Những thành tựu mới về tiến hóa sinh học tiền tế bào -Tài liệu ôn thi bác sĩ nội trú - Môn Y sinh học Di truyền

Tế bào đã hình thành như thế nào

- 1 vấn đề được tiến hóa quan tâm là sự sống bắt nguồn từ đâu ? sự sống phân li đa dạng theo cách nào? Khi thừa nhận mọi sinh vật đều có cấu tạo tế bào thì vấn đề nguồn gốc sự sống được quy về tìm nguồn gốc tế bào

- Những thí nghiệm tổng hợp tiền sinh học tiếp tục cho những thành tựu quan trọng , tuy nhiên các acid amin , các protein , acid nucleic và các giọt vi thể Fox, các dạng tiền tế bào Protobionta vẫn chưa giải quyết được vấn đề đặt ra .

- Những phản ứng mấu chốt của sinh học phân tử của tế bào, đòi hỏi có 1 mã và 1 sự nhân đôi acid nu , phản ứng đảm bảo sự dịch mã protein phải được phát triển trước khi xh TB chính thức

- Những tiến bộ về sinh học phân tử , hiểu biết nhiều hơn về vai trò của ARN trong tế bào và chức năng xúc tác của ARN giúp các nhà khoa học có nhiều ý mới trong nghiên cứu. Câu hỏi đặt ra “các tế bào đầu tiên bản chất ntn ?” Chúng ta vẫn chưa tạo được 1 tế bào nguyên thủy.

ARN có nhiều khả năng có trước ADN và protein

- Vấn đề hấp dẫn của tiến hóa tiền tế bào là hiểu được nguồn gốc các polyme chủ yếu của chất sống hiện đại và cách liên kết các polyme . Sự polyme hóa các acid amin hoạt động đã tạo nên các polypeptid có công thức chuỗi bấp bênh và đã tổng hợp được các peptid khi nung nóng khô hỗn hợp acid amin , nhất là khi dùng các acid amin hoạt động với quặng có bản chất là đất sét

- Khi khám phá ra sự mã hóa di truyền , sự phiên mã , dịch mã , các nhà KH cho rằng ARN phải có trước ADN , do ARN có thể tự nhân đôi = sao chép sợi bổ sung , nhiều khả năng chúng là những polyme đầu tiên . ARN còn có khả năng xúc tác , khi tự cắt , tự ghép exon,tự dài ra , tự dính , do đó nó phải có 1 vài trò trung tâm , vai trò nguyên thủy nhất trong tiến hóa tế bào.

- Ngày nay 1 loạt chức năng của ARN được chứng minh :

o ARN làm khuôn để tổng hợp ADN nhờ phiên mã ngược

o ARN cùng với enzym telomerase để chấm hết cho phân tử ADN nhiễm sắc thể

o ARN 70S tham gia vào bộ máy tiết protein

o Hàng chục loại ARN khác có chức năng chưa được xác định

o ARN có nhiều chức năng hơn ADN

o Deoxyribonucleotid là dẫn xuất của các ribonucleotid

o Gần đây đã tìm thấy enzym phiên mã ngược có ở hầu hết tế bào Eukaryota

o ARN được khẳng định như 1 loại phân tử mấu chốt của hóa học tiền tế bào

- Vì những bằng chứng trên,các nhà KH thừa nhận rằng ARN có trước ADN trg tiến hóa tiền TB

Sự tổng hợp ARN tiền sinh học

- Nguyên liệu cốt yếu tổng hợp ARN là ribose , sau đó là 1 loạt các ribonucleotid . Thừa nhận rằng trong điều kiện tiền sinh học có thể tổng hợp 2 loại trên , con đường nào thì chưa rõ ?

- Ribose có thể sinh ra từ phản ứng formose . Khi có mặt aldehyd thì formaldehyd ngưng tụ thành glycolaldehyd . Sự ngưng tụ hàng loạt sẽ tạo 1 loạt đường có số C

nhau (có triose). Nếu con đường này trong thực tế tiền sinh học có thật thì phản ứng đi đến 1 hỗn hợp phức tạp các đường mà khi liên kết với các base sẽ cho 1 loạt các nucleotid rất đa dạng.

- Thí nghiệm nung nóng hỗn hợp ure, NH4Cl, phosphat, hydroxyl-apatid ở 100 độ /24h thu được các ribonucleotid rồi các polyphosphat.

Nguồn gốc các mã di truyền

- Vấn đề tiếp theo là ARN hoặc tiền thân ARN đã dịch ra peptid như thế nào ? Người ta tìm hiều = phương pháp dò dần và đề ra giả thuyết mã di truyền gồm 2 hay 3 chữ . Cuối cùng , thấy

o Các mã của các acid amin có tính kị nước nhất đều có chữ U ở giữa

o Các mã của các acid amin ưa nước có chữ A ở giữa

o Các mã có chữ C ở giữa thì mã hóa các acid amin kị nước nhiều hơn là chữ G ở giữa

o Mã di truyền nguyên thủy chắc phải có khả năng phân biệt tính ưa nước và kị nước

o Khi có 1 acid amin có đồng thời nhiều mã, VD 4 mã thì thường các mã ấy đều giống nhau 2 chữ đầu và chỉ khác chữ thứ 3 , từ đó có giả thuyết :mã nguyên thủy có thể gồm 3 chữ nhưng chỉ dùng 2 chữ đầu

- Ngoài tương tác ARN –peptid còn có tương tác các ARN với nhau, ngày nay thấy:

o Tương tác tARN –acid amin nhờ enzym đặc hiệu aminoacyl-tARN synthetase

o Tương tác tARN –rARN qua bộ 4 TψCG của tARN với bộ 4 tương đồng của rARN

o Tương tác mã đối mã giữa tARN và rARN

- Tuy ko khẳng định được 1 hệ thống dịch mã nguyên thủy nhưng qua các mối tương tác ARN-ARN hiện nay đều xảy ra tại risosom-> nghĩ đến 1 ribosom nguyên thủy cấu tạo chủ yếu=ARN

Hiện tượng ARN xúc tác có thể là tác nhân của sự ra đời 1 hệ thống di truyền tế bào

- ARN có thể hoạt động như 1 enzym , hoạt động sơ khai nhất của ARN là hoạt động nuclease

- Từ E.coli đã chiết xuất được ARNase P, là 1 enzym có tác dụng cắt đứt và tỉa bớt 1 ARN tiền thân phiên mã ra từ ADN để cho tARN ^Tyr. Enzym này có 2 phần : phần acid nu gồm 375 nu và phần protein . Phần protein ko có hoạt tính . Khi người ta thêm phần acid nu ko có protein của enzym vào tiền thân của tARN (tyr) ở nồng độ muối cao thì sự cắt tỉa được thực hiện tạo tARN(tyr) thuần thục .Từ đó suy ra phần ARN của ADN là có hoạt tính enzym . Trong tế bào ARN xúc tác đã liên kết với 1 protein , có thể protein giúp che các phần điện tích của ARN để ARN xúc tác áp sát đúng vị trí cần thiết trên ARN cơ chất

- Ngày nay đã chiết suất được 1 số enzym giống ARNase ở trên từ vi khuẩn , nấm men , cả tế bào người . Tất cả đều có chuỗi ARN 350 nu . Gọi tên chúng là “ribozym”

Sự hiệu chỉnh ARN sau phiên mã cung cấp 1 dấu vết của phản ứng tiền tế bào

- Hiệu chỉnh ARN là thay đổi 1 số nu sau phiên mã : hiện tượng này có thể có vai trò quan trọng trong thời điểm tiền sinh học

- Hiện tượng này đã được làm sáng tỏ ở ti thể của 3 ĐV nguyên sinh có roi . Khi lấy gen (ARN ) của 1 số enzym của 3 loài trên cho phiên mã ngược thu cADN và so sánh với ADN gốc thì thấy có chỗ đúng như bản gốc ADN , có chỗ không đúng mà chỉ tương ứng với ARN khuôn.

- Như vậy từ ADN ty thể phiên mã diễn ra bình thường , sau đó m ARN vừa sao ra hiệu chỉnh lại (cắt bỏ hoặc xen vào 1 số đơn phân uridylat ). Sự hiệu chỉnh này làm mARN đang ko dịch mã trở thành dịch mã được . VD: nhiều mARN ko có bộ 2 AUG mở đầu , khi hiệu chỉnh được thêm 1 U vào giữa AG , sự dịch mã được tiến hành

- Từ đó người ta nghĩ là 1 con đường tương tự hiệu chỉnh đã là cơ chế khiến cho 1 ARN thuở sơ khai từ ko dịch mã trở nên dịch mã , tức là từ ARN ko sống thành ARN sống

Từ ARN ra ADN

- Tế bào với khả năng phân bào nguyên nhiễm hiện nay phải có 1 bộ gen ổn định . ADN bền vững hơn ARN nhiều , nên nó là nơi chứa thông tin di truyền tốt nhất

- Enzym phiên mã ngược , phát hiện đầu tiên ở virus gây ung thư và nay đã được phát hiện phổ biến trong tự nhiên , giúp chuyển vào ADN lượng thông tin chứa trong ARN .

- Khi biết rằng enzym phiên mã ngược có và hoạt động khắp nơi,kể cả các SV nguyên thủy thì rất có khả năng là sự chuyển ARN ->ADN cần đến hoạt động enzym theo kiểu phiên mã ngược

Sự khác biệt hóa học giữa ADN v ARN quyết định những tính chất,chức năng riêng

- ADN bền hơn . Các ribonucleotid của ARN có thể bị biến đổi trong quá trình sinh trưởng tế bào, các enzym có khả năng giáng cấp ARN 1 cách chọn lọc

- Hydroxyl 2’ của ribose làm cho ARN kém bền vững hơn về mặt hóa học , điều này làm cho nó trở thành 1 vị trí nhận biết của các enzym giáng cấp ARN ,như thế 1 hàm lượng về hydroxyl (pH cao ) sẽ tạo đk cho sự đứt gãy ARN . Trái lại , ADN ko có hydroxyl2’ nên ko bị thủy phân

- VD khác: sự chuyển hoán hóa học các đơn phân C(cytosin) của ADN hay ARN thành U(uracyl) thực hiện bằng sự mất đi nhóm amin . Sự khử amin này làm thay đổi trình tự chuỗi của phân tử . Mỗi đơn phân U hình thành trong ADN do C bị khử amin có thể coi như 1 sai lầm gây bởi các enzym của tế bào , bình thường ko thấy U trong ADN mà chỉ có thymin . Có những enzym có khả năng cắt bỏ U , thay C vào U ở trên ADN

- Vậy , sự có mặt T(thymin) thay cho U và đường deoxyribose thay ribose trong ADN đảm bảo tính bền vững của ADN

- ARN giống như ADN ở chỗ có thể chứa thông tin di truyền . Nhưng thông tin di truyền cần có tính bảo thủ , mà ARN về bản chất hóa học lại dễ bị biến đổi , lại quá linh hoạt đảm nhận nhiều chức năng.SV cần có cấu trúc chứa TTDT ổn định , hằng định để thích nghi bảo tồn loài . Đây là điều giải thích tại sao SV chuyển TTDT từ ARN vào ADN qua phiên mã ngược.