Acid Nucleic

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP MÔN HÓA SINH THỰC PHẨM ACID NUCLEIC NHÓM 18 : GVHD : TRẦN BÍCH LAM Thành viên thực hiện: 1. Võ Tường Lộc 2. Phạm Kim Long 3. Ngô Vũ Hoàng Ngọc 4. Trần Tấn Lộc 1 TP. HỒ CHÍ MINH, 11/2010 MỤC LỤC Lời giới thiệu 4 I. Thành phần cấu tạo của acid nucleic 4 I.1. Pentose 5 I.2. Base nito 5 I.2.1. Base pymiridine 6 I.2.2. Base purine 7 I.3. Acid phosphoric 9 I.4. Thành phần hóa học chính của DNA và RNA 9 II. Nucleoside và nucleotide 10 II.1 Nucleo side 10 II.2 Nucleo tide 12 II.3 Các nucleotide tự do quan trọng 14 II.3.1. Dẫn xuất adenine 14 II.3.2. Các dẫn xuất của hypoxanthine 15 II.3.3. Các dẫn xuất của guanosine 15 II.3.4. Các dẫn xuất của uracil 15 II.3.5. Các dẫn xuất của cytosine 15 II.3.6. Các enzyme nucleotide 15 II.3.7. Methionin hoạt hóa 16 III. Acid nucleic 16 III.1 Cấu trúc của acid deoxyribonucleic (DNA) 17 III.1.1. Cấu trúc bậc I 17 III.1.2. Cấu trúc bậc II 18 III.1.3. Tính chất DNA 20 III.2 Cấu trúc của RNA 20 III.2.1. Cấu trúc bậc 1 21 III.2.2. Cấu trúc bậc II 21 III.2.3. Các loại RNA 21 III.2.3.1 RNAt 21 III.2.3.2 RNAm 21 III.2.3.3 RNAr 21 2 IV. Chức năng sinh học của Acid nucleic………………………………………… 22 IV.1 Chức năng sinh học của DNA……………………………………………….22 IV.2 Chức năng sinh học của RNA…………………………………………… 22 IV.2.1. Chức năng sinh học của RNAm 23 IV.2.2. Chức năng sinh học của RNAt………………………………… 23 IV.2.3. Chức năng sinh học của RNAr 23 3 Lời giới thiệu Acid nucleic là hợp chất quan trọng bậc nhất trong sự di truyền và tổng hợp protein. Tất cả cơ thể sống đều chứa Acid nucleic hoặc dưới dạng tự do hoặc dưới dạng kết hợp với protein tạo thành nucleoprotein. Acid nucleic là những hợp chất cao phân tử đóng vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sống của mọi cơ thể sinh vật. chúng tham gia vào các quá trình cơ bản của sự sống như sinh tổng hợp protein, sinh trưởng, sinh sản, đặc biệt là di truyền…, Acid nucleic tham gia cấu tạo nhân tế bào, tế bào, và quyết định đặc tính di truyền của sinh vật. Acid nucleic là những hợp chất quan trọng không thể thiếu, không thể thay thế được trong hoạt động sống của mọi sinh vật. Acid nucleic được nhà bác học Đức F. Miescher tìm ra năm 1868 từ nhân tế bào. Do vai trò cực kỳ quan trọng của Acid nucleic, đặc biệt vai trò của chúng trong di truyền học nên những nghiên cứu về Acid nucleic ngày càng được xúc tiến mạnh mẽ và đạt được những thành tựu to lớn, áp dụng có hiệu quả trong các lĩnh vực : trồng trọt, chăn nuôi, y học, dược học, di truyền học,… Acid nucleic trong cơ thể dưới 2 dạng chính : - Acid ribonucleic (RNA) - Acid deoxyribonucleic (DNA) 4 Hình 2: Chuỗi DNA Hình 1: Chuỗi RNA Trước khi đi sâu vào chức năng sinh học của Acid nucleic, chúng ta cần nghiên cứu thành phần và cấu trúc của chúng, bởi vì chức năng sinh học của Acid nucleic liên quan chặt chẽ với thành phần cấu trúc của chúng. I. Thành phần cấu tạo của Acid nucleic Các nguyên tố tham gia trong cấu tạo Acid nucleic là: C, H, O, N, P; đạc biệt lượng P ( 8- 10 %) và hàm lượng N ( 15 -16 % ) khá ổn định. Khi thủy phân hoàn toàn Acid nucleic ta có các thành phần sau: H 3 PO 4 , pentose, và các base nito. I.1. Pentose Là monose có 5 cacbon. Trong thành phần cấu tạo Acid nucleic có 2 Pentose tham gia gồm D- ribose và D - desoxynbose. Hai chất này có trong acid nucleic dưới dạng Puran : . Hình 1.1. Furanose cấu trúc-ribose và deoxyribose RNA chứa D-ribose pentose, trong khi 2-deoxy ribose được tìm thấy trong DNA. Ở cả hai trường hợp, pentose hình thành vòng 5 cạnh được gọi là furanose: ribofuranose-D cho RNA và 2-deoxy-D ribofuranose-cho DNA (hình 1.1). Các ribofuranose ở nucleotide được đánh số nguyên tử là 1’,2’,3’, và như vậy để phân biệt với các nguyên tử trong vòng base nito. Hai phân tử đường này khác nhau ở C2'; trong ribose đó là nhóm hydroxyl và trong deoxyribose là một hydro (Hình 1.1). Do các gốc đường khác nhau này đã tạo ra hai loại nucleotide là ribonucleotide và deoxyribonucleotide, mà từ đó cấu tạo nên hai loại nucleic acid khác nhau tương ứng là RNA và DNA. Và chính sự khác biệt nhỏ nhặt về mặt cấu trúc này đã tạo nên các đặc tính hoá lý rất khác nhau giữa DNA và RNA. Dung dịch DNA tỏ ra đặc quánh hơn nhiều do sự trở ngại lập thể (steric hindrance) và mẫn cảm hơn với sự thuỷ phân trong các điều kiện kiềm (alkaline), có lẽ điều này giải thích phần nào tại sao DNA xuất hiện như là vật chất di truyền sơ cấp (primary genetic material). Cần để ý rằng, trong các phân tử đường này có ba vị trí quan trọng có chứa nhóm hydroxyl (-OH) tự do, đó là: (i) nhóm -OH ở vị trí C1' có khả năng hình thành liên kết N- glycosid với gốc -NH của các base để tạo thành các nucleoside; (ii) nhóm -OH ở vị trí C5' có khả năng hình thành liên kết ester với nhóm phosphate để tạo ra các nucleotide; và (iii) nhóm -OH ở vị trí C3' có khả năng hình thành liên kết phosphodiester với nhóm phosphate của một 5 nucleotide khác để tạo chuỗi polynucleotide. Như vậy, tính phân cực (polarity) trong gốc đường mà từ đó quyết định tính phân cực của các chuỗi polynucleotide được thể hiện ở hai vị trí C5' và C3'. I.2. Base Nito Cơ sở của nucleotide và acid nucleic là dẫn xuất của pyrimidine hoặc purine. Pyrimidine là vòng thơm 6 cạnh chứa 2 nguyên tử N và được đánh số theo chiều kim đồng hồ (hình 1.2). Còn cấu trúc vòng purine được cấu tạo từ sự kết hợp của 1 vòng pyrimidine với imidazole và tạo thành 1 hệ thống liên hợp toàn phân tử. 9 nguyên tử này được đánh số như hình vẽ. Hệ thống vòng liên hợp của pyrimidine nằm trên 1 mặt phẳng, trong khi đó purine có lệch đôi chút trong mặt phẳng bởi liên kết giữa pyrimidine và imidazol. Cả 2 đều tương đối không tan trong nước Hình 1.2. Vòng pyrimidine (a) và purine (b) Base Nito là dẫn xuất từ 2 nhân dị vòng là purine và pyrimidine, trong đó H được thay thế bởi nhóm hydroxyl (-OH), amine (-NH 2 ) hoặc methyl. I.2.1. Base pyrimidine 6 - U chỉ có trong RNA, không có trong DNA. - Phần lớn T có trong DNA, một ít trong RNA vận chuyển. - C có trong DNA và RNA. I.2.2. Base purine 7 - A và G có trong DNA và RNA. Các hệ thống vòng thơm pyrimidine và purine và giàu mật độ e của nhóm OH và NH 2 làm cho các base nito có khả năng tautomer hóa keto-enol. Nghĩa là pyrimidine và purine có cặp tautome, như trong hình vẽ: Hình 1.3. The keto/enol tautomerism of uracil. Hình thức tautomer keto được gọi là lactam, trong khi hình thức enol dược gọi là lactim. Dạng lactam chủ yếu tồn tại ở pH trung tính. Ví dụ: uracil có hai dạng hỗ biến: lactam (dạng keto) chiếm ưu thế ở pH = 7 và lactim (dạng enol) gia tăng khi pH giảm. Chính hiện tượng hỗ biến này dẫn tới thay đổi khả năng kết cặp bình thường của các base và làm phát sinh các đột biến gene dạng thay thế một cặp base. 8 Các base phổ biến trong cả DNA và RNA là tương đối bền vững ở trạng thái hỗ biến được gọi là dạng hỗ biến ưu thế (dominant tautomeric form); có lẽ đó là lý do tại sao chúng được chọn lọc để mang thông tin di truyền. Nói chung, các base này đều ít tan trong nước và có khả năng hấp thu ánh sáng cực đại ở 260-270 nanomet (1nm = 10-9m). Chúng có thể được tách ra bằng các phương pháp sắc ký và điện di. Hình 1.4. Các dạng hỗ biến của các base trong DNA. (A) Các dạng amino (phổ biến) của adenine và cytosine có thể biến đổi thành các dạng imino; và (B) các dạng keto (phổ biến) của guanine và thymine có thể sắp xếp lại thành các dạng enol. Các mũi tên biểu thị sự dịch chuyển vị trí nguyên tử hydro. R là các gốc đường và phosphate. I.3. Acid phosphoric: H 3 PO 4 - Phosphoric acid (H 3 PO 4 ) là acid vô cơ có chứa phosphor (P), một nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất và năng lượng của tế bào. - Do có chứa ba nhóm -OH nên acid này có thể hình thành liên kết ester với các gốc đường tại các vị trí C 5' và C 3' để tạo nên các nucleotide và chuỗi polynucleotide . 9 I.4. Thành phần hóa học chính của DNA và RNA Thành phần Ribonucleotide Dezoxyribonucleotide H 3 PO 4 H 3 PO 4 H 3 PO 4 Pentose Ribose Dezoxyribose Base Nito A, G, C, U A, G, C, T Ngoài thành phần chính trên, RNA và DNA còn chứa thêm một số base có nito khác: - DNA của vi khuẩn có N.6 methyladenine, 5-hydrocylmethylcystosine N.6 methyladenine 5-hydrocylmethylcystosine - DNA của thực vật, động vật chứa 5-methylcystosine. - RNA ribosome và ARN vận chuyển còn chứa base purine và pyrimidine được methyl hóa. - RNA vận chuyển còn chứa pseudouridin ( 5’ ribosyl uracil), hypoxanthine ( 6-oxypurine) , 1-methylhypoxanthine; 5,6-dihydrouracil, một ít thymine. Pseudouridine Hypoxanthin 1-methyl hypoxanthine II. Nucleoside và nucleotide II.1. Nucleoside 10 [...]... nucleoproteide mà phần acid nucleic là RNA Đường kính của ribosom khoảng 200A0 21 Sự tập hợp của chừng vài chục ngàn đại phân tử đó sẽ tạo thành một nhà máy vi mô vững chắc, có tổ chức hoàn hảo, có đủ khả năng đọc bản mật mã di truyền trong mạch RNAm và thực hiện thông tin đó ở dạng một phân tử protein đã chuẩn bị sẵn và có cấu trúc đặc hiệu Chức năng của acid nucleic IV Acid nucleic là phương tiện... của RNAt là vận chuyển acid amin từ tế bào chất đến ribosome để tổng hợp protein Mỗi RNAt gắn với một phân tử amino acid, mang đến ribosome để tham gia tổng hợp protein Mỗi RNAt đặc hiệu cho một loại amino acid Có hơn 20 loại RNAt khác nhau tương ứng với hơn 20 loại amino acid Trong thực tế, người ta thấy số lượng RNAt lớn hơn rất nhiều so với số lượng amino acid vì một amino acid có nhiều bộ ba mã... nucleotide của phân tử 20 Hình 3.5 Cấu tạo RNAt Nhiệm vụ của RNAt là vận chuyển acid amin từ tế bào chất đến ribosome để tổng hợp protein ở đó, cho nên với mỗi acid amin phải có ít nhất một RNAt tương ứng Nhưng trong tế bào, do một Acid amin có thể mã hoá bởi nhiều bộ ba, cho nên cũng sẽ có nhiều RNAt cùng vận chuyển một loại acid amin RNAt có cấu trúc không gian đặc trưng Phân tử RNAt có cấu trúc chia... ( coenzyme A) có vai trò vận chuyển nhóm acyl và acetyl II.3.7 Methionin hoạt hóa Methionine là 1 acid amin có nhiệm vụ cung cấp nhóm CH3 cho các chuyển hóa cơ thể, muốn tham gia chuyển methyl thì methionine phải được hoạt hóa bằng cách kết hợp với adenosine và tạo thành S adenosyl methionine III Acid nucleic Từ các đơn phân nucleotide liên kết lại bằng liên kết photphodiester tạo nên chuỗi polynucleotide... gọi là đầu 3' Chuỗi polynucleotide chỉ nối dài theo chiều 5'3', tức là nucleotide mới vào liên kết để kéo dài chuỗi chỉ được nối thêm vào đầu 3' 16 Hình 3: Chuỗi polynucleotide III.1 Cấu trúc của acid dezoxyribonucleic (AND) III.1.1 Cấu trúc bậc I DNA là polymer của nhiều deoxyribonucleotide, có chứa các base nito: A,G,T,C được nối với nhau bởi liên kết 3’5’ phosphodiester Trọng lượng phân tử lớn: 4000000-... 3A0 Khoảng cách giữa 2 deoxyribose đối xứng là 11 Ao Khoảng cách giữa 2 acid phosphoric là 20 Ao ( bề rộng phân tử DNA) 18 Hình 3.3 Chuỗi DNA Có thể hình tượng mỗi chuỗi polynucleotide gồm 3 dải: + Trong cùng là dãy base nito liên kết với base nito của dải đối xứng bằng liên kết Hidro + Kế đến là dãy dezoxyribose + Ngoài cùng là dãy acid phosphoric Hình 3.4 Chuỗi DNA - Phần lớn DNA gồm 2 sợi xoắn kép... cùng 1 pentose tạo cấu trúc nucletide vòng Một số dạng nucleotide vòng quan trọng như: cAMP, cGMP Nói chung, các nucleotide thường có tính acid mạnh và tan trong nước Các nucleoside monophosphate được xem là các axit đúng như tên gọi phản ảnh (ví dụ AMP là adenylic acid hay adenylate); chúng có sự ion hoá sơ cấp với pKa 1-2 và ion hoá thứ cấp với pKa 6,5-7,0, như sau: -H2PO3 ↔ -HPO3- + H+ ↔ PO3-2 + H+... như Mg2++ và Ca2++ (chúng tương tác với các nhóm phosphate α và β hoặc β và γ) Tóm lại, nucleotide có vai trò vô cùng to lớn với trao đổi chất tế bào sống chúng là viên gạch để xây dựng đại phân tử acid nucleic, tham gia thành phần 1 số enzym quan trọng, một số nucleotide là chất tích lũy năng lượng cần thiết để thực hiện các quá trình hoạt động sống Sau đây,chúng ta sẽ tìm hiểu về các nucleotide tự...Nucleoside là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của Acid nucleic, gồm base nito liên kết với pentose bằng liên kết N-glucosid, giữa N thứ 1 của base pyrimidine hay N thứ 9 của base purine với C 1’ của pentose Cách gọi tên: - - Gọi tên theo pentose: Nucleoside... polynucleotide còn chịu sự tác động của các yếu tố của môi trường nội và ngoại bào làm các nucleotide bị biến đổi, tạo ra các RNAt mới Các RNAt cùng tham gia vận chuyển một acid amin là các izoaceptor Số lượng izoaceptor thay đổi tùy acid amin 4.2.3 Chức năng của RNAr 22 RNAr tập trung ở Ribosome, là nơi tổng hợp protein RNAr được tổng hợp trong nhân con và ngay sau đó liên kết với protein để tạo nên . thể dưới 2 dạng chính : - Acid ribonucleic (RNA) - Acid deoxyribonucleic (DNA) 4 Hình 2: Chuỗi DNA Hình 1: Chuỗi RNA Trước khi đi sâu vào chức năng sinh học của Acid nucleic, chúng ta cần nghiên. chức năng sinh học của Acid nucleic liên quan chặt chẽ với thành phần cấu trúc của chúng. I. Thành phần cấu tạo của Acid nucleic Các nguyên tố tham gia trong cấu tạo Acid nucleic là: C, H, O,. sinh trưởng, sinh sản, đặc biệt là di truyền…, Acid nucleic tham gia cấu tạo nhân tế bào, tế bào, và quyết định đặc tính di truyền của sinh vật. Acid nucleic là những hợp chất quan trọng không