Giáo Trình Nucleic Acid: Lịch Sử và Phương Pháp Nghiên Cứu

Khám phá hoàng tráng phân chia biển Đà Nẵng, nơi hội tụ vẻ đẹp thiên nhiên và văn hóa độc đáo, mang đến trải nghiệm tuyệt vời cho du khách.

• Tác giả: Hoàng Trọng Phán
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa sinh
• Đề tài: Giáo Trình Nucleic Acid: Lịch Sử, Cấu Trúc và Phương Pháp Nghiên Cứu
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: LỊCH SỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NUCLEIC ACID
• 1.1. I. Lịch sử nghiên cứu
• 1.2. II. Các phương pháp nghiên cứu
• 1.2.1. 1. Các phương pháp chung
• 1.2.2. 2. Các phương pháp tách chiết nucleic acid
• 1.2.3. 3. Các phương pháp phân tích định tính và định lượng thô nucleic acid
• 1.2.4. 4. Các phương pháp xác định trình tự nucleic acid
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA CÁC NUCLEOTIDE VÀ POLYNUCLEOTIDE
• 2.1. I. Thành phần hoá học của các nucleotide
• 2.1.1. 1. Phosphoric acid
• 2.2. II. Cấu trúc của các nucleotide
• 2.2.1. 1. Cấu trúc của các nucleoside
• 2.2.2. 2. Cấu trúc của các nucleotide
• 2.2.3. 3. Cấu trúc của các di- và triphosphate nucleoside
• 2.3. III. Cấu trúc của các chuỗi polynucleotide
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA DNA
• 3.1. I. Thành phần hoá học của DNA
• 3.2. II. Cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA
• 3.2.1. 1. Mô hình Watson-Crick
• 3.2.2. 2. Các dạng DNA xoắn phải và xoắn trái
• 3.2.3. 3. Các DNA mạch vòng sợi kép và sợi đơn
• 3.3. III. Định khu, hàm lượng và kích thước của DNA
• 3.4. IV. Đặc tính hoá lý của DNA
• 3.5. V. Chức năng của DNA
• 4. CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC RNA
• 4.1. I. Cấu trúc và chức năng của các mRNA
• 4.2. II. Cấu trúc và chức năng của các tRNA
• 4.3. III. Cấu trúc và chức năng của các rRNA
• 5. CHƯƠNG 5: SINH TỔNG HỢP NUCLEOTIDE VÀ DNA
• 5.1. I. Sinh tổng hợp các nucleotide
• 5.1.1. 1. Sinh tổng hợp các nucleotide purine
• 5.1.2. 2. Sinh tổng hợp các nucleotide pyrimidine
• 5.2. II. Sinh tổng hợp DNA (Tái bản)
• 5.2.1. 1. Những nguyên tắc và đặc điểm chung của tái bản DNA
• 5.2.2. 2. Các enzyme tham gia tái bản DNA
• 5.2.3. 3. Cơ chế tái bản DNA
• 5.2.4. 4. Tái bản của các bộ gene RNA
• 5.2.5. 5. Ứng dụng của enzyme tái bản trong kỹ thuật sinh học phân tử
• 5.3. III. Cơ sở phân tử của đột biến và tái tổ hợp DNA
• 5.3.1. 1. Cơ sở phân tử của đột biến
• 5.3.2. 2. Sửa chữa DNA
• 5.3.3. 3. Tái tổ hợp và đại cương về công nghệ DNA tái tổ hợp
• 6. CHƯƠNG 6: SINH TỔNG HỢP RNA VÀ PROTEIN
• 6.1. I. Sinh tổng hợp RNA (Phiên mã)
• 6.1.1. 1. Đặc điểm chung của phiên mã
• 6.1.2. 2. Các RNA polymerase ở prokaryote và eukaryote
• 6.1.3. 3. Cơ chế phiên mã ở prokaryote và eukaryote
• 6.2. II. Cấu trúc và chức năng của protein
• 6.2.1. 1. Cấu trúc của protein
• 6.2.2. 2. Chức năng của protein
• 6.3. III. Mã di truyền
• 6.4. IV. Cơ chế của quá trình sinh tổng hợp protein (Dịch mã)
• 6.4.1. 1. Hoạt hoá amino acid
• 6.4.2. 2. Mở đầu, kéo dài và kết thúc sự tổng hợp chuỗi polypeptide
• 6.5. V. Sự điều hoà sinh tổng hợp protein ở vi khuẩn
• 6.5.1. 1. Mô hình operon ở E. coli
• 6.5.2. 2. Operon lactose và cơ chế điều hoà cảm ứng - âm tính
• 6.5.3. 3. Operon tryptophan và cơ chế điều hoà ức chế - âm tính
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Nucleic Acid Lịch Sử và Cấu Trúc

Giáo trình Nucleic Acid cung cấp cái nhìn tổng quan về lịch sử, cấu trúc và phương pháp nghiên cứu của nucleic acid. Từ những phát hiện đầu tiên của Friedrich Miescher vào năm 1869 đến mô hình chuỗi xoắn kép của DNA do Watson và Crick phát triển, lĩnh vực này đã chứng kiến nhiều bước tiến quan trọng. Nucleic acid, bao gồm DNA và RNA, đóng vai trò thiết yếu trong di truyền và sinh học phân tử. Giáo trình này không chỉ cập nhật kiến thức mà còn hướng dẫn phương pháp nghiên cứu hiện đại.

1.1. Lịch sử nghiên cứu Nucleic Acid Những cột mốc quan trọng

Lịch sử nghiên cứu nucleic acid bắt đầu từ năm 1869 với phát hiện của Miescher. Ông đã phát hiện ra nuclein trong nhân tế bào. Sau đó, Albrecht Kossel đã phân tích cấu trúc của nucleic acid và phát hiện ra các nucleotide. Những nghiên cứu này đã mở đường cho việc hiểu biết sâu sắc hơn về vai trò của nucleic acid trong di truyền.

1.2. Cấu trúc của Nucleic Acid DNA và RNA

Cấu trúc của nucleic acid rất phức tạp. DNA có cấu trúc chuỗi xoắn kép, trong khi RNA thường tồn tại dưới dạng chuỗi đơn. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến chức năng của chúng trong quá trình tổng hợp protein và di truyền. Hiểu rõ cấu trúc giúp nghiên cứu sâu hơn về các quá trình sinh học.

II. Những thách thức trong nghiên cứu Nucleic Acid hiện nay

Nghiên cứu nucleic acid đối mặt với nhiều thách thức, từ việc tách chiết đến phân tích cấu trúc. Các phương pháp truyền thống đôi khi không đủ chính xác để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu hiện đại. Sự phát triển của công nghệ sinh học đã mở ra nhiều cơ hội mới, nhưng cũng đặt ra yêu cầu cao hơn về độ chính xác và hiệu quả.

2.1. Thách thức trong việc tách chiết Nucleic Acid

Việc tách chiết nucleic acid từ tế bào là một bước quan trọng nhưng cũng đầy thách thức. Các phương pháp hiện tại cần cải tiến để tăng hiệu suất và độ tinh khiết của nucleic acid thu được. Điều này đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu gen và ứng dụng trong công nghệ sinh học.

2.2. Khó khăn trong phân tích cấu trúc Nucleic Acid

Phân tích cấu trúc của nucleic acid yêu cầu các kỹ thuật phức tạp như nhiễu xạ Rơnghen và điện di. Những phương pháp này cần được cải tiến để cung cấp thông tin chính xác hơn về cấu trúc ba chiều của nucleic acid, từ đó giúp hiểu rõ hơn về chức năng của chúng.

III. Phương pháp nghiên cứu Nucleic Acid Cách tiếp cận hiện đại

Các phương pháp nghiên cứu nucleic acid đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Từ các kỹ thuật tách chiết đến phân tích cấu trúc, những công nghệ mới đã giúp các nhà khoa học khám phá sâu hơn về nucleic acid. Việc áp dụng công nghệ sinh học và phân tích gen đã mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu.

3.1. Các phương pháp tách chiết Nucleic Acid hiệu quả

Các phương pháp tách chiết nucleic acid hiện đại như sử dụng kit thương mại đã giúp tăng hiệu suất và độ tinh khiết. Những kỹ thuật này cho phép thu được nucleic acid từ nhiều loại mẫu khác nhau, từ tế bào động vật đến thực vật, phục vụ cho nhiều nghiên cứu khác nhau.

3.2. Phân tích cấu trúc Nucleic Acid bằng công nghệ mới

Công nghệ như giải trình tự gen và phân tích cấu trúc ba chiều đã giúp hiểu rõ hơn về nucleic acid. Những phương pháp này không chỉ cung cấp thông tin về cấu trúc mà còn về chức năng của nucleic acid trong các quá trình sinh học.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Nucleic Acid trong nghiên cứu và công nghệ

Nucleic acid có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu và công nghệ sinh học. Từ việc phát triển thuốc đến ứng dụng trong chẩn đoán bệnh, nucleic acid đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Sự phát triển của công nghệ gen đã mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

4.1. Ứng dụng trong y học Chẩn đoán và điều trị

Nucleic acid được sử dụng trong chẩn đoán bệnh và phát triển thuốc. Các phương pháp như PCR giúp phát hiện nhanh chóng các bệnh truyền nhiễm. Ngoài ra, việc sử dụng nucleic acid trong liệu pháp gen đang mở ra hướng đi mới trong điều trị các bệnh di truyền.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ sinh học Sản xuất thực phẩm và vaccine

Công nghệ sinh học sử dụng nucleic acid để phát triển thực phẩm biến đổi gen và vaccine. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện năng suất mà còn tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng và động vật trước các tác nhân gây hại.

V. Kết luận Tương lai của nghiên cứu Nucleic Acid

Nghiên cứu nucleic acid đang ở giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Những tiến bộ trong công nghệ sinh học và phân tích gen hứa hẹn sẽ mang lại nhiều khám phá mới. Tương lai của nghiên cứu nucleic acid không chỉ dừng lại ở việc hiểu biết về di truyền mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong y học và công nghệ.

5.1. Xu hướng nghiên cứu Nucleic Acid trong tương lai

Xu hướng nghiên cứu nucleic acid sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới. Các nhà khoa học sẽ tập trung vào việc hiểu rõ hơn về chức năng của nucleic acid trong các quá trình sinh học phức tạp.

5.2. Tác động của nghiên cứu Nucleic Acid đến xã hội

Nghiên cứu nucleic acid có thể tạo ra những thay đổi lớn trong xã hội, từ y học đến nông nghiệp. Việc ứng dụng các phát hiện mới sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và giải quyết nhiều vấn đề toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Lịch sử và Phương pháp Nghiên cứu Nucleic Acid I. Lịch sử nghiên cứu Nucleic acid là những hợp chất cao phân tử đóng vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sống của mọi cơ thể sinh vật. Chúng tham gia vào các quá trình cơ bản của sự sống như sinh tổng hợp protein, sinh trư ng, sinh sản và di truyền. Trong một th i gian dài các nhà hóa học và các nhà nghiên cứu về sinh lý dinh dưỡng đã coi protein, lipid và carbonhydrate là ba chất quan trọng nhất tạo nên cơ thể sống.

Quan điểm cho rằng nucleic acid là những cấu tử trơ của nhân và tế bào chất đã mãi mãi lãng quên từ khi chất thứ tư này – nucleic acid được chứng minh là chất quan trọng hơn so với các chất trước đó. Năm 1869, lần đầu tiên nhà hóa sinh học trẻ tuổi ngư i Thụy Sĩ Friedrich Miescher (1844 -1895) đã phát hiện nucleic acid trong nhân tế bào. Ông đã đặt tên là nuclein vì nhận thấy nó tồn tại trong nhân tế bào (nucleus). Đối tượng nghiên cứu của Miescher là những bạch cầu (lymphocytes).

Khi dùng acid kết tủa dịch chiết xuất từ nhân của tế bào mủ lấy từ bông băng bỏ đi (bằng cách dùng enzyme phân hủy protein của dịch dạ dày là pepsin để tiêu hóa các phần khác giàu protein của tế bào) ông đã vô cùng ngạc nhiên nhận thấy rằng, nhân tế bào chứa một chất không phải mỡ, không phải carbonhydrate, cũng không phải protein. Nó cũng không giống một chất sống nào đã biết và chứa phosphor và nitơ, hòa tan thì cho tính acid. Từ “nucleic acid” là do Altman đề nghị năm 1889 (ông đã phát hiện ra rằng đối tượng thuận tiện tốt nhất để chiết rút chất nuclein là những đầu tinh trùng của cá hồi). Và thực chất mỗi đầu tinh trùng của cá hồi hoàn toàn tương ứng với một nhân tế bào.

Để điều chế chế phẩm nucleic acid, Miescher đã hòa tan phần đầu của tinh trùng (tế bào sinh dục đực) trong dung dịch muối nồng độ cao, sau đó bằng cách thêm nước vào đã gây ra kết tủa nucleic acid dạng sợi. Cần phải giữ chế phẩm lạnh do đó trong các ngày đông tháng giá của mùa đông, ông đã làm việc trong phòng không sư i. Thực tế, lịch sử nghiên cứu hóa học của nucleic acid gắn liền 8 với tên tuổi của Felix Hoppe - Seiler (1825-1895), nhà sinh lý học và hoá học rất nổi tiếng ngư i Đức vì chính phòng thí nghiệm của ông Tübingen. Miescher đã làm việc với danh nghĩa là ngư i học trò và cộng tác viên khoa học trẻ.

Mặc dù Miescher là một cộng tác viên vô cùng cẩn thận và đầy triển vọng song Hoppe - Seiler vẫn thấy cần thiết phải đích thân lặp lại thí nghiệm xem có đúng là một chất mới hay không. Kết quả thực nghiệm không những khẳng định thành tựu của Miescher mà còn thu được thêm nhiều dẫn liệu mới rất đặc trưng. Hoppe - Seiler còn phát hiện trong nhân tế bào nấm men cũng có chất nuclein giống như tế bào bạch cầu. Ngư i kế tục phát triển công trình của Miescher là nhà hóa sinh học (hóa học hữu cơ) ngư i Đức Albrecht Kossel (1853 - 1927).

Năm 1882, ông đã phân tích nucleic acid ra những phần nhỏ chứa acid phosphoric, đư ng và base chứa nitơ (Kossel đã tách được hai pyrimidine và đặt tên là cytosine và thymine, cũng như hai purine với tên adenine và guanine). Do công trình này ông đã đạt giải Nobel về y và sinh lý học vào năm 1910. Một pyrimidine khác là uracil cũng đã được phát hiện sau này. Trong những năm đầu của thế kỷ XX (1900 - 1932), nhà hóa sinh học ngư i Mỹ gốc Nga Phoebus Aaron Theodore Levene (1869 - 1940) đã xác định được đơn vị cấu tạo của nucleic acid là các nucleotide (hay mononucleotide) và phân biệt được hai loại nucleic acid: deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA).

Như vậy, cho đến năm 30 của thế kỷ XX này, ngư i ta đã biết được thành phần của các nucleic acid. Levene đã đoán trước 4 nucleotide khác nhau liên quan đến RNA là adenylic acid (chứa adenine), guanilic acid (chứa guanine), cytidilic acid (chứa cytosine) và uridic acid (chứa uracil). Ông cũng giả thiết 4 nucleotide tiếp theo liên quan đến DNA là deoxyadenilic acid, deoxyguanilic acid, deoxythymidilic acid (chứa thymidine) và deoxycytidilic acid (chứa cytosine). Do các giả thiết này của Levene tỏ ra phù hợp với hiểu biết của hóa học cho nên chúng sớm được các nhà hóa học chấp nhận.

Nhưng cho đến th i kỳ đầu những năm 1950, chúng vẫn chưa được chứng minh rõ ràng khi nhà hóa sinh học ngư i Anh Alexander Robertus Todd (1907-1997) chưa tổng hợp được các nucleotide phù hợp một cách chính xác với các công thức của Levene. Todd đã xác nhận được rằng các chất này thực tế giống 9 các hợp chất đã thu nhận được từ nucleic acid. Với công trình này, Todd đã được trao giải thư ng Nobel về hóa học năm 1957. Trong những năm 1949 - 1953 nhà sinh học ngư i Mỹ gốc Áo Erwin Chargaff (1905 - 2002) khi phân tích DNA đã phát hiện sự cân bằng của các base trong DNA: số nhóm purine bằng số nhóm pyrimidine (purine/pyrimidine = 1), số nhóm adenine bằng số nhóm thymine (adenine/thymine = 1), số nhóm guanine bằng số nhóm cytosine (guanine/cytosine = 1).

Về sau này ngư i ta đã đặt quy tắc mang tên ông về tổng lượng các loại nucleotide cấu tạo nên các DNA. Trong những năm đầu thập niên 1950, hai nhà vật lý học ngư i Anh, Maurice Hugh Frederick Wilkins (1916 - 2004) cùng với Rosalind Franklin (1920 - 1958) bắt đầu tiến hành các nghiên cứu đầu tiên về cấu trúc DNA. Wilkins là con trai của một bác sĩ ngư i New Zealand chuyên học vật lý và vào th i kỳ đầu cuộc Chiến tranh Thế giới thứ hai, ông làm việc cho sự phát triển bom nguyên tử. Nhưng sau cuộc Thế chiến này, ông dùng tất cả sức lực của mình cho công việc nghiên cứu DNA và đã tr thành một trong những nhà bác học tiên phong trong lĩnh vực này nên được coi là nhà lý sinh học.

Wilkins và Franklin đã áp dụng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray diffraction) vào việc nghiên cứu cấu trúc tinh thể của DNA (lấy từ tuyến ức bê, thymus). Với những bức ảnh chụp cấu trúc tinh thể DNA có dạng chữ thập, hai tác giả này gợi ý rằng DNA có thể gồm hai hoặc ba mạch đơn bện xoắn với nhau. Năm 1953, từ các nghiên cứu của mình kết hợp với các kết quả nghiên cứu trước đó của Chargaff và Wilkins, hai nhà khoa học trư ng Đại học Tổng hợp Cambridge là Francis Harry Compton Crick (England; 1916-2004) và James Dewey Watson (USA; 1928-2003) đã xây dựng thành công mô hình chuỗi xoắn kép của phân tử DNA. Với công trình này, Watson và Crick đã được trao giải thư ng Nobel về y học và sinh lý học năm 1962.

Từ đó Crick đã xây dựng một chuỗi xoắn kép DNA bằng đồng trong vư n nhà ông trung tâm Cambridge, sau đó đã viết: “Ngư i ta hỏi tôi là khi nào thì sẽ mạ vàng”. Cùng với việc nghiên cứu cấu trúc DNA, các nhà khoa học cũng đã nỗ lực tìm hiểu vai trò và các chức năng sinh học của nó. Vào năm 1944, nghĩa là sau 75 năm kể từ khi phát hiện DNA trong nhân tế bào năm 1869, nhà vi khuẩn học ngư i Mỹ Oswwald Theodore Avery (1877 - 1955) đã chứng minh DNA là chất liệu di 10 truyền khi bổ sung DNA chiết xuất từ chủng độc (chủng không độc của phế cầu khuẩn Diplococcus pneumoniae biến thành chủng độc gây viêm phổi và làm chết chuột bắt nguồn từ thí nghiệm biến nạp của F. Grifith năm 1928) vào môi trư ng nuôi cấy và kết hợp với việc xử lý bằng DNase.

Điều đó chứng tỏ DNA quyết định tính chất di truyền của phế cầu khuẩn. Năm 1952, Alfred Day Hershey (1908 - 1997) và Martha Chase (1927 - 2003) cho biết, bằng đồng vị phóng xạ có thể theo dõi sự di chuyển của protein và DNA của virus (cơ s là DNA chứa phosphor, protein chứa lưu huỳnh mà không chứa phosphor; vì vậy DNA virus có thể được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ phosphor, còn protein virus được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ lưu huỳnh). Khi đánh dấu một số hạt virus phần protein và một số hạt virus phần DNA rồi đưa vào môi trư ng nuôi cấy vi khuẩn chủ E. coli thì thấy DNA virus nhanh chóng thâm nhập vào tế bào chủ, còn phần protein thì không.

Thí nghiệm cũng đã chứng minh tầm quan trọng về mặt di truyền của DNA. Năm 1955, nhà hóa sinh học Mỹ Fraenkel-Konrad (1910 - ) đã chia virus ra làm hai phần và sau đó nối được hai phần đó lại, phần protein không gây nhiễm (không chui vào tế bào vật chủ) còn phần DNA thì gây nhiễm. Thí nghiệm của Krauss trên hồng cầu ngư i chứng minh sự liên quan giữa cấu trúc hóa học của protein với vai trò di truyền của DNA (khi đưa DNA chiết xuất từ hồng cầu non của ngư i lành vào tủy xương bệnh nhân thiếu máu hình lưõi liềm (có HbS không bình thư ng) thì thấy hemoglobin bình thư ng được tổng hợp. Điều đó chứng tỏ DNA quyết định cấu trúc đặc hiệu của protein.

Các thí nghiệm sau đó của các nhà khoa học đã chú trọng vào việc tổng hợp DNA. Năm 1956 Severo Ochoa (1905 - 1993) và Arthur Kornberg (1918 - ) - hai nhà khoa học ngư i Mỹ đã tổng hợp DNA in vitro bằng cách trộn enzyme DNA polymerase I được chiết xuất từ E. coli với các dNTP, DNA khuôn (DNA tự nhiên) và Mg++, DNA thu được không khác DNA tự nhiên. Hai nhà khoa học này đã được nhận giải thư ng Nobel về y học và sinh lý học vào năm 1959.

Năm năm sau khi công bố công trình cấu trúc xoắn kép của DNA vào năm 1958, Matthew Stanley Meselson (1930 - ) và Franklin William Stahl (1928 - ) đã chứng minh bằng thực nghiệm dự đoán trên là hoàn toàn có cơ s. Bằng cách nuôi vi khuẩn E. 11 coli môi trư ng chứa nitơ nặng 15N sau đó bằng 14N bình thư ng rồi theo dõi qua các thế hệ, xem sự thay đổi tỷ trọng của DNA qua máy ly tâm siêu tốc (siêu ly tâm); hai nhà khoa học đã xác định được cơ chế tái sinh bán bảo tồn của DNA. Về việc nghiên cứu RNA, cho đến cuối những năm 30 của thế kỷ XX, các nhà khoa học vẫn nghĩ rằng DNA là đặc trưng của các tế bào động vật, còn RNA chỉ có thể gặp được trong nấm men và các tế bào thực vật.

Nguồn quan trọng nhất của DNA lúc này là tuyến ức (thymus), còn đối với RNA là nấm men.