Giáo trình Vi sinh vật học part 8 doc

Đa số các tác giả cho rằng hiệu quả của việc sử dụng azotobacterin chỉ tương đối với các đất giàu chất hữu cơ hoặc trong trường hợp được bón thêm nhiều phân khoáng.. Azotobacterin chỉ có

chroococcum và A beijerinck khoảng 5,5; đối với A marocytoges là

khoảng 4,6

Phần lớn Azotobacter chỉ phát triển ở pH lớn hơn 6, vì vậy ít gặp

chúng ở đất chua Cũng có thể phân lập được một số chủng từ đất chua nhưng các chủng này thường đã mất khả năng cố định N phân tử

e Phân đạm

Trong đất Azotobacter có khả năng đồng hoá các chất dinh dưỡng

từ môi trường Nguồn N đối với Azotobacter không phải chỉ là N phân tử

mà còn là muối amon, nitrat, amino acid Tuỳ thuộc vào nồng độ của các hợp chất chứa N có trong môi trường mà quá trình cố định N sẽ bị ức chế nhiều hay ít

g Phân lân

Phốt pho rất cần cho quá trình cố định N của Azotobacter chỉ bắt

đầu xảy ra khi nồng độ PO43- đạt đến 4 mg trong 100 ml môi trường Ngược lại khi nồng độ PO43- đạt tới 800 mg trong 100 ml quá trình cố định

N sẽ bắt đầu ngừng lại Sự mẩn cảm mạnh mẽ của Azotobacter với phốt

pho cho phép người ta sử dụng chúng như loại vi khuẩn chỉ thị để xác định nhu cầu về phospho của đất

h Phân kali

Sự phát triển của Azotobacter rất cần đến kali, nhưng với lượng

nhỏ Nếu đưa vào môi trường một lượng muối kali quá dư thừa chúng sẽ

làm ức chế sự phát triển của Azotobacter, có thể tác hại này là do gốc

anion của muối này gây ra

i Canxi

Canxi ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của Azotobacter Khi thiếu canxi tế bào Azotobacter sẽ tạo thành nhiều không bào ảnh hưởng xấu đối

với việc tổng hợp ATP và sự tạo thành các polyphotphat

Những điều tra ở Việt Nam cho thấy trong đất có lượng chứa CaO

cao hơn 0,4% luôn có mặt một số lượng lớn các tế bào Azotobacter Hầu

như không phát triển trong mẫu đất có có lượng chứa CaO dưới 0,25% (Nguyễn Lân Dũng 1965)

Riêng đối với A.chroococcum nồng độ CaCl2 ,thích hợp nhất là 0,01% ,nếu cao hơn sẽ ảnh hưởng không tốt đối với hoạt động cố định N

của chúng Có tác giả đã dùng A chroococum như là loài vi khuẩn chỉ thị

để xác định nhu cầu về vôi của đất, nguyên tố Mg được Azotobacter đòi

hỏi với số lượng cao hơn sắt khoảng 10 lần

Cùng với nguyên tố đại lượng, các nguyên tố vi lượng cũng cần

thiết đối với Azotobacter, đáng chú ý hơn cả là molybden, bo(Bo),

mangan(Mn)

k Các nhân tố sinh học

Sự phát triển và cố định N của Azotobacter trong đất còn chịu ảnh

hưởng mật thiết của khu hệ các sinh vật đất Bên cạnh các nhóm vi sinh vật có ảnh hưởng tốt còn có nhiều nhóm có khả năng ức chế sự phát triển

của Azotobacter

Đã có nhiều công trình nghiên cứu đề cập đến mối quan hệ gữa

Azotobacter với cây trồng với số lượng cao hơn nhiều so với ngoài vùng

rễ

Một số chủng A.chroococum có khả năng sinh ra một số chất chống nấm có tác dụng khá rộng (ức chế Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Alternaria …)

1.6 Tình hình nghiên cứu ứng dụng Azotobacter

Trong nhiều năm, ở nhiều nước khác nhau ,người ta đã sản xuất ở

quy mô công nghiệp hoặc thủ công nghiệp những chế phẩm Azotobacter

và gọi là azotobacterin Đó là những dịch nuôi cấy Azotobacter được hấp

thụ vào than bùn hoặc các loại đất giàu chất hữu cơ đã trung hoà và bổ sung thêm một ít phân phospho, kali…

Khác với nitragin, azotobacterin khi dùng để bón cho cây trồng thường đưa đến những hiệu quả không lớn và không ổn định (nếu có làm tăng sản lượng thường cũng không tăng quá 10% so với đối chứng )

Đa số các tác giả cho rằng hiệu quả của việc sử dụng azotobacterin chỉ tương đối với các đất giàu chất hữu cơ hoặc trong trường hợp được bón thêm nhiều phân khoáng Có lẽ tác dụng chủ yếu của chúng không phải ở khía cạnh cố định N mà là ở khía cạnh tổng hợp các chất hoạt động sinh học có tác dụng kích thích sinh trưởng của cây trồng

Ở Việt Nam, việc sản xuất và sử dụng chế phẩm azotobacterin chỉ

đặt ra trong những điều kiện thâm canh có khả năng dồi dào về phân bón,

cần bón vôi và bón phân lân để làm tăng số lượng Azotobacter trong đất

Azotobacterin chỉ có tác dụng tương đối rõ đối với các loại đất

giàu chất hữu cơ hoặc trong trường hợp được bón thêm nhiều chất khóang.Có lẽ tác dụng chủ yếu của chúng không phải ở khía cạnh cố định

N mà là ở khía cạnh tổng hợp các chất hoạt động sinh học có tác dụng kích thích sự sinh trưởng của cây trồng

a Các phương pháp tạo chế phẩm Azotobacter

* Dạng môi trường thạch nghiêng

Chuẩn bị môi trường thạch nghiêng

Thành phần môi trường (g/l):Glucose-20; K2HPO4.3H2O -0,2; MgSO4 7H2O -0,2; NaCl- 0,2; K2SO4 -0,1; CaCO3 -5,0; H20 -1 lít ;Thạch -

20 pH: 6,5-7

Chuẩn bị giống Azotobacter :Các ống giống đã được phân lập và

tuyển chọn từ trước

Tạo chế phẩm: Cấy truyền giống vi khuẩn Azotobacter từ giống

gốc vào những ống nghiệm thạch nghiêng Ủ ấm ở nhiệt độ: 28-30 C trong thời gian 2-6 ngày, loại bỏ những ống bị nhiễm vi sinh vật khác ta

thu được chủng Azotobacter thuần khiết

Chuẩn bị giống vi khuẩn Azotobacter :

Lấy 5-10 ml môi trường dịch thể (Có thành phần như trên không

có thạch) đã khử trùng cho vào mỗi ống nghiệmφ14 5ml

Dùng que cấy gạt nhẹ, đưa dịch vi khuẩn vào bình nón 500ml) đựng 150ml môi trường và nuôi chúng trên máy lắc(220 dao động/phút)

Khi khi dịch nuôi đạt mật độ 109 tế bào/ml thì có thể đem sử dụng

* Dạng bột

Nuôi cấy giống vi khuẩn

Nhân giống

Hâp thụ giống vào chất mang vi khuẩn

Điểm quan trọng cua phương pháp này là lựa chọn chất mang vi khuẩn, chất mang vi khuẩn phải đạt yêu cầu thích hợp vớ sự tồn tại của

Azotobacter trong quá trình bảo quản và độ sống sót trên hạt giống khi

được tẩm vào, chất mang vi khuẩn có thể là than bùn, đất bột giàu chất hữu cơ, có nơi sử dụng cả trấu, bã bia làm chất mang vi khuẩn

Ngày nay chất mang vi khuẩn được sử dụng bởi than bùn thích hơp

trong việc sử dụng chế phẩm vi khuẩn nói chung và chế phẩm Azotobacter

nói riêng Ngoài đặc tính của than bùn là không độc, có tính hấp thụ cao, giữ nước tốt , nó còn là nguyên liệu rẻ tiền sẳn có ở nhiều nơi

1.2 Clostridium pasteurianum và một số VSV cố định N khác

C.pasteurianum là trực khuẩn kị khí bắt buộc, có bào tử, bào tử nằm

ở giữa làm tế bào phình lên như hình thoi

C pasteurianum là một loại vi khuẩn butyric, chúng có thể sử dụng

các hydratcarbon thông thường và làm lên men suinh ra acid butyric, acetic, CO2 và H2 Chúng có thể sử dụng hợp chất N vô cơ và hữu cơ làm nguồn thức ăn N, khi những hợp chất này đầy đủ thì tác dụng cố định N của chúng hạ thấp hoặc hoàn toàn không có

Tác dụng cố định N của C pasteurianum thấp hơn Azotobacter Cứ

mỗi khi tiêu thụ 1g hydratcarbon thì chúng cố định được 2-3 mg N Tuy

nhiên C.Pasteurianum rất nhiều và phân bố rộng rãi hơn Azotobacter nên

nguồn N mà chúng cố định cho đất là rất quan trọng Chúng lại phát triển được ở ruộng ngập nước, yêu cầu pH không gắt gao nên thích hợp cho các loại ruộng của ta

Ngoài hai loài trên, trong các VSV cố định N còn có một số vi

khuẩn thuộc chi Clostridium, Bacillus và Azotomonas Tuy nhiên, vì những loài này phân bố không nhiều và hiệu lực cố định N cũng thấp nên tác dụng thực tế không lớn lắm

2 Vi khuẩn cố định N cộng sinh

Phần lớn các cây thuộc họ đậu không cần thức ăn hợp chất, chúng có thể sử dụng được N không khí Nhưng khả năng này không phải bản thân cây họ đậu có mà do những vi khuẩn nốt rễ cộng sinh với cây họ đậu mang lại

là trực khuẩn nhỏ bé, không có bào tử, di động nhờ tiên mao Trong quá trình phát triển, chúng sẽ chuyển thành hình cầu và những dạng phân nhánh hình chữ Y, chữ V gọi là giả khuẩn thể (Bacteroids)

Năm 1963, Manil đã chia các vi khuẩn nốt sần thành 3 nhóm:

-Rhizobium leguminosa (đậu Hà Lan), R trifolii (cỏ ba lá), R phaseoli (đậu cô ve, đậu xanh)

-Rhizobium lupini (mục túc, linh lăng), gộp nhóm 1 và 2 thành Rhizobium mọc nhanh

- Rhizobium lupini (đậu đũa, lupin), R Japonicum (đậu nành) với nhiều loài phụ Nhóm này hiện nay được định loại là Bradyrhizobium

(gồm tất cả các chủng mọc chậm

Hiện nay, người ta xếp vi khuẩn nốt rễ vào một chi chung là

Rhizobium.Chúng có thể sử dụng nhiều hydratcarbon khác nhau làm

nguồn C Khi sống riêng lẻ trong đất hoặc trong môi trường nuôi cấy chúng không có khả năng cố định N

Về hô hấp, chúng là loại vi hiếu khí Rhizobium có nhiều loài và có

tính chất chuyên tính, nghĩa là mỗi loài chỉ có thể xâm nhập và tạo thành nốt rễ trong một số cây họ đậu nhất định

Vi khuẩn nốt rễ khi gặp cây họ đậu thích hợp sẽ xâm nhập vào tế bào rễ, kích thích rễ tạo thành những nốt rễ Nốt rễ thường thường bằng hạt gạo, nốt rễ to bằng hạt đậu nhỏ, trong nốt rễ chứa đầy vi khuẩn Sau khi hình thành nốt rễ giữa vi khuẩn và cây họ đậu làm thành một thể cộng sinh có lợi cho cả hai bên

Ngoài các cây họ đậu, một số rễ cây khác cũng có thể cộng sinh với

vi khuẩn cố định N Gần đây người ta còn thấy nốt sần ở lá một vài loài cây nhiệt đới Trong nốt sần đó cũng chứa vi khuẩn cố định N gần giống ở

rễ

2.2.Phân bón nốt rễ (nitragin)

Phân bón vi sinh do Noble Hiltner sản xuất đầu tiên tại Đức năm

1896 và được đặt tên là nitragin: Sau đó phát triển sản xuất tại một số nước khác như ở Mỹ (1896), Canada (1905), Nga (1907), Anh (1910) và Thụy Điển (1914)

Nitragin là loại phân được chế tạo bởi vi khuẩn Rhizobium do

Beijerink phân lập năm 1888 và được Fred đặt tên vào năm 1889 dùng để bón cho các loại cây thích hợp của họ đậu Từ đó cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm ứng dụng và mở rộng việc sản xuất các loại phân bón vi sinh cố định nitơ mà thành phần còn được phối hợp thêm một

số vi sinh vật có ích khác như một số xạ khuẩn cố định nitơ sống tự do

Frankia spp, Azotobacter spp, các vi khuẩn cố định N sống tự do Clostridium pasteurianum, Beijerinkia indica, các xạ khuẩn có khả năng

giải cellulose, hoặc một số chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các

nguồn dự trữ phospho và kali ở dạng khó hoà tan với số lượng lớn có trong đất mùn, than bùn, trong các quặng apatit, phosphorid v.v chuyển chúng thành dạng dễ hoà tan, cây trồng có thể hấp thụ được

Trong các loại vi sinh vật kể trên, vi khuẩn nốt rễ có ý nghĩa hết sức

to lớn trong nông nghiệp Cường độ cố định N cộng sinh lớn hơn nhiều so với cường độ cố định N không cộng sinh Sau khi trồng các cây họ đậu đất giàu thêm N rất nhiều Chính vì vậy, từ đầu thế kỷ XX người ta nghiên cứu sử dụng phân bón nốt rễ với mục đích là để tiếp giống nhân tạo, làm cho đất không chứa vi khuẩn nốt rễ thích ứng sẽ có vi khuẩn thích ứng, làm cho cây họ đậu không sinh nốt rễ sẽ có thể sinh nốt rễ và những cây

có thể sinh nốt rễ thì càng sinh nhiều hơn, cố định N càng mạnh mẽ hơn Cách sử dụng phân bón vi khuẩn nốt rễ là đem trộn phân với hạt giống, rồi để khô, sau đó đem gieo Cũng có thể dùng nốt rễ tốt, nghiền nát

để trộn với hạt giống Khi sử dụng có thể tăng sản lượng cây họ đậu lên 15- 20%

Ngoài hai nhóm vi khuẩn cố định N sống cộng sinh với thực vật và sống tự do trong đất như đã nói ở trên, còn một số vi khuẩn có khả năng

cố định N sống trên bề mặt rễ và ăn sâu vào vào lớp tổ chức bề mặt rễ của một số cây hòa thảo như lúa, ngô, mía, Đó là một loài vi khuẩn có dạng

xoắn được phát hiện từ năm 1974 thuộc chi Azospirillum

Ngoài các nhóm vi khuẩn cố định N nói trên ra, còn có một số loài

vi tảo đơn bào cũng có khả năng cố định N Ví dụ như vi khuẩn lam sống

tự do và sống cộng sinh trong bèo hoa dâu Các loài này cũng đóng góp không nhỏ vào quá trình cố định N không khí

Câu hỏi ôn tập chương 9

1.Hãy nêu tổng quát chu trình chuyển hóa N trong thiên nhiên và vai trò của vi sinh vật trong chu trình đó ?

2.Các nhóm vi sinh vật cố định N ? ý nghĩa thực tế của việc nghiên cứu vi sinh vật cố định đạm

3.Nêu một số thành tựu hiện nay về nghiên cứu vi sinh vật cố định đạm

4 Naza là gì ? Cơ chế hiện biết của quá trình cố định N phân tử

5.Các loại phân bón vi sinh vật ? cơ sở khoa học của việc sản xuất và sử dụng các loại phân bón vi sinh vật?

6 Trình bày các bước chủ yếu điều chế Azotobacterin và Nitragin Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam có thể sản xuất 2 chế phẩm này được không ? Tại sao ?

Chương 10

Di truyền học vi sinh vật

Di truyền là đặc tính chung của mọi sinh vật giữ lại những và

truyền cho con cháu những đặc điểm về cấu tạo và phát triển của tổ tiên, hay nói cách khác, là hiện tượng các cá thể trong một gia đình có những thuộc tính cấu tạo và phát triển giống tổ tiên, với cha mẹ hoặc giữa con cái với nhau

Biến dị là đặc tính chung của mọi sinh vật có thể mang những sự

khác biệt về nhiều chi tiết tính trạng so với bố mẹ của chúng và với các cá thể khác cùng loài

Đối tượng nghiên cứu của di truyền học không chỉ là hiện tượng di truyền mà cả hiện tượng biến dị Tính biến dị có vẻ như độc lập với tính

di truyền nhưng thực ra sự khác biệt giữa các cá thể trong một loài trong nhiều trường hợp liên quan đến sự biến đổi hoặc trong trường hợp khác đến sự phản ứng của vật chất di truyền của sinh vật

Ở vi sinh vật biến dị thể hiện ở mức độ lớn hơn ở vi sinh vật bậc cao nhờ số cá thể trong một quần thể lớn, đơn allele, sinh sản đồng loạt, giai đoạn sinh dưỡng ngắn, tần số đột biến và tái tổ hợp cao và có khả năng trao đổi di truyền ngoài loài Dù cơ chế xuất hiện khác nhau nhưng ở phần lớn các trường hợp biến dị đều tạo ra những dòng hay tập đoàn có sự thích ứng tốt nhất với điều kiện ngoại cảnh vốn luôn biến động

I Cơ sở vật chất di truyền ở vi sinh vật

1 Vật chất di truyền ở vi khuẩn

Acid nucleic là cơ sở vật chất di truyền của tất cả các dạng sinh

vật Ở tất cả các sinh vật nhân sơ (prokaryote, còn gọi là sinh vật nhân sơ

sơ, bao gồm các vi khuẩn) hay nhân chuẩn (eukaryote, còn gọi là sinh vật nhân chuẩn, bao gồm nấm, tức chân khuẩn, nguyên sinh động vật, tảo, thực vật và động vật bậc cao), trừ virus và các yếu tố sinh học đơn giản hơn như viroid và prion, tính trạng được mã hóa và tồn trữ dưới dạng mã hóa là trình tự thẳng của các nucleotide trong thành phần acid deoxyribonucleic (DNA) Vật chất di truyền này được thể hiện thành tính trạng của cá thể thông qua quá trình tổng hợp từ khuôn DNA thành phân

tử RNA thông tin (quá trình phiên mã) và sau đó RNA thông tin này lại làm khuôn để tổng hợp protein (cấu trúc, enzyme, thụ thể, kích thích, kìm hãm, ) trong quá trình gọi là dịch mã (transcription) dẫn đến biểu hiện tính trạng Vật chất di truyền được truyền từ thế hệ tế bào này sang thế hệ

tế bào khác (và từ thế hệ này sang thế hệ khác) nhờ quá trình tự sao

(replication) của phân tử DNA Quy tắc này được gọi là quy tắc trung tâm biểu hiện di truyền

Ở vi khuẩn DNA có thể gặp ở hai dạng: DNA nhiễm sắc thể và

DNA plasmid Nhân (thể nhân) vi khuẩn là một nhiễm sắc thể vi khuẩn cấu tạo từ một phân tử DNA duy nhất xoắn kép (gồm hai mạch xoắn), khép kín (không có đầu tự do), phân bố trong tế bào chất Mỗi tế bào vi khuẩn chỉ có một nhân (thể nhân) duy nhất, mặc dù trước khi phân bào số lượng nhân (nhiễm sắc thể) thường thấy là 2, 4 hoặc nhiều hơn do quá trình phân bào diễn ra chậm hơn quá trình phân nhân Vì vậy, thông thường nhiễm sắc thể được mô hình hóa trong tế bào vi khuẩn dưới dạng một vòng tròn

Hình 10.1: Mô hình cấu trúc một đoạn phân tử DNA: một dẫn xuất purine

liên kết qua cầu nối hyđrô với một dẫn xuất pyrimidine nên khoảng cách giữa hai sườn đường ribose - Acid phosphoric của hai chuỗi là không đổi, guanine luôn kết hợp với cytosine, adenine kết hợp với thymine của chuỗi song đối nên trình tự hai chuỗi không bao giờ giống nhau nhưng trình tự một chuỗi quy định trình tự của chuỗi kia, hơn nữa các sườn có nhiều nhóm ái thủy nên DNA tan tốt

trong nước

Hai mạch xoắn của phân tử DNA thực chất là hai chuỗi polymer

và có mối quan hệ chặt chẽ với nhau về thành phần hóa học cũng như trình tự sắp xếp của các monomer được gọi là một nucleotide Mỗi chuỗi polymer được cấu tạo từ bốn loại monomer có cấu trúc tổng quát gồm ba thành phần: bazơ nitơ dị vòng (dẫn xuất purine hoặc pyrimidine), đường deoxyribose (C5) và Acid phosphoric Ở DNA, có bốn loại nucleotide: adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C) (hay xitôzin) Các nucleotide khác nhau bởi gốc bazơ khác nhau Chuỗi polymer của mỗi mạch (sợi) DNA được hình thành nhờ liên kết phosphoester giữa Acid phosphoric và đường deoxyribose tạo nên bộ "sườn" của phân tử ((-P-C5-)n) Còn các gốc bazơ nitơ gắn vào nguyên tử C 1' của phân tử đường deoxyribose Phân tử Acid phosphoric trong một nucleotide gắn vào vị trí

C 5' của phân tử đường deoxyribose, trong khi đó nguyên tử C 3' gắn với Acid phosphoric của nucleotide kế tiếp Do trình tự hoạt động của các enzyme tổng hợp DNA từ đầu C 5' đến đầu C 3' của mỗi mạch DNA nên người ta quy ước mô tả mạch theo hướng C 5'→C 3' Ví dụ, nếu không có chú giải khác thì mạch ATT CGC GCA TCA GCT cũng có nghĩa là 5'-ATT CGC GCA TCA GCT-3' hay 5'-ATT CGC GCA TCA GCT Hai chuỗi của một phân tử DNA gắn kết với nhau nhờ các mối liên kết hyđrô giữa các gốc bazơ, một gốc purine được gắn kết với một gốc pyrimidine theo nguyên tắc "tương bù": adenine gắn với thymine bằng hai mối liên kết hyđrô, còn guanine gắn với cytosine bằng ba mối liên kết hyđrô Hai chuỗi như vậy không đối xứng mà chạy ngược hướng (đối nghịch song song, hay song đối) từ 5'→3' hoặc ngược lại Do một gốc purine của một chuỗi liên kết với một gốc pyrimidine của chuỗi kia nên khoảng cách giữa hai sườn (-P-C5-)n của phân tử DNA ở mọi điểm không đổi Và nhờ vậy

mà sườn này hướng ra phía ngoài và xoắn quanh trục tưởng tượng xuyên qua các lớp gốc bazơ nitơ vòng, nên với tính ái thủy của Acid phosphoric

và đường deoxyribose, DNA là chất tan tốt trong nước và khá bền vững trong dung môi này Do số lượng mối liên kết hyđrô giữa guanine (G) và cytosine (C) cao hơn nên DNA có nhiều G+C thường có mức nhiệt biến tính hay "nhiệt nóng chảy" (melting point) cao hơn hay bền vững hơn Hơn nữa, bên cạnh cấu trúc xoắn phải (B-DNA) nêu trên, ở những vùng hàm lượng G+C cao DNA còn có cấu trúc xoắn trái (Z-DNA) là nơi DNA

có sự gấp khúc mạnh và xuất hiện đoạn DNA xoắn chuỗi ba Có thể những Z-DNA đóng vai trò quan trọng trong tái tổ hợp gen cũng như điều hòa hoạt động của gen

Một đoạn DNA mã hóa một RNA (như RNA ribosome, RNA vận chuyển) hay mã hóa một protein (qua RNA thông tin) được gọi là một gen Gen mã hóa phân tử protein được gọi là gen cấu trúc Ở vi khuẩn toàn bộ trình tự nucleotide gen cấu trúc được phiên mã thành RNA thông tin và sau đó dịch toàn bộ thành trình tự Acid amin trong phân tử protein

Mặc dù được cấu tạo bởi hai chuỗi nhưng ở vi khuẩn (cũng như ở sinh vật nhân chuẩn) gen chỉ có một mạch "hiệu lực", tức chỉ một mạch làm khuôn tổng hợp nên RNA thông tin Hiệp hội sinh hóa quốc tế quy ước chuỗi làm khuôn để tổng hợp nên RNA thông tin (hay tổng hợp RNA hoạt động, như RNA ribosome, ) là chuỗi âm Như vậy, chuỗi dương của một gen là chuỗi có trình tự nucleotide tương đương với trình tự nucleotide của RNA thông tin Ngoài ra, do một polypeptide được khởi đầu tổng hợp với Acid amin methionine (mã AUG trên RNA thông tin), kết thúc bởi một trong những "mã dừng" (UAA, UAG và UGA) và chỉ có thể có thuộc tính protein nếu đủ lớn (dài hơn 50 Acid amin), đồng thời, thông tin di truyền được giải đọc từng "khung" bộ ba nucleotide (tức ba nucleotide liền kề nhau mã hóa cho một Acid amin trong sản phẩm protein) nên chỉ

có những đoạn DNA bắt đầu từ bộ ba ATG (theo cả ba cách đọc của mỗi chuỗi DNA) đến một mã dừng (TAA, TAG, TGA) đủ dài (hơn 150 nucleotide) mới có thể là (nhưng không nhất thiết phải là) một gen cấu trúc Đoạn DNA này được gọi là một "khung khả phiên" (hay một "khung đọc mở" - open reading frame)

Ngoài ra, không phải tất cả các đoạn DNA đều mang gen cấu trúc, chức năng của nhiều đoạn còn chưa biết, đồng thời còn có các đoạn DNA đặc biệt tham gia vào điều hòa hoạt động của các gen cấu trúc Nhờ vậy, các tính trạng quy định trong genome chỉ biểu hiện trong điều kiện môi trường nhất định, đồng thời quá trình tổng hợp các cơ chất nguyên liệu cho quá trình tổng hợp các thành phần tế bào cũng diễn ra và đình chỉ một cách hiệu quả và tiết kiệm Ở sinh vật nhân sơ các gen cấu trúc (các cistron) được gắn liền nhau thành tập hợp và cùng chịu sự kiểm soát của các gen điều hòa gồm gen (hay vùng) khởi động (promotor - P), gen (hay vùng) điều hành (operator - O, còn gọi là gen chỉ huy) và gen điều hòa (regulator - R) Gen điều hòa (R) nằm ở vị trí nào đó trong nhiễm sắc thể

xa với các gen cấu trúc và điều khiển việc tổng hợp một protein đặc biệt

có tác động (phong tỏa hoặc giải tỏa) trực tiếp hoặc gián tiếp lên các vùng

P hoặc O Cả tập hợp bao gồm các vùng khởi động, vùng điều hành và các gen cấu trúc tạo thành một đơn vị hoạt động gọi là operon

RNA gồm ba loại khác nhau: RNA ribosome là thành phần chủ

yếu cấu tạo nên ribosome, có chức năng hoạt động như một enzyme tức xúc tác quá trình sinh tổng hợp protein (Những RNA xúc tác phản ứng sinh học thường được gọi là ribozyme) RNA thông tin được sao chép từ chuỗi âm của gen có vai trò sao mã di truyền từ nhiễm sắc thể cho RNA ribosome giải mã thành phân tử protein có mạch polypeptide có thành phần và trình tự Acid amin xác định Tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein còn có nhóm các RNA vận chuyển Đây là những phân tử RNA tương đối ngắn có tác dụng hoạt hóa Acid amin nguyên liệu và vận

chuyển Acid amin này đến RNA thông tin cũng đã được hoạt hóa nhờ gắn

kết với ribosome Trình tự RNA thông tin quyết định trình tự Acid amin

trong thành phần polypeptide, nhưng quá trình nhận biết trình tự Acid

amin mã hóa trong RNA thông tin là nhờ RNA vận chuyển Mỗi Acid

amin được mã hóa bởi một bộ ba nucleotide trên RNA thông tin, và bộ ba

này tương bù với trình tự bộ ba nucleotide nhận biết của RNA vận

chuyển Nhờ mỗi Acid amin có loại RNA vận chuyển riêng nên trình tự

UUU Phe UCU Ser UAU Tyr UGU Cys U

UUC Phe UCC Ser UAC Tyr UGC Cys C

UUA Leu UCA Ser UAA Stop UGA Stop A

U

UUG Leu UCG Ser UAG Stop UGG Trp G

CUU Leu CCU Pro CAU His CGU Arg U

CUC Leu CCC Pro CAC His CGC Arg C

CUA Leu CCA Pro CAA Gln CGA Arg A

C

CUG Leu CCG Pro CAG Gln CGG Arg G

AUU Ile ACU Thr AAU Asn AGU Ser U

AUC Ile ACC Thr AAC Asn AGC Ser C

AUA Ile ACA Thr AAA Lys AGA Arg A

A

AUG Met ACG Thr AAG Lys AGG Arg G

GUU Val GCU Ala GAU Asp GGU Gly U

GUC Val GCC Ala GAC Asp GGC Gly C

GUA Val GCA Ala GAA Glu GGA Gly A

Khác với DNA, các RNA đều cấu tạo chỉ từ một chuỗi nucleotide

Ngoài ra, trong thành phần của các RNA còn có những điểm khác biệt

khác: uracine thay thế thymine, đường deoxyribose được thay thế bởi

ribose trong sườn của mạch polymer cũng như sự có mặt một số bazơ dẫn

xuất khác của purine và pyrimidine Chính vì có thêm một gốc -OH ở vị

trí C 2' (của đường ribose) mà cầu nối phosphoester giữa nguyên tử C 3'

và Acid phosphoric của nucleotide tiếp theo thường yếu hơn so với cầu

nối C 3' với Acid phosphoric trong DNA RNA, vì vậy, cũng kém bền

vững hơn DNA

Tuy cấu tạo từ chỉ một chuỗi nucleotide nhưng cấu trúc không

gian của các loại RNA lại ổn định nên chức năng của chúng cũng ổn định

Tính ổn định của cấu trúc có được nhờ các mối liên kết hyđrô xuất hiện

giữa hai đoạn trình tự tương bù ngược hướng của cùng chuỗi nucleotide

Hai đoạn có trình tự tương bù ngược hướng tạo thành một đoạn xoắn kép,

trong khi đoạn nucleotide nằm giữa chúng hình thành một "thòng lọng" mạch đơn Vì vậy, chẳng hạn, các phân tử RNA vận chuyển có dạng "lá

ba chẽ" với chức năng đặc hiệu

Bên cạnh DNA nhiễm sắc thể ở vi khuẩn còn có thể gặp cơ sở vật

chất di truyền ngoài nhiễm sắc thể gọi là plasmid Về bản chất hóa học,

plasmid cũng là một phân tử DNA xoắn kép, khép kín, nhưng có phân tử lượng thấp hơn nhiều (khoảng 106 - 108 Dalton, hay khoảng 1/100 đến 1/200 lần nhiễm sắc thể vi khuẩn) Một vi khuẩn có thể không mang, hoặc mang một hoặc một số plasmid Plasmid có thể phân bố trong tế bào chất

ở trạng thái tự do và có thể sao chép một cách độc lập với nhiễm sắc thể hoặc nằm trong nhiễm sắc thể (tái tổ hợp), khi đó plasmid được gọi là episome Ở trạng thái tái tổ hợp trong nhiễm sắc thể (hay episome) plasmid thường được sao chép đồng thời với nhiễm sắc thể và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác của vi khuẩn Tuy vậy, trong nhiều trường hợp (như chủng Hfr) plasmid tái tổ hợp lại có thể điều khiển sao chép độc lập, làm cho bản thân plasmid hoặc một đoạn plasmid kèm theo một đoạn DNA nhiễm sắc thể được tổng hợp đồng loạt với tần suất cao

Có loại plasmid có số phiên bản cao (high-copy plasmid), trong khi đó có loại plasmid có số phiên bản thấp (low-copy plasmid)

Hình 10.2: Bản đồ enzyme hạn chế của plasmid pBR322, là một plasmid

được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật DNA tái tổ hợp Plasmid cải biến nhân tạo

này mang hai gen kháng thuốc (tetR đề kháng tetracycline và ampR đề kháng ampicillin) và một loạt vị trí cắt của enzyme hạn chế trong đó mỗi enzyme này chỉ có một vị trí phân cắt, nhờ vậy plasmid vector này áp dụng được với nhiều

DNA khác nhau

Thêm hoặc mất một plasmid thường dẫn đến mất hoặc bớt một hoặc một số tính trạng, mặc dù nhiều plasmid không thể hiện tính trạng (plasmid "câm") Tính trạng mà các plasmid điều khiển đa dạng nhưng nhìn chung plasmid không phải là yếu tố thiết yếu đối với sự sống còn của

vi khuẩn Dựa vào sự tương hợp của các sản phẩm của plasmid mà người

ta chia các plasmid thành một số nhóm: plasmid giới tính, plasmid đề kháng, plasmid điều khiển sinh tổng hợp (nhóm chất nào đó), và thường liên quan đến tính gây bệnh của các vi khuẩn Ví dụ, đã xác định được rằng một số loài (hoặc còn được coi là dạng huyết thanh học) vi khuẩn

Salmonella có được độc tính nhờ mang plasmid

Bảng10.2 : Plasmid độc tính đặc hiệu một số loài (dạng huyết thanh)

Salmonella

Plasmid giới tính còn gọi là yếu tố sinh dục hay yếu tố F (fertility

factor), là plasmid điều khiển sự hình thành các pili giới tính (nhung mao giới tính), sự tiếp hợp và sự vận chuyển thông tin di truyền (gen plasmid hay gen nhiễm sắc thể) một chiều từ tế bào cho sang tế bào nhận Trong trường hợp này tế bào mang plasmid F là tế bào cho thường được gọi là tế bào đực hay tế bào F+, còn tế bào nhận được gọi là tế bào cái hay tế bào F- Yếu tố F có thể nằm ở trạng thái tự do trong tế bào chất hay ở trạng thái liên kết với nhiễm sắc thể hay trạng thái episome Trong trường hợp sau quá trình vận chuyển thông tin di truyền thường diễn ra với tốc độ và tần suất cao nên những chủng vi khuẩn này thường được gọi là chủng Hfr (bắt nguồn từ tiếng Anh: high frequency of recombination)

Yếu tố đề kháng, hay yếu tố kháng thuốc, hay plasmid R

(resistance factor), là plasmid điều khiển sự đề kháng của vi khuẩn đối với các chất kháng sinh và thuốc chống vi khuẩn khác Cơ chế đề kháng này là sự điều khiển việc tổng hợp các enzyme (như penicillinase, ) phân