Giáo trình Sinh học đại cương - Phần 1: Nguồn gốc của sự sống

Chương I:
NGUỒN GỐC CỦA SỰ SỐNG
SỰ PHÁT TRIỂN VÀ TÍNH ĐA DẠNG CỦA SINH VẬT
I. SỰ HÌNH THÀNH TRÁI ĐẤT VÀ KHÍ QUYỂN
 	Thuyết vũ trụ hiện nay được nhiều người công nhận là thuyết đại bùng nổ (Big Bang) . Theo thuyết này một “khối nguyên tử sơ khai khổng lồ” đã nổ và vật chất phát tán thành các đám mây bụi và khí vũ trụ ở nhiệt độ rất cao cách nay 13 tỉ năm. 
Hình 1.1: Thuyết “Big Bang”
Mặt trời và các hành tinh của nó được hình thành từ những đám mây bụi và khí vũ trụ này. Phần lớn vật chất đó cô đặc thành khối rất nóng gọi là mặt trời. Phần còn lại hình thành 
các hành tinh trong đó có trái đất quay quanh mặt trời, cách nay khoảng 4-5 tỉ năm. Khi quả đất cô đặc, các phân tử nặng như Fe, Zn, Ni di chuyển vào tâm, các chất nhẹ tập trung gần bề mặt. Các chất khí như He, H2 hình thành nên khí quyển trái đất đâu tiên. Tuy nhiên, quả đất nhỏ nên trọng lực yếu, các chất khí bay vào vũ trụ để lại quả đất không có khí quyển.
Sức nén của lực hấp dẫn, sự tan rã phóng xạ là nguyên nhân làm trong lòng trái đất nóng chảy hình thành lõi chủ yếu là Fe, Ni. Lõi nóng được bao bọc bởi Manti (Silicat và Mg) lỏng và nguội hơn. Lớp ngoài cùng hay vỏ trái đất rắn lại tạo thành lục địa và đại dương. 
Lithosphere: Thạch quyển
Asthenosphere:
Hình 1.2: Cấu tạo của Trái Đất.
Quả đất nguội dần qua nhiều giai đoạn. Các khí nóng bên trong thoát ra ngoài qua núi lửa hình thành nên khí quyển thứ hai. Bầu khí quyển cổ xưa có tính khử mạnh không có oxygen tự do. Theo Oparin, khí quyển cổ xưa bao gồm: NH3, H2O, CH4. Một số giả thuyết khác cho rằng khí quyển cổ xưa còn có thêm CO, CO2, H2 , N2, H2S và HCN.
Hình 1.3: Sự hình thành khí quyển thứ hai (theo Oparin)
Trong thời gian đó, hơi nước ngưng tụ tạo ra những trận mưa dầm. Nước tập trung vào các chổ trũng hình thành nên đại dương đầu tiên. Các dòng nước mang muối khoáng tích lũy ở biển.
II. NGUỒN GỐC CỦA SỰ SỐNG
Theo nhiều giả thuyết, sinh vật đầu tiên được tạo ra từ một quá trình tiến hoá hóa học trong 4 giai đoạn: Tổng hợp và tích luỹ các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ từ các chất vô cơ có sẵn; Polymer hoá các chất hữu cơ phân tử lượng thấp thành chất hữu cơ có phân tử lượng cao; Sự kết hợp các chất hữu cơ tổng hợp bằng con đường vô cơ thành các “tế bào” (protobions) có những tính chất hoá học khác với những chất quanh chúng; nguồn gốc di truyền.
1. Tổng hợp và tích luỹ các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ từ các chất vô cơ có sẵn
Năm 1920, Oparin đưa ra giả thuyết, các chất hữu cơ có thể được tổng hợp từ những chất vô cơ có sẵn trong khí quyển và đại dương. Các chất hữu cơ này là các amino acid, đường từ NH3, CH4 và hơi nước trong khí quyển cổ xưa. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện ngẫu nhiên từ dung dịch đậm đặc nóng của các chất đó. Tuy nhiên, giả thuyết này không được công nhận vì không có thực nghiệm.
Năm 1953, Stand Miller và Harold Urey bằng thực nghiệm đã chứng minh chất hữu cơ đơn giản có thể hình thành từ chất vô cơ theo con đường hoá học trong điều kiện trái đất cổ 
xưa. Trong mô hình thí nghiệm, Miller tạo ra điều kiện tương tự như trên trái đất cổ xưa. Hệ thống này gồm: một bình nước đun nóng ở 80oC; bình cầu khí quyển gồm: CH4, NH3, H2; điện cực phát tia lửa điện (tia chớp); hệ thống làm lạnh (trái đất nguội dần). Sau khi Miller cho hệ thống này hoạt động một tuần, thu dung dịch thí nghiệm và phân tích thành phần. Kết quả cho thấy, sự có mặt của nhiều chất hữu cơ cần cho quá trình tổng hợp các đại phân tử sinh học như amino acid, lactate, acid hữu cơ Thí nghiệm của Miler đã chứng minh một số bước trong giả thuyết của Operin. Điều này đã mở ra bước ngoặt mới trong tìm hiểu nguồn gốc của sự sống.
Hình 1.4: Mô hình tổng hợp chất hữu cơ bằng con đường hóa học
Nhiều phòng thí nghiệm lập lại thí nghiệm của Miller nhưng thay đổi thành phần khí quyển, dùng các tác nhân như ánh sáng thường, tia X, tia phóng xạ để thay thế cho tia lủa điện. Kết quả thu được 20 amino acids, purin (A & G), pyrimindin (C, T & U) và ATP nếu thêm phosphate.
2. Sự hình thành các chất hữu cơ phức tạp từ chất hữu cơ đơn giản
Các chất hữu cơ đơn giản tích lũy trong môi trường nước polymer hóa để hình thành các chất hữu cơ phức tạp như protein, nucleic acidTrong tế bào các phản ứng này được enzyme xúc tác, nhưng trong quá trình tổng hợp hóa học không có enzyme và nồng độ các 
monomer trong nước thấp. Như vậy làm thế nào các phản ứng polymer hoá xảy ra? Vấn đề nay không đơn giản và có nhiều giả thuyết. Một số cho rằng nồng độ các chất hữu cơ trong trong biển nguyển thủy là rất cao nên có khả năng gắn kết với nhau tạo thành các polimer. Những người này thậm chí cho rằng không có enzyme xúc tác, các phản ứng tạo thành cũng có thể xảy ra trong thời gian dài.
Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, nồng độ các chất trong các đại dương cổ xưa không không đủ đậm đặc để thực hiện polimer. Theo họ phải có cơ chế cơ học làm tăng nồng độ. Một trong giả thuyết đó cho rằng dưới sức nóng của mặt trời nước bóc hơi chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ tập trung trong hồ nước nhỏ được cô đặc. Một giả thuyết khác cho rằng đất sét có khả năng huy động các monomer hữu cơ do các monomer này bám trên hạt sét tích điện. Các monomer hữu cơ polymer hoá tạo thành các hợp chất hữu cơ cao phân tử. Những polymer hữu cơ được sóng, mưa cuốn trôi trở lại ao hồ và đại dương. Quá trình được lập lại nhiều lần làm cho nồng độ các chất hữu cơ cao phân tử tăng cao. Hai giả thuyết này đã dược Sidney Fox (Clay theory: thuyết đất sét) và Guterwachtershauser (ion pyrite theory: thuyết pirit sắt) chứng minh bằng thực nghiệm.
3. Sự hình thành “tế bào” đầu tiên
Sau khi các polimer hình thành chúng phải gắn với nhau tạo thành các đại phân tử làm tăng tính phức tạp của tổ chức.
Những tính chất của sự sống xuất hiện từ sự tương tác của các phân tử được tổ chức thành những mức độ cao hơn. Những tế bào sống có thể bắt nguồn gốc từ “tế bào” (protobionts: một khối kết của các phân tử) được tạo ra bằng con đường hóa học. Những tế bào này chưa có khả năng sinh sản nhưng chúng duy trì môi trường hoá học bên trong khác với môi trường xung quanh và có biểu hiện một vài đặc điểm của sự sống chẳng hạn như trao đổi chất (metabolism), dễ bị kích thích (excitability).
Một trong những loại “tế bào” được oparin gọi là coacervate có thể tự lắp ráp khi lắc dung dịch có chứa các phân tử lipids, proteins, nucleic acid và polysaccharides. Coacervate tách biệt với môi trường ngoài bởi màng kỵ nước. Các hạt coacervate có thể hấp thụ enzymes và các chất khác từ môi trường và giải phóng các sản phẩm của phản ứng enzymes. Khi hấp thụ các chất, coacervate sinh trưởng và phân chia thành các coacervate nhỏ. Các coacervate có 
thành phần tốt hơn to ra và phân chia tiếp. Theo Operin, chọn lọc tự nhiên sẽ giữ lại và hoàn thiện các giọt tốt hơn tạo thành tế bào.
Một “tế bào” khác được Fox(1960) gọi là tiểu cầu (microphere), có thể được tạo ra khi trộn proteinoid với nước rồi đun nóng đến 130-180 oC rồi làm lạnh dần qua 1-2 tuần trong pH và nồng độ muối nhất định. Một vài tiểu cầu có màng thấm chọn lọc, có khả năng xúc tác một vài phản ứng như thủy phân glucose và có khả năng phóng điện (giống tế bào thần kinh). Các tiểu cầu có khả năng nảy chồi và tạo ra các tiểu cầu khác.
Một “tế bào” khác nữa là liposome có thể hình thành trong tự nhiên khi thành phần dung dịch có lipids. Màng của liposome là lớp lipid đôi giống màng tế bào. Liposome có khả năng sinh trưởng bằng cách hòa nhập các liposome nhỏ và sinh sản bằng các tách liposome lớn thành những liposome nhỏ.
Không giống như các mô hình thí nghiệm, “tế bào” không có các enzyme tinh như trong tế bào. Một vài chất được tổng hợp bằng con đường hoá học có khả năng xúc tác yếu cho phép “tế bào” biến đổi các chất đã hấp thụ qua màng. Khả năng sống sót của các “tế bào” tăng lên theo hướng hoàn thiện cấu trúc bên trong, tăng cường bề mặt ngăn cách với môi trường, sự phức tạp và tính hiệu quả của quá trình trao đổi chat. Chọn lọc tự nhiên sẽ chọn lọc và hoàn thiện các “tế bào” có nhiều ưu điểm tạo nên các tế bào đầu tiên và tiếp tục tiến hóa cho đến ngày nay.
4. RNA có thể là nguyên liệu di truyền đầu tiên
Các “tế bào” đa dạng về tính thấm, khả năng xúc tác, sinh sản, sinh trưởng môi trường sẽ chọn lọc những tế bào thích nghi và đào thải những tế bào không thích nghi. Các đặc tính của “tế bào” không thể duy trì và tiến hóa qua các thế hệ cho đến khi xuất hiện một vài cơ chế di truyền.
Trong tế bào thông tin di truyền được mã hóa trong nucleic acid (DNA & RNA). Nhiều giả thuyết cho rằng gen xuất hiện trước:
Năm 1929, G. Muller một nhà di truyền học nêu ra giả thuyết sự sống bắt đầu từ một hoặc một vài gen được tạo thành không do các sinh vật. trong một thời gian dài giả thuyết này không được chú ý. Tuy nhiên, các dẫn liệu từ sinh học phân tử cho thấy giải thuyết trên ngày càng có lí vì những lí do sau.
Thứ nhất: Cấu trúc phân tử và sự tái sinh của virus. Chúng ta biết rằng khi xâm nhập vào vi khuẩn chỉ co1ADN hoặc ARN được bơm vào và tự nó sao chép rồi tạo ra các hạt virus mới.
Thứ hai: Trong quá trình tổng hợp protein, ngòai AND và mARN còn có sự tham gia của tARN và rARN điều này cho thấy nucleic acid có trước.
Thứ ba: Nhiều nucleotide giữ vai trò đa dạng và quan trọng của tế bào ở tất cả các các sinh vật.
Hiện nay chưa có mô hình cụ thể nào cho thấy quá trình xuất hiện sự sống là từ nucleic acid chứng minh bằng thực nghiệm. Nhưng theo thuyết này các vật sống đầu tiên là các đại phân tử có khả năng sau chép. Các tế bào đầu tiên này tích lũy một cách chậm , vỏ bao bên ngoài bởi các chất khác. Một bằng chứng minh họa rõ cho cơ chế này là các virus chứa ANR or RNA có cấu tạo đơn giản.
Nhiều giả thuyết cho rằng RNA xuất hiện trước DNA bởi vì: 
RNA bền hơn, tái bản.
RNA có khả năng nhân đôi từ mạch khuôn mẫu nhanh hơn và ít lỗi hơn các trình tự khác.
Vd: Một trình tự RNA có 40 ribonucleotide có thể tự nhân đôi trong môi trường có kẽm làm xúc tác với sai sót thấp hơn1% 
RNA (ribozyme) có khả năng xúc tác (Thomas Cech, 1980s): Tế bào hiện đại sử dụng ribozyme xúc tác tổng hợp các RNA mới (rRNA, tRNA và mRNA. Như vậy, RNA là chất tự xúc tác và trong thế giới tiền sinh học trước khi có protein và DNA, RNA có khả năng tự tái bản.
RNA dễ tổng hợp hơn DNA
Sự sai sót trong quá tái bản cùng với tác động của chọn lọc tự nhiên tạo ra sự đa dạng của RNA
Như vậy, trong một thời gian dài, vật liệu di truyền của các tiền sinh vật là RNA và sự tiến hóa dần đến chổ DNA mạch kép ổn định hơn mang thông tin di truyền. và khả năng xúc tác được chuyển cho protein làm chức năng chuyên hóa hữu hiệu hơn.
Theo giả thuyết hiện nay, sự sống được hình thành qua các bước:
Sự hình thành các phân tử RNA
Cơ chế sao chép RNA
Hoàn thiện hệ thống nhờ màng bao
Các tế bào tiến hóa theo 3 bước:
Hình1.5 : Sự tiế hóa của tế bào
Có thể tham khảo thêm nguồn gố của sự sống tại: 
5. Quá trình hình thành sự sống không thể xảy trong điều kiện hiện tại vì:
Oxy trong khí quyển được tích luỹ do hai quá trình. Quá trình phân li nước do ánh sáng cực tím tác động lên hơi nước và quá trình quang phân li nước trong quang hợp.
-Oxy có trong khí quyển sẽ phân hũy các chất hữu cơ vừa tổng hợp.
-Khí quyển ngày nay có tính oxy hóa. Khí quyển c ... p tiến trình phân bào tiếp tục hay dừng. Có ba checkpoint quan trọng trong chu tình tế bào: checkpoint G1, G2 và M phase. 
Những phân tử tham gia điều hòa chu trình tế bào là các protein hay enzyme hoạt hóa hay ức chế các protein khác bởi sự phosphoryl hóa. Để hiểu rõ cơ chế điều hòa này ta xem xét cơ chế điều hòa checkpoint G2 của Cdk (cyclin-dependent kinase) một kinase phụ thuộc vào cyclin. Hoạt động của Cdk làm thay đổi nồng độ của cyclin trong tế bào.
Cdk tồn tại trong tế bào ở trạng thái bất hoạt. Khi cyclin tích lũy trong tế bào trong pha G2, nó sẽ kết hợp với và hoạt hóa Cdk hình thành phức hợp Cyclin-Cdk. Cyclin-Cdk được phát hiện đầu tiên là MPF (maturation promation factor). MPF phosphoryl nhiều protein khác, chẳng hạn như phosphoryl hóa màng nhân, kích thích các kinase khác phosphoryl hóa các protein khác của màng nhân từ đó giúp tế bào vượt qua checkpoint G2 và tiến vào pha phân bào (M phase).
Cuối pha M, enzym phân giải cyclin, như vậy làm bất hoạt Cdk. Cdk tồn tại trong tế bào cho đến khi kết hợp với cyclin mới. Những enzyme này cũng liên quan đến việc giúp chu trình tế bào vượt qua điểm checkpoint M. Có ít nhất ba protein Cdk và nhiều cyclin liên quan đến việc giúp tế bào vượt qua điểm checkpoint G1. Như vậy, hoạt động tăng giảm của các phức hợp cyclin và Cdk có thể kiểm soát tất cả các giai đoạn của chu trình tế bào.
2.2.2 Phân bào nguyên nhiễm (Nguyên phân - Mitosis)
2.2.2.1 Kỳ trung gian
Chiếm 90% thời gian của chu trình tế bào. Trong suốt kỳ trung gian tế bào sinh trưởng, nhân đôi nhiễm sắc thể chuẩn bị cho sự phân chia tế bào. Kỳ trung gian gồm 3 giai đoạn (phase): G1 (first gap), S (synthesis), G2 (second gap).
Trong suốt kỳ trung gian, trung thể (centrosome) nhân đôi. Mỗi trung thể mang hai trung tử (centriols). Sao thoi vô sắc hình thành. Nhiễm sắc thể đã tháo xoắn, nhân đôi thành nhiễm sắc thể kép gồm hai nhiễm sắc tử chị em (sister chromatid) dính nhau ở tâm động.
2.2.2.2 Phân bào nguyên nhiễm 
Gồm giai đoạn phân chia nhiễm sắc thể và phân chia tế bào chất (cytokinesis).
Phân chia nhiễm sắc thể:
Kỳ trước (prophase)
Nhiễm sắc thể bắt đầu xoắn lại, có thể quan sát bằng kính hiển vi quang học. Nhiễm sắc thể vẫn ở dạng kép. 
Hai trung thể (ở tế bào động vật) di chuyển về hai cực tế bào. Thoi vô sắc (mitotic spindle) hình thành. Hạch nhân biến mất. 
Kỳ giữa (metaphase) 
Đầu kỳ giữa màng nhân tan biến. Sợi vô sắc dài ra, xuyên qua nhân tương tác với nhiễm sắc thể. Một vài sợi vô sắc gắn với tâm động của nhiễm sắc thể tại kinetochore. Hai kinetochore của cặp chromatid chị em gắn với hai sợi vô sắc đến từ hai cực đối diện. Các sợi vô sắc không gắn với kinetochore tương tác với nhau.
Cuối kỳ giữa, nhiễm sắc thể kép đóng xoắn cực đại tập trung ở mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc. 
Kỳ sau (anaphase)
Hai chromatid chị em tách nhau ra ở tâm động và mỗi sợi chromatid bây giờ gọi là nhiễm sắc thể đơn di chuyển về hai cực của tế bào. Sợi vô sắc thu ngắn lại.
Kỳ cuối (telophase)
Ở hai cực tế bào, màng nhân xuất hiện và hình thành hai nhân giống nhau. Cuối kỳ nhiễm sắc thể duỗi xoắn.
Phân bào (cytokinesis):
Cuối kỳ cuối xảy ra sự phân chia tế bào chất. 
Ở tế bào động vật, một rãnh phân chia xuất hiện trên bề mặt tế bào gần mặt phẳng xích đạo, sau đó ăn sâu vào do tác động co rút của vòng vi sợi actin bên trong tế bào chất, cắt tế bào mẹ thành hai tế bào con (daughter cells) giống nhau. Trong khi đó ở tế bào thực vật không xuất hiện rãnh phân cắt. Những túi (vesicle) chứa nguyên liệu xây dựng vách tế bào từ Golgi di chuyển tới giữa tế bào và tổ chức thành đĩa tế bào (cell plate) chia tế bào mẹ thành hai tế bào con.
Phân chia tế bào chất ở tế bào động vật và thực vật.
2.2.2.3 Ý nghĩa của nguyên phân
 Nguyên phân là cơ sở của sự tăng trưởng ở sinh vật đa bào và sự sinh sản vô tính.
Qua nguyên phân, các thế hệ tế bào trong một cơ thể đa bào cũng như các thế hệ cá thể của loài sinh sản vô tính được duy trì một bộ nhiễm sắc thể (2n) đặc trưng. 
2.2.3 Phân bào giảm nhiễm (Giảm phân - Meiosis)
Là quá trình phân bào chuyên biệt xảy ra ở tế bào sinh dục, trong đó số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa. Giảm phân gồm hai lần phân chia: lần phân chia thứ nhất là phân chia giảm nhiễm, lần phân chia thứ hai là phân chia nguyên nhiễm. Một tế bào sinh dục qua giảm phân tạo ra 4 tế bào con với bộ nhiễm sắc thể giảm đi một nửa.
So sánh giữa giảm phân và nguyên phân
2.2.3.1 Giảm phân I
 Gồm 4 kỳ
Kỳ trước I
Các sự kiện xảy ra trong giảm phân I tương tự trong nguyên phân. Tuy nhiên, hiện tượng tiếp hợp giữa các cặp nhiễm sắc thể tương đồng và sự bắt chéo trao đổi đoạn giữa các chromatid chỉ xảy ra ở giảm phân.
Kỳ giữa I 
Các nhiễm sắc thể kép tập trung theo cặp tương đồng trên mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc. Mỗi nhiễm sắc thể kép trong cặp tương đồng chỉ gắn với một sợi vô sắc tại một kinetochore của nó.
Kỳ sau I
Sợi vô sắc thu ngắn lại. Cặp nhiễm sắc thể kép phân ly, mỗi chiếc kép đi về một cực tế bào.
Kỳ cuối I và phân chia tế bào chất
Hai tế bào con hình thành, mỗi nhân tế bào mang một bộ nhiễm sắc thể đơn bội. Nhiễm sắc thể vẫn ở trạng thái kép.
2.2.3.2 Giảm phân II
Tiếp theo kỳ cuối của giảm phân I là giai đoạn chuyển tiếp, tương tự như kỳ trung gian nhưng không có sự nhân đôi nhiễm sắc thể.
Kỳ trước II
Bộ nhiễm sắc thể kép (đơn bội) tiến tới mặt phẳng xích đạo của tế bào.
Kỳ giữa II
Nhiễm sắc thể kép đóng xoắn cực đại tập trung ở mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc. 
Hai kinetochore của cặp chromatid chị em gắn với hai sợi vô sắc đến từ hai cực đối diện. 
Kỳ sau II
Hai chromatid của nhiễm sắc thể kép tách nhau ra ở tâm động, mỗi chromatid phân ly về một cực của tế bào.
Kỳ cuối II và phân chia tế bào 
Mỗi nhiễm sắc thể về đến cực tế bào, màng nhân hình thành. Phân chia tế bào chất xảy ra. 
Kết thúc giảm phân, một tế bào sinh dục (2n) hình thành 4 tế bào con. Mỗi tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giảm đi một nửa (n).
2.2.3.3 Ý nghĩa của giảm phân
Giảm phân là cơ sở của sự sinh sản hữu tính và làm tăng sự đa dạng di truyền. 
Thông qua giảm phân, một tế bào sinh dục chín với 2n nhiễm sắc thể có thể tạo 2n loại giao tử. VD: Ở người tế bào sinh dục có 2n = 46 nhiễm sắc thể, qua giảm phân có thể hình thành 223 loại giao tử.
Sự trao đổi chéo dẫn đến hoán vị gene ở kỳ trước giảm phân I cũng làm tăng số loại giao tử.
Sự kết hợp ngẫu nhiên của các loại giao tử trong thụ tinh làm tăng số loại hợp tử. VD: Số lượng loại hợp tử có thể hình thành ở người là 223 x 223 .
 Tóm lại: Sự phân ly độc lập của nhiễm thể, sự trao đổi chéo của các chromatid và sự thụ tinh ngẫu nhiên giữa các loại giao tử là ba nguồn gốc của sự đa dạng di truyền. 
Phân li độc lập của nhiễm sắc thể
II. GENE VÀ MÃ DI TRUYỀN
1. Khái niệm về gene
Mendel (Mitchell, 1999) “nhân tố di truyền” là một đơn vị di truyền tách biệt ảnh hưởng một tính trạng.
Khái niệm “gene” được Wilhelm Johannsen đề ra lần đầu tiên vào năm 1909 nhưng ông chỉ mới quan niệm một cách sơ lược rằng đây là những “mầm mống đặc biệt, di truyền tách biệt nhiều tính trạng của cơ thể”.
Morgan (Mitchell, 1999): “gene” (locus) là đơn vị di truyền không thể chia nhỏ nằm trên nhiễm sắc thể. Khái niệm này bao hàm:
Gene là đơn vị chức năng: Các phần của gene nếu như tồn tại thì không thể hoạt động chức năng. Đột biến của một gen sẽ ảnh hưởng đến một chức năng di truyền.
Gene là đơn vị tái tổ hợp: Sự trao đổi chéo chỉ có thể diễn ra giữa các gene, không thể xảy ra ở trong gene.
Gene là đơn vị đột biến: Gene sẽ bị biến đổi như một tổng thể hoàn chỉnh trước các tác nhân đột biến đủ liều lượng.
Benzer (Hoàng, 1995) nghiên cứu phage T4 kí sinh trên E.coli thấy rằng trao đổi chéo và đột biến có thể xảy ra ngay trong một gen và trên gen có thể có hơn một vị trí trao đổi chéo và đột biến xảy ra. Như vậy mỗi gen có nhiều đơn vị tái tổ hợp (recon-từ recombination) và đột biến (muton- có gốc từ mutant). Một đoạn phân tử DNA xác định cấu trúc của một chuỗi polypeptide được gọi là gen cấu trúc hay citron (gốc từ cis- trans), trung bình có từ 500-1000 cặp nucleotide, trong chứa các muton và recon.
Thập niên 1940, thuyết “một gen - một enzyme” của George Beadle và Edward Tatum chứng minh: gen kiểm tra các phản ứng sinh hóa. Học thuyết trên đã chứng tỏ rằng gen chi phối cấu trúc protein. Sau đó, người ta biết rằng có những protein gồm nhiều chuỗi polypeptide do nhiều gen quy định (ví dụ như hemoglobin) nên thuyết này được chỉnh lại là “1 gen – 1 polypeptide”.
Thập niên 1950, mô hình cấu trúc ADN do James Watson và Francis Crick đề xuất và “Học thuyết trung tâm” ra đời. Gen được hiểu là một đoạn ADN trên nhiễm sắc thể mã hóa cho một polypeptide hay một ARN.
Cuối những năm 1970, người ta phát hiện thấy ở eukaryote có những đoạn ADN không mã hóa cho các acid amin trên phân tử protein. Trong khi toàn bộ DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein, thì ở eukaryote, phân tử DNA bao gồm các trình tự mã hóa gọi là các exon xen kẽ với các trình tự không mã hóa gọi là intron. Một phân tử mRNA vừa mới được phiên mã từ một gen cấu trúc thì chưa có hoạt tính; phân tử này phải trải qua một quá trình ghép nối, loại bỏ các intron để trở thành phân tử mRNA trưởng thành có khả năng tham gia dịch mã. Khái niệm gen được chỉnh lý như sau: “Gen là một đoạn ADN đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide, nó bao gồm cả vùng trước, vùng sau và vùng mã hóa cho protein, cả những đoạn mã hóa (exon) lẫn những đoạn không mã hóa (intron) của eukaryote”.
(a)
(b)
Cấu trúc của một gene mã hóa cho một polypeptide
Như vậy hiện nay, có thể định nghĩa tổng quát về gen như sau:
“Gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền, chiếm một locus nhất định trên nhiễm sắc thể. Gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho một đại phân tử sinh học như ARN hoặc polypeptide”.
2. Mã di truyền
Như đã biết, có mối liên hệ giữa DNA, RNA và protein. DNA và RNA cấu tạo từ 4 loại nucleotide trong khi protein được hình thành từ 20 loại amino acid. Như vậy, sự tổ hợp của 4 loại nucleotide sẽ mã hóa cho 20 loại amino acid. Nếu tế bào sử dụng 2 nucleotide mã hóa cho 1 amino acid thì 4 loại nucleotide chỉ tạo được 42 = 16 amino acid không đủ cho nhu cầu thực tế. Như vậy, đơn vị mã hóa cho một amino acid hay còn gọi là codon phải từ 3 nucleotide trở lên.
Những nghiên cứu trong thập 60 đã chứng minh được rằng tổ hợp 3 nucleotide có thể mã hóa cho một amino acid và xác định các codon mã hóa cho từng loại amino acid. Như vậy 4 loại nucleotide hình thành 43 = 64 codon trong đó có 3 codon không mã hóa cho bất kỳ amino acid nào, đó là các codon kết thúc UAA, UGA, UAG và một codon mở đầu AUG mã hóa cho methionin.
Bảng mã di truyền (mRNA)
Mã di truyền là mã bộ ba (triplet), không gối lên nhau (non-overlapping) và được đọc một cách liên tục, không ngắt quãng (comma-less). 
Mã di truyền có tính thoái hóa (degenerate) nghĩa là nhiều codon cùng xác định một acid amin, trừ hai ngoại lệ: AUG mã hóa cho Met và UGG mã hóa cho Trp.
Mã di truyền có tính phổ biến (universal), nghĩa là thống nhất cho hầu như toàn bộ sinh giới. Tuy nhiên, từ năm 1980 người ta phát hiện thấy ty thể của một số loài eukaryote và một số sinh vật đơn bào có sự biến đổi ý nghĩa của một số mã di truyền.