Vật chất di truyền của một số nhóm sinh vật
Virus được phát hiện vào cuối thế kỷ 19, có kích thước rất nhỏ, sống ký sinh trên các loài sinh vật khác nhau, không có cấu tạo tế bào hoàn thiện, nghĩa là không có màng tế bào, không có các bào quan. Virus không có thể tự tổng hợp protein ...
Virus được phát hiện vào cuối thế kỷ 19, có kích thước rất nhỏ, sống ký sinh trên các loài sinh vật khác nhau, không có cấu tạo tế bào hoàn thiện, nghĩa là không có màng tế bào, không có các bào quan. Virus không có thể tự tổng hợp protein khi chúng nằm bên ngoài tế bào chủ, nên sau khi đã hình thành, chúng không tăng về kích thước. Cấu tạo của virus đơn giản gồm một bộ máy di truyền của nó, gói trong vỏ protein, bên ngoài có thể có màng bao.
Bộ máy di truyền của virus chỉ có một loại axit nucleic: DNA (mạch kép hoặc mạch đơn) hoặc RNA. Cấu trúc của phân tử axit nucleic trong virus có thể ở dạng thẳng hoặc dạng vòng. Bộ gen nhỏ nhất có 4 gen, lớn nhất có chừng vài trăm gen.
Virus chỉ có thể tự tái bản bộ máy di truyền của mình và tổng hợp protein bao gói bộ máy di truyền trong tế bào chủ.
Vi khuẩn là loại vi sinh vật có cấu trúc tế bào nhưng đơn giản, tức là chúng có màng tế bào, nguyên sinh chất và các bào quan, tuy nhiên, chúng chưa có màng nhân. Bộ máy di truyền của vi khuẩn nằm trong nguyên sinh chất là phân tử DNA mạch kép vòng tròn, được gọi là nhiễm sắc thể. Ngoài nhiễm sắc thể, trong tế bào vi khuẩn còn có plasmid - là những phân tử DNA nhỏ, mạch vòng, xoắn kép, chúng có khả năng phân chia độc lập không phụ thuộc vào DNA nhiễm sắc thể.
Vi khuẩn thuộc nhóm tế bào đơn bội - có số nhiễm sắc thể là n, các tế bào lưỡng bội luôn có số lượng nhiễm sắc thể là 2n. Bộ máy di truyền của vi khuẩn E. Coli được nghiên cứu kỹ nhất. E. Coli có một nhiễm sắc thể (chromosome), bộ gen có khoảng 2.000 đến 4.000 gen trên phân tử DNA vòng tròn, xoắn kép bao gồm khoảng 4,5 triệu nucleotide, cấu trúc không gian nằm dưới dạng siêu xoắn.
DNA trong nhân
Tế bào của các sinh vật có nhân điển hình (eucaryote) cấu tạo hoàn thiện, bao gồm màng tế bào, nguyên sinh chất, các bào quan và nhân tế bào. Khác với tế bào vi khuẩn, nhân tế bào có màng nhân bao bọc.
Bộ máy di truyền của tế bào là những phân tử DNA nằm trong cấu trúc nhiễm sắc thể. Mỗi nhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA thẳng, mạch xoắn kép. Các nhiễm sắc thể phân bố trong nhân. Số lượng và hình dạng của nhiễm sắc thể là đặc trưng cho mỗi loài sinh vật.
Các tế bào dinh dưỡng của nhóm sinh vật eucaryote đều có số lượng nhiễm sắc thể là 2n (tế bào lưỡng bội). Tế bào giới tính chỉ có một bộ nhiễm sắc thể n (tế bào đơn bội).
Sơ đồ cấu tạo của nucleosome
Các nhiễm sắc thể của eucaryote có tổ chức phức tạp. Mỗi nhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA dài mạch xoắn kép liên kết với protein histone và cuộn lại, tạo thành phức hợp nucleoprotein.
Histone là những protein có phân tử nhỏ chứa nhiều axit amin mang điện tích dương như lysine, arginine nên dễ liên kết với phân tử DNA mang điện tích âm.
Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể được cuộn xoắn ở nhiều mức độ khác nhau. Nucleosome là đơn vị cấu trúc cơ bản, được tạo nên do một đoạn DNA khoảng 200 cặp nucleotide liên kết với 5 loại protein histone là H1, H2A, H2B, H3 và H4.
Cấu tạo của mỗi nucleosome gồm một đoạn DNA khoảng 145 cặp nucleotide quấn quanh một cái lõi gồm 8 protein histone là 2H2A, 2H2B, 2H3 và 2H4 và một đoạn DNA liên kết có độ dài khoảng 55 cặp nucleotide, đoạn này gắn với protein histone H1. Độ dài của đoạn DNA liên kết này thay đổi tùy theo chủng loại sinh vật.
Các nucleosome xếp sát vào nhau, tạo thành sợi chromatin. Sợi chromatin cuộn xoắn, uốn khúc nhiều lần, tạo thành vùng xếp cuộn dày đậm đặc, gọi là chất dị nhiễm sắc. Chất dị nhiễm sắc là trạng thái cuộn xoắn cao của phức hợp nucleoprotein ở thời kỳ phân bào.
Các nhiễm sắc thể được nhân đôi lên trước thời kỳ phân bào và sau đó, chia đều về cho các tế bào con trong thời kỳ phân bào. Như vậy, các thông tin di truyền được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Cách sắp xếp của phức hợp nucleprotein, tạo thành nhiễm sắc thể ở giai đoạn phân chia tế bào
DNA ngoài nhân
Có một số bào quan trong tế bào chất như ti thể và lục lạp của tế bào eucaryote có chứa DNA. Các DNA ngoài nhân này cũng mang gen mã hóa cho protein và truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác, tuy nhiên, sự phân ly của các gen tế bào chất không tuân theo các định luật của Mendel vì cơ chế phân chia tế bào chất về các tế bào con không đều như các nhiễm sắc thể trong nhân. Lục lạp và ti thể là hai loại bào quan tham gia trực tiếp vào quá trình chuyển hóa năng lượng của tế bào.
Để phân biệt với DNA nhiễm sắc thể, DNA của lục lạp được ký hiệu là cpDNA (chloroplast DNA) và DNA của ti thể được ký hiệu là mtDNA (mitochondrial DNA).
Bộ gen của cpDNA mã hóa cho các protein trong thành phần của lục lạp. cpDNA có cấu trúc dạng vòng tròn, sợi xoắn đôi có kích thước nhỏ, khoảng từ 120 đến 200kb (kilobazơ) tùy theo chủng loại thực vật.
DNA của ti thể (mtDNA) mã hóa cho nhiều protein của màng bên trong ti thể và một số protein tham gia vào chuỗi chuyển vận điện tử. mtDNA cũng có cấu trúc dạng vòng tròn nhưng nhỏ hơn cpDNA nhiều lần.
Mặc dù bộ máy di truyền ngoài nhân là các DNA của ti thể và lục lạp có thể tự nhân đôi một cách độc lập và có bộ máy tổng hợp protein riêng, nhưng hoạt động của chúng có sự phối hợp chặt chẽ với bộ máy di truyền trong nhân, hoạt động của các gen ngoài nhân góp phần bổ sung cho các hoạt động của các gen trong nhân.
Như vậy, trong các loại tế bào eucaryote có chứa lục lạp thì tồn tại ba loại DNA là DNA nhiễm sắc thể, cpDNA và mtDNA, còn các tế bào không có lục lạp thì chỉ có hai loại là mtDNA và DNA nhiễm sắc thể.
