Chuong 7 axit nucleic

BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 110 Chương VII - AXIT NUCLEIC VÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN 7.1 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA ADN VÀ ARN 7.1.1. Oligo nucleotid Axit nucleic ðýợc nhà bác học F. Miescher phát hiện vào nãm 1869. Có hai loại axit nucleic là axit deoxyribonucleic (ADN) và axit ribonucleic (ARN). a) Công thức cấu tạo chung của nucleotid Ðõn vị cấu tạo cõ bản của axit nucleic là các oligonucleotid, ðýợc cấu tạo từ 3 thành phần chính là các bazõ ni-tõ, ðýờng pentose và axit phosphoric. Hình 7.1 - Sõ ðồ thủy phân từng býớc của acid nucleic Các bazơ nitơ: - Bazơ purine: là hợp chất ni-tơ dị vòng, bao gồm một vòng pyrimidine và một vòng imidazol ghép lại. Các bazơ có nhân purine là adenine (A) và guanine (G). - Bazơ pyrimidine: Là một vòng 6 cạnh có chứa hai nguyên tử ni-tơ ; Các bazơ có nhân pyrimidine là cytosine (C) và thymine (T) và uracil (U). Purimidine Purine Hình 7.2 - Các bazơ chứa Ni-tơ Đường pentose: Trong DNA có chứa gốc đường deoxyribose, trong RNA chứa gốc ðýờng ribose nằm dưới dạng vòng, có công thức cấu tạo là. BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 111 Gốc phosphat : gồm monophosphat và triphosphat Hình 7.3 - Công thức cấu tạo chung của nucleotide b) Deoxyribonucleotid - Có 4 loại deoxyribonucleotid: + Deoxyadenosine 5’-monophosphat (dAMP) + Deoxyguanosine 5’-monophosphat (dGMP) + Deoxycytidine 5’-monophosphat (dCMP) + Deoxythymidine 5’-monophosphat (dTMP) dAMP dTMP dCMP dGMP c) Ribonucleotid - Có 4 loại ribonucleotid: + Adenosine 5’-monophosphat (AMP) + Guanosine 5’-monophosphat (GMP) + Cytidine 5’-monophosphat (CMP) + Uridine 5’-monophosphat (UMP) BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 112 AMP GMP CMP UMP 7.1.2 Cấu trúc ADN a) Đặc điểm cấu tạo của ADN - Axit deoxyribonucleic (DNA) là phân tử mang thông tin di truyền của tế bào sống mà trong đó, gen là đơn vị di truyền cơ bản. - DNA là một polynucleotide, được xây dựng từ 4 loại nucleotide: dAMP, dGMP, dCMP và dTMP. Các nucleotide nối với nhau bằng liên kết 3',5' phosphodiester. - Hai liên kết ester được hình thành giữa gốc phosphat ở vị trí carbon thứ 3 của nucleotide này với carbon thứ 5 của nucleotide nằm kề nó. Hình 7.4. Cấu trúc của một đoạn DNA - Phân tử DNA bao gồm hai sợi polynucleotide ngược chiều nhau, bazơ purine của sợi polynucleotide này liên kết với bazơ pyrimidine của sợi polynucleotide kia theo quy luật bổ sung nghiêm ngặt như sau: + AT: liên kết bởi 2 liên kết hydro + G-C: liên kết bởi 3 liên kết hydro -Quy tắc này ðýợc gọi là quy tắc Chargaft, trong phân tử ADN thì số: A = T và G = C hay (A+G)/(T+C)= 1 BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 113 Hình 7.5 - Liên kết Hydro giữa các bazơ nitơ b) Cấu trúc bậc II - Mô hình Watson và Crick Năm 1953, Watson và Crick đã khám phá ra mô hình cấu trúc phân tử ADN. Theo Watson và Crick, mô hình cấu tạo không gian của ADN có những đặc điểm chính sau: - ADN gồm hai sợi polynucleotide sắp xếp theo hai hướng ngược chiều nhau (đối song song): sợi bên này có đầu 3'OH thì sợi bên kia sẽ là 5'P. - Hai sợi cùng xoắn (xoắn đôi) xung quanh một trục chung. - Các bazơ nitơ của hai sợi nằm quay vào trong. A liên kết với T bằng 2 liên kết hydro, G liên kết với C bằng 3 liên kết hydro. - Nhóm phosphat và gốc đường trong chuỗi polynucleotide xoay ra ngoài, hình thành liên kết với nước, đảm bảo tính ổn định cho phân tử. - Mỗi vòng xoắn ốc tương ứng với 10 cặp bazơ, chiều cao của mỗi vòng xoắn ốc là 34Å (1Å = 10 -10 m). Như vậy, chiều cao của mỗi nucleotide là 3,4Å, đường kính trong là 20Å . Hình 7.6 - Mô hình cấu trúc phân tử AND c) Tính chất của AND - Dung dịch ADN có tính keo và tính axit. - ADN bị biến tính (hiện tượng sợi đôi ADN tách rời thành sợi đơn do liên kết hydro bị phá vỡ) dưới tác dụng của nhiệt hoặc của các hợp chất hóa học. - Các nucleotide trong ADN hấp thụ tia cực tím với độ dài bước sóng tối đa là 260nm. Người ta thường đo độ hấp thụ ở bước sóng 260nm để định lượng ADN. BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 114 - ADN bị thủy phân dưới tác dụng của các enzyme nuclease. 7.1.3 - Cấu trúc ARN a) Đặc điểm cấu tạo của ARN - Axit ribonucleic (RNA) được cấu tạo từ các đơn vị cơ bản là các nucleotide: AMP, GMP, TMP, UMP. - Các nucleotide trong phân tử ARN liên kết với nhau cũng bằng liên kết 3'-5'- phosphodiester. - Về cấu trúc phân tử, RNA có cấu trúc sợi đơn chứ không phải là sợi kép như AND. b) Cấu trúc bậc II của ARN - Cấu trúc bậc II của ARN cũng là xoắn nhưng khác với ADN, chỉ thực hiện trong phạm vi một phân tử. - Chuỗi polynucleotide tạo cấu trúc xoắn bằng cách tạo nên các liên kết hydro giữa adenine và uracil (AU) và giữa guanine và cytosine (GC). - Một số mắt xích nucleotide riêng lẻ không tạo liên kết thường có dạng vòm lồi. c) Phân loại ARN Dựa vào nhiệm vụ của ARN người ta phân ra làm 3 loại: ARN thông tin (mARN): - mARN mang những thông tin cần thiết cho quá trình tổng hợp protein. - Sơ đồ cấu trúc chung của các phân tử mARN có thể chia làm ba đoạn: ở đầu 5’ có đoạn dẫn đầu, tiếp sau là đoạn mã hóa protein và đoạn theo sau, đoạn dẫn đầu và đoạn theo sau không mang mã cho các axit amin. Hình 7.7 - Sơ đồ cấu trúc chung của phân tử mARN  ARN vận chuyển (tARN): - tARN (transfer ARN) làm nhiệm vụ vận chuyển các axit amin đã được hoạt hóa đến ribosome là nơi tổng hợp nên phân tử protein. - tARN chiếm khoảng từ 10% đến 20% tổng lượng ARN của tế bào, và có trọng lượng phân tử không lớn lắm, nó chỉ chứa khoảng từ 75 đến 90 nucleotide. - Ngoài bốn bazơ nitơ thông thường là A, G, C và U, nó còn chứa một lượng nhỏ các bazơ bổ sung phụ như 6-methylaminadenine, dimethylguanine, inosine, - Cấu tạo phân tử: BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 115 Hình 7.8 - Sơ đồ cấu trúc phân tử của tARN + Đầu 3’ kết thúc bằng bộ 3 CCA là nơi liên kết với các axit amin. + Bộ ba đối mã (anticodon) bao gồm 3 bazơ kề nhau. Bộ ba này sẽ bổ sung cho bộ ba mã hóa trên ARN thông tin.  ARN ribosome (rARN): - Ribosome được cấu tạo từ hai tiểu đơn vị, gồm một tiểu đơn vị lớn và một tiểu đơn vị nhỏ. Mỗi tiểu đơn vị được xây dựng từ ba thành phần chính là protein, lipit và rARN. Trong tế bào vi khuẩn: - tiểu đơn vị nhỏ 16s - tiểu đơn vị lớn 23S và 5S Trong tế bào sinh vật eukaryote: - tiểu đơn vị nhỏ của ribosome chứa sợi rARN 18S - tiểu đơn vị lớn chứa hai sợi rARN là 28S và 5,8S. 7.1.4 Nhiễm sắc thể Nhiễm sắc thể có cấu trúc phức tạp bao gồm phân tử ADN sợi kép cuộn xoắn, liên kết với các protein histon. - Ở sinh vật đơn bội, trong tế bào có nNST. Ví dụ ở vi khuẩn có 1NST - Ở sinh vật lưỡng bội, trong tế bào có 2nNST, riêng tế bào giới tính có 1NST. Ví dụ ở người 2n=46NST. BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 116 - Mỗi nhiễm sắc thể có 1 điểm thắt eo gọi là tâm động, chia nhiễm sắc thể thành 2 phần. - Bằng phương pháp nhuộm màu người ta thấy rằng trên nhiễm sắc thể có vùng nhuộm màu đậm gọi là chất dị nhiễm sắc là vùng ở trạng thái xoắn cao không phiên mã; vùng ít nhuộm màu gọi là chất nguyên nhiễm sắc là trạng thái tháo xoắn của ADN có thể phiên mã được. Hình 7.9 - Cấu trúc nhiễm sắc thể 7.1.5 Plasmid a) Đặc điểm: - Chủ yếu có trong tế bào vi khuẩn và một số nấm - Sợi đôi ADN, thông thường là ở dạng vòng - Tồn tại độc lập với nhiễm sắc thể - Có khả năng sao mã: đối với plasmid kích thước nhỏ có thể tạo ra nhiều bản sao, còn đối với plasmid có kích thước lớn chỉ tạo ra một số bản sao. - Độ dài sợi ADN vào khoảng từ 1-200 kbp b) Chức năng - Mang những gen độc, gen kháng độc đối với các độc chất như: kim loại nặng, chất kháng sinh,… BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 117 - Mang gen sinh tổng hợp các enzyme chuyển hóa hợp chất thơm - Chuyển gen cho các thế hệ 7.2 BIỂU HIỆN GEN 7.2.1 . Cơ chế điều hòa sinh tổng hợp protein a) Mục đích: - Điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các nhân tố dinh dưỡng, tác nhân lý hóa và môi trường, tạo số lượng và số loại cần thiết để đảm bảo nhu cầu phát triển và sinh sản của tế bào. - Ở tế bào procaryote, tín hiệu gây điều hoà thường là những yếu tố dinh dưỡng hay những yếu tố vật lý của môi trường Ở tế bào eucaryote, tín hiệu điều hoà là những phần tử do tế bào chuyên biệt phát sinh. Ví dụ như các hormone. b) Điều hòa biểu hiện gen ở vi khuẩn - Bộ gen của vi khuẩn được tổ chức theo operon. Một operon bao gồm: + Vùng điều khiển bao gồm gen điều hoà, promoter và điểm điều hành (operator). + Vùng mã hóa bao gồm một số gen cấu trúc nằm kề nhau, mỗi gen cấu trúc mã hóa cho một polypeptide. Các protein được mã hóa trong một operon thường có quan hệ mật thiết với nhau trong một quá trình chuyển hóa sinh hóa nào đó trong tế bào. - Điều hòa biểu hiện gen của vi khuẩn được thực hiện ở vùng điều khiển và dưới sự tham gia của các protein điều hòa. c) Điều hòa biểu hiện gen ở eucaryote Điều hòa biểu hiện gen của tế bào eucaryote rất phức tạp. Điều hòa biểu hiện gen có thể được thực hiện bằng nhiều cách và ở nhiều giai đoạn. - Điều hòa hoạt động biểu hiện gen bằng cách thay đổi cấu trúc của nhiễm sắc chất. + quá trình phiên mã xảy ra khi có sự giãn xoẵn cục bộ của AND, ngược lại khi AND xoắn chặt với protein histon không có khả năng xảy ra phiên mã. + metyl hóa một số bazơ nitơ ở đầu 5 phẩy của gen động vật sẽ kìm hãm hoạt động biểu hiện gen ở động vật. - Điều hòa biểu hiện gen bằng các nhân tố điều hòa ở giai đoạn phiên mã. Nhân tố điều hòa có nhiệm vụ tăng cường hoặc kìm hãm hoạt động biểu hiện gen. + Nhân tố trans (Protein điều hòa hoặc hormon điều hòa) gắn vào trình tự sis nằm trên phần điều hành của gen điều chỉnh quá trình phiên mã + Trên đoạn AND xuất hiện các trình tự khuếch đại tăng sự biểu hiện gen hoặc trình tự dập tắt, dập tắt sự phiên mã. BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 118 - Điều hòa biểu hiện gen bằng cách tác động vào giai đoạn hoàn thiện mARN. + Gây đột biến trên mARN + Cắt các intron và nối exon khác nhau + Điều chỉnh thời gian tồn tại của mARN - Điều hòa hoạt động biểu hiện gen ở giai đoạn dịch mã và sau dịch mã. + Điều hòa ở giai đoạn dịch mã bằng cách biến đổi các nhân tố khởi động của quá trình dịch mã. + Điều hòa ở giai đoạn dịch mã được thể hiện ở sự biến đổi hoạt tính của phân tử protein. 7.2.2 Quá trình sinh tổng hợp protein Sinh tổng hợp protein được thực hiện theo các bước sau: Hình 7.10 - Sơ đồ quá trình sinh tổng hợp protein a) Sự phiên mã - Quá trình tổng hợp phân tử ARN từ khuôn ADN được gọi là quá trình phiên mã (transcription). - Sự phiên mã được thực hiện theo một số nguyên tắc chung sau: + Sản phẩm phiên mã là một sợi polyribonucleotide mạch đơn (RNA) được tổng hợp theo chiều từ đầu 5'phosphat đến đầu 3'OH. + Đối với mỗi gen, chỉ một trong hai sợi DNA được chọn làm khuôn để tổng hợp phân tử RNA. Enzyme RNA-polymerase sẽ quyết định việc chọn sợi làm khuôn và xúc tác quá trình tổng hợp phân tử RNA. + Sự phiên mã được thực hiện khi có mặt của các enzyme và 4 loại nucleotide là GTP, CTP, UTP và ATP. BÀI GIẢNG HÓA SINH TS BÙI XUÂN ÐÔNG Trang 119 + Phân tử RNA được tổng hợp theo cơ chế bổ sung tương tự như sự sao mã ở DNA nhưng đối diện với A trên sợi DNA sẽ là U trên RNA. Hình 7.11 - Phiên mã tổng hợp mARN ở eukariot + Không có cơ chế sửa sai đi kèm với quá trình phiên mã, do vậy, những sai sót sẽ dẫn đến sự sai khác trong biểu hiện gen Phiên mã tổng hợp mARN ở procaryot: Phiên mã tổng hợp mARN ở procaryot chia làm 3 giai đoạn. . - AXIT NUCLEIC VÀ SINH TỔNG HỢP PROTEIN 7. 1 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA ADN VÀ ARN 7. 1.1. Oligo nucleotid Axit nucleic ðýợc nhà bác học F. Miescher phát hiện vào nãm 1869. Có hai loại axit nucleic. 1869. Có hai loại axit nucleic là axit deoxyribonucleic (ADN) và axit ribonucleic (ARN). a) Công thức cấu tạo chung của nucleotid Ðõn vị cấu tạo cõ bản của axit nucleic là các oligonucleotid,. sau không mang mã cho các axit amin. Hình 7. 7 - Sơ đồ cấu trúc chung của phân tử mARN  ARN vận chuyển (tARN): - tARN (transfer ARN) làm nhiệm vụ vận chuyển các axit amin đã được hoạt hóa