Sinh học phân tử- Axit Nucleic

CHƯƠNG XIV : SINH HỌC PHÂN TỬ- AXIT NUCLEIC I. VIRUT VÀ GEN II. VAI TRÒ CỦA ADN III. CẦU TRÚC CỦA AXIT NUCLEIC IV. MẬT MÃ DI TRUYỀN V. NGUỒN GỐC CỦA SỰ SỐNG Như vậy người ta đã điều khiển được protit và bỗng nhiên phát hiện ra một điều hoàn toàn bất ngờ và lạ lùng: cơ sở hóa học của sự sống nói chung không phải là phân tử protit mà là một phân tử khác. Chỉ sau khi nghiên cứu bản chất của virut lọt qua lọc người ta mới hiểu được tầm quan trọng lớn lao của khám phá này. Bản chất của virut là điều bí ẩn đối với cả một thế hệ loài người. Một người biết rằng virut gây ra bệnh và người ta đã nghiên cứu ra phương pháp chống lại chúng. Nhưng dù sao tính chất vật lý của virut vẫn là điều chưa biết được. Việc phát minh ra máy lọc có lổ nhỏ đủ có thể giữ lại những phần tử virut đã đóng vai trò quyết định trong việc xác định kích thước của virut. Virut hơi nhỏ hơn những tế bào nhỏ nhất đã biết một chút, nhưng lại lớn hơn nhiều so với phân tử protit lớn nhất. Chỉ có kính hiển vi điện tử mới cho phép phân biệt được virut. Kích thước của chúng dao động trong một giới hạn rộng, kể từ virut- chấm nhỏ nhất-đến những cấu trúc tương đối lớn có dạng hình học chính xác với những cấu tạo ở bên trong khác nhau. Xếp vào loại những virut lớn nhất là thể thực khuẩn đi "săn" các vi khuẩn nhỏ bé; một số thực khuẩn có đuôi và giống như con nòng nọc bé xíu. Còn loại lớn hơn virut nhưng nhỏ hơn vi khuẩn, được gọi là Ricketsia để ghi nhớ nhà bác học Riketsia. Riketsia nói riêng, gây bệnh chàm ở vùng núi Skali, một bệnh được nhà vi sinh vật học nghiên cứu. Ðã nãy ra vấn đề virút có phải là các cơ thể sống hay không? Năm 1935 nhà hóa sinh học người Mỹ là Uenđen Meredit Stenli ( sinh năm 1904) khi nghiên cứu chiết xuất virut bệnh đốm cây thuốc lá đã thu được những tinh thể hình kim. Thì ra là những tinh thể này có tính gây nhiễm trùng cao. Nói cách khác, nhà bác học đã thu được virut ở dạng tinh thể, và các tinh thể sống là hiện tượng khó mà giải thích được. Mặt khác, tại sao lại không thể cho là học thuyết tế bào không chính xác, rằng tế bào không phải là đơn vị không chia cắt được của sự sống? Virut nhỏ hơn tế bào rất nhiều và trái với tế bào, virut không thể tồn tại độc lập trong bất cứ điều kiện nào. Nhưng khi virut xâm nhập được vào trong tế bào, virut sinh sản ở đó và trong một số biểu hiện chủ yếu nó tỏ ra như một sinh vật. Phải chăng có những cấu tạo nội tế bào nào đấy hoặc những yếu tố tiền tế bào nào đấy là cấu trúc cơ sở thật sự của sự sống, cấu trúc này điều khiển phần còn lại của tế bào? Phải chăng virut là một hợp I. VIRUT VÀ GEN TOP Page 1 of 5Sinh hoc phan tu - Axit Nucleic 7/16/2007 phần của tế bào mà xưa kia hay vào lúc nào đó đã tách khỏi tế bào, và sẳn sàng trở lại tế bào, trở thành vị khách lạ với > thật sự của nó? Nếu điều đó đúng là như vậy, thì những hợp phần tiền tế bào như thế đúng ra phải nằm cả trong những tế bào bình thường. Ðúng hơn cả phải công nhận thể nhiễm sắc là kẻ ứng cử để thực hiện nhiệm vụ này. Trong những năm đầu của thế kỷ 20í, người ta đã biết rõ ràng thể nhiễm sắc có mang trong mình những nhân tố điều khiển sự di truyền các tính chất vật lý. Ðiều đó quy định cương vị chỉ đạo của thể nhiễm sắc lại lớn hơn virut rất nhiều lần. Song số lượng thể nhiễm sắc ít hơn số lượng các dấu hiệu được di truyền rất nhiều. Từ đó có thể rút ra kết luận là một thể nhiễm sắc bao gồm có thể từ hàng nghìn phân tử, mỗi một phân tử điều khiển một dấu hiệu riêng biệt. Nhà thực vật học người Ðan mạch là Vinhem Lutvic Johanxen ( 1857-1927), đã gọi những phân tử đó là Gen (từ Hy lạp: đem cuộc sống đến cho một vật nào). Nhưng trong 10 năm đầu của thế kỷ XX người ta vẫn chưa thấy được Gen riêng biệt cũng như những virut riêng biệt, mặc dù biểu hiện đó đã quan sát thấy rõ ràng. Nhà di truyền học người Mỹ là Thomas Hant Morgan (1866-1945) sau khi dùng ruồi dấm ( Drosophila) làm đối tượng mới trong nghiên cứu sinh học, đã tìm được chìa khóa nghiên cứu vấn đề này. Ruồi dấm là một côn trùng nhỏ, đơn giản và sinh sản khá dễ dàng; ngoài ra trong tế bào của ruồi chỉ có tất cả 4 cặp thể nhiễm sắc làm cho công tác nghiên cứu được dễ dàng. Khi nghiên cứu ruồi dấm từ thế hệ này sang thế hệ khác. Morgan đã phát hiện được một số lượng rất lớn các đột biến. Ông đã chứng minh rằng những dấu hiệu khác nhau có liên quan với nhau, có nghĩa là chúng được di truyền lại như một phức hệ. Nghĩa là các Gen điều khiển các dấu hiệu ấy phải nằm trong một thể nhiễm sắc và di truyền như là một thể thống nhất. Nhưng các dấu hiệu liên kết với nhau không mãi mãi gắn với nhau. Có trường hợp một dấu hiệu được di truyền không có liên quan đến dấu hiệu khác. Ðiều đó xãy ra vì các cặp thể nhiễm sắc ngẫu nhiên trao đổi với nhau những đoạn ngắn (sự trao đổi chéo), do đấy tính toàn vẹn của thể nhiễm sắc là không tuyệt đối. Những thí nghiệm tương tự cho phép xác định vị trí của từng Gen cụ thể trên thể nhiểm sắc. Khoảng cách giữa hai Gen càng lớn thì xác suất bắt chéo các Gen phân bố ngẫu nhiên càng lớn. Khi nghiên cứu tần số nhờ đó tách được hai dấu hiệu liên quan nhau bằng cách đặc biệt, người ta có thể xác định vị trí tương đối của các Gen. Năm 1911 lần đầu tiên người ta đã vẽ một bản đồ về vị trí của Gen trong thể nhiễm sắc (đối vơí ruồi dấm). Một trong những người học trò của Morgan, nhà di truyền học người Mỹ là German Joseph Muller (1890-1967) đã ra phương pháp tăng tần số đột biến (1919). Ông thấy tăng nhiệt độ thì làm tăng tần số đột biến, đó không phải là kết quả của sự pha trộn chung của Gen. Hóa ra bao giờ cũng có một Gen lệch, trong khi đó gen tương ứng với gen lệch ở thể nhiễm sắc khác của cùng một cặp đó vẫn không bị động tới. Muller đi đến kết luận là những biến đổi ấy xãy ra ở mức độ phân tử. Aïp dụng tia Rơngen có năng lượng cao hơn sự đun nóng nhẹ là bước nghiên cứu tiếp theo của ông. Tia Rơngen riêng lẻ sau khi rơi vào thể nhiễm sắc. Chỉ tác dụng vào một điểm xác định trên thể nhiễm sắc. Thật vậy, năm 1927, Muller đã chứng minh rằng tia Rơngen đã làm tăng một cách đáng kể nhịp điệu đột biến. Nhà thực vật học người Mỹ là Albe Frensis Blesli (sinh năm 1874) đã tiếp tục nghiên cứu vấn đề này. Năm 1937, ông đã chứng minh rằng có thể tăng nhịp độ đột biến, khi tác dụng bằng những chất đặc trưng (những tác nhân gây đột biến). Tác nhân gây đột biến tốt hơn cả là Chosixin-chất alcaloit tách từ cây thu thuỷ tiên Colchium autumnale thuộc họ Iridacae (hành tỏi). Như vậy là đến giữa những năm 30 người ta đã tước bỏ lớp vỏ huyền bí của virut và Gen. Chúng chính là những phân tử có khối lượng như nhau và gần nhau về bản chất hóa học. Nhưng như vậy có thể xem gen là những virut đã bị > khi thâm nhập vào trong tế bào được hay không? Và phải chăng virut có thể là Gen >? Page 2 of 5Sinh hoc phan tu - Axit Nucleic 7/16/2007 Khi vừa mới thu được dạng tinh thể của virut, đã xuất hiện khả năng tiến hành những nghiên cứu theo phương pháp nhiễu xạ tia Rơngen. Dĩ nhiên, virut được xếp vào protit và là một biến dạng đặc biệt của protit mang tên là nucleoprotit. Những thành tựu của kỹ thuật nhuộm tiêu bản đã cho phép làm sáng tỏ bản chất hóa học của các cấu trúc riêng lẻ ở mức độ dưới tế bào. Ðã xác định được thể nhiễm sắc (và do đấy cả Gen) cũng thuộc loại nucleoprotit. Phân tử nucleoprotit được cấu tạo từ các phân tử protit-liên kết với chất phospho gọi là axit nucleic. Lần đầu tiên nhà sinh học người Thuỵ sĩ là Friedrich Miescher (1844-1895) đã phát hiện thầy các axit nucleic trong nhân của tế bào. Trong một thời gian dài người ta coi axit nucleic là một hợp phân đặc trưng của nhân. Nhưng khi vở lẻ axit nucleic có mặt cả ở ngoài nhân tế bào thì việc đổi tên cho axit này đã muộn rồi. Nhà hóa sinh học người Ðức là Albrecht Kochsen (1852-1927) đã nghiên cứu tỉ mỉ axit nucleic và vào năm 1882, ông đã tách được axit nucleic ra thành những hợp phần nhỏ có chứa axit phosphoric và đường, nhưng ông không thể xác định được thành phần chính xác của những chất này. Ngòai ra, ông đã thấy trong axit nucleic hai hợp chất của nhóm purin mà phân tử của chúng là hợp chất mạch vòng, có hai vòng chứa 4 nguyên tử nitơ. Kochsen gọi nhóm chất này là Adenin và Guanin (đôi khi ký hiệu đơn giản là A và G). Ông cũng tìm ra bazo pirimidin (những chất có vòng đơn chứa hai nguyên tử nitơ), được gọi là Xitozin, Timin và Uranin (X, T và U). Nhà hóa học người Mỹ là Febut Aron Teodo Levin (1869-1940) khi nghiên cứu những chất này trong những năm 20 và 30 đã chứng minh là trong phân tử axit nucleic có phân tử axit phosphoric phân tử đường và phân tử của một purin hoặc pirimidin tạo nên hợp chất gồm ba hợp phầnmà ông gọi là nucleotit. Phân tử axit nucleic cấu tạo bằng một chuỗi nhỏ những nucleotit này, giống như phân tữ protit-cấu tạo bằng những chuỗi axit amin. Chuỗi nucleotit được cấu tạo sao cho phân tử axit phosphoric của nucleotic này nối với nhóm đường của một nucleotic khác cạnh nó. Ðó chính là cái khung đường-phosphat, từ đó nảy ra các nhánh purin và pirimin riêng biệt. Tiếp theo, Levin chứng minh rằng các axit nucleic có hai loại đường: đường riboza chỉ chứa năm nguyên tư ícarbon thay cho 6 nguyên tử carbon có trong đường đã được người ta nghiên cứu kỹ lưỡng, và đường Dezoxiriboza trong đó ít hơn Riboza 1 nguyên tử carbon. Mỗi một phân tử axit nucleic có chứa một trong hai loại đường này và không bao giờ cùng một lúc chứa hai loại đường. Như vậy ta đã phân biệt được hai loại axit nucleic, axit ribonucleic (ARN) và axit Dezoxiribonucleic (ADN). Mỗi loại axit nucleic có những purin và pirimidin thuộc bốn kiểu khác nhau. Trong ADN không có Uraxin, mà trong thành phần của nó chỉ có A, G, X và T, trong khi đó ARN lại không có Timin, mà chỉ có A, G, X, U. Nhà hóa học người Scotland là Alexander Totdơ (sinh năm 1907) sau khi tổng hợp được các nucleotit khác nhau vào những năm 40, đã xác nhận những dẫn liệu của Levin. Thoạt tiên các nhà hóa sinh học không thừa nhận ý nghĩa to lớn của axit nucleic. Tuy đã biết rằng phân tử protit có gắn với những chất phụ khác nhau không phải là protit như đường, lipit, kim loại và những hợp chất chứa vitamin v.v..., song các nhà hóa sinh học vẫn coi protit là phần chủ yếu của phân tử. Thậm chí sau khi phát hiện ra nucleoprotit trong thể nhiễm sắc và virut, các nhà hóa sinh học vẫn tin rằng axit nucleic là phần thứ yếu của phân tử. Vào những năm 90 của thế kỷ 19, Kochsen đã tiến hành quan sát, mà sau này người ta mới hiểu rỏ tất cả ý nghĩa của những quan sát đó. Tinh trùng hầu như chỉ cấu tạo từ các thể nhiễm sắc nằm sát nhau và chứa các chất hóa học mang đầy đủ thông tin nhờ đó các dấu hiệu di truyền của đời cha mới di truyền được cho đời con. Nhưng Kochsen phát hiện ra rằng protit của tinh trùng đơn giản hơn nhiều so với protit của các mô khác, trong khi đó axit nucleic của tinh trùng lại giống axit nucleic của các mô trong cơ thể. Từ đó suy ra chắc hẳn là thông tin di truyền đúng ra phải nằm trong những phân tử không đổi của các axit nucleic tinh trùng hơn là nằm trong protit hết sức đơn giản. II. VAI TRÒ CỦA ADN TOP Page 3 of 5Sinh hoc phan tu - Axit Nucleic 7/16/2007 Nhưng niềm tin vào phân tử protit vẫn chưa bị lung lay bởi vì những kết quả nghiên cứu của các năm 30 chỉ nói lên một điều quá đơn giản rằng mang thông tin di truyền trong cấu tạo của các axit nucleic là những phân tử rất nhỏ, chỉ gồm có 4 nucleotit. Những nghiên cứu với nòi phế cầu khuẩn Pneumococcus (tác nhân gây bệnh viêm phổi), do một số nhà bác học thực hiện dưới sự lãnh đạo của nhà vi khuẩn học người Mỹ là Oxvandơ Teodo Everi (1877-1955) là bước ngoặc đáng kể. Nang bao chung quanh tế bào, ở một số nòi vi khuẩn gây bệnh là dạng trơn (nòi S), ở số khác là dạng xù xì không có nang tế bào (nòi R). Có lẻ nòi R không có khả năng tổng hợp nang bào. Thêm dịch chiết của nòi S vào nòi R, nòi này biến thành nòi S; bản thân dịch chiết không thể tạo thành nang, nhưng có lẻ đã gây ra những biến đổi ở nòi R, cho phép vi khuẩn đạt được nhiệm vụ đó. Dịch chiết mang thông tin di truyền cần thiết đối với sự biến đổi đặc tính vật lý học của vi khuẩn. Nhưng nhờ phân tích dịch chiết mà phần kỳ diệu nhất của thí nghiệm đã được sáng tỏ, đó là dung dịch chỉ bao gồm axit nucleic chứ không lẫn với bất cứ loại protit nào. Như vậy, ít nhất là trong trường hợp này, axit nucleic chứ không phải protit là chất liệu mang thông tin di truyền. Kể từ đó trở đi, vấn đề đã rõ là chính axit nucleic là cơ sở đầu tiên và là cơ sở mấu chốt của sự sống. Nhưng bởi vì chính vào năm 1944 là năm lần đầu tiên người ta thực hiện phương pháp sắc ký trên giấy, cho nên giống như năm 1859 xuất bản cuốn nguồn gốc các loàicó thể gọi năm 1944 một cách xác đáng rằng đó là năm của các sự kiện vĩ đại nhất trong sinh học. Kể từ năm 1944, quan niệm mới về các axit nucleic đã thu được nhiều lý lẽ có cơ sở nhất, do có những nghiên cứu của các nhà virut học. Người ta đã chứng minh rằng virut có vỏ protit bao bọc bên ngoài còn bên trong là phân tử axit nucleic. Năm 1955, nhà hóa sinh học người Mỹ là Franken Konrat (sinh năm 1910) đã tách virut ra làm hai phần và sau đó nối được hai phần đó lại. Phần protit, bản thân nó, không có bất cứ tính nhiễm trùng nào, nó là phần chết. Còn phần chứa axit nucleic là phần sống, có thể gây nhiễm trùng, mặc dù nó biểu hiện hoạt tính cao nhất khi có mặt của hợp phần protit. Việc áp dụng chất đồng vị phóng xạ đã chứng tỏ rằng thể thực khuẩn chỉ thâm nhập vào tế bào vi khuẩn phần cấu tạo bằng axit nucleic còn phần protit thì ở lại bên ngoài tế bào. Axit nucleic của thể thực khuẩn vào bên trong tế bào, chẳng những tạo thành những phân tử axit nucleic mới giống nó ( chứ không giống axit nucleic của tế bào) mà còn tạo thành cả những phân tử protit đặc trưng cho thể thực khuẩn chứ không đặc trưng cho tế bào. Không còn gì nghi ngờ là chính phân tử axit nucleic, chứ không phải protit, mang thông tin di truyền. Những phân tử của virut mang ADN hoặc ARN hoặc đồng thời cả hai loại axit đó. Nhưng trong tế bào, chỉ thấy ADN ở trong gen. Bởi vì gen được coi là đơn vị di truyền, nên ta phải làm hoàn toàn sáng tỏ ý nghĩa của ADN. Tiếp theo công trình của Everi, việc nghiên cứu axit nucleic được tiến hành mạnh mẽ. Ấn tượng cho rằng axit nucleic là những phân tử nhỏ được hình thành do những phương pháp tách axit nucleic trước đây rất thô sơ, nên đã tách phân tử axit nucleic ra làm nhiều đoạn nhỏ. Những phương pháp tinh vi hơn đã chứng minh rằng những phân tử axit nucleic còn lớn hơn cả những phân tử protit lớn nhất. Nhà hóa sinh học ngươiì Mỹ là Ecuyn Chragaff (sinh năm 1905) đã tách phân tử axit nucleic thành nhiều đoạn rồi phân tích bằng phương pháp sắc ký trên giấy. Ðến cuối những năm 40, ông III. CẤU TRÚC CỦA AXIT NUCLEIC TOP Page 4 of 5Sinh hoc phan tu - Axit Nucleic 7/16/2007 nêu rõ trong phân tử ADN có số nhóm purin bằng số nhóm pirimidin. Còn nói cụ thể thì số nhóm adenin (purin) thường bằng số nhóm timin (pirimidin), trong khi đó số nhóm guanin (purin) bằng số nhóm xitoxin (pirimidin). Ðiều này có thể biểu thị như sau: A=T, G=X. Nhà vật lý học người Anh là Maurix Hiu Frederic Uynkins (sinh năm 1916) đã áp dụng phương pháp nhiễu xạ tia Rơgen vào nghiên cứu ADN trong thời kỳ đầu của những năm 50. Những đồng nghiệp của ông ở trường đại học Tổng hợp Cambridge là nhà hóa sinh học Frensis Hari Captain Crick (sinh năm 1916) và nhà hóa sinh học người Mỹ là Jame Duc Watson (sinh năm 1928) đã cố gắng xây dựng cấu trúc phân tử sao cho cấu trúc phân tử ấy giải thích được những tài liệu của Uynkinxs Trước đó không lâu, Pauling đã đề ra giả thuyết cấu tạo hình xoắn ốc của phân tử protit. Crick và Watson cho rằng phân tử ADN có cấu tạo theo hình xoắn ốc phù hợp với tài liệu của Uynkins. Tuy nhiên họ phải công nhận sự tồn tại của mạch xoắn ốc kép để chứng minh những tài liệu của Chargaff. Họ hình dung gồm hai bộ khung đường-phosphat xoay quanh một trục chung và hình thành dạng phân tử hình trụ. Các purin và pirimidin chìa vào bên trong theo hướng tâm của hình trụ. để đảm bảo cho đường kính không đổi trong toàn bộ chiều daiì của hình trụ, những phân tử purin lớn phải ở sát với những phân tử pirimidin nhỏ, có nghĩa là A gần T và G gần X, như thế sẽ giải thích được những số liệu của Chargaff Hơn nữa còn xuất hiện cách giải thích có thể chấp nhận được về các giai đoạn chủ yếu của sự phân bào có tơ, sự tăng gấp đôi số thể nhiễm sắc, cơ chế gần gũi với vấn đề này là sự sinh sản của virut trong tế bào. Mỗi một phân tử ADN in ra bản sao giống với nó theo cách sau: cả hai bộ khung đường, phosphat duỗi ra và mỗi một bộ khung là một hình mẫu dập ra bản sao mới. Bất cứ chỗ nào trên bộ khung có adenin thì chỉ có phân tử timin được chọn ra từ số chất dự trử có mặt trong tế bào và ngược lại. Bất cứ nơi nào trên bộ khung có phân tử guanin thì phân tử guanin chỉ chọn đúng phân tử xitizin có mặt trong tế bào và ngược lại. Page 5 of 5Sinh hoc phan tu - Axit Nucleic 7/16/2007