vµo gi÷a hai baz¬ nit¬, nã lµm gãc quay gi÷a hai cÆp baz¬ liÒn kÒ gi¶m 26o (nghÜa lµ gãc quay th«ng th−êng lµ 36o sÏ gi¶m xuèng cßn 10o). Nh− vËy, ethidium cã t¸c dông \"gi·n xo¾n\" ADN. Mµ, nh− ®· nªu ë trªn, møc ®é gi·n xo¾n ADN cã ¶nh h−ëng ®Õn tèc ®é di chuyÓn cña nã trªn tr−êng ®iÖn di. ThÕ nªn, trong m«i tr−êng b·o hßa ethidium, ADN cã xu h−íng di chuyÓn chËm h¬n so víi trong m«i tr−êng kh«ng b·o hßa ethidium. 2.1.5. Chøc n¨ng sinh häc cña c¸c axit nucleic 2.1.5.1. Chøc n¨ng sinh häc cña ADN ë phÇn lín c¸c loµi sinh vËt (chØ trõ mét sè virut), ADN cã chøc n¨ng lµ vËt chÊt mang th«ng tin di truyÒn. §Ó ®¶m nhiÖm chøc n¨ng nµy, ADN cã bèn ®Æc tÝnh c¬ b¶n sau: 1. Cã kh¶ n¨ng l−u gi÷ th«ng tin ë d¹ng bÒn v÷ng cÇn cho viÖc cÊu t¹o, sinh s¶n vµ ho¹t ®éng cña tÕ bµo. 45

§inh §oµn Long 2. Cã kh¶ n¨ng sao chÐp chÝnh x¸c ®Ó th«ng tin di truyÒn cã thÓ ®−îc truyÒn tõ thÕ hÖ nµy sang thÕ hÖ kÕ tiÕp th«ng qua qu¸ tr×nh ph©n bµo hay qu¸ tr×nh sinh s¶n. 3. Th«ng tin chøa ®ùng trong vËt chÊt di truyÒn ph¶i ®−îc dïng ®Ó t¹o ra c¸c ph©n tö cÇn cho cÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña tÕ bµo. 4. VËt liÖu di truyÒn cã kh¶ n¨ng biÕn ®æi, nh−ng nh÷ng thay ®æi nµy (®ét biÕn) chØ x¶y ra ë tÇn sè thÊp. Trong c¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, phÇn lín c¸c th«ng tin di truyÒn cÇn thiÕt cña tÕ bµo ®−îc l−u gi÷ trong nh©n, chØ mét phÇn ®−îc l−u gi÷ trong ti thÓ (c¬ quan tö cã vai trß h« hÊp tÕ bµo, tæng hîp ra phÇn lín ATP) hoÆc l¹p thÓ (c¬ quan quang hîp ë thùc vËt). ë ch−¬ng 3, chóng ta sÏ ®Ò cËp kü h¬n vÒ qu¸ tr×nh truyÒn th«ng tin di truyÒn tõ vËt chÊt di truyÒn (ADN, gen) thµnh sù biÓu hiÖn c¸c tÝnh tr¹ng t−¬ng øng ®−îc m· hãa trong gen th«ng qua hai qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m·. Trong ®ã, phiªn m· lµ qu¸ tr×nh th«ng tin di truyÒn ®−îc truyÒn tõ ADN sang ph©n tö mARN. Qu¸ tr×nh nµy cã ®iÓm ®Æc tr−ng lµ tr×nh tù cña c¸c nucleotide trong ph©n tö ADN sÏ ®−îc chuyÓn thµnh tr×nh tù t−¬ng øng cña c¸c ribonucleotide trong ph©n tö mARN. Cßn qu¸ tr×nh dÞch m· lµ qu¸ tr×nh mµ tr×nh tù cña c¸c ribonucleotide trong ph©n tö mARN ®−îc chuyÓn thµnh tr×nh tù t−¬ng øng cña c¸c axit amin trong chuçi polypeptide mµ gen m· hãa. Nh− vËy, qu¸ tr×nh truyÒn th«ng tin di truyÒn cã thÓ viÕt tãm t¾t lµ [ADN → mARN → protein]. §©y còng chÝnh lµ nguyªn lý trung t©m cña di truyÒn häc. Nguyªn lý trung t©m cho chóng ta thÊy: ADN, ARN vµ protein chÝnh lµ c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc cã vai trß quan träng trong qu¸ tr×nh truyÒn th«ng tin di truyÒn, ®Æc biÖt ë cÊp ph©n tö vµ d−íi tÕ bµo. Trong tÕ bµo, th«ng tin di truyÒn ®−îc truyÒn tõ ADN tíi protein th«ng qua ph©n tö trung gian lµ mARN. Trong qu¸ tr×nh nµy, nÕu ADN cã vai trß l−u gi÷ vµ cung cÊp th«ng tin di truyÒn th× protein lµ s¶n phÈm ®−îc t¹o ra ®Ó thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng cña tÕ bµo. 2.1.5.2. Chøc n¨ng sinh häc cña ARN Kh¸c víi ADN, trong tÕ bµo cã nhiÒu lo¹i ARN kh¸c nhau; mçi lo¹i ®¶m nhËn mét chøc n¨ng sinh häc riªng biÖt. Nãi c¸ch kh¸c, ARN gi÷ nhiÒu vai trß kh¸c nhau trong tÕ bµo. ë ch−¬ng 3, chóng ta sÏ thÊy trong c¸c bé m¸y biÓu hiÖn gen (bao gåm phiªn m·, dÞch m· vµ c¶i biÕn protein) ®Òu cã sù tham gia phæ biÕn cña nhiÒu lo¹i ARN kh¸c nhau. Nh×n chung, cã thÓ tãm t¾t c¸c chøc n¨ng c¬ b¶n cña ARN ®· biÕt nh− sau: - Chøc n¨ng vËn chuyÓn th«ng tin di truyÒn: ®©y lµ vai trß chñ yÕu cña ARN th«ng tin (mARN). Ph©n tö nµy lµ b¶n phiªn m· cña gen (ADN), ®ång thêi lµm khu«n ®Ó tæng hîp nªn chuçi polypeptide (protein) t−¬ng øng. - Chøc n¨ng tham gia tæng hîp vµ vËn chuyÓn protein: chøc n¨ng nµy biÓu hiÖn qua vai trß cña tARN lµ ph©n tö cã vai trß nhËn biÕt vµ l¾p ghÐp chÝnh x¸c c¸c axit amin t−¬ng øng víi bé ba ®èi m· trªn ph©n tö mARN trong qu¸ tr×nh phiªn m·; vai trß cña rARN kÕt hîp víi c¸c protein cÊu tróc ®Ó h×nh thµnh nªn phøc hÖ ribosome hoµn chØnh, lµ n¬i qu¸ tr×nh dÞch m· (tæng hîp protein) diÔn ra; vµ vai trß cña SRP ARN trong vËn chuyÓn protein. - Chøc n¨ng hoµn thiÖn c¸c ph©n tö ARN: c¸c snARN lµ thµnh phÇn tham gia h×nh thµnh nªn spliceosome lµ phøc hîp cã vai trß trong viÖc c¾t c¸c intron vµ nèi c¸c exon trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn mARN ë sinh vËt nh©n thËt. Ngoµi ra, ë sinh vËt nh©n thËt cßn cã c¸c snoARN tham gia vµo qu¸ tr×nh hoµn thiÖn c¸c ph©n tö rARN tõ c¸c ph©n tö tiÒn th©n (tiÒn-rARN) t¹i h¹ch nh©n, ®Ó tõ ®ã h×nh thµnh nªn c¸c tiÓu ®¬n vÞ cña ribosome. ë sinh vËt nh©n s¬, M1 ARN lµ thµnh phÇn cña ribonuclease P cã chøc n¨ng hoµn thiÖn c¸c ph©n tö tARN tõ ph©n tö tiÒn th©n (tiÒn-tARN). 46

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein - Chøc n¨ng xóc t¸c: mét sè ARN cã kÝch th−íc nhá cã tÝnh chÊt xóc t¸c gièng enzym, cßn gäi lµ c¸c ribozyme. B¶n th©n mét sè snoARN vµ M1 ARN tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh hoµn thiÖn rARN vµ tARN ®−îc nªu ë trªn còng cã ho¹t tÝnh xóc t¸c. - Chøc n¨ng ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña gen: mÆc dï míi chØ ®−îc ph¸t hiÖn gÇn ®©y (Fire vµ Mellor, 1998), song sù cã mÆt phæ biÕn cña c¸c lo¹i ARN tham gia ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña gen t×m thÊy ë hÇu hÕt c¸c loµi sinh vËt nh©n thËt ®−îc nghiªn cøu ®Õn nay cho thÊy, ®©y cã lÏ lµ mét chøc n¨ng c¬ b¶n cña ARN vèn ®· h×nh thµnh tõ l©u trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa. Nhãm c¸c ARN cã chøc n¨ng nµy ®−îc gäi chung lµ ARN can thiÖp (ARNi, interfering RNA), ®−îc chia lµm hai nhãm nhá cã h×nh thøc ho¹t ®éng t−¬ng ®èi kh¸c biÖt lµ siARN (small intefering RNA) vµ miARN (micro RNA). C¬ chÕ ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña gen bëi ARN ®−îc nªu ë ch−¬ng 5. Ngoµi c¸c chøc n¨ng kÓ trªn, mét sè nhãm virut cã th«ng tin di truyÒn ®−îc l−u gi÷ trªn c¸c ph©n tö ARN, chø kh«ng ph¶i trªn ADN nh− phÇn lín c¸c ®èi t−îng sinh vËt kh¸c. HÖ gen cña c¸c virut nµy cã thÓ lµ ARN ë d¹ng sîi kÐp hay m¹ch ®¬n. VÝ dô vÒ c¸c nhãm virut cã vËt chÊt di truyÒn lµ ARN bao gåm retrovirut, reovirut, rhabdovirut, orthomyxovirut, paramyxovirut, picornavirut, coronavirut, togavirut. Mét sè virut thËm chÝ cã vËt chÊt di truyÒn ®ång thêi gåm c¶ ADN vµ ARN (nh− hepadnavirut). Nh− B¶ng 2.5. C¸c lo¹i ARN vµ chøc n¨ng sinh häc vËy, ë virut, ARN cßn cã vai trß l−u gi÷ th«ng tin Lo¹i ARN Chøc n¨ng sinh häc di truyÒn. Trong qu¸ ARN th«ng tin (mARN) tr×nh truyÒn th«ng tin di TruyÒn th«ng tin qui ®Þnh tr×nh tù axit amin ARN vËn chuyÓn (tARN) cña protein tõ ADN tíi ribosome DÞch c¸c m· bé ba trªn ph©n tö mARN thµnh c¸c axit amin trªn ph©n tö protein truyÒn ®Ó tæng hîp nªn ARN ribosome (rARN) CÊu tróc ribosome vµ cã vai trß xóc t¸c c¸c ph©n tö protein cÇn TiÒn-ARN (ribozyme) h×nh thµnh liªn kÕt peptide thiÕt cho sù sinh s¶n vµ S¶n phÈm trùc tiÕp cña qu¸ tr×nh phiªn m·; ph¸t triÓn cña phÇn lín snARN (ARN nh©n kÝch lµ ph©n tö tiÒn th©n h×nh thµnh nªn mARN, virut kÓ trªn, th«ng tin di truyÒn trªn c¸c ph©n tö tARN vµ rARN hoµn thiÖn. ë eukaryote, ARN cÇn ®−îc phiªn m· mét sè ph©n ®o¹n ARN intron cã vai trß ng−îc thµnh ADN nhê sù th−íc nhá) xóc t¸c (ribozyme) ph¶n øng c¾t chÝnh nã Cã vai trß xóc t¸c vµ cÊu tróc trong phøc hÖ c¾t intron (spliceosome) tõ c¸c ph©n tö xóc t¸c cña enzym phiªn SRP ARN (ARN nhËn tiÒn-mARN ®Ó t¹o thµnh mARN hoµn thiÖn m· ng−îc lµ reverse biÕt tÝn hiÖu) transcriptase. Ph©n tö Lµ thµnh phÇn cña phøc hÖ ARN-protein ADN ®−îc h×nh thµnh sno ARN (ARN h¹ch lµm nhiÖm vô nhËn biÕt c¸c peptide tÝn theo con ®−êng nµy ®−îc hiÖu trong ph©n tö protein míi ®−îc tæng gäi lµ ph©n tö cADN hîp, gióp \"gi¶i phãng\" c¸c ph©n tö protein (complementary DNA hay nh©n kÝch th−íc nhá) nµy khái m¹ng l−íi néi chÊt Tham gia hoµn thiÖn rARN tõ ph©n tö tiÒn- rARN vµ ®ãng gãi ribosome t¹i h¹ch nh©n copy DNA). Sau ®ã, qu¸ Telomerase-ARN Thµnh phÇn cña enzym telomerase; lµm tr×nh truyÒn th«ng tin gARN khu«n ®Ó tæng hîp tr×nh tù ADN lÆp l¹i t¹i tiÕp tôc diÔn ra tõ cADN c¸c ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ ë eukaryote ®Õn protein theo dßng th«ng tin th«ng th−êng, Tham gia vµo qu¸ tr×nh \"biªn tËp\" ADN ti thÓ ë thùc vËt vµ nguyªn sinh ®éng vËt, vµ nghÜa lµ cADN → mARN tmARN ADN l¹p thÓ ë thùc vËt ARN tÝch hîp chøc n¨ng cña tARN vµ mARN, gióp gi¶i phãng ribosome khái sù → protein. M1 ARN \"t¾c nghÏn\" khi dÞch m· c¸c ph©n tö mARN Ngoµi c¸c ARN cã bÞ mÊt bé ba m· kÕt thóc (stop codon). chøc n¨ng kÓ trªn, mét sè Thµnh phÇn ARN cã vai trß xóc t¸c cña lo¹i ARN cã chøc n¨ng ARNase P, tham gia hoµn thiÖn c¸c ph©n “tÝch hîp” ®−îc t×m thÊy ë tö tARN ë prokaryote mét sè sinh vËt. Ch¼ng C¸c lo¹i ARN can thiÖp Tham gia ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen ë h¹n nh−, tmARN cã ®Æc (siARN vµ miARN) eukaryote 47

§inh §oµn Long tÝnh kÕt hîp gi÷a tARN vµ mARN trong cïng mét ph©n tö. tmARN lµ thµnh phÇn tham gia bé m¸y “cøu hé” ribosome khi c¸c ribosome bÞ “¸ch t¾c” trong qu¸ tr×nh dÞch m· mét ph©n tö mARN mang ®ét biÕn mÊt bé ba m· kÕt thóc (ë ch−¬ng 3, ta sÏ thÊy, ribosome chØ kÕt thóc dÞch m· khi gÆp bé ba m· kÕt thóc). B¶ng 2.5 tãm t¾t c¸c chøc n¨ng kh¸c nhau cña ARN. XÐt vÒ cÊu tróc, së dÜ ARN cã thÓ ®¶m nhËn nhiÒu chøc n¨ng kh¸c nhau trong tÕ bµo (kh¸c víi ADN) lµ do chóng cã ba tÝnh chÊt: i) ARN cã thÓ t¹o liªn kÕt hydro víi c¸c ph©n tö ADN hoÆc ARN kh¸c, ii) mçi ph©n tö ARN cã cÊu h×nh ®Æc thï do liªn kÕt hydro h×nh thµnh gi÷a c¸c phÇn kh¸c nhau cña nã, vµ iii) c¸c ARN cã thÓ mang nhiÒu nhãm chøc kh¸c nhau (nhí r»ng ARN cã nhiÒu lo¹i nucleotide c¶i biÕn h¬n so víi ADN), nªn ARN cã thÓ cã ho¹t tÝnh xóc t¸c nh− c¸c enzym. ViÖc ngµy cµng ph¸t hiÖn ra nhiÒu chøc n¨ng kh¸c nhau cña ARN lµ c¬ së dÉn ®Õn quan ®iÓm cho r»ng: ARN cã thÓ lµ ®¹i ph©n tö sinh häc ®Çu tiªn xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa (chø kh«ng ph¶i lµ ADN hay protein nh− nhiÒu gi¶ thiÕt tr−íc ®©y). Cã thÓ t−ëng t−îng vÒ mét d¹ng sèng nguyªn thñy chØ cã ARN. ë d¹ng sèng nµy, ARN võa cã vai trß lµ vËt chÊt mang th«ng tin di truyÒn, võa biÓu hiÖn chøc n¨ng cña enzym. D¹ng sèng ®ã dÇn biÕn ®æi thµnh thÕ giíi sèng dùa trªn ba lo¹i ®¹i ph©n tö lµ ADN, ARN vµ protein. Mét b»ng chøng ñng hé quan ®iÓm protein xuÊt hiÖn sau ARN lµ chøc n¨ng cña ARN trong ribosome. Trong ribosome, chÝnh thµnh phÇn cã vai trß xóc t¸c h×nh thµnh liªn kÕt peptide (enzym peptidyl transferase) lµ ARN. §iÓm kh¸c biÖt gi÷a petidyl transferase víi c¸c lo¹i ribozyme kh¸c (nh− ARNase P) lµ c¸c ribozyme kh¸c ®Òu g©y t¸c ®éng xóc t¸c lªn trung t©m ph¶n øng lµ phospho, cßn petidyl transferase g©y hiÖu øng xóc t¸c lªn trung t©m ph¶n øng lµ cacbon, qua ®ã h×nh thµnh liªn kÕt peptide. Cã thÓ ribozyme cña ribosome lµ mét “vÕt tÝch” sãt l¹i cña d¹ng sèng nguyªn thñy vèn chØ cã c¸c enzym ARN. 2.2. Protein 2.2.1. Protein lµ nhãm hîp chÊt quyÕt ®Þnh phÇn lín ho¹t ®éng sinh lý tÕ bµo C¸c ph©n tö ADN chøa trong mäi tÕ bµo mang nhiÒu lo¹i th«ng tin, ch¼ng h¹n nh− c¸c tr×nh tù ®iÒu khiÓn, c¸c tÝn hiÖu khëi ®Çu vµ kÕt thóc phiªn m·, c¸c ®o¹n tr×nh tù t¨ng c−êng hoÆc k×m h·m phiªn m·, c¸c tr×nh tù m· hãa c¸c lo¹i ARN vµ protein. Tuy vËy, phÇn lín c¸c th«ng tin ®−îc l−u gi÷ trong ADN lµ ®Ó tæng hîp nªn c¸c ph©n tö protein. Nh− vËy, cã thÓ tãm t¾t qu¸ tr×nh biÓu hiÖn chÝnh cña th«ng tin di truyÒn trong tÕ bµo nh− sau: c¸c gen m· hãa cho c¸c th«ng tin cÇn thiÕt ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc cña c¸c protein; ®Õn l−ît m×nh, cÊu tróc cña c¸c protein x¸c ®Þnh c¸c ho¹t tÝnh sinh häc cña chóng, vµ ho¹t tÝnh sinh häc cña c¸c protein x¸c ®Þnh c¸c ho¹t ®éng sinh lý cña tÕ bµo vµ c¬ thÓ. V× lý do ®ã, mäi sù thay ®æi trong cÊu tróc ADN (ch¼ng h¹n nh− ®ét biÕn) sÏ ¶nh h−ëng ®Õn ho¹t ®éng sinh lý cña tÕ bµo th«ng qua sù thay ®æi vÒ cÊu tróc protein. Do sù thay ®æi vÒ cÊu tróc, ho¹t tÝnh cña protein bÞ thay ®æi theo vµ g©y ¶nh h−ëng ®Õn ho¹t ®éng sinh lý cña tÕ bµo vµ c¬ thÓ. V× vËy, kiÓu gen cña tÕ bµo (h×nh thøc l−u tr÷ th«ng tin di truyÒn) sÏ x¸c ®Þnh kiÓu h×nh cña tÕ bµo (lµ sù biÓu hiÖn cña kiÓu gen th«ng qua protein). 2.2.2. CÊu tróc cña protein 2.2.2.1. C¸c ®Æc ®iÓm cÊu tróc c¬ b¶n Protein lµ nhãm ph©n tö sinh häc cã vai trß thóc ®Èy phÇn lín c¸c ph¶n øng ho¸ sinh trong tÕ bµo vµ c¬ thÓ, tham gia vµo qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn biÓu hiÖn cña c¸c gen, x¸c ®Þnh nhiÒu ®Æc tÝnh vÒ mÆt cÊu tróc cña c¸c tÕ bµo, m« vµ c¬ quan (kÓ c¶ cña virut lµ 48

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein d¹ng kh«ng cã cÊu tróc tÕ bµo ®iÓn h×nh). Tr−íc khi ®Ò cËp ®Õn c¸c chøc n¨ng cña protein, chóng ta xem xÐt ®Æc ®iÓm cÊu tróc c¬ b¶n cña lo¹i ®¹i ph©n tö nµy. Mét ph©n tö protein th−êng bao gåm mét hay nhiÒu chuçi polypeptide. Mçi chuçi polypeptide lµ mét d·y c¸c axit amin liªn kÕt víi nhau qua liªn kÕt peptit - lµ liªn kÕt céng hãa trÞ gi÷a nhãm carboxyl (-COOH) cña axit amin nµy víi nhãm amino (-NH2) cña axit amin kÕ tiÕp trong chuçi. V× cã cÊu tróc nµy, chuçi polypeptide cã tÝnh ph©n cùc, mét ®Çu tËn cïng lµ nhãm amino tù do (cßn gäi lµ ®Çu N), mét ®Çu tËn cïng lµ nhãm carboxyl tù do (cßn gäi lµ ®Çu C). Trong qu¸ tr×nh tæng hîp chuçi polypeptide, c¸c axit amin tiÕp theo sau ®−îc bæ sung vµo chuçi ®ang tæng hîp th«ng qua viÖc g¾n vµo ®Çu carboxyl tù do cña chuçi ®ã. V× vËy, ®Ó ®¸nh sè thø tù c¸c axit amin trong chuçi polypeptide, ng−êi ta tÝnh tõ chiÒu N → C (t−¬ng øng víi chiÒu 5’ → 3’ cña m¹ch m· hãa). Trong tù nhiªn, cã 20 lo¹i axit amin phæ biÕn ®−îc t×m thÊy trong thµnh phÇn cÊu t¹o nªn tÊt c¶ c¸c protein ë mäi giíi sinh vËt kh¸c nhau. ChÝnh thµnh phÇn vµ tr×nh tù c¸c axit amin trong chuçi polypeptide quy ®Þnh cÊu tróc, chøc n¨ng vµ ho¹t tÝnh cña ph©n tö protein t−¬ng øng. V× mçi chuçi polypeptide th−êng bao gåm tõ hµng chôc ®Õn hµng ngh×n axit amin víi sè l−îng vµ trËt tù s¾p xÕp cña c¸c axit amin trong trong chuçi lµ hoµn toµn ngÉu nhiªn, nªn sù ®a d¹ng cña c¸c lo¹i protein trong tù nhiªn lµ rÊt lín. CÊu t¹o ph©n tö cña c¶ 20 lo¹i axit amin ®Òu cã mét nguyªn tö cacbon gäi lµ cacbon α. Cacbon α liªn kÕt víi mét nhãm -COOH, mét nhãm -NH2 vµ mét chuçi bªn ®−îc gäi lµ gèc R. Ph©n tö cña c¸c lo¹i axit amin ph©n biÖt nhau ë gèc R nµy. CÊu tróc cña gèc R cã thÓ tõ rÊt ®¬n gi¶n nh− mét nguyªn tö –H duy nhÊt (Gly) hay -CH3 (Ala) ®Õn mét sè d¹ng phøc t¹p h¬n nh− cÊu tróc vßng cña Tyr hay cña Trp. Gèc R qui ®Þnh ®Æc tÝnh lý hãa cña mçi lo¹i axit amin. Dùa trªn ®Æc tÝnh lý hãa, 20 lo¹i axit amin ®−îc chia thµnh 4 nhãm chÝnh (xem b¶ng 1.5), bao gåm: 1) c¸c axit amin cã tÝnh axit (gåm 2 lo¹i axit amin lµ Asp vµ Glu, tæng céng ®−îc m· hãa bëi 4 bé ba; xem b¶ng 4.5, ch−¬ng 4), 2) c¸c axit amin cã tÝnh kiÒm (gåm 3 lo¹i axit amin lµ Lys, Arg, His; tæng céng ®−îc m· hãa bëi 10 bé ba), 3) c¸c axit amin trung tÝnh ph©n cùc (gåm 6 lo¹i axit amin lµ Tyr, Ser, Thr, Asn, Gln vµ Cys; tæng céng ®−îc m· hãa bëi 18 bé ba), vµ 4) c¸c axit amin trung tÝnh kh«ng ph©n cùc (gåm 9 lo¹i axit amin lµ Trp, Phe, Gly, Ala, Val, Ile, Leu, Met vµ Pro; tæng céng ®−îc m· hãa bëi 19 bé ba). Mét sè hÖ thèng ph©n lo¹i xÕp riªng Gly thµnh mét nhãm riªng, bëi axit amin nµy cã gèc R lµ nguyªn tö –H duy nhÊt kh«ng biÓu hiÖn râ tÝnh chÊt ph©n cùc hay kh«ng ph©n cùc. ë phÇn sau cña gi¸o tr×nh nµy, chóng ta sÏ thÊy chøc n¨ng vµ ho¹t tÝnh cña protein ®−îc quyÕt ®Þnh kh«ng chØ bëi thµnh phÇn vµ trËt tù c¸c axit amin trªn c¸c chuçi polypeptide, mµ cßn ®−îc quyÕt ®Þnh bëi axit amin thuéc nhãm nµo cã mÆt t¹i c¸c trung t©m ho¹t ®éng cña protein. Mét xu h−íng phæ biÕn trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa lµ c¸c ®ét biÕn thay thÕ axit amin trong cïng nhãm Ýt lµm thay ®æi chøc n¨ng vµ ho¹t tÝnh cña protein h¬n sù thay thÕ axit amin thuéc c¸c nhãm kh¸c nhau (xem thªm ch−¬ng 10). Víi sù ph©n bè c¸c m· bé ba nªu trªn, mét ®iÓm ®¸ng chó ý lµ phÇn lín c¸c protein th−êng cã tÝnh kiÒm yÕu. V× vËy, trong tÕ bµo, ADN th−êng xuyªn ë tr¹ng th¸i ®Ýnh kÕt víi c¸c lo¹i protein kh¸c nhau. §iÒu nµy cã ý nghÜa rÊt quan träng trong sù biÓu hiÖn chøc n¨ng cña ADN, còng nh− trong ho¹t ®éng cña c¸c protein tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh biÓu hiÖn cña gen. PhÇn lín c¸c chuçi polypeptide ®−îc h×nh thµnh sau qu¸ tr×nh dÞch m· (xem ch−¬ng 3) sÏ tiÕp tôc cuén gËp ë bËc cao h¬n ®Ó t¹o nªn c¸c cÊu tróc kh«ng gian bËc cao mang tÝnh ®Æc thï ®èi víi tõng lo¹i protein. H×nh thøc vµ møc ®é gÊp nÕp vµ cuén xo¾n phô thuéc vµo chÝnh thµnh phÇn vµ tr×nh tù c¸c axit amin trong c¸c chuçi polypeptide. Qu¸ tr×nh cuén gËp cña nhiÒu lo¹i protein trong tÕ bµo cÇn cã sù hç trî cña mét sè lo¹i protein ®Æc biÖt gäi lµ chaperon. Mét vÝ dô vÒ chaperon ®ãng gãi protein histon ®−îc nªu ë ch−¬ng 7. 49

§inh §oµn Long §èi víi protein, cÊu tróc kh«ng gian cña mét Nh©n hem 2 chuçi β ph©n tö sÏ quyÕt ®Þnh chøc n¨ng vµ ho¹t tÝnh cña nã. Nh×n chung trong ®iÒu kiÖn sinh lý tÕ bµo (m«i tr−êng n−íc), c¸c chuçi polypeptide th−êng cuén gËp sao cho c¸c axit amin −a n−íc (gåm c¸c axit amin cã tÝnh axit, baz¬, vµ c¸c axit amin trung tÝnh ph©n cùc) h−íng ra bªn ngoµi bÒ mÆt ph©n tö (®©y lµ phÇn tiÕp xóc víi n−íc trong dung dÞch) cßn c¸c axit amin kÞ n−íc (c¸c axit amin trung tÝnh kh«ng ph©n cùc) h−íng vµo trong ph©n tö. C¸c vÞ trÝ ho¹t ®éng cña enzym th−êng chøa Ser, His vµ c¸c axit amin cã tÝnh kiÒm vµ/hoÆc tÝnh axit. Trong c¸c axit amin kh«ng ph©n cùc, ®¸ng 2 chuçi α chó ý cã Met vµ Cys lµ c¸c axit amin chøa l−u H×nh H2×.n1h1.1.C7Ê. uCÊturótcróhcehmeomgologbloinb.inGåm bènGåcmhubçèi npoclhypueçpi ptidoelyp(heapititch(huaçii cαhuvçµi αhai huúnh (S). Khi mét chuçi polypeptide b¾t ®Çu ®−îc chuvµçihβa)i. cMhçuiçci hβu).çMi cçãi cmhéutçni chã©nmhéet mnhl©µnvÞ tæng hîp, axit amin lu«n ®−îc l¾p r¸p ®Çu tiªn lµ trÝ gh¾enmclñµavmÞ térÝt gp¾hn©ncñtöa moxéyt.ph©n tö oxy. Met v× bé ba m· më ®Çu (AUG) còng chÝnh lµ bé ba m· hãa Met (axit amin nµy sau ®ã cã thÓ bÞ c¾t bá hoÆc kh«ng). Axit amin Cys gi÷ mét vai trß quan träng trong viÖc qui ®Þnh cÊu h×nh kh«ng gian cña protein bëi nã th−êng h×nh thµnh nªn liªn kÕt cao n¨ng disulfide. Nhãm –SH (sulfhydryl) cña Cys lµ mét gèc hãa häc ph¶n øng m¹nh, th−êng cã mÆt ë c¸c trung t©m ho¹t ®éng cña enzym hoÆc cã vai trß g¾n kÕt c¸c nhãm chøc kh¸c nhau vµo protein. ë møc cÊu tróc bËc hai, c¸c chuçi polypeptide cã hai d¹ng cÊu h×nh c¬ b¶n gäi lµ d¹ng xo¾n α vµ d¹ng mÆt ph¼ng β. CÊu tróc xo¾n α cã d¹ng gièng lß xo ®−îc h×nh thµnh bëi liªn kÕt hydro gi÷a nhãm (-NH) cña axit amin nµy víi nhãm (-CO) cña axit amin c¸ch nã kho¶ng bèn axit amin trong chuçi polypeptide. Trong khi ®ã, cÊu tróc mÆt ph¼ng β gièng nh− nh÷ng d¶i “ruy b¨ng” ch¹y song song ®−îc h×nh thµnh do c¸c liªn kÕt gi÷a c¸c axit amin cã kho¶ng c¸ch xa nhau h¬n trong chuçi polypeptide (xem thªm ch−¬ng 1). Ngoµi ra, cÊu tróc kh«ng gian cña protein cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh do mèi liªn kÕt céng ho¸ trÞ gi÷a c¸c nguyªn tö l−u huúnh (S) trong c¸c cÆp axit amin Cys tõ c¸c phÇn kh¸c nhau cña chuçi polypeptide. PhÇn lín c¸c protein ®−îc h×nh thµnh tõ hai hay nhiÒu chuçi polypeptide. Ch¼ng h¹n nh− hemoglobin (protein vËn chuyÓn oxy trong m¸u) gåm 4 chuçi polypeptide, trong ®ã cã hai cÆp chuçi polypeptide kh¸c nhau ®−îc gäi lµ hai chuçi α vµ hai chuçi β (h×nh 2.11, l−u ý: ký hiÖu α vµ β trong chuçi hemoglobin kh«ng ph¶i lµ ký hiÖu d¹ng xo¾n α vµ d¹ng mÆt ph¼ng β trong cÊu tróc protein). 2.2.2.2. Nucleoprotein, lipoprotein vµ glycoprotein lµ c¸c protein phøc hîp Protein phøc hîp lµ c¸c protein ®−îc h×nh thµnh b»ng sù kÕt hîp c¸c nhãm chÊt kh¸c vµo protein. Ch¼ng h¹n, nucleoprotein ®−îc h×nh thµnh tõ protein vµ axit nucleic, lipoprotein ®−îc h×nh thµnh tõ viÖc g¾n c¸c gèc lipid vµo protein, cßn glycoprotein lµ sù liªn kÕt c¸c thµnh phÇn hydrat cacbon (®−êng) víi protein. Glycoprotein ®−îc t×m thÊy phæ biÕn trªn mµng tÕ bµo. C¸c protein nµy th−êng mang c¸c chuçi hydrat cacbon ng¾n nh« ra ngoµi mµng tÕ bµo. C¸c chuçi ®−êng nµy th−êng liªn kÕt víi protein qua gèc hydroxyl (-OH) cña Thr hay Ser, hoÆc nhãm amide (N-C*=O) cña Asn. C¸c glycoprotein th−êng cã vai trß ®Ýnh kÕt gi÷a c¸c tÕ bµo, ®Æc biÖt ë c¸c loµi ®éng vËt kh«ng cã thµnh tÕ bµo v÷ng ch¾c vµ æn ®Þnh. Ngoµi ra, phÇn hydrat cacbon cña glycoprotein cßn th−êng lµ yÕu tè tiÕp nhËn tÝn hiÖu cña tÕ bµo. VÝ dô nh− tinh trïng nhËn ra trøng th«ng qua phÇn hydrat cacbon cña glycoprotein trªn mµng tÕ 50

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein bµo. C¸c tÕ bµo cña hÖ miÔn dÞch còng th−êng nhËn biÕt kh¸ng nguyªn dùa vµo cÊu tróc chuçi hydrat cacbon cña c¸c glycoprotein. C¸c kh¸ng nguyªn A vµ B cña hÖ thèng nhãm m¸u ABO thùc tÕ kh¸c nhau bëi mét chuçi hydrat cacbon trong thµnh phÇn glycoprotein n»m trªn mµng tÕ bµo hång cÇu. NhiÒu lo¹i lipoprotein liªn kÕt vµo mµng tÕ bµo bëi phÇn ®u«i lipid cña chóng. VÝ dô ®iÓn h×nh vÒ nhãm hîp chÊt nµy lµ β-lactamase cã ë c¸c vi khuÈn gram d−¬ng, nh− c¸c loµi Bacillus. Enzym nµy b¶o vÖ vi khuÈn khái t¸c ®éng cña c¸c chÊt kh¸ng sinh thuéc hä β-lactam nh− penicillin. Do môc tiªu t¸c ®éng cña penicillin lµ thµnh tÕ bµo vi khuÈn, nªn enzym b¶o vÖ cÇn ph¶i bäc ë phÝa ngoµi thµnh tÕ bµo. §u«i lipid (kÞ n−íc) ®¶m b¶o cho nã kh«ng bÞ \"tr−ît\" ra xa khái mµng tÕ bµo vµo m«i tr−êng (th−êng chøa n−íc) ë xung quanh. Proteolipid lµ mét nhãm con cña c¸c lipoprotein cã ®Æc ®iÓm kÞ n−íc vµ kh«ng hßa tan trong n−íc. Chóng chØ hßa tan trong c¸c dung m«i h÷u c¬ vµ ®−îc t×m thÊy trong vïng kÞ n−íc (s©u bªn trong) cña mµng tÕ bµo. Tuy vËy, ®Æc tÝnh n»m s©u bªn trong mµng tÕ bµo cña c¸c proteolipid kh«ng chØ phô thuéc vµo sù cã mÆt cña c¸c gèc lipid, mµ cßn phô thuéc vµo tØ lÖ thµnh phÇn c¸c axit amin kh«ng ph©n cùc cã mÆt trong ph©n tö protein. Do vËy, thùc tÕ kh«ng ph¶i mäi ph©n tö lipoprotein ®Òu n»m s©u bªn trong mµng tÕ bµo, mµ thay vµo ®ã chóng \"béc lé\" ra phÝa ngoµi mµng. 2.2.3. C¸c chøc n¨ng c¬ b¶n vµ ph©n lo¹i protein Protein lµ hîp chÊt h÷u c¬ phæ biÕn nhÊt trong tÕ bµo, nã th−êng chiÕm trªn 50% träng l−îng chÊt kh« cña tÕ bµo. Mét c©u hái ®Æt ra lµ: t¹i sao protein l¹i cã tÇm quan träng vµ phæ biÕn nh− vËy trong tÕ bµo? Chóng ta biÕt r»ng, protein cã vai trß sèng cßn ®èi víi tÕ bµo bëi v× chóng chÝnh lµ c¸c ph©n tö thùc hiÖn phÇn lín c¸c ho¹t ®éng sinh lý cña tÕ bµo. Chóng biÓu hiÖn b»ng c¸c chøc n¨ng sinh lý kh¸c nhau. H¬n n÷a, ®èi víi mçi mét chøc n¨ng, nh− chøc n¨ng xóc t¸c cña enzym ch¼ng h¹n, còng ®· cã hµng tr¨m ngh×n lo¹i ph©n tö protein kh¸c nhau. Tuy vËy, mçi ph©n tö protein lu«n cã mét cÊu tróc vµ chøc n¨ng ®Æc thï. Protein cã thÓ mang nhiÒu chøc n¨ng kh¸c nhau nhê kh¶ n¨ng thay ®æi lín vÒ cÊu h×nh cña chóng. Sù thay ®æi vÒ cÊu h×nh cña protein lµ kÕt qu¶ cña sù thay ®æi vÒ thµnh phÇn vµ trËt tù cña c¸c axit amin trong ph©n tö. Hai ph©n tö protein cã thµnh phÇn axit amin gièng nhau, nh−ng tr×nh tù cña c¸c axit amin kh¸c nhau th× cÊu tróc ph©n tö còng sÏ kh¸c nhau dÉn ®Õn chóng sÏ cã ho¹t tÝnh vµ chøc n¨ng kh¸c nhau. Nãi c¸ch kh¸c, sù ®a d¹ng vÒ cÊu h×nh cña c¸c ph©n tö protein hÇu nh− kh«ng cã giíi h¹n. Nhê vËy, sù biÓu hiÖn chøc n¨ng cña protein trong thÕ giíi sinh vËt lµ cùc kú phong phó. Tuy vËy, ®Ó dÔ theo dâi vµ nghiªn cøu, ng−êi ta th−êng chia c¸c lo¹i ph©n tö protein cã trong tÕ bµo thµnh mét sè nhãm chÝnh dùa vµo c¸c ho¹t tÝnh vµ chøc n¨ng sinh lý c¬ b¶n cña chóng, ch¼ng h¹n bao gåm c¸c nhãm nh− sau: protein vËn chuyÓn, enzym, G-protein, protein tÝn hiÖu, protein vËn ®éng (protein c¬), protein b¶o vÖ, protein thô thÓ, protein ®iÒu hßa, protein cÊu tróc, vµ nhãm c¸c lo¹i protein kh¸c (b¶ng 2.6). 2.2.3.1. C¸c protein vËn chuyÓn C¸c protein vËn chuyÓn t×m thÊy phæ biÕn trong hÖ tuÇn hoµn vµ c¸c m¹ch b¹ch huyÕt, ngoµi ra cßn thÊy bªn trong c¸c tÕ bµo. Vai trß cña chóng lµ vËn chuyÓn c¸c ph©n tö kh¸c nhau bªn trong vµ gi÷a c¸c tÕ bµo, hoÆc bªn trong vµ gi÷a c¸c m¹ch m¸u vµ m¹ch b¹ch huyÕt. Trong nhãm nµy, cã thÓ nªu mét sè vÝ dô vÒ protein vËn chuyÓn axit bÐo (albumin), vËn chuyÓn oxy (hemoglobin), vËn chuyÓn cholesterol (lipoprotein) vµ s¾t (transferrin). 51

§inh §oµn Long B¶ng 2.6. Ph©n lo¹i protein dùa vµo ho¹t tÝnh vµ chøc n¨ng sinh häc Lo¹i protein Ho¹t tÝnh vµ chøc n¨ng sinh häc VÝ dô Protein vËn chuyÓn Albumin, hemoglobin, (carrier proteins) C¸c ph©n tö cã chøc n¨ng vËn chuyÓn bªn lipoprotein, transferin, trong vµ gi÷a c¸c tÕ bµo hoÆc gi÷a m¹ch m¸u galactoside permerase… Enzym vµ hÖ b¹ch huyÕt Alcohol dehydrogenase, (enzymes) C¸c hîp chÊt cã vai trß xóc t¸c thóc ®Èy c¸c hexokinase, protease, … ph¶n øng ho¸ häc, nh−ng b¶n th©n chóng G - protein kh«ng mÊt ®i sau qu¸ tr×nh ph¶n øng Transductin, Gs, αi, … (G – proteins) Ph©n tö protein cã chøc n¨ng truyÒn tÝn hiÖu tõ bªn ngoµi vµo bªn trong tÕ bµo b»ng viÖc kÝch Insulin, glucagon, hoocm«n, Protein tÝn hiÖu thÝch s¶n xuÊt c¸c chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai, prolactin, … (Signal proteins) sö dông GTP lµm nguån n¨ng l−îng Bao gåm c¸c hãcm«n vµ c¸c protein kh¸c, mµ Actin, myosin Protein vËn ®éng khi ho¹t ®éng, chóng truyÒn tÝn hiÖu tíi c¸c tÕ (Muscle proteins) bµo vµ m« ®Ých, lµm thay ®æi ho¹t ®éng sinh lý Kh¸ng thÓ, interferon, Protein b¶o vÖ vµ trao ®æi chÊt ë c¸c m«, tÕ bµo ®ã interleukin,… (Protection proteins) Cßn gäi lµ protein c¬. Cô thÓ, ®ã lµ sù t−¬ng t¸c C¸c thô thÓ insulin vµ cña actin vµ myosin t¹o nªn c¸c ho¹t ®éng co adrenalin bÒ mÆt tÕ bµo, c¸c Protein thô thÓ vµ duçi cña c¬ thô thÓ opioid, histamine … (Receptors) Cã chøc n¨ng b¶o vÖ vµ chèng l¹i sù x©m nhËp C¸c chÊt k×m h·m hoÆc øc cña c¸c vi sinh vËt vµ c¸c hîp chÊt ®éc chÕ ho¹t ®éng phiªn m·, Protein ®iÒu hoµ C¸c protein xuyªn mµng hoÆc bªn trong tÕ bµo dÞch m· trong tÕ bµo, … (Regulatory proteins) lµ ph©n tö truyÒn th«ng tin trung gian tõ c¸c Cytochrome, protein khung hoocm«n hoÆc c¸c chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh x−¬ng tÕ bµo (cytoskeleton), Protein cÊu tróc trong c¸c ho¹t ®éng sinh lý néi bµo histon, ribosome, … (Structural proteins) C¸c protein kªnh xuyªn §iÒu hoµ ho¹t ®éng cña gen vµ tÕ bµo mµng cña ion Cl-, K+, Na+, ... C¸c lo¹i protein kh¸c Lµ thµnh phÇn t¹o nªn “bé khung” cña c¸c tiÓu phÇn d−íi tÕ bµo, c¸c c¬ quan tö trong tÕ bµo vµ b¶n th©n tÕ bµo. Bao gåm c¸c lo¹i protein t¹o kªnh xuyªn mµng tÕ bµo, vµ c¸c lo¹i protein ®Æc biÖt liªn quan ®Õn sù trao ®æi tÝn hiÖu gi÷a c¸c tÕ bµo... Hemoglobin lµ mét trong nh÷ng protein vËn chuyÓn ®−îc nghiªn cøu chi tiÕt nhÊt cho ®Õn nay. Ph©n tö cña nã gåm cã hai thµnh phÇn. PhÇn nh©n hem t¹o cho m¸u cã mµu ®á, lµ mét dÉn xuÊt cña porphyrin mang bèn vßng pyrol xung quanh mét nguyªn tö s¾t. §©y lµ vÞ trÝ g¾n cña c¸c ph©n tö oxy. (CÊu tróc nh©n hem cña hemoglobin gièng víi hem t×m thÊy trong c¸c cytochrom vµ trong myoglobin - protein vËn chuyÓn oxy cña c¬). PhÇn globin lµ mét ph©n tö protein gåm bèn chuçi polypeptide, trong ®ã cã hai chuçi α vµ hai chuçi β. Mçi mét chuçi protein th× g¾n vµo mét ph©n tö hem. Mét thuéc tÝnh quan träng cña hemoglobin lµ mét phÇn tö cña nã cã kh¶ n¨ng liªn kÕt víi bèn ph©n tö O2 (t−¬ng ®−¬ng víi bèn nh©n hem). ViÖc g¾n vµo nh©n hem cña ph©n tö oxy thø nhÊt sÏ thóc ®Èy viÖc g¾n cña c¸c ph©n tö oxy tiÕp theo. NghÜa lµ, mét khi ph©n tö oxy ®· g¾n vµo nh©n hem, th× ¸i lùc cña hemoglobin víi c¸c ph©n tö oxy tiÕp theo sÏ t¨ng lªn. Thùc tÕ, ph©n tö oxy thø t− khi g¾n vµo hemoglobin cã ¸i lùc t¨ng cao gÊp 100 lÇn so víi ph©n tö oxy ®Çu tiªn. Dï vËy, ¸i lùc liªn kÕt cña oxy vµo hemoglobin lµ cã thÓ bÞ ®¶o ng−îc. NghÜa lµ, nh©n hem kh«ng chØ cã kh¶ n¨ng g¾n vµo c¸c ph©n tö oxy mµ cßn cã thÓ gi¶i phãng c¸c ph©n tö oxy nµy ra khi cÇn thiÕt tïy theo yªu cÇu sinh lý cña tÕ bµo. 52

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein 2.2.3.2. C¸c enzym Enzym lµ nhãm c¸c hîp chÊt xóc t¸c h÷u c¬. C¸c ph©n tö nµy cã vai trß lµm t¨ng tèc ®é c¸c ph¶n øng ho¸ häc mµ b¶n th©n chóng kh«ng mÊt ®i trong qu¸ tr×nh ph¶n øng x¶y ra. Khi ph¶n øng ho¸ häc kÕt thóc, chóng trë vÒ d¹ng nguyªn thñy ban ®Çu vµ cã thÓ tham gia xóc t¸c c¸c ph¶n øng tiÕp theo. NÕu so s¸nh víi l−îng c¸c c¬ chÊt tham gia ph¶n øng, l−îng enzym cÇn cho mét ph¶n øng ho¸ häc th−êng thÊp h¬n nhiÒu. HÇu nh− tÊt c¶ mäi ph¶n øng sinh häc trong tÕ bµo ®Ó chuyÓn hãa mét ph©n tö tõ d¹ng nµy sang d¹ng kh¸c, hoÆc tõ c¬ chÊt thµnh s¶n phÈm, ®Òu ®ßi hái Ýt nhÊt mét enzym. Ngoµi mét sè lo¹i ARN cã chøc n¨ng xóc t¸c (ribozyme), hÇu hÕt c¸c enzym trong c¸c hÖ thèng sinh häc cã b¶n chÊt lµ protein. §Õn nay, chóng ta ®· biÕt hµng chôc ngh×n lo¹i enzym kh¸c nhau cã b¶n chÊt protein. Trong ®ã, mçi lo¹i enzym th−êng xóc t¸c cho mét ph¶n øng chuyÓn ho¸ nhÊt ®Þnh. §iÒu nµy x¶y ra ®−îc lµ nhê protein cã thÓ cã nhiÒu d¹ng cÊu tróc kh¸c nhau, phô thuéc vµo tr×nh tù axit amin trªn c¸c chuçi polypeptide cña chóng, hoÆc vµo sù t−¬ng t¸c gi÷a chóng víi c¸c ph©n tö kh¸c. CÊu tróc ®Æc thï cña mçi protein t¹o ra c¸c ho¹t tÝnh vµ chøc n¨ng sinh häc kh¸c nhau. §Ó c¸c tÕ bµo vµ c¬ thÓ cã thÓ ho¹t ®éng b×nh th−êng, c¸c qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ vÒ mÆt sinh häc ®Òu ®ßi hái c¸c lo¹i enzym ®Æc thï. Ch¼ng h¹n nh− qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ glucose thµnh c¸c ph©n tö n¨ng l−îng cao n¨ng ATP cÇn ®Õn kho¶ng 25 ph¶n øng, mçi ph¶n øng ®Òu cÇn Ýt nhÊt mét enzym ®Æc thï. Trong mét sè tr−êng hîp, mét ph¶n øng cã thÓ ®ßi hái hai hay nhiÒu lo¹i enzym cïng lóc. B¶n th©n enzym còng xóc t¸c cho chÝnh qu¸ tr×nh tæng hîp c¸c lo¹i protein kh¸c nhau, bao gåm c¶ c¸c lo¹i enzym kh¸c. Ch¼ng h¹n nh−, qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ c¸c vitamin thµnh c¸c coenzym (lµ thµnh phÇn cña enzym cÇn thiÕt ®Ó biÓu hiÖn ho¹t tÝnh enzym) ®ßi hái sù tham gia cña nhiÒu enzym. HoÆc nh−, qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ axit panthothenic thµnh coenzym A (mét thµnh phÇn quan träng cña hÖ thèng enzym chuyÓn ho¸ glucose thµnh ATP), còng cÇn sù xóc t¸c cña mét sè enzym ®Æc thï. Hai vÝ dô kh¸c vÒ vai trß cña enzym bao gåm: alcohol dehydrogenase (ADH) vµ hyaluronidase. ADH lµ enzym ph©n hñy r−îu vµ cån, gióp c¬ thÓ chóng ta lo¹i bít ®éc tÝnh cña alcohol vµ c¶m thÊy thÝch thó khi uèng bia hay r−îu mµ kh«ng bÞ say. Cßn hyaluronidase lµ enzym quan träng trong qu¸ tr×nh thô tinh ë ng−êi vµ ®éng vËt, cã trong ®Çu cña tinh trïng. Khi tinh trïng gÆp tÕ bµo trøng trong qu¸ tr×nh thô tinh, hyaluronidase thñy ph©n líp mµng b¶o vÖ cña tÕ bµo trøng vµ nhê vËy tinh trïng cã thÓ x©m nhËp ®−îc vµo tÕ bµo trøng. 2.2.3.3. C¸c lo¹i G-protein Mét hä c¸c lo¹i protein ®−îc gäi lµ G-protein cã chøc n¨ng tham gia vµo qu¸ tr×nh truyÒn tÝn hiÖu tõ bªn ngoµi vµo bªn trong tÕ bµo. Tªn G-protein xuÊt ph¸t tõ viÖc c¸c lo¹i protein nµy th−êng sö dông nguån n¨ng l−îng lµ GTP. Chóng truyÒn tÝn hiÖu b»ng viÖc kÝch thÝch tæng hîp c¸c chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai (second messenger) bªn trong tÕ bµo. G-protein lµ cÇu nèi gi÷a c¸c thô thÓ trªn bÒ mÆt tÕ bµo víi c¸c con ®−êng chuyÓn hãa sinh häc bªn trong tÕ bµo. C¸c hoocm«n hay c¸c chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh (cßn gäi lµ c¸c chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø nhÊt, first messenger) kh¸c nhau cã thÓ truyÒn tÝn hiÖu vµo trong tÕ bµo th«ng qua c¸c ph©n tö G-protein kh¸c nhau. Mét sè chÊt truyÒn tÝn hiÖu cã ®Æc tÝnh nh− vËy cã thÓ kÓ ®Õn bao gåm: c¸c hîp chÊt hoocm«n, nh− adrenalin, glucagon vµ insulin; hay nh− c¸c chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh, nh− acetylcholin. Toµn bé c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt vµ dÉn truyÒn ph¶n x¹ thÇn kinh, nÕu ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¬ chÕ hoocm«n hay chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh, sÏ cã nguy c¬ bÞ sai lÖch vµ thËm trÝ rèi lo¹n nÕu thiÕu G-protein t−¬ng øng hoÆc khi c¸c G-protein nµy bÞ sai háng. C¸c G-protein th−êng chøa ba chuçi polypeptide n»m s¸t ngay bªn d−íi thô thÓ cña bÒ mÆt tÕ bµo, hoÆc ®«i khi bªn trong tÕ bµo. Khi thô thÓ bÞ ho¹t ho¸ bëi hoocm«n hay chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh, thô thÓ sÏ ho¹t ho¸ chuçi α cña G-protein bëi ph¶n øng 53

§inh §oµn Long xóc t¸c enzym chuyÓn ho¸ GTP thµnh GDP ë vÞ trÝ g¾n chuçi α. Chuçi nµy sau ®ã sÏ t¸ch ra khái hai chuçi cßn l¹i vµ ho¹t ho¸ mét hîp chÊt kh¸c gäi lµ hîp chÊt ho¹t ®éng (effector, ®©y còng lµ chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai), ch¼ng h¹n nh− cAMP. ChÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai ®Õn l−ît nã l¹i kÝch ho¹t mét enzym kh¸c vµ b¾t ®Çu mét lo¹t c¸c ph¶n øng ho¸ häc tiÕp theo. B»ng c¸ch nµy, c¸c hoocm«n vµ c¸c chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh (më réng ra lµ mét sè d−îc phÈm vµ c¸c chÊt cã ho¹t tÝnh sinh häc kh¸c) t¹o ra c¸c t¸c dông hay hiÖu øng sinh lý cña chóng. Mét khi qu¸ tr×nh ho¹t ho¸ chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai kÕt thóc, th× chuçi α cïng víi GDP g¾n trë l¹i tr¹ng th¸i ban ®Çu víi hai chuçi cßn l¹i cña ph©n tö G-protein vµ qu¸ tr×nh cø nh− vËy tiÕp diÔn lÆp ®i lÆp l¹i. 2.2.3.4. C¸c protein tÝn hiÖu C¸c protein tÝn hiÖu ®iÓn h×nh lµ c¸c hoocm«n vµ c¸c chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh. Trong c¬ thÓ, khi c¸c chÊt nµy tiÕp xóc víi tÕ bµo môc tiªu cña chóng, chóng sÏ kÝch thÝch vµ g©y ra mét lo¹t c¸c ph¶n øng sinh lý vµ trao ®æi chÊt. C¸c hoocm«n th× ®−îc m¸u vËn chuyÓn ®i kh¾p c¬ thÓ, nh−ng chóng chØ t¹o ra hiÖu øng ®èi víi c¸c tÕ bµo môc tiªu ®Æc thï cña chóng, bëi v× chØ cã c¸c tÕ bµo môc tiªu míi cã c¸c protein thô thÓ phï hîp trªn mµng tÕ bµo ®Ó cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt c¸c ph©n tö hoocm«n ®Æc thï t−¬ng øng. Ch¼ng h¹n nh− vÝ dô ë phÇn trªn, th«ng tin cña hoocm«n sÏ ®−îc truyÒn vµo trong tÕ bµo th«ng qua ph©n tö trung gian lµ G-protein, ph©n tö nµy sau ®ã sÏ ho¹t ho¸ hÖ thèng truyÒn tÝn hiÖu thø hai bªn trong tÕ bµo, th−êng b¾t ®Çu lµ cAMP. C¸c thô thÓ lµ c¸c protein cã ¸i lùc cao víi c¸c hoocm«n t−¬ng øng. Khi hoocm«n g¾n vµo thô thÓ cña nã, chóng sÏ “ho¹t hãa” thô thÓ vµ kÝch thÝch t¹o ra c¸c ®¸p øng sinh lý t−¬ng øng cña tÕ bµo. ë ®©y chóng ta nªu mét vÝ dô vÒ qu¸ tr×nh ®iÒu hßa l−îng ®−êng trong m¸u. Møc ®−êng huyÕt th«ng th−êng trong c¬ thÓ ng−êi th−êng kho¶ng 80 - 120 mg / 100 ml. Khi l−îng ®−êng trong m¸u thÊp h¬n 80 mg / 100 ml, c¸c tÕ bµo α cña tuyÕn tôy ph¶n øng b»ng viÖc gi¶i phãng hoocm«n glucagon vµo m¸u. T¹i tÕ bµo ®Ých (tÕ bµo gan), glucagon sÏ g¾n vµo thô thÓ cña nã trªn bÒ mÆt tÕ bµo. Thô thÓ nµy liªn kÕt víi G- protein ph©n bè trªn bÒ mÆt tÕ bµo vµ kÝch thÝch sù tæng hîp chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai cAMP. §Õn l−ît nã, cAMP ho¹t ho¸ mét sè lo¹i enzym kh¸c. KÕt qu¶ lµ tÕ bµo gan gi¶i phãng glucose tõ d¹ng dù tr÷ cña chóng lµ glycogen, råi chuyÓn vµo m¸u lµm t¨ng l−îng ®−êng trong m¸u ®Ó duy tr× møc ®−êng huyÕt b×nh th−êng. 2.2.3.5. C¸c protein vËn ®éng C¸c protein vËn ®éng (protein c¬) nh− actin vµ myosin cã t¸c dông phèi hîp víi nhau vµ víi hîp chÊt cao n¨ng ATP gióp cho c¬ cã thÓ co vµ duçi ®−îc. Actin lµ protein kÝch thÝch sù thñy ph©n ATP vµ g©y nªn sù kÕt hîp vµ ph©n ly cña actin víi myosin mµ chóng ta ghi nhËn b»ng ho¹t ®éng co c¬. ATP thùc chÊt bÞ thñy ph©n bëi myosin, nh−ng b¶n th©n qu¸ tr×nh nµy ®ßi hái actin ph¶i ®−îc g¾n vµo ATP tr−íc khi ph¶n øng diÔn ra. Thùc tÕ, tªn actin cã nghÜa lµ “ho¹t hãa” (activate) ATP khi cã mÆt myosin. 2.2.3.6. C¸c protein b¶o vÖ C¸c dÞch tÕ bµo ®éng vËt, ®Æc biÖt lµ m¸u, chøa nhiÒu lo¹i protein cã chøc n¨ng b¶o vÖ c¬ thÓ chèng l¹i sù x©m nhËp cña c¸c ho¸ chÊt ®éc, c¸c protein l¹ vµ vi sinh vËt (vi khuÈn, virut, sinh vËt ®¬n bµo, v.v…). T−¬ng tù nh− vËy, trong c¬ thÓ ng−êi, trong tuyÕn n−íc bät, tuyÕn må h«i vµ thËm trÝ n−íc m¾t cã mét enzym gäi lµ lysozym cã thÓ ph©n hñy ®−îc thµnh tÕ bµo cña nhiÒu lo¹i vi khuÈn, bao gåm c¸c loµi Staphylococcus vµ Streptococcus, gióp c¬ thÓ tr¸nh khái sù nhiÔm trïng víi c¸c nguån g©y bÖnh nµy. Interferon lµ mét nhãm gåm mét sè protein ®−îc t¹o ra tõ nhiÒu tÕ bµo trong c¬ thÓ gióp c¬ thÓ ph¶n øng l¹i sù x©m nhËp hoÆc l©y nhiÔm cña nhiÒu lo¹i virut. Tªn cña nhãm protein nµy b¾t nguån tõ tiÕng Anh lµ interference (can thiÖp) v× c¸c protein nµy cã ho¹t tÝnh “can thiÖp” vµo qu¸ tr×nh sao chÐp vµ nh©n lªn cña virut, ®ång thêi kÝch thÝch c¸c tÕ bµo cña hÖ miÔn dÞch ph¶n øng l¹i sù x©m nhËp cña virut. 54

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein Cho ®Õn nay, c¸c protein cã chøc n¨ng b¶o vÖ quan träng nhÊt ®−îc tæng hîp nhê hÖ miÔn dÞch ë ®éng vËt cã x−¬ng sèng (kÓ c¶ loµi ng−êi) lµ c¸c kh¸ng thÓ, cßn gäi lµ c¸c globulin miÔn dÞch (immunoglobulins). Ngoµi ra, trong c¬ thÓ, cßn cã c¸c protein cã t¸c dông b¶o vÖ kh¸c ®ã lµ c¸c thô thÓ trªn mµng tÕ bµo cña hÖ miÔn dÞch hay c¸c hîp chÊt thuéc lo¹i interleukin. Khi phèi hîp víi nhau, c¸c protein nµy cã thÓ lµm bÊt ho¹t vµ tiªu diÖt c¸c lo¹i vi sinh vËt hoÆc hîp chÊt l¹ x©m nhËp vµo tÕ bµo vµ lµm trung hßa ®éc tÝnh cña chóng. Ngoµi ra, interleukin cßn cã chøc n¨ng lµ c¸c chÊt mang tÝn hiÖu cÇn thiÕt cho sù trao ®æi th«ng tin bªn trong vµ gi÷a c¸c tÕ bµo cña hÖ thèng miÔn dÞch. Thùc tÕ, viÖc tiªm v¾c xin phßng bÖnh lµ nh»m kÝch thÝch hÖ miÔn dÞch ho¹t ®éng ®Ó tù b¶o vÖ c¬ thÓ. HÖ thèng miÔn dÞch trong c¬ thÓ con ng−êi cã kh¶ n¨ng s¶n xuÊt ra hµng triÖu lo¹i kh¸ng thÓ kh¸c nhau tïy theo yªu cÇu cña c¬ thÓ. C¸c protein kh¸ng thÓ th−êng chuyªn ho¸ vÒ chøc n¨ng vµ chØ ph¶n øng víi ph©n tö kÝch thÝch hÖ miÔn dÞch s¶n xuÊt ra chóng, ®ã lµ c¸c kh¸ng nguyªn. Tuy vËy, kh¶ n¨ng b¶o vÖ cña hÖ thèng miÔn dÞch lµ cã giíi h¹n. Do vËy, ®èi víi c¸c bÖnh nh©n bÞ Héi chøng suy gi¶m miÔn dÞch m¾c ph¶i (AIDS) hÖ miÔn dÞch cña hä bÞ suy yÕu do sù l©y nhiÔm vµ tÊn c«ng cña virut HIV. Khi bÖnh nh©n bÞ l©y nhiÔm víi c¸c d¹ng vi sinh vËt g©y bÖnh kh¸c, hÖ miÔn dÞch kh«ng cßn kh¶ n¨ng chèng l¹i vµ cã nguy c¬ tö vong cao (xem thªm ch−¬ng 9). 2.2.3.7. C¸c protein thô thÓ C¸c protein thô thÓ th−êng ®−îc t×m thÊy trªn bÒ mÆt c¸c lo¹i tÕ bµo vµ nhiÒu lo¹i lµ c¸c protein xuyªn mµng. Chóng lµ nh÷ng ph©n tö trung gian cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh truyÒn th«ng tin tõ c¸c ph©n tö tÝn hiÖu (bao gåm c¸c hîp chÊt hoocm«n, c¸c dÉn truyÒn thÇn kinh, c¸c hîp chÊt cã ho¹t tÝnh sinh häc, d−îc phÈm) ch¼ng h¹n nh− insulin, glucagon, adrenaline, vµ acetylcholine tõ bªn ngoµi vµo bªn trong tÕ bµo. C¸c protein thô thÓ cã hai ®Æc tÝnh c¬ b¶n: 1) ë bªn ngoµi tÕ bµo, chóng cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt vµ liªn kÕt víi mét hoÆc mét sè ph©n tö tÝn hiÖu ®Æc tr−ng (cßn gäi lµ chÊt g¾n ®Æt hiÖu, vÝ dô nh− c¸c hoocm«n) theo ph−¬ng thøc “ch×a kho¸ tra vµo æ kho¸”; 2) cßn ë bªn trong tÕ bµo, chóng ho¹t ho¸ c¸c G-protein vµ kÝch thÝch viÖc tæng hîp nªn c¸c chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai (vÝ dô nh− cAMP). Dùa vµo c¸c tÝn hiÖu nhËn ®−îc cña tõng lo¹i thô thÓ, tÕ bµo sÏ ph¶n øng b»ng viÖc thay ®æi c¸c ho¹t ®éng trao ®æi chÊt cña nã. §èi víi mçi mét lo¹i hoocm«n hay chÊt truyÒn tÝn hiÖu, cã thÓ cã nhiÒu lo¹i thô thÓ kh¸c nhau. Sù kÕt hîp cña nhiÒu lo¹i thô thÓ kh¸c nhau trªn bÒ mÆt tÕ bµo sÏ gióp x¸c ®Þnh c¸c lo¹i ph©n tö tÝn hiÖu kh¸c nhau mµ tÕ bµo cã thÓ ph¶n øng theo c¸c c¸ch phï hîp t−¬ng øng. Ngoµi ra, c¸c protein thô thÓ còng gi÷ vai trß quan träng trong viÖc vËn chuyÓn c¸c chÊt theo c¬ chÕ chñ ®éng tõ bªn ngoµi vµo bªn trong tÕ bµo, vÝ dô nh− trong qu¸ tr×nh vËn chuyÓn cholesterol vµo trong tÕ bµo nhê c¸c lipoprotein, hay qu¸ tr×nh vËn chuyÓn ion Fe2+ nhê transferrin. 2.2.3.8. C¸c protein ®iÒu hoµ Trong sè c¸c protein cã vai trß ®iÒu hoµ cã thÓ kÓ ®Õn protein ®iÒu hoµ biÓu hiÖn cña gen, c¸c protein ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh ph©n bµo, vµ nhiÒu protein ®iÒu hoµ c¸c ho¹t ®éng kh¸c nhau cña tÕ bµo. Mét vÝ dô vÒ protein ®iÒu hßa lµ calmodulin. Protein nµy cã vai trß ®iÒu hoµ l−îng Ca2+ trong tÕ bµo b»ng viÖc ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña kªnh xuyªn mµng Ca2+ trªn mµng tÕ bµo huyÕt t−¬ng. T−¬ng tù nh− vËy, cã nhiÒu protein tham gia ®iÒu hoµ c¸c ho¹t ®éng kh¸c cña tÕ bµo nh− c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi glycogen, ®iÒu hoµ trao ®æi n¨ng l−îng, ®iÒu hoµ gi¶i phãng chÊt dÉn truyÒn thÇn kinh, c¸c chÊt truyÒn tÝn hiÖu thø hai, c¸c hoocm«n, v.v… C¸c protein ®iÒu hoµ còng gi÷ mét vai trß rÊt quan träng trong ®iÒu hoµ biÓu hiÖn cña c¸c gen (tæng hîp c¸c ph©n tö protein vµ ARN), th−êng ®−îc gäi chung lµ sù biÓu hiÖn cña gen, tïy theo yªu cÇu sinh lý cña tÕ bµo. Trong thùc tÕ, cã nhiÒu protein tham gia ®iÒu hoµ c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· (sinh tæng hîp mARN) vµ dÞch m· (tæng hîp 55

§inh §oµn Long protein). Dùa vµo c¸c tÝn hiÖu xuÊt ph¸t tõ bªn trong hay bªn ngoµi tÕ bµo, mét gen nµo ®ã sÏ ®−îc ®iÒu khiÓn viÖc “bËt” hay “t¾t”, hoÆc t¨ng c−êng, hoÆc gi¶m møc ®é ho¹t ®éng nhê sù ®iÒu hoµ cña c¸c ph©n tö protein ®Æc thï. Chóng ta sÏ ®Ò cËp kü h¬n vÒ chñ ®Ò “§iÒu hßa biÓu hiÖn cña gen” ë ch−¬ng 5 cña gi¸o tr×nh nµy. 2.2.3.9. C¸c protein cÊu tróc C¸c protein cÊu tróc tham gia vµo viÖc ®Þnh h×nh cÊu tróc vµ h×nh d¹ng cña tÕ bµo vµ nhiÒu cÊu tróc d−íi tÕ bµo. Thuéc lo¹i nµy, cã thÓ kÓ ®Õn c¸c protein thuéc nhãm protein khung x−¬ng tÕ bµo cÇn cho viÖc ®Þnh h×nh tÕ bµo. Histon, mét lo¹i protein nhá cã tÝnh kiÒm, lµ protein cÊu tróc tham gia vµo viÖc ®ãng gãi vµ ®Þnh h×nh nhiÔm s¾c thÓ. Ngoµi ra, cßn nhiÒu lo¹i protein cÊu tróc kh¸c tham gia cÊu t¹o c¸c tiÓu phÇn d−íi tÕ bµo nh− ribosome, cytochrome, v.v… Protein thuéc lo¹i khung x−¬ng tÕ bµo phæ biÕn nhÊt cã thÓ kÓ ®Õn lµ c¸c sîi actin vµ thoi ph©n bµo. Histon lµ mét nhãm gåm 5 protein cã tÝnh kiÒm, ®−îc ký hiÖu lÇn l−ît lµ H1, H2A, H2B, H3 vµ H4. C¸c protein nµy ®−îc dïng ®Ó trung hoµ ®iÖn tÝch ©m cña ph©n tö ADN, nhê vËy qu¸ tr×nh ®ãng gãi nhiÔm s¾c thÓ cã thÓ diÔn ra. Ribosome lµ n¬i diÔn ra qu¸ tr×nh dÞch m· th«ng tin di truyÒn tõ mARN ®Ó tæng hîp protein. Mçi ribosome cã cÊu t¹o gåm 2 thµnh phÇn: protein vµ ARN. CÊu tróc ribosome gåm hai tiÓu phÇn, mét tiÓu phÇn cã kÝch th−íc lín vµ mét tiÓu phÇn cã kÝch th−íc nhá. Mçi tiÓu phÇn ribosome chøa ARN vµ protein ë tØ lÖ khèi l−îng gÇn t−¬ng ®−¬ng. ë sinh vËt nh©n thËt, tiÓu phÇn lín chøa kho¶ng 50 ph©n tö protein vµ tiÓu phÇn nhá chøa kho¶ng 30 ph©n tö protein. ë sinh vËt nh©n s¬, ribosome vÒ c¬ b¶n cã kÝch th−íc nhá h¬n, trong ®ã tiÓu phÇn lín chøa 32 ph©n tö protein cßn tiÓu phÇn nhá chøa 21 ph©n tö protein. Khi protein tham gia cÊu tróc ribosome bÞ háng, qu¸ tr×nh phiªn m· hay tæng hîp protein kh«ng thÓ diÔn ra b×nh th−êng, dÉn ®Õn tÕ bµo bÞ rèi lo¹n hoÆc chÕt. Cytochrome lµ ph©n tö protein mang mét nguyªn tö s¾t n»m trong nh©n hem. PhÇn hem nµy liªn kÕt víi ph©n tö protein gièng nh− trong ph©n tö hemoglobin ®· nãi ë phÇn trªn. MÆc kh¸c, gièng víi histon, c¸c protein cÊu tróc trong cytochrome cã tÝnh b¶o thñ rÊt cao trong suèt hµng triÖu n¨m tiÕn ho¸ cña sinh vËt. Cô thÓ, cytochrome cña vi khuÈn vµ cña ng−êi rÊt gièng nhau vµ gièng víi c¸c loµi sinh vËt kh¸c. CÊu tróc æn ®Þnh nµy cã thÓ liªn quan ®Õn chøc n¨ng sinh lý quan träng cña nã; v× vËy, hÇu hÕt c¸c ®ét biÕn ë gen nµy ®Òu g©y gi¶m søc sèng hoÆc g©y chÕt. 2.2.3.10. C¸c lo¹i protein kh¸c C¸c lo¹i protein kh¸c bao gåm c¸c protein kh«ng xÕp vµo c¸c lo¹i ë trªn, nh−ng vai trß cña chóng trong c¸c ho¹t ®éng sinh lý cña tÕ bµo kh«ng kÐm phÇn quan träng. Trong nhãm nµy, cã thÓ kÓ ®Õn c¸c protein t¹o kªnh xuyªn mµng cho phÐp hÊp thô chñ ®éng mét sè ion nhÊt ®Þnh (nh− Na+, K+, Cl-) qua mµng tÕ bµo hoÆc c¬ quan tö (ti thÓ, l¹p thÓ) theo ®óng chiÒu vµ ®óng thêi ®iÓm theo yªu cÇu sinh lý cña tÕ bµo. Ch¼ng h¹n, trong qu¸ tr×nh truyÒn xung thÇn kinh, mµng tÕ bµo thÇn kinh bÞ ph©n cùc vµ gi¶i ph©n cùc. ViÖc vËn chuyÓn glucose vµo trong tÕ bµo phô thuéc vµo c¸c kªnh b¬m ion Na+ vµ K+. Mét vÝ dô kh¸c cho thÊy bÖnh x¬ ho¸ khÝ qu¶n lµ kÕt qu¶ do gen m· ho¸ tæng hîp protein tham gia cÊu tróc c¸c kªnh vËn chuyÓn Cl- ë phæi vµ mét sè m« kh¸c bÞ sai háng. Lóc nµy, kªnh trao ®æi ion Cl- kh«ng cßn ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c ®−îc h−íng x©m nhËp vµo tÕ bµo cña c¸c ion Cl-, do vËy g©y ®Õn hiÖn t−îng trµn dÞch mµng phæi vµ cã thÓ dÉn ®Õn tö vong. Ngoµi ra, gi÷a c¸c tÕ bµo cßn cã c¸c ph©n tö protein h×nh thµnh nªn kªnh trao ®æi liªn bµo, ®©y lµ ®−êng truyÒn qua l¹i cña c¸c hîp chÊt v« c¬ phæ biÕn nh− ®−êng, axit amin, nucleotide. Nh−ng ®èi víi c¸c hîp chÊt cã kÝch th−íc lín h¬n nh− protein, axit nucleic vµ polysaccharide, chóng th−êng kh«ng thÓ ®i qua con ®−êng trao ®æi liªn bµo nµy. 56

Ch−¬ng 3 Sao chÐp axit nucleic 3.1. Sao chÐp ADN sîi kÐp 3.1.1. Sao chÐp ADN lµ sù khëi ®Çu qu¸ tr×nh sinh s¶n Còng nh− c¸c c¸ thÓ trong mét loµi, c¸c tÕ bµo trong mét c¬ thÓ ®a bµo duy tr× sù tån t¹i cña chóng qua sù sinh s¶n. VÒ mÆt di truyÒn, sinh s¶n lµ c¬ chÕ duy tr× sù æn ®Þnh cña vËt chÊt di truyÒn tõ thÕ hÖ nµy sang thÕ hÖ kh¸c. V× vËy, trong qu¸ tr×nh sinh s¶n, vËt chÊt di truyÒn ph¶i ®−îc sao chÐp (t¸i b¶n) mét c¸ch chÝnh x¸c. KÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh ®ã lµ c¸c th«ng tin di truyÒn thiÕt yÕu cña tÕ bµo bè, mÑ ®−îc truyÒn cho tÕ bµo con gÇn nh− nguyªn vÑn. Trong tÕ bµo eukaryote, phÇn lín th«ng tin di truyÒn ®−îc l−u gi÷ trong ADN hÖ gen nh©n, chØ mét phÇn nhá ®−îc l−u gi÷ trong c¸c c¬ quan tö ë tÕ bµo chÊt (ti thÓ vµ l¹p thÓ). Còng nh− c¸c sinh vËt ®a bµo kh¸c, ë ng−êi mäi c¬ thÓ ®Òu ®−îc h×nh thµnh tõ mét tÕ bµo hîp tö nhá bÐ ban ®Çu (®−êng kÝnh ~10nm). Trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña ph«i, hîp tö ph©n chia nguyªn ph©n nhiÒu lÇn liªn tiÕp ®Ó h×nh thµnh nªn hµng tû tÕ bµo. Khi ®¹t ®Õn giai ®o¹n tr−ëng thµnh, mét c¬ thÓ ng−êi chøa hµng triÖu tû tÕ bµo. Trõ mét sè ngo¹i lÖ, hÇu nh− tÊt c¶ c¸c tÕ bµo nµy ®Òu chøa nh÷ng b¶n sao gièng nhau cña kho¶ng 20.000 ®Õn 25.000 gen. §Ó cã ®−îc kÕt qu¶ ®ã, trong mçi lÇn ph©n bµo, toµn bé hÖ gen gåm kho¶ng 6 tû cÆp baz¬ nit¬ (tÕ bµo l−ìng béi) ph¶i ®−îc sao chÐp mét c¸ch chÝnh x¸c. Ngoµi ra, trong c¬ thÓ kh«ng ph¶i mäi tÕ bµo ®Òu tån t¹i vÜnh viÔn trong suèt qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña c¬ thÓ, mµ ë nhiÒu m«, c¸c tÕ bµo cò th−êng xuyªn ®−îc thay thÕ bëi c¸c tÕ bµo míi, vÝ dô nh− tñy x−¬ng mçi phót t¹o ra kho¶ng 2 triÖu tÕ bµo m¸u míi. VÒ tèc ®é sao chÐp vËt chÊt di truyÒn, ë eukaryote, qu¸ tr×nh sao chÐp ADN diÔn ra víi tèc ®é kho¶ng 60 - 90 nucleotide/gi©y, cßn ë prokaryote lµ kho¶ng 850 nucleotide/gi©y. Nh− vËy, râ rµng bé m¸y sao chÐp ph¶i ho¹t ®éng víi tèc ®é cao, nh−ng ®iÒu quan träng h¬n c¶ lµ th«ng tin di truyÒn ph¶i ®−îc sao chÐp mét c¸ch chÝnh x¸c tõ tÕ bµo mÑ sang c¸c tÕ bµo con. Thùc tÕ cho thÊy ®é chÝnh x¸c trong sao chÐp vËt chÊt di truyÒn ë c¸c loµi sinh vËt lµ rÊt cao. Ch¼ng h¹n ë E. coli, tÇn sè sao chÐp sai lÖch trung b×nh chØ kho¶ng 1/109 nucleotide. Nh− vËy, cã thÓ nãi phÇn lín c¸c gen cña hai tÕ bµo cã cïng nguån gèc sau nguyªn ph©n hÇu nh− gièng nhau hoµn toµn, trõ nh÷ng sai kh¸c cã thÓ x¶y ra do kÕt qu¶ cña ®ét biÕn hoÆc do sù sai háng cña bé m¸y söa ch÷a ADN. Mét c©u hái ®−îc ®Æt ra lµ: b»ng c¸ch nµo c¸c ph©n tö ADN sîi kÐp cã thÓ ®−îc sao chÐp vµ truyÒn cho thÕ hÖ con mét c¸ch chÝnh x¸c nh− vËy? M« h×nh sao chÐp ADN sîi kÐp ®Çu tiªn ®−îc chÝnh Watson vµ Crick ®Ò xuÊt n¨m 1953 ®ång thêi víi viÖc m« t¶ m« h×nh chuçi xo¾n kÐp cña ph©n tö ADN. Tuy vËy, lóc ®ã nh÷ng hiÓu biÕt liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh sao chÐp ADN cßn rÊt s¬ l−îc. M« h×nh ph©n tö ADN mµ Watson vµ Crick ®· ®Ò xuÊt cã c¬ chÕ sao chÐp b¸n b¶o toµn. NghÜa lµ, mçi m¹ch polynucleotide trong ph©n tö ADN sîi kÐp bè (mÑ) sÏ ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó tæng hîp nªn mét ph©n tö ADN sîi kÐp míi. KÕt qu¶ lµ mçi mét ph©n tö ADN sîi kÐp con sÏ 57

§inh §oµn Long mang mét m¹ch cò cã nguån gèc tõ ph©n tö ADN gèc vµ mét m¹ch ®−îc tæng hîp míi (l−u ý: trong gi¸o tr×nh nµy, “sîi” ®−îc dïng ®Ó diÔn ®¹t tr¹ng th¸i axit nucleic gåm 2 m¹ch ®¬n, cßn “m¹ch” ®Ó chØ mét chuçi polynucleotide ®¬n nhÊt). Watson vµ Crick ®· ®Ò xuÊt m« h×nh sao chÐp ADN nh− vËy chØ dùa vµo c¸c th«ng sè ho¸ lý cña ADN ®· biÕt khi ®ã. Ph¶i 5 n¨m sau, m« h×nh nµy míi ®−îc Meselson vµ Stahl chøng minh b»ng thùc nghiÖm (h×nh 3.1). Ngoµi ra, c¸c nghiªn cøu sau nµy cho thÊy c¸c m¹ch ®¬n cña ADN sîi kÐp tæng hîp míi ®−îc tiÕn hµnh theo hai ph−¬ng thøc kh¸c nhau. Trong ®ã, mét phÇn ®−îc tæng hîp liªn tôc, nghÜa lµ c¸c nucleotide ®−îc “l¾p r¸p” lÇn l−ît theo nguyªn t¾c bæ sung tõ ®Çu nµy ®Õn ®Çu kia cña m¹ch khu«n (theo chiÒu m¹ch khu«n 3’ → 5’) ®−îc gäi lµ m¹ch dÉn ®Çu (leading strand). Cßn mét phÇn ®−îc tæng hîp theo kiÓu gi¸n ®o¹n, trong ®ã c¸c ®o¹n ADN nhá ®−îc tæng hîp riªng rÏ (do chiÒu m¹ch khu«n lµ 5’ → 3’) vµ ®−îc gäi lµ c¸c ®o¹n Okazaki, råi sau ®ã nèi l¹i víi nhau, gäi lµ m¹ch theo sau (lagging strand). KiÓu sao chÐp ADN sîi kÐp nh− vËy ®−îc gäi lµ kiÓu (ph−¬ng thøc) sao chÐp nöa gi¸n ®o¹n. §Ó tiÖn cho qu¸ tr×nh ph©n tÝch vµ nghiªn cøu, gièng nh− c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· (tæng hîp ARN) vµ dÞch m· (tæng hîp protein) (xem ch−¬ng 4), qu¸ tr×nh sao chÐp ADN th−êng ®−îc chia lµm ba giai ®o¹n: (1) khëi ®Çu sao chÐp, (2) kÐo dµi chuçi vµ (3) kÕt thóc Ph©n tö S¶n phÈm sao S¶n phÈm sao ADN khu«n chÐp ADN thÕ hÖ 1 chÐp ADN thÕ hÖ 2 A) KiÓu sao chÐp + + ++ b¸n b¶o toµn KÕt qu¶ ly t©m HH HL LH HL LL LL LH gradient mong ®îi HH HL LL HL B) KiÓu sao chÐp b¶o toµn + KÕt qu¶ ly t©m HH HH LL gradient mong ®îi HH LL HH C) KiÓu sao chÐp + + ++ ph©n t¸n KÕt qu¶ ly t©m HH Hçn hîp Hçn hîp gradient mong ®îi HH HL 25%H; 75%L H×nh 3.1. Ba kiÓu sao chÐp ADN ®−îc gi¶ thiÕt trong thÝ nghiÖm cña Meselson vµ Stahl (1958). KiÓu sao chÐp b¶o toµn (B) bÞ lo¹i v× ë thÕ hÖ 1 kh«ng thu ®−îc 50% chuçi LL vµ 50% chuçi HH. KiÓu sao chÐp ph©n t¸n (C) còng bÞ lo¹i v× ë thÕ hÖ 2 kh«ng thu ®−îc mét b¨ng gradient hçn hîp duy nhÊt. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm thùc tÕ trïng khíp với m« h×nh sao chÐp b¸n b¶o toµn cña Watson vµ Crick (1953). H lµ ®o¹n tr×nh tù ADN cña sîi lµm khu«n ban ®Çu ®−îc h×nh thµnh tõ c¸c nucleotide chøa 15N (H = heavy); L lµ ®o¹n tr×nh tù ADN ®−îc tæng hîp míi tõ c¸c nucleotide ®−îc cÊu t¹o tõ 14N (L = light). 58

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic trïng hîp chuçi. Trong phÇn ®Çu cña ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn m« h×nh sao chÐp ph©n tö ADN sîi kÐp lµ m« h×nh phæ biÕn ë phÇn lín c¸c loµi sinh vËt (kÓ c¶ prokaryote vµ eukaryote). PhÇn sau ®Ò cËp mét sè m« h×nh sao chÐp vËt chÊt di truyÒn ë mét sè virut mµ vËt chÊt di truyÒn cña chóng kh«ng ph¶i lµ ADN sîi kÐp. 3.1.2. M« h×nh sao chÐp ADN sîi kÐp Cho ®Õn nay, qu¸ tr×nh sao chÐp ADN ë prokaryote, ®Æc biÖt lµ E. coli ®−îc hiÓu biÕt ®Çy ®ñ h¬n c¶. ë eukaryote, do tÝnh phøc t¹p h¬n vÒ kÝch th−íc vµ cÊu tróc hÖ gen, vÉn cßn mét sè khÝa c¹nh cña qu¸ tr×nh sao chÐp ADN vÉn ch−a ®−îc biÕt ®Çy ®ñ. Tuy nhiªn, c¸c dÉn liÖu thùc nghiÖm cho thÊy c¸c qu¸ tr×nh sao chÐp ADN ë prokaryote vµ eukaryote c¬ b¶n gièng nhau, ®Æc biÖt vÒ c¸c nguyªn t¾c hãa sinh vµ sinh häc ph©n tö. ë ®©y, chóng ta sÏ xem xÐt m« h×nh sao chÐp ADN ë E. coli, vµ ph©n tÝch mét sè ®Æc ®iÓm ®Æc thï trong sao chÐp ADN ë eukaryote. 3.1.2.1. C¸c thµnh phÇn tham gia sao chÐp ADN ë E. coli Qu¸ tr×nh sao chÐp ph©n tö ADN sîi kÐp ë E. coli cã sù tham gia cña nhiÒu thµnh phÇn, bao gåm c¸c thµnh phÇn c¬ b¶n nh− sau (xem c¸c h×nh 3.2, 3.3 vµ b¶ng 3.1): 1) ADN khu«n (template DNA): ®ã lµ tr×nh tù c¸c nucleotide thuéc ph©n tö ADN gèc ®−îc sö dông lµm nguån th«ng tin ®Ó tiÕn hµnh sao chÐp (tæng hîp) nªn c¸c ph©n tö ADN con dùa trªn nguyªn t¾c liªn kÕt bæ sung (liªn kÕt Chargaff) gi÷a c¸c nucleotide. 2) §iÓm khëi ®Çu sao chÐp (origin): ®©y lµ mét tr×nh tù nucleotide ®Æc hiÖu trªn m¹ch ADN khu«n ®−îc phøc hÖ khëi ®Çu sao chÐp nhËn ra, g¾n vµo vµ b¾t ®Çu sao chÐp. C¸c ®o¹n Okazaki DnaB 5' ’ M¹ch theo sau (lagging strand) 5' Ch¹c sao chÐp ’ M¹ch dÉn ®Çu (leading strand) 3' Protein Rep 3' Protein SSB ’ H×nh 3.2. Sù khëi ®Çu sao chÐp ph©n tö ADN sîi kÐp. Ph©n tö ADN ®−îc gi·n xo¾n tại vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp nhê helicase (DnaB + Rep). Trong ®ã, tiÓu phÇn Rep liªn kÕt vµo m¹ch khu«n tæng hîp m¹ch dÉn ®Çu (m¹ch ®−îc tæng hîp liªn tôc), vµ DnaB (helicase II) liªn kÕt vµo m¹ch khu«n tæng hîp m¹ch theo sau (m¹ch ®−îc tæng hîp gi¸n ®o¹n víi nhiÒu ®o¹n Okazaki). Protein SSB liªn kÕt vµo hai m¹ch khu«n ng¨n c¶n chóng liªn kÕt trë l¹i. 59

§inh §oµn Long ADN pol III Protein Rep Ph©n tö ADN mÑ 5’ M¹ch dÉn ®Çu Primosome 5’3’ 3’ §o¹n Okazaki ®ang Protein SSB ®−îc tæng hîp Helicase II §o¹n ARN måi 3’ 5’ 5’ M¹chtheosau (rachËm) 3’ 53’ ’ Primosome tæng hîp Hai ®o¹n Okazaki ®−îc nèi ®o¹n måi ARN míi víi nhau nhê ADN ligase §o¹n Okazaki ®−îc tæng hîp hoµn chØnh 53’ ’ §o¹n ARN måi ®−îc thay thÕ nhê ADN polymerase I 5’ 53’ ’ 3’ §o¹n Okazaki 3’ míi b¾t ®Çu 5’ ®−îc tæng hîp §o¹n Okazaki ®−îc tæng hîp phÝa tr−íc H×nh 3.3. Qu¸ tr×nh sao chÐp ADN sîi kÐp. Sîi theo sau quay vßng, nhê vËy phøc hÖ sao chÐp (gåm Ýt nhÊt hai enzym ADN pol I vµ III) cã thÓ bæ sung c¸c deoxyribonucleotide vµo ®Çu 3'-OH cña m¹ch polynucleotide míi ®ang ®−îc kÐo dµi. 3) C¸c lo¹i protein tham gia sao chÐp ADN: + C¸c protein DnaA, DnaB, DnaC, Rep, IHF, FIS: ®©y lµ nhãm c¸c protein cÇn thiÕt ®Ó nhËn ra ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp vµ cã t¸c dông t¸ch (gi·n xo¾n) hai m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp sau khi chóng t¸ch khái nhau sau giai ®o¹n khëi ®Çu sao chÐp. + Protein b¸m m¹ch ®¬n SSB (single strand binding protein): protein nµy cã vai trß ng¨n c¶n hai m¹ch ®¬n sau khi gi·n xo¾n kh«ng liªn kÕt trë l¹i víi nhau, nhê vËy qu¸ tr×nh sao chÐp cã thÓ diÔn ra. 4) C¸c nucleotide: ®ã lµ c¸c deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP) vµ d¹ng ribonucleotide triphosphate cña c¸c baz¬ nit¬ adenine, guanine, cytosine vµ uracil (NTP). C¸c ph©n tö nµy võa ®ãng vai trß lµ c¸c ®¬n vÞ cÊu tróc nªn ADN, võa lµ nguån cung cÊp n¨ng l−îng cho qu¸ tr×nh sao chÐp (vÝ dô: ATP, GTP, …). 5) C¸c enzym: cã rÊt nhiÒu enzym tham gia vµo qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, nh−ng chóng ta chØ nh¾c ®Õn mét sè enzym cã vai trß quan träng nhÊt theo thø tù tham gia vµo qu¸ tr×nh sao chÐp ph©n tö ADN sîi kÐp, gåm cã: a) Gyrase: ®©y lµ mét enzym topoisomerase lo¹i II, cã vai trß th¸o xo¾n vµ gì rèi ph©n tö ADN sîi kÐp chuÈn bÞ cho ho¹t ®éng lµm gi·n xo¾n hoµn toµn ph©n tö ADN bëi enzym helicase ë b−íc khëi ®Çu sao chÐp; ®ång thêi enzym nµy cã vai trß gì rèi vµ t¸ch hai ph©n tö ADN con h×nh thµnh khi qu¸ tr×nh sao chÐp kÕt thóc. 60

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic b) Helicase: enzym lµm gi·n xo¾n ph©n OO tö ADN sîi kÐp, chuÈn bÞ s½n sµng cho qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. .. E Lys NH2 + N R O P O P O R A c) ADN primase: ®©y lµ c¸c enzym cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh tæng hîp ®o¹n -O NAD+O- ARN måi, lµ mét yªu cÇu b¾t buéc cña qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. NMN+ d) C¸c enzym ADN polymerase (ADN O pol): cã 5 lo¹i ADN pol ®−îc t×m thÊy ë E. coli (kÝ hiÖu ADN pol I – V). + Trong ®ã ADN pol III lµ enzym chÝnh thùc hiÖn ph¶n øng tæng hîp ADN, E Lys NH2 P O R A cã vai trß xóc t¸c ph¶n øng kÐo dµi chuçi polynucleotide b¾t ®Çu tõ ®o¹n O- ARN måi ®Õn hÕt m¹ch ADN lµm khu«n. ADN pol I cã vai trß lo¹i bá + E Lys NH2 ®o¹n måi ARN vµ tæng hîp thay thÕ vµo ®ã ®o¹n ADN t−¬ng øng. C¸c RA ADN pol II, IV vµ V cã vai trß chÝnh trong c¸c ho¹t ®éng söa ch÷a ADN. E Lys NH2 AMP TÊt c¶ c¸c ADN pol ®Òu sö dông ADN lµm m¹ch khu«n vµ ®Òu cã O chøc n¨ng ®äc söa. OP O f) ADN ligase: Enzym nèi c¸c ®o¹n Okazaki n»m kÒ nhau b»ng viÖc xóc O- t¸c h×nh thµnh liªn kÕt phosphodieste gi÷a c¸c ®o¹n nµy H×nh 3.4. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña ADN ligase ë (h×nh 3.4). E. coli. ë eukaryote vµ T4 ADN ligase, ATP thay cho NAD +. V× vËy, s¶n phÈm t¹o ra ë b−íc thay cho NMN+ lµ pyrophosphate (PPi). B¶ng 3.1. Chøc n¨ng cña mét sè gen vµ tr×nh tù ADN liªn quan ®Õn sao chÐp ADN ë E. coli S¶n phÈm cña gen Chøc n¨ng chÝnh Gen ADN polymerase I (ADN pol I) Tæng hîp ADN; thay thÕ ®o¹n måi ARN; ®äc söa polA ADN polymerase II (ADN pol II) Söa ch÷a ADN polB ADN polymerase III (ADN pol III) Enzym tæng hîp ADN chÝnh; ®äc söa dnaE, dnaQ, holE ADN polymerase IV (ADN pol IV) Söa ch÷a ADN dinB ADN polymerase V (ADN pol V) Söa ch÷a ADN umuDC Protein DnaA G¾n vµo tr×nh tù OriC; khëi ®Çu sao chÐp dnaA Protein IHF Protein liªn kÕt ADN himA Protein FIS Protein liªn kÕt ADN fis Helicase (DnaB vµ Rep) Gi·n xo¾n ADN vµ ho¹t hãa primase dnaB (uvrD, rep) Protein DnaC T¹o phøc víi DnaB, thóc ®Èy DnaB liªn kÕt ADN dnaC Primase Tæng hîp ®o¹n måi ARN dnaG Protein SSB (b¸m sîi ®¬n) Ng¨n c¶n hai m¹ch ADN liªn kÕt bæ sung ssb ADN ligase Enzym nèi c¸c ®o¹n ADN víi nhau lig Gyrase (mét lo¹i topoisomerase II) Enzym gì rèi ADN vµ th¸o xo¾n gyrA, gyrB Tr×nh tù khëi ®Çu sao chÐp oriC VÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp oriC Tr×nh tù kÕt thóc sao chÐp ter VÞ trÝ kÕt thóc sao chÐp ter Protein TBP (Protein liªn kÕt ter) Dõng ch¹c sao chÐp tus 61

§inh §oµn Long 3.1.2.1.1. ADN m¹ch khu«n MÆc dï ADN polymerase I vµ III lµ c¸c enzym xóc t¸c trùc tiÕp ph¶n øng tæng hîp chuçi ADN, nh−ng c¶ hai enzym nµy ®Òu kh«ng cã kh¶ n¨ng tù ®éng l¾p r¸p vµ kÕt nèi c¸c nucleotide theo mét trËt tù bÊt kú, còng nh− kh«ng cã kh¶ n¨ng tù ®éng khëi ®Çu qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. V× vËy, ®Ó cã thÓ ho¹t ®éng ®−îc, hai enzym nµy ph¶i dùa vµo trËt tù cña c¸c nucleotide ®· ®−îc x¸c ®Þnh trong ph©n tö ADN gèc, tøc lµ c¸c m¹ch lµm khu«n. Khi ph©n tö ADN sîi kÐp ®ang ®−îc tæng hîp, c¸c nucleotide míi ®−îc chän läc b»ng c¸ch ghÐp cÆp víi c¸c nucleotide trªn m¹ch khu«n. Qu¸ tr×nh ghÐp cÆp nµy ®−îc thùc hiÖn dùa theo nguyªn t¾c Chargaff, nghÜa lµ A liªn kÕt bæ sung víi T, G liªn kÕt víi C (vµ ng−îc l¹i). Nh− vËy, tr×nh tù c¸c nucleotide trªn m¹ch ADN khu«n sÏ lu«n x¸c ®Þnh tr×nh tù c¸c nucleotide trªn ph©n tö ADN sîi kÐp míi. 3.1.2.1.2. §iÓm khëi ®Çu sao chÐp ë c¸c prokaryote, sù khëi ®Çu qu¸ tr×nh sao chÐp ADN kh«ng ph¶i b¾t ®Çu ë mét ®iÓm bÊt kú däc theo ph©n tö ADN. Thay vµo ®ã, sù sao chÐp ADN th−êng b¾t ®Çu ë nh÷ng vÞ trÝ nhÊt ®Þnh, gäi lµ ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp (replication origin). ë E. coli, chØ cã mét tr×nh tù khëi ®Çu sao chÐp duy nhÊt gåm 245 cÆp baz¬ nit¬ (bp), ®−îc gäi lµ tr×nh tù oriC. §o¹n tr×nh tù nµy chøa mét côm tr×nh tù gåm ba b¶n sao mét ®o¹n lÆp 13 bp giµu A=T (gäi lµ ®o¹n lÆp giµu A=T) vµ bèn b¶n sao mét ®o¹n lÆp gåm 9 bp. §o¹n lÆp giµu A=T rÊt dÔ biÕn tÝnh (t¸ch thµnh m¹ch ®¬n) vµ lµ ®Æc ®iÓm cã ë c¸c tr×nh tù khëi ®Çu sao chÐp ë mäi sinh vËt. VÞ trÝ ®o¹n lÆp gåm 9 bp lµ vÞ trÝ liªn kÕt cña DnaA. Khi DnaA liªn kÕt vµo oriC, nã lµm thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian cña ADN t¹i vÞ trÝ nµy, ®ång thêi huy ®éng DnaB (cã ho¹t tÝnh helicase) ®Õn vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp. Nh×n chung, giai ®o¹n khëi ®Çu sao chÐp ë E. coli ®−îc ghi nhËn b»ng ba ho¹t ®éng chÝnh: (1)NhËn biÕt tr×nh tù khëi ®Çu sao chÐp. (2)Lµm biÕn tÝnh ph©n tö ADN sîi kÐp ë vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp (th«ng qua viÖc lµm gÉy c¸c liªn kÕt hydro gi÷a hai m¹ch ®¬n t¹i ®o¹n lÆp giµu A=T) (3)Enzym helicase g¾n vµo tr×nh tù khëi ®Çu sao chÐp vµ ho¹t ®éng. §èi víi c¸c eukaryote, nh− nÊm men vµ ®éng vËt, vÞ trÝ vµ cÊu tróc cña c¸c ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp khã x¸c ®Þnh h¬n do cÊu tróc cña hÖ gen cña c¸c sinh vËt nµy phøc t¹p h¬n. Nh×n chung, hÖ gen nh©n cña eukaryote cã nhiÒu ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp, vµ tr×nh tù ë c¸c ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp ë eukaryote cã møc ®é biÕn ®æi lín. Sau khi sù khëi ®Çu sao chÐp ADN ®· diÔn ra, qu¸ tr×nh tæng hîp ph©n tö ADN sîi kÐp trong c¶ hai lo¹i tÕ bµo prokaryote vµ eukaryote ®Òu diÔn ra theo hai chiÒu, däc theo ch¹c sao chÐp, nghÜa lµ tiÕn vÒ c¶ hai phÝa cña ph©n tö ADN. 3.1.2.1.3. C¸c lo¹i protein tham gia sao chÐp ADN ë E. coli, protein DnaA lµ lo¹i protein cã vai trß nhËn ra vµ g¾n vµo tr×nh tù khëi ®Çu sao chÐp. Sau khi DnaA ®· g¾n vµo vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp, mét phøc hÖ DnaB - DnaC cã ¸i lùc cao víi DnaA sÏ liªn kÕt vµo vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp ®Ó h×nh thµnh nªn phøc hÖ khëi ®Çu sao chÐp hoµn chØnh gåm 3 protein nµy. Trong ®ã, DnaB cã ho¹t tÝnh gi·n xo¾n cña helicase vµ gãp phÇn trùc tiÕp lµm biÕn tÝnh (t¸ch thµnh 2 m¹ch ®¬n) ph©n tö ADN sîi kÐp. 62

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic Nh− ®· nãi ë trªn, trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, hai m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp míi ®−îc tæng hîp vÒ hai phÝa cña ch¹c sao chÐp theo hai kiÓu kh¸c nhau. Mét m¹ch míi ®−îc tæng hîp liªn tôc (dùa trªn m¹ch khu«n theo chiÒu 3’ → 5’) gäi lµ m¹ch dÉn ®Çu, cßn m¹ch thø hai ®−îc tæng hîp gi¸n ®o¹n qua nh÷ng ®o¹n nhá Okazaki ®−îc gäi lµ m¹ch theo sau. Trong c¶ hai tr−êng hîp, m¹ch polynucleotide míi ®Òu ®−îc tæng hîp theo chiÒu 5’ → 3’. Lóc nµy, enzym ADN helicase (do gen dnaB m· hãa) th−êng ë d¹ng dÞ phøc kÐp liªn kÕt trªn c¸c hai m¹ch vµ lµm gi·n xo¾n ph©n tö ADN vÒ c¶ hai phÝa cña ch¹c sao chÐp. N¨ng l−îng cÇn cho sù gi·n xo¾n nµy thu ®−îc tõ sù thñy ph©n ATP. Cø mçi lÇn t¸ch mét cÆp baz¬ nit¬, helicase sö dông n¨ng l−îng tõ hai ph©n tö ATP. C¸c protein SSB cã vai trß thiÕt yÕu gi÷ cho c¸c m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp lµm khu«n ®· t¸ch ra kh«ng liªn kÕt trë l¹i trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. C¸c protein nµy ng¨n c¶n sù h×nh thµnh liªn kÕt hydro gi÷a c¸c baz¬ nit¬ bæ sung trªn hai m¹ch ®èi diÖn. 3.1.2.1.4. C¸c lo¹i nucleotide Qu¸ tr×nh sao chÐp ADN sîi kÐp trong tÕ bµo ®ßi hái m«i tr−êng néi bµo ph¶i cung cÊp ®Çy ®ñ t¸m lo¹i nucleotide kh¸c nhau, gåm bèn lo¹i deoxyribonucleotide vµ bèn lo¹i ribonucleotide. Trong ®ã, bèn lo¹i deoxyribonucleotide cÇn cho sù tæng hîp vµ kÐo dµi chuçi ADN lµ deoxyadenine-5-triphosphate (dATP), deoxyguanosine-5-triphosphate (dGTP), deoxycytidine-5-triphosphate (dCTP) vµ deoxythymidine-5-triphosphate (dTTP). Bèn lo¹i ribonucleotide cÇn cho sù tæng hîp ®o¹n måi (cã b¶n chÊt ARN) lµ adenosine-5-triphosphate (ATP), guanosine-5-triphosphate (GTP), cytidine-5- triphosphate (CTP) vµ uridine-5-triphosphate (UTP). VÒ sù h×nh thµnh cña c¸c nucleotide trong tÕ bµo: trong c¸c ph¶n øng cña qu¸ tr×nh h« hÊp, glucose vµ c¸c axit bÐo bÞ oxy hãa, c¸c ®iÖn tö bÞ t¸ch ra vµ chuyÓn vµo chuçi truyÒn ®iÖn tö trong c¸c cytochrome. Chuçi truyÒn ®iÖn tö nµy liªn kÕt víi mét hÖ thèng c¸c enzym mµ qua ®ã, chóng chuyÓn ho¸ n¨ng l−îng ®−îc l−u gi÷ trong c¸c ®iÖn tö thµnh n¨ng l−îng cao n¨ng trong ATP qua qu¸ tr×nh photphoryl hãa - oxy ho¸. KÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh nµy lµ chuyÓn hãa adenosine diphosphate (ADP) thµnh adenosine triphosphate (ATP). Nh− vËy cã thÓ nãi sù trao ®æi chÊt cña glucose vµ axit bÐo ®· gi¸n tiÕp cung cÊp n¨ng l−îng vµ nguyªn liÖu cho qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. C¸c ph©n tö ATP, sau khi ®−îc t¹o ra ®−îc dïng ®Ó chuyÓn hãa thµnh c¸c ph©n tö nucleotide triphosphate kh¸c. Trong qu¸ tr×nh chuyÓn hãa ®Ó t¹o ra c¸c ph©n tö nucleotide cã n¨ng l−îng cao (nh− ATP, GTP…), cã hai ph¶n øng c¬ b¶n do enzym xóc t¸c. Ph¶n øng ®Çu tiªn do enzym monophosphate kinase (vÝ dô: adenylate kinase) xóc t¸c, sÏ chuyÓn ho¸ d¹ng nucleoside monophosphate thµnh d¹ng diphosphate nhê viÖc sö dông mét ph©n tö ATP, vÝ dô: AMP + ATP → 2 ADP, hoÆc GMP + ATP → GDP + ADP. Sau ®ã, mét enzym thø hai gäi lµ nucleoside diphosphate kinase sÏ tiÕn hµnh phosphoryl hãa c¸c ph©n tö d¹ng diphosphate thµnh d¹ng triphosphate, vÝ dô: GDP + ATP → GTP + ADP. Qu¸ tr×nh chuyÓn hãa ®Ó t¹o ra c¸c nucleotide d¹ng deoxyribonucleotide cÇn mét nhãm c¸c enzym kh¸c, gäi chung lµ ribonucleotide reductase. Mçi mét enzym reductase ®Æc tr−ng cho tõng lo¹i ribonucleotide t−¬ng øng. C¬ chÊt cña lo¹i enzym nµy lµ c¸c d¹ng nucleoside diphosphate, ch¼ng h¹n ADP ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh dADP, hay CDP ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh dCDP. C¸c hîp chÊt nµy sau ®ã sÏ ®−îc phosphoryl ho¸ ®Ó h×nh thµnh d¹ng triphosphate (dNTP) s½n sµng cho qu¸ tr×nh tæng hîp ADN. Trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, c¸c nucleotide ®ång thêi cã 3 chøc n¨ng quan träng: 1) lµ nguyªn liÖu (thµnh phÇn) tham gia cÊu tróc ADN (vµ ARN). 63

§inh §oµn Long 2) l−u tr÷ th«ng tin di truyÒn (nãi chÝnh x¸c h¬n lµ tr×nh tù c¸c nucleotide trong ph©n tö ADN sîi khu«n gi÷ chøc n¨ng nµy). 3) cung cÊp n¨ng l−îng (ë d¹ng triphosphate) cho qu¸ tr×nh sao chÐp. Riªng víi chøc n¨ng thø ba, chóng ta chó ý r»ng ph¶n øng tæng hîp ADN lµ mét ph¶n øng trïng hîp tiªu tèn n¨ng l−îng. C¸c nucleotide tham gia ph¶n øng tæng hîp ADN ë d¹ng triphosphate, nh−ng trong ph©n tö ADN nã ë d¹ng monophosphate. Trong qu¸ tr×nh tæng hîp ADN, c¸c ph©n tö nucleotide triphosphat khi kÕt hîp vµo chuçi polynucleotide sÏ ®ång thêi gi¶i phãng ra hai nhãm phosphate (gäi lµ pyrophosphate, ký hiÖu lµ PPi) vµ n¨ng l−îng ®−îc sö dông ®Ó g¾n kÕt c¸c ph©n tö nucleoside monophosphate vµo chuçi ADN. Qu¸ tr×nh nµy cã thÓ m« t¶ v¾n t¾t nh− sau: ATP → AMP + PPi + n¨ng l−îng → ADN. 3.1.2.1.5. C¸c lo¹i enzym a) Gyrase Tr−íc khi qu¸ tr×nh sao chÐp ADN diÔn ra, ph©n tö ADN ®ang ®−îc cuén xo¾n rÊt chÆt ph¶i ®−îc gi·n xo¾n vµ t¸ch thµnh hai m¹ch ®¬n ë vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp. Qu¸ tr×nh gi·n xo¾n cña hai m¹ch ®¬n trªn ph©n tö ADN lµ cÇn thiÕt ®Ó lµm gi¶m søc c¨ng cña c¸c liªn kÕt däc ph©n tö ADN ë vÞ trÝ ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp. Khi sù sao chÐp cña toµn bé ph©n tö ADN kÕt thóc, hai ph©n tö ADN con ®−îc h×nh thµnh sÏ ph¶i t¸ch nhau ra. TÊt c¶ c¸c ho¹t ®éng nµy ®−îc thùc hiÖn bëi mét enzym gäi lµ gyrase. Enzym nµy gióp lµm gi¶m søc c¨ng trong ph©n tö ADN b»ng c¸ch lµm g·y liªn kÕt phosphodieste trªn hai m¹ch ADN trong mét thêi gian ng¾n. Sù bÎ g·y liªn kÕt nµy cã thÓ x¶y ra víi tÇn suÊt 1 trong kho¶ng 10 nucleotide. b) Helicase Ho¹t tÝnh cña helicase thùc chÊt lµ ho¹t tÝnh cña dÞ phøc kÐp, gåm 2 protein lµ DnaB vµ Rep (®Ó ph©n biÖt, ng−êi ta cßn gäi protein DnaB lµ helicase II vµ Rep lµ Rep helicase). Hai protein nµy cïng víi protein b¸m sîi ®¬n SSB cã vai trß t¸ch c¸c m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp b»ng viÖc lµm g·y liªn kÕt hydro gi÷a c¸c nucleotide bæ sung gi÷a hai m¹ch. Lóc nµy, hai m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp t¸ch nhau ra vµ viÖc g¾n c¸c protein SSB sÏ gi÷ cho hai m¹ch kh«ng liªn kÕt trë l¹i. Cø nh− vËy, hai m¹ch ®¬n ®−îc sö dông lµm khu«n cho qu¸ tr×nh tæng hîp hai ph©n tö ADN míi. Tõ vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp, hai ch¹c sao chÐp tiÕn vÒ hai phÝa vµ qu¸ tr×nh sao chÐp sÏ ®ång thêi diÔn ra theo hai h−íng. Trong qu¸ tr×nh sao chÐp, nÕu nh− Rep ch¹y däc theo m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp nªn m¹ch dÉn ®Çu (m¹ch ®−îc tæng hîp liªn tôc) th× protein DnaB g¾n vµo m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp nªn m¹ch theo sau (m¹ch ®−îc tæng hîp gi¸n ®o¹n). Nh− vËy, nÕu nh− ph©n tö protein Rep di chuyÓn theo chiÒu tõ 3’ → 5’ th× DnaB di chuyÓn theo chiÒu ng−îc l¹i tõ 5’ → 3’. Nãi c¸ch kh¸c, protein DnaB tham gia trùc tiÕp sù tæng hîp c¸c ®o¹n Okazaki. c) ADN primase Mét ®Æc ®iÓm ®¸ng chó ý trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN sîi kÐp lµ trong giai ®o¹n khëi ®Çu cÇn cã sù tæng hîp mét ®o¹n måi kh«ng ph¶i lµ ADN mµ lµ ARN. §o¹n ARN måi lµ ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt ®Ó qu¸ tr×nh sao chÐp ADN cã thÓ b¾t ®Çu. Së dÜ nh− vËy lµ bëi v× tÊt c¶ c¸c ADN polymerase ®· biÕt ®Òu kh«ng cã kh¶ n¨ng tù khëi ®Çu tæng hîp ADN; chóng chØ cã thÓ xóc t¸c viÖc g¾n mét dNTP vµo mét m¹ch (cã thÓ lµ ADN hoÆc ARN) ®· cã s½n ®Çu 3’-OH tù do. §o¹n ARN måi nµy cã kÝch th−íc thay ®æi (tõ 2 - 10 nucleotide) tïy tõng tÕ bµo. NÕu nh− viÖc tæng hîp m¹ch ADN dÉn ®Çu chØ cÇn mét ®o¹n 64

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic ARN måi duy nhÊt (sau ®ã qu¸ tr×nh kÐo dµi chuçi ADN diÔn ra liªn tôc ®Õn hÕt chuçi); th× viÖc tæng hîp m¹ch ADN theo sau cÇn nhiÒu ®o¹n ARN måi. Cô thÓ lµ, mçi ®o¹n Okazaki cÇn 1 ®o¹n ARN måi riªng biÖt. Enzym gi÷ vai trß tæng hîp ®o¹n ARN måi ®−îc gäi lµ ADN primase. Enzym nµy thùc chÊt lµ mét ARN polymerase. Sù cÇn thiÕt ph¶i cã ADN primase trong b−íc khëi ®Çu qu¸ tr×nh sao chÐp ADN ph¶n ¸nh mét thuéc tÝnh kh¸c biÖt c¬ b¶n gi÷a ADN polymerase vµ ARN polymerase. §ã lµ, nÕu nh− ADN polymerase cÇn ph¶i cã mét m¹ch polynucleotide cã s½n míi cã thÓ b¾t ®Çu sù tæng hîp m¹ch ADN míi, th× ARN polymerase kh«ng cÇn ®iÒu kiÖn nµy. C¶ hai lo¹i enzym ARN vµ ADN polymerase ®Òu cã kh¶ n¨ng kÐo dµi c¸c chuçi polynucleotide, nh−ng chØ theo mét chiÒu duy nhÊt lµ 5’ → 3’. §Ó tæng hîp ®o¹n ARN måi, ADN primase ®äc c¸c tr×nh tù ADN mçi lÇn mét nucleotide trªn m¹ch khu«n vµ l¾p ghÐp c¸c baz¬ nit¬ theo nguyªn t¾c bæ sung gi÷a A víi U, G víi C (vµ ng−îc l¹i) ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c ®o¹n lai ADN/ARN ng¾n. V× lµ sù tæng hîp ARN, nªn lóc nµy c¸c nucleotide cÇn thiÕt tõ m«i tr−êng lµ c¸c ribonucleotide chø kh«ng ph¶i c¸c deoxyribonucleotide. VÒ cÊu tróc, ADN primase ë E. coli lµ mét ph©n tö protein cã kÝch th−íc nhá gåm mét chuçi polypeptide duy nhÊt. d) C¸c enzym ADN polymerase N¨m 1955, Arthur Kornberg cïng c¸c ®ång nghiÖp ®· x¸c ®Þnh ®−îc enzym xóc t¸c ph¶n øng sao chÐp ADN tõ vi khuÈn, sau nµy ®−îc gäi lµ ADN polymerase I (®−îc viÕt t¾t lµ ADN pol I). N¨m 1959, «ng ®−îc trao gi¶i th−ëng Nobel nhê c«ng tr×nh “ph¸t hiÖn ra c¬ chÕ sinh tæng hîp ADN”. Trong nghiªn cøu cña m×nh, Kornberg ®ång thêi x¸c ®Þnh ®−îc bèn yÕu tè thiÕt yÕu ®Ó qu¸ tr×nh sao chÐp ADN ë E. coli cã thÓ x¶y ra. ThiÕu mét trong bèn yÕu tè nµy, qu¸ tr×nh tæng hîp ADN kh«ng thÓ diÔn ra, ®ã lµ: 1) Ph¶i cã mÆt c¶ bèn lo¹i dNTP (nÕu thiÕu mét trong bèn lo¹i A, T, G hoÆc C, sù tæng hîp ®Òu kh«ng x¶y ra). §©y chÝnh lµ c¸c tiÒn chÊt h×nh thµnh nªn ADN; 2) Mét ®o¹n ADN ®−îc sö dông lµm khu«n; 3) Enzym ADN pol I; 4) Ion Mg2+ cÇn thiÕt cho ho¹t ®éng tèi −u cña enzym ADN pol I. C¸c nghiªn cøu sau nµy cho thÊy: sù tæng hîp ADN lu«n cÇn mét ph©n tö ADN lµm khu«n; nãi c¸ch kh¸c c¸c ph©n tö ADN míi lµ b¶n sao chÝnh x¸c tõng nucleotide so víi ph©n tö ADN ban ®Çu. C¸c nghiªn cøu sau nµy còng dÉn ®Õn viÖc ph¸t hiÖn ra nhiÒu lo¹i ADN polymerase kh¸c nhau ë prokaryote còng nh− ë eukaryote. Tuy vËy, tÊt c¶ c¸c ADN polymerase ®Òu cã mét ®Æc ®iÓm chung lµ xóc t¸c cho ph¶n øng trïng hîp tõ c¸c tiÒn chÊt nucleotide triphosphate (dNTP) thµnh chuçi ADN. Ph¶n øng trïng hîp chuçi ADN nh×n chung cã ba ®Æc ®iÓm c¬ b¶n: 1. T¹i ®Çu m¹ch ADN ®ang kÐo dµi (®Çu 3’), mäi enzym ADN polymerase ®Òu xóc t¸c ph¶n øng h×nh thµnh liªn kÕt phosphodiester gi÷a nhãm 3’-OH cña nucleotide cuèi cïng trong chuçi víi ®Çu 5’-phosphate cña tiÒn chÊt dNTP. N¨ng l−îng ho¹t hãa ph¶n øng nµy thu ®−îc tõ chÝnh sù gi¶i phãng nhãm pyrophosphate (~) cña c¸c dNTP. Lóc nµy, m¹ch ADN ®ang kÐo dµi chÝnh lµ måi ®Ó ADN polymerase cã thÓ xóc t¸c g¾n mét nucleotide míi vµo ®Çu 3’-OH tù do. 2. T¹i mçi b−íc cña qu¸ tr×nh kÐo dµi chuçi ADN, ADN polymerase t×m ®óng tiÒn chÊt dNTP t−¬ng øng víi nucleotide trªn m¹ch khu«n theo nguyªn t¾c Chargaff, råi “l¾p r¸p” nucleotide ®ã vµo m¹ch ®ang kÐo dµi víi tèc ®é kho¶ng 850 65

§inh §oµn Long nucleotide/gi©y ë prokaryote vµ 60 – 90 nucleotide/gi©y ë eukaryote. Tuy qu¸ tr×nh l¾p r¸p nucleotide kh«ng chÝnh x¸c 100%, nh−ng tÇn sè sai sãt lµ rÊt thÊp. 3. ChiÒu tæng hîp m¹ch ADN míi lu«n lµ 5’ → 3’ do thuéc tÝnh cña ADN polymerase vµ phï hîp víi xu h−íng hãa n¨ng cña ph¶n øng ®øt g·y nhãm ~ cña dNTP. Sau c«ng tr×nh nghiªn cøu cña Kornberg, vµo ®Çu nh÷ng n¨m 1970, ng−êi ta t×m thÊy 2 lo¹i ADN polymerase kh¸c cã ë E. coli. Cô thÓ, n¨m 1970, Gefter, Knippers vµ Richardson ®éc lËp víi nhau t×m thÊy ADN pol II; ®Õn n¨m 1971, Gefter vµ Kornberg cïng phèi hîp ph¸t hiÖn ra ADN pol III. Sau nµy, ë E. coli, ng−êi ta cßn t×m thÊy hai lo¹i ADN polymerase kh¸c n÷a lµ ADN pol IV vµ ADN pol V. Trong thùc tÕ, chØ cã ADN pol I vµ III lµ thiÕt yÕu cho sù sao chÐp ADN ë E. coli. C¸c ADN polymerase kh¸c, bao gåm ADN pol II (do gen polB m· hãa), ADN pol IV (gen dinB) vµ ADN pol V (gen umuDC) cã vai trß chñ yÕu trong c¸c qu¸ tr×nh söa ch÷a ADN. ADN pol I do gen polA m· hãa, lµ mét enzym ®¬n gi¶n gåm mét chuçi polypeptide duy nhÊt. Enzym lâi ADN pol III cã ho¹t tÝnh xóc t¸c ®−îc cÊu t¹o tõ ba chuçi polypeptide, ®ã lµ α (do gen dnaE m· hãa), ε (gen dnaQ) vµ θ (gen holE); d¹ng ®Çy ®ñ khëi ®Çu sao chÐp cña enzym nµy (gäi lµ ADN pol III holoenzyme) ngoµi thµnh phÇn trªn cßn cã 6 chuçi polypeptide kh¸c. Trong tÕ bµo, c¶ hai enzym ADN pol I vµ III ®Òu sao chÐp ADN theo chiÒu 5’ → 3’; ngoµi ra, chóng ®Òu cã ho¹t tÝnh exonuclease theo chiÒu 3’ → 5’. Nhê ho¹t tÝnh thø hai nµy, chóng cã thÓ c¾t bá nucleotide tõ ®Çu 3’ cña m¹ch ADN. Ho¹t tÝnh enzym nµy cã vai trß trong söa ch÷a ADN. NÕu mét baz¬ nit¬ trong chuçi ADN bÞ l¾p r¸p sai (tÇn sè l¾p r¸p sai cña hai enzym ADN pol I vµ III vµo kho¶ng 10-6), th× trong phÇn lín tr−êng hîp c¸c sai sãt ®ã ®−îc ph¸t hiÖn ngay. Lóc nµy, ho¹t tÝnh exonuclease chiÒu 3’ → 5’ cña ADN pol I vµ III sÏ gióp lo¹i bá nucleotide sai khái m¹ch ADN míi. Chøc n¨ng nµy còng gièng nh− khi chóng ta sö dông phÝm “Back space” trªn bµn phÝm m¸y vi tÝnh. Sau khi c¾t bá nucleotide sai háng, ADN polymerase dÞch chuyÓn ng−îc vÒ phÝa tr−íc vµ l¾p r¸p l¹i nucleotide phï hîp. Ho¹t tÝnh exonuclease chiÒu 3’ → 5’ cña ADN polymerase chÝnh lµ c¬ chÕ ®äc söa gióp lµm gi¶m tÇn sè sao chÐp sai sãt cña c¸c ADN polymerase. Nhê ho¹t ®éng ®äc söa nµy, tÇn sè sai sãt cña ADN pol I vµ III gi¶m xuèng d−íi 10-9. NÕu nh− ho¹t tÝnh exonuclease chiÒu 3’ → 5’ cña ADN pol I n»m trªn chuçi polypeptide duy nhÊt cña nã, th× ho¹t tÝnh nµy ë ADN pol III n»m trªn chuçi ε vµ ®−îc thóc ®Èy bëi chuçi θ. ADN pol I cã mét ho¹t tÝnh thø ba ®Æc thï mµ ADN pol III kh«ng cã. §ã lµ ho¹t tÝnh exonuclease theo chiÒu 5’ → 3’, gióp enzym nµy cã thÓ lo¹i bá c¸c nucleotide tõ c¸c m¹ch ADN hoÆc ARN b¾t ®Çu tõ ®Çu 5’. Ho¹t tÝnh nµy cña ADN pol I cã vai trß quan träng trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. Cô thÓ, chóng ta biÕt r»ng trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, c¸c ph©n tö ADN sîi kÐp míi ®−îc tæng hîp hoÆc theo kiÓu liªn tôc (m¹ch dÉn ®Çu) hoÆc theo kiÓu gi¸n ®o¹n (m¹ch theo sau víi sù h×nh thµnh c¸c ®o¹n Okazaki). ë prokaryote, c¸c ®o¹n Okazaki cã kÝch th−íc kho¶ng 1000 - 2000 nucleotide. Cßn ë eukaryote, chóng cã kÝch th−íc ng¾n h¬n, kho¶ng 100 - 200 nucleotide. Trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, c¸c ®o¹n Okazaki sau khi ®−îc tæng hîp tr¶i qua b−íc hoµn thiÖn b»ng viÖc bÞ c¾t bá ®o¹n ARN måi, råi thay vµo ®ã lµ ®o¹n ADN t−¬ng øng. Qu¸ tr×nh nµy diÔn ra gièng hÖt ë m¹ch dÉn ®Çu. Nh−ng, nÕu nh− ë m¹ch dÉn ®Çu chØ x¶y ra mét lÇn duy nhÊt, th× ë m¹ch theo sau viÖc lo¹i bá vµ thay thÕ ARN måi x¶y ra ë tÊt c¶ c¸c ®o¹n Okazaki. C¸c ®o¹n Okazaki sau ®ã ®−îc nèi l¹i víi nhau ®Ó h×nh thµnh nªn m¹ch ADN theo sau hoµn chØnh. Trong qu¸ tr×nh nµy, nÕu nh− ho¹t ®éng kÐo dµi c¸c ®o¹n Okazaki chñ yÕu ®−îc thùc hiÖn nhê enzym ADN pol III, th× c¸c ho¹t ®éng c¾t bá c¸c ®o¹n måi ARN vµ tæng hîp bï c¸c ®o¹n ADN t−¬ng øng lµ nhê ho¹t ®éng cña ADN pol I. Khi c¸c 66

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic ®o¹n Okazaki ®−îc tæng hîp míi ®· tiÕp xóc gÇn nhau, enzym nµy võa tiÕn hµnh tæng hîp ®o¹n Okazaki phÝa tr−íc theo chiÒu 5’ → 3’, võa c¾t vµ lo¹i bá c¸c ribonucleotide (ARN) ë ®Çu 5’ cña ®o¹n Okazaki kÕ tiÕp vµ cø thÕ tiÕn hµnh ®Õn khi lo¹i bá hÕt ®o¹n måi ARN. Lóc nµy hai ®o¹n Okazaki chØ cßn c¸ch nhau mét liªn kÕt phosphodieste. Chøc n¨ng nµy ®−îc gäi lµ ®äc m· qua khe Okazaki. f) ADN ligase ADN ligase cã nhiÖm vô nèi c¸c ®o¹n ADN víi nhau trong qu¸ tr×nh sao chÐp, söa ch÷a vµ t¸i tæ hîp. TÊt c¶ c¸c enzym ligase sÏ lµm nhiÖm vô nèi nhãm phosphoryl ë ®Çu 5’ víi nhãm hydroxyl ë ®Çu 3’ cña hai ®o¹n ADN liÒn kÒ. Nhê vËy, ADN ligase chÝnh lµ enzym nèi c¸c ®o¹n Okazaki l¹i víi nhau (sau khi ADN pol I ®· hoµn thµnh ho¹t ®éng ®äc m· qua khe Okazaki) ®Ó h×nh thµnh nªn m¹ch ADN hoµn chØnh. Ph¶n øng nèi diÔn ra qua mét sè b−íc liªn tôc nhê ADN ligase vµ sö dông n¨ng l−îng hoÆc tõ ATP (ë eukaryote) hoÆc tõ NAD+ (ë prokaryote). Trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, enzym ADN ligase ho¹t ®éng nh− sau (h×nh 3.4): 1) Nhãm adenyl cña NAD+ (hoÆc ATP) ®−îc chuyÓn vµo ADN ligase. 2) Enzym nµy sau ®ã xóc t¸c viÖc chuyÓn nhãm adenyl vµo ®Çu 5’ phosphate cña khe sao chÐp (khe n»m gi÷a hai ®o¹n Okazaki kÕ tiÕp) ®Ó h×nh thµnh nªn mét nhãm pyrophosphate (PPi) vµ AMP g¾n vµo ®Çu 5’-. 3) TiÕp theo, ADN ligase xóc t¸c viÖc g¾n nhãm 5’- vµo vÞ trÝ 3’-OH cña ®o¹n Okazaki kÕ tiÕp, ®ång thêi gi¶i phãng mét ph©n tö AMP. Nhê vËy, mét liªn kÕt phophodiester gi÷a nucleotide ë ®Çu 3’ cña ®o¹n Okazaki phÝa tr−íc vµ nucleotide ë ®Çu 5’ cña ®o¹n Okazaki kÕ tiÕp ®−îc h×nh thµnh (h×nh 3.4). 3.1.2.2. Sao chÐp ADN ë prokaryote (sinh vËt nh©n s¬) Trong mét chu tr×nh tÕ bµo, sù sao chÐp ADN lµ mét qu¸ tr×nh ®−îc ®iÒu khiÓn chÆt chÏ vµ chØ x¶y ra mét lÇn duy nhÊt. ë E. coli, ph©n tö ADN ®−îc sao chÐp víi tèc ®é rÊt cao (xÊp xØ 850 nucleotide/gi©y). Nhê vËy, toµn bé nhiÔm s¾c thÓ trong tÕ bµo cña vi khuÈn nµy cã thÓ ®−îc sao chÐp chØ trong vßng 40 phót. §Õn nay, ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè m«i tr−êng lªn sù khëi ®Çu sao chÐp ë prokaryote vµ eukaryote ch−a ®−îc biÕt ®Çy ®ñ. Nh−ng, nhiÒu b»ng chøng cho thÊy: ë vi khuÈn, thµnh phÇn m«i tr−êng dinh d−ìng cã ¶nh h−ëng râ rÖt; cßn ë eukaryote, sù cã mÆt hay v¾ng mÆt cña c¸c yÕu tè sinh tr−ëng néi bµo liªn quan chÆt chÏ ®Õn sù khëi ®Çu sao chÐp ADN. §iÒu nµy cã nghÜa lµ, sù khëi ®Çu sao chÐp ADN cã lÏ ®−îc ®iÒu khiÓn nghiªm ngÆt bëi c¸c tÝn hiÖu tõ m«i tr−êng néi bµo hoÆc ngo¹i bµo. Qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn sù sao chÐp ADN nh×n chung cÇn ®¶m b¶o c¸c tiªu chÝ sau: 1. Thêi ®iÓm sao chÐp ADN cã liªn quan chÆt chÏ víi c¸c sù kiÖn sinh lý, sinh ho¸ x¶y ra trong qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt cña tÕ bµo vµ ho¹t ®éng ph©n bµo. 2. Sù sao chÐp ADN ®−îc ®iÒu khiÓn sao cho nã chØ x¶y ra mét lÇn duy nhÊt trong mçi chu tr×nh tÕ bµo. 3. Sù khëi ®Çu sao chÐp ADN chØ x¶y ra mét khi c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng cÇn cho sù sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn cña tÕ bµo lµ s½n sµng vµ ®Çy ®ñ. Khi thiÕu c¸c ®iÒu kiÖn nµy, sù sao chÐp ADN bÞ øc chÕ. Sù øc chÕ nµy còng cã thÓ x¶y ra khi ADN bÞ h− háng hay khi tÕ bµo ®· ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i biÖt ho¸ cuèi cïng. 67

§inh §oµn Long VÝ dô nh−, ë mét sè vi khuÈn, bao gåm Bacillus vµ Clostridium, néi bµo tö ®−îc xem lµ giai ®o¹n biÖt ho¸ cuèi cïng. ë eukaryote, nhÊt lµ ë c¸c sinh vËt ®a bµo, th× sù ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh biÖt hãa tÕ bµo nãi chung vµ sù sao chÐp ADN nãi riªng tá ra phøc t¹p h¬n. C¸c lo¹i tÕ bµo kh¸c nhau hoÆc cã thÓ ®¸p øng hoÆc hoµn toµn kh«ng ®¸p øng víi c¸c tÝn hiÖu khëi ®Çu sao chÐp ADN. Ch¼ng h¹n, ë ng−êi, c¸c tÕ bµo thÇn kinh sau khi ®¹t tr¹ng th¸i tr−ëng thµnh hÇu nh− kh«ng sao chÐp ADN vµ ph©n chia tÕ bµo thªm n÷a. Nh−ng ng−îc l¹i, ë mét sè tÕ bµo kh¸c nh− tÕ bµo da hay tÕ bµo gan, mÆc dï ®· biÖt hãa, vÉn cã kh¶ n¨ng sao chÐp ADN vµ ph©n chia tÕ bµo. Nh− ®· nãi ë trªn, sù sao chÐp ADN sîi kÐp x¶y ra theo hai kiÓu kh¸c nhau trªn hai m¹ch cña ph©n tö ADN lµm khu«n vµ ®−îc gäi lµ kiÓu sao chÐp nöa gi¸n ®o¹n. Tr−íc khi xem xÐt c¸c b−íc cña m« h×nh sao chÐp nµy, chóng ta l−u ý hai ®Æc ®iÓm quan träng liªn quan ®Õn sù sao chÐp ADN, ®ã lµ: 1. C¸c nucleotide tù do trong m«i tr−êng lu«n ®−îc phosphoryl ho¸ ë vÞ trÝ ®Çu C- 5’. 2. Ho¹t ®éng tæng hîp chuçi polynucleotide cña c¸c enzym ADN vµ ARN polymerase lu«n theo chiÒu 5’ → 3’. V× tÝnh chÊt ho¹t ®éng cña c¸c enzym ADN vµ ARN polymerase nh− vËy, nªn mçi khi mét nucleotide míi ®−îc “l¾p r¸p” vµo chuçi polypeptide ®ang ®−îc tæng hîp th× liªn kÕt ®ã lu«n x¶y ra gi÷a nhãm phosphate (ë ®Çu C-5’) cña nucleotide míi víi nhãm hydroxyl (ë ®Çu C-3’) cña nucleotide n»m liÒn kÒ phÝa tr−íc trong chuçi. ChÝnh v× vËy, sù kÐo dµi chuçi ADN míi trong qu¸ tr×nh sao chÐp chØ x¶y ra theo chiÒu 5’ → 3’. Sù sao chÐp ADN x¶y ra theo ph−¬ng thøc nöa gi¸n ®o¹n. NghÜa lµ, hai m¹ch ®¬n cña hai ph©n tö ADN míi n»m vÒ cïng mét phÝa cña ch¹c sao chÐp ®−îc tæng hîp theo hai ph−¬ng thøc kh¸c nhau. Trong ®ã, mét m¹ch ADN míi ®−îc kÐo dµi b»ng viÖc bæ sung liªn tôc c¸c nucleotide vµo ®Çu 3’ (sau khi ®o¹n ARN måi ®· h×nh thµnh), trong khi m¹ch thø hai ®−îc t¹o ra b»ng c¸ch tæng hîp lÆp ®i lÆp l¹i ®o¹n ARN måi vµ c¸c ®o¹n Okazaki. C¸c ®o¹n Okazaki sau ®ã míi ®−îc nèi l¹i víi nhau nhê enzym ADN ligase. CÇn ph©n biÖt hai thuËt ng÷ nöa gi¸n ®o¹n (semicontinuous) vµ b¸n b¶o toµn (semiconservative). ThuËt ng÷ thø nhÊt ®−îc dïng ®Ò m« t¶ kiÓu (ph−¬ng thøc) tæng hîp c¸c m¹ch ADN míi, cßn thuËt ng÷ thø hai ®−îc dïng ®Ó chØ nguån gèc c¸c m¹ch polynucleotide trong chuçi ADN sîi kÐp míi ®−îc tæng hîp. 3.1.2.3. C¸c b−íc cña qu¸ tr×nh sao chÐp ADN C¬ chÕ sao chÐp ADN ®Õn nay ®−îc biÕt râ nhÊt lµ ë E. coli. HÖ gen cña vi khuÈn nµy mang mét ph©n tö ADN vßng xo¾n kÐp ®ãng kÝn duy nhÊt cã kÝch th−íc dµi kho¶ng 1300µm, gåm xÊp xØ 4,7x106 cÆp baz¬ nit¬. §¹i ph©n tö nµy ®−îc chøa trong tÕ bµo cã kÝch th−íc kho¶ng 3 µm, nghÜa lµ ng¾n h¬n b¶n th©n chiÒu dµi ph©n tö ADN h¬n 400 lÇn. Mét c©u hái ®−îc ®Æt ra lµ: b»ng c¸ch nµo tÕ bµo cã thÓ sao chÐp mét ph©n tö dµi nh− vËy víi tèc ®é cao (~850 nucleotide/gi©y) trong mét kh«ng gian ng¾n? §Ó thùc hiÖn ®−îc ®iÒu ®ã, ph©n tö ADN ®−îc xo¾n chÆt vµ ®ãng gãi n»m gän trong tÕ bµo. Khi qu¸ tr×nh sao chÐp ADN diÔn ra, c¸c ph©n tö ®−îc gi·n xo¾n tõng phÇn. Ngay khi sù sao chÐp hoµn thµnh t¹i mçi phÇn, ph©n tö ADN sîi kÐp míi sÏ nhanh chãng ®ãng xo¾n vµ ®−îc bao gãi trë l¹i ngay lËp tøc. Râ rµng toµn bé c¸c giai ®o¹n gi·n xo¾n, sao 68

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic chÐp ADN vµ ®ãng xo¾n trë l¹i cña ph©n tö ADN cÇn ®−îc thùc hiÖn nghiªm ngÆt vµ chÝnh x¸c. a) Sù khëi ®Çu sao chÐp ADN §Ó b¾t ®Çu qu¸ tr×nh sao chÐp, enzym ADN gyrase sö dông n¨ng l−îng tõ ATP xóc t¸c ph¶n øng lµm g·y mét sè liªn kÕt phosphodiester trªn m¹ch polynucleotide cña ph©n tö ADN t¹i vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp (oriC) gióp ph©n tö ADN ®−îc th¸o xo¾n mét phÇn. Sù th¸o xo¾n cña c¸c ph©n tö ADN ®−îc tiÕn hµnh theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh. Sau b−íc ho¹t ®éng cña enzym ADN gyrase, mét phøc hÖ khëi ®Çu sao chÐp gåm enzym helicase vµ SSB xuÊt hiÖn vµ liªn kÕt vµo c¸c m¹ch ADN lµm khu«n, råi tiÕn hµnh c¸c ho¹t ®éng khëi ®Çu sao chÐp vµ kÐo dµi chuçi ADN. C¸c b−íc khëi ®Çu sao chÐp ë vÞ trÝ oriC diÔn ra nh− sau (h×nh 3.2): 1. Protein DnaA g¾n vµo vÞ trÝ oriC, lµm gi·n xo¾n c¸c nucleotide ë vÞ trÝ nµy, ®ång thêi lµm gÉy c¸c liªn kÕt hydro gi÷a c¸c cÆp baz¬ nit¬ (kho¶ng 40 bp). Qu¸ tr×nh nµy sö dông n¨ng l−îng tõ ATP. 2. ViÖc ph©n tö protein DnaA g¾n vµo vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp lµm t¨ng ¸i lùc liªn kÕt cña c¸c lo¹i ph©n tö protein tiÕp theo lµ DnaB vµ DnaC vµo vÞ trÝ nµy. KÕt qu¶ cña ho¹t ®éng nµy lµ sù h×nh thµnh phøc hÖ khëi ®Çu sao chÐp gåm DnaA, DnaB vµ DnaC. 3. TiÕp theo, phøc hÖ gåm c¸c enzym helicase, gyrase vµ protein SSB, b¾t ®Çu lµm gi·n xo¾n vµ ph©n t¸ch hai m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp lµm khu«n. Ho¹t ®éng nµy t¹o ®iÒu kiÖn cho c¸c enzym ADN primase g¾n ®−îc vµo vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp cña ph©n tö ADN gèc. V× hai m¹ch ®¬n cña ph©n tö ADN sîi kÐp ch¹y song song ng−îc chiÒu (xem ch−¬ng 2), trong khi sù tæng hîp m¹ch ADN míi lu«n theo chiÒu 5’→3’, nªn vÒ mét phÝa cña ch¹c sao chÐp tõ vÞ trÝ ori C, mét m¹ch cña ph©n tö ADN lµm khu«n sÏ ho¹t ®éng theo chiÒu 5’ → 3’, cßn m¹ch kia sÏ ho¹t ®éng theo chiÒu 3’ → 5’. M¹ch ho¹t ®éng theo chiÒu 3’ → 5’ sÏ lµm khu«n ®Ó tæng hîp nªn m¹ch dÉn ®Çu, cßn m¹ch ho¹t ®éng theo chiÒu 5’ → 3’ ®−îc lµm khu«n ®Ó tæng hîp nªn m¹ch theo sau. b) Sù h×nh thµnh primosome (phøc hÖ t¹o ARN måi) Mét khi enzym helicase vµ SSB ®· g¾n vµo vµ ho¹t ®éng ë vÞ trÝ khëi ®Çu sao chÐp trªn ADN, th× enzym ADN primase cã thÓ g¾n vµo vµ h×nh thµnh nªn phøc hÖ t¹o ARN måi, gäi lµ primosome. Phøc hÖ nµy thùc chÊt gåm c¸c protein vµ enzym xóc t¸c cho sù h×nh thµnh c¸c ®o¹n ARN måi ë vÞ trÝ ®Çu 5’ cña mçi ®o¹n ADN míi ®−îc tæng hîp, còng nh− ë ®Çu 5’ cña mçi ®o¹n Okazaki trong sîi ADN theo sau. c) Tæng hîp m¹ch ADN dÉn ®Çu (m¹ch ®−îc tæng hîp liªn tôc) Do m¹ch ADN míi ®ang ®−îc tæng hîp ch¹y song song ng−îc chiÒu víi m¹ch ADN lµm khu«n vµ chiÒu tæng hîp cña nã lµ thuËn chiÒu ho¹t ®éng cña ADN polymerase (5’→3’), nªn viÖc tæng hîp m¹ch nµy chØ cÇn mét ®o¹n ARN måi duy nhÊt. Sau ®ã, enzym ADN pol III sÏ g¾n vµo vÞ trÝ ®o¹n måi nµy vµ xóc t¸c ph¶n øng kÐo dµi chuçi (b»ng viÖc l¾p r¸p lÇn l−ît c¸c deoxyribonucleotide vµo ®Çu 3’ cña chuçi polynucleotide ®ang tæng hîp) cho ®Õn khi kÕt thóc m¹ch ADN lµm khu«n (h×nh 3.3). d) Tæng hîp m¹ch ADN theo sau (m¹ch ®−îc tæng hîp gi¸n ®o¹n) Qu¸ tr×nh tæng hîp m¹ch theo sau còng theo nguyªn t¾c ®èi song song, nh−ng chiÒu tæng hîp cña nã ng−îc chiÒu so víi chiÒu ho¹t ®éng cña enzym ADN polymerase. 69

§inh §oµn Long Thùc tÕ, ®Ó tæng hîp nªn sîi theo sau, m¹ch ADN khu«n sau khi gi·n xo¾n cã thÓ quay ~1800 t¹o thµnh vßng sao chÐp, nhê vËy sù tæng hîp m¹ch gi¸n ®o¹n cã thÓ diÔn ra cïng chiÒu víi sù tæng hîp m¹ch liªn tôc. Qu¸ tr×nh tæng hîp m¹ch ADN gi¸n ®o¹n cã thÓ m« t¶ qua c¸c b−íc nh− sau (h×nh 3.3): 1. §o¹n måi ARN ®−îc tæng hîp nhê phøc hÖ primosome. 2. Sau khi h×nh thµnh ®o¹n måi cã cÊu tróc lai ARN/ADN, sîi ®−îc tæng hîp theo kiÓu gi¸n ®o¹n quay ng−îc ~1800 vµ g¾n vµo phøc hÖ enzym ADN pol III. Phøc hÖ enzym nµy sau ®ã xóc t¸c ph¶n øng kÐo dµi chuçi ADN. 3. Qu¸ tr×nh kÐo dµi chuçi ADN tiÕp diÔn ®Õn khi ADN pol III hoµn thµnh viÖc kÕt nèi ®−îc kho¶ng 1000 - 2000 deoxyribonucleotide vµ tiÕp cËn ®−îc ®Çu 5’ cña ®o¹n Okaraki phÝa tr−íc. 4. Lóc nµy, enzym ADN pol III sÏ rêi khái m¹ch khu«n. §ång thêi mét sè enzym ®Æc hiÖu sÏ thóc ®Èy sù gi¶i phãng c¸c protein SSB khái m¹ch khu«n. 5. Khi qu¸ tr×nh tæng hîp ADN tiÕp tôc x¶y ra ë ®o¹n Okazaki tiÕp theo, ngµy cµng cã nhiÒu protein SSB g¾n vµo phÝa sau enzym ADN polymerase trªn m¹ch khu«n ®−îc dïng ®Ó tæng hîp sîi theo sau (ph©n tö ADN míi cã m¹ch ADN ®−îc tæng hîp kiÓu gi¸n ®o¹n). 6. Sau khi protein SSB g¾n vµo m¹ch ADN khu«n, phøc hÖ primosome sÏ xóc t¸c viÖc tæng hîp mét ®o¹n ARN måi míi, vµ theo sau lµ ®o¹n ADN ®−îc tæng hîp nhê ADN pol III. Cø nh− vËy, chu k× tæng hîp c¸c ®o¹n Okazaki tiÕp diÔn. 7. Khi ®· “tÝch luü” ®−îc nhiÒu ®o¹n Okazaki (cã Ýt nhÊt hai ®o¹n Okaraki), enzym ADN pol I ho¹t ®éng, víi chøc n¨ng cña mét exonuclease theo chiÒu 5’ → 3’, råi sau ®ã bæ sung c¸c deoxyribonucleotide vµo ®Çu 3’ cña mét ®o¹n Okazaki, ®ång thêi lo¹i bá ®Çu ARN måi ë ®Çu 5’ cña ®o¹n Okazaki phÝa tr−íc. Hai chøc n¨ng nµy cña enzym ADN pol I (gåm chøc n¨ng polymerase vµ exonuclease) cø tiÕp tôc lÆp ®i lÆp l¹i cho ®Õn khi toµn bé ®o¹n måi ARN ®−îc lo¹i bá vµ ®Çu 3’ cña mét ®o¹n Okazaki phÝa sau sÏ gÆp ®Çu 5’ cña ®o¹n Okazaki phÝa tr−íc. Lóc nµy, hai ®o¹n Okazaki kÕ tiÕp nhau ®· bao gåm toµn bé thµnh phÇn lµ c¸c deoxyribonucleotide vµ chØ cßn thiÕu mét liªn kÕt phosphodieste ®Ó nèi chóng l¹i víi nhau. 8. Enzym ADN ligase sÏ cã mÆt vµ lµm nèt nhiÖm vô cßn l¹i, lµ sö dông NAD+ ®Ó xóc t¸c ph¶n øng h×nh thµnh liªn kÕt phosphodieste gi÷a hai ®o¹n Okazaki liÒn kÒ. ë E. coli, c¸c b−íc tæng hîp nh− trªn lÆp ®i lÆp l¹i cho ®Õn khi c¶ hai m¹ch ADN ®−îc tæng hîp míi theo kiÓu liªn tôc vµ gi¸n ®o¹n cña cïng ch¹c sao chÐp hoµn thµnh trän vÑn mét vßng nhiÔm s¾c thÓ chøa ADN sîi kÐp. Lóc nµy, qu¸ tr×nh sao chÐp toµn bé ph©n tö ADN kÕt thóc. 3.1.2.4. Sao chÐp ADN ë eukaryote (sinh vËt nh©n thËt) Nh×n chung, sù sao chÐp ADN ë eukaryote vµ prokaryote lµ gièng nhau vÒ c¸c nguyªn lý hãa sinh vµ sinh häc ph©n tö. Sù kh¸c nhau chñ yÕu do tæ chøc hÖ gen cña eukaryote phøc t¹p h¬n vµ ADN ph©n bè trªn nhiÒu nhiÔm s¾c thÓ kh¸c nhau. 70

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic Mét sè ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt c¬ b¶n gi÷a sao chÐp ADN ë eukaryote vµ prokaryote gåm cã: 1. C¸c ®o¹n ARN måi vµ c¸c ®o¹n Okazaki ®−îc tæng hîp ë eukaryote th−êng ng¾n h¬n ë prokaryote. 2. HÖ gen cña eukaryote lín h¬n nhiÒu, v× vËy qu¸ tr×nh sao chÐp ADN diÔn ra trong thêi gian dµi h¬n (th−êng kho¶ng 6 - 8 giê), trong khi ë prokaryote th−êng ng¾n h¬n (ch¼ng h¹n ë E. coli lµ 40 phót). 3. NÕu nh− ë prokaryote, qu¸ tr×nh sao chÐp ADN th−êng b¾t ®Çu tõ mét ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp ®Æc tr−ng duy nhÊt, th× ë hÖ gen eukaryote th−êng cã nhiÒu ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp. Ch¼ng h¹n, ë ng−êi −íc l−îng cã tõ 20.000 ®Õn 30.000 ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp kh¸c nhau trong toµn hÖ gen. 4. Tèc ®é sao chÐp ADN ë eukaryote ®¹t kho¶ng 60 - 90 nucleotide / gi©y, thÊp h¬n so víi tèc ®é sao chÐp ADN ë prokaryote (kho¶ng 850 nucleotide / gi©y). 5. NÕu nh− ë prokaryote, chØ cã mét sè Ýt lo¹i enzym ADN polymerase (ë E. coli, lµ 5 lo¹i), th× ë eukaryote ®Õn nay ®· t×m ®−îc nhiÒu lo¹i ADN polymerase (ë ng−êi, cã Ýt nhÊt 15 lo¹i) tham gia vµo qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. 6. Qu¸ tr×nh sao chÐp ADN ë prokaryote cã thÓ diÔn ra liªn tôc vµ ®ång thêi víi qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m·. Cßn ë eukaryote, qu¸ tr×nh sao chÐp ADN chØ x¶y ra vµo giai ®o¹n S cña chu tr×nh tÕ bµo, diÔn ra trong nh©n tÕ bµo, trong khi qu¸ tr×nh dÞch m· diÔn ra ë tÕ bµo chÊt. Ngoµi c¸c ®Æc ®iÓm trªn, chóng ta cßn thÊy: ë eukaryote, ADN ®−îc ®ãng gãi bëi c¸c protein histon thµnh c¸c ®¬n vÞ gäi lµ nucleosome, tr−íc khi chóng tiÕp tôc cuén xo¾n h×nh thµnh chÊt nhiÔm s¾c n»m trong nh©n tÕ bµo. Mét sè c©u hái ®Æt ra lµ: liÖu c¸c nucleosome cã ng¨n c¶n sù më réng ch¹c sao chÐp trong qu¸ tr×nh tæng hîp ADN hay kh«ng? B»ng c¸ch nµo c¸c phøc hÖ sao chÐp ADN cã thÓ v−ît qua c¸c nucleosome trong qu¸ tr×nh sao chÐp? Ngoµi ra, kh¸c víi hÖ gen E. coli vèn lµ mét ph©n tö ADN sîi kÐp, vßng kÝn, ADN hÖ gen nh©n cña eukaryote th−êng lµ c¸c ph©n tö ADN m¹ch dµi, hë 2 ®Çu. Sau mçi lÇn sao chÐp, phÇn ®Çu mót cña ph©n tö ADN bÞ ng¾n l¹i. HiÖn t−îng nµy cã ý nghÜa g×? Chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn nh÷ng hiÖn t−îng nµy ë c¸c phÇn d−íi ®©y. a) Chu tr×nh tÕ bµo vµ sù sao chÐp ADN ë eukaryote Khi vi khuÈn ®−îc nu«i trong m«i tr−êng dinh d−ìng ®Çy ®ñ, qu¸ tr×nh sao chÐp ADN cã thÓ diÔn ra liªn tôc, vµ th−êng ®ång thêi diÔn ra víi c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m·. Trong khi ®ã, ë eukaryote, sù sao chÐp ADN chØ giíi h¹n trong pha S cña chu tr×nh tÕ bµo. Mét chu tr×nh tÕ bµo ë eukaryote lµ kho¶ng thêi gian tÝnh tõ lÇn ph©n bµo nµy ®Õn lÇn ph©n bµo tiÕp theo, ®−îc chia lµm 4 giai ®o¹n c¬ b¶n: giai ®o¹n G1 (cßn gäi lµ pha G1, x¶y ra ngay sau qu¸ tr×nh ph©n bµo, G = gap), giai ®o¹n S (tæng hîp ADN, S = DNA Synthesis), giai ®o¹n G2 (chuÈn bÞ cho lÇn ph©n bµo tiÕp theo), vµ giai ®o¹n M (ph©n chia tÕ bµo, M = mitosis). Trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña ph«i (hoÆc ë mét sè tÕ bµo), qu¸ tr×nh ph©n bµo diÔn ra víi tèc ®é cao nªn c¸c giai ®o¹n G1 vµ G2 diÔn ra rÊt ng¾n, thËm chÝ d−êng nh− kh«ng tån t¹i. Trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo, cã mét sè ®iÓm kiÓm tra (checkpoint) quan träng, ch¼ng h¹n nh− c¸c ®iÓm kiÓm tra x¶y ra tr−íc qu¸ tr×nh sao chÐp ADN (pha S) vµ tr−íc khi tÕ bµo b−íc vµo ph©n chia (pha M). Sù ®iÒu khiÓn chu tr×nh tÕ bµo vµ vai trß cña c¸c ®iÓm kiÓm tra ®−îc nªu kü h¬n ë ch−¬ng 8. 71

§inh §oµn Long b) HÖ gen eukaryote cã nhiÒu ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp ADN Ph©n tö ADN trong nhiÔm s¾c thÓ lín nhÊt cña ruåi giÊm Drosophila melanogaster chøa kho¶ng 6,5x107 cÆp baz¬ nit¬. Tèc ®é sao chÐp ADN ë loµi ®éng vËt nµy lµ 2600 nucleotide/phót ë nhiÖt ®é 25oC. V× vËy, nÕu chØ cã mét ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp duy nhÊt, viÖc sao chÐp hoµn toµn ph©n tö ADN trªn nhiÔm s¾c thÓ nµy cÇn thêi gian t−¬ng ®−¬ng 17,5 ngµy. Nh−ng nÕu cã 2 ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp vµ qu¸ tr×nh sao chÐp diÔn ra c¶ vÒ hai phÝa, thêi gian cÇn thiÕt ®Ó sao chÐp hoµn toµn ph©n tö ADN lµ 8,5 ngµy. Trong khi ®ã, kÕt qu¶ thùc nghiÖm cho thÊy c¸c nhiÔm s¾c thÓ cña ruåi dÊm trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña ph«i chØ cÇn 3 - 4 phót ®Ó sao chÐp hoµn toµn, vµ tÕ bµo ph©n chia víi chu kú thêi gian lµ 9 - 10 phót / chu kú. Nh− vËy, ®Ó cã thÓ sao chÐp toµn bé hÖ gen trong vßng 3,5 phót, c¸c nhiÔm s¾c thÓ cña ruåi dÊm cÇn Ýt nhÊt 7000 ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp kh¸c nhau, n»m ph©n bè r¶i r¸c trªn toµn hÖ gen. C¸c dÉn liÖu trªn ®©y cho thÊy, ®Ó cã thÓ sao chÐp toµn bé c¸c ph©n tö ADN cã kÝch th−íc rÊt lín n»m trªn nhiÔm s¾c thÓ cña eukaryote, qu¸ tr×nh sao chÐp cÇn ph¶i ®−îc b¾t ®Çu tõ rÊt nhiÒu ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp kh¸c nhau. Nghiªn cøu thùc nghiÖm chøng minh sù tån t¹i cña nhiÒu ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp ADN ë eukaryote ®−îc Huberman vµ Riggs tiÕn hµnh n¨m 1968 b»ng viÖc sö dông nucleotide ®¸nh dÊu phãng x¹ 3H-thymine trong thÝ nghiÖm ë tÕ bµo chuét Hamxt¬. Sau nµy, c¸c nghiªn cøu sö dông kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö còng kh¼ng ®Þnh sù tån t¹i cña nhiÒu ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp ë c¸c loµi eukaryote. §o¹n ADN ®−îc tæng hîp kÓ tõ ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp ®Õn khi kÕt thóc (gÆp ®o¹n ®−îc tæng hîp tõ c¸c ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp liÒn kÒ) ®−îc gäi lµ mét ®¬n vÞ sao chÐp replicon. Nh− vËy, ë prokaryote, mét nhiÔm s¾c thÓ th−êng chØ cã mét replicon. Cßn ë eukaryote, cã rÊt nhiÒu replicon. HÖ gen ng−êi vµ ®éng vËt cã vó cã thÓ chøa ®Õn hµng chôc ngh×n replicon víi kÝch th−íc mçi replicon dao ®éng tõ 30.000 ®Õn 300.000 bp. §iÒu ®¸ng chó ý lµ sù sao chÐp ADN kh«ng diÔn ra ®ång thêi ë tÊt c¶ c¸c replicon trong hÖ gen cña cïng mét c¬ thÓ. Thay vµo ®ã, sè l−îng replicon vµ thêi ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp ë mçi replicon lµ kh¸c nhau ë mçi lo¹i tÕ bµo, còng nh− cã thÓ thay ®æi trong c¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn kh¸c nhau cña c¬ thÓ. Ch¼ng h¹n nh−, trong giai ®o¹n ®Çu qu¸ tr×nh ph¸t triÓn ph«i, sè replicon ë mçi tÕ bµo th−êng nhiÒu h¬n nhiÒu so víi khi c¬ thÓ ®· tr−ëng thµnh. §¸ng tiÕc, ®Õn nay chóng ta ch−a biÕt râ c¬ chÕ nµo ®iÒu kiÓn sè l−îng replicon cã trong mçi tÕ bµo, còng nh− sù “lËp tr×nh” khëi ®Çu sao chÐp t¹i mçi replicon ë c¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn kh¸c nhau cña c¬ thÓ diÔn ra nh− thÕ nµo. c) Cã nhiÒu lo¹i ADN polymerase ë eukaryote Mét trong nh÷ng kh¸c biÖt n÷a gi÷a sù sao chÐp ADN ë eukaryote víi prokaryote lµ viÖc tham gia ®ång thêi cña nhiÒu lo¹i enzym ADN polymerase kh¸c nhau ë cïng mét ch¹c sao chÐp. C¸c nghiªn cøu vÒ sao chÐp ADN cña virut diÔn ra trong tÕ bµo ®éng vËt cã vó ®· cung cÊp nhiÒu th«ng tin liªn quan ®Õn hiÖn t−îng nµy. Ch¼ng h¹n nh− qu¸ tr×nh sao chÐp ADN cña virut ë khØ SV40 (Simian virus 40) ®−îc thùc hiÖn nhê bé m¸y sao chÐp cña tÕ bµo chñ, ®ßi hái Ýt nhÊt hai enzym ADN polymerase, lµ α vµ δ (hoÆc ε). Enzym ADN pol α ë d¹ng phøc kÐp víi mét enzym primase khëi ®Çu sù sao chÐp ADN b»ng tæng hîp mét ®o¹n måi ARN gåm kho¶ng 10 nucleotide. §o¹n måi nµy sau ®ã ®−îc ADN pol α më réng thªm kho¶ng 30 nucleotide. C¸c ®o¹n måi ARN/ADN sau ®ã ®−îc kÐo dµi bëi ADN pol δ vµ ε. Trong ®ã, mét enzym tæng hîp m¹ch ADN dÉn ®Çu, mét enzym tæng hîp m¹ch ADN theo sau. Nh−ng ®Õn nay ch−a râ lo¹i enzym nµo tæng hîp m¹ch nµo. 72

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic ë eukaryote, ngoµi c¸c ADN polymerase tham gia sao chÐp ADN hÖ gen nh©n, cßn cã c¸c ADN polymerase chuyªn hãa sao chÐp ADN c¸c hÖ gen ti thÓ vµ l¹p thÓ, còng nh− cã nhiÒu lo¹i ADN polymerase tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh söa ch÷a ADN kh¸c nhau. Ngoµi c¸c ADN polymerase, ë eukaryote cßn cã nhiÒu lo¹i protein kh¸c nhau tham gia ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh sao chÐp ADN. Ch¼ng h¹n nh− RF-A (RF = replication factor), RF-B vµ RF-C. RF-A lµ mét protein b¸m m¹ch ®¬n (gièng SBB ë vi khuÈn). Mét lo¹i protein gäi lµ PCNA (proliferating cell nuclear antigen) lµ thµnh phÇn cña enzym ADN polymerase δ, cã cÊu tróc nh− “d©y buéc” gi÷ enzym víi ph©n tö ADN trong qu¸ tr×nh sao chÐp. Ngoµi c¸c lo¹i protein nµy, ë eukaryote cßn nhiÒu lo¹i protein kh¸c tham gia vµo qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, nh−ng ®Õn nay ch−a biÕt ®Çy ®ñ. d) Sù nh©n ®«i nucleosome ë ch¹c sao chÐp Chóng ta biÕt r»ng, ë eukaryote, c¸c ph©n tö ADN ®−îc ®ãng gãi thµnh c¸c nucleosome (kÕt hîp víi c¸c ph©n tö protein histon) tr−íc khi tiÕp tôc cuén gËp vµ ®ãng gãi thµnh c¸c nhiÔm s¾c thÓ. Trong cÊu tróc th«ng th−êng, mét nucleosome th−êng chøa 146 cÆp baz¬ nit¬, cuèn kho¶ng 1,65 vßng xung quanh mét phøc hÖ histon gåm 8 ph©n tö (trong ®ã cã hai ph©n tö cña mçi lo¹i histon H2A, H2B, H3 vµ H4). Víi kÝch th−íc cña nucleosome vµ phøc hÖ sao chÐp ADN t−¬ng ®èi lín nh− vËy, mét c©u hái ®Æt ra lµ: b»ng c¸ch nµo phøc hÖ sao chÐp ADN cã thÓ v−ît qua ®−îc cÊu tróc nucleosome? vµ cÊu tróc nucleosome míi ®−îc h×nh thµnh thÕ nµo khi ®ãng gãi ph©n tö ADN míi ®−îc tæng hîp?. C¸c nghiªn cøu trªn kÝnh hiÓn vi cho thÊy sè l−îng vµ mËt ®é c¸c nucleosome lµ t−¬ng ®èi æn ®Þnh phÝa tr−íc vµ phÝa sau ch¹c sao chÐp ADN cña eukaryote. §iÒu nµy chøng tá ph©n tö ADN míi ®−îc tæng hîp lu«n ®−îc ®ãng gãi ngay lËp tøc víi c¸c nucleosome. Tuy vËy, ®Ó sù sao chÐp ADN cã thÓ diÔn ra, c¸c nucleosome ph¶i ®−îc th¸o rêi trong mét thêi gian ng¾n, råi ®−îc l¾p r¸p trë l¹i ngay. Sù th¸o rêi c¸c nucleosome cò vµ l¾p r¸p c¸c nucleosome míi diÔn ra nh− sau: nuclesome cò sÏ ph©n t¸ch thµnh mét “tø phøc” H3-H4 (gåm 2 “dÞ phøc kÐp” H3-H4 liªn kÕt víi nhau) vµ hai “dÞ phøc kÐp” H2A-H2B. C¸c tø phøc H3-H4 vµ dÞ phøc kÐp H2A-H2B cò võa ®−îc gi¶i phãng th−êng ®−îc sö dông l¹i ngay ®Ó ®ãng gãi ®o¹n ADN sîi kÐp võa ®−îc sao chÐp xong. Tuy nhiªn, trong c¸c cÊu tróc nucleosome míi sÏ cã mét nöa sè ph©n tö histon ®−îc tæng hîp míi. Trong c¸c nucleosome míi nµy sÏ cã tø phøc H3-H4 hoÆc míi hoµn toµn hoÆc cò hoµn toµn (nãi c¸ch kh¸c lµ tø phøc H3-H4 cã tÝnh b¶o toµn), cßn tø phøc H2A-H2B cã thÓ ®−îc h×nh thµnh tõ c¸c dÞ phøc kÐp H2A-H2B cò hoµn toµn, hoÆc míi hoµn toµn, hoÆc mét n÷a cò mét n÷a míi (nãi c¸ch kh¸c, tø phøc H2A-H2B ®−îc h×nh thµnh theo kiÓu tæ hîp ngÉu nhiªn). Sù ®ãng gãi ADN cña c¸c histon thµnh nucleosome b¾t ®Çu tõ tø phøc H3-H4 råi sau ®ã ®Õn tø phøc H2A-H2B (xem thªm ch−¬ng 7). §iÒu ®¸ng chó ý lµ mÆc dï trong ®iÒu kiÖn in vitro, sù ®ãng gãi nucleosome gi÷a c¸c histon vµ ADN cã thÓ diÔn ra tù ph¸t, nh−ng trong ®iÒu kiÖn sinh lý th× kh«ng. Qu¸ tr×nh ®ãng gãi nh− vËy trong tÕ bµo ®−îc ®iÒu khiÓn bëi mét nhãm protein ®Æc biÖt gäi lµ c¸c histon chaperon. e) Sù sao chÐp ë ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ vµ hiÖn t−îng giµ hãa Nh− ®· nãi ë trªn, c¸c tÕ bµo cña eukaryote th−êng chøa c¸c ph©n tö ADN sîi kÐp, m¹ch th¼ng, hë hai ®Çu. Mét hiÖn t−îng x¶y ra trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN lµ khi c¸c ®o¹n ARN måi ®−îc lo¹i bá ®i ë phÝa ®Çu cña m¹ch dÉn ®Çu hoÆc ë ®o¹n Okazaki ®Çu tiªn cña m¹ch theo sau, th× kh«ng cã sù tæng hîp thay thÕ c¸c tr×nh tù cña deoxyribonucleotide cho ®o¹n ARN måi do c¸c ADN polymerase khi thiÕu ®o¹n måi phÝa tr−íc kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc chøc n¨ng tæng hîp ADN. VËy sù thay thÕ c¸c deoxyribonucleotide diÔn ra nh− thÕ nµo? Thùc tÕ, viÖc tæng hîp ®o¹n ®Çu mót nµy cña ph©n tö ADN ®−îc thùc hiÖn bëi mét enzym ®Æc biÖt gäi lµ telomerase (ADN telomerase). 73

§inh §oµn Long M¹ch ph©n tö ADN lµm khu«n 3’ TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTA AATCCC §Çu mót ph©n tö ADN ch−a ®−îc sao chÐp trän vÑn 5’ Telomerase g¾n vµo ’ TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTA ChiÒu ho¹t ®éng cña enzym AATCCC 5’ AAUCCCAAU Telomerase kÐo dµi m¹ch ’ ADN khu«n vÒ phÝa ®Çu 3’ dùa vµo tr×nh tù ARN cña nã Enzym telomerase vµ tr×nh tù ARN lµm khu«n TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTA AATCCC 5’ AAUCCCAAU §Çu mót cña m¹ch ADN míi tæng hîp ®−îc lÊp ®Çy nhê enzym ADN polymerase 3’ TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTA AATCCC AATCCCAATCCC 5’ Enzym ADN polymerase H×nh 3.5. Ho¹t ®éng sao chÐp phÇn ®Çu mót ph©n tö ADN cña enzym ADN telomerase. Enzym g¾n vµo ®Çu mót cña m¹ch ADN, Enzym telomerase sö dông tr×nh tù ARN cña chÝnh nã ®Ó tiÕn hµnh tæng hîp vµ kÐo dµi m¹ch ADN lµm khu«n vÒ phÝa ®Çu 3’, dùa trªn m¹ch ADN lµm khu«n ®· ®−îc kÐo dµi, ADN polymerase lÊp ®Çy c¸c nucleotide cßn thiÕu ë phÇn ®Çu mót cña m¹ch ADN míi ch−a ®−îc sao chÐp trän vÑn. Enzym telomerase thùc chÊt lµ mét phøc hÖ protein - ARN. Enzym telomerase ë ng−êi chøa mét tr×nh tù lÆp l¹i liªn tiÕp lµ [AAUCCC]. Enzym nµy cã kh¶ n¨ng nhËn ra vïng giµu guanine (G) ë ®Çu 3’. Khi ho¹t ®éng, enzym nµy kh«ng tæng hîp c¸c nucleotide vµo c¸c vÞ trÝ cßn trèng trªn m¹ch ADN ®ang ®−îc tæng hîp míi gièng nh− ho¹t tÝnh cña c¸c enzym ADN vµ ARN polymerase, mµ thay vµo ®ã nã xóc t¸c ph¶n øng tæng hîp kÐo dµi chuçi ADN tõ ®Çu 3’ cña m¹ch lµm khu«n dùa trªn tr×nh tù ARN ®èi m· cña nã. Nhê vËy, nhiÒu ®o¹n tr×nh tù [TTAGGG] lÆp l¹i liªn tiÕp ®−îc tæng hîp tõ ®Çu 3’ cña m¹ch khu«n (h×nh 3.5). Dùa trªn m¹ch míi ®−îc tæng hîp nµy, ADN polymerase cã thÓ tiÕn hµnh tæng hîp ®o¹n ADN ë phÝa ®Çu mót trªn m¹ch ®èi diÖn. NÕu sù tæng hîp ®o¹n ®Çu mót nµy kh«ng diÔn ra, nhiÔm s¾c thÓ sÏ ngµy cµng ng¾n l¹i sau mçi lÇn sao chÐp ADN; vµ nÕu nh− sù ng¾n l¹i nµy tiÕp cËn gÇn mét gen quan träng ë phÇn ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ, th× tÕ bµo cã thÓ bÞ chÕt. ë ng−êi, kh«ng gièng nh− c¸c tÕ bµo sinh dôc, hÇu hÕt c¸c tÕ bµo x«ma (soma) kh«ng cã enzym telomerase ho¹t ®éng. Trong ®iÒu kiÖn nu«i cÊy invitro, c¸c tÕ bµo x«ma cña ng−êi th−êng chØ cã kh¶ n¨ng ph©n chia tõ 20 tíi 70 lÇn tr−íc khi giµ hãa vµ chÕt. HiÖn t−îng giµ hãa vµ chÕt cña tÕ bµo cã t−¬ng quan víi ®é dµi ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ. ë mét sè dßng tÕ bµo bÊt tö (nh− mét sè tÕ bµo ung th−) cã kh¶ n¨ng ph©n bµo v« h¹n vµ kh«ng cã biÓu hiÖn giµ hãa, ng−êi ta thÊy cã sù ho¹t ®éng m¹nh cña enzym telomerase. V× vËy, mét trong c¸c biÖn ph¸p ®−îc ®Ò xuÊt trong ®iÒu trÞ ung th− lµ t×m c¸ch øc chÕ ho¹t ®éng cña enzym telomerase. Mét dÉn chøng kh¸c chøng minh mèi quan hÖ chÆt chÏ gi÷a ®o¹n ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ vµ qu¸ tr×nh giµ hãa lµ c¸c nghiªn cøu trªn Héi chøng Hutchinson-Gilford (bÖnh giµ sím ë trÎ s¬ sinh) vµ Héi chøng Werner (giµ sím ë tuæi vÞ thµnh niªn) ®Òu cho thÊy cã liªn quan ®Õn sù mÊt ®i ®o¹n ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ. Tuy vËy, ®Õn nay, c¬ chÕ sinh häc dÉn ®Õn sù giµ hãa bëi viÖc ng¾n ®i cña ®o¹n ®Çu mót c¸c nhiÔm s¾c thÓ còng vÉn ch−a ®−îc biÕt ®Çy ®ñ. 74

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic 3.2. Sao chÐp c¸c lo¹i axit nucleic kh¸c M« h×nh sao chÐp ADN ®−îc chóng ta nh¾c ®Õn ë trªn lµ m« h×nh sao chÐp ADN sîi kÐp, lµ vËt chÊt di truyÒn cña c¸c c¬ thÓ cã cÊu tróc tÕ bµo hoµn chØnh, bao gåm c¶ prokaryote vµ eukaryote. Tuy vËy, trong thùc tÕ, cßn tån t¹i mét sè d¹ng sèng mµ chóng kh«ng ph¶i lµ c¸c tÕ bµo hoµn chØnh, ®ã lµ c¸c virut. VËt liÖu di truyÒn cña c¸c virut cã mét sè ®Æc ®iÓm vµ c¬ chÕ sao chÐp riªng. Cã thÓ kÓ ®Õn bèn lo¹i axit nucleic ®−îc sö dông lµm vËt liÖu di truyÒn ë c¸c d¹ng virut mµ kh«ng cã b¶n chÊt lµ ADN sîi kÐp, bao gåm: (1) ph©n tö ADN m¹ch ®¬n, (2) ph©n tö ADN sîi kÐp, (3) ph©n tö ARN m¹ch ®¬n, vµ (4) ph©n tö ARN d¹ng sîi kÐp hay nhiÒu sîi. C¸c ph©n tö axit nucleic nµy cã thÓ cã cÊu tróc d¹ng m¹ch th¼ng (hë hai ®Çu) hoÆc d¹ng vßng (khÐp kÝn). MÆc dï vËy, ë mçi lo¹i virut, chØ cã mét d¹ng axit nucleic ®Æc thï ®−îc dïng lµm vËt chÊt mang th«ng tin di truyÒn. Do c¸c lo¹i virut cã c¸c d¹ng cÊu tróc cña vËt chÊt di truyÒn kh¸c biÖt nh− vËy, nªn chóng cã c¸c c¬ chÕ sao chÐp ®Æc tr−ng vµ kh¸c biÖt víi m« h×nh sao chÐp ADN sîi kÐp phæ biÕn. §Æc ®iÓm chung cña c¸c hÖ gen virut lµ chóng cã kÝch th−íc nhá, chØ gåm tõ mét gen duy nhÊt (nh− virut thuèc l¸ STRV) tíi vµi tr¨m gen (nh− virut g©y bÖnh ®Ëu mïa, cã 240 gen). TÊt c¶ c¸c virut ®Òu cã ®Æc tÝnh ký sinh b¾t buéc, nghÜa lµ chóng ph¶i phô thuéc vµo tÕ bµo chñ trong qu¸ tr×nh sèng, ho¹t ®éng vµ sinh s¶n. Së dÜ nh− vËy lµ do c¸c virut th−êng thiÕu c¸c hÖ enzym hoÆc c¸c hÖ thèng chuyÓn ho¸ n¨ng l−îng dÉn ®Õn viÖc chóng kh«ng cã kh¶ n¨ng sinh s¶n hoÆc trao ®æi chÊt ®éc lËp, kh«ng cã kh¶ n¨ng tù s¶n xuÊt c¸c hîp chÊt cao n¨ng (nh− ATP, NAD+) hay c¸c protein thiÕt yÕu. C¸c virut cã thÓ l©y nhiÔm tÊt c¶ c¸c d¹ng tÕ bµo sèng, tõ vi khuÈn ®Õn thùc vËt vµ ®éng vËt. Nh−ng mçi lo¹i virut th−êng chØ cã mét hoÆc mét sè c¬ thÓ chñ nhÊt ®Þnh. H¬n n÷a, mét sè lo¹i virut (ch¼ng h¹n nh− HIV) chØ cã thÓ l©y nhiÔm vµo mét sè d¹ng tÕ bµo ®Æc tr−ng (®èi víi HIV lµ c¸c tÕ bµo lympho CD4+ trong m¸u). Mét c©u hái ®Æt ra lµ: lµm thÕ nµo c¸c virut cã vËt chÊt di truyÒn kh«ng ph¶i ADN sîi kÐp cã thÓ sao chÐp hÖ gen cña chóng ®Ó duy tr× sù sinh s¶n vµ tån t¹i cña chóng? Trong phÇn tiÕp theo chóng ta sÏ xem xÐt h×nh thøc sao chÐp vËt chÊt di truyÒn cña mét sè lo¹i virut cã vËt liÖu di truyÒn lµ mét trong c¸c d¹ng axit nucleic ®−îc nªu ë trªn, bao gåm: + Phag¬ ΦX174: hÖ gen lµ mét ph©n tö ADN m¹ch ®¬n, vßng kÝn. + Virut kh¶m thuèc l¸ (TMV): hÖ gen lµ mét ph©n tö ARN sîi ®¬n, m¹ch th¼ng. + Virut g©y suy gi¶m miÔn dÞch ë ng−êi (HIV): hÖ gen lµ mét ph©n tö ARN sîi ®¬n, m¹ch th¼ng, cïng lóc cã hai b¶n sao, chøa tr×nh tù m· hãa mét enzym ®Æc biÖt gäi lµ enzym phiªn m· ng−îc (reverse transcriptase). + Phag¬ λ: hÖ gen lµ ph©n tö ADN sîi kÐp, m¹ch th¼ng. Trong qu¸ tr×nh sinh s¶n, tÊt c¶ c¸c virut nµy ®Òu ph¶i tr¶i qua mét sè b−íc ®Æc biÖt, trong ®ã cã sù sao chÐp vËt chÊt di truyÒn cña chóng. C¸c b−íc cña qu¸ tr×nh sinh s¶n cña virut cã thÓ kÓ ®Õn nh− sau: 1. Virut ®Ýnh kÕt vµo thµnh tÕ bµo chñ. 2. Toµn bé virut x©m nhËp vµo c¬ thÓ chñ (mét sè d¹ng virut ë eukaryote), hoÆc vËt liÖu di truyÒn (axit nucleic) cña virut ®−îc “tiªm” vµo tÕ bµo chñ. 75

§inh §oµn Long 3. Virut lµm thay ®æi bé m¸y sinh hãa cña tÕ bµo chñ lµm cho bé m¸y nµy phï hîp víi ho¹t ®éng sao chÐp vËt chÊt di truyÒn cña virut. 4. Qu¸ tr×nh sao chÐp axit nucleic cña virut diÔn ra trong tÕ bµo chñ. 5. Qu¸ tr×nh tæng hîp c¸c protein thiÕt yÕu cña virut (vÝ dô nh− c¸c protein vá virut) diÔn ra trong tÕ bµo chñ. 6. Qu¸ tr×nh ®ãng gãi c¸c thµnh phÇn virut (vËt chÊt di truyÒn vµ c¸c protein vá) ®Ó h×nh thµnh c¸c h¹t virut hoµn chØnh. 7. Virut thÕ hÖ con gi¶i phãng khái tÕ bµo chñ. 3.2.1. Sao chÐp ADN ë phag¬ ΦX174 HÖ gen cña phag¬ §iÒu khiÓn Sao chÐp ADN §iÓm khëi ®Çu sao ΦX174 gåm mét ph©n tö ADN SS → RF d¹ng RF chÐp m¹ch (+) sîi ®¬n, m¹ch vßng, gåm 5386 nucleotide, m· ho¸ cho 11 §iÒu khiÓn sù IR Ngõng sao chÐp protein. Qu¸ tr×nh sao chÐp hÖ l©y nhiÔm, A ADN tÕ bµo chñ gen cña ΦX174 phô thuéc vµo protein ®Çu bé m¸y sao chÐp cña E. coli. ChiÒu phiªn m· DÉn xuÊt protein vá Khi l©y nhiÔm tÕ bµo E. nhän phô T¨ng kÝch th−íc coli, ΦX174 “tiªm” ADN cña vµ ”n¶y mÇm” nã vµo trong tÕ bµo chñ. §Ó IR ΦX174 ph©n biÖt, ph©n tö ADN m¹ch Hoµn thiÖn ADN ®¬n nµy ®−îc ®¸nh dÊu (+). Protein ®Çu M¹ch ADN(+) nµy m· ho¸ cho nhän chÝnh §ãng gãi vá virut c¸c protein cÇn thiÕt cña virut. Ph©n gi¶i Gen A* trong hÖ gen cña virut IR F IR tÕ bµo chñ (h×nh 3.6) m· ho¸ cho protein Protein lâi, tham cã vai trß øc chÕ sù sao chÐp §iÓm khëi ®Çu sao gia ®ãng gãi ADN chÐp m¹ch (-) Protein vá virut chñ yÕu ADN cña tÕ bµo chñ trong H×nh 3.6. HÖ gen cña virut ΦX174. PhÇn chó thÝch xung quanh lµ vßng 20 - 30 phót sau khi l©y chøc n¨ng t−¬ng øng cña c¸c gen ®· biÕt. IR (Intergenic region) lµ c¸c nhiÔm, b»ng c¸ch c¾t rêi c¸c ®o¹n tr×nh tù kh«ng m· hãa gi÷a c¸c gen (c¸c tr×nh tù liªn gen). m¹ch ®¬n t¹i vÞ trÝ ch¹c sao chÐp cña tÕ bµo chñ. Ho¹t ®éng nµy cña protein do gen A* m· hãa nh»m gi¶i phãng mét sè enzym sao chÐp cña tÕ bµo chñ (nh− phøc hÖ primosome) lóc nµy trë nªn cÇn thiÕt cho sù sao chÐp hÖ gen cña virut. §Ó cã thÓ sao chÐp m¹ch ADN(+) trong khi m¹ch bæ sung lµ ADN(-) kh«ng ph¶i lµ tr×nh tù mang th«ng tin di truyÒn cña virut, qu¸ tr×nh sao chÐp vËt chÊt di truyÒn cña ΦX174 ph¶i tr¶i qua 3 giai ®o¹n (h×nh 3.7) nh− sau: 1. Phiªn m· th«ng tin di truyÒn trªn m¹ch ADN(+) cña virut (cßn ký hiÖu lµ SS = single strand) thµnh d¹ng ph©n tö ADN sîi kÐp d¹ng sao chÐp (ký hiÖu lµ RF = replicative form) mang mét m¹ch ADN(+) vµ mét m¹ch bæ sung lµ ADN(-) (nh− vËy, giai ®o¹n 1 cã thÓ viÕt t¾t lµ SS → RF). 2. Sao chÐp ph©n tö ADN sîi kÐp ë d¹ng RF nhiÒu lÇn ®Ó t¨ng lªn vÒ sè l−îng, theo nguyªn t¾c sao chÐp vßng l¨n. KÕt qu¶ lµ tõ mét ph©n tö RF mÑ thu ®−îc nhiÒu ph©n tö RF con (giai ®o¹n 2 = mét RF mÑ → nhiÒu RF con). 76

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic a) Giai ®o¹n 1: Phiªn m tõ d¹ng SS → RF (mÑ) Primase ADN Lo¹i bá ADN M¹ch (+) ADN tæng hîp polymerase ARN måi gyrase M¹ch ARN måi ligase (+) ARN Protein Tæng hîp C¸c protein DnaB theo kiÓu HÖ gen virut khëi ®Çu gi¸n ®o¹n M¹ch (-) Ph©n tö ADN ban ®Çu sao chÐp sîi kÐp d¹ng RF (mÑ) b) Giai ®o¹n 2: Sao chÐp c¸c ph©n tö ADN sîi kÐp, RF (mÑ) → RF (con) §iÓm khëi ®Çu gpA (protein Tæng hîp sao chÐp cña gen A) m¹ch (+) gpA lµm KÐo dµi theo kiÓu ®øt sîi (+) m¹ch (+) vßng l¨n vÒ phÝa Ph©n tö t¹i ®iÓm ®Çu 3’ §iÓm khëi RF (mÑ) ®Çu sao khëi ®Çu chÐp míi sao chÐp “TiÕp tôc sao chÐp theo kiÓu vßng l¨n” M¹ch (+) + míi Ph©n tö RF Tæng hîp m¹ch (-) theo kiÓu gi¸n ®o¹n (con) c) Giai ®o¹n 3: Sao chÐp tõ d¹ng RF → SS (d¹ng vËt chÊt di truyÒn cña virut) §iÓm khëi ®Çu gpA Tæng hîp sao chÐp KÐo dµi m¹ch (+) gpA lµm m¹ch (+) theo kiÓu ®øt sîi (+) t¹i ®iÓm vÒ phÝa vßng l¨n ®Çu 3’ khëi ®Çu Protein vá sao chÐp Tæng hîp virut ®ãng protein vá gãi ADN “TiÕp tôc sao chÐp theo kiÓu vßng l¨n” Virut thÕ hÖ §ãng gãi thµnh h¹t virut hoµn chØnh + con tr−ëng thµnh HÖ gen virut (m¹ch +) H×nh 3.7. Ba giai ®o¹n cña qu¸ tr×nh sao chÐp hÖ gen virut ΦX174. C¸c chØ sè, ( , , ,...) lµ c¸c b−íc t−¬ng øng ®−îc m« t¶ trong phÇn diÔn gi¶i. 77

§inh §oµn Long 3. Tæng hîp m¹ch ADN(+) b»ng viÖc sö dông m¹ch ADN(-) trong ph©n tö ADN sîi kÐp d¹ng RF lµm khu«n th«ng qua c¬ chÕ sao chÐp vßng l¨n. Nh− vËy, giai ®o¹n ba lµ giai ®o¹n phiªn m· ®Ó thu ®−îc d¹ng SS lµ d¹ng m· hãa th«ng tin di truyÒn cña virut (giai ®o¹n 3 = RF → SS). Trong giai ®o¹n 1, qu¸ tr×nh sao m· tõ SS → RF ®−îc thùc hiÖn th«ng qua 6 b−íc c¬ b¶n. Qu¸ tr×nh nµy diÔn ra nhê ho¹t ®éng cña c¸c hÖ enzym vµ protein tÕ bµo chñ. Sù chuyÓn m· di truyÒn tõ m¹ch ADN(+) cña virut thµnh ph©n tö ADN sîi kÐp d¹ng RF hoµn toµn gièng víi sù tæng hîp m¹ch ADN kh«ng liªn tôc trong m« h×nh sao chÐp ADN sîi kÐp ®· ®−îc m« t¶. S¸u b−íc cña qu¸ tr×nh phiªn m· SS → RF diÔn ra nh− sau (h×nh 3.7a):  Tr−íc khi g¾n måi: Protein b¸m sîi ®¬n SSB cña tÕ bµo chñ g¾n vµo ADN cña phag¬ ΦX174 (khi ph©n tö ADN nµy ®· ®−îc tiªm vµo tÕ bµo chñ), ®ång thêi ADN virut ®−îc gi·n xo¾n bëi enzym gyrase. Trong mét b−íc phô tiÕp theo, mét sè protein nh− n, n’, n”, protein i, DnaB, DnaC g¾n vµo ADN virut ®Ó h×nh thµnh nªn phøc hÖ g©y gi·n xo¾n ph©n tö ADN tr−íc khi g¾n måi.  G¾n måi: enzym primase cña tÕ bµo chñ g¾n vµo sîi ADN virut vµ h×nh thµnh nªn phøc hÖ primosome. Phøc hÖ primosome di chuyÓn däc theo ph©n tö ADN theo chiÒu 5’ → 3’vµ tæng hîp ®o¹n ARN måi (theo kiÓu sîi theo sau trong m« h×nh sao chÐp ADN sîi kÐp). Qu¸ tr×nh nµy cÇn sù tham gia cña protein DnaB. ViÖc tæng hîp c¸c ®o¹n ARN måi xuÊt hiÖn ë c¸c vÞ trÝ ngÉu nhiªn.  KÐo dµi chuçi: Khi ®o¹n ARN måi ®· h×nh thµnh, enzym ADN polymerase III sÏ g¾n vµo vµ tiÕp tôc ph¶n øng kÐo dµi chuçi sö dông c¸c deoxyribonucleotide tù do trong tÕ bµo chñ ®Ó tæng hîp nªn mét sîi ADN theo kiÓu gi¸n ®o¹n, gåm nhiÒu ®o¹n Okazaki.  Nèi c¸c ®o¹n Okazaki: enzym ADN polymerase I cã vai trß lo¹i bá c¸c ®o¹n ARN måi vµ thùc hiÖn qu¸ tr×nh dÞch m· qua khe n»m gi÷a c¸c ®o¹n Okazaki.  G¾n kÕt ph©n tö ADN: ADN ligase xóc t¸c viÖc g¾n c¸c ®o¹n Okazaki riªng rÏ thµnh mét chuçi polynucleotide liªn tôc.  Cuén xo¾n: enzym ADN gyrase xóc t¸c ho¹t ®éng cuén xo¾n cña ph©n tö ADN sîi kÐp gåm mét m¹ch ADN(+) vµ mét m¹ch ADN(-) ®Ó t¹o nªn cÊu tróc d¹ng RF. Thêi gian cÇn thiÕt ®Ó thùc hiÖn mét chu kú tæng hîp ph©n tö RF nh− trªn lµ ~1 phót. Trong giai ®o¹n thø 2, hÖ gen cña ΦX174 ë d¹ng RF ®−îc nh©n lªn nhiÒu lÇn, víi c¸c ®Æc ®iÓm ®¬n gi¶n h¬n so víi giai ®o¹n 1. Giai ®o¹n nµy chØ cÇn thªm hai lo¹i protein: (1) mét lo¹i protein cÇn thiÕt cho sù khëi ®Çu vµ kÕt thóc cña qu¸ tr×nh sao chÐp, lµ s¶n phÈm cña gen A (ký hiÖu lµ gpA), vµ (2) ADN helicase cÇn thiÕt cho viÖc lµm gi·n xo¾n ph©n tö ADN d¹ng RF, lµ s¶n phÈm do gen rep cña E. coli. Hai lo¹i protein nµy gióp sao chÐp m¹ch ADN(+) d¹ng vßng trßn khÐp kÝn, theo kiÓu sao chÐp vßng l¨n. Vai trß cña c¸c enzym ADN helicase, ADN polymerase III, vµ c¸c protein gpA, SSB trong qu¸ tr×nh tæng hîp m¹ch ADN(+) d¹ng vßng cña virut cô thÓ nh− sau (h×nh 3.7b):  ADN helicase vµ protein SSB g¾n vµo ph©n tö ADN sîi kÐp (d¹ng RF) lµm gi·n xo¾n vµ gi÷ ph©n tö ADN sîi kÐp ë tr¹ng th¸i hai m¹ch ®¬n.  Protein gpA c¾t liªn kÕt phosphodieste ë mét vÞ trÝ ®Æc tr−ng trªn sîi ADN(+) t¹o thµnh mét khe, ®ång thêi b¶n th©n nã g¾n vµo ®Çu 5’ cña sîi ADN(+) ngay t¹i vÞ trÝ khe ®øt võa ®−îc t¹o ra. 78

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic  §Çu 5’ cña sîi ADN(+) sÏ bÞ ®Èy khái cÊu tróc sîi ®«i. Enzym ADN polymerase III sö dông sîi ADN(-) lµm m¹ch khu«n, xóc t¸c viÖc l¾p r¸p lÇn l−ît c¸c deoxyribonucleotide míi theo nguyªn t¾c bæ sung vµo ®Çu 3’ cña m¹ch ADN(+) ®· bÞ ®øt ra. Qu¸ tr×nh tæng hîp sîi (+) cø vËy tiÕp tôc diÔn ra xung quanh sîi (-), trong khi ®Çu 5’ cña sîi (+) b¾t ®Çu tù quay vßng. Sau khi qu¸ tr×nh tæng hîp sîi ADN (+) míi kÕt thóc, sîi ADN(+) cò sÏ t¸ch ra khái cÊu tróc ADN sîi kÐp (RF).  KÕt thóc qu¸ tr×nh sao chÐp, protein gpA sÏ c¾t ADN ë vÞ trÝ khëi ®Çu (vÞ trÝ vÕt ®øt ®Çu tiªn trªn sîi (+), ®ång thêi ®ãng vßng ph©n tö ADN míi ®−îc t¹o ra b»ng viÖc h×nh thµnh mèi liªn kÕt phosphodieste ë vÞ trÝ vÕt ®øt. Nh− vËy, s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh sao chÐp lµ h×nh thµnh mét ph©n tö ADN sîi kÐp d¹ng RF, trong ®ã mét m¹ch (+) ®−îc tæng hîp míi thay thÕ cho m¹ch (+) cò.  Lóc nµy, m¹ch ADN(+) cò ®−îc t¸ch ra råi ®−îc sö dông lµm m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp nªn m¹ch ADN(-) míi theo nguyªn t¾c kh«ng liªn tôc nh− m« t¶ ë giai ®o¹n 1. Cø nh− vËy, sè ph©n tö ADN sîi kÐp d¹ng RF t¨ng lªn nhanh chãng. Qu¸ tr×nh sao chÐp ph©n tö ADN sîi kÐp d¹ng RF cã thÓ kÐo dµi ®Õn 20 phót, víi sè lÇn ph©n tö RF ®−îc sao chÐp lªn ®Õn kho¶ng 35 lÇn. Lóc nµy (kho¶ng 20 - 25 phót sau khi l©y nhiÔm), sù sao chÐp cña RF còng nh− cña ADN tÕ bµo chñ bÞ ®iÒu khiÓn dõng l¹i. Giai ®o¹n 3 (giai ®o¹n cuèi cïng) chÝnh lµ giai ®o¹n sao chÐp thùc sù hÖ gen cña ΦX174 (RF → SS). §©y lµ qu¸ tr×nh tæng hîp riªng m¹ch ADN(+). Trong giai ®o¹n nµy, m¹ch ADN(-) ®−îc sö dông lµm khu«n vµ qu¸ tr×nh sao chÐp còng diÔn ra theo ph−¬ng thøc vßng l¨n. C¸c m¹ch ADN(+) míi ®−îc t¹o ra theo nguyªn t¾c tæng hîp liªn tôc. C¸c m¹ch ADN(+) míi sau ®ã ®−îc ®ãng gãi vµ h×nh thµnh c¸c h¹t virut hoµn chØnh. C¸c b−íc cña giai ®o¹n tæng hîp c¸c sîi SS cã thÓ m« t¶ nh− sau (h×nh 3.7c):  Protein gpA, ®−îc phøc hÖ primosome trî gióp, g¾n vµo sîi ADN kÐp vµ c¾t ®øt m¹ch ADN(+) ë mét vÞ trÝ ®Æc tr−ng ®Ó t¹o ra hai ®Çu 3’ vµ 5’ tù do. Sau ®ã, protein gpA tiÕp tôc g¾n ë ®Çu 5’ cña m¹ch ADN(+).  Enzym ADN helicase ®−îc m· hãa bëi gen cña tÕ bµo chñ g¾n vµo m¹ch ADN(-) t¹i vÞ trÝ vÕt ®øt võa ®−îc t¹o ra. Cïng víi phøc hÖ primosome, enzym ADN helicase b¾t ®Çu lµm gi·n xo¾n cÊu tróc RF sîi kÐp, sau ®ã primosome tiÕn hµnh tæng hîp ®o¹n ARN måi b¾t ®Çu tõ ®Çu 3’ cña m¹ch ADN(-).  Khi ®o¹n ARN måi ®· h×nh thµnh, enzym ADN polymerase III g¾n vµo vµ xóc t¸c ph¶n øng tæng hîp kÐo dµi chuçi ADN kÓ tõ ®o¹n måi.  Khi m¹ch ADN(+) ®−îc t¸ch ra tõ cÊu tróc sîi kÐp, c¸c protein vá virut (®−îc tæng hîp nhê bé m¸y dÞch m· cña tÕ bµo chñ) g¾n vµo ph©n tö ADN(+) võa míi ®−îc tæng hîp. ViÖc c¸c ph©n tö protein cña virut g¾n vµo ph©n tö ADN(+) ®ång thêi sÏ lµm øc chÕ ho¹t ®éng cña bé m¸y sao chÐp sö dông m¹ch ADN(+) lµm khu«n ®Ó sao chÐp ADN.  Protein gpA c¾t ®o¹n m¹ch ADN(+) t¹i vÞ trÝ khëi ®Çu, ®ång thêi khÐp kÝn vßng trßn b»ng sù h×nh thµnh liªn kÕt phosphodieste. Cuèi cïng, mét sè protein kh¸c cña virut sÏ ®−îc dïng ®Ó ®ãng gãi vµ h×nh thµnh c¸c h¹t virut hoµn chØnh. Giai ®o¹n 3 (RF → SS) th−êng kÐo dµi kho¶ng tõ 20 ®Õn 30 phót. KÕt qu¶ lµ: tõ mét h¹t virut ΦX174 l©y nhiÔm vµo mét tÕ bµo vi khuÈn E. coli ban ®Çu, cã thÓ t¹o ra kho¶ng 35 cÊu tróc ADN sîi kÐp (d¹ng RF) vµ kho¶ng 500 h¹t virut míi (d¹ng SS) trong vßng 1 giê. Víi h×nh thøc sao chÐp nµy, kh«ng mét h¹t virut thÕ hÖ con nµo mang m¹ch ADN gèc cña virut mÑ. V× vËy, kiÓu sao chÐp ADN nµy lµ kiÓu sao chÐp ADN kh«ng b¶o toµn. 79

§inh §oµn Long 3.2.2. Sao chÐp axit nucleic ë virut kh¶m thuèc l¸ (TMV) Virut kh¶m thuèc l¸ (TMV) cã hÖ gen lµ mét ph©n tö ARN sîi ®¬n, m¹ch th¼ng, gåm 6390 nucleotide, m· ho¸ cho 4 gen. Gièng nh− trong tr−êng hîp cña ΦX174, sù sao chÐp ARN cña virut TMV ®ßi hái sù tæng hîp cña m¹ch ®èi diÖn. Nh−ng sù kh¸c biÖt lµ ë chç, ®Ó thùc hiÖn ®−îc qu¸ tr×nh ®ã, virut TMV cã mét enzym ARN polymerase ®Æc biÖt, gäi lµ replicase, cã kh¶ n¨ng sö dông m¹ch ARN lµm khu«n ®Ó sao chÐp. Enzym nµy ®−îc m· ho¸ bëi chÝnh hÖ gen virut TMV. Còng gièng nh− qu¸ tr×nh sao chÐp ADN, qu¸ tr×nh tæng hîp chuçi polynucleotide cña ph©n tö ARN lu«n lu«n diÔn ra theo chiÒu 5’ → 3’. V× vËy, viÖc tæng hîp ARN sÏ b¾t ®Çu tõ ®Çu 3’ cña sîi khu«n. Tuy vËy, ®¸ng chó ý lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN sîi ®¬n ë virut kh«ng cã c¬ chÕ söa ch÷a sao chÐp nh− trong tr−êng hîp sao chÐp ADN. HiÖn t−îng nµy phÇn nµo cã thÓ gi¶i thÝch cho hiÖn t−îng hÖ gen cña virut th−êng cã tû lÖ ®ét biÕn cao. Khi virut TMV ®· l©y nhiÔm tÕ bµo chñ, nã gi¶i phãng ra sîi ARN(+). Sîi nµy ®−îc sö dông lµm m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp trùc tiÕp nªn m¹ch ARN bæ sung theo nguyªn t¾c Chargaff. Do qu¸ tr×nh sao chÐp nµy lµ sao chÐp trùc tiÕp ph©n tö ARN, nªn c¸c nucleotide ®−îc sö dông trong qu¸ tr×nh sao chÐp vËt chÊt di truyÒn lµ c¸c ribonucleotide. C¸c b−íc trong qu¸ tr×nh sinh s¶n cña virut TMV (h×nh 3.8) nh− sau:  Virut l©y nhiÔm tÕ bµo chñ (thuèc l¸) vµ “tiªm” hÖ gen (ARN) cña nã vµo tÕ bµo chñ. Phiªn m· Sîi ARN (-) Phiªn m· sîi ARN (-) sîi ARN (+) Phiªn m· sîi ARN (+) ARN (+) phag¬ mÑ TÕ bµo chñ ARN replicase Protein vá virut L©y nhiÔm Phage con Sîi ARN (+) thÕ hÖ con H×nh 3.8. C¸c giai ®o¹n trong qu¸ tr×nh sao chÐp hÖ gen cña virut TMV. C¸c chØ sè, ( , , ,...) lµ c¸c b−íc t−¬ng øng ®−îc m« t¶ trong phÇn diÔn gi¶i. 80

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic  Virut sö dông bé m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo chñ ®Ó dÞch m· th«ng tin trªn ph©n tö ARN cña nã. KÕt qu¶ lµ: enzym replicase vµ mét sè protein vá virut ®−îc t¹o ra.  Enzym replicase sau khi h×nh thµnh sö dông sîi ARN(+) cña virut ®Ó phiªn m· thµnh sîi ARN(-) theo nguyªn t¾c bæ sung gi÷a A vµ U, G vµ C (vµ ng−îc l¹i). Qu¸ tr×nh phiªn m· diÔn ra b¾t ®Çu tõ ®Çu 3’ cña sîi khu«n, v× vËy sîi ARN(-) míi sÏ ®−îc tæng hîp theo chiÒu tõ 5’ → 3’. Kh«ng cã sù h×nh thµnh cÊu tróc sîi kÐp.  Sîi ARN(-) sau khi h×nh thµnh l¹i ®−îc enzym replicase sö dông lµm m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp nªn c¸c sîi ARN(+) míi. Qu¸ tr×nh tæng hîp b©y giê b¾t ®Çu tõ ®Çu 3’ cña sîi ARN(-). Nhê vËy, c¸c sîi ARN(+) míi còng ®−îc tæng hîp theo chiÒu 5’ → 3’. B»ng c¸ch sao chÐp ARN trùc tiÕp nh− vËy, c¸c sîi ARN(+) ®−îc phiªn m· sÏ cã tr×nh tù c¸c ribonucleotide gièng víi sîi ARN(+) mÑ ban ®Çu.  Cuèi cïng, c¸c protein vá cña virut ®−îc tæng hîp ë b−íc 2 cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt mét sè tr×nh tù ®Æc hiÖu trªn sîi ARN(+) vµ ®ãng gãi ph©n tö ARN nµy ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c h¹t virut hoµn chØnh. Virut TMV hoµn thiÖn cã mét líp vá protein bao quanh hÖ gen ARN. Lóc nµy, c¸c h¹t virut cã thÓ ph¸ vì tÕ bµo chñ vµ tiÕp tôc l©y nhiÔm c¸c tÕ bµo chñ kh¸c. 3.2.3. Retrovirut (virut phiªn m· ng−îc): HIV Retrovirut, cßn gäi lµ virut phiªn m· ng−îc, lµ mét nhãm c¸c virut cã kh¶ n¨ng “phiªn m· ng−îc” vËt chÊt di truyÒn cña chóng. Së dÜ gäi lµ phiªn m· ng−îc, v× hÖ gen cña nh÷ng virut nµy lµ ARN; trong qu¸ tr×nh sao chÐp vËt chÊt di truyÒn, th«ng tin di truyÒn tõ d¹ng ARN tr−íc tiªn ph¶i ®−îc phiªn m· tõ ARN → ADN, nh− vËy ng−îc víi chiÒu th«ng tin di truyÒn phæ biÕn mµ chóng ta ®· biÕt lµ “ADN → ARN”. Trong nhãm retrovirut, HIV (virut g©y suy gi¶m miÔn dÞch ë ng−êi) lµ virut ®Õn nay ®−îc quan t©m nghiªn cøu nhiÒu h¬n c¶. HIV tÊn c«ng vµo tÕ bµo lympho CD4 lµ tÕ bµo cã vai trß quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng kÝch øng cña hÖ thèng miÔn dÞch. Nh− vËy, virut nµy tÊn c«ng vµo ®óng c¸c tÕ bµo mµ chøc n¨ng cña chóng lµ b¶o vÖ c¬ thÓ khái sù x©m nhËp cña c¸c virut vµ c¸c hîp chÊt l¹ vµo c¬ thÓ chñ. ViÖc l©y nhiÔm cña HIV g©y nªn Héi chøng suy gi¶m miÔn dÞch m¾c ph¶i (AIDS) ë ng−êi. Gièng nh− phÇn lín c¸c lo¹i retrovirut kh¸c, HIV cã hÖ gen lµ ARN, cÊu tróc sîi ®¬n, m¹ch th¼ng. Ngoµi ra, c¸c h¹t HIV cã hai b¶n sao ARN gièng hÖt nhau. Hai b¶n sao nµy g¾n víi nhau ë ®Çu 5’ cña chóng th«ng qua mét ph©n tö tARN (h×nh 3.9). HÖ gen cña HIV gåm cã 3 gen ®Õn nay ®· biÕt chøc n¨ng, bao gåm: (1) gen gag m· ho¸ cho protein cÊu tróc néi bµo cña virut, (2) gen env m· ho¸ cho protein vá virut, vµ (3) gen pol m· ho¸ cho hai enzym thiÕt yÕu kh¸c cÇn cho qu¸ tr×nh sao chÐp ARN cña virut lµ reverse transcriptase vµ integrase. Ngoµi ra, virut nµy cßn cã mét sè gen kh¸c. Trong qu¸ tr×nh sinh s¶n cña virut trong tÕ bµo chñ, viÖc tæng hîp sîi ADN tõ sîi khu«n ARN lµ b−íc ®Çu tiªn, ®−îc xóc t¸c bëi enzym phiªn m· ng−îc reverse transcriptase (thuèc AZT ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu trÞ AIDS lµ mét “®ång ®¼ng” cña thymine cã ho¹t tÝnh øc chÕ enzym reverse transcriptase). Qu¸ tr×nh sinh s¶n cña HIV cã thÓ m« t¶ qua c¸c b−íc nh− sau:  Virut g¾n vµo vÞ trÝ thô thÓ ®Æc hiÖu trªn tÕ bµo lympho CD4+. 81

§inh §oµn Long a) ~ 60 nucleotide 5’ ~ 8000 nucleotide tARN ~ 8000 nucleotide 3’ 3’ gag 3’ 3’ gag pol env env pol ®Çu poly (A) tARN ®Çu poly (A) 75 nucleotide 5’ ~ 60 nucleotide H×nh 3.9. CÊu tróc vµ chøc n¨ng hÖ gen retrovirut - b) Protein HIV. a) cÊu tróc hÖ gen retrovirut gåm 2 b¶n sao ph©n tö lâi trong ARN g¾n víi nhau, b) cÊu tróc h¹t retrovirut hoµn chØnh. Protein lâi ngoµi ARN Enzym phiªn m· ng−îc Protein vá bÒ mÆt Líp mµng kÐp lipid Protein vá xuyªn mµng  Enzym reverse transcriptase sö dông mét trong hai b¶n sao cña ph©n tö ARN virut lµm m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp nªn m¹ch ADN cã tr×nh tù bæ sung. Sau ®ã, chÝnh enzym nµy l¹i sö dông m¹ch ADN võa ®−îc tæng hîp lµm m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp nªn mét ph©n tö ADN sîi kÐp cã tr×nh tù bæ sung t−¬ng øng víi ARN cña virut.  Enzym integrase ®−îc m· hãa bëi hÖ gen virut, lóc nµy, cã kh¶ n¨ng xóc t¸c viÖc g¾n kÕt ph©n tö ADN sîi kÐp cña virut võa ®−îc tæng hîp vµo hÖ gen nh©n (còng cã cÊu tróc ADN sîi kÐp) cña tÕ bµo chñ (cã thÓ x¶y ra ë mét nhiÔm s¾c thÓ bÊt kú). Vµo giai ®o¹n nµy, tr¹ng th¸i tÕ bµo ®−îc gäi lµ tr¹ng th¸i tiÒm tan.  Nhê hÖ thèng phiªn m· (trong ®ã cã ARN polymerase) cña tÕ bµo chñ, ARN cña virut ®−îc phiªn m· tõ tr×nh tù gen trªn ®o¹n ADN cña virut ®· ®−îc g¾n vµo hÖ gen cña tÕ bµo chñ. C¸c ph©n tö ARN nµy võa ®−îc sö dông lµm vËt chÊt di truyÒn cña virut thÕ hÖ sau, võa ®−îc sö dông lµm khu«n ®Ó tæng hîp nªn c¸c protein cÊu tróc, c¸c protein lâi vµ vá cña virut trong tÕ bµo chñ.  C¸c protein cña virut ®−îc t¹o ra cã kh¶ n¨ng ®ãng gãi ph©n tö ARN cña virut mét c¸ch ®Æc hiÖu ®Ó t¹o thµnh c¸c h¹t virut hoµn chØnh.  C¸c h¹t virut gi¶i phãng khái tÕ bµo chñ (®ång thêi lµm chÕt tÕ bµo chñ) vµ tiÕp tôc l©y nhiÔm c¸c tÕ bµo chñ tiÕp theo. Trong qu¸ tr×nh sinh s¶n cña HIV, ®¸ng chó ý lµ viÖc tæng hîp ph©n tö ADN sîi kÐp cña virut diÔn ra trong tÕ bµo chÊt. Sau ®ã, ph©n tö ADN nµy ®−îc vËn chuyÓn vµo trong nh©n vµ liªn kÕt vµo nhiÔm s¾c thÓ cña tÕ bµo chñ. Sù tæng hîp c¸c ph©n tö ARN 82

Ch−¬ng 3. Sao chÐp axit nucleic hÖ gen cña thÕ hÖ virut con còng diÔn ra trong nh©n, sau ®ã chóng ®−îc chuyÓn ra tÕ bµo chÊt, ®ång thêi ®Ó tæng hîp c¸c lo¹i protein cña virut vµ ®ãng gãi thµnh c¸c h¹t virut míi. Nh− vËy, ®Æc ®iÓm ®Æc biÖt cña retrovirut chÝnh lµ kh¶ n¨ng phiªn m· theo chiÒu ARN → ADN. §Õn nay, chóng lµ d¹ng sèng duy nhÊt ®· ®−îc ph¸t hiÖn cã kh¶ n¨ng nµy. Enzym reverse transcriptase thùc chÊt lµ mét enzym ADN polymerase cã kh¶ n¨ng sö dông ARN lµm m¹ch khu«n. XÐt tæng thÓ, revese transcriptase lµ mét enzym cã 3 chøc n¨ng kh¸c nhau, bao gåm: 1. Chøc n¨ng tæng hîp ph©n tö ADN sîi ®¬n dùa trªn m¹ch khu«n lµ ph©n tö ARN. Ho¹t tÝnh nµy ®−îc gäi lµ ho¹t tÝnh cña ADN polymerase sö dông ARN lµm khu«n (RNA-dependent DNA polymerase). 2. Chøc n¨ng tæng hîp m¹ch ADN thø hai bæ sung víi m¹ch ADN thø nhÊt ®−îc phiªn m· tõ m¹ch khu«n ARN ®Ó h×nh thµnh nªn mét ph©n tö ADN sîi kÐp. Ho¹t tÝnh nµy gäi lµ ho¹t tÝnh cña ADN polymerase sö dông ADN lµm khu«n (DNA-dependent DNA polymerase). 3. Trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN cña virut, theo nguyªn t¾c chung cña qu¸ tr×nh sao chÐp ADN sîi kÐp, cÇn ph¶i cã ®o¹n ARN måi ®−îc h×nh thµnh tr−íc khi chuçi polynucleotide ®−îc tæng hîp kÐo dµi. Trong tr−êng hîp cña HIV, ®o¹n måi ARN chÝnh lµ tr×nh tù gièng tARN ®· ®−îc g¾n s½n vµo hÖ gen cña virut. Trong qu¸ tr×nh sao chÐp ADN virut, ®o¹n måi nµy ®−îc c¾t bá bëi chÝnh enzym reverse transcriptase. Ho¹t tÝnh nµy cña enzym reverse transcriptase ®−îc gäi lµ ho¹t tÝnh cña ribonuclease H, tøc lµ ho¹t tÝnh ph©n gi¶i ARN bÊt cø khi nµo cã ph©n tö lai ADN/ARN. Ch÷ H ë ®©y viÕt t¾t tõ thuËt ng÷ hybrid (¸m chØ ph©n tö lai ADN/ARN ®−îc t¹o ra bëi enzym phiªn m· ng−îc trong qu¸ tr×nh sao chÐp hÖ gen cña virut). C¸c retrovirut cã kh¶ n¨ng duy tr× tr¹ng th¸i tiÒm tan trong mét thêi gian d−êng nh− v« ®Þnh. ë tr¹ng th¸i tiÒm tan, th«ng th−êng biÓu hiÖn bÖnh lý ë ng−êi bÖnh bÞ nhiÔm virut lµ kh«ng râ (giai ®o¹n nµy gäi lµ giai ®o¹n cöa sæ). Lóc nµy, ADN cña virut sÏ ®−îc sao chÐp cïng víi qu¸ tr×nh sao chÐp ADN cña tÕ bµo chñ khi tÕ bµo chñ chuÈn bÞ tiÕn hµnh ph©n chia tÕ bµo. V× lý do nµy, nhiÒu bÖnh nh©n nhiÔm HIV cã thêi gian ñ bÖnh (giai ®o¹n cöa sæ, t−¬ng øng víi tr¹ng th¸i tiÒm tan cña virut) rÊt kh¸c nhau. Khi c¸c ph©n tö ARN cña virut ®−îc phiªn m· tõ tr×nh tù ADN cña chóng (lóc nµy ®ang liªn kÕt víi hÖ gen tÕ bµo chñ) råi ®−îc ®ãng gãi thµnh c¸c h¹t virut míi vµ gi¶i phãng khái tÕ bµo chñ, chóng sÏ lµm chÕt c¸c tÕ bµo chñ. Vµo giai ®o¹n nµy, c¸c triÖu chøng bÖnh lý cña ng−êi bÖnh míi biÓu hiÖn râ (giai ®o¹n l©y nhiÔm vµ AIDS). Lóc nµy, tr¹ng th¸i tÕ bµo ®−îc gäi lµ tr¹ng th¸i g©y tan (sinh tan). Mét sè c©u hái ®−îc ®Æt ra lµ: Khi nµo virut b¾t ®Çu chuyÓn tõ tr¹ng th¸i tiÒm tan sang tr¹ng th¸i g©y tan? TÝn hiÖu nµo khëi ®Çu qu¸ tr×nh tæng hîp ph©n tö ARN virut? YÕu tè nµo kÝch thÝch sù gi¶i m· tÝn hiÖu l−u tr÷ trong ph©n tö ADN ë tr¹ng th¸i tiÒm tan ®Ó virut chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i g©y tan (tr¹ng th¸i AIDS)? C¸c c©u hái nµy ®Õn nay vÉn ®ang ®−îc tiÕp tôc ®−îc lµm râ. Tuy vËy, ®èi víi HIV, ë nhiÒu ng−êi bÖnh râ rµng tr¹ng th¸i “tiÒm tan” kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i x¶y ra. 3.2.4. Phag¬ lambda (λ) vµ hiÖn t−îng tiÒm tan Trõ mét sè tr−êng hîp ngo¹i lÖ, phÇn lín c¸c thùc khuÈn thÓ (phag¬) vµ virut ë ®éng vµ thùc vËt cã mét chu kú g©y tan duy nhÊt. NghÜa lµ, ngay sau qu¸ tr×nh sinh s¶n c¸c virut ®−îc gi¶i phãng ra khái tÕ bµo chñ vµ lµm chÕt tÕ bµo chñ. Nh÷ng virut nµy ®−îc gäi lµ c¸c virut ®éc (virulent virus). 83