Luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử được đề xướng bởi Francis Crick vào năm 1958 và được nhắc lại trong bài báo của Nature ấn hành vào năm 1970. Định nghĩa chính xác là: Luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử quan tâm đến việc vận chuyển từng phần một cách chi tiết của thông tin trình tự. Nó khẳng định rằng những thông tin đó không thể được vận chuyển từ protein đến protein hay nucleic acid khác. Hay nói một cách khác, 'một khi thông tin đã vào protein, nó sẽ không đi ngược trở lại nucleic acid.' Luận thuyết trung tâm thường bị hiểu không đúng. Nó thường bị nhầm lẫn với đường đi chuẩn của dòng thông tin từ "DNA đến RNA đến protein". Có một số ngoại lệ được biết đến so với đường đi chuẩn của dòng thông tin và những cái này được xem là ngoại lệ của luận thuyết trung tâm. Đường đi của dòng thông tin chuẩn có thể được tóm tắt một cách vắn tắt và đơn giản hóa là "DNA tạo ra RNA tạo ra proteins, để rồi nó lại tiếp tục hỗ trợ cho cho hai bước trước cũng như cho quá trình nhân đôi của DNA", hay đơn giản là "DNA → RNA → protein". Quá trình này vì thế được tách làm 3 giai đoạn: phiên mã, dịch mã, và tái tạo. Nhờ có các tri thức mới về quá trình xử lí RNA, một bước thứ tư (nằm ở giữa bước 1 và 2 cũ, nhằm chuyển từ pre-mRNA trở thành mRNA hoàn chỉnh bằng cách loại bỏ các intron không có giá trị về di truyền, được phát hiện: cắt xén (splicing).  Mũi tên cho biết dòng thông tin. Mũi tên đặc biểu diễn dòng thống tin "xảy ra", trong khi mũi tên chấm biểu diễn dòng thông tin "có khả năng". Chú ý là dòng thông tin từ proteins đến RNA hay DNA được xem là không thể (xảy ra.)
Tái tạo là đề cập đến quá trình nhân đôi ADN. Từ một phân tử ADN xoắn kép nhân thành 2 phân tử mới, diễn ra trong quá trình nhân đôi của tế bào (somatic cell).
Phiên mã là quá trình mà tại đó thông tin di truyền chứa trong đoạn DNA được chuyển sang cho RNA thông tin (pre-mRNA) mới được tổng hợp. Tuy nhiên, chuỗi DNA có chứa cả intron và exon, trong đó chỉ có exon có vai trò chứa thông tin mã hóa cho protein. Nên phân tử RNA tạo ra được gọi là pre-mRNA. Nó cần phải được loại bỏ các intron không cần thiết. Quá trình này gọi là cắt xén.
Xem thêm cắt xén Trong tế bào eukaryote hay các tế bào đa nhân khác, sản phẩm của phiên mã (pre-mRNA) cần được tinh giản. Cụ thể là các (intron) bị loại bỏ. Bên cạnh việc loại bỏ các intron, cơ chế cắt xén này cho phép tạo ra các phân tử mRNA hoàn thiện khác nhau, vì trong phân tử RNA có nhiều exon và việc xuất hiện nhiều exon cho phép biểu hiện thành nhiều protein liên quan nhau, tạo ra sự đa dạng về số lượng protein tạo thành. Ví dụ là protein fibronecitin. Tuy nhiên, không phải mọi tế bào sống đều có quá trình cắt xén; việc cắt xén không có trong prokaryote. Điều này cũng dễ hiểu vì chiều dài của mRNA hoặc DNA trong vi khuẩn rất ngắn, nên việc loại bỏ sự tồn tại của các intron là cần thiết. Nó giúp làm tăng số lượng gene có thể mã hóa lên.
Cuối cùng, mRNA trưởng thành sẽ đi ra ngoài nhân và tìm đường đến ribosome, tại đó nó sẽ được dịch mã. Trong các tế bào prokaryotic, nơi không có màng ngăn nhân, ngay khi đầu 5' cap của mRNA ló ra ngoài vị trí tổng hợp của RNA polymerase thì ribosome sẽ tiếp cận và bắt đầu quá trình dịch mã. Vì thế trong vi khuẩn, quá trình phiên mã và dịch mã là đồng thời. Trong các tế bào eukaryotic, do có màng nhân ngăn cách, việc phiên mã (trong nhân) diễn ra tách biệt với việc dịch mã (trong tế bào chất). Vì thế mRNA phải được vận chuyển ra ngoài nhân tới tế bào chất, đến ER thô (rough endoplasmic reticulum), nơi mà phân tử RNA có thể kết hợp với ribosome. Tại đó, mRNA được đọc bởi ribosome dưới dạng mã bộ ba (thuật ngữ tiếng Anh là codon). Và bộ ba mở đầu (start codon) đánh dấu bắt đầu một gene là AUG. Các bộ ba kết thúc (stop codon) đánh dấu kết thúc một gene là UAG, UGA, UAA.
Người ta đã phát hiện ra sự tồn tại của quá trình phiên mã ngược, tại đó thông tin di truyền được truyền từ RNA trở lại DNA. Các phát hiện được tìm thấy trên retrovirus, cụ thể là HIV, và ở một số eukaryote, trong quá trình tổng lợp telomere và retrotransposon.
Nhân đôi từ một RNA thành một RNA mới. Rất nhiều viruses làm theo cách này khi mà cơ sở di truyền là RNA chứ không phải DNA.
Điều này đã có thể thực hiện được trong môi trường ống nghiệm, dùng các chiết xuất từ E.Coli có chứa ribosomes, nhưng không phải trong môi trường tế bào. Các phân mảnh của tế bào này có thể biểu hiện ra thành một protein từ một DNA template ngoại lai, và neomycin là chất kháng sinh được xem là hỗ trợ quá trình này.
Prion là loại protein có khả năng làm thay đổi cấu trúc 3D của các phân tử protein cùng loại. Điều này làm thay đổi chức năng của protein. Trong nấm, nó có thể truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác, tức là có sự truyền tải di truyền từ protein → protein. Mặc dù đây cũng là một biểu hiện của sự truyền tải thông tin, nhưng nó không được xem là một ngoại lệ của luận thuyết trung tâm vì cấu trúc chuỗi trong protein vẫn được giữ nguyên. Nhưng nếu xem DNA là trung tâm của luận thuyết thì đây lại được xem là 1 ngoại lệ vì trong luận thuyết trung tâm, protein chỉ có thể được tổng hợp, không thể được nhân từ một protein khác.
Một số nhà nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học hệ thống cho rằng các nhà khoa học thường sai lầm khi dùng luận thuyết trung tâm (central dogma) là mục tiêu nghiên cứu. Họ cho rằng việc đọc luận thuyết trung tâm mà thiếu óc nhận xét có thể làm cản trở sự hiểu biết vè sự phát triển của cơ thể đa bào cũng như bệnh tật trong cơ thể đa bào; và rằng luận thuyết trung tâm thường được dùng làm mục tiêu nghiên cứu từ thấp lên, cố gắng giải thích các hiện tượng sinh học ở mức tế bào.
Trang web này phụ thuộc vào doanh thu từ số lần hiển thị quảng cáo để tồn tại. Vui lòng tắt trình chặn quảng cáo của bạn hoặc tạm dừng tính năng chặn quảng cáo cho trang web này.
Các môn khoa học có mối liên quan chặt chẽ với SHPT Thực tế thì các phương pháp nghiên cứu trong sinh học phân tử được phát triển dựa trên nền tảng kiến thức của di truyền học và sinh hóa học. Sinh hóa học (hay hóa học của các quá trình sinh học) bao gồm sinh hóa học tĩnh (nghiên cứu cấu trúc, chức năng các thành phần hóa học) và sinh hóa học động (nghiên cứu quá trình hóa học diễn ra trong cơ thể sống). Nghiên cứu về quá trình tổng hợp các phân tử sinh học là một ví dụ của sinh hóa học. Có thể nói rằng không còn ranh giới rõ nét giữa sinh hóa học và sinh học phân tử.Từ những nghiên cứu đặt nền móng về nhiễm sắc thể, DNA, RNA, kiểu gene, đột biến, kiểu hình, v.v. đến nay di truyền học đã có thể tìm hiểu ảnh hưởng của sự thiếu hụt một thành phần cấu tạo trong bộ máy di truyền một cách thuận lợi hơn với sự hỗ trợ của các phương pháp can thiệp ở mức phân tử như phương pháp gây bất hoạt gene. Sinh học phân tử nghiên cứu các quá trình tự sao của DNA, tổng hợp RNA, tổng hợp protein. Hiểu một cách đơn giản, ta lại quay về với học thuyết trung tâm ở đó thông tin di truyền được chuyển qua các RNA để đến với các phân tử protein. Việc xác định vai trò của RNA là một trong những vấn đề quan trọng của sinh học phân tử. Những lĩnh vực khác trong sinh học (như sinh học tế bào, sinh học tiến hóa) cũng là nơi hiện diện của sinh học phân tử. Với sự trợ giúp của tin học, sinh học phân tử có thêm một công cụ mạnh mẽ. Nhiều vấn đề của sinh học được giải quyết hay ít nhất là định được hướng giải quyết thông qua các kiến thức tin học. Hiện nay giữa tin hoc và sinh học (đặc biệt là sinh học phân tử) đã hình thành khối kiến thức kết hợp. Thật khó có thể nói rằng các môn khoa học mới như sinh học tính toán, tin sinh học ra đời để giúp sinh học phần tử tìm kiếm lời giải cho các bài toán sinh học hay những nghiên cứu áp dụng những kiến thức từ hai lĩnh đã dẫn đến sự ra đời của các môn khoa học trên. Nếu cho rằng cả tin học và sinh học phân tử đều được sử dụng như những công cụ cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau thì sự kết hợp và hỗ trợ nhau của hai thứ công cụ này có khả năng đem lại cho con người nhiều điều mới mẻ hơn!
Những phương pháp thường được áp dụng trong SHPT Từ những năm giữa thê kỷ 19, các nhà nghiên cứu sinh học phân tử đã tìm cách tách các phân tử DNA, RNA cũng như protein và khuyếch đại (nhân dòng) những phân tử này.
PCR (polymerase chain reaction) Trong các tài liệu tiếng Việt có nhiều cách dịch khác nhau như phản ứng khuyếch đại gene, phản ứng chuỗi trùng hợp v.v. Về bản chất, phản ứng này được thực hiện nhằm mục đích tạo nhiều bản sao từ một phân tử DNA khi có mặt của DNA-polymersase với quá trình biến nhiệt theo chu kỳ.Trong cơ thể sinh vật, các phân tử DNA được nhân lên (quá trình tự sao) với sự có mặt của DNA- polymerase, các thành phần tạo chuỗi DNA (các bazơ nitơ). Để quá trình tự sao này diễn ra nhân tạo, ngoài DNA-polymerase và các bazơ nitơ, cần cung cấp các oligopeptide xác đinh điểm khởi đầu và điểm kết thúc của đoạn DNA cần tạo dòng (các primer, ta quen gọi là các đoạn mồi), dung dịch đệm (buffer) và đặc biệt là chu trình nhiệt (thermocycle). Sự biến đổi về nhiệt độ theo chu trình sẽ làm cho DNA biến tính (làm hai mạch DNA phân ly), bắt cặp của các bazơ nitơ của primer với các bazơ nitơ bổ sung trên mạch DNA và kéo dài mạch mới... Trình tự của primer và chu trình nhiệt được xác đinh phù hợp cho mỗi đoạn DNA cần nhân dòng. Xem chi tiết về kỹ thuật PCR căn bản của Cao Xuân Hiếu và bài viết trên wiki tiếng Việt [1]. Dựa trên nguyên tắc của PCR căn bản sử dụng các thermocycler (chúng ta hay gọi là các máy PCR) thông thường, các phương pháp PCR định lượng (quantitative PCR với các máy như Prism sequence detector, iCycler, Light Cycler) giúp xác định biểu hiện gene (gene expession ở mức RNA)...Là kỹ thuật dùng để tách các phân tử protein hay các đoạn DNA, RNA dựa trên sự khác nhau về khối lượng và điện tích của chúng. Vì mỗi phân tử protein hay nucleic acid đều mang điện tích nhất định nên nếu đặt chúng trong một điện trường chúng sẽ di chuyển. Các phân tử có kích thước lớn sẽ di chuyển chậm, các phân tử có kích thước nhỏ sẽ di chuyển nhanh hơn. Quá trình điện di có thể được thực hiện trên giấy điện di hay gel (điện di trên gel, thường là agarose gel). Nhờ có chất nhuộm thích hợp mà có thể biết được vị trí của các phân tử trên giấy hoặc trên gel. Nếu có mẫu chuẩn với các phân tử đã biết trước kích thước ta có thể kiểm tra được kích thước của nucleic acid đã được tách trên gel. [2] Trong kỹ thuật này, các đoạn DNA đã tách trên gel được "thấm" lên nitrocellulo filter để "lai" với các mẫu nucleic acid đã được đánh dấu. Từ kết quả "lai" có thể xác định và phân lập được doạn DNA mong muốn. Tương tự như Southern Blotting, kỹ thuật cho phép lai các đoạn RNA đã được tách trên gel với các mẫu đã được đánh dấu trong môi trường thích hợp để xác định các RNA mong muốn. Sau khi các protein đã được tách trên gel, chúng được xác định bằng các kháng thể đã được biết trước. Immunohistochemistry (hóa miễn dịch tổ chức) để xác định protein với sự có mặt của kháng thể. DNA microarray (gene chip, genome chip, DNA chip): Nguyên tắc chung của các phương pháp này cũng vẫn dựa trên phép "lai" DNA-DNA hay DNA-RNA giữa các mẫu DNA đã được đánh dấu gắn trên bề mặt cứng qua các liên kết hoá học. Phương pháp này cho kết quả định tính (sự biểu hiện của gene) hay định lượng (mức độ biểu hiện) và có thể thực hiện một lần với hàng ngàn gene. Đây là phương pháp tương đối mới, giá thành cao và thường được dùng cho các phòng thí nghiệm hay các dự án "có tiền". Tuy nhiên, kết quả cả nó có khi tạo thành một "ma trận" mà để giải nó lại tiếp tục phải sử dụng các phương pháp khác cùng nhiều thời gian và tất nhiên là cả tiền bạc! Tóm lại, tất cả các phương pháp này đều nhằm xác định các thành phần (các giai đoạn) truyền thông tin di truyền hay gọi nôm na là "các yếu tố" trong học thuyết trung tâm. Thật là không có gì mới?... |
