giao trinh hoa sinh.pdf

Giáo trình hóa sinh

ĐỖ QUÝ HAI (CHỦ BIÊN) - NGUYỄN BÁ LỘC TRẦN THANH PHONG - CAO ĐĂNG NGUN GIÁO TRÌNH HĨA SINH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ www.Beenvn.com 11 Mở đầu Lịch sử, đối tượng, nhiệm vụ hoá sinh Ở kỷ XIX, mà hoá học phát triển vũ bão, ranh giới sinh học hoá học xuất lĩnh vực khoa học nhằm nghiên cứu thành phần hoá học thể sống q trình chuyển hố hố học chất lượng trình hoạt động sống xảy thể chúng Lĩnh vực khoa học gọi hoá học sinh vật vắn tắt hơn- hoá sinh học (biochemistry) Có thể nói rằng, hố sinh học phần lĩnh vực khoa học sống Nhiệm vụ chúng nhằm nghiên cứu tượng sống phương pháp hoá học Đây khoa học trẻ tuổi kỷ XX đà phát triển mạnh mẽ xâm nhập vào nhiều lĩnh vực mũi nhọn sinh vật học, y học nơng học Hố sinh học trở thành khoa học độc lập vào nửa sau kỷ thứ XIX từ thời thượng cổ người làm quen với nhiều q trình hố sinh học sống hàng ngày họ (nấu rượu, nướng bánh mì, thuộc da, làm dấm, tương, nước mắm ) Tuy gần đây, tất trình sinh học nghiên cứu cách khoa học giải thích cách đầy đủ Có thể nói, xuất mơn hố sinh học kết tất yếu phát triển phối hợp hố học sinh vật học Tính chất phương hướng hoá sinh học nghiên cứu thể sống, tìm ý nghĩa chức phận tất thành phần, sản phẩm chuyển hố, sở đó, tìm hiểu sâu về: - Mối liên quan q trình hố học sinh vật học - Mối liên quan cấu trúc chức sống quan thể - Cơ chế điều hồ tồn q trình sống Tuỳ theo đối tượng nghiên cứu mà người ta phân chia hoá sinh học thành hoá sinh động vật, hoá sinh thực vật, hoá sinh vi sinh vật y hoá sinh Trên đối tượng, hoá sinh nghiên cứu song song hai mặt "tĩnh" "động" Việc nghiên cứu chất có thành phần thể sinh vật nhiệm vụ tĩnh hoá sinh Tĩnh hoá sinh gắn liền mật thiết với hoá học sinh hữu Đây hóa sinh mơ tả Cịn việc nghiên cứu chuyển hóa hố học xảy trình hoạt động sống thể nghĩa nghiên cứu mặt hoá học www.Beenvn.com 12 trao đổi chất mối liên quan với toàn thể môi trường xung quanh nhiệm vụ động hoá sinh Tĩnh hoá sinh động hoá sinh liên quan với chật chẽ việc nghiên cứu q trình hóa sinh học vơ nghĩa khơng có nghiên cứu chất tham gia q trình Hố sinh mơ tả gắn liền với phát triển hoá hữu Cuối kỷ XVIII, đầu kỷ XIX, hàng loạt hợp chất hữu tách từ thực vật từ tổ chức động vật: citric acid, malic acid, tatric acid, oxalic acid, urea alkaloid Người ta xác nhận thành phần tất chất béo chứa glycerin Trong thời gian này, Lavoisier giải thích chế hố học hơ hấp cháy Ông chứng minh rằng, lượng nhiệt thể sống sản sinh lượng nhiệt thu đốt cháy chất dinh dưỡng bên thể (khi hô hấp thể, carbon hydrogen bị oxy hóa từ từ, q trình giống cháy bình thường) Tiếp theo cơng trình chiết xuất, tinh chế phân tích chất hữu cơng trình nghiên cứu tổng hợp chất hữu Quan điểm cho rằng, vật chất sống khác với vật chất không sống bị đánh đổ hồn tồn mà Wưhler vào năm 1828 điều chế carbamid (urea) phương pháp nhân tạo từ chất vơ Phát minh Wưhler chứng cho để tạo nên chất sống không cần thiết "lực" sống (vis vitalis) mở đường hướng hoá sinh phát triển (Thời kỳ khoa học sâu vào sống bị khống chế kìm hãm thuyết "hoạt lực" cho chất hữu tham gia vào cấu tạo thể sinh vật tạo "đấng siêu tự nhiên") Trong suốt khoảng hai kỷ trước, phát triển hoá sinh học xảy tương đối chậm Sự bắt đầu thật hoá sinh học thường coi vào năm 1866 Tübigen thành lập mơn hố sinh lãnh đạo Hoppe - Seyler (ở nước Đức) Số tạp chí mang tính chất hố sinh học mắt vào năm 1877 (Hoppe - Seyler's Zeitschrift für physiologische Chemie) Tiền đề hoạt động Liebig Đức trường phái hoá học hữu ông Bằng cách sử dụng phương pháp nghiên cứu mới, Liebig xác định thành phần nhiều thực phẩm, chia chất chứa thực phẩm thành protein, glucid, lipid xác định hàm lượng nitrogen protein Sau cơng trình nghiên cứu Pasteur lên men, nhà khoa học ý nhiều đến chất enzyme vốn xúc tác cho trình khác thể sống Nhiều cơng trình có giá trị khác, có cơng trình Fischer vào cấu trúc tổng hợp glucid, lipid, amino acid www.Beenvn.com 13 protein, Pavlov thời gian nghiên cứu chế enzyme Miescher nghiên cứu nucleic acid Thời gian người ta phát vitamin Việc xác lập nên thành phần hoá học thực vật, việc phát enzyme việc làm sáng tỏ vai trò chúng trao đổi chất, phát vitamin hormon, phát triển hoá học amino acid protein, glucid, lipid tạo điều kiện cho việc hình thành động hố sinh nhờ phát triển động hoá sinh mà người ta xây dựng quan điểm thống quy luật chung trình trao đổi chất chuyển hoá lượng thể sinh vật Ngày biết rõ rằng, tất chất xây dựng nên tế bào sống, thay đổi không ngừng Đặc trưng sống biến đổi hoá học Như hoá sinh học đại trước hết động hố sinh Trước tiên tượng trao đổi chất, chuyển hoá phân giải chất dinh dưỡng nhằm thu nhận lượng hoá học để xây dựng vật chất tế bào Các phản ứng hoá học xảy nhờ tác dụng xúc tác enzyme, việc nghiên cứu enzyme chiếm phần quan trọng hoá sinh học Thứ đến thuộc động hố sinh điều hồ hố học Điều xảy đường sản phẩm trao đổi chất xác định, thường với tham gia chất đặc biệt hormon tạo thành tuyến nội tiết Thứ ba thuộc động hố sinh q trình hố học xảy gắn liền với cấu trúc thực chức phần tử cấu trúc Việc xác định trình tự amino acid protein cấu trúc không gian protein (Sanger, Perutz Kendrew) cấu trúc nucleic acid (Chargaff, Watson Crick) bắt đầu giai đoạn phát triển hoá sinh học tức thời kỳ sinh học phân tử Một điều rõ ràng tách riêng sinh học phân tử hoá sinh học khỏi Về mà nói "sinh học phân tử" tên mới, phân ngành riêng hố sinh Nó cố gắng làm sáng tỏ tượng sống sở phân tử có nghĩa sở hố sinh học Chính theo quan niệm đại hố sinh học khoa học nghiên cứu sở phân tử sống Thành phần hoá học thể sống Trong thể sống, nước thành phần quan trọng Trừ số mô loại tế bào (các hạt thực vật, bào tử mô xương, mô mỡ), lượng nước chúng khơng đạt đến 80%, cịn lượng nước số sinh vật khác vượt 90% (toàn lượng nước thể www.Beenvn.com 14 người khoảng 50-70%) điều cần lưu ý số dạng sống bậc thấp, virus, bào tử sống qua trạng thái khơ héo hồn tồn, song trạng thái khơng có nước hoạt động sống chúng bị hoãn lại Từ sở nói q trình hố học đặc trưng cho sống xem phản ứng tiến hành mơi trường nước Ngồi người ta phát 60 nguyên tố có thể sống Các nguyên tố có thể với lượng khác Một số coi nguyên tố cần thiết để xây dựng thể phục vụ cho phát triển bình thường thể; số khác chức sinh học chúng chưa biết rõ; số lại coi xâm nhập ngẫu nhiên C H O N S P Cl Ca Mg K Na nguyên tố cần thiết thể sống, 11 nguyên tố chiếm gần 100% khối lượng toàn phần thực vật động vật Những nguyên tố dạng vết gọi yếu tố vi lượng, vai trò quan trọng chúng sống sáng tỏ ion kim loại nặng Co, Zn, Mn, Mo; trường hợp thể động vật bậc cao cịn có I, xanh có B Cần nhớ rằng, trừ I Mo, nguyên tố kể đến nằm số 30 nguyên tố đầu hệ thống tuần hồn nửa ngun tố có số thứ tự đến 30 có vai trị sinh học quan trọng Nhiều hợp chất hữu trước coi riêng biệt thuộc giới sinh vật, nghiên cứu, tổng hợp phịng thí nghiệm Đó protein, nucleic acid, glucid, lipid, enzyme vitamin Đây chất chiếm vị trí hàng đầu sinh học đối tượng nghiên cứu chương giáo trình Mối quan hệ hoá sinh với ngành khoa học sinh học, nông nghiệp y học Trong sinh học có nhiều ngành, nghiên cứu sinh học ngày nghiên cứu mức độ phân tử Hoá sinh khoa học nghiên cứu sống mức độ phân tử, nói chuyên ngành sinh học động vật học, thực vật học, vi khuẩn học, sinh lý học, tế bào học, mô phôi học cần phải trang bị kiến thức kỹ thuật hoá sinh để nghiên cứu khoa học chun ngành Do nói đến chuyên ngành sinh học đại trước hết phải nói đến hố sinh năm gần Ngay công nghệ gen, công nghệ enzyme lãnh địa hố sinh Chẳng hạn động vật, thực vật, vi sinh vật, ngày muốn nghiên cứu phân loại xác giống chủng phải dùng tiêu phân tử số protein, enzyme hay nucleic acid ty lạp thể Đối với nông nghiệp muốn tăng suất trồng phải ý đến q trình hố sinh quang hợp, q trình hố sinh nảy mầm, www.Beenvn.com 15 q trình hố sinh phát dục, q trình chuyển hố, sinh tổng hợp chất tạo nên hạt, quả, trình tác động hoá sinh cytokinin đến sinh trưởng phát triển Đối với vật nuôi vậy, muốn có suất thịt, sữa, trứng cao, người chăn ni phải hiểu q trình hố sinh phát triển đến giai đoạn phát triển vật, đến phận bắp, buồng trứng chúng để có tác động mạnh mẽ Đối với y dược học, vấn đề chủ chốt nghiên cứu bệnh nguyên, bệnh lý, chẩn đoán điều trị bệnh liên quan chặt chẽ đến hoá sinh, tức liên quan đến thay đổi phân tử bệnh lý xảy thể tìm chất hoạt tính sinh học có tác dụng phịng chống chữa khỏi bệnh Vì nói hố sinh gốc, để giúp hiểu sâu sắc khoa học khác sinh học, nông nghiệp y học Một số thành tựu bật hóa sinh thời gian gần Trong q trình phát triển mình, nhiều ngành nhỏ hố sinh đời.Về hoá sinh số chức phận hệ thống quan trọng có hố sinh miễn dịch, hố sinh di truyền, đặc biệt ngành gần xuất cơng nghệ hố sinh Các lĩnh vực nhỏ hố sinh đóng góp cách tích cực vào thành tích chung hố sinh Nhiều giải thưởng Nobel ghi công kết nghiên cứu quan trọng, mở nhiều cánh cửa cho phát triển hoá sinh hoá sinh hệ thống miễn dịch Snell, Bena Cerraf Dausset năm 1980 Cùng năm Paul Berg giải thưởng Nobel cơng trình nghiên cứu gắn mẫu DNA Năm 1981-1982, thành tựu tổng hợp gen α - interferon gồm 514 đôi base Leicester thực Từ đến hàng loạt cơng trình khác nghiên cứu hoá sinh áp dụng lĩnh vực khoa học Gần đây, năm 1997 giải thưởng Nobel y học trao cho Staley Prusiner cơng trình nghiên cứu prion, khái niệm "nhiễm khuẩn", gây bệnh não thể xốp người động vật Prion (PrP) protein tồn hai dạng đồng phân alpha bêta Ở thể khoẻ mạnh PrP có dạng alpha cịn thể bị bệnh dạng alpha bị duỗi xếp thành băng song song gọi PrP bêta Dạng bền với enzyme tiêu hố khơng bị phá huỷ nhiệt độ cao (đến 200oC) Do prion tác nhân gây bệnh hoàn toàn bổ sung vào danh sách tác nhân gây bệnh virus, vi khuẩn, nấm Cơng trình đưa khái niệm bệnh lý phân tử hoàn toàn sinh học y học Cơng trình khơng phát tác nhân gây bệnh xốp não mà đặt móng cho tìm hiểu chế trí liên quan đến bệnh già bệnh Alzheimer, đặt nguyên tắc chặt chẽ cho việc ghép quan phủ tạng động vật cho người thuốc men chế từ động vật dùng cho người www.Beenvn.com 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT Hà Nội Đái Duy Ban 2005 Hóa sinh học hóa sinh y học Hóa sinh học 1: 8-13 Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục Hà Nội Lê Dỗn Diên 1975 Hóa sinh thực vật Nxb Nông nghiệp Hà Nội Nguyễn Tiến Thắng, Nguyễn Đình Hun 1998 Giáo trình sinh hóa đại Nxb Giáo dục Hà Nội Nguyễn Xuân Thắng, Đào Kim Chi, Phạm Quang Tùng, Nguyễn Văn Đồng, 2004 Hóa sinh học Nxb Y học, Hà Nội Tài liệu tiếng nước ngồi Karlson P., 1972 Biokémia Medicina Kưnyv Kiadó Budapest Lehninger A.L., 2004 Principle of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman Stryer L., 1981 Biochemistry W.H.Freeman and company San Francisco Straub F B 1965 Biokémia Medicina Kưnyv Kiadó Budapest www.Beenvn.com Lời nói đầu Hóa sinh học khoa học nghiên cứu thành phần hóa học thể sống q trình chuyển hóa hóa học chất lượng trình hoạt động sống xảy thể sinh vật Là ngành khoa học bản, đồng thời khoa học ứng dụng, ngành khoa học sở cho khoa học quan trọng khác cơng nghệ sinh học, sinh học phân tử; hóa sinh học tác động lớn hay nói rộng mũi nhọn để định hướng giải vấn đề phục vụ cho nông, lâm, ngư nghiệp, phục vụ cho y học Chính vậy, hóa sinh học khơng cơng cụ sinh học mà cịn công cụ chuyên ngành khác liên quan đến sinh học nơng, lâm, ngư, y dược Giáo trình nhằm cung cấp cho sinh viên ngành, chuyên ngành liên quan đến sinh học Đại học Huế kiến thức cấu tạo thành phần hóa học sinh chất, mối liên quan cấu trúc chức năng, q trình chuyển hóa chúng lượng thể sinh vật Cuốn sách biên soạn theo chương trình giáo dục đại học Đại học Huế phê duyệt, tập thể tác giả trường Đại học khoa học, sư phạm thuộc Đại học Huế Sách dùng tài liệu tham khảo cho sinh viên trường khác, người chuẩn bị thi tuyển sau đại học cán nghiên cứu liên quan Các tác giả xin cảm ơn đồng nghiệp góp nhiều ý kiến bổ ích q trình biên soạn Đặc biệt tác giả xin chân thành cám ơn GS.TSKH Lê Doãn Diên - Giám đốc Trung tâm Tư vấn Đầu tư Nghiên cứu phát triển Nông thôn Việt Nam (INCEDA), Chủ tịch Hội Hóa sinh Việt Nam nhận phản biện cho nhiều lời khun q báu nhằm hồn thiện giáo trình Với thời gian biên soạn kinh nghiệm hạn chế, sách cịn chưa thật đầy đủ chắn khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp, sinh viên bạn đọc để lần xuất sau hoàn thiện Thay mặt tác giả Chủ biên PGS.TS Đỗ Quý Hai www.Beenvn.com 17 Chương Saccharide Là hợp chất hữu tạo nên từ ngun tố: C, H, O có cơng thức cấu tạo chung Cm(H2O)n, thường m = n Do có công thức cấu tạo nên saccharide thường gọi carbohydrate - có nghĩa carbon ngậm nước Tuy nhiên có saccharide có cơng thức cấu tạo khơng ứng với cơng thức chung nói ví dụ: deoxyribose (C5H10O4) Có chất khơng phải saccharide có cơng thức cấu tạo phù hợp với cơng thức chung ví dụ : acetic acid (CH3COOH) Saccharide thành phần quan trọng sinh vật Ở thực vật, saccharide chiếm từ 80 - 90% trọng lượng khô, saccharide tham gia vào thành phân mô nâng đỡ, ví dụ cellulose, hay tích trữ dạng thực phẩm dự trữ với lượng lớn, ví dụ tinh bột Ở động vật, hàm lượng saccharide thấp nhiều, thường khơng q 2%, ví dụ glycogen 1.1 Monosaccharide 1.1.1 Cấu tạo danh pháp Là chất có chứa nhiều nhóm rượu nhóm khử oxy (nhóm khử nhóm carbonyl aldehyde hay ketone) - Nhóm khử aldehyde ta có đường aldose có cơng thức tổng quát: CHO (CHOH)n CH2OH - Nhóm khử ketone ta có đường ketose có cơng thức tổng qt: CH2OH C= O (CHOH)n CH2OH www.Beenvn.com 18 CHO - CH2OH xem “monosaccharide”đơn giản Trong thiên nhiên monosaccharide có chứa từ đến carbon gọi tên theo số carbon (theo tiếng Hy Lạp) + ose Ví dụ: monosaccharide có 3C gọi triose Tương tự ta có tetrose, pentose, hexose, heptose 1.1.2 Đồng phân quang học Quy ước Fischer: Fischer người nêu ngun tắc biểu diễn monosaccharide cơng thức hình chiếu chúng Theo đó: hình chiếu ngun tử carbon bất đối (C*) nguyên tử C khác nằm đường thẳng, nguyên tử C có số thứ tự nhỏ có hình chiếu nằm Cịn nhóm có hình chiếu bên phải hay bên trái Ví dụ : glyceraldehyde Vì glyceraldehyde có C* nên theo quy tắc Van’t Hoff có đồng phân (N = 2n) 1CHO 1CHO HO- 2C* -H H-2C*-OH 3CH2OH D: -OH bên phải L: -OH bên trái 3CH2OH L glyceraldehyde D glyceraldehyde Khi phân tử monosaccharide có nhiều C* cơng thức có dạng D hay L vào vị trí nhóm OH C* xa nhóm carbonyl Ví dụ : CHO CHO H-C-OH HO-C-H H-C-OH H-C-OH CH2OH D glucose www.Beenvn.com H-C-OH HO-C-H H-C-OH HO-C-H CH2OH L glucose 205 12.1.4 Phân giải base pyrimidine Các base pyrimidine bị phân giải tạo nên sản phẩm cuối NH3, CO2, β.amino isobutyric acid alanine Cytosine Uracil H2O Thymine NH3 Dihydro Uracil H2O + alanine NADPH2 NADP Dihydro Thymine CO2 + NH3 NH3+CO2+ β.aminoisobutyric acid H2O NADPH2 NADP CO2, NH3 tạo trình biến đổi thải ngồi, cịn alanine β.aminoisobutyric acid tiếp tục biến đổi amino acid khác 12.2 Sinh tổng hợp nucleotide purine Gốc purine tạo từ nhiều thành phần khác nhau: CO2, aspartic acid, glycine, formate, glutamine CO2 aspartic acid N N formate glycine formate N N-H glutamine Trong trình tổng hợp khung purine xảy đồng thời q trình tổng hợp nucleotide Tóm tắt kết q trình sau: Riboso5P + 2.glutamine + glycine + CO2 + formate + aspactic acid + H2O → inosinic acid Từ inosinic acid tạo nên GMP AMP - Inozinic acid + aspactic acid + GTP → AMP + fumaric acid– GDP + Pv - Inozinic acid + NAD + ATP + NH3 → GMP + NADH2 + AMP + Pv www.Beenvn.com 206 Ngoài ra, nucleotide purine cịn tổng hợp trực tiếp từ base purine phosphoriboso-pyrophosphate (PRPP) Adenine + PRPP → AMP + P-P Guanine + PRPP → GMP + P-P 12.3 Sinh tổng hợp nucleotide pyrimidine Khung pyrimidine tạo từ NH3, CO2 aspartic acid NH3 N Asparic acid CO2 N Quá trình tổng hợp nucleotide pyrimidine xảy qua giai đoạn sau: CO2 + NH3 + ATP → carbamyl-P Carbamyl-P + Aspactic acid → Orotic acid Orotic acid + Riboso5P → UMP → CMP → TMP Các nucleotide pyrimidine tổng hợp trực tiếp từ base nitơ pyrimidine với PRPP Uracil + PRPP → UMP + P-P Thymine + PRPP → TMP + P-P Cytosine + PRPP → CMP + P-P 12.4 Tổng hợp DNA Q trình tổng hợp DNA, hay cịn gọi tái bản, có ý nghĩa quan trọng đời sống thể liên quan đến chế di truyền Đây q trình phức tạp có tham gia nhiều yếu tố xảy nhiều hình thức Có thể chia q trình tái DNA thành kiểu - Tái bảo thủ Là trình tổng hợp DNA từ phân tử DNA gốc tạo phân tử DNA con, có phân tử phân tử DNA gốc cịn phân tử tổng hợp hồn tồn www.Beenvn.com 207 - Tái gián đoạn Là trình tổng hợp DNA từ phân tử DNA gốc tạo phân tử DNA có đoạn tổng hợp đoạn cũ DNA gốc xen kẽ Hai hình thức tái phổ biến - Tái bán bảo thủ Đây hình thức tổng hợp DNA từ phân tử DNA gốc tạo phân tử DNA con, phân tử DNA chuỗi lấy từ DNA gốc chuỗi tổng hợp Hình thức Meselson Stahl phát năm 1958 thực nghiệm nuôi cấy E.coli Trước hết E.coli nuôi cấy môi trường chứa 15N (Nitơ nặng) nên DNA tổng hợp nên chứa 15N tạo nên phân tử DNA có tỷ trọng cao DNA thường Sau chuyển E.coli vào môi trường chứa 14 N (Nitơ thường) theo dõi, phân tích hệ DNA tạo phương pháp li tâm phân đoạn với CSCl Qua kết phân tích li tâm cho thấy hệ thứ 100% phân tử DNA dạng lai, chuỗi chứa 15N chuỗi chứa 14N Ở hệ thứ có 50% dạng lai xuất 50% dạng 14N Điều chứng tỏ chế tái DNA dạng bán bảo thủ 12.4.1 Các yếu tố tham gia tái DNA - DNA khuôn Để tổng hợp phân tử DNA cần có phân tử DNA làm khn DNA vừa làm chức khuôn vừa tham gia sản phẩm trình tổng hợp - Nguyên liệu Để tổng hợp DNA cần có nguyên liệu Nguyên liệu desoxy Ribonucleotide Triphosphate (dATP, dGTP, dCTP, dTNP) dTMP vừa làm nguyên liệu vừa cung cấp lượng cho trình tổng hợp DNA - Enzyme Tham gia xúc tác q trình tái DNA có nhiều loại enzyme + DNA-polymerase, + Topoisomerase, + Helicase, + DNA-ligase - Protein Có nhiều loại protein tham gia vào q trình tái DNA với chức hỗ trợ, kích thích … + Protein bám sợi đơn SBS, + Protein DnaA, + Protein DnaB, + Protein DnaG www.Beenvn.com 208 12.4.2 Cơ chế tái DNA procariote 12.4.2.1 Giai đoạn mở đầu - Protein DnaB làm nhiệm vụ mở xoắn DNA cách phân hủy liên kết hydrogen chuỗi, tách chuỗi tạo nên chạc tái - Protein SBS đến gắn vào chạc tái - Primase xúc tác tạo RNA bổ sung vào chuỗi khuôn 3’-5’ 12.4.2.2 Giai đoạn kéo dài * Tổng hợp chuỗi sớm - Trên chuỗi khuôn 3’-5’ sau tạo đoạn RNA mồi, nucleotide tiếp tục đến gắn vào đầu 3’-OH chuỗi theo nguyên tắc bổ sung với chuỗi làm khuôn nhờ enzyme DNA-polymerace III xúc tác - Chuỗi sớm tổng hợp liên tục, tháo xoắn đến đâu nucleotide tự môi trường tế bào tương ứng bổ sung với nucleotide chuỗi khuôn đến gắn vào đầu 3’-OH cách tạo liên kết phosphodiester với nucleotide cuối đầu 3’ Đồng thời pirophosphate tách * Tổng hợp chuỗi muộn Trên chuỗi khuôn 3’-5’ DNA khuôn, chiều tháo xoắn chiều tổng hợp ngược nên trình tổng hợp không diễn liên tục mà tạo đoạn okazaki ngược chiều với chiều phát triển chạc tái Mỗi đoạn okazaki có RNA mồi riêng tổng hợp nhờ primase Mồi tổng hợp bỏ sung với chuỗi khuôn 5’-3’ ngược chiều tháo xoắn Quá trình tháo xoắn xảy đoạn khoảng 300 nucleotide tổng hợp RNA mồi theo chiều ngược lại Xúc tác cho trình tổng hợp chuỗi muộn phức hợp protein có tên primosom Primosom di chuyển chuỗi khuôn 5’-3’ tiến hành tổng hợp đoạn RNA mồi nhờ primase sau tổng hợp tiếp đoạn DNA bổ sung vào chuỗi khuôn nhờ DNA-polymerase tạo nên đoạn Okazaki Sau đoạn Okazaki hoàn chỉnh, RNA mồi tách nhờ DNApolymerase I sau thay vào vị trí đoạn RNA mồi đoạn DNA tương ứng Sau nhờ DNA-ligase nối đoạn Okazaki lại với 12.4.2.3 Giai đoạn kết thúc Quá trình kéo dài tiếp diễn hết phân tử DNA khuôn Kết từ phân tử DNA khuôn tạo phân tử DNA mới, phân tử DNA có chuỗi tổng hợp từ nucleotide mơi trường, cịn chuỗi DNA khuôn www.Beenvn.com 209 12.4.3 Tái DNA Eucariote Ở Eucariote trình tái DNA giống procariote có só đặc trưng riêng - Trên phân tử DNA khn q trình tái xảy đồng thời nhiều điểm - Vận tốc tái chậm procariote + Ở procariote vận tốc 500 nucleotide/S + Ở Eucariote vận tốc 50 nucleotide/S - Một số enzyme khác procariote + DNA polymerase α, + DNA polymerase β, + DNA polymerase γ, + DNA polymerase δ 12.5 Tổng hợp RNA (sao mã) 12.5.1 Các yếu tố tham gia tổng hợp RNA 12.5.1.1 Khn Để tổng hợp RNA cần có khn Khn DNA, RNA Ở phần lớn sinh vật RNA tổng hợp từ DNA, DNA làm khuôn Phân tử DNA làm khuôn sử dụng đoạn, tương ứng gen để tổng hợp nên phân tử RNA Như từ phân tử DNA tổng hợp nhiều RNA Đồng thời chuỗi DNA, sử dụng chuỗi 3’-5’ làm khuôn 12.5.1.2 Nguyên liệu Cùng tổng hợp DNA, trình tổng hợp RNA cần Ribonucleotide-Triphosphat làm nguyên liệu nguồn lượng 12.5.1.3 Các enzim protein * RNA-polymerase Có loại RNA-polymerase, loại xúc tác trình tổng hợp RNA từ DNA loại xúc tác trình tổng hợp RNA từ RNA Ở procariote RNA-polymerase có cấu tạo phức tạp Phân tử RNApolymerase gồm tiểu đơn vị α, β, γ, ω, δ www.Beenvn.com 210 Tiểu đơn vị Số lượng M Chức α 40.000 Nhận biết vị trí mở đầu β 155.000 Tạo liên kết P-diester γ 165.000 Gắn DNA khuôn ω 95.000 Chưa rõ δ 95.000 Nhận biết chuỗi làm khuôn điểm mở đầu * Yếu tố Rho (ρ): Rho loại protein tham gia vào trình kết thúc tổng hợp RNA 12.5.2 Cơ chế mã 12.5.2.1 Giai đoạn mở đầu Bước vào giai đoạn mở đầu RNA-polymerase tách yếu tố ρ khỏi enzyme Lõi enzyme tiến hành mở xoắn DNA Yếu tố ρ nhận biết biết chuỗi làm khn điểm mở đầu nhờ tín hiệu promotor Hai chuỗi DNA tách đoạn 30 nucleotide tạo nên vùng mã Chuỗi đơn DNA (chuỗi 3’-5’) nhận nucleotide gắn bổ sung vào nucleotide mở đầu DNA Tiếp theo nucleotide thứ đến gắn với nucleotide đầu liên kết phosphodiester tạo liên kết bổ sung với nucleotide chuỗi khuôn Sau liên kết phosphodiester tạo ra, yếu tố ρ tách khỏi vùng mã kết thúc giai đoạn mở đầu 12.5.2.2 Giai đoạn kéo dài chuỗi Nhờ lõi enzyme nucleotide môi trường đến kéo dài chuỗi theo nguyên tắc bổ sung với nucleotide chuỗi khn DNA Q trình kéo dài chuỗi xảy phức tạp gồm nhiều phản ứng liên hoàn tạo ổn định vùng mở xoắn Quá trình xảy theo trình tự sau: - Tháo xoắn DNA khuôn đầu 3’ chuỗi khuôn - Kéo dài thêm nucleotide chuỗi RNA - Tháo xoắn kép lai DNA-RNA đầu 5’ - Đóng xoắn DNA khn đầu 5’ www.Beenvn.com 211 Quá trình diễn theo chu kỳ nhờ lõi enzyme xúc tác gặp tín hiệu kết thúc 12.5.2.3 Giai đoạn kết thúc Có kiểu kết thúc: kết thúc nhờ yếu tố Rho kết thúc không nhờ yếu tố Rho - Kết thúc nhờ yếu tố Rho: bề mặt số vị trí kết thúc có loại protein Rho Rho di chuyển RNA tổng hợp tới vùng mã, Rho làm nhiệm vụ tách xoắn lai DNA-RNA, giải phóng RNA kết thúc q trình mã - Kết thúc khơng cần yếu tố Rho: Trên RNA có đoạn có cấu trúc ngược chiều (palindrome) mã tạo vùng palindrome, vùng tạo liên kết kép hình thành cấu trúc kẹp tóc nên làm ngừng q trình mã 12.5.3 Quá trình trưởng thành RNA Phân tử RNA từ DNA proRNA Từ proRNA phải qua trình biến đổi phúc tạp tạo RNAm 12.5.3.1 Gắn mũ vào đầu 5’ ProRNA chưa có mũ nên trước hết cần gắn thêm mũ vào đầu 5’ Pro-RNA Mũ tổng hợp sẵn nhân Mũ gắn vào đầu 5’ liên kết anhydric acid với nhóm Triphosphate ProRNA khơng gắn vào đầu 3’ trình kéo dài chuỗi 12.5.3.2 Gắn đuôi vào đầu 3’ Cũng mũ, đuôi RNAm khơng mã hóa gen mà tổng hợp riêng nhân ProRNA chưa có Đi nối vào với ProRNA đầu 3’ nhờ polyA-polymerase 12.5.3.3 Cắt bỏ đoạn Intron proRNA Trên Pro-RNA có đoạn khơng mã hóa amin acid (Intron I) để tạo RNAm cần cắt bỏ đoạn I nối đoạn mã hóa (ExonE) lại Để tín hiệu di truyền truyền đạt xác, cắt nối cần có độ xác cao cần cắt sai nucleotide làm thay đổi toàn mã di truyền phía sau vị trí cắt Giữa đoạn E I có trình tự nucleotide đặc trưng giống pro-RNA - Đầu 3’ E phía trước ln AG, - Đầu 5’của E phía sau ln G, www.Beenvn.com 212 - Đầu 5’ I GU, - Đầu 3’ I ln G Trong Intron có đoạn có vai trị quan trọng chế cắt nối pro-RNA Đó vị trí tách nhánh Qua vị trí này, tác động enzyme cắt Các Intron bị cắt bỏ Intron nối lại với Kết trình biến đổi tạo nên phân tử RNAm trưởng thành tham gia vào trình dịch mã TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT Hà Nội Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục Hà Nội Nguyễn Bá Lộc 1997 Hóa sinh Nxb Giáo dục Hà Nội Tài liệu dịch Musil J.G., Kurz K., Novakava O 1982 Sinh hóa học đại theo sơ đồ Nxb Y học Hà Nội Tài liệu tiếng nước Farkas G 1984 Nưvényi anyagcserlettan Akadémiai Kiadó Budapest Lehninger A L., 2004 Principle of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman www.Beenvn.com 213 Chương 13 Mối liên quan trình trao đổi chất Trong thể trình biến đổi chất khơng xảy riêng rẽ mà có mối quan hệ qua lại chặt chẽ Mối quan hệ thể trình biến đổi nhóm chất lẫn mối quan hệ q trình biến đổi nhóm chất khác Trong nhóm chất mối quan hệ thể qua q trình đồng hóa dị hóa Mối quan hệ tương hỗ đồng hóa dị hóa thể rhiện hai q trình xảy có chất trung gian chung Ví dụ phosphoglyceric aldehyde vừa sản phẩm trung gian q trình phân giải (dị hóa) vừa sản phẩm trung gian trình tổng hợp (đồng hóa) saccharose Giữa nhóm chất mối quan hệ diễn phức tạp hơn, nhiều hình thức Trước hết mối quan hệ thể qua chất trung gian Một chất sản phẩm phân giải nhóm chất lại nguyên liệu để tổng hợp cho nhóm chất khác Ví dụ Acetyl-CoA sản phẩm q trình phân giải glucose đồng thời nguyên liệu để tổng hợp acid béo Mối liên quan tương hỗ trình trao đổi saccharide, lipid, protein, nucleic acid có ý nghĩa quan trọng sống sinh vật Ví dụ việc chuyển hóa tinh bột thành đường sau tạo chất béo tháng mùa đông thực vật động vật, có ý nghĩa quan trọng việc tăng khả chịu rét chúng Việc chuyển biến chất béo thành đường hạt nảy mầm đảm bảo thức ăn cho phơi Trong q trình họat động sống thể, saccharide chất dự trữ quan trọng; thể cần phân giải thành phosphoglyceric acid thành pyruvic acid làm nguyên liệu cho tổng hợp amino acid, acid béo chất khác Chất béo dự trữ có vai trị tương tự, phân giải chất béo tạo nên acetyl-CoA để từ lại tổng hợp amino acid, saccharide … Khi thể hết nguồn dự trữ saccharide chất béo protein bị phân giải tạo sản phẩm để từ tổng hợp lipid, saccharide www.Beenvn.com 214 Q trình chuyển hóa có vai trị quan trọng sinh vật tự dưỡng lẫn sinh vật dị dưỡng Ở sinh vật tự dưỡng nguồn chất hữu sơ cấp quang hợp tạo glucid, trước hết glucose Từ nguồn saccharide đó, nhờ chuyển hoá tương hỗ tạo chất hữu mà thể cần đến lipid, protein, nucleic acid Ở sinh vật dị dưỡng sử dụng chất hữu có sẵn thức ăn để tạo nên chất đặc trưng cho thể Từ chất protein, lipid… có thức ăn qua trình biến đổi kiến tạo nên chất đặc trưng cho thể Do thành phần thức ăn khơng thể có đầy đủ nhu cầu thể q trình đồng hóa việc chuyển hóa nhóm chất thành chất hữu khác cần thiết cho thể 13.1 Mối liên quan trình trao đổi saccharide trao đổi lipid Hai q trình trao đổi lipid saccharide có mối quan hệ chặt chẽ với Saccharide dễ dàng biến đổi thành lipid ngược lại thông qua chất trung gian AlPG, PDA Acetyl-CoA Từ glucose qua trình đường phân tạo nên pyruvic acid Từ Pyruvic acid bị oxy hóa tạo nên acetyl-CoA Acetyl-CoA nguyên liệu tổng hợp acid béo Đồng thời q trình đường phân cịn tạo AlPG, từ AlPG biến đổi thành glycero-P , từ tạo nên glycerin Như từ sản phẩm phân giải saccharide tạo nên nguyên liệu để tổng hợp lipid glycerin acid béo Ngược lại qua phân giải lipid tạo nên chất trung gian acetyl-CoA, glycerin Từ acetyl-CoA, qua chu trình ornithine tổng hợp trở lại saccharide Từ glycerin tạo nên glycero-P từ tổng hợp lại saccharide Ở thực vật, vi khuẩn, nấm mốc, chu trình glyoxylic đường nối trực tiếp trình trao đổi lipid với trình trao đổi saccharide Qua chu trình acid béo sau phân giải thành acetyl-CoA biến đổi thành oxalo acetic acid, từ tổng hợp nên glucose Ngược lại từ glucose tạo acetyl-CoA từ tổng hợp trở lại lipid www.Beenvn.com 215 Mối liên quan trao đổi saccharide trao đổi lipid Saccharide AlPG Pyruvic acid Acetyl-CoA Chu trình glyoxylic Glycero-P Glycerin Acid béo Acetyl-CoA Lipid 13.2 Mối liên quan trao đổi saccharide trao đổi protein Pyruvic acid mắt xích chủ yếu nối liền trình trao đổi protein trao đổi saccharide Glucose qua trình đường phân tạo pyruvic acid Pyruvic acid nguyên liệu để tổng hợp số amino acid họ alanine: alanine, leucine, valine… Trong trình tổng hợp protein cần lượng ATP, mà ATP sản phẩm quan trọng trình trao đổi saccharide www.Beenvn.com 216 Sơ đồ mối liên quan trao đổi saccharide trao đổi protein Saccharide Ribuloso5P Erylozo4P Erytroso4P Shikimic acid His APEP APG Pyruvic acid Ser Phe, Tyr, Trip Protein Gly, Cys Ala, val, leu Asp Tre, Ila, Arg Met, Lys Glu Arg, Pro 13.3 Mối liên quan trao đổi saccharide trao đổi nucleic acid Trong trình phân giải saccharide theo đường pentosophosphate, Ribozo5-phosphate tạo nên Từ Riboso-5phosphate hình thành nên phospho-ribosyl-pyrophosphate (PRPP) nguyên liệu tổng hợp nên nucleotide purine nucleotide pyrimidine Ngược lại trình phân giải nucleic acid Riboso-5P tạo thành Từ Riboso 5P hình thành monosaccharide khác Kiểu liên quan thứ trình trao đổi nucleic acid trao đổi saccharide liên quan chặt chẽ trình sinh tổng hợp nucleotide diphosphate nucleotide triphosphate với mức độ phân giải saccharide tế bào trình phân giải gắn liền với trình phosphoryl hoá oxy hoá Sự phân giải saccharide tạo lượng để tổng hợp nucleotide diphosphate nucleotide triphosphate Qua trình tổng hợp saccharide lại cần tham gia sản phẩm tạo trình trao đổi nucleic acid, UTP tham gia vào trình tổng hợp polysaccharide www.Beenvn.com 217 13.4 Mối liên quan trao đổi protein trao đổi lipid Trao đổi protein trao đổi lipid có mối liên quan chặt chẽ thông qua chất trung gian Sự phân giải lipid tạo nên glycerin acid béo số chất khác serine, choline, sphingosine, H3PO4 … Trước hết acid béo bị phân giải tạo acetyl-CoA làm nguyên liệu để tổng hợp nên nhiều loại amino acid Glycerin trình phân giải tạo phosphoglyceric acid, từ làm nguyên liệu tổng hợp nên nhiều amino acid Những mối quan hệ xảy tương tự mối liên quan saccharide với protein phân tích Ngược lại, phân giải protein tạo nên hợp chất trung gian, từ tổng hợp nên lipid Các amino acid thoái hoá protein tạo ra, bị khử amine tạo nên acid pyruvic acid, oxalo acetic acid, α-cetoglutaric acid Trong số acid vừa nêu pyruvic acid có vai trị quan trọng trình tổng hợp lipid Từ pyruvic acid, acetyl-CoA tạo ra, acetyl-CoA nguyên liệu để tổng hợp nên acid béo đồng thời từ pyruvic acid tạo glycerophosphate từ tạo thành glycerin Glycerin acid béo nguyên liệu để tổng hợp lipid Trong trình phân giải lipid tạo thành nên lượng lớn ATP nguồn lượng cho trình trao đổi protein Ngược lại protein với chức enzyme có vai trị định phản ứng xảy trao đổi lipid chất khác khơng có enzyme khơng có phản ứng hố sinh xảy tức khơng có trao đổi chất www.Beenvn.com 218 Sơ đồ mối liên quan trao đổi lipid trao đổi protein Lipid Glycerin Những chất khác Acetyl-CoA Glycero-P AlP Fru.1.6d Acid béo Pyruvic acid APEP Rib5P His Ser Ala, val, leu Gly, Xyl Oxalo acetic acid AsP Tre, Met, Ile, Cys α-Ceto glutaric acid Glu Arg, Pro Phe Protein 13.5 Mối liên quan trao đổi protein trao đổi nucleic acid Giữa trình trao đổi protein trao đổi nucleic acid có mối quan hệ đặc biệt quan trọng mà biểu rõ chế truyền đạt thông tin di truyền DNA làm khuôn mã thành RNAm để từ tổng hợp nên protein Cấu trúc phân tử protein mã hoá DNA Quá trình trao đổi nucleic acid lại phụ thuộc vào có mặt phân tử protein-enzyme Đồng thời số amino acid nguyên liệu cho trình tổng hợp nucleic acid aspartic acid nguyên liệu để tổng hợp nucleotide pyrimidine, aspartic acid, glutamin, glycine nguyên liệu tổng hợp nucleotide purine www.Beenvn.com 219 Vì mối quan hệ mà nhiều nhà nghiên cứu cho tổng hợp protein sơ cấp cịn tổng hợp nucleic acid q trình thứ cấp làm nhiệm vụ tham gia vào trình tổng hợp protein Trong trình phân giải protein với tham gia ATP tạo nên nucleotide-peptid Các phân tử lai tạo nên protein làm đổi thành phần protein thể Đồng thời tổng hợp protein cần nucleotide triphosphat làm nguồn lượng (ATP, GTP) 13.5 Mối liên quan trao đổi lipid trao đổi nucleic acid Giữa lipid nucleic acid có mối liên quan trực tiếp, chủ yếu liên quan gián tiếp qua trao đổi saccharide protein Tuy nhiên có mối liên quan hai trình trao đổi chất Sự β.oxi hố acid béo nguồn trì đầy đủ cho tổng hợp nucleotide diphosphat nucleotide triphosphat qua q trình phosphoryl hố Ngồi q trình tổng hợp lipid tổng hợp phospholipid có tham gia CTP TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Trần Thị Ân (chủ biên) 1979 Hóa sinh đại cương (tập I, II) NxB KH&KT Hà Nội Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 2000 Hóa sinh học Nxb Giáo dục Hà Nội Nguyễn Bá Lộc 1997 Hóa sinh Nxb Giáo dục Hà Nội Tài liệu dịch Musil J.G., Kurz K., Novakava O 1982 Sinh hóa học đại theo sơ đồ Nxb Y học Hà Nội Tài liệu tiếng nước Farkas G 1984 Nưvényi anyagcserlettan Akadémiai Kiadó Budapest Lehninger A L., 2004 Principle of Biochemistry, 4th Edition W.H Freeman www.Beenvn.com ... học khoa học nghiên cứu thành phần hóa học thể sống trình chuyển hóa hóa học chất lượng trình hoạt động sống xảy thể sinh vật Là ngành khoa học bản, đồng thời khoa học ứng dụng, ngành khoa học... (biochemistry) Có thể nói rằng, hố sinh học phần lĩnh vực khoa học sống Nhiệm vụ chúng nhằm nghiên cứu tượng sống phương pháp hoá học Đây khoa học trẻ tuổi kỷ XX đà phát triển mạnh mẽ xâm nhập vào... Mối quan hệ hố sinh với ngành khoa học sinh học, nông nghiệp y học Trong sinh học có nhiều ngành, nghiên cứu sinh học ngày nghiên cứu mức độ phân tử Hoá sinh khoa học nghiên cứu sống mức độ phân